（物理电子学专业论文）紧凑型荧光灯用氧化铝——荧光粉层光学特性的研究.pdf

棋算大擎硕士论丈 紧凑型荧光灯用氧1 匕铝荧光粉层光掌特性的研究 摘要 摘要 l 自从1 9 8 2 年紧凑型荧光灯在我国问世以来，我国已形成了一个 独具优势的稀土紧凑型荧光灯产业。但是，由于我国紧凑型节能荧光 灯灯所用的玻管含钠量较高，而且光致劣化厉害，这就使灯管的流明 维持率变差。为了克服玻管材质对光衰的影响，应采用保护膜技术， 即先在玻管的内表面涂上一层保护膜层，再涂稀土荧光粉层。在紧凑 型荧光灯的生产中，一种较为普遍采用的保护膜是由超细6 一氧化铝 颗粒构成的透光保护膜。研究表明，采用了氧化铝保护膜后，灯管的 流明维持率将有明显的提高。对于高管壁负载的紧凑型荧光灯( 放电 电流大的灯管和带外玻壳的一体化灯) ，采用氧化铝保护膜技术后， 灯燃点5 0 0 h 后的流明维持率可以提高1 0 以上。然而，涂了氧化铝 颗粒保护膜涂层后，灯管的粉层光学特性有些什么变化呢? 本文将以 k u b e l k a - m u n k 理论为基础，对紧凑型荧光灯荧光粉层一氧化铝保护 膜层的光学特性进行分析。) 矿 ， 本文应用修正的k u b e l k a m u n k 理论，对紧凑型节能荧光灯粉层 的光学特性进行了研究，给出了粉层厚度、粉的粒径对灯的光通输出 的影响。并在一定的粒度下，计算出了最佳的荧光粉层及氧化铝保护 膜层的厚度。计算结果表明，采用氧化铝保护膜层后，只要用较薄的 荧光粉层就可得到相同的流明输出。理论计算结果和实验数据相一 致。 关键词：紧凑型荧娄磐；氧化铝保护膜 分类号：04 3 2 1 ht m 9 2 3 3 2 l 谯算 擎硕士论丈 r e s e a r c ho nt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so f a l u m i n a - p h o p h o r l a y e ro f c f l a b s t r a c t a b s t r a c t s i n c et h ec o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m pw a si n t r o d u c e di nc h i n ai n19 8 2 t h e r el l a v eb e e ns u b s t a n t i a ls t e p sf o r w a r df o rc o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p s i nc h i n a i nv i e wo ft i l eh i g h e ra m o u n to fs o d i u mi nt i l e g l a s st u b em a d e i nc h i n a t h eb l a c k n e s so ft h e g l a s sd u r i n gf i l e 1 i f e t i m er e s u l t si nt h e d e c r e a s eo ft h el u m e nf l u x i no r d e rt oo v e r c o m et h ee 骶c to f g l a s st u b e s q u a l i t y o nt h el u m e n d e p r e c i a t i o n o fc o m p a c tf l u o r e s c e n t l a m p s ，w e s h o u l da d o p tt h ea l u m i n ap r o t e c t i v et e c h n o l o g y t h a ti s w es h o u l df i r s t c o a ta na l u m i n ap r o t e c t i v el a y e ro nt h ei n n e rs u r f a c eo ft h eg l a s st u b e ， a n dt h e nc o a tr a r ee a r t hp h o s p h o rl a y e r i nt h em a n u f a c t u r eo fc o m p a c t f l u o r e s c e n t 1 a m p s a c o m m o n u s e d p r o t e c t i v e l a y e r i st r a n s l u c e n t p r o t e c t i v el a y e rm a d eu po fs u p e r - f i n e6 一a 1 2 0 3p a r t i c l e s r e s e a r c hw o r k s h o w e dt h a tt h el u m e nm a i n t e n a n c eo f c o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p