【正文】 250 (3) 三 .高壓汞燈的啟動(dòng) f 穩(wěn)定時(shí)間 4~10分 F I t Pl Tw PHg PHg(max) 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 a) Breakdown: ionization to produce enough charges (governed by Pashen Law). b) A selfsustaining discharge by secondary emission from the cathode（ governed by Townsend Law). c) GlowtoArc transition during which the electrodes are heated to a value where thermal emission delivers most of the current. d) Comes to slow transition from a low pressure to a high pressure. 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 Vs的因素 a) Tamb Penning Effect b) 電極發(fā)射性能與幾何尺寸 c) 雜質(zhì)氣體 H2的危害 (H2對石英有滲透效應(yīng) ) H2+Ar* 2H +Ar 破壞 Penning 效應(yīng) H2+Hg* 2H +Hg 破壞階梯電離 一般 Es=4v/cm ? Torr 400w larc= PAr=20Torr Vs=520v 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 Vs的措施 a)主電極的合理設(shè)計(jì) ① 電子發(fā)射材料的選擇 堿土 逸出功 BaZrO3() Ba3WO6 Ba2CaWO6+Ba2CaMoO6 常用 鋇鎢類電極 (T電 =1500~1900oC) 電子粉 圈 桿 (釷 )鎢 d l 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 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+W 3BaWO4 +3Ba 輻射體溫度太高，蒸發(fā)大 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 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) R 30~40kΩ c) 改善低溫啟動(dòng)的措施 充 NeAr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(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 四 .影響壽命的因素 emitter損耗 a) 電極材料與幾何尺寸 b) 啟動(dòng)電流的大小 Is啟動(dòng)電流 Io 工作電流 Is= c) 電源的頻率 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 (Pd關(guān)系 ) Ws的影響 Tw不能太高（析晶）， Ws=9~10W/cm2 水汽 H2o H +O 電極處理 Quartz 質(zhì)量 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 五 . 用途 1. 大面積照明 優(yōu)點(diǎn)： η=50，發(fā)光體小，價(jià)格便宜
。 Iλc Iλmax λ0 △ λh Iλ λ 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 總強(qiáng)度 It=∫Iλdλ 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 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 a)定義 = Iλ I t Iλ ∫Iλdλ Iλ=It*Prof. λ ∫Iλdλ=∫=It∫=It ∫=1 →“ 歸一化”性質(zhì) = 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 以頻率 ν表示 = c ν2 以 ω表示 = 1 2π 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 b)色散型 (洛侖茲力 )輪廓 = γ 2π 1 (ω ω0) + ( ) γ 2 c)高斯型輪廓 =( ) exp[ ] 4Ln2 πγ 4Ln2(ω ω0) 2 2 2 γ2 2 2 1 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 二 .譜線的自然寬度 t→t+dt dnn= Anm nn dt Nn (t) =nn0e Anmt =nnoe t/τn Τnm為躍遷的時(shí)間常數(shù)，是 Anm的倒數(shù) 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 初始條件： t=0 n|t=0 =nn0 海森伯 (Heisenberg)測不準(zhǔn)原理 △ E△ τnm=h/2π=h ：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。泛光照明 2。使用石英或硬料玻璃。 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 一、運(yùn)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。 光源原理與設(shè)計(jì) —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(kuò)散。 m2) C2=hc/kB=*102(m αB（ λ,T)≡1 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 MλB(λ,T)=C1λ5[exp(C2/λT)1]1 其中 C1=2πhc2=*1016(W 3132)()(ln???TwTwfTCfdbb?? 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。 