1、光源與照明基礎知識一：光源的特性參量1光源的輻射特性光是一種電磁波，它的波長區間從幾個nm（1nm=10-9m）到1mm左右。人眼能看見的只是其中一部分，稱為可見光。光除具有波動性之外，還具有粒子性。2照明光源的光學特性照明光源的光學特性必須用基于人眼視覺的光量參數描述。121光強度、光通量、光照度和光亮度A：光通量光源在單位時間內所發出的光量稱為光源的光通量，單位Lm（流明）。B：光強度光源在給定方向的單位立體角中發射的光通量定義為光源在該方向的光強度，光強的單位是cd（坎德拉、燭光）C：光出（射）度和光照度光源的光出（射）度就是光源上每單位面積向半個空間發出的光通量，光出度在數值上等于通過

2、單位面積所傳送的光通量。表示表面被照明程度的量稱為光照度，它是每單位 面積上受到的光通量數。光出度和光照度的基本單位都是Lm/m2D：光亮度光源在給定方向上的光亮度也就是它在該方向的單位投影面上光強度，光亮度的基本單位是nt（尼特）。122光源的色溫和顯色性作為照明光源，除了要求發光效率高之外，還要求它發出的光具有良好的顏色。光源的顏色有兩方面的意思：色表和顯色性。人眼直接觀察光源時所看到的顏色，稱為光源的色表。顯色性是指光源的光照射到物體上所產生的客觀效果。如果各色物體受照的效果和標準光源（黑體或重組日光）照射時一樣，則認為該光源的顯色性好（顯色指數高）；反之，如果物體在受照后顏色失真，則該

3、光源顯色性就差（顯色指數低）。4光源的電氣特性和壽命141光源的電氣特性在測量光源的光學特性的同時常常要求測量光源的電氣特性。對白熾燈來說，其電參數為流經燈管的電流、燈管上的電壓降及燈消耗的功率。對氣體放電燈，情況比白熾燈復雜。對工作于交流的氣體放電燈，電功率等于VIcos，cos稱為燈的功率因數。在進行測量之前，燈必須經過100h的老煉，以使其特性穩定。在測量過程中，燈的參數受到眾多因素的影響，所以有必要對諸如環境溫度、通風條件、點燃位置、電源頻率以及燈的接線方式等實驗條件加以控制。142燈和壽命燈的壽命是評價燈的性能的一個重要指標。燈的壽命有全壽命和有效壽命之分。燈從點燃到不能工作的時間稱

4、為燈的全壽命。有效壽命則是根據燈的發光性能來定義的。當燈所發出的光下降到其初始值的80%（或70%）時，它所已經點燃的時間被定義為它的有效壽命。二：白熾燈現在廣泛使用的鎢絲燈就是利用熱輻射現象做成的光源，黑體輻射也屬于熱輻射的范疇。1黑體輻射的基本規律所謂黑體，就是指這樣一種物體，它能夠在任何溫度下將輻射到它表面上的任何波長的能量全部吸收。任何輻射體的光譜輻射出其不意度都比黑體的小。理想的黑體是沒有的，但是可造出與其性質極相似的物體。2白熾燈的材料與結構它由燈絲、支架、引線、泡殼和燈頭幾部分組成?，F在大部分白熾燈泡內都充氬、氮或氬氮混合氣體，只有少數小功率燈泡是真空的。白熾燈是根據熱輻射原理制

5、成的，通常它是靠電能將燈絲加熱至白熾而發光。用作燈絲的材料應滿足以下幾方面的要求：A）熔點高。B）蒸發率小。C）可見輻射選擇性好。D）有合適的電阻率。E）加工容易。F）機械強度好，使用時耐振動和沖擊。鎢有正的電阻特性，在工作溫度時的電阻遠大于冷態（20c0）時的電阻。一般白熾燈燈絲的熱電阻是冷電阻的1216倍，所以在燈啟動時有較大的電流通過。泡殼也是白熾燈的重要組成部分。泡殼通常采用鈉鈣玻璃，大功率燈用耐熱性能好的硼硅酸鹽玻璃。對于泡殼可作多種特殊處理以滿足照明要求。在白熾燈中，采用杜鎂絲與鉛玻璃芯柱實現匹配封接。外導線以銅或鍍銅鐵為主。為防止燈絲燒斷時產生電弧，在外導絲上串接鎳系合金保險絲。

