微波等離子燈可見光輻射的研究*

諸葛天祥 楊中海

(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都 610054)

引言

微波等離子燈被稱為新一代綠色能源，其照明優(yōu)勢(shì)得到廣泛認(rèn)可，它具有以下主要優(yōu)點(diǎn):1.無(wú)電極污染 (汞污染)2.光效高 3.光色好 (色溫6000K左右，顯色指數(shù)80以上)4.光線可調(diào)5.似太陽(yáng)光連續(xù)光譜，較低紫外和紅外輻射6.啟動(dòng)較快冷啟動(dòng)時(shí)間20秒左右，可在低溫環(huán)境下啟動(dòng)［1］。其大致包括電源組件、微波發(fā)生器 (磁控管)、波導(dǎo)、諧振腔 (網(wǎng)罩)，等離子玻泡、電動(dòng)機(jī)六大部分。工作原理為電源驅(qū)動(dòng)磁控管產(chǎn)生高頻電磁能量，經(jīng)波導(dǎo)傳輸后耦合到諧振腔中，電磁能量激發(fā)高速旋轉(zhuǎn)玻泡中的固體物質(zhì)，產(chǎn)生等離子體并發(fā)出具有連續(xù)光譜的強(qiáng)光［2］。這是一門光源、等離子放電、微波等很多學(xué)科的交叉技術(shù)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)這種新型光源爭(zhēng)相展開研究，取得了很多成果的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了很多急需解決的技術(shù)瓶頸，使得微波等離子燈目前還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)民用產(chǎn)品化。但是因?yàn)槠淞己玫男阅苁沟眠@種新光源在不久的將來(lái)會(huì)在照明市場(chǎng)中占有重要的地位。

1 發(fā)光原理

目前關(guān)于硫燈的激發(fā)途徑還沒(méi)有確切的說(shuō)法，可能的激發(fā)途徑為:激發(fā)途徑一，S2在低密度等離子體 (主要為電子)的作用下從基態(tài)激發(fā)到B激發(fā)態(tài)。S2分子基電子態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級(jí)相對(duì)位置互相嵌套，不依靠三體復(fù)合過(guò)程電子能很容易使 S2分子基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)，但Ar的電離能很高，不容易電離，產(chǎn)生的電子非常少，因此，等離子體激發(fā)不一定是主要的激發(fā)途徑。激發(fā)途徑二，從原子分子反應(yīng)靜力學(xué)的角度分析，S3分子在高溫下躍遷到激發(fā)態(tài)，然后離解為S2分子的激發(fā)態(tài)和基態(tài)S原子。因?yàn)樵谖⒉ǖ淖饔孟掳l(fā)光體達(dá)到較高的溫度 (1000℃左右)，所以分子的振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)能很高，因此在振動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)與電子運(yùn)動(dòng)的相互作用下S3分子可能躍遷到激發(fā)態(tài)，從而分解得到S3可以存在于六種電子狀態(tài)，即基態(tài)和五種激發(fā)態(tài)1A2，1B2，3A2，3B1和3B2，只有兩種激發(fā)態(tài)3B1和3B2可以分解為+S(3Pg)，從而得到 S2發(fā)光的激發(fā)態(tài)。激發(fā)途徑三，通過(guò)對(duì) Ar與S2)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究，Ar有碰撞激發(fā)的作用。在Ar的碰撞下，被逐步激發(fā)到較高振動(dòng)能級(jí)，當(dāng)基態(tài)S2分子處在大于43的振動(dòng)能級(jí)上時(shí)通過(guò)與Ar原子的碰撞能量轉(zhuǎn)移激發(fā)到激發(fā)態(tài)。從而完成S2分子基態(tài)到激發(fā)態(tài)的激發(fā)。與此類似，S(或S2、He、Ne、Ke、Xe等)對(duì)S2的碰撞應(yīng)有同樣的結(jié)果［22］。

2 光譜和光效

在很多報(bào)道和文獻(xiàn)中都提到微波等離子燈的高光效，并給出不同的數(shù)值，對(duì)此我們?cè)谝延械募夹g(shù)下展開研究和評(píng)估。首先，我們認(rèn)定微波等離子燈的光效以電源功率而非微波功率計(jì)算，盡管在電源功率到微波功率之間的轉(zhuǎn)化有一個(gè)很大的能量損失;其次，微波等離子燈在不同功率段的光效是一個(gè)什么樣的情況;第三，該光效究竟與光譜的分布是如何對(duì)應(yīng)和作用的，是否有偏差。第四，光效的提高點(diǎn)或提升空間體現(xiàn)在哪幾個(gè)方向。

