光源原理-考题答案

1考试信息•时间：1月19日上午8:30~10:30•地点：HGX210•题型：判断,选择,填空,名词解释,简答,计算•答疑：1月18日下午1:30~4:30,电光源楼2072009-01-08源原理与设计,复习要点第一章光源的特性参量1.光波长的划分区域（P1）2.辐射度量和光度量,以及它们之间的关系（辐射度量P1~4，光度量P8~12）(一)辐射度量1.辐射能量Qe定义：光源辐射出来的光(包括红外线、可见光和紫外线)的能量称为光源的辐射能量。单位：J焦耳。2.辐射通量(辐射功率)Pe定义：在单位时间内通过某一面积的辐射能量称为经过该面积的辐射通量，而光源在单位时间内辐射出去的总能量就叫做光源的辐射通量。辐射通量也可称为辐射功率。单位：W瓦。3.辐射强度Ie定义：光源在某一方向上的辐射强度Ie是指光源在包含该方向的立体角Ω内发射的辐射通量Pe与该立体角Ω之比：Ie=Pe/Ω单位：W/sr当光源在空间各个方向发出的辐射通量均匀分布时，Ie=Pe/4π4.辐射出(射)度Me和辐照度EeMe定义：一个有一定面积的光源，如果它表面上的一个发光面积S在各个方向(在半个空间内)的总辐射通量为Pe，则该发光S超的辐射出(射)度为Me=Pe/S单位：W/m22Ee定义：表示物体被辐射程度的量称为辐照度Ee。它是每单位面积上所接收到的辐射通量数，即Ee=dPe/dS’(s’表示接收器的面积元)5.辐射量度Le定义：光源在给定方向上的辐射亮度Le(φ，θ)是光源在该方向上的单位投影面积、在单位立体角中的辐射通量即Le(φ，θ)=Pe（φ，θ）/（S*cosθ*Ω）S代表发光面的面积，θ是在给定方向和发光面法线之间的夹角，Ω是给定方向的立体角，Pe（φ，θ）是在该立体角内的辐射通量。单位：W/（m2*sr）Le(φ，θ)通常与方向有关，若Le(φ，θ)不随方向而变，则Ie(φ，θ)正比于cosθ，即Ie(φ，θ)=I0cosθ。满足上式的特殊辐射体称为余弦辐射体，黑体就是这样的辐射体。对于余弦辐射体，有Me=πLe6.光谱辐射量(辐射量的光谱密度)光谱辐射通量定义：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射通量称为光谱辐射通量(简称谱辐通，也可称为辐射通量的光谱密度)Pλ，Pλ=ΔPe/Δλ,单位：W/m光谱辐射出（射）度定义：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射出度称为光谱辐射出（射）度Mλ=dMe(λ)/dλ,单位：W/m3光谱辐射量度定义：光源发出的光在每单位波长间隔内的辐射亮度为光谱辐射量度Lλ，即Lλ=dLe(λ)/dλ,单位：W/(m3*sr)（二）光度量1.光通量Ø定义：光源在单位时间内发出的光量称为光源光通量Ø单位：lm(流明)，相当于W2.光强度Iv定义：光源在给定方向上单位立体角内辐射的光通量I，I=dØ/dω单位：坎德拉cd如果光源是各向同性的，Φ=4πI3.照度E定义：单位面积上受到的光通量数，即E=Ø/S’单位：勒克斯(lx)4.出度M定义：光源上每单位面积向半个空间内发出的光通量。单位：lm/m2光照度与光出度M=ρE，ρ是小于1的系数，称为漫反射率。5.亮度L定义：光源在某一方向上的单位投影面、在单位立体角中发射的光通量单位：cd/m2，1cd/m2=1lm/(m2*sr)对于余弦辐射体，有M=πL6.光量Q定义：光源在单位时间段内所发出的光的总和称为（该时间段内的）光量。单位：lm*s，lm*h33.光效计算公式（P12~13）光效率(efficiency):光源的辐射能量占输入能量的百分比。光效能(efficacy):光源的光通量与输入能量的比值。Km=683lm/W光效(efficacy):光源的光通量与输入能量的比值。4ηv转换成可见辐射的功率占总功率的比例K辐射光效4.