6、燈頭是白熾燈的電連接和機械連接部分，按形式和用途主要可分為螺口式燈頭、插口式燈頭、聚焦燈頭以及各種特種燈頭。在普通白熾燈中充氬氮混合氣體，氮的主要作用是防止燈泡產生放電。混合氣的比例根據工作電壓、燈絲溫度和導入線之間的距離而定。對220V的燈，Ar的百分比為8488%，N2的百分比為1612%；對100V的燈，Ar的比例可上升到8895%，N2的比例下降到125%。充氣壓為8087Kpa。消氣劑也是白熾燈的一種重要材料。它能吸收燈中的大量氧氣、水汽等雜質氣體。白熾燈中最常用的消氣劑是紅磷，五氮化三磷也是一種非常有效的消氣劑。在大功率白熾燈中也有用鋯粉和鋯鋁16合金作為熱消氣劑的。23白熾燈的充

7、氣問題通過大量的實驗工作，發現在燈泡中充入氬、氮等氣體，可以有效地抑制鎢的蒸發，從而可以使燈絲的提高到27003000K。但由于所充氣體的熱傳導和熱對流造成的附加熱損失，即所謂氣體損失，燈的光效比同樣溫度的真空泡低。充氣能抑制鎢的蒸發，所充氣壓越高，效果越好。因所充氣體的熱導作用，燈損失功率Pc，當氣壓增加時，這部分功率損失也增加。這一作用與充氣的前一效果是相反的。所充惰性氣體的分子量越大，抑制鎢蒸發的效果越好，氣體的熱導損失也越小。充氣燈中應采用螺旋形燈絲，因為縮短燈絲長度對延長壽命和減少熱導損失都是有益的。三：鹵鎢燈在充氣白熾燈中鎢仍然是要蒸發的，只不過速度減慢而已。鎢的蒸發即然是不可避免

8、的，那么是否可以采取措施讓蒸發出來的鎢形成易于揮發的化合物，而這些化合物在燈泡附近分解，讓鎢重新回到燈絲上去。如果這樣的話，鎢絲的工作溫度和光效就可大大提高，而泡殼在點燃過程中并不發黑。氟、氯、溴、碘各種鹵素都能夠產生鎢的再生循環，它們之間的主要區別是發生循環反應所需的溫度以及與燈泡內其它物質發生作用的程度有所不同。在適當的溫度條件下，從燈絲蒸發出來的鎢在泡壁區域內與鹵素反應形成揮發性的鹵鎢化合物。當鹵鎢化合物擴散到溫度較熱的燈絲周圍區域時又分解成鹵素和鎢，釋放出來的鎢部分回到燈絲上，而鹵素再繼續擴散到溫度較低的區域與鎢化合，這一過程稱為鹵鎢循環或再生循環。鹵鎢燈的管壁溫度不應高于所使用的鹵素

9、的反轉溫度。在接近燈絲的高溫區域，鹵鎢化合物分解，釋放出來的鎢在燈絲周圍形成原子云，部分鎢沉積到燈絲上。不幸的是，在大多數情況下這些鎢并不是回到它們原先蒸發出來的地方，即“熱點”處；而是沉積在靠近支架和尾部等處燈絲的較冷部位。但大家知道，在白熾燈中燈絲燒斷的一個主要原因是熱點發展的結果。經驗指出，燈絲的蒸發總是不均勻的。由于某種原因，例如化學成分的不均勻，鎢絲某一部分的電阻率比其他部分高，這導致鎢絲的這一小部分溫度高于其他部分，形成熱點。而鎢絲的蒸發速度隨溫度指數上升，熱點的直徑就比燈絲其他部分減小得快。這樣，熱點溫度更快上升，直至熔點，鎢絲便燒斷。從這一過程來看，要延長燈絲壽命，必須使鎢通過

10、循環回到熱點上；而這一點碘、溴、氯的再生循環是不能做到的，所以這三種鹵素的循環并不直接延長燈絲的壽命。只有氟鎢循環是例外。鎢的氟化物穩定性很高，它的分解溫度比其他鎢的鹵化物都高，到3400K時它才開始明顯地分解。這就是說，鎢的氟化物只在燈絲的熱點處分解，分解出來的鎢當然就回到熱點上。這樣，氟鎢循環就抑制了熱點的發展，延長了燈絲的壽命。有人做過這樣的實驗：故意用一根粗細不勻的鎢絲做燈，在燈中采用氟循環劑，發現點燃一段時間后，鎢絲變得均勻了。由此可見，從消除熱點的角度來看，氟鎢循環可以使白熾燈絲有無限長的壽命。為了使管壁處生成的鹵化鎢處于氣態，管壁溫度要比普通白熾燈高得多。相應地，鹵鎢燈的泡殼尺寸

