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1、,光源原理与设计绪论,诸定昌,第一章 绪论,光源原理与设计绪论,诸定昌,一.光源的定义,能把其他形式的能量转换为光学波段的电磁辐射的器件称为光源。,1.能量的形式,热能,化学能,生物能,电能电光源,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,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 nm,4,远红外区 110 110 nm,4,6,光源原理与设计绪论,诸定昌,紫外光,真空紫外 1200 nm,远紫外 20
2、0300 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,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
3、,溴钨灯 1964 32,光效,寿命,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,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,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
4、)金卤灯 1976 80 65,无极放电灯 寿命长,Ra,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衰减到初始值的一定比例,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,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 Tc4000K,机场 E500lux Tc6000K,光源原理与设计绪论,诸定昌,显色
5、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,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,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,光源原理与设计绪论,诸定昌,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,光源原理与设计绪论,诸定昌,4.光生物,杀菌,保健,光合作用
6、,5.高科技,模拟室,光电效应,军事(夜视仪)LCOS PDPDBD,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),光源原理与设计绪论,诸定昌,谢谢观看!,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,第二章 白炽灯,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=27002900K(灯光黄）Ra100,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,2.1 热辐射的性质,光源原理与设
7、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,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,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,光源
8、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,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)向短波方 向移动 3）T低时红外为主 随T上升，可见光部分增加,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=SBT
9、4 SB=5.67*10-8W/(m2 K4),4维恩位移定律 m T=b=2.89779*10-3(mK),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,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,2.2 白炽灯的结构与材料,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,一、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
10、,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,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,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)d,2.实际灯丝的光效,螺旋型灯丝因“遮挡”效应使下降。,=0/，（遮挡因子），=1.121.15,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
11、积的钨质量为：,Vap=0N1m=0 n(kTm/2)=0.060P/T0.5,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,2.蒸发率与灯寿命的关系,可以看出 Vap*H=const,实验：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap,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,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,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,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,2.
12、4充气白炽灯中的基本物理现象,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。,光源原理与设计白炽灯,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。,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P
13、c的因素,1）充气气体的种类2）充气压力3）lf4）df,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8W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。,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）,光源原理与设计白
14、炽灯,诸定昌,2.5白炽灯灯丝的设计,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 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,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,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,二、经验公式,钨丝份量,Q200=/4
15、*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,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。,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=50100hrs,2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
16、*103hrs,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,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,三、指数特性的应用,例1：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,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,2.7白炽灯的发展方向,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,IRC technology,Thin f
17、ilm multilayer coatings,(Filter)Stack Construction,Wavelength,High refractiveindex,Low refractiveindex,Substrate(glass bulb),glass bulb,SiO2,SiO2,SiO2,/2,Transmittance,SiO2/TiO2 Stack,Wavelenght,nm,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。,CFL,2.采用寿命长的照明光源。,3.采用对环境污染少的填充物质。,光源原理与设计白炽灯,诸定昌,谢 谢 观 看！,光源原理
18、与设计卤钨灯,诸定昌,第三章 卤钨灯,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,3.1卤钨循环原理,光源原理与设计卤钨灯,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 WXn,2.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。,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,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
19、,碘钨 950K（677）,溴钨 1600K（1327）,氯钨 2200K（1927）,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。,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,3.2 卤钨循环剂,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,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,3.3卤钨灯的结
