照明行業(yè)各種燈具LED燈課件

光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌一.光源的定義能把其他形式的能量轉(zhuǎn)換為光學(xué)波段的電磁輻射的器件稱為光源。1.能量的形式

熱能

化學(xué)能

生物能

電能—電光源光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌2.轉(zhuǎn)換方式

加熱輻射（eg白熾燈）—熱輻射光源—連續(xù)譜

原子激發(fā)輻射—線光譜

帶電粒子的速度變化（軔致輻射）—連續(xù)譜3.光學(xué)波段光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌

可見光區(qū)380～780nm

紅外光近紅外區(qū)780～1500nm中紅外區(qū)1500～1×10nm4遠(yuǎn)紅外區(qū)1×10～1×10nm46光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌

紫外光真空紫外1～200nm遠(yuǎn)紫外200～300nm近紫外300～380nm紫外A區(qū)UVA400～315nm化學(xué)線黑斑線紫外B區(qū)UVB315～280nm健康線（紅斑線）紫外C區(qū)UVC280～200nm滅菌線光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌二.光源發(fā)展簡史1.第一代光源—白熾燈碳絲白熾燈1879(Edison)1.4～3幾小時鋨絲白熾燈18985～5.5幾十小時鎢絲白熾燈19075～8幾百小時真空鎢絲白熾燈19108～9接近一千小時充N2螺旋鎢絲白熾燈191311充Ar(Kr,Xe)鎢絲白熾燈191712充Ar(Kr,Xe)雙螺旋鎢絲白熾燈14碘鎢燈195930溴鎢燈196432光效η壽命光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌2.第二代光源—熒光燈霓虹燈(Neonlamp)1910用于廣告汞蒸汽放電燈193038差熒光燈(鹵粉)193540好涂釩酸釔熒光粉燈196765好細(xì)管徑熒光燈(T12—T8—T5)197385好異型熒光燈(CFC)1977代替白熾燈ηRa光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌3.第三代光源—鈉燈與金鹵燈低壓鈉燈193240差外殼涂紅外反射層的低壓鈉燈1965

200差高壓鈉燈1965150差鈉-鉈-銦燈196175好鎘-鈥-銩燈197190很好95絡(luò)合物(Sc-Na)金鹵燈197680＞65無極放電燈壽命長ηRa光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌三.光源的參量1.技術(shù)參量

光通量F(lm)

功率P(w)

壽命H(hrs)全壽命從亮到熄有效壽命F衰減到初始值的一定比例光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌2.運行參量

光效η(lm/w)η1轉(zhuǎn)換成輻射的功率占總功率的比例η2輻射中可見輻射的比例每單位輸入功率產(chǎn)生的光通量光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌光源的顏色色表:人眼觀察光源顏色時的舒適程度(與背景光有關(guān))色溫照度E(lux)房間E<150luxTc<4000K機場E>500luxTc>6000K光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌顯色性:被照物體本色被光源顯色的程度指標(biāo):Ra太陽光下最大,為100鈉燈28高壓汞燈40價格光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌四.光源的分類1.以放電類型分類輝光放電,弧光放電……2.以工作氣壓分類低氣壓,高氣壓,超高氣壓……3.以工作氣體種類分類汞燈,熒光燈,惰性氣體,金屬蒸汽……光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌4.按用途分類5.按燈種類分按發(fā)光原理熱輻射光源氣體放電光源光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌電光源固體光源類氣體放電燈類鎢絲燈類白熾燈(普燈)鹵素?zé)魺晒鉄纛惛邚姸葰怏w放電燈(HID)類無極燈高壓汞燈高壓鈉燈金屬鹵化物燈

直管/環(huán)形日光燈緊湊型節(jié)能燈發(fā)光二極管(LED)光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌五.光源的應(yīng)用1.照明體育場照明,泛光照明……2.加熱3.光化學(xué)照像,加快化學(xué)反應(yīng)速度……光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌4.光生物殺菌,保健,光合作用……5.高科技模擬室,光電效應(yīng),軍事(夜視儀)LCOSPDPDBD光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌References:1.“電光源原理引論”蔡祖泉等(1988)2.“氣體與真空中電現(xiàn)象”卡普卓夫(1952)3.“LightSources”Elenbass(1972)4.“GasDischargeLamp”Johr.F.Vaymouth光源原理與設(shè)計—緒論諸定昌謝謝觀看!光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌第二章白熾燈光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌白熾燈主要特性：使用方便，外型多樣，價格低廉η=8~15lm/wH=1*103小時燈絲色溫Tc=2700~2900K(燈光黃）Ra≈100光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.1熱輻射的性質(zhì)光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、熱輻射的定義（溫度輻射）因溫度而產(chǎn)生的輻射TE（thermalEquilibrium)熱力學(xué)平衡狀態(tài)LTE（localthermalEquilibrium)局部熱力學(xué)平衡狀態(tài)光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌二、基爾霍夫定律（KirchholfLaw)1.光輻射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S單位（W/m2)Pe——單位時間輻射的能量。2.光譜輻射出度Mλ（λ,T)Mλ（λ,T)=dMe(T)/dλ=dPe(T)/Sdλ光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌3.光譜的吸收率α(λ,T)α(λ,T)=dPe’(λ,T)=/dPe(λ,T)4.KirchholfLaw光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌三、黑體輻射的基本性質(zhì)1.黑體的定義：黑體就是能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長的能量全部吸收。

αB（λ,T)≡1光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.普朗克公式MλB(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)-1]-1

其中C1=2πhc2=3.74*10-16(W·m2)C2=hc/kB=1.44*10-2(m·K)當(dāng)λ不是很大，T不是很高時

MλB(λ,T)=C1λ-5e-C2/λT討論：1）T↑——→MλB↑2）T↑——→λmax(峰值波長)向短波方向移動

3）T低時——→紅外為主隨T上升，可見光部分增加光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌3．斯忒藩——玻爾茲曼定律

