光源原理考題答案

1、 時(shí)間：1月19日上午8:3010:30 地點(diǎn)：HGX210 題型：判斷, 選擇, 填空, 名詞解釋, 簡答, 計(jì)算 答疑：1月18日下午1:304:30, 電光源樓207 2009-01-08源原理與設(shè)計(jì), 復(fù)習(xí)要點(diǎn)第一章 光源的特性參量1. 光波長的劃分區(qū)域（P1）2. 輻射度量和光度量, 以及它們之間的關(guān)系（輻射度量P14，光度量P812）(一)輻射度量e定義：光源輻射出來的光(包括紅外線、可見光和紫外線)的能量稱為光源的輻射能量。單位：J焦耳。(輻射功率)Pe定義：在單位時(shí)間內(nèi)通過某一面積的輻射能量稱為經(jīng)過該面積的輻射通量，而光源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出去的總能量就叫做光源的輻射通量。輻射通

2、量也可稱為輻射功率。單位：W瓦。e定義：光源在某一方向上的輻射強(qiáng)度Ie是指光源在包含該方向的立體角內(nèi)發(fā)射的輻射通量Pe與該立體角之比：Ie=Pe/單位：W/sr當(dāng)光源在空間各個(gè)方向發(fā)出的輻射通量均勻分布時(shí)，Ie=Pe/44.輻射出(射)度Me和輻照度EeMe定義：一個(gè)有一定面積的光源，如果它表面上的一個(gè)發(fā)光面積S在各個(gè)方向(在半個(gè)空間內(nèi))的總輻射通量為Pe，則該發(fā)光S超的輻射出(射)度為Me=Pe/S單位：W/m2Ee定義：表示物體被輻射程度的量稱為輻照度Ee。它是每單位面積上所接收到的輻射通量數(shù)，即Ee=dPe/dS(s表示接收器的面積元)e定義：光源在給定方向上的輻射亮度Le(，)是光源在

3、該方向上的單位投影面積、在單位立體角中的輻射通量即Le(，)=Pe（，）/（S*cos*）S代表發(fā)光面的面積，是在給定方向和發(fā)光面法線之間的夾角，是給定方向的立體角，Pe（，）是在該立體角內(nèi)的輻射通量。單位：W/（m2*sr）Le(，)通常與方向有關(guān)，若Le(，)不隨方向而變，則Ie(，)正比于cos，即Ie(，)=I0cos。滿足上式的特殊輻射體稱為余弦輻射體，黑體就是這樣的輻射體。對(duì)于余弦輻射體，有Me=Le6.光譜輻射量(輻射量的光譜密度)光譜輻射通量定義：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射通量稱為光譜輻射通量(簡稱譜輻通，也可稱為輻射通量的光譜密度)P，P=Pe/,單位：W/m光譜輻

4、射出（射）度定義：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射出度稱為光譜輻射出（射）度M=dMe ()/d,單位：W/m3光譜輻射量度 定義：光源發(fā)出的光在每單位波長間隔內(nèi)的輻射亮度為光譜輻射量度L，即L=dLe()/d,單位：W/(m3*sr)（二）光度量定義：光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光源光通量單位：lm(流明)，相當(dāng)于Wv定義：光源在給定方向上單位立體角內(nèi)輻射的光通量I，I=d/d單位：坎德拉cd如果光源是各向同性的，=4I3. 照度E定義：單位面積上受到的光通量數(shù)，即E=/S單位：勒克斯(lx)定義：光源上每單位面積向半個(gè)空間內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：lm/m2光照度與光出度M=E，是小于1

5、的系數(shù)，稱為漫反射率。定義：光源在某一方向上的單位投影面、在單位立體角中發(fā)射的光通量單位：cd/m2，1cd/m2=1lm/(m2*sr)對(duì)于余弦輻射體，有M=LQ定義：光源在單位時(shí)間段內(nèi)所發(fā)出的光的總和稱為（該時(shí)間段內(nèi)的）光量。單位：lm*s，lm*h3. 光效計(jì)算公式（P1213）光效率(efficiency): 光源的輻射能量占輸入能量的百分比。光效能(efficacy): 光源的光通量與輸入能量的比值。Km= 683 lm/W光效(efficacy): 光源的光通量與輸入能量的比值。v轉(zhuǎn)換成可見輻射的功率占總功率的比例K輻射光效4. 光源的色溫（P14）當(dāng)光源所發(fā)出的光的顏色與黑體在某

