Люминесцентные лампы общего назначения. Ламповые люминофоры и требования к ним

ЛЛ представляют собой разрядные источники света низкого давления принцип действия которых основан на двойном преобразовании эл. электроэнергии в световую: электрический ток (разряд) в смеси газа(инертный газ аргон при давлении 3 мм.рт.ст.) и паров металла(ртуть при давлении 0,007 мм.рт.ст.) и люминесценцию твердого тела под воздействием излучения. В наст. время в России свыше 60% светового потока и освещения общ. зданий создается с помощью ЛЛ. Это объясняется рядом достоинств ЛЛ

1). высокая световая отдача и большой срок службы

2). малая себестоимость связанная с высокой степенью механизации, простотой конструкции и с доступностью сырья и материалов

3). низкой яркость и температурой поверхности

В тоже время из-за некоторых принципиальных недостатков малопригодны для наружного освещения и освещения высоких помещений. Последнее связано с малой мощностью (4-150 Вт) в России до 80 Вт и большими размерами лампы, трудностью перераспределения и концентрации светового потока в пространстве, а также ненадежной работой при низких температурах окр. воздуха. В зависимости от способа зажигания ЛЛ могут быть стартерного, быстрого и мгновенного зажигания. ЛЛ подразделяются на осветительные ЛЛ общего назначения и на ЛЛ спец. назначения. В качестве ЛЛ общ. назначения используются ЛЛ стартерного пуска предназначенные для сетей 127/220 В в прямой колбе. ЛЛ спец. назначения имеют особые эксплуатационные свойства обусловленные особенностями конструкции, которые можно разделить на следующие виды: малогабаритные, ЛЛ с фигурной колбой, амальгамные ЛЛ, ЛЛ быстрого зажигания, высокоинтенсивные ЛЛ, рефлекторные ЛЛ, щелевые ЛЛ, накальные ЛЛ, цветные ЛЛ и ЛЛ со специальным спектром излучения.

Маркировка ЛЛ.

В мировой практике нет единой системы маркировки

ЛЛ. В России принята следующая буквенная маркировка. Первая буква Л означает люминесцентная; маркировка компактных ЛЛ начинается с буквы К—компактная. Следующие буквы означают цвет излучения: Д—дневной, ХБ — холодно-белый, Б — белый, ТВ — теплобелый, Е — естественно-белый, К, Ж, 3, Г, С — красный, желтый, зеленый, голубой, синий и т. д., УФ — уль­трафиолетовый. У ламп с улучшенным качеством цветопередачи после букв, обозначающих цвет, стоит буква Ц, а при цветопередаче особо высокого качества — ЦЦ. В конце ставят буквы, характеризующие конструктивные осо­бенности: Р—рефлекторная, У—U-образная, К—кольцевая, А—амальгам-нгя, Б—быстрого пуска. Цифры обозначают мощность в ваттах.

Маркировка ламп тлеющего свечения начинается с букв ТЛ.

Наполнение ЛЛ состоит из паров ртути, находящихся в насы­щенном состоянии по отношению к избыточной дозе ртути в жид­ком состоянии или в амальгаме, инертного (смеси инертных газов) и примесных газов, оставшихся в ЛЛ в процессе производства или образуемых в ней при эксплуатации. Ртуть в ЛЛ не имеет какой-либо равнозначной замены в силу своих уникальных свойств: 1) самого высокого (среди металлов) давления паров (на 3 порядка выше, чем у цезия и рубидия и на 6 — чем у кадмия и натрия); 2) благоприятного спектра излучения, позволяющего достаточно эффективно преобразовывать люминофором УФ-излу-чение резонансных линий в видимый свет.

