微波硫灯调研报告参考word

1、微波硫灯调研报告小组成员：杜佳强、刘瑜、高伟平、王坤坤、宋冲、董旭珊、晏琪、李方方随着照明科技发展日新月异,光源也发生了巨大变化。细管径荧光灯、陶瓷外壳金卤灯、涂敷红外反射膜的高压卤钨灯、无极荧光灯、超细管径冷阴极荧光灯、微波硫灯、半导体发光二极管和准分子光源等争奇斗艳,尽展风采。并且为了满足人们多样化生活需要,各种灯具不断变新。电子技术的应用,智能化照明的产生,节能、环保、实施可持续发展战略计划等的时代要求,照明应用从室内大规模地拓展向户外,城市公共照明和景观照明的迅猛发展,进一步推动了照明科技的进步。光纤照明、导光管照明、变色灯装饰照明、激光装饰照明等使照明形式更加丰富多彩。回顾光源的不断

2、变化，我们完全有理由了解其发展的四次技术革命，首先是万人皆知的1879年爱迪生发明的热辐射白炽灯（Thermal Radiation Lamp）。其次到20世纪40年代,战争造成能源紧缺,使照明节能引起人们更大的重视,在科技人员艰苦努力下,终于促使低压气体放电光源( Low Pressure Discharge)诞生而其典型代表产品即荧光灯。紧接着伴随大面积范围和室外照明的迫切需要，光源必须要有新的进展,高强度气体放电光源(HID)就随之应运而生了，60年代初出现的高压汞灯,70年代的金属卤化物灯和高压钠灯都隶属于这类光源。到如今如今科技走入社会的中心,创新成为竞争的制高点,光源科技人员通过光

3、源机理、光源材料和制造工艺的创新, 研制出了一系列比传统光源更先进、更舒适、更受人们欢迎的新颖光源SMT(Super Mechanism & Technology)。而它们典型品种就是我们接下来要讨论的微波硫灯(Microwave sulphur Lamp)和现阶段被广泛应用的半导体发光二极管LED( Light emitting diodes)。在此通过以下五个方面来了解这种新兴光源微波硫灯(Microwave sulphur Lamp)的相关知识1 作为新兴光源的主要特点人造光源的出现被国际科技界公认为现代文明社会起始的里程碑,电光源的发展历史也证实了它是一门与国民经济紧密联系的综合性学科

4、。应该说,现代科技为光源的发展奠定了理论基础和实践条件,正如四次技术革命的内在意义，不断要求提供具有特殊性能的各种新光源,从而成为新光源诞生的源泉和动力。进入21世纪,重点发展有推广前景的高效节能和绿色环保的光源产品有重大的意义,其中微波硫灯是其中典型代表光源产品之一。图1为一整体微波硫灯的实物图。推荐精选图1 微波硫灯实物图作为开始我们先了解这种新兴光源的一些特点，微波硫灯主要利用2450MHz频率的微波来激发石英泡壳内的多种气体分子放电发光。具有以下显著特点:（1）微波硫灯是照明技术的再次飞跃,紫外和红外污染极少,是真正的绿色照明产品;（2）微波硫灯完全不同于传统的光源,没有灯丝与电极,保

5、证了长寿命（大于50000小时）, 降低了用户的维修和更换成本;（3）微波硫灯光色可与太阳光相媲美,视觉效果更佳,被喻为小太阳;（4）光色好（色温6000K左右，显色指数Ra在80左右）；（5）微波硫灯对环保的贡献卓越,不含卤素和汞,灯泡制造过程及报废处理对环境无污染;（6）微波硫灯几乎为点光源的小发光体,高的光通量易于配光,尤其便于使用导光管,使光线分布更均匀,传输距离更远;（7）良好的光维持率（燃点10000小时后光衰小于3%）。这样可以很容易应用于建筑物泛光照明、投光照明;广场、运动场、体育馆、高尔夫球场;造船厂、码头、作业工地、油田;火车站、机场、地铁、隧道;博物馆、弹药库、火箭发射基

