Газовые разряды, излучающие в ультрафиолетовом диапазоне, и люминесцентные лампы, содержащие такие газовые разряды

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при изготовлении источника ЭМ-излучения, не содержащего ртуть. Техническим результатом является повышение эффективности излучения. Источник ЭМ-излучения, не содержащий ртуть, содержит возбуждаемые кислород-, азот- или углеродсодержащие радикалы, эмитирующие излучение с длиной волны в диапазоне от около 254 нм до около 410 нм. Источник светового излучения содержит источник ЭМ-излучения и, по меньшей мере, фотолюминесцентный материал, способный возбуждаться ЭМ-излучением, эмитируемым источником, и порождать ЭМ-излучение в видимом волновом диапазоне. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к газоразрядным лампам, имеющим источник излучения в волновом диапазоне УФ-А-излучения. В частности, настоящее изобретение относится к люминесцентным лампам, имеющим газоразрядный источник УФ-А-излучения, излучение которых осуществляется в видимом электромагнитном спектре.

Газоразрядные парортутные люминесцентные лампы широко используются для освещения. В этих лампах небольшое количество ртути и инертного газа, такого как аргон, криптон или ксенон, заключено в запаянной стеклянной трубке, имеющей электрод на каждом конце. Во время работы разряд генерируется между электродами, при этом атомы ртути возбуждаются на высоком энергетическом уровне. При возвращении в основное состояние атомы ртути создают ультрафиолетовое (УФ) излучение, которое по существу является излучением в волновом диапазоне 254-185 нм. Для преобразования этого УФ-излучения в полезное световое излучение в видимом волновом диапазоне на внутренней стенке стеклянной трубки размещают один или более люминофоров для поглощения этого УФ-излучения и генерирования излучения в волновом диапазоне. Термины "световое излучение" и "электромагнитное (ЭМ) излучение" без определителя используются для обозначения ЭМ-излучения, имеющего длину волны от 100 нм до около 1 мм. "УФ-А" - это УФ-излучение, длина волны которого находится в пределах 300-400 нм.

Эффективность газоразрядных парортутных люминесцентных ламп является низкой по причине значительной разницы между длиной волны излучения ртути и длиной волны светового излучения люминофоров. При этом ртуть из ламп в конечном счете выбрасывают, что является источником загрязнения окружающей среды.

В патенте США № 6040658 раскрыта газоразрядная лампа без ртути, в которой УФ-А-излучение с длиной волны около 306 нм обеспечивается возбуждением ОН-радикалов, которые формируются при разложении гидроксидов щелочных металлов, таких как Са(ОН)₂, или Mg(ОН)₂, или водяного пара. Хотя излучение возбужденных ОН-радикалов ближе к видимому излучению наиболее используемых люминофоров, чем излучение ртути, все же разница остается значительной.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание источника возбуждения излучения, длина волны которого ближе к излучению используемых люминофоров, а также создание люминесцентных ламп, содержащих такой источник излучения, которые позволяют повысить эффективность излучения.

Задача решена путем создания источника ЭМ-излучения, не содержащего ртути, обеспечивающего излучение в диапазоне длин волн от 254 до 410 нм. В частности, источник излучения излучает в диапазоне значений длин волны от 300 нм до 400 нм.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения источник светового излучения содержит источник ЭМ-излучения, излучающий первое ЭМ-излучение в волновом диапазоне от 254 нм до 410 нм, и по меньшей мере фотолюминесцентный материал, возбуждаемый первым ЭМ-излучением для порождения второго ЭМ-излучения в видимом волновом диапазоне.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен способ генерирования видимого светового излучения, согласно которому (а) используют источник ЭМ-излучения, эмитирующий первое ЭМ-излучение в волновом диапазоне от 254 нм до 410 нм, и (б) размещают по меньшей мере фотолюминесцентный материал, который поглощает первое ЭМ-излучение и порождает второе ЭМ-излучение в видимом волновом диапазоне.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется приведенным ниже подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, при приложении к нему электрического потенциала;

Фиг. 2 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, через 5 мин после приложения к нему электрического потенциала;

Фиг. 3 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, через 7 мин после приложения к нему электрического потенциала;

Фиг. 4 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, через 9 мин после приложения к нему электрического потенциала;

Фиг. 5 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, через 25 мин после приложения к нему электрического потенциала;

Фиг. 6 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, через 30 мин после приложения к нему электрического потенциала;

Фиг. 7 изображает спектр излучения газоразрядного источника, содержащего Ar, H₂O и N₂, через 35 мин после приложения к нему электрического потенциала;