sw o u l d b ei m p r o v e do b v i o u s l ya f t e ra d o p t i n gt h ep r o t e c t i v el a y e rt e c h n o l o g y f o r e x a m p l e ，t h el u m e nm a i n t e n a n c e o fh i g h - l o a d e d c o m p a c tf l u o r e s c e n t l a m p sw i t ha l u m i n ap r o t e c t i v el a y e r ( t h a ti sh i g h e rd i s c h a r g ee l e c t r i c a l c u r r e n td e n s i t ya n di n t e g r a t e dl a m pw i t hb u l b ) m a yb ei n c r e a s e d b y m o r e t h a n10 a f t e r5 0 0 h a g i n g h o w e v e r , h o wa b o u tt h ec h a n g eo ft h e o p t i c a lp r o p e r t i e so fg l a s st u b e sc o a t i n g ? b a s e do nt h ek u b e l k a m u n k t h e o r y , t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fp h o s p h o r - p r o t e c t i v el a y e ra r ed i s c u s s e di n t h ep a p e r b a s e do nf i l e s l i g h t l y m o d i f i e dk u b e l k a - m u n kt h e o r y ，t h eo p t i c a l p r o p e r t i e so fp h o s p h o r - a l u m i n ap r o t e c t i v el a y e ro fc o m p a c tf l u o r e s c e n t l a m p sa r ed i s c u s s e d t h e e f f e c to ft h ep o w d e rl a y e rt h i c k n e s sa n dt h e p o w d e rp a r t i c l e s s i z e o nt h el u m e nd e p r e c i a t i o ni si l l u s t r a t e d ，a n dt h e o p t i m a lt h i c k n e s so ft h e s et w ol a y e r s i sa i s oc a i c u l a t e du n d e rc e r t a i n p a r t i c l es i z eo f t i l ep o w d e r a f t e ra d o p t i n gt h ea l u m i n ap r o t e c t i v el a y e r ， t h et h i c k n e s so fp h o s p h o rl a y e rc a nb er e d u c e dw i t h o u ta l o s si nl u m e n f l u xt h i si sp r o v e dt ob ec o n s i s t e n tw i t he x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：c o m p a c t f l u o r e s c e n tl a m p s ；a l u m i n ap r o t e c t i v el a y e r 2 覆l 上擎硕士论走 紧凑型荧光灯用氧化铝- 荧光粉层光学特性的研究 第一章引言 一、紧凑型荧光灯的光衰机理 众所周知的普通直管型荧光灯自3 0 年代就进入市场，该灯长约12 米 ( 4 0 w ) 、管外径为3 8 毫米( 目前细管径直管型荧光灯的管外径为2 6 毫米) ， 管内壁涂以锑、锰激活的卤磷酸钙荧光粉。自3 0 年代采用荧光灯照明以来，对 普通荧光灯的光衰已有很多的研究。一般认为，影响其光衰的因素有荧光粉本 身、荧光粉和其工作环境的联合作用、制灯工艺以及灯管的设计等诸多方面。 紧凑型节能荧光灯也属于低气压汞放电荧光灯，故此它的光衰机理应当和普 通直管型荧光灯的相同。但是，由于紧凑型荧光灯的管壁负载比普通直管型荧光 灯的要高数倍，因此灯管的玻管工作温度也要高很多；其次，因为紧凑型荧光灯 管的管径较细，电子温度较高，故放电产生的1 8 5 n m 高能紫外辐射的强度要强 约2 0 倍；再者，紧凑型荧光灯管内壁涂的是稀土三基色荧光粉，该粉各方面的 性能比传统的卤粉要好，其光衰机理和卤粉的不同。