荧光灯阴极技术存在的问题及对策

　　引言
　　自1879年爱迪生发明世界第一个电灯炮以来，已经过了一个多世纪。相对于烛光来讲，电灯的确是一重大进步，但它本身至今却没有多少改进。其原理几乎仍同蜡烛一样，通过加热而发光，使能量的90%都消耗在加热上，且寿命一般也只有1000小时左右。
　　荧光灯又称热阴极低气压水银荧光灯（以下简称荧光灯），是人们普遍使用的一种电光源。它通过激发管壁上的荧光粉发光，虽然在能耗和寿命上比灯炮有较大改进。但其灯丝脆弱易断，启辉器接点易打火老化。近年来发展起来的电子镇流器虽然可以实现冷启动，但也很容易击伤灯丝上的活性物质而使灯管两端很快发黑而失效。
　　近期，一项专利新技术成功地研究解决了上述问题，在技术上取得了突破性进展：即玻管使用稀土净化玻璃玻管，阴极使用永久性的现代陶瓷电极，荧光粉使用“稀土三基色+ETC”荧光粉。此举使其能耗降低90%，寿命延长了十几倍，且能发出约8%的健康射线。使用时光线明亮、柔和且能杀死（包括SARS）病毒、净化环境，确保人体健康。
　　 1. 问题
　　荧光灯的寿命与其它电光源一样有两种定义：一是光通量下降到初始光通量的某一百分数的时间，称为有效寿命；二是灯管无法工作的时间，称为全寿命。荧光灯的全寿命主要决定于阴极寿命。至今，荧光灯所使用的阴极仍存在着比较严重的问题：
　　1.1.荧光灯的阴极与其它加热电极一样，活性物质的发射密度和工作温度有很大关系。在温度升高时，发射电流按指数规律上升，但是随着温度的升高，电极活性物质的蒸发加快，
　　1.2.荧光灯阴极的大小是根据其工作时的额定电流设计的。电流超过额定值，电极工作温度升高，电极活性物质蒸发加快，荧光灯寿命缩短。电流每增加1%,寿命将缩短1.7%。电流过小，阴极位降增高，电极活性物质溅射严重，荧光灯的寿命也要缩短。
　　1.3.如果启动过早，阴极冷启动所引起的溅射会缩短其寿命；如果启动过迟也不利，因为阴极的预热电流往往是正常工作电流的1.5倍，过长时间的预热使电极发射物质蒸发过多。在荧光灯全寿命的过程中，对其启动电流的要求是不同的。任何一种镇流器都不可能做到在荧光灯全寿命的过程中，其电流洽好适合荧光灯适时启动电流的要求。
　　1.4.氧化物电极的发射机理，是盈余钡原子使得氧化物形成半导体并降低了逸出功。自由钡原子是通过氧化物涂层上的气孔扩射的。因此，涂层中的孔隙率和氧化物涂层的颗粒度及形状有关，并和氧化物的储量形成了不可克服的矛盾。
　　1.5.荧光灯的启动电压不仅与灯内气体压强有关，而且与灯的极距有关，灯的启动电压是压强与极距乘积的函数。荧光灯内的气体一般都是用惰性气体，因为它不与电极和灯壳起化学反应。另外，惰性气体不会吸收电子而形成负离子。荧光灯中的气体一般用氩气，因为在惰性气体中，氩气的成本最低。同时氩原子的亚稳态电位比汞的电离电位高的最少，它和汞配合是最理想的“潘宁”气体。几种常用气体的数据见附表，利用氩做成的荧光灯启动电压最低。因此，实际上荧光灯都是充氩气或充氖氩混合气。附表中电极溅射电位，是指当电极位降值大于表中所列数值后，该气体对电极产生严重溅射时的电位。如充氩气时，氧化物电极位降大于26伏后，则电极产生严重溅射，电极氧化物层受到破坏，管端发黑。当电极位降进一步提高，则溅射更严重。这样恶性循环下去，最后使荧光灯提前寿终。
　　1.6.荧光灯在启动的瞬间，电极温度较低，热至发射很小，阴极位降很大，约有150伏以上，此时的放电主要是在启动气体氖氩中进行。从附表中看出，这一数值远远超过了电极溅射电位（充氩时溅射电位为26伏）。荧光灯在启动的过程中对电极氧化物层溅射严重，使钡层损失很大，这是荧光灯减短寿命的主要因素。
　　 2. 对策
　　现代陶瓷电极最基础时的设计理念，就是针对荧光灯存在的以上问题及矛盾产生的，并在不断实践中改进和完善了其设计理念。
　　“现代陶瓷”这是美国人的说法，我们中国人称它为“特种陶瓷”。现代科学技术全球化，所以我也称之谓现代陶瓷，因为很多特种陶瓷随着时间的变迁已经普通化了，只有“现代”才具有新颖性。