使用光學(xué)積分球測(cè)試等離子燈的光效，此數(shù)據(jù)也曾到復(fù)旦大學(xué)光電研究所使用光度分布儀進(jìn)行了檢定，各項(xiàng)參數(shù)對(duì)比后發(fā)現(xiàn)誤差很小，其中光效誤差小于3個(gè)lm/w。因此我們認(rèn)為自用設(shè)備所得數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確可靠的。測(cè)試時(shí)為盡量消除表面吸收的誤差，只將微波等離子的核心部件 (如圖1)置于積分球中，而將電源控件、燈箱等部分置于積分球外。經(jīng)測(cè)試及電腦繪圖得到以下光譜曲線及各項(xiàng)參數(shù)，任取一組研發(fā)過(guò)程中的報(bào)告，如圖2。

圖1 微波等離子燈核心部件

圖2 微波等離子燈光譜圖

圖中光效是發(fā)光效能的簡(jiǎn)稱。它是電光源發(fā)出的光通量和它用電功率之比，單位是流明/瓦 (lm/W)。

圖中可以清楚看到微波等離子燈的連續(xù)光譜特性，其中藍(lán)綠色光波段光功率最集中，譜線對(duì)每nm的光功率進(jìn)行了歸一化，顯然光輻射功率的標(biāo)定是不對(duì)的，一個(gè)千瓦級(jí)的微波等離子燈光輻射功率不可能只有11.44W。光輻射功率在復(fù)旦的檢定系統(tǒng)中也沒(méi)有給出，下面將在第三部分介紹我們自己的計(jì)算方法。

此外我們對(duì)于各個(gè)功率段的光效值也進(jìn)行了測(cè)定，得到了重要的結(jié)論，為驗(yàn)證等離子燈一致性，我們將自制的產(chǎn)品、國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品、國(guó)外同類產(chǎn)品進(jìn)行了比較，見圖3。

圖3 微波等離子燈光效與功率關(guān)系圖

從圖3中我們可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。

(1)等離子燈在各功率段光效不一致，成線性變化，隨著功率增大而增大。即硫等離子體的發(fā)光特性與功率有一定的正比關(guān)系。

(2)光效變化在1400W后變化緩慢，一直持續(xù)到1800W，即單純通過(guò)提高功率來(lái)增大光效，效果是有限的。

(3)如果單純和其他種類電光源，如鈉燈、金鹵燈比較，其光效則不占優(yōu)勢(shì)。還需進(jìn)一步深入研究等離子體發(fā)光特性及微波與等離子體的互作用。

(4)微波等離子燈在<800W的低功率段光效很低，最好發(fā)展大功率微波等離子燈，或者進(jìn)一步提高低功率段光效與功率的線性斜率。

3 可見光輻射功率的計(jì)算

通過(guò)前面的研究，有必要計(jì)算一下實(shí)際的可見光輻射功率到底是多大，也就是說(shuō)究竟有多少微波能量轉(zhuǎn)換為人眼可感知的光能，有多少微波能量轉(zhuǎn)換為熱能，同時(shí)轉(zhuǎn)換為光能的能量哪些對(duì)光效提高更有意義，下面來(lái)研究一下可見光功率的計(jì)算。

光通量指人眼所能感覺(jué)到的輻射能量，它等于單位時(shí)間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對(duì)視見率的乘積。由于人眼對(duì)不同波長(zhǎng)光的相對(duì)視見率不同，所以不同波長(zhǎng)光的輻射功率相等時(shí)，其光通量并不相等。人眼對(duì)不同顏色的光的感覺(jué)并不同，此感覺(jué)決定了光通量與光功率的換算關(guān)系。對(duì)于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683 lm，也就是說(shuō)，1W的功率全部轉(zhuǎn)換成波長(zhǎng)為555nm的光，標(biāo)定為683流明，這個(gè)是最大的光轉(zhuǎn)換效率，也是定標(biāo)值，因?yàn)槿搜蹖?duì)555nm的光最敏感。對(duì)于其它顏色的光，比如650nm的紅色，1W的光僅相當(dāng)于73流明，這是因?yàn)槿搜蹖?duì)紅光不敏感的原因。其中不同波長(zhǎng)相對(duì)視見率由光譜光效函數(shù)決定，具體系數(shù)即以555nm的光進(jìn)行了歸一化定值，具體值見CIE1931標(biāo)準(zhǔn)。

