Явление фотолюминесценции, обнаруженное более 300 лет назад и остававшееся необъясненным до начала XX века, когда была установлена квантовая природа преобразования излучения, не находило длительное время практического применения. Положение коренным образом изменилось после того, как в 1924 году С. И. Вавилов экспериментально установил [1], что квантовый выход преобразования возбуждающего излучения в люминесценцию может быть весьма высоким, а также возглавил работы по созданию люминесцентных источников света.
К этому времени были обстоятельно исследованы характеристики электрических разрядов в парах ртути, которые охватывали широкий диапазон л f л давлений от 1−10″ Па до 10 Па и плотностей тока от десятков шА/см до десятков А/см2 в связи с возможностью путем изменения температуры в исключительно широких пределах менять давление паров ртути, что обеспечило систематическое изучение физических процессов в плазме и построение теории столба разряда. Исследования Б. Н. Клярфельда [2] выявили основные области давлений и плотностей тока, наиболее перспективные для создания высокоэффективных источников оптического излучения. В том числе было показано, что столб ртутного разряда низкого давления является весьма эффективным источником резонансных линий ртути с длинами волн 254 и 185 нм, на долю которых может приходиться более 70% подводимой к столбу электрической мощности. Однако, световое излучение разряда, складывающееся из излучения довольно слабых видимых линий ртути, не превышало 3−4% от мощности (порядка 5−7 лм/Вт). В результате для повышения световой отдачи ртутных разрядов и улучшения цветности их излучений были начаты исследования по применению процессов фотолюминесценции люминофоров и созданию люминесцентных ламп.
Фотолюминесценция является процессом преобразования оптического излучения, заключающимся в возбуждении частицы люминесцирующего вещества поглощенным фотоном с последующим излучением требуемого фотона люминесценции при переходе возбужденной частицы в нормальное состояние. При создании источников света наибольшее применение нашла фотолюминесценция, в процессе которой происходит преобразование ультрафиолетового излучения ртутных разрядов в световое излучение видимого диапазона спектра. Используемые при этом люминофоры являются твердыми люминесцирующими веществами, наносимыми в виде слоев на внутреннюю поверхность колбы разрядной лампы, излучение которой возбуждает фотолюминесценцию. Слой люминофора является основной составной частью люминесцентного источника света и в большой степени определяет его технические и эксплуатационные параметры, в том числе:
— поток излучения (световой поток), распределение излучения по спектру и цвет излучения;
— яркость и размеры излучающего тела;
— световой КПД или световую отдачу, зависящие от долей энергетического потока, превращаемого в световое излучение;
— полезный срок службы, определяемый зависимостью спада светового потока и допустимым нормируемым значением его снижения в процессе горения лампы.
В целом эффективность люминофоров и люминесцентных ламп на их основе определяется таким фундаментальным понятием как квантовая природа и спектральные аспекты процесса фотолюминесценции, электронное и физико-химическое строение кристаллических люминесцирующих веществ, а также физическими процессами в плазме газовых разрядов. Исследуя возможности повышения эффективности фотолюминесценции при создании новых источников света, целесообразно раздельно рассмотреть влияние основных факторов, не упуская, однако, из вида их взаимную связь.
Выход свечения люминесценции определяется квантовым и энергетическим выходами, которые соответствуют первому и второму законам фотолюминесценции, наиболее строго сформулированным.
С.И. Вавиловым [3,4]. Данные закономерности оказывают определяющее влияние на эффективность создаваемых люминесцентных источников света. Так при соответствующем выборе физико-химического строения применяемых люминофоров возможно получение больших величин квантового выхода, близких к 1, что в люминесцентных лампах может обеспечить высокие значения КПД преобразования возбуждающего излучение разряда в фотолюминесценцию. Из второго закона фотолюминесценции следует, что энергия испускаемого кванта, как правило, меньше энергии поглощаемого.
Получаемое излучение лежит в более длинноволновой области спектра, что вызывается безызлучательным переходом части энергии, поглощаемой люминофором, в тепло (так называемые стоксовские потери). В связи с этим уменьшение спектрального интервала между длинами волн возбуждающего и испускаемого излучения может обеспечить рост энергетического выхода люминесценции за счет снижения безызлучательных потерь энергии. В реально существующих люминесцентных лампах для возбуждения люминофоров используются резонансные линии ртути 254 нм и Хя=185 нм), в связи с чем при преобразовании поглощенного ультрафиолетового излучения в видимое теряется от 30 до 50% энергии возбуждающего излучения. Таким образом, для люминофоров целесообразно приближение длины волны возбуждающего излучения к средней взвешенной длине волны спектра излучения люминофора. Основные люминофоры, применяемые при производстве люминесцентных ламп, были разработаны с учетом использования УФ-излучения ртутного разряда низкого давления. Люминофоры обладают высоким коэффициентом поглощения для резонансных линий ртути, однако из-за стоксовских потерь получаемые значения энергетических выходов люминесценции достаточно низки (т]э -0,4), что является возможным резервом повышения КПД люминесцентных источников света.
