光源原理与设计(Microworld)解析课件

光源原理与设计第一章绪论Microworld光源原理与设计Microworld一.光源的定义能把其他形式的能量转换为光学波段的电磁辐射的器件称为光源。1.能量的形式热能化学能生物能电能—电光源光源原理与设计Microworld2.转换方式加热辐射（eg白炽灯）—热辐射光源—连续谱原子激发辐射—线光谱带电粒子的速度变化（轫致辐射）—连续谱3.光学波段光源原理与设计Microworld

可见光区380～780nm红外光近红外区780～1500nm中红外区1500～1×10nm4远红外区1×10～1×10nm46光源原理与设计Microworld紫外光真空紫外1～200nm远紫外200～300nm近紫外300～380nm紫外A区UVA400～315nm化学线黑斑线紫外B区UVB315～280nm健康线（红斑线）紫外C区UVC280～200nm灭菌线光源原理与设计Microworld二.光源发展简史1.第一代光源—白炽灯碳丝白炽灯1879(Edison)1.4～3几小时锇丝白炽灯18985～5.5几十小时钨丝白炽灯19075～8几百小时真空钨丝白炽灯19108～9接近一千小时充N2螺旋钨丝白炽灯191311充Ar(Kr,Xe)钨丝白炽灯191712充Ar(Kr,Xe)双螺旋钨丝白炽灯

14碘钨灯195930溴钨灯196432光效η寿命光源原理与设计Microworld2.第二代光源—荧光灯霓虹灯(Neonlamp)1910用于广告汞蒸汽放电灯193038差荧光灯(卤粉)193540好涂钒酸钇荧光粉灯196765好细管径荧光灯(T12—T8—T5)197385好异型荧光灯(CFC)1977代替白炽灯ηRa光源原理与设计Microworld3.第三代光源—钠灯与金卤灯低压钠灯193240差外壳涂红外反射层的低压钠灯1965

200差高压钠灯1965150差钠-铊-铟灯196175好镉-钬-铥灯197190很好95络合物(Sc-Na)金卤灯197680＞65无极放电灯寿命长ηRa光源原理与设计Microworld三.光源的参量1.技术参量光通量F(lm)功率P(w)寿命H(hrs)全寿命从亮到熄有效寿命F衰减到初始值的一定比例光源原理与设计Microworld2.运行参量光效η(lm/w)η1转换成辐射的功率占总功率的比例η2辐射中可见辐射的比例每单位输入功率产生的光通量光源原理与设计Microworld光源的颜色色表:人眼观察光源颜色时的舒适程度(与背景光有关)色温照度E(lux)房间E<150luxTc<4000K机场E>500luxTc>6000K光源原理与设计Microworld显色性:被照物体本色被光源显色的程度指标:Ra太阳光下最大,为100钠灯28高压汞灯40价格光源原理与设计Microworld四.光源的分类1.以放电类型分类辉光放电,弧光放电……2.以工作气压分类低气压,高气压,超高气压……3.以工作气体种类分类汞灯,荧光灯,惰性气体,金属蒸汽……光源原理与设计Microworld4.按用途分类5.按灯种类分按发光原理热辐射光源气体放电光源光源原理与设计Microworld电光源固体光源类气体放电灯类钨丝灯类白炽灯(普灯)卤素灯荧光灯类高强度气体放电灯(HID)类无极灯高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯直管/环形日光灯紧凑型节能灯发光二极管(LED)光源原理与设计Microworld五.光源的应用1.照明体育场照明,泛光照明……2.加热3.光化学照像,加快化学反应速度……光源原理与设计Microworld4.光生物杀菌,保健,光合作用……5.高科技模拟室,光电效应,军事(夜视仪)LCOSPDPDBD光源原理与设计MicroworldReferences:1.“电光源原理引论”蔡祖泉等(1988)2.“气体与真空中电现象”卡普卓夫(1952)3.“LightSources”Elenbass(1972)4.“GasDischargeLamp”Johr.F.Vaymouth光源原理与设计MicroworldMicroworldLED光源原理与设计Microworld第二章白炽灯光源原理与设计Microworld白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉η=8~15lm/wH=1*103小时灯丝色温Tc=2700~2900K(灯光黄）Ra≈100光源原理与设计Microworld2.1热辐射的性质光源原理与设计Microworld一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射TE（thermalEquilibrium)热力学平衡状态LTE（localthermalEquilibrium)局部热力学平衡状态光源原理与设计Microworld二、基尔霍夫定律（KirchholfLaw)1.光辐射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S单位（W/m2)Pe——单位时间辐射的能量。2.光谱辐射出度Mλ（λ,T)Mλ（λ,T)=dMe(T)/dλ=dPe(T)/Sdλ光源原理与设计Microworld3.光谱的吸收率α(λ,T)α(λ,T)=dPe’(λ,T)=/dPe(λ,T)4.KirchholfLaw光源原理与设计Microworld三、黑体辐射的基本性质1.黑体的定义：黑体就是能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收。

αB（λ,T)≡1光源原理与设计Microworld2.普朗克公式MλB(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)-1]-1

其中C1=2πhc2=3.74*10-16(W·m2)C2=hc/kB=1.44*10-2(m·K)当λ不是很大，T不是很高时

MλB(λ,T)=C1λ-5e-C2/λT讨论：1）T↑——→MλB↑2）T↑——→λmax(峰值波长)向短波方向移动3）T低时——→红外为主随T上升，可见光部分增加光源原理与设计Microworld3．斯忒藩——玻尔兹曼定律

