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1、光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌第一章第一章 绪论绪论光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌一一.光源的定义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。称为光源。1.能量的形式能量的形式 热能热能 化学能化学能 生物能生物能 电能电能电光源电光源光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌2.转换方式转换方式 加热辐射（加热辐射（eg白炽灯）白炽灯）热辐射光源热辐射光源连续谱连续谱 原子激发辐射原子激发辐射线光谱线光谱 带电粒子的速度变化（轫致辐射）带电粒子的速度变化（轫致辐射）连续谱连续谱3
2、.光学波段光学波段光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌 可见光区可见光区 380780 nm 红外光红外光近红外区近红外区 7801500 nm中红外区中红外区 1500110 nm4远红外区远红外区 110 110 nm46光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌 紫外光紫外光真空紫外真空紫外 1200 nm远紫外远紫外 200300 nm近紫外近紫外 300380 nm紫外紫外A区区 UVA 400315 nm 化学线化学线 黑斑线黑斑线紫外紫外B区区 UVB 315280 nm 健康线（红斑线）健康线（红斑线）紫外紫外C区区 UVC 280200 nm 灭菌线灭菌线光
3、源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌二二.光源发展简史光源发展简史1.第一代光源第一代光源白炽灯白炽灯碳丝白炽灯碳丝白炽灯 1879(Edison)1.43 几小时几小时锇丝白炽灯锇丝白炽灯 1898 55.5 几十小时几十小时钨丝白炽灯钨丝白炽灯 1907 58 几百小时几百小时真空钨丝白炽灯真空钨丝白炽灯 1910 89 接近一千小时接近一千小时充充N2螺旋钨丝白炽灯螺旋钨丝白炽灯 1913 11充充Ar(Kr,Xe)钨丝白炽灯钨丝白炽灯 1917 12充充Ar(Kr,Xe)双螺旋钨丝白炽灯双螺旋钨丝白炽灯 14 碘钨灯碘钨灯 1959 30 溴钨灯溴钨灯 1964 32光效光效
4、寿命寿命光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌2.第二代光源第二代光源荧光灯荧光灯霓虹灯霓虹灯(Neon lamp)1910 用于广告用于广告汞蒸汽放电灯汞蒸汽放电灯 1930 38 差差荧光灯荧光灯(卤粉卤粉)1935 40 好好涂钒酸钇荧光粉灯涂钒酸钇荧光粉灯 1967 65 好好细管径荧光灯细管径荧光灯(T12T8T5)1973 85 好好异型荧光灯异型荧光灯(CFC)1977 代替白炽灯代替白炽灯Ra光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌3.第三代光源第三代光源钠灯与金卤灯钠灯与金卤灯低压钠灯低压钠灯 1932 40 差差外壳涂红外反射层的低压钠灯外壳涂红外反射层的
5、低压钠灯 1965 200 差差高压钠灯高压钠灯 1965 150 差差钠钠-铊铊-铟灯铟灯 1961 75 好好镉镉-钬钬-铥灯铥灯 1971 90 很好很好95络合物络合物(Sc-Na)金卤灯金卤灯 1976 80 65无极放电灯无极放电灯 寿命长寿命长Ra光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌三三.光源的参量光源的参量1.技术参量技术参量 光通量光通量 F(lm)功率功率 P(w)寿命寿命 H(hrs)全寿命全寿命 从亮到熄从亮到熄有效寿命有效寿命 F衰减到初始值的一定比例衰减到初始值的一定比例光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌2.运行参量运行参量 光效光效 (l
6、m/w)1 转换成辐射的功率占总功率的比例转换成辐射的功率占总功率的比例 2 辐射中可见辐射的比例辐射中可见辐射的比例每单位输入功率产生的光通量每单位输入功率产生的光通量光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌光源的颜色光源的颜色色表色表:人眼观察光源颜色时的舒适程度人眼观察光源颜色时的舒适程度(与背景光有关与背景光有关)色温色温照度照度 E(lux)房间房间 E150lux Tc500lux Tc6000K光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌显色性显色性:被照物体本色被光源显色的程度被照物体本色被光源显色的程度指标指标:Ra太阳光下最大太阳光下最大,为为100钠灯钠灯 2
