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圆排机上紧凑型荧光灯的阴极分解
(东南大学电光源研究中心 南京 210096)
提出一种圆排机在间歇转位的运动特征下紧凑型荧光灯的阴极分解机制，并运用该机制来分析圆排机的汇流排在设计上存在的问题及其对灯管和设备的影响。
随着紧凑型荧光灯乍产规模的 断扩大，许多企业将灯管排气这一关键工序由手工排气台逐渐过渡到圆排机的生产方式。然而，有些企业在购进圆排机或整条自动生产线后面临许多灯管质量问题，特别是排气过程在出现的阴极分解不完全等等，由于硬件的制约，给技术人员调整排气工艺造成很大困难，究其根源，常常是排气过程中阴极分解的通电这一重要环节出现问题，有的已不能像手工排气台上调整排气工艺那样来解决类似的质量问题。
与其它气体放电灯一样，紧凑型荧光灯制造的核心环节就是排气的工艺过程，日前完成灯管排气最具代表性的圆排机是48工位圆盘式间歇转位的排气机，在这类圆排机上灯管的阴极分解，其直热式氧化物阴极的分解电流是通过圆排机上的汇流排将控制柜的输出电流传至灯丝来实现的，而圆排机间歇转位的运动特征和分解电流在各工位上的可调性决定了灯丝通电始终处于断续通电状态，由此带来与手工排气台灯管阴极分解不同的深刻变化，形成了圆
排机上灯管特有的阴极分解机制
1 紧凑型荧光灯的排气工艺
将已封口的灯管在烘箱中烘烤至450℃以上，使阴极中残留的有机溶剂、水汽等物质充分蒸发并由真空泵将其抽走，待气体压强小于2Pa后，即进行灯丝的通电分解和激活。
灯管所用阴极是直热式金属氧化物阴极，灯丝表面涂敷着一层三元碳酸盐，三元碳酸盐的分解产物是碱土金属氧化物。接着，金属氧化物离解并在晶体内获得少量过剩钡原子后，成为良好的发射体，这就是阴极分解的主要日的。
1．1 硝化棉的分解和三元碳酸盐的分解
阴极分解电流逐步上升，阴极温度达500℃左右时硝化棉分解：
C6H8O3(ONO)2→2NO2↑+4H2O+cO↑+5c
待大部分气体放出并抽走后，继续升温至600℃始、并随温度的走高，三元碳酸盐开始分解，放出c02:
(Ba、Sr、Ca)CO3→(Ba、Sr、Ca)O+CO2↑
这是个可逆反应，平衡压力l33Pa。为使反应完全，在阴极分解的实际过程中，分解放出的二氧化碳不断被抽走，灯丝温度逐渐升至l100～l200℃，灯丝被点亮呈桔黄色，在此状态下维持十数秒钟，阴极分解即告完成。
1．2 阴极的激活
随着管内气体被不断抽走，管内真空度提高，从而给阴极的激活和盈余钡的产生提供了必要条件。
当阴极通电加热到1200～l350℃时，涂层中的氧化钡与钨丝作用还原出钡：
6BaO+W→Ba3WO6+3Ba
当盈余钡扩散到整个涂层时，阴极便具有了良好的电子发射能力。上述反应的同时还伴随着许多相关反应，其生成物如锆酸钡锶钙等，对防止离子轰击有利，还能抑制过量钨酸钡阻挡层的产生。
在阴极激活后向灯管内充人遁鲢的启动气体高纯氩气，排气工艺结束。
2 圆排机上灯管阴极的通电加热方式
以48工位间歇转化的圆排机为例。目前配用的汇流排将阴极分解电流传至灯丝，钨丝电阻热致使阴极加热，加上烘箱对灯管的烘烤，构成了各工位下的断续加热方式，如图1所示(某中问段6个工位的阴极温度变化示意图)。