11、就更小得多。例如，500W鹵鎢燈的體積只是通常的白熾燈的1%。這時，普通玻璃承受不了，必須使用耐高溫的石英玻璃或硬玻璃。由于泡殼尺寸小，強度高，燈內允許的氣壓就高，加之工作溫度高，故燈內工作氣壓要比普通充氣燈泡高很多。既然在鹵鎢燈中鎢的蒸發受到更有力的抑制，同時鹵鎢循環消除了泡殼的發黑，燈絲的工作溫度和光效就可大為提高，而燈的壽命并不縮短。當然，如果燈絲的工作溫度不變，燈的壽命就會大為延長。鹵鎢燈有消除泡殼發黑和提高光效（或延長壽命）的長處，但也有不足的一面。鹵鎢燈燈絲的絲腳或燈絲的支架的溫度比燈絲中央部分低。在這些比較冷的區域反應可能朝著生成鹵鎢化合物的方向進行。這樣，這些絲腳、支架就會被腐

12、蝕、損壞。從反應的平衡圖可以看出，鹵鎢化合物的穩定性按碘溴氯的次序增加（Kp增大），這說明在燈內比較冷的區域，溴對絲腳、支架的腐蝕比碘嚴重，而氯的化學腐蝕比前面兩種鹵素更厲害。碘是最早采用的鹵鎢循環劑，以后又陸續采用溴、溴化氫和鹵素的碳氫化合物等作為循環劑，對氟化物類的循環劑也已作過很多研究。四、氣體放電燈的基本原理現在大量使用的光源除了前面所述的熱輻射光源外，還有另一類光源氣體放電燈。所謂氣體放電就是指電流通過氣體媒質時所發生的物理過程。利用氣體放電發光的原理制成的燈,便是從本章起所要討論的氣體放電燈.在大部分燈內發光的基本過程是三級式的：自由電子被外電場加速；當運動的電子與氣體原子碰撞時，

13、電子的動能就轉交給原子使其激發；當受激原子返回基態時，所吸收的能量以輻射發光的形式釋放出來。自由電子不斷被外電場加速，上述三級式的過程也就不斷地在燈中進行。4、1氣體放電的基礎知識4、1、1氣體放電的形成和分類G Vz C DBE F H A010-9 10-6 10-3 1氣體放電的的全伏-安特性曲線氣體放電的全伏安特性曲線的各段情況是這樣的：由于外致電離，在燈管中存在帶電粒子。在電場的作用下，這些帶粒子向電極運動，形成電流。隨著電場的增強，帶電粒子的速度增加，復合減少，使電流增大，這就是OA段。當電場再增強時，所有外致電離產生的帶電粒子全部到達電極，這時電流就飽和了，形成了AB段。如果電壓

14、V0再繼續升高，則電場將使初始的帶電粒子的速度增加到很大，它們與中性原子碰撞時能使之電離；而中性原子電離產生的電子又被電場加速后和另外一些中性原子作電離碰撞，形成更多的電子。這樣一種繁衍過程使電子數雪崩式地增加。因此，往往稱BC段為繁流放電或雪崩放電。在C點，通過燈管的電流突然增加至D點，管壓降隨即迅速降低，同時在燈管中產生了可見的光輝。C點稱為氣體放電的破裂點或著火點，相應的電壓Vz稱為燈管的著火電壓。4、1、2輝光放電陰極濺射是輝光放電陰極上的一個特有的過程。輝光放電時，陰極受到正離子等的激烈轟擊,使金屬粒子從陰極表面飛濺出來，沉積到陰極附近的零件和管壁上，這種現象稱為陰極濺射。關于陰極濺

