ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ
Развитие и совершенствование источников излучения (ИИ) определялось определенными целями, а именно:
повышением энергетической эффективности (светоотдачи, равной отношению светового потока, измеряемого в люменах, к затраченной энергетической мощности);
увеличением срока службы (времени, за которое начальный световой поток уменьшается на 30%);
улучшением цветовых характеристик излучения (цветовой температуры, индекса цветопередачи и т.д.);
выделением специальных спектров излучения для медицины, растениеводства, животноводства и т.д.;
конструированием ламп специального назначения для фотографии, областей тонкой технологии, проектирования и др.
Светоотдача в каждой стране является одним из показателей уровня научно‑технического развития. Обеспечение необходимой освещенности при меньших затратах электроэнергии сказывается весьма заметно на экономике страны.
Первые электрические лампы накаливания А.Н. Лодыгина, усовершенствованные и выпускаемые серийно в Америке Т. Эдисоном (1879 г.) имели светоотдачу 2–3,5 лм/Вт.
Стремление повысить светоотдачу ламп накаливания привело к появлению сначала ламп с металлизированной угольной (1890–1900 гг.), затем с осмиевой (1898 г.) и танталовой (1902 г.) нитями. В 1906–1909 гг. была разработана технология изготовления вольфрамовых проволок для изготовления электродов. В 1913 г. появилась газонаполненная лампа И. Ленгмюра с вольфрамовой нитью. С целью повышения светоотдачи и увеличения срока службы меняли конструкцию электродов, наполняли колбу газом, не вступающим во взаимодействие с материалом электрода, что уменьшало интенсивность испарения материала электрода и должно было привести к увеличению срока службы (главная причина выхода из строя ламп накаливания – перегорание электрода). Причем возможность увеличения рабочей температуры электрода за счет газового наполнения не только компенсировало потери теплоты через газ, но и увеличивало светоотдачу.
В 1936 г. появились газонаполненные лампы накаливания с биспиральным катодом – лампы с криптоном, а затем и с ксеноновым наполнением. В 50‑е годы появились галогенные лампы накаливания. Особенностью этих ламп является то, что галогениды (соединения йода, брома, хлора, фтора) дают устойчивое соединение с вольфрамом лишь в определенном диапазоне температур, что позволяет возвращать испаренный вольфрам на электрод, тем самым увеличивая срок службы лампы и светоотдачу. Светоотдача в них достигала 30 лм/Вт, а срок службы 1000 ч.
Развитие разрядных ламп шло значительно медленнее. Лишь через 70 лет после открытия дуги В.В. Петровым был создан первый источник света дугового разряда П.Н. Яблочковым, представляющий собой открытую угольную дугу. Угольные дуги, имеющие заметно большую, чем лампы накаливания, светоотдачу (70–90 лм/Вт) нашли применение в прожекторных и проекционных установках.
Изобретение в 1901 г. ртутной разрядной лампы низкого давления по существу определило возможность получения серьезных результатов в технике освещения, однако на пути были серьезные препятствия, связанные с тем, что наибольшая доля мощности излучения в ртутном разряде приходится на ультрафиолетовую область. Поэтому главным препятствием в ртутных разрядных ИИ было преобразование излучения из ультрафиолетовой области в видимую. Эту задачу решил С.И. Вавилов с учениками [9.2], который в 1927 г. открыл закон, связывающий квантовый выход люминесценции с длиной волны возбуждающего излучения [9.3]. Под его руководством учениками (В.В. Левшиным, В.А. Фабрикантом, М.А. Константиновым‑Шлезингером, Ф.А. Бутаевым, В.И. Долгополовым) были установлены основные процессы люминесценции, созданы люминофоры и люминофорные смеси. В 1941 г. появились первые люминесцентные лампы серийного изготовления. Люминесцентные лампы, используемые в настоящее время имеют световую отдачу 60–100 лм/Вт.
В настоящее время существует большое количество ртутных ламп, имеющих различное целевое назначение. В зависимости от давления наполняющего газа различают ртутные лампы низкого давления (p = 0,0013 ÷ 0,13 кПа), высокого давления (p = 0,03 ÷ 0,3 МПа), сверхвысокого давления (p > 0,3 МПа).
