光源原理與設(shè)計(jì)—低壓水銀熒光燈

1、光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈第五章第五章 低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈汞的物理性質(zhì)汞的物理性質(zhì)熔點(diǎn)熔點(diǎn) -38.87 Co沸點(diǎn)沸點(diǎn) 356.58 Co蒸汽壓隨蒸汽壓隨T敏感變化敏感變化光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈汞的化學(xué)性質(zhì)汞的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好, 不與燈用材料在工作不與燈用材料在工作T下有化學(xué)反應(yīng)下有化學(xué)反應(yīng)可與許多金屬形成合金可與許多金屬形成合金 amalgam 汞齊汞齊(鉍鉍,鈦鈦,鋅鋅)汞有毒性汞有毒性: 汞中毒汞中毒汞的輻射性質(zhì)汞的輻射性質(zhì)低氣壓下低氣壓下(0.1Pa

2、)以以253.7 為主為主高氣壓下高氣壓下(10 Pa)可見(jiàn)輻射增強(qiáng)可見(jiàn)輻射增強(qiáng)6光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈6 D27 S06 P17 S16 P26 P16 P06 S011113333253.7185.0PHg(torr)光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈5.1 低氣壓汞蒸汽放電的實(shí)驗(yàn)研究低氣壓汞蒸汽放電的實(shí)驗(yàn)研究光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈electrodefilling gasHg Arglass tube光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈一一.低氣壓汞放電的最佳汞氣壓低氣壓汞放電的最

3、佳汞氣壓一定管徑下存在對(duì)應(yīng)的最佳汞氣壓一定管徑下存在對(duì)應(yīng)的最佳汞氣壓 T1238 PHg=0.8Pa uv 熒光粉轉(zhuǎn)換效率熒光粉轉(zhuǎn)換效率PHgnPHgn* uvPHgn* 禁錮禁錮n*uvn +光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈二二.惰性氣體的作用和充量惰性氣體的作用和充量1.作用作用a)Buffer Gas (緩沖氣體緩沖氣體)P=0.8Pa =5cm可能有電子未經(jīng)碰撞就已運(yùn)動(dòng)到管壁而損失掉可能有電子未經(jīng)碰撞就已運(yùn)動(dòng)到管壁而損失掉PAr=100Pa =0.01cm充充Ar使電子的碰撞次數(shù)大大增加使電子的碰撞次數(shù)大大增加V*min(Ar)Vi(Hg)11.57V 10.4

4、V 光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈b)Penning Effect 降低啟動(dòng)電壓降低啟動(dòng)電壓氣體氣體 He Ne Ar Kr Xe Hg H2第一激發(fā)電位第一激發(fā)電位 20.86 16.62 11.57 9.98 8.37 4.86 11.1亞穩(wěn)態(tài)電位亞穩(wěn)態(tài)電位 19.72 16.57 11.49 9.86 8.28 4.66 /一次電離電位一次電離電位 24.5 21.5 15.7 14.0 12.1 10.4 15.4c)減小雙極性擴(kuò)散引起的帶電粒子損失減小雙極性擴(kuò)散引起的帶電粒子損失d)控制電導(dǎo)率控制電導(dǎo)率e)減少電極物質(zhì)的損失減少電極物質(zhì)的損失光源原理與設(shè)計(jì)光

5、源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈2.惰性氣體的種類選擇與最佳充氣壓惰性氣體的種類選擇與最佳充氣壓a)氣體種類對(duì)能損的影響氣體種類對(duì)能損的影響碰撞能量損失以碰撞能量損失以Kr的最小的最小每碰一次的損失每碰一次的損失碰撞的幾率碰撞的幾率Ar : Kr : Xe=(300/40):(400/84):(700/130) =7.5 : 4.8 : 5.4可見(jiàn)，充最好，但無(wú)法降低啟動(dòng)電壓可見(jiàn)，充最好，但無(wú)法降低啟動(dòng)電壓考慮考慮Penning Effect 充充Ar光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈b)氣壓對(duì)能耗的影響氣壓對(duì)能耗的影響當(dāng)當(dāng)PAr=100Pa uv=uvmaxPA

6、rn*uv PArn*uv略上升略上升P彈彈uv實(shí)際充實(shí)際充200 660Pa(1.5 5torr)光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈三三.放電管直徑和長(zhǎng)度對(duì)的影響放電管直徑和長(zhǎng)度對(duì)的影響1.某汞蒸氣壓下存在最佳管徑某汞蒸氣壓下存在最佳管徑d禁錮禁錮猝滅猝滅 uvd雙極雙極 EEen* uv PHg一定一定光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈2.長(zhǎng)度長(zhǎng)度l越長(zhǎng)，越高越長(zhǎng)，越高Pe=I l (E*lc+VAK) Pe一定一定 lcIlP 電電uv一般一般 l=(1.2 2.4)m40W100W光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈四四.

