微波等离子灯.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,*,*,从电磁学到微波等离子灯,前言,自从人类学会利用火之后,在茫茫黑夜里,人类一直采用火炬、烛光、油灯等原始照明方式。直至1879年美国发明家爱迪生发明了白炽灯,人类才开始进入到电光源的照明时代。随着科学技术的进步,电光源不断发展:1931年发明低压钠灯,1936年发明荧光灯和高压汞灯,1959年发明卤钨灯,1964年发明金属卤化物灯,1965年发明高压钠灯,1973年发明三基色荧光灯,1980年发明紧凑型荧光灯,1991年发明高频无极灯等。电光源是构成照明系统的主体,127年来有了很大的发展,目前其品种己超过3000种,规格已达到5万多种。品种规格繁多的优质电光源产品的诞生,为人类迈进绿色照明的光文化时代,创造了良好的条件,。,照明,电,光源,1,发展史,7,应用,6,微波等离子灯的相关理论,4,微波等,离,子灯的结构,2,光源的相关知识,3,目录,特点,5,点电荷产生的电场,库仑定律,1,电场强度的叠加原理,此处输入文本,1,此处输入文本,2,此处输入文本,3,此处输入文本,4,请在这里输入您的标题,此处输入文本,3,白炽灯,发光原理,由于炽热的灯丝产生了光辐射，才使电灯发出了明亮的光芒。因为在高温下一些钨原子会蒸发成气体，并在灯泡的玻璃表面上沉积，使灯泡变黑，所以白炽灯都被造成“大腹便便”的外型,特点,1、光源小、便宜,2、通用性大，彩色品种多，具有定向、散射、漫射等多种形式。,3,显色性好，光谱均匀而不突兀。白炽灯（包含卤素灯）的光谱是连续而且平均的，拥有极佳演色性的优点,白炽灯的效率是最低的,日光灯,1主要部件,镇流器 启辉器,其工作原理是：当开关接通的时候，电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离，产生辉光放电。辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，两极接触。电流通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。灯丝很快被电流加热，发射出大量电子。这时，由于启辉器两极闭合，两极间电压为零，辉光放电消失，管内温度降低；双金属片自动复位，两极断开。在两极断开的瞬间，电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。,日光灯正常发光后。由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动势，自感电动势阻碍线圈中的电流变化，这时镇流器起降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。由于这个电压低于启辉器的电离电压，所以并联在两端的启辉器也就不再起作用了。,LED,中文名称“发光二极管”其发光原理跟激光的产生相似。一个原子中的电子有很多能级，当电子从高能级向低能级跳变时，电子的能量就减少了，而减少的能量则转变成光子发射出去。大量的这些光子就是激光了。LED原理类似。不过不同的是，LED并不是通过原子内部的电子跃变来发光的，而是通过将电压加在LED的PN结两端，使PN结本身形成一个能级，然后电子在这个能级上跃变并产生光子来发光的。,特点,一、体积小 LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常的小，非常的轻。,二、耗电量低LED耗电相当低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V。工作电流是0.02-0.03A。