根据前人的研究结果，结合 我们的实验及理论研究，我国紧凑型荧光灯的光衰主要地可以归结为以下三个因 素1 2 l ：一是荧光粉涂层表面吸光薄膜的形成；二是轻红丹玻管玻璃的黑化；三是 构成荧光粉涂层的荧光粉颗粒在低气压放电环境下的劣化。 1 荧光粉涂层表面的吸光薄膜 紧凑型荧光灯燃点数百小时后，发现构成荧光粉涂层的荧光粉颗粒表面已被 覆盖上了层棕黑色的吸光薄膜。此薄膜一方面吸收低气压汞放电所产生的 2 5 37 r i m 紫外线，使部分荧光粉颗粒中的发光中心不能受紫外线的激发产生可见 光，从而导致荧光粉涂层的可见辐射输出减少；另一方面，此薄膜还吸收荧光粉 的发光中心向外所发射的窄带可见辐射，也使涂层的可见辐射输出减少。由此可 见，荧光粉粉层吸光薄膜的形成会使灯管的光辐射输出大大减少。 吸光薄膜有以下几种，一种是汞、氧化汞、碳、有机残留物和金属氧化物在 荧光粉层上的覆盖。荧光粉粉浆配置不当，导致烤管工序中不能将有机化合物烧 棋算土擎硕士论文 竺璺：坐垄翌竺苎! 兰竺：竺查竺墨查兰竺竺竺! 墨 苎= 主! ! 点 尽；排气工序除气不尽；阴极分解激活不好；置入的汞不纯等等。这就使灯管内 除了氩气以外，还含有杂质气体，例如o ：、h 2 0 、c 0 2 、c o 、n 2 及有机碳氢化 合物等。这些杂质气体是氧化汞和碳的源泉。特别需要指出的是若烤管不好，粉 层中仍残留有有机化合物，则在灯管寿命期内将不断放出杂质气体和碳，从而使 荧光粉涂层表面的吸光薄膜变厚，灯管的光衰进一步变大。 另一种是在荧光粉颗粒表面形成的钠汞齐。这是由于我国所生产的紧凑型荧 光灯管的含钠量较高，因此，随着荧光灯的紧凑化，灯管的管壁负载进一步提高， 灯管的工作温度也不断提高。玻管温度的提高加速了玻璃中的钠离子的热扩散。 这些钠离子将从玻璃内部扩散到玻管的内表面，并和那里经由双极性扩散从放电 区域来的电子复合，形成中性的钠原子。在玻管内壁形成的钠原子又将通过热扩 散而跑到荧光粉颗粒的表面，并在荧光粉颗粒的表面处和汞原子反应，生成黑色 的钠汞齐。在荧光粉颗粒表面生成的黑色钠汞齐将吸收辐照到荧光粉颗粒表面波 长为2 5 37n n l 的激发紫外线，从而使荧光粉颗粒不能受到充分的激发；另外， 在荧光粉颗粒表面的黑色的钠汞齐还吸收受激发荧光粉发光中心所发出的可见 光。因此，在荧光粉颗粒表面生成的黑色钠汞齐将使灯的流明输出减少。由上面 的分析可知，玻璃中的钠元素是使紧凑型荧光灯的流明维持率低下的主要因素之 一，我们应采用不含或少含钠的玻管作为紧凑型荧光灯的玻管材料。限于我国目 前的经济技术水平，我国国产的紧凑型荧光灯所用的玻管的价格低但含钠量较 高，这导致用国产玻管制成的紧凑型荧光灯的光衰较大。因此，如何既维持玻管 价廉的优势，又克服钠原子从玻管内表面向荧光粉表面的热扩散将是降低荧光灯 光衰的重要手段之一。 2 灯管玻璃的黑化 随着荧光灯的紧凑化，荧光灯的管内径越来越小，低气压放电的电子温度也 越来越高，于是，低气压汞放电所发出的1 8 5n m 短波紫外线占总辐射输出的比 例逐步上升，这就导致单位玻管内表面受到1 8 51 1 1 1 1 辐照的能量大大增加。因短 波紫外线1 8 5n m 的强烈辐照，玻璃内部( 离玻管内表面几十个纳米处) 将产生 光电场，该光电场将加速放电中产生的汞离子向玻璃内部的迁移，并与玻璃内部 2 棋孽上擎硕士论吏 紧凑型荧光灯用氧化铝- 荧光粉层光学特性的研究 第一幸引言 形成的光电子复合成汞原子。在玻璃中大量的汞原子逐渐凝聚成微小的汞滴，从 而是玻管着色( 黑化) 。显然，玻管的黑化直接导致灯管光输出的减少。因此， 阻止放电中的汞离子进入玻璃也是降低紧凑型荧光灯光衰重要手段之一。 3 荧光粉颗粒本身在汞放电环境下的劣化 稀土三基色荧光粉颗粒本身的光衰可归因于颗粒的本体光衰、颗粒的表面光 衰和杂相光衰。在低气压汞放电荧光灯中，除了激发荧光粉发光的2 5 3 7 n m 紫外 辐射外，还有一定比例的1 8 5 r i m 短波紫外辐射。与此同时，放电中的汞离子还 对荧光粉涂层表面不断地轰击。由于汞离子的轰击以及短波1 8 5 n m 紫外线的辐 照，造成荧光粉颗粒本身的劣化。 在1 8 5 n m 短波紫外线的辐照下，荧光粉中将形成色心，从而使荧光粉的光 输出减少。另外，汞离子对荧光粉晶体表面的轰击将使晶体颗粒表面的晶格原子 被击出它们的位置而从有序变为无序，从而导致荧光粉晶体颗粒表面形成一个无 序层，此无序层使发光中心遭到破坏，使荧光粉的可见辐射发射减少。另外无序 层增强了对放电管中汞、氧化汞等的吸附；同时，因汞离子的轰击而在无序层中 形成的金属原子将和汞原子形成黑色的汞齐，这就加剧了在荧光粉表面吸光薄膜 的形成。由此可见，在汞离子的轰击下，荧光粉颗粒本身劣化。 二、氧化铝保护膜 12 放 h g * 皋 间 图11 玻璃2 荧光粉层 lliiilrl j ( g 上晕颐士论 兰兰竺竺兰! 竺苎! 兰兰：竺兰竺苎兰竺竺竺竺! 苎 苎二主! ! 