20、构和制造,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,一、外壳材料的几何尺寸,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,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。,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
21、螺旋线状光源,双、三螺旋点状光源,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,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,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,3.4卤钨灯的应用,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,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,2寿命,1
22、）支架的腐蚀,2）水蒸气的腐蚀,3）热点机制并没克服,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。,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,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,光源原理与设计卤钨灯,诸定昌,谢 谢 观 看！,第四章 气体放电
23、的基本原理,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,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,自持放电条件,(e-1)=1,d,V,A,d,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,K,A,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=h,2.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,二.线光谱,hnm=En-Em=eVnm=hc/nm,nm=1239/Vnm,VV nmnm,E0,Em,En,E,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,hmn,hn0,1.不同元
24、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,定义 Pnm=nn Anm hnm,Anm 从nm跃迁几率,LTE下 nn由Boltzmann分布描述,nn=n0,gn,g0,exp(-),En,KT,Pnm=n0,gn,g0,Anm hnmexp(-),KT,En,Pnm：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,5.可见辐射的E范围,E En-Em,E1239,380780,E1.7ev(780n
25、m)3.2ev(380nm),光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,三.分子的带状光谱,EEeEvEr,EEeEvEr,=,E,h,EeEvEr,h,=,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,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,四.连续光谱,e+AA+E,a)h=E=Ei-Em+,1,2,meve,2,Ve=0为连续谱,E,Ei,Em,1,2,meve,2,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）,
26、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-Em,h,为频率下限,c)辐射总功率,PcrZ ne Te,4,2,-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,E,Em,En,h,h0,f-b,f-f,meve2-meve2,meve2,12,12,12,2.轫致辐射(f-f跃迁),e+A+A+e+E,a)h=,1,2,me(Ve-Ve),b)可证 Pcb Z ne Te,2,2,2,2,-1/2,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,3.连续光谱产生的特点,a)高气压大电流密度放电下，有强的连续光谱,b)放电蒸汽元素的Z越大，连
27、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,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,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,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。,Ic,Imax,0,h,I,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,Prof.,总强度It=Id,1.产生放宽的机理,
28、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,a)定义,Prof.=,I,I t,I,Id,I=It*Prof.,Id=ItProf.d=ItProf.d=It,Prof.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,以频率表示,Prof.=,c,2,Prof.,以表示,Prof.=,1,2,Prof.,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,b)色散型(洛仑兹力)轮廓,Prof.=,2,1,(-0)+(),2,c)高斯型轮廓,Prof.=()exp-,4Ln2,4Ln2(-0),2,
29、2,2,2,2,2,1,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,二.谱线的自然宽度,tt+dt,dnn=-Anm nn dt,Nn(t)=nn0e,-Anmt,=nnoe,-t/n,nm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,海森伯(Heisenberg)测不准原理,Enm=h/2=h,1.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,三.谱线的多普勒放宽,1.定义：多普勒放宽,静止：,运动：,0=,c,0,=,c+vx
30、,0,=,c,0,+,vx,0,=0+0,vx,c,-0,0,=,vx,c,=,0,2.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,V,Vx,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,2.轮廓的类型 色散型,a)Lorentz理论：干扰下停止辐射,b)Lentz-Weisskof理论：干扰时辐射的 频率发生变化,
31、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,Reference:,1.W.Newman:Spectrosopic Methods of Plasma Diagnostics,2.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,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,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(),光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,n,m,自发辐射,吸收,感应
32、辐射,平衡下：,Anmnn+BnmB()nn=BmnB()nm,1,LTE下：,nn,nm,=,gn,gm,exp(-),KT,hnm,联立解有：,B()=,Anm,Bnm,1,gmBmn,gnBnm,e,h,KT,-1,2,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,由planck公式：,B()=,8h,c,3,3,e,KT,-1,h,1,所以,8h,c,3,3,Bnm,Anm=,gmBmn=gnBnm,3,2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,定义：,=,dtdVdd,d E,4,=+,s,i,4,自发辐射,感应辐射,有：,=,s,4,1,nn Anm hProf.,5
33、,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,由5和6得：,对应：,=,i,4,1,nn BnmB()hProf.,c,1,nn Bnm LB hProf.,=,6,其中：,LB=,4,c,B(),s,i,=,c,2,2h,3,LB,7,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,平衡下：,4,1,nn Anm hProf.,c,1,nn Bnm LB hProf.,+,c,1,nm Bmn LB hProf.,=,8,光谱的吸收系数：,K=-,dL,Ldx,dL=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,x,x+dx,L,L,物理意义：,L(x)=L(0)e,-Kx,由基尔
34、霍夫定律：,LB=,K,=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,9,平衡下：,=+=K LB,s,i,对应8式：,K,c,1,nn Bmn hProf.,=,10,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,0 x x0,L(0),L(x),对某一谱线：,L=line d=,s,4,1,nn Anm h,c,1,nn Bnm LB h,L=line d=,s,i,i,KL=line K d=,c,1,nm Bmn h,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,若把看作负吸收，有总的吸收系数K,i,+=K LB平衡下：,s,i,K LB=s,所以：,K LB K LB,i,c,1,nm B