6、地。重点看看与金属卤化物灯具的对比优势。图2是硫灯石英灯球与金属卤化物灯实物对比图,它与金属卤化物灯相比要小得多;它的光谱基本上集中在可见光,红外线和紫外线的辐射量很少,推荐精选对于以上第1和第3点是很好的说明。另外图3是硫的放射光谱和太阳光谱的比较图片,可以很清晰地表达这一特性。2 微波硫灯基本结构及发光原理首先来看看微波硫灯的基本构成组建，一般除了包含与微波炉相似的供电电源以外，主要由五部分构成：包含用于产生2450MHz频率微波的磁控管；传输微波的波导；置有灯泡的谐振腔；含发光物质的灯泡；带动灯泡旋转的电机，其转动速度为600-1000转/分钟，作用主要有两个：一个作用是让硫等离子体分布

7、更均匀，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。图4是Fusion公司早期的3.4kw硫灯，通过它我们可以对灯得基本构成组建和发光原理有所了解。推荐精选图4 Fusion公司早期的3.4kw硫灯而总的微波硫灯发光原理为：1992年国际电光源科技界提出的微波硫灯的新技术,发现填充硫元素和低压氩气于石英泡壳内,在频率为2450MHz微波能量的驱动下,通过硫分子的振动能和转动能的跃迁,实现能级跃迁，进而使灯辐射出连续的可见光光谱。这种可见光正是我们需求的节能、长寿命、光色好、污染小的全新发光机的理新光源。具体发光机理为：石英泡壳内的填充物质硫，其在常温下为淡黄色的固体，熔点为11

8、0，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S8分子外，还含有S6、S4和S2分子，且温度越高，S2分子所占的比例越大;但当温度超过2500K时将形成硫原子。微波硫灯的工作温度在1000K左右，故硫多以其二聚物(S2)的形式存在，且最大概率的跃迁发生在硫二聚物分子的能级之间，这也是最终实现发光的保证。3 应用实例表1罗列了一些典型的微波硫灯照明的工程。在这些工程中,微波硫灯的高效节能优势非常明显,其中,Sundsvall邮局分信站、黑尔空军基地在照明改造工程实施后,还对工作人员进行了问卷调查,反应良好。表1 微波照明工程1994年Fusion公司将能源部大楼

9、原来的280个100瓦的高压汞灯用两个硫灯及长为85公尺的导光管代替，节能40%，而且在维修期内，其照度水平相当于旧照明系统的4倍。实践证明它的工作安全可靠，基本不用任何维护，光照中紫外光辐射能量较原先照明水平降低了一半，照明阴影区域明显减少，光色质量也得到了改进。1997年末到1998年初，Fusion公司Light Drive 1000型硫灯被用于黑尔（Hill）空军基地的225号飞机修理库。飞机修理库面积达590000平方英尺，原448个水银灯和金卤灯（总耗电179200瓦）被44根硫灯导光管（总耗电125400瓦）所替代，新系统节约了差不多54000瓦的电能。照明改造工程实施后，还对工

10、作人员进行了问卷调查，反应良好。较之原来的照明系统，工人更喜欢新系统。硫灯照明系统很亮，配合3M公司导光管系统，使得点状的硫灯光源变成了线状光源，光线被分散了，不会刺眼。硫灯光谱和日光很接近，在这种光线下，能够轻松区分各种颜色的材料；且硫灯照明系统非常安静，不会有传统荧光灯系统的嗡嗡声。在硫灯系统下，工作人员的人体舒适度高于普通照明系统。图推荐精选5为安装硫灯后飞机修理库的实景。图5 黑尔空军基地225号飞机修理棚内的硫灯导光管系统4 整灯设计和制作简介完整的微波硫灯的设计过程应主要包含电源部分、波导系统结构、灯泡的研究和整体搭配这四个部分，仅对各设计和制作的过程的重点部分做以说明。4.1电源

11、部件一般来说微波硫灯电源的设计和制作，这部分只牵涉到一些磁控管、电路知识，而与波导系统、灯泡、整灯结构设计联系并不紧密，但并不意味着简单易行，因为体积、重量限制电源设计的重要因素。传统的微波炉电源采用半波倍压整流电路,只有半个周期为阴极提供负高压,磁控管处于半波工作状态。然而微波硫灯不能采用这样的磁控管电源,因为以50Hz半波整流得到的脉冲电磁场,会使硫等离子体工作不稳定,得到的照明光会强烈闪动。提出全波整流、双变压器电路的设计方案。采用双变压器电路有两个原因:一是,将两个变压器置于相反相位,在不同的半周期为磁控管供电,磁控管灯丝能够以100Hz的频率发射电子,硫等离子体更稳定,基本消除光闪；

