照明行业各种灯具.pptx

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1、光源原理与设计绪论诸定昌2.转换方式 加热辐射（eg白炽灯）热辐射光源连续谱 原子激发辐射线光谱 带电粒子的速度变化（轫致辐射）连续谱第1页/共328页3.光学波段光源原理与设计绪论诸定昌 可见光区 380780 nm 红外光近红外区 7801500 nm中红外区 1500110 nm4远红外区 110 110 nm46第2页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌 紫外光真空紫外 1200 nm远紫外 200300 nm近紫外 300380 nm紫外A区 UVA 400315 nm 化学线 黑斑线紫外B区 UVB 315280 nm 健康线（红斑线）紫外C区 UVC 280200 nm 灭菌线第

2、3页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌二.光源发展简史1.第一代光源白炽灯碳丝白炽灯 1879(Edison)1.43 几小时锇丝白炽灯 1898 55.5 几十小时钨丝白炽灯 1907 58 几百小时真空钨丝白炽灯 1910 89 接近一千小时充N2螺旋钨丝白炽灯 1913 11充Ar(Kr,Xe)钨丝白炽灯 1917 12充Ar(Kr,Xe)双螺旋钨丝白炽灯 14 碘钨灯 1959 30 溴钨灯 1964 32光效寿命第4页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌2.第二代光源荧光灯霓虹灯(Neon lamp)1910 用于广告汞蒸汽放电灯 1930 38 差荧光灯(卤粉)1935 40 好

3、涂钒酸钇荧光粉灯 1967 65 好细管径荧光灯(T12T8T5)1973 85 好异型荧光灯(CFC)1977 代替白炽灯Ra第5页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌3.第三代光源钠灯与金卤灯低压钠灯 1932 40 差外壳涂红外反射层的低压钠灯 1965 200 差高压钠灯 1965 150 差钠-铊-铟灯 1961 75 好镉-钬-铥灯 1971 90 很好95络合物(Sc-Na)金卤灯 1976 80 65无极放电灯 寿命长Ra第6页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌三.光源的参量1.技术参量 光通量 F(lm)功率 P(w)寿命 H(hrs)全寿命 从亮到熄有效寿命 F衰减到初始

4、值的一定比例第7页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌2.运行参量 光效 (lm/w)1 转换成辐射的功率占总功率的比例 2 辐射中可见辐射的比例每单位输入功率产生的光通量第8页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌光源的颜色色表:人眼观察光源颜色时的舒适程度(与背景光有关)色温照度 E(lux)房间 E150lux Tc500lux Tc6000K第9页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌显色性:被照物体本色被光源显色的程度指标:Ra太阳光下最大,为100钠灯 28 高压汞灯 40价格第10页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌四.光源的分类1.以放电类型分类辉光放电,弧光放电2.以工作气压分

5、类低气压,高气压,超高气压3.以工作气体种类分类汞灯,荧光灯,惰性气体,金属蒸汽第11页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌4.按用途分类5.按灯种类分按发光原理热辐射光源气体放电光源第12页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌电光源固体光源类气体放电灯类钨丝灯类白炽灯(普灯)卤素灯荧光灯类高强度气体放电灯(HID)类无极灯高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯 直管/环形日光灯紧凑型节能灯发光二极管(LED)第13页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌五.光源的应用1.照明体育场照明,泛光照明2.加热3.光化学照像,加快化学反应速度第14页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌4.光生物杀菌,保健,光合

6、作用5.高科技模拟室,光电效应,军事(夜视仪)LCOS PDPDBD第15页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌References:1.“电光源原理引论”蔡祖泉等(1988)2.“气体与真空中电现象”卡普卓夫(1952)3.“Light Sources”Elenbass (1972)4.“Gas Discharge Lamp”第16页/共328页光源原理与设计绪论诸定昌谢谢观看!第17页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌第二章 白炽灯第18页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉=815 lm/w H=1*103 小时灯丝色温 Tc=27002

7、900K(灯光黄）Ra100第19页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.1 热辐射的性质第20页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射TE（thermal Equilibrium)热力学平衡状态LTE（local thermal Equilibrium)局部热力学平衡状态第21页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌二、基尔霍夫定律（Kirchholf Law)1.光辐射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S 单位（W/m2)Pe单位时间辐射的能量。2.光谱辐射出度M（,T)M（,T)=dMe(T)/d=dPe(T)/Sd第22页/共328

