紧凑型微波硫灯和铟灯的研究

紧凑型微波硫灯和铟灯的研究 2oo4年3月,Joy-9照明第28卷第1期 {{光源研究{{ l....l 紧凑型微波硫灯和铟灯的研究 金行星 (广东精博塑胶电子厂,广州510000) 摘要:简要介绍紧凑型微波光源的结构特点,研究其发光过程,光度和光颜色等参 数,给出了相 关实验曲线和数据,最后对微波激励铟灯进行了初步探索. 关键词:波导激励技术;微波硫灯;微波铟灯 1前言 微波硫灯技术,自1992年在布达佩斯举行的第 6届国际电光源科技研讨会上被引入照明领域以来 (10周年),一直是各国争相研究热点之一,近几年 来,不断有微波硫灯新产品推出投放市场,其中美国 FusionLi.ghting公司(后又从市场撤回),韩国LG,法 国,俄罗斯一些公司以及我国宁波友和,上海复旦等 单位.由于硫灯具有高光效,长寿命,似太阳光连续 光谱,无汞污染,光通维持率高以及较低紫外和红外 堪称"绿色光源",在"绿色照明工 辐射等诸多优点, 程"实施中倍受瞩目,但现有多数产品价格贵(最高 零售价高达3万元),重量重,体积大,一时还难以被 用户所接受.另外,微波硫灯色表欠理想,光谱中绿 色成分偏多,其色表呈现绿白色,限制了微波硫灯的 使用范围. 本文试图改进微波光源的结构,降低生产成本以及 探索新的发光物质来改善现有微波硫灯的不足之处. 2紧凑型微波光源结构特点 2.1新型的波导激励技术 微波硫灯是利用微波激发的无极放电光源,利 用磁控管产生的2.45GHz微波(同家用微波灯)通 过波导耦合到置于微波腔内的石英灯中,灯内含有 硫的发光物质,被微波能激励而发光.因此一台微 波硫灯的基本结构至少应该有下列4部分构成(不 含供电系统):(1)产生微波的磁控管;(2)传输微波 的波导;(3)置有灯泡的微波腔;(4)含发光物质的灯 泡. 波腔内的驻波场所激励,其中灯泡被微通称硫 灯的激励技术.其中微波腔可以有多种形式,因而 激励方式也有多种形式:谐振腔(圆柱形谐振腔居 多),同轴线激励器,波导等,这是硫灯的核心技术, 它决定微波硫灯的基本结构和整体性能,从已公开 的技术资料,大至可归纳为下列3种激励技术 和5种基本结构,见表1. 表1微波硫灯3种激励技术 收稿日期:2003—11—24 ? 14? 2Oo4年3月灯与照明第28卷第1期 采用波导激励技术,不仅使硫灯结构紧凑(省掉一 加工难度大的谐振腔)而且加工简单,生产成本下降. 2.2紧凑型微波硫灯的基本结构 图1简略画出采用波导激励的微波硫灯的基本 结构(省略了供电系统和灯泡转动机械). \/ ,,一-- / 波导 屏蔽网 图1紧凑型微渡硫灯的基本结构 紧凑型微波硫灯主要由磁控管,矩形波导,屏蔽 网及石英灯泡四大部件构成,在这里波导起了微波 耦合(从磁控管发射天线到波导),微波传输,激励放 电三大功能.波导通常用铝型材制成,目前除石英 灯泡需要特殊加工外,其生产成本大体与家用微波 灯相当,近期将以此定型产品投放市场. 3微波光源特性的实验研究 3.1发光过程 在硫灯中,光辐射过程是在B]?和x状态之 间,S2二聚物分子跃迁.由于振动和转动结构叠加 在每一个电子状态上,因此,每一次跃迁都具有亚结 构,同时也由于温度和压力扩展了振动和转动谱线, 因此硫灯发出的是连续光谱,图2给出了硫灯光谱 随气压变化的情况,表2给出相应的实验数据(按硫 加人量减小顺序排列). 由图1表2看出,随硫含量增加(气压增加),光 谱沿波长较长方向平移,光谱的峰值p也沿波长较 长方向平移,同时,光谱半宽度?入p增宽,色温则下 降.在低气压情况下,光谱主要落在紫外区(峰值 324nm). 这一实验现象可用气体碰撞理论很好地加以解 释,在一个光源体系内由于气压的增加,气体碰撞加 剧,势必造成体系内分子两能态之间能级间距缩短, 相应跃迁光谱波长增长. 图2微波硫灯光谱能量分布随气压的变化 表2微波硫灯光颜色参数的变化 3.2光效与色温 微波硫灯的发光效率除了受微波硫灯的结构 (微波系统的电压驻波比VSWR)和灯泡形状尺寸影 响外,还与微波功率作用在发光物质上功率沉积有 很大关系. 图3是发光效率与功率沉积的关系. 在灯泡尺寸确定的情况下,发光效率随微波功 率增加而增大,但到了功率沉积率大于75W/C.C之 后,发光效率增加趋于缓慢. 另外,在一定范围内硫灯的发光效率随着硫加 人量的减少而相应地减少,因此存在着一个合适的 加硫量以达到最好的发光效率;同时加硫量的减小, 伴随着光源色温的增加.综合上述数据,可获得光 效与色温之间的内在关系. 图4是实验测得的光效与色温之间线性关系,当 色温低于5000K高于15000K时已不在此关系内. 图3光效与功率沉积的关系 ? l5? 