MeB(T)=∫0∞MλB(λ,T)dλ=σSBT4

σSB=5.67*10-8W/(m2·K4)4．维恩位移定律

λm·T=b=2.89779*10-3(m·K)光源原理与设计Microworld四、实际表面的辐射实际上，所有的辐射体都不是黑体，它们的光谱辐射出度Mλ(λ,T)总是比黑体的MλB(λ,T)小。定义光谱发射率：

ε(λ,T)=Mλ(λ,T)/MλB(λ,T)＜1光源原理与设计Microworld2.2白炽灯的结构与材料光源原理与设计Microworld一、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求1.熔点高2.蒸发率V小

影响V的因素

Tf

自身的蒸汽化环境气氛灯丝的结构3.可见辐射选择性好4.机械强度高，易加工5.有适当的电阻率三、钨的主要性质光源原理与设计Microworld2.3真空白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计Microworld一、真空白炽灯的光效Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗）

实际中Pc≈（3~8）%Pin光源原理与设计Microworld1.理想直钨丝灯的光效Pc=0光效η0=Km∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)V(λ)dλ/∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)dλ2.实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使η下降。η=η0/δ，（遮挡因子）δ，=1.12~1.15光源原理与设计Microworld二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命1.真空中的钨的蒸发率Vap单位时间撞击单位钨表面的原子数：N1=1/4nV=n√(kT/2πm)单位时间单位表面沉积的钨质量为：Vap=α0N1m=α0n√(kTm/2π)=0.06α0P/T0.5光源原理与设计Microworld2.蒸发率与灯寿命的关系温度T（K）Vap（g/cm2*s）H(hr)Vap*H22002.24*10-12

7.2*1045.8*10-424001.38*10-101.14*103

5.5*10-426004.17*10-9

3.86*1015.8*10-4

30001.05*10-60.155.7*10-4可以看出

Vap*H=const实验：d=0.1m/m在不同Tf下的Vap光源原理与设计Microworlda)灯丝质量损耗临界百分比G直G直=H内蒸发的质量/灯丝原有总质量=4VapH/ρdfG直∝1/df

df灯丝直径b)螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺G螺≈（50~60）%G直光源原理与设计Microworld三、总结基本矛盾

T↑——→η↑（Me∝T4）

T↑——→Vap↑——→H↓

∴Tf=2300~2600KH=1*103hrsη=8~10lm/W光源原理与设计Microworld2.4充气白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计Microworld一、气体稳定层在炽热的灯丝附近，气体变得非常粘滞，几乎可以看成是不流动的；而在泡壁附近的区域里，由于气体温度较低、粘滞度小，气体强烈对流。

因此，可以认为，紧贴灯丝周围存在着一层厚度的稳定气体层，直径为b。光源原理与设计Microworld二、充气对抑制钨蒸发的作用

在充气灯中钨的损失主要是由于在稳定层内钨的浓度扩散。N1为1m长的灯丝表面在一秒种内扩散出去的钨原子数。光源原理与设计Microworld三、充气的热损失单位长度灯丝损失功率：Pc`=-2πrλ(dT/dr)

整个灯丝损失功率：Pc=Pc`lflf灯丝的长度

讨论：影响Pc的因素

1）充气气体的种类2）充气压力3）lf4）df光源原理与设计Microworld对于充氩—氮混合气的白炽灯，每厘米长度灯丝的气体热损失Pc`约为4W。对于电压为220V的灯泡，螺丝长度必须大于2cm，否则两根导丝之间有放电的危险。因此，充气灯泡的最小热损失值为8W左右。显然，对220V小功率白炽灯不宜充气，25W以下的白炽灯只能是真空，否则热损失占输入的主要部分，得不偿失。光源原理与设计Microworld四、本节结论1．充气可抑制蒸发2．充气引起热损耗3．充入分子量大的气体可更好抑制蒸发和减小热耗。4．采用螺旋灯丝可使Pc下降5．采用螺旋灯丝可增加寿命（机械强度增大了）光源原理与设计Microworld2.5白炽灯灯丝的设计光源原理与设计Microworld一、统一公式1.灯丝参数a)直线型灯丝①直径d②长度l

b)单螺旋灯丝

①直径d②长度l③螺距系数Ks=S/d④芯丝系数Kc=dc/d

c)双螺旋灯丝①直径d②长度l③第一螺距系数Ks1=S1/d④第一芯丝系数Kc1=dc1/d⑤第二螺距系数Ks2=S2/(2d+dc1)⑥第二芯丝系数Kc2=dc2/(2d+dc1)d)Ks和Kc的合理选取光源原理与设计Microworld2．灯丝的计算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph白炽灯钨丝直径和长度的统一公式光源原理与设计Microworld二、经验公式钨丝份量Q200=π/4*d2*200*ρ

d=k√Q200(mm)

三、外推公式修正灯泡的一些参数四、误差百分比计算公式五、设计中注意的问题光源原理与设计Microworld2.6白炽灯的运用特性白炽灯的光效虽然比较低，但由于它使用极其方便，辐射光谱是连续的，显色性好，因此到目前为止仍是应用最广的一种光源。光源原理与设计Microworld一、运用参量1．高色温白炽灯——主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。