Рис. 9.1. Общий вид основных типов ртутных люминесцентных ламп низкого давления
Ртутные лампы низкого давления являются весьма эффективными с точки зрения ультрафиолетового излучения с длинами волн 185 и 254 нм. На эти волны при низких давлениях приходится до 80% излучаемой разрядом мощности. Эти спектральные волны могут быть перемещены либо в эритемную, либо в видимую область излучения с помощью люминофора, наносимого на внутреннюю поверхность колбы лампы. Существуют различные типы люминесцентных ламп (ЛЛ):
с самокалящимися электродами, в которых зажигание разряда происходит при предварительном накале катодов;
высоковольтные мгновенного зажигания с самокалящимися электродами без предварительного накала;
высоковольтные тлеющего разряда с холодными электродами;
компактные (КЛЛ), которые можно прямо вкручивать в патрон вместо ламп накаливания;
высокочастотные КЛЛ (ВЧКЛЛ);
безэлектродные КЛЛ.
На рис 9.1 показаны некоторые типы люминесцентных ламп.
КЛЛ имеют по сравнению с обычными лампами накаливания в 10 раз больший срок службы и потребляют при равных световых потоках в 5 раз меньше электроэнергии [9.4]. В настоящее время они используются с электромагнитными или электронными аппаратами. Большими преимуществами, по сравнению с КЛЛ обладают ВЧКЛЛ. Эти преимущества связаны с увеличением светоотдачи с ростом частоты питания и уменьшением вредного влияния частотных колебаний светового потока на глаз человека.
На срок службы ЛЛ заметное влияние оказывают электроды, во‑первых, из‑за распыления их материала, которое приводит к потеменению горелки и уменьшению светового потока, и, во‑вторых, из‑за увеличения при эксплуатации лампы работы выхода электронов, приводящей к увеличению напряжения зажигания и ускорению выхода лампы из строя. Поэтому проводились работы по созданию безэлектродных КЛЛ [9.5, 9.6], в которых поддержание разряда в парах ртути в смеси с инертными газами осуществляется электромагнитным полем, создаваемым генераторами вне горелки. Общий вид безэлектродной КЛЛ с соленоидальным индуктором показан на рис. 9.2. Разработано немало разновидностей конструкций безэлектродных ламп (кольцеобразной формы, с передачей электромагнитной энергии с помощью антенны и др.).
Безэлектродные ИИ бывают низкого и высокого давления. В.каждом диапазоне давления они делятся на ИИ повышенной частоты (с рабочей частотой до 3 МГц), высокой частоты (с рабочими частотами от 3 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (с частотой, превышающей 300 МГц). С увеличением частоты возможности увеличения светоотдачи растут. Если при частотах меньше 3 МГц светоотдача не превышает 52 лм/Вт, то при частотах больше 300 МГц светоотдача уже превышает 100 лм/Вт.
Рис. 9.2. Общий вид (в разрезе) безэлектродной КЛЛ с солеиоидальным индуктором
1 – цоколь Е‑27; 2 – блок автогенератора; 3 – наполнение, ртуть и инертный газ; 4 – соленоидальный редуктор; 5 – люминофорный слой; 6 – цилиндрическая полость в колбе; 7 – стеклянная колба
Возможности широкого применения ИИ определяются кроме чисто светотехнических факторов также экономическими (стоимостью ИИ, генератора колебаний) и опасностью воздействия ВЧ‑излучения на человека.
При решении многих научно‑технических проблем требуется создание световых импульсов большой интенсивности. Это привело к созданию импульсных ИИ. Соотношения между параметрами (мощностью, яркостью, световым потоком) ИИ непрерывного действия и импульсных приведены в табл. 9.1 [9.7].
Кратковременные световые вспышки могут быть получены различными методами: при химической реакции (лампы с металлической фольгой, сгорающей в атмосфере кислорода или фтора), кратковременном возбуждении люминофора электронным пучком, кратковременном электрическом разряде в газе или в парах металла. Наибольшее распространение получили импульсные разрядные источники излучения.
В последние годы появилась информация о новых безэлектродных микроволновых серных лампах [9.8]. Анализ характеристик серной лампы и сравнение ее с другими, серийно выпускаемыми ИИ был сделан Г.Н. Рохлиным [9.9]. Схематически общий вид серной лампы показан на рис. 9.3. Светящее тело в виде шаровой кварцевой колбы имеет малые размеры (диаметр около 3 см). Колба наполнена инертным газом и определенным количеством серы. Исследования показали, что разряд в шаровой колбе практически не взаимодействует со стенками и срок службы лампы определяется постепенным разрушением наружных стенок колбы за счет пылинок в охлаждаемой струе воздуха. В настоящее время срок службы лампы составляет несколько десятков тысяч часов, световая отдача – 130–150 лм/Вт, световая отдача с учетом потерь в генераторе микроволновой энергии – 90–100 лм/Вт. Спектр излучения серной лампы близок к солнечному. На рис. 9.4 показаны спектральное распределение энергии излучения серной лампы, солнечный спектр и кривая относительной спектральной чувствительности глаза. Из сопоставления кривых можно сделать вывод об очень хорошей эффективности серной лампы для человеческого глаза. Изменяя состав наполнения колбы, можно получать хорошие спектры излучения в различных участках оптического диапазона спектра (видимой, ультрафиолетовой, инфракрасной). Серные лампы выпускаются мощностью 6, 5 и 1 кВт. Ведутся разработки серных ламп на меньшие мощности. Очевидно, что серные лампы в будущем найдут широкое применение в технике излучения. В России разработкой серных ламп занимается лаборатория под руководством Э.Д. Шлиффера.