主 从上面的分析可见，为减少我国紧凑型荧光灯所用轻红丹玻管对光衰的影 响，定要阻止玻管内表面处钠向荧光粉涂层的热扩散，以及玻管内表面处汞向 玻管玻璃内部的渗透( 如图1 所示) 。因为这两个物理过程都发生在玻管内表面 处，因此，只要在玻管内表面和荧光粉层之间放置一层阻挡层就行了。为此，国 际上早在6 0 年代末就对此进行了研究，并将这一层称为保护膜层。即在涂荧光 粉之前，先在荧光粉玻管的内表面涂上一保护膜层，然后再涂荧光粉层。采用保 护膜层后，该膜层阻挡了玻管内表面形成的钠原子向荧光粉颗粒表面扩散，从而 防止了在稀土荧光粉颗粒表面黑色钠汞齐的生成；另外，该保护膜层减少了辐照 到玻管内表面短波紫外线的强度，阻止放电中汞离子向玻管玻璃内部的渗透，从 而防止玻管玻璃本身的黑化。 从上面所述保护膜所起的作用可见，保护膜层应当满足以下要求：首先，要 求在玻管玻璃表面形成膜层均匀、牢靠和致密( 无孔隙) ；其次，要求对可见光 有高的总透过率；再者，要求膜层材料有高的稳定性( 耐受电子和汞离子的轰击， 耐受钠的腐蚀，耐受短波紫外线的辐照) ，和h g 有相同的带电倾向以尽量少吸 附汞1 3 l ，膜层的厚度易于控制。 目前采用的保护膜有薅种；一种是透光保护膜( t r a n s l u c e n tp r o t e c t i v el a y e r ) ， 光的直线透过率不高，但光的总透过率可达到9 7 ；另一种是透明保护膜 ( t r a n s p a r e n tp r o t e c t i v el a y e r ) ，光的直线透过率可达9 9 以上。对于表面负载较 低的荧光灯，由于玻管工作温度低，放电的电子温度较低，单位长玻管内表面所 受到的1 8 5 n m 的辐照能量也较低，可采用由某些氧化物构成的透明保护膜或由 氧化铝构成的透光保护膜；对于表面负载较高的荧光灯，采用透明保护膜较好。 一种较为普遍采用的保护膜是由超细6 一氧化铝颗粒构成的透光保护膜。其颗粒 极细f 其平均原始粒径为1 3 n m ) ，颗粒无棱角，比表面积大( 2 0 0 4 0 0 m 2 g ) ，摇 匀密度为5 0 9 l ，密度约为3 2 9 m l ，化学性能稳定，a j 2 0 3 含量 9 9 6 ， s i 0 2 ol ，f e 2 0 3 1 时的反射率) ，即无透射光时的 反射率，r 。可以通过实验的方法测得( 见32 ) 。它与吸收系数a 和散射系数s 有如下关系： a 一( 1 一r 。) 2 s 2 r 。 ( 6 ) 散射系数s 可以由粉的粒度分布计算得到，对于荧光粉层，其散射系数s 与 常数k 、荧光粉颗粒的平均粒径9 3 和反映偏离平均粒径的标准偏差j 有关”“： i ns = i n k i n 9 3 + o5 i n 2j ( 7 ) 对于氧化铝保护膜层，由于氧化铝颗粒的平均粒径g ，远小于光波波长= ， 所以其散射系数与光波波长有关。按光的散射理论，当平均粒径小于光波波长的 1 3 时，瑞利散射起主要作用。因此，在折射率为n 。的连续相中，若单位体积内 7 彼算史擎硕士论王 竺兰竺苎兰! 星苎! 兰竺：苎兰竺苎兰兰竺竺竺! ! 兰 苎三兰堡堡垒丝 有n 个体积为v 、折射率为n 的球形散射粒子，则其散射系数s m 4 1 为： 凶此，如果我们知道荧光粉颗粒的平均粒径9 3 和反映偏离平均粒径的标准 偏差j 以及漫反射率r 。，便可以由( 7 ) 或( 8 ) 式以及( 6 ) 式先后算出s 和a ， 然后由( 3 ) 、 ( 4 ) 、( 5 ) 式求出粉层的透射率t 和反射率r 。透射率和反射 率仪是关于散射系数s 、漫反射率r 和粉层厚度d 的函数，利用( 4 ) 、( 5 ) 两式，我们便可以求得在不同情况下，粉层对可见光和紫外光的透射率和反射 奎。 二，修正的k u b e l k a m u n k 模型 以上讨论是就一般粉层而言的。对于我们所要讨论的荧光粉层以及保护膜 层，情况就更加复杂。当可见光和紫外光一起入射到一粉层时，它即如同一般的 粉层一样对可见光和紫外光有透射和反射作用，另外它还会为紫外辐射所激发， 自身产生发光，如图3 所示。 z l u 一j “ 等( i u “) i 。+ j 。) 1 v j ” 0 xx + d xd 图3 x 根据k u b e l k a m u n k 理论，我们可以用以下一组方程来描述这个过程。 熹一( a u + s u 几蝇j 。 ：奇 矿 m 等 j g 太擎硕士论文 紧凑型荧光灯用氢化铝- 荧光耪层光掌特性的研究 第= 章理论基础 ( 1 0 ) 熹= ( a 。蝇小s u l 。 等= 一( i vd - s v ) i v + s v j v + h 2 “) a t 10 x djr=(av+sv)iv-s、，i+ax；( i n “) a 。t 1z ( 1 1 ) ( 1 2 ) 如同前述，方程组中i 表示经0 - x 问粉层散射和吸收而到达x 处的入射光强 度，j 表示经x + d x d 问粉层反( 散) 射而到达x + d x 处的反射光强度( 在一x 的 方向，h ) 。脚标u 表示紫外光，v 表示可见光。a 表示每单位层厚的吸收系数，s 表示每单位层厚的散射系数。