光源原理与设计—低压水银荧光灯

1、光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯第五章第五章 低压水银荧光灯低压水银荧光灯光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯汞的物理性质汞的物理性质熔点熔点 -38.87 Co沸点沸点 356.58 Co蒸汽压随蒸汽压随T敏感变化敏感变化光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯汞的化学性质汞的化学性质稳定性好稳定性好, 不与灯用材料在工作不与灯用材料在工作T下有化学反应下有化学反应可与许多金属形成合金可与许多金属形成合金 amalgam 汞齐汞齐(铋铋,钛钛,锌锌)汞有毒性汞有毒性: 汞中毒汞中毒汞的辐射性质汞的辐射性质低气压下低气压下(0.1Pa

2、)以以253.7 为主为主高气压下高气压下(10 Pa)可见辐射增强可见辐射增强6光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯6 D27 S06 P17 S16 P26 P16 P06 S011113333253.7185.0PHg(torr)光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯5.1 低气压汞蒸汽放电的实验研究低气压汞蒸汽放电的实验研究光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯electrodefilling gasHg Arglass tube光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯一一.低气压汞放电的最佳汞气压低气压汞放电的最

3、佳汞气压一定管径下存在对应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 荧光粉转换效率荧光粉转换效率PHgnPHgn* uvPHgn* 禁锢禁锢n*uvn +光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯二二.惰性气体的作用和充量惰性气体的作用和充量1.作用作用a)Buffer Gas (缓冲气体缓冲气体)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充充Ar使电子的碰撞次数大大增加使电子的碰撞次数大大增加V*min(Ar)Vi(Hg)11.57V 10.4

4、V 光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯b)Penning Effect 降低启动电压降低启动电压气体气体 He Ne Ar Kr Xe Hg H2第一激发电位第一激发电位 20.86 16.62 11.57 9.98 8.37 4.86 11.1亚稳态电位亚稳态电位 19.72 16.57 11.49 9.86 8.28 4.66 /一次电离电位一次电离电位 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减小双极性扩散引起的带电粒子损失d)控制电导率控制电导率e)减少电极物质的损失减少电极物质的损失光源原理与设计光

5、源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯2.惰性气体的种类选择与最佳充气压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气体种类对能损的影响碰撞能量损失以碰撞能量损失以Kr的最小的最小每碰一次的损失每碰一次的损失碰撞的几率碰撞的几率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可见，充最好，但无法降低启动电压考虑考虑Penning Effect 充充Ar光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯b)气压对能耗的影响气压对能耗的影响当当PAr=100Pa uv=uvmaxPA

6、rn*uv PArn*uv略上升略上升P弹弹uv实际充实际充200 660Pa(1.5 5torr)光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯三三.放电管直径和长度对的影响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某汞蒸气压下存在最佳管径d禁锢禁锢猝灭猝灭 uvd双极双极 EEen* uv PHg一定一定光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯2.长度长度l越长，越高越长，越高Pe=I l (E*lc+VAK) Pe一定一定 lcIlP 电电uv一般一般 l=(1.2 2.4)m40W100W光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯四四.

7、电流密度电流密度J对对 uv 的影响的影响J Il ne n* uvJ ne P弹弹 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光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 5.3 荧光粉的光学特性荧光粉的光学特性一一.荧光粉的定义荧光粉的定义由紫外经过光致发光的粉状固体材料，由紫外经过光致发光的粉状固体材料，称为荧光粉。称为荧光粉。盐激活中心盐激活中心(阳离子，络阳离子阳离子，络阳离子)光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 例卤磷酸钙粉例卤磷酸钙粉Ca

8、5(PO4)3(FCl).Mn.SbSb* Sb+h(=477nm) 兰兰Mn* Mn+h(=585nm) 橙红橙红通常通常 Cl(20%) F(80%)若若Cl比例增加，发光中心向长波移动比例增加，发光中心向长波移动光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 二二.对荧光粉的主要要求对荧光粉的主要要求1.高的转换效率高的转换效率2.耐光子，电子，离子的轰击耐光子，电子，离子的轰击(光维持光维持)3.对紫外有强的吸收，对可见有大的透射对紫外有强的吸收，对可见有大的透射光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 三三.荧光粉的种类荧光粉的种类1.卤粉卤粉特点：可配制成

9、任意特点：可配制成任意Tc的单一粉种的单一粉种转换效率高于一般的其他粉转换效率高于一般的其他粉缺点：缺红色输出，缺点：缺红色输出，Ra较低较低 (加红粉提高加红粉提高 Ra)光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 2.三基色粉三基色粉分别发射兰，绿，红中心波长的三类粉分别发射兰，绿，红中心波长的三类粉优点：优点：Ra好，好，高高耐耐185，辐射能力强，辐射能力强(一般粉受一般粉受185强紫外照射时，光效较低强紫外照射时，光效较低)缺点：价格是卤粉的缺点：价格是卤粉的50倍倍光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 5.4 荧光灯的设计荧光灯的设计光源原理与设计