15、射，觀察到下列規律性：(1、在低氣壓下，從陰極表面剝落下來的顆粒以直線方式向四面八方飛散。(2、當其他條件相同時，氣壓越高，陰極濺射就越少。(3、轟擊陰極的離子質量越小，陰極濺射就越少。(4、陰極位降越大，陰極濺射就越厲害。(5、放電電流密度越大，陰極濺射就越厲害。不同金屬的濺射情況不同。在氦氣中幾種金屬的濺射量按下列順序遞減：AgAuCuPtFeAl 顯然，在諸多金屬中，A1、Ni、Fe的濺射較小，即抗濺射能力較強。為了防止濺射，一般放電管通常采用鋁、鎳等作為陰極材料。4、1、3弧光放電弧光放電可以用幾種方法獲得。通過升高電源電壓或減小回路電阻增加電流，放電就從正常輝光進入異常輝光。再增加電

16、流時，由于電流密度和陰極位降加大而使正離子動能和數量不斷增加，因此使陰極溫度升高產生熱電子發射；或者使陰極材料大量蒸發而在陰極附近薄的范圍內產生很高的氣壓，形成極強的正空間電荷，從而產生強電場發射。無論是形成哪一種發射，都是使放電由輝光過渡到弧光。對前一種發射，陰極工作溫度很高，所以稱為熱陰極電?。粚笠环N發射，陰極工作溫度不高，所以稱為冷陰極電弧?；」夥烹娨部梢圆皇怯奢x光放電過渡而來，而是由電極分離獲得。在電極分開的瞬間產生火花，其中含有濃度很大的電子和離子。在這些電子和離子作用下迅速形成熱陰極電弧或冷陰極電弧?；」夥烹娡ǔＳ申帢O位降區、正柱區和陽極位降區三部分組成。電弧的陰極位降值和陽極位

17、降值都不大?；」夥烹姷年帢O位降只有10V左右，約是輝光放電的十分之一。因此，與工作于高電壓、小電流的輝光放電相反，弧光放電是工作于低電壓、大電流。根據決定電弧形狀和穩定性的因素，可將電弧分為三類，即有三種穩定型電?。海╥）管壁穩定型電弧。當電弧發生在或大或小的狹窄的圓柱形管子中時，放電電弧的形狀和電弧的穩定性完全由管壁的冷卻作用所決定。（ii）對流穩定型電弧。在極間距離比較大的情況下，在寬廣的容器中或在敞開的大氣中，圍繞發光電弧的灼熱氣體所引起的對流對電弧的形狀和穩定性起著主要的作用。（iii）電極穩定型電弧。在電極間距離很小的情況下，電弧形狀決定于陰極和陽極附近電弧的收縮。在這種情況下，電弧

18、的形狀接近于旋轉橢球。以后將會看到，高壓汞燈、高壓鈉燈等是管壁穩定型電弧，碳弧、短弧氙燈屬對流穩定型電弧，球形超高壓汞燈是電極穩定型電弧。 4、2氣體放電燈的穩定工作4、2、1氣體放電燈的負阻特性將具有負伏安特性的放電燈單獨接到電網中去時，工作是不穩定的。它將會導致電流無限制的增加，最后直到燈或電路的某一部分被過電流毀壞為止。把燈和電阻串聯起來使用，就可以克服電弧固有的不穩定性。在交流的情況下，還可用電感或電容來代替電阻。與電弧相串聯的電阻、電感、電容等統稱為鎮流器或限流器。4、2、2電感鎮流為了避免電阻造成的功率損耗，在交流電時通常采用電感做鎮流器。與電阻鎮流相比，電感鎮流有很多優點。除電感

19、損耗的功率小以外，一個重要的優點是燈的管壓（或燈的電流）滯后電源電壓一定位相，因此這種鎮流電路稱為滯后型電路。當管壓為零時，電源電壓卻已上升到比較高的值，有助于重復著火，從而使燈無電流的時間基本上消除，燈的工作更為穩定。五、低壓水銀熒光燈水銀又稱汞，在常溫下是銀白色的液體，熔點為38.87，沸點為356.58。汞的化學性質不活潑，不會與燈中的材料，如鎢、鉬和玻璃等發生反應。汞是氣體放電燈中十分重要的填充物。汞與多種金屬，如鈉、銦和鈦等能生成汞齊。在不少燈中汞是以汞齊的形式充入的。由于汞對人體有毒害，因而必須注意勞動防護和環境保護的問題。在燈中汞的飽和蒸氣壓由燈管壁最低溫度，即冷端溫度所決定。5

