光源与照明基础知识

光源与照明基础知识一：光源的特性参量1光源的辐射特性光是一种电磁波，它的波长区间从几个nm（1nm=10-9m）到1mm左右。

人眼能看见的只是其中一部分，称为可见光。

光除具有波动性之外，还具有粒子性。

2照明光源的光学特性照明光源的光学特性必须用基于人眼视觉的光量参数描述。

1．2．1光强度、光通量、光照度和光亮度A：光通量光源在单位时间内所发出的光量称为光源的光通量，单位Lm（流明）。

B：光强度光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的光强度，光强的单位是cd（坎德拉、烛光）C：光出（射）度和光照度光源的光出（射）度就是光源上每单位面积向半个空间发出的光通量，光出度在数值上等于通过单位面积所传送的光通量。

表示表面被照明程度的量称为光照度，它是每单位面积上受到的光通量数。

光出度和光照度的基本单位都是Lm/m2D：光亮度光源在给定方向上的光亮度也就是它在该方向的单位投影面上光强度，光亮度的基本单位是nt（尼特）。

1．2．2光源的色温和显色性作为照明光源，除了要求发光效率高之外，还要求它发出的光具有良好的颜色。

光源的颜色有两方面的意思：色表和显色性。

人眼直接观察光源时所看到的颜色，称为光源的色表。

显色性是指光源的光照射到物体上所产生的客观效果。

如果各色物体受照的效果和标准光源（黑体或重组日光）照射时一样，则认为该光源的显色性好（显色指数高）；反之，如果物体在受照后颜色失真，则该光源显色性就差（显色指数低）。