　　现代陶瓷在电光源学的心脏——热电子发射体电极找到了它的应用，确是一件值得庆幸的事。这类以高熔点，低蒸气压金属氧化物经陶瓷化制成的热电子发射体电极，具有前所未有的优势。二次大战中期，人类发明了钨钍电极的真空管，后来，由于采用间热式方式耗功太大被半导体晶体管所替代。时代进入二十一世纪后，随着科技的进步，特别是随着现代陶瓷技术的发展，如果我们还是沿用前人所走的老路，那就是对不起我们中华民族的祖先。
　　 2.1. 成分
　　现代陶瓷灯电极，采用高熔点、低蒸气压金属氧化物制成。它可以广泛地用在低气压冷、热阴极荧光灯及其它气体放电灯中。选用这种材料是因为其性能在高温、高压下的惰性气体中特别适合。尤其是熔点高且蒸气压低的碱土和稀土元素，具有极佳的热电子性能，作为荧光灯中的热电子发射体是完全可以胜任的。
　　2.2.制造
　　现代陶瓷灯电极制成圆片、圆筒、蝶形等形状及这些形状的综合。作为直热式的电极是利用粉末冶金技术和特种制瓷技术，以细分散的亚态金属（具有金属态又具有氧化态的金属，称之为亚态金属）微粒与其氧化物分散均匀，并经过称重、干混、热压成型，在特定条件下于1480℃煅烧且引出电极。这种陶瓷在制造中混入的杂质已不能用化学分析法测定出来，不过光谱分析可以测出其杂质的痕量。
　　2.3.激活
　　常温时，我们所制造的现代陶瓷灯电极是一种绝缘体，而它本质上却是一种半导体。根据半导体的能带理论，在空的能带中并无有用电子，而在高温时，这空的能带变成激活了的电子导带。当轰击电子的功能超过作为靶子的氧化物生成热时，就会发生分解。现代陶瓷数码健康灯已使用可变频率的脉动电流，当顾客使用我们的产品时，给他们的感觉是一天比一天亮。这里，电解与化学还原无疑地促使施主原子出现，故，那些与之相反方向的电子对亚态金属离子轰击的机理做出了有用的贡献。
　　2.4.应用
　　现代陶瓷灯电极的应用，对于附带钨丝电极的电极结构，可以大大降低电极的热点温度，并使其寿命延长。因为当灯管作为阳极的正半周期时电子向阳极运动，首先被现代陶瓷电极所接收，其电子并不流经钨丝电极而直至导丝。这样做的好处：①电极在正半周期时现代陶瓷电极截获不少电子，使钨丝电极避免了电子轰击，因而降低了电极热点的温度。②现代陶瓷电极截获的电子，不流经钨丝电极而直至电源，使电极因减少了放电电流所产生的焦耳热而使电极热点温度下降。③由于现代陶瓷电极加强了正半周期收集电子的能力，因而使阳极位降值下降，正柱区辐射增加，电子波的辐射效率提高。④现代陶瓷数码健康灯特殊设计的电极是将钨丝作为“触发极”，荧光灯一旦启动点燃，现代陶瓷电极兼有阴、阳和冷、热极两极的作用。并将其发射或接收的电子波集中成一条直线波，使电子发射的效率成倍地提高了。
　　 3. 结束语
　　现代陶瓷灯电极的应用，消除了由于灯电流在电极上转化为热能因而对电能的大量消耗，从而使荧光灯的能耗大幅度地降低。现代陶瓷灯电极对光、电的阻抗敏感可使荧光灯的镇流器适应性大大提高。因而，可将其镇流器集成化、数字化，使荧光灯的生产总成本降低且寿命与光效大幅度地提高。
　　现代陶瓷电极已满意地用在低气压热阴极荧光灯中了。它们表面光洁、尺寸准确与热膨胀系数低等物理性质于灯的工作非常有利。这其中的互含量和制造工艺还可改进，以获得最佳的条件来适应特定的设计。该电极装置是很牢固的，因而适应于变化的情况。与钨丝电极或其它金属电极相比，现代陶瓷电极具有抵抗毒化剂，从散射频率中恢复，并保持沉积到最小限度等能力。因射频辐射小，对环境保护很有利。且工作电压、频率、功率都可大幅度地改变，能给我们一个很长的服务周期。
　　人类在电光源技术方面走过了一段艰辛而漫长的路。在荧光灯生产技术发展的今天，使用现代陶瓷灯电极，CTC高透光率灯管玻璃，稀土三基色+ETC荧光粉及数码镇流器等高科技工艺技术。使我们制作的荧光灯，其照明光线几乎与太阳光相同，并且还能发出约8%的对人体健康非常有利的能杀死（包括SARS）病毒的健康射线。这样，就会使我们制造的“现代陶瓷数码健康灯”，真正在激烈市场竞争中得到“卖点”。