Фиг. 8 изображает источник светового излучения, в котором использован источник ЭМ-излучения, не содержащий ртути, согласно настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Согласно изобретению предложен не содержащий ртути источник ЭМ-излучения, излучающий в волновом диапазоне от около 254 нм до около 410 нм. В частности, указанный источник излучает в волновом диапазоне от около 300 нм до около 400 нм. Источником излучения является газовый разрядник, содержащий материалы, способные формировать по меньшей мере один вид радикалов из группы, содержащей кислород-, азот- и углеродсодержащие радикалы. Согласно одному из вариантов воплощения настоящего изобретения эти радикалы формируются путем бомбардировки материалов, содержащих кислород, азот или углерод, заряженными частицами, которые можно формировать, например, с помощью электрического разряда или высокочастотного ЭМ-поля. Радикалы в разряде находятся в высокоэнергетическом возбужденном состоянии, и при их возвращении в состояние пониженного энергетического уровня эмитируется ЭМ-излучение. Примерами радикалов высокого энергетического уровня, эмитирующими ЭМ-излучение в диапазоне от 254 нм до 400 нм, являются OH, CO, CO⁺, CO₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂O⁺ и С₂. Эти радикалы формируют сильное излучение в волновом диапазоне согласно Таблице 1, где приведены примеры источников для некоторых частиц.

Таблица 1
Частица	Длина волны сильного излучения (нм)	Источник
ОН	306	Водяной пар, разложение гидроксидов щелочного металла
СО	283, 298, 313, 389, 412	СО в газоразрядных трубках
СО+	360, 371, 372, 380, 402	Газоразрядные трубки, содержащие СО, СО/Не, СО2, бомбардировка СО электронным лучом
СО2 +	337, 338, 355, 362	Разряды в СО2
CN	359, 386, 387, 388, 422	Газоразрядные трубки, содержащие азотные и углеродные соединения, углеродные соединения, реагирующие с активным азотом
CN+	302, 306, 326	Разряд в Не, содержащем следы С2N2
NH	336, 337	Аммиак/кислород, H2/N2O, активный азот
NO	339, 358, 380	Разрядные трубки, содержащие кислород и азот, послесвечение азота
N2O+	356, 371	Разряд в полом катоде или электронный луч через N2O
С2	340, 359, 363, 407, 410	Разряд через СО, СО2, С2Н2, Не/С6Н6

(См., например, R.W.B. Pearse and A.G. Gaydon, "The Identification of Molecular Spectra", Chapman and Hall, London, 1976).

ПРИМЕР

Из трубки люминесцентной лампы с электродами был откачан воздух, затем трубка была заполнена аргоном, азотом и водяным паром, причем давление пара каждого из указанных веществ составляло около 2 Торр (или 267 Па), 0,2 Торр (или 26,7 Па) и 0,2 Торр (или 26,7 Па) соответственно. В трубке был создан электрический разряд, спектры излучения измеряли через 0, 5, 7, 9, 25, 30 и 35 мин после приложения электрического потенциала величиной 200 В к электродам. Спектры излучения показаны на Фиг. 1-7. Сильное излучение наблюдалось при значениях длин волн около 306 нм и около 336 нм, это характеристики излучения радикалов ОН и NH соответственно. Излучение возбужденных радикалов продолжалось и после того, как излучение от высокоэнергетического аргона было по существу прекращено.

Не содержащие ртути люминесцентные лампы, использующие по меньшей мере один из указанных выше возбужденных радикалов в качестве источника возбуждающего излучения для фотолюминесцентных материалов (или люминофоров), может повысить энергетический кпд люминесцентных ламп, поскольку длина волны возбуждающего излучения ближе к длине волны излучения люминофора (меньше стоксов сдвиг частоты), чем длина волны разряда паров ртути. Кроме того, можно выбрать люминофоры, которые интенсивно поглощают возбуждающее излучение от определенного высокоэнергетического радикала, тем самым повышая эффективность лампы в еще большей степени. Многие из этих люминофоров интенсивно поглощают в волновом диапазоне от около 300 нм до около 410 нм, и поэтому они не использовались вместе с ртутным излучением на длине волны 254 нм в обычных люминесцентных лампах ртутного разряда. Неограничивающими примерами этих люминофоров являются:

(1) люминофоры синего излучения (Sr,Ca)₁₀(PO₄)₆Cl₂:Eu²⁺; Sr₂P₂O₇:Eu²⁺; (Sr,Mg)₂P₂O₇:Eu²⁺ и Ba_0,07Mg₂Al_z O_3/2z+3:Eu_0,13 ²⁺, где 14≤z≤25;

(2) люминофоры зеленого излучения 2SrO·0,84P₂O₅·0,16B₂O₃:Eu²⁺; Sr₂Si₃O₈·2SrCl₂:Eu²⁺; Sr₄Al₄O₂₅:Eu²⁺ и Ba_0,8Mg_1,93Al₁₆O₂₇:Eu_0,2 ²⁺, Mn²⁺;

(3) люминофор зелено-желтого излучения Y₂SiO₅:Ce³⁺, Tb³⁺ и

(4) люминофоры красного излучения 6MgO·As₂O₅:Mn⁴⁺ и 3,5MgO·0,5MgF₂GeO₂:Mn⁴⁺.