7、8 高压汞灯高压汞灯 40价格价格光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌四四.光源的分类光源的分类1.以放电类型分类以放电类型分类辉光放电辉光放电,弧光放电弧光放电2.以工作气压分类以工作气压分类低气压低气压,高气压高气压,超高气压超高气压3.以工作气体种类分类以工作气体种类分类汞灯汞灯,荧光灯荧光灯,惰性气体惰性气体,金属蒸汽金属蒸汽光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌4.按用途分类按用途分类5.按灯种类分按灯种类分按发光原理按发光原理热辐射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌电光源电光源固体光源类固体光源类气体放电灯类
8、气体放电灯类钨丝灯类钨丝灯类白炽灯白炽灯(普灯普灯)卤素灯卤素灯荧光灯类荧光灯类高强度气体放电灯高强度气体放电灯(HID)类类无极灯无极灯高压汞灯高压汞灯高压钠灯高压钠灯金属卤化物灯金属卤化物灯 直管直管/环形日光灯环形日光灯紧凑型节能灯紧凑型节能灯发光二极管发光二极管(LED)光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌五五.光源的应用光源的应用1.照明照明体育场照明体育场照明,泛光照明泛光照明2.加热加热3.光化学光化学照像照像,加快化学反应速度加快化学反应速度光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌4.光生物光生物杀菌杀菌,保健保健,光合作用光合作用5.高科技高科技模拟室模拟
9、室,光电效应光电效应,军事军事(夜视仪夜视仪)LCOS PDPDBD光源原理与设计光源原理与设计绪论绪论诸定昌诸定昌References:1.“电光源原理引论电光源原理引论”蔡祖泉等蔡祖泉等(1988)2.“气体与真空中电现象气体与真空中电现象”卡普卓夫卡普卓夫(1952)3.“Light Sources”Elenbass (1972)4.“Gas Discharge Lamp”光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌第二章第二章 白炽灯白炽灯光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌白炽灯主要特性：白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉使用方便，外型多样，价格低廉
10、=815 lm/w H=1*103 小时小时灯丝色温灯丝色温 Tc=27002900K(灯光黄）灯光黄）Ra100光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.1 热辐射的性质光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、热辐射的定义（温度辐射）一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射因温度而产生的辐射TE（thermal Equilibrium)热力学平衡状热力学平衡状态态LTE（local thermal Equilibrium)局部局部热力学平衡状态热力学平衡状态光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、基尔霍夫定律（二、基尔霍夫定律（Kirchh
11、olf Law)1.光辐射出度光辐射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S 单位（W/m2)Pe单位时间辐射的能量。2.光谱辐射出度光谱辐射出度M M（,T),T)M（,T)=dMe(T)/d=dPe(T)/Sd光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌3.光谱的吸收率光谱的吸收率(,T)(,T)=dPe(,T)=/dPe(,T)4.Kirchholf Law光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、黑体辐射的基本性质三、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。B（,T)1光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白
12、炽灯诸定昌诸定昌2.普朗克公式普朗克公式MB(,T)=C1-5exp(C2/T)-1-1 其中其中C1=2hc2=3.74*10-16(W m2)C2=hc/kB=1.44*10-2(m K)当当不是很大，不是很大，T不是很高时不是很高时 MB(,T)=C1-5e-C2/T讨论：1）TMB 2）Tmax(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 光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌3斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 MeB(T)=0MB(,T)d=SBT4 SB=5.67*10-8W/(m2 K4)4维恩位移定律维恩位移定律 m T=b=2.
