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金属卤化物灯主要依靠金属卤化物作为发光材料，金属卤化物以固体形态存在灯内。因此，灯内必须充有少量的引燃气体氢或氙，以便点燃灯泡。灯点燃后，首先工作在低气压弧光放电状态，此时灯两极电压很低，约18～20V，光输出也很少，这时主要产生热能，使整个灯体加热，引入灯中的金属卤化物随温度升高不断蒸发，成为金属卤化物蒸气，在热对流的作用下，不断向电弧中心流动，一部分金属卤化物被电弧5500～6000K高温分解，成为金属原子和卤素原子，在电场的作用下，金属原子被激发发光；另一部分金属卤化物不被电弧高温所分解，在高温和电场双重作用下，直接激发形成分子发光。  
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电弧管内充有汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物。工作时，汞蒸发，电弧管内汞蒸气压达几个大气压(零点几个兆帕);卤化物也从管壁上蒸发，扩散进入高温电弧柱内分解，金属原子被电离激发，辐射出特征谱线。当金属离子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域中与卤原子相遇，并且重新结合生成卤化物分子。这种循环过程不断地向电弧提供金属蒸气。电弧轴心处的金属蒸气分压与管壁处卤化物蒸气的分压相近，一般为    1330~13300Pa。通常采用的金属平均激发电位为4eV左右，而汞的激发电位为7.8eV。金属光谱的总辐射功率可以大幅度超过汞的辐射功率。结果，典型的金属卤化物灯输出的谱线主要是金属光谱。充填不同种金属卤化物可改善灯的显色性(平均显色指数Ra为70~95)。汞电弧总辐射中仅有23%在可见光区域内，而金属卤化物电弧的总辐射则有50%以上在可见光区域内，灯的发光效率可高达120lm/W以上。    金属卤化物与电极、石英玻璃之间以及卤化物相互之间在高温下都会引起化学反应。金属卤化物容易潮解，极少量水的吸入可造成放电不正常，使灯管发黑。电极电子发射物质系采用氧化镝、氧化钇、氧化钪等，以防止发射物质与卤素发生反应。电弧管内有些金属(如钠)会迁移，结果会使卤素过量，导致卤素负电性极强，引起电弧收缩和启动电压、工作电压升高。金属卤化物灯仅靠触发电极的作用是不能可靠启动的，一般采用双金属片启动器，或者采用有足够高启动电压的漏磁变压器，也有采用电子触发器的。金属卤化物灯的点燃还需要限流器(即镇流器)，其工作电流比同功率高压汞灯的要大一些。