1、微波硫燈調(diào)研報告小組成員：杜佳強、劉瑜、高偉平、王坤坤、宋沖、董旭珊、晏琪、李方方隨著照明科技發(fā)展日新月異，光源也發(fā)生了巨大變化。細管徑熒光燈、陶瓷 外殼金鹵燈、涂敷紅外反射膜的高壓鹵鎢燈、無極熒光燈、超細管徑冷陰極熒光 燈、微波硫燈、半導體發(fā)光二極管和準分子光源等爭奇斗艷，盡展風采。并且為 了滿足人們多樣化生活需要,各種燈具不斷變新。電子技術(shù)的應用，智能化照明的 產(chǎn)生,節(jié)能、環(huán)保、實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略計劃等的時代要求,照明應用從室內(nèi)大規(guī) 模地拓展向戶外，城市公共照明和景觀照明的迅猛發(fā)展，進一步推動了照明科技 的進步。光纖照明、導光管照明、變色燈裝飾照明、激光裝飾照明等使照明形式 更加豐富多彩。

2、回顧光源的不斷變化，我們完全有理由了解其發(fā)展的四次技術(shù)革命，首先是 萬人皆知的1879年愛迪生發(fā)明的熱輻射白熾燈(Thermal Radiation Lamp)。其 次到20世紀40年代，戰(zhàn)爭造成能源緊缺，使照明節(jié)能引起人們更大的重視，在科 技人員艱苦努力下,終于促使低壓氣體放電光源(Low Pressure Discharge)誕生 而其典型代表產(chǎn)品即熒光燈。緊接著伴隨大面積范圍和室外照明的迫切需要，光 源必須要有新的進展，高強度氣體放電光源(HID)就隨之應運而生了，60年代初 出現(xiàn)的高壓汞燈,70年代的金屬鹵化物燈和高壓鈉燈都隸屬于這類光源。到如今 如今科技走入社會的中心，創(chuàng)新成為競爭的

3、制高點，光源科技人員通過光源機理、 光源材料和制造工藝的創(chuàng)新，研制出了一系列比傳統(tǒng)光源更先進、更舒適、更受 人們歡迎的新穎光源SMT(Super Mechanism & Technology)。而它們典型品種就 是我們接下來要討論的微波硫燈(Microwave sulphur Lamp)和現(xiàn)階段被廣泛應用 的半導體發(fā)光二極管 LED( Light emitting diodes) o在此通過以下五個方面來了解這種新興光源微波硫燈(Microwave sulphur Lamp)的相關(guān)知識1作為新興光源的主要特點人造光源的出現(xiàn)被國際科技界公認為現(xiàn)代文明社會起始的里程碑，電光源的 發(fā)展歷史也證實了它

4、是一門與國民經(jīng)濟緊密聯(lián)系的綜合性學科。應該說,現(xiàn)代科 技為光源的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)和實踐條件，正如四次技術(shù)革命的內(nèi)在意義，不 斷要求提供具有特殊性能的各種新光源,從而成為新光源誕生的源泉和動力。進 入21世紀，重點發(fā)展有推廣前景的高效節(jié)能和綠色環(huán)保的光源產(chǎn)品有重大的意 義，其中微波硫燈是其中典型代表光源產(chǎn)品之一。圖1為一整體微波硫燈的實物 圖。圖1微波硫燈實物圖作為開始我們先了解這種新興光源的一些特點，微波硫燈主要利用2450MHz 頻率的微波來激發(fā)石英泡殼內(nèi)的多種氣體分子放電發(fā)光。具有以下顯著特點：（1）微波硫燈是照明技術(shù)的再次飛躍,紫外和紅外污染極少，是真正的綠色照 明產(chǎn)品；（2）微波硫燈

5、完全不同于傳統(tǒng)的光源，沒有燈絲與電極，保證了長壽命（大于 50000小時），降低了用戶的維修和更換成本；（3）微波硫燈光色可與太陽光相媲美，視覺效果更佳，被喻為小太陽；（4）光色好（色溫6000K左右，顯色指數(shù)Ra在80左右）；（5）微波硫燈對環(huán)保的貢獻卓越,不含鹵素和汞，燈泡制造過程及報廢處理對 環(huán)境無污染；（6）微波硫燈幾乎為點光源的小發(fā)光體，高的光通量易于配光，尤其便于使用 導光管，使光線分布更均勻，傳輸距離更遠；（7）良好的光維持率（燃點10000小時后光衰小于3%）。這樣可以很容易應 用于建筑物泛光照明、投光照明;廣場、運動場、體育館、高爾夫球場;造船廠、 碼頭、作業(yè)工地、油田;火車