13、89779*10-3(mK)光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌四、实际表面的辐射四、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M(,T)总是比黑体的MB(,T)小。定义光谱发射率：(,T)=M(,T)/MB(,T)1光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.2 白炽灯的结构与材料光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、结构一、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求二、对白炽辐射体（灯丝）的要求1.熔点高熔点高2.蒸发率蒸发率V小小 影响V的因素 Tf 自身的蒸汽化 环境气氛灯丝的结构3.可见辐射选择性好可见辐射选择性好4.机械
14、强度高，易加工机械强度高，易加工5.有适当的电阻率有适当的电阻率三、钨的主要性质三、钨的主要性质 光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.3真空白炽灯中的基本物理现象真空白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、真空白炽灯的光效一、真空白炽灯的光效Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗）实际中Pc（38）%Pin光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌1.理想直钨丝灯的光效理想直钨丝灯的光效 Pc=0光效 0=KmMB(,T)(,T)V()d /MB(,T)(,T)d2.实际灯丝的光效实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使下
15、降。=0/，（遮挡因子），=1.121.15光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命二、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=1/4 nV=n(kT/2m)单位时间单位表面沉积的钨质量为：Vap=0N1m =0 n(kTm/2)=0.060P/T0.5光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.蒸发率与灯寿命的关系温度温度T T（K K）V Vapap（g/cmg/cm2 2*s*s）H(hr)H(hr)V Vapap*H*H 2200 2200 2.24*102.24*10-12-12
16、 7.2*107.2*104 4 5.8*105.8*10-4-42400 2400 1.38*101.38*10-10-10 1.14*101.14*103 3 5.5*105.5*10-4-4 2600 2600 4.17*104.17*10-9-9 3.86*103.86*101 1 5.8*105.8*10-4-4 3000 3000 1.05*101.05*10-6-6 0.15 0.15 5.7*105.7*10-4-4 可以看出 Vap*H=const实验：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌a)灯丝质量损耗临界百分比灯丝质量
17、损耗临界百分比G直直G直直=H内蒸发的质量内蒸发的质量/灯丝原有总质量灯丝原有总质量=4Vap H/dfG直直1/df df灯丝直径灯丝直径b)螺旋灯丝的损耗临界百分比螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺螺G螺螺（5060）%G直直光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、总结 基本矛盾 T（MeT4）TVapH Tf=23002600K H=1*103hrs =810lm/W光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.4充气白炽灯中的基本物理现象充气白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、气体稳定层一、气体稳定层 在炽热的灯丝附近，气体
18、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。光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌 二、充气对抑制钨蒸发的作用二、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。光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、充气的热损失三、充气的热损失单位长度灯丝损失功率：Pc=-2r(dT/dr)整个灯丝损失功率：Pc=Pclf lf灯丝的长度 讨论：影响Pc的因素 1）充气气体的种
19、类2）充气压力3）lf4）df光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌 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。光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌四、本节结论四、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
20、源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.5白炽灯灯丝的设计白炽灯灯丝的设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、统一公式一、统一公式1.灯丝参数灯丝参数a)直线型灯丝 直径d 长度l b)单螺旋灯丝 直径d 长度l 螺距系数Ks=S/d 芯丝系数 Kc=dc/d c)双螺旋灯丝 直径d 长度l 第一螺距系数Ks1=S1/d 第一芯丝系数 Kc1=dc1/d 第二螺距系数Ks2=S2/(2d+dc1)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光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2灯丝的计算灯丝的计算能量平衡方程Pl=Pr
21、+Pc+Ph白炽灯钨丝直径和长度的统一公式光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、经验公式二、经验公式钨丝份量 Q200=/4*d2 *200*d=kQ200 (mm)三、外推公式三、外推公式修正灯泡的一些参数 四、误差百分比计算公式四、误差百分比计算公式五、设计中注意的问题五、设计中注意的问题光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.6白炽灯的运用特性白炽灯的运用特性 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。光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、运用参量一、运用参量1高色温
