Меню

Объясните опыт см рис 9 показывающий что теплопроводность меди больше





Теплопроводность


Внутренняя энергия, как и любой вид энергии, может быть передана от одних тел к другим. Внутренняя энергия может передаваться и от одной части тела к. Так, например, если один конец гвоздя нагреть в пламени, то другой его конец, находящийся в руке, постепенно нагреется и будет жечь руку. Явление передачи внутренней энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому при их непосредственном контакте называется теплопроводностью.
Изучим это явление, проделав ряд опытов с твердыми телами, жидкостью и газом. Внесем в огонь конец деревянной палки. Он воспламенится. Другой конец палки, находящийся снаружи, будет холодным. Значит, дерево обладает плохой теплопроводностью.

Поднесем к пламени спиртовки конец тонкой стеклянной палочки. Через некоторое время он нагреется, другой же конец останется холодным. Следовательно, и стекло имеет плохую теплопроводность. Если же мы будем нагревать в пламени конец металлического стержня, то очень скоро весь стержень сильно нагреется. Удержать его в руках мы уже не сможем. Значит, металлы хорошо проводят тепло. е. имеют большую теплопроводность. Наибольшей теплопроводностью обладают серебро и медь.
Рассмотрим передачу тепла от одной части твердого тела к другой на следующем опыте. Закрепим один конец толстой медной проволоки в штативе. К проволоке прикрепим воском несколько гвоздиков (рис.

6). При нагревании свободного конца проволоки в пламени спиртовки воск будет таять. Гвоздики начнут постепенно отваливаться. Сначала отпадут те, которые расположены ближе к пламени, затем по очереди все остальные. Выясним, как происходит передача энергии по проволоке. Скорость колебательного движения частиц металла увеличивается в той части проволоки, которая ближе расположена к пламени. Поскольку частицы постоянно взаимодействуют друг с другом, то увеличивается скорость движения соседних частиц. Начинает повышаться температура следующей части проволоки и. д. Следует помнить, что при теплопроводности не происходит переноса вещества от одного конца тела к другому. Рассмотрим теперь теплопроводность жидкостей. Возьмем пробирку с водой и станем нагревать ее верхнюю часть.

Вода у поверхности скоро закипит, а у дна пробирки за это время она только нагреется (рис. 7). Значит, у жидкостей теплопроводность невелика, за исключением ртути и расплавленных металлов. Это объясняется тем, что в жидкостях молекулы расположены на больших расстояниях друг от друга, чем в твердых телах. Исследуем теплопроводность газов.
Сухую пробирку наденем на палец и нагреем в пламени спиртовки донышком вверх (рис. 8). Палец при этом долго не почувствует тепла. Это связано с тем, что расстояние между молекулами газа еще больше, чем у жидкостей и твердых тел.

Следовательно, теплопроводность у газов еще меньше. Итак, теплопроводность у различных веществ различна. Опыт, изображенный на рисунке 9, показывает, что теплопроводность у различных металлов неодинакова. Плохой теплопроводностью обладают шерсть, волосы, перья птиц, бумага, пробка и другие пористые тела. Это связано с тем, что между волокнами этих веществ содержится воздух. Самой низкой теплопроводностью обладает вакуум (освобожденное от воздуха пространство).
Объясняется это тем, что теплопроводность — это перенос энергии от одной части тела к другой, который происходит при взаимодействии молекул или других частиц. В пространстве, где нет частиц, теплопроводность осуществляться не. Если возникает необходимость предохранить тело от охлаждения или нагревания, то применяют вещества с малой теплопроводностью.

Так, для кастрюль, сковородок ручки изготавливают из пластмассы. Дома строят из бревен или кирпича, обладающих плохой теплопроводностью, а значит, предохраняют помещения от охлаждения.

Транскрипт

1 1945 УСПЕХИ ФИЗИЧЕСКИХ НАУК Т. XXVII, вып. 2 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП. Фабрикант «Не знаю, могли бы изобретатели придумать что-нибудь лучше свечки, которая горела бы без помощи щиппов». Гете 1. ВВЕДЕНИЕ В 1938 г. на Всемирной выставке в Нью-Йорке для освещения советского и других павильонов были применены новые источники света, названные американцами флуоресцентными или сокращённо Рис. 1. Внешний вид люминесцентной лампы. ф-лампами 1. Правильнее эти лампы называть люминесцентными, так как в них используется свечение люминофоров.

Люминесцентные лампы по своему внешнему виду резко отличаются от ламп накаливания и представляют собой длинные, равномерно светящиеся трубки с четырьмя контактами в виде штырьков на концах (рис. 1). Производство люминесцентных ламп, несмотря на войну, вернее даже благодаря войне, чрезвычайно быстро стало расти: 1938 г шт., 1939 г шт., 1940 г шт., 1941 г шт., 1942 г шт. и 1943 г шт. Построен специализированный завод для изготовления люминесцентных ламп с проектной мощностью шт. ламп в день. Десятки фирм занялись* изготовлением принадлежностей для люминесцентных ламп.

В общем, безусловно речь идёт, о рождении новой крупной отрасли промышленности и о настоящей революции в области техники освещения., 2 УФН. XXVH. вып. 2

2 160. ФАБРИКАНТ У нас в Советском Союзе первые люминесцентные лампы современного типа были построены в начале 1940 г. сотрудниками Всесоюзного электротехнического института (ВЭИ) Ф. Бутаевой и. Долгополовым. В настоящее время Всесоюзный электротехнический институт, Московский электроламповый завод и Физический институт Академии наук СССР ведут ряд работ, связанных с развёртыванием производства люминесцентных ламп.

Цель настоящего обзора заключается в том, чтобы дать возможно более полное представление о свойствах люминесцентных Ламп и, главное, разобрать все основные физические процессы, определяющие эти свойства. Мы попытаемся проследить, как микрохарактеристики отдельных элементов люминесцентной лампы связаны с такими макроскопическими характеристиками ламп, как светоотдача. Конечно, перед тем как говорить о люминесцентных лампах, следует напомнить причины, сделавшие необходимым появление новых источников света на смену лампам накаливания. Также необходимо несколько более подробно рассмотреть вопрос об идеальном источнике света. Ясно, что универсального идеального источника света нет и не может быть, но с другой стороны, «если не знаешь, в какую гавань направиться, не может быть попутного ветра» (Сенека).

2. НЕДОСТАТКИ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ Прежде всего остановимся кратко на причинах, делающих лампу накаливания нерациональным источником света, нуждающимся в замене. Основной недостаток лампы накаливания, как известно, это низкий коэффициент полезного действия. В табл. 1 приведены данные о балансе энергии в лампах накаливания мощностью 100 W, со сроком службы 1000 часов 2. В табл. 1 под видимым излучением Баланс энергии в лампах накаливания Таблица 1 Распределение энергии Пустотная лампа прямая нить Лампа с аргоном ординарная спираль Биспиральная лампа с аргоном Лампа с ординарной спиралью криптонксенон Видимое излучение. Невидимое излучение Потери в держателях. потери, в газе Всего /

3 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 161 понимается область спектра, примерно, от 0,40 до 0,75 &mu. Невидимое излучение представляет собой, по существу, почти целиком инфракрасные лучи.

Таким образом, лампа накаливания весьма экономична, как источник инфракрасных лучей. Последнее обстоятельство и вызвало широкое применение ламп накаливания для сущки различных предметов 3. Однако из табл. 1 следует, что как источник видимого света лампа накаливания значительно менее экономична. При этом важно отметить, что световой кпд лампы накаливания несравненно ниже 12 / 0, соответствующих доле энергии, приходящейся на видимую часть спектр. Напомним, что световым кпд называется отношение светового потока, даваемого источником света, к максимальному значению светового потока, которое может быть получено при той же затрате мощности 2. В определении светового кпд весьма существенную роль играет ход кривой спектральной чувствительности глаза в пределах видимого спектра.

Эта кривая имеет резкий максимум для длины волны 0,556 &mu. Коэффициент видимости для 0,556 μ принимается равным единице. Наибольший световой поток получится, естественно, при превращении всей энергии в излучение с этой длиной волны, при этом каждый ватт энергии превратится в 621 люмен светового потока. Если мы сравним с этой цифрой светоотдачу 100-ваттной лампы накаливания 15,5 лм\вт, то получим световой кпд, равный всего лишь 2,5 / 0! 3. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ «ИДЕАЛЬНОГО» ИСТОЧНИКА СВЕТА С точки зрения экономичности идеальным был бы источник монохроматического зелёного света с длиной волны 0,556 &mu.

Однако, широкое применение такого источника света натолкнулось бы на серьёзные трудности. Дело заключается в том, что нам важно не только количество света, даваемого источником, но и его качество. е. спектральный состав. Обычные газосветные лампы, в особенности натриевые, не могли найти себе достаточно широкое применение как раз ввиду неудовлетворительного спектрального состава даваемого ими света. При монохроматическом свете пропадает всякое различение цветов освещенных предметов. Если же свет не монохроматичен, но состоит из небольшого числа спектральных линий, то происходит сильное искажение видимых цветов предметов. Человеческий глаз приспособился к соотношениям цветов, возникающим при освещении предметов дневным или солнечным светом. Опыт показывает также, что человеческий глаз в известной мере привык к искажению цветов при освещении предметов жёлто-красным светом ламп накаливания.

Однако, в ряде случаев искажение цветов при освещении лампами накаливания является недопустимым. Когда важио» точное различение цветов, возникает сложная проблема искусственного дневного света (текстильная промышленность, полиграфия, музеи и. д.). За эталон дневного света принят источник С со спектраль-

4 162. ФАБРИКАНТ ным распределением энергии, близким к распределению энергии в спектре абсолютно чёрного тела при 6500 К (рис. 2) 4. Необходимо подчеркнуть, что для создания искусственного дневного света нужен источник, близкий к источнику С по спектральной характеристике, а не только по своему цвету.

Два источника, близких по цвету изображаемых в цветовом треугольнике Максве/ша близкими точками, могут очень резко различаться по своим спектральным свойствам. Например, источник, испускающий две спектральные линии, соответствующие дополнительным цветам (красный, зелёный), источник, испускающий непрерывный спектр. При освещении белой поверхности такими источниками в обоих случаях поверхность сохранит свой цвет, но как только мы осветим ими какие-либо разноцветные объекты (человеческие лица, окрашенные ткани, картины и.

д.), сразу же возникнут резкие различия в s ιοο / виде этих предметов. Бедад ность спектра линейчатого источника проявится в выпадении одних цветов и ' Лл. волн вши неестественно высокой яркости. Поэтому для Рис. 2. Распределение энергии в спектре источника. правильной оценки цветовых свойств источника света необходимо либо измерять распределение энергии в спектре, либо, что более практично, оценивать цветопередачу^ ряда стандартных цветных образцов при освещении исследуемым источником света 6. Для наглядного изображения искажений цветопередачи удобнее всего пользоваться равноконтрастным графиком, построенным по Джедду 6.