r t 为紫外辐射转换成可见光的效率因子。在此，我 们假定荧光粉受激之后发光方向是随机的，所以可以认为在某一处激发产生的可 见光有一半是向前的，一半是向后的。 对于荧光灯，我们先不考虑放电空问产生的可见光，如果在x = 0 处的紫外光 强度为由，这时方程( 1 ) ( 4 ) 有如下的边界条件： x = o 时， i v = 0 ，i u = 中 x = d 时，j v 2 0 ，j u2 0 由( 9 ) ( 1 2 ) 可以解得在强度为巾的2 5 37 r i m 紫外光辐照下，荧光粉层受激 发而向灯外所发射的可见光强度i 。和向灯内所发射的可见光强度i 。分别为”1 ( 如图4 所示) ： i 外2 互i 高( t v ( 1 一r u ) 一t n ( 1 + r v ) + 跨( t v ( 1 + r 卜t u ( 1 _ r v ) ) ) ( 1 3 ) i 一= 五禹 ( 1 一r 。) ( 1 + r 。) 一t u t v + 器 ( 1 + r u ) ( 卜r v ) _ t u t v ) ) ( 1 4 ) 式中，t v 和t 。分别是粉层对可见光和2 5 37 r i m 紫外辐射的透射率，由( 3 ) 棋旦土擎硕士论丈 紧凑裂荧光灯用氧化铝一荧光粉层光学特性的研究 第= 章理论基础 式求得。r ，和凡分别是粉层对可见光和2 5 37 n m 紫外辐射的反射率，由( 4 ) 式求得。 其中，b = ( 1 一r 。) ( 1 + r 。) 。 从( 1 3 ) 、( 1 4 ) 式l ，。和1 。的表达式可以看出，粉层受紫外辐射激发产生的可 见光输出除了与紫外通量以及转换效率成正比外，也同样决定于a 、s 、r 。和d 等诸多因素，是这些参量的复杂函数。 1 2 3 3 2 7 _ 刁_ 7 7 ， l 一玻璃2 一氧化铝保护膜层3 一稀土荧光粉层 图4 涂有荧光粉一保护膜层的玻管的纵截面图 1 0 橇要 擎瑚士论t 竺兰竺兰! 望兰! 兰竺：竺兰竺呈查兰竺! 兰竺! 兰 箜三兰翌茎垄竺：塾! ! 竺堡竺堡墨竺坌堑 第三章对荧光粉氧化铝保护膜层的分析 一、三基色荧光粉层 如前所述，只要知道荧光粉的粒径9 3 及其分布j 以及漫反射率r 一，我们便可 求陔粉层剥呵见光和紫外光的透过牢t 。、t 。以及该粉层对可见光和紫外光的漫反 射率r v 、r ，对j 二实际的荧光灯而言，灯内的可见光和紫外辐射要出射到灯外， 需经过多次的反射和散制，如图5 所示，n 于反射部分的可见光和紫外辐射还会透 身、jm 灯外，我们可以求出实际的总透射率t 为： t = t + t r ( 1 - 仪) + t r 2 ( 1 一u ) 2 + 2 t 志 1 5 ) 式巾，a 为放电空问刘可见光或紫外辐射的i 吸收系数i ”l 。 1r “7 7 图5 r 3 f | a 、叶 粉层 放电空间 粉层 基于同样的考虑，由单位通量的紫外辐射激发荧光粉层所产生的出射到灯外的 可见光总量为： i 。= ( i 外+ t 。i 内) + ( i 外+ t 。i 内) r 。( 1 一伐。) + ( i 外+ t 。i 内) r 。2 ( 1 一c 【。) 2 + 1 一( 1 一q 。) r 。 ( 1 6 ) 橇算上擎碗士论乇 兰! 兰兰竺! 兰苎! ! 苎兰兰竺! 兰兰兰至墨兰堂竺竺兰兰 苎三主翌鉴查塑：塾些! ! 堡竺堡墨竺坌堑 式( 1 6 ) 中，第一个括号项表示紫外辐射直接激发荧光粉所产生的最终透 i 灯 6 1 - f f ( j 可见光部分；筇二项表示紫外辐射被粉层笫次反射回放电空问，经放电窄问 l l 及收后再射到粉层卜激发产生的最终透灯外的可见光部分；第三项表示紫外辐身j 经第次反射后的结果，余下的依次类推。 假定放l 乜夺m 产7 卜的紫外辐射通量为巾。，可见光通吊为寸 。，则灯理论f ：输 的可见光功率为： l 、= 巾。t 。+ + 。1 、 ( 1 7 ) 如果测得灯的汞线及粉的荧光的午h 对光谱能量分布p 。1 ( ) 和p # ( ) ，则可求 h 灯的绝刘光谱能量分嘶j ： p q 户k 。 巾。t 。曝轨) m 。1 。伉) f 曝q ) d 九。f p 南仇) d 九 式q - k o 足对实际制灯工艺的修正因子。 进而可以求出实际灯的总流明输m 中： r 7 9 0 + 2 k m j 3 。p ( x ) v ( x ) d x 式中v ( ) 为视见函数k m = 6 8 3l m w 。 二三基色荧光粉一氧化铝保护膜层 2 l 1 2 ( 1 8 ) ( 1 9 ) 放电空问 玻璃管壁 图6 棋g 上擎；女士论t 兰兰型竺兰翌里! ! 兰竺：竺兰竺墨兰竺竺竺竺! 兰 箜三主苎茎垄塑：墨些塑堡芝坚墨竺坌堑 我们采川“双涂层”理论对三基色荧光粉一氧化铝保护膜层进行分析。所谓的 “双涂层”就是扫：荧光灯的玻璃管内壁卜涂两层粉，即先竹：玻璃管内壁卜涂卜一层 粉，可以足卤磷酸钙粉，稀一卜兰粉，兰粉和绿粉的混合物，兰粉和红粉的混合物， 也呵以不是荧光粉( 我们采用的是氧化铝保护膜) ；然后再在这一层t ：涂0 5 一层粉， 可以足稀十幻：粉、绿粉、红粉和绿粉的混合物，或足? i 种i 基色粉的混合物1 1 6 i 。 