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冷端温度对无极灯253.7nm共振谱线的影响

2012-5-23  来源:清华大学电机工程与应用电子技术系 北京市电力公司  作者:董晋阳 张贵新 王长全  有2758人阅读

  无极灯是一种长寿命、低汞害、无频闪的新型电光源,其光效在很大程度上取决于253.7nm共振谱线的辐射效率。通过原子发射光谱分析,实验研究了冷端温度对253.7nm共振谱线的影响规律。研究发现,253.7nm共振谱线的辐射效率随冷端温度变化近似呈正态分布,即无极灯工作存在一个最佳冷端温度。运用气体放电理论对实验结果进行了定性分析,对无极灯光效的提高具有指导意义。

  引 言

  无极灯是一种基于高频电磁感应和无极气体放电的新型电光源,由于没有传统意义上的电极,故得名,作为绿色照明领域的“一枝新秀”,正逐步走入大众视野[1,2]。由于没有电极,不存在限制寿命的必然组件,无极灯理论寿命无限长,根据“木桶原理”,实际寿命仅取决于电子镇流器的寿命和荧光粉的自然衰减。由于使用汞齐,克服了液汞的“流失”危害,即使灯碎裂也不会对环境造成太大污染,可回收率在99%以上,能有效的保护环境。传统电光源在工频下发光,而无极灯的工作频率高达2.65MHz,可视为“完全没有频闪效应”[3],不会造成视疲劳、更利于保护眼睛。

  发光机理如图1所示:通电后,电子镇流器输出2.65MHz的高频电流,经高频馈线到达功率耦合器,再经耦合线圈在泡体内感应出高频环形磁场,进而感应出高频环形电场,电场垂直于磁场。自由电子在高频电场中做环形振荡,与气体粒子碰撞,使气体雪崩电离并形成电感耦合等离子体(inductively coupled plasma,ICP[4])。基态汞原子在ICP等离子体中被激发至6 3 P1态,然后返回6 1 S0基态,辐射出253.7nm的共振谱线,经稀土三基色荧光粉转化为可见光[5,6]。无极灯正常发光时在紫外-可见区域的光谱分布如图所示。

  怎样用最少的电能发出最多的、质量最好的光,是电光源领域持之以恒的追求目标。对于无极灯,提高光效的关键环节就是要设法使汞蒸气原子辐射出更多的253.7nm共振谱线。无极灯由置于冷端的汞齐释放汞蒸气(汞齐是汞与其他金属所形成的合金),汞蒸气压由冷端温度决定[7,8],因此253.7nm共振谱线的辐射效率与冷端温度密切相关。

  实验部分

  为研究冷端温度对253.7nm共振谱线的影响规律,本文针对无荧光粉的85W 无极灯展开实验。将冷端延长,并在泡体外加装一透紫外的石英窗,利用Princeton紫外-可见光栅光谱仪在该处捕捉253.7nm共振谱线,实验装置如图3所示。图4为实验中无极灯发光稳定时在紫外-可见区域的光谱分布,也即ICP等离子体的原子发射光谱,可见253.7nm共振辐射为无极灯发光的主要部分[9,10]。通过干式恒温器改变冷端温度在不同的值,点灯并待无极灯发光稳定。在不同冷端温度下燃点60min时,提取253.7nm处的原子发射光谱,如图5所示;谱线相对强度随冷端温度的变化情况如图6所示。

  2 结果与讨论

  2.1 实验现象

  由图5、图6可知,当冷端温度低于80℃时,253.7nm共振谱线的相对强度随冷端温度的升高而增加;当冷端温度为80℃时,谱线最强;当冷端温度高于80℃时,253.7nm共振谱线的相对强度随冷端温度的升高而减小。可见,无极灯253.7nm共振谱线的辐射效率随冷端温度变化近似呈正态分布。

  2.2 现象分析

  原子发射光谱的相对强度取决于处在起始能级上的激发态原子浓度、跃迁概率、谱线自吸等因素[11]。冷端温度与汞蒸气压呈正相关。随着冷端温度的升高,无极灯泡体内汞蒸气压不断增大,参与碰撞的汞蒸气原子越来越多,汞原子从6 1 S0基态被激发到6 3 P1态的机会增加,从而辐射出更多的253.7nm共振谱线。与此同时,一部分253.7nm共振谱线会被邻近的6 1 S0基态汞原子吸收而跃迁到6 3 P1态,这就是所谓的共振吸收[11]。大多情况下,汞原子发生共振吸收后很快又将253.7nm共振谱线重新辐射出来,并返回6 1 S0态。然而,若冷端温度过高,汞蒸气压过大,则共振吸收过重。这时253.7nm共振谱线平均要经过很多很多次的吸收和重新发射过程才能到达泡体内壁,于是出现一种情形:生共振吸收的汞原子有可能来不及跃迁回6 1 S0基态就紧接着发生第一类非弹性碰撞被激发到更高能级,或者发生第二类非弹性碰撞损耗掉能量,从而造成253.7nm 共振谱线的损失;而且冷端温度越高,损失越大。因此随冷端温度升高,有效跃迁几率减小,253.7nm 共振谱线的辐射效率反而降低。

  3 结 论

  无极灯工作存在一个最佳的冷端温度,在该冷端温度下253.7nm共振谱线的辐射效率最高,此时无极灯消耗相同的电能,发出的光却最强。应对灯体结构特别是散热部分进行优化设计,使无极灯稳定发光时冷端温度接近最佳值。另一方面,不同型号的无极灯,由于汞齐类型、气体组分等存在差异,具有不同的最佳冷端温度,应该针对不同的工作环境选择最佳冷端温度与之相适应的无极灯,以达到最经济的照明效果。

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