高輝度放電ランプ

高輝度放電ランプ（HIDランプ）は、半透明または透明な溶融石英または溶融アルミナの発光管の中にあるタングステン電極間の電気アークによって光を生成する電気 ガス放電ランプの一種です。 ^[1]この管は希ガスで満たされており、適切な金属または金属塩も含まれていることがよくあります。^{[説明が必要]}希ガスはアークの最初の点火を可能にします。アークが開始されると、金属混合物を加熱して蒸発させます。アークプラズマ内に希ガスが存在すると、金属はスペクトルの可視部分に多くの発光スペクトル線を持っているため、所定の電力入力に対してアークによって生成される可視光の強度が大幅に増加します。高輝度放電ランプはアークランプの一種です。

新品の高輝度放電ランプは、赤外線に比べて可視光の割合が高いため、消費電力当たりの可視光が蛍光灯や白熱灯よりも多くなります。ただし、HID 照明のルーメン出力は、10,000 点灯時間を超えると最大 70% 低下する可能性があります。

現代の多くの車両では、主な照明システムにHID電球が使用されていますが、一部のアプリケーションではHID電球からLEDやレーザー技術に移行しています。^[2]

HID ランプのアーク管には、光の強度、相関色温度、演色評価数(CRI)、エネルギー効率、寿命などの望ましい特性に応じて、さまざまな種類の化学物質が使用されています。HIDランプには次のような種類があります。

• 水銀灯
• メタルハライド（MH）ランプ
• セラミックMHランプ
• ナトリウムランプ
• キセノンショートアークランプ

これらのタイプのランプの発光要素は、壁面負荷が 1 平方センチメートルあたり 3 ワット (19 W/平方インチ) を超える^耐火エンベロープアーク管内に含まれる、十分に安定化されたアーク放電です。

水銀灯は、最初に市販された HID ランプです。元々は青緑色の光を発していましたが、最近のバージョンでは色合いが目立たない光を発することができます。ただし、水銀灯は人気がなくなり、ナトリウム灯やメタルハライドランプに取って代わられつつあります。

メタルハライドランプやセラミックメタルハライドランプは、テレビや映画の制作、屋内や夜間のスポーツの試合、自動車のヘッドランプ、水槽の照明など、正常な色の外観が重要となる用途に役立つ中性白色光を発するように作ることができます。

低圧ナトリウムランプは極めて効率的です。濃い黄橙色の光を発し、実効CRIはほぼゼロです。このランプの光の下で見たものは単色に見えます。このため、特に写真の安全照明として効果的です。高圧ナトリウムランプは、より白い光を発する傾向がありますが、それでも特徴的なオレンジピンクがかった色合いです。より白い光を発する新しい色補正バージョンが現在入手可能ですが、色を改善するために効率がいくらか犠牲になっています。

蛍光灯と同様に、HID ランプもアークを開始して維持するためにバラストが必要です。最初にアークを発生させる方法はさまざまです。水銀灯や一部のメタルハライド ランプは通常、主電極の 1 つ近くにある第 3 の電極を使用して開始されますが、他のランプ タイプは通常、高電圧のパルスを使用して開始されます。

HIDランプの有毒な水銀の代替品が研究されており、現在も研究が続けられています。実験では有望な結果が示されており、今後幅広い応用が期待されています。^[3]

一部のHIDランプは、クリプトン85やトリウムなどの放射性物質を利用しています。^{[4] [5] [6] [7] [8]}これらの同位体はランプの始動を助け、ランプの動作特性を改善します。^{[4] [6]}

クリプトン85は気体であり、ランプの発光管内のアルゴンと混合されています。 ^[8]固体のトリウムは電極に使用されます。^[8]

これらの同位体は、アルファ型とベータ型の電離放射線を生成します。この放射線はランプから逃げることができず、ランプ内部で高い電離を引き起こします。^[6]高い電離により、タウンゼント雪崩によるアークの始動がはるかに容易になります。さらに、電極にトリウムが存在すると仕事関数が低減し、これもまたアークの始動と維持が容易になります。

ランプから逃げる同位体によって生成されるガンマ線の量はごくわずかである。 ^[6]

HIDランプは、通常、広い範囲に高レベルの光が必要な場合や、エネルギー効率や光強度が求められる場合に使用されます。これらのエリアには、体育館、大規模な公共エリア、倉庫、映画館、フットボールスタジアム、^[9]屋外活動エリア、道路、駐車場、通路が含まれます。最近では、ルーメンを低減した電球の進歩により、HIDランプは小規模な小売店や住宅環境でも使用されています。超高性能（UHP）HIDランプは、LCDまたはDLPプロジェクションテレビセットやプロジェクションディスプレイにも使用されています。

HID ランプは、特に自然の生息地で高いレベルの直射日光を必要とする植物にとって、屋内ガーデニングを実用的なものにしました。HID ランプ、特にメタルハライドランプと高圧ナトリウムランプは、屋内ガーデンの一般的な光源です。また、屋内水槽で熱帯の強い日光を再現するためにも使用されます。

ほとんどの HID ランプは大量の紫外線を放射するため、ランプ器具部品の紫外線による劣化やランプで照らされた染色品の色あせを防ぐために紫外線遮断フィルターが必要です。紫外線遮断フィルターが故障していたり​​、紫外線遮断フィルターが取り付けられていない HID ランプにさらされると、人や動物が日焼けやアーク眼などの傷害を負うことになります。多くの HID ランプは、外側の紫外線遮断ガラスが破損するとすぐに消えるように設計されています。