幽6 是双涂层结构的示意图。 我们用脚标“1 ”表示靠近放电窄问的粉层，脚标“2 ”表示靠近玻璃管壁的粉 层，“v ”表示可见光，“u ”表示紫外辐射。我们假定粉层的总厚度为d ，粉层1 的厚度为d ，则我们可以用下列方程组来表达双涂层情况下光的行为： 粤( i x = 一( a u l + s u l ) i 。+ s u l j 。 ( 2 0 ) i l d d j x u = ( a 一) j u - - s u l i 。( 2 0j - 0 x d 熹一( a l l + s 1 1 ) i l 州+ 扣“) a u ( 2 2 ) l i 器= ( a l l + s i i ) j i - - s i i l l + 知“风门( 2 3 ) i d i 。 d x 粤：( 。：+ s u 2 ) j 。 ( i x 粤：一( a 1 2 + s 1 2 ) i 。+ s l ：j 。+ 氛+ 心棚： n xz djl=(a12+s12)j。一s：i+丢(i。+j(ix 。) a 。：”： z 上述方程组满足的边界条件 x = o 时 x = d 时 i = 0 j = o iu = 小 j u = o ， ( 2 4 ) l ( 2 5 ) l - d l ， r p = 丽2 豢s ( 4 8 ) 一般而言，r 。o9 8 ，则p 2 1 0 2s 散射系数s 的值随粒径的增大而减小，但是由于灯用荧光粉的粒径不能太大， 否则涂敷闲难，所以散射系数s 值至少人i 二5 1 0 一，冈此，只需粉层厚度d 46 1 0 3m g c m 2 ，u 口有e x p ( p d ) 1 0 0 1 成妒。 f 日r 稀1 j 荧光粉的比重约为5g c m 3 左右，所以只要样品的厚度在1 c m 以 i ， ( 氧化铝保护膜的比重约为3 2 咖m 3 ，所以氧化铝保护膜样品的厚度要更大些) 测 l ；的漫反射率便是r 。，如果粉的粒径小或是测粉对紫外辐射的r 。值，样 的厚 度可以进一步减少。 ( 3 ) 、( 4 ) 二式刘。可见光和紫外辐射都通用，所以式巾的队也分为刘可见光 的漫反射率r 。和对紫外辐射的漫反射率r 。 ( 1 ) 粉层对可见光的漫反射率r 。，的测量 测量是在岛津制作的多功能光谱记录仪中进行的，采用积分球方法来测虽，实 验光路示意图如图1 1 所示。 2 1 棋g 土擎硕士论【 竺兰苎竺翌竺竺墅! 竺兰竺兰竺墨查兰竺竺竺兰兰 苎! 兰塑苎查兰! ! 堡兰竺型兰翌兰墨 棱镜i f i 色仪 阁1 1 实线为甲色光，虚线为光源发 的混合光 f “j 二氧化镁( m g o ) 对可见光和紫外辐射的漫反射率均接近于1 ，h 能够查得 m 1 ，冈此适合用作标准样品板，将待测粉也压成同样大小的板，注意两者的厚度都 在1 c m 以上。 实验办法：在可见光区域选取某一波跃，先测标准样，兀f 板的漫反射光强i 。，再 测待测板的漫反射光强in ，测量值大小由记录仪显示，由于只需知道i 。和i ”的相对 量，所以可通过控制减光器户外缝宽，是i * 值尽量满刻度，以减少读数误差及记录 笔滑动阻尼造成的测量值误差。 于i “和l ”的测量是在同等实验条件下，有： t r 。恃= r 。标 ( 4 9 ) 1 标 对于三基色荧光粉，在波长为5 4 l n m 时，我们取r 。值为o9 5 。 对于超细氧化铝保护膜，存波长为5 4 1 n m 时，我们取r 。值为o9 7 。 ( 2 ) 漫反射率r 。的测量 本文主要研究荧光粉吸收2 5 37 r i m 紫外辐射激发发光的过程以及氧化铝保护膜 层刑2 5 37 n m 紫外辐射的反( 散) 射及透射的过程，冈此我们只需测量荧光粉阱及 谯旦上擎硒士，女 竺兰竺竺兰竺里苎! 兰竺：竺兰竺呈查兰竺竺竺竺兰 苎! 兰查墨查雯! ! 垒墨竺型兰塑兰竺 氰化铝保护膜对2 5 37 n m 紫外辐射的漫反射率。 荧光粉吸收2 5 37 n m 紫外线后将产生强烈的可见光，如果仍沿，f j 卜甘的方法测 量，则光i 乜倍蛳管测到的足发射h ；的紫外光强与激发可见光光强之和。即使神! 光电 倍增管前捅卜只透紫外的滤色片也不行，冈为滤色片并不能完全消除可见咒，而真 信号( 即漫反射的2 5 37 r i m 紫外线光强) 足很弱的。 棱镜甲色仪 图1 2 实线为2 5 37 n m 紫外线，虚线为可见光与紫外光的混合 管 由于荧光粉对2 5 37 n m 紫外辐射有强烈的吸收，不宜再用秘分球来测量反射 率，这是冈为： 1 积分球的作j j 将使从样品反射出的已经很弱的2 5 37 r i m 紫外辐射变的更弱。 2 秋分球的样品孔占整个表面积的比例不可忽略，最后透 球外的紫外辐剿有 可能被荧光粉多次吸收过。 鉴f 以f j i 几点，必须重新设计测量方法，我们对原装最进行了改装，用荧光附 属装置代替了原有的灯室，并撤空了样品室，光路示意图如图1 2 所示。 对r 三基色荧光粉，在波长为2 5 37 r i m 时，我们取r 。值为o 2 2 。 对- j 超细氧化铝保护膜，在波长为2 5 3 7 r i m 时，我们取r 。值为o 9 6 。 棋算上擎硕士论丈 竺兰竺竺兰翌! 