MeB(T)=∫0∞MλB(λ,T)dλ=σSBT4σSB=5.67*10-8W/(m2·K4)4．維恩位移定律

λm·T=b=2.89779*10-3(m·K)光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌四、實際表面的輻射

實際上，所有的輻射體都不是黑體，它們的光譜輻射出度Mλ(λ,T)總是比黑體的MλB(λ,T)小。定義光譜發(fā)射率：

ε(λ,T)=Mλ(λ,T)/MλB(λ,T)＜1光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.2白熾燈的結(jié)構(gòu)與材料光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、結(jié)構(gòu)二、對白熾輻射體（燈絲）的要求1.熔點高2.蒸發(fā)率V小

影響V的因素

Tf自身的蒸汽化

環(huán)境氣氛燈絲的結(jié)構(gòu)3.可見輻射選擇性好4.機械強度高，易加工5.有適當(dāng)?shù)碾娮杪嗜?、鎢的主要性質(zhì)光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.3真空白熾燈中的基本物理現(xiàn)象光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、真空白熾燈的光效Pin(輸入)=Pr（輻射）+Pc（熱損耗）

實際中Pc≈（3~8）%Pin光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌1.理想直鎢絲燈的光效Pc=0光效η0=Km∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)V(λ)dλ/∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)dλ2.實際燈絲的光效螺旋型燈絲因“遮擋”效應(yīng)使η下降。η=η0/δ，（遮擋因子）δ，=1.12~1.15光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌二、真空白熾燈中鎢的蒸發(fā)和壽命1.真空中的鎢的蒸發(fā)率Vap單位時間撞擊單位鎢表面的原子數(shù)：N1=1/4nV=n√(kT/2πm)單位時間單位表面沉積的鎢質(zhì)量為：Vap=α0N1m=α0n√(kTm/2π)=0.06α0P/T0.5光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.蒸發(fā)率與燈壽命的關(guān)系溫度T（K）Vap（g/cm2*s）H(hr)Vap*H22002.24*10-12

7.2*1045.8*10-424001.38*10-101.14*103

5.5*10-426004.17*10-9

3.86*1015.8*10-4

30001.05*10-60.155.7*10-4可以看出

Vap*H=const實驗：d=0.1m/m在不同Tf下的Vap光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌a)燈絲質(zhì)量損耗臨界百分比G直G直=H內(nèi)蒸發(fā)的質(zhì)量/燈絲原有總質(zhì)量=4VapH/ρdfG直∝1/dfdf燈絲直徑b)螺旋燈絲的損耗臨界百分比G螺G螺≈（50~60）%G直光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌三、總結(jié)基本矛盾

T↑——→η↑（Me∝T4）

T↑——→Vap↑——→H↓

∴Tf=2300~2600KH=1*103hrsη=8~10lm/W光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.4充氣白熾燈中的基本物理現(xiàn)象光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、氣體穩(wěn)定層

在熾熱的燈絲附近，氣體變得非常粘滯，幾乎可以看成是不流動的；而在泡壁附近的區(qū)域里，由于氣體溫度較低、粘滯度小，氣體強烈對流。

因此，可以認(rèn)為，緊貼燈絲周圍存在著一層厚度的穩(wěn)定氣體層，直徑為b。光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌

二、充氣對抑制鎢蒸發(fā)的作用

在充氣燈中鎢的損失主要是由于在穩(wěn)定層內(nèi)鎢的濃度擴散。N1為1m長的燈絲表面在一秒種內(nèi)擴散出去的鎢原子數(shù)。光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌三、充氣的熱損失單位長度燈絲損失功率：Pc`=-2πrλ(dT/dr)

整個燈絲損失功率：Pc=Pc`lflf燈絲的長度

討論：影響Pc的因素

1）充氣氣體的種類2）充氣壓力3）lf4）df光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌

對于充氬—氮混合氣的白熾燈，每厘米長度燈絲的氣體熱損失Pc`約為4W。對于電壓為220V的燈泡，螺絲長度必須大于2cm，否則兩根導(dǎo)絲之間有放電的危險。因此，充氣燈泡的最小熱損失值為8W左右。

顯然，對220V小功率白熾燈不宜充氣，25W以下的白熾燈只能是真空，否則熱損失占輸入的主要部分，得不償失。光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌四、本節(jié)結(jié)論1．充氣可抑制蒸發(fā)2．充氣引起熱損耗3．充入分子量大的氣體可更好抑制蒸發(fā)和減小熱耗。4．采用螺旋燈絲可使Pc下降5．采用螺旋燈絲可增加壽命（機械強度增大了）光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.5白熾燈燈絲的設(shè)計光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、統(tǒng)一公式1.燈絲參數(shù)a)直線型燈絲①直徑d②長度l

b)單螺旋燈絲

①直徑d②長度l③螺距系數(shù)Ks=S/d④芯絲系數(shù)Kc=dc/d

c)雙螺旋燈絲①直徑d②長度l③第一螺距系數(shù)Ks1=S1/d④第一芯絲系數(shù)Kc1=dc1/d⑤第二螺距系數(shù)Ks2=S2/(2d+dc1)⑥第二芯絲系數(shù)Kc2=dc2/(2d+dc1)d)Ks和Kc的合理選取光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2．燈絲的計算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph白熾燈鎢絲直徑和長度的統(tǒng)一公式光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌二、經(jīng)驗公式鎢絲份量Q200=π/4*d2*200*ρ

d=k√Q200(mm)

三、外推公式修正燈泡的一些參數(shù)四、誤差百分比計算公式五、設(shè)計中注意的問題光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.6白熾燈的運用特性