在波長(zhǎng)間隔dλ范圍內(nèi)，其光通量［3］為

其中v(λ)為光譜光效函數(shù)系數(shù)，φeλ為該波長(zhǎng)范圍的光輻射功率。

總光通量，即在380～780的可見光范圍內(nèi)積分得到，公式［3］為:

這里我們默認(rèn)系統(tǒng)對(duì)光譜及光通量的測(cè)試數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。即總光通量以及各譜線光輻射能量歸一化數(shù)據(jù) (即圖2中的縱坐標(biāo)值)是準(zhǔn)確的，取每五個(gè)納米一個(gè)波長(zhǎng)段，則光通量表達(dá)式為:

其中，v(λi)為第i波長(zhǎng)段的平均視覺(jué)函數(shù)系數(shù)值，m為圖2縱坐標(biāo)歸一化中1所代表的具體輻射能量，f(λi)為第i波長(zhǎng)段的歸一化值，則

則總可見光輻射功率為

我們?nèi)∫唤M研發(fā)過(guò)程中試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)，電源功率1347W，光效:51.63，光通量69533lm，

微波入射功率 (即進(jìn)入到諧振腔中的微波能量)為720W。代入從電腦中測(cè)試中提取的f(λi)和國(guó)標(biāo)［4］中的v(λi)得總可見光輻射功率為232W。

現(xiàn)在需考慮網(wǎng)罩透過(guò)率對(duì)光通測(cè)試的影響，由于在積分球內(nèi)很不好操作。我們?cè)O(shè)計(jì)了另一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)試方法，使用普通燈泡分別在罩和不罩網(wǎng)罩兩種情況下測(cè)試照度，對(duì)比即可得出透光率。過(guò)程為帶光源穩(wěn)定后啟動(dòng)照度計(jì)，每次順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)部件 (網(wǎng)罩或玻璃罩)約30度，依次記錄照度計(jì)讀數(shù)Ei，共得到12個(gè)照度讀數(shù)。

然后計(jì)算透過(guò)率

其中E1－Ei為測(cè)試點(diǎn) 這里共選擇12個(gè)測(cè)試點(diǎn) i=12，Eb為光源不點(diǎn)亮?xí)r的環(huán)境照度。而E0為裸光源的照度。各種網(wǎng)罩透光率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 各種網(wǎng)罩透光率試驗(yàn)數(shù)據(jù)表(nm)

這里我們?nèi)⊥腹饴实钠骄禐?6.5%，則修正光輻射功率計(jì)算值為232/0.765=303W，再通過(guò)微波等離子燈熱測(cè)試系統(tǒng) (這在另一篇文章中詳細(xì)闡述)，其入射功率即進(jìn)入諧振腔內(nèi)部的功率為720W，由此得出微波功率到可見光光輻射功率的轉(zhuǎn)化率為43.2%。

上述計(jì)算我們還忽略了網(wǎng)罩底部是實(shí)體，這一部分是不透光的，即網(wǎng)罩透過(guò)率在這里出現(xiàn)了誤差，最后考慮整個(gè)系統(tǒng)誤差可能，推得微波功率到可見光輻射功率的轉(zhuǎn)化率為45%－55%。這個(gè)轉(zhuǎn)化率還有很大的研究空間。下面我們來(lái)研究反光片對(duì)光效的影響。

4 光譜光效率函數(shù)的疑問(wèn)

已經(jīng)在君蘭國(guó)際高爾夫球場(chǎng)上實(shí)踐檢驗(yàn)證明，微波等離子燈的光效雖然比金鹵燈光效低25%，但實(shí)際人眼感受到效果卻遠(yuǎn)沒(méi)有25%的差距，甚至等離子燈更舒適明亮。這是不是有些矛盾或者不合理。

