（等离子体物理专业论文）管壁温度分布对uhp投影光源特性的影响.pdf

摘要 随着高亮度投光灯、多媒体投影器、数字化投影器以及数字化投影电视等多 种应用场合对高亮度光源的大量需求，特别是高清晰数字化背投彩电的快速商 业化和家庭对彩电更新换代的巨大需求，使得高亮度、近似点光源的超高压汞灯 找到了用武之地。用于投影系统的u h p 光源，目前最理想的选择就是以隶作为放 电气体的超高压短弧长的球形超高压汞灯。现在，对于大多数市售前投和背投装 置，u h p 灯已经成为标准配件。 本文通过管壁温度分布入手，从理论上分析了u h p 投影光源的管壁温度分布 对其光电性能( 包括对光源亮度、光效和显色性) 的影响，以及对光源寿命的影 响( 包括光源对管壁温度的要求，以及在此基础上决定的对石英材料的要求，和 对管径的要求) 。并在理论分析的基础上，对管壁温度的选择，石英材料的选择。 管径的选择，循环剂的选择等进行了实验和分析。并得到以下结论： 1 目前国产u h p 投影光源在光学性能上已经能与国外u h p 光源相竞争。 2 石英材料的选择对与u h p 投影光源的寿命有至关重要的影响。 3 石英材料中的杂质氧化物含量和种类是造成析晶的主要原因。 4 采用溴化物作为循环剂，并掺入微量氧，可减轻电极发黑现象，明显延长灯 的寿命。 5 泡壳尺寸选择既要考虑石英材料的机械强度承受能力，又要考虑高管壁温度 要求，以及石英材料的析晶问题。因此必须根据不同灯的功率确定最大内腔直径 与极距的最佳参数。 6 钼引线与铝箔连接处的温度应控制在不高于3 5 0 。采取了增加钼片的长度， 加风扇冷却，缠绕金属丝减少照射在封接处的光辐射等方法有效地防止了氧化现 象。 7 根据上述结果研制的u h p 投影光源。各项参数基本达到市场要求，2 0 0 0 小 时后，仅在顶部有微弱的发白析晶现象。根据与进口产品析晶现象的比较，研发 灯的寿命可达4 0 0 0 小时，非常具有市场竞争力。 关键词：u h p ，超高压汞灯，管壁温度 中图法分类号：0 5 3 6 a b s t r a c t a sd e v e l o p i n go fp r o j e c t o r ，l i q u i dc r y s t a ld e v i c e ，a n dl i q u i d c r y s t a ld e v i c e t h em a r k e td e m a n do nh i g hl u m i n a n c ei a m pi n c r e a s e d r a p i d l y u l t r a - h i g hp r e s s u r em e r c u r yl a m pf o u n di t sp o s i t i o ni nt h e s e d e v i c e s a tp r e s e n t t h eb e s tc h o i c eo fu h pl a m pw h i c hi su s e di n p r o j e c t i o ns y s t e m si su l t r a h i g hp r e s s u r em e r c u r yd i s c h a r g el a m p b e c a u s ei th a sh i g hl u m i n a n c ea n di ss i m i l a rt os p o tl i g h ts o u r c e n o w u h pl a m p sa r es t a n d a r df o rh i g he f f i c i e n tp r o j e c t i o ns y s t e m s h e r ew ea n a l y z eh o wt h ew a l lt e m p e r a t u r eo fu h pl a m pw o r k so n t h ep h o t o - p a r a m e t e ra n dl i r eo fl a m p s ，n o to n l yf r o mt h e o r yb u ta l s o f r o me x p e r i m e n t t h ef o l l o w sa r et h ec o n c l u s i o n ： 7 t h ep h o t o p