白熾燈的光效雖然比較低，但由于它使用極其方便，輻射光譜是連續(xù)的，顯色性好，因此到目前為止仍是應(yīng)用最廣的一種光源。光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、運用參量1．高色溫白熾燈——主要用與攝影和放映電影以及電視和舞臺照明。

Tc≥3200Kη=30H=50~100hrs2．普通照明燈——一般照明η=10~20Tc=2600~3000KH≥1*103hrs

3．紅外線燈——用于紅外加熱干燥、溫室保溫和醫(yī)療保健等。

η≤10Tc≤2500KH≥1*103hrs光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌二、白熾燈的指數(shù)特性H——壽命F——光通量η——光效V——燈電壓I——電流P——功率R——電阻光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌三、指數(shù)特性的應(yīng)用例1：H的加速試驗d(充氣泡)=13.1電壓提高10%H1/H2=（242/220）13.1=3.48例2：內(nèi)在質(zhì)量因數(shù)qa

b=7所以定義光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌2.7白熾燈的發(fā)展方向光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌一、探索新的燈絲材料——更高的熔點，有更好的輻射選擇性二、改善燈絲材料的結(jié)構(gòu)，以及使周圍的介質(zhì)環(huán)境更理想化！1．小型化

2．反射型

3．涂紅外反射層IRCtechnologyThinfilmmultilayercoatings(Filter)StackConstructionWavelengthHighrefractive

indexLowrefractive

indexSubstrate

(glassbulb)glassbulbSiO2SiO2SiO2}/2TransmittanceSiO2/

TiO2StackWavelenght[nm]光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌三、綠色照明的含義1.采用光效高的照明光源。CFL2.采用壽命長的照明光源。3.采用對環(huán)境污染少的填充物質(zhì)。光源原理與設(shè)計—白熾燈諸定昌謝謝觀看！光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌第三章鹵鎢燈光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌3.1鹵鎢循環(huán)原理光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌一、鹵鎢循環(huán)的要求1.蒸發(fā)的鎢在Tw（泡壁溫度）下易形成易揮發(fā)的化合物W+nX→WXn2.在燈絲溫度區(qū)域分解WXn→W+nX二、鹵鎢循環(huán)的定義

鹵素把燈絲上蒸發(fā)的鎢原子不間斷的搬回到燈絲上面去的過程。

光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌三、鹵鎢循環(huán)的溫度條件化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)Kp＜1（高溫下）→反應(yīng)向左，有利于分解Kp＞1（低溫下）→反應(yīng)向右，有利于復(fù)合Kp=1左右速率相同光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌1．反轉(zhuǎn)溫度（T反）的定義Kp（T）=1對應(yīng)的溫度，稱為反轉(zhuǎn)溫度。T反

碘鎢950K（677℃）溴鎢1600K（1327℃）氯鎢2200K（1927℃）光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌2.溫度條件1）Tf＞T反,分解2）Tw＜T反,合成3）Tw＞T升（鹵化物）表面溫度Tw碘鎢燈≥250℃溴鎢燈≥200℃氯鎢燈≥180℃為了使Tw達到要求，鹵鎢燈一般體積比白熾燈小得多。使用石英或硬料玻璃。光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌3.2鹵鎢循環(huán)劑光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌碘溴

但對燈絲絲腳、支架腐蝕很大所以現(xiàn)在一般充：溴化氫HBr一溴甲烷CH3Br二溴甲烷CH2Br2溴仿CHBr3

氯仿CHCl3

光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌3.3鹵鎢燈的結(jié)構(gòu)和制造光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌一、外殼材料的幾何尺寸1.石英紅外燈：Ws=15~20w/cm2照明燈：Ws=20~25w/cm2

高色溫?zé)簦篧s=25~30w/cm2

2.高硅氧玻璃（拜科）Ws=20~25w/cm23.硬玻璃Ws=10~15w/cm2光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌二、燈絲與外殼的氣密封接1.利用鉬箔的延展性實現(xiàn)“非匹配”封接鍥型鉬箔寬度2A/mm鉬箔長度7~9mm鉬桿直徑J=5~10A/mm2

2.鉬桿與鋁硅玻璃的匹配封接封接可靠，故充氣壓可以提高，抑制鎢蒸發(fā)，進一步提高光效、延長壽命。光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌三、燈絲1.采用螺旋型燈絲單、雙螺旋→線狀光源

雙、三螺旋→點狀光源2.細(xì)絲繞在粗絲上再繞螺旋→Me相同下增加輻射面積3.用支架支撐→防下垂光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌四、最佳充氣壓綜合考慮壽命和光效兩方面的要求，鹵鎢燈的充氣壓強通常應(yīng)選擇得使氣體穩(wěn)定層直徑b略小于泡殼直徑d。五、紅外反射膜多層介質(zhì)干涉膜光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌3.4鹵鎢燈的應(yīng)用光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌一、鹵鎢燈的光效和壽命1.光效鹵鎢燈Tf=3100~3500K→η=20~34lm/w充氣白熾燈Tf=2700~3050K→η=14~18lm/w真空白熾燈Tf=2300~2600K→η=8~10lm/w光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌2．壽命1）支架的腐蝕2）水蒸氣的腐蝕3）熱點機制并沒克服光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌二、鹵鎢燈的燃點位置燃點位置與燈內(nèi)所充循環(huán)劑的種類有關(guān)，更與所充氣體的種類有關(guān)。（考慮分子量的問題）例1．充1atmAr的管狀碘鎢燈只能水平燃點。例2.充Kr(Xe)和碘的燈，燃點位置可放寬。例3.充Kr(Xe)的溴鎢燈，燃點位置任意。光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌三、應(yīng)用領(lǐng)域

