【正文】 源原理與設(shè)計(jì) —緒論 諸定昌 謝謝觀看 ! 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 第二章 白熾燈 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 白熾燈主要特性： 使用方便，外型多樣，價(jià)格低廉 η=8~15 lm/w H=1*103 小時(shí) 燈絲色溫 Tc=2700~2900K(燈光黃） Ra≈100 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 熱輻射的性質(zhì) 光源原理與設(shè)計(jì) —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（ thermal Equilibrium)熱力學(xué)平衡狀態(tài) LTE（ local thermal Equilibrium)局部熱力學(xué)平衡狀態(tài) 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 二、基爾霍夫定律（ Kirchholf Law) Me(T) Me(T)=Pe(T)/S 單位（ W/m2) Pe—— 單位時(shí)間輻射的能量。 K4) 4．維恩位移定律 λm 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 三、充氣的熱損失 單位長(zhǎng)度燈絲損失功率： Pc`=2πrλ(dT/dr) 整個(gè)燈絲損失功率： Pc= Pc`lf lf燈絲的長(zhǎng)度 討論：影響 Pc的因素 1）充氣氣體的種類 2）充氣壓力 3） lf 4） df 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 對(duì)于充氬 — 氮混合氣的白熾燈，每厘米長(zhǎng)度燈絲的氣體熱損失 Pc`約為 4W。 η≤10 Tc≤2500K H≥1*103hrs 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 二、白熾燈的指數(shù)特性 vudbaRRPPIIVVFFHH??????????????????????????????????????????????????????12121212121221???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(jì) —白熾燈 諸定昌 三、指數(shù)特性的應(yīng)用 例 1： H的加速試驗(yàn) d(充氣泡 )= 電壓提高 10% H1/H2=（ 242/220） = 例 2：內(nèi)在質(zhì)量因數(shù) qa bHH ????????? 1221 ??bHH?????????1221?? b=7 所以定義 71227111 HHqa ???71227111 HHq a ?? ??光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 一、探索新的燈絲材料 —— 更高的熔點(diǎn)，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 IRC technology Thin film multilayer coatings 400020406080100800 1200 1600 2022(Filter) Stack Construction Wavelength ? High refractive index Low refractive index Substrate (glass bulb) glass bulb SiO2 SiO2 SiO2 }?/2 Transmittance SiO2 / TiO2 Stack Wavelenght ? [nm] 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 三、綠色照明的含義 。 光源原理與設(shè)計(jì) —鹵鎢燈 諸定昌 三、燈絲 單、雙螺旋 →線狀光源 雙、三螺旋 →點(diǎn)狀光源 →Me相同下增加輻射面積 →防下垂 光源原理與設(shè)計(jì) —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(qiáng)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。汽車鹵鎢燈 4。 a)共振放寬：同種原子對(duì)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(duì)激發(fā)態(tài)原 子的干擾 c)斯塔克放寬：帶電粒子對(duì)激發(fā)態(tài)原子的干擾 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 → 色散型 a)Lorentz理論：干擾下停止輻射 b)LentzWeisskof理論：干擾時(shí)輻射的 頻率發(fā)生變化 c)Lindholm理論：干擾時(shí)相位產(chǎn)生位移 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 Reference: : Spectrosopic Methods of Plasma Diagnostics 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 輻射轉(zhuǎn)移 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w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(guò)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(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 n m 自 發(fā) 輻 射 吸 收 感 應(yīng) 輻 射 平衡下： Anmnn+BnmρB(ν)nn = BmnρB(ν)nm 1 LTE下： nn nm = gn gm exp( ) KT hνnm 聯(lián)立解有： ρB(ν) = Anm Bnm 1 gmBmn gnBnm e hν KT 1 2 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 由 planck公式： ρB(ν) = 8πhν c 3 3 e KT 1 hν 1 所以 8πhν c 3 3 Bnm Anm = gmBmn =gnBnm 3 2光譜的發(fā)射系數(shù) 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 