Важнейшая функция наполнения ЛЛ — эффективное преоб­разование электрической энергии, поступающей в объем ЛЛ через электроды, в излучение атомов ртути. Основная доля мощности излучения разряда сосредоточена (в условиях разряда ЛЛ) в ре­зонансных линиях ртути с длиной волны 253,7 и 184,9 нм. Учи­тывая, что абсолютная величина и соотношение интенсивностей этих линий зависят от давления паров ртути (pHg). состава газового наполнения и давления газовой смеси, рассмотрим роль каждого компонента наполнения в получении максимального энергетиче­ского КПД разряда и влияние их на другие процессы в ЛЛ. Разряд в парах ртути при низком давлении (без инертного газа) мало­эффективен (энергетический КПД разряда составляет около 30 %) из-за малой концентрации электронов (Пц), высокой электронной температуры (Те), большого переноса энергии на стенку метастабильными атомами ртути, существенной доли излучения линии 184,9 нм (особенно при малых pHg), интегральная эффективность преобразования которой люминофорным слоем в видимое излуче­ние меньше, чем для излучения линии 253,7 нм.

Добавление Аг при давлении 533 Па в чисто ртутный разряд увеличивает интенсивность линии 253,7 нм приблизительно в 3,5 раза, линии 184,9 нм — в 1,7 раза, световую отдачу ЛЛ — в 2,4 раза. Это обусловлено существенным улучшением элек­трокинетических характеристик разряда (увеличением концентрации электронов, сниже­нием Те, уменьшением гибели метастабильных атомов ртути на стенках и передачей их энергии излучающим атомам ртути в объеме разрядной трубки) и улучшением условий выхода излу­чения из разряда за счет ударного уширения линии излучения ртути атомами аргона. Влияние других газов (смесей газов) на энергетический КПД разряда ЛЛ аналогично. Поэтому можно счи­тать, что основной функцией инертного газа (смеси газов) в ЛЛ является повышение энергетического КПД разряда в парах ртути.

Инертный газ (газы) выполняет в ЛЛ еще две вспомогательные функции, которые очень важны для зажигания ЛЛ и работы элек­тродов. Он облегчает процесс зажигания ЛЛ благодаря образованию смеси, в которой проявляется эффект Пенинга (ионизация атома. ртути со сравнительно низким потенциалом ионизации Ui - 10,39 В метастабильными атомами Аг — потенциал возбуждения 11,5 — 11,7 В). Минимальное напряжение зажигания в трубках с диа­метром 38 мм при pHg - 1,17 Па (to.c - 20 °С) имеет место при рАг ~ 266 Па, т. е. наибольшее проявление эффекта Пенинга осуществляется при содержании атомов ртути в смеси 0,06 %, Отклонение от указанного соотношения концентраций атомов Hg и Аг приводит к увеличению напряжения зажигания разряда. Например, в амальгамных ЛЛ, где pHg существенно снижается за счет амальгам или в ЭЛЛ, наполненных смесью 30 % Аг + 70 % Кг при общем давлении 266 Па, где эффект Пенинга не проявляется в полную) силу из-за нарушения оптимального соотношения атомов Аг и ртути и присутствия большого количества атомов Кг, у которого только один из метастабильных атомов (U " 10,62 В) может ионизировать атомы Hg. Инертный газ существенно улучшает работу электродов, снижая, испарение свободного бария (Ва) и окиси бария (ВаО), уменьшая их диффузию в инертном газе и повышая эмиссионные свойст электрода. Чем больше давление и атомный вес ИГ, тем лучше условия для работы электрода в рабочем режиме. Увеличение давления инертного газа также способствует росту возврата ЩЗМ (щелочно-земельных металлов) на катод в виде ионов за счет действия возвратных циклов. Повышение эмиссионных свойств катода при увеличении давления и массы инертного газа способствует снижению температуры площади катодного пятна, а тем самым обеспечивается уменьшение испарения атомов ЩЗМ в анодный полупериод, т. е. при отсутствии возвратных циклов.

Наиболее широкое применение нашли люминофоры на основе галофосфата кальция (ГФК) активированного сурьмой и марганцем. Различные марки данного люминофора синтезируют с различной концентрацией марганца в пределах от 0,3 до 0,2 % от массы люминофора. При этом концентрация сурьмы остается неизменной и составляет около 1%. Его излуче­ние состоит из двух широких частично перекрывающихся спект­ральных полос: более узкой полосы излучения марганца с мак­симумом около 580—590 нм и более широкой полосы излуче­ния сурьмы с максимумом около 480 нм. Путем изменения со­отношения интенсивности этих полос можно в широких преде­лах изменять спектральный состав излучения люминофора. Изменение спектра до­стигается в основном путем изменения концентрации марганца и отношения содержания фтористого и хлористого кальция, причем их содержание сравнительно мало сказывается на КПД излучения.