В настоящее время разработано большое количество ламповых люминофоров (порядка сотен марок [5, 6]), представляющих собой как однокомпонентные люминофоры, так и многокомпонентные люминофорные смеси. На их основе создана достаточно широкая номенклатура люминесцентных ламп для промышленного освещения, освещения общественных зданий и сооружений, а также жилых помещений. Генерируемый ими световой поток составляет около 85% от общего потока, используемого в осветительных установках. Это прежде всего лампы общего освещения ЛД, ЛХБ, ЛБ и ЛТБ, воспроизводящие естественный свет в различных видах и созданные на основе галофосфата калия (ГФК), активированного сурьмой и марганца [5, 6]. Стандартные лампы с ГФК, обладая достаточно большими световыми отдачами, имеют недостатки в качестве цветопередачи. К лампам с улучшенной цветопередачей относятся типы ЛДЦ, ЛХЕЦ, ЛЕЦ и ЛТБЦ, обеспечивающие повышение комфортной световой среды при освещении предприятий торговли, квартир, а также используемые при производственном контроле цветных изделий и др. В них применяются смеси, состоящие из нескольких люминофоров (от двух до четырех), что обеспечивает получение более широких спектральных областей излучения ламп и улучшение качества цветопередачи. Однако при этом имеет место снижение светоотдач ламп. Позднее в люминесцентных лампах «нового поколения» началось использование редкоземельных узкополосных люминофоров (УПЛ). Спектр излучения ламп состоит из трех узких полос в синей, зеленой и красной зонах спектра. При этом возможно получение достаточно хорошей цветопередачи при сохранении высоких значений светоотдач [7].
В целом, в результате длительной работы по совершенствованию люминофоров, технологии их производства и применения, исследованиям ртутных разрядов низкого давления, а также совершенствованию конструкции узлов ламп эффективность и надежность люминесцентных ламп доведены до высокого уровня. Так для люминесцентных ламп общего назначения за период применения наиболее массового люминофора — галофосфата калия в отечественной промышленности с 1954 по 1981 годы начальный световой поток стандартных ламп ЛБ 40 возрос с 1900 до 3200 лм, а срок службы с 3 до 12 тысяч часов [8]. Однако в процессе развития был выявлен принципиальный недостаток стандартных люминесцентных ламп [3, 8], заключающийся в сравнительно малых мощностях в разряде, малых яркостях ламп и, соответственно, необходимых больших габаритных размерах (особенно длина) и высокой материалоемкости, как самих ламп, так и светильников на их основе. Получение высоких уровней освещенности на рабочих поверхностях с такими лампами затруднено и требует значительных затрат.
Например, яркости обычных осветительных ламп накаливания выше яркостей стандартных люминесцентных ламп примерно на два порядка, однако при этом их средний срок службы существенно уступает люминесцентным лампам (в 13−15 раз).
Известны исследования по увеличению яркости люминесцентных ламп за счет повышения удельных электрических нагрузок в лампах [9, 10]. Однако простое повышение мощности в лампах путем увеличения силы тока достаточно быстро приводит к падению выхода резонансного излучения в ртутном разряде и существенному падению светоотдачи люминесцентных ламп.
В результате был выбран путь повышения удельных электрических нагрузок за счет уменьшения диметра разрядной трубки ламп и, соответственно, увеличения градиента потенциала напряжения при сохранении условий разряда, соответствующих высокому выходу резонансного излучения ртути.
В 80-е годы были созданы энергоэкономичные люминесцентные лампы с диаметром разрядной трубки 26 мм вместо 38 мм у стандартных ламп. При соответствии рабочих токов и напряжений параметрам стандартных ламп удельные электрические нагрузки были повышены ~ на 30%. Наиболее значимые результаты в этом направлении получены фирмами Osram и Phlips в последние годы при создании нового поколения «тонких» люминесцентных ламп с диаметром разрядной трубки 16 мм [10].
При этом был обеспечен дальнейший рост удельных электрических мощностей до двух раз, а также достигнуто дальнейшее повышение световых характеристик ламп. Следует заметить, что уменьшение диаметра трубки люминесцентной лампы одновременно может обеспечить некоторый рост КПД светильника за счет снижения потерь на экранировку выходящего из светильника светового потока самой лампой, а также возможность использования более точной зеркальной оптики. Однако дальнейшие возможности по совершенствованию линейных люминесцентных ламп и светильников на их основе за счет уменьшения диаметра трубки колбы в настоящее время практически исчерпаны.
В осветительных установках используются многоламповые светильники (до 4-х ламп), объем которых плотно заполнен, как самими лампами, так и отражающими элементами, устанавливаемыми раздельно для каждой лампы, что приводит к сложной компоновке световых приборов и существенным световым потерям.