兰! 兰塑：竺兰竺! 兰兰竺竺竺竺墨 笙竺主查兰垄兰堡垒兰竺型兰塑苎丝 i 、荧光粉能量转换效率因数n n 的表达为 ， _ 1 1 2qo 几 ( 5 0 ) 式中q 为量子转换效率，h 口个紫外光子激发。个可见光子的几率， ：为吸 收的紫外线波长， t 为激发的可见光波长。对j 二红绿兰三种稀七荧光粉，一般 分别为6 11 n m 、5 4 1 n r n 和4 5 6 n m l l 9 1 ， 2 为2 5 37 r i m 。 节能荧光灯内荧光粉的量子转换效率不仅与粉本身质量有关，如原料、制粉工 艺、激活剂等等；还受制灯过程r r i 的球磨、烤管、弯管等工艺的影响。本文着重i 寸 论涂粉前的球磨对q 的影响，而q 的变化可通过粉的相对表面亮度反映出来。实验 表明，随着球磨时间的增人，粉的平均粒径的减小亮度下降，同时值有所提高， 值不变。相对亮度的测量可用图1 3 装置实现： 图1 3虚线为紫外光，实线为可见光 数字电压表 我们用标号为y l g # 绿粉作实验，每球磨一定时间就取出一部分测量其粒径 分和、相对亮度承lr 。，结果列于表l 。 对丁这批绿粉，球磨前q 值( 称为q o 值) 约为0 7 3 1 1 9 1 1 2 0 l ， 恻等- o ，等一o ，。 ， 球磨后粉的值可巾下式求得： 球磨后的亮度九： n 2 4 。面丽瓣“i 2 4 ( 5 2 ) 棋要 掌碉士论丈 竖凑型荧光灯用氢化铝- 荧光粉层光掌特性的研究 第四章有关光学特征量的测量和计算 表1 球磨对荧光粉特性的影响 球磨时间( h ) o136l o1 51 8 9 3 ( u ) 1 2590 177 759 849 734 130 2 jl7 4l8 118 818 818 2l8 318 2 r 。 00 8 600 8 700 8 900 9 100 9 3o1 0 101 0 6 牛h 对亮度 1 0 09 909 839 759 639 2i8 92 村f 对 n g n ，c 度 图1 4 为球麟实验得m 的粒径与干 j 对亮度的关系曲线。 45 678 91 0 粒变审( um ) m 1 4 球磨试验得出的粒径 j 相对亮度的关系 2 5 棋l 七擎硕士论t 竺兰竺璺苎竺苎! 兰兰：竺兰竺墨查兰竺竺竺! 兰 笙! 兰查苎垄兰! ! 竺兰竺型兰塑盐兰 p q 、光谱能量分彳i jp ( ) 和p # ( ) 采用自动光谱辐照光度讣| 2 1 1 ，既能测量不涂粉石英玻璃管紧凑型幻的可见汞线 光谱能量分布p 一( ) ，也能测量荧光粉受紫外源照射时激发产生的可见光光谱能量 分布p * ( ) ，还能够测定实际灯的光通量，并闩动计算出色温、显色指数等等。 图1 5 足该裟饯的构造框图。 图1 5自动光谱辐射光度计 谯宴史擎砸士论丈 竺兰兰竺兰! ! 兰兰兰：竺查竺墨查兰竺竺竺竺兰 第五章结果与讨论 第五章结果与讨论 一、理论计算结果和实验测量结果 1 、雕论计笄：结果 ( i ) 荧光粉层厚度对灯的光通量的影响 先作个定性分析：荧光灯的粉层厚度存在一个最佳值，太游时紫外车鬲射无 法被粉层充分吸收，太厚时粉层对可见光的i 吸收太多。这个最佳厚度是与粉的粒 径密切十 j 关的，粒径a 人，最佳厚度也人，反之亦然。总之是要保持适当的粒子 层数1 2 2 o 不难想到，当用小粒径的粉制灯时，如果减小涂层厚度，也h f j 节约用 粉量，反而能得到光通量的最人输l 叶j 。 在平均粒径9 3 和标准偏差j 不变的情况下，随着荧光粉层厚度的不断变化， 荧光粉产生的可见光输 n 也将随之变化。对于低色温的三基色稀，l ：荧光粉， r 。= o 9 5 ，r 。= o2 2 ，9 3 = 8u ，j = l7 “。计算结果如图1 6 中曲线所示。：与粉 层厚度d 为9 3 m g c m 2 时，荧光粉产生的相对可见光光输出达到最犬值 v m a x = o 7 8 1 。 可 见 光 的 相 对 透 出 o8 06 04 o2 o 051 0 1 52 0 粉层厚度( r a g e r a 2 ) 图1 6 从七图中的曲线可以看出，粉层厚度有一个最佳值，此时，可见光输出最大。 这是可以理解的：当粉层a 溥时，紫外辐射没有被粉层充分利用；而当粉层a 厚 棋皇上擎砸士论t 兰兰竺竺查! ! 苎! 兰兰：苎查竺堡兰兰竺竺竺竺奎箜兰主竺墨量! ! 丝 时，荧光粉激发j “生的可见光又被粉层吸收得人多。当然，荧光粉的粒度对流i i j 输也有较人的影响，人人或太小都不好。 ( 2 ) 三祭色荧光粉一氧化铝保护膜层 在其他参数一定的情况下，我们彳i 断地变化荧光粉层及保护膜层的厚度，汁 算荧光粉层所j “牛的可见光的相对透量( 见附录) 。对于荧光粉层，取r 。 。5 09 5 ，r 。= o2 2 ，9 3 2 8 ，j = l7 ；对 二超细氧化铝保护膜层，r - - 09 7 ， r 2 0 1 9 6 ，9 3 = 0 0 4u ，n = 17 6 8 ， v o 5 4 1u ， 。= o2 7 4u 。t l 算耀示，当 荧j 匕粉层的厚度为8 o m c m 2 、保护膜层的厚度为2 2 m g c m 2 时，荧光粉层产! 