照明发展史13 — 卤钨循环与卤钨灯-知识-云知光

卤素的作用

玻壳里充进了惰性气体，装上了性质均匀的双螺旋灯丝，白炽灯的发光情况比以前好多了，特别是使用寿命长了许多。

但是还不够理想。

一方面，惰性气体的保护作用随着充填气体压力的增加而加强，为此要求玻壳的体积越小越好；另一方面，为了使蒸发的钨不致把玻壳很快变黑，又要求玻壳尽可能做得大一些。这就又是一个矛盾。

再说，以上一系列的努力只不过是使钨丝的蒸发速度有所减慢。钨丝仍在蒸发着，而且逃脱不了这样的规律：温度越高，蒸发越快。钨粉落在玻壳内壁上，时间一长，玻壳变黑，钨丝白炽灯的寿命一般只有1000小时左右。

原因在于惰性气体分子对于蒸发的钨原子只起狙击的作用。狙击不可能万无一失，漏网的钨原子会通过惰性气体分子之间的空隙，溜到玻壳壁上去，而一旦钨原子来到玻壳壁上，赖着不走，惰性气体分子对它们也就无能为力了。

怎么办呢？能不能找到一种物质，它们既能抑制钨丝蒸发，又能在钨原子溜到玻壳壁以后，跑过去把“逃兵”抓住并送回到钨丝上去呢？

很多人都在琢磨这个问题，设法为钨丝找到一位“新朋友”。直到1959年，一位名叫弗里德里奇的美国人，才终于找到几位能够担当这一任务的“搬运工”，它们就是卤族元素及其化合物。

卤族元素简称卤素，包括氟、氯、溴、碘等几个成员。它们在一定的温度条件下，能够同钨化合，生成氟化钨、氯化钨、溴化钨、碘化钨，统称卤化钨，而在更高的温度下，它们又会顺利地分解成钨和卤素，恢复本来的面目。

这个特点具有根本的意义。

你看，人们往玻壳里充进一点卤素，接通电源以后，灯丝发热放光，同时开始蒸发。蒸发出来的钨，大部分被惰性气体顶撞回去，还有一部分向玻壳壁运动，并在温度逐渐降低的情况下与卤素结合，生成卤化钨气体。卤化钨气体反过来又向灯丝方向扩散，大约在距灯丝只有几毫米远的地方，又因高温而分解成钨和卤素，分解出来的钨可以重新沉积到灯丝上的，卤素则返回玻壳内壁附近去参加下一次反应。

热心的卤素这样来来回回地奔忙，像是一个勤奋的“搬运工”，把从钨丝上蒸发出来并溜到玻壳壁上的钨原子，一个个地重新搬回到钨丝身上去。它也像一位尽心尽职的“保姆”，总是不厌其烦地把走离了家的“孩子”送回家去。

钨和卤素的这种反应是循环重复地进行的，所以被叫做循环反应。钨和卤素在不断进行的循环反应中化合而又分解，消失而又再生，所以又叫再生循环反应。

这样看来，卤素所做的工作确实要比惰性气体有效得多。惰性气体对钨原子只是采取阻拦战术，阻拦不住只好听之任之，毫无办法。卤素实行的却是积极进取，主动争夺，要是漏网的钨原子跑到子玻壳壁上，它们会赶上去把“逃跑者”“揪回原籍”。

既然卤素能把蒸发的钨原子仍旧送回到钨丝上，那么钨丝的工作寿命不就可以无限地延长了吗？实际情况并不这么简单。

卤族元素的4个成员，都能在钨丝灯泡里进行再生循环，它们之间的主要差别，只是发生循环反应所需的温度不同，与灯内其他零件和杂质发牛化学反应的活泼程度也不一样。

在碘、溴、氯与钨的再生循环中，从玻壳壁上被送回来的“再生钨”可不是一下子就沉积到灯丝上的，而是先在灯丝附近徘徊，然后才寻找合适的安身之所的。如果灯丝各部分的温度不尽相同，那么钨在温度高的地方蒸发得快，而在温度低的地方沉积得多，于是钨就会慢慢地“搬家”，不断地从温度高的地方搬迁到温度低的地方。