6、站、機場、地鐵、隧道;博物館、彈藥庫、火箭發(fā)射 基地。重點看看與金屬鹵化物燈具的對比優(yōu)勢。圖2是硫燈石英燈球與金屬鹵化物 燈實物對比圖，它與金屬鹵化物燈相比要小得多；它的光譜基本上集中在可見光， 紅外線和紫外線的輻射量很少，對于以上第1和第3點是很好的說明。另外圖3是硫的放射光譜和太陽光譜的比較圖片，可以很清晰地表達這一特性。圖3硫和太陽光譜比較圖2微波硫燈基本結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理首先來看看微波硫燈的基本構(gòu)成組建，一般除了包含與微波爐相似的供電電 源以外，主要由五部分構(gòu)成：包含用于產(chǎn)生2450MHz頻率微波的磁控管；傳輸微 波的波導；置有燈泡的諧振腔；含發(fā)光物質(zhì)的燈泡；帶動燈泡旋轉(zhuǎn)的電機，其轉(zhuǎn) 動速

7、度為600-1000轉(zhuǎn)/分鐘，作用主要有兩個：一個作用是讓硫等離子體分布更 均勻，減少光閃，提高光照的均勻性；另一個作用是降低石英泡殼的溫度。圖4 是Fusion公司早期的3.4kw硫燈，通過它我們可以對燈得基本構(gòu)成組建和發(fā)光 原理有所了解。*球形旋轉(zhuǎn)器微波能=令=微波能1 或/冷卻氣體反光圖4 Fusion公司早期的耳.4kW硫燈無反射器而總的微波硫燈發(fā)光原理為：1992年國際電光源科技界提出的微波硫燈的 新技術(shù)，發(fā)現(xiàn)填充硫元素和低壓氬氣于石英泡殼內(nèi)，在頻率為2450MHz微波能量 的驅(qū)動下，通過硫分子的振動能和轉(zhuǎn)動能的躍遷,實現(xiàn)能級躍遷，進而使燈輻射出 連續(xù)的可見光光譜。這種可見光正是我們

8、需求的節(jié)能、長壽命、光色好、污染小 的全新發(fā)光機的理新光源。具體發(fā)光機理為：石英泡殼內(nèi)的填充物質(zhì)硫，其在常溫下為淡黃色的固體， 熔點為110C，沸點為444。單質(zhì)硫分子由八個硫原子組成。當加熱硫至沸點 以上時，蒸汽中除含有S分子外，還含有S、S和S分子，且溫度越高，S分子86422所占的比例越大;但當溫度超過2500K時將形成硫原子。微波硫燈的工作溫度在 1000K左右，故硫多以其二聚物（S）的形式存在，且最大概率的躍遷發(fā)生在硫二2聚物分子的能級之間，這也是最終實現(xiàn)發(fā)光的保證。3應用實例表1羅列了一些典型的微波硫燈照明的工程。在這些工程中,微波硫燈的高 效節(jié)能優(yōu)勢非常明顯，其中,Sundsva

9、ll郵局分信站、黑爾空軍基地在照明改造工程 實施后，還對工作人員進行了問卷調(diào)查,反應良好。表1微波照明工程時叫年照明程微波硫燈來源微波硫燈輸 入功率/W1994美國能源部大樓閱Fusion Lighting5900宇航博物館1997瑞魄Sundsvall機場、Sundsvall郵局斜信站、 Midland國際機場、丹麥NESA電力公司回Fusion Lighting Celcius Tech1378142519971998美國黑爾（Hill）空軍用地Fusion Lighting14251999妊里大學校門皿U 1一電光源研究所12502003溫州世紀廣場“世紀之光”溫州神力新光源科 技-限公

10、司13202005浙江雁蕩山風景區(qū)“太m能風能微波硫燈”溫州，公司名稱不洋8001994年Fusion公司將能源部大樓原來的280個100瓦的高壓汞燈用兩個硫 燈及長為85公尺的導光管代替，節(jié)能40%，而且在維修期內(nèi)，其照度水平相當 于舊照明系統(tǒng)的4倍。實踐證明它的工作安全可靠，基本不用任何維護，光照中 紫外光輻射能量較原先照明水平降低了一半，照明陰影區(qū)域明顯減少，光色質(zhì)量 也得到了改進。1997年末到1998年初，F(xiàn)usion公司Light Drive 1000型硫燈被用于黑爾（Hill） 空軍基地的225號飛機修理庫。飛機修理庫面積達590000平方英尺，原448個 水銀燈和金鹵燈（總耗電