a r a m e t e ro fh o m e m a d eu h pl a m p sh a sb e e n a l m o s tt h es a m ea st h a to fi m p o r to n e s t h ec h o i c eo fq u a r t zm a t e r i a li st h ek e yp o i n tf o rt h el i f eo f u h p l a m p s t h ei m p u r i t yo fo x i d ei nq u a r t zm a t e r i a li st h em a i nr e a s o no f s e p a r a t i n g o u to fu h p a r ct u b e a d d i t i o no fc y c l e d - m a t e r i a l ( b r o m i d ea n do x i d e ) c a nl i g h t e n l a m p b l a c k e na n dp r o l o n gt h el i f eo fl a m p s t h ed i m e n s i o no fa r ct u b es h o u l db ev a r i e df r o md i f f e r e n t p o w e r t h et e m p e r a t u r eo fc o n n e c t i o nb e t w e e nm o l y b d e n u mf o i la n d m o l y b d e n u ml e a ds h o u l db ec o n t r o l l e du n d e r35 0 u h pl a m p s d e v e l o p e d a s u p p e r r u l e sh a v ea g o o d p e r f o r m a n c e a n d l o n g l i f ew h i c hc a ns a t i s f yt h em a r k e t d e m a n d k e yw o r d s ：u h p ，u l t r a h i g hp r e s s u r em e r c u r yl a m p ，w a l lt e m p e r a t u r e 2 2 3 4 5 6 镑攒蓦 雾硕士论文 第一章引售 第一章引言 1 1 投影显示技术的发展对投影光源的要求 液晶投影显示技术是二十世纪九十年代蓬勃兴起的一种大屏幕投影显示技 术，集微电子、液晶光学、机械技术为一体的现代光电子科技产品的代表，其技 术特征是可大面积、高亮度、高质量的显示图像。不仅具有高分辨率的画面，而 且要求图像具有高对比度、高均匀度、大色度空间及高稳定性。 随着网络信息产业的飞速发展，数字化高清晰、高亮度、大屏幕的液晶投影 和液晶背投电视将成为国民经济的新的增长点。液晶投影系统和液晶背投电视被 广泛应用于家庭、企业、科研、军事、广告、新闻、公安、交通监控、多媒体教 学及影视娱乐等众多领域。 近几年，配投光系统的大面积显示装置更加流行起来。大约6 年以前，l c d ( 液晶显示) 投影器的性能还相当差：体积为4 6 升重量为2 i k g ，屏幕亮度按a n s i 标准只有4 0 0 l m ，分辨率为v g a 水平。现今，投影器的体积只有以往的i 3 ，就 能产生高质量的x g a 水平的图像，屏幕亮度超过3 0 0 0 1 m ，只需要一只超高压( u h p ) 2 0 0 w 光源。投影产品的另一种规格重量仅1 4 k g ，体积不到两升，完全便携，屏 幕亮度i 1 0 0 1 m ，能达到明亮的x g a 水平。如图i 一1 所示。 图l i 便携式投影仪 目前投影显示器采用阴极射线管c r t ( c a t h o d er a yt u b e ) 、液晶设备l c d ( l i q u i dc r y s t a ld e v i c e ) 、数字微反射器i ) m d ( d i g i t a lm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 和l c o s ( l i q u i dc r y s t a lo ns i l i c o n ) 四种方式，除c r t 方式外，其余三种均 采用液晶显示技术，即其形成的大屏幕显示器均采用h i d 光源。 