Физические основы работы люминесцентных источников света

Люминесценция (от лат. lumen, род. падеж luminis - свет и - escent - суф., «слабое действие») - свечение вещества, возникающее после поглощения им энергии возбуждения. Многие формы природной люминесценции были известны людям еще до того, как они смогли физически объяснить это явление. Например, свечение насекомых, морских рыб и планктона, полярные сияния и др. В 1948 году С.И. Вавилов предложил называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10^?10 секунд и больше. Таким образом, он разделил люминесценцию и тепловое излучение (что особенно важно при высоких температурах), а также другие виды нетеплового излучения, длительность которых меньше периода колебания световой волны (<10^?10 c), т.е. светорассеяние, отражение и др. Первоначально понятие люминесценция относилось только к видимому излучению. В настоящее время оно распространяется и на другие диапазоны длин волн (инфракрасный, ультрафиолетовый и даже рентгеновский). Твердые и жидкие вещества, способные люминесцировать, называют люминофорами (от лат. lumen - свет и др.-греч. phoros - несущий).

1. Физическая природа люминесценции

К люминесцентным и источникам смешанного излучения можно отнести все газоразрядные лампы.

Газоразрядные источники света - приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и др. вещества (например, ртуть), находящиеся в парообразном состоянии.

В 30-х гг. 20 в. начались интенсивные исследования по применению люминофоров в газосветных трубках. Люминофор (с латыни дословно «несущий свет») - вещество, способное фосфоресцировать, то есть излучать поглощенный ранее свет в течение нескольких последующих часов без дополнительной «подпитки». Неорганические люминофоры изготавливаются на основе цинка и алюминия с вкраплениями редкоземельных металлов, органические на основе углеводородов.

Люминофор называют современным аналогом фосфора, и не только потому, что он был разработан 30 лет назад, люминофор также значительно превосходит фосфор по характеристикам свечения. Для «зарядки» люминофоров достаточно буквально 10-20 секунд контакта с источником света, тепла или даже механического воздействия, чтобы получить эффект свечения

Люминофоры способны отдавать полученную энергию (то есть светиться) в течение суток. Причем интересно, что на длительность свечения влияют только первые 40 минут зарядки, после чего вещество перестает поглощать энергию.

Люминофоры различны по своим характеристикам - яркости и длительности свечения. Зависит это от размера частиц (чем они крупнее, тем, соответственно, свечение будет ярче и продолжительнее), а также веществ, из которых изготовлены люминофоры. Например, люминофоры на основе алюминия значительно превосходят по этим характеристикам свой цинковый аналог.

Максимальная яркость свечения люминофоров высокого качества вполне сравнима с неоновыми лампами.

Сфера применения люминофоров поистине бесконечна - безопасность (например, дорожная разметка, знаки), техника (циферблаты часов и электронных приборов), косметика (светящиеся в темноте лаки). Вообще, исходные цвета свечения люминофоров - зеленовато-желтый, зеленовато-голубой и синий, но если добавить так называемый флуоресцентный пигмент, то можно добиться большого богатства цветов и оттенков. Красный свет, оранжевый, желтый, фиолетовый и многие другие - это открытие позволяет с успехом использовать люминофоры в сфере дизайна (обои, светящиеся картины) арта и боди-арта, полиграфии (необычные календари, визитки, открытки), архитектуры.

Газоразрядным источником света, который отдает видимый свет с помощью люминофора, является люминесцентная лампа.

Люминесцентные лампы представляют собой, в основном, газосветные лампы, покрытые с внутренней стороны стеклянных стенок тонким прозрачным слоем люминесцирующего вещества. Невидимые ультрафиолетовые лучи, возникающие при разряде, превращаются таким образом в видимый свет. Как и все современные низковольтные газосветные лампы, низковольтные люминесцентные лампы имеют на обоих концах цилиндрической колбы электроды в виде спирали из вольфрамовой проволоки. Последние покрыты щелочноземельной окисью, испускающей, электроны при довольно низких температурах. Необходимая теплота сообщается самим разрядом. Для возбуждения разряда электроды должны быть предварительно нагреты, для чего ток пропускается непосредственно через нити обоих электродов, соединенных последовательно. Выключатель, замыкающий это соединение, автоматически выключается, когда электроды достаточно нагреются, и позволяет образоваться дуге.