На этом графике, в отличие от обычного треугольника Максвелла, одному и тому же расстоянию между двумя тачками соответствует одно и то же различие в цвете, независимо от области, в которой лежат эти точки. На рис. 3 изображён равноконтрастный график. По краям нанесены монохроматические цвета спектра. Прямая, соединяющая 700 и 400 ιημ, соответствует пурлурным цветам. Точки С 1 белый, С 2 жёлтый, С 7 красный, C t малиновый, C 1S синий, С 1 Б голубой и С 22 зелёный образцы при освещении стандартным источником дневного света. Точки Η изображают цвета тех же образцов при освещении лампой «акаливания, точки Ρ ртутной лампой и точки Р-\-Н комбинацией из лампы накаливания и ртутной лампы. Мы видим, что при освещении лампой накаливания белый образец становится оранжевым (смещается в сторону 610 /»&mu., при освещении ртутной лампой зеленовато-голубым (смещается в сторону 470 m\i).

Жёлтый образец С 2 при лампе накаливания^ краснеет, а при ртут-

5 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 163 ной зеленеет. Не менее значительны изменения цвета других образцов. В идеальном случае различие в цветовых характеристиках образцов при освещении эталоном и данным источником света не должно превышать для всех образцов 1 2 порогов (порог наименьшее различие в цвете, обнаруживаемое глазом). Если мы теперь вернёмся к вопросу о предельной светоотдаче источника света, уже учтя сформулированные требования к качеству 100 света, то получим цифры значительно более низкие, чем 500/ 600 "'" 621 лм\вт.

Представим себе источник света, превращаю- 630, щид в с ю подводимую мощ- 6ZD ность в излучение с длинами волн, лежащими только в пре- 610 делах видимой части спектра, и пусть распределение энергии в этой части спектра будет таким же, как у абсолютно чёрного тела (рис. 4). Тогда Рис. 3. Равноконтрастный график по Джедду. 0 ' Дл волн β m/j Рис. 4. Распределение энергии в спектре «идеального» источника сбета. для такого идеализированного источника можно рассчитать светоотдачу, которая будет различной для различных значений температуры абсолютно чёрного тела. е. по существу для различных цветовых температур источника света. На рис. 5 изображён ход светоотдачи с цветовой температурой 7. Мы видим, что максимальная светоотдача составляет примерна 220 лм\вт.

е. почти в 3 раза меньше-максимальной светоотдачи для монохроматического источника света. Ясно, что значения светоотдачи- нанесённые на рис. 5, сильна зависят от установления пределов видимого спектра (0,4 0,7; 0,4^

6 164. А» ФАБРИКАНТ о том, как 8; 0,38 0,76 и. д.). Кривая рис. 5 соответствует пределам 0,4 0,76 &mu. Ход кривой на рис. 5 показывает, что изменения цветовой температуры от AM 2500 до 8000 К мало влияют на Em 250r светоотдачу. е. мы можем довольно сильно изменять цветовые свойства идеализированного источника, не изменяя его светоотдачи Для большинства практических применений разумно идеалом считать источник с описанными выше свойствами, что соответствует 150 предельной светоотдаче порядка 200 лм\вт. В тех же случаях, когда монохроматичность света является пре- 100 имуществом (освещение автострад) или когда цветопередача не существенна (освещение больших 50 цехов K Рис.

5. Светоотдача, как функция цветовой температуры «идеального» источника света. металлообрабатывающей промышленности, наружное освещение и т, д.), принципиальная граница для светоотдачи источника должна быть значительно выше. Во всяком случае лампа накаливания весьма далека от идеального источника света как по экономичности, так и по своим спектральным свойствам. 4. НЕДОСТАТКИ ГАЗОСВЕТНЫХ ЛАМП До 1938 г. разработка новых источников света шла, главным образом, по линии создания газосветных ламп, использующих видимое свечение газового разряда. Здесь был получен ряд серьёзных результатов в смысле повышения экономичности и яркости, но с цветовыми характеристиками дело всё время обстояло весьма неблагополучно.

Высокая светоотдача, главным образом, достигалась за счёт предельной селективности источников света. е. благодаря линейчатой структуре ил спектров (предельный случай монохроматичная натриевая лампа). Как мы указывали выше, линейчатый характер спектра крайне неприятен с точки зрения цветопередачи. При свечении газового разряда непрерывный спектр можно получить только при очень высокой степени ионизации газа, когда основную роль начинают играть процессы рекомбинации свободных электронов с ионами. Молер 8 сделал любопытный подсчёт, показывающий, что при таких условиях разряд в парах цезия может оказаться источником белого света со светоотдачей порядка 180 лм\вт.

Однако, построение лампы, парами цезия, работающей длительный срок при высокой температуре, представляет огромные чисто технологические трудности.

7 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 165 Цезий чрезвычайно химически активен и быстро разрушает стенки разрядной трубки. Taif же практически пока мало интересны попытки применения молекулярных газов 9. Другой, более реальный, но менее эффективный путь для получения источника света с должными цветовыми свойствами состоит в комбинировании газосвет-' ных ламп (ртутных ламп) с лампами накаливания.

Такого типа установки были довольно широко распространены в США для освещения школ и других общественных зданий. Однако, это решение проблемы, конечно, сопряжено с большой потерей в экономичности и, главное, не даёт всё-таки хорошей цветопередачи. На графике рис. 3 точки Р-\-Н изображают цвета образцов при освещении комбинированным источником света. Согласно законам смешения, точки, соответствующие цветам тест-объектов, при комбинированном освещении должны лежать на прямых, соединяющих точки Ρ. Так как эти прямые не проходят через точки, соответствующие правильным цветам тест-объектов, то ясно, что никакая (в смысле соотношения мощностей) комбинация ртутной лампы и ламп накаливания не может дать правильной цветопередачи.

5. СОЧЕТАНИЕ ЛЮМИНОФОРОВ С ГАЗОВЫМ РАЗРЯДОМ Гораздо более плодотворным оказался путь, связанный с применением люминофоров в газосветных лампах. Как известно, спектры излучения твёрдых люминофоров представляют собой довольно резко ограниченные, но непрерывные полосы. Таким образом, люминофоры обладают спектральными свойствами, аналогичными свойствам того идеального источника света, о котором мы говорили выше. Излучение люминофоров сосредоточено в определенной спектральной области, но в пределах этой области присутствуют все длины волн. Надо сказать, что идея применения люминофоров в сочетании с газовым разрядом имеет основательную давность. Еще Беккерель наблюдал свечение люминофоров в разрядных трубках 10, а Купер-Юитт более 30 лет тому назад проводил опыты с флуоресцирующими рефлекторами, предназначенными для добавления красного света к зелёному свечению ртутной лампы 11.

Затем, в течение ряда лех^успешные эксперименты по применению люминофоров вёл во ФраМши Клод со своими сотрудниками 12 и Рэндалл в Англии 13., но как мы уже подчеркивали вначале, настоящий размах практическое применение люминесцентных ламп получило только начиная с 1938 г. Принцип действия газоразрядных ламп с люминофорами чрезвычайно прост. На стенки колбы лампы наннсится тонким слоем какой-либо люминофор, светящийся под действием излучения газового разряда. При этом обычно используется для возбуждения люминофора ультрафиолетовая часть спектра излучения разряда. В том случае, когда люминофор используется только для исправления цветности лампы, видимое излучение разряда играет весьма существенную роль.

Например, при исправлении цветности ртутных ламп высокого давления цинк-кадмий сульфид, нанесённый на вну-

8 166. ФАБРИКАНТ треннюю поверхность наружной колбы, даёт ничтожную долю общего светового потока лампы. Светоотдача, по обществу, целиком определяется в этом случае видимым излучением разряда. Ясно, что присутствие ярких линин, в спектре излучения сильно портит цветовые характеристики лампы. Поэтому применение люминофоров для исправления цветности газоразрядных ламп, обладающих высокой светоотдачей самого разряда, является трудной задачей. Рис. 6. Разрез люминесцентной лампы. Внутренняя До р получены с и х ПО поверхность покрыта люминофором. в е с ь м а o r p a H H 4 e H H b i e результаты в этом направлении.

Проще обстоит дело в том случае, когда видимое излучение самого разряда весьма слабо по сравнению с ультрафиолетовым излучением. Здесь можно создать такие условия, при которых почти весь световой поток лампы будет состоять из свечения люминофора. Роль газового разряда сводится только к генерации ультрафиолетового излучения, возбуждающего люминофор. Такого типа лампы и называются люминесцентными. В люминесцентных лампах, получивших широкое распространение, использован электрический разряд в смеси паров ртути с аргоном и смесь люминесцирующих силикатов, вольфраматов и боратов (рис. 6). Мы последовательно рассмотрим отдельные элементы люминесцентных ламп их взаимодействие между.

λ 6. БАЛАНС ЭНЕРГИИ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА Выход излучения в газовом разряде чрезвычайно сильно зависит от таких параметров, как давление газа и сила тока. При этом существенно различать резонансное излучение, испускаемое атомами газа при переходах на самый низкий энергетический (нормальный) уровень, излучение, испускаемое при переходах между более высокими уровнями. Если мы грубо разобьём все уровни атомр на три «этажа» (рис. 7), то наиболее интенсивные резонансные линии соответствуют переходам со второго этажа на первый, наиболее интенсивные нерезонансные линии переходам с третьего этажа на второй. На рис. 8 а весьма схематично изображён баланс энергии в положительном столбе газового разряда при различных давлениях, подсчитанный на основании обширного экспериментального материала Клярфельдом 14.

Потери на стенках состоят из энергии, отдаваемой стенкам ионами и метастабильными атомами; тепловые потери в объёме связаны с нагреванием газа за счёт упругих соударений электронов с атомами. Потери на стенках с ростом давления уменьшаются в связи с уменьшением длины свободного пробега ионов, что затрудняет попадание ионов н<* стенки.

9 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 167 Доля энергии, расходуемой на тепловые потери в объёме газа, имеет резкий максимум в области средних давлений. Выделяющееся при этом тепло / благодаря теплопроводности газа также пере- Потенциал ионизации даётся стенкам разрядной 6'D- трубки.

Интересно отметить, 7,7 V что в области больших давлений r iv резко снижается. Это связано с исчезновением разницы между электронной температурой и температурой газа и с установлением по оси разряда весьма высоких температур, порядка Ъ. Тепловые потери в объёме можно рассматривать, своеобразный процесс теплопередачи от горячего электронного газа, «подогреваемого» Рис. 7. Упрощённая схема энергетических электрическим полем разряда, уровней атома ртути. к более холодному атомарному газу, на который электрическое поле непосредственно не действует. Из диаграммы рис.

8 а видно, что существуют две области давлений, оптимальных для генерации излучения в разряде. В области. низких давлений разряд особенно эффективен как: источник резонансного излучения; в области высоких давлений, наоборот, особенно велик выход нерезонансных линий. Нас будет интересовать в дальнейшем только разряд низкого давления. Рассмотрим кратко механизм возбуждения излучения в таком разряде. 7. МЕХАНИЗМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В РАЗРЯДЕ Как известно, схема'основных энергетических превращений в разряде низкого давления довольно проста. Электрон приобретает запас кинетической энергии в электрическом поле разряда, затем соударяется с атомом и возбуждает его. е. переводит атом с более низкого энергетического уровня на более высокий.