投影显示器由于是光来投影，其不会像c r t 电视那样产生x 射线辐射，有利 于保护人体健康。涂黑底的成像屏，可以强化画面的亮度，又确保没有反光，在 任何环境下都能获得满意的收视效果，又不会伤害眼睛。而且由于液晶显示的紧 凑性和轻便性，它必将逐渐取代阴极射线管( c r t ) ，成为大屏幕投影的主流。 液晶显示投影器的图像形成原理如图1 2 所示。通常采用双透镜和反射镜 等将光源发出的光分解成红、绿、蓝三种颜色，并分别通过带有图像信息的液晶 显示板，再由相应的反射镜和成像透镜重新将三色图像集合投影到屏幕，从而形 镪楹要点茅硕士论文 第章引青 成所传播的色彩画面。由于液晶不能产生光，所有所需的光都由光源产生，因此 投影光源是投影仪的关键部件之一，对投影仪的性能有决定性的影口向。 图l 一2 液晶显示投影器的图像形成原理 投影仪的光效可由公式1 一l 表示： 智，= 卵。，。，。叩。w k 。卵“。 ( 1 1 ) 即投影仪的光效等于光学器件的光效，液晶片能收集到的光效以及灯的光效 三者的乘积。对于目前u h p 投影光源，灯的光效n 。一般为6 0 6 5 l m w 。n 。 是指由于液晶片的接受角有限( 液晶片越来越小型化) ，而且由于光源不是理想 的点光源，由反射器射出的光就不全是平行光，所以会损失掉一部分光，一般 n 。仅为6 0 ，如图l 一3 所示。 图l 3 液晶片小型化要求光源为点光源 光学器件的光效n 。，又包括四个部分：表面的散射损失( 9 0 ) ；传播的 损失( 6 0 ) ；偏振恢复的损失( 8 0 ) ：光谱的效率( 6 7 ) 。 鹤黔植要 擎硕士论文 第幸引言 从图l 一4u h p 灯的光谱能量分布可以看出，灯的色温为8 0 0 0 k ，显色指数 只有5 6 ，光色偏兰。兰、绿光相对红光的比例偏高。但通过滤光片的调节到达 l c d 片的兰、绿光，即损失掉一部分绿光和兰光( 占总能量2 0 ) ，红光全部用 上，可实现正常显现图像彩色还原所需的红、绿比和红、兰比。而理想的滤光片 效率为8 5 ，这样得出光谱的有效效率仅为6 7 。 3 8 04 8 0 5 8 0 6 8 07 8 0 波长( 删 图1 - - 4u h p 灯的光谱分布及红、绿、兰三片l c d 有效的光谱区域 所以整个系统的效率为： r a l 2 q 。m a lx qc o l l e c t t o h 0 1 ”p = ( 9 0 x6 0 x8 0 6 7 ) 6 0 6 5 l m = 1 2 i r a w 由此可见，由于整个光学系统成像光程长，即光损失大，并且液晶显示板和 各类镜面，如滤色片，的光接受角都较小，光学元件的光损失较大。因此这类投 影仪对光源有以下要求： 1 需要一个高亮度的白色点光源； 2 为了显示色彩的逼真度，光束中的红、绿、蓝三色光谱成份投射到屏幕 上应有相同的亮度，即此类光源还需具有与白色光近似相等的三色能量 辐射特性，例如像8 0 0 0 k 的黑体辐射那样，以保证图像在不同颜色显示 时，具有与太阳光照射下相同的色彩： 3 光源的寿命最好达到1 0 0 0 0 小时以上与现在的电视机寿命一样： 4 对此类投影光源的另一个要求自然是在投影器的寿命期间具有好的稳定 性，也即是具有稳定的光谱分布以及尽可能小的光衰性。 纂量嘲犍 横霉大学硕十论文 第一章引占 上述条件要求光源必须具有高光效、高亮度、高显色性、高稳定性和长寿命 的特点。 1 2 投影光源的选择及u h p 光源的发展 高清晰的液晶片，由l o 年前对角线3 ”缩小到现在的o 5 ”。如图1 5 所 示，这就为提高光效、减少投影灯反光镜的体积、减少投影灯泡功率创造了有利 条件。使投影器得以不断小型化、轻便化。 图l 一5l c d 的小型化 第一代多媒体投影器采用的液晶片对角线r 是3 ”，光学系统中的光源，采 用极间距离6 7 m m 的1 2 0 2 5 0 w 交流灯的短弧金卤灯。抛物面反光镜的口径 中1 2 0 r a m 。才能得到大于3 ”的均匀光斑。该投影器体积大，重量重( 1 0 k g 以上) ， 银幕光通量5 0 0 1 m 左右。1 9 9 5 年以后，高清晰度液晶片对角线减少到0 9 1 3 ”，光学系统需要电弧更短、亮度更高的光源。