高壓鈉燈發(fā)光原理

1、高壓鈉燈高壓鈉燈 2006.01.01高壓鈉燈泡電弧管外玻殼支架兼導(dǎo)線(xiàn)燈頭消氣劑柔性導(dǎo)線(xiàn)高壓鈉燈電弧管鈮管封接陶瓷管汞齊鈦焊接電極電子粉氙氣 Xe為什么會(huì)發(fā)光？高溫下氣體電離（正離子與電子數(shù)量相等），并伴隨著激發(fā)和發(fā)光沙哈定理：1大氣壓氬等離子體組分濃度（大氣壓氬等離子體組分濃度（cm-3）溫度溫度 K40005000600070008000900010000Ar1.835(18)1.468(18)1.223(18)1.048(18)9.146(17)8.949(17)7.040(17)Ar+1.272(10)1.318(12)2.938(13)2.719(14)1.450(15)5.344(

2、15)1.508(16)Ar+2.336(6)1.005(8)e1.272(10)1.318(12)2.938(13)2.719(14)1.450(15)5.344(15)1.508(16)等離子體等離子體40006000K等離子體的電導(dǎo)率 等離子體的電導(dǎo)率由電子決定。電子質(zhì)量遠(yuǎn)小于離子。 等離子體的電導(dǎo)率與電子密度ne成正比，與碰撞頻率c成反比。 氣體壓力增加，碰撞頻率就增加，因此電導(dǎo)率減小，電阻增大，管壓也就升高。 電子密度隨溫度的升高迅速增大。電弧中心溫度最高，電子密度最大，電導(dǎo)率也最大。 等離子體從電場(chǎng)中吸收的功率為 P = I E = E2。電極 電極通過(guò)熱電子發(fā)射，將電場(chǎng)的能量持續(xù)

3、地傳輸給等離子體。 電極材料要求有良好的導(dǎo)電性、高的熔點(diǎn)、低的發(fā)射函數(shù)和好的耐化學(xué)腐蝕性。 符合上述條件的材料只有鎢。為了進(jìn)一步降低發(fā)射函數(shù)，在電極上再加上一些發(fā)射材料。 電極在高溫下工作，電極材料會(huì)逐漸蒸發(fā)，導(dǎo)致電弧管發(fā)黑，光通量下降。 電極發(fā)射函數(shù)降低，可降低電極的能量損耗。材料WBaSrCaYThWO2BaOSrOCaOY2O3ThO2功函數(shù)V4.52.492.352.83.33.35.01-1.71.3-1.61.6-1.92-3.91.7-3高壓鈉燈的工作溫度 陶瓷管的熔點(diǎn)在2400K。 高于1500K時(shí)，氧化鋁陶瓷開(kāi)始有蒸發(fā)發(fā)生，并沉積在玻殼上使其發(fā)黑，影響光輸出。 溫度更高時(shí)，鈉

4、會(huì)和氧化鋁陶瓷發(fā)生反應(yīng)。陶瓷管壁溫度：1500K電弧中心溫度：4000K冷端溫度：1025K電極溫度：2000K發(fā)光原理EnEmE0hv = En Em = c / v鈉的能級(jí)圖高壓鈉燈的工作物質(zhì)鈉：輻射物質(zhì)，第一激發(fā)電位2.1V，電離電位2.5V， 決定燈的光性能汞：緩沖氣體，第一激發(fā)電位4.9V，電離電位10.4V，決定電和熱性能氙：?jiǎn)?dòng)氣體，第一激發(fā)電位8.4V，電離電位12.1V，要求低的熱導(dǎo)率鈉汞齊：4mg鈉/16mg汞。實(shí)際只有0.07mg鈉和5.7mg汞蒸發(fā)（1025K）。鈉蒸汽壓：100torr汞蒸汽壓：1000torr氙壓： 160torr汞的作用 1）增加電場(chǎng)強(qiáng)度（管壓），

5、使燈體積縮小。鈉壓100torr時(shí)光效最高鈉壓100torr，汞壓 0 torr時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度7.5V/cm鈉壓100torr，汞壓1000torr時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度15V/cm 2）減小熱導(dǎo)損耗，提高燈的發(fā)光效率。汞的熱導(dǎo)效率是鈉的一半。 3）改善燈的顏色。汞在藍(lán)、綠部分有輻射。 選擇電弧管直徑和電極距離使管壁溫度在1500K（鈉壓100torr）氙的作用 電弧管內(nèi)充1020torr氙氣作為啟動(dòng)氣體。在所有非放射性氣體中，氙有最低的熱導(dǎo)率，因此光效最高。 氙的熱導(dǎo)率與汞相當(dāng)，充入高壓氙氣的燈中可不需要用汞來(lái)增加光效。 室溫時(shí)充200torr的氙氣，燈工作時(shí)達(dá)2000torr，可使光效提高15%。 氙

6、對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。為了得到所需的管壓，還是要加汞。惰性氣體氖/氬(0.5%)氬氪氙光效(Lm/W)91110116120人的視覺(jué)V() 明 視覺(jué)曲線(xiàn)0.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0380430480530580630680730780 (nm)(nm)V()3800.00003850.00013900.00013950.00024000.0004-5450.98035500.99505551.00005600.99505650.9786-7600.000067650.000047700.000037750.000027800.00002Km = 680

