UV燈管中石英玻璃特性

UV燈管的電弧管是用透明石英玻璃制造的,透明石英玻璃對UV光透過率高,對可見光和紅外線也有很好的透射率,如圖1所示為國產和進口透明石英玻璃UV光透射率,圖2為透明石英玻璃紅外線透射率。表1列出透明石英玻璃對不同波長的UV光的透射率。

國產、進口透明石英玻璃透UV光曲線

圖1 國產、進口透明石英玻璃透UV光曲線
A—國產透明石英玻璃;B—進口透明石英玻璃

透明石英玻璃UV光透射率

表1 透明石英玻璃UV光透射率

透明石英玻璃透紅外光曲線

圖2 透明石英玻璃透紅外光曲線
1-10mm厚玻璃曲線;2—2.85mm厚玻璃曲線;3-0.5mm厚玻璃曲線

透明石英玻璃膨脹系數低,一般為5X10-7,是普通玻璃的1/20,圖3為透明石英玻璃膨脹系數與溫度的關系曲線。

透明石英玻璃膨脹系數與溫度關系

圖3 透明石英玻璃膨脹系數與溫度關系

透明石英玻璃在1200°C時膨脹系數最小,機械強度最大。石英玻璃耐高溫,純凈石英透明玻璃的熔化溫度為1713°C,汽化溫度為2100°C,結晶溫度為1300°C。石英電弧管耐溫1100-1200°C,短時可耐1400°C高溫,最佳工作溫度為800°C,石英管在800-1000°C時用冷水激不會爆裂。當然不純凈的石英這些指標均有所下降,如連熔石英玻璃熔化溫度約為1400°C。

石英是一種透明的非結晶體,石英玻璃主要成分是二氧化硅(Si02),—般含量在99.9%以上(爐煉石英管含Si02量為99.95%,氣煉石英管的Si02含量為99.97%,高純Si02為99.999%即所謂“5個9”的石英管)。石英在高溫下揮發量很大,在不同溫度下石英揮發量不同,2500°C時揮發量達40%,表2所列為石英在高溫下的揮發量。使用石英玻璃制造高功率燈管時,燈管冷卻非常重要。用風或水冷卻,若冷卻時間不夠長,燈管工作在高溫下,管壁內部石英開始揮發成氣體,而管壁看上去發白,失去透明性,嚴重阻擋UV光照射出來。當燈內氣體壓強過高,引起燈內氣體湍流,燈內電弧由直線形變成曲線形(蛇形)。當蛇形電弧飄動得厲害時,電弧碰到玻璃殼上把燈管燒毀,出現玻璃管局部凸起或把管壁燒個窟窿。因此高功率密度燈管直徑要大,讓電弧碰不到玻璃殼。

石英在離溫下的揮發量

表2 石英在離溫下的揮發量

石英玻璃屬酸性物質,所以抗酸性很強,硫酸、鹽酸、硝酸等都不與石英發生反應,只有氫氟酸才與石英起反應。而石英抗堿能力很弱,石英怕堿性物質,如鈉、鉀等元素都影響石英,因此石英中含鈉、鉀是很不利的,應盡量減小其含量。石英玻璃中含有羥基、鋁、鈣、鎂、鈉、鉀、鐵、鈷、硼等雜質,雜質的總量一般小于總體積的0.02%。雜質中對燈的發光和壽命危害最大的是羥基和鉀、鈉。在點燈過程中的高溫狀態下,羥基會從玻璃體內向燈管內部滲透。滲透到電弧管內的羥基在電弧的作用下將分解為水、氫、氧,從而加強了燈內的水循環,使燈管內部發黑,UV光透不出來,燈管失去輻射UV光的作用而壽終。要求高壓汞燈用石英管的羥基含量要小于4-6μg/g。在金屬鹵素燈內羥基的危害更大,羥基在高溫下會和鹵化物反應生成鹵化氫,鹵化氫大量捕捉電子,使燈啟動困難。石英中的鈉、鉀在高溫下使石英析晶,致使透明的石英晶體變為不透明、發污白的結晶體,結晶體大量吸收UV光線而影響紫外光的發出,造成燈管壽終。

石英還有一個重要的性質是透氣性,在500-800°C時,氫氣、氦氣可自由穿過石英壁的原子間隙。而氦氣進入燈內會使燈的啟動電壓升高,導致點燃困難直至燈報廢。因此UV燈不能在有氦氣的環境中使用,石英透氦氣對金屬鹵化物燈是嚴重的威脅。因此壁負荷高的金屬鹵化物燈要用髙純度天然石英。

 

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