Согласно одному из вариантов воплощения изобретения конструкция не содержащей ртути люминесцентной лампы согласно настоящему изобретению аналогична обычной люминесцентной лампе. На фиг. 8 схематически показана такая лампа. Баллон 10 из оптически прозрачного материала, такого как стекло, имеет электроды 20 и 30 из материала, способного к испусканию электронов, например вольфрама, и концевой цоколь 25 на каждом конце. Термин "оптически прозрачный" в данном описании означает возможность пропускания по меньшей мере 80% светового излучения с длиной волны в пределах от около 400 нм до около 800 нм через вещество толщиной 1 мм под углом падения менее 10 градусов. Электрические выводы 27 подключены к электродам 20 и 30 для подачи на них напряжения. Вольфрамовый электрод обычно покрыт смесью оксидов щелочных металлов для усиления электронной эмиссии. Слой 50 из частиц по меньшей мере люминофора нанесен на внутреннюю поверхность стеклянного баллона, чтобы поглощать излучение, эмитируемое разрядом. Дополнительно слой 40 рассеивающих частиц можно нанести между внутренней стенкой стеклянного баллона 10 и люминофорным слоем 50 для усиления светового излучения. Из стеклянного баллона 10 откачивают воздух и затем баллон заполняют инертным газом, таким как аргон, под давлением до около 4000 Па. Можно использовать и другие инертные газы, такие как неон, криптон и ксенон. Один или более газов, которые могут формировать по меньшей мере один из указанных радикалов при бомбардировке этих газов заряженными частицами, находятся в стеклянной трубке под давлением около 2 Торр (или 267 Па). Трубка запаивается и после этого готова к использованию.

Согласно другому варианту осуществления изобретения электрический разряд, который формирует заряженные частицы для генерирования возбужденных, не содержащих ртути, заряженных радикалов согласно настоящему изобретению, генерируется индукционной катушкой при высокой частоте. Катушка генерирует высокочастотное магнитное поле, которое производит магнитно-индуцированный плазменный разряд. Этот источник разряда используется в безэлектродных разрядных лампах, например в патентах США №№ 4262231, 5952791, 5959405, 6051922 и 6137236 описаны различные варианты осуществления безэлектродных разрядных ламп. Один или более материалов, указанных в Таблице 1, которые могут формировать возбужденные частицы радикалов при бомбардировке другими частицами плазмы (причем возбужденные частицы радикалов эмитируют ЭМ-излучение в УФ-диапазоне при их возвращении в менее возбужденное состояние), можно использовать в качестве компонента заполняющего газа в безэлектродных лампах при осуществлении настоящего изобретения. Для формирования магнитно-индуцируемого плазменного разряда можно использовать частоты в диапазоне выше около 2МГц, предпочтительно выше около 2,5 МГц.

Несмотря на то, что выше раскрыты различные варианты осуществления, из описания следует, что специалисты в данной области техники смогут использовать различные комбинации элементов.

1. Газовый разряд, содержащий инертный газ, выбранный из группы, состоящей из аргона, неона, криптона, ксенона и их смесей, причем инертный газ способен формировать заряженные частицы, по меньшей мере, первый формирующий радикалы материал, способный формировать, по меньшей мере, первый радикал, выбранный из группы, состоящей из азотсодержащих радикалов, углеродсодержащих радикалов и их смесей, при этом указанный, по меньшей мере, первый радикал формируется при бомбардировке материала заряженными частицами, при этом газовый разряд эмитирует электромагнитное (ЭМ) излучение длиной волны в пределах от около 254 до около 410 нм.

2. Газовый разряд по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит второй формирующий радикалы материал, способный формировать кислородсодержащие радикалы.

3. Газовый разряд по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, первый радикал выбран из группы, состоящей из СО, СО⁺, СО₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂О⁺ и С₂.

4. Газовый разряд по п.2, отличающийся тем, что кислородсодержащий радикал содержит ОН, а, по меньшей мере, первый радикал выбран из группы, состоящей из СО, СО⁺, СО₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂О⁺ и С₂.

5. Газоразрядная лампа, содержащая оптически прозрачный баллон, заполненный, по меньшей мере, инертным газом, выбранным из группы, состоящей из аргона, неона, криптона, ксенона и их смесей, причем указанный инертный газ способен формировать заряженные частицы, и, по меньшей мере, первым, формирующим радикалы, материалом, способным формировать, по меньшей мере, первый радикал, выбранный из группы, состоящей из азотсодержащих радикалов, углеродсодержащих радикалов и их смесей, при этом указанный, по меньшей мере, первый радикал формируется при бомбардировке материала заряженными частицами, при этом, по меньшей мере, первый радикал эмитирует электромагнитное (ЭМ) излучение длиной волны в пределах от около 254 до около 410 нм.

