Люминесценция

Прежде чем рассматривать газоразрядные источники света, многие из которых работают на основе люминесценции, необходимо получить краткие сведения о том, что же такое люминесценция?

Явление люминесценции известно людям достаточно давно. Еще в средние века алхимики, пытаясь превратить тяжелые минералы в золото путем прокалки, заметили, что некоторые из них светятся в темноте некоторое время.

Явление люминесценции долго не находило объяснения. В настоящее время под люминесценцией понимают способность некоторых веществ излучать световую энергию, накопленную в пределах атома, при переходе электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие.

В отличие от температурного излучения явление люминесценции состоит в том, что некоторые вещества за счет энергии, подведенной к ним в той или иной форме извне, излучают световой поток с единицы поверхности больший, чем абсолютно черное тело при той же температуре, причем это излучение может продолжаться весьма короткое время после действия подведенной энергии.

В зависимости от формы подводимой энергии различают несколько видов люминесценции: фотолюминесценция, радиолюминесценция, хемилюминесценция, электро-, биолюминесценция и другие.

В светотехнике чаще всего используется фотолюминесценция – свечение некоторых веществ под действием падающей на них лучистой энергии.

В процессе фотолюминесценции проявляется основной закон люминесценции – длина волны излучаемой световой энергии, всегда будет больше, чем длина волны поглощаемой радиации. Из этого следует, что видимое излучение может быть получено при облучении фотолюминесцирующих веществ коротковолновыми участками видимого спектра и ультрафиолетовым излучением.

Вещества, которые обладают свойством люминесценции, называются люминофорами. Они могут быть органического и неорганического происхождения. В светотехнике чаще всего используются неорганические люминофоры, состоящие из химически чистых сернистых соединений ZnS, CdS, SrS, а также сульфидов и оксидов щелочноземельных металлов CaS, BaS, CaO, BaO и др.

Свечение люминофоров происходит за счет облучения окрашенных поверхностей ультрафиолетовыми лучами, для чего используются ртутные светильники с темными светофильтрами, пропускающими только ультрафиолетовую часть спектра. Люминесцентные краски применяются для оформления интерьеров и фасадов зданий.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы относятся к классу газоразрядных источников света, который более разнообразен, чем класс тепловых. Ограниченные возможности и недостатки ламп накаливания стимулировали поиск более эффективных источников света, которые могли бы существенно улучшить условия искусственного освещения. Исследование процессов, имеющих место при прохождении электрического тока через газ и пары металлов, и открытие явления фотолюминесценции позволили создать новые источники света массового применения – люминесцентные лампы. Наряду с этим появились и другие газоразрядные источники энергии излучения. В настоящее время промышленностью выпускается большое количество различных типов газоразрядных ламп, отличающихся друг от друга мощностями, номинальными напряжениями, спектральным составом излучений, световыми отдачами, пускорегулирующими аппаратами и др.

Работа разрядных ламп основана на использовании свойств газов или паров металлов светиться в электрическом поле. Если колбу наполнить газом, а затем создать в ней электрическое поле, то (при соответствующих условиях) процесс ионизации начинает развиваться и быстро приобретает лавинный характер. При соударениях с атомами ионы возбуждают их и возникает свечение газа или пара. Каждому газу или металлу свойствен свой цвет свечения, причем, как правило, в режиме низкого давления это свечение имеет линейчатый спектр, а в режиме высокого давления спектр приближается к сплошному.

Определенным параметрам разряда соответствует определенный градиент потенциала, т.е. величина падения напряжения на протяжении 1 см длины разрядного столба. При низком давлении градиент потенциала в любых случаях невелик, а для возникновения разряда необходимо иметь достаточно высокое напряжение. Поэтому протяженная (линейная) форма разрядной лампы низкого давления является неизбежной. А к лампам низкого давления относятся люминесцентные лампы и натриевые лампы низкого давления.

По ряду обстоятельств ртуть стала наиболее распространенным химическим элементом, с помощью которого в настоящее время создаются разнообразные разрядные лампы низкого давления. Этому способствовали и широкое распространение ее в технике вообще, и относительная простота ее дозирования, и свойственный ртутному разряду относительно большой градиент потенциала, позволяющий получить лампы для стандартных напряжений электросети.