Tc≥3200Kη=30H=50~100hrs2．普通照明灯——一般照明η=10~20Tc=2600~3000KH≥1*103hrs

3．红外线灯——用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。

η≤10Tc≤2500KH≥1*103hrs光源原理与设计Microworld二、白炽灯的指数特性H——寿命F——光通量η——光效V——灯电压I——电流P——功率R——电阻光源原理与设计Microworld三、指数特性的应用例1：H的加速试验d(充气泡)=13.1电压提高10%H1/H2=（242/220）13.1=3.48例2：内在质量因数qa

b=7所以定义光源原理与设计Microworld2.7白炽灯的发展方向光源原理与设计Microworld一、探索新的灯丝材料——更高的熔点，有更好的辐射选择性二、改善灯丝材料的结构，以及使周围的介质环境更理想化！1．小型化

2．反射型

3．涂红外反射层IRCtechnologyThinfilmmultilayercoatings(Filter)StackConstructionWavelengthHighrefractive

indexLowrefractive

indexSubstrate

(glassbulb)glassbulbSiO2SiO2SiO2}/2TransmittanceSiO2/

TiO2StackWavelenght[nm]光源原理与设计Microworld三、绿色照明的含义1.采用光效高的照明光源。CFL2.采用寿命长的照明光源。3.采用对环境污染少的填充物质。光源原理与设计MicroworldMicroworldLED光源原理与设计Microworld第三章卤钨灯光源原理与设计Microworld3.1卤钨循环原理光源原理与设计Microworld一、卤钨循环的要求1.蒸发的钨在Tw（泡壁温度）下易形成易挥发的化合物W+nX→WXn2.在灯丝温度区域分解WXn→W+nX二、卤钨循环的定义卤素把灯丝上蒸发的钨原子不间断的搬回到灯丝上面去的过程。

光源原理与设计Microworld三、卤钨循环的温度条件化学反应平衡常数Kp＜1（高温下）→反应向左，有利于分解Kp＞1（低温下）→反应向右，有利于复合Kp=1左右速率相同光源原理与设计Microworld1．反转温度（T反）的定义Kp（T）=1对应的温度，称为反转温度。T反

碘钨950K（677℃）溴钨1600K（1327℃）氯钨2200K（1927℃）光源原理与设计Microworld2.温度条件1）Tf＞T反,分解2）Tw＜T反,合成3）Tw＞T升（卤化物）表面温度Tw

碘钨灯≥250℃溴钨灯≥200℃氯钨灯≥180℃为了使Tw达到要求，卤钨灯一般体积比白炽灯小得多。使用石英或硬料玻璃。光源原理与设计Microworld3.2卤钨循环剂光源原理与设计Microworld碘溴但对灯丝丝脚、支架腐蚀很大所以现在一般充：溴化氢HBr

一溴甲烷CH3Br二溴甲烷CH2Br2溴仿CHBr3

氯仿CHCl3

光源原理与设计Microworld3.3卤钨灯的结构和制造光源原理与设计Microworld一、外壳材料的几何尺寸1.石英红外灯：Ws=15~20w/cm2照明灯：Ws=20~25w/cm2

高色温灯：Ws=25~30w/cm2

2.高硅氧玻璃（拜科）Ws=20~25w/cm23.硬玻璃Ws=10~15w/cm2光源原理与设计Microworld二、灯丝与外壳的气密封接1.利用钼箔的延展性实现“非匹配”封接锲型钼箔宽度2A/mm钼箔长度7~9mm钼杆直径J=5~10A/mm2

2.钼杆与铝硅玻璃的匹配封接封接可靠，故充气压可以提高，抑制钨蒸发，进一步提高光效、延长寿命。光源原理与设计Microworld三、灯丝1.采用螺旋型灯丝单、双螺旋→线状光源双、三螺旋→点状光源2.细丝绕在粗丝上再绕螺旋→Me相同下增加辐射面积3.用支架支撑→防下垂光源原理与设计Microworld四、最佳充气压综合考虑寿命和光效两方面的要求，卤钨灯的充气压强通常应选择得使气体稳定层直径b略小于泡壳直径d。五、红外反射膜多层介质干涉膜光源原理与设计Microworld3.4卤钨灯的应用光源原理与设计Microworld一、卤钨灯的光效和寿命

1.光效卤钨灯Tf=3100~3500K→η=20~34lm/w充气白炽灯Tf=2700~3050K→η=14~18lm/w真空白炽灯Tf=2300~2600K→η=8~10lm/w光源原理与设计Microworld2．寿命1）支架的腐蚀2）水蒸气的腐蚀3）热点机制并没克服光源原理与设计Microworld二、卤钨灯的燃点位置燃点位置与灯内所充循环剂的种类有关，更与所充气体的种类有关。（考虑分子量的问题）例1．充1atmAr的管状碘钨灯只能水平燃点。例2.充Kr(Xe)和碘的灯，燃点位置可放宽。例3.充Kr(Xe)的溴钨灯，燃点位置任意。光源原理与设计Microworld三、应用领域