6、一溫度下輻射的顏色相同時(shí),黑體的溫度就稱為該光源的顏色溫度Tc,簡稱色溫(CT)。5. 光源的顯色性（P13）光源的顏色有兩方面的意思：色表和顯色性。人眼直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。顯色性是指光源的光照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果。如果各色物體受照的效果和標(biāo)準(zhǔn)光源(黑體或重組日光)照射時(shí)一樣，則認(rèn)為該光源的顯色性好(顯色指數(shù)高)；反之，如果物體在受照后顏色失真，則該光源的顯色性就差(顯色指數(shù)低)。顯色性也稱演色性或傳色性。6. 光源壽命：全壽命、平均額定壽命和經(jīng)濟(jì)壽命（P16）全壽命燈點(diǎn)燃到不能工作的時(shí)間平均壽命隨機(jī)抽取的光源樣品在額定條件下燃點(diǎn)時(shí)壽命的平均值,也即50%的燈不能工

7、作時(shí)所燃點(diǎn)的時(shí)間經(jīng)濟(jì)壽命(有效壽命)光源的光通維持率下降到某一百分比時(shí)所燃點(diǎn)的時(shí)間(一般室外70% , 室內(nèi)80% 是可接受)一般有：經(jīng)濟(jì)壽命平均壽命 V等, 故V, 即反常輝光放電GH段：I足夠大, 電極溫度達(dá)到熱電子發(fā)射溫度,J V陰 V等 V弧光放電4. 輝光放電與弧光放電的區(qū)別輝光放電由陰極區(qū)、負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)、陽極區(qū)5部分組成，而弧光放電由陰極位降、正柱區(qū)和陽極位降3部分組成；輝光放電工作于高電壓、小電流，而弧光放電工作于低電壓、大電流；低氣壓弧光放電的正柱區(qū)除具有更高的帶電粒子濃度外，與輝光放電正柱區(qū)的性質(zhì)基本一樣，但是，在高壓弧光放電中則有著不同的物理過程和性質(zhì)。5.

8、線光譜、帶光譜和連續(xù)光譜的形成原因（LS09 13）激發(fā)態(tài)原子自發(fā)躍遷到低能級(jí) 線光譜激發(fā)態(tài)分子自發(fā)躍遷到低能級(jí) 帶光譜正負(fù)帶電粒子復(fù)合 連續(xù)譜6. 譜線放寬機(jī)制（LS10 4）輻射原子自身原因：自然寬度不確定原理；多普勒寬度多普勒效應(yīng)外界原因：壓力放寬外部粒子對(duì)輻射的干擾；斯塔克放寬外部電場的影響7. 輻射轉(zhuǎn)移方程的推導(dǎo)及其求解*第五章 熒光燈1. 汞在各種氣體放電燈中的作用發(fā)光材料：緩沖氣體：啟動(dòng)氣體：2. 無汞氣體放電燈的可行性無汞時(shí)，電壓低。尋找材料替代汞的特性。3. 不同管徑低氣壓汞放電的最佳汞蒸氣壓38mm(T12)0.8Pa;4. 稀有氣體在各種氣體放電燈中的作用啟動(dòng)：緩沖：發(fā)光