Поскольку лампы имеют отрицательную характеристику тока и напряжения, для ограничения тока необходимо ввести дроссель. Благодаря прерыванию тока нагревающего электроды, дроссель дает короткий скачок высокого потенциала, достаточный для возбуждения газового разряда.

В лампах обычно находится аргон под давлением около 4 мм и небольшое количество паров ртути под давлением ниже 0,01 мм. При этих условиях возбуждаются и испускают свет практически только одни атом ртути. Плотность тока и, тем самым, температура и давление паров регулируются таким образом, что около 50 или 60% интенсивности получаемого излучения приходится на резонансную линию ртути 2537).

Изготовляются также низковольтные люминесцентные лампы, наполненные чистым неоном. В этих лампах флуоресценция возбуждается резонансными линиями неона 736 и 740 . Если в люминесцентных лампах в качестве среды, в которой происходит разряд, взят гелий, то результат сходен с получаемым в неоновых лампах. Однако такие лампы в промышленном масштабе не выпускаются. Чистый аргон, с другой стороны, совсем не пригоден для этой цели; то же самое справедливо и относительно более тяжелых инертных газов (криптон и ксенон

Высоковольтные люминесцентные лампы с холодными электродами, работающие при напряжениях от 600 до 3000 вольт, имеют значительно меньшее применение.

Большинство данных, приводимых в нижеследующем материале, относится к низковольтным ртутным лампам.

Преимущество люминесцентных ламп двоякое: во-первых, ультрафиолетовые лучи, всегда присутствующие в спектре газосветной лампы, используются для получения света и, во-вторых, можно получить свет почти любого желаемого оттенка, без применения цветных стекол, что связано с некоторой потерей в интенсивности. Однако нужно иметь в виду, что энергетический выход фотолюминесценции строго ограничен законом Эйнштейна и становится тем меньше, чем короче длина волны возбуждающего света. С другой стороны, люминесцирующий материал должен быть выбран таким образом, чтобы максимум его поглощения совпадал с максимумом ультрафиолетового излучения газового разряда. Органические соединения отпадают вследствие своей неустойчивости. ZnS и другие сульфидные фосфоры, очень полезные для многих целей, здесь непригодны, так как они наиболее чувствительны к длинам волн близкой ультрафиолетовой и видимой частей спектра. Наиболее употребительными для ртутных ламп фосфорами являются: CaW04 (Pb), MgW04, активированные марганцем силикаты Zn, Zn + Be и Cd, а также бораты и фосфаты Cd. Все эти фосфоры имеют сильные полосы поглощения и возбуждения в спектральной области ниже 3000 А

В зависимости от желаемого цвета различные фосфоры смешиваются в разной пропорции. Например, дневной свет, соответствующий цветовой температуре 6500° К, дается смесью 28% белого и 25% розовато-белого ZnBeSi041 с 47% голубовато-белого MgW04. Различные оттенки белого света применяются для освещения жилых помещений, конторских и фабрично-заводских помещений. Для декоративных и рекламных целей используются различные яркие цвета, начиная от фиолетово-синего до оранжево - красного. Получить чистый красный свет труднее и он довольно слаб.

Для неоновых ламп наиболее удовлетворительными являются активированный марганцем силикат цинка и вольфрамат кальция.

Световой выход люминесцентных ламп сильно зависит от цвета их флуоресценции. Различия обусловливаются, в основном, специальным распределением чувствительности глаза, в меньшей степени - разницей в энергетическом выходе, и, частично, также разницей в квантовом выходе фосфоров.