11、179200瓦）被44根硫燈導光管（總耗電125400瓦） 所替代，新系統(tǒng)節(jié)約了差不多54000瓦的電能。照明改造工程實施后，還對工作 人員進行了問卷調(diào)查，反應良好。較之原來的照明系統(tǒng)，工人更喜歡新系統(tǒng)。硫 燈照明系統(tǒng)很亮，配合3M公司導光管系統(tǒng)，使得點狀的硫燈光源變成了線狀光 源，光線被分散了，不會刺眼。硫燈光譜和日光很接近，在這種光線下，能夠輕 松區(qū)分各種顏色的材料；且硫燈照明系統(tǒng)非常安靜，不會有傳統(tǒng)熒光燈系統(tǒng)的嗡 嗡聲。在硫燈系統(tǒng)下，工作人員的人體舒適度高于普通照明系統(tǒng)。圖5為安裝硫 燈后飛機修理庫的實景。圖5黑爾空軍基地225號飛機修理棚內(nèi)的硫燈導光管系統(tǒng)4整燈設(shè)計和制作簡介完整的微波

12、硫燈的設(shè)計過程應主要包含電源部分、波導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、燈泡的研 究和整體搭配這四個部分，僅對各設(shè)計和制作的過程的重點部分做以說明。4.1電源部件一般來說微波硫燈電源的設(shè)計和制作，這部分只牽涉到一些磁控管、電路知 識，而與波導系統(tǒng)、燈泡、整燈結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系并不緊密，但并不意味著簡單易行， 因為體積、重量限制電源設(shè)計的重要因素。傳統(tǒng)的微波爐電源采用半波倍壓整流電路，只有半個周期為陰極提供負高壓, 磁控管處于半波工作狀態(tài)。然而微波硫燈不能采用這樣的磁控管電源，因為以 50Hz半波整流得到的脈沖電磁場，會使硫等離子體工作不穩(wěn)定，得到的照明光會 強烈閃動。提出全波整流、雙變壓器電路的設(shè)計方案。采用雙變壓器電路有

13、兩個 原因：一是，將兩個變壓器置于相反相位，在不同的半周期為磁控管供電，磁控管 燈絲能夠以100Hz的頻率發(fā)射電子，硫等離子體更穩(wěn)定，基本消除光閃；另一個原 因是，硫燈的輸入功率通常在1000W以上，如果只使用一個變壓器,變壓器的制作 比較困難。但總的來說這樣的電源還是不夠成熟,主要原因在于兩個變壓器作為 電源部件，勢必導致整燈體積和重量偏大。這樣看來，采用體積小，重量輕，效率 高,頻率高的開關(guān)電源將是燈體電源發(fā)展的重要方向，其也必將提高整燈的競爭 力。4.2波導系統(tǒng)結(jié)構(gòu)波導系統(tǒng)直接影響整燈效率、壽命。好的波導系統(tǒng)傳輸微波的能力強，大部 分的微波功率能耦合到硫等離子體內(nèi)，這樣,反射回磁控管天線

14、頭的微波就很少， 使得磁控管壽命有保障?，F(xiàn)在主流的微波硫燈產(chǎn)品使用矩形波導及其變形體，工 作在TE10模式，諧振腔是圓柱形，工作在TE111模式?？偟膩碚f，設(shè)計波導系統(tǒng)有如 下幾個要點:第一，保證微波在2450MHz以TE1。模式高效傳輸；第二，基本尺寸要 參照標準波導；第三，波導到諧振腔的耦合縫寬度力爭由試驗決定。4.3燈泡燈泡，作為微波硫燈的核心器件，其可變參量非常多。例如硫粉填充量、氬 氣壓力、泡殼尺寸和微波功率等。各個參量之間緊密聯(lián)系，任何一個參量搭配不 當都會降低燈泡性能。不少的國內(nèi)外文獻中提到了微波硫燈燈泡的尺寸、填充量 和燈的輸入功率，表4-1列出了最具代表性的數(shù)據(jù)，其中ITor

15、r（乇）=1mmHg（毫 米汞柱）=133.3Pa（帕）。公司、單.位或個人硫填充量、填充 密度氧氣壓力/Toit泡殼外徑/mm泡殼內(nèi)徑/mm輸入功率AVFusion lighting*1.98mg/cc603028590041,4226mg (1.4mg/cc)5035331400復旦電光源研究所 2,12,38,43-453x1019/cc 或 1.63mg/cc2 535331200荷愛因霍恩科技26mg7536321200大學Philips實驗室的站綿陽九院金行星業(yè)1.62.0mg/cc不詳不詳381250綿陽九院金大志四1.01.5mm/cc2430不詳不詳表2微波硫燈燈泡參數(shù)在設(shè)計