20、.1低壓汞蒸氣放電的實驗研究熒光燈俗稱日光燈。自1938年登上照明舞臺以來，它不斷推陳出新，成為諸多氣體放電燈中最為成功和應用最廣的一顆明星。在鈉、鈣玻璃管的內壁上涂有熒光粉。在燈的兩端各有一個電極，電極通常是由鎢螺旋做成，上面涂有熱電子發射材料。在高負荷的燈中，電極周圍還有屏罩。燈內充有汞和惰性氣體（如200660Pa的氬氣）。放電發生在低氣壓的汞蒸氣和惰性氣體的混合氣中，產生很強的253。7nm紫外輻射，經熒光粉轉換為可見光。既然低氣壓汞蒸氣放電自身產生的可見光很少，熒光燈的發光效率主要取決于兩個因素：產生253。7nm紫外輻射的效率和熒光粉將此一紫外輻射轉換為可見光的效率。低壓汞蒸氣放電

21、的最佳汞蒸氣壓,相應于40時汞的飽和蒸氣壓。因為飽和蒸氣壓是由燈管冷端溫度所決定，所以，為使燈的uv最高，應該使燈最冷處的溫度維持在40。顯然，這和燈的功率、結構、形狀、環境溫度和冷卻條件等有關。為制造方便，大多數燈都做成圓柱形，整個燈管表面的溫度分布比較均勻。通常燈的電極后面只留很少空隙，不形成冷端。這樣，管壁溫度就取決于表面負載。在環境溫度為25時，要使uv最高，不涂熒光粉的自然冷卻的燈的表面負載應為0.040.05w/cm2。如果燈置于通風或溫度低的地方，由于PHg的下降，效率會降低很多。而環境溫度的升高，也同樣會使效率下降。據估計，管壁溫度每升高1，效率降低1%。在低壓汞燈中，一定要充

22、一些惰性氣體。如果燈中沒有惰性氣體，放電就很難發生。這是因為低壓汞燈中PHg只有10-1Pa，電子的平均自由程長達5cm。也就是說，平均一個電子在經過了5cm以后，只和汞原子碰撞一次，可見碰撞的機會很少。燈的直徑一般只有幾個厘米，這樣一來，極大多數電子根本沒有機會和原子碰撞就打到燈的管壁上去了。既然電子和原子碰撞的機會很少，原子被電離和激發的機會當然也少，那么放電就很難建立和維護持。充入一些惰性氣體后，情況就不同了。如果在低壓汞燈中充入102Pa氬氣，就會發現電子在這種汞氬混合氣中的平均自由程大為縮短，只有0.01cm左右。此時，電子就會和氬氣原子發生頻繁的碰撞，使電子從陰極向陽極運動的路徑變

23、長，從而增加了和汞原子碰撞并使之激發、電離的機會。由于汞的激發電位和電離電位都比氬低得多，因此在與電子碰撞的過程中，主要是汞原子被激發和電離。另外，汞氬混合氣的潘寧效應也有助于低壓汞燈的啟動。在低壓汞燈中,氬氣能幫助啟動,但對輻射并無多大貢獻,故稱之為啟動氣體或輔助氣體。以后將會看到，金屬蒸氣放電燈都需要充入啟動氣體。從前面的討論可知，燈的直徑越大，光子從燈管逸出前要經過的路程越長，共振吸收的幾率也越大，uv就會下降。那末，是不是管子越細越好呢？也不是的。管徑細時，由于雙極性擴散造成帶電粒子大量在管壁上損失。為了維持放電，氣體中必須有一定數量的電子和離子；在管壁上損失的帶電粒子必須由原子的電離

24、來補償，為此電子溫度Te必須升高。將汞原子電離為電子和離子需要花費一定的能量。管子越細，帶電粒子的損失越多，電子用于電離的能量也越多；Te升高使高能級的激發增多。這兩個原因都使uv降低。所以，燈管直徑d既不能太粗又不能太細，有一個最佳值。既然共振吸收和Te值都與PHg有關，最佳管徑當然也與PHg氣壓相關聯。實驗測得，在PHg為0.8Pa時，最佳管徑為38mm。對一定功率的燈，當燈的長度增加時，管壓升高，相應地電流和電極損耗減小，輻射效率提高。當燈足夠長時，電極損耗已經足夠小了，再增加長度就不再有多大意義。為了使用方便，燈的長度一般都在1.2m以內，最長不超過2.4m，具體尺寸視功率而定。5.2