极间距离1 8 3 7 m m ，功率1 2 5 4 0 0 w 的直流短弧金卤灯取代交流灯，反光镜的口径缩小为中l o o m m 以下。开发出 了第二代投影器，该投影器重量减为5 l o k g ，银幕光通量提高到1 0 0 0 1 m 以上。 近几年，随着对角线0 4 o 7 ”的高清晰度液晶片问世，对光学系统进一 步小型化提出了要求。小型化的光学系统，要求光源进一步紧凑化，并能在更小 的投影面积上，提供更亮的光束，这就需要短弧光源的电弧更短，亮度更高。随 之开发出极间距离1 1 5 m m 的1 0 0 2 0 0 w 直流和交流u h p 灯口径为中6 0 ，随光 机透光、聚光效率的提高，2 0 0 wu h p 等理想的银幕光通量达3 0 0 0 1 m 。 图l 一6 为不同尺寸液晶片，不同弧长的光源，所能达到的屏幕亮度的比较。 楹霉天擎硕士论文 第一章引言 屏 幕 亮 度 2 蟹 暑 0 0 0 0 5 ”0 9 ，1 0 ”1 5 ”20 ”2 5 ” l c d 对角线r 图1 6 屏幕亮度与弧长以及液晶片尺寸的关系 由图可见，随着液晶片尺寸的减少，能接收到的光通也减少，在采用0 9 ” 的液晶片时，比较不同弧长的光源发现，当弧长为2 5 m m 时，屏幕亮度只有 1 7 0 0 1 m ，当弧长为l ，3 m m 时，屏幕亮度已经达到3 0 0 0 1 m ，当弧长只有l 唧时， 屏幕亮度却能高达大约3 2 0 0 1 m 。可见，液晶片尺寸的不断减小要求光源也要更 加接近于点光源，即极距越小越好。 表1 1 为目前使用的三类投影光源的种类和性能比较。 表l l 磊叫设 球形超高压汞灯金属卤化物灯金属陶瓷氙灯 弧长( m m )1 0 1 53 o 3 50 5 1 o 光效( 1 m w ) 6 06 03 0 - - 4 0 色彩较差较好好 寿命( h r s ) = 6 0 0 0 1 0 0 0 。c ) ，很容易 引起石英材料的析晶、失透。或者引起石英材料软化，机械强度下降而发生鼓泡 使灯失效，如图3 4 所示。更严重的会使泡壳发生爆炸。 3 - - 3 影响石英析晶的因素 由上一章我们已经发现汞蒸汽放电只有当汞蒸气压大于几十个大气压时才 能获得高亮度，同时随着汞蒸气压迸一步的提高，光效随之有较大提高，并且光 谱线有效宽度逐渐放宽，大部分谱线产生红移( 移向长波方向) ，谐振谱线逐步 被吸收直至完全吸收，连续光谱加强。当汞蒸气压达2 0 0 个大气压及以上时，所 制成的灯成为连续光谱背景很强、谱线宽度宽、色温很高，光效可达6 0 1 m w 以 上的高效光源。在这样大的汞蒸气压下放电的电弧电位梯度很大，可以制成放电 极间距很短且电弧管压降适当的近似点光源。若灯功率在2 0 0 w 以内，工作汞蒸气 压达2 0 0 个大气压时，灯的管压降选择在6 0 9 0 v ，对应的灯电流在3 a 以内，此时 点灯电路较易实现。 要想达到在2 0 0 个大气压及以上汞蒸汽压力下工作，对于制灯的材料是个非 常苛刻的选择。首当其冲的是泡壳材料。 不同光源对石英的要求 高的光透射率要求 饭量 擎硕士论文 第三章管壁温度对u h p 投影光源寿命的影响 石英玻璃的光透射率与管材内含有的气泡量，表面的刮痕以及杂质的种类和 数量有关。上述影响因素的含量越多，光的透射率越低。通常根据其含量可分为 可接受量档、极少量档和几乎无档三类，相应其价格也可分为三档。对不同光透 射率要求的光源，应根据性价比来合理选择。 1 2 低的羟基含量要求 0 h 根的含量应尽可能少是各类光源的共同要求，但羟基越低的石英，其生 产成本越高，因羟基的去除量是与脱羟时间成正比的。当羟基含量对光源会产生 致命性的影响时，必须采用低羟基的石英材料。 l 。3 鼠的性掺杂 图3 5 不同掺杂条件下石英材料的光透射率曲线 紫外辐射对人体有害，照明光源应滤去紫外部分。紫外和臭氧在环保和杀菌 消毒领域有着独特的功能，一般的石英材料制成的紫外灯可一时产生紫外和臭 氧。考虑到臭氧对人类呼吸系统的伤害，应根据使用场合的条件来选择或限制臭 氧的发生。通过在石英材料中掺杂入某些特殊的金属可消除紫外或臭氧的存在。 掺钛的石英材料可滤去2 0 0 r i m 以下的辐射，从而不会产生臭氧。同时掺铈和钛的 石英材料可滤去紫外。不同掺杂的成分和掺杂量，其截至波长也不同。图3 5 为不同掺杂条件下石英材料的光透射率曲线。