16、燈泡過程中附加填充物的改變對燈泡性能有很大的改善，如提高燈泡 啟動性能的利器一氪85；又如NaI、InI、CaB%等物質(zhì)可以用來改善光譜。同時 惰性氣體也扮演重要角色，填充氙氣可改善光效、光譜；填充氖氣，將氖作為第 一緩沖氣體，氬作為第二緩沖氣體，氖氣的激活電壓約等于氬氣的電離電壓，二 者配合可降低放電電壓，縮短啟動時間，在無極燈停止發(fā)光之后可很容易的再次 啟動。另外發(fā)光物質(zhì)的作用也是毋庸置疑的，填充InBr，InBr的光色亮白，光 譜比微波硫燈更接近太陽光譜；填充SnBr2時，燈泡主要填充物為二溴化錫，緩 沖氣體為氬氣。可將汞作為輔助燈泡填充物，以使啟輝更容易，放電更穩(wěn)定。 4.4整體搭配總

17、體結(jié)構(gòu)設(shè)計也是硫燈設(shè)計重要的一環(huán)，要兼顧密封、散熱、結(jié)構(gòu)緊湊。密 封不好，硫燈里會進入很多灰塵、小蟲,嚴重影響硫燈壽命。文獻中提及到一臺硫 燈燈罩上沒有玻璃密封,放在戶外照明。由于硫燈本身近日光光譜，夏季蚊蟲較多, 大量的蟲子鉆到諧振腔網(wǎng)罩內(nèi)，甚至鉆進波導，進入磁控管天線頭，使網(wǎng)罩急速氧 化,反射回磁控管的微波越來越多。在這樣惡劣的條件下，硫燈燃點2000h后，磁 控管報廢。解剖這臺硫燈發(fā)現(xiàn):磁控管天線帽里出現(xiàn)大量的炭化物質(zhì)，陽極葉片靠 近燈絲的地方燒熔，燈絲脫碳嚴重，失去發(fā)射電子的能力；諧振腔銅網(wǎng)罩嚴重氧化; 石英泡殼黏附了一些臟東西，泡殼變得模糊?？傊鳛樵O(shè)計者要兼顧各方面因素和制約條件

18、，總體把握才能制作出較好 的產(chǎn)品造福人類。5總結(jié)與展望微波硫燈作為新世紀的高效節(jié)能綠色光源，是光源領(lǐng)域繼20世紀40年代熒光 燈發(fā)明后的又一次重大突破。本文在查閱了相當多的資料后，重新梳理了微波硫 燈的發(fā)展史，概括介紹了微波硫燈的主要特點、燈體結(jié)構(gòu)和發(fā)光機理，另外簡單 描述了微波硫燈的制作方法。在此關(guān)于微波硫燈的優(yōu)點大可不必再做羅列，關(guān)于其不足之處做一說明：由 于微波硫燈的光譜中綠色含量略多，紅光和藍光含量略少，其色表呈綠白色，這 也是一直不容易實現(xiàn)民用推廣的原因；重啟動時間較長，約5分鐘；磁控管壽命 約15000小時，燈泡旋轉(zhuǎn)電機壽命為幾千小時，它們直接影響了整燈壽命；再者 如果微波硫燈的工作環(huán)境晃動明顯，硫等離子體可能不穩(wěn)定，引起光閃，甚至熄 滅。此外所研究的微波硫樣燈在體積和結(jié)構(gòu)上仍有不足，解決途徑是以開關(guān)電源 替代以高壓變壓器為主要部件的笨重電源。就目前仍然用硫粉作為燈泡的主要填 充物，為了提高燈的市場競爭力，還需要尋找光色更好的填充物，以及生產(chǎn)配套 的優(yōu)良性能波導管，這些都是極具挑戰(zhàn)性的工作，再者如何實現(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化， 以及如何避開國內(nèi)外的眾多專利也是很關(guān)鍵的問題。但是如果以微波硫燈技術(shù)為 基礎(chǔ)的無極燈系列，能夠在尺寸、重量、可靠性、光色各方面都有進步，很有可 能發(fā)展成為極具競爭力的照明產(chǎn)業(yè)。正如同廣大研究人員一樣，作為研究生我們 真心祝愿國內(nèi)的公