8、页光源原理与设计白炽灯诸定昌3.光谱的吸收率(,T)(,T)=dPe(,T)=/dPe(,T)4.Kirchholf Law第23页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌三、黑体辐射的基本性质1.黑体的定义：黑体就是能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收。B（,T)1第24页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.普朗克公式MB(,T)=C1-5exp(C2/T)-1-1 其中C1=2hc2=3.74*10-16(W m2)C2=hc/kB=1.44*10-2(m K)当不是很大，T不是很高时 MB(,T)=C1-5e-C2/T讨论：1）TMB 2）Tmax(峰值波长)向短

9、波方 向移动 3）T低时红外为主 随T上升，可见光部分增加 第25页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌3斯忒藩玻尔兹曼定律 MeB(T)=0MB(,T)d=SBT4 SB=5.67*10-8W/(m2 K4)4维恩位移定律 m T=b=2.89779*10-3(mK)第26页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌四、实际表面的辐射 实际上，所有的辐射体都不是黑体，它们的光谱辐射出度M(,T)总是比黑体的MB(,T)小。定义光谱发射率：(,T)=M(,T)/MB(,T)1第27页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.2 白炽灯的结构与材料第28页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、

10、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求1.熔点高2.蒸发率V小 影响V的因素 Tf 自身的蒸汽化 环境气氛灯丝的结构3.可见辐射选择性好4.机械强度高，易加工5.有适当的电阻率三、钨的主要性质 第29页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.3真空白炽灯中的基本物理现象第30页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、真空白炽灯的光效Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗）实际中Pc（38）%Pin第31页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌1.理想直钨丝灯的光效 Pc=0光效 0=KmMB(,T)(,T)V()d /MB(,T)(,T)d2.实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使下降。

11、=0/，（遮挡因子），=1.121.15第32页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命1.真空中的钨的蒸发率Vap单位时间撞击单位钨表面的原子数：N1=1/4 nV=n(kT/2m)单位时间单位表面沉积的钨质量为：Vap=0N1m =0 n(kTm/2)=0.060P/T0.5第33页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.蒸发率与灯寿命的关系温度温度T T（K K）V Vapap（g/cmg/cm2 2*s*s）H(hr)H(hr)V Vapap*H*H 2200 2200 2.24*102.24*10-12-12 7.2*107.2*104 4 5.8*10

12、5.8*10-4-42400 2400 1.38*101.38*10-10-10 1.14*101.14*103 3 5.5*105.5*10-4-4 2600 2600 4.17*104.17*10-9-9 3.86*103.86*101 1 5.8*105.8*10-4-4 3000 3000 1.05*101.05*10-6-6 0.15 0.15 5.7*105.7*10-4-4 可以看出 Vap*H=const实验：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap第34页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌a)灯丝质量损耗临界百分比G直G直=H内蒸发的质量/灯丝原有总质量=4Vap H/df

13、G直1/df df灯丝直径b)螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺G螺（5060）%G直第35页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌三、总结 基本矛盾 T（MeT4）TVapH Tf=23002600K H=1*103hrs =810lm/W第36页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.4充气白炽灯中的基本物理现象第37页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、气体稳定层 在炽热的灯丝附近，气体变得非常粘滞，几乎可以看成是不流动的；而在泡壁附近的区域里，由于气体温度较低、粘滞度小，气体强烈对流。因此，可以认为，紧贴灯丝周围存在着一层厚度的稳定气体层，直径为b。第38页/共328页光源原理与设计

14、白炽灯诸定昌 二、充气对抑制钨蒸发的作用 在充气灯中钨的损失主要是由于在稳定层内钨的浓度扩散。N1为1m长的灯丝表面在一秒种内扩散出去的钨原子数。第39页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌三、充气的热损失单位长度灯丝损失功率：Pc=-2r(dT/dr)整个灯丝损失功率：Pc=Pclf lf灯丝的长度 讨论：影响Pc的因素 1）充气气体的种类2）充气压力3）lf4）df第40页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌 对于充氩氮混合气的白炽灯，每厘米长度灯丝的气体热损失Pc约为4W。对于电压为220V的灯泡，螺丝长度必须大于2cm，否则两根导丝之间有放电的危险。因此，充气灯泡的最小热损失值为8

