СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR PRODUCTION OF OPTICAL RADIATION

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, а именно - к способам генерации излучения оптического диапазона, возникающего в результате электрического разряда в газе, и к разрядным осветительным лампам низкого давления различных типов, и может быть использовано при создании эффективных, экологически безопасных источников оптического излучения.
Уровень техники
В настоящее время существует большое число способов получения оптического излучения, связанных с использованием различных газовых разрядов. Среди этих источников оптического излучения можно выделить две группы источников оптического излучения, получивших наибольшее распространение в силу существенных преимуществ перед другими типами источников оптического излучения [1-3].
К первой группе относятся разрядные источники оптического излучения низкого давления, которые, как правило, создаются на основе разрядов в смесях инертных газов с малой по концентрации излучающей добавкой. Среди данного типа источников оптического излучения наибольшее распространение имеют ртутные люминесцентные лампы, работающие на смеси аргона с парами ртути, причем давление паров ртути примерно на три порядка величины меньше давления инертного газа. Данные источники излучения имеют рекордные (не превзойденные к настоящему времени) эффективности преобразования электрической энергии в энергию оптического излучения (для ртутных люминесцентных ламп 60-70% вводимой в плазму электрической мощности преобразуется в мощность резонансного излучения атомов ртути). Основным недостатком данной группы источников оптического излучения является их экологическая опасность (использование паров металлов, вредных для человека и природы).
Ко второй группе источников оптического излучения относятся разрядные источники оптического излучения высокого давления, которые, как правило, создаются на основе разряда в однородном газе. Типичными представителями таких источников оптического излучения являются ртутные лампы высокого давления, ксеноновые лампы высокого и сверхвысокого давления, натриевые лампы высокого давления. Данные источники оптического излучения характеризуются рекордными яркостями и потоками оптического излучения. Однако данные источники излучения имеют существенно более низкий коэффициент преобразования электрической энергии в энергию оптического излучения (~15-20% [1-3]). Кроме этого ряд данных источников оптического излучения также небезопасен с экологической точки зрения в силу использования вредных веществ (например, ртуть, галогениды вредных металлов (таллий, редкие земли), радиоактивные материалы в электродах ламп (торий) и др.).
Известен способ получения оптического излучения [4] с помощью микроразрядных устройств, обеспечивающий возбуждение эксимерных кластеров благородных газов и получение УФ-излучения. Однако излучение эксимерных молекул лежит, как правило, в вакуумной ультрафиолетовой области и может быть использовано либо в условиях слабого поглощения данного излучения (вакуум, газ со слабым поглощением УФ-излучения эксимерных молекул), либо с использованием люминофоров, переводящих излучение вакуумного ультрафиолета в более длинноволновую область, например в видимую область спектра. В атмосферных условиях данное излучение использоваться самостоятельно не может.
Известен способ получения оптического излучения [5] с помощью барьерного разряда и синхронизацией с внешним сигналом, что играет важную роль при его использовании в импульсных устройствах, а также метод использования разряда с диэлектрическим барьером [6], в котором для увеличения эффективности используется отражающее покрытие, параллельное каналу разряда. Однако эффективность генерации УФ-излучения барьерным разрядом достаточно высока только в среде эксимерных газов, излучающих в области вакуумного ультрафиолета. Для других газов (смесей газов) она, как правило, не превышает нескольких процентов, что является существенным недостатком.
Известен способ получения оптического излучения [7] с помощью разряда в аргоне и других благородных газах. Эти источники света являются экологически безопасными, однако их существенным недостатком является то, что резонансное излучение атомов инертных газов лежит в области вакуумного ультрафиолета, что при преобразовании его в видимую область приводит к неизбежным большим потерям в эффективности (светоотдаче).
Известен способ возбуждения самостоятельного электрического разряда в газах [8], особенностью которого является питание разряда постоянным высоковольтным напряжением, на которое накладываются высоковольтные импульсы напряжения, длительность которых связана с ионизационными процессами, происходящими в канале разряда. Недостатком данного способа является низкая эффективность генерации УФ-излучения.
Известен способ генерации оптического излучения [9], включающий создание газового разряда в атмосфере инертного газа с излучающей молекулярной добавкой в баллоне из оптически прозрачного материала. В качестве молекулярной добавки используются молекулы воды, дающие в условиях разряда молекулы гидроксила, излучающие УФ-полосу 306.4 нм. Эффективность генерации УФ-излучения достигает 25-30%, что является существенным преимуществом данных ламп перед другими источниками УФ-излучения в области ультрафиолета «В», которое, в свою очередь, является наиболее благоприятной для биологических объектов (в том числе и человека). Недостатком данного способа является недостаточная эффективность генерации УФ-излучения.