4光源的电气特性和寿命1．4．1光源的电气特性在测量光源的光学特性的同时常常要求测量光源的电气特性。

对白炽灯来说，其电参数为流经灯管的电流、灯管上的电压降及灯消耗的功率。

对气体放电灯，情况比白炽灯复杂。

对工作于交流的气体放电灯，电功率等于VIcosØ，cosØ称为灯的功率因数。

在进行测量之前，灯必须经过100h的老炼，以使其特性稳定。

在测量过程中，灯的参数受到众多因素的影响，所以有必要对诸如环境温度、通风条件、点燃位置、电源频率以及灯的接线方式等实验条件加以控制。

1．4．2灯和寿命灯的寿命是评价灯的性能的一个重要指标。

灯的寿命有全寿命和有效寿命之分。

灯从点燃到不能工作的时间称为灯的全寿命。

有效寿命则是根据灯的发光性能来定义的。

当灯所发出的光下降到其初始值的80%（或70%）时，它所已经点燃的时间被定义为它的有效寿命。

二：白炽灯现在广泛使用的钨丝灯就是利用热辐射现象做成的光源，黑体辐射也属于热辐射的范畴。

1黑体辐射的基本规律所谓黑体，就是指这样一种物体，它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。

任何辐射体的光谱辐射出其不意度都比黑体的小。

理想的黑体是没有的，但是可造出与其性质极相似的物体。

2白炽灯的材料与结构它由灯丝、支架、引线、泡壳和灯头几部分组成。

现在大部分白炽灯泡内都充氩、氮或氩——氮混合气体，只有少数小功率灯泡是真空的。

白炽灯是根据热辐射原理制成的，通常它是靠电能将灯丝加热至白炽而发光。

用作灯丝的材料应满足以下几方面的要求：A）熔点高。

B）蒸发率小。

C）可见辐射选择性好。

D）有合适的电阻率。

E）加工容易。

F）机械强度好，使用时耐振动和冲击。

钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态（20c0）时的电阻。

一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的12~16倍，所以在灯启动时有较大的电流通过。

泡壳也是白炽灯的重要组成部分。

泡壳通常采用钠钙玻璃，大功率灯用耐热性能好的硼硅酸盐玻璃。

对于泡壳可作多种特殊处理以满足照明要求。

在白炽灯中，采用杜镁丝与铅玻璃芯柱实现匹配封接。

外导线以铜或镀铜铁为主。

为防止灯丝烧断时产生电弧，在外导丝上串接镍系合金保险丝。

灯头是白炽灯的电连接和机械连接部分，按形式和用途主要可分为螺口式灯头、插口式灯头、聚焦灯头以及各种特种灯头。

在普通白炽灯中充氩氮混合气体，氮的主要作用是防止灯泡产生放电。

混合气的比例根据工作电压、灯丝温度和导入线之间的距离而定。

对220V的灯，Ar的百分比为84~88%，N2的百分比为16~12%；对100V的灯，Ar的比例可上升到88~95%，N2的比例下降到12~5%。

充气压为80~87Kpa。

消气剂也是白炽灯的一种重要材料。

它能吸收灯中的大量氧气、水汽等杂质气体。

白炽灯中最常用的消气剂是红磷，五氮化三磷也是一种非常有效的消气剂。

在大功率白炽灯中也有用锆粉和锆铝16合金作为热消气剂的。

2．3白炽灯的充气问题通过大量的实验工作，发现在灯泡中充入氩、氮等气体，可以有效地抑制钨的蒸发，从而可以使灯丝的提高到2700~3000K。

但由于所充气体的热传导和热对流造成的附加热损失，即所谓气体损失，灯的光效比同样温度的真空泡低。

充气能抑制钨的蒸发，所充气压越高，效果越好。

因所充气体的热导作用，灯损失功率Pc，当气压增加时，这部分功率损失也增加。

这一作用与充气的前一效果是相反的。

所充惰性气体的分子量越大，抑制钨蒸发的效果越好，气体的热导损失也越小。

充气灯中应采用螺旋形灯丝，因为缩短灯丝长度对延长寿命和减少热导损失都是有益的。

三：卤钨灯在充气白炽灯中钨仍然是要蒸发的，只不过速度减慢而已。

钨的蒸发即然是不可避免的，那么是否可以采取措施让蒸发出来的钨形成易于挥发的化合物，而这些化合物在灯泡附近分解，让钨重新回到灯丝上去。

如果这样的话，钨丝的工作温度和光效就可大大提高，而泡壳在点燃过程中并不发黑。

氟、氯、溴、碘各种卤素都能够产生钨的再生循环，它们之间的主要区别是发生循环反应所需的温度以及与灯泡内其它物质发生作用的程度有所不同。

在适当的温度条件下，从灯丝蒸发出来的钨在泡壁区域内与卤素反应形成挥发性的卤钨化合物。

当卤钨化合物扩散到温度较热的灯丝周围区域时又分解成卤素和钨，释放出来的钨部分回到灯丝上，而卤素再继续扩散到温度较低的区域与钨化合，这一过程称为卤钨循环或再生循环。

