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商用节能灯的光谱特性及对人体的危害图文
浙江科技学院学报,第22卷第2期,2010年4月
JournalofZhejiangUniversityofScienceandTechnology
V01.22No.2,Apr.2010
商用节能灯的光谱特性及对人体的危害
刘
毅,彭
涛,沈杰,郑申杰,冯元新
(浙江科技学院理学院,杭州310023)
摘要:
通过WGD一8A光栅光谱仪采集光谱,对市面上最常见和使用最广泛的照明光源(节能灯)进行光谱测量,
并进行分析;根据不同特征的光谱,找出其中起主要作用的成分,分析其对人体(尤其是人眼)的影响,并尽可能提出相应的解决方法,以寻找对人体最无害的理想光源。
结果显示,在众多的节能灯品牌中,Philips节能灯性能出众。
关键词:
光谱;节能灯;紫外线;紫外线吸收剂
中图分类号:
TM923.321;0562.3
文献标识码:
A
文章编号:
1671-8798(2010)02—0094—08
Spectrumofenergy—savinglampsandit’Sharm
to
man
LIUYi,PENGTao,SHENJie,ZHENGShen-jie,FENGYuan—xin
(SchoolofScience,ZhejiangUniversityofScienceandTechnology,Hangzhou310023,China)
Abstract:
WGD一8A
gratingspectrumapparatusisused
tO
measurethespectrumofthemost
commonlyusedlamp—house(energy-savinglamps)inlife.Based
on
theanalysis
tO
thedifferent
spectrumofthe
lamp—house,wefind
out
the
mainpart
andestimatethe
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the
body(especially
to
theeyes).Meanwhilewegive
an
optimalsolution
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searchforthebest
lamp-
house.Eventually。
thePhilipsenergy—savinglamps
are
provedthebest.
Keywords:
spectrum;energy—savinglamp;UV—light;UV—lightabsorbent
光源是人类生活中必不可少的,它驱赶了黑暗,使人类得以在黑暗中生产与生活,促进了社会的进步和发展。
一般光源分为连续光源(如白炽灯)和线光源(如金属蒸气灯)[1]。
然而,事物具有两面性,光源在给人类带来光明的同时也产生了光污染。
光污染是继废气、废水、废渣和噪声等污染之后的一种新的环境污染源,它几乎渗透到人们生活的各个方面,但却没有引起大多数人的重视与注意。
光污染正在不知不觉地加速威胁着人们的健康。
日常生活中使用的灯具所发出的某些特定频率的光对人体是有危害的。
例如:
波长为250--一320
am
的紫外线,其强度大大高于阳光中的紫外线,人体如长期受到这种黑光灯照射,有可能诱发鼻出血、脱牙、
收稿日期:
2009-09-15
基金项目:
浙江省大学生科技创新项目(2009—03—27)
作者简介:
刘
毅(1988一),男,浙江台州人,应用物理专业本科生。
通讯作者:
冯元新。
工程师,主要从事实验教学研究。
第2期刘毅,等:
商用节能灯的光谱特性及对人体的危害
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白内障,甚至导致白血病和癌症。
这种紫外线对人体的有害影响可持续15~25年。
而大多数人在选择灯具时,关注的是其外形的美观或是使用寿命,而忽略了灯光本身会不会对人体造成伤害。
随着生活中大量光源的使用,由于不当使用或没有清晰的认识而造成不必要且无法挽回的损失的事件已非常多。
为了减少类似的情况发生,笔者通过光学多通道分析器定标测量(一般用汞三线定标)[2]一些常用的光源(节能灯)的光谱,获得相关数据,从中找出每一种光源的光谱成分,找到其中有危害的波长段。