6. Газоразрядная лампа по п.5, отличающаяся тем, что баллон дополнительно заполнен вторым формирующим радикалы материалом, способным формировать кислородсодержащие радикалы.

7. Газоразрядная лампа по п.5, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, первый радикал выбран из группы, состоящей из СО, СО⁺, СО₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂О⁺и С₂.

8. Газоразрядная лампа по п.6, отличающаяся тем, что кислородсодержащий радикал содержит ОН, а, по меньшей мере, первый радикал выбран из группы, состоящей из СО, СО⁺, СО₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂О⁺и С₂.

9. Люминесцентная лампа, содержащая оптически прозрачный баллон, заполненный, по меньшей мере, инертным газом, выбранным из группы, состоящей из аргона, неона, криптона, ксенона и их смесей, причем указанный инертный газ способен формировать заряженные частицы, по меньшей мере, первым, формирующим радикалы, материалом, способным формировать, по меньшей мере, первый радикал, выбранный из группы, состоящей из азотсодержащих радикалов, углеродсодержащих радикалов и их смесей, при этом, по меньшей мере, первый радикал формируется при бомбардировке материала заряженными частицами, при этом, по меньшей мере, первый радикал способен эмитировать первое электромагнитное («ЭМ») излучение с длиной волны в пределах от около 254 до около 410 нм, и, по меньшей мере, люминофором, размещенным на внутренней стенке баллона, при этом люминофор поглощает, по меньшей мере, часть первого ЭМ-излучения и порождает второе ЭМ-излучение с длиной волны в видимом спектре.

10. Люминесцентная лампа по п.9, отличающаяся тем, что баллон также заполнен вторым, формирующим радикалы, материалом, способным формировать кислородсодержащие радикалы.

11. Люминесцентная лампа по п.9, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, первый радикал выбран из группы, состоящей из СО, СО⁺, СО₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂О⁺и С₂.

12. Люминесцентная лампа по п.10, отличающаяся тем, что кислородсодержащий радикал содержит ОН, а, по меньшей мере, первый радикал выбран из группы, состоящей из СО, СО⁺, СО₂ ⁺, CN, CN⁺, NH, NO, N₂О⁺и C₂.

13. Люминесцентная лампа по п.9, отличающаяся тем, что указанный, по меньшей мере, люминофор выбран из группы, состоящей из

(Sr,Ca)₁₀(PO₄)6Cl₂:Eu²⁺; Sr₂P₂O₇:Eu²⁺; (Sr,Mg)₂P₂O₇:Eu²⁺;

Ba_0,07Mg₂Al_zO_3/2z+3:Eu_0,13 ²⁺, где 14≤z≤25;

2SrO·0,84P₂O₅·0,16B₂O₃:Eu²⁺; Sr₂Si₃O₈·2SrCl₂:Eu²⁺; Sr₄Al₄O₂₅:Eu²⁺;

Ва_0,8Mg_1,93Al₁₆О₂₇:Eu_0,2 ²⁺, Mn²⁺; Y₂SiO₅:Ce³⁺, Tb³⁺; 6MgO·As₂O₅:Mn⁴⁺;

3,5MgO·0,5MgF₂·GeO₂:Mn⁴⁺.

14. Люминесцентная лампа по п.9, отличающаяся тем, что заряженные частицы формируются воздействием электрического разряда на, по меньшей мере, инертный газ.

15. Люминесцентная лампа по п.14, отличающаяся тем, что электрический разряд формируется путем приложения напряжения к паре электродов.

16. Люминесцентная лампа по п.14, отличающаяся тем, что электрический разряд формируется высокочастотным магнитным полем, которое генерируется индукционной катушкой.

17. Способ генерирования видимого светового излучения, заключающийся в том, что используют источник ЭМ-излучения, эмитирующий первое ЭМ-излучение с длиной волны в диапазоне от около 254 нм до около 410 нм, посредством источника ЭМ-излучения формируют возбужденные радикалы, содержащие, по меньшей мере, один элемент, выбранный из группы, состоящей из азота, углерода и их комбинаций, при этом возбужденные радикалы эмитируют ЭМ-излучение при возвращении в более низкое энергетическое состояние, располагают, по меньшей мере, фотолюминесцентный материал для приема, по меньшей мере, части первого ЭМ-излучения, при этом фотолюминесцентный материал способен поглощать, по меньшей мере, часть первого ЭМ-излучения и порождать второе ЭМ-излучение в видимом волновом диапазоне.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что возбужденные радикалы дополнительно содержат кислород.