諸葛天祥 楊中海

(電子科技大學物理電子學院，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)勢得到廣泛認可，它具有以下主要優(yōu)點:1.無電極污染 (汞污染)2.光效高 3.光色好 (色溫6000K左右，顯色指數80以上)4.光線可調5.似太陽光連續(xù)光譜，較低紫外和紅外輻射6.啟動較快冷啟動時間20秒左右，可在低溫環(huán)境下啟動［1］。其大致包括電源組件、微波發(fā)生器 (磁控管)、波導、諧振腔 (網罩)，等離子玻泡、電動機六大部分。工作原理為電源驅動磁控管產生高頻電磁能量，經波導傳輸后耦合到諧振腔中，電磁能量激發(fā)高速旋轉玻泡中的固體物質，產生等離子體并發(fā)出具有連續(xù)光譜的強光［2］。這是一門光源、等離子放電、微波等很多學科的交叉技術。國內外針對這種新型光源爭相展開研究，取得了很多成果的同時也發(fā)現了很多急需解決的技術瓶頸，使得微波等離子燈目前還沒有實現民用產品化。但是因為其良好的性能使得這種新光源在不久的將來會在照明市場中占有重要的地位。

1 發(fā)光原理

目前關于硫燈的激發(fā)途徑還沒有確切的說法，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)的能級相對位置互相嵌套，不依靠三體復合過程電子能很容易使 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，從原子分子反應靜力學的角度分析，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。因為在微波的作用下發(fā)光體達到較高的溫度 (1000℃左右)，所以分子的振動，轉動能很高，因此在振動，轉動與電子運動的相互作用下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，通過對 Ar與S2)動力學過程的研究，Ar有碰撞激發(fā)的作用。在Ar的碰撞下，被逐步激發(fā)到較高振動能級，當基態(tài)S2分子處在大于43的振動能級上時通過與Ar原子的碰撞能量轉移激發(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S2的碰撞應有同樣的結果［22］。

2 光譜和光效

在很多報道和文獻中都提到微波等離子燈的高光效，并給出不同的數值，對此我們在已有的技術下展開研究和評估。首先，我們認定微波等離子燈的光效以電源功率而非微波功率計算，盡管在電源功率到微波功率之間的轉化有一個很大的能量損失;其次，微波等離子燈在不同功率段的光效是一個什么樣的情況;第三，該光效究竟與光譜的分布是如何對應和作用的，是否有偏差。第四，光效的提高點或提升空間體現在哪幾個方向。

使用光學積分球測試等離子燈的光效，此數據也曾到復旦大學光電研究所使用光度分布儀進行了檢定，各項參數對比后發(fā)現誤差很小，其中光效誤差小于3個lm/w。因此我們認為自用設備所得數據是準確可靠的。測試時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。經測試及電腦繪圖得到以下光譜曲線及各項參數，任取一組研發(fā)過程中的報告，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，其中藍綠色光波段光功率最集中，譜線對每nm的光功率進行了歸一化，顯然光輻射功率的標定是不對的，一個千瓦級的微波等離子燈光輻射功率不可能只有11.44W。光輻射功率在復旦的檢定系統(tǒng)中也沒有給出，下面將在第三部分介紹我們自己的計算方法。

此外我們對于各個功率段的光效值也進行了測定，得到了重要的結論，為驗證等離子燈一致性，我們將自制的產品、國內同類產品、國外同類產品進行了比較，見圖3。

圖3 微波等離子燈光效與功率關系圖

從圖3中我們可以得出以下幾個結論。

(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，即單純通過提高功率來增大光效，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。還需進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算

通過前面的研究，有必要計算一下實際的可見光輻射功率到底是多大，也就是說究竟有多少微波能量轉換為人眼可感知的光能，有多少微波能量轉換為熱能，同時轉換為光能的能量哪些對光效提高更有意義，下面來研究一下可見光功率的計算。

光通量指人眼所能感覺到的輻射能量，它等于單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。由于人眼對不同波長光的相對視見率不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量并不相等。人眼對不同顏色的光的感覺并不同，此感覺決定了光通量與光功率的換算關系。對于人眼最敏感的555nm的黃綠光，1W=683 lm，也就是說，1W的功率全部轉換成波長為555nm的光，標定為683流明，這個是最大的光轉換效率，也是定標值，因為人眼對555nm的光最敏感。對于其它顏色的光，比如650nm的紅色，1W的光僅相當于73流明，這是因為人眼對紅光不敏感的原因。其中不同波長相對視見率由光譜光效函數決定，具體系數即以555nm的光進行了歸一化定值，具體值見CIE1931標準。

在波長間隔dλ范圍內，其光通量［3］為

其中v(λ)為光譜光效函數系數，φeλ為該波長范圍的光輻射功率。

總光通量，即在380～780的可見光范圍內積分得到，公式［3］為:

這里我們默認系統(tǒng)對光譜及光通量的測試數據是準確的。即總光通量以及各譜線光輻射能量歸一化數據 (即圖2中的縱坐標值)是準確的，取每五個納米一個波長段，則光通量表達式為:

