光源知识培训-高压汞灯

第六章高压汞灯光源原理与设计—高压汞灯

诸定昌

光源原理与设计—高压汞灯

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6.1高压汞蒸气放电特性光源原理与设计—高压汞灯

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一.电弧温度和电离机构1.Tg≈TePHg↑→γ↑→Tg↑LTE满足:Ve→MaxwellDistributionn*→BoltzmannDistributionn+(n-)→SahaEquation光源原理与设计—高压汞灯

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2.电离以热电离为主(PHg≥1333Pa)3.电弧收缩(气压越高，收缩越厉害)PHg很高下由对流带走能量的过程使电弧“绳化”光源原理与设计—高压汞灯

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二.光谱uv共振辐射随气压上升越来越受到抑制，强度很高的可见辐射大量出现。Ijk=nj*AjkhγjkPHg↑→Tg↑→n*↑n*=n0exp(-eV/kT)Ajk=1/τin(τin:plasma中平均停留时间)A(高能态间)>A(与基能态间)光源原理与设计—高压汞灯

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2.谱线放宽压力放宽+高温下的多普勒放宽3.连续光谱出现体积复合韧致辐射连续谱在连续光谱上叠加了放宽的线光谱光源原理与设计—高压汞灯

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三.光效Φin(内径)=27mmI=4APHg不同时η变化ABCDEFPHg(Torr)η60201010-210-1110102103104光源原理与设计—高压汞灯

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1.η随PHg上升而增加(PHg≥1atm)2.单位波长的热耗PL=Pr+Pc+PTPC1=-λ2πridTdrriλ=λVPHg↑→λ↓PHg↑→Tg↑→V↑λ与PHg无关（与T也无关）31光源原理与设计—高压汞灯

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实验表明，dT/dr为抛物线分布rTT0TwriT(r)=T0-(T0-Tw)()2rriPc1=-λ[-(T0-Tw)]2πriri2rri2Pc1=4πλ(T0-Tw)T0=6000KTw=1000Kλ=8.35×10-5T3/4(w/mk)Pc1=10W/cm光源原理与设计—高压汞灯

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3.光效通常Pl1=40～50W/cmPr1=Pl1-Pc1考虑nHg与石英对辐射的吸收Pr1=0.72(Pl1-Pc1)ηr==0.72(1-)0.72(Pl1-Pc1)Pl1Pc1Pl1光源原理与设计—高压汞灯

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Pl↑→ηr↑Pl1↑→Ve↑→PHg↑光源原理与设计—高压汞灯

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6.2高压汞灯光源原理与设计—高压汞灯

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一.结构1.放电管石英泡壳Hg+Ar填充物自热式电极+辅助电极光源原理与设计—高压汞灯

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3.外壳硬玻璃（软玻璃）加荧光粉——荧光高压汞灯即可提高光效，又可提高显色指数2.支架电引线+启动电阻主电极和辅电极间先被击穿，产生电子，放电建立。光源原理与设计—高压汞灯

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二.高压汞灯的设计1.选定工作气压a）PHg照明灯(2～4)atm紫外辐射灯(0.5～0.6)atmb）PHg与Tw的关系过量Hg下lgPHg=-+7.752Tw(k)3.36×103光源原理与设计—高压汞灯

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c）高压汞灯中汞量与PHg的关系非饱和状态，200.6mg液汞在标准状态下，产生22.4cm3的汞蒸气在体积为V’，温度为T’，且均匀分布的灯中产生P’HgP’Hg=/22.4273V’T’光源原理与设计—高压汞灯

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在管半径为ri，且温度为T(r)的单位弧长体积中产生P’’HgP’’Hg=22.4273∫0ri2πrT(r)dr在单位弧长充汞量为m(mg/cm)，在ri与T(r)的条件下产生PHgPHg=22.4m273×200.6∫02πrT(r)dr2P’’Hgm200.6=PHg=m7680∫0riT(r)dr2ri2光源原理与设计—高压汞灯

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2.选定电参数（Pl给出，Vl选定，Il可知）Pl=VlIlαl(αl=0.9)Vl=VAK+ELarca)VAKb)Vl锆酸钡电子粉电极12～13V纯钨电极17VVl↑→η↑Vl↑↑→不稳定Vl=(1/2～2/3)Vn=(110~140)V光源原理与设计—高压汞灯

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3.选定管壁负载Ws=Pl/πdlarc----------------------Ws照明灯9～10w/cm2紫外灯5.5～6.5w/cm22光源原理与设计—高压汞灯

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4.充汞量与E的关系Pl1=EIlαl=EJSarcαl=E(eneμe)πrarc2•

αlμe=c1/n0ne=c2n0exp[-evi/2kTeff]Teff=f（ri,Pc1）Elenbass根据二阶温度轮廓模型rarc=c3riE=6Pl11/2m7/12(Pl1-Pc1)1/3d3/2代入Pl1=30w/cmPc1=10E≈12m7/12d3/2=Vl-VAklarc---------③光源原理与设计—高压汞灯

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l=larc+2T.T.Q+压封区总充汞量M=m(larc+3/4d)T.T.Q插入因子larc5.几何尺寸与总充汞量的计算光源原理与设计—高压汞灯

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PHg=0.75(m/d2)Pl10.25/(dm)0.1-----------(1)E≈12m7/12d3/2=Vl-VAklarcWs=Pl/πdlarc-----------------(2)6.验证湍流发生的可能性m2/d≤250---(3)三.高压汞灯的启动f稳定时间4~10分FItPlTwPHgPHg(max)光源原理与设计—高压汞灯