其中1 9 分别代表以下型号玻璃 i ， 2 3456 7 89 h e r a l i j xm 2 1 5m 2 3 0 m 2 3 5m 2 5 0m 2 8 2 m 2 8 5 m 3 2 0m 3 8 2 镱斡彳燕要 擎硕士论文第三章管壁温度对u h p 投影光源寿命的影响 1 4 石英玻璃的渗透性 氦、氢和氖可穿过玻璃而进行扩散。扩散速率随温差和差压的升高而增大。 在7 0 0 。c 下，上述气体穿过石英玻璃的渗透常数为： h e ：2 1 1 0 “c c s e c c m 2 m m c m h g h ! ：2 1 10 1 c c s e c c m 2 n m l c m h g n e ：9 5 1 0 _ 。c c s e c c m 2 m m c r 【i h g 氢会夺取金属卤化物中的碘形成高浓度的负电性气体，因此金卤灯的外泡壳 中放置吸氢消气剂可改善灯的启动性能；而石英灯中采用卤钨循环剂时则应严格 控制氢的产生途径。 二 不同生产工艺的石英特性 2 ，l 熔磁加热方式s 羟基含量的关系 通常将方石英晶体结构的天然石英砂或合成石英砂通过加热的方法来拉制 石英玻璃。第一种加热方法是采用氢氧火焰，此种情况下由于加热体基本的成分 o h 根可牢固的渗入二氧化硅结晶体的网格中，结果造成此类石英玻璃中的羟基 含量很高( 1 8 0 p p m ) ，并且不能采用脱羟过程去除。这种加热成型的石英不能 用作对羟基含量要求很低的光源( 如金卤灯) 材料，但其机械强度高，适宜用作 对启动要求不高的高气压惰性气体放电灯的灯管材料。第二种加热方式采用电 能，石英砂在坩埚中被电加热熔化后拉制成石英玻璃。由于此成型过程在空气中 进行，o h 根也会残留于二氧化硅的品格中( 1 0 0 p p m ) ，但这些羟基可通过特殊 的热处理方法脱羟去除( o h l p p m ) ，特别适合用作对羟基含量要求很严的光源 材料。 2 2 拉管方式s 石英管品质的关系 第一种拉管方式称为一步成型法，通过电加热将石英砂熔化后，经过芯棒和 管径模拉制而成。其拉管过程如图3 6 所示。这种拉管方式的特点是可连续进 料拉管，生产量大，成本低：且因有模具限制，其管径和壁厚的几何尺寸偏差很 少，有利于自动的机械化生产的场合。缺点是气隙和气泡较多，且表面的光洁度 因模具的存在而较差。 糍霉史擎硕士论文第三章管壁温度对u h p 投影光源寿命的影响 图3 6图3 7 第二种拉管方式称为多步无模具拉管成型法，其拉管工艺如图3 7 所示。 这种方法是将预制的粗管再经过第二步或更多的步骤，由电加热软化后再逐步拉 制成所需的石英管。因成型时不再使用模具。故又成为无接触拉管成型法。其特 点是无气隙和无气泡，石英整体呈现高度的一致性且几乎完美的石英表面。这种 成型方法的另一个特点是拉制的管径和壁厚可不受限制，但缺点是成本高。 2 3 石英成形方法s 光透射率的关系 上述两种拉管方式生产的石英管，其在可见区都有9 3 以上的透射率，特别 适宜做照明光源的材料。从近红外区，一直到3 4 0 0 r i m 波长范围内，除了在2 7 3 0 n m 处因羟基残量的吸收，其透射率也都高于9 0 ，因此石英也是红外光源的理想材 料。不掺杂的石英在大于2 0 0 n m 的紫外区也有9 0 左右的透射率，所以石英也是 紫外光源的理想材料。因其截至波长约为1 7 5 r i m ，一般石英做的紫外灯可唰时产 生臭氧。 三 影响析晶因素 石英玻璃的析晶产生是光源损坏的主要原因之一。析晶现象是石英壁内某些 晶核的生长过程，因此没有晶核的存在就没有析晶的产生。石英材料内杂质( 起 晶核作用) 的种类和含量是影响析晶快慢的主要因素。表3 1 为国际某著名公 司不矧牌号石英管的杂质含量表。要防止或减缓析晶，杂质含量越少越好 ( o 1 p p m ) 。不同的杂质种类，产生析晶的温度条件也不一样。表3 2 为不同 杂质种类产生析晶的温度值。 