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線燈頭消氣劑柔性導線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等離子體的電導率 等離子體的電導率由電子決定。電子質(zhì)量遠小于離子。 等離子體的電導率與電子密度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，電導率也最大。 等離子體從電場中吸收的功率為 P = I E = E2。電極 電極通過熱電子發(fā)射，將電場的能量持續(xù)

3、地傳輸給等離子體。 電極材料要求有良好的導電性、高的熔點、低的發(fā)射函數(shù)和好的耐化學腐蝕性。 符合上述條件的材料只有鎢。為了進一步降低發(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，電極材料會逐漸蒸發(fā)，導致電弧管發(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 陶瓷管的熔點在2400K。 高于1500K時，氧化鋁陶瓷開始有蒸發(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，鈉

4、會和氧化鋁陶瓷發(fā)生反應。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：啟動氣體，第一激發(fā)電位8.4V，電離電位12.1V，要求低的熱導率鈉汞齊：4mg鈉/16mg汞。實際只有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）增加電場強度（管壓），

5、使燈體積縮小。鈉壓100torr時光效最高鈉壓100torr，汞壓 0 torr時，電場強度7.5V/cm鈉壓100torr，汞壓1000torr時，電場強度15V/cm 2）減小熱導損耗，提高燈的發(fā)光效率。汞的熱導效率是鈉的一半。 3）改善燈的顏色。汞在藍、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氙氣作為啟動氣體。在所有非放射性氣體中，氙有最低的熱導率，因此光效最高。 氙的熱導率與汞相當，充入高壓氙氣的燈中可不需要用汞來增加光效。 室溫時充200torr的氙氣，燈工作時達2000torr，可使光效提高15%。 氙

6、對電場強度幾乎沒有影響。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V() 明 視覺曲線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寬度 自然線寬：根據(jù)量子物理，激發(fā)能級的高度與能級的壽命成反比。壽命越短，能級高度越不確定。 多普勒加寬：原子本身的不規(guī)則運動，使光頻率變化。多普勒加寬是對稱的，高壓鈉燈中其寬度在0.4nm數(shù)量級。 壓力加寬（密度加寬）： 鄰近原子的干擾，導致激發(fā) 原子的能級發(fā)生變化。譜線 不一定對稱。 輻射通過等離子體向外傳播的途中會部分地被吸收（自吸收）。 自吸收對不同波長不相等，在共振輻射（激發(fā)態(tài)到基態(tài)的輻射）處最強。 壓力越高，吸收越強?？捎么韷毫Ω叩汀Ｗ晕展庑Ш惋@色性 壓力增加使增大，譜線范圍更寬廣，顯色指數(shù)Ra增大；而光效受人眼視覺的影響反而下降。 一般高壓鈉燈以光效

8、為目標，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平均視覺指數(shù) Vs =0.6燈的啟動 在通常情況下氣體不導電。要點亮燈，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）縮小啟動時電極間的距離以增加電場強度，使電極中電子發(fā)射（場致發(fā)射），如高壓汞燈等。 提供高壓：在點燈初期提供一個比正常工作電壓高得多的電壓，增加電場強度，如觸發(fā)器等。雪崩過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)器開始工作，產(chǎn)生高壓脈沖將燈點亮。此時燈的管壓很低，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，燈穩(wěn)定在相應的工作點。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、燈中鈉汞齊是過量的。燈壽命后期，由于鈉的損耗，汞的相對比例增加，管壓升高，甚至造成自熄。 考慮到鈉燈壽命期間的管壓升高，故將初始管壓設計得較低。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，保持冷端溫度。外殼真空度不高，會使管壓降低。高壓鈉燈的管壓（2） 與汞燈不同，外界因素對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（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)加一個起跳裝置，一般用雙金屬片做成，與電弧管并聯(lián)。通電對雙金屬片加熱，使其變形而突然斷開線路，由此借助鎮(zhèn)流器產(chǎn)生一個高壓反向電動勢將燈點亮。點亮后燈的熱量保持雙金屬片為斷開狀態(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（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