Начиная с высоты помещений Ь>4м, необходим переход к светильникам с люминесцентными лампами больших мощностей (60 и 80 Вт), длина которых увеличивается в 2−2,5 раза (до 1,5−2 метров), что ведет к увеличению материалоемкости, усложняет строительные решения и эксплуатацию осветительных установок.
В связи с этим в ряде работ при участии диссертанта [11, 12, 13] показано, что дальнейшее заметное совершенствование люминесцентных ламп и световых приборов на их основе возможно только при переходе к люминесцентным лампам, работающим на новых физических принципах, а именно к безэлектродным лампам с высокочастотным возбуждением разряда. При этом может достигаться повышение удельных электрических нагрузок в лампах с большими диаметрами разрядных трубок при одновременном увеличении градиента потенциала и тока в разряде, что обеспечивает сохранение высокого выхода резонансного излучения. Повышение удельных электрических нагрузок достигается путем использования нового метода введения энергии в разряд за счет высокочастотных полей возбуждения. Требуемые условия в разряде могут обеспечиваться использованием иных буферных инертных газов с меньшей атомной массой при оптимальном давлении, а также ростом электронной температуры, уменьшением концентрации электронов, снижением роли тушащих соударений и ступенчатого возбуждения, что соответствует повышению относительного выхода резонансного излучения ртутного разряда. Для оценки данного предложения необходимо последовательно рассмотреть возможную эффективность люминесцентных высокочастотных ламп, которые в связи с иными техническими решениями по введению электрической мощности в разряд могут существенно отличаться излучательной способностью, световой эффективностью, формой и габаритами разрядных объемов и в связи с этим возможностями лучшего согласования с параметрами рациональных светооптических систем создаваемых световых приборов.
Как известно, для традиционных источников света одним из основных факторов, ограничивающих срок службы и эксплуатационные возможности, является долговечность электродов, их дезактивация и распыление. В связи с этим достаточно давно предпринимались попытки отказаться от применения электродов и возбуждать безэлектродный разряд в газовых средах с помощью высокочастотных электромагнитных полей. По имеющим данным первые успешные опыты в этом направлении проводил Г. И. Бабат в 1940;41 г. на заводе «Светлана» [15].
Выполненный анализ научных публикаций и патентов (глубина поиска 25 лет, более 120 названий) позволил выявить состояние развития и недостатки, а также пути повышения эффективности использования безэлектродных высокочастотных разрядов и световых приборов на их основе.
Принято делить безэлектродные разряды по величине давления буферных газов и паров светоизлучающих добавок в рабочем состоянии (разряды низкого (НД) и высокого (ВД) давления), а также по диапазону частот, возбуждающих электромагнитных полей и типу разряда, который преимущественно обеспечивает передачу мощности в плазму [16−18]. При этом выделяются высокочастотные разряды (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) разряды. По типу разряда безэлектродные разряды возможно разделить на: емкостные безэлектродные разряды, или Еразряды, создаваемые электрическим полем напряженностью Е, когда ток проводимости в разряде не замкнут и существует в виде тока смещенияиндуктивные кольцевые безэлектродные разряды, или Нразряды, вызываемые переменным магнитным полем, в которых элементарные токи проводимости замкнуты сами на себе.
На протяжении длительного времени (с 60-х до конца 80-х годов прошлого века) развитие безэлектродных высокочастотных ламп происходило в направлении использования горелок в виде прозрачных замкнутых объемов. При этом энергия вводилась в разряд посредством внешнего многовиткового индуктора, охватывающего горелку и подключаемого к ВЧгенератору.
Известны экспериментальные данные по использованию ряда буферных газов (аргон, криптон и ксенон) и излучающих веществ в виде ртути и других светящихся добавок, в том числе металлогалогенов натрия или лития, талия, индия и др. [19−24]. При выборе наполнения горелок должны также учитываться вопросы зажигания и поддержания разряда, имеющие свою специфику для безэлектродных разрядов в связи с отсутствием эмиссионных электродов [25−29].
Для рассмотренных вариантов высокочастотных ламп наличие внешнего индуктора приводит к значительным потерям светового потока, генерируемого плазмой горелки. В связи с этим большое число патентов [31, 32, 33, 34] посвящено попыткам уменьшить степень экранировки излучения разряда индуктором. Конструктивное исполнение узлов лампы, формирующих электромагнитное поле в объеме горелки, форма и размеры не должны искажать требуемый вид светораспределения, а также вызывать потери светового КПД прибора за счет экранировки выходного светового потока конструкцией лампы.
Следует отметить, что приведенные материалы для конструкций с внешним расположением индуктора относятся к лампам высокого давления (10*103−70*103 Па) при достаточно больших входных мощностях горелок (200 -300 Вт). Результаты их исследований дали обширный материал для понимания физических явлений в безэлектродных разрядах и оценки работоспособности конструкций ламп. Однако, практического внедрения данный вид безэлектродных высокочастотных ламп не получил.
