Доклад по кротовой / 1

Люминесцентные лампы были впервые представлены публике на всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году. С тех пор был улучшен состав люминофоров, увеличены сроки службы, унифицированы оптимальные условия внутреннего разряда и усовершенствованы формы в целях простоты их применения (такие как компактные люминесцентные лампы). Некоторые газоразрядные лампы высокой интенсивности соединяют более высокую электрическую эффективность с улучшением качества люминофора для получения лучшей цветопередачи.

Люминесцентная лампа или люминесцентная трубка – это газоразрядная лампа, которая использует электричество для возбуждения паров ртути в газах аргон и неон, иногда криптон, в результате чего образуется плазма (дуга), производящая коротковолновый ультрафиолетовый свет. Катод лампы обычно сделан из закрученной в спираль вольфрамовой проволоки, которая покрыта смесью бария, стронция и двуокиси кальция (эти элементы имеют относительно низкую температуру ионного излучения). Когда включается свет, электрическая мощность нагревает катод достаточно для того, чтобы излучать электроны. Эти электроны ионизируют атомы газовой смеси, в состав которой входит ртуть, до образования плазмы. Образовавшаяся плазма излучает свет в ультрафиолетовом участке спектра. Ультрафиолетовый свет не виден человеческому глазу. Он поглощается флуоресцентным покрытием лампы – люминофором, который производит видимый свет, имеющий длину волны от 440нм до 546нм. (Человеческий глаз реагирует на длину волны от 380нм до 750нм). 

Люминофор является соединением фосфорных солей металлов и редкоземельных элементов.   Химические соединения, которые входят в состав люминофора, специально отбираются так, чтобы излучаемые им фотоны имели длину волны, видимую человеческому глазу. Этот видимый свет разной длины волны, от короткой до длинной, разделяется на то, что мы называем семь цветов - фиолетовый, синий, голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый, красный. 

Компоненты люминофора контролируют цвет света и вместе со стеклом лампы предотвращают просачивание вредного ультрафиолетового света.  Монолюминофоровые лампы излучают свет низкого качества; цвета выглядят плохо и неточно. Решение проблемы заключается в смешивании разных люминофоров с тем, чтобы каждый из них излучал свет в разном частотном диапазоне. При правильном смешении можно получить максимально приближённый дневной свет или свет обычной лампы накаливания.Однако каждый лишний, добавленный в покрывающую трубку смесь люминофор вызывает потерю эффективности и удорожание. В компактных люминесцентных энергосберегающих лампах торговой марки Hitachi, Nakai и Linel, которые обладают хорошим потребительским качеством, используются три полосы люминофора (три-фосфорное покрытие), стандартно излучающие свет в красном, зелёном и синем спектрах. 

Неровный спектр излучения традиционных люминесцентных ламп может стать причиной того, что некоторые цвета передаются в их свете совсем по-другому, нежели когда используется освещение лампами накаливания или при дневном свете. В спектре излучения паров ртути доминирует коротковолновая линия ультрафиолетового света длиной 254 нм (которая передаёт большую часть энергии люминофорам), с последующим излучением видимого света на длине 436 нм (синий), 546 нм (зелёный) и 579 нм (жёлто-оранжевый). Эти три линии можно наблюдать в диапазоне  белого света при помощи спектроскопа. Это те же видимые линии, сопровождаемые линиями излучения трёхвалентного европия и трёхвалентного тербия и далее сопровождаемые спектром излучения двухвалентного европия в синем диапазоне, составляют наиболее непрерывное излучение света современных трёхцветных люминофоровых систем, используемых во многих компактных люминесцентных лампах и традиционных лампах, где лучшая цветопередача является целью. 

Большинство люминофоров состоят из сопряжённых пи - систем или  комплексов переходных металлов. Существуют чисто неорганические люминофоры, такие как сульфид цинка, легированный ионами редкоземельного металла; оксисульфиды редкоземельного металла, легированного ионами другого редкоземельного металла; оксид иттрия, легированного ионами редкоземельного металла; ортосиликат цинка, легированного ионами марганца. Люминофоры можно наблюдать в действии в люминесцентных светильниках, в экранах мониторов компьютеров, в органических светоизлучающих диодах и в биологической люминесценции. 

