T2细管径低气压汞放电正柱能量平衡研究

摘要

基于低气压汞放电原理制成的荧光灯，是目前最主要的室内照明光源之一，在照明领域有着举足轻重的地位。其中，一体化紧凑型荧光灯(俗称节能灯)凭借结构小巧、高效节能的特点更是在普通照明应用中发挥着重要的作用。近年来，外径7 mm的T2紧凑型荧光灯占据了越来越大的市场，然而国内外对于荧光灯放电特性的研究都主要集中在管径较粗的T4～T12灯，而对于更细管径的研究报道却很少。由于T2荧光灯的电流密度远大于粗管径灯，双极性扩散增强易造成轴心汞耗尽的现象，会对放电的电学特性和光输出特性产生影响。我国已成为全球最大的紧凑型荧光灯生产国，产量占全球总产量的85％。而欧盟于2009年发布的生态指令对于投放欧盟市场的荧光灯产品提出了严格的能效标准。因此，有必要对更细管径的荧光灯进行实验和理论研究，从而优化紧凑型荧光灯的设计和制造。
　　 低气压汞放电正柱的能量损失分为三种：辐射损失、气体加热损失和管壁损失。其中辐射损失直接与荧光灯的应用息息相关。本文采用Koedam系数法测量了T2低气压Ar-Hg放电和Kr-Hg放电正柱的强谱线辐射功率和辐射效率，并探讨了冷端温度、放电电流、填充成分及充气压等参数对放电的影响。此外，利用一维流体模型分析了T2低气压汞放电正柱的能量平衡，并将模型结果与实际测量值进行了比较。
　　 第一章简要介绍了荧光灯的基本原理和管径细化发展过程，分析了当前我国荧光灯产业的现状和面临的挑战，提出了研究T2细管径汞放电的必要性和重要意义；同时，回顾了前人在模型和实验方面对于不同管径低气压汞放电的研究成果，并介绍了本文的主要研究工作和创新点。
　　 第二章介绍了Koedam系数的基本概念和物理意义。参考Koedam和Anderer等人测量较粗管径的Koedam系数的方法，设计并制造了一个小型分布辐射度计来进行测量。实验测量了T2低气压汞放电正柱254，365，436，546 nm等辐射谱线在不同冷端温度(Ar-Hg测量的是20，50℃，Kr-Hg测量的是30，50℃)，电流分别为40，100，160 mA情况下的Koedam系数，并与Lawler等人的Monte-Carlo模拟的结果进行了比较。结果表明，Koedam系数随着管径缩小而减小，随电流上升而增大，而冷端温度对于Koedam系数的影响相对较小。对应不同波长，254nm的Koedam系数最大。
　　 第三章详细描述了Koedam系数法测量放电正柱区谱线辐射功率的实验流程和实验设备。制作了采用合成石英管材料、封接双浮动探针、不涂敷荧光粉、填充Ar-Hg或Kr-Hg气压2，3，5，710 Torr的T2放电管。采用光谱辐照度相对定标和辐亮度绝对定标相结合的方式测量得到不同冷端温度和放电电流参数组合下，放电正柱中200～1000 nm范围内Hg和Ar的强谱线的辐亮度，再计算出对应参数条件下谱线的辐射功率和辐射效率。由于185 nm易被空气中的氧气吸收，采用真空单色仪来测量不同参数组合条件下185 nm和254 nm的辐亮度比值并采用了氘灯标准进行定标。对实验测量结果的不确定度进行了详细的误差分析。
　　 第四章计算得到了测量得到的T2细管径低气压汞放电正柱中11条汞线(185，254，297，313，365，405，408，436，546，577，579 nm)的辐射功率和辐射效率，探讨了冷端温度、放电电流和稀有气体对输入功率和辐射效率的影响。电流100 mA时254 nm辐射功率对应的最佳冷端温度为50℃，而其辐射效率最大值对应的冷端温度更高。T2低气压Ar-Hg放电灯的最佳充气压为5 Torr，Kr-Hg放电的最佳充气压在7 torr左右。低气压汞放电灯内填充氪气，可以有效降低放电的输入功率，提高254 nm辐射效率。汞原子的可见辐射相对254 nm辐射很小，但对于研究放电正柱的能量平衡仍有着非常重要的意义。另外，在T2细管径灯中，轴心汞耗尽现象不可忽视。
　　 第五章分析了低气压汞放电正柱的能量平衡关系。输入放电正柱的能量以三种形式损耗：辐射损失、气体加热损失和管壁损失。本文采用Petrov等人的一维流体模型来分析放电的具体物理过程，该模型考虑了电子的径向不均匀分布，并利用放电空间内不同微元之间的辐射耦合系数来评估辐射过程。冷端温度40℃以上，模型预期与实验测量结果具有较好的一致性，但在冷端温度较低时，两者存在比较大的偏差。