事实上，灯丝不管做得如何均一，总还是有的地方租一点，有的地方细一点的。电灯点亮以后，灯丝比较粗的地方，电阻比较小，发热比较少，温度比较低；而灯丝比较细的部位，电阻比较大，发热比较多，温度比较高，钨在这里蒸发离去的多，沉积回来的少，如此久而久之，细的部位将会越来越细，灯丝最后就在这里断成两截。

由此可见，灯丝上的高温热点是它的致命伤，灯丝通常都是在这样的点位损坏的。

只有氟是例外。

在氟钨循环里，氟化钨在3000℃以上才分解，比普通灯丝工作温度还高。因此，氟化钨里的钨，总是分解沉积到灯丝上温度比较高的地方；哪里有高温热点，它就到那里去分解沉积。这样，氟钨循环既防止了在灯丝上出现高温热点，也消除了钨原子沿灯丝的迁移现象。从理论上来说，这种灯的灯丝的工作温度可以接近钨的熔点，并能获得无限长的使用期限，成为名副其实的“长命灯”。

可是，氟钨灯又带来了一个新的问题；氟的个性过于活泼，爱跟各种元素打交道，对于灯里的许多零件，及至玻璃泡壳都有强烈的腐蚀作用，至今还没有找到合适的解决办法。因为这个缘故，充氟灯泡直到现在仍处于试验研究阶段，没有得到实际应用。

卤钨循环原理其实早在107年前就被发现了，往白炽灯里充进卤素的设想也在本世纪初就有人提出，可为什么第一只卤钨灯直到50年代末才姗姗到来呢？

关键是材料和工艺方面的问题。卤素是化学性质极活泼的元素，对灯内的金属零件有强烈的腐蚀作用，容易造成导线支架的过早损坏。另外，当时用作玻壳的都是普通玻璃，体积很大，灯泡点亮时玻壳的表面温度只能达到100～150℃，这样的低温不足以促成卤素和钨的化合，而且钨的卤化物一定要在温度超过250℃时才挥发，可当时用作玻壳的普通玻璃根本经受不了这样的高温。直到50年代初，对解决这个问题也没有取得明显的进展。

有意思的是，在应用卤钨循环原理方面首先取得突破性进展的，不是白炽灯，而是在航天技术的红外辐射器中。

1954年，美国通用电器公司为宇宙航行进行模拟试验，制成了一批管形石英红外线加热器，它用钨丝作红外线发射源，试验要求在短时间内每平方米的辐射功率达到数万千瓦。开始试验时，由于钨丝工作温度很高，使石英管很快变黑。后来在辐射器里放进少量的纯碘，钨丝工作温度即使达到2700℃以上，石英管仍能保持剔透明亮。这一突破性进展看来似属偶然，实际上是在卤钨循环原理研究，以及石英玻璃制作、封装工艺等问题基本解决的基础上取得的。

这一成功直接推动了卤钨灯的研制工作，使电光源工作者深受启发，他们抛弃了球形玻壳的传统观念，采用直径只有10～12毫米的管形玻壳。电灯工作时玻壳温度很高，但是耐高温的石英玻璃、高硅氧玻璃承受得了。过去人们总以为改进制灯工艺的方向是使灯泡里的气体纯净更纯净，免得发生会使照明设备遭到破坏的化学反应，而现在却要往玻壳里充进卤素，故意制造卤钨循环反应，并利用它们来提高白炽灯的发光效率和延长使用寿命。

