Способы определения параметров люминесцентных ламп по характеристикам люминофоров

Одним из основных факторов, вызывающих старение галофосфатных люминофоров в люминесцентных лампах, является воздействие ультрафиолетового излучения. Предложенный в работе метод контроля стабильности светового потока в лампах основан на определении величины спада относительной яркости свечения люминофоров при облучении коротковолновым ультрафиолетовым излучением. Однако в результате проведённых сравнений не получено полного совпадения между спадом яркости свечения при облучении ультрафиолетовым светом и старением люминофоров в лампах. Возможно, что для этого необходимо учитывать дополнительные факторы, ускоряющие старение люминофоров, такие как воздействие ртути, ионизации в газовом разряде и др. Более обширные исследования показали, что номинальная световая отдача люминесцентных ламп функционально не зависит от яркости свечения галофосфатных люминофоров. Отсутствие зависимости объясняется тем, что большой вклад в стабильность светового потока вносят такие характеристики люминофора, как гранулометрический состав, термостабильность, радиационная стойкость, наличие примесных фаз и структура галофосфата кальция.

Многочисленными исследованиями установлено, что дефектность структуры галофосфатов кальция — наличие точечных и линейных дефектов, примесных фаз и примесей тяжёлых металлов — существенно влияет на световую отдачу люминесцентных ламп.

Метод термического высвечивания является одним из важнейших при исследовании дефектной структуры люминофоров. Он может быть использован для оценки качества галофосфатного люминофора. Авторами разработана установка для записи кривых термовысвечивания. Предварительно возбуждённый образец галофосфатного люминофора равномерно нагревается, а затем записывается характерная кривая термовысвечивания. По площади под кривой термовысвечивания (регистрируемой световой сумме) можно судить об энергетическом спектре локальных состояний, который определяет дефектность структуры кристаллов. Детальный анализ многочисленных образцов галофосфатного люминофора показал, что величина регистрируемой суммы обратно пропорциональна световой отдаче люминесцентных ламп ЛБ 40 после 100 ч горения.

Целью проведенных исследований в работе являлось определение математической зависимости между световой отдачей люминесцентных ламп с галофосфатным люминофором в течение продолжительности горения и высвечиваемой им светосуммой. Исследования проводились на образцах галофосфатного люминофора марки Л-3500, специально синтезированных во ВНИИ люминофоров и различающихся исходными физико-химическими характеристиками. С использованием исследуемых образцов галофосфата кальция были изготовлены люминесцентные лампы типа ЛБ 40. Световая отдача ламп определялась после 0, 100, 500, 1000, 2000, 4800, 6000 ч горения. Определение среднего значения световой отдачи (Н,) проводилось не менее, чем для 10 ламп. Среднее значение высвечиваемой светосуммы (S) определялось по трем измерениям каждого образца люминофора.

Снижение световой отдачи во времени достаточно хорошо аппроксимируется экспоненциальной зависимостью:

(3.1).

В результате проведённых исследований для 9 партий галофосфатного люминофора были определены коэффициенты, А и b0 в зависимости от высвеченной светосуммы:

(3.2).

Полученное уравнение позволяет прогнозировать значение световой отдачи люминесцентных ламп по соответствующим значениям S и t от 100 до6000 ч горения.

Рисунок 3.3. Зависимость номинальной световой отдачи люминесцентных ламп ЛБ 40 от регистрируемой световой суммы галофосфатного люминофора Дополнительно была найдена зависимость между F и S для t=100 ч. Она имеет вид:

(3.3).

Коэффициент корреляции при этом 0,88. Необходимо отметить, что основным методом контроля эффективности люминофоров является их испытание в люминесцентных лампах в течение срока службы. Предлагаемый метод является эффективным и быстрым вспомогательным средством оценки качества галофосфатного люминофора.

Как уже отмечалось, несовершенство кристаллической структуры галофосфатного люминофора заметно ухудшает эксплуатационные параметры люминесцентных ламп. Одиночные вакансии фтора, хлора и ионов кислорода на месте галогена или их скопления, а также их взаимодействие с ионами примесей приводят к образованию сложных (ассоциативных) центров свечения, которые разрушаются под влиянием коротковолнового излучения с длиной волны 185 нм, Большое влияние на радиационную стойкость галофосфатного люминофора в люминесцентных лампах оказывают ассоциативные центры свечения марганца, которые, взаимодействуя с коротковолновым излучением разряда, разрушаются, приводя к заметному спаду светового потока. Снижение эффективности люминесцентных ламп происходит также под влиянием объемных дефектов — примесей метаантимоната кальция, активированного марганцем, а также ортои пирофосфатов кальция, активированных сурьмой и марганцем.

При взаимодействии с коротковолновым ультрафиолетовым излучением (185 нм) в люминесцентных лампах центры свечения марганца в метаантимонате кальция ионизуются по схеме:

(3.4).