15、W左右。显然，对220V小功率白炽灯不宜充气，25W以下的白炽灯只能是真空，否则热损失占输入的主要部分，得不偿失。第41页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌四、本节结论1充气可抑制蒸发2充气引起热损耗3充入分子量大的气体可更好抑制蒸发和减小热耗。4采用螺旋灯丝可使Pc下降5采用螺旋灯丝可增加寿命（机械强度增大了）第42页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.5白炽灯灯丝的设计第43页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、统一公式1.灯丝参数a)直线型灯丝 直径d 长度l b)单螺旋灯丝 直径d 长度l 螺距系数Ks=S/d 芯丝系数 Kc=dc/d c)双螺旋灯丝 直径d 长度l

16、第一螺距系数Ks1=S1/d 第一芯丝系数 Kc1=dc1/d 第二螺距系数Ks2=S2/(2d+dc1)第二芯丝系数 Kc2=dc2/(2d+dc1)d)Ks和Kc的合理选取第44页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2灯丝的计算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph白炽灯钨丝直径和长度的统一公式第45页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌二、经验公式钨丝份量 Q200=/4*d2 *200*d=kQ200 (mm)三、外推公式修正灯泡的一些参数 四、误差百分比计算公式五、设计中注意的问题第46页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.6白炽灯的运用特性 白炽灯的光效虽然比较低，但由于它使

17、用极其方便，辐射光谱是连续的，显色性好，因此到目前为止仍是应用最广的一种光源。第47页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、运用参量1高色温白炽灯 主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。Tc3200K =30 H=50100hrs2普通照明灯 一般照明=1020 Tc=26003000K H1*103hrs 3红外线灯 用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。10 Tc2500K H1*103hrs第48页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌二、白炽灯的指数特性H寿命 F光通量 光效 V灯电压 I电流P功率 R电阻第49页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌三、指数特性的应用例1：

18、H的加速试验d(充气泡)=13.1 电压提高10%H1/H2=（242/220）13.1=3.48例2：内在质量因数 qa b=7 所以定义第50页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌2.7白炽灯的发展方向第51页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌一、探索新的灯丝材料更高的熔点，有更好的辐射选择性二、改善灯丝材料的结构，以及使周围的介质环境更理想化！1小型化 2反射型 3涂红外反射层第52页/共328页IRC technologyThin film multilayer coatings(Filter)Stack ConstructionWavelengthHigh refractive

19、indexLow refractiveindexSubstrate(glass bulb)glass bulbSiO2SiO2SiO2/2TransmittanceSiO2/TiO2 StackWavelenght nm第53页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌三、绿色照明的含义1.采用光效高的照明光源。CFL2.采用寿命长的照明光源。3.采用对环境污染少的填充物质。第54页/共328页光源原理与设计白炽灯诸定昌谢 谢 观 看！第55页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌第三章 卤钨灯第56页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌3.1卤钨循环原理第57页/共328页光源原理与设计卤钨灯

20、诸定昌一、卤钨循环的要求1.蒸发的钨在Tw（泡壁温度）下易形成易挥发的化合物W+nX WXn2.在灯丝温度区域分解 WXnW+nX二、卤钨循环的定义 卤素把灯丝上蒸发的钨原子不间断的搬回到灯丝上面去的过程。第58页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌三、卤钨循环的温度条件化学反应平衡常数Kp1（高温下）反应向左，有利于分解Kp1（低温下）反应向右，有利于复合Kp=1 左右速率相同第59页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌1反转温度（T反）的定义Kp（T）=1对应的温度，称为反转温度。T反 碘钨 950K（677）溴钨 1600K（1327）氯钨 2200K（1927）第60页/共328页

21、光源原理与设计卤钨灯诸定昌2.温度条件1）TfT反,分解2）TwT反,合成3）TwT升（卤化物）表面温度Tw 碘钨灯250 溴钨灯200 氯钨灯180为了使Tw达到要求，卤钨灯一般体积比白炽灯小得多。使用石英或硬料玻璃。第61页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌3.2 卤钨循环剂第62页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌碘 溴 但对灯丝丝脚、支架腐蚀很大 所以现在一般充：溴化氢HBr 一溴甲烷 CH3Br 二溴甲烷 CH2Br2溴仿 CHBr3 氯仿 CHCl3 第63页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌3.3卤钨灯的结构和制造第64页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌一、外壳