Возбуждённый атом по истечении некоторого весьма небольшого промежутка времени (продолжительность жизни возбужденного атома 10~ 7 10~ 8 сек.) возвращается обратно на более низкий энергетический уровень, испуская при этом квант лучистой энергии. Однако, эта

10 168., ФАБРИКАНТ простая схема усложняется рядом вторичных процессов, на которых мы остановимся несколько позже. Очевидно, что в процессе возбуждения могут участвовать только электроны, обладающие энергией большей, чем потенциал возбуждения, равный расстоянию между энергетическими уровнями атома, выраженному в электрон-вольтах.

Распределение электронов по энергиям носит максвелловский характер с электронной температурой в качестве параметра. Электронную температуру принято выражать в электрон-вольтах IV соответствует 7800 К 1 в ' юоз Рис. 8. Баланс энергии в положительном столбе газового разряда. т, доля мощности, превращаемая в резонансное излучение; т, за внерезонаьсное излучение, т) тепловые потери в объёме газа, т м потери на стенках. Рис. 8 Ь. Интенсивность линий 1850 и 2537. Максимум максвелловской кривой соответствует энергии электронов, равной одной трети электронной температуры, выраженной в электрон-вольтах.

В разряде почти всегда максимум «ривой распределения лежит значительно левее потенциала возбуждения, так что в возбуждении атомов участвует лишь небольшая доля всех электронов. Чем ниже. электронная температура, тем меньше эта величина. С ростом давления при постоянной силе разрядного тока растёт концентрация нормальных атомов и электронов (в связи с уменьшением скорости дрейфа) и падает электронная температура 1 Т. В результате наложения этих взаимнопротивоположных эффектов, при определённом давлении наблюдается максимум произведения из концентрации нормальных атомов на число электронов, обладающих энергией, достаточной для возбуждения этих атомов. Это должно соответствовать максимуму излучения разряда в области низких давлений. Абсолютная интенсивность излучения зависит весьма сильно от величины эффективного сечения атома для'процесса возбуждения электронным ударом.

Эффективное сечение атома имеет различные значения для переходов между различными уровнями и является функцией энергии возбуждающего электрона «функция возбуждения». На рис. 9 приведены функции возбуждения для четырёх уровней атома ртути 18. Все эти уровни принадлежат ко «второму

11 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 169 этажу» уровней атома ртути. С уровня 6 1 Р 1 начинается линия 1849, а с уровня 6 3 Р Г линия 3537 А; уровни 6 > 2 и 6»Р 0 метастабильные. Абсолютное значение эффективного сечения атома ртути в максимуме функции возбуждения уровня 6 1 Р 1 равно 15 см 2 ]см 3 (площадь всех мишеней при 0 С и 1 мм Hg величина, обратная длине свободного пробега), что составляет примерно 15 / 0 от газокинетического.

сечения атома ртути для уровня 6 3 Р 1; соответственно, 4 см 2 \см а 19. Следует указать. имеющиеся 6'Р, в литературе данные для '" уровня 6 3 Pj противоре- а чивы, но после внесения ; соответствующих попра-?ί 5 вок неплохо согласуются друг с другом 20. У ато- ξ мов инертных газов сече- Вольт о го ю Рис. 9. Функции возбуждения атома ртути. ния гораздо меньше, например у неона эффективное сечение для возбуждения составляет доли процента от газбкинетического сечения 21. Наоборот, у таких атомов, как натрий и калий, эффективность соударений ещё больше, чем у ртути. Грубо говоря, вероятность возбуждения убывает с увеличением потенциала возбуждения. В отсутствии вторичных процессов эффективное сечение атома является единственной атомарной характеристикой, влияющей на интенсивность излучения газового разряда.

Связь между макроскопическими характеристиками разряда и атомными константами может быть установлена только при условии, что известны электронные характеристики разряда. е. концентрация электронов и электронная температура. Для разряда в парах натрия имеются наиболее полные данные об электронных и оптических характеристиках 22. Для этого разряда получается прекрасное согласие между рассчитанными из атомных констант значениями абсолютных интенсивностей и экспериментальными данными 23. К сожалению, ртутный разряд исследован гораздо менее обстоятельно.

В работах, посвященных абсолютным измерениям интенсивности резонансных линий, не всё благополучно с точки зрения методики. Нет прямых данных об интенсивности линии 1850. Максимум интенсивности резонансного излучения получается в области давлений порядка 10~ 2 мм Hg, что качественно согласуется с теоретическими расчетами 24. На рис. 8 Ь изображён ход интенсивности линий 1850 и 2537, рассчитанный теоретически. Более точное сопоставление затруднительно, так как почти нет сведений

12 170. ФАБРИКАНТ о концентрациях электронов и электронных температурах для тех же условий разряда, при которых производились измерения излучения. Например, в работе Фаунда и Хеннели 25 есть подробные данные об электронных характеристиках, но результаты измерений линии 2537 А носят относительный характер.

8. РАЗРЯД В ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМПАХ КАК ИСТОЧНИК УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ / До сих пор мы говорили об излучении разряда в чистых парах ртути. По ряду побочных причин, которые будут разобраны ниже, в Люминесцентных лампах используется разряд в смеси паров ртути с аргоном. Давление аргона порядка 3 4 мм Hg. Роль аргона в механизме излучения разряда ещё не выяснена полностью. Во всяком случае присутствие аргона затрудняет движение электронов ионов, так как вызывает уменьшение длины свободного пробега. Последнее должно приводить к увеличению концентрации электронов (при постоянной силе тока) и к понижению электронной температуры. «При добавлении 4 мм аргона, согласно измерениям Ф. Бутаевой 26, происходят следующие изменения в разряде: концентрация электронов повышается на порядок с до 2, а электронная температура снижается с до К Температура стенок лампы при этом поддерживалась постоянной и равной 40, что соответствует давлению ртутных паров порядка 10~ 2 мм Hg.

Сила тока также постоянная -350 та. Снижение электронной температуры должно изменять соотношение интенсивностей линий 1850 и 2537 в пользу последней. На рис. 15 изображён выход излучения, как функция температуры стенок люминесцентной лампы 27. Мы видим, что 40 С (110 F) соответствуют оптимальным условиям для генерации резонансного излучения. В табл. 2 приведены данные Тейера и Бэрнса 28 для распределения энергии в спектре газового разряда лампы диаметром 25 мм Таблица 2 Выход спектральных линий в люминесцентных лампах Ток в А Температура стенок в С 2537 Доля мощности, превращенной в линию λ Сумма Доля на линию 2537 Люмен на ватт 0,25 0,50 1,53 0,68 0,89 0,45 0,62 0,82 0,59 0,86 1,02 1,30 1,45 1,79 0,86 1,26 1,49 0,18 0,27 0, 60,1 46,5 7,3 10,0

13 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 171 при трёх различных силах тока.

В табл. 2 за Ю 0 / 0 принята мощность, расходуемая в положительном столбе разряда. Из неё следует, что в данных условиях более 50 / 0 подводимой в положительный столб мощности превращается в линию 2537 А и что эта линия составляет более 90 / 0 излучения разряда (последнее не точно, ибо не измерялась линия,1850 А инфракрасные линии). Эти данные находятся в прекрасном согласии с общей картиной энергетического баланса разряда, изображённой на рис. 8 в начале настоящего раздела. Следует заметить, однако, что из-за сложности энергетических уровней ртути количественное теоретическое объяснение таких высоких значений выхода для линий 2537, как приведённые в табл.

2, является далеко не тривиальной задачей. Ведь, как ви^но из рис. 9, вероятность возбуждения обоих метастабильных уровней 6 3 Р 0 и 6 3 Р 2 примерно в два раза больше, чём вероятность возбуждения линии 2537, начинающейся. с уровня б 3 /^. Следовательно, если на возбуждение линии 2537 А расходуется более 50 / 0 мощности, то на возбуждение метастабилей должно расходоваться более 100 / 0 мощности, а на возбуждение всех четырёх нижних уровней значительно более 150 / 0 подводимой мощности 29. В этом смысле в натриевом разряде дело обстоит совсем иначе: там находят себе простое объяснение даже значения для выхода излучения, близкие к 100 / 0, поскольку нет метастабильных состояний.

Противоречие, возникающее при попытке теоретически истолковать данные табл. 2, может быть разрешено только путём учёта ударов второго рода. При ударах второго рода метастабильные атомы ртути либо отдают свою энергию обратно электронам, либо переходят на уровень 6 3 Я 1; превращаясь в излучающие атомы. Возможно, что последний процесс играет значительную роль в механизме возбуждения линии 2537. Присутствие аргона должно значительно повышать число ударов второго рода, испытываемых метастабильными атомами. Во всяком случае приведённые данные свидетельствуют о том, что разряд в люминесцентных лампах является весьма экономичным источником коротковолнового ультрафиолетового излучения.

Наоборот, как источник видимого излучения этот разряд не выгоден. В последнем столбце табл. 2 приведены значения светоотдач самого разряда, и мы видим, что эти цифры ниже даже светоотдач ламп накаливания. Как уже указывалось выше, слабая интенсивность видимых линий также является преимуществом люминесцентных ламп. Наконец, из табл. 2 видно, насколько вредна форсировка режима ламп, выход резонансного излучения резко падает и возрастает роль видимых линий. К этому вопросу мы ещё вернёмся в разделе, посвященном выбору технических параметров люминесцентных ламп.

14 172.

ФАБРИКАНТ 9, ЛЮМИНОФОРЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМПАХ При выборе люминофоров для люминесцентных ламп приходится считаться с целым рядом обстоятельств. Прежде всего, эти люминофоры должны обладать большой чувствительностью к коротковолновому ультрафиолету. Затем эти люминофоры должны давать видимую люминесценцию с вполне определёнными спектральными характеристиками в смысле положения полосы люминесценсии в спектре и распределения энергии в полосе. Наконец, люминофоры для ламп должны быть вакуумными. е. при введении их внутрь электровакуумного прибора, каким является люминесцентная лампа, они не должны разлагаться и должны быть достаточно стабильными в присутствии ртутного разряда.

Последнее условие чрезвычайно усложняет подбор люминофоров для ламп. Зачастую приходится отказываться от весьма выгодных по своим оптическим характеристикам люминофоров, так как они не являются вакуумными; в указанном смысле слова. В настоящее время уж-е установился асортимент люминофоров, используемых в люминесцентных лампах. В табл. 3 сведены основные характеристики этих люминофоров по работе Одей и Цизель 30. Таблица 3 Основные люминофоры, применяемые в люминесцентных лампах Люминофор Цвет Полоса возбуждения Максимум чувствительности Полоса испускания Максимум испускания CaWO 4 MgWO 4 ZnSiO 3 ZnBeSiO 3 CdBO 3 Синий Сине-белый Зелёный Жёлто-белый Розовый Следует отметить, что коротковолновая граница полосы возбуждения 2200 А определена условно, так как применявшаяся аппаратура не давала возможности продвинуться дальше в сторону коротких волн.