1。泛光照明2。投光照明3。汽车卤钨灯4。复印机卤钨灯光源原理与设计Microworld四、发展方向1。新的外壳材料2。高电压小功率卤钨灯3。新的循环剂光源原理与设计MicroworldMicroworldLED§4.1气体放电中粒子间的相互作用一、电离气体和气体放电的定义含有电子、离子和中性原子（分子）的气体称电离气体。电离气体在外场的作用下传导电流的现象称之为气体放电。4-1气体放电的基本过程第四章气体放电灯的基本原理电离气体按电离程度的分类：弱电离气体：很少的原子或分子被电离（10-4）部分电离气体：部分原子或分子被电离（10-2--10-3）完全电离气体：几乎所有的原子或分子被电离

弱电离气体是本课的研究对象。其中主要由中性粒子组成。但任何一种放电都包含着大量的粒子和它们间的相互作用。二、气体放电中粒子间的相互作用：1、碰撞的定义碰撞是指这样的相互作用，由于这种相互作用，粒子的量子状态发生了变化。量子状态的变化可以是动能、动量、位能、结构等。a）弹性碰撞：碰撞后只有动能的变化，无位能的变化（总动能之和不变）b）非弹性碰撞：碰撞后位能发生了变化（动能部分向位能转移所致，故动能也相应发生了变化）1)第一类非弹性碰撞：粒子的动能由于碰撞粒子的位能［例］：

+AA*+e(电子激发)+AA*+B+

（离子激发）

+AA*+B（中性粒子激发）

+A++e+e（电子电离）

+A*A**+e（逐次激发）

+A+A+++e（逐次电离）2)第二类非弹性碰撞粒子的位能

由于碰撞

粒子的动能［例］

A*+eA+（去激发或消激发）

A*+BA+B++（潘宁效应）

A++e+eA+（三体复合）3)辐射碰撞光子和粒子碰撞的过程［例］

A+hvA*（光激发）

A+hvA++e（光电离）

A*+hvA+2hv(光致发射)

4)其他非弹性碰撞

（位能位能）

A+B*A*+B(激发转移)

A+B+A++B（电荷转移）2、碰撞的能量转移

实际碰撞过程很复杂，现以对心碰撞为例：

m1V1=m1U1+m2U2

（动量守恒）

m1V12/2=m1U12/2+m2U22/2+Q(能量守恒)把U1=代入第2式得：m2（1+m2/m1）U22/2—m2V1U2+Q=0a）弹性碰撞：Q=0

此时：U2=2V1m1/(m1+m2)

故入射粒子能量损失的百分比（即被碰撞粒子得到的动能）：

==4

对心碰撞时为最大值，非对心碰撞时的最小值为0

故=2（第二粒子得到的能量是第一粒子的一部分）讨论：（1）若入射粒子为电子，第二粒子为中性粒子则

故=2（2）

若入射粒子与第二粒子都是重粒子，即

故=1/2说明：原则上有=2，所以电子与原子发生碰撞时损失的能量很小，量级，但电子运动的曲折碰撞使碰撞次数很多，例1ev动能的电子在1torr的气体中每秒可与全体原子碰109次，故总的影响也不可忽略。b)非弹性碰撞Q≠0由m2（1+m2/m1）U22/2—m2V1U2+Q=0解得：由于括号内的值≥0，得：≥

0

故Q作非弹性碰撞时：第一类非弹性碰撞：动能转化为Q

第二类非弹性碰撞：Q转化为动能讨论：（1）若入射粒子为电子，第二粒子为原子，则：即电子的动能可以全部转化为粒子的位能，使其激发或电离。（2）若入射粒子与第二粒子都是重粒子，即则：最多只有一半能量的交换即离子的动能需达到中性粒子的激发能或电离能的2倍以上时才能引起激发或电离，几率很小，而电子引起的激发和电离是主要过程。三、气体的激发和电离1、电子与中性原子的碰撞致激发和电离

+A→A*+e

+A→A++e+e

具体由激发函数和电离函数（与碰撞截面有关）描述。2、重粒子与原子碰撞致激发和电离

+A→A*+B+A→A++B+e+A→A*+B++A→A++B++e

此类碰撞由相互作用时间较长和能量转移关系可知为非主要过程。3、光致激发和光致电离hv+A→A*

hv+A→A++e hv+A*→A**

hv+A*→A++e hv+A+→A+++e光致激发和光致电离条件：hv≥eVex=>λ≤hc/eVxhv≥eVi=>λ≤hc/eVi∴λ≤1.24×103/eVex（eVi）（nm）例1：eVi(Cs)=3.87eV∴λ≤320nm 紫外照射产生带电粒子例2：宇宙射线射线是（1/20～1/10）c的高速正粒子β射线是具有2c/3速度的高速电子γ射线是λ=10-1～10-5nm高速光子（Kr85）