22、材料的几何尺寸1.石英 红外灯：Ws=1520w/cm2 照明灯：Ws=2025w/cm2 高色温灯：Ws=2530w/cm2 2.高硅氧玻璃（拜科）Ws=2025w/cm2 3.硬玻璃 Ws=1015w/cm2第65页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌二、灯丝与外壳的气密封接1.利用钼箔的延展性实现“非匹配”封接锲型 钼箔宽度2A/mm 钼箔长度79mm 钼杆直径 J=510A/mm2 2.钼杆与铝硅玻璃的匹配封接封接可靠，故充气压可以提高，抑制钨蒸发，进一步提高光效、延长寿命。第66页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌三、灯丝1.采用螺旋型灯丝 单、双螺旋线状光源 双、三螺旋点状光

23、源 2.细丝绕在粗丝上再绕螺旋Me相同下增加辐射面积 3.用支架支撑防下垂第67页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌四、最佳充气压综合考虑寿命和光效两方面的要求，卤钨灯的充气压强通常应选择得使气体稳定层直径b略小于泡壳直径d。五、红外反射膜多层介质干涉膜 第68页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌3.4卤钨灯的应用第69页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌一、卤钨灯的光效和寿命 1.光效卤钨灯 Tf=31003500K=2034lm/w 充气白炽灯 Tf=27003050K=1418lm/w 真空白炽灯 Tf=23002600K=810lm/w 第70页/共328页光源原理与设计卤

24、钨灯诸定昌2寿命1）支架的腐蚀2）水蒸气的腐蚀3）热点机制并没克服第71页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌二、卤钨灯的燃点位置燃点位置与灯内所充循环剂的种类有关，更与所充气体的种类有关。（考虑分子量的问题）例1充1atmAr的管状碘钨灯只能水平燃点。例2.充Kr(Xe)和碘的灯，燃点位置可放宽。例3.充Kr(Xe)的溴钨灯，燃点位置任意。第72页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌三、应用领域 1。泛光照明2。投光照明3。汽车卤钨灯4。复印机卤钨灯第73页/共328页光源原理与设计卤钨灯诸定昌四、发展方向1。新的外壳材料2。高电压小功率卤钨灯3。新的循环剂第74页/共328页光源原理与

25、设计卤钨灯诸定昌谢 谢 观 看！第75页/共328页第四章 气体放电的基本原理光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第76页/共328页4.1 气体放电的辐射光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第77页/共328页自持放电条件(e -1)=1dVAd光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌KA第78页/共328页一.辐射的形成方式1.激发态粒子回到低能级态(基态)时的自发 (受激)辐射线光谱E=h2.正负带电粒子的复合辐射 连续谱3.带电粒子的减速产生的轫致辐射光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第79页/共328页二.线光谱hnm=En-Em=eVnm=hc/nmnm=1239/VnmVV

26、 nmnmE0EmEnE光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌hmnhn0第80页/共328页1.不同元素的能级不同，其辐射的波长不同 选择性强2.共振辐射的效率(特别是第一共振态)最高3.能级之间的跃迁服从选择定则4.线光谱辐射的功率密度Pnm光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第81页/共328页定义 Pnm=nn Anm hnmAnm 从nm跃迁几率LTE下 nn由Boltzmann分布描述nn=n0 gng0exp(-)EnKTPnm=n0gng0Anm hnmexp(-)KTEnPnm：压力p(n0)，温度 T，能级性质(En,Anm)光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第82页

27、/共328页5.可见辐射的E范围E En-EmE1239380780E1.7ev(780nm)3.2ev(380nm)光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第83页/共328页三.分子的带状光谱EEeEvErEEeEvEr=E hEeEvErh=光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第84页/共328页以E e为主分辨率不高时，为带状光谱分辨率高时，有很多条谱线大部分光谱在可见区及紫外区Ra气体放电灯矛盾：光效和显色性热辐射光源矛盾：光效和寿命光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第85页/共328页四.连续光谱e+AA+Ea)h=E=Ei-Em+12meve2Ve=0为连续谱EEiEm12m

28、eve2光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌1.复合辐射（f-b跃迁）第86页/共328页因为慢电子浓度高(maxwell)而且更容易与正电子复合当v=0时0=Ei-Emh为频率下限c)辐射总功率PcrZ ne Te 42-3/2光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌b)连续谱的特征EEmEnhh0f-bf-fmeve2-meve2meve2121212第87页/共328页2.轫致辐射(f-f跃迁)e+A+A+e+Ea)h=12me(Ve -Ve )b)可证 Pcb Z ne Te 2222-1/2光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第88页/共328页3.连续光谱产生的特点a)高气压大电

