气体放电变色机理研究

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1、气体放电变色机理研究技术报告一、研究意义霓虹灯问世已有百年的历史，由于它在经济繁荣和科学技术发展的过程中对城市经济建设和社会起到了难以替代的作用，为创建城市的生气、活力、繁华和欢乐气氛做出了极大的贡献。因此霓虹灯作为一种重要的装饰照明光源已获得了快速的发展和广泛的应用。与此同时，气体放电机理的研究和新颖技术的开发也引起了人们极大的兴趣和重视。目前，在市场上销售的霓虹灯，一般都是在选定充入灯内的气体和涂敷荧光粉后，它就只能发出一种颜色的光，如果希望综合表达多种颜色，则必须装置多只不同颜色的霓虹灯管，在同一

2、字母或图像的前后交叉排列，再通过电源控制系统，使不同颜色的霓虹灯轮流点亮，才能达到变色的效果。这样不仅在艺术造型上会有所欠缺，而且需要多只霓虹灯管，因此会给安装工序和控制设备添加很多困难。所以新颖变色霓虹灯的研究和实用就变得十分迫切。本项目的研究就是基于这一现状为开发新的光源这个目的而开展的，可以说具有非常重要的研究价值。两年来，我们课题组对课题进行了积极的研究，完成了预定任务，达到了项目申请书中的各项技术指标，现将研究的有关技术环节简要报告如下：二、创新点从能级跃迁角度出发，分析霓虹灯可以发生颜色变化

3、的可能性，确定改变霓虹灯放电正柱区内电子的温度并能够加以控制，则可以达到改变霓虹灯放电颜色的需要。实际设计中，我们从绿色照明工程标准入手，采用自制变压器升高霓虹灯管供电电压和改变供电电源频率及改变供电持续脉冲时间相结合的方法，来控制霓虹灯的色彩变化；同时，还采用了在一根霓虹灯管内分段涂敷不同颜色发光粉的方法，来改变霓虹灯的发光颜色变化，进而实现了一管可以发出多色光的功能，它的研究，有利于简化霓虹灯的照明设计和施工，可以大大降低在不改变霓虹灯亮度和色彩变化需要的前提下的投资；同时，它的研究应用还符合国家提

4、出的绿色环保照明要求。现在，同行业内对此问题的研究，大部分采用的是利用电子霓虹灯变压器来控制霓虹灯的亮度变化，利用电子变压器的低能耗来降低霓虹灯的电能损耗，利用电子变压器的体积小和重量轻来简化霓虹灯的安装。三、关键点可变频自制变压器的设计和制造，改变供电持续脉冲时间的方法。四、原理分析霓虹灯属于一种冷阴极低气压放电灯，在放电管内各处电子温度不同的情况下，阴极一侧的负辉区由于存在较多高能激发态的原子，而在阳极一侧的正柱区由于存在较多的低能态的激发态原子，所以在两个不同的区域会发出不同的光谱，如果我们能改变

5、放电正柱区内电子的温度并能够加以控制，则可以达到改变灯的颜色的目的，而要控制放电管内输入电子的能量和辐射能量，在实现这一原理的技术方法上，我们试图通过控制以下几种不同参量的变化来实现色彩的变化。如果放电管不涂荧光粉，气体放电的发光颜色是由所充气体原子的的激发光谱所决定的，若管内充入混合气体，并设法控制电子能量的分布，就能有选择的激励气体原子，这样放电管就可以发出不同的光色，显然混合气体的激励电压差越大就越容易控制。由于惰性气体氖的激发电位比汞的激发电位要高出8-10电子伏特，因此充入汞加氖混合气体的放电

6、管容易控制色彩，从而达到变色放电的效果，氖和汞的能级分布如下图1所示：而汞和氖的可见光谱线在CIE色度图上所处位置如下图2所示：图中用垂直线表明了汞原子和氖原子的可见光谱线，其长度表明了光谱线的强度，汞的谱线范围约为4047nm（紫色）到5790nm，（橘红色）。而氖的光谱为6402nm（桔红）到7032nm（红色）。只要将汞和氖的光谱分别处于蓝色和红色区域，就可以通过改变汞和氖的光谱强度来控制放电管的颜色。五、技术方法分析方法一：据相关资料分析，在汞和氖的放电管（压强为1333pa）上加上400～10

7、00V的电压，周期为5～150微秒，则色彩变化范围在色度图上将由红色（汞0545，氖0.262）变化到蓝色（0.217，0.198）；当脉冲电压降低，脉冲周期延长时，放电管的颜色将从氖的红色向汞的蓝色移动，其色彩变化如上图3所示。方法二：按照气体放电理论分析，当加在放电管处的供电电源频率升高后，放电管的颜色也会由红色逐渐转变为蓝色，由于放电中电子能量的分布是广泛的，氖原子的辐射总是由高能级之间激发原子产生，而汞原子的辐射是在较低能级之间受激而辐射的。所以我们可以在不同的条件下获得汞原子发出的蓝色光，也可

8、以得到氖原子发出的红色光。在氖和汞放电中色彩很少向绿色光变化，当脉冲频率调节到50赫兹时，亮度与CIE色度坐标之间的关系如左下图4所示：国外专家曾作过一下试验：当x变化范围由0.22上升到0.54时，其亮度的最大值为113cd/㎡。随着重复频率的上升亮度值也会上升,当频率达到400赫兹时，亮度将达到3600cd/㎡。在辉光放电中要达到足够亮度的红光是比较困难的。当在氖和汞的放电管上加上频率为50赫兹，电压为1000V，周期变化范围为3～80