卜 的可见光的相对透 量达到最人值i ，。x = o 7 8 4 。 保护膜层存在最佳厚度是可以理解的。当保护膜层很薄时，透出荧光粉层的 紫外光没有被保护膜层充分的反( 散) 射；而当保护膜层很厚时，保护膜层对荧 光粉层产生的可见光的吸收将导致荧光粉层产生的可见光的相对透m 量降低。f l 了二超细保护膜层对可见光吸收较少，而日i ，保护膜层越厚，保护效果越好。因此， 我们取保护膜层的厚度为2 2 m g ，c m 2 ，并计算在此情况下，荧光粉层的厚度与荧 光粉层产生的可见光的相对透出量的关系，如图j 7 巾曲线2 所示。 可 见 光 的 相 对 透 出 量 o8 o6 04 o2 o o51 0 1 52 0 粉层厚度( f n c m 2 ) 图17 2 8 援! 上擎确士论t 竺苎型竺查! 璺苎! ! 苎：苎兰竺墨垄兰竺竺竺竺兰 苎兰圭苎墨量! ! 竺 | n 阁1 7 巾曲线2 可见，对于丰 f 同的可见光透h 量，采用氧化铝保护膜层后， 荧光粉l y , - 的厚度仪为6 9 m g c m 2 ，比无氧化铬 保护膜时的荧光粉层厚度 ( 9 3 m g c m 2 ) 薄了不少。由此，我们可以看出，当保护膜层的厚度为2 2 m g c m 2 及荧光粉产_ ：的可见光的透 n 量千f 同时，荧光粉层的厚度可以减少约2 5 。计算 表明，当荧光粉层的厚度减少3 0 e f ，荧光粉产生的可见光的透 n 量仅减少 n ： 2 、实验结果 涂了氧化铝保护膜后，采用较薄的稀斗：荧光粉层的灯管的流明输是否和不 涂氧化铝膜、只涂正常厚度的稀土荧光粉层时的灯管的相同呢? 我们采用国产玻 管做了批9 wl i 型灯管，一半不涂氧化铝层，涂正常厚度的荧光粉层；另一半 涂以较厚的氧化铝层，再涂以7 0 正常厚度的荧光粉层( 粉浆中稀土粉的量为 正常厚度时稀十粉量的7 0 ) 。在相同条件下制灯，然后对灯测试数据取平均 ( 每种1 0 支灯管) 。测试结果如表2 所示。 表2 实验结果比较 燃点时间0 h 光通l o o h 光通1 0 0 0 h 光通2 0 0 0 h 光通2 0 0 0 h ( 1 m )( i r a )( 1 m ) ( 1 m )光通维持率 无氧化铝保 6 2 26 1 65 7 6 55 5 9 09 0 5 护，正常粉厚 有保护膜 6 1 35 9 95 9 35 8 9 59 8 5 7 0 粉厚 从表2 中的数据可见，两者的初始光通基本相同，和我们的理论计算结果卡h 符。h 1 表l 最后列可见，m 于涂了较厚的氧化铝层，2 0 0 0 h 后的光通维持率f 订 者比后者提高了8 。 2 9 组$ 上孽硕士论t 兰兰竺竺兰! 竺苎! 兰兰：苎兰竺墨兰兰竺堡竺竺墨 竺兰主竺墨皇塑堡 二、结论 我们采j k u b e l k a m u n k 理论对荧光粉层保护膜层的光学特性进行了分 析，计算了拒一定粒侄f 的最佳荧光粉层及保护膜层的厚度。理论汁算表明，采 j 氰化铝颗粒保护膜后，只要用比正常厚度小的荧光粉层就可得到相同的流明输 f ，这和我们的实验结果是卡h 符合的。 三、讨论 i 荧光粉层粒度及其他因素对紧凑型荧光灯的流明输出的影响 在计算过程巾，我们取紧凑型荧光灯用三基色荧光粉层的粒度及其分靠为定 值( 一般取最佳值) ，然后计算了其厚度同流明输出的关系以及在用双涂层的理 沦来汁笄荧光粉层一保护膜层的厚度同流明输 | 的关系。这是闪为荧光粉层的粒 径存柞个最佳值，粒径太大则同样厚度的粉厚包含的粒子层数就必然变少，紫 外辐射得不到充分吸收利用，光通量下降；反之，粒径太小，粒子层数人多，对 可见光的透出不利，同样导致流明输出下降。因此更为严格的计算应当将荧光粉 层的粒度的变化也考虑在内。 另外，在计算过程中我们将紧凑型荧光灯都是采用三基色荧光粉( 红粉、绿 粉和置粉) 作为一个整体来考虑。这是f n 于：一般而言，红绿兰三种粉的r 。值 比较接近，如果他们的平均粒径相同，则他们的散射系数也就基本一致( 实验发 现他们的标准偏差相差甚微) ，并且他们的吸收系数必定相同也很接近。更为严 格的计算是将各种粉都考虑在内，采用循环的计算方法来计算h 其对紧凑型荧光 灯的流明输的影响。但是这种方法卜分繁琐，计算量也很人。 2 氧化铝保护膜的作用 h 1 于我们采用的超细的氧化铝保护膜层，其平均粒狰显著小于可见光或紫外 光的波长，因此氧化铝保护膜的散射系数与光波波长有关( 与波长的四次方成反 比) ，这样此氧化铝保护膜层可以被看作紫外反射层，它将优先反射比可见光波 长更短的紫外线1 2 ”。比较图1 7 巾曲线l 和2 可见，对于柏同的可见光透晟， 采用氧化钒保护膜层厉，荧光粉层的厚度( 6 9m g j c m 2 ) 比无氧化铝保护膜时的 荧咒粉层厚度( 9 3r a g e r a 2 ) 薄了不少。也就是说，当保护膜层的厚度为 彼算足擎碗士论丈 紧凑型荧光灯用氯化铝一荧光粉层光学特1 生的研究 第五章结果与讨论 2 2m g c m 2 及荧光粉产生的可见光的透 n 照相m t l , j - ，荧光粉层的厚度可以减少约 2 2 。计算表明，“1 荧光粉层的厚度减少3 0 1 t q ，荧光粉产生的可见光的透出厣 仪减少