1。泛光照明2。投光照明3。汽車鹵鎢燈4。復(fù)印機鹵鎢燈光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌四、發(fā)展方向1。新的外殼材料2。高電壓小功率鹵鎢燈3。新的循環(huán)劑光源原理與設(shè)計—鹵鎢燈諸定昌謝謝觀看！第四章氣體放電的基本原理光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌4.1氣體放電的輻射光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌自持放電條件Υ(e-1)=1αdVAd光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌KA一.輻射的形成方式1.激發(fā)態(tài)粒子回到低能級態(tài)(基態(tài))時的自發(fā)

(受激)輻射→線光譜△E=hν2.正負(fù)帶電粒子的復(fù)合輻射→連續(xù)譜3.帶電粒子的減速產(chǎn)生的軔致輻射光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌二.線光譜hνnm=En-Em=e△Vnm=hc/λnmλnm=1239/△Vnm△V→Vλnm→nmE0EmEnE光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌hγmnhγn01.不同元素的能級不同，其輻射的波長不同→選擇性強2.共振輻射的效率(特別是第一共振態(tài))最高3.能級之間的躍遷服從選擇定則4.線光譜輻射的功率密度Pnm光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌定義Pnm=nnAnmhνnmAnm

從n→m躍遷幾率LTE下nn由Boltzmann分布描述nn=n0

gng0exp(-)EnKTPnm=n0gng0Anmhνnmexp(-)KTEnPnm：壓力p(n0)，溫度T，能級性質(zhì)(En,Anm)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌5.可見輻射的△E范圍△E＝En-Emλ△E＝1239λ＝380～780△E＝1.7ev(780nm)～3.2ev(380nm)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌三.分子的帶狀光譜E＝Ee＋Ev＋Er△E＝△Ee＋△Ev＋△Erν=△Eh△Ee＋△Ev＋△Erh=光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌以△Ee為主分辨率不高時，為帶狀光譜分辨率高時，有很多條譜線大部分光譜在可見區(qū)及紫外區(qū)→Ra氣體放電燈矛盾：光效和顯色性熱輻射光源矛盾：光效和壽命光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌四.連續(xù)光譜→e+A→A+△Ea)hν=△E=Ei-Em+12meve2Ve=0～∞→為連續(xù)譜EEiEm12meve2光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌1.復(fù)合輻射（f-b躍遷）因為慢電子濃度高(maxwell)而且更容易與正電子復(fù)合當(dāng)v=0時ν0

=Ei-Emh為頻率下限c)輻射總功率Pcr∝ZneTe42-3/2光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌b)連續(xù)譜的特征EEmEnhγhγ0f-bf-fmeve2-meve’2meve21212122.軔致輻射(f-f躍遷)e+A+→A++e+△E→a)hν=12me(Ve-Ve’)b)可證Pcb∝ZneTe2222-1/2光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌3.連續(xù)光譜產(chǎn)生的特點a)高氣壓大電流密度放電下，有強的連續(xù)光譜b)放電蒸汽元素的Z越大，連續(xù)光譜越強，且以復(fù)合輻射為主c)高溫下，連續(xù)光譜以軔致輻射為主高光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌五.氣體放電光源輻射的特點1.工作溫度不受燈絲材料性質(zhì)的限制2.輻射光譜可選擇3.壽命大大高于熱輻射光源，光維持性好4.基本矛盾η-Ra光譜放寬光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌4.2光譜線的輪廓和放寬光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌一.光譜線的輪廓

光強度在一定波長區(qū)內(nèi)都有分布的現(xiàn)象，稱光譜線的放寬。其分布的形狀就稱為譜線的輪廓。IλcIλmaxλ0△λhIλλ光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌Prof.λ總強度It=∫Iλdλ1.產(chǎn)生放寬的機理a)輻射原子自身原因：自然寬度，多普勒效應(yīng)b)外界原因：壓力放寬2.光譜線輪廓的類型光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌a)定義Prof.λ=IλItIλ∫IλdλIλ=It*Prof.λ∫Iλdλ=∫ItProf.λdλ=It∫Prof.λdλ=It∫Prof.λdλ=1→“歸一化”性質(zhì)=光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌以頻率ν表示Prof.ν=cν2Prof.λ以ω表示Prof.ω=12πProf.ν光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌b)色散型(洛侖茲力)輪廓Prof.ω=γ2π1(ω-ω0)+()γ2c)高斯型輪廓Prof.ω=()exp[-]4Ln2πγ4Ln2(ω-ω0)222γ2221光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌二.譜線的自然寬度t→t+dtdnn=-AnmnndtNn(t)

=nn0e-Anmt=nnoe-t/τnΤnm為躍遷的時間常數(shù)，是Anm的倒數(shù)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌初始條件：t=0n|t=0=nn0海森伯(Heisenberg)測不準(zhǔn)原理△E△τnm=h/2π=h1.定義：激發(fā)態(tài)原子壽命的不確定性引起能量的不確定性，由此造成的譜線放寬稱自然寬度。2.輪廓類型→色散型光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌三.譜線的多普勒放寬1.定義：多普勒放寬靜止：運動：ν

0=cλ0ν

=c+vxλ0=cλ0+vxλ0=ν

0+ν

0vxcν

-ν

0

ν

0=vxc=△νν

02.輪廓類型→Gausstype光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌觀察者VVxθ四.譜線的壓力放寬1.定義：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使輻射狀態(tài)受干擾而產(chǎn)生的譜線放寬稱壓力放寬。a)共振放寬：同種原子對激發(fā)態(tài)原子的干擾b)范德瓦爾斯放寬：不同種類原子對激發(fā)態(tài)原子的干擾c)斯塔克放寬：帶電粒子對激發(fā)態(tài)原子的干擾光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌2.輪廓的類型→色散型a)Lorentz理論：干擾下停止輻射b)Lentz-Weisskof理論：干擾時輻射的頻率發(fā)生變化c)Lindholm理論：干擾時相位產(chǎn)生位移光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌Reference:1.W.Newman:SpectrosopicMethodsofPlasmaDiagnostics2.統(tǒng)計物理學(xué)導(dǎo)論3.原子光譜學(xué)和激發(fā)光譜學(xué)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌4.3輻射轉(zhuǎn)移光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌一.光譜的發(fā)射系數(shù)和吸收系數(shù)1.躍遷過程的分類

