光源知識培訓-高壓汞燈

第六章高壓汞燈光源原理與設計—高壓汞燈

諸定昌

光源原理與設計—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計—高壓汞燈

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

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三.光效Φin(內徑)=27mmI=4APHg不同時η變化ABCDEFPHg(Torr)η60201010-210-1110102103104光源原理與設計—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（與T也無關）31光源原理與設計—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光源原理與設計—高壓汞燈

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Pl↑→ηr↑Pl1↑→Ve↑→PHg↑光源原理與設計—高壓汞燈

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6.2高壓汞燈光源原理與設計—高壓汞燈

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一.結構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，產生電子，放電建立。光源原理與設計—高壓汞燈

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二.高壓汞燈的設計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的關系過量Hg下lgPHg=-+7.752Tw(k)3.36×103光源原理與設計—高壓汞燈

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c）高壓汞燈中汞量與PHg的關系非飽和狀態(tài)，200.6mg液汞在標準狀態(tài)下，產生22.4cm3的汞蒸氣在體積為V’，溫度為T’，且均勻分布的燈中產生P’HgP’Hg=/22.4273V’T’光源原理與設計—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)的條件下產生PHgPHg=22.4m273×200.6∫02πrT(r)dr2P’’Hgm200.6=PHg=m7680∫0riT(r)dr2ri2光源原理與設計—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光源原理與設計—高壓汞燈

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

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4.充汞量與E的關系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=c3riE=6Pl11/2m7/12(Pl1-Pc1)1/3d3/2代入Pl1=30w/cmPc1=10E≈12m7/12d3/2=Vl-VAklarc---------③光源原理與設計—高壓汞燈

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l=larc+2T.T.Q+壓封區(qū)總充汞量M=m(larc+3/4d)T.T.Q插入因子larc5.幾何尺寸與總充汞量的計算光源原理與設計—高壓汞燈

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PHg=0.75(m/d2)Pl10.25/(dm)0.1-----------(1)E≈12m7/12d3/2=Vl-VAklarcWs=Pl/πdlarc-----------------(2)6.驗證湍流發(fā)生的可能性m2/d≤250---(3)三.高壓汞燈的啟動f穩(wěn)定時間4~10分FItPlTwPHgPHg(max)光源原理與設計—高壓汞燈

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1.HID燈啟動的四個階段a)Breakdown:ionizationtoproduceenoughcharges(governedbyPashenLaw).b)Aself-sustainingdischargebysecondaryemissionfromthecathode（governedbyTownsendLaw).c)Glow-to-Arctransitionduringwhichtheelectrodesareheatedtoavaluewherethermalemissiondeliversmostofthecurrent.d)Comestoslowtransitionfromalowpressuretoahighpressure.光源原理與設計—高壓汞燈

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2.影響Vs的因素a)TambPenningEffectb)電極發(fā)射性能與幾何尺寸c)雜質氣體H2的危害(H2對石英有滲透效應)H2+Ar*2H+Ar破壞Penning效應H2+Hg*2H+Hg破壞階梯電離一般Es=4v/cm?Torr400wlarc=6.5cmPAr=20TorrVs=520v光源原理與設計—高壓汞燈

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3.降低Vs的措施a)主電極的合理設計①電子發(fā)射材料的選擇堿土逸出功1.6eVBaZrO3(1.63eV)Ba3WO6Ba2CaWO6+Ba2CaMoO6常用<2.07鋇鎢類電極(T電=1500~1900oC)電子粉圈桿(釷)鎢dl光源原理與設計—高壓汞燈

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②電極的幾何尺寸芯桿：直徑、伸出鎢圈長度鎢圈（熱輻射體，貯電子粉）：直徑、圈數(shù)輻射體保證足夠高的溫度使2BaWO6+W3BaWO4+3Ba輻射體溫度太高，蒸發(fā)大光源原理與設計—高壓汞燈