35、mn LB hProf.,=,c,1,nn Bnm LB hProf.,-,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,=,c,1,nmBmn LB hProf.(1-),nmBmn,nnBnm,=,K LB(1-e),KT,h,-,11,nn,nm,=,gn,gm,exp(-),KT,h,gmBmn=gnBnm,K LB=K LB(1-e),h,-,KT,12,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,+,=,K LB e,h,-,KT,K LB,=,h,-,KT,e,13,二.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
36、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,1.(x)=0,dL(x),dx,=-K(x)L(x),dL(x),L(x),=-Kdx,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,3,4,2.(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,x0,L(x0)=(x)dx exp
37、(-K(x)dx),0,x0,x,x0,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,5,三.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)L(x),dL(x),dx,d,d,dL(x),d,-K(x),光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,x,x0,dL(x),d,=L(x)-,(x),K(x),=L(x)-S(x),6,S(x)=,(x),K(x),=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,代试解：,L()u()e,L()-S()e d,-,(,0),
38、+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,-,7,9,S()e d=S()1-e-(,0),(,0),0,-,8,1.(,0)1 称光性薄等离子体,2.(,0)1 称光性厚等离子体,L(x0)L(0)+S()(,0),L(x0)S(),=,2 h,c,2,3,e,KT,-1,h,1,光源原理与设计气体放电的基本原理,诸定昌,10,11,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,5.1 低气压汞蒸
39、汽放电的实验研究,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,electrode,filling gas,Hg Ar,glass tube,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,PHgnPHgn*uv,PHgn*禁锢n*uv,n,+,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(
40、Ar)Vi(Hg),11.57V,10.4V,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 19.72 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 15.4,c)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,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
41、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,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,b)气压对能耗的影响,当PAr=100Pa uv=uvmax,PArn*uv,PArn*uv略上升,P弹uv,实际充200 660Pa(1.5 5torr),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 uv,d双极 EEen*uv,PHg一定,光源原理与设计低压
42、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)m,40W,100W,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,J ne P弹 uv,uv 要求J不宜太大,Ws要求J不宜太小,J0.030.13 A/cm,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,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,光源原理与设计低压水银荧
43、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)的逐次电离产生,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,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,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,一.荧
44、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,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.Sb,Sb*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,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,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
45、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),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,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,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=uvmax,o,光源原
46、理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,Ws=0.040.05 W/cm(无粉),Ws=0.0250.04 W/cm(有粉),T12(=38)Tcal=40 C,T8(=26)Tcal=42 C,=17 Tcal=45 C,=12 Tcal=47 C,l=larc+2fTG,2,2,o,o,o,o,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 lc,Larc=lc+ld,给定d查表得El Il,由公式求得Vl Il(larc)l,稳压：Vl0.56Vn,Vl123V,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
47、发射温度,有足够的电子粉储存量,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,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,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/cm,d=0.152(IH)(mm),l=4.7(V
48、H)d(mm),IH VH 由Pl查表得出,-5,o,2,900,2/3,900,1/2,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 C,40W TA900 C,三.惰性气体的种类和压强,T12&CFL PAr=400Pa,o,o,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),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.暖白色 Tc=3000K=80,2.白
49、色 Tc=3500K=80,3.冷白色 Tc=4300K=78,4.日光灯 Tc=6700K=65,单一卤粉,白卤粉兰粉,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,b)根据185nm辐射强度选取,P185(26mm)P185(38mm),P185(17,12mm)P185(38mm),=2,=6,选用三基色粉,五.汞蒸气压的控制,1.由Ws值保证最佳PHg,PHg Tcol Ws,Ws=0.025 0.04w/cm,2.人为制造冷端保证最佳PHg,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,2,3.采用汞齐,汞齐的蒸气压液汞的蒸气压,Bi-In(6%Hg)T=52120 C,液汞 T=2758 C,a)
50、放宽最佳Tcol的范围,b)减少汞污染,c)启动稳定时间长 采用主辅汞齐克服,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,o,o,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,5.5 高功率荧光灯,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,一.增加Il来增加Pl(不可取),二.增加El(Te)来提高P1,1.紧凑型荧光灯(I,Pg不变),dDaElTen*,P1,光源原理与设计低压水银荧光灯,诸定昌,小功率灯(Pl 11w)dout=12mm(Tcol=47 C),中大功率灯(Pl 13w)dout=17mm(Tcol=45 C),El2V/cm Vl 56Vn(123V)l l 60cm,两大类,PL灯 灯与
