4.5. Спектральные характеристики паров ртути

Ртутные пары являются в настоящее время самым распространенным компонентом газоразрядных источников света. Ртуть, как и другие металлы, имеет низкий потенциал ионизации (потенциал ионизации натрия 5,12 В; кадмия – 8,96 В; ртути – 10,36 В). Ртуть, хотя и не обладает самым низким потенциалом ионизации, зато имеет наиболее высокое давление насыщенных паров, что существенно облегчает формирование газовой среды источников света. Излучение ртути содержит интенсивную линию резонансного перехода 254 нм (УФ). Кроме того, к резонансной относят и менее интенсивную, но еще более коротковолновую линию –185 нм. Нерезонансному излучению соответствуют несколько линий видимого диапазона. В приборах промышленного выпуска находят применение как собственное излучение паров ртути, так и излучение люминесцирующих покрытий под действием ультрафиолетовой составляющей излучения паров ртути.

На рис. 4.10 показана зависимость светоотдачи паров ртути от давления. Как видно из графика, имеется небольшой максимум излучения в области малых давлений (порядка 0,1 мм рт.ст.). В этой области отмечается и увеличение ультрафиолетовой компоненты. Первому максимуму соответствует давление насыщенных паров ртути при температуре оболочки 40 …50 ⁰С. Оптимальное значение плотности тока соответствует нескольким миллиамперам на квадратный сантиметр. Эта область давлений и электрического режима используется в маломощных световых приборах тлеющего разряда.

По мере увеличения давления и плотности тока светоотдача ртутного разряда вначале падает, а затем резко нарастает. В спектральном составе излучения появляются новые линии в ультрафиолетовой и видимой части оптического диапазона. В УФ области: 265, 280…289, 297…302, 313, 334, 365 нм. В видимой части: 405, 436, 546, 577, 579 нм.

Приборы с высоким давлением ртути и дуговой формой разряда находят свое применение в медицине, в биологии (лампы бактерицидного и эритемного назначения), в технике фотохимического направления, в технологических установках производства микроэлектронных приборов и т.д.

В приборах с ртутным наполнением для облегчения зажигания разряда при низких температурах необходимо присутствие в газовом составе какого- либо инертного газа, в частности смеси Пеннинга (Ne + 0,1% Ar).

С ветоотдача приборов с ртутным наполнением существенно повышается при использовании люминесцирующих покрытий.

При оценке спектрального состава излучения приборов с ртутным наполнением следует учитывать снижение уровня отдельных спектральных линий в результате поглощения в толще люминофора, в стеклянной оболочке и ослабление излучения в результате самопоглощения газовой средой и эффекта пленения излучения резонансных линий. Соответственно спектральный состав регистрируемого излучения ртути оказывается в прямой зависимости от толщины и типа используемого люминофора, марки и толщины стеклянной оболочки, от давления газовой смеси и диаметра разрядного канала.

4.6. Излучение люминофоров

4.6.1. Общие закономерности излучения люминофоров

Как уже отмечалось, большинство газов, и в частности ртуть, излучают преимущественно в УФ области. Чтобы повысить светоотдачу газоразрядных приборов, часто прибегают к использованию люминесцирующих покрытий, генерирующих световой поток в видимой области под действием ультрафиолетового излучения. Слово «люминесценция» в переводе на русский язык означает «слабое свечение». По определению С.И. Вавилова, люминесценция – это вид излучения, по величине превышающий уровень теплового потока и возникающий под действием внешних источников через интервал времени, больший периода колебаний электромагнитных волн оптического диапазона (по крайней мере, более 10^-10 с). По последнему признаку люминесценция отличается от таких видов излучения, как отражение светового потока, рентгеновское тормозное излучение, излучение Вавилова – Черенкова. Возможные виды люминесценции описаны в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Виды люминесценции

Вид люминесценции	Тип внешнего воздействия	Применение
Фотолюминесценция	Излучение видимого и УФ диапазона	Газосветные лампы
Катодолюминесценция	Поток электронов с энергией 102… 105 эВ	Электронно-лучевые трубки, кинескопы
Электролюминесценция	Внешнее электрическое поле	Светодиоды
Радиолюминесценция	Быстрые частицы, γ-излучение	Световые индикаторы
Рентгенолюминесценция	Рентгеновские лучи	Рентгеновские аппараты
Триболюминесценция	Механическое воздействие	- .. -
Хемилюминесценция	Экзотермические химические реакции	- .. -
Биолюминесценция	Биологические процессы в живых организмах	- .. -
Сонолюминесценция	Действие ультразвука на растворы некоторых веществ	- .. -
Кандолюминесценция	Пламя газовой горелки	- .. -
Термолюминесценция	Изменение температуры кристаллов	Индикаторы тепловых полей

В электронной технике практическое применение имеют три первых вида. Для светотехнических приборов применяется первая из указанных – фотолюминесценция.

Основные параметры фотолюминофоров

Время послесвечения, τ_п – величина, характеризующая спад потока во времени при прекращении воздействующего источника излучения. Описывается экспоненциальной зависимостью потока люминесценции от времени:

Ф = Ф₀exp(- t/ τ_п).

Принята градация фотолюминесценции в зависимости от величины τ_п : если τ_п < 10^-7с, применяется термин флуоресценция, если τ_п > 10^-7с, применяется термин фосфоресценция.

Энергетический КПД люминофора: ,

где Ф_л(ν,t) и Ф_в(ν,t) – временная зависимость спектральной плотности потока излучения люминофора и потока, возбуждающего люминесценцию; ν – частота электромагнитного излучения; t – текущее значение времени, t_в – время воздействия возбуждающего потока.

Квантовый выход излучения:

γ = N_л /N_в,

где N_л и N_в – количество фотонов, испускаемых люминофором и источником возбуждающего излучения соответственно.

П ри монохроматическом спектре возбуждающего излучения и люминесценции

.

Так как энергия возбуждающего излучения должна быть больше энергии люминесцирующего излучения, должно выполняться неравенство: ν_в > ν_л и соответственно λ_в < λ_л – закон Стокса (рис. 4.11).

Э нергетические переходы, соответствующие закону Стокса, показаны на рис. 4.12, а. Но возможны ситуации с нарушением закона Стокса, т.е. случаи, когда ν_в < ν_л – антистоксовая люминесценция. Этим случаям соответствуют двухступенчатые процессы возбуждения (рис. 4.12, б).