Практическое внедрение было получено в области безэлектродных люминесцентных ламп, которые представляют собой лампы низкого давления с соленоидным индуктором (люминесцентные БИЛ), который расположен в центре внешнего по отношению к нему разрядного объема (стеклянной колбы лампы) [17, 18]. Колба покрывается изнутри слоем люминофора и наполняется смесью инертных газов и небольшим количеством ртути. Механизм возникновения видимого излучения люминофора аналогичен механизму обычных люминесцентных ламп. Фирмой Philips с 1993 г. выпускаются такие лампы (QL) мощностью 55 и 85 Вт со светоотдачей 64−70 лм/Вт и предельно большим сроком службы (порядка 60 тыс. часов). Однако, при столь высоких параметрах объемы выпуска ламп QL растут медленно. Принципиальным недостатком конструкций безэлектродных ВЧ ламп с центральным расположением индуктора является ограниченность объема, в котором эффективно возбуждается высокочастотный разряд. В 1997;1999 годах фирмой Osram создана безэлектродная люминесцентная лампа, в которой разряд имеет форму замкнутого витка, наподобие сплюснутой баранки, и поддерживается за счет ВЧ электромагнитного поля, создаваемого двумя соленоидами на кольцевых замкнутых ферритовых сердечниках, которые в виде двух колец плотно охватывают разрядную трубу с противоположных сторон. Такая конфигурация позволяет эффективно возбуждать ВЧразряд в кольцевых лампах большой длины и диаметра и, таким образом, достигать больших мощностей при достаточно компактной форме. В публикациях [28, 29] приведены данные о зависимости выбираемых частот возбуждения разряда в люминесцентных БИЛ от конструкции индуктора, его индуктивности и максимальной индукции, а также о возможных вариантах наполнения колб и их влиянии на величину напряжения на разряде и особенностях зажигания разрядов.
ВЧ-лампы с индукционным возбуждением разряда работают в диапазоне сравнительно низких частот возбуждения 0,25 — 2,65 МГц. Дальнейшее повышение удельных нагрузок возможно при увеличении частоты возбуждения разряда на порядок и более. В связи с этим имелись попытки перейти к емкостному возбуждению разряда.
Так в патентах [35, 36] используются горелки в виде короткой трубки, на торцевых концах которой закреплены спирализованные колпачки (внешние электроды), на которые подается высокочастотное питание.
Переход к емкостному возбуждению ВЧразрядов кажется перспективным, однако использование этого способа возбуждения безэлектродных разрядов практически не исследовано.
Применительно к безэлектродным разрядам, возбуждаемым СВЧ-полями, известны случаи их успешного применения в качестве интенсивных источников УФ излучения в различных промышленных фотопроцессах [37, 38].
Горелки СВЧ ламп имеют цилиндрическую или сфероидную форму. Питание ламп осуществляется на частоте 2,45 Гц и способы введения электромагнитной энергии в разряд соответствуют типичной СВЧ-технике, т. е. это применение волноводных систем, объемных резонаторов, магнетронов и т. п. Возможно, наполнение горелок от чисто ртутного, ртутного с галогенами, до металлогалогенных наполнений с инертными газами. В начале 90-х годов фирмой Fusion Lighting, США опубликованы данные об уникальных световых характеристиках СВЧ-плазмы в парах серы при высоком давлении (порядка атмосферы) [17]. В отличие от известного спектра серы при низком давлении (десятки мм. рт. ст.) с малым выходом видимого излучения серные СВЧ лампы дают непрерывный спектр, в котором до 80% приходится на видимую область, и обеспечиваются весьма высокие значения световых отдач, достигающих 100- 120 лм./Вт. Так как СВЧразряд в парах серы ВД практически не взаимодейсвует с горячим кварцевым стеклом горелки, лампа может работать десятки тысяч часов. Мощности СВЧ — БЭЛ обычно составляют около 1000 Вт.
Фирма Fusion Lighting в 1994 — 1995 годах начала выпуск СВЧ-лампы Solor -1000 и их использование в составе мощных световых приборов, в том числе совместно с полыми протяженными световодами в показательных осветительных установках, в том числе у штабквартиры Министерства энергетики США (г. Вашингтон), в научном аэрокосмическом музее (США) и др. Однако практика их применения показала, что общие потери в системах, обеспечивающих работу собственного СВЧ — разряда (система принудительного воздушного охлаждения магнетронов, волноводная система, блок воздушного охлаждения и вращения кварцевой горелки, система защиты от выхода СВЧ — излучения в окружающее пространство), достигают 37% от потребляемой из сети мощности. В ближайшее время вряд ли удастся добиться существенного снижения потерь. В связи с этим в 1999 г. фирма Fusion Lighting прекратила выпуск ламп Solor-1000 и ушла с рынка [17].