在这段阴极分解的过程中，由于通电的断续性使阴极温度在烘烤温度以上，1200℃以下大约600℃的范围波动，相应的阴极分解反应速度、放气量也随波动而剧烈变化 与连续通电下的恒温反应相比，这种波动下的阴极分解反应效率打了很大的折扣，不再与通电时间等同。
这在每小时l200只灯管的圆排机生产率下不到20个工位的阴极分解主干阶段显得阴极
分解时间较短，因此常常采用提高烘箱温度来压缩并上提温度波动范围、上提抽速以使阴极分解更加完全。然而这种接近600℃ 的烘烤温度已经远远脱离了灯管荧光粉涂层烘烤除气的温度区间，给灯管质量和圆排机的正常使用带来了诸多不利影响。
3 灯管阴极在较大反应温度波动下的阴极分解行为
紧凑型荧光灯的阴极分解不仅仅是前述的化学反应，从物理化学的角度来分析，阴极涂层在分解过程中既是复杂的化学反应，又是复杂的气固两相反应；阴极分解反应既具有碳酸盐类的晶体学特征，又具有金属氧化物的金属学特征。
3．1 阴极在较大反应温度波动下的相变特征
阴极在通电加热过程中，因为灯丝两端导丝的吸热，使得灯丝温度最高区域是在远离导丝的中段，这种现象在非持续加热的情况下显得特别突出，存在着中段到两边的较明显的温度梯度。在中段，虽然温度最高的层面在涂层里侧，但最先发生化学反应的是在涂层的表面。这是因为反应放出的二氧化碳气体在表层的逸出功最小。因此当存在较大温度波动的情况下，上述化学反应在温度的波峰处没有足够的时间利用温度向灯丝全长上的扩散来进行多点阴极分解，反应的效率低。还有，二氧化碳气体持续被抽走，阴极分解反应向右进行，逐层析出金属化合物。在通电加热因间歇转位而中断的情况下，灯丝温度急速降低，相变接近中止，待转位完成后通电再使阴极升温，阴极分解得以由表及里、由中段向两边一步一步地进
行，放气量也在这种波动下随之波动，持久放气的时间缩短了许多。对持久抽气的真空泵来说抽气的效率降低，也就是说，需针对性地提高泵的抽速，圆排机群泵的总抽速也得提高，成本提高。
3．2 阴极的金属氧化物在较大温度波动下的金属学特征
金属氧化物作为阴极分解反应的产物，在一个温度波动区间里，尚未将涂层的三元碳酸盐消耗完，因此当二氧化碳气体放出后，生成的金属氧化物在碳酸盐晶体表面某些特定的晶面或晶界上形核并核长大。在温度较大波动情形下，形核率高而核长大速度慢，于是金属氧化物较为致密，在碳酸盐晶体表面形成了薄壳，减慢了碳酸盐晶体内在下一个温度波峰的二氧化碳气体逸出，所以阻碍了阴极分解的顺利进行。涂层的这种“夹生”缺陷甚至能够在老炼后发生作用，在灯管燃点的过程中慢慢放出微量二氧化碳气体，逐渐地破坏灯管内的气体放电环境，造成启动困难、光衰明显等质量问题。
4 圆排机的汇流排在设计上存在的不足
在认识到圆排机是紧凑型荧光灯阴极分解存在的不足后，反观现有众多圆排机上与之紧密关联的汇流排部件可以发现，设计者普遍不强调各工位转位运动时阴极分解电流的瞬时切换。通电间隔越大的汇流排，对应的灯管阴极分解越不理想。尽管现有多种调整排气工艺的手段可以弥补，但如果在汇流排设计上以间歇转位运动特征下的阴极分解机制作为设计
模型，就可以尽量地缩短阴极分解工位在转位时的不通电时问，使得阴极分解的稳定性和效率明显提高，如图2所示：

判定汇流排设计的合理性，用一个简单的观察方法即可，那就是观察阴极分解时的灯管，阴极的桔黄色在整个阴极分解过程中始终是亮着的，不会因圆排机的间歇转位而暗下来。这样的汇流排才最大限度地满足了阴极分解的有关工艺要求。