本文主要研究光源对视力的影响,并提出相应的解决方法。
l
实验器具与实验方法
1.1
实验器具
实验仪器见图1,实验采用光源见表1。
图1
WGD一8A型组合式多功能光栅光谱仪Fig.1
WGD一8A
gratingspectrumapparatus
1.2实验仪器的工作原理
wGD一8A型组合式多功能光栅光谱仪由光栅单色仪、接收单元、扫描系统、电子放大器、A/D采集单元和计算机组成。
该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。
光学系统采用C-T型,见图2。
入射狭缝、出射狭缝均为直狭缝,宽度范围0~
2
mm连续可调,光源发出的光束进入入射狭缝S1,S1
位于反射式准光镜M2的焦面上,通过S1射入的光束
表1实验所用光源(节能灯)
Table1
Lampsusedintheexperiment
品牌
功率/w品牌功率/w
0sram(欧司朗)105
0
7
0
FSL(佛山)
Philips
8911
11
经M2反射成平行光束投向平面光栅G上,衍射后的平行光束经物镜M3成像在S2或S3上。
1.3
实验方法
采用光栅光谱仪进行光谱测量具有灵敏度高、分析速度快,并兼有信息采集、处理、存储等优点。
由
OMA测定待测光源的光谱时,各谱线对应于OMA所用阵列检测器的道数(Channel),要确定其峰值所对应的波长(即由道数直接给出波长),需要波长定标嘲。
本研究采用的是汞三线定标,理论上的汞三线波长分别为365.00,365.50,366.30nm,而通过OMA对实验室汞灯进行光谱测量并进行波长修正得到的汞三线波长分别为365.00,365.50,366.33nm,误差为0.03am。
由于汞三线比较接近,一般仪器和实验装置都不能准确测定,因此通过汞三线定标可以更加准确地对常用光源的光谱进行测定。
图3为汞三线定标光谱图。
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浙江科技学院学报第22卷
S2
M1一反射镜;M2一准光镜;M3一物镜;G一平面衍射光栅;S1一入射狭缝;s2一光电倍增管接收}S3--CCD接收
图2
WGD-8A型光栅光谱仪光学原理图
Fig.2
PrincipleofWGD一8Agratingspectrum
apparatus
沁
据涩
波长/nm
图3汞三线光谱图
Fig.3
Spectrogramofmercurythree—lane
2实验数据分析
节能灯的工作原理是:
通过镇流器给灯管灯丝加热,大约在1
160
K温度时,灯丝就开始发射电子(因
为在灯丝上涂了一些电子粉),电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞,氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子,汞原子在吸收能量后跃迁产生电离,发出253.7nm的紫外线,紫外线激发荧光粉发光,由于荧光灯工作时灯丝的温度在1
160
K左右,比白炽灯工作的温度2200~2
700
K低很多,所以它的寿命也大大提高,达到
5000
h以上,由于它不存在白炽灯那样的电流热效应,荧光粉的能量转换效率也很高,达到50lm/w以上。
图4~7是FSL不同功率的光谱图。
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波长/nm
图4
FSL节能灯(5W)
Fig.4
FSLenergy—saving
lamp(5W)
第2期刘毅,等:
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97
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波长/nm
图5
FSL节能灯(7w)
Fig.5
FSLenergy-saving
lamp(7W)
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一八
J
波长/nm
图6
FSL节能灯(9W)
Fig.6
FSLenergy-saving
lamp(9W)
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}\k.L.
