РАДИОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ОСВЕТИТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H01J65/06 

Изобретение относится к области люминесцентной техники, а именно к радиолюминесцентным источникам света (РИС), использующимся в качестве автономных осветителей малого радиуса действия.

Известен ряд РИС, для которых характерно применение "чистых", долгоживущих, β -излучающих радионуклидов (⁹⁰Sr; ¹⁴⁷Pm; ²⁰⁴Ti; ⁸⁵Kv; ³H (тритий). На практике РИС на тритии получили наибольшее распространение благодаря низкой радиологической токсичности трития, отсутствию внешнего ионизирующего излучения от РИС, доступности трития в промышленных масштабах и его дешевизне. Существующие в настоящее время светосоставы постоянного действия, где тритий находится в химически связанном состоянии, значительно уступают в яркости свечения люминофорному покрытию, возбуждаемому газообразным тритием. Поэтому для осветительских целей используются РИС с газообразным тритием. Основным компонентом РИС на газообразном тритии является светоэлемент (СЭ), состоящий из корпуса с прозрачным выходным окном, внутри которого находятся люминесцирующее покрытие (ЛП) и газообразный тритий. РИС может состоять только из СЭ, но обычно, кроме СЭ, в состав осветительских РИС входит светотехническая арматура, используемая для крепления и защиты СЭ, а также для выполнения функционального предназначения.

Известен РИС [1] чей СЭ представляет собой цельностеклянную полусферу диаметром 13 мм с вогнутостью, содержащую 0,9 Ки трития при давлении 0,5 атм. Слой ЛП равномерный полупрозрачный, сплошной (кроме штенгеля для отпайки). СЭ находится в фокусе расположенного за ним зеркального параболического отражателя. СЭ с отражателем закреплены на основании внешнего корпуса, закрытого прозрачной крышкой.

Недостатком данного РИС является малая интенсивность свечения СЭ, выражающаяся в низкой яркости излучающей поверхности (1,3 кд/м²), что объясняется низким давлением трития, обусловленным принятой технологией герметизации (отпайка стеклянного штенгеля).

Та же технология герметизации объясняет низкое давление трития (0,66 атм) и, соответственно, низкую яркость (до 2,0 кд•м^-2) у плоских цилиндрических СЭ для РИС [2] активностью до 3 Ки и диаметром излучающей поверхности до 22 мм.

Наиболее близким к заявляемому решению по своим конструктивным признакам является РИС в виде СЭ с металлостеклянным корпусом диаметром от 5 до 15 мм (герметизация холодной сваркой металлического штенгеля) [3] внутри которого находится тритий при давлении до 10 атм. Параболическая полость РИС имеет глубину, соответствующую среднему пробегу бета-частиц (0,59 мм при 10 атм.). ЛП из частиц ZnS-люминофора толщиной 0,05-0,1 мм, что должно обеспечивать генерацию и наиболее полное отражение света в сторону окна. Покрытие нанесено только на дно полости. Светоотражателя РИС не имеет.

Основным недостатком последнего решения также является низкая интенсивность, которая не позволит использовать РИС для осветительских целей. Низкая интенсивность обусловлена следующими причинами. Во-первых, чем тоньше полость, тем меньше безизлучательные потери на самопоглощение b излучения в газе. Однако для создания компактного, яркого РИС, пригодного для осветительских целей, приходится поступиться эффективностью, перейдя к толщине, соответствующей ситуации, когда увеличение давления не дает существенного увеличения яркости (насыщение по интенсивности). Очевидно, что толщина полости, соответствующая среднему пробегу b частиц, не соответствует этой ситуации. Так как, например, двукратное ее увеличение даст заметное увеличение яркости. Поэтому толщину полости размером со средний пробег следует признать недостаточной для РИС-осветителя. Во-вторых, внутренняя поверхность выходного окна не имеет люминесцирующего покрытия и поэтому примерно половина энергии b излучения будет непроизводительно поглощаться стеклом окна, что также снижает как яркость, так и эффективность. В-третьих, при высоком давлении газа конструктивно сложно наращивать общую интенсивность путем увеличения диаметра полости, так как механическая нагрузка на спай стекла с металлом будет возрастать пропорционально диаметру. Поэтому давления свыше 10 атм следует признать большими, а диаметр полости и, соответственно, закладную активность (до 3 Ки), напротив, недостаточными.

Следствие низкой интенсивности свечения данного РИС является низкий уровень освещенности, создаваемый им. Кроме того, отсутствие светоотражателя не позволяет сконцентрировать генерируемый свет на объекте. Небольшая вогнутость параболической люминофорной поверхности практически не создает направленного светоизлучения. Наконец, недостатком является отсутствие защитного наружного корпуса.

Целью изобретения является повышение уровня освещенности, создаваемого радиолюминесцентным осветителем.