X射线：的高速光子

4、热激发和热电离高温粒子之间通过碰撞使动能转换为位能 例：火焰上加盐燃烧时发光黄绿色（激发），且具有导电性（电离）。

a）由玻尔兹曼方程描述激发态粒子数

nex=n0exp（-Eex/kT）

b）由萨哈方程描述电离态粒子数

Pa2/1-a2=1.33T5/2exp（-eVi/kT）

a=ni/n=ne/n称电离度，P为气体的压力四、气体的激发转移

1、激发转移

a）激发原子和电子间的激发转移

A*+e→A+

b）激发原子和基态原子间的激发转移

A*+B→A+B++e潘宁效应条件：Vi（B）≤Vex（A），A*是亚稳态Ar-Hg：

Ar*（3P2）11.5eV+Hg→Hg+

（10.4eV）+e+ArNe-Ar：

Ne*（3P2）16.53eV+Ar→Ar+（15.76eV）+e+Ne

其中Ar-Hg中的Hg和Ne-Ar中的Ar被称为杂质气体混合气体中其杂量x：0.02%≤x≤10%

杂质含量太多电子与杂质原子产生激发碰撞不利亚稳态的形成杂质含量太少则产生激发转移的机率太小。2、辐射的猝灭（杂质的影响）

hv1+A→A*

A*+B→A+B*

B*→hv2+B例：Hg+hv(253.7)→Hg*(63P1)Hg*(63P1)→Hg+hv(253.7)

多次转移最后辐射出253.7的波长，称辐射的禁锢效应。有杂质时：

Hg+hv（253.7）→Hg*（63P1）

Hg*（63P1）+B→Hg+B* B*→B+hv（≠253.7）称辐射的猝灭例：荧光敏化（253.7的辐射常用荧光粉接收后的荧光来观察）

hv（253.7）+Hg→Hg*（63P1）

Hg*（63P1）→Hg*（63P0）此能级分别为4.8eV和4.7eV，当Hg*（63P1）态存在时，必有Hg（63P0）态存在，称碰撞耦合。Hg*（63Po）+Tl→Hg（61s0）+Tl*（72S1/2）

Tl*（72S1/2）→Tl+hv（535）五、带电粒子的复合1、电子-正离子的复合a）辐射复合e+A+→A+hv（慢电子被正离子俘获的过程）e+A+→A*+hv1

（A*→A+hv2）e+A+→A+hv（慢电子被正离子俘获的过程）e+A+→A*+hv1

（A*→A+hv2）meve2/2+eVi=eVex+hv∴hv=meve2/2+e（Vi–Vex）（基态下Vex=0）

∵Ve=0～∞连续光谱辐射连续光谱特性：

hvmin（Ve=0）=e（Vi–Vex） 波长上限：

λmax=hc/e（Vi–Vex）长波限强（Ve=0的电子容易捕获）b）分解复合

e+（AB）+→+

（电子动能变为分子的离介能）

e+（AB）+→A*+B*c）三体复合

A++B+=A*+（是电子复合的主要过程，特别在高气压放电条件下容易发生。）2、正离子——负离子的复合

x++y-→xy+hv

（复合辐射）

x++y-→x+y

（电荷交换）

x++y-+z→xy+z

（三体复合）（气体放电器件中不希望有负离子的存在，此过程对发光贡献小！负离子的存在使放电困难。）六、负离子的形成

e+B→B-1、负离子对放电特性的影响

负离子的存在使导电率大大下降，与正离子的复合使ne下降且不产生电离碰撞过程（用于高压开关器触点的保护）。2、负电性气体定义：容易形成负离子的气体叫做负电性气体。 卤素易形成负离子，惰性气体不易形成负离子。 氧（外层6个电子）也易形成负离子，但只形成一价负粒子，因吸附第二个电子时，负离子本身有排斥性。3、负离子形成的方式a)中性原子俘获电子辐射吸附b)三体碰撞，A吸附形成负离子，电子多余能量转为B的动能。c)分子分解吸附，形成的激发态负离子不稳定分解。d)分子碰撞后产生离子对e)重离子间的电荷转移*气体放电的细微平衡原理

Klein和Rosseland根据热力学平衡原理，得到：热力学平衡体系中，某种过程发生的次数等于其反过程发生的次数！激发消激发电离消电离七、汤生放电和气体的击穿1、汤生放电理论（1903）实验装置和结果见图：说明：V很小时，i很小［从0开始达到饱和值i0（T0区）］。V增加，i缓慢增加（T1区），V增加足够大，i指数增加（T2区）。当V=Vs时，电流增大迅速，出现负阻特性，把Vs称为击穿电压，放电成为自持放电（无外界电离源放电继续），T1、T2区的放电称为汤生放电，用三个电离系数来描述。a）非自持放电T0区剩余电离（射线、宇宙线）产生的少量带电粒子在电场下迁移运动所致！，此时V小、εe小、激发几率小、辐射低、又称暗放电。V小时，一部分剩余电离粒子不能达到电极，故I随V上升，剩余电离取消，放电停止！称非自持放电。应用：（1）盖勒（Geige-Miller）计数管：测量放射性物质和强度（2）充气光电管（光照阴极发出光电子）b）非自持放电T1区

汤生第一电离系数α的定义:每个电子在电场方向经过单位路程时产生的电离碰撞次数。α与气体性质（Vi）、压强和E有关。因为dx范围内产生的电子数为：dne=neαdx

所以ne=ne0eax

ie（x）=ioead或ne（d）=neoead

指数式增长，称为雪崩。当ne0

（剩余电离源产生）=0时，ne=0，即非自持。c）自持放电T2区（有三种理论）

汤生第二电离系数β的定义：正离子在电场方向经过单位路程所产生的电子——离子对数目。

或：若β=0，则ne=ne0ead

，即T1区情况。若β=0，a=0，则ne=ne0，即T0区情况。若ne0=0，但分母项≠0，则ne≠0，即自持放电。该理论的缺陷：实际β过程很弱=>正离子产生电离需103ev能量级。正离子打到阴极上有电子发射，发射电子数与阴极材料性质有关。