22、白炽灯高色温白炽灯 主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。Tc3200K =30 H=50100hrs2普通照明灯普通照明灯 一般照明一般照明=1020 Tc=26003000K H1*103hrs 3红外线灯红外线灯 用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。10 Tc2500K H1*103hrs光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、白炽灯的指数特性二、白炽灯的指数特性H寿命 F光通量 光效 V灯电压 I电流P功率 R电阻光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、指数特性的应
23、用三、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光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.7白炽灯的发展方向白炽灯的发展方向光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、探索新的灯丝材料一、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，以及使二、改善灯丝材料的结构，以及使周围的介质环境更理想化！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IRC technologyThin film multilayer coati
24、ngs(Filter)Stack ConstructionWavelengthHigh refractiveindexLow refractiveindexSubstrate(glass bulb)glass bulbSiO2SiO2SiO2/2TransmittanceSiO2/TiO2 StackWavelenght nm光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、绿色照明的含义三、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。光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌谢 谢 观 看！光源原理与设计光源原理与设
25、计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌第三章第三章 卤钨灯卤钨灯光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌3.1卤钨循环原理卤钨循环原理光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌一、卤钨循环的要求一、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 WXnW+nX二、卤钨循环的定义二、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。光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌三、卤钨循环的温度条件三、卤钨循环的温度条件化学反应平衡常数Kp1（高温下）反应向左，有利于分解Kp1（低温下）反应向右，有利
26、于复合Kp=1 左右速率相同光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌1反转温度（反转温度（T反反）的定义）的定义Kp（T）=1对应的温度，称为反转温度。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）光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌2.温度条件温度条件1）TfT反,分解2）TwT反,合成3）TwT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。光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌3.2 卤钨循环剂
27、卤钨循环剂光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌碘碘 溴溴 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 光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌3.3卤钨灯的结构和制造卤钨灯的结构和制造光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌一、外壳材料的几何尺寸一、外壳材料的几何尺寸1.石英石英 红外灯：Ws=1520w/cm2 照明灯：Ws=2025w/cm2 高色温灯：Ws=2530w/cm2 2.高硅氧玻璃（拜科）高硅氧玻璃（拜科）Ws=2025w/cm2 3.硬玻璃硬玻
28、璃 Ws=1015w/cm2光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌二、灯丝与外壳的气密封接二、灯丝与外壳的气密封接1.利用钼箔的延展性实现利用钼箔的延展性实现“非匹配非匹配”封接封接锲型 钼箔宽度2A/mm 钼箔长度79mm 钼杆直径 J=510A/mm2 2.钼杆与铝硅玻璃的匹配封接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。光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌三、灯丝三、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
29、计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌四、最佳充气压四、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、红外反射膜五、红外反射膜多层介质干涉膜 光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌3.4卤钨灯的应用卤钨灯的应用光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌一、卤钨灯的光效和寿命一、卤钨灯的光效和寿命 1.光效光效卤钨灯 Tf=31003500K=2034lm/w 充气白炽灯 Tf=27003050K=1418lm/w 真空白炽灯 Tf=23002600K=810lm/w 光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨
30、灯诸定昌诸定昌2寿命寿命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光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌二、卤钨灯的燃点位置二、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。光源原理与设计光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌三、应用领域三、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光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌四、发展方向四、发展方向1。新的外壳