定義： εν = dtdVdΩdν d E 4 εν = εν +εν s i 4 自發(fā)輻射 感應(yīng)輻射 有： εν = s 4π 1 nn Anm 5 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 由 5和 6得： 對(duì)應(yīng)： εν = i 4π 1 nn BnmρB(ν) c 1 nn Bnm LνB = 6 其中： LνB = 4π c ρB(ν) εν εν s i = c 2 2hν 3 LνB 7 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 平衡下： 4π 1 nn Anm c 1 nn Bnm LνB + c 1 nm Bmn LνB = 8 光譜的吸收系數(shù)： Kν= dLν Lνdx dLν=L’νLν 定義： 其中 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 x x+dx Lν L’ν 物理意義： Lν(x) =Lν(0)e Kx 由基爾霍夫定律： LνB = εν Kν = 2 hν c 2 3 e KT 1 hν 1 9 平衡下： εν = εν +εν= Kν LνB s i 對(duì)應(yīng) 8式： Kν c 1 nn Bmn = 10 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 0 x x0 Lν(0) Lν(x) 對(duì)某一譜線： εL =∫line εν dυ= s 4π 1 nn Anm hν c 1 nn Bnm LνB hν εL =∫line εν dυ= s i i KL =∫line Kν dυ= c 1 nm Bmn hν 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w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) Kν i ～ εν +εν= Kν LνB平衡下： s i Kν LνB=εs ～ 所以： Kν LνB＝ Kν LνB－ εν ～ i c 1 nm Bmn LνB = c 1 nn Bnm LνB 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 = c 1 nmBmn LνB (1 ) nmBmn nnBnm = Kν LνB(1e ) KT hν 11 nn nm = gn gm exp( ) KT hν gmBmn =gnBnm Kν LνB =Kν LνB(1e ) ～ hν KT 12 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 εν εν +εν = Kν LνB e hν KT Kν LνB = hν KT e 13 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(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 Lν(0) Lν(x) Lν(x0) Lν(x+dx) 0 x x+dx x0 單位面積 (x)=0 dLν(x) dx = Kν (x)Lν(x) dLν(x) Lν(x) = Kνdx 2 在 0→x 和 Lν(0) → L ν(x)間積分 Lν(x)= Lν(0) exp(∫ Kν(x’)dx’) 0 x 離開等離子體的輻亮度： Lν(x0)= Lν(0) exp(∫ Kν(x’)dx39。 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 二 . 高壓汞燈的設(shè)計(jì) 1. 選定工作氣壓 a） PHg 照明燈 (2～ 4 )atm 紫外輻射燈 (～ )atm b） PHg與 Tw的關(guān)系 過(guò)量 Hg下 lgPHg= + Tw(k) 103 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 c）高壓汞燈中汞量與 PHg的關(guān)系 非飽和狀態(tài)， 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，產(chǎn)生 在體積為 V’，溫度為 T’，且均勻分布的 燈中產(chǎn)生 P’Hg P’Hg= / 273 V’ T’ 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 在管半徑為 ri，且溫度為 T(r)的單位弧長(zhǎng) 體積中產(chǎn)生 P’’Hg P’’Hg= 273 ∫0ri 2πr T(r) dr 在單位弧長(zhǎng)充汞量為 m(mg/cm)，在 ri與 T(r)的條件下產(chǎn)生 PHg PHg= 273 ∫0 2πr T(r) dr2 P’’Hgm = PHg= m 7680 ∫0ri T(r) dr2 ri2 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 2. 選定電參數(shù)（ Pl給出， Vl選定， Il可知） Pl=VlIlαl (αl=) Vl=VAK+ELarc a) VAK b) Vl 鋯酸鋇電子粉電極 12～ 13V 純鎢電極 17V Vl↑→η↑ Vl↑↑→不穩(wěn)定 Vl=(1/2～ 2/3)Vn=(110~140)V 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 3. 選定管壁負(fù)載 Ws=Pl/πd larc Ws 照明燈 9～ 10w/cm2 紫外燈 ～ 2 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 4. 充汞量與 E的關(guān)系 Pl1=EIlαl=E J Sarcαl =E(e neμe) πrarc2 ? αl μe=c1/n0 ne =c2n0exp[evi/2kTeff] Teff =f（ ri ,Pc1） Elenbass 根據(jù)二階溫度輪廓模型 rarc=c3ri E= 6 Pl11/2 m7/12 (Pl1Pc1)1/3d3/2 代入 Pl1 =30w/cm Pc1=10 E≈12 m7/12 d3/2 = VlVAk larc ③ 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 l=larc ++壓封區(qū) 總充汞量 M=m(larc+3/4 d) 插入因子 larc 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 PHg=(m/d2)(dm)(1) E≈ 12 m7/12 d3/2 = VlVAk larc Ws=Pl/πd larc(2) m2/d≤