镬黔饭置七擎硕士论文第三章管壁温度对u h p 投影光源寿命的影响 表3 l 不同型号玻璃的杂质成分 牌 l in ak m g c af ec uc rm na 1t i 号 l o 6o 5o 5o 1o 5o 1 o 0 5 o 0 5( o 0 51 5ll 20 6 0 30 4 0 0 50 5 0l 0 0 5 0 0 5 0 0 5 1 511 3o 6o 30 400 50 50 1 0 0 5 0 0 5 o 0 5 1 51 1 日 盆 4o0 500 50 10 0 50 501 0 0 5 o 0 5 0 0 51 511 u 惫 50 60 50 50 10 50 1 0 0 5 0 0 5 o 0 51 5 木 镁 遐 6o 6o 3o 4o 0 5o 50 1 o 0 5( o ，0 5( 0 0 51 5 礤 扑 70 6o 3o 4o 0 50 5o 1 0 0 5 0 0 5 0 0 51 5 篁 80 60 3o 4 0 0 5 o 5 0 1 0 0 5 0 0 5 o0 51 5 女 90 200 50 10 0 50 50 2 o 0 6 9 时泡壳的机械强 度能满足需要；若i 1 太大时( n 1 5 ) 除特殊情况外一般可考虑重新选择泡壳结 构尺寸或重新确定放电灯的工作点。安全系数低的灯，最好在泡壳成型以后，充 高压气体试验，以防发生爆炸意外事故。 3 泡壳成形参数的计算 泡壳成形的工艺过程大致为：一定长度、一定内外管径的石英管料经过预 热、堆料、加热至熔融状、鼓气成形。在所有的成形工艺过程中石英管料堆进的 量是非常关键的，它基本决定了泡壳成形的成功与否，是成形工艺过程的核心 楹里戈擎硕士论文第三章管壁温度对u h p 投影光源寿命的影响 工序。 所谓堆料就是将一定直径、壁厚的长石英管料在某部位加热，当此部位管料 软化时两端( 或一端) 的石英管料沿轴线方向向加热部位推进，使得此部位的石 英料加粗、增厚同时石英管料总长度缩短的过程。 堆料量和堆料过程控制的好坏直接影响到成形泡壳的石英料分布，决定泡 壳壁厚的均匀度。只有精确控制好堆料量和堆料长度才能得到壁厚均匀、批量尺 寸一致的成品。因此堆料量和堆料长度的计算尤为重要。时由于成形后泡壳壁 厚尺寸获得较为麻烦，通过堆料量的计算可以大致掌握所设计泡壳的壁厚情况， 为后续成形制作泡壳提供指导依据。 当某一规格品种泡壳尺寸确定后，首先要进行泡壳球体所需原材料量的计 算( 即泡壳材料实体体积的计算) ，而后根据计算的材料量选择相应管径壁厚的 直管石英料( 也可以先确定原材料) ，推算出所需直管料长度，最后就可确定成 形时需要推进的长度。 由于u h p 灯的工作气压大，泡壳壁厚较厚，同时考虑到加热加工成形时石 英料的热传导性能，再兼顾到放电电极外形尺寸，因此所选管料内径一般在2 m m 左右：从工作气压和堆料推进量来看希望所选管料壁厚大为好，但从加热堆料 时石英料的热传导性能出发又希望壁厚不能太大，综合后一般认为壁厚选在2 m m 左右为好。 假设成形后的泡壳是一个标准的椭球体，则其体积计算为： v ：兰石r2 五 3 此处的r 就是泡壳的内外半径；h 是球泡的长度。 对于外径为d 的外泡壳将d 2 代入后其体积为v “对于泡壳内的腔体其直径 为d ，将d 2 代入后得到泡壳内空腔体的体积v ，。则泡壳的石英料总量为： 矿= 一 对应于直石英管料长度l 为： 1 三= 石( d ：一d ? ) 叶 其中d 。、d 、分别是直石英管料的内外直径。 将选用的管料d 。d 1 分别代入后就得到l ，此长度就是为了加工成彤h 长的泡 萄黔梗量大学硕士论文第j 章管壁温度对u h p 投影光源寿命的影响 壳所需的直管料长度。用此长度l 减去球泡长度h 就是需要进行堆料推进的尺寸。 由于实际泡壳外形不完全是标准的椭球体，并且它在与直管交界有圆滑过 渡用以消除应力等等，因此计算所给的数据可以作为一个参考，与实际数据相差 约3 0 ( 不例功率、管型有所不同) 。这些数据为调试设备提供了方向，精确数 据要结合设备调试而最后确定。 3 - - 5 钼箔处对温度的要求 除了高压钠灯和少数陶瓷金属卤化物灯以外，极大多数高强度气体放电灯都 以石英玻璃作为电弧管，目前适用于作为u h p 光源电弧管材料的也只有石英玻 璃。这时，作为电极导线的金属和石英玻璃的封接就是必不可少的部件。它的质 量直接影响灯的成品率和寿命。 众所周知，由于石英玻璃膨胀系数很小( q = 5 4 1 0 。k “) ，找不到膨胀系 数和它接近的耐高温金属与它进行匹配封接。钼片与石英玻璃的非匹配封接工艺 简单、成本低廉。可在很高的温度下反复使用，已广泛用于生产中。目前u h p 光源也是采用铒片与石英玻璃的非匹配封接。 钼是一种耐高温的柔性金属，其熔点为2 6 1 0 ，远高于石英的软化温度 ( 1 5 5 0 。c ) ，把钼板延压成2 0 5 0 u 的薄片，切成条形，两侧腐蚀成刀口状，成 为封接用的钼片。