气体放电变色机理研究.doc

气体放电变色机理研究技术报告一、研究意义霓虹灯问世已有百年的历史，由于它在经济繁荣和科学技术发展的过程中对城市经济建设和社会起到了难以替代的作用，为创建城市的生气、活力、繁华和欢乐气氛做出了极大的贡献。因此霓虹灯作为一种重要的装饰照明光源已获得了快速的发展和广泛的应用。与此同时，气体放电机理的研究和新颖技术的开发也引起了人们极大的兴趣和重视。目前，在市场上销售的霓虹灯，一般都是在选定充入灯内的气体和涂敷荧光粉后，它就只能发出一种颜色的光，如果希望综合表达多种颜色，则必须装置多只不同颜色的霓虹灯管，在同一字母或图像的前后交叉排列，再通过电源控制系统，使不同颜色的霓虹灯轮流点亮，才能达到变色的效果。这样不仅在艺术造型上会有所欠缺，而且需要多只霓虹灯管，因此会给安装工序和控制设备添加很多困难。所以新颖变色霓虹灯的研究和实用就变得十分迫切。本项目的研究就是基于这一现状为开发新的光源这个目的而开展的，可以说具有非常重要的研究价值。两年来，我们课题组对课题进行了积极的研究，完成了预定任务，达到了项目申请书中的各项技术指标，现将研究的有关技术环节简要报告如下：二、创新点从能级跃迁角度出发，分析霓虹灯可以发生颜色变化的可能性，确定改变霓虹灯放电正柱区内电子的温度并能够加以控制，则可以达到改变霓虹灯放电颜色的需要。实际设计中，我们从绿色照明工程标准入手，采用自制变压器升高霓虹灯管供电电压和改变供电电源频率及改变供电持续脉冲时间相结合的方法，来控制霓虹灯的色彩变化；同时，还采用了在一根霓虹灯管内分段涂敷不同颜色发光粉的方法，来改变霓虹灯的发光颜色变化，进而实现了一管可以发出多色光的功能，它的研究，有利于简化霓虹灯的照明设计和施工，可以大大降低在不改变霓虹灯亮度和色彩变化需要的前提下的投资；同时，它的研究应用还符合国家提出的绿色环保照明要求。现在，同行业内对此问题的研究，大部分采用的是利用电子霓虹灯变压器来控制霓虹灯的亮度变化，利用电子变压器的低能耗来降低霓虹灯的电能损耗，利用电子变压器的体积小和重量轻来简化霓虹灯的安装。三、关键点可变频自制变压器的设计和制造，改变供电持续脉冲时间的方法。四、原理分析霓虹灯属于一种冷阴极低气压放电灯，在放电管内各处电子温度不同的情况下，阴极一侧的负辉区由于存在较多高能激发态的原子，而在阳极一侧的正柱区由于存在较多的低能态的激发态原子，所以在两个不同的区域会发出不同的光谱，如果我们能改变放电正柱区内电子的温度并能够加以控制，则可以达到改变灯的颜色的目的，而要控制放电管内输入电子的能量和辐射能量，在实现这一原理的技术方法上，我们试图通过控制以下几种不同参量的变化来实现色彩的变化。如果放电管不涂荧光粉，气体放电的发光颜色是由所充气体原子的的激发光谱所决定的，若管内充入混合气体，并设法控制电子能量的分布，就能有选择的激励气体原子，这样放电管就可以发出不同的光色，显然混合气体的激励电压差越大就越容易控制。由于惰性气体氖的激发电位比汞的激发电位要高出8-10电子伏特，因此充入汞加氖混合气体的放电管容易控制色彩，从而达到变色放电的效果，氖和汞的能级分布如下图1所示：而汞和氖的可见光谱线在CIE色度图上所处位置如下图2所示：图中用垂直线表明了汞原子和氖原子的可见光谱线，其长度表明了光谱线的强度，汞的谱线范围约为4047nm（紫色）到5790 nm，（橘红色）。而氖的光谱为6402nm（桔红）到7032nm（红色）。只要将汞和氖的光谱分别处于蓝色和红色区域，就可以通过改变汞和氖的光谱强度来控制放电管的颜色。五、技术方法分析方法一：据相关资料分析，在汞和氖的放电管（压强为1333pa）上加上4001000V的电压，周期为5150微秒，则色彩变化范围在色度图上将由红色（汞0545，氖0.262）变化到蓝色（0.217，0.198）；当脉冲电压降低，脉冲周期延长时，放电管的颜色将从氖的红色向汞的蓝色移动，其色彩变化如上图3所示。方法二：按照气体放电理论分析，当加在放电管处的供电电源频率升高后，放电管的颜色也会由红色逐渐转变为蓝色，由于放电中电子能量的分布是广泛的，氖原子的辐射总是由高能级之间激发原子产生，而汞原子的辐射是在较低能级之间受激而辐射的。所以我们可以在不同的条件下获得汞原子发出的蓝色光，也可以得到氖原子发出的红色光。