（1）正离子碰撞引起电离（早期理论）

（2）正离子轰击阴极表面产生二次电子发射汤生第三电离系数γi的定义：每个正离子打到阴极上轰击出的电子数。可有：ne（d）=ne0ead/[1-γi（ead–1）]即：i=ie=i0ead/[1-γi（ead–1）]

若γi

=0，则ne=ne0ead，T1区情况。 若γi

=0、α=0，则ne=ne0，T0区情况。 若ne0=0，则：γi（ead

–1）=1，即自持放电击穿条件。（3）受激原子产生的光子照射阴极表面产生光电子发射（结果类同（2），多了光电子发射的产生系数等，略）2、气体的击穿——帕邢定律

∵ γi（eαd–1）=1，且eαd>>1=>eαd

=1/γi

αd=ln（1/γi） 可知：α=Ape-Bp/E（E=Vs/d）=Ape-B（Pd）/Vs∴ ln（1/γi）=A(Pd)e-Bpd/Vs∴ln[（ln（1/γi））/A（Pd）]=-B（Pd）/Vs∴ Vs=B（Pd）/ln[A（Pd）/ln（1/γi）]

式中：A、B为气体种类有关常数（电离电位小、A、B小）；

ri与电极材料有关的常数。即Vs与Pd乘积有关，称为帕邢定律。击穿=>放电自持，使击穿条件满足的最小电压称Vs。α=f（E）=f（Vs）Α与E、P和气体种类有关。可见： ①对Vi小的气体，其A、B小，Vs也小②对有大的ri值的电极，其Vs也小 由

得：3、影响击穿电压的其它因素：杂质气体的影响（潘宁效应）负电性气体使Vs上升电极表面的状态（毛刺）使局部电场畸变，此处易击穿。电极表面吸附杂质（油污、氧化层），使Vs上升电场分布不同使Vs改变（同轴线分带，使Vs下降。）外界电离源的存在使Vs下降总原因：使带电粒子产生的因素存在使Vs下降使带电粒子损失的因素存在使Vs上升。八、气体放电的分类1、伏安特性曲线1、OA段：外致电离的带电粒子在E作用下向电极运动形成电流，随着E的增加，I也同时增加。（若电离源加强，则曲线向右移动）2、AB段：E↗↗，所有外致电离的电荷都到达电极，电流饱和（I≈10-14A量级）平板铜电极d=50cmø=2cmPNa=133pa3、BD段：E↑↑↑。电子雪崩产生。在C点使I指数式上升，电流增大108倍，而电压基本不变。放电从非自持向自持过渡。C点称击穿电压Vs。（BD段称汤生放电）

I增大，V不变的理由：V阴与J成正比I由较小变大时，I阴=I，仅需少量阴极表面上发射电子即可，即V阴不变。因I小，故V等也基本不变，导致V不变。4、DG段：若V↑，则I↑。此时阴极通过增加发射面积使I阴增大，故V阴不变，但I已足够大，V等↓，故V↓（G点表示所有阴极表面已用于发射V阴值下的I值）。

DG段即电晕放电，

EF段即亚辉光放电，

FG段即辉光放电。5、GH段：I再↑↑，需增加J值，故V阴↑，△V阴>>△V等，故V↑，即反常辉光放电。6、HI段：I↑↑足够大，电极温度达到热电子发射温度：

J↑=>V阴↓=>V等↓=>V↓弧光放电2、气体放电的分类：（a）按气体放电形式分：①汤生放电②电晕放电③辉光放电④弧光放电

⑤火花放电⑥低频交流放电⑦脉冲放电⑧高频与微波放电（2）按放电参量随时间变化分：①稳态放电（直流下）②非稳态放电（交流、脉冲、高频微波）（3）按阴极工作状态分：

①冷阴极放电②热阴极放电（4）按自持非自持分：①非自持放电

②自持放电（5）按气压高低分：

①低气压放电②高气压放电③超高气压放电还有惰性气体放电、金属蒸汽放电等。自持放电条件Υ(e-1)=1αdVAd光源原理与设计MicroworldKA4.2气体放电的辐射一.辐射的形成方式1.激发态粒子回到低能级态(基态)时的自发

(受激)辐射→线光谱△E=hν2.正负带电粒子的复合辐射→连续谱3.带电粒子的减速产生的轫致辐射光源原理与设计Microworld二.线光谱hνnm

=En-Em=e△Vnm

=hc/λnmλnm=1239/△Vnm△V→Vλnm→nmE0EmEnE光源原理与设计Microworldhγmnhγn01.不同元素的能级不同，其辐射的波长不同

→选择性强2.共振辐射的效率(特别是第一共振态)最高3.能级之间的跃迁服从选择定则4.线光谱辐射的功率密度Pnm光源原理与设计Microworld定义Pnm=nn