Как показывают измерения Виза 31, выполненные при помощи вакуумного спектрографа, полоса возбуждения люминофоров простирается далеко за 1850, причём даже наблюдается второй, более высокий, максимум чувствительности в области 1850 А (см. рис. 10). К сожалению, данные Виза несколько противоречивы. У него наблюдается количественное расхождение между результатами измерения с вакуумным спектрографом и с монохроматором (для длины волн ^> 2200 А).

15 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 17 Силикат цинка Ф. Бутаевой 32 проделаны эксперименты, правда, носящие косвенный хдрактер, но указывающие весьма определённо на большую чувствительность люминофоров к линии 1850. Ф. Бутаева помеι волыррамот кальция ^ г woo то то ггоо гвооа Рис.

10. Чувствительность люминофоров к короткому ультрафиолету. ицала образцы люминофоров на близком расстоянии от ртутной кварцевой лампы ни кого давления и закрывала их фильтрами, пропускающими линию 2537 А (от 33 до 50 / 0) и отрезающими линию 1850. Оказалось, что при закрывании такими фильтрами яркость люминофора уменьшалась в большее следовало из коэффициента пропускания для линии 2537. Например, при пропускании фильтра 33 / 0 яркость уменьшалась для некоторых люминофоров примерно до 26 / 0, для других до 18 / 0 от начальной величины. Это свидетельствовало о том, 3 / что в возбуждении люминофоров \ существенную роль играет линия 1850, отрезаемая фильтром.

Как и следовало ожидать, все эффекты, связанные с линией 1850, исчезали при достаточно большом расстоянии между лампой и образцом люминофора. Известно, что воздух сильно поглощает линию. число раз, чем это На рис. 11 приведены кривые спектральной чувствительности люминофоров в области длин волн больших, чем 2200. Мы видим, что все они имеют максимумы чувствительности, лежащие близко от 2537 А и, следовательно, должны хорошо возбуждаться этой спектральной линией. Полосы испускания люминофоров охватывают, как видно из табл. 3, весь видимый спектр. В табл. 4. (\ ь - Силикат цинка волмррамнальция борат кадмия Г] γ \ Чц в &eta.μ Рис.

11. Чувствительность люминофоров в области длин волн больше 2200.

16 174. ФАБРИКАНТ Таблица 4 Распределение энергии в полосах люминесценции - Люминофор Длина волны максимума энергии Интенсивность по отношению к максимуму λ А CaWO 4 MgWO 4 ZnSiO 3 ZnBeSiO приведены количественные данные о распределении энергии в полосах' люминесценции, согласно Тетру и Бернсу. На рис. 12 изображены в одном масштабе результаты измерений Ф. Бутаевой люминофоров, синтезированных в ВЭИ. Долгополовым 34. Естественно, что на свойства люминофоров весьма сильно /30 ЮО MgN23 7 к \\ \ \ я 8, 8 / ю - I Be у \ \.

\/г / / X / / 1 /В 75 '

17 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 175 высокие требования к очистке исходных материалов для синтеза люминофоров.

Большую роль также играет активатор тяжёлый металл, придающий люминофбру его специфические свойства. Таким активатором в силикате цинка (виллемите) и цинк-бериллий силикате служит марганец. Марганец вообще является распространённым активатором люминофоров, причём свойства люминофоров, активированных марганцем, очевидно, тесно связаны со свойствами иона марганца Существует определённая концентрация 80 активатора, соот- 70 ветствующая максимуму выхода люминес- g SO ^.60 = ценции. В случае силикатов 46 эта концен- «S го трация порядка 1 / 8 в 0, W однако, точное значе- О 0 0, ние сильно зависит. ог or ι ton ряда обстоятельств Прочеит загаязнения (состав основного ве- Рис. 13. Влияние загрязнений на выход люмипро- несценции для бората кадмия, активированного щества, режим р марганцем.

калки и. д.). Мы не можем здесь вдаваться в детали технологии люминофоров и поэтому ограничимся сделанными краткими замечаниями. Теория твёрдых люминофоров, базирующаяся на представлениях об энергетических зонах твёрдого тела, находится ещё в зачаточном состоянии 37. Если эта^теория и даёт известную качественную картину механизма возбуждения излучения люминофоров, то, во всяком случае, все вопросы, так или иначе связанные с интенсивностью люминесценции, пока остаются без ответа. Объясняется это большой сложностью объекта. Поэтому синтез новых люминофоров идёт чисто эмпирическим путём, и удачный рецепт представляет секрет той или иной фирмы. IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIHIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 10. СЛОЙ ЛЮМИНОФОРА В ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМПАХ Люминофор наносится на внутренние стенки лампы в виде слоя мелкокристаллического порошка.

Размер отдельных кристалликов лорядка микрона. Размер кристалликов существенным образом влияет на выход люминесценции. В оптимальном случае на 1 см 2 поверхности лампы п'риходится примерно 1 2 мг люминофора, что соответствует -~ 10 9 кристалликов. Кристаллики при этом нагромождаются друг на друга (pilling) 38. Оптические свойства лампы зависят весьма сильно от структуры и толщины слоя люминофора. 3 УФН. XXVII, вып. 2

18 176. ФАБРИКАНТ При слишком тонком слое не происходит полного поглощения воз " буждающего ультрафиолета, при слишком толстом слое уже начинает сказываться вредное поглощение света самой люминесценции: в слое. Последнее усугубляется тем обстоятельством, что слой люминофора в лампах работает на просвете. е. свечение наблюдается со стороны, противоположной возбуждаемой.

Грубо говоря, можно рассматривать люминесцентную лампу, как замкнутую арматуру из молочного стекла. У такой арматуры кпд определяется, как известно 2, следующей простой формулой: где ρ коэффициент пропускания слоя, г коэффициент отражения слоя. При выводе формулы (1) учтены повторные отражения света от стенок. Если /? f- r= 1, то η всегда равна единице, независимо or толщины слоя. Наоборот, небольшие отклонения р-\-г от единицы уже вызывают заметное снижение кпд. Например, если ρ слоя, равно 0,3, а /- = 0,65. е. ρ- -г = 0,95, и поглощение при однократном прохождении слоя равно 0,05, то кпд, определяемый (1), уже оказывается равным 0,86. е. потери света достигают 0,14. Объясняется это многократными отражениями света в такой замкнутой полости.

Экспериментально установлено, что в обычных люминесцентных лампах η примерно равно 0,9. Вопрос об оптимальных характеристиках слоя люминофора приводит к довольно любопытно^ задаче из области оптики рассеивающих средин 89. Технология получения однородных слоев на внутренних стенках длинных трубок основана на использовании суспензий люминофоров в различных жидкостях. После нанесения их клеящее вещество удаляется. Имеется колоссальное число патентов, описывающих различные методы нанесения люминофоров. Здесь большую роль играют капиллярные свойства жидкой среды и адгезионная способность самого люминофора.

Поэтому оказываются весьма полезными небольшие присадки поверхностно-активных веществ. 11. ВЫБОР РАЗМЕРОВ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Теперь мы переходим к описанию технических образцов люминесцентных ламп. Как уже указывалось выше, до сих пор в люминесцентных лампах используется ультрафиолетовое излучение положительного столба разряда. Поэтому люминесцентные лампы имеют вид длинных трубок с большим расстоянием между электродами. При прочих равных условиях, чем больше длина лампы, тем выше её светоотдача, ибо там большая доля всей мощности расходуется в положительном столбе разряда, и тем меньшую роль играют потери у электродов (катодное и анодное падения).

19 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 177 На рис. 14 изображена светоотдача люминесцентной лампы, как функция её длины. Ясно, что с увеличением длины растёт мощность, потребляемаялампой.

Светоотдача достигает насыщения примерно при длине, Сдетоотдача лампо> бесяонечн 75 Длина βςη Рис. 14. Светоотдача люминесцентной лампы, как функция её длины. равной 120 см (рис. 14) 40. Диаметр лампы определяется необходимостью получить определённую температуру стенок, которой соответствует оптимальное давление ртутных паров. Эта температура зависит от мощности, потребляемой лампой, и от габаритов 100 " го / / / / / ш ш, Щ/ и, \ Οι JMQJlblib *^ температу О " too tzo /so Температура стенал, лампы В F Рис. 15. Светоотдача, как функция температуры стенок люминесцентной лампы. ламп. Слишком малый диаметр лампы приводит к повышению темпер-атуры выше дозволенного предела и тем самым к снижению выхода ультрафиолетового излучения, что, в свою очередь., влечёт за собою снижение светоотдачи лампы.

На рис. 15 изображена 3*

20 178. ФАБРИКАНТ еветоотдача люминесцентной лампы, как функция температуры стенок трубки 41. В табл. 5 приведены габариты низковольтных люминесцентных ламп. Мы видим, что 40-ваттная лампа представляет собой трубку более 1 м длиной и почти 4-сантиметрового диаметра. Такие боль- Размеры люминесцентных ламп Таблица 5 Мощность в ваттах Длина в сантиметрах. Диаметр в сантиметрах ;22,5 1,5 45 3,,3 шие габариты люминесцентных ламп во многих случаях являются их преимуществом, но иногда приводят к затруднениям (местное освещение). Кроме низковольтных ламп за последнее время получают всё более широкое распространение высоковольтные лампы 42. Их длина доходит до 250 см, а диаметр от 1,5 до 2,5 см.

Наконец, промелькнули в американской печати отрывочные сведения о выпуске в 1944 г., шаровых ламп. 12. ЭЛЕКТРОДЫ В ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМПАХ Люминесцентные лам, пы переменного тока обладают двумя одинаковыми электродами. Каждый электрод (одну половину периода тока служит катодом, а вторую половину периода анодом. В низковольтных лампах используются электроды в виде вольфрамовых биспиралей, покрытых оксидной пастой (см. рис. 6). Оксидная паста служит для снижения работы выхода электронов. При нормальном режиме электроды накаливаются самим разрядом в результате бомбардировки («самокалящиеся».) Для того, чтобы ограничить накал электродов, американцы до войны приделывали к ним «усы» из никеля, принимавшие на себя в анодный период часть тока.

Во время войны из соображений экономии никеля эти усы были упразднены 43. Сумма катодного и анодного падений лежит в пределах от 12 до 18 V 44. Как уже указывалось в предыдущем разделе, наличие этих падений заметно снижает светоотдачу коротких ламп. Любопытно, что оксидный катод не является в данном случае эквипотенциальным и работает одна яркая точка катода постепенно, по мере срока службы лампы, перемещающейся по катоду. Когда эта точка дойдёт от одного конца биспирали до другого, лампа перестаёт действовать. Очевидно, при этом дезактивируется вся

21 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 179 поверхность катода. В результате распыления электродов на концах трубки образуются кольцеобразные чёрные налёты*).