31、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光源原理与设计卤钨灯卤钨灯诸定昌诸定昌谢 谢 观 看！第四章第四章 气体放电的基本原理气体放电的基本原理光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌4.1 气体放电的辐射气体放电的辐射光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌自持放电条件自持放电条件(e -1)=1dVAd光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌KA一一.辐射的形成方辐射的形成方式式1.激发态粒子回到低能级态激发态粒子回到低能级态(基态基态)时的自发时的自发 (受激受激)辐
32、射辐射线光谱线光谱E=h2.正负带电粒子的复合辐射正负带电粒子的复合辐射 连续谱连续谱3.带电粒子的减速产生的轫致辐射带电粒子的减速产生的轫致辐射光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌二二.线光谱线光谱hnm=En-Em=eVnm=hc/nmnm=1239/VnmVV nmnmE0EmEnE光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌hmnhn01.不同元素的能级不同，其辐射的波长不同不同元素的能级不同，其辐射的波长不同 选择性强选择性强2.共振辐射的效率共振辐射的效率(特别是第一共振态特别是第一共振态)最高最高3.能级之间
33、的跃迁服从选择定则能级之间的跃迁服从选择定则4.线光谱辐射的功率密度线光谱辐射的功率密度Pnm光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌定义定义 Pnm=nn Anm hnmAnm 从从nm跃迁几率跃迁几率LTE下下 nn由由Boltzmann分布描述分布描述nn=n0 gng0exp(-)EnKTPnm=n0gng0Anm hnmexp(-)KTEnPnm：压力：压力p(n0)，温度，温度 T，能级性质，能级性质(En,Anm)光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌5.可见辐射的可见辐射的E范围范围E En-EmE123
34、9380780E1.7ev(780nm)3.2ev(380nm)光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌三三.分子的带状光谱分子的带状光谱EEeEvErEEeEvEr=E hEeEvErh=光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌以以E e为主为主分辨率不高时，为带状光谱分辨率不高时，为带状光谱分辨率高时，有很多条谱线分辨率高时，有很多条谱线大部分光谱在可见区及紫外区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：光效和寿命热辐射光源矛盾：光效和寿命光源原理与设计光源原
35、理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌四四.连续光谱连续光谱e+AA+Ea)h=E=Ei-Em+12meve2Ve=0为连续谱为连续谱EEiEm12meve2光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌1.复合辐射（复合辐射（f-b跃迁）跃迁）因为慢电子浓度高因为慢电子浓度高(maxwell)而且更容易与而且更容易与正电子复合正电子复合当当v=0时时0=Ei-Emh为频率下限为频率下限c)辐辐射总功率射总功率PcrZ ne Te 42-3/2光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌b)连续谱的特征连续谱的特征
36、EEmEnhh0f-bf-fmeve2-meve2meve21212122.轫致辐射轫致辐射(f-f跃迁跃迁)e+A+A+e+Ea)h=12me(Ve -Ve )b)可证可证 Pcb Z ne Te 2222-1/2光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌3.连续光谱产生的特点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)放电蒸汽元素的放电蒸汽元素的Z越大，连续光谱越强，且越大，连续光谱越强，且 以复合辐射为主以复合辐射为主c)高温下，连续光谱以轫致辐射为主高高温下，连续光谱以轫致辐射为主高光源原理与设
37、计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌五五.气体放电光源辐射的特点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工作温度不受灯丝材料性质的限制2.辐射光谱可选择辐射光谱可选择3.寿命大大高于热辐射光源，光维持性好寿命大大高于热辐射光源，光维持性好4.基本矛盾基本矛盾 -Ra 光谱放宽光谱放宽光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌4.2 光谱线的轮廓和放宽光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌一一.光谱线的轮廓光谱线的轮廓 光强度在一定波长区内光强度在一定波长区内都有分布的现象，称光谱
38、线都有分布的现象，称光谱线的放宽。其分布的形状就称的放宽。其分布的形状就称为谱线的轮廓。为谱线的轮廓。IcImax0hI光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌Prof.总强度It=Id1.产生放宽的机理产生放宽的机理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：压力放宽外界原因：压力放宽2.光谱线轮廓的类型光谱线轮廓的类型光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌a)定义定义Prof.=II tIIdI=It*Prof.Id=ItProf.d=ItProf.d=ItProf.
39、d=1 “归一化归一化”性质性质=光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌以频率以频率表示表示Prof.=c2Prof.以以表示表示Prof.=12Prof.光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌b)色散型色散型(洛仑兹力洛仑兹力)轮廓轮廓Prof.=2 1(-0)+()2c)高斯型轮廓高斯型轮廓 Prof.=()exp-4Ln24Ln2(-0)2222221光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌二二.谱线的自然宽度谱线的自然宽度tt+dtdnn=-Anm nn dtNn(t)=nn
40、0e-Anmt=nnoe-t/nnm为跃迁的时间常数，是为跃迁的时间常数，是Anm的倒数的倒数光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌初始条件：初始条件：t=0 n|t=0=nn0海森伯海森伯(Heisenberg)测不准原理测不准原理Enm=h/2=h1.定义：激发态原子寿命的不确定性引起能量的定义：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。不确定性，由此造成的谱线放宽称自然宽度。2.轮廓类型轮廓类型色散型色散型光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌三三.谱线的多普勒放宽谱线的多普勒放