自發(fā)輻射躍遷躍遷幾率Anm

吸收躍遷吸收躍遷幾率BmnρB(ν)

感應(yīng)輻射躍遷感應(yīng)躍遷幾率BnmρB(ν)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌nm自發(fā)輻射吸收感應(yīng)輻射平衡下：Anmnn+BnmρB(ν)nn=BmnρB(ν)nm1LTE下：nnnm=gngmexp(-)KThνnm聯(lián)立解有：ρB(ν)=AnmBnm1gmBmngnBnmehνKT-12光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌由planck公式：ρB(ν)=8πhνc33eKT-1hν1所以8πhνc33BnmAnm=gmBmn=gnBnm32光譜的發(fā)射系數(shù)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌定義：εν=dtdVdΩdνdE4εν=

εν+ενsi4自發(fā)輻射感應(yīng)輻射有：εν=s4π1nnAnmhνProf.ν5光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌由5和6得：對應(yīng)：εν=i4π1nnBnmρB(ν)hνProf.νc1nnBnmLνBhνProf.ν=6其中：LνB=4πcρB(ν)ενενsi=c22hν3LνB7光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌平衡下：4π1nnAnmhνProf.νc1nnBnmLνBhνProf.ν+c1nmBmnLνBhνProf.ν=8光譜的吸收系數(shù)：Kν=-dLνLνdxdLν=L’ν-Lν定義：其中光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌xx+dxLνL’ν物理意義：Lν(x)=Lν(0)e-Kx由基爾霍夫定律：LνB=ενKν=2hνc23eKT-1hν19平衡下：εν=

εν+εν=KνLνBsi對應(yīng)8式：Kνc1nnBmn

hνProf.ν=10光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌0xx0Lν(0)Lν(x)對某一譜線：εL=∫line

εν

dυ=s4π1nnAnmhνc1nnBnmLνBhνεL=∫line

εν

dυ=siiKL=∫line

Kν

dυ=c1nmBmn

hν光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌若把εν看作負(fù)吸收，有總的吸收系數(shù)Kνi～εν+εν=KνLνB平衡下：

siKνLνB=εs～所以：KνLνB＝KνLνB－εν

～ic1nmBmnLνBhνProf.ν=c1nnBnmLνBhνProf.ν-光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌=c1nmBmnLνBhνProf.ν(1-)nmBmnnnBnm=KνLνB(1-e)KThν-11nnnm=gngmexp(-)KThνgmBmn=gnBnmKνLνB=KνLνB(1-e)～hν-KT12光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌ενεν+εν=KνLνBehν-KTKνLνB=hν-KTe13二.輻射轉(zhuǎn)移方程dLν(x)=εν(x)dx-Kν(x)Lν(x)dx

dLν(x)dx=εν(x)-Kν(x)Lν(x)

1光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌Lν(0)Lν(x)Lν(x0)Lν(x+dx)0xx+dxx0單位面積1.εν(x)=0dLν(x)dx=-Kν(x)Lν(x)

dLν(x)Lν(x)=-Kνdx2在0→x和Lν(0)

→Lν(x)間積分Lν(x)=Lν(0)

exp(-∫Kν(x’)dx’)0x離開等離子體的輻亮度：Lν(x0)=Lν(0)

exp(-∫Kν(x’)dx')0x0光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌342.εν(x)≠0設(shè)試解：Lν(x)=u(x)

exp(-∫Kν(x’)dx’)x0x代入后解得：+Lν(0)

exp(-∫Kν(x’)dx’)0x0Lν(x0)=∫εν(x)dxexp(-∫Kν(x’)dx’)0x0xx0光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌5三.以光性厚度為變量的輻射轉(zhuǎn)移過程定義：τ＝∫

Kν(x’)dx’為x→x0區(qū)間的光性厚度輻射轉(zhuǎn)移方程1可寫為：dLν(x)dx=εν(x)-Kν(x)Lν(x)

＝dLν(x)dxdτdτ＝dLν(x)dτ[-Kν(x)]光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌xx0dLν(x)dτ=Lν(x)-εν(x)Kν(x)=Lν(x)-Sν(x)6Sν(x)=εν(x)Kν(x)=2hνc23eKT-1hν1光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌代試解：Lν(τ)＝u(τ)eτLν(τ)＝[-∫Sν(τ’)edτ’

-τ’ττ(ν,0)+Lν(0)e]e-τ(ν,0)τ離開plasma時：Lν(x0)＝∫Sν(τ’)edτ’

τ(ν,0)+Lν(0)e-τ(ν,0)0討論均勻的plasma條件：Lν(x0)＝Lν(0)e+Sν(τ)[1-e]-τ(ν,0)-τ(ν,0)光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌-τ’79∫Sν(τ’)edτ’=

Sν(τ)[1-e-τ(ν,0)