在钼片两端分别点焊上电极和外导丝，把点焊好的铝片放入石 英玻璃管内，在保护气体中将它们加热至石英玻璃的软化温度以上，然后加压成 形，石英玻璃和钼片粘合在一起，形成气密封接。在封接后，封接件渐渐冷却。 当封接件温度在石英玻璃的退火温度以上时( 大于1 4 0 0 c ) ，虽然钼片与石英玻 璃的膨胀系数有很大的差别，但因为石英玻璃的粘滞系数还较小，有一定的流动 性，在冷却速度较慢条件下，一般不会产生永久性的应力。当封接件的温度下降 到转换温度以下时，石英玻璃已失去塑性变形能力。由于钼片的膨胀系数( n = 4 9 1 0 “k 1 ) 远大于石英，钼片收缩远大于石英玻璃，于是在界面上产生了张 应力，幸而钼片是柔性金属，又很薄，在此应力作用下发生塑性变形，使应力充 分释放，石英玻璃和钼片仍粘合在一起而不会爆炸，使封接保持气密。 这种封接方式也适用于u h p 投影光源，但是u h p 投影光源的管壁温度相当高， 相应对钼箔处的温度也产生温度上的要求。这是因为高温下钼在空气中极易氧 鳓梗算史擎硕士论文第三章管甓温度对u h p 投影光源寿命的影响 化，所以在没有外泡壳的条件下，长寿命灯的钼与石英玻璃封接件的温度应不高 于3 5 0 。c 。过高的温度会使封接件外端与空气接触部分慢慢氧化，最后导致封接 件损坏。图3 一1 1 为u h p 电弧管的结构图示。 图3 1 lu h p 投影光源电弧管结构 如图所示，泡壳内温度特别高，由于热传导，铝箔处的温度也很高。但是 为了保证钼杆与钼箔封接处的气密性，要求封接处温度不能太高，否则会由于氧 化而产生漏气或点接触不良等现象。所以要求在保证管壁温度足够高的条件下， 尽量降低铝箔与钼杆封接处的温度。 在铝片表面镀铬，可防止氧化，使工作温度提高到5 0 0 。c 。但是研究表明 铬与石英玻璃的化学粘着力较差。为解决这个矛盾，不要把整块钼片镀铬，仅在 钼片与空气接触的外端镀铬。另一个缺点是镀铬后，钼片的点焊性能变差。 对于u h p 投影光源，解决这个问题目前常用的方法是增加铝箔的长度，这 样，铝箔与铝杆封接处远离泡壳，温度可以降低。图3 1 2 为铝箔的结构。 i i l i 1 1。i 1 17 1 l 2 图3 一1 2 钼箔结构图 如图所示，为了使钼箔和铝杆的封接处温度降低，可以增加铝箔的长度l 2 ( 一般l 2 1 0 c m ) ，为了保证气密性，l 1 也需要足够长( 一般l 1 7 c m ) 。 另外，还可以通过加风扇进行冷却，效果也比较明显。 镑糍霉史擎硕七论文第四章实验结果与讨论 第四章实验结果与讨论 4 1 泡壳尺寸的选择确定 按第三章的方法可以计算u h p 灯的泡壳应力。假设p 。；约为1 6 0 个大气压。u h p 灯泡壳在高温、高压下工作时，受到热应力和张应力的作用，它们的径向分量构 成了压应力。石英的抗压强度远大于抗张强度，所以不必考虑这两个分量构成的 压应力。经计算，热应力和张应力的切向分量之和为2 4 0 k g c m 2 ，口n 2 4 0 个大气压。 其中，热应力的切向分量近似为2 0 0 个大气压，比由汞蒸压产生的切向分量大。 石英玻璃在工作温度8 0 0 时的极限强度o 。= 9 8 0 k g o m a 。因此这种u h p 灯的安全 系数n ，= 4 ，只需要风冷就可以了。再适当选择石英泡壳的壁厚t ，就可以避免 灯的爆炸。 通过灯的爆炸试验可以发现知道，只要精确掌握汞的充入量极限值，就能避 免爆炸。不过必须保证石英质量，不能有气线和气泡等缺陷。 表4 一l 给出了我们对于常用几种规格超高压汞灯的泡壳尺寸设计 表4 1 功率( w )外径d ( m m )内径d ( 唧)球泡长h ( m m ) 1 0 09 54 57 8 1 5 01 l5 4i 3 2 0 01 1 55 51 8 图4 1 为泡壳尺寸的相关参数： 图4 一l 泡壳尺寸的相关参数 4 0 彳燕薯史攀硕士论文第四章实验结果与j 寸论 4 2 影响析晶现象的实验 一管壁温度的测量实验 1 1 实验中的关键点 对于u h p 投影光源，管壁温度分布对光源性能有着非常重要的影响，其中 有几个点的温度对光源性能影响最大，如图4 2 所示： 引线端( l e a d ) t l 泡壳顶部( t o p ) t p 铝片端( f o i l ) i f 图4 2u h p 光源结构示意图 1 泡壳顶部温度( l ) ：由于电弧上飘，泡壳项部的温度是最高的，所以该 处的石英最容易产生析晶，失透，鼓泡等问题。