41、宽1.定义：多普勒放宽定义：多普勒放宽静止：静止：运动：运动：0=c0 =c+vx0=c0+vx0=0+0 vxc-0 0=vxc=02.轮廓类型轮廓类型 Gausstype光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌观察者VVx四四.谱线的压力放宽谱线的压力放宽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辐射状态受干扰而产生的谱线放宽称压力放 宽。宽。a)共振放宽：同种原子对激发态原子的干扰共振放宽：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范德瓦尔斯放宽：不
42、同种类原子对激发态原 子的干扰子的干扰c)斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰斯塔克放宽：带电粒子对激发态原子的干扰光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌2.轮廓的类型轮廓的类型 色散型色散型a)Lorentz理论：干扰下停止辐射理论：干扰下停止辐射b)Lentz-Weisskof理论：干扰时辐射的理论：干扰时辐射的 频率发生变化频率发生变化c)Lindholm理论：干扰时相位产生位移理论：干扰时相位产生位移光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌Reference:1.W.Newman:Spectrosopic Me
43、thods of Plasma Diagnostics2.统计物理学导论统计物理学导论3.原子光谱学和激发光谱学原子光谱学和激发光谱学光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌4.3 辐射转移辐射转移光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌一一.光谱的发射系数和吸收系数光谱的发射系数和吸收系数1.跃迁过程的分类跃迁过程的分类 自发辐射跃迁自发辐射跃迁 跃迁几率跃迁几率 Anm 吸收跃迁吸收跃迁 吸收跃迁几率吸收跃迁几率 BmnB()感应辐射跃迁感应辐射跃迁 感应跃迁几率感应跃迁几率 BnmB()光源原理与设计光源原理与设计气
44、体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌nm自发辐射吸收感应辐射平衡下：平衡下：Anmnn+BnmB()nn=BmnB()nm1LTE下：下：nnnm=gngmexp(-)KThnm联立解有：联立解有：B()=AnmBnm1gmBmngnBnmehKT-12光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌由由planck公式：公式：B()=8hc33eKT-1h1所以所以8hc33BnmAnm=gmBmn=gnBnm32光谱的发射系数光谱的发射系数光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌定义：定义：=dtdVddd E4=+
45、si4自发辐射自发辐射 感应辐射感应辐射有：有：=s41nn Anm hProf.5光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌由由5和和6得：得：对应：对应：=i41nn BnmB()hProf.c1nn Bnm LB hProf.=6其中：其中：LB=4cB()si=c22h3LB 7光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌平衡下：平衡下：41nn Anm hProf.c1nn Bnm LB hProf.+c1nm Bmn LB hProf.=8光谱的吸收系数：光谱的吸收系数：K=-dLLdxdL=L-L定义：定义：其中其
46、中光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌xx+dxLL物理意义：物理意义：L(x)=L(0)e-Kx由基尔霍夫定律：由基尔霍夫定律：LB=K=2 hc23eKT-1h19平衡下：平衡下：=+=K LB si对应对应8式：式：Kc1nn Bmn hProf.=10光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌0 x x0L(0)L(x)对某一谱线：对某一谱线：L=line d=s41nn Anm hc1nn Bnm LB hL=line d=siiKL=line K d=c1nm Bmn h光源原理与设计光源原理与设计气体放电的
47、基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌若把若把看作负吸收，有总的吸收系数看作负吸收，有总的吸收系数Ki+=K LB平衡下：平衡下：siK LB=s所以：所以：K LB K LB ic1nm Bmn LB hProf.=c1nn Bnm LB hProf.-光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌=c1nmBmn LB hProf.(1-)nmBmnnnBnm=K LB(1-e )KTh-11nnnm=gngmexp(-)KThgmBmn=gnBnmK LB=K LB(1-e )h-KT12光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌
48、诸定昌+=K LB eh-KTK LB=h-KTe13二二.辐射转移方程辐射转移方程dL(x)=(x)dx-K(x)L(x)dx dL(x)dx=(x)-K(x)L(x)1光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌L(0)L(x)L(x0)L(x+dx)0 x x+dx x0单位面积1.(x)=0dL(x)dx=-K(x)L(x)dL(x)L(x)=-Kdx2在在 0 x和和 L(0)L(x)间积分间积分L(x)=L(0)exp(-K(x)dx)0 x离开等离子体的辐亮度：离开等离子体的辐亮度：L(x0)=L(0)exp(-K(x)dx)0 x0光源原理与设计
49、光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌342.(x)0设试解：设试解：L(x)=u(x)exp(-K(x)dx)x0 x代入后解得：代入后解得：+L(0)exp(-K(x)dx)0 x0L(x0)=(x)dx exp(-K(x)dx)0 x0 xx0光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌5三三.以光性厚度为变量的辐射转移过程以光性厚度为变量的辐射转移过程定义：定义：K(x)dx为为xx0区间的光性厚度区间的光性厚度辐射转移方程辐射转移方程1可写为：可写为：dL(x)dx=(x)-K(x)L(x)dL(x)dxdddL(x)d-K(x
50、)光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌xx0dL(x)d=L(x)-(x)K(x)=L(x)-S(x)6S(x)=(x)K(x)=2 hc23eKT-1h1光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的基本原理诸定昌诸定昌代试解：代试解：L()u()eL()-S()e d-(,0)+L(0)e e-(,0)离开离开plasma时：时：L(x0)S()e d(,0)+L(0)e -(,0)0讨论均匀的讨论均匀的plasma条件：条件：L(x0)L(0)e +S()1-e -(,0)-(,0)光源原理与设计光源原理与设计气体放电的基本原理气体放电的