СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И РАЗРЯДНАЯ ЛАМПА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J61/12 

Изобретение относится к электротехнической промышленности, а более конкретно к способам генерации излучения оптического диапазона, возникающего в результате электрического разряда в газе, а также к разрядным осветительным лампам низкого давления различных типов: аргоновым, ксеноновым, криптоновым, натриевым, ртутным, ртутным люминесцентным и другим.

Известен способ получения оптического излучения, включающий формирование газового разряда в смеси паров натрия при давлении 0,1 1,0 Па с инертными газами при давлении 100 1500 Па в баллоне из оптически прозрачного материала [1]
Известный способ получения оптического излучения основан на резонансном излучении паров натрия (589,0 и 589,6 нм), то есть почти монохроматического желтого света, который не может быть преобразован с помощью люминофоров, вследствие чего способ непригоден для общего освещения. Для реализации способа требуется применять химически агрессивное вещество натрий.

Известна газоразрядная лампа, содержащая баллон из стекла, в которую герметично впаяны два электрода. Баллон заполнен неоном с добавлением 0,5 - 1,0% аргона при давлении до 600 Па, в баллон введен также натрий. Баллон снабжен на внешней стороне небольшими выпуклостями для конденсации натрия и смонтирован внутри вакуумированной внешней стеклянной колбы, внутренняя поверхность которой покрыта тонкой пленкой оксида индия [1]
Известная разрядная лампа позволяет получать лишь монохроматический желтый свет, не поддающийся преобразованию с помощью люминофоров, лампа, кроме того, содержит химически агрессивное вещество натрий.

Известен способ получения оптического излучения, включающий создание в баллоне из оптически прозрачного материалагазового разряда с переменным сечением по длине в атмосфере инертного газа и паров ртути. При этом величину тока и давления в разрядном объеме выбирают из условия обеспечения периодического прерывания разряда [2]
Известный способ позволяет генерировать излучение в ультрафиолетовой, видимой и близкой инфракрасной областях спектра с высокой эффективностью и высокой яркостью. Однако применение в известном способе паров ртути делает его экологически опасным.

Известна ртутная газоразрядная лампа для освещения теплиц с огурцами, содержащая оптически прозрачную горелку с герметично установленными в ней электродами, наполненную инертным газом, ртутью в количестве, необходимом для поддержания рабочего давления при разряде, и излучающими добавками в виде иодидов лития, натрия и индия, взятых в количествах, мас. иодистый литий 8 18; иодистый натрий 70 88; иодистый индий 4 12 (3).

Наличие в известной лампе в качестве рабочего вещества ртути нежелательно с точки зрения обеспечения экологической безопасности в производстве ламп, при их эксплуатации и последующей утилизации.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу является способ получения оптического излучения, включающий создание в баллоне из оптически прозрачного материала газового разряда в атмосфере инертного газа, паров ртути и излучающих добавок в виде галогенидов металлов при давлении инертного газа 2660 39900 Па [4]
Известный способ благодаря введению излучающих добавок различных металлов позволяет создавать лампы с высокой удельной мощностью, обладающих самым различным спектром излучения, при существенно более высоких коэффициентах полезного действия по сравнению с чисто ртутными лампами.

Недостатком способа-прототипа является необходимость использования ртути, что крайне нежелательно с точки зрения обеспечения экологической безопасности.

Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой является разрядная лампа, содержащая горелку из оптически прозрачного материала с герметично установленными электродами, наполненную инертным газом, ртутью и добавками для обеспечения горелки галогенидами излучающих металлов, в качестве которых использованы добавки для обеспечения горелки галогенидами серебра, меди, цинка, при этом компоненты взяты в следующих количествах, мкмоль/см³:
Ртуть 1,5 45,0
Добавки для обеспечения горелки галогенидами:
Серебра 0,5 12,0
Меди 0,3 9,0
Цинка 0,2 8,0
а давление инертного газа составляет 1,33 39,9 кПа ( патент РФ N 2017263, кл. H 01 J 61/18, опубл. 30.07.94 ).