В высоковольтных трубках используются холодные катоды в виде цилиндров. Эти цилиндры обычно изготовлены из железа, меди или других металлов, обработанных с поверхности веществами вроде азида бария. Сумма катодного и анодного падений достигает сотен вольт, что заставляет делать весьма длинные и узкие лампы для увеличения доли мощности, приходящейся на положительный столб разряда 42. Срок службы холодных катодов очень большой, порядка часов 13. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Как и всякий газоразрядный прибор, люминесцентная лампа обладает довольно сложными электрическими характеристиками.

Bo-nepKbix, приходится различать два режима работы лампы: режим зажигания и режим нормального горения. Во-вторых, люминесцентная лампа обладает падающей вольтамперной характеристикой. е. с ростом^тока уменьшается падение напряжения на лампе. Всё это чрезвычайно усложняет схему включения люминесцентной лампы (низковольтной V). Приведём прежде всего электрические характеристики ламп при режиме нормального горения (табл. 6). Мы видим, что падение напряжения на лампах со- Таблица 6 Электрические характеристики низковольтных люминесцентных ламп Ватты. Сила тока в амперах. Падение напряжения на лампе. Напряжение сети - 6 0,15 45,30 56, ΙΟ- Ι, ΙΟ- Ι, ставляет не более 50 / 0 от сетевого напряжения.

Объясняется это тем, что потенциал зажигания газового разряда гораздо выше, чем падение напряжения на разрядном промежутке, когда разряд уже горит 16. Поэтому, при меньшей разнице между сетевым напряжением и падением на горящей лампе уже нельзя получить надёжное зажигание и устойчивую работу лампы. Ведь при работе лампы на переменном токе зажигание разряда должно происходить каждые *) Срок службы катодов примерно 3000 час. Распыление электродов ослаблено из-за присутствия аргона.

22 180. ФАБРИКАНТ цолпериода. На рис. 16 изображены осциллограммы тока и напряжения люминесцентной лампы 45. Лампа зажигается только тогда, когда мгновенное значение сетевого напряжения достигнет определённой величины, равной потенциалу зажигания*).

После этого падение напряжения на лампе Сетевое напряжение Сетевое налрятенг/е flaiemje ^ напвятения на Напряжение дросселе на лампе Напряжение на лампе Рис. 16. Осциллограммы тока, напряжения и светового потока люминесцентной лампы. Слева изображена векторная диаграмма напряжений для цепи с люминесцентной лампой. резко уменьшается и сохраняет в течение некоторого промежутка времени постоянную величину, почти вплоть до очередного потухания ламп. Выбор силы тока определяется желанием, с одной стороны, получить высокую экономичность, с другой стороны, необходимостью иметь лампы определённой мощности.

На рис. 17 изображён ряд кривых хода светоотдачи при различных силах разрядного тока 28. Из этих кривых видно, что с повышением тока светоотдача уменьшается. То же следует из данных табл. 2. Мы увидим ниже, что по той же причине 65- и 100-ваттные лампы обладают пониженной светоотдачей, несмотря на свои внушительные О габариты. Слишком малые токи Температура стеноп в "С соответствуют низким температурам стенок лампы и недоста- Рис. 17. Светоотдача при различных силах тока. точным значениям мощности. Несколько иные соотношения имеют место у высоковольтных ламп. В них падение напряжения достигает 1 2 kv и при силе тока та уже получается мощность W. Узкий диаметр ламп обеспечивает достаточную температуру стенок. Следует указать; что получение токов выше 100 та при использовании холодных катодов ещё вообще является весьма трудной проблемой.

*) Зажимание люминесцентных ламп весьма облегчено из-за присутствия аргона.

23 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП ЗАЖИГАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Схема включения низковольтной люминесцентной лампы должна обеспечить надёжное зажигание лампы и затем нормальный режим ё горения. Зажигание низковольтной лампы производится при помощи очень остроумного приспособления, называемого реле тлеющего разряда 46. Дело заключается в том, что для зажигания лампы необходимо сначала накалить электроды. При холодных электродах потенциал зажигания обычной низковольтной лампы достигает почти 1000 V. Наоборот, предварительный накал электродов вызывает сильную электронную _ эмиссию, облегчаю- ' щую зажигание разряда. Но как только произойдёт зажигание разряда, накал электродов должен быть Рэле а-нормально Ь-занорочено выключен, ибо электроды уже начинают Рис.

18. Принципиальная схема Рис. 19. Реле нагреваться самим разрядом. Обе эти опера- лампы. ряда. включения люминесцентной тлеющего разции включение Ή выключение накала. производит реле тлеющего разряда. На рис. ^изображена принципиальная схема включения низковольтной люминесцентной лампы (назначение дросселя будет объяснено ниже). Таким образом, параллельно лампе включено реле тлеющего разряда. Аналогичная схема применялась в своё время для натриевых ламп, но с выключателем вместо реле. На рис. 19 изображено это реле. Реле тлеющего разряда представляет собвй миниатюрную разрядную трубку, наполненную инертным газом с электродами, сделанными из биметаллических пластин.

В нормальном состоянии имеется небольшой зазор между пластинами (см. рис. 19, положение а). При наложении достаточного напряжения между пластинами вспыхивает тлеющий разряд. Тлеющий разряд вызывает нагревание электродов, изгибающихся^ в результате этого нагревания навстречу друг другу вплоть до соприкосновения (см. рис. 19, положение Ь). В этом положении реле, очевидно, закорочено и так как разряд прекратился, электроды начинают охлаждаться и, следовательно, выпрямляться, отходя друг от друга. Если приложенное напряжение остаётся прежним, то опять вспыхивает тлеющий разряд, и всё начинается. Возникают своеобразные колебания. Потенциал зажигания реле подбирается лежащим между сетевым напряжением и потенциалом зажигания люминесцентной лампы (с накалёнными электродами).

Поэтому в первый момент после включения разряд вспыхивает между электродами реле, но не лампы. Оба электрода лампы оказываются включёнными в сеть последовательно, но в этой цепи идёт очень маленький ток, ввиду большого внутреннего сопротивления реле.

24 182.

ФАБРИКАНТ Однако, через весьма короткий промежуток времени (доли секунды) происходит описанное выше закорачивание пластин реле. Сопротивление реле при этом падает почти до нуля, и ток, проходящий через оба электрода, резко возрастает, достигая нескольких сотен миллиамперов. Этот ток обычно превышает почти в два раза нормальный разрядный ток лампы. В результате электроды накаляются до весьма высокой температуры. Однако, и эта стадия продолжается доли секунды, ибо происходящее охлаждение электродов реле приводит к их выпрямлению и разрыву цепи. Теперь уже ситуация резко отличается от той, что была вначале. Электроды лампы благодаря тепловой инерции сохраняют свой накал, следовательно, обладают повышенной электронной эмиссией. Поэтому из двух параллельных разрядных промежутков лампа и реле лампа обладает теперь бцлее низким потенциалом зажигания, чем реле и поэтому разряд вспыхивает в лампе, а не в реле.

Если же πα какой-либо причине лампа не зажглась электроды лампы остывают и всё начинается сначала. Реле не «отстанет» от лампы, пока не произойдёт зажигание разряда в. Нужно сказать, что этот автоматизм работы реле, казавшийся сначала большим преимуществом, быстро стал крупным недостатком. Как только какая-либо лампа выходила из строя (дезактивировались электроды), начиналась своеобразная «сигнализация» %(ампа начинала «мигать». В больших цехах, где одновременно устанавливаются сотни и тысячи ламп, всегда может. йти из строя одна, две лампы. При таком «мигании» они резко бросаются в глаза, вызывая неприятный эффект, и кроме того, при длительной работе в режиме «мигания» сильно перегреваются дроссели.

В результате длительной работы в США выпущены новые «немигающие» реле. Выпуск этих реле сопровождался шумной рекламой (они названы «революционизирующими»., но конструкция их пока не описана*). Преимущество высоковольтных ламп состоит в отсутствии специальных устройств для зажигания. Высокое напряжение обеспечивает надёжное зажигание разряда. 15. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Переходим к режиму нормального горения лампы. Как уже указывалось, падение на лампе при этом примерно в два раза ниже напряжения сети. Значитj последовательно с лампой должно быть включено балластное сопротивление, поглощающее эту разность напряжений. Балластное сопротивление кроме того ограничивает разрядный ток лампы. Без балластного сопротивления, из-за падающей характеристики разряда 16, ток в лампе начал бы сразу после зажигания катастрофически возрастать и быстро разрушил бы электроды.

*) Есть описание только «немигающего» реле старого типа (см. книгу Амикк 40).

25 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 183 Ясно, что делать балластное сопротивление чисто омически бессмысленно, ибо это привело бы к превращению примерно половины подводимой мощности в джоулево тепло. Поэтому, в качестве балластного сопротивления используется дроссель, представляющий небольшую катушку медной проволоки, намотанной на железный сердечник. Конкретные конструкции дросселей для люминесцентных ламп весьма разнообразны изготовляются' десятками различных фирм. Присутствие дросселя облегчает зажигание ламп, так как благодаря его индуктивности в момент разрыва цепи реле возникает сильное перенапряжение.

объясните опыт см рис 9 показывающий что теплопроводность меди больше

Улучшение дросселей идёт по линии снижения потерь мощности и уменьшения габаритов. Потери компенсатор балласгг. в дросселях колеблются от 30 до 16 / 0 мощности ламп. Применение дросселей вызывает Рис 20. Схема включения двух люрезкое ухудшение коэффициента минесцентных ламп. В цепи одной v J >, /*Т из ламп [стоит конденсатор, создаюмощности (косинуса фи) установ- пами и улучки. У самой лампы, как это следует шающий фактор мощности, щ и й сдвиг фаз м е ж д у лам из осциллограмм рис. 16, коэффициент мощности равен примерно 0,95, а у лампы с дросселем только- 0,55. Поэтому приходится ещё усложнять схему включения лампы, вводя ёмкость для компенсации сдвига фаз. Наибольшее распространение получили включающие устройства для 2, 3 и 4 ламп одновременно.

На рис. 20 изображена схема такого устройства для двух ламп. Они более компактны и обладают меньшими потерями. В табл. 7 сведены характеристики наиболее распространённых типов включающих устройств. Включающие устройства для люминесцентных ламп Тип ламп Потери в em Фактор мощности Таблица 7 Примечание Для одной 15-ваттной.»» 15-».» двух 15-ваттных.» одной 20-ваттной.» двух 20-ваттных.» одной 40-ваттной.» двух 40-ваттных.» четырёх 40-»» одной 100-ваттной.» четырёх 100-ваттных 4,5 4,5 9,0 4,5 9,5 31,0 35,0 64,0 0,55 [0,90 0,95 0,55 1,00 0,90 0,95 0,95-1,00 0,90 0,95 0,95-1,00 0,95 1,00 0,95 1,00 Дроссель Дроссель с конденсатором Дроссель с конденс.

Дроссель с конденс.