I
11——,一
波长/nm
图7
FSL节能灯(11w)
Fig.7
FSLenergy-savinglamp(11
W)
表2是汇总了FSL不同功率节能灯频谱数据表。
98
浙江科技学院学报
第22卷
从佛山(FSL)节能灯的光谱图及光谱数据可见,其谱线能量集中于404.6am(紫光),435.8rim(蓝光),546.0nm(绿光),单色性好,人眼对其反应敏锐,有效光通量高,感觉很亮。
其中以435.8rim(蓝光)所占的比重最大,在光源功率为5w和11w的条件下,谱线能量较7W和9W光源更集中于蓝光处。
紫光(404.6nm)在7W和9W光源中占很大比例,所以节能灯光色呈白色偏淡。
图8~9是Osram不同功率的光谱图。
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波长/nm
图8
0sram节能灯(5W)光谱图
Fig.8
SpectrogramofOsramenergy-saving
lamp(5W)
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∥—\八
J
波长/nm
图9
Osram节能灯(10w)光谱图
Fig.9
Spectrogramof
Osramenergy-savinglamp(10W)
Osram不同功率节能灯频谱数据见表3。
第2期刘毅,等:
商用节能灯的光谱特性及对人体的危害Osram节能灯频谱数据ofOrsamenergy-savinglamp99表3Table3SpectrumdataOsram节能灯同FSL灯一样,谱线能量集中于404.6rim(紫光),435.7rim(蓝光),546.0rim(绿光),不同之处在于,5w的Osram节能灯存在比较大的紫外辐射,分别为312.5,313.1,364.9nm,对人体的危害较大。
图10一--12是Philips不同功率的光谱图。
∞掘Ⅲ∞11—,一—————、√\IJ.厶~么j波长/nm图10Fig.10●Philips节能灯(5W)光谱图SpectrogramofPhilipsenergy-savinglamp(5W)岫倔耀●【图11Fig.11lI/———、—、。
,L波长/nmJ\IkL..Philips节能灯(8W)光谱图W)SpectrogramofPhilipsenergy—savinglamp(8万方数据
100浙江科技学院学报第22卷I000.0●8000●吣600.0撂锄24000●2000.【200.002500030000350.001,一40000一、./\500.00』_|L450.00550.00\kL.600.00650.00波长/nm图12Fig.12Philips节能灯(11W)光谱图ofPhilipsenergy-savinglamp(11W)SpectrogramPhilips不同功率节能灯频谱数据见表4。
表4Table45Philips节能灯频谱数据lampSpectrogramdataofPhilipsenergy-saving8WW峰值E6318l653波长/nm364.9404.6435.8541.3546.0576.7578.8610.9峰值E112.3480.6996.3226.6729.7105.596.7231-5波长/nm494675158739波长/nm406.6435.8541.3545.9576.6578.86lO.9峰值E201.2805.985.O367.351.848.8102.62299678884236∞如∞鹳弘弘盯卯甜O9¨够0∞孔昌№u孙7从3种不同品牌节能灯的光谱图可以看出,节能灯的光谱是线状光谱H],其中紫光、蓝光、绿光的能量最高,所占的比重最大。
除此之外,还有少量的黄光和橙光,混合显白色,单色性好,人眼对其敏感程度高,有效光通量大,亮度高,在暗视觉条件下,容易被人眼察觉,但受限于功率,适合于夜间家居照明。
3种节能灯除了可见光外,还存在波长365nm的长波紫外,会对人体造成一定的影响。
其产生长波紫外的原因在于其独特的发光原理。
从数据的对比分析看出:
同种品牌的节能灯中紫外含量随灯泡功率呈抛物线型变化,在低功率和高功率区,紫外含量皆较中等功率的节能灯少。
在FSL几种不同功率的节能灯中,5w灯具有最少的紫外辐射能量,11W灯次之,反而是处于中等功率区的9W灯具有最高的紫外辐射强度。
与此相类似,Philips节能灯也是中等功率的8W具有最高的紫外辐射。
而对于Orsam而言,5W节能灯还存在波长315am的长波紫外,有更大的紫外辐射。
从3种品牌的比较来看,Orsam基本不存在紫外辐射,而且能量高,亮度大,适用于室内或走廊等的照明。
而Philips紫外辐射,但从各种比较来看,它亮度适中。
伤害也较小,适用于台灯照明。
5w灯因紫外辐射11最强烈,最不适合于应用,用于台灯辐射伤害大,用于室内照明则亮度不够。
从数据来看,Philips5W灯W灯虽然存在少量3不同光源的光谱对人眼的影响3.1可见光光强对人眼的影响可见光部分即波长为390"-一760nm的电磁波。
当“白光”照射到一物体上时,该物体只能够反射或透射与该物体相同的颜色(在太阳光下人眼看到该物体的颜色),从光谱的角度说,就是一物体只能反射或透射特定波长和频率的光。
万方数据
第2期刘毅,等:
商用节能灯的光谱特性及对人体的危害101光强对视力的影响[5]:
人眼中有2种形状的视觉细胞,即视杆细胞和视锥细胞。
视杆细胞与暗视觉有关,而在所有的视杆细胞中都发现了视紫红质,它对蓝光有最大吸收能力,而这与人眼在弱光条件下对光谱上蓝绿光区域(相当于500nm波长附近)感觉最明亮(不是感到了蓝绿色)的事实相一致,说明人的暗视觉与视杆细胞中所含的视紫红质的光化学反应有直接的关系。
视紫红质是一种结合蛋白质,由一分子称为视蛋白的蛋白质和一分子称为视黄醛的生色基团组成。
视紫红质在光照时迅速分解为视蛋白和视黄醛,这是一个多阶段反应。
在亮处分解的视紫红质,在暗处又可重新合成,亦即这是一个可逆反应,其反应的平衡点决定于光照的强度。
只要可见光的强度不是很强或很弱,眼内的视紫红质是能够保持一个化学平衡的,这样不会影响视力。
若光线太强,会使大量视紫红质迅速分解而合成不足,造成“暂时失明”,同样也会使瞳孔扩约肌收缩过度以至痉挛状态,影响视力。
3.2紫外线对人眼的影响紫外线被组织吸收后,起光化学作用,使细胞的核糖核酸合成发生障碍,造成细胞肿胀,染色质溶解,细胞核破裂,细胞死亡引起电光性眼炎。
大量紫外线照射后6~8h发病,两眼会突然发生强烈异物感、刺痛、畏光、流泪、眼睑痉挛,一般1"--2d自行痊愈。
但若多次重复发病,可引起慢性睑缘炎、结膜炎,甚至角膜变性,影响视力L6]。
3.3防紫外线措施紫外对人体影响大,其中对紫外最敏感之处在于眼睛,如何保护眼睛(视力)不受紫外影响乃重中之重。
最有效的办法就是佩戴防紫外眼镜。
当前眼镜制造产业中已经出现多种防紫外镜片,在普通的近视眼镜中添加紫外吸收剂,诸如:
注入Ti离子[7],添加uv—X系列紫外吸收剂[83等;还有办法则是在光源的外罩上添加紫外吸收剂或直接用抗紫外材料作为光源的外罩,不过这样会增加成本,在普通光源更新频繁、损耗高的情况下,未必有厂家会采用这种方式,至少在实验中没发现有采用防紫外材料的光源。
实际上,防紫外眼镜在眼镜行业中已经生根发芽,经实验证明,市场上流通的防紫外眼镜抗紫外效果良好。
4结语测量与分析光源的光谱是为了能找出合适的理想光源,通过对节能灯的光谱分析,可以知道节能灯光谱分立,光照强度高,显色性好,但存在一定的紫外污染。
从本次实验所得出的数据来看,对于广大青少年来说,在学习过程中,光照强度不能太强,也不能太弱,还应该尽量减少紫外线的伤害。
如在选择台灯的亮度和灯管时,就应挑选亮度适中、紫外辐射弱的,比如实验中用到的Philips本着节约、效用、健康等考虑因素,FSL115W节能灯。
对于室内照明,11W节能灯,0rsam10W节能灯,PhilipsW节能灯都能胜任。
目前市面上存在的节能灯差异很大,品种繁多,虽有适用生活的品种,但种类不多,希望以后能够出现更多的理想的光源。
参考文献:
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