这就是说：它消耗的电能不超过0.1W。,三、使用寿命长在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时。,四、高亮度、低热量,五、环保 LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。,六、坚固耐用,缺点：价格贵，需要恒流驱动，散热处理不好容易光衰。,光纤,蜡烛灯,投光灯,轨道灯,LED灯带,第,二章 相关知识,2.1可见光和辐射,光是电磁波辐射到人的眼睛，,经视觉神经转换为光线，即能被肉,眼看见的那部分光谱。这类射线的,波长范围在360到780nm之间，仅,仅是电磁辐射光谱非常小的一部分。,2.2光源特性参量,(l)光通量(luminousflux)单位:流明(lm),光源在单位时间内发出的光,量称为光源的光通量，以表示。,(2)光强(luminousintensity)单位:坎德拉(ed),光源在某一给定方向的,单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度,简称光强。,(3)亮度(luminance)单位:d/mZ,光源在某一方向的亮度是光源在该,方向上的单位投影面中单位立体角内发射的光通量。,(4)照度(illuminanee)单位:勒克斯(lx),照度是光源照射在被照物体,单位面积上的光通量。,(5)光效(luminouseffieacyoflightsouree)单位:流明/瓦(Iln/W),光源,所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率(瓦)的比值,称为该光源的光效。,(,6)色温(CT一eolourtemPerature),当光源所发出的光的颜色与黑体在,某一温度下辐射的颜色完全相同时,黑体对应的温度就称为该光源的色温,用绝对温度K(kelvin)表示。,(7)相关色温(CCT一eorrelatedeolourtemperature),光源所发出的光,的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色接近时,黑体对应的温度就称为该,光源的相关色温,单位为K。,(8)显色指数(助eolourrenderingindex),当物体在非连续光谱的气体放,电灯的照射下,颜色就会有不同程度的失真。我们把光源对物体真实颜色,的呈现程度称为光源的显色性。以标准光源为准,将其显色指数定为100,其余光源的显色指数均低于100。显色指数用Ra表示,Ra值越大,光源的显,色性越好。,第三章 微波等离子灯的相关理论,3.1 等离子体,等离子体通常被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态。如果对气体持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电子和中性粒子组成的气体，这种状态称为等离子体。等离子体,与 气体的性质差异很大，等离子体,中起主导作用的是长程的库仑力，而,且电子的质量很小，可以自由运动，,因此等离子体中存在显著的集体过程。,在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态。在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99%。,3.2 微波等离子体原理,微波放电初始阶段的物理过程如下：微波引入反应腔中建立起电磁场，反应气体中的电子在微波场作用下获得能量，与气体分子碰撞使其电离，从而得到更多的自由电子和离子；在电子、离子密度增加的同时，等离子体介质参数发生变化；另外，电子、离子还存在扩散和复合运动。