26 184. ФАБРИКАНТ Интересно обратить внимание на то, что у более мощных ламп включающие устройства для двух и четырёх ламп имеют значительно меньшие потери (относительно), чем устройства для единичных ламп. Например, у 100-ваттной лампы 35 и 16 W (6434). Наличие четырёх контактов у низковольтной люминесцентной лампы заставляет применять специальные патроны, причём для каждой лампы нужны 2 патрона. Около одного из патронов в специальном гнезде укрепляется реле тлеющего ллллллллллллллялл/ разряда. Для высоковольтных ламп также применяются специальные патроны, но более о простой конструкции. \ Включающие устройства на две и более л а м п д а ю т Л Л Л Л Л возможность устранить один "*' Ч/л/к/ Ч/Ц, недостаток люминесцентных ламп, так.

из-за недостаточной инерционности люминофоров они создают сильные стробоскопические эффекты. На рис. 21 в одном масштабе изображены кривые изменения по времени светового потока ламп накаливания и люминесцентных. В табл. 8 приведены Рис. 21. Осциллограммы количественные данные для глубины модуляции светового потока за период пересветового потока люминесцентных ламп. гменного тока 47. а) одна лампа, *) две лампы со В табл. 8 колебания светового потока. сдвигом Фаз р. дтря лампь, на 200-ваттной лампы накаливания условно приняты за единицу. Три люминесцентные лампы, включённые на три разные фазы трёхфазного тока, дают из-за сдвига фаз результирующую кривую с меньшими колебаниями, чем даже 40-ваттная лампа накаливания.

Две лам- Таблица 8! пы включены по схеме рис. 20. Одна лампа включена только с дросселем, другая с дросселем и ёмкостью, что создаёт сдвиг по фазе одной лампы по отношению к другой, и обе лампы дают вместе доста- Колебания светового потока ламп за период переменного тока Лампа накаливания Три люминесцентные лампы фазы Лампа накаливания 40 на три Две белые люминесцентные лампы. Две дневные люминесцентные лампы Одна белая люминесцентная лампа. Одна дневная люминесцентная лампа точно сглаженную кривую. При этом фактор мощности близок к едиг яйце. В некоторых специальных случаях. (на железнодорожном транслорте) люминесцентные лампы применяются в цепях постоянного тока 48.

Тогда, естественно, приходится вводить омическое сопротивление, роль которого обычно выполняют лампы накаливания. Ясно,

27 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 185 «что в этих случаях экономичность установок с люминесцентными лампами оказывается сниженной. Имеются отрывочные указания на то, что в США построены люминесцентные лампы без балластного сопротивления, но нет данных об их экономичности и сроке службы. 16. СВЕТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Рассмотрим подробнее световые характеристики люминесцентных ламп. На рис. 22 в виде подробной диаграммы представлен весь баланс энергии 40- ваттной люминесцентной лампы.

Из этой Люминесцентная лампа потребляет диаграммы следует, 17 IW что в люминесцентной t 4 лампе 18,5 / 0 подводимой мощности превращается в видимый ί Ультрафиолет 55% Тепло 43 % нагрев Ц амия 2$3? Л электродов и налби свет. е. энергетический кпд люмине- 3CoSfT)'6 г /itfmuhoqtop превращаем у ^ 7 51 лг tffl?sf}jfo /3,3W к сцентной лампы примерно в полтора раза выше, чем у 100-ваттной лампы накаливания (см. табл. 1).

Можно посмотреть сборник рецептов.
г., 0, Ц в масштабе Г в 1 см. Рис. 9 что ноги больше вязнут в и объясните опыт.

Лучистее тепло 10,6V27,2% Нонвв/гция и теллопрозовноаь 21 7 W $4,3% Рис. 22. Баланс энергии 40-ваттной люминесцентной лампы. Однако, это увеличение энергетического кпд не является единственной и, пожалуй, даже не главной причиной высокой экономичности люминесцентных ламп. В табл. 9 приведены световые характеристики, люминесцентных ламп, ЖГИШШЕШЖШПЖ! 50 П Дл волн 6 ти Рис. 23. Распределение энергии в спектре белой лампы. Площадь прямоугольников изображает в соответствующем масштабе энергию линий ртутного спектра. со всей отчётливостью подтверждающие это обстоятельство.

Мы видим, что светоотдача белых 40-ваттных ламп достигает 52,5 лм\вт, что в 3,4 раза превышает световую отдачу 100-ваттной лампы накаливания (15,5 лм\вт). Светоотдача зелёных ламп достигает 75 лм\вт. Эти цифры показывают, какое огромное значение имеет распределение энергии уже в пределах видимого спектра. Основной причиной высокого светового кпд белых люминесцентных ламп является выгодное распределение энергии в видимой части их спектра. На рис. 23, 24 и 25 изображены спектральные кривые белой, дневной и мягко-белой люминесцентных ламп. Для получения таких спектральных кривых приходится применять смеси

28 Светоотдача люминесцентных ламп Таблица 9 00 Мощность в вт зо Цвет лампы U я в о м я о U я S β о и Я о U и 3i о а я U и я N U я о я я о и я о я ^ U я га ω si о а 0-5- αϊ с Белый.

Дневной. Мягко-белый,5 42, ЮС,5 > 1 Синий Зелёный Розовый Золотистый 3^ Красный

29 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 187 люминофоров, описанных в разделе 9. Например, в белой лампе используется в качестве основного люминофора цинк-бериллий силикат и к нему добавлены небольшие количества бората-кадмия и вольфрамата магния 47. В дневной лампе процент люминофоров с голубым свечением значительно выше, чем в белых лампах. К сожалению, для смесей люминофоров не выполняются обычные законы смешения 39, поэтому подбор смесей ведётся чисто эмпирически Длвапн втр Рис.

24. Распределение энергии в спектре дневной лампы. \.Φ ι с шшзш:01 купг, w чоо еоо то Дл. волн в mfi Рис. 25. Распределение энергии в спектре мягко-белой лампы. Ф.

похожие документы

Бутаева 26 подсчитала средние коэффициенты видности для спектральных кривых белой и дневной ламп. Оказалось, что для белой лампы этот коэффициент равен 0,50, а для дневной 0,44, световой кпд излучения 310 и 245 лм\вт. Для 100-ваттной лампы накаливания тот же коэффициент равен всего лишь 0,21. Объясняется это тем, что у белых и дневных люминесцентных ламп гораздо ^большая доля энергии сосредоточена в центральной части видимого спектра, соответствующей максимуму чувствительности человеческого. Различие в светоотдачах белой и дневной ламп объясняется спектральными характеристиками. Мягко-белые лампы, дающие более приятный свет, обладают значительно меньшей светоотдачей, как раз благодаря тому, что у них искусственно снижена центральная часть спектральной кривой.

Наоборот, колоссальная светоотдача зелёной лампы частично объясняется тем, что всё излучение этой лампы (содержащей ZnSiO 3) сосредоточено в узкой области, близкой к максимуму чувствительности. Выбор форм спектральных кривых для люминесцентных ламп определялся колориметрическими соображениями. Лампа дневного света подгонялась к источнику С (см. раздел 2). Лампа белого света примерно соответствует цветовой температуре 3500 К На рис. 26 изображены на равноконтрастном графике цвета тест-объектов при освещении люминесцентными лампами GEC и ВЭИ. Точки C v C 2 и. д. соответствуют цветам тест-объектов при освещении эталонным источником С 5.

30 188.

ФАБРИКАНТ В табл. 10 χ и у цветовые координаты, ρ коэффициент отражения тест-объектов. Наиболее важными являются величины AS, дающие в числе порогов изменённые цвета тест-объекта. Мы видим, что AS f. е. искажения цветопередачи при освещении люминесцентными лампами дневного света; не превышают одного-двух порогов. Коэффициенты отражения почти не изменяются. Таким образом, люминесцентные лампы дневного света практически совпадают по своим колориметрическим характеристикам с источником С и дают действительно настоящий дневной свет, а белые люминесцентные лампы дают свет, несравненно ϊίί более белый, чем лампы Ь* 0 накаливанияьго Рис.

26. Цветопередача при освещении люминесцентными лампами дневного света. 17. ПРИМЕНЕНИЕ ЛЮМИНЕ- СЦЕНТНЫХ ЛАМП При практическом применении экономичность установок характеризуется, цифрами более низкими, чем приведённые в табл. 9. Таблица Ш Колориметрические характеристики люминесцентных ламп дневного света Тест-объекты Источник С Лампа QEC Ла-мпа ВЭИ 5 6 Цвет JO Ро X У AS Ρ X У AS Ρ Белый. Жёлтый. Красный. Малиновый Синий. Голубой. Зелёный. 0,310 0,458 0,546 0,382 0,200 0,188 0,201 0,316 0,461 0,320 0,208 0,144 0,221 0,514 1,0 0,58 0,14 0,14 0,12 0,20 0,21 0,311 0,460 0,555 0,378 0,206.

0,188 0,222 0,327 0,449 0,323 0,195 0,150 0,262 0,485 0,3 Q,7 0,7 1,0 0,7 2,1 1,3 1,0 0,62 0,15 0,15 0,11 0,19 0,21 0,316 0,476 0,552 0,391 0,206 0,200 0,234 0,336 0,488 0,324 0,214 0,141 0,254 0,508 0,9 0,7 0,6 0,6 0,7 1,8 1,7 1,0 0,61 0,14 0,14 0,11 0,19 0,21

31 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 189» Объясняется это тем, что необходимо учесть потери во включающем устройстве и определять светоотдачу, как отношение светового потока ко всей мощности, потребляемой установкой. Таблица 11 Тогда мы получим данные, Светоотдача установок с люминесцентсведённые в табл.

11. ными лампами в лсм/вт Таким образом, несмотря на указанную поправку, светоотдача установки с 40-ваттными белыми люминесцентными лампами достигает 44 лм\вт. е. почти в три раза превышает светоотдачу 100- ваттных ламп накаливания. Разница настолько велика, что становится понятным, какой грозный конкурент появился у ^^^^ Мощность ^\- в вот Цвет ^^\^^ Белый. Дневной. Мягко-белый. лампы накаливания. Нужно сказать, что кроме высокой экономичности и цветности люминесцентные лампы обладают ещё рядом серьёзных преимуществ по сравнению с лампой накаливания. Для целей общего освещения больших помещений (цехов заводов, общественных зданий) положительным качеством люминесцентных ламп является их низкая поверхностная яркость. Вместо сотен стильбов у нити лампы накаливания люминесцентная лампа имеет яркость от 0,15 до 0,75 стильба.

Поэтому люминесцентные лампы не оказывают слепящего действия на глаза и могут применяться в открытых ко- I 60. 1 ' Ь рытообразных арматурах 49. В США широко распространены осветительные установки с люминесцентными лампами. Обычно из ламп образуют сплошные светящиеся линии, создающие равномерное рассеянное освещение 60. Далее, серьёзным преимуществом люминесцентных ламп является их большой срок службы часов для низковольтных ламп и часов для высоковольтных. После'W0 часов 25 SO 75 от полного орона Между прочим, данные о светоотдаче ламп службы Рис. 27. Спад светоотдачи в течение срока в табл. 9 приведены послужбы лампы.