Anm

hνnmAnm

从n→m跃迁几率LTE下nn由Boltzmann分布描述nn

=n0

gng0exp(-)EnKTPnm=n0gng0Anm

hνnmexp(-)KTEnPnm：压力p(n0)，温度T，能级性质(En,Anm)光源原理与设计Microworld5.可见辐射的△E范围△E＝En-Emλ△E＝1239λ＝380～780△E＝1.7ev(780nm)～3.2ev(380nm)光源原理与设计Microworld三.分子的带状光谱E＝Ee＋Ev＋Er△E＝△Ee＋△Ev＋△Erν=△Eh△Ee＋△Ev＋△Erh=光源原理与设计Microworld以△Ee为主分辨率不高时，为带状光谱分辨率高时，有很多条谱线大部分光谱在可见区及紫外区→Ra气体放电灯矛盾：光效和显色性热辐射光源矛盾：光效和寿命光源原理与设计Microworld四.连续光谱→e+A→A+△Ea)hν=△E=Ei-Em+12meve2Ve=0～∞→为连续谱EEiEm12meve2光源原理与设计Microworld1.复合辐射（f-b跃迁）因为慢电子浓度高(maxwell)而且更容易与正电子复合当v=0时ν0

=Ei-Emh为频率下限c)辐射总功率Pcr∝Z

neTe42-3/2光源原理与设计Microworldb)连续谱的特征EEmEnhγhγ0f-bf-fmeve2-meve’2meve21212122.轫致辐射(f-f跃迁)e+A+→A++e+△E→a)hν=12me(Ve-Ve’)b)可证Pcb∝ZneTe2222-1/2光源原理与设计Microworld3.连续光谱产生的特点a)高气压大电流密度放电下，有强的连续光谱b)放电蒸汽元素的Z越大，连续光谱越强，且以复合辐射为主c)高温下，连续光谱以轫致辐射为主高光源原理与设计Microworld五.气体放电光源辐射的特点1.工作温度不受灯丝材料性质的限制2.辐射光谱可选择3.寿命大大高于热辐射光源，光维持性好4.基本矛盾η-Ra光谱放宽光源原理与设计Microworld一.光谱线的轮廓光强度在一定波长区内都有分布的现象，称光谱线的放宽。其分布的形状就称为谱线的轮廓。IλcIλmaxλ0△λhIλλ光源原理与设计MicroworldProf.λ总强度It=∫Iλdλ4.3光谱线的轮廓和放宽1.产生放宽的机理a)辐射原子自身原因：自然宽度，多普勒效应b)外界原因：压力放宽2.光谱线轮廓的类型光源原理与设计Microworlda)定义Prof.λ=IλItIλ∫IλdλIλ=It*Prof.λ∫Iλdλ=∫ItProf.λdλ=It∫Prof.λdλ=It∫Prof.λdλ=1→“归一化”性质=光源原理与设计Microworld以频率ν表示Prof.ν=cν2Prof.λ以ω表示Prof.ω=12πProf.ν光源原理与设计Microworldb)色散型(洛仑兹力)轮廓Prof.ω=γ2π

1(ω-ω0)+()γ2c)高斯型轮廓Prof.ω=()exp[-]4Ln2πγ4Ln2(ω-ω0)222γ2221光源原理与设计Microworld二.谱线的自然宽度t→t+dtdnn=-Anm

nn

dtNn

(t)

=nn0e-Anmt=nnoe-t/τnΤnm为跃迁的时间常数，是Anm的倒数光源原理与设计Microworld初始条件：t=0n|t=0=nn0海森伯(Heisenberg)测不准原理△E△τnm=h/2π=h1.定义：激发态原子寿命的不确定性引起能量的不确定性，由此造成的谱线放宽称自然宽度。2.轮廓类型→色散型光源原理与设计Microworld三.谱线的多普勒放宽1.定义：多普勒放宽静止：运动：ν

0=cλ0ν

=c+vxλ0=cλ0+vxλ0=ν

0+ν

0vxcν

-ν

0

ν

0=vxc=△νν

02.轮廓类型→Gausstype光源原理与设计Microworld观察者VVxθ四.谱线的压力放宽1.定义：受激原子受其它粒子的碰撞作用，使辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放宽。a)共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰b)范德瓦尔斯放宽：不同种类原子对激发态原子的干扰c)斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰光源原理与设计Microworld2.轮廓的类型→色散型a)Lorentz理论：干扰下停止辐射b)Lentz-Weisskof理论：干扰时辐射的频率发生变化c)Lindholm理论：干扰时相位产生位移光源原理与设计MicroworldReference:1.W.Newman:

SpectrosopicMethodsofPlasmaDiagnostics2.统计物理学导论3.原子光谱学和激发光谱学光源原理与设计Microworld一.光谱的发射系数和吸收系数1.跃迁过程的分类

自发辐射跃迁跃迁几率Anm吸收跃迁吸收跃迁几率BmnρB(ν)

感应辐射跃迁感应跃迁几率BnmρB(ν)光源原理与设计Microworldnm自发辐射吸收感应辐射4.4辐射转移平衡下：Anmnn+BnmρB(ν)nn

=BmnρB(ν)nm1LTE下：nnnm=gngmexp(-)KThνnm联立解有：ρB(ν)=AnmBnm1gmBmngnBnmehνKT-12光源原理与设计Microworld由planck公式：ρB(ν)=8πhνc33eKT-1hν1所以8πhνc33BnmAnm=gmBmn=gnBnm32光谱的发射系数光源原理与设计Microworld定义：εν=dtdVdΩdνdE4εν=