7、Lm/W高壓鈉燈光譜光譜線(xiàn)寬度 自然線(xiàn)寬：根據(jù)量子物理，激發(fā)能級(jí)的高度與能級(jí)的壽命成反比。壽命越短，能級(jí)高度越不確定。 多普勒加寬：原子本身的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，使光頻率變化。多普勒加寬是對(duì)稱(chēng)的，高壓鈉燈中其寬度在0.4nm數(shù)量級(jí)。 壓力加寬（密度加寬）： 鄰近原子的干擾，導(dǎo)致激發(fā) 原子的能級(jí)發(fā)生變化。譜線(xiàn) 不一定對(duì)稱(chēng)。 輻射通過(guò)等離子體向外傳播的途中會(huì)部分地被吸收（自吸收）。 自吸收對(duì)不同波長(zhǎng)不相等，在共振輻射（激發(fā)態(tài)到基態(tài)的輻射）處最強(qiáng)。 壓力越高，吸收越強(qiáng)?？捎么韷毫Ω叩?。自吸收光效和顯色性 壓力增加使增大，譜線(xiàn)范圍更寬廣，顯色指數(shù)Ra增大；而光效受人眼視覺(jué)的影響反而下降。 一般高壓鈉燈以光效

8、為目標(biāo)，如400W燈=10nm。高壓鈉燈能量分布輸入燈功率 Wla =400 W光通量=48000 lm光效=120 lm/W色溫 Tc =2100K顯色指數(shù) Ra =23平均視覺(jué)指數(shù) Vs =0.6燈的啟動(dòng) 在通常情況下氣體不導(dǎo)電。要點(diǎn)亮燈，需用某種方法產(chǎn)生初始電子。 氣體電離：用高頻火花器使氣體電離。 加熱電極：給電極燈絲通電加熱從而產(chǎn)生熱電子發(fā)射（如熒光燈）。 縮小極距：采用輔助電極（觸發(fā)極）縮小啟動(dòng)時(shí)電極間的距離以增加電場(chǎng)強(qiáng)度，使電極中電子發(fā)射（場(chǎng)致發(fā)射），如高壓汞燈等。 提供高壓：在點(diǎn)燈初期提供一個(gè)比正常工作電壓高得多的電壓，增加電場(chǎng)強(qiáng)度，如觸發(fā)器等。雪崩過(guò)程電子的自由程電子的雪崩著

9、火條件： （eL 1）= 1電離系數(shù)每個(gè)正離子平均在電極上 打出的電子數(shù)氣體放電的伏安特性AV電子溫度和氣體溫度A 低氣壓放電燈溫度分布B 高氣壓放電燈溫度分布電子溫度Te與氣體溫度Tg在汞放電中隨壓力的變化高壓鈉燈的基本電路通電后觸發(fā)器開(kāi)始工作，產(chǎn)生高壓脈沖將燈點(diǎn)亮。此時(shí)燈的管壓很低，電流很大，觸發(fā)器停止工作。大的電流加熱電極和陶瓷管，也使鈉汞齊蒸發(fā)。氣壓和氣溫逐漸上升，電流減小，管壓增加。當(dāng)輸入的功率（由電源和鎮(zhèn)流器決定）與變?yōu)榈入x子體的氣體損耗平衡時(shí)，燈穩(wěn)定在相應(yīng)的工作點(diǎn)。LP CD觸發(fā)器燈鎮(zhèn)流器電源220V管壓C高壓鈉燈的管壓（1） 鈉汞齊中汞的比例越高，管壓就越高。 考慮到鈉的損耗，

10、燈中鈉汞齊是過(guò)量的。燈壽命后期，由于鈉的損耗，汞的相對(duì)比例增加，管壓升高，甚至造成自熄。 考慮到鈉燈壽命期間的管壓升高，故將初始管壓設(shè)計(jì)得較低。400W鈉燈100V，同功率汞燈和金鹵燈135V。 電極與電弧管端的距離越近，冷端溫度就越高，氣壓也越高，管壓就高。 電極發(fā)射性能差也造成管壓高。 外玻殼中抽成真空是為了減小熱導(dǎo)，保持冷端溫度。外殼真空度不高，會(huì)使管壓降低。高壓鈉燈的管壓（2） 與汞燈不同，外界因素對(duì)高壓鈉燈管壓的影響較大。如電源電壓，鎮(zhèn)流器阻抗，燈具的散熱與反光等。燈燈反光器反光器高壓鈉燈的種類(lèi)（1）高顯色高壓鈉燈高顯色高壓鈉燈 提高壓力使增大，從而譜線(xiàn)范圍增寬，提高了顯色性和色溫。但光效有較大下降。 方法是縮短電弧管并在其兩端加保溫層以提高冷端溫度。內(nèi)觸發(fā)高壓鈉燈內(nèi)觸發(fā)高壓鈉燈 在燈內(nèi)加一個(gè)起跳裝置，一般用雙金屬片做成，與電弧管并聯(lián)。通電對(duì)雙金屬片加熱，使其變形而突然斷開(kāi)線(xiàn)路，由此借助鎮(zhèn)流器產(chǎn)生一個(gè)高壓反向電動(dòng)勢(shì)將燈點(diǎn)亮。點(diǎn)亮后燈的熱量保持雙金屬片為斷開(kāi)狀態(tài)。燈熄滅后雙金屬片冷卻返回初始狀態(tài)。高壓鈉燈的種類(lèi)（2）高光效高壓鈉燈高光效高壓鈉燈 提高氙氣充入壓力，可減