При всех достоинствах известной разрядной лампы-прототипа она экологически небезопасна из-за наличия ртути при ее производстве, эксплуатации и последующей утилизации.

Задача изобретения расширение арсенала средств получения оптического излучения путем создания экологически чистого способа получения оптического излучения и разрядной лампы для его осуществления.

Задача решается тем, что в способе получения оптического излучения, включающем создание в баллоне из оптически прозрачного материала газового разряда в атмосфере инертного газа с излучающей добавкой, в качестве излучающей добавки используют радикал НО (гидроксильную группу). Радикал гидроксила НО может быть образован различным образом: путем подачи в разряд паров воды, нагревом щелочей металлов II группы, помещаемых в баллон, где осуществляют разряд.

Задача решается также тем, что в разрядной лампе для осуществления способа получения оптического излучения, включающей баллон из оптически прозрачного материала, заполненный инертным газом и излучающей добавкой, для образования излучающей добавки введен источник радикала НО. Источник радикала НО для целей освещения может быть введен в количестве 10^-11 - 10^-7 моль/см³. В качестве самого дешевого и простого источника радикала НО может быть использованавода или вещество, содержащее гидроксильную группу. В качестве такого источника целесообразно использовать щелочи металлов второй группы, например Ca(OH)₂, Mg(OH)₂, которые при нагревании разлагаются на высокостабильные окиси и воду.

Изобретение основано на неожиданно обнаруженном авторами явлении качественного изменения спектра излучения газового разряда в инертном газе при введении в него радикала НО. Введение гидроксила НО коренным образом изменяет свойства разряда, в частности его излучательные характеристики. В отсутствии гидроксила характеристики газового разряда определяются атомами и ионами инертного газа. В условиях тлеющего разряда максимум излучения возбужденных атомов инертных газов приходится на резонансное излучение в области вакуумного ультрафиолета. При введении радикала НО излучение разряда переходит в излучение практически только молекул НО, резонансное излучение которых образует полосу 306,4 нм, лежащую в ближней ультрафиолетовой (УФ) области спектра. Излучение радикала НО может быть использовано непосредственно, например, в технологических процессах или для облучения растений и живых организмов (так как это излучение лежит примерно посредине области УФ излучения 280 350 нм, оказывающего наиболее благоприятное воздействие на растения и живые организмы, включая человека), а также может быть преобразовано с высоким коэффициентом полезного действия, с помощью соответствующего люминофора, нанесенного на стенки внешней колбы, окружающей баллон, в котором осуществляют газовый разряд (так называемую горелку), в видимую область спектра. Молекулы гидроксила легко получают в условиях тлеющего разряда, например, из молекул воды. При прекращении разряда из радикалов гидроксила вновь образуются молекулы воды. Это делает использование гидроксила абсолютно безвредным. Потенциал ионизации и потенциал возбуждения радикалов НО (12,9 и 4,0 В соответственно) существенно меньше соответствующих потенциалов атомов инертных газов: аргона, гелия, неона, криптона, что позволяет создать такие условия разряда, при которых инертный газ становится буферным газом, а малая добавка радикала НО активным элементом газового разряда. Резонансный характер излучения возбужденного радикала НО обеспечивает высокую эффективность преобразованияэлектрической энергии в энергию электромагнитного излучения в УФ области спектра.

На фиг. 1 приведен спектр излучения радикала НО; на фиг. 2 спектр излучения разрядной лампы; а лампа наполнена аргоном (при давлении 3857 Па и токе в разряде 30 мA); б лампа наполнена аргоном (при давлении 3857 Па и токе в разряде 30 мA) с добавкой радикала НО, полученного в разряде из воды; на фиг. 3 спектр излучения разрядной лампы; а лампа наполнена гелием (при давлении 2660 Па и токе в разряде 60 мA); б лампа наполнена гелием (при давлении 2660 Па и токе в разряде 60 мA) с добавкой радикала НО, полученного при нагреве разрядом гидроокиси кальция; на фиг. 4 разрядная лампа с ультрафиолетовым излучением, разрез; на фиг. 5 разрядная лампа с люминофором, разрез; на фиг. 6 разрядная лампа в безэлектродном варианте, разрез.