12、另一个原因是,硫灯的输入功率通常在1000W以上，如果只使用一个变压器,变压器的制作比较困难。但总的来说这样的电源还是不够成熟,主要原因在于两个变压器作为电源部件,势必导致整灯体积和重量偏大。这样看来，采用体积小,重量轻,效率高,频率高的开关电源将是灯体电源发展的重要方向，其也必将提高整灯的竞争力。4.2波导系统结构波导系统直接影响整灯效率、寿命。好的波导系统传输微波的能力强,大部分的微波功率能耦合到硫等离子体内,这样,反射回磁控管天线头的微波就很少,使得磁控管寿命有保障。现在主流的微波硫灯产品使用矩形波导及其变形体,工作在TE推荐精选10模式,谐振腔是圆柱形,工作在TE111模式。总的来说,

13、设计波导系统有如下几个要点:第一,保证微波在2450MHz以TE10模式高效传输；第二,基本尺寸要参照标准波导；第三,波导到谐振腔的耦合缝宽度力争由试验决定。4.3灯泡灯泡，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。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4-1列出了最具代表性的数据，其中1Torr(乇)=1mmHg(毫米汞柱)=133.3Pa(帕)。表2 微波硫灯灯泡参数在设计灯泡过程中附加填充物的改变对灯泡性能有很大的改善，如提高灯泡启动性能的利器氪85；

14、又如NaI、InI、CaBr2等物质可以用来改善光谱。同时惰性气体也扮演重要角色，填充氙气可改善光效、光谱；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。另外发光物质的作用也是毋庸置疑的，填充InBr，InBr的光色亮白，光谱比微波硫灯更接近太阳光谱；填充SnBr2时，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。4.4整体搭配总体结构设计也是硫灯设计重要的一环,要兼顾密封、散热、结构紧凑。密封不好,硫灯里会进入很多灰尘、小虫

15、,严重影响硫灯寿命。文献中提及到一台硫灯灯罩上没有玻璃密封,放在户外照明。由于硫灯本身近日光光谱,夏季蚊虫较多,大量的虫子钻到谐振腔网罩内,甚至钻进波导,进入磁控管天线头,使网罩急速氧化,反射回磁控管的微波越来越多。在这样恶劣的条件下,硫灯燃点2000h后,磁推荐精选控管报废。解剖这台硫灯发现:磁控管天线帽里出现大量的炭化物质,阳极叶片靠近灯丝的地方烧熔,灯丝脱碳严重,失去发射电子的能力;谐振腔铜网罩严重氧化; 石英泡壳黏附了一些脏东西,泡壳变得模糊。总之，作为设计者要兼顾各方面因素和制约条件，总体把握才能制作出较好的产品造福人类。5总结与展望微波硫灯作为新世纪的高效节能绿色光源，是光源领域继

16、20世纪40年代荧光灯发明后的又一次重大突破。本文在查阅了相当多的资料后，重新梳理了微波硫灯的发展史，概括介绍了微波硫灯的主要特点、灯体结构和发光机理，另外简单描述了微波硫灯的制作方法。在此关于微波硫灯的优点大可不必再做罗列，关于其不足之处做一说明：由于微波硫灯的光谱中绿色含量略多，红光和蓝光含量略少，其色表呈绿白色，这也是一直不容易实现民用推广的原因；重启动时间较长，约5分钟；磁控管寿命约15000小时，灯泡旋转电机寿命为几千小时，它们直接影响了整灯寿命；再者如果微波硫灯的工作环境晃动明显，硫等离子体可能不稳定，引起光闪，甚至熄灭。此外所研究的微波硫样灯在体积和结构上仍有不足，解决途径是以开关电源替代以高压变压器为主要部件的笨重电源。就目前仍然用硫粉作为灯泡的主要填充物，为了提高灯的市场竞争力，还需要寻找光色更好的填充物，以及生产配套的优良性能波导管，这些都是极具挑战性的工作，再者如何实现商品化、产业化，以及如何避开国内外的众多专利也是很关键的问题。但是如果以微波硫灯技术为基础的无极灯系列，能够在尺寸、重量、可靠性、光色各方面都有进步，很有可能发展成为极具竞争力的照明产业。正如同广大研究人员一样，作为研究生我们真心祝愿国内的公司能开发出具有完全自主知识产权的微波硫灯系列无极灯产品，进军被国外企业瓜分的电光源市场。尽管微波硫灯应用仍存在一些问