25、熒光粉層的光學特性與熱輻射相比，熒光是一種產生具有很少熱能的光的過程。適當的材料吸收高能輻射，接著就發出光，所發光子的能量比激發光子的能量低。當發光的材料是因體時，該材料能常就稱為熒光粉。激發熒光屏光的高能輻射可以是電子或具有高速度的離子，也可以是從射線到可見光范圍的光子，但其波長要比發射的光的波長要短。在熒光燈中，是靠放電產生的253.7nm的紫外輻射來激發熒光粉產生要求的可見光譜，因此是一個光致發光過程。為了使燈有較高的光效和很穩定的性能，也為了便于燈的生產，燈用熒光粉必須滿足以下的要求：對汞電弧的紫外輻射有很強的吸收。很少吸收可見光。能有效地將吸收的紫外輻射轉變為可見熒光輻射。受紫外輻射

26、和電子、離子轟擊幾千小時后仍很穩定。在700以上的溫度下，短時間暴露于氧化或還原氣氛時仍然穩定。在含有有機聚合物的溶液中形成非凝聚懸浮體。做成粉時，能控制粉的粒度范圍。能在容易得到的溫度和氣氛條件下制粉?？傻玫礁呒兌鹊牟牧?。色度重現性很好。除了上述各條件之外，還有一些同等重要的實際問題應該考慮，如原料赤源和生產成本等。熒光燈最初是采用錳激活的硅酸鋅和硅酸鋅鈹熒光粉，以及鎢酸鈣和錳激活的硫酸鋅、硼酸鎘熒光粉，以后就被稱為鹵磷酸鹽的一系列熒光粉所取代。鹵磷酸鹽熒光粉將253.7nm紫外線轉變成可見光的效率更高一些，并且能在長期內保持性能穩定，另外也更容易制成涂粉所需的細顆粒，成本低，毒性也小。到目

27、前為止，鹵磷酸鹽熒光粉仍然是熒光燈中最常用的熒光粉。鹵磷酸鹽熒光粉中有兩種激活劑：主激活劑銻和激活劑錳。相對應地就有兩個發射帶：一個帶在藍區，另一個帶在紅區。當錳的含量逐漸增加時，藍色譜帶受到抑制，紅色譜帶得到增強。因而，通過改變錳的含量，鹵磷酸鹽熒光粉的發光顏色可以從深藍色經深淺不同的白色變成相當純的橙紅色。在鹵磷酸鈣熒光粉中，有大約20%的氟離子為氯離子所置換。當熒光粉中的氯離子含量增加時，藍色和紅色譜帶的峰值位置都要向長波方向移動。這樣，通過精確控制熒光粉的組成，用鹵磷酸鹽熒光粉可以做成25007500K的各種色溫熒光燈。這一特性使其成為十分令人滿意的燈用材料。隨著色覺研究的進展，人們發

28、現不僅人眼的靈敏度隨波長而變，而且分辨色彩的能力也是在特定的波長處有極大值，在以450，540和610nm附近的波長為峰值的三個比較狹窄的波長區域內，人眼有強的色覺反應。在所要求的光譜區域內產生窄帶輻射的熒光粉（俗稱三基色熒光粉）和新一代的熒光燈應動而生。三窄帶熒光燈解決了普通熒光燈長期存在的光效和顯色性的矛盾。這種新一代熒光燈的光效不低于80lm/W，而一般顯色指數Ra在85以上。5.3熒光燈的設計要點電極是熒光燈的一個極其重要的部件。對交流工作的燈來說，它即是陰極，又是陽極。它必須能有效地發射和收集電子，保證燈易于啟動，而且能維持長期工作。熒光燈的壽命主要取決于電極的壽命。熒光燈的陰極主要

29、是產生熱電子發射。這一功能與它的結構形式以及熱電子發射材料密切相關。熒光燈陰極的結構形式很多，主要有以下四種：雙螺旋陰極，即將已繞成螺旋形的鎢絲再繞成螺旋形。紡織陰極，即先用8根鎢絲編成管形，然后再繞成螺旋形。三螺旋陰極，這是先在鎢絲上繞以很細的鎢絲，然后像繞雙螺旋那樣再繞兩次。棒狀陰極，與第三種陰極一樣，也是在鎢絲上先繞很細的鎢絲，但最后只繞一次螺旋。上述結構的陰極沾滿以碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主體的電子發射材料。這些材料在制燈過程中分解為氧化物。5.4熒光燈的特性和應用熒光燈最常用的工作電路是開關啟動電路，當電源接通時，220V電壓不能使燈啟動，但能使啟輝器以生輝光放電。輝光放電時產生的熱

