高压汞灯和超高压汞灯
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PHg↑→Tg↑→n*↑ n*=n0 exp(-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
诸定昌
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 连续谱 韧致辐射 在连续光谱上叠加了放宽的线光谱
R 30~40kΩ
辅助电极 (1~2mm)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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=1.5Io c) 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
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
2.影响Vs的因素 a) Tamb Penning Effect
b) 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* H2+Hg* 2H +Ar 2H +Hg 破坏Penning 效应 破坏阶梯电离
一般Es=4v/cm • Torr 400w larc=6.5cm PAr=20Torr Vs=520v
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
1.球形超高压汞灯：增加单位弧长对应
的表面积
a) 球形超高压汞灯结构
Hg+Ar
极距
larc>8mm, larc<8mm,
对流稳定型 电极稳定型
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
b) 特性
E 正比于 PHg
E和关系不明显 E=J/eneµe I Sarc
L的经验公式
J基本不变
b) A self-sustaining discharge by secondary emission from the cathode（ governed by Townsend Law). c) Glow-to-Arc transition during which the electrodes are heated to a value where thermal emission delivers most of the current. d) Comes to slow transition from a low pressure to a high pressure.
∫
ri
0
2πr dr T(r)
在单位弧长充汞量为m(mg/cm)，在ri与 T(r)的条件下产生PHg P’’Hgm ri2 2πr 22.4m 2 = PHg= dr 273×200.6 0 200.6 T(r) ri 2 m dr PHg= 0 T(r) 7680
∫
∫
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
Teff =f（ri ,Pc1） rarc=c3ri Elenbass 根据二阶温度轮廓模型
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
Pl11/2 m7/12 E= 6 (Pl1-Pc1)1/3d3/2 代入Pl1 =30w/cm
Pc1=10 m7/12 Vl-VAk = ---------③ E≈12 larc d3/2
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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 1.6eV
d l 电子粉
圈
杆
(钍)钨
BaZrO3(1.63eV) 常用
Ba3WO6
Ba2CaWO6+Ba2CaMoO6
钡钨类电极 (T电=1500~1900oC)
<2.07
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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+W 3BaWO4 +3Ba
辐射体温度太高，蒸发大
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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) c) 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
诸定昌
Pl↑→ηr↑ Pl1↑→Ve↑→PHg↑
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
6.2 高压汞灯
一. 结构
石英泡壳 1. 放电管 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
诸定昌
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。 3. 外壳 硬玻璃（软玻璃）
Ws=Pl/πd larc---------------------照明灯 9～10w/cm2
2
Ws
紫外灯 5.5～6.5w/cm2
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
4. 充汞量与E的关系 Pl1=EIlαl=E J Sarcαl
=E(e neμe) πrarc2 • αl
μe=c1/n0
ne =c2n0exp[-evi/2kTeff]
253.7 365.0 312.1 296.7 nm
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
6.3
一. 荧光HPM
源自文库
荧光高压汞灯 与 自镇流高压汞灯
253.7 489nm
a) 提高η 粉：卤粉
b) 提高Ra粉：氟锗酸镁粉： 625.0~675.0nm 618nm c) 提高η 和Ra粉：钒酸钇粉
YAG Ce铝酸钇 (蓝)435.8 560(黄)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
5.几何尺寸与总充汞量的计算 PHg=0.75(m/d2)Pl10.25/(dm)0.1-----------(1)
Ws=Pl/πd larc-----------------(2) E≈ 12 m7/12 Vl-VAk ---(3) = larc d3/2
larc
总充汞量M=m(larc+3/4 d)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
三. 光效
Φin(内径)=27mm
I=4A
η F E
60
20
B C
D 10 102 103 104 PHg(Torr)
PHg不同时η变化
10 A
10-2 10-1 1
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
1. η随PHg上升而增加(PHg≥1atm) 2. 单位波长的热耗 dT PC1=-λ 2πri dr r i
诸定昌
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/cm2
水汽 H2o 5.工艺的影响 电极处理 Quartz 质量 H +O
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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=15~20
2.强紫外光源
PL=Pr+Pc+PT
1 λ= λV 3
PHg↑→λ↓ PHg↑→Tg↑→V↑
λ与PHg无关（与T也无关）
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
实验表明，dT/dr为抛物线分布
T
T0 Tw
T(r)=T0-(T0-Tw)( r )2 ri Pc1=- λ[-(T0-Tw) 2r2] 2πri ri r i
Pc1=4πλ(T0-Tw) ri
光效(lm/w)
寿命(h) 功率(w)
功率密度(Pl1) 1000~1500/cm
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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
Projection Set
①very big images Advantages ②excellent image quality
诸定昌
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’Hg
22.4 P’Hg= 273 V’ / T’
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
在管半径为ri，且温度为T(r)的单位弧长 体积中产生P’’Hg P’’Hg= 22.4 273
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
一.Comparing between MHL and UHP 1)good white color
2)filling chemical materials react with quarts:
Rapid decrease in brightness Relative short lamp life Color shift over the service life 3)too long gap
加荧光粉——荧光高压汞灯
即可提高光效，又可提高显色指数
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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)atm
b）PHg与Tw的关系
过量Hg下
3 3.36 × 10 lgPHg=+7.752 Tw(k)
光源原理与设计—高压汞灯
l=larc +2T.T.Q+压封区
插入因子
T.T.Q
6.验证湍流发生的可能性 m2/d≤250
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
三.高压汞灯的启动
f
F Pl Tw PHg PHg(max)
I
稳定 时间
4~10分
t
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
1.HID灯启动的四个阶段 a) Breakdown: ionization to produce enough charges (governed by Pashen Law).