其中，v(λi)為第i波長段的平均視覺函數系數值，m為圖2縱坐標歸一化中1所代表的具體輻射能量，f(λi)為第i波長段的歸一化值，則

則總可見光輻射功率為

我們取一組研發(fā)過程中試驗產品數據，電源功率1347W，光效:51.63，光通量69533lm，

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

現在需考慮網罩透過率對光通測試的影響，由于在積分球內很不好操作。我們設計了另一個簡易的測試方法，使用普通燈泡分別在罩和不罩網罩兩種情況下測試照度，對比即可得出透光率。過程為帶光源穩(wěn)定后啟動照度計，每次順時針轉動被測部件 (網罩或玻璃罩)約30度，依次記錄照度計讀數Ei，共得到12個照度讀數。

然后計算透過率

其中E1－Ei為測試點 這里共選擇12個測試點 i=12，Eb為光源不點亮時的環(huán)境照度。而E0為裸光源的照度。各種網罩透光率試驗數據見表1。

表1 各種網罩透光率試驗數據表(nm)

這里我們取透光率的平均值為76.5%，則修正光輻射功率計算值為232/0.765=303W，再通過微波等離子燈熱測試系統(tǒng) (這在另一篇文章中詳細闡述)，其入射功率即進入諧振腔內部的功率為720W，由此得出微波功率到可見光光輻射功率的轉化率為43.2%。

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

4 光譜光效率函數的疑問

已經在君蘭國際高爾夫球場上實踐檢驗證明，微波等離子燈的光效雖然比金鹵燈光效低25%，但實際人眼感受到效果卻遠沒有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 (視覺函數)是光度學和色度學的基礎，該函數的變化必然會對光源發(fā)光效率的評定產生影響。那么現行的通用國際標準是否適用于微波等離子燈呢，我們認為其是不合理的。原因在于視覺函數的標定環(huán)境為明視覺時，大約2°視場內由閃爍法對非彩色背景測得，這與應用微波等離子燈時有彩色光刺激眼睛的實際情況差別很大，自1983年國際照明委員會 CIE建立了中間視覺光度測量的技術委員會以來 ，中間視覺亮度水平下的光度測量和視覺功能在照明領域中被廣泛地研究。雖然有關中間視覺下人眼的光譜視覺函數問題提出了很多年，但 CIE并沒有最終確定一個標準，即在中間視覺條件下的光通量計算是存在一定問題的，這將對光源實際的光通量低估或高估。

表2 反光片的加入對微波等離子燈的影響

并由于受到當時測光方法和測光儀器的限制，以及人為地把函數處理成圓滑的曲線都產生了一系列誤差，盡管在鈉燈、金鹵燈燈測試中人眼實際觀察效果差別不大，有研究表明藍色區(qū)域的光線明顯低于人眼的光譜靈敏度［6］。這對于具有連續(xù)光譜的、且藍綠光功率很強的微波等離子燈就是一個很大的測試損失。另據研究表明藍綠光直接會影響人眼瞳孔開張的大小，含藍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。因此有必要針對微波等離子燈重新標定亮度，在已有的系數上乘以一個相對比值，尤其在藍綠光波段。

5 反光片的應用

由于網罩下端有一部分是金屬實體，故只能靠金屬表面的漫反射來傳播光線，這對光通量是一個巨大的損失，對此我們采用了反光片，且通過第一部分的分析可知對于光效貢獻不大的波長的光，即使依靠反光片反射也對光效的增大貢獻很小。因此在制造反光片時需考慮其對哪些波長光線的反射效果好。最后反光片具有一定的介電常數，對于諧振腔是一個微擾，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。實驗測試數據見表2。

通過仿真計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)沒有距離玻泡遠好，這說明對于諧振腔還要進一步調節(jié)，但加入反光片確實能提高光效2% －5%。

6 小結

通過上述四部分的總結分析可得，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)生器的轉換效率，以及交流電到直流電的轉化效率，不能讓更多的能量浪費在能量轉換上，即減小無用功率的損耗。

(2)認真研究分析微波等離子體，使之在對光效貢獻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化。

(3)需要重新修正連續(xù)光譜下人眼對微波等離子燈的視覺函數系數，在某些波段下的系數需要提高。現有的國際標準，與實際人眼對微波等離子燈感受仍略有差距，LG公司研究人員也對該點持懷疑態(tài)度。

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

［1］龍奇，陳大華.微波光源發(fā)光原理及其應用前景 ［J］.中國照明電器，2004，4:5－9

［2］聶楊.微波硫燈的研究.碩士畢業(yè)論文，電子科技大學2006

［3］J.R柯頓，A.M馬斯登.光源與照明 ［M］，陳大華，劉九昌譯.上海:復旦大學出版社，1999

［4］標準觀察者的三基色刺激值 (tristimulus values)曲線，CIE 1931標準匹配函數

［5］陳文成，陳大華，邵紅.有效光效系數在室外照明設計中的應用 ［J］.燈與照明，2003，4:1－5

［6］陳仲林，劉煒.節(jié)能照明設計與等效亮度 ［J］.中國照明電器，2002，2:9－11