为了保证灯的寿命和正常燃点， 。f r 不能太高，但是为了达到要求的亮度和色平衡，t ，又不可能太低。 2 铝箔端的温度( b ) ：该点为铝箔与钼杆的连接处的温度，如果该点温度 过高，会引起氧化而产生电接触不良和漏气现象，使灯失效。 3 引线端的温度( t 。) ：该处的温度与钼箔端温度区别在于，引线端位于灯 座内，温度会有所不同。 我们的通过实验对这三点的温度进行了测量。 1 2 实验设备 u h p l 2 0 l a m p 的光源模块。如图4 3 所示，它包括： ( 1 ) 装有热电偶的带e 2 3 反射镜的u h p l 2 0 灯 ( 2 ) 驱动电源( b a l l a s t ) ( 3 ) 专用灯罩 2 光机+ 光源模块组成光学引擎 嘲骖攒算大擎硕士论文 第四章实验结果与讨论 图4 3 实验所用光源及驱动电源 3 u h p l 2 0 电弧管的灯泡最大外径处，灯泡电极部分两端铝箔处装置热 电偶。如图4 4 所示：( 即图4 2 中a 、b 、c 三处) 图4 4 带反射器的u h p 光源 1 3 实验条件 1 灯的位置：t o p 向上时，热电偶处于电弧管顶部 2 测试条件 ( 1 ) 用2 5 w 风扇冷却灯泡 ( 2 ) 环境温度：2 0 4 0 强里史擎硕士论文第四章实验结果与讨论 ( 3 ) 测试仪表：热电偶( f l u k e5 3 1 it h e r m o m e t e r ) 二实验结果及分析 2 1 管壁温度的测量及其稳定时间 将灯燃点后，开始记录热电偶度数，观察管壁温度变化，直至温度稳定。加 风扇，则察温度变化直至温度稳定。 实验数据如表4 2 所示： 表4 2 匿躺嵫鬻鹣霆瀵黼霪蘸斓戮露鬻舞箨羹鬻黼鞲鬻 o3 933 74 21 4 39 2 5 41 6 29 3 33 617 69 3 87 72 1 459 4 62 732 4 669 4 82 762 5 439 4 93 8 2 5 76 9 4 97 832 6 289 5 02 862 6 589 5 06 92 6 899 5 1 03 2 7 069 5 12 96 2 7 289 5 15 1 0 2 7 59 5 18 1 02 2 7 6 99 5 23 1 032 8 19 5 28 1 052 8 289 5 31 1 062 8 519 5 36 1 07 2 8 669 5 55 1 082 8 82 9 5 58 1 0 92 8 919 5 6 1 12 9 09 5 61 1 11 2 9 139 5 64 1 132 9 29 5 68 1 142 9 349 5 72 1 162 9 449 5 73 1 172 9 589 5 7 6 1 192 9 689 5 77 1 22 9 779 5 8 1 232 9 999 5 82 镪援旦太擎硕十论文第四章丈验结果与讨论 1 253 0 2 59 5 8 6 1 2 73 0 419 5 89 1 33 0 5 69 5 92 1 3 33 0 659 5 9 5 1 353 0 719 5 97 1 383 0 779 5 99 1 43 0 99 6 02 1 4 33 0 959 6 0 3 1 4 53 1 0 49 6 q5 1 483 1 16 9 6 0 7 1 53 1 299 6 1 1 533 1 359 6 12 1 553 1 59 6 1 4 1 583 1 639 6 1 8 1 63 1 68 9 6 19 1 633 1 799 6 2 1 6 5 3 1 8 99 6 2 1 1 683 1 95 9 6 23 1 73 2 289 6 23 1 7 53 2 3 39 6 31 1 83 2 579 6 3 2 1 8 53 2 619 6 5 1 9 3 2 6 69 6 51 2 03 2 7 39 6 5 2 2 1 3 2 8 49 6 55 2 1 53 2 8 79 6 5 5 2 23 3 089 6 6 3 2 43 3 2 49 6 6 3 2 7 3 3 539 6 7 3 03 3 749 6 76 3 33 3 9 79 7 06 3 63 4 039 7 0 3 8 3 4 139 7 1 4 6 4 3 4 29 6 9 5 7 03 4 21 9 6 84 7 23 4 2 39 6 9 7 53 4 25 9 7