7、電流密度電流密度J對(duì)對(duì) uv 的影響的影響J Il ne n* uvJ ne P彈彈 uvuv 要求要求J不宜太大不宜太大Ws要求要求J不宜太小不宜太小J0.030.13 A/cm光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 5.3 熒光粉的光學(xué)特性熒光粉的光學(xué)特性一一.熒光粉的定義熒光粉的定義由紫外經(jīng)過(guò)光致發(fā)光的粉狀固體材料，由紫外經(jīng)過(guò)光致發(fā)光的粉狀固體材料，稱為熒光粉。稱為熒光粉。鹽激活中心鹽激活中心(陽(yáng)離子，絡(luò)陽(yáng)離子陽(yáng)離子，絡(luò)陽(yáng)離子)光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 例鹵磷酸鈣粉例鹵磷酸鈣粉Ca

8、5(PO4)3(FCl).Mn.SbSb* Sb+h(=477nm) 蘭蘭Mn* Mn+h(=585nm) 橙紅橙紅通常通常 Cl(20%) F(80%)若若Cl比例增加，發(fā)光中心向長(zhǎng)波移動(dòng)比例增加，發(fā)光中心向長(zhǎng)波移動(dòng)光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 二二.對(duì)熒光粉的主要要求對(duì)熒光粉的主要要求1.高的轉(zhuǎn)換效率高的轉(zhuǎn)換效率2.耐光子，電子，離子的轟擊耐光子，電子，離子的轟擊(光維持光維持)3.對(duì)紫外有強(qiáng)的吸收，對(duì)可見(jiàn)有大的透射對(duì)紫外有強(qiáng)的吸收，對(duì)可見(jiàn)有大的透射光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 三三.熒光粉的種類熒光粉的種類1.鹵粉鹵粉特點(diǎn)：可配制成

9、任意特點(diǎn)：可配制成任意Tc的單一粉種的單一粉種轉(zhuǎn)換效率高于一般的其他粉轉(zhuǎn)換效率高于一般的其他粉缺點(diǎn)：缺紅色輸出，缺點(diǎn)：缺紅色輸出，Ra較低較低 (加紅粉提高加紅粉提高 Ra)光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 2.三基色粉三基色粉分別發(fā)射蘭，綠，紅中心波長(zhǎng)的三類粉分別發(fā)射蘭，綠，紅中心波長(zhǎng)的三類粉優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：Ra好，好，高高耐耐185，輻射能力強(qiáng)，輻射能力強(qiáng)(一般粉受一般粉受185強(qiáng)紫外照射時(shí)，光效較低強(qiáng)紫外照射時(shí)，光效較低)缺點(diǎn)：價(jià)格是鹵粉的缺點(diǎn)：價(jià)格是鹵粉的50倍倍光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 5.4 熒光燈的設(shè)計(jì)熒光燈的設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)

10、光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 一一.燈的幾何尺寸和電參數(shù)燈的幾何尺寸和電參數(shù)1.幾何尺寸幾何尺寸(d和和l)選定選定 d=1138(mm) l=1502400(mm) Pl=4W 125W T12(38) PHg=0.8Pa (Tcal=40 C) uv=uvmaxo光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 Ws=0.040.05 W/cm (無(wú)粉無(wú)粉)Ws=0.0250.04 W/cm (有粉有粉)T12(=38) Tcal=40 CT8(=26) Tcal=42 C=17 Tcal=45 C=12 Tcal=47 Cl=larc+2fTG22oooo光源原理與

11、設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 2.電參數(shù)電參數(shù)Pl=l Vl Il(l=0.80.9)Vl=VAK+E lcLarc=lc+ld給定給定d查表得查表得El Il由公式求得由公式求得Vl Il(larc) l穩(wěn)壓：穩(wěn)壓：Vl0.56Vn Vl123V 光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 二二.電極的設(shè)計(jì)電極的設(shè)計(jì)要求要求合理的熱電子發(fā)射溫度合理的熱電子發(fā)射溫度有足夠的電子粉儲(chǔ)存量有足夠的電子粉儲(chǔ)存量光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 1.電極的結(jié)構(gòu)形式電極的結(jié)構(gòu)形式a)雙螺旋陰極雙螺旋陰極b)編織型陰極先把鎢絲編成管狀，再繞螺旋編織型