1990年代初頭から、HIDランプは自動車のヘッドランプに採用されてきました。キセノン、または高輝度放電（HID）照明はヘッドライトを明るくし、標準的なハロゲン照明では影に隠れてしまう多くの周辺物体（道路標識や歩行者など）の視認性を高めます。しかし、明るいヘッドライトはグレアに関する苦情を引き起こしています。^[10]

HIDランプは、単位電力あたりの光量が大きいため、高性能の自転車用ヘッドランプや懐中電灯などの携帯用ライトに使用されています。HIDライトは同等のタングステンハロゲンライトの半分以下の電力しか使用しないため、大幅に小型で軽量な電源を使用できます。

HID ランプは、従来の着陸灯や誘導灯の代わりとして、多くの航空機で一般的に使用されるようになりました。^{[引用が必要]}

HID ランプは、水中ダイビング用のランプにも使用されます。ハロゲン ユニットと比較して HID ランプの 効率が高いため、一定のバッテリー サイズと光出力で点灯時間が長くなります。

HID ランプにはさまざまな色 (一般に色温度と呼ばれる) があり、ケルビン(K)で測定されます。ケルビン色温度スケールの範囲は、1000K (琥珀色)、3000K (黄色)、5500K (白色)、8000K (青色)、12000K (紫色) です。

HIDランプは、主にランプのアーク管内の様々な金属添加物の使用とガス放電プロセスの物理的性質によって、異なる色の光を生成します。^[11]

• 金属添加物: HID ランプには、希ガス (キセノンなど) を含むガス混合物が充填されたアーク管が含まれています。これらの金属添加物は、さまざまな色の光を生成するために不可欠です。さまざまな金属は、通電時に特定の波長で光を発し、この特性によってランプの色出力が決まります。
• ガス放電プロセス: ランプの動作には、アーク管内の電極間に電気アークを発生させることが含まれます。このアークは強力な熱を生成し、管内のガスと金属添加物を励起します。励起された原子が基底状態に戻ると、光の形でエネルギーが放出されます。
• スペクトル発光: 発光される光のスペクトルは、励起原子のエネルギーレベルと金属添加物の特性によって異なります。各金属は特定の波長で発光し、特定の色になります。
• 蛍光体コーティング:水銀灯などの一部の HID ランプでは、発光管の内面に蛍光体コーティングも使用されています。これらの蛍光体は、励起されたガス原子から放出される紫外線 (UV)を吸収し、可視光を再放出します。UV 光と放出された可視光の組み合わせにより、より幅広い色のスペクトルが生成されます。
• 演色評価数 (CRI) : HID ランプは、必ずしも優れた演色特性で知られているわけではありません。演色とは、光源が自然光と比較して物体の実際の色をどれだけ正確に表示するかを指します。HID ランプによってCRI値は異なり、他のランプよりも優れた演色性を提供するランプもあります。

金属添加物とその濃度を選択することにより、ランプメーカーはさまざまな照明ニーズを満たすために、異なる色温度とスペクトル特性を持つ HID ランプを作成できます。

HIDランプのほとんどは、自然光に近い5000K～6000Kの色温度範囲で製造されています。これは、スポーツスタジアム、倉庫、プロジェクションテレビ、ガーデニングライトなど、高い輝度が求められる用途に役立ちます。 ^[12]

しかし、自動車のヘッドランプなどの特定の用途では、HIDランプは黄色や白から青や紫までほぼすべての色で製造されています。^[13]

摩耗の要因は、オン/オフ サイクルと合計オン時間から主に生じます。最も摩耗が大きくなるのは、HID バーナーがまだ熱い状態で点火され、金属塩が再結晶化する前に点火された場合です。

寿命の終わりに、多くの種類の高輝度放電ランプはサイクリングと呼ばれる現象を示します。これらのランプは比較的低い電圧で始動できます。しかし、動作中にランプが加熱すると、発光管内の内部ガス圧が上昇し、アーク放電を維持するためにより高い電圧が必要になります。ランプが古くなると、アークを維持するために必要な電圧が最終的に上昇し、電気バラストによって供給される電圧を超えます。ランプがこの点まで加熱されると、アークが消えてランプが消えます。最終的にアークが消えると、ランプは再び冷却され、発光管内のガス圧が低下し、バラストが再びアークを点火できるようになります。この結果、ランプはしばらく点灯してから消えるという動作を繰り返すことになります。より高度なバラスト設計ではサイクリングを検出し、数サイクル後にランプの始動を中止します。電源を切って再投入すると、バラストは新しい一連の始動試行を行います。

HID ランプの摩耗と経年劣化に関連するもう 1 つの現象は、放射された光線の変色 (「フェーディング」^[14] ) です。一般的に、青や紫への変化が見られます。この変化は最初はわずかで、一般的にはランプが「慣らし運転」している兆候ですが、全体的には良好な動作状態にあります。しかし、寿命が近づくにつれて、HID ランプは青と紫の光しか発していないように見えることがよくあります。プランクの法則に基づくと、これはアークを維持するために必要な電圧の増加と温度の上昇の直接的な結果です。

超高圧ランプでは、水銀を含んだ石英管が爆発することがあります。^[15]爆発すると、最大 50 mg の水銀蒸気が大気中に放出されます。この量の水銀は潜在的に有毒ですが、壊れたランプによる主な危険はガラスの切り傷であり、壊れたランプに時々さらされても悪影響はないと予想されます。フィリップスは、壊れたランプを取り扱う際には、水銀掃除機、換気または呼吸保護具、目の保護具、防護服の使用を推奨しています。水銀ランプは常に専門的な廃棄またはリサイクルが必要であり、管轄区域によっては多くの場所で法的に義務付けられています。^[16]