这些作用使等离子体最终达到平衡状态。因此这是一种微波与等离子体互相作用的非线性过程。,微波在等离子体中的传播特性,在电磁场的作用下，对质量为m，电荷为q的粒子，漂移运动方程为,由于粒子漂移运动，等离子体中产生的电流 为,对于由一种离子和电子组成的等离子体,根据电矩定义,可知,3.3 微波等离子灯发光原理,微波等离子灯刚点燃时，由于石英硫泡中充入了氩气的缘故而发蓝光，氩原子放电产生的热量和微波能使固态硫粉蒸发，谐振的微波能量使硫蒸气形成高温等离子体并连续发出白光，光团由小变大逐渐弥漫至整个石英球,直到放电稳定趋于平衡。图为微波等离子灯启动过程。,发光机理：以微波硫灯结构为基础的等离子灯来说。,微波硫灯的石,英泡壳内的填充物质主要是硫。硫在常温下为淡黄色的固体，熔点为,110，沸点为 444。单质硫分子由八个硫原子组成。当加热硫至沸,点以上时，蒸汽中除含有,分子外，还含有,，和,分子，且,温度越高,，,分子所占的比例越大;但当温度超过 2500K 时，形成硫原,子。微波硫灯的工作温度在 1000K 左右，故硫多以其二聚物(,)的形,式存在。,在低压状态下，硫分子的光谱峰值靠近紫外区,而在可见区只有一个,微弱的延伸。因此，早期的硫灯多用于紫外辐射光。当提高泡壳中硫的,充填量，将得到与低压状态下完全不同的光谱特性曲线。,低压状态下,分子的紫外辐射大部分来自于截止在电子基态的低,振转能级上的电子跃迁。而照明用微波硫灯在稳定工作状态下，,分子,的蒸汽压可以达到 10atm，石英泡的温度在 1000K 左右，微波能量使电,弧正柱区温度达到 640。在这么高的气压和温度下，相当一部分的基,微波等离子灯光谱能量分布随气压的变化,态分子被激发到电子基态的低振转能级上，使得处在该能级上的分子,浓度大为增加，从而引起紫外辐射被强烈的自吸收。其结果是紫外辐射,被大大抑制，光谱向长波方向移动。约在 500nm 左右，可见光大大加强,了。低气压下由于硫分子振动和转动精细结构的影响，锯齿峰清晰可见，,而高气压下分子间相互作用加强了，抑制了振动及转动，造成了强烈的,自吸收，曲线变得十分平滑。,3.4,等离子体灯发光系统的光谱自吸收理论,气体放电时,激发原子辐射出的光子在逸出电离气体以前,可能被周围的同,种原子或其他粒子所吸收,称为辐射的吸收。,光谱线的亮度度按频率分布L(v,x)在电离气体中随传播距离x0指数衰减,:,式中P(,v,)为无吸收时的谱线轮廓。谱线的轮廓一般在中心频率处有一极大值,然后向两翼迅速减小。正由于这个原因,中心频率处的吸收总要比两翼大很多。,如果,。足够大,中心频率处的吸收可能会如此之大,使得出射光在中心频率,处的亮度小于两翼,这种现象称为谱线的自反,或自吸收。,很多学者对于微波等离子灯的发光机理进行了分析,基本的观点相同,就是微波等离子灯的光谱来自,分子在,能级和,能级之间,的跃迁,然而对于激发途径,氩,气的作用等持有各种不同看法,，下列是,三种,可能的激发途径,。,（1）,在低密度等离子体(主要为电子)的作用下从基态激发到B,激发态。,分子基电子态,和激发态,的能级相对位置互相,嵌套不依靠三体复合过程电子能很容易使,分子基态,激发到,激发态,但Ar的电离能很高,不容易电离,产生的电子非常少,因此,等离子体激发不一定是主要的激发途径。,（2）,从原子分子反应静力学的角度分析,分子在高温下跃迁到激,发态,然后离解为,分子的,激发态和基态S原子。因为在微波的作,用一下发光体达到较高的温度(1000左右),所以分子的振动,转动能很高,因此在振动,转动与电子运动的相互作用下,分子可能跃迁到激发态,从而,分解得到,。,可以存在于六种电子状态,即基态,和,五种激发态,，,只有两,种,激发态,可以分,解为,从而得到,发光的激发态。,（3）,通过对Ar与,动力学过程的研究表明,。