2o(年3月灯与照明第28卷第l期 蠖 鼍I{ 亡娶 图4光效与色温的关系 初步估计斜率K=一3.0×10lm/W?K,即提 高1000K的色温则以下降3lm/W的光效为代价, 这一结果从能量守恒的观点可以很好地获得解释: 当灯泡内硫含量减少,那么灯泡内发光物质平均来 说就多获得一点能量,相应激发到高能态机率控制 了加入硫的含量,就控制了发光效率和色温;反过 来,要求多大色温与光效,就要求加入多少硫.目前 选择色温26OOK时,在一定硫加人量中可获得大于 100lIn/w的效率. 3.3显色指数 微波硫灯的发射光谱十分类似太阳光光谱,但 仔细比较两者还是有相当的差别. (1)硫灯的光谱中绿色含量偏多,其色温呈绿白 色,明显地少了红光和蓝光; (2)硫灯光谱中具有较低的紫外和红外辐射. 第二点对于硫灯是一大优点,优于太阳光,而对 于第一点则是硫灯的不足之处.图5是硫灯发射光 从图5可看出 谱的色坐标,y值与硫含量的关系, 硫量的变化,光谱曲线的变化,色坐标x,y基本上 保持同步变化趋向,即Y/X1.2,这是硫灯的一个 基本特征,其显色指数通常在80左右. IlO 宅 婪100 ? 16? 500010000 也温(K) 图5色坐标与硫加入量的关系 4微波激励铟灯的探索 提高微波光源显色指数的研究,目前主要集中 在探索新的发光物质上,现今我们选择了金属硫化 物和金属卤化物作为突破口,开始曾试验过钾,钡, 镉,锑,铟等硫化物,但都因这些金属硫化物饱和蒸 气压低而未能成功.近期选择了铟的卤化物作尝试, 获得了一些初步结果,图6是在微波硫灯装置上测 得的微波激励铟的光谱曲线. 图6微波铟灯的光谱曲线 图中254nm,413nm处为两个铟灯的特征峰(而 其中的410nm,451nm两峰可能由于铟高压蒸气自 吸收所致,未曾出现).随着含铟量的增加这两个峰 变小,最后消失.由图6看出,微波激励铟灯的发光 光谱更接近太阳光,与硫灯一样随含铟量的增加光 谱及其峰值也是趋向往长波方向平移,色温下降.表 3列举了微波铟灯的实测数据(表中数据按铟量增加 方向顺序排列). 表3微波铟灯光参数 初步得到下列结果: (1)随着铟量增加,色温逐渐下降; (2)在某一色温下可获得最高的光效; (3)在相当宽的色温变化范围内均能获得好的 显色指数; (下转第6o页) 2004年3月灯与照明第28卷第1期 原理却是相似的.焊泥喷头的设计是关键之处,只 要焊泥机喷焊泥头部分设计合理,普泡自动焊泥机 正常使用就不会有什么问题. 网2普泡焊泥~JLT_作网 l —1一 ?. l一I2卜_- 1L一 l广, 网3普泡灯焊泥尺寸 (上接第l6页) (4)在相当宽的色温变化范围内,色坐标X/Y 接近1,这是区别于硫灯的一个重要标志: (5)初步实验微波铟灯其显色指数97,光效达 751lm/W.研究还在深入中. 4展望 微波光源(硫灯)技术经过多年的发展,目前己 逐渐走向成熟.今天传统的高强度气体放电光源和 微波技术的结合正走上一条趋同和协调的发展之 路.微波光源的发展不仅仅依靠微波技术本身的发 ,在很大程度上也依靠高强度气体放电技术的发 展 展,现在人们的研究不仅仅放在硫发光物质放电上, 而且也在考虑硫的金属化合物,金属卤化物等等. 可以相信,经过大家共同开拓,一种高光效,价廉,高 显色指数的微波光源即将推向市场. 参考文献: [1]BurgeRohert,FirstImpressionsoftheNewSulfurLight, Newsgroups:Sci.astro.amatenr,1994.10. [23JamesT.Dolanete,ANovelHishEfficacyMicrowavePowered LightSource,Proceeding,International,Ls6,1992(8),:301—302. [3]PearseR.W.andGaydonA.G,TheIdentificationofMolecular Spectra,4Edition,ChanmanandHall,London,1976. [4]PetersonD.A.andSchileL.A,JournalofChemicalPhysics 73.1980. [5]U.S.P5039918(1991). (上接第49页) 命.当然这种电感式金卤灯镇流器设计时,需适当 放宽余量,以保证负偏值低管压段的金卤灯能可靠 工作时的需求. 4结语 为确保金卤灯工作系统能正常,有效地长久工 ? 60? 作,镇流器,金卤灯及相关配套件的生产厂家必须加 强质量意识,行之有效地建立起相互监督检测,相互 促进共同发展的合作伙伴关系.加强用户对金卤灯 照明工作的认知水平,改善供电的品质和照明供电 线路,合理布灯,安全使用,促使国内金卤灯的照明 水平尽快跃上崭新的台阶.