【正文】 Ijk=nj*Ajkhγjk PHg↑→Tg↑→n*↑ n*=n0 exp(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 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 —高壓汞燈 諸定昌 三 . 光效 Φin(內(nèi)徑 )=27mm I=4A PHg不同時 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 —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 —高壓汞燈 諸定昌 實驗表明， 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 —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 —高壓汞燈 諸定昌 Pl↑→ηr↑ Pl1↑→Ve↑→PHg↑ 光源原理與設(shè)計 —高壓汞燈 諸定昌 高壓汞燈 光源原理與設(shè)計 —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 —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 —氣體放電的基本原理 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 —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→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 —氣體放電的基本原理 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 —氣體放電的基本原理 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： Lν(x0)＝ ∫ Sν(τ’)e dτ’ 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)[1e ] 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’ 7 9 ∫ Sν(τ’)e dτ’= Sν(τ)[1e τ(ν,0) ] τ(ν,0) 0 τ’ 8 1. 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) = 2 hν c 2 3 e KT 1 hν 1 光源原理與設(shè)計 —氣體放電的基本原理 諸定昌 10 11 光源原理與設(shè)計 —低壓水銀熒光燈 諸定昌 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 electrode filling gas Hg Ar glass tube 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= η∝ 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 a)Buffer Gas (緩沖氣體 ) P= λ =5cm 可能有電子未經(jīng)碰撞就已運動到管壁而損失掉 PAr=100Pa λ = 充 Ar使電子的碰撞次數(shù)大大增加 V*min(Ar)Vi(Hg) 光源原理與設(shè)計 —低壓水銀熒光燈 諸定昌 b)Penning Effect 降低啟動電壓 氣體 He Ne Ar Kr Xe Hg H2 第一激發(fā)電位 亞穩(wěn)態(tài)電位 / 一次電離電位 c)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 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) = : : 可見，充最好，但無法降低啟動電壓 考慮 Penning Effect 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 PAr=100Pa ηuv=ηuvmax PAr↑→n*↑→ηuv↑ PAr↑↑→n*↑→ηuv↑略上升 →P彈 ↑↑→ηuv↓ 實際充 200 ～ 660Pa( ～ 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 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 l越長，越高 Pe=I l (E*lc+VAK) Pe一定 lc↑→Il↓→P 電 ↓→ηuv↑ 一般 l=( ～ )m 40W 100W 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＝ ～ A/cm 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： Pe ri PHg PAr Il 要求參量： Puv(ηuv) E(Ve) 光參數(shù) 歸結(jié)求參量： Te ne E J 光源原理與設(shè)計 —低壓水銀熒光燈 諸定昌 一 .基本假設(shè) Maxwell分布，并且與 Vi無關(guān) 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 (求 ne) 總激發(fā)速率＝總消激發(fā)速率 (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 (求 E) 電場輸入電子氣的能量＝電子碰撞損失能量 (求 J) 電流密度 J＝ e ne μe E 光源原理與設(shè)計 —低壓水銀熒光燈 諸定昌 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。其分布的形狀就稱 為譜線的輪廓。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。 光源原理與設(shè)計 —鹵鎢燈 諸定昌 三、應(yīng)用領(lǐng)域 1。 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 光源原理與設(shè)計 —鹵鎢燈 諸定昌 一、鹵鎢燈的光效和壽命 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)。 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 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。 CFL 。 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 光源原理與設(shè)計 —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 —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 ? ?3231214lT IMeKgd ?????? ?????llTVIMeKgl 31312224)1(?????? ?????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 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。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。 3132)()(ln??