Ar,在硫灯中,有碰撞激发的作用。在A,r,的碰撞下,被逐步激发到较高振动,能级,当基态,分子处在大于43的振动能级上时通过与Ar原子的碰撞能,量转移激发到,激发态。从而完成,分子基态,到激发态,的激发。与此类似,S,（或 、,He、Ne、Ke、,X,e等)对,的碰撞应有同样的结果,。,3.5,微波等离子灯热状态理论分析,石英玻泡中等离子体的基本参数为:,主要成分:各种硫分子,，,惰性气体分子Ar,，,离子S+、S-,等离子体压强:,Pa,电弧最高温度:,5000,K,管壁温度:1500K,电离度:,等离子密度:,/,热状态仿真遇到的首要问题是等离子体介电常数。等离子体是一个多,粒子系统,其内部的物理过程异常复杂,但从宏观电磁场的角度,它可以整体,等效为一种特殊的电介质,即整体等效为一种物质,那么介电常数一般情况,下为一张量。,但是,硫等离子体与绝大多数等离子体的性质截然不同。通,常情况下等离子体的介电常数小于1,此结论在微波等离子灯中显然不成,立,开始阶段,等离子灯刚启动的时候,石英玻泡中没有硫等离子体只有,氩,气,在微波作用下,该等离子体的介电常数是小于,1,的,对微波的吸收非常小。,此时,微波场的表达式为:,式中。,E,为电场强度,为振幅,w,为角频率,为初始相位,此时带电粒子,在微波场下的运动方程为:,式中m,为带电粒子质量,为电子,从,Ar碰撞所产生的等效粘滞系数,与电,子迁移率,和电子碰撞率,有关,将上式求解可得最大速度和最大位移分别为:,从上式我们可以看出,随着电磁场频率的增加,带电粒子运动将越来越困难。,当电磁场频率一定时,粒子运动与,有关,而,与气体压强有关,因此开始时,氩,气中有少量自由带电粒子,等离子体很容易启动。,带电粒子在接收了微波能量后不断的经过碰撞传给其他粒子,同时硫粉逐渐,蒸发为蒸汽,随后变为硫等离子体,这就是微波等离子灯的启动过程。,启动后,随着时间的推移,粒子浓度越来越高,电子的浓度也越来越高,微,波在一定浓度处被截止,此处称为截止共振点,因此硫等离子体可以看作是一,种能大量吸收微波能量的金属。其微波不能穿透的地方可理解为近似趋肤效,应。其中硫等离子体的共振峰满足博姆一格洛斯色散关系,式中,截止频率,；,，,T为温度,，k为波数；K为玻尔兹曼,常数,显然等离子体与微波的互作用与温度分布和粒子密度有最直接的关系,图表示一厚度为x的等离子体，x,x+dx的一个薄层。入射到界面x处的光,辐射亮度为 （x），经dx层后，辐亮度的变化为：,式中：为光谱发射系数；为光谱吸收系数。,则得到辐射转移方程为：,根据模型各参数可以求得温度分布轮廓，如图,因此,高气压情况下,微波不能直接穿透等离子体,而是被玻泡的自由电子所屏蔽,微波输入功率主要沉,积在管壁附近的表层中,并通过粒子间的碰撞、激发,将能量传递到内部。随着微波输入功率的增加,一方,面能量传递过程进行更加充分,另一方面等离子体温,度上升,电导率增加,趋肤效应的屏蔽作用更加明显.,第四章,微波,等离子,灯的,结构,一台微波等离子灯的基本结构至少应由以下五部分构成:,(l)电源控件,普通双变压器电路或变频电源;,(2)微波发生器,产生微波的磁控管;,(3)微波传输部件,定制波导;,(4)微波谐振腔,金属网罩;,(5)发光等离子体,装有填充物的玻璃泡,图中谐振腔用金属网罩制成,大部分光通量可以穿过它。此外,玻璃泡还需要高速电机带动旋转。,旋转的第个作用是让等离r体分布,史均匀,减少光闪,提高光照的均匀,性;另一个作用是降低石英泡壳的,温度防爆裂,微波等离子灯示意结构图,1-配光玻璃；2-反光罩；3-灯箱；4-支撑架；,5-后盖箱；6-进风罩；7-电源连接线；8-出风罩；,9-屏蔽网罩；10-石英泡,。,4.1 常规硫灯灯泡参数,作为微波硫灯的核心器件，其可变参量,非常多。