Сущность изобретения
Заявленный способ свободен от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленного способа является повышение эффективности генерации излучения молекулярной добавки.
Кроме того, по отношению к мировому уровню техники в данной области заявленный способ уменьшает затраты на создание безопасных условий производства и эксплуатации источников оптического излучения, создаваемых на основе предлагаемого изобретения, а также уменьшает затраты на утилизацию вышедших из строя данных источников оптического излучения, что дает в целом существенную экономию при эксплуатации в промышленности и быту.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе генерации оптического излучения, включающим создание газового разряда в атмосфере инертного газа с излучающей молекулярной добавкой в баллоне из оптически прозрачного материала, в соответствии с заявленным изобретением газовый разряд в источнике оптического излучения создают с помощью импульсно-периодического напряжения, амплитуду которого в импульсе выбирают больше амплитуды напряжения в разряде постоянного тока в источнике оптического излучения, частоту повторения импульсов напряжения выбирают в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц, скважность импульсов напряжения выбирают в диапазоне больше 1.
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в качестве молекулярной добавки используют молекулы гидроксила с концентрацией менее 10% концентрации атомов инертного газа.
Помимо того указанный технический результат достигается тем, что в качестве инертного газа выбирают аргон.
Кроме этого указанный технический результат достигается тем, что в качестве инертного газа берут смесь аргона с неоном и/или гелием.
Помимо этого указанный технический результат достигается тем, что в смеси аргона с неоном и/или гелием аргона берут не менее 50%.
Заявленный способ получения оптического излучения поясняется следующим.
В положительном столбе тлеющего разряда электроны нагреваются электрическим полем и теряют свою энергию главным образом в неупругих столкновениях с атомами и/или молекулами. В отличие от атомов молекулы, как правило, имеют большое число колебательно-вращательных состояний уже в основном состоянии и поглощают энергию электронов практически всех энергий. Данные потери энергии являются «вредными», поскольку не превращаются в полезное излучение. Эти потери можно ослабить, если перейти в режим импульсно-периодического разряда. Если напряженность электрического поля Е в плазме достаточно велика, так что на длине свободного пробега электрон получит энергию, достаточную для возбуждения первого возбужденного состояния молекулы гидроксила (полагаем, что они уже есть в газовом разряде в результате столкновений молекул воды с возбужденными атомами аргона), то потери на возбуждение нижних колебательно-возбужденных состояний молекул будут меньше. Данное условие можно сформулировать математически следующим образом:
е
mol
mol
2
-1
-1
энергия Δε=ebEν , которую электрон получает от электрического поля за время ν между двумя колебательно-вращательными столкновениями с молекулой, должна быть больше энергии  возбуждения электронных состояний молекулы, т.е.
е
e и b есть заряд и подвижность электронов.
Неравенство (1) накладывает следующее требование к величине напряженности электрического поля в плазме
Величина напряженности электрического поля в импульсе зависит от параметров импульсно-периодического разряда (частоты повторения и скважности импульсов) и, как показывают результаты исследований, проведенных на базе Санкт-Петербургского государственного университета, полученное по формуле (2) условие может быть выполнено при выборе частоты повторения импульсов в диапазоне 1 кГц - 1 МГц, скважности импульсов >2 и концентрации молекул молекулярной добавки <10% от концентрации атомов инертного газа.
pulse
Заявленный способ получения оптического излучения поясняется также чертежом, на котором приведена светоотдача разряда в смеси паров воды с аргоном при питании разряда постоянным напряжением и импульсно-периодическим напряжением при различных скважностях импульсов и различных концентрациях молекулярной добавки (молекул воды). Давление аргона равнялось 1 Top, частота повторения импульсов составляла 5 кГц, длительность импульсов изменялась и составляла 36 мкс, 50 мкс, 100 мкс. Значение τ/T=1 соответствует разряду постоянного тока. Давление паров воды в разрядной камере определялось температурой стенок разрядной трубки. Светоотдача разряда в смеси паров воды с аргоном при питании разряда постоянным напряжением и импульсно-периодическим напряжением при различной температуре стенок разрядной трубки.