εν+ενsi4自发辐射感应辐射有：εν=s4π1nn

Anm

hνProf.ν5光源原理与设计Microworld由5和6得：对应：εν=i4π1nn

BnmρB(ν)hνProf.νc1nn

Bnm

LνBhνProf.ν=6其中：LνB=4πcρB(ν)ενενsi=c22hν3LνB

7光源原理与设计Microworld平衡下：4π1nn

Anm

hνProf.νc1nn

Bnm

LνBhνProf.ν+c1nmBmn

LνBhνProf.ν=8光谱的吸收系数：Kν=-dLνLνdxdLν=L’ν-Lν定义：其中光源原理与设计Microworldxx+dxLνL’ν物理意义：Lν(x)=Lν(0)e-Kx由基尔霍夫定律：LνB

=ενKν=2hνc23eKT-1hν19平衡下：εν=

εν+εν=KνLνBsi对应8式：Kνc1nn

Bmn

hνProf.ν=10光源原理与设计Microworld0xx0Lν(0)Lν(x)对某一谱线：εL

=∫line

εν

dυ=s4π1nn

Anm

hνc1nn

Bnm

LνBhνεL

=∫line

εν

dυ=siiKL=∫line

Kν

dυ=c1nmBmn

hν光源原理与设计Microworld若把εν看作负吸收，有总的吸收系数Kνi～εν+εν=Kν

LνB平衡下：

siKν

LνB=εs～所以：KνLνB＝KνLνB－εν

～ic1nmBmn

LνBhνProf.ν=c1nn

Bnm

LνBhνProf.ν-光源原理与设计Microworld=c1nmBmn

LνBhνProf.ν(1-)nmBmnnnBnm=KνLνB(1-e)KThν-11nnnm=gngmexp(-)KThνgmBmn=gnBnmKνLνB=KνLνB(1-e)～hν-KT12光源原理与设计Microworldενεν+εν=KνLνBehν-KTKνLνB=hν-KTe13二.辐射转移方程dLν(x)=εν(x)dx-Kν(x)Lν(x)dx

dLν(x)dx=εν(x)-Kν(x)Lν(x)

1光源原理与设计MicroworldLν(0)Lν(x)Lν(x0)Lν(x+dx)0xx+dxx0单位面积1.εν(x)=0dLν(x)dx=-Kν(x)Lν(x)

dLν(x)Lν(x)=-Kνdx2在0→x和Lν(0)

→Lν(x)间积分Lν(x)=Lν(0)

exp(-∫

Kν(x’)dx’)0x离开等离子体的辐亮度：Lν(x0)=Lν(0)

exp(-∫

Kν(x’)dx')0x0光源原理与设计Microworld342.εν(x)≠0设试解：Lν(x)=u(x)

exp(-∫

Kν(x’)dx’)x0x代入后解得：+Lν(0)

exp(-∫

Kν(x’)dx’)0x0Lν(x0)=∫εν(x)dxexp(-∫

Kν(x’)dx’)0x0xx0光源原理与设计Microworld5三.以光性厚度为变量的辐射转移过程定义：τ＝∫

Kν(x’)dx’为x→x0区间的光性厚度辐射转移方程1可写为：dLν(x)dx=εν(x)-Kν(x)Lν(x)

＝dLν(x)dxdτdτ＝dLν(x)dτ[-Kν(x)]光源原理与设计Microworldxx0dLν(x)dτ=Lν(x)-εν(x)Kν(x)=Lν(x)-Sν(x)6Sν(x)=εν(x)Kν(x)=2hνc23eKT-1hν1光源原理与设计Microworld代试解：Lν(τ)＝u(τ)eτLν(τ)＝[-∫Sν(τ’)e

dτ’

-τ’ττ(ν,0)+Lν(0)e]e-τ(ν,0)τ离开plasma时：Lν(x0)＝∫Sν(τ’)e

dτ’

τ(ν,0)+Lν(0)e-τ(ν,0)0讨论均匀的plasma条件：Lν(x0)＝

Lν(0)e+Sν(τ)[1-e]-τ(ν,0)-τ(ν,0)光源原理与设计Microworld-τ’79∫Sν(τ’)e

dτ’=

Sν(τ)[1-e-τ(ν,0)

]τ(ν,0)0-τ’81.τ(ν,0)<<1称光性薄等离子体

2.τ(ν,0)>>1称光性厚等离子体Lν(x0)＝Lν(0)+Sν(τ)τ(ν,0)Lν(x0)＝Sν(τ)=2hνc23eKT-1hν1光源原理与设计Microworld1011光源原理与设计Microworld第五章低压水银荧光灯光源原理与设计Microworld汞的物理性质熔点-38.87Co沸点356.58Co蒸汽压随T敏感变化光源原理与设计Microworld汞的化学性质稳定性好,不与灯用材料在工作T下有化学反应可与许多金属形成合金amalgam汞齐(铋,钛,锌)汞有毒性:汞中毒汞的辐射性质低气压下(0.1Pa)以253.7为主高气压下(10Pa)可见辐射增强6光源原理与设计Microworld6D27S06P17S16P26P16P06S011113333253.7185.0PHg(torr)η第六章高压汞灯光源原理与设计

Microworld

6.1高压汞蒸气放电特性光源原理与设计

Microworld

一.电弧温度和电离机构1.Tg≈TePHg↑→γ↑→Tg↑LTE满足:Ve→MaxwellDistributionn*→Bolt