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
二. 自镇流荧光HPM 热辐射+GD 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
诸定昌
6.4 超高压汞灯
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：MH, UHP
(Plasma Display Panel)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
一. LCOS的工作原理
对投影光源的要求和比较
UHP 弧长(mm) 色彩 1.0~1.5mm MH 3.0~3.5
较差
60 ≥6×103 100~200
较好
60 <3000 200~350 700~1000W/cm
③low volume and weight
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
Professional Presentation ①variable image size ②animation effects Home TV ①front and rear projector ②screen diagonal 125cm and more ③low set depth <30cm possible ④no heavy and big CRT tube
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
诸定昌
2. 毛细管超高压汞灯
d=1~3mm
管壁稳定型
灯管成毛细管 钨组玻璃 过渡玻璃
石英
石英
漏磁变压器
Hg+Ar
5kPa
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
*UHP 光源 多媒体投影仪 背投TV
CRT
显示 方式 LCOS PDP LCD 光源，微型卤钨灯 CCFL
2. 选定电参数（Pl给出，Vl选定，Il可知） Pl=VlIlαl (αl=0.9) Vl=VAK+ELarc
a) VAK b) Vl
锆酸钡电子粉电极 12～13V 纯钨电极 17V Vl↑→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
诸定昌
3. 选定管壁负载
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
第六章 高压汞灯
6.1 高压汞蒸气放电特性
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
一. 电弧温度和电离机构
1. Tg≈Te PHg↑→γ↑→Tg↑ LTE满足: Ve→Maxwell Distribution n*→Boltzmann Distribution n+(n-) →Saha Equation
r
T0=6000K Tw=1000K λ=8.35×10-5T3/4(w/mk) Pc1=10W/cm
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
3. 光效
通常
Pl1=40～50W/cm
Pr1=Pl1-Pc1
考虑nHg与石英对辐射的吸收 Pr1=0.72(Pl1-Pc1) 0.72(Pl1-Pc1) Pc1 ηr= =0.72(1) Pl1 Pl1
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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
诸定昌
二. 光谱
1. 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*Ajkhγjk
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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 连续谱 韧致辐射 在连续光谱上叠加了放宽的线光谱
R 30~40kΩ
辅助电极 (1~2mm)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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=1.5Io c) 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
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
2.影响Vs的因素 a) Tamb Penning Effect
b) 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* H2+Hg* 2H +Ar 2H +Hg 破坏Penning 效应 破坏阶梯电离
一般Es=4v/cm • Torr 400w larc=6.5cm PAr=20Torr Vs=520v
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
1.球形超高压汞灯：增加单位弧长对应
的表面积
a) 球形超高压汞灯结构
Hg+Ar
极距
larc>8mm, larc<8mm,
对流稳定型 电极稳定型
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
b) 特性
E 正比于 PHg
E和关系不明显 E=J/eneµe I Sarc
L的经验公式
J基本不变
b) A self-sustaining discharge by secondary emission from the cathode（ governed by Townsend Law). c) Glow-to-Arc transition during which the electrodes are heated to a value where thermal emission delivers most of the current. d) Comes to slow transition from a low pressure to a high pressure.