9、：5. 低氣壓汞放電正柱的能量平衡方程（P145）電子從電場獲得的能量=電離能量+彈性碰撞損失+紫外輻射+其他輻射6. 熒光燈的發(fā)光原理（P150）與熱輻射相比熒光是一種產(chǎn)生具有很少熱量的光的過程。適當(dāng)?shù)牟牧衔崭吣茌椛?，接著就發(fā)出光，所發(fā)光子的能量比激發(fā)輻射的能量低。當(dāng)發(fā)光的材料是固體時(shí)，該材料通常就稱為熒光粉。激發(fā)熒光的高能輻射可以是電子或具有高速度的離子，也可以是從射線到可見光范圍的光子，但其波長要比發(fā)射的光的波長要短。在熒光燈中，是靠放電產(chǎn)生的紫外輻射來激發(fā)熒光粉產(chǎn)生要求的可見光譜，因此是一種光致發(fā)光過程。7. 熒光燈的外徑由38 mm縮小到3 mm帶來哪些宏觀和微觀的變化？宏觀：縮小

10、管徑，電場E增加微觀：電子溫度Te增加，Hg(61P1)濃度增加, 185 nm輻照度增加,熒光粉光衰增大。8. 熒光粉的發(fā)光原理（P150）熒光粉含有激活中心，它們都是特定的離子，或者是單個(gè)的陽離子，或者是絡(luò)陰離子。當(dāng)紫外輻射入射到熒光粉上時(shí)，某一激活中心的束縛電子被激發(fā)到比基態(tài)高得多的能級(jí)上但仍被束縛于該特定的離子中。一部分吸收能量通過振動(dòng)能的形式轉(zhuǎn)移給周圍的固體離子，而該電子則降低到它的最低激發(fā)態(tài)。電子在該激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間從10-9s到長達(dá)10s之久，然后以光子的形式輻射能量而回到基態(tài)。與熱輻射的連續(xù)光譜和氣體放電輻射的原子線光譜不同，熒光粉的發(fā)射光譜是單個(gè)光譜帶，帶寬可在幾納米到160

11、nm之間變化。9. 稀土三基色熒光粉為何能提高光效？光效計(jì)算公式如下可見增加380nm780nm的光可提高光效。稀土三基色熒光粉中心波長: 藍(lán)：455485 nm,綠: 525560 nm,紅: 595620 nm,故可提高光效。10. 為何細(xì)管徑熒光燈必須用三基色粉？（P166167）（同7題微觀）管徑為38mm的普通熒光燈采用鹵磷酸鹽熒光粉。對(duì)管徑為26mm（T8）的細(xì)管熒光燈，由于表面負(fù)載本身就比T12燈大，加之管徑細(xì)時(shí)電子溫度升高，使185.0nm紫外輻射的比例增加，因而T8燈的185.0nm輻照度是T12燈的2倍左右。這樣，就加速了鹵磷酸鹽熒光粉的衰退過程。對(duì)于管徑為17mm和12m

12、m的緊湊型熒光燈和T5熒光燈，由于它們承受的185.0nm輻照度要比T12燈大6倍左右，因此必須采用稀土三帶熒光粉。11. 熒光燈的尺寸和電參數(shù)計(jì)算（P165）12. 熒光燈電極結(jié)構(gòu)和電子發(fā)射機(jī)理（P167168）結(jié)構(gòu)：電極包括陰極和陽極。 交流工作時(shí),電極既作陰極也作陽極。電極需要能有效地發(fā)射和收集電子。陰極主要用于產(chǎn)生熱電子發(fā)射。陰極燈絲結(jié)構(gòu): 雙螺旋陰極,編織陰極,三螺旋陰極,棒狀陰極。機(jī)理：13. 控制熒光燈汞蒸氣壓的對(duì)策（P170）控制冷端溫度和使用汞齊（填空、選擇）14. 高頻電子鎮(zhèn)流器的頻率范圍、選擇依據(jù)及其提高熒光燈光效的原因（P177181）頻率范圍：熒光燈：2030kHz或