就这样，第一只卤钨灯在1959年问世了。卤钨灯的问世使白炽灯的工作原理和设计思想发生了革命性的变化，揭开了白炽灯发展史上崭新的一页。

卤钨灯

热心的卤素加入了保卫钨丝的行列，它们不知疲倦地忙碌奔波，为改进白炽灯献身尽力。

到目前为止，在理论和实践上应用卤钨循环原理比较成功的是碘钨灯和溴钨灯。

最早问世的卤钨灯是用碘作循环剂的碘钨灯。这是因为在4个卤族元素里，碘的性质最不活泼，不像其他几种卤素那样有强烈的腐蚀作用。

待灯泡里充进纯碘、玻壳壁的温度控制在250～1200℃之间，从灯丝上蒸发出来的钨就会在玻壳壁附近与碘化合成碘化钨。随着气体的对流，碘化钨将扩散到灯丝附近，由于这里的温度可以高到2000℃以上，不太稳定的碘化钨就会在这里分解成碘和钨，钨重新回到灯丝上继续工作，碘则再次向玻壳方向扩散去完成新的“搬运”钨的任务。

同普通白炽灯相比，碘钨灯大大减少了钨的蒸发量，延长了使用寿命，提高了工作温度和发光效率。普通白炽灯的平均使用寿命是1000个小时，碘钨灯要比它长一半，发光效率提高30％。

从个子来看，碘钨灯显得特别小巧玲珑，同样一只500瓦的灯泡，碘钨灯的体积只有白炽灯的1％。它的玻壳里除了有碘，还充进了惰性气体，又小又结实，充气压力高达1.5～10个大气压。

根据用途的不同，碘钨灯可分好几种。

有的碘钨灯能发出大量看不见的红外线，热效率高，是加热干燥用的理想热源。

有的碘钨灯功率大，可辐射出大量的光能，用作大型车间、广场、体育场、机场、港口等处的照明很合适。

有的碘钨灯是新闻摄影、彩色照相制版，以及电影摄影、放映的光源，功率高、体积小、重量轻是它的主要优点。在一部分激光装置中，碘钨灯还可用做光泵。

碘钨灯的光效高、亮度大、结构紧凑，这些正是交通车辆照明求之不得的长处。现在火车特别是汽车上的聚光灯、雾灯、主前灯等，正在逐步改用碘钨灯。

最常见的碘钨灯，有着像钢笔一样的细长身材。灯的主体是一根直径10～12毫米的石英管，软化点高达1700℃。灯丝上每隔一定距离用一个支撑圈托着灯丝，灯两端的长方形扁块是封接部分，用来保证既能导电，又不漏气。

碘钨灯也有不足之处。

碘蒸汽是紫红色的，它多少会对碘钨灯的亮度和发光效率产生一定的影响。碘钨灯工作时玻壳里有气体对流，个别地点的温度有可能下降到不足以维持碘钨循环反应进行的程度，结果使玻壳的局部发黑。还有，水平放置的管形碘钨灯必须用溴代替硫放得很平，倾斜度不得超过4度，否则就会影响灯的寿命。溴钨灯可以在相当程度上克服这些缺点。

溴钨循环与碘钨循环相似，只是溴的化学性质比碘更活泼，是比碘更勤快的“搬运工。溴钨灯里充溴的数量更得严格控制，稍稍超过就会对灯丝温度比较低的部位产生腐蚀。

实验研究告诉我们，氢能缓和溴的化学活性，如果把溴化氢或溴的碳氢化合物充进灯里，那么对灯内金属零件的腐蚀作用将会轻得多。

溴钨灯里的溴化氢可以在200～1100℃的玻壳壁温下进行正常的溴钨循环，所以可以用来制作大功率高光效的电光源。

溴清洁玻壳壁的效果比碘好，玻壳发黑的问题基本得到解决。溴化氢是无色透明的气体，不吸收可见光，比碘钨灯的发光效率高。溴钨灯里的气体对流不影响灯的寿命，使用时也不像碘钨灯那样一定要水平放置。

在不少岗位上，溴钨灯已经取代了碘钨灯。

溴钨灯发光体的形状多种多样，有点状、线状，还有面状。

点状的溴钨灯工作温度和发光效率高，在光学仪器、电影放映、光刻等方面有广泛应用。

用很多螺旋状的灯丝，排列成一个均匀的发光面，这就成了面光源溴钨灯。线光源和面光源溴钨灯正逐步被应用到电影、电视、摄影、舞台等方面。