Однако как источник света ртутные лампы низкого давления совершенно неудовлетворительны, так как спектральные линии ртути лежат в коротковолновой части видимого спектра и за пределами его – в области ультрафиолета. Поэтому первоначально ртутные лампы использовались не для освещения, а в фотохимии, физиотерапии и т.д. Чтобы получить с помощью ртутного разряда приемлемое по цвету световое излучение, необходимо было трансформировать частоту излучений. Это стало возможным, когда был изучен процесс люминесценции.

Н

Рис. 27. Люминесцентная лампа: 1 – стеклян-

ная колба; 2 – слой люминофора;

3 – электрод; 4 - усы

аибольшее распространение из газоразрядных ламп получили люминесцентные лампы (рис. 27), которые состоят из стеклянной трубки различной формы (прямая, К – кольцевая, W– образная, U- образная). Трубка изнутри покрыта люминофором и содержит пары ртути и аргона, а также два электрода, впаянные в торцы этой трубки. Электроды лампы представляют собой короткие вольфрамовые биспирали, каждая из которых имеет по два выведенных контакта в виде штырьков. Параллельно электродам располагаются два проволочных уса, приваренных к концам вольфрамовой спирали.

Нормальное сетевое напряжение, при котором работает лампа, недостаточно для начальной фазы возникновения разряда в лампе, если в этот момент электроды еще не раскалены. Чтобы зажечь лампу, необходимо или повысить напряжение на ее электродах или предварительно разогреть электроды, облегчив тем самым процесс возникновения потока электронов в лампе при нормальной величине напряжения. Для стандартных люминесцентных ламп низкого давления используют обычно оба этих приема.

Электрический разряд в газе или парах ртути имеет по своей природе лавинный характер, и, если его не ограничивать, непрерывное увеличение электронного потока, а следовательно, и силы тока, приведет к разрушению лампы. Наоборот, даже незначительное уменьшение силы тока по каким либо причинам приводит к прекращению разряда и погасанию лампы. Поэтому для стабилизации силы тока последовательно с лампой необходимо иметь включенным балластное сопротивление, в качестве которого чаще всего применяются дроссели. Схема работы лампы представлена на рис. 28.

Последовательно с лампой включен дроссель, а параллельно стартер, служащий для автоматизации прогрева электродов лампы при ее включении. Кроме того, в схему включены конденсаторы для снижения уровня радиопомех, т.к. лампа и стартер являются источниками радиоизлучений.

Стартер представляет собой миниатюрную лампочку тлеющего разряда с неоновым наполнением, имеющую два электрода: никелевый и биметаллический (рис. 28 а). В нерабочем положении электроды стартера разомкнуты. При включении лампы в сеть к электродам стартера прилагается полное напряжение сети, и между ними возникает тлеющий разряд. Ток идет по цепи: сеть – дроссель – электрод лампы – стартер – второй электрод лампы – сеть (рис. 28 б). Величина тока в этот период недостаточна, чтобы разогреть электроды лампы. Под действием тлеющего разряда электроды стартера разогреваются и замыкают стартер накоротко. Величина тока резко увеличивается и быстро разогревает электроды лампы, после чего между концами спирали электрода и проволочными усами возникает начальный разряд, ионизирующий аргон вблизи электродов. За это время электроды стартера остывают и, разгибаясь при охлаждении,

Рис. 28. Принципиальная схема работы люминесцентной лампы:

а) стартер: 1 - металлический электрод; 2 – баллон с инертным газом; 3 – биметаллический электрод; 4 – цоколь; 5 – выводы;

б) схема включения лампы: 6 – лампа; 7 – стартер; 8 – дроссель; 9 - конденсатор

разрывают цепь стартера. В момент разрыва в цепи лампы возникает напряжение, значительно превосходящее сетевое. Все эти процессы способствуют возникновению разряда в лампе. Только после стадий местного разряда у электродов и разряда между электродами в среде аргона процесс в лампе принимает установившуюся форму дугового разряда в парах ртути. Зажигание лампы обычно занимает несколько секунд. При установившемся режиме горения электроды лампы непрерывно подогреваются за счет бомбардирования их электронами.

Для стандартных люминесцентных ламп стремятся создать цветности излучений, имитирующие те или иные фазы состояния естественного освещения. Основными типами отечественных стандартных ламп общего назначения являются ЛД (дневные), ЛХБ (холодно-белые), ЛБ (белые), ЛТБ (тепло-белые). Спектральные характеристики этих ламп не вполне совпадают со спектральными характеристиками дневного света вследствие чего искажается восприятие некоторых цветов. Параметры основных отечественных люминесцентных ламп представлены в таблице 9.