13、4050kHz; 電視機(jī)、錄像機(jī)遙控器：3540kHz提高熒光燈光效的原因：（1） 在50Hz/60Hz下，放電中的大部分電子和離子在電流反向時(shí)由于燈消電離而喪失，放電必須周期性地提供一定的能量以重復(fù)點(diǎn)火。但在高頻放電（高于10KHz）的條件下，電流反向時(shí)燈內(nèi)仍有足夠的帶電粒子存在，不再需要花費(fèi)額外的能量來重復(fù)點(diǎn)火。（用于重復(fù)點(diǎn)火的能耗減少）（2） 高頻下，電極在作為陽極的半周內(nèi)振蕩的消失，減少了電極位降損耗。15. 帶啟輝器的熒光燈的啟動(dòng)過程（P175）16. 不同管徑熒光燈光電參數(shù)的特點(diǎn)比較（同7題）17. 無極熒光燈的工作原理（P190）高頻電源通過感應(yīng)線圈耦合, 在放電管中產(chǎn)生交變電磁

14、場, 從而使放電管中氣體電離和激發(fā)。頻率足夠高時(shí), 放電管無需電極存在, 放電能持續(xù)穩(wěn)定進(jìn)行。18. 冷陰極熒光燈的工作原理與熱陰極熒光燈的區(qū)別：陰極電子發(fā)射方式不同, 為冷陰極二次電子發(fā)射發(fā)光原理同熱陰極熒光燈第六章 高壓汞燈和超高壓汞燈1. 在0.1 Pa300 atm氣壓范圍內(nèi), 汞蒸氣放電燈的光效變化及其原因（LS16 3）2. 用譜線發(fā)射系數(shù)估算譜線功率(P203式)波爾茲曼定律：發(fā)射系數(shù)：功率：P=4V （V為體積）3. 高壓汞燈的溫度分布輪廓*4. 愛倫巴斯通道模型的基本思想（LS16 6） 放電通道, 產(chǎn)生全部輻射 無輻射5. 影響高壓汞燈譜線強(qiáng)度的因素單位弧長輸入功率P1,

15、單位弧長充汞量m, 內(nèi)直徑d（1） m, d恒定。P1, Teff, 高能級(jí)濃度, 上能級(jí)高的光譜, 強(qiáng)度增加速度(P1-10)快（2） P1, d恒定。m, Teff,上能級(jí)高的光譜線強(qiáng)度（3） P1, m恒定。線光譜強(qiáng)度與d無關(guān)（4） 更高氣壓, 高能級(jí)與電離態(tài)重疊,上能級(jí)很高的線光譜變?yōu)檫B續(xù)譜6. 高壓汞燈中連續(xù)譜的產(chǎn)生原因1）共振線放寬2）電子和離子的復(fù)合3）分子輻射7. HID燈的電極結(jié)構(gòu)和電子發(fā)射機(jī)理（未找到）（LS18 11）結(jié)構(gòu): 內(nèi)螺旋為雙螺旋或三螺旋，減少電極熱容, 增加電子發(fā)射材料,燈易啟動(dòng), 長壽命8. 高壓汞燈的啟動(dòng)過程9. 影響高壓汞燈啟動(dòng)電壓的因素（LS18 17

16、）10.超高壓汞燈的種類、結(jié)構(gòu)和特性（LS19 4）1.球形超高壓汞燈：增加單位弧長對(duì)應(yīng)的表面積2. 毛細(xì)管超高壓汞燈（LS19 8）高亮度、長的壽命、壽命期間保持光色的穩(wěn)定性、安全和方便使用12.光輻射機(jī)制比較：低氣壓汞放電燈, 高壓汞燈, 超高壓汞燈低氣壓(0.1 Pa): 低壓汞燈, 熒光燈大部分能量集中在254 nm, 高效率紫外燈可見光56 lm/W用熒光粉將紫外轉(zhuǎn)化為可見光, 高光效高氣壓(10 atm): 高壓汞燈Tg = 5500 K, pHg = 15 atm,電弧繩化可見輻射增強(qiáng), 5060 lm/W超高氣壓(100 atm):超高壓汞燈在高壓汞燈的基礎(chǔ)上，用增大電流密度或