Часть энергии, расходуемой внутри самой лампы, идет на нагревание электродов. Это «падение потенциала на электродах» (около 15 вольт) не зависит от длины разрядной трубки. Поэтому более длинные лампы, потребляющие больше энергии, имеют несколько более высокий выход. Если общее количество энергии, потребляемой белой люминесцентной лампой, составляет от Ѕ до 1/3 энергии, поглощаемой лампой накаливания, имеющей такой же световой выход, то отношение между общим количеством тепла, даваемого обеими лампами, будет также от Ѕ до 1/3. Однако, в то время как лампа накаливания излучает 78% поглощенной энергии, главным образом в виде инфракрасных лучей, люминесцентная лампа излучает в виде света около 50% поглощенной энергии, почти при полном отсутствии инфракрасных лучей, остаток же энергии теряется вследствие теплопроводности

Температура оказывает довольно существенное влияние на световой выход люминесцентных ртутных ламп. Благодаря малой плотности тока температура стенок трубки относительно низка. При нормальной комнатной температуре от 21 до 26°С стенки лампы имеют температуру от 40 до 45°С. Когда окружающая температура повышается, световой выход несколько понижается, в основном, вследствие увеличения давления ртутных паров. Потери становятся значительными, если свободная циркуляция воздуха вокруг трубки затруднена, в результате чего температура стекла повышается до 60 или даже до 100° С.

Вследствие зависимости от давления ртутных паров люминесцентные лампы требуют некоторого времени (порядка 10-15 мин.) на разгорание. В течение этого периода давление паров, вначале очень низкое (около 10~3), повышается до значения, соответствующего равновесной температуре, в то время как излучение резонансной линии и, соответственно, возбуждение флуоресценции проходит через максимум, прежде чем достигнет своего стабильного состояния. Если две лампы установлены параллельно друг другу с небольшим промежутком между ними, как это часто делается по техническим причинам, время, в течение которого достигается равновесие, будет несколько короче и конечная яркость ламп будет несколько меньше, вследствие взаимного нагревания.

В люминесцентных неоновых газосветных лампах световой выход значительно ниже, чем в ртутных лампах. Этот недостаток может быть до известной степени компенсирован тем, что температура влияет на неоновые лампы значительно меньше и что у них не наблюдается постепенного падения светового выхода, характерного для ртутных газосветных ламп. Это явление приписывалось отложению мельчайших частиц ртути на флуоресцирующей поверхности, однако оно, вероятно, обусловлено, по крайней мере частично, образованием поверхностной пленки в результате какой-нибудь химической реакции между возбужденными атомами ртути и какой-нибудь компонентой фосфора (скорее всего, кислорода). Сами фосфоресцирующие порошки не разрушаются при нормальной работе лампы.

Срок службы лампы зависит от нескольких факторов, среди которых наиболее важным является срок службы активированных электродов. В среднем он принимается в настоящее время равным 1000-1500 час.

Излучение света обычных газосветных ламп, как, например, неоновых трубок, ртутных трубок и т.д., следует за всеми колебаниями питающего переменного тока вплоть до очень высоких частот. При обычной частоте в 60 герц получаются очень неприятные стробоскопические явления. Та же проблема имеет место и в люминесцентных лампах, но там она до известной степени устраняется применением люминесцирующего материала, послесвечение которого продолжается дольше, чем полупериод переменного тока. Небольшие изменения напряжения сети оказывают меньше влияния на световой выход люминесцентных ламп, чем на выход ламп накаливания. Изменение напряжения сети на 1% вызывает изменение световой отдачи на 1,5%,)… Несмотря на высокий выход, яркость люминесцентных ламп сравнительно невелика. В среднем она ниже одной свечи на 1 см². Это значит, что при той же световой отдаче трубки должны быть значительно длиннее, чем лампы накаливания. Обычно они имеют ширину 2,5~5 см и длину 30-120 см и более.

Высоковольтные люминесцентные лампы с диаметром 6-12 мм должны иметь длину, по крайней мере, 10 м, если их выход должен быть сравним с выходом низковольтных ламп. Они иногда применяются для освещения больших механических цехов или контор, однако вследствие высокой действительной яркости они не могут быть рекомендованы для этих целей. Высоковольтные лампы применяются с большим успехом в витринах магазинов и для вывесок, где основным требованием является декоративный эффект, а не выход.

Внедрение люминесцентных ламп различных типов, отличающихся и по форме и по распределению света от обычных ламп накаливания, поставило много новых проблем перед инженерами-светотехниками.

Заключение