Люминофоры обычно производятся из подходящего исходного материала, к которому добавляется активатор. Самые известные типы – сульфид цинка, активированный медью и сульфид цинка, активированный серебром

Исходные материалы - это обычно оксиды, нитриды и оксинитриды, сульфиды, селениды, галогениды или силикаты цинка, кадмия, марганца, алюминия, кремния или различные редкоземельные металлы. Активирующие добавки продляют время излучения (послесвечение). В свою очередь, другие материалы (такие как никель) могут использоваться для подавления послесвечения и уменьшения периода затухания в технических характеристиках излучения люминофора.

Многие порошковые люминофоры производятся в низкотемпературных процессах, таких как с использованием золь-гель метода и обычно требуют последующего отжига при температурах  ~1000 °C, что нежелательно для многих применений. Однако, соответствующая оптимизация процесса роста (технологии выращивания) позволяет избегать отжига.

Люминофоры, используемые в люминесцентных лампах, требуют многоступенчатого процесса производства с деталями, изменяющимися в зависимости от определённого люминофора. Основной материал должен быть измельчён таким образом, чтобы его частицы приобрели необходимые размеры, так как большие частицы производят ламповое покрытие плохого качества и маленькие частицы производят меньше света и распадаются быстрее. Во время дробления люминофора условия процесса должны контролироваться, чтобы предотвратить окисление активаторов люминофора или загрязнения от сосудов, использующихся в процессе. После измельчения люминофор может быть промыт для удаления маленьких излишков активирующих элементов. Нельзя допускать, чтобы легкоиспаряющиеся вещества улетучивались во время процесса. Производители ламп изменили состав люминофоров, чтобы удалить некоторые токсические элементы, такие как бериллий, кадмий или таллий, которые использовались раньше.

Общепринятые параметры для люминофоров – длина волны максимального излучения (в нанометрах или, альтернативно, цветовая температура в кельвинах для белых смесей), ширина пика (в нанометрах при 50%-ной интенсивности) и время затухания (в секундах). 

Люминофор – это вещество, которое проявляет феномен фосфоресценции (непрерывного свечения после подвергания свету или  действию активизированных частиц, таких как электроны). Хотя термин «фосфоресценция» произведён от слова «фосфор», реакция, которая заставляет фосфор светиться, правильно называется «хемилюминесценция» (свечение в результате холодной химической реакции – медленное окисление фосфора кислородом воздуха). Фосфор открывали несколько раз. Есть упоминания о том, что арабский алхимик Альхильд Бехиль (XII век) открыл фосфор при перегонке мочи в смеси с глиной, известью и углем. Но всё-таки годом открытия фосфора считается 1669.

Картина Джозефа Райта Алхимик в поисках философского камня(1771), изображающая Хеннига Бранда, открывающего фосфор. Свечение на картине преувеличено. 

Бранд сначала старался сохранить свой метод в секрете, но позже продал рецепт за 200 талеров Д. Крафту из Дрездена, который сам теперь мог производить фосфор и много путешествовал с этим рецептом по Европе, включая Англию, где он встретился с английским физиком и химиком Робертом Бойлем. Секрет о получении фосфора из мочи перестал быть секретом, и сначала Йоганн Кункель (1630–1703) в Швеции (1678) и позже Бойль в Англии (1680) также смогли получить фосфор. Бойль утверждал, что Крафт не давал ему никакой информации, что касается получения фосфора, кроме той, что «это вещество принадлежит телу человека». Однако, эти сведения предоставили Бойлю ценный ключ к разгадке секрета получения фосфора, и, хотя он сам был алхимиком, верившим в ядерное превращение металлов, он один из первых 

нарушил традицию секретности  алхимиков и опубликовал подробности своей экспериментальной работы, включая и неудавшиеся опыты. Спустя некоторое время Бойль усовершенствовал процесс Бранда, используя в реакции песок, но оставляя мочу как основной материал. 

Когда вы просыпаетесь в середине ночи и не сразу можете понять, где вы, нет ничего более успокаивающего, чем светящийся циферблат часов. Вам не надо искать свет, просто взгляните на ваше запястье, и вы точно узнаете, который час. Подобные часы светятся целый день, но вы просто не замечаете их призрачного свечения при дневном свете. Что заставляет их светиться ночью спустя много времени после того, как погаснут другие источники света? Светящийся циферблат часов покрыт фосфоресцирующей краской, поэтому она светится в темноте.