17、增大電場E的方法提高功率輸入密度7080 lm/W, 高亮度光源,第七章 鈉燈1、低壓鈉燈的發(fā)光原理, 為何具有最高光效？答：發(fā)光原理：利用低壓鈉蒸氣放電。低壓鈉蒸氣在許多方面和低壓汞蒸氣放電相似，具有典型的低壓金屬蒸氣放電的特性，放電時(shí)大部分輻射能量都集中在共振線上，適當(dāng)選取放電條件可以獲得很高的共振輻射效率。（P245）光效高：低壓鈉蒸氣放電所產(chǎn)生的鈉的共振輻射在可見光人眼比較敏感的區(qū)域，無需像熒光燈那樣用熒光粉從而造成能量損失。鈉原子很輕，氣體溫度高，因而光譜線有較寬的多普勒寬度，減少了輻射吸收的機(jī)會(huì)，得到部分補(bǔ)償。（P246）2、潘寧氣體的工作原理和種類？答：原理：利用放電時(shí)的潘寧混合

18、氣體的潘寧效應(yīng)，使著火電壓大大降低。（P255）種類：氖、氬、氪、氙;氬-汞、氖-氬等。（P256）3、高壓鈉燈顯色性比低壓鈉燈好的原因？答：光譜分布，高壓鈉燈譜線自反。隨著鈉蒸氣壓的提高，鈉D線中心先出現(xiàn)自吸收然后自反，近而自反線兩邊的極大值位置移開更遠(yuǎn)，因放寬了的共振線兩翼得到加強(qiáng)，燈的總輻射強(qiáng)度仍保持很高，因而獲得很高的光效。（P262）4、高壓鈉燈的結(jié)構(gòu)和電弧管封接方法？答：高壓鈉燈由封接材料、鍍鎳鐵絲框架、填充輔助氣體、電極、放電管（多晶氧化鋁）、鈮帽或陶瓷塞、鈮管和鋇消氣劑組成。（P270）封接方法：在電弧管兩端各封入一個(gè)電極。在鎢電極螺旋中藏有包含氧化鋇和氧化鈣的化合物作為電子發(fā)

19、射材料。封接時(shí)電極和鈮管點(diǎn)焊，鈮管和陶瓷塞，以及陶瓷塞和陶瓷管之間采用玻璃態(tài)焊料封接。為保護(hù)封接的部件，高溫封接爐中必須抽成真空或充以惰性氣體。（P270）第八章 金屬鹵化物燈1、HID電弧管中金屬鹵化物的作用？答：利用金屬鹵化物循環(huán)，提高蒸氣壓，提高燈的光色。（P282）2、金鹵燈的分類？答：按光譜特性分類可分為4種：（1）選擇幾種發(fā)出強(qiáng)線光譜的金屬的鹵化物，把它們加在一起，得到白色的光源。（2）利用在可見光區(qū)能發(fā)射大量密集線光譜的金屬，得到類似于日光的白光。（3）利用高氣壓的金屬蒸氣放電或利用分子發(fā)光產(chǎn)生連續(xù)輻射獲得日光色的光。（4）利用具有很強(qiáng)的共振輻射的金屬產(chǎn)生色純度很高的光。（P28

20、6）3、金鹵燈中的鹵化物循環(huán)？答：其在電弧中心的高溫區(qū)域，金屬鹵化物分子分解為金屬原子和鹵素原子，金屬原子參與放電，產(chǎn)生輻射；由于電弧中心金屬原子和鹵素原子的濃度較高，它們又向管壁擴(kuò)散，接近低溫有重新復(fù)合成金屬鹵化物分子。依靠這種循環(huán)，不斷向電弧提供足夠濃度的金屬原子，同時(shí)又避免金屬在管壁上沉積。（P283）4、金鹵燈電極的材料和工作特點(diǎn)？答：（1）釷鎢電極：用于Sc-Na燈，不與MXn有明顯的反應(yīng), 逸出功2.6 eV；（2）稀土氧化物電極: 不能用于Sc-Na燈，發(fā)射材料: Dy2O3, Y2O3, 逸出功2.22.4 eV；（3）純鎢電極: 2 kW以上MH，逸出功4.5 eV, T電=