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(jī)械強(qiáng)度增大了） 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、統(tǒng)一公式 a)直線型燈絲 ① 直徑 d ② 長度 l b)單螺旋燈絲 ① 直徑 d ② 長度 l ③ 螺距系數(shù)Ks=S/d ④ 芯絲系數(shù) Kc=dc/d c)雙螺旋燈絲 ① 直徑 d ② 長度 l ③ 第一螺距系數(shù) Ks1=S1/d ④ 第一芯絲系數(shù) Kc1=dc1/d ⑤ 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(jì) —白熾燈 諸定昌 2．燈絲的計(jì)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 ? ?3231214lT IMeKgd ?????? ?????llTVIMeKgl 31312224)1(?????? ?????光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 二、經(jīng)驗(yàn)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(jì)算公式 五、設(shè)計(jì)中注意的問題 光源原理與設(shè)計(jì) —白熾燈 諸定昌 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。 T反 碘鎢 950K（ 677℃ ） 溴鎢 1600K（ 1327℃ ） 氯鎢 2200K（ 1927℃ ） 光源原理與設(shè)計(jì) —鹵鎢燈 諸定昌 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(dá)到要求，鹵鎢燈一般體積比白熾燈小得多。 光源原理與設(shè)計(jì) —鹵鎢燈 諸定昌 三、應(yīng)用領(lǐng)域 1。其分布的形狀就稱 為譜線的輪廓。 Ijk=nj*Ajkhγjk PHg↑→Tg↑→n*↑ n*=n0 exp(eV/kT) Ajk=1/τin (τin: plasma中平均停留時(shí)間 ) A(高能態(tài)間 )A(與基能態(tài)間 ) 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 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(jì) —高壓汞燈 諸定昌 三 . 光效 Φin(內(nèi)徑 )=27mm I=4A PHg不同時(shí) η變化 A B C D E F PHg(Torr) η 60 20 10 102 101 1 10 102 103 104 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 1. η隨 PHg上升而增加 (PHg≥1atm) 2. 單位波長的熱耗 PL=Pr+Pc+PT PC1=λ 2πri dT dr ri λ= λV PHg↑→λ↓ PHg↑→Tg↑→V↑ λ與 PHg無關(guān)（與 T也無關(guān)） 3 1 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 實(shí)驗(yàn)表明， dT/dr為拋物線分布 r T T0 Tw ri T(r)=T0(T0Tw)( )2 r ri Pc1= λ[(T0Tw) ] 2πri ri 2r ri2 Pc1=4πλ(T0Tw) T0=6000K Tw=1000K λ= 105T3/4(w/mk) Pc1=10W/cm 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 3. 光效 通常 Pl1=40～ 50W/cm Pr1=Pl1Pc1 考慮 nHg與石英對輻射的吸收 Pr1=(Pl1Pc1) ηr= =(1 ) (Pl1Pc1) Pl1 Pc1 Pl1 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 Pl↑→ηr↑ Pl1↑→Ve↑→PHg↑ 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 高壓汞燈 光源原理與設(shè)計(jì) —高壓汞燈 諸定昌 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(jì) —高壓汞燈 諸定昌 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(dòng)電阻 主電極和輔電極間先被擊穿，產(chǎn)生電子， 放電建立。) 0 x0 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 3 4 (x)≠0 設(shè)試解： Lν(x)= u(x) exp(∫ Kν(x’)dx’) x0 x 代入后解得： +Lν(0) exp(∫ Kν(x’)dx’) 0 x0 Lν(x0)= ∫εν(x)dx exp(∫ Kν(x’)dx’) 0 x0 x x0 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w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→x 0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) dx dτ dτ ＝ dLν(x) dτ [Kν(x)] 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 x x0 dLν(x) dτ = Lν(x) εν(x) Kν (x) = Lν(x) Sν(x) 6 Sν(x)= εν(x) Kν (x) = 2 hν c 2 3 e KT 1 hν 1 光源原理與設(shè)計(jì) —?dú)怏w放電的基本原理 諸定昌 代試解： Lν(τ)＝ u(τ)e τ Lν(τ)＝ [∫ Sν(τ’)e dτ’ τ’ τ τ(ν,0) +Lν(0)e ]e τ(ν,0) τ 離開 plasma時(shí)： Lν(x0)＝ ∫ Sν(τ’)e dτ’ τ(ν,0) + Lν(0)e τ(ν,0) 0 討論均勻的 plasma條件：