еле первых 100 часов горения. За эти 100 часов светоотдача падает довольно сильно на Ю / о том, как в дальнейшем светоотдача снижатеся весьма медленно. На рис. 27 изображена

32 190. ФАБРИКАНТ кривая спада светоотдачи со временем службы люминесцентной лампы 5l. Иногда возникает вопрос, не вызывает ли применение люминесцентных ламп повышения расхода таких дефицитных материалов, как медь и другие металлы. В США во время войны этот вопрос встал особенно остро. На первый взгляд кажется, что необходимость применения включающих устройств безусловно должна привести к большему расходу меди, чем в случае ламп накаливания.

Однако, расчёт/произведённый Кэверли 52, показал, что Это не. В табл. 12 приведены результаты этого любопытного расчёта. Из Таблица 12 Расход меди и стали при освещении люминесцентными лампами и лампами накаливания Тип установки Генератор распредел. сеть Медь (кг) Сталь (кг) Установка Медь (кг) Сталь (кг) Медь (кг) Полный расход Сталь (кг) Лампа накаливания (2,5 500 W) в рассеивающей арматуре. Люминесцентная лампа Полная экономия табл. 12 прежде всего видно, что наибольшие количества меди и стали расходуются на самой электростанции в генераторах и в распределяющих электроэнергию сетях. Поэтому снижение расхода электроэнергии (при той же освещённости) приводит к такой большой экономии этих материалов (за счёт уменьшения мощности генераторов и уменьшения сечения проводов), что эта экономия с избытком перекрывает возрастание расходов материалов на саму осветительную установку.

В результате, как это ни парадоксально, лолучается даже, некоторая общая экономия меди и стали. Мы не можем здесь останавливаться на вопросах стоимости освещения люминесцентными лампами, но они, несмотря на их относительно высокую стоимость, быстро окупаются и потом дают экономию 63. В заключение настоящего раздела, приведём некоторые статистические данные о распространённости отдельных типов люминесцентных ламп. ч По спектральному составу наибольшее распространение имеют белые лампы (65 / 0), 30 / 0 всех установленных ламп составляют дневные, остальные цвета 5 / Объясняется такое соотношение более высокой экономичностью белых ламп их более приятными цветовыми свойствами.

Лампы дневного света, главным образом, -применяются там, где важна точная цветопередача. Мягко-белые

33 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 191 лампы дают очень приятный свет, но их широкое применение ограничено сравнительно низкой светоотдачей. Имеются также характерные данные о потреблении люминесцентных ламп различных мощностей. Естественно, что наиболее распространёнными являются 40-ваттные лампы, составляющие примерно 70 / 0, затем идут 20-ваттные 20 /0, остальные типы 10 / ПУТИ ДАЛЬНЕЙШЕГО УЛУЧШЕНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП Несмо'тря на свои огромные преимущества по сравнению с лампами накаливания, люминесцентные лампы, конечно, не лишены некоторых недостатков. Кроме того, сами преимущества люминесо го w 60 so Температура окружающего воздуха 8 "F Рис.

28. Светоотдача люминесцирующей лампы в зависимости от температуры окружающего воздуха. Обдувание вызывает снижение температуры стенок. Наоборот, заключение лампы в герметичскую арматуру повышает температуру стенок. центных ламп могут быть значительно усилены при их дальнейшем усовершенствовании. Можно без особого преувеличения сказать, что люминесцентная лампа образца 1943 г. так относится к люминесцентной лампе будущего, как угольная лампа к биспиральной газополой лампе накаливания. Ведь мы присутствуем при самой первой стадии развития люминесцентных ламп. Поэтому особенно важно представить себе, хотя бы в общей форме, те принципиальные пути, идя по которым можно будет достигнуть значительного улучшения характеристик люминесцентных ламп.

Естественно, что многое в этой области ещё неясно и весьма дискуссионно. Основной недостаток обычных люминесцентных ламп это чувствительность к внешней температуре. На рис. 28 изображена светоотдача лампы в зависимости от 4 УФН. XXVII, вып. 2

34 192. ФАБРИКАНТ внешней температуры. Такая зависимость вполне естественна, так как внешняя температура сильно влияет на температуру стенок лампы. Оптимальная внешняя температура соответствует 25 С При снижении внешней температуры на 1 С световой поток лампы снижается примерно на 1,5 / 0. При температурах ниже 0 С вымораживается ртуть, и лампы плохо зажигаются. Делались попытки приспособить обычные люминесцентные лампы для работ при низких температурах путём понижения давления аргона".

Однако, эти попытки приводят к заметному снижению светоотдачи и срока службы. Для построения люминесцентных ламп, работающих при любых температурах, целесообразно было бы отказаться от использования ртути. Лампы, наполненные только инертным газом, обладали бы нужными температурными свойствами, но эксперименты, проведённые с инертными газами целым рядом исследователей (Дженкинс Фонда и др. 66), пока дали весьма неутешительные результаты в смысле светоотдачи. Основной причиной, ограничивающей светоотдачу люминесцентных ламп, считают невыгодное соотношение между длиной волны возбуждающего излучения и длинами волн люминесценции.

Как известно, резонансное излучение инертных газов лежит в пределах от 584 А для гелия до 1469 А для ксенона. Если считать, что в лучшем случае на каждый квант возбуждающего излучения получается один квант излучения люминесценции, то энергетический выход лиминесценции при возбуждении шумановской областью должен лежать в пределах примерно от 0,10 до 0,30 (считая среднюю длину волны люминесценции равной А). Справедливость квантового закона выхода люминесценции, впервые высказанного и установленного. Вавиловым, была проверена экспериментально для целого ряда жидких и твёрдых люминофоров 86.

Невозможность «размена» одного «крупного» коротковолнового кванта на два и более «мелких» квантов сильно снижает принципиальный предел для светоотдачи даже обычных люминесцентных ламп, использующих ртутные линии 1850 и 2537. В них энергетический выход люминесценции не может, согласно этому закону, заметно превышать примерно 0,5. Тэйер и Берне 28 произвели соответствующие подсчёты измерения для 1,5-ваттных ламп 2,5 см диаметра, покрытых различными люминофорами. Максимальная возможная светоотдача Е м подсчитывалась следующим образом: Е м = 621 С/? Х 0,45 Х 0,90 = 251 С 7?

лм\вт, (2) где 621 число люменов на ватты лучистой энергии дл? 5560 А> С коэффициент видности излучения люминесценции, определяемый из спектральной кривой, R. квантовое отношение усреднён-

35 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 193 ное отношение энергии кванта люминесценции к энергии возбуждающего кванта, 0,45 доля мощности лампы, превращаемая в линию 2537, 0,90 η кпд рассеивающего слоя лампы (см. раздел 10). В табл. 13 приведены результаты расчётов измерений Тэйера и Бернса. Они почему-то не выполнили тех же подсчётов для практически интересных случаев белой и дневной ламп.

Такие расчёты по формуле (2) были сделаны Ф. Бутаевой 26 и дали следующие результаты: для белой лампы 50 лм\вт, для дневной лампы 55 лм\вт. Однако, эксперименты Ф. Бутаевой 39 с фильтром, отрезающим линию 1850, проведённые уже внутри люминесцентной лампы Таблица Определение квантового выхода для люминофоров путём сравнения расчётов измерений 15-ваттных ламп ГЗ Люминофор Коэффициент ВИЦНОСТИ с Квантовое отношение R Вычисленная светоотдача Ем Наилучшая измеренная светоотдача*) Квантовый выход. Энергетический выход CaWO, MgWO 4 ZnSiO 3 (Zn, Be)SiO 3 CdSiO 3 CdB 2 O 5 0,21 0,37 0,78 0,55 0,53 0,34 0,58 0,53 0,48 0,43 0,42 0,70 0,70 0,74 0,53 0,55 0,66 0,41 0,37 0,36 0,23 0,24 0,27 (люминофором было покрыто маленькое пятнышко на стенке, которое закрывалось фильтром, см.

раздел 9), показали, что кроме линии 2537 А в возбуждении люминофоров примерно в равной мере участвует линия 1850. Отсюда следует, что формула (2) для расчёта Е м неверна и приведённые в табл. 13 значения предельных светоотдач значительно преуменьшены. Значения квантового выхода, наоборот, завышены примерно в два раза, так как при расчётах учитывалась только линия 2537, а измерялась по существу суммарная яркость люминофора, вызванная обеими линиями 2537 и 1850. К сожалению, пока неизвестна интенсивность линии 1850, нельзя точно рассчитать принципиальный предел светоотдач для люминесцентных ламп с ртутными парами. *) При измерениях исключалось 4 лм/вт. излучение самого разряда, дающей 4*

36 194. ФАБРИКАНТ Во всяком случае, согласно закону квантового выхода эта светоотдача не может превышать 621 С χ R.

е. для белых ламп 128 лм\вт, а для дневных 134 лм\вт. Такие светоотдачи получились бы при 100 / 0 -ном превращении мощности в линию 2537 А и при квантовом выходе люминесценции, равном единице. Эти светоотдачи весьма высоки, но всё же значительно меньше 220 лм\вт для идеального источника света (см, раздел 3). Напомним, что при этом средний коэффициент видности у белых ламп почти в полтора раза выше, чем у «идеального источника» (см. раздел 3), благодаря заметным отклонениям спектральной кривой белой лампы от спектральной кривой температурного излучателя. Возникает невольно вопрос, не могут ли быть отклонения от закона «квант на квант».

е. не может ли наблюдаться «размен» крупных квантов на несколько мелких. При оптическом возбуждеяии люминесценции паров натрия такой "«размен» квантов, как известно, наблюдается 60. При возбуждении линии в 33 пары натрия испускают три линии, и 5889,96 и 5895,93. При возбуждении атомы «'я натрия подымаются на уровень 4 2 А/, i/ a, переходя с этого уровня на уровень -4 2 а/, испуская линию, затем с 4 2 / 2, на З 2 /» /./, испуская линию и, наконец, с уровня 3 2 Pi/ a,»/, на уровень 3 2 5i /a, испуская линию 5889,93 (рис. 29). Возможно, что будут созданы люминофоры (особенно с участием редких земель), обладающие аналогичными свойствами.

Это сразу резко подымет принципиальную границу светоотдачи люминесцентных ламп и сделает реальным создание безртутных люминесцентных ламп с большой светоотдачей. Рис Схема «раз- Наконец, необходимо упрощение схемы мена» кванюв при включения ламп. Несмотря ла всё остроумие флуоресценции паров натрия. принципа действия реле, сложность схемы включения безусловно является недостатком люминесцентных ламп. Здесь перспективным является развитие лампы с холодными электродами. Как будто бы есть надежды на создание электродов с большой холодной эмиссией электронов *). *) В американских журналах появились сообщения о новом включающем устройстве, разработанном в трансформаторной лаборатории ДЖИИ. Новое устройство зажигает лампы без реле, но при этом лампы старого типа быстро выходят из строя.