30、量加熱了雙金屬片，使雙金屬片向外彎曲并和固定的電極接觸。于是電流便流過啟輝器、鎮流器加熱電極燈絲，使其達到熱發射的溫度。當雙金屬片一旦閉合，輝光放電就停止，雙金屬片開始冷卻。冷卻到一定溫度后，兩電極又重新斷開，雙金屬片恢復原狀。兩電極閉合的一段時間也就是燈絲的預熱時間，這一段時間的長短要適當（約0.52s），太長會縮短燈絲的壽命，太短又會因預熱時間不夠使電子發射物質損耗增大。燈絲經過預熱，發射出大量電子，使燈的啟動電壓大大降低（通?？山档偷轿搭A熱時啟動電壓的1/21/3）。同時，在啟輝器兩電極斷開的瞬間，燈絲的加熱電流突然被切斷，在鎮流器的兩端產生一個很大的自感電動勢。這個電壓與電源電壓疊加后

31、作用到燈上，使燈開始放電，這樣燈就點燃。燈點亮后，加在啟輝器上的電壓即燈兩端的電壓）只有約100V，而啟輝器的熄滅電壓在130V以上，所以這時啟輝器不會發生動作。這就是熒光燈的預熱啟動過程。最簡單的工作電路是瞬時啟動電路。在這種電路中，將足夠高的電壓加到放電燈和鎮流器串聯的電路上，使燈內氣體電離并且不經過輝光放電階段的短暫停留而直接到達額定電流。在開路電壓加上的一到二周內放電電流和光輸出立即達到正常工作數值。很顯然，這種工作方式對陰極的損傷較大。在熒光粉工作相當長一段時間后，發現熒光粉涂層的表面呈明顯的灰色。據認為，這主要是由于光化反應所致。此外，金屬汞微粒在表面的吸附和氧化亞汞在表面的沉積也

32、是部分原因。六：高壓汞燈高壓汞燈，電弧管用石英玻璃制成，內充一定量的汞和少量氬氣。采用自熱式陰極。外泡殼除起保溫作用下，還可防止環境對燈的影響。如在外殼內表面涂以熒光粉，則構成熒光高壓汞燈。6.1高壓汞燈的設計要點為了減少電極損耗，提高燈的光效，以及縮小鎮流器的尺寸和提高電源的功率因數，都要求燈的管壓降盡可能高一些。但是提高管壓又受到燈的工作穩定性的限制。如果管壓取得太高，則燈容易由于電源電壓的突然下降而熄滅。在交流燈的情況下，燈每半周熄滅和重新點燃一次。管壓取和很高時，則燈重新點燃因難，甚至于不能復燃。綜合這幾方面的考慮，管壓一般取為電源電壓的70%左右。在電源電壓為220V時，高壓汞燈管壓

33、為110140V。釷鎢陰極和鋇鎢陰極都屬于原子薄膜陰極。這類電極的基體是鎢，在鎢的表面有一個正電性金屬的原子薄層，它和基體間形成電偶極層，從而大大減小電極的功函數。另外，由于這個單原子發射層本身就是金屬，熱導性很好，因此正離子轟擊以及氣體熱導所施于它的熱量能很快地傳導到電極后部，再經熱輻射而耗散出去。這樣，發射層的溫度就不會過高，發射物質就不會過快地消耗掉。高壓汞燈雖然有比較高的光效，但其光色較差。高壓汞燈發出的一半以上的可見光能量集中在四根汞的特征譜線（404.7，435.8,546.1和578nm）上,因此它的光色偏藍、綠，缺少紅色成分。一般顯色指數只有20左右。這對于要求較高的場合是不適

34、宜的。為了克服這一缺點，在高壓汞燈外殼內壁上涂敷適當的熒光粉，將燈的紫外輻射或短波長的藍紫光轉變為長波的可見光，特別是紅色光?，F在用得比較多的熒光粉是釩（磷）酸釔，它能吸收紫外輻射，發射出峰值為620nm左右的紅色光。它不但能改善高壓汞燈的光色，而且能提高燈的光效。為區別起見，我們也稱外殼涂熒光粉的高壓汞燈為熒光壓汞燈。對高壓汞燈最佳光譜所進行的研究，不僅表明將620nm的輻射加入到高壓汞燈的光譜中對改善燈的顯色性是十分重要的；而且還指出加入590nm左右的輻射有利于提高燈的光效，而要做成色溫為30004000K的燈，需要去除部分汞的藍線。實驗發現，釔鋁石榴石，即鈰激活的鋁酸釔（Y3Al5O1