«Светящийся» означает «излучающий свет»; большинство вещей в мире производят свет, потому что они имеют энергию, изначально полученную от Солнца, которое является самым большим светящимся объектом, видимым нами. Строго говоря, хотя нам кажется, что Луна тоже излучает свет, она в действительности не является светящейся, потому что она просто отражает свет от Солнца, как гигантское зеркало, сделанное из скалистых пород. «Светящийся» - достаточно неточное (неопределённое) слово. Можно утверждать, что даже карманный фонарик – светящийся предмет, так как он превращает электричество (электрическую энергию) в свет и светит нам, но подобные лампы являются лампами накаливания, в которых  электрический ток нагревает нить до такой высокой температуры, что она способна производить свет, и приблизительно 90% энергии, потребляемой лампами накаливания , выделяются в виде теплоты,  и только 10 % производят видимый свет. Люминисцентные объектыб наоборот производят свет, когда их атомы возбуждаются в процессе, для которго надо немного теплоты или не надо совсем.

Какая же разница между люминесценцией, флуоресценцией и фосфоресценцией? Когда мы говорим о «светящихся» часах и красках, мы имеем в виду фосфоресценцию, которая очень похожа на флуоресценцию: процесс, в результате которого энергосберегающие лампы производят свет. Флуоресцирующий химический продукт представляет собой мелоподобное (порошкообразное) покрытие внутренней стороны тонких стеклянных трубок энергосберегающих ламп.

Люминесценция – это световое излучение, которое обычно происходит при низких температурах, и, таким образом, является формой излучения холодного тела. Оно может быть вызвано химическими реакциями, электрической энергией, внутриатомным движением или воздействием на кристалл. Это отличает люминесценцию от теплового свечения, которое является светом, рождённым высокими температурами. Двумя основными типами люминесценции являются фосфоресценция и флуоресценция. Разница между ними лежит во времени их реагирования на электромагнитное излучение. 

  Флуоресцентные материалы производят свет мгновенно, когда атомы внутри них поглощают энергию и приходят в возбуждённое состояние. Когда атомы приходят в нормальное состояние всего через 10⁻⁶  секунды или одну миллионную долю секунды, они выделяют энергию, которая возбудила их, в виде крошечных частиц света, называемых фотонами. Флуоресцентная люминесценция прекращается в течение 10⁻⁵секунды; таким образом, она заканчивается также быстро, как и начинается. Если направить ультрафиолетовые лучи на украденный телевизор или фотоаппарат, то можно найти чей-то адрес, написанный невидимыми чернилами, который высветится в ответ на облучение. Чернила изготовлены из флуоресцентных химических материалов, которые поглощают ультрафиолетовый свет, приходят в возбуждённое состояние и затем выделяют энергию в виде фотонов видимого света. Выключите ультрафиолетовый свет, и чернила исчезнут снова.

Джордж Габриель Стокс дал название феномену флуоресценции в 1852 году (см. часть I). Он выбрал это название, чтобы «обозначить общий внешний вид раствора сульфата хинина». Название было произведено от минерала флюорит (фтористый кальций) , некоторые образцы которого содержат следы двухвалентного европия, который служит как флуоресцентный активатор для излучения синего света.

Фосфоресцирующие материалы действуют во многом  также как флуоресцирующие, но есть задержка (запаздывающее излучение) между процессами поглощения энергии и излучения света.  Иногда фосфоресценция длится несколько секунд, после того, как убрана стимулирующая энергия, иногда – как в светящихся часах – она длится несколько часов. Вы, возможно, замечали, что требуется немного времени, чтобы «подзарядить» светящиеся часы энергией, прежде чем они начнут снова светиться. Вы, возможно, также замечали, что светящиеся часы светятся, главным образом, в первые часы ночи. Ко времени рассвета  в них обычно иссякает энергия, и они перестают светиться. Это не удивительно. Часы не могут производить свет из ничего, нарушая один из основных законов физики – закон сохранения энергии.