В России более 20 лет назад во ВНИСИ [16, 18], ВНИИИС (г. Саранск), а позднее в ВЭИ были начаты исследования безэлектродных разрядов, созданы образцы безэлектродных ламп. Однако, эти работы не получили необходимого развития в связи с ограниченным финансированием, в результате чего в нашей стране безэлектродные лампы и тем более световые приборы на их основе в настоящее время не производится. В 2002 году работы возобновлены в порядке выполнения важнейших конкурсных НИОКР, заданных Минпромнауки России по «критическим технологиям».
Результаты выполненного анализа и возможные технические характеристики базовых вариантов безэлектродных источников света при возбуждении разрядов электромагнитными полями обобщены в табл. 1. Представленные данные характеризуют процесс возникновения нового весьма перспективного вида источников света, в которых энергия вводится непосредственно в разряд с помощью высокочастотных электромагнитных полей, создаваемых сложными электронными устройствами питания. Практическая реализация подобных систем стала технически возможной и экономически оправданной в начале 90-х годов прошедшего века благодаря, в основном, прогрессу в области электронной техники. Как следует из табл. 1, безэлектродные высокочастотные лампы могут обеспечить высокий выход излучения в световой и иных зонах оптического диапазона спектра. При этом основными преимуществами люминесцентных БИЛ являются их предельно большие сроки службы (до 60 тыс. час.). Люминесцентные БИЛ с шаровой колбой перспективны для использования в светильниках прямого света, например для акцентированного освещения в административных и общественных зданиях, и уже получили достаточно широкое применение [18,39]. Люминесцентные БИЛ с горелкой в виде замкнутого витка [17] перспективны для совершенствования люминесцентных светильников. Этот вид люминесцентных БИЛ может иметь наибольшие номинальные мощности ламп за счет использования высоких удельных нагрузок в разряде, а также обеспечить увеличение яркости ламп и сокращения их габаритов.
Таблица 1.
Технические характеристики базовых вариантов безэлектродных источников света при возбуждении разрядов электромагнитными полями.
Способ передачи мощности в безэлектродный разряд, тип источника света Узел возбуждения разряда Частота возбуждения разряда Форма и наполнение горелки КПД передачи мощности в системе «узел возбуждение-разряд» Стадия осуществления, особенности применения.
1 2 3 4 5 6.
1 .Индукционный, люминесцентные БИЛ с шаровой колбой Солиноидальный индуктор внутри колбы, размещенный в изолированной полости 2,65−13,56МГц, высокочастотн ый разряд. Шаровая колба с люминофорным покрытием, наполнение-ртуть и инертный газ (аргон,) Р=60−130 Па. 0,5−07 Внедрены серийно, люминесцентные БИЛ типаС>ЦРЫНр8.Голлан дия), 1991;1993г.г. Замена ламп ДРЛ и КЛЛ.
2.Индукционный, люминесцентные БИЛ с горелкой в виде замкнутого витка Трансформаторное устройство с тороидальными ферритовыми индукторами на горелке, имеющей вид замкнутого плазменного витка 66−440 Кгц, разряд повышенной частоты Овальное кольцо из трубки большого диаметра и длины, Наполнениеамальгама ртути и инертный газ, Р= 25 Па. 0,9−1,0 Внедрена, люминесцентная БИЛ мощностью 150 Вт типа Endura Osram., 1997;99г.г-замена многоламповых люминесцентных светильников.
З.Индкуционный, неоновые БИЛ для световой сигнализации Стержневой ферритовый индуктор при внешнем расположении плазменного объема 2,65МГц, высокочастотн ый разряд Горелка в виде коаксиального цилиндра, наполнение — неон 650−1300 Па. 0,8−0,9 Стадия патентования в России, для светосигнальных огней красной цветности.
Продолжение таблицы 1.
1 2 3 4 5 6.
4.Индукционный, газоразрядные БИЛ высокого давления и большой мощности. Солиноидальный индуктор, расположенный поверх плазменного объема 13,5 6МГц высокочастотн ый разряд А. Квазишаровая горелка Наполнение: ксенон, Р=6,5*104 Па, и иодиды натрия и хлорида церия Б тонкостенный цилиндр, наполнение: ксенон и металлогалогеные соединения 0,5 0,7 Исследования, 1975;85г.г. Мощности БИЛ 100−1000Вт. Промышленные фотопроцессы, ультрафиолетовое облучение.
5.Индукционный или емкостной, газоразрядные неоновые БЭЛ для световой сигнализации. А. Тороидальный или стержневой ферритовый индуктор. Б. Проводящие обкладки емкости (одна полупрозрачная), между которыми заключен плазменный объем. 250- 1000 КГц 13,56−81 МГц Высокочастотн ый разряд. А. Тороидальная (кольцевая) горелка или горелка в виде полого диска Наполнение: неон Р=1300Па, Б. Горелка в виде кооксионального цилиндра. Наполнениенеон, Р=650 Па. 0,5 0,8 Патентование в России с участием диссертантаполучение направленного конусного светового пучка для светосигнальных огней. б. Сверхвысокочастотн ые БЭЛ высокой интенсивности. Система волноводного типа с СВЧрезонатором. 915 МГц-2,45 ГГц, сверхвысокоча стотный разряд Сферическая колба диаметром 5−30 мм, наполнениеаргон и пары серы высокого давления (более 105 Па). 0,8 СВЧ-БЭЛ Solor-1000 (Fusion Liqhtinq., США) производилась в 1992;99гг.