29、流密度放电下，有强的连续光谱b)放电蒸汽元素的Z越大，连续光谱越强，且 以复合辐射为主c)高温下，连续光谱以轫致辐射为主高光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第89页/共328页五.气体放电光源辐射的特点1.工作温度不受灯丝材料性质的限制2.辐射光谱可选择3.寿命大大高于热辐射光源，光维持性好4.基本矛盾 -Ra 光谱放宽光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第90页/共328页4.2 光谱线的轮廓和放宽光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第91页/共328页一.光谱线的轮廓 光强度在一定波长区内都有分布的现象，称光谱线的放宽。其分布的形状就称为谱线的轮廓。IcImax0hI光源原理与设计

30、气体放电的基本原理诸定昌Prof.总强度It=Id第92页/共328页1.产生放宽的机理a)辐射原子自身原因：自然宽度，多普勒效应b)外界原因：压力放宽2.光谱线轮廓的类型光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第93页/共328页a)定义Prof.=II tIIdI=It*Prof.Id=ItProf.d=ItProf.d=ItProf.d=1 “归一化”性质=光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第94页/共328页以频率表示Prof.=c2Prof.以表示Prof.=12Prof.光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第95页/共328页b)色散型(洛仑兹力)轮廓Prof.=2 1(-0)

31、+()2c)高斯型轮廓 Prof.=()exp-4Ln24Ln2(-0)2222221光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第96页/共328页二.谱线的自然宽度tt+dtdnn=-Anm nn dtNn(t)=nn0e-Anmt=nnoe-t/nnm为跃迁的时间常数，是Anm的倒数光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌初始条件：t=0 n|t=0=nn0第97页/共328页海森伯(Heisenberg)测不准原理Enm=h/2=h1.定义：激发态原子寿命的不确定性引起能量的 不确定性，由此造成的谱线放宽称自然宽度。2.轮廓类型色散型光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第98页/共328页三

32、.谱线的多普勒放宽1.定义：多普勒放宽静止：运动：0=c0 =c+vx0=c0+vx0=0+0 vxc-0 0=vxc=02.轮廓类型 Gausstype光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌观察者VVx第99页/共328页四.谱线的压力放宽1.定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使 辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放 宽。a)共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰b)范德瓦尔斯放宽：不同种类原子对激发态原 子的干扰c)斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第100页/共328页2.轮廓的类型 色散型a)Lorentz理论：干扰下停止辐射b)Lentz-

33、Weisskof理论：干扰时辐射的 频率发生变化c)Lindholm理论：干扰时相位产生位移光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第101页/共328页Reference:Spectrosopic Methods of Plasma Diagnostics2.统计物理学导论3.原子光谱学和激发光谱学光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第102页/共328页4.3 辐射转移光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第103页/共328页一.光谱的发射系数和吸收系数1.跃迁过程的分类 自发辐射跃迁 跃迁几率 Anm 吸收跃迁 吸收跃迁几率 BmnB()感应辐射跃迁 感应跃迁几率 BnmB()光源原理

34、与设计气体放电的基本原理诸定昌nm自发辐射吸收感应辐射第104页/共328页平衡下：Anmnn+BnmB()nn=BmnB()nm1LTE下：nnnm=gngmexp(-)KThnm联立解有：B()=AnmBnm1gmBmngnBnmehKT-12光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第105页/共328页由planck公式：B()=8hc33eKT-1h1所以8hc33BnmAnm=gmBmn=gnBnm32光谱的发射系数光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第106页/共328页定义：=dtdVddd E4=+si4自发辐射 感应辐射有：=s41nn Anm hProf.5光源原理与设计气

35、体放电的基本原理诸定昌第107页/共328页由5和6得：对应：=i41nn BnmB()hProf.c1nn Bnm LB hProf.=6其中：LB=4cB()si=c22h3LB 7光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第108页/共328页平衡下：41nn Anm hProf.c1nn Bnm LB hProf.+c1nm Bmn LB hProf.=8光谱的吸收系数：K=-dLLdxdL=L-L定义：其中光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌xx+dxLL第109页/共328页物理意义：L(x)=L(0)e-Kx由基尔霍夫定律：LB=K=2 hc23eKT-1h19平衡下：=+=K L