在氖和汞放电中色彩很少向绿色光变化，当脉冲频率调节到50赫兹时，亮度与CIE色度坐标之间的关系如左下图4所示：国外专家曾作过一下试验：当x变化范围由0.22上升到0.54时，其亮度的最大值为113cd/。随着重复频率的上升亮度值也会上升,当频率达到400赫兹时，亮度将达到3600 cd/。在辉光放电中要达到足够亮度的红光是比较困难的。当在氖和汞的放电管上加上频率为50赫兹，电压为1000V，周期变化范围为380微秒之间的矩形脉冲，在放电的正柱区色彩变化如右下图5所示：当周期为3微秒时，色彩为红色，非常接近氖的颜色。当周期为8微秒时，发光颜色变为淡红色，说明弧光放电色彩变化范围要比辉光放电变化范围小得多。当周期时间达到20微秒时，放电的亮度大约为辉光放电的25倍。当供电电源有频率改变时,弧光放电亮度随色度图的变化如下图6所示:当周期时间为10微秒时,重复频率由50赫兹变到1000赫兹时,亮度也由140 cd/升高到1640 cd/,并且色彩亦由红色变为蓝白色.通过改变频率的方法可心扩大色彩变化的范围,并且亮度变化的范围也较大,但在高频放电的条件下放电会变得不太稳定,矩形脉搏冲虽然能够产生高的亮度,但又不易在恒定亮度下广泛地控制色彩的分布。据有关资料介绍，这一问题可以通过脉冲矩形叠加的方法来解决。但是限于条件在本项目的研究中没有采用这一方法。六、试验装置整合为了获得可以变色的放电，我们采用实验装置分别如下图所示：1.变压、变频、变占空比实施装置2.霓虹灯管的制备七、试验实施和结论1.分别用填充不同气体的灯管,或填充气体相同但涂不同的荧光粉,在同一电源下点燃,并调节供电电压,观察光色变化,将观察的结果填入下表。2.将同一灯管在不同的电源下点燃,并将观察的结果填入下表。3.将在不同电源下点燃并有光色变化的灯管安装在可以切换电源的装置下,分阶段给予供电。找出能够控制的色彩变化的方法，摸清规律（1）自耦变压器+渐变扫描控制器+自制变压器（15KHz,15000V,高压端输出）充氖和汞透明管70v时启动点燃，红光逐渐增强在110伏时突然变蓝，升高到220v时仍然为蓝色但亮度增加。涂蓝粉管70v时开始点燃为紫色，随着电压的升高，由紫色逐渐变为粉色，然后到蓝色时发生突变，电压再升高蓝光亮度增加充氖（较少）+氩+汞透明管70v下启动点燃发蓝光，随着电压的升高蓝光逐渐增强。无突变现象。（充氖）涂红粉管70v时启动点燃，发红光，在175v时达到最强，电压再升高红光会减弱。涂绿粉管70v时启动点燃，发黄光，在175v时达到最强，电压在升高黄光会减弱涂白粉管70v时启动点燃，发红光，在175v时达到最强，电压再升高红光会减弱。涂兰粉管70v时启动点燃，发粉红光，在175v时达到最强，电压再升高，粉红色光会减弱。透明管70v时启动点燃，发白光，在175v时达到最强，电压再升高红光会减弱。充氖（大量）+氩+汞透明管70v时启动点燃，发白光，在175v时达到最强，电压再升高白光会减弱。涂红粉管红黄色光逐渐增强，在175v时达到最强，电压在升高红黄光会减弱涂绿粉管70v时启动点燃，发黄光，在175v时达到最强，电压再升高黄光会减弱。涂白粉管70v时启动点燃，发白光，在175v时达到最强，电压再升高白光会减弱。涂兰粉管70v时启动点燃，发粉色光，在175v时达到最强，电压再升高粉光会减弱。充氖+氩+汞透明管70v时启动点燃，发红光+兰光，在175v时达到最强，电压再升高光色会减弱。（2）.自耦变压器+电脑扫描控制器+自制电子变压器（15KHz,7000V,高压端输出）充氖和汞透明管70v时可以启动点燃，红光逐渐增强，随着电压的升高，兰光增强，红光减弱。175V时突变为兰色，在由亮到灭的过程中，光色由兰变红，然后熄灭。涂蓝粉管70v时可以开启，粉红色光逐渐增强，随着电压的升高，兰色增强，红光减弱。175V突变为兰色，在由亮到灭的过程中，光色由兰变粉红，然后熄灭。充氖+氩+汞透明管70v时可以启动点燃，随着电压的升高，红光逐渐增强，电压达到220V时仍然有蓝色，红光仍然没有从满整个放电管。涂红粉管70v时可以启动点燃，开始为淡红光，随着电压的升高，红光逐渐增强，到220V，红光仍然没有充满整个放电管。涂绿粉管70v时可以启动点燃，随着电压的升高，放电管开始变黄，电压达到220V时仍然为黄绿色，电弧仍然没有从满整个放电管。涂兰粉管70v时可以启动点燃，随着电压的升高，放电管开始由浅兰色变为淡紫色，电压达到220V时，电弧仍然没有从满整个放电管。