Данные п.п. 3 и 5 табл. 1 относятся к возможным вариантам цветных безэлектродных высокочастотных ламп для светосигнальных приборов, в которых в настоящее время используются в большинстве случаев лампы накаливания с цветными колпаками-светофильтрами. В таких приборах потери светового потока достигают 80−85% в зависимости от требуемого цвета сигнала, а срок службы составляет порядка 500 час (маяки 30J1−2, 30J1−2M и др.), что требует замены ламп накаливания в маяках примерно раз в квартал в условиях труднодоступных высоких сооружений. Таким образом, создание высокоэффективных цветных БЭЛ может существенно повысить энергоэффективность светосигнальных приборов (до 3-х раз). Переход от индукционных способов передачи мощности к емкостным потенциально может обеспечить более высокие удельные нагрузки в безэлектродной плазме и повышение КПД в диапазоне частот 30−100 МГц в связи с большой концентрацией энергии электромагнитных полей в объеме горелки. Однако процессы в безэлектродной плазме емкостных разрядов мало изучены.
Газоразрядные БИЛ высокого давления и больших мощностей (п. 4 табл.1) могут обеспечить получение высокотемпературных безэлектродных разрядов в газах, парах и их смеси для различных веществ от простейших (Hg или S2) до многокомпонентных металлогалогенных соединений. Исследования в этом направлении являются актуальными и могут обеспечить конкуренцию с современными газоразрядными лампами.
При выполнении необходимых комплексных исследований и конструкторских разработок по большинству из представленных в табл. 1 направлений создания безэлектродных источников света с ВЧ и СВЧ возбуждением разрядов могут быть получены значительные научные и практические результаты. Однако наиболее актуальным, по нашему мнению, является научно-техническое направление по созданию люминесцентных безэлектродных источников света с горелками в виде замкнутого плазменного витка и индукционным возбуждением высокочастотных разрядов с помощью тороидальных ферритовых индукторов (рис. 1). При этом может достигаться эффективное возбуждение ВЧ-разрядов в витках различной длины при разных диаметрах разрядов и обеспечиваться получение больших мощностей в лампах при достаточно компактной их форме. Светильники с такими люминесцентными БИЛ перспективны для использования в осветительных установках общего освещения с большой установленной мощностью. Применение при этом указанных новых физических принципов возбуждения разрядов может обеспечить совершенствование разрядных сред, оптимизацию используемых в лампах люминофорных слоев, получение предельно больших сроков службы (до 60 ООО час.) в связи с отсутствием электродов, что, в целом, может существенно повысить энергоэффективность и экономичность люминесцентных ламп. В России на цепи освещения расходуется порядка 15% всей вырабатываемой электроэнергии (около 120 млрд. кВт. ч. в год), причем около половины используется для освещения с помощью люминесцентных ламп. При увеличении энергоэффективности создаваемых новых люминесцентных БИЛ примерно на 10% по сравнению со стандартными люминесцентными лампами возможна экономия расходов на освещение в размере порядка 12 млрд руб. в год. Одновременно в связи с уменьшением вырабатываемой для освещения электроэнергии могут быть существенно снижены вредные выбросы в атмосферу (двуокись углерода и серы, окись азота и тяжелых металлов) [40]. При указанной экономии электроэнергии ежегодное сокращение выбросов в атмосферу вредных веществ может составить 265 тыс. тонн. При этом может быть внесен существенный вклад в проблему сохранения устойчивой и экологически чистой среды обитания и выполнение обязательств по сокращению вредных выбросов в атмосферу, в том числе по недавно ратифицированному Россией «Киотскому протоколу». В соответствии с этим целью работы является исследования световых КПД, цветности излучений и качества цветопередачи люминофоров и люминофорных смесей при возбуждении высокочастотными ртутными разрядами низкого давления (НД) и их оптимизация, обеспечивающая создание высокоэффективных люминесцентных безэлектродных ламп и световых.
Феррит Магнитное поле Люминофор Колба.
Рис. 1. Принципиальное устройство люминесцентной ВЧ-лампы приборов на их основе.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, включая:
— определение критериев оценки и технических возможностей люминофоров на основе требуемых спектральных и цветовых характеристик высокочастотных люминесцентных ламп, разработка методов, алгоритмов и программ их компьютерных расчетов;
— исследование спектральных и колориметрических методов определения световой эффективности, цветности и качества цветопередачи люминофоров и люминофорных смесей в условиях возбуждения высокочастотными ртутными разрядами НД на основе их компьютерных расчетов;
— повышение световой эффективности используемых люминофорных смесей за счет оптимизации соотношения долей энергетических потоков излучения цветных люминесцентных компонентов в общем спектре излучения смеси;
— исследование физических процессов и оптимизация электрических и излучательных характеристик высокочастотных ртутных разрядов низкого давления, возбуждающих фотолюминесценцию;
— определение технических возможностей, световой отдачи и экономической эффективности оптимального параметрического ряда создаваемых высокочастотных люминесцентных ламп и светильников для общего люминесцентного освещения на их базе.