卤钨灯的管壁温度不应高于所使用的卤素的反转温度。

在接近灯丝的高温区域，卤钨化合物分解，释放出来的钨在灯丝周围形成原子云，部分钨沉积到灯丝上。

不幸的是，在大多数情况下这些钨并不是回到它们原先蒸发出来的地方，即“热点”处；而是沉积在靠近支架和尾部等处灯丝的较冷部位。

但大家知道，在白炽灯中灯丝烧断的一个主要原因是热点发展的结果。

经验指出，灯丝的蒸发总是不均匀的。

由于某种原因，例如化学成分的不均匀，钨丝某一部分的电阻率比其他部分高，这导致钨丝的这一小部分温度高于其他部分，形成热点。

而钨丝的蒸发速度随温度指数上升，热点的直径就比灯丝其他部分减小得快。

这样，热点温度更快上升，直至熔点，钨丝便烧断。

从这一过程来看，要延长灯丝寿命，必须使钨通过循环回到热点上；而这一点碘、溴、氯的再生循环是不能做到的，所以这三种卤素的循环并不直接延长灯丝的寿命。

只有氟钨循环是例外。

钨的氟化物稳定性很高，它的分解温度比其他钨的卤化物都高，到3400K时它才开始明显地分解。

这就是说，钨的氟化物只在灯丝的热点处分解，分解出来的钨当然就回到热点上。

这样，氟钨循环就抑制了热点的发展，延长了灯丝的寿命。

有人做过这样的实验：故意用一根粗细不匀的钨丝做灯，在灯中采用氟循环剂，发现点燃一段时间后，钨丝变得均匀了。

由此可见，从消除热点的角度来看，氟钨循环可以使白炽灯丝有无限长的寿命。

为了使管壁处生成的卤化钨处于气态，管壁温度要比普通白炽灯高得多。

相应地，卤钨灯的泡壳尺寸就更小得多。

例如，500W卤钨灯的体积只是通常的白炽灯的1%。

这时，普通玻璃承受不了，必须使用耐高温的石英玻璃或硬玻璃。

由于泡壳尺寸小，强度高，灯内允许的气压就高，加之工作温度高，故灯内工作气压要比普通充气灯泡高很多。

既然在卤钨灯中钨的蒸发受到更有力的抑制，同时卤钨循环消除了泡壳的发黑，灯丝的工作温度和光效就可大为提高，而灯的寿命并不缩短。

当然，如果灯丝的工作温度不变，灯的寿命就会大为延长。

卤钨灯有消除泡壳发黑和提高光效（或延长寿命）的长处，但也有不足的一面。

卤钨灯灯丝的丝脚或灯丝的支架的温度比灯丝中央部分低。

在这些比较冷的区域反应可能朝着生成卤钨化合物的方向进行。

这样，这些丝脚、支架就会被腐蚀、损坏。

从反应的平衡图可以看出，卤钨化合物的稳定性按碘→溴→氯的次序增加（Kp增大），这说明在灯内比较冷的区域，溴对丝脚、支架的腐蚀比碘严重，而氯的化学腐蚀比前面两种卤素更厉害。

碘是最早采用的卤钨循环剂，以后又陆续采用溴、溴化氢和卤素的碳氢化合物等作为循环剂，对氟化物类的循环剂也已作过很多研究。

四、气体放电灯的基本原理现在大量使用的光源除了前面所述的热辐射光源外，还有另一类光源——气体放电灯。

所谓气体放电就是指电流通过气体媒质时所发生的物理过程。

利用气体放电发光的原理制成的灯,便是从本章起所要讨论的气体放电灯.在大部分灯内发光的基本过程是三级式的：自由电子被外电场加速；当运动的电子与气体原子碰撞时，电子的动能就转交给原子使其激发；当受激原子返回基态时，所吸收的能量以辐射发光的形式释放出来。

自由电子不断被外电场加速，上述三级式的过程也就不断地在灯中进行。

4、1气体放电的基础知识4、1、1气体放电的形成和分类在图4.2中如果通过改变电源电压V0来测量在不同的放电电流时的灯管电压V，就得到如图4.1.9所示的关系曲线,此一曲线称为气体放电的全伏—安特性曲线。

GVz C DBE F HA10-9 10-6 10-3 1气体放电的的全伏-安特性曲线气体放电的全伏—安特性曲线的各段情况是这样的：由于外致电离，在灯管中存在带电粒子。

在电场的作用下，这些带粒子向电极运动，形成电流。

随着电场的增强，带电粒子的速度增加，复合减少，使电流增大，这就是OA段。

当电场再增强时，所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极，这时电流就饱和了，形成了AB段。

如果电压V0再继续升高，则电场将使初始的带电粒子的速度增加到很大，它们与中性原子碰撞时能使之电离；而中性原子电离产生的电子又被电场加速后和另外一些中性原子作电离碰撞，形成更多的电子。

这样一种繁衍过程使电子数雪崩式地增加。

因此，往往称BC段为繁流放电或雪崩放电。

在C点，通过灯管的电流突然增加至D点，管压降随即迅速降低，同时在灯管中产生了可见的光辉。

C点称为气体放电的破裂点或着火点，相应的电压Vz称为灯管的着火电压。

4、1、2辉光放电阴极溅射是辉光放电阴极上的一个特有的过程。

辉光放电时，阴极受到正离子等的激烈轰击,使金属粒子从阴极表面飞溅出来，沉积到阴极附近的零件和管壁上，这种现象称为阴极溅射。

关于阴极溅射，观察到下列规律性：(1)、在低气压下，从阴极表面剥落下来的颗粒以直线方式向四面八方飞散。

(2)、当其他条件相同时，气压越高，阴极溅射就越少。

(3)、轰击阴极的离子质量越小，阴极溅射就越少。