光譜光效率函數(shù) (視覺(jué)函數(shù))是光度學(xué)和色度學(xué)的基礎(chǔ)，該函數(shù)的變化必然會(huì)對(duì)光源發(fā)光效率的評(píng)定產(chǎn)生影響。那么現(xiàn)行的通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是否適用于微波等離子燈呢，我們認(rèn)為其是不合理的。原因在于視覺(jué)函數(shù)的標(biāo)定環(huán)境為明視覺(jué)時(shí)，大約2°視場(chǎng)內(nèi)由閃爍法對(duì)非彩色背景測(cè)得，這與應(yīng)用微波等離子燈時(shí)有彩色光刺激眼睛的實(shí)際情況差別很大，自1983年國(guó)際照明委員會(huì) CIE建立了中間視覺(jué)光度測(cè)量的技術(shù)委員會(huì)以來(lái) ，中間視覺(jué)亮度水平下的光度測(cè)量和視覺(jué)功能在照明領(lǐng)域中被廣泛地研究。雖然有關(guān)中間視覺(jué)下人眼的光譜視覺(jué)函數(shù)問(wèn)題提出了很多年，但 CIE并沒(méi)有最終確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即在中間視覺(jué)條件下的光通量計(jì)算是存在一定問(wèn)題的，這將對(duì)光源實(shí)際的光通量低估或高估。

表2 反光片的加入對(duì)微波等離子燈的影響

并由于受到當(dāng)時(shí)測(cè)光方法和測(cè)光儀器的限制，以及人為地把函數(shù)處理成圓滑的曲線都產(chǎn)生了一系列誤差，盡管在鈉燈、金鹵燈燈測(cè)試中人眼實(shí)際觀察效果差別不大，有研究表明藍(lán)色區(qū)域的光線明顯低于人眼的光譜靈敏度［6］。這對(duì)于具有連續(xù)光譜的、且藍(lán)綠光功率很強(qiáng)的微波等離子燈就是一個(gè)很大的測(cè)試損失。另?yè)?jù)研究表明藍(lán)綠光直接會(huì)影響人眼瞳孔開張的大小，含藍(lán)光成分較多的光源可以使人眼較好的聚焦，從而獲得較好的視功能。因此有必要針對(duì)微波等離子燈重新標(biāo)定亮度，在已有的系數(shù)上乘以一個(gè)相對(duì)比值，尤其在藍(lán)綠光波段。

5 反光片的應(yīng)用

由于網(wǎng)罩下端有一部分是金屬實(shí)體，故只能靠金屬表面的漫反射來(lái)傳播光線，這對(duì)光通量是一個(gè)巨大的損失，對(duì)此我們采用了反光片，且通過(guò)第一部分的分析可知對(duì)于光效貢獻(xiàn)不大的波長(zhǎng)的光，即使依靠反光片反射也對(duì)光效的增大貢獻(xiàn)很小。因此在制造反光片時(shí)需考慮其對(duì)哪些波長(zhǎng)光線的反射效果好。最后反光片具有一定的介電常數(shù)，對(duì)于諧振腔是一個(gè)微擾，必然影響微波與等離子體的互作用。因此不是盲目的將反光片加得具體玻泡越近越好，盡管越近其反射光線的立體角越大。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

通過(guò)仿真計(jì)算可以得到反光片的加入使得微波諧振腔的冷狀態(tài)諧振頻率下降9兆，緊貼耦合口反而比接近耦合口光效提高的多，即距離玻泡近 (反射立體角大)沒(méi)有距離玻泡遠(yuǎn)好，這說(shuō)明對(duì)于諧振腔還要進(jìn)一步調(diào)節(jié)，但加入反光片確實(shí)能提高光效2% －5%。

6 小結(jié)

通過(guò)上述四部分的總結(jié)分析可得，若提高微波等離子燈的光效，可以從以下幾方面入手。

(1)盡量提高微波發(fā)生器的轉(zhuǎn)換效率，以及交流電到直流電的轉(zhuǎn)化效率，不能讓更多的能量浪費(fèi)在能量轉(zhuǎn)換上，即減小無(wú)用功率的損耗。

(2)認(rèn)真研究分析微波等離子體，使之在對(duì)光效貢獻(xiàn)大的波段的光輻射功率提高，而抑止其他波段的光輻射功率，提高微波功率到可見光輻射功率的轉(zhuǎn)化。

(3)需要重新修正連續(xù)光譜下人眼對(duì)微波等離子燈的視覺(jué)函數(shù)系數(shù)，在某些波段下的系數(shù)需要提高?，F(xiàn)有的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，與實(shí)際人眼對(duì)微波等離子燈感受仍略有差距，LG公司研究人員也對(duì)該點(diǎn)持懷疑態(tài)度。

(4)使用反光片，增大反光片對(duì)可見光波段的反射率，并在微波系統(tǒng)中對(duì)反光片的加入做細(xì)致的匹配。

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