10、光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 一一.灯的几何尺寸和电参数灯的几何尺寸和电参数1.几何尺寸几何尺寸(d和和l)选定选定 d=1138(mm) l=1502400(mm) Pl=4W 125W T12(38) PHg=0.8Pa (Tcal=40 C) uv=uvmaxo光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 Ws=0.040.05 W/cm (无粉无粉)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光源原理与

11、设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 2.电参数电参数Pl=l Vl Il(l=0.80.9)Vl=VAK+E lcLarc=lc+ld给定给定d查表得查表得El Il由公式求得由公式求得Vl Il(larc) l稳压：稳压：Vl0.56Vn Vl123V 光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 二二.电极的设计电极的设计要求要求合理的热电子发射温度合理的热电子发射温度有足够的电子粉储存量有足够的电子粉储存量光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 1.电极的结构形式电极的结构形式a)双螺旋阴极双螺旋阴极b)编织型阴极先把钨丝编成管状，再绕螺旋编织型

12、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棒状阴极绕有细丝的粗丝再绕单螺旋 光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 2.电子发射材料电子发射材料三元碳酸盐：碳酸钡，碳酸锶，碳酸钙三元碳酸盐：碳酸钡，碳酸锶，碳酸钙重量百分比：重量百分比： 50% 40% 10%3.电极的参数电极的参数通常通常PAr=400PaKg=0.2双螺旋灯丝双螺旋灯丝 Ks1(Ks2)=1.52.0 =0.7 光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 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 光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 4.电极作为阴极时的防蒸发措施电极作为阴极时的防蒸发措施40W TA=900 C40W TA900 C三三.惰性气体的种类和压强惰性气体的种类和压强T12&CFL PAr=400Pa oo光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 T8 PAr : PKr=1:3 PAr+PKr=200Pa D Da E Vl使使Vl不变不变 P下降下降T5 114 lm/w V

14、l很高很高190V，用电子整流器，用电子整流器(EB)光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 四四.荧光粉的选取荧光粉的选取a)根据荧光灯的分类根据荧光灯的分类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.日光灯日光灯 Tc=6700K =65单一卤粉单一卤粉白卤粉兰粉白卤粉兰粉光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 b)根据根据185nm辐射强度选取辐射强度选取P185(26mm) P185(38mm)P185(17,12mm)P185(38mm)=2=6选用三基色粉选用三基色

15、粉五五.汞蒸气压的控制汞蒸气压的控制1.由由Ws值保证最佳值保证最佳PHgPHg Tcol WsWs=0.025 0.04w/cm2.人为制造冷端保证最佳人为制造冷端保证最佳PHg光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 23.采用汞齐采用汞齐汞齐的蒸气压汞齐的蒸气压15kc 1 接近正弦波接近正弦波)b) fP电电c) f=25kc下，下，Ra有所上升有所上升d) 热耗小，体积小热耗小，体积小光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 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 噪音无噪音无3.无极荧光灯无极荧光灯f500

16、kc 放电建立与电极有否无关放电建立与电极有否无关 f=13.56MHz (避开干扰避开干扰) 4.微波放电微波放电光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 四四.荧光灯的能量分配荧光灯的能量分配1.可见直接输出可见直接输出 32.荧光粉转换的可见光荧光粉转换的可见光 193.荧光粉发热荧光粉发热 344.管壁管壁(占体积占体积)损失损失 26 5.电极损耗电极损耗 18光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 五五.荧光灯的应用荧光灯的应用1.灯的优点灯的优点a) 高，高，H长长b) Ra好好(4585)c) Tc范围广范围广(25007000K) d)柔和柔

17、和e)光输出随电网电压波动小光输出随电网电压波动小f)启动性好启动性好光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 2.灯的缺点灯的缺点a)几何尺寸大几何尺寸大 P1小小b)对环境温度要求高对环境温度要求高c)光闪烁光闪烁3.灯的分类灯的分类a)照明照明光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 b)特殊光源特殊光源单色性单色性保健灯保健灯(270 370nm)黑光灯黑光灯(370nm) 诱虫诱虫光化学灯光化学灯(400nm)杀菌灯杀菌灯(253.7nm)灭蚊灯灭蚊灯(338nm)CCFL 冷阴极荧光灯冷阴极荧光灯光源原理与设计光源原理与设计低压水银荧光灯低压水银荧光灯 思考题：思考题：1.采取哪些措施可保证低气压汞蒸汽放电采取哪些措施可保证低气压汞蒸汽放电 的最大紫外的最大紫外(253.7nm)输出？为什么？输出？为什么？2.试叙述荧光灯中