Рис. 9.3. Микроволновая серная безэлектродная лампа фирмы «Fusio Lighting»а – схема лампы;
1 – шаровая колба; 2 – отражатель, 3, 3' – место подачи микроволновой энергии; 4 – блок вращения колбы; 5 – трубка для охлаждающего воздуха; б – общий вид светового прибора
Твердотельные полупроводниковые излучатели света – светодиоды (СД) на основе карбида кремния были открыты в 20‑х годах О.В. Лосевым. Эти работы были продолжены Ж.И. Алферовым [9.10], который исследовал СД на основе арсенидов галлия – алюминия. Работы С. Накамуры [9.11] позволили использовать многослойные гетероструктуры для создания голубых и зеленых СД.
На рис. 9.5 изображена типичная конструкция СД. Площадь кристалла СД имеет размер (0,25x0,25) ÷ (0,5x0,5) мм. Фокусировка излучения в необходимом телесном угле обеспечивается линзой 5.
Рис. 9.4. Спектральное распределение энергии для микроволновой лампы
1 – лампа; 2 – солнечный спектр; 3 – кривая относительной спектральной чувствительности глаза
Рис. 9.5. Типичная конструкция СД
1 – полупроводниковый кристалл; 2 – кристаллодержатель; 3 – выводы; 4 – контактные проволоки; 5 – пластмассовый колпачок (линза)
Достижения науки за последние три десятилетия позволили получить красные, зеленые и голубые СД и наладить их промышленное производство. В настоящее время серийно выпускаются СД из трех материалов на одном кристаллодержателе, позволяющие получать разные цвета, в том числе и белый. Сила света у ряда СД превышает 10 кд. Срок службы 100 тыс. ч. Допустимые температуры эксплуатации от ‑40 до + 100 °С. Если учесть, что СД по светоотдаче уже превышают лампы накаливания, а на обслуживание требуют мало затрат, то можно прогнозировать им большое будущее в светотехнике. Сегодня СД начинают применяться в индикаторных устройствах, возможно создание полноцветных светодиодных табло, бегущих строк, рекламных панелей большой площади, плоских телевизионных экранов. Уже вводятся в эксплуатацию светофоры на СД.
Рис. 9.6. Двухэлектродная модификация ИИ
Рис. 9.7. Трехэлектродная модификация ИИ
Достаточно новыми источниками излучения (ИИ) являются источники, основанные на автоэлектронной эмиссии. Если электроны, появившиеся за счет автоэлектронной эмиссии (эмиссии, обеспеченной снижением потенциального барьера катода электрическим полем), направить на люминесцирующее вещество, то можно получить источник излучения со спектром, зависящим от состава люминофора. Одна из проблем, возникающая при создании такого источника, это необходимость иметь у катода напряженность электрического поля 106‑107 В/см. Были предложены и сконструированы экспериментальные образцы ИИ на основе автоэлектронной эмиссии (АЭ). Главным элементом разрабатываемых ИИ является многоострийный автоэмиссионный катод. Кривизна острия составляет 10‑5 см. В зависимости от расстояния между катодом и анодом рабочее напряжение может составлять от нескольких десятков вольт (при расстоянии десятые или сотые доли миллиметра) до нескольких киловольт (при расстоянии несколько сантиметров). На рис. 9.6 и 9.7 показаны принципиальные конструкции ИИ двух‑ и трехэлектродной модификаций: 7 – катод; 2 – стеклянная колба; 3 – люминофор; 4 – анод; 5 – сетка; 6 – преобразователь напряжения. Геометрия ИИ на основе АЭ может быть различной в зависимости от назначения. Экспериментальные образцы имели срок службы 10 тыс. ч.
В табл. 9.2 приведены некоторые характеристики ИИ.
Дата добавления: 2016-01-30; просмотров: 1334;