При этом направление диссертационной работы соответствует критическим технологиям федерального уровня 3.3.6 «технологии новых поколений, повышающие производительность, энергои ресурсосбережение» и 3.6.5 «промышленная экология».
Общие выводы.
1. Эффективность люминофоров и люминесцентных ламп на протяжении длительного периода развития достигла высокого уровня, однако в настоящее время возможности дальнейшего повышения их эффективности во многом исчерпаны. По результатам анализа научных публикаций и патентов показана перспективность развития научно-технического направления по созданию безэлектродных люминесцентных источников света, в которых энергия вводится в разрядную плазму с помощью высокочастотных электромагнитных полей.
2. В связи с определяющей ролью фотолюминесценции в процессе двойного преобразования подводимой к лампе электрической энергии, включая ее преобразование в излучение ртутного разряда и затем в выходящее излучение люминофора, выявлена необходимость выполнения многовариантных расчетных исследований основных характеристик люминофоров при их работе в составе высокочастотных люминесцентных ламп. В соответствии с закономерностями спектрального преобразования излучения при фотолюминесценции и основными положениями колориметрической системы МКО 1931 г., в качестве основных технических характеристик, определяющих эффективность люминофоров, выбраны световая эффективность, средняя взвешенная длина волны спектра излучения, координаты цветности и коррелированная цветовая температура, а также общий индекс цветопередачи. Разработаны методы и расчетные выражения, а также методика, алгоритмы и программа компьютерных расчетов указанных характеристик.
3. На основании полученных расчетных характеристик, результатов анализа физико-химического строения и эксплуатационной стойкости существующих групп люминофоров обоснована целесообразность использования в высокочастотных люминесцентных лампах люминофорных смесей на основе редкоземельных узкополосных цветных компонентов.
ФЛ-543−1, ФЛ-612−1 и ФЛ-447. При этом излучательные характеристики указанных компонентов устойчиво сохраняются при изменении условий их работы в лампах, что обусловлено особенностями электронных переходов, связанных с термами внутренней электронной оболочки 4f в ионах редких металлов, хорошо защищенной от внешних воздействий.
4. С целью получения объективных общих закономерностей для основных технических характеристик редкоземельных люминофоров разработан метод определения оптимальных теоретических люминофорных смесей, обеспечивающих получение излучений с цветностями, нормируемыми по ГОСТ 6825–95. При этом на основании векторного изображения цветов в колориметрической системе XYZ МКО и закономерностей аддитивного сложения цветов указанных люминофорных компонентов расчетным путем определяются спектральные характеристики излучения оптимальных теоретических люминофорных смесей, а также соотношения энергетических потоков люминофорных компонентов в потоке излучения люминофорных смесей для нахождения соотношений объемных или весовых долей люминофорных компонентов в изготавливаемых люминофорных смесях.
5. Для оптимальных теоретических люминофорных смесей и существующих люминесцентных ВЧ-ламп получены расчетные данные о световых эффективностях, цветностях излучения и качестве цветопередачи, оценено их соответствие нормируемым параметрам. Определены также возможности повышения световых эффективностей редкоземельных люминофорных смесей на 16−17% за счет допустимых отклонений их цветностей от нормируемых значений при сохранении требуемого качества цветопередачи, что может обеспечить получение значительного экономического эффекта с учетом массового характера применения средств люминесцентного освещения.
6. Для исследования спектральных характеристик излучения люминесцирующих веществ, в том числе редкоземельных узкополосных люминофоров, усовершенствована методика измерений и создана автоматизированная лазерная установка для измерения тонкоструктурных спектров возбуждения и излучения в сверхзвуковой газовой струе. Таким образом обеспечена возможность проведения экспериментальных исследований для получения оптимальных люминофоров на базе новых узкополосных люминофорных компонентов, а также исследований возбуждения люминесценции излучением нетрадиционных газоразрядных сред.
7. Выполнены исследования эффективности физических процессов, электрических и излучательных характеристик высокочастотных ртутных разрядов низкого давления, возбуждающих фотолюминесценцию. Показана применимость существующей теории ртутных разрядов НД, разработанной для разрядов на промышленной частоте и постоянном токе, для случая высокочастотных разрядов, включая напряженности поля в безэлектродных лампах, а также электронные температуры и концентрацию электронов. Экспериментальными измерениями подтверждена также возможность получения высоких выходов излучения основных резонансных линий для высокочастотных ртутных разрядов НД при создании оптимальных условий разрядов. Показано, что переход к высокочастотному возбуждению соответствует получению высоких удельных электрических нагрузок в ртутных разрядах НД при больших диаметрах разрядных трубок за счет резкого увеличения разрядных токов, что обеспечивает новый путь создания энергоэффективных высокочастотных люминесцентных ламп больших единичных мощностей при уменьшенных габаритных размерах кольцевых горелок ламп.