Основным фактором, определяющим КПД излучения ГФК является концентрация сурьмы, поскольку она одновременно является источником излучения синей полосы и сенсибилизато­ром излучения марганца. Вообще следует подчеркнуть, что квантовый выход ГФК рез­ко падает при наличии в люминофоре посторонних примесей особенно тяжелых металлов. Их содержание не должно превышать 0,001% по массе.

Скорость спада яркости люминофорного слоя в ЛЛ увели­чивается с ростом удельной нагрузки и плотности облучения. Поэтому для ламп с высокой удельной нагрузкой вопрос повы­шения радиационной стойкости люминофорного слоя приобрета­ет особо важное значение.

Галофосфатные люминофоры (имеется в виду ГФК) выпус­каются нескольких марок для изготовления ЛЛ типов ЛБ, ЛТБ, ЛХБ и ЛД, отличающихся спектром излучения. Люминофоры, с узкополосными спектрами излучения (УПЛ). Такие люминофоры были синтезированы в конце 70-х годов. Они содержат редкоземельные металлы, которые входят либо в состав основного вещества, либо являются активаторами. В настоящее время синтезировано большое количество подоб­ных люминофоров, дающих узкополосное излучение в синей, зе­леной и красной частях спектра. Люминофоры применяются в ЛЛ так называемого «нового поколения» с излучением, сосредоточенным в трех (или двух) узких полосах спектра: си­ней (450 нм - алюминат бария, магния, активированный европием), зеленой (540 нм - алюминат магния, активированный церием и тербием) и красной (610 нм - оксид иттрия активированный европием). Главным достоинством этих люминофоров является значи­тельно более высокая стабильность по отношению к облучен­ности УФ-излучением 185 нм и к температуре при высоком квантовом выходе, что позволяет применять их в ЛЛ умень­шенного диаметра с высокой удельной нагрузкой и более высо­кой облученностью. Серьезным недостатком, сдерживающим их широкое применение, является значительно более высокая цена по сравнению с ГФК.

При малой толщине люм. слоя не все УФ изл-ие преобразуется в видимое, а при большой толщине преобразованное видимое излучение поглощается самим же люминофорным слоем. Для характеристики толщины люм-ого слоя вводят понятие удельной нагрузки на люминофор которая является отношением веса люминофора к внутренней поверхности трубки. Размеры частиц люминофора должны быть в пределах от 3 до 30мкм. Такой люминофор называется фракционированным. При размере частиц меньше 3 мкм коэфф. преобразования УФ изл-ия в слое резко падает вследствие более плотного их размещения.

Технические требования нормативной документации на люминофоры состоят в следующем:

1) яркость свечения у испытуемой партии люминофора должна быть не ниже, чем у типового образца люминофора;

2) длины волн максимумов полос излучения Sb и Мn должны быть 480 и 581 ±2 нм соответственно, а их процентное соотношение - 22% ±3%;

3) гранулометрический состав порошка должен быть таким, чтобы содержание частиц размером 14 мкм (и более) не превышало 15% состава.

Ламповые люминофоры должны удовлетворять следующим требованиям:

· максимум чувствительности люминофоров должен совпадать с возбуждающим излучением;

· излучение люминофоров должно соответствовать требованиям, предъявляемым спектральному составу излучения источника;

· иметь высокий квантовый выход;

· обладать определенной длительностью послесвечения;

· быть высокостабильным в условиях изготовления и работы лампы;

· должны легко обезгаживаться и не портить вакуум, т. е. не должны выделять вредных для работы газов или поглощать газы и пары;

· не должны вступать ни в какие химические реакции с веществами, с которыми они могут соприкасаться при изготовлении и работе лампы;

· для разрядных ламп массового применения желательно изготовлять из дешевого и доступного сырья, технология изготовления должна быть по возможности простой, материалы не должны быть токсичными;

· слой должен равномерно наноситься на поверхность стекла или другого материала и прочно удерживаться на ней