]τ(ν,0)0-τ’81.τ(ν,0)<<1稱光性薄等離子體2.τ(ν,0)>>1稱光性厚等離子體Lν(x0)＝Lν(0)+Sν(τ)τ(ν,0)Lν(x0)＝Sν(τ)=2hνc23eKT-1hν1光源原理與設(shè)計—氣體放電的基本原理諸定昌1011光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌5.1低氣壓汞蒸汽放電的實驗研究光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌electrodefillinggasHgArglasstube光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌一.低氣壓汞放電的最佳汞氣壓一定管徑下存在對應(yīng)的最佳汞氣壓T12[φ38]PHg=0.8Paη∝ηuv熒光粉轉(zhuǎn)換效率PHg↓→n↓→PHg↑→n*↑→ηuv↑→PHg↑↑→n*禁錮↑→n**↑→ηuv↓n↑+光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌二.惰性氣體的作用和充量1.作用a)BufferGas(緩沖氣體)P=0.8Paλ=5cm可能有電子未經(jīng)碰撞就已運動到管壁而損失掉PAr=100Paλ=0.01cm充Ar使電子的碰撞次數(shù)大大增加V*min(Ar)>Vi(Hg)11.57V10.4V光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌b)PenningEffect降低啟動電壓氣體HeNeArKrXeHgH2第一激發(fā)電位20.8616.6211.579.988.374.8611.1亞穩(wěn)態(tài)電位19.7216.5711.499.868.284.66/一次電離電位24.521.515.714.012.110.415.4c)減小雙極性擴散引起的帶電粒子損失d)控制電導(dǎo)率e)減少電極物質(zhì)的損失光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌2.惰性氣體的種類選擇與最佳充氣壓a)氣體種類對能損的影響碰撞能量損失以Kr的最小每碰一次的損失碰撞的幾率Ar:Kr:Xe=(300/40):(400/84):(700/130)=7.5:4.8:5.4可見，充最好，但無法降低啟動電壓考慮PenningEffect充Ar光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌b)氣壓對能耗的影響當(dāng)PAr=100Paηuv=ηuvmaxPAr↑→n*↑→ηuv↑PAr↑↑→n*↑→ηuv↑略上升→P彈↑↑→ηuv↓實際充200～660Pa(1.5～5torr)光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌三.放電管直徑和長度對的影響1.某汞蒸氣壓下存在最佳管徑d↑→禁錮↑→猝滅↑→ηuv↓d↓→雙極↑→E↑→Ee↑→n*↓→ηuv↓PHg一定光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌2.長度l越長，越高Pe=Il(E*lc+VAK)Pe一定lc↑→Il↓→P電↓→ηuv↑一般l=(1.2～2.4)m40W100W光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌四.電流密度J對ηuv的影響J↑→Il↑→ne↑→n*↑→ηuv↑J↑↑→ne↑↑→P彈↑→ηuv↓ηuv要求J不宜太大Ws要求J不宜太小J＝0.03～0.13A/cm5.2低氣壓汞蒸汽放電的正柱理論光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

已知參量：PeriPHgPArIl要求參量：Puv(ηuv)E(Ve)光參數(shù)歸結(jié)求參量：TeneEJ光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

一.基本假設(shè)1.放電中僅汞被激發(fā)和電離2.電子和離子的遷移率由惰性氣體決定3.電子離子損失由雙極性擴散決定4.Ve服從Maxwell分布，并且與Vi無關(guān)5.Hg由Hg*(6P)的逐次電離產(chǎn)生光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

二.基本方程1.激發(fā)態(tài)方程(求ne)總激發(fā)速率＝總消激發(fā)速率2.電離平衡方程(求Te)電子離子對的產(chǎn)生速率＝消失速率光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

3.能量平衡方程(求E)電場輸入電子氣的能量＝電子碰撞損失能量4.電導(dǎo)率方程(求J)電流密度×J＝eneμeE光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

5.3熒光粉的光學(xué)特性一.熒光粉的定義由紫外經(jīng)過光致發(fā)光的粉狀固體材料，稱為熒光粉。鹽＋激活中心(陽離子，絡(luò)陽離子)光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

例鹵磷酸鈣粉Ca5(PO4)3(FCl).Mn.SbSb*→Sb+hν(λ=477nm)蘭Mn*→Mn+hν(λ=585nm)橙紅通常Cl(20%)F(80%)若Cl比例增加，發(fā)光中心向長波移動光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

二.對熒光粉的主要要求1.高的轉(zhuǎn)換效率2.耐光子，電子，離子的轟擊(光維持)3.對紫外有強的吸收，對可見有大的透射光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

三.熒光粉的種類1.鹵粉特點：可配制成任意Tc的單一粉種轉(zhuǎn)換效率高于一般的其他粉缺點：缺紅色輸出，Ra較低

(加紅粉提高Ra)光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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2.三基色粉分別發(fā)射蘭，綠，紅中心波長的三類粉優(yōu)點：Ra好，η高耐185，輻射能力強(一般粉受185強紫外照射時，光效較低)缺點：價格是鹵粉的50倍光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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5.4熒光燈的設(shè)計光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

一.燈的幾何尺寸和電參數(shù)1.幾何尺寸(d和l)選定d=11～38(mm)l=150～2400(mm)Pl=4W～125WT12(φ38)PHg=0.8Pa(Tcal=40C)→ηuv=ηuvmaxo光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

Ws=0.04～0.05

W/cm(無粉)Ws=0.025～0.04W/cm(有粉)T12(φ=38)Tcal=40CT8(φ=26)Tcal=42Cφ=17Tcal=45Cφ=12Tcal=47Cl=larc+2fTG22oooo光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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2.電參數(shù)Pl=αlVlIl(αl=0.8～0.9)Vl=VAK+ElcLarc=lc+ld給定d查表得ElIl由公式求得VlIl(larc)l穩(wěn)壓：Vl≤0.56VnVl≤123V光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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二.電極的設(shè)計要求合理的熱電子發(fā)射溫度有足夠的電子粉儲存量光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

1.電極的結(jié)構(gòu)形式a)雙螺旋陰極b)編織型陰極－先把鎢絲編成管狀，再繞螺旋c)三螺旋陰極－繞有細(xì)絲的粗絲再繞雙螺旋d)棒狀陰極－繞有細(xì)絲的粗絲再繞單螺旋光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