12、陰極先把鎢絲編成管狀，再繞螺旋c)三螺旋陰極繞有細(xì)絲的粗絲再繞雙螺旋三螺旋陰極繞有細(xì)絲的粗絲再繞雙螺旋d)棒狀陰極繞有細(xì)絲的粗絲再繞單螺旋棒狀陰極繞有細(xì)絲的粗絲再繞單螺旋 光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 2.電子發(fā)射材料電子發(fā)射材料三元碳酸鹽：碳酸鋇，碳酸鍶，碳酸鈣三元碳酸鹽：碳酸鋇，碳酸鍶，碳酸鈣重量百分比：重量百分比： 50% 40% 10%3.電極的參數(shù)電極的參數(shù)通常通常PAr=400PaKg=0.2雙螺旋燈絲雙螺旋燈絲 Ks1(Ks2)=1.52.0 =0.7 光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 T()=3.110 .cm(900 C)M

13、e=3.7w/cmd=0.152(IH ) (mm)l=4.7(VH )d (mm)IH VH 由由Pl查表得出查表得出-5o29002/39001/2 光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 4.電極作為陰極時(shí)的防蒸發(fā)措施電極作為陰極時(shí)的防蒸發(fā)措施40W TA=900 C40W TA900 C三三.惰性氣體的種類和壓強(qiáng)惰性氣體的種類和壓強(qiáng)T12&CFL PAr=400Pa oo光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 T8 PAr : PKr=1:3 PAr+PKr=200Pa D Da E Vl使使Vl不變不變 P下降下降T5 114 lm/w V

14、l很高很高190V，用電子整流器，用電子整流器(EB)光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 四四.熒光粉的選取熒光粉的選取a)根據(jù)熒光燈的分類根據(jù)熒光燈的分類1.暖白色暖白色 Tc=3000K =802.白色白色 Tc=3500K =803.冷白色冷白色 Tc=4300K =784.日光燈日光燈 Tc=6700K =65單一鹵粉單一鹵粉白鹵粉蘭粉白鹵粉蘭粉光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 b)根據(jù)根據(jù)185nm輻射強(qiáng)度選取輻射強(qiáng)度選取P185(26mm) P185(38mm)P185(17,12mm)P185(38mm)=2=6選用三基色粉選用三基色

15、粉五五.汞蒸氣壓的控制汞蒸氣壓的控制1.由由Ws值保證最佳值保證最佳PHgPHg Tcol WsWs=0.025 0.04w/cm2.人為制造冷端保證最佳人為制造冷端保證最佳PHg光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 23.采用汞齊采用汞齊汞齊的蒸氣壓汞齊的蒸氣壓15kc 1 接近正弦波接近正弦波)b) fP電電c) f=25kc下，下，Ra有所上升有所上升d) 熱耗小，體積小熱耗小，體積小光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 CB 68W l低低 重量大重量大 噪音大噪音大EB 12W l高高 重量小重量小 噪音無(wú)噪音無(wú)3.無(wú)極熒光燈無(wú)極熒光燈f500

16、kc 放電建立與電極有否無(wú)關(guān)放電建立與電極有否無(wú)關(guān) f=13.56MHz (避開(kāi)干擾避開(kāi)干擾) 4.微波放電微波放電光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 四四.熒光燈的能量分配熒光燈的能量分配1.可見(jiàn)直接輸出可見(jiàn)直接輸出 32.熒光粉轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光熒光粉轉(zhuǎn)換的可見(jiàn)光 193.熒光粉發(fā)熱熒光粉發(fā)熱 344.管壁管壁(占體積占體積)損失損失 26 5.電極損耗電極損耗 18光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 五五.熒光燈的應(yīng)用熒光燈的應(yīng)用1.燈的優(yōu)點(diǎn)燈的優(yōu)點(diǎn)a) 高，高，H長(zhǎng)長(zhǎng)b) Ra好好(4585)c) Tc范圍廣范圍廣(25007000K) d)柔和柔

17、和e)光輸出隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)小光輸出隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)小f)啟動(dòng)性好啟動(dòng)性好光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 2.燈的缺點(diǎn)燈的缺點(diǎn)a)幾何尺寸大幾何尺寸大 P1小小b)對(duì)環(huán)境溫度要求高對(duì)環(huán)境溫度要求高c)光閃爍光閃爍3.燈的分類燈的分類a)照明照明光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 b)特殊光源特殊光源單色性單色性保健燈保健燈(270 370nm)黑光燈黑光燈(370nm) 誘蟲(chóng)誘蟲(chóng)光化學(xué)燈光化學(xué)燈(400nm)殺菌燈殺菌燈(253.7nm)滅蚊燈滅蚊燈(338nm)CCFL 冷陰極熒光燈冷陰極熒光燈光源原理與設(shè)計(jì)光源原理與設(shè)計(jì)低壓水銀熒光燈低壓水銀熒光燈 思考題：思考題：1.采取哪些措施可保證低氣壓汞蒸汽放電采取哪些措施可保證低氣壓汞蒸汽放電 的最大紫外的最大紫外(253.7nm)輸出？為什么？輸出？為什么？2.試敘述熒光燈中