Электрон (е) взаимодействует с точечным дефектом (Р), например с кислородной вакансией, в результате чего образуется центр окраски (Ре):

(3.5).

Концентрация разрушенных центров свечения марганца в галофосфатном люминофоре будет прямо пропорциональна концентрации объемного дефекта — метаантимоната кальция.

Таким образом, для определения радиационной стабильности в галофосфатном люминофоре необходимо измерять концентрацию точечных дефектов или ассоциативных центров свечения марганца, которые при взаимодействии с коротковолновым ультрафиолетовым излучением снижают стабильность светового потока люминесцентных ламп.

Работа посвящена второму способу оценки эксплуатационной стабильности галофосфатных люминофоров в люминесцентных лампах типа ЛБ 36 по измерению снижения концентрации центров свечения марганца в результате рентгенизации, которая происходит благодаря ассоциативным центрам свечения. Он заключается в определении концентрации центров свечения марганца в галофосфатном люминофоре методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

Концентрацию центров свечения марганца определяют по соотношению площадей под спектрами ЭПР необлучённого галофосфатного люминофора и эталона а-дифинил (3-пикрил-гидразила (ДФПГ) с известной концентрацией парамагнитных центров. Концентрация радиационно устойчивых центров свечения марганца рентгенизованного в течение времени t галофосфатного люминофора определяется также путем сравнения соответствующих площадей под кривыми ЭПР. Разность между концентрациями центров свечения марганца до и после рентгенизации даёт концентрацию ассоциативных центров свечения.

Установлено, что спад светового потока люминесцентных ламп от 0 до 3000 ч горения () прямо пропорционален концентрации ассоциативных центров свечения марганца, которые разрушаются при рентгенизации галофосфатного люминофора в течение 1 ч 2 ч, т. е.

((3.6).

В таблице приведены результаты анализа полученных данных для галофосфатного люминофора и люминесцентных ламп ЛБ 36.

Таким образом, данный способ может найти применение в определении эксплуатационной стабильности галофосфатных люминофоров в люминесцентных лампах без их изготовления и длительного испытания.

С учётов результатов работы при синтезе галофосфатного люминофора необходимо стремиться к тому, чтобы концентрация ассоциативных центров свечения марганца и примеси метаантимоната кальция были минимальными. Без соблюдения данного условия невозможно изготовить стабильные люминесцентные лампы.

Таблица 1. Зависимость спада светового потока ламп от концентрации марганцевых центров свечения.

Цветность люминесцентных ламп низкого давления определяется главным образам спектральным составом излучения люминофора при возбуждении его ультрафиолетовым излучением ртутного разряда. Поскольку количественно задать полный спектр излучения люминофора затруднительно, на практике часто применяют метод, согласно которому спектр характеризуют некоторыми наиболее существенными параметрами. Так, спектр излучения галофосфатных люминофоров для люминесцентных ламп характеризуют положением длинноволнового максимума и отношением (к, %) интенсивностей излучения на длинах волн 480 нм. С другой стороны, спектр излучения люминофора определяет его собственные координаты цветности, которые могут быть измерены непосредственно.

Изучение возможности определения координат цветности люминесцентных ламп по данным спектральных или колориметрических измерений используемых при их изготовлении люминофоров. Зависимость между координатами цветности люминесцентных ламп (х, у), люминофора и разряда по закону смешения цветов можно записать соотношениями:

,(3.7).

Расчёт координат цветности люминофора проводился по результатам измерений спектров излучения порошков на монохроматоре УМ-2. Координаты цветности разряда рассчитывались по результатам спектральных измерений большого количества партий люминесцентных ламп, изготовленных с аргоннеоновым наполнением при давлении 2,5 мм рт. ст. Соотношение аргона и неона в смеси составляло 9:1. Координаты цветности разряда рассчитывались для ртутных линий, полученных вычитанием спектров люминесценции люминофоров из спектров излучения люминесцентных ламп. Для определения коэффициентов а, и а2. использовались результаты измерений опытно промышленных и промышленных партий люминофоров. В табл. 30 приведены средние значения координат цветности разряда и коэффициентов.

Таблица 2. Данные для расчёта координат цветности ламп по характеристикам люминофора.

Для всех марок галофосфатных люминофоров (лампы ЛБ, ЛД, ЛТБ и ЛХБ мощностью 40 Вт) средние значения координат цветности разряда х2 одинаковы, а у2 мало отличаются друг от друга.

Таким образом, чтобы рассчитать координаты цветности люминесцентных ламп, пользуясь коэффициентами и координатами цветности разряда, достаточно измерить спектр излучения люминофора и определить его координаты цветности. Сопоставление расчётных и измеренных координат цветности люминесцентных ламп показывает, что ошибка расчёта не превышает 0,005.