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芯桿伸出太長，T尖高，Ba損失大；伸出太短，電弧接觸鎢圈部位，蒸發(fā)大合理的尖端溫度和輻射體溫度b)加輔助電極(可降低50%的Vs值)輔助電極(1~2mm)R30~40kΩc)改善低溫啟動的措施充Ne-Ar潘寧氣體，降低限流電阻R=10kΩ，雙輔助電極，加吸氣劑光源原理與設計—高壓汞燈

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四.影響壽命的因素1.啟動時陰極濺射造成的emitter損耗a)電極材料與幾何尺寸b)啟動電流的大小Is----啟動電流

Io---工作電流Is=1.5Ioc)電源的頻率2.正常燃點時的蒸發(fā)光源原理與設計—高壓汞燈

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3.惰性氣體的影響(Pd關系)4.管壁負載Ws的影響Tw不能太高（析晶），Ws=9~10W/cm25.工藝的影響水汽H2oH+O電極處理Quartz質量光源原理與設計—高壓汞燈

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五.用途1.大面積照明優(yōu)點：η=50，發(fā)光體小，價格便宜缺點：光色偏藍紫Ra=15~202.強紫外光源

253.7365.0312.1296.7nm光源原理與設計—高壓汞燈

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6.3熒光高壓汞燈與自鎮(zhèn)流高壓汞燈一.熒光HPMa)提高η粉：鹵粉253.7489nmb)提高Ra粉：氟鍺酸鎂粉：625.0~675.0nmc)提高η和Ra粉：釩酸釔粉618nmYAGCe鋁酸釔(藍)435.8560(黃)光源原理與設計—高壓汞燈

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二.自鎮(zhèn)流熒光HPM優(yōu)點：光色改善，使用方便，成本低缺點：光效低，H短光源原理與設計—高壓汞燈

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熱輻射+GD光源原理與設計—高壓汞燈

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6.4超高壓汞燈光源原理與設計—高壓汞燈

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一.投影系統(tǒng)中亮度是光源的第一重要指標.提高功率輸入密度增加J增加E(正比于PHg)二.超高壓汞燈的結構超高壓HPM與一般HPM燈結構與特性不同的原因光源原理與設計—高壓汞燈

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a)球形超高壓汞燈結構larc>8mm,對流穩(wěn)定型larc<8mm,電極穩(wěn)定型極距Hg+Ar1.球形超高壓汞燈：增加單位弧長對應的表面積光源原理與設計—高壓汞燈

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E正比于PHgE和關系不明顯

E=J/eneμeISarcJ基本不變L的經驗公式b)特性c)啟動加速方法：充0.5~2atm的Xe球形橫點橢球形豎點光源原理與設計—高壓汞燈

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2.毛細管超高壓汞燈石英d=1~3mm管壁穩(wěn)定型燈管成毛細管鎢組玻璃過渡玻璃Hg+Ar5kPa石英漏磁變壓器光源原理與設計—高壓汞燈

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*UHP光源多媒體投影儀背投TVCRTLCD光源，微型鹵鎢燈CCFLLCOS光源：MH,UHPPDP(PlasmaDisplayPanel)顯示方式光源原理與設計—高壓汞燈

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一.LCOS的工作原理對投影光源的要求和比較UHP1.0~1.5mm較差60≥6×103100~2001000~1500/cm弧長(mm)色彩光效(lm/w)壽命(h)功率(w)功率密度(Pl1)MH3.0~3.5較好60<3000200~350700~1000W/cm光源原理與設計—高壓汞燈

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要求：①高亮度②長的壽命③壽命期間保持光色的穩(wěn)定性④安全和方便使用ProjectionSet①verybigimages②excellentimagequality③lowvolumeandweightAdvantages光源原理與設計—高壓汞燈

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ProfessionalPresentation①variableimagesize②animationeffectsHomeTV①frontandrearprojector②screendiagonal125cmandmore③lowsetdepth<30cmpossible④noheavyandbigCRTtube光源原理與設計—高壓