光源的色温（P14）当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度就称为该光源的颜色温度Tc,简称色温(CT)。5.光源的显色性（P13）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，则该光源的显色性就差(显色指数低)。显色性也称演色性或传色性。6.光源寿命：全寿命、平均额定寿命和经济寿命（P16）全寿命——灯点燃到不能工作的时间平均寿命——随机抽取的光源样品在额定条件下燃点时寿命的平均值,也即50%的灯不能工作时所燃点的时间经济寿命(有效寿命)——光源的光通维持率下降到某一百分比时所燃点的时间(一般室外70%,室内80%是可接受)一般有：经济寿命平均寿命全寿命第二章普通白炽灯1.黑体的普朗克辐射*2.斯忒藩-玻尔兹曼定律(P21)3.维恩位移定律(P22)54.大功率白炽灯需软启动的原因（PPT17）对大功率热辐射光源,电流冲击可能熔断灯丝或烧毁电源。解决的方法：软启动,使电压或电流缓缓上升到额定值。5.白炽灯内的Langmuir气体层及充气作用（P29、P33）充气作用：总结：•充气可抑制钨蒸发•充气引起热损耗•充入分子量大的气体可更好抑制蒸发和减小热耗•采用螺旋灯丝可使Pc下降•采用螺旋灯丝可增加寿命(机械强度增大)具体：（fromP33）【（1）充气能抑制钨的蒸发，所充气压越高，效果越好。当灯丝工作温度Tf保持不变时，充气可以使灯的寿命H延长；而当维持同样寿命时，充气可允许灯丝的工作温度提高，这时只要灯丝结构设计合理，便可提高灯的光效。（2）因所充气体的导热作用，灯损失功率Pc，当压强增加时，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。因为白炽灯的质量常用灯泡的内在质量qa=ηH1/7这个值来衡量，所以对一定的灯(指灯丝结构和输入功率一定)，存在着一个最佳的充气压，这时qa最大；当气压再升高时，由前者获得的寿命H的增益不足以补偿后者引起的光效η损失，结果反使qa下降。（3）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。因此，6灯中充氪气比充氩气好，充氙气更好。但氪、氙等比氩更容易发生放电现象，因此对高压灯泡，还应掺入一定比例的氮气，灯的内导丝之间的距离也不能太近。（4）充气灯中应采用螺旋形灯丝，因为缩短灯丝长度对延长灯的寿命和减小灯的热导损失都是有益的。】第三章卤钨灯1.卤钨循环原理（P51）答：不同的温度(1)蒸发的钨在泡壳温度(Tw)下易形成易挥发的化合物W+nX→WXn(2)在灯丝温度区域分解WXn→W+nX反转温度Tr：Kp(T)=1对应的温度2.卤钨循环剂的种类及特性（P52）3.红外反射卤钨灯原理（PPTLS0613页）第四章气体放电灯的基本原理1.主要气体放电光源的阴极电子发射机理（LS075）(1)热电子发射：加热金属使其中大量电子克服表面势垒而逸出的现象(2)正离子轰击发射：指正离子轰击阴极表面,将能量传递给阴极中的电子,使之克服势垒逸出。辉光放电的阴极主要发射方式——正离子轰击7(3)场致发射：又称为冷电子发射,指在金属阴极表面施加一个强电场,使阴极表面势垒降低,隧道效应明显,大量电子得以渡越势垒,逸出阴极表面(4)电子轰击发射：如果轰击电极的电子具有足够的能量，它就有可能从电极打出电子。对低气压高频放电很重要(5)光致发射：光电效应2.气体放电中主要的原子过程（LS0711）碰撞、激发和电离。热运动、迁移、扩散、双极扩散。简言之,双极扩散就是荷分离产生的径向电场使电子离子以相同速率向管壁扩散。3.气体放电的全伏安特性曲线（LS07）OA段：外致电离的带电粒子在电场作用下,向电极运动形成电流。电场E↑,I↑AB段：E↑↑,所有外致电离的电荷都到达电极,电流饱和BD段：雪崩放电。在C点使I指数式上升,而电压基本不变:，放电从非自持向自持过渡DE段：此时阴极通过增加发射面积使I阴增大,故V阴不变,但I已足够大,V等↓,故V↓EF段：正常辉光放电。