На фиг. 1 3 по оси абцисс отложены длины волн излучения ( в нм), а по оси ординат интенсивность излучения (в относительных единицах).

Как видно из фиг. 2 и 3, поступление радикала НО в разряд приводит к коренному изменению спектра; линии инертного газа практически отсутствуют, а все излучение оказывается сосредоточенным в полосе гидроксила 306,4 нм. Сорт инертного газа качественно не изменяет характер спектра; аналогичные результаты были получены и при введении в лампу в качестве инертного газа неона и криптона.

Разрядная лампа включает герметичный баллон 1 (горелку), выполненный из оптически прозрачного материала, например кварца, керамики или увиолевого стекла. В варианте с люминофорным слоем (фиг. 5) герметичный баллон 1 помещают во внешнюю вакуумированную для уменьшения теплообмена колбу 2, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофора 3 для преобразования спектра генерируемого излучения из ультрафиолетовой области в видимую. Герметичный баллон 1 заполнен инертным газом (например, аргоном, гелием, ксеноном, криптономили их смесями). Баллон 1 может быть снабжен рабочими электродами 4 и 5 (например, вольфрамовыми), а в безэлектродном варианте разрядной лампы (фиг. 6) такие электроды отсутствуют и для возбуждения разряда применяют высокочастотный контур 6, подсоединяемый к высокочастотному генератору ( не показан), источник радикала НО 7, например Ca(OH)₂, может быть помещен за электродами 4, 5, в отростках 8 баллона 1.

С помощью разрядной лампы предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В качестве источника радикалов НО в лампу помещают воду. На электроды 4, 5 (в безэлектродном варианте лампы на контур 6) подают напряжение, необходимое для зажигания разряда в баллоне 1. Между электродами 4, 5 возникает электрический разряд, при этом происходит нагрев колбы 1. Пары воды поступают в зону электрического разряда, где происходит образование радикалов НО. В результате генерируется оптическое излучение в ультрафиолетовой области. При необходимости получить оптическое излучение иного спектрального состава на внутреннюю поверхность колбы 2 наносят слой соответствующего люминофора 3, который преобразует ультрафиолетовое излучение из баллона 1 в видимую область спектра.

Пример 1. Была изготовлена разрядная лампа в виде кварцевого цилиндрического баллона диаметром 20 мм, в торцы которого были впаяны два вольфрамовых электрода. ВС середине баллона был сделан отросток, в которой была помещена щелочь кальция. Баллон был подключен к вакуумной системе. На баллон и на отросток были намотаны вольфрамовые спирали, которые позволяли нагревать разрядную камеру, варьируя как температуру стенок баллона, так и температуру отростка независимо друг от друга. Температура измерялась с помощью термопар; помещенных на стенку баллона и на поверхность отростка. Баллон с помощью вакуумной системы был предварительно обезгажен, а затем был заполнен аргоном до давления 3857 Па. На электроды подавали постоянное напряжение 600 В, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка, после чего напряжение снижалось до 300 В. Излучение, испускаемое осевой областью разряда, фокусировалось на входную щель спектрального прибора, выход которого через фотоэлектронный умножитель и усилитель былсоединен с регистрирующим прибором, позволявшим записывать спектр излучения разряда в области длин волн 200 800 нм. Записанный прибором спектр излучения приведен на фиг. 2,а. Он представляет собой излучение атомов аргона, наполнявшего баллон лампы. Затем нагревали источник радикала НО (Ca(OH)₂) в отростке лампы до разложения его на воду и окись кальция. Пары воды, поступая в область разряда, образовывали радикалы НО. Регистрировали оптическое излучение разрядной лампы в присутствии радикалов НО. Спектр излучения представлен на фиг. 2,б. Произошло "подавление" линий аргона и появилась новая линия в ультрафиолетовой области спектра (306, 4 нм).