∫
ri
0
2πr dr T(r)
在单位弧长充汞量为m(mg/cm)，在ri与 T(r)的条件下产生PHg P’’Hgm ri2 2πr 22.4m 2 = PHg= dr 273×200.6 0 200.6 T(r) ri 2 m dr PHg= 0 T(r) 7680
∫
∫
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诸定昌
Teff =f（ri ,Pc1） rarc=c3ri Elenbass 根据二阶温度轮廓模型
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
Pl11/2 m7/12 E= 6 (Pl1-Pc1)1/3d3/2 代入Pl1 =30w/cm
Pc1=10 m7/12 Vl-VAk = ---------③ E≈12 larc d3/2
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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 1.6eV
d l 电子粉
圈
杆
(钍)钨
BaZrO3(1.63eV) 常用
Ba3WO6
Ba2CaWO6+Ba2CaMoO6
钡钨类电极 (T电=1500~1900oC)
<2.07
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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+W 3BaWO4 +3Ba
辐射体温度太高，蒸发大
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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) c) 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
诸定昌
Pl↑→ηr↑ Pl1↑→Ve↑→PHg↑
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
6.2 高压汞灯
一. 结构
石英泡壳 1. 放电管 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
诸定昌
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。 3. 外壳 硬玻璃（软玻璃）
Ws=Pl/πd larc---------------------照明灯 9～10w/cm2
2
Ws
紫外灯 5.5～6.5w/cm2
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
4. 充汞量与E的关系 Pl1=EIlαl=E J Sarcαl
=E(e neμe) πrarc2 • αl
μe=c1/n0
ne =c2n0exp[-evi/2kTeff]
253.7 365.0 312.1 296.7 nm
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
6.3
一. 荧光HPM
源自文库
荧光高压汞灯 与 自镇流高压汞灯
253.7 489nm
a) 提高η 粉：卤粉
b) 提高Ra粉：氟锗酸镁粉： 625.0~675.0nm 618nm c) 提高η 和Ra粉：钒酸钇粉
YAG Ce铝酸钇 (蓝)435.8 560(黄)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
5.几何尺寸与总充汞量的计算 PHg=0.75(m/d2)Pl10.25/(dm)0.1-----------(1)
Ws=Pl/πd larc-----------------(2) E≈ 12 m7/12 Vl-VAk ---(3) = larc d3/2
larc
总充汞量M=m(larc+3/4 d)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
三. 光效
Φin(内径)=27mm
I=4A
η F E
60
20
B C
D 10 102 103 104 PHg(Torr)
PHg不同时η变化
10 A
10-2 10-1 1
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
1. η随PHg上升而增加(PHg≥1atm) 2. 单位波长的热耗 dT PC1=-λ 2πri dr r i
诸定昌
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/cm2
水汽 H2o 5.工艺的影响 电极处理 Quartz 质量 H +O
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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=15~20
2.强紫外光源
PL=Pr+Pc+PT
1 λ= λV 3
PHg↑→λ↓ PHg↑→Tg↑→V↑
λ与PHg无关（与T也无关）
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
实验表明，dT/dr为抛物线分布
T
T0 Tw
T(r)=T0-(T0-Tw)( r )2 ri Pc1=- λ[-(T0-Tw) 2r2] 2πri ri r i
Pc1=4πλ(T0-Tw) ri
光效(lm/w)
寿命(h) 功率(w)
功率密度(Pl1) 1000~1500/cm
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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
Projection Set
①very big images Advantages ②excellent image quality
诸定昌
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’Hg
22.4 P’Hg= 273 V’ / 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’’Hg P’’Hg= 22.4 273
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
一.Comparing between MHL and UHP 1)good white color
2)filling chemical materials react with quarts:
Rapid decrease in brightness Relative short lamp life Color shift over the service life 3)too long gap
加荧光粉——荧光高压汞灯
即可提高光效，又可提高显色指数
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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)atm
b）PHg与Tw的关系
过量Hg下
3 3.36 × 10 lgPHg=+7.752 Tw(k)
光源原理与设计—高压汞灯
l=larc +2T.T.Q+压封区
插入因子
T.T.Q
6.验证湍流发生的可能性 m2/d≤250
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
三.高压汞灯的启动
f
F Pl Tw PHg PHg(max)
I
稳定 时间
4~10分
t
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诸定昌
1.HID灯启动的四个阶段 a) Breakdown: ionization to produce enough charges (governed by Pashen Law).
光源原理与设计—高压汞灯
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二. 自镇流荧光HPM 热辐射+GD 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
诸定昌
6.4 超高压汞灯
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：MH, UHP
(Plasma Display Panel)
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
一. LCOS的工作原理
对投影光源的要求和比较
UHP 弧长(mm) 色彩 1.0~1.5mm MH 3.0~3.5
较差
60 ≥6×103 100~200
较好
60 <3000 200~350 700~1000W/cm
③low volume and weight
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
Professional Presentation ①variable image size ②animation effects Home TV ①front and rear projector ②screen diagonal 125cm and more ③low set depth <30cm possible ④no heavy and big CRT tube
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
d=1~3mm
管壁稳定型
灯管成毛细管 钨组玻璃 过渡玻璃
石英
石英
漏磁变压器
Hg+Ar
5kPa
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
*UHP 光源 多媒体投影仪 背投TV
CRT
显示 方式 LCOS PDP LCD 光源，微型卤钨灯 CCFL
2. 选定电参数（Pl给出，Vl选定，Il可知） Pl=VlIlαl (αl=0.9) Vl=VAK+ELarc
a) VAK b) Vl
锆酸钡电子粉电极 12～13V 纯钨电极 17V Vl↑→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
诸定昌
3. 选定管壁负载
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诸定昌
第六章 高压汞灯
6.1 高压汞蒸气放电特性
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
一. 电弧温度和电离机构
1. Tg≈Te PHg↑→γ↑→Tg↑ LTE满足: Ve→Maxwell Distribution n*→Boltzmann Distribution n+(n-) →Saha Equation
r
T0=6000K Tw=1000K λ=8.35×10-5T3/4(w/mk) Pc1=10W/cm
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
3. 光效
通常
Pl1=40～50W/cm
Pr1=Pl1-Pc1
考虑nHg与石英对辐射的吸收 Pr1=0.72(Pl1-Pc1) 0.72(Pl1-Pc1) Pc1 ηr= =0.72(1) Pl1 Pl1
光源原理与设计—高压汞灯
诸定昌
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
诸定昌
二. 光谱
1. 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*Ajkhγjk