充氖透明管70v时开始启动点燃，氖红光由弱到强，电压达到175V时放电管达到最亮，电弧满整个放电管。电压再升高红光会减弱，直到220V光色仍然不变。涂红粉管70v时开始启动点燃，氖红光由弱到强，电压达到175V时放电管达到最亮，电弧满整个放电管。电压再升高红光会减弱，直到220V光色仍然不变。红光颜色比透明管柔和。涂绿粉管70v时开始启动点燃，绿色光由弱到强，电压达到175V时放电管达到最亮，颜色为黄绿色，电弧满整个放电管。电压再升高光色会减弱，直到220V光色仍然不变。涂兰粉管70v时开始启动点燃，蓝紫色光由弱到强，电压达到175V时放电管达到最亮，颜色为粉红色，电弧满整个放电管。电压再升高光色会减弱，直到220V光色仍然不变。（3）.自耦变压器+电脑扫描控制器+自制电子变压器（35KHz,15000V高频电压）充氖和汞透明管75v时开始启动点燃，颜色为暗蓝色，电弧较细，随着电压的升高，开始出现微红色的光，以后红光逐渐增强，蓝光减弱，到220V仍然有蓝光，红光强度仍不大。涂蓝粉管75v时开始启动点燃，颜色为暗蓝色，随着电压的升高，开始出现兰紫色的光，以后紫红光逐渐增强，蓝光减弱，到220V仍然有蓝光，红光强度仍不大。整个管子达不到粉红色。充氖+氩+汞透明管75v时启动点燃，开始为红光，蓝光很弱，随着电压的升高，红光逐渐减弱，蓝光逐渐增强，到175V时达到最强，再升高电压，光色无明显变化。涂绿粉管775v时启动点燃，开始为绿光，随着电压的升高，绿光逐渐减弱，黄光逐渐增强，到175V时达到最强，再升高电压，光色无明显变化。涂兰粉管75v时开始启动点燃，颜色为暗蓝色，随着电压的升高，开始出现兰紫色的光，以后紫红光逐渐增强，蓝光减弱，到220V仍然有蓝光，红光强度仍不大。整个管子达不到粉红色。涂红粉管75v时启动点燃，开始为红光，蓝光很弱，随着电压的升高，红光逐渐减弱，蓝光逐渐增强，到175V时达到最强，再升高电压，光色无明显变化。充氖透明管75v时开始启动点燃，开始为红光，但电弧较细，随着电压的升高，电弧由细变粗，红光亮度增加。涂绿粉管75v时开始启动点燃，开始为绿光，但亮度较低，随着电压的升高，电弧由细变粗，光色由绿变黄且黄光亮度逐渐增加。涂绿粉管75v时开始启动点燃，开始为兰光，但电弧较细，随着电压的升高，电弧由细变粗，放电管的颜色由兰色向粉红转变光亮度逐渐增加。涂兰粉管75v时开始启动点燃，开始为淡红光，电弧较细，随着电压的升高，电弧由细变粗，红光亮度增加。且放电管的颜色变得比较柔和。（4）.自耦变压器+电脑扫描控制器+普通电感式漏磁变压器（50KHz,15000V高压）充氖和汞透明管25v便可以点燃，随着电压的升高，红光逐渐增强，整个管子电弧由细变粗。到220V时电弧变得更加明亮。电弧充满整个放电管。涂蓝粉管25v便可以点燃，随着电压的升高，光色由紫色向粉色逐渐增强，整个放电管电弧由细变粗。到220V时电弧变得更加明亮。充氖+汞+氩透明管随着电压的升高，光色由蓝色较强逐渐变弱，红光逐渐增强，电弧变得不太稳定，电极的尾部也有放电的产生。涂红粉管随着电压的升高，光色由粉红色较强逐渐变弱，红光逐渐增强，电弧变得不太稳定，电极的尾部也有放电的产生。涂绿粉管随着电压的升高，光色由绿色较强逐渐变弱，黄绿光逐渐增强，电弧变得不太稳定，电极的尾部也有放电的产生。涂兰粉管随着电压的升高，光色由蓝色较强逐渐变弱，红粉光逐渐增强，电弧变得不太稳定，电极的尾部也有放电的产生。充氖透明管25v便可以点燃，随着电压的升高，红光逐渐增强，放电光辉充满整个放电管电管，光色柔和。比红粉管明亮。涂红粉管25v便可以点燃，随着电压的升高，红光逐渐增强，放电光辉充满整个放电管电管，光色柔和。比透明管暗但不刺眼。涂绿粉管25v便可以点燃，随着电压的升高，黄绿光逐渐增强，放电光辉充满整个放电管电管，光色柔和。涂兰粉管25v便可以点燃，随着电压的升高，粉红光逐渐增强，放电光辉充满整个放电管电管，光色柔和。比充汞放电管发蓝色的光要淡。充氖（少量）+氩+汞透明管放电管启动后，红光很弱，随着电压的升高，蓝光由暗到明逐渐增强，红光增强不明显。到220V时，光色以蓝光为主红光成分少。涂红粉管放电管启动后，红光很弱，随着电压的升高，红光由暗到明逐渐增强，蓝光增强不明显。到220V时，光色以粉红光为主。涂绿粉管放电管启动后，绿光很弱，随着电压的升高，