8. Показано, что при использовании в создаваемых ВЧ-лампах оптимальных теоретических люминофорных смесей получаемые величины световых отдач будут близки к соответствующим параметрам современных энергоэффективных электродных люминесцентных ламп. При этом координаты цветности будут с высокой точностью совпадать с нормируемыми значениями, а общие индексы цветопередачи соответствовать обеспечению высокого качества цветопередачи. При использовании предложенных редкоземельных люминофорных смесей с повышенными световыми эффективностями за счет допустимых отклонений их цветностей от нормируемых значений, световые отдачи ВЧ-ламп могут быть увеличены примерно на 14% при сохранении требуемого среднего уровня цветопередачи, что соответствует получению значительного экономического эффекта.
9. Выполнены расчетные исследования зависимости цветности излучений ВЧ-ламп от длины волны излучения видимых линий ртутного разряда. Показано резкое влияние ртутной линии Х= 436 нм в связи с ее близостью к максимуму спектральной чувствительности синих цветовоспринимающих рецепторов среднего глаза. В связи с этим с поставщиками люминофоров для ВЧ-ламп должны уточняться технические условия с внесением в паспорта соответствующих координат цветности для поставляемых редкоземельных люминофорных смесей, на основании расчетов соотношений энергетических потоков и долей цветных люминофорных компонентов.
10. Выполненный анализ СНиП 23−05−95 в части норм и правил искусственного освещения показал, что основным назначением создаваемых высокочастотных люминесцентных ламп должно являться общее освещение в установках промышленного назначения, а также освещение административных и общественных зданий. Показана целесообразность создания люминесцентных ВЧ-ламп цветности ЛХБ цветового тона ЛЕЦ, который соответствует естественному цвету с правильной цветопередачей, а также цветности ЛТБ цветового тона тепло-белого света с цветопередачей, приближающейся к привычному освещению с помощью ламп накаливания.
11. На основании расчетов требуемых световых потоков светильников с образцовыми типами кривых сил света для диапазона высот подвеса 2,5−6 м при оптимальном относительном размещении светильников выбран ряд номинальных мощностей создаваемых высокочастотных люминесцентных ламп, соответствующий значениям 70, 100, 150, и 200 Вт.
12. Изготовлены лабораторные и макетные образцы безэлектродных люминесцентных ВЧ-ламп, проведены их экспериментальные исследования, которые в целом дали положительные результаты. При этом отмечено повышение температур на горелках ламп относительно оптимальной температуры, соответствующей максимальному выходу излучения резонансных линий ртутного разряда НД. В этой связи показана перспективность применения в ВЧ-лампах амальгам ртути, имеющих более низкую упругость паров ртути, соответствующую обеспечению максимальной световой отдачи при более высоких температурах амальгамы, а также слабую зависимость давления паров ртути от температуры амальгамы при изменении окружающих температур. Приняты меры по организации разработки и последующего использования амальгам ртути в отечественных люминесцентных лампах.
13. Определен размерный ряд световых приборов, разрабатываемых на базе указанных типономиналов создаваемых люминесцентных ВЧ-ламп. Разработаны методы расчета оптимальных светооптических систем светильников. Выполнены светотехнические испытания создаваемых светильников, включая класс светораспределения, КПД светильников и тип получаемых кривых сил света.
14. Предложенный ряд создаваемых высокочастотных люминесцентных ламп и рациональных светильников на их базе может обеспечить создание оптимальных осветительных установок практически во всем диапазоне высот помещений (2,5−6 м), в которых используется общее люминесцентное освещение. При этом будут реализованы преимущества высокочастотных безэлектродных люминесцентных ламп, включая предельно высокие сроки службы (60−100 тыс. часов), возможность установки светильников в труднодоступных для обслуживания местах и снижение эксплуатационных затрат на обслуживание при меньшей сменяемости ламп. Перспективен также переход к светильникам с одноламповой схемой при использовании ВЧ-ламп больших мощностей взамен существующих многоламповых светильников, что может обеспечить сокращение габаритов светильников до размера стандартного модуля современных подвесных потолков помещении (600×600 мм).
15. Перспективность внедрения осветительной техники на базе создаваемых высокочастотных люминесцентных ламп подтверждена расчетами их технико-экономической эффективности на основе оценки окупаемости годовых приведенных затрат. Показана также возможность получения значительного эффекта экологического и социального характера по сохранению устойчивой и чистой среды обитания, что может способствовать выполнению обязательств по сокращению вредных выбросов в атмосферу, включая недавно ратифицированный Россией «Киотский протокол».