21、 2500 K；（4）ThO2電子粉，發(fā)射性能最好。（PDF的LS24第8頁）5、金鹵燈中鈉損失機(jī)理？答：發(fā)自支架的光電子在管壁形成的負(fù)電場拉出Na+造成電弧管內(nèi)I的過量。（LS24P10）6、金鹵燈中汞與金屬譜線強(qiáng)度比例的計(jì)算？答：根據(jù)玻爾茲曼定律，處于激發(fā)態(tài)r的原子濃度為nr=n0*gr/g0*exp(-eVr/kbT)=n0*gr/g0*exp(-11600Vr/T)T為電弧溫度，n0為基態(tài)原子濃度，Vr是該激發(fā)態(tài)的激發(fā)電位，g0和gr分別是兩個(gè)能級(jí)的統(tǒng)計(jì)權(quán)重。據(jù)上述公式，金屬原子和汞原子分別產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度PM和PHg可以寫成為PMC1*pM*exp(-11600*VM/T);PHgC1

22、*pHg*exp(-11600*VHg/T)pM和pHg分別表示金屬和汞的蒸氣壓,VM和VHg分別是金屬和汞的激發(fā)電位。（P284）7.金鹵燈中鉈原子綠線強(qiáng)度的計(jì)算*8、金鹵燈中發(fā)光分層現(xiàn)象？答：在電弧管中發(fā)生。有軸向和徑向分層，螺旋不穩(wěn)定性；在微重力下，無徑向分層，會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定。（PDF的LS25第3頁）9、金鹵燈中的電解現(xiàn)象？答：在有輔助電極時(shí)有電解現(xiàn)象：輔助電極正負(fù)半周的電流不同。正半周, 吸收電子流Ie；負(fù)半周, 吸收電子流Ii；IeIi。（LS24P11）10、金鹵燈的重復(fù)著火電壓？答：Vrei:電極的發(fā)射性能的下降是造成Vrei升高的主要原因;Vrei與污染源種類有關(guān);Vrei與鎮(zhèn)

23、流器的電流輸出波形有關(guān)。電感鎮(zhèn)流器有電流過零熄滅時(shí)間, 盡量縮短此時(shí)間。（LS24P18）11、金鹵燈能兼顧高光效和高顯色性的原因？答：因?yàn)榈戎刑畛溆邢⊥两饘俚饣?，SnX, AlX分子較高溫度下穩(wěn)定, 產(chǎn)生強(qiáng)連續(xù)光譜, 顯色性好。（LS25P4）12、金鹵燈的電弧收縮機(jī)理？答：金屬碘化物對(duì)電弧有影響。添加發(fā)射密集線光譜的ReIx易造成電弧收縮；壁穩(wěn)電弧非壁穩(wěn)電弧(收縮)；電流通道截面管壓。產(chǎn)生原因：VexVi/2, 電離主要發(fā)生在中心區(qū), 輻射轉(zhuǎn)移能量使熱激發(fā)和熱電離在靠近ri區(qū)下降。Vex為平均激發(fā)電位，Vi為電離電位。（LS25P11）。13、與石英金鹵燈比較, 陶瓷金鹵燈的優(yōu)點(diǎn)？答：PCA耐高溫，有更好的化學(xué)穩(wěn)定性；鋁難溶于鎢，不會(huì)造成電極損壞；光效和顯色性更好；陶瓷管有更好的抗腐蝕性。（P325開始總結(jié)）14、陶瓷金鹵燈的結(jié)構(gòu)和封接？答：目前采用以氧化鋁等混合物為主體的玻璃焊料，對(duì)金屬鹵化物有更強(qiáng)的抗腐蝕能力。為有效降低封接處溫度，在電弧腔體的兩邊引出兩根細(xì)而長的陶瓷管，其內(nèi)由外向內(nèi)分別是鈮引線、鉬導(dǎo)線和電極。這種方法有效地延長了燈的壽命。（P326）15、氣體放電燈的放電管與電極的封接原理和工藝？答：石英燈放電管有石英管壓制成形，以非匹配工藝。鈉燈用真空封接方法采用