36、B si对应8式：Kc1nn Bmn hProf.=10光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌0 x x0L(0)L(x)第110页/共328页对某一谱线：L=line d=s41nn Anm hc1nn Bnm LB hL=line d=siiKL=line K d=c1nm Bmn h光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第111页/共328页若把看作负吸收，有总的吸收系数Ki+=K LB平衡下：siK LB=s所以：K LB K LB ic1nm Bmn LB hProf.=c1nn Bnm LB hProf.-光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第112页/共328页=c1nmBmn

37、 LB hProf.(1-)nmBmnnnBnm=K LB(1-e )KTh-11nnnm=gngmexp(-)KThgmBmn=gnBnmK LB=K LB(1-e )h-KT12光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第113页/共328页+=K LB eh-KTK LB=h-KTe13二.辐射转移方程dL(x)=(x)dx-K(x)L(x)dx dL(x)dx=(x)-K(x)L(x)1光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌L(0)L(x)L(x0)L(x+dx)0 x x+dx x0单位面积第114页/共328页1.(x)=0dL(x)dx=-K(x)L(x)dL(x)L(x)=-Kdx

38、2在 0 x和 L(0)L(x)间积分L(x)=L(0)exp(-K(x)dx)0 x离开等离子体的辐亮度：L(x0)=L(0)exp(-K(x)dx)0 x0光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌34第115页/共328页2.(x)0设试解：L(x)=u(x)exp(-K(x)dx)x0 x代入后解得：+L(0)exp(-K(x)dx)0 x0L(x0)=(x)dx exp(-K(x)dx)0 x0 xx0光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌5第116页/共328页三.以光性厚度为变量的辐射转移过程定义：K(x)dx为xx0区间的光性厚度辐射转移方程1可写为：dL(x)dx=(x)-K(x

39、)L(x)dL(x)dxdddL(x)d-K(x)光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌xx0第117页/共328页dL(x)d=L(x)-(x)K(x)=L(x)-S(x)6S(x)=(x)K(x)=2 hc23eKT-1h1光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌第118页/共328页代试解：L()u()eL()-S()e d-(,0)+L(0)e e-(,0)离开plasma时：L(x0)S()e d(,0)+L(0)e -(,0)0讨论均匀的plasma条件：L(x0)L(0)e +S()1-e -(,0)-(,0)光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌-79 S()e d=S()1-e

40、-(,0)(,0)0-8第119页/共328页1.(,0)1 称光性厚等离子体L(x0)L(0)+S()(,0)L(x0)S()=2 hc23eKT-1h1光源原理与设计气体放电的基本原理诸定昌1011第120页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌5.1 低气压汞蒸汽放电的实验研究第121页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌electrodefilling gasHg Arglass tube第122页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌一.低气压汞放电的最佳汞气压一定管径下存在对应的最佳汞气压 T1238 PHg=0.8Pa uv 荧光粉转换效率PHgnPHg

41、n*uvPHgn*禁锢n*uvn +第123页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌二.惰性气体的作用和充量1.作用a)Buffer Gas(缓冲气体)P=0.8Pa =5cm可能有电子未经碰撞就已运动到管壁而损失掉PAr=100Pa =0.01cm充Ar使电子的碰撞次数大大增加V*min(Ar)Vi(Hg)11.57V 10.4V 第124页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌b)Penning Effect 降低启动电压气体 He Ne Ar Kr Xe Hg H2第一激发电位 20.86 16.62 11.57 9.98 8.37 4.86 11.1亚稳态电位 19.7

42、2 16.57 11.49 9.86 8.28 4.66 /一次电离电位 24.5 21.5 15.7 14.0 12.1 10.4 15.4c)减小双极性扩散引起的带电粒子损失d)控制电导率e)减少电极物质的损失第125页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌2.惰性气体的种类选择与最佳充气压a)气体种类对能损的影响碰撞能量损失以Kr的最小每碰一次的损失碰撞的几率Ar:Kr:Xe=(300/40):(400/84):(700/130)=7.5:4.8:5.4可见，充最好，但无法降低启动电压考虑Penning Effect 充Ar第126页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌

43、b)气压对能耗的影响当PAr=100Pa uv=uvmaxPArn*uv PArn*uv略上升P弹uv实际充200 660Pa(1.5 5torr)第127页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌三.放电管直径和长度对的影响1.某汞蒸气压下存在最佳管径d禁锢猝灭 uvd双极 EEen*uv PHg一定第128页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌2.长度l越长，越高Pe=I l(E*lc+VAK)Pe一定 lcIlP 电uv一般 l=(1.2 2.4)m40W100W第129页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯诸定昌四.电流密度J对 uv 的影响J Il ne n*uv