例如硫粉填充量、氩气压力、泡壳,尺寸和微波功率等。各个参量之间 紧密联系,，任何一个参量搭配不当都会降低灯泡性能。,以微波硫灯结构为基础的等离子灯，其灯泡是非常关键的部分。,不少的国内外文献中提到了微波硫灯灯泡的尺寸、填充量和灯的输入功率。,表列出来代表性的数据。,4.2,附加填充物,a.,提高灯泡启动性能的利器，氪 85,硫灯灯泡中可以添加少量氪 85，能极大提高灯泡的启动性能。需要注意,的是，氪 85 是放射性物质，使用它之前需要相关部门许可和培训。,b,NaI、InI48、CaBr2等物质可以改善光谱,在硫灯灯泡中加入几毫克的 NaI。NaI 产生钠的 D 线（钠的黄双线，相,应的共振线波长为 589.0nm 和 589.6nm），可以改变硫灯的相关色温。,可调范围从 8400K到 3600K。调整色温后，显色指数的范围保持在 79,与 90 之间。使用这个方法不会引起硫灯亮度的降低,.,在微波硫灯中加入少量金属卤化物 CaBr2，可以增加红光谱，而基,本不改变其它波长光谱。类似的，可将其它碱金属的卤化物（例如 Nal，,Kbr 等）和稀土卤化物用作辅助灯泡填充物，调节灯泡性能。,4.3,改变惰性气体,1填充氙气可改善光效、光谱 固定硫的加入量，而加入不同的惰性气体，,如 Xe、Ar，得到图 两个硫灯的光谱。加入 Xe 的光谱比加入 Ar 的光谱宽，,输出的光强更强，加入Ar 的光谱显得很尖、很窄，对于用作照明的光源来,说，这是不好的。加入 Xe 比加入 Ar 更有利，因为效率更高，色彩更好。,尽管使用氙作为惰性气体比仅使用氩的发光效率提高了 5，但是由于氙,交叉区域碰撞很厉害，使高压下放电变得更困难。可以再填充少量氩气,在保持高光效的条件下，极大地提高了启动性能，缩短了重启动的时间间,隔。,2填充氖气,将氖作为第一缓冲气体，氩作为第二缓冲气体，氖气的激活电压约等于,氩气的电离电压，二者配合可降低放电电压，缩短启动时间，在无极灯,停止发光之后可很容易的再次启动。处于亚稳态的氖原子有效地电离了,氩原子。,4.4,改变主要发光物质,1填充 InBr,InBr 的光色亮白，光谱比微波硫灯更接近太阳光谱。显色指数可以达到,95光效高于 100 lm/W。这种灯的输入微波功率在 300 到 800W 之间。,2,.,填充 SnBr2,灯泡主要填充物为二溴化锡，缓冲气体为氩气。可将汞作为辅助灯泡,填充物，以使启辉更容易，放电更稳定。这样的灯泡可获得超过 80 lm/W,的高光效和优良的显色性，比填充硫粉辐射的紫外光线少，视觉上更温暖。,其它高显色性填充物,如,除以上核心部件外,还包括配套光具。实际工程所用的配套光具主要,有两种：反光罩和导光管。灯具光学系统的设计是光源设计的核心,等离子灯反光罩,导光管,第五章 微波等离子灯的特点,1.无电极的污染和能量损耗；,2.灯泡寿命长，可达 60000 小时；,3.光效高（100 lm/W 左右），节约能源；,4.光色好（显色指数 Ra 在 80 左右）；,5.良好的光维持率（燃点 10000 小时后光衰小于 3%）；,6.光线可调,可以在 20%100%之间实现连续调光；,7.似太阳光连续光谱，较低紫外和红外辐射；,8.光谱连续性好，人体感觉更舒服自然；,9.启动较快，冷启动时间 20 秒左右，可在很低的环境温度下启动。,微波硫灯与其他光源的光色和显示指数比较,第六章 微波等离子灯的应用,微波等离子灯相较于其它光源优势明显,且功率能在千瓦级以上,因此特别,适合以下应用场所,(,1,)大范围室外照明。如飞机场、运动场、公路、街道、工业厂矿照明等。,(2)大面积室内照明。微波等离子灯可与导光管配合使用于地铁站、大型,维修车间、商场、会议厅等。,(3)人造太阳。