Чертеж показывает, что в разряде постоянного тока рост температуры стенок приводит к увеличению световой отдачи, как это и наблюдалось ранее [10, 11]. Переход к импульсно-периодическому режиму увеличивает световую отдачу, при этом в относительной мере увеличение больше при низких температурах, однако в абсолютной мере при более высокой температуре стенок световая отдача выше (см. измерения при 50°C). Таким образом, импульсно-периодический способ питания газового разряда с молекулярной излучающей добавкой обеспечивает положительный эффект.
Технический результат подтверждается конкретными примерами реализации, проведенными, как указано выше, на базе Санкт-Петербургского государственного университета.
Пример 1.
Разряд создавался в цилиндрической стеклянной трубке диаметром 2.54 см и длиной 25 см. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, чувствительным к излучению молекул гидроксила 306.4 нм. Разрядный ток составлял 0.3 А, напряжение на трубке - 66 В. Разрядная колба наполнена аргоном при давлении 1 Top, давление паров воды соответствует температуре стенок колбы 50°С. Световая отдача при питании постоянным током равна 38 лм/Вт. Переход к импульсно-периодическому напряжению питания с параметрами: частота повторения импульсов 10 кГц, длительность импульсов 50 мкс и токе в импульсе 0.3 А, напряжение в импульсе 110 В, - увеличивал световую отдачу до 46 лм/Вт.
Пример 2.
Разряд создавался в цилиндрической стеклянной трубке диаметром 2.54 см и длиной 35 см. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, чувствительным к излучению молекул гидроксила 306.4 нм. Разрядный ток составлял 0.15 А, напряжение на трубке - 94 В. Разрядная колба наполнена аргоном при давлении 2 Top, давление паров воды соответствует температуре стенок колбы 50°С. Световая отдача при питании постоянным током равна 35 лм/Вт. Переход к импульсно-периодическому напряжению питания с параметрами: частота повторения импульсов 10 кГц, длительность импульсов 50 мкс и токе в импульсе 0.15 А, напряжение в импульсе 138 В, - увеличивал световую отдачу до 41 лм/Вт.
Пример 3.
Разряд создавался в цилиндрической стеклянной трубке диаметром 1.5 см и длиной 20 см. Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, чувствительным к излучению молекул гидроксила 306.4 нм. Разрядный ток составлял 0.2 А, напряжение на трубке - 83 В. Разрядная колба наполнена аргоном при давлении 1 Top и неоном при давлении 0.5 Top, давление паров воды соответствует температуре стенок колбы 50°С. Световая отдача при питании постоянным током равна 37 лм/Вт. Переход к импульсно-периодическому напряжению питания с параметрами: частота повторения импульсов 20 кГц, длительность импульсов 20 мкс и токе в импульсе 0.2 А, напряжение в импульсе 162 В, - увеличивал световую отдачу до 43 лм/Вт.
Технико-экономическая эффективность заявленного изобретения состоит в повышении эффективности генерации оптического излучения молекулярной добавкой и экологической безопасностью источников оптического излучения, использующих заявляемый способ. Достижение такого результата позволяет использовать заявленный способ при создании новых и эффективных экологически безопасных источников оптического излучения (источников света) и найдет широкое применение в промышленном и бытовом освещении.
Список использованной литературы
1. Г.Н.Рохлин. Разрядные источники света. - М., Энергоатомиздат, 1991, 720 с.
2. Д.Уэймаус. Газоразрядные лампы. - М.: Энергия, 1977, 344 с.
3. Лампы газоразрядные. Каталог 09.5.01-80. М.: Информэлектро. 1980; Каталог 09.50.07-75. М.: Информэлектро. 1975.
4. Patent US No. 7439663.
5. Patent US No. 6483253.
6. Patent Japan No. JP 6338300(A).
7. Patent US No. 6476565.
8. Патент СССР № SU 1398758.
9. Патент РФ № RU 2074454 (прототип).
10. Е.Artamonova, Т.Artamonova, A.Beliaeva, D.Michael, М.Khodorkovskii, A.Melnikov, V.Milenin, S.Murashov, L.Rakcheeva, N.Timofeev and G.Zissis. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2009) 315068.
11. Е.Artamonova, Т.Artamonova, A.Beliaeva, D.Michael, М.Khodorkovskii, A.Melnikov, V.Milenin, S.Murashov, L.Rakcheeva, N.Timofeev and G.Zissis. J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 204175.