44、J ne P弹 uvuv 要求J不宜太大Ws要求J不宜太小J0.030.13 A/cm第130页/共328页5.2 低气压汞蒸汽放电的正柱理论光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 第131页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 已知参量：Pe ri PHg PAr Il 要求参量：Puv(uv)E(Ve)光参数 归结求参量：Te ne E J第132页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 一.基本假设1.放电中仅汞被激发和电离2.电子和离子的迁移率由惰性气体决定3.电子离子损失由双极性扩散决定4.Ve服从Maxwell分布，并且与Vi无关5.Hg由Hg*(6P)的逐次电

45、离产生第133页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 二.基本方程1.激发态方程(求ne)总激发速率总消激发速率2.电离平衡方程(求Te)电子离子对的产生速率消失速率第134页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 3.能量平衡方程(求E)电场输入电子气的能量电子碰撞损失能量4.电导率方程(求J)电流密度Je ne e E第135页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 5.3 荧光粉的光学特性第136页/共328页一.荧光粉的定义由紫外经过光致发光的粉状固体材料，称为荧光粉。盐激活中心(阳离子，络阳离子)光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 第137页/共32

46、8页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 例卤磷酸钙粉Ca5(PO4)3(FCl).Mn.SbSb*Sb+h(=477nm)兰Mn*Mn+h(=585nm)橙红通常 Cl(20%)F(80%)若Cl比例增加，发光中心向长波移动第138页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 二.对荧光粉的主要要求1.高的转换效率2.耐光子，电子，离子的轰击(光维持)3.对紫外有强的吸收，对可见有大的透射第139页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 三.荧光粉的种类1.卤粉特点：可配制成任意Tc的单一粉种转换效率高于一般的其他粉缺点：缺红色输出，Ra较低 (加红粉提高 Ra)第140页/

47、共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 2.三基色粉分别发射兰，绿，红中心波长的三类粉优点：Ra好，高耐185，辐射能力强(一般粉受185强紫外照射时，光效较低)缺点：价格是卤粉的50倍第141页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 5.4 荧光灯的设计第142页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 一.灯的几何尺寸和电参数1.几何尺寸(d和l)选定 d=1138(mm)l=1502400(mm)Pl=4W 125W T12(38)PHg=0.8Pa (Tcal=40 C)uv=uvmaxo第143页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 Ws=0.0

48、40.05 W/cm(无粉)Ws=0.0250.04 W/cm(有粉)T12(=38)Tcal=40 CT8(=26)Tcal=42 C=17 Tcal=45 C=12 Tcal=47 Cl=larc+2fTG22oooo第144页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 2.电参数Pl=l Vl Il(l=0.80.9)Vl=VAK+E lcLarc=lc+ld给定d查表得El Il由公式求得Vl Il(larc)l稳压：Vl0.56Vn Vl123V 第145页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 二.电极的设计要求合理的热电子发射温度有足够的电子粉储存量第146页/共

49、328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 1.电极的结构形式a)双螺旋阴极b)编织型阴极先把钨丝编成管状，再绕螺旋c)三螺旋阴极绕有细丝的粗丝再绕双螺旋d)棒状阴极绕有细丝的粗丝再绕单螺旋 第147页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 2.电子发射材料三元碳酸盐：碳酸钡，碳酸锶，碳酸钙重量百分比：50%40%10%3.电极的参数通常PAr=400PaKg=0.2双螺旋灯丝 Ks1(Ks2)=1.52.0 =0.7 第148页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 T()=3.110 .cm(900 C)Me=3.7w/cmd=0.152(IH )(mm)l=4.7(

50、VH )d (mm)IH VH 由Pl查表得出-5o29002/39001/2 第149页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 4.电极作为阴极时的防蒸发措施40W TA=900 C40W TA900 C三.惰性气体的种类和压强T12&CFL PAr=400Pa oo第150页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 T8 PAr:PKr=1:3 PAr+PKr=200Pa D Da E Vl使Vl不变 P下降T5 114 lm/w Vl很高190V，用电子整流器(EB)第151页/共328页光源原理与设计低压水银荧光灯 诸定昌 四.荧光粉的选取a)根据荧光灯的分类1.暖白