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1.HID灯启动的四个阶段a)Breakdown:ionizationtoproduceenoughcharges(governedbyPashenLaw).b)Aself-sustainingdischargebysecondaryemissionfromthecathode（governedbyTownsendLaw).c)Glow-to-Arctransitionduringwhichtheelectrodesareheatedtoavaluewherethermalemissiondeliversmostofthecurrent.d)Comestoslowtransitionfromalowpressuretoahighpressure.光源原理与设计—高压汞灯

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2.影响Vs的因素a)TambPenningEffectb)电极发射性能与几何尺寸c)杂质气体H2的危害(H2对石英有渗透效应)H2+Ar*2H+Ar破坏Penning效应H2+Hg*2H+Hg破坏阶梯电离一般Es=4v/cm•Torr400wlarc=6.5cmPAr=20TorrVs=520v光源原理与设计—高压汞灯

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3.降低Vs的措施a)主电极的合理设计①电子发射材料的选择碱土逸出功1.6eVBaZrO3(1.63eV)Ba3WO6Ba2CaWO6+Ba2CaMoO6常用<2.07钡钨类电极(T电=1500~1900oC)电子粉圈杆(钍)钨dl光源原理与设计—高压汞灯

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②电极的几何尺寸芯杆：直径、伸出钨圈长度钨圈（热辐射体，贮电子粉）：直径、圈数辐射体保证足够高的温度使2BaWO6+W3BaWO4+3Ba辐射体温度太高，蒸发大光源原理与设计—高压汞灯

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芯杆伸出太长，T尖高，Ba损失大；伸出太短，电弧接触钨圈部位，蒸发大合理的尖端温度和辐射体温度b)加辅助电极(可降低50%的Vs值)辅助电极(1~2mm)R30~40kΩc)改善低温启动的措施充Ne-Ar潘宁气体，降低限流电阻R=10kΩ，双辅助电极，加吸气剂光源原理与设计—高压汞灯

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四.影响寿命的因素1.启动时阴极溅射造成的emitter损耗a)电极材料与几何尺寸b)启动电流的大小Is----启动电流

Io---工作电流Is=1.5Ioc)电源的频率2.正常燃点时的蒸发光源原理与设计—高压汞灯

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3.惰性气体的影响(Pd关系)4.管壁负载Ws的影响Tw不能太高（析晶），Ws=9~10W/cm25.工艺的影响水汽H2oH+O电极处理Quartz质量光源原理与设计—高压汞灯

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五.用途1.大面积照明优点：η=50，发光体小，价格便宜缺点：光色偏蓝紫Ra=15~202.强紫外光源

253.7365.0312.1296.7nm光源原理与设计—高压汞灯

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光源原理与设计—高压汞灯

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6.3荧光高压汞灯与自镇流高压汞灯一.荧光HPMa)提高η粉：卤粉253.7489nmb)提高Ra粉：氟锗酸镁粉：625.0~675.0nmc)提高η和Ra粉：钒酸钇粉618nmYAGCe铝酸钇(蓝)435.8560(黄)光源原理与设计—高压汞灯

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二.自镇流荧光HPM优点：光色改善，使用方便，成本低缺点：光效低，H短光源原理与设计—高压汞灯

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热辐射+GD光源原理与设计—高压汞灯

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6.4超高压汞灯光源原理与设计—高压汞灯

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一.投影系统中亮度是光源的第一重要指标.提高功率输入密度增加J增加E(正比于PHg)二.超高压汞灯的结构超高压HPM与一般HPM灯结构与特性不同的原因光源原理与设计—高压汞灯

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a)球形超高压汞灯结构larc>8mm,对流稳定型larc<8mm,电极稳定型极距Hg+Ar1.球形超高压汞灯：增加单位弧长对应的表面积光源原理与设计—高压汞灯

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E正比于PHgE和关系不明显

E=J/eneµeISarcJ基本不变L的经验公式b)特性c)启动加速方法：充0.5~2atm的Xe球形横点椭球形竖点光源原理与设计—高压汞灯

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2.毛细管超高压汞灯石英d=1~3mm管壁稳定型灯管成毛细管钨组玻璃过渡玻璃Hg+Ar5kPa石英漏磁变压器光源原理与设计—高压汞灯

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*UHP光源多媒体投影仪背投TVCRTLCD光源，微型卤钨灯CCFLLCOS光源：MH,UHPPDP(PlasmaDisplayPanel)显示方式光源原理与设计—高压汞灯

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一.LCOS的工作原理对投影光源的要求和比较UHP1.0~1.5mm较差60≥6×103100~2001000~1500/cm弧长(mm)色彩光效(lm/w)寿命(h)功率(w)功率密度(Pl1)MH3.0~3.5较好60<3000200~350700~1000W/cm光源原理与设计—高压汞灯

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要求：①高亮度②长的寿命③寿命期间保持光色的稳定性④安全和方便使用ProjectionSet①verybigimages②excellentimagequality③lowvolumeandweightAdvantages光源原理与设计—高压汞灯

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ProfessionalPresentation①variableimagesize②animationeffectsHomeTV①frontandrearprojector②screendiagonal125cmandmore③lowsetdepth<30cmpossible④noheavyandbigCRTtube光源原理与设计—高压