35、2：Ce，簡寫YAG：Ce）能吸收汞的435.8nm藍線，激發產生峰值為560nm的長波輻射。該峰值與提高光效要求加入的590nm很接近。因此，混合采用YVO4：Eu和YAG：Ce熒光粉，就可做成顯色性較好的、光效較高的低色溫的高壓汞燈，使高壓汞燈的性能躍上一個新的臺階。6.2高壓汞燈的制造高壓汞燈最重要的部分是電弧管。對其他功率和型號，電弧管的基本結構仍然相同，但具體尺寸不同，當希望高壓汞燈在低溫時仍有良好的啟動性能時，在電弧管的兩端都有由鎢（或鉬）絲做成的輔助電極。電弧管的工作溫度很高，一般在600750，具體視燈的功率和工作位置而定。故高壓汞燈的電弧管通常由石英玻璃制成，能在高達800的

36、溫度下工作。芯桿絕大多數情況都采用鎢，有時也有用鉬的。內、外螺旋都是鎢的。有時，內螺旋不是由鎢絲直接繞成的，而是由細鎢絲繞成螺旋（或雙螺旋）后再繞成的，也就是雙螺旋（或三螺旋）結構。采用雙（或三）螺旋作為內螺旋，既可減少電極的熱容量，又可增加電子發射材料的容量，使燈容易啟動并有長壽命。電極工作時，尖部的溫度為15001900，螺旋的溫度為10001400。通常采用浸漬法在電極螺旋的空隙中注滿電子發射材料。該材料包括鋇和鍶的碳酸鹽、氧化釷以及其他的添加物。經浸漬的電極在原氣氛中加熱到20002200，使碳酸鹽還原為氧化物。電極過熱造成鎢的蒸發，燈的光維持性能惡化。對于小功率燈，電子發射材料的量難

37、于控制。這時，可將鎢粉和電子發射材料混合一同燒結，做成燒結式電極。浸漬后在電極表面多余的電子發射材料在清除掉，否則它會很快蒸發到電弧管上，引起發黑。在加工過程中還應該注意不使電極芯桿頭上和螺旋的端部產生尖銳的毛剌，因為這些地方易于熔化，造成發黑。第七章 金屬鹵化物燈早在1911年施泰因梅茨就發現,在汞電弧中引進金屬鹵化物時能產生金屬的光譜。由于當時采用汞槽陰極，冷端溫度約357，故除碘化銦、碘化鉈外，多數金屬化物的蒸氣壓很低，光譜強度很弱。直到50年低末60年代初，一些實驗室才重新研究用鹵化物改進汞燈的光色，取得了成功?，F在已經用許多金屬鹵化物做出了多種類型的燈。用于照明的金屬鹵化物燈，不僅光

38、色比高壓汞燈大為改善，而且光效也有很大的提高。金屬鹵化物燈和高壓鈉燈一樣，是繼白熾燈、熒光燈之后的第三代光源。在燈中之所以采用金屬鹵化物，是因為它有兩個很好的特性：金屬鹵化物的氟化物的蒸氣壓一般都比金屬自身的蒸氣壓高得多。幾乎所有的金屬鹵化物，在1000K時的蒸氣壓都大于100Pa。除金屬的氟化物以外，其他金屬鹵化物都不和石英玻璃發生明顯的化學作用。所以，添加金屬鹵化物能有效地克服添加純金屬時所碰到的那兩個困難。應該說明的是，有些堿金屬，譬如鈉，鹵化物的蒸氣壓反比金屬還低。但是，在燈中仍用鹵化物而不用純金屬。這是利用金屬鹵化物的第二個特性，防止鈉對石英玻璃的腐蝕作用。大部分金屬鹵化物燈內都充汞。但是，汞在這種燈中所起的作用與高壓汞燈中不同。在高壓汞燈中，汞是發光物質；但是在金屬鹵化物燈中，汞的輻射所占的比例卻很小。為什么汞蒸氣壓比金屬鹵化物高得多，而它的輻射反而小呢？這是因為通常所用的金屬的