2.電子發(fā)射材料三元碳酸鹽：碳酸鋇，碳酸鍶，碳酸鈣重量百分比：50%40%10%3.電極的參數(shù)通常PAr=400Pa→Kg=0.2雙螺旋燈絲Ks1(Ks2)=1.5～2.0→δ=0.7光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

ρT(ω)=3.1×10Ω.cm(900C)Me=3.7w/cmd=0.152(IH)(mm)l=4.7(VH)d(mm)IHVH

由Pl查表得出-5o29002/39001/2

光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

4.電極作為陰極時的防蒸發(fā)措施40WTA=900C>40WTA>>900C三.惰性氣體的種類和壓強T12&CFLPAr=400Paoo光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

T8PAr:PKr=1:3PAr+PKr=200PaD↑→Da↑→E↑→Vl↑使Vl不變P下降T5114lm/wVl很高190V，用電子整流器(EB)光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

四.熒光粉的選取a)根據(jù)熒光燈的分類1.暖白色Tc=3000Kη=802.白色Tc=3500Kη=803.冷白色Tc=4300Kη=784.日光燈Tc=6700Kη=65單一鹵粉白鹵粉＋蘭粉光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

b)根據(jù)185nm輻射強度選取P185(26mm)

P185(38mm)P185(17,12mm)P185(38mm)=2=6選用三基色粉五.汞蒸氣壓的控制1.由Ws值保證最佳PHgPHg∝Tcol∝WsWs=0.025～0.04w/cm2.人為制造冷端保證最佳PHg光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

23.采用汞齊汞齊的蒸氣壓<液汞的蒸氣壓Bi-In(6%Hg)△T=52～120C液汞△T=27～58Ca)放寬最佳Tcol的范圍b)減少汞污染c)啟動穩(wěn)定時間長采用主輔汞齊克服光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

oo光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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5.5高功率熒光燈光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

一.增加Il來增加Pl(不可取)二.增加El(Te)來提高P11.緊湊型熒光燈(I,Pg不變)d↓→Da↑→El↑→Te↑→n*↑P1↑光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

小功率燈(Pl≤11w)dout=12mm(Tcol=47C)中大功率燈(Pl≥13w)dout=17mm(Tcol=45C)El≈2V/cmVl≤56Vn(≤123V)l≤l60cm兩大類PL燈燈與鎮(zhèn)流器分離SL燈燈與鎮(zhèn)流器一體化oo光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

要采用三基色熒光粉管細(xì)電子能量高，185輻射強18W直管F＝1300lmCFLF＝1200lm2.異型截面熒光燈與圓管面積相同的矩形管3.選用Da大的惰性氣體光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

三.采用汞齊Bi-In-HgTw=52～120CF≥90%Fmaxo光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

5.6熒光燈的特性和應(yīng)用光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

一.光維持性定義：光輸出隨點燃時間的變化光維持性dF/dt=-ktFt=F0exp(-kt)F0-Ft=F0[1-exp(-kt)]光通量可能損失的最大量光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

考慮不同的影響因素F0－Ft=A[1-exp(-αrt)]+B[1-exp(βrt)]+C[1-exp(-νrt)]A/B/C快、中、慢速反應(yīng)中最大光通量損失燃點100小時下的光通量稱為初始光通量。光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

解決途徑：(Na-Ca玻璃)1.用Pb玻璃代替Na-Ca玻璃2.涂保護膜防止鈉離子與熒光粉的反應(yīng)ａ半透明膜α-Al2O3ｂ透明膜稀土氧化鋁3.低鉛無鈉玻璃光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

二.影響壽命的因素1.電極性能對H的影響用螺旋燈絲，堿土氧化物早期發(fā)黑：點狀黑斑：“熱點”蒸發(fā)出BaO，燈絲不均勻環(huán)狀黑斑：HgO，HgO2與Hg混合物→工藝設(shè)計晚期發(fā)黑：正常結(jié)果，不可避免光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

2.充氣壓力兼顧η與H的關(guān)系3.開關(guān)次數(shù)每一次開關(guān)對燈的壽命影響很大4.鎮(zhèn)流器和啟輝器的性能光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

三.熒光燈的高頻工作特性f↑→ν碰↑n*↑P彈↑第二類非彈性碰撞哪種過程占主導(dǎo)光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

1.電子鎮(zhèn)流器(EB)的工作頻率20～50kc2.高頻工作的好處a)f↑→αl↑(f>15kcα→1接近正弦波)b)f↑→P電↓→η↑c)f=25kc下，Ra有所上升d)熱耗小，體積小光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

諸定昌

CB6－8Wαl低重量大噪音大EB1－2Wαl高重量小噪音無3.無極熒光燈f>500kc放電建立與電極有否無關(guān)f=13.56MHz(避開干擾)4.微波放電光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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四.熒光燈的能量分配1.可見直接輸出3％2.熒光粉轉(zhuǎn)換的可見光19％3.熒光粉發(fā)熱34％4.管壁(占體積)損失26％5.電極損耗18％光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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五.熒光燈的應(yīng)用1.燈的優(yōu)點a)η高，H長b)Ra好(45～85)c)Tc范圍廣(2500～7000K)d)柔和e)光輸出隨電網(wǎng)電壓波動小f)啟動性好光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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2.燈的缺點a)幾何尺寸大→P1小b)對環(huán)境溫度要求高c)光閃爍3.燈的分類a)照明光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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b)特殊光源單色性保健燈(270370nm)黑光燈(370nm)誘蟲光化學(xué)燈(400nm)殺菌燈(253.7nm)滅蚊燈(338nm)CCFL冷陰極熒光燈光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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思考題：1.采取哪些措施可保證低氣壓汞蒸汽放電的最大紫外(253.7nm)輸出？為什么？2.試敘述熒光燈中充惰性氣體的作用？3.CFL中為什么要采用三基色熒光粉和保護膜技術(shù)？光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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5.為什么把熒光燈燃點100小時后的光通量作為燈的初始光通量？6.有哪些途徑可得到高功率熒光燈，為什么？7.細(xì)管徑熒光燈有什么特點？4.熒光燈電子鎮(zhèn)流器為何有代替電感鎮(zhèn)流器的趨勢？光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈

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謝謝觀看！光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌第五章低壓水銀熒光燈光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌汞的物理性質(zhì)熔點-38.87Co沸點356.58Co蒸汽壓隨T敏感變化光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌汞的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性好,不與燈用材料在工作T下有化學(xué)反應(yīng)可與許多金屬形成合金amalgam汞齊(鉍,鈦,鋅)汞有毒性:汞中毒汞的輻射性質(zhì)低氣壓下(0.1Pa)以253.7為主高氣壓下(10Pa)可見輻射增強6光源原理與設(shè)計—低壓水銀熒光燈諸定昌6D27S06P17S16P26P16P06S011113333253.7185.0PHg(torr)η第六章高壓汞燈光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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6.1高壓汞蒸氣放電特性光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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一.電弧溫度和電離機構(gòu)1.Tg≈TePHg↑→γ↑→Tg↑LTE滿足:Ve→MaxwellDistributionn*→BoltzmannDistributionn+(n-)→SahaEquation光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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2.電離以熱電離為主(PHg≥1333Pa)3.電弧收縮(氣壓越高，收縮越厲害)PHg很高下由對流帶走能量的過程使電弧“繩化”光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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二.光譜uv共振輻射隨氣壓上升越來越受到抑制，強度很高的可見輻射大量出現(xiàn)。Ijk=nj*AjkhγjkPHg↑→Tg↑→n*↑n*=n0exp(-eV/kT)Ajk=1/τin(τin:plasma中平均停留時間)A(高能態(tài)間)>A(與基能態(tài)間)光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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2.譜線放寬壓力放寬+高溫下的多普勒放寬3.連續(xù)光譜出現(xiàn)體積復(fù)合韌致輻射連續(xù)譜在連續(xù)光譜上疊加了放寬的線光譜光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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三.光效Φin(內(nèi)徑)=27mmI=4APHg不同時η變化ABCDEFPHg(Torr)η60201010-210-1110102103104光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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1.η隨PHg上升而增加(PHg≥1atm)2.單位波長的熱耗PL=Pr+Pc+PTPC1=-λ2πridTdrriλ=λVPHg↑→λ↓PHg↑→Tg↑→V↑λ與PHg無關(guān)（與T也無關(guān)）31光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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實驗表明，dT/dr為拋物線分布rTT0TwriT(r)=T0-(T0-Tw)()2rriPc1=-λ[-(T0-Tw)]2πriri2rri2Pc1=4πλ(T0-Tw)T0=6000KTw=1000Kλ=8.35×10-5T3/4(w/mk)Pc1=10W/cm光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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3.光效通常Pl1=40～50W/cmPr1=Pl1-Pc1考慮nHg與石英對輻射的吸收Pr1=0.72(Pl1-Pc1)ηr==0.72(1-)0.72(Pl1-Pc1)Pl1Pc1Pl1光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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Pl↑→ηr↑Pl1↑→Ve↑→PHg↑光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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6.2高壓汞燈光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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一.結(jié)構(gòu)1.放電管石英泡殼Hg+Ar填充物自熱式電極+輔助電極光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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3.外殼硬玻璃（軟玻璃）加熒光粉——熒光高壓汞燈即可提高光效，又可提高顯色指數(shù)2.支架電引線+啟動電阻主電極和輔電極間先被擊穿，產(chǎn)生電子，放電建立。光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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二.高壓汞燈的設(shè)計1.選定工作氣壓a）PHg照明燈(2～4)atm紫外輻射燈(0.5～0.6)atmb）PHg與Tw的關(guān)系過量Hg下lgPHg=-+7.752Tw(k)3.36×103光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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c）高壓汞燈中汞量與PHg的關(guān)系非飽和狀態(tài)，200.6mg液汞在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，產(chǎn)生22.4cm3的汞蒸氣在體積為V’，溫度為T’，且均勻分布的燈中產(chǎn)生P’HgP’Hg=/22.4273V’T’光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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在管半徑為ri，且溫度為T(r)的單位弧長體積中產(chǎn)生P’’HgP’’Hg=22.4273∫0ri2πrT(r)dr在單位弧長充汞量為m(mg/cm)，在ri與T(r)的條件下產(chǎn)生PHgPHg=22.4m273×200.6∫02πrT(r)dr2P’’Hgm200.6=PHg=m7680∫0riT(r)dr2ri2光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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2.選定電參數(shù)（Pl給出，Vl選定，Il可知）Pl=VlIlαl(αl=0.9)Vl=VAK+ELarca)VAKb)Vl鋯酸鋇電子粉電極12～13V純鎢電極17VVl↑→η↑Vl↑↑→不穩(wěn)定Vl=(1/2～2/3)Vn=(110~140)V光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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3.選定管壁負(fù)載Ws=Pl/πdlarc----------------------Ws照明燈9～10w/cm2紫外燈5.5～6.5w/cm22光源原理與設(shè)計—高壓汞燈

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4.充汞量與E的關(guān)系Pl1=EIlαl=EJSarcαl=E(eneμe)πrarc2?

αlμe=c1/n0ne=c2n0exp[-evi/2kTeff]Teff=f（ri,Pc1）Elenbass根據(jù)二階溫度輪廓模型rarc=c