Пример 2. Была изготовлена безэлектродная разрядная лампа из кварцевого баллона диаметром 10 мм, который подключался к вакуумной системе. На части поверхности баллона был намотан высокочастотный контур, средняя часть баллона была снабжена отростком, в который помещали воду. На стенки баллона и на отросток были намотаны вольфрамовые спирали для нагрева, которые позволяли варьировать как температуру стенок баллона, так и температуру отростка независимо друг от друга. Разрядная лампа предварительно обезгаживалась (без воды в отростке лампы) с помощью вакуумной системы, а затем была заполнена аргоном до давления 3857 Па. Разряд в лампе сжигался с помощью высокочастотного электромагнитного поля частотой 100 МГц. Регистрация спектра излучения производились так же, как и в примере 1. После регистрации излучения аргона в отросток лампы помещали воду, которую нагревали с помощью вольфрамовой спирали. Зарегистрированные спектры совпали со спектрами, полученными в примере 1.

Пример 3. Безэлектродная разрядная лампа, изготовленнаякак в примере 2, была заполнена гелием до давления 2660 Па. Был зарегистрирован спектр излучения разрядной лампы в отсутствии радикалов НО (фиг. 3,а). Спектр излучения представлял собой излучение атомов гелия. Затем в лампу помещали щелочь магния, зажигали разряд и регистрировали спектр излучения лампы ( фиг. 3,б). Сравнение спектров на фиг. 3,а и б свидетельствует о преобладании излучения в полосе радикала НО (306,4 нм).

Пример 4. Безэлектродная лампа, изготовленная, как в примере 2, была заполнена неоном при давлении 288 Па. Были зарегистрированы спектры излучения в отсутствии радикала НО и при добавлении воды в лампу. В присутствии радикала НО в разряде линии неона практически отсутствовали, а все излучение оказалось сосредоточенным в полосе гидроксила 306,4 нм.

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к способам генерации излучения оптического диапазона, возникающего в результате электрического разряда в газе и к разрядным осветительным лампам низкого давления различных типов. Способ получения оптического излучения и реализующая его разрядная лампа расширяют арсенал экологически чистых осветительных средств. Способ получения оптического излучения включает создание газового разряда в атмосфере инертного газа с излучающей добавкой в баллоне из оптически прозрачного материала. Новым является введение в качестве излучающей добавки радикала НО. Разрядная лампа для осуществления способа включает баллон из оптически прозрачного материала, заполненный инертным газом и излучающей добавкой. Новым является введение в качестве излучающей добавки источника радикала НО, который может быть получен из воды или щелочи металла II группы. 2 с. и 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ получения оптического излучения, включающий создание газового разряда в атмосфере инертного газа с излучающей добавкой в баллоне из оптически прозрачного материала, отличающийся тем, что в качестве излучающей добавки используют радикал НО. 2. Разрядная лампа, включающая баллон из оптически прозрачного материала, заполненный инертным газом и излучающей добавкой, отличающаяся тем, что для образования излучающей добавки введен источник радикала НО. 3. Лампа по п. 2, отличающаяся тем, что источник радикала НО введен в количестве 10^- 1 1 10^- 7 моль/см³. 4. Лампа по п.2, отличающаяся тем, что в качестве источника радикала НО использована вода. 5. Лампа по п. 2, отличающаяся тем, что в качестве источника радикала НО использовано вещество, содержащее гидроксильную группу. 6. Лампа по п. 5, отличающаяся тем, что в качестве вещества, содержащего гидроксильную группу, использована гидроокись металла II группы. 7. Лампа по п. 6, отличающаяся тем, что в качестве гидроокиси металла II группы использована гидроокись магния или кальция.