由于它的光谱能量分布接近太阳光,因此在封闭的人工照明,植物生长研究室、对臭氧层耗损分析、温室气体效应、酸雨现象和环境,变化等方面的研究和工作中均可作为理想的光源。,(4)由于等离子灯的可见光光谱与太阳光非常接近，而光谱中的红外和紫,外光含量却非常少，是电影电视拍摄、演播室等特殊场合不可替代的照,明产品,高尔夫球场练习台照明效果图,微波等离子移动工程灯,微波等离子移动工程灯侧视图,第七章,微波,等离子,灯的发展史,7.1,微波,等离子,灯的发明,Fusion System 是美国马里兰州一个专门生产超高频紫外光源的企,业，率先使用低压硫灯泡制作紫外光源。他们的研究人员发现高压硫蒸,气在微波场作用下能发射与可见光非常接近的光谱。后来由于经费问题，,研究受到影响。1992 年在风险基金的资助下，FusioSystem、Lee,Levine 以及 Michel Ury 组合成为 Fusion Lighting 公司，专门研究微波,硫灯。据美国工程师协会的会议资料，Fusion 公司在微波硫灯领域拥有,15 项专利，其领军地位一直难以动摇。,7.2微波等离子灯技术的进步,1994 年，Fusion 公司制作了一些微波功率达到 3400W 的大功率硫灯，这些,硫,灯,进步,需要强制风冷才能保证石英玻璃泡壳在高温下不会熔化，噪声很大，系,统光效较低,。,1995 年，Fusion 公司推出商品化的 1400W 小功率硫灯 Solar,1000 型，不再需要强制风冷装置，光效接近100 lm/W。然而这种型号仍有缺点，,电源重达 22 公斤且独占一个箱体，硫灯显得很笨重。Fusion 公司与瑞典国防电,子公司 Celcius Tech合作，该公司主要研究用于雷达和无线通信的磁控管。1995,到 1996 年，Celcius Tech研制成功了一种硫灯用小型开关电源。开关电源比原,有电源更可靠，且可以在 0到 100大范围调整光输出。电源与磁控管共用一个,箱体，大大缩小了体积，减轻了重量。1997 年，Fusion 公司推出的 Light Drive,1000 型硫灯采用了开关电源，产品体积小、重量轻功率可调、无闪烁。,7.3国外研究现状,近些年，韩国LG 公司以微波硫灯结构为基础，以自产的磁控管为,依托，在泡壳内填充金属卤化物，生产“等离子灯”。这种填充金属卤化物,的等离子灯光效、显色性等各项性能与微波硫灯差不多。如图所示，峰,值较高的曲线是 LG 等离子灯的光谱，另一条曲,线是自制硫灯的光谱，功率经,过归一化处理。硫灯的紫外、,红外成分较少，呈绿白色(绿光,的波长区域为 490 至 560nm)。,LG 等离子灯的光谱中蓝色成分,更适宜日用照明。,7.4 国内研究现状,自复旦大学电光源研究所研制微波等离子灯起，国内的微波等离子灯研究已有十多年之久，但是并没有得到真正的推广应用。究其原因，一是国内的企业研发能力不足，始终停留在初期产品阶段，没有形成真正的自主知识产权；二是微波等离子灯存在许多还没攻克的缺点，如稳定性差、光色偏绿、寿命短等。,7.5,发展趋势,微波等离子灯被看作是21世纪最有前景的光源之一，目前，仍然用硫粉作为灯泡的主要填充物，虽然微波硫灯拥有理想照明光源应有的大多数特点，但是由于高压硫分子等离子体光色偏绿，一直不容易实现民用推广。微波等离子的的整灯寿命仍不足以全面推向市场，磁控管寿命约15000h，灯泡旋转电机寿命为几千个小时它们直接影响了整灯寿命，所以寿命方面还有很大的研究空间。另一个不足在于综合成本太高，各性能组件一旦损坏，更换复杂，这也加大了微波等离子灯的推广难度。,总结,通过这几天亲自动手做，对微波等离子灯的构造 和原理有了基本的了解，强化了自己对概念的理解，加深了对物理学浓厚的兴趣。以前都是在下边听，现在换自己上去讲，无形中提高了自己的动手能力，表达能力，能够对自己更有信心。,谢谢观赏,