阴极电流密度J=const,I=JS,S↑,I↑。F点,所有阴极表面已用于发射FG段：I↑↑,需J↑，故V阴↑,△V阴△V等,故V↑,即反常辉光放电GH段：I↑↑足够大,电极温度达到热电子发射温度,J↑→V阴↓→V等↓→V↓弧光放电4.辉光放电与弧光放电的区别辉光放电由阴极区、负辉区、法拉第暗区、正柱区、阳极区5部分组成，而弧光放电由阴极位降、正柱区和阳极位降3部分组成；辉光放电工作于高电压、小电流，而弧光放电工作于低电压、大电流；低气压弧光放电的正柱区除具有更高的带电粒子浓度外，与辉光放电正柱区的性质基本一样，但是，在高压弧光放电中则有着不同的物理过程和性质。5.线光谱、带光谱和连续光谱的形成原因（LS0913）激发态原子自发跃迁到低能级→线光谱激发态分子自发跃迁到低能级→带光谱正负带电粒子复合→连续谱6.谱线放宽机制（LS104）辐射原子自身原因：自然宽度←不确定原理；多普勒宽度←多普勒效应外界原因：压力放宽←外部粒子对辐射的干扰；斯塔克放宽←外部电场的影响7.辐射转移方程的推导及其求解*第五章荧光灯81.汞在各种气体放电灯中的作用发光材料：缓冲气体：启动气体：2.无汞气体放电灯的可行性无汞时，电压低。寻找材料替代汞的特性。3.不同管径低气压汞放电的最佳汞蒸气压38mm(T12)—0.8Pa;…4.稀有气体在各种气体放电灯中的作用启动：缓冲：发光：5.低气压汞放电正柱的能量平衡方程（P145）电子从电场获得的能量=电离能量+弹性碰撞损失+紫外辐射+其他辐射6.荧光灯的发光原理（P150）与热辐射相比荧光是一种产生具有很少热量的光的过程。适当的材料吸收高能辐射，接着就发出光，所发光子的能量比激发辐射的能量低。当发光的材料是固体时，该材料通常就称为荧光粉。激发荧光的高能辐射可以是电子或具有高速度的离子，也可以是从γ射线到可见光范围的光子，但其波长要比发射的光的波长要短。在荧光灯中，是靠放电产生的253.7nm紫外辐射来激发荧光粉产生要求的可见光谱，因此是一种光致发光过程。7.荧光灯的外径由38mm缩小到3mm带来哪些宏观和微观的变化？宏观：缩小管径，电场E增加微观：电子温度Te增加，Hg(61P1)浓度增加,185nm辐照度增加,荧光粉光衰增大。8.荧光粉的发光原理（P150）荧光粉含有激活中心，它们都是特定的离子，或者是单个的阳离子，或者是络阴离子。当紫外辐射入射到荧光粉上时，某一激活中心的束缚电子被激发到比基态高得多的能级上但仍被束缚于该特定的离子中。一部分吸收能量通过振动能的形式转移给周围的固体离子，而该电子则降低到它的最低激发态。电子在该激发态停留的时间从10-9s到长达10s之久，然后以光子的形式辐射能量而回到基态。与热辐射的连续光谱和气体放电辐射的原子线光谱不同，荧光粉的发射光谱是单个光谱带，带宽可在几纳米到160nm之间变化。99.稀土三基色荧光粉为何能提高光效？光效计算公式如下可见增加380nm~780nm的光可提高光效。稀土三基色荧光粉中心波长:蓝：455~485nm,绿:525~560nm,红:595~620nm,故可提高光效。10.为何细管径荧光灯必须用三基色粉？（P166~167）（同7题微观）管径为38mm的普通荧光灯采用卤磷酸盐荧光粉。对管径为26mm（T8）的细管荧光灯，由于表面负载本身就比T12灯大，加之管径细时电子温度升高，使185.0nm紫外辐射的比例增加，因而T8灯的185.0nm辐照度是T12灯的2倍左右。这样，就加速了卤磷酸盐荧光粉的衰退过程。对于管径为17mm和12mm的紧凑型荧光灯和T5荧光灯，由于它们承受的185.0nm辐照度要比T12灯大6倍左右，因此必须采用稀土三带荧光粉。11.荧光灯的尺寸和电参数计算（P165）12.荧光灯电极结构和电子发射机理（P167~168）结构：电极包括阴极和阳极。交流工作时,电极既作阴极也作阳极。电极需要能有效地发射和收集电子。阴极主要用于产生热电子发射。阴极灯丝结构:双螺旋阴极,编织阴极,三螺旋阴极,棒