С 1 мая 1944 г. начат массовый выпуск 40-ваттных ламп нового типа с нормальным сроком службы при работе с новым включающим устройством.

37 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 195 ДОПОЛНЕНИЕ 1. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ Во время войны были выпущены совершенно своеобразные люминесцентные лампы, дающие, главным образом, невидимые ультрафиолетовые лучи. Сначала ультрафиолетовые люминесцентные лампы изготовлялись в виде длинных узких трубочек на переменный ток напряжением 120V, затем эти лампы приняли вид колб, вроде изображённой на рис.

30, и рассчитаны на питание постоянным током с напряжением V е 1. Катод Кроме конструкции претерпел также изменение и люминофор, нанесённый на станке лампы. В старом типе, очевидно, использовался вольфрамат-кальция, Рис. 30. Ультогда как в новых лампах применён специальный люминесцентная люминофор 360 5, обладающий максимумом излучелампа постоянния на длине волны 3650 А (рис.

Рабочая программа 8 класс физика

31). Ультрафиоле- ного тока 24 V. товые лампы применяются с чёрным фильтром Вуда, хорошо пропускающим длинноволновой ультрафиолет в районе 3650 А и полностью поглощающим видимое излучение. Сочетание ультрафиолетового люминофора с фильтром Вуда даёт возможность создать прекрасный источник излучения для возбуждения лю- Π Η!' "\ Π ί 1 Ν 1 π In * зоо т 500 BOO Дл вапнвтр Рис. 31. Распределение энергии в спектре ультрафиолетовой люминесцентной лампы. минофоров, нанесённых на шкалы приборов самолёта. При этом отсутствуют всякие блики от приборных стекол, так как возбуждающая лампа практически не даёт видимого света. При использовании ультрафиолетовых люминесцентных ламп уже имеют место две последовательные трансформации излучения.

Сначала в самой лампе коротковолновой ультрафиолет разряда превращается люминофором 360 В в длинноволновой ультрафиолет, а затем этот ультрафиолет, попадая на люминесцирующие надписи, превращаете» в видимое излучение. Как показывают измерения, несмотря на такую двойную трансформацию, применение люминесцентных ультра, фиолетовых ламп весьма эффективно.

38 196. ФАБРИКАНТ Естественный свет Исключит, чистое голубое сев. зап. небо Голубое сев. зап. небо Голубое небо с тонкими белыми облаками Голубое небо _ ш Равномерно затянутое облапами небо ДОПОЛНЕНИЕ 2. Цветовая температура "ff \ ' ' \-12000'-_ Искусствнные источники Синие фильтри 5 Ш Н Н 1 голуб.+2 дн люм лп. 1 голуб+4 дн люм л η Iголуб + 8 дн люм лп Дневная люм лη Среднее полуденное СОЛмце ЗчЗОм η полд 4 ч 30 м η полд 2 ч 1 ч 30 м ЗОн 20» Зосясоа 5500 ΞΕ 5000 ^ 4500 ^ ~ 3000 ^ ~4-дн + /бел лн>м лп Здн * 16 ел люм лп ш 1 дн *1 бел люм /ιη -Дн фотолампа \дн * \Ьел люм.

лп - 500V Mazda дн лп нап > Фотовспышка 150h/ Mazda дн лп мая^ белая люм лп С Φ фотолампа Газополн Пустоп Обычные лампы накаливания

39 ФИЗИКА И ТЕХНИКА ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП 197 ЛИТЕРАТУРА 1. S. Hibben, J. &Epsilon. S. Trans., 34, 855, Б. Ф. Федоров, Общий курс светотехники, 2 изд., М. Л., L. Ickis, &Eta. Η ay nes, G. E. R., 42, 145, 1939; Metropolitan Vickers Gazette, 20, 342, H. Т. Федоров, Общее цветоведение, М., D. Nicker so η, J. &Epsilon. S., Trans., 34,1233, E. Ратнер и Д. Шкловер, Бюлл. ВЭИ, 5, 35, A. Taylor, 111. Eng., 35, 625, D. Indd, JOSA, 22, 65. Иванов, Электрические источники света, ч. 1, &Mu. Л.' F.

Mohler, JOSA, 29, 152, Т. Kollian, JOSA, 28, 49, A. Becquerel, Ann. de phys. et chim., 55, 93, 1859; La Lumiere, Paris, P. В уд, Физическая оптика, М. Л., G. Claude, C. R., Paris, 203, 207, 1206, J. Randall, Journ. Roy. Soc. Arts, 135, 4398, Электронные ионные приборы, ГЭИ, &Mu. Л., 1940, стр W. Elenbaas, Physica 1,211, 678, 1934; 2, 45, 1935; De Ingeneur, 50, 83, Д. Романский, Физика газового разряда, М. Л., 1937* 17. М. Druyvesteyn, F. Ρ е η η i ng, Rev. Mod. Phys., 12, W. Penney, Phys. Rev., 39, 467, F. Arnot, G. Baines, Proc. Roy.

Soc, 151, 256, 1935; P. Bricout, Journ d. Phys., 9, 88. Фабрикант. Цир, ДАН, 16, 279. Пан ев к ин, ЖЭТФ, 9, 1007, M.Druy vesteyn, N. Wa rmol tz, Phil. Mag., 17, 1. Фабрикант, ДАН. Ф а б р и к а н т, ЖЭТФ, 8, 5i9, 1938; &Mu. Τ ο u η s e π d, Tr. AJEE, 61, 607. Found, &Epsilon. Ней nelly, Доклад на 34-м годовом собрании Амер. об-ва инжен. светотехн., Ф. Бута ев, ДАН, 27, 654, J. Marden, N. Beese, G. Meister, JOSA, 30, 184, R. Thayer, B. Barnes, JOSA, 29, 131, Ф. Бутаеваи. Фабрикант, Изв. АН СССР, сер. физич., A. Oday, R. Cissel, J. E. S. Trans., 34, 1165, N. Beese, JOSA, 29, 278, 1939; J.

Marden, N. Beese, 111. Eng., 36, 235, Ф. Бута ев, Техн. отчёт ВЭИ, 1944; ЖТФ, 1945 (готов, для печати). 33. J. Marden, G. Meister, J.

Кипячёной обязанностью с изображениями для выхода пара, темпуру и террины.

E. S. Trans., 34, 503. Долгополо, Бюлл. ВЭИ, 5, 29, Kreger, Диссертация 1940 (Голланд.). 36. G. Fonda, J. Phys. Chem., 43, 564, &Phi. Зейтц, Р. Джонсон, Успехи физич. наук, 29, 89, N. Mott, R. Gurney, Electronic Process in ionic crystals, Oxford, H. Leverenz, Pr. J. R. E., 32, 256. Л ев шин. Антонов-Романовский и Д. Блохинцев. Изв. АН СССР, сер. физич., 1944 (в печати). 38. J. Marden, G. Meister, 111. Eng., 36, 1286, &Phi. Бутаева. Долгополов. Фабрикант, Изв. АН СССР, сер. физич., 1944 (в печати). 40. A m i с k, Fluorescent Lighting Manual, Me. Graw НИ, &Nu. &Upsilon., &Epsilon. Β eggs, Lighting a. Lamps, 42, &Nu. 5, 18.

С h a π η ο u. В а г г., 111. Eng., 37, 769, 1942; W. P h i 11 i p s, Electrical

40 198. ФАБРИКАНТ Wordl, Apr., 17, ; A. Ban. Cutler, Electrical Wordl, May, 1, 38, 1943; J. Sabatini, 111. Eng., 38, 171, D. Caverly, 111. Eng., 38, 133, J. Marden, G. Meister, J. E. S. Trans., 34, 1095, R. F. Hays, D. Gust in, J. E.

S. Trans., 35, 939, R. Hays, Electronics, 13, 14, 1940; El. Eng., 60, 226, &Epsilon. Β eggs, Lighting a. Lamps, 42, N. 4, 14, 1942; R. Neumann, Electronic Engineering, 16, 202, Railway, Electr. Eng., 31, 135, W. Potter, W. Da r ley, 111. Eng., 35,759, 1940; F. Winkler, HI, Eng., 37, 220, 1942; D. Severance, ibid., 38, 49, 1941; R. Dag las, D. Adams, 111. Eng., 38, 141, G. Taylor, Ill.Eng., 36, 1414, 1941; W. Brown, Mag. Light, 5, 20, 1941; K. Frank, 111. Eng., 37,217,1942; M. Luc ki esh, F. Μ oss, 111. Eng., 37,81, 1942 (общие сведения); R. А с к е г 1 ey, Electr. Eng., 63,203,1943 (английск.); &Epsilon. Cleaver, India Rubber World, 102, 33, 1940 (резина); R.

Hays, El. Eng., 60, 539, 1941; 111. Eng., 36, 570, 1941 (самолёты); I. Long, Rayon, Textill Monthly, 22, 179, 1941; G. Taylor, Cotton, 105, 105,1941; D. Caverly, 111. Eng., 36, 489, 1939 (текстиль); &Epsilon. Derrah, G. &Epsilon. R., 46, 593, 1943; Steel, 106, 42, 1940; Lighting Rev. Dec, 19, 1912 (авиаприборы); R. Blain, Telephony, 120,9, 1941; B. Durden, Telephon Eng., 45, 23, 1941 (телеф. станции); El. World, 120, 77, 1943 (метро); Power, Plant. Eng., 4$, 67, 1942 (ж. д.), Architect. Record, Apr., 69, 1943 (безоконный артил. завод); Mag.

Light, I, 13, 1943 (подземные заводы); El. Times 102; 30, 1942 (картинные галлереи). 51. Amick, loc. cit. 52. D. Caverly, 111. Eng., 38, 133, B. Greenberg, 111. Eng., 37, 165, 1942; Lighting a. Lamps, 41, 19, P. S. Miller, Electrical Eng., 63, 126, G. Fonda, H. Huthsteiner, JOSA, 32, 156, S. I.Vavilov, ZS. Physik, 42, 311, 1927. Фабрикант, Sow. Phys., 3, 567, 1933; G. Harrison, P. Leighston, Phys. Rev., 38, 5, 1932; Соломин, ДАН. Christensen, G. Rollefson, Phys. Rev., 34, 1157, Eng., 39, 235, 1944; Lighting a. Lamps, Apr E. Beggs, JOSA, 33, 61, 61, Г 943; G. E.

R. Jan., Обзоры 1. Вавилов, Изв. АН СССР, сер. физич. Морин, Амер. Техн. и Пром., 19, 1 2, 31. Черно усов, Электричество. Amick, Fluorescent Lighting Manual, Me Graw Hill, N. Y., P. S. Miller, Electrical Engineer, 63, 126, L. Davis, H. Ruff a. W. Scott, J. J. &Epsilon. &Epsilon. (London) 89, 447, 1942, (англ. люмин. лампы). 7. R. Neumann, Electronic Engineering, 16, 154, 202, 1943 (историч. очерк).

Показать еще

1
15.05.2018
Сетракович
Ретро-стиль будет так же в моде.