Указанная цель достигается тем, что осветитель содержит заполненный газообразным тритием при давлении выше атмосферного металлический корпус с выходным окном и полостью. Дно полости покрыто слоем люминофора на основе ZnS Cu. Осветитель снабжен дополнительным слоем люминофора на поверхности выходного окна, обращенной к полости. Осветитель снабжен также защитным корпусом, содержащим установленный напротив окна зеркальный конический отражатель, длина которого не менее 2,5 диаметров выходного окна, а образующая расположена под углом от 18^o до 22^o к оси полости. Полость выполнена цилиндрической при соотношении диаметра к высоте, составляющем от 8 до 12. Соотношения размеров частиц и поверхностных плотностей люминофоров на дне полости и на окне составляют от 3 до 6 и от 22 до 38 соответственно. При этом соответствие цели и взаимосвязь вышеперечисленных конструктивных особенностей осветителя обосновывается следующим образом. Как известно, по мере увеличения толщины или, соответственно, поверхностной плотности слоя ЛП будет расти и интенсивность его свечения в направлении, противоположном возбуждающему b
излучению. Максимальный уровень этого свечения "на отражение" будет практически достигаться при бесконечно толстом слое r_∞ выше которого увеличение слоя не имеет смысла. Каждому типу люминофора при возбуждении β - излучением трития будет соответствовать свое значение r_∞ Известно, что в темноте человеческий глаз наиболее восприимчив к излучению с зеленым цветом свечения. С другой стороны, крупнозернистые люминофоры с зеленым цветом свечения, имеющие состав ZnS:Cu (марки ФК-106₃, ФК-3), имеют наибольшую эффективность при возбуждении β излучением трития. Поэтому именно люминофор состава ZnS:Cu был выбран для создания осветителя. Эффективность наружного слоя частиц люминофора из-за поверхностных безызлучательных центров и дефектов всегда ниже ее внутренней части. Соотношение объемов внутренней части и "дефектного" слоя будет увеличиваться пропорционально размеру частицы. Как известно, средний пробег b частицы трития в ZnS составляет 0,94 мкм. Соответственно, максимальный в 3-4 раза больше. Поэтмоу ля слоя на отражение целесообразно иметь нижний предел размеров частиц, равный (4-5) то есть d не менее 4 мкм. Верхний предел для слоя "на отражение" менее критичен и может быть ограничен исходя из технологической практики синтеза люминофоров. В табл. 1 представлены данные, показывающие зависимость свечения "на отражение" слоя из частиц люминофора ZnS:Cu (ФК-3) с d преимущественно 10-20 мкм на подложке из стали 12Х18Н10Т. Данные табл. 1 свидетельствуют, что "бесконечно толстому" слою соответствует значение ρ_∞ ≥ 100-150 мг•см^-2 при тритиевом β -возбуждении ЛП.

Условия получения максимально возможного уровня интенсивности свечения (насыщения) такого слоя ЛП при возбуждении b -излучением газообразного трития представлены в табл. 2.

В табл. 3 представлены данные по уровню надежности герметичности для одного из возможных вариантов СЭ (см. чертеж) в зависимости от внутреннего давления.

Данные таблиц 2, 3 показывают, что, практически, получить насыщение по уровню свечения (например, когда двукратное увеличение давления трития дает лишть десятипроцентное увеличение свечения) при приемлемом для закрытых радионуклидных источников уровне надежности (0,990 0,995) можно лишь для соотношения диаметра полости источника D₁ и толщины газового слоя H как (8-12): 1. При такой форме полости СЭ почти половина b излучения падает на выходное окно. Поэтому его также целесообразно покрыть дополнительным слоем ЛП. Этот слой, работающий "на просвет" должен быть значительно тоньше основного слоя на дне. Технологически такие слои создаются методами последовательного нанесения частиц люминофора на основу (седиментационное осаждение, сухое напыление на смоченное связкой основание и т.п.). При этом частицы не образуют слой с плотнейшей упаковкой и для полного поглощения b - излучения потребуется количество ЛФ, соответствующее 3-5 слоям при плотнейшей упаковке. Очевидно также, что, чем меньше размер частиц люминофора, тем при меньшей толщине можно добиться полного поглощения b излучения, что, учитывая ограниченную прозрачность вещества люминофора к собственному излучению, будет способствовать увеличению прозрачности слоя. Однако чрезмерное уменьшение размера частиц будет снижать эффективность генерации света в слое из-за увеличения доли поверхности в поглощении b излучения. К тому же будет возрастать отражательная способность слоя на окне относительно света от слоя на дне.

В табл. 4 приведены данные, характеризующие зависимость интенсивности свечения СЭ с газовой полостью, заполненной тритием при давлении 0,4 МПа, при соотношении D₁ к H как 9:1, дно которой покрыто "бесконечно толстым" слоем люминофора ZnS: Cu (ФК-106₃) от соотношения поверхностной плотности слоя люминофорного покрытия на дне полости и на внутренней поверхности выходного окна при соотношении размеров частиц ZnS:Cu люминофора на дне и на окне в пределах от 3 до 6.

Данные табл. 4 показывают, что оптимальным является соотношение поверхностных плотностей ЛП на дне полости и на внутренней поверхности выходного окна, равное от 22 до 38. Таким образом все конструктивные признаки СЭ: толщина слоев люминофора и размеры частиц, толщина и форма газовой полости, а также давление трития, являются взаимосвязанными и их вышеприведенные значения являются оптимальными для получения максимальной яркости свечения СЭ. Для использования СЭ в качестве осветителя его помещают в защитный корпус со встроенным коническим светоотражателем (см. чертеж). Одним из важных вариантов использования осветителя может быть аварийное освещение шкал приборов, переключателей и т.п. на пультах управления. Исходя из этого критерием для установления формы осветителя послужило следующее. Осветитель должен с расстояния 40-50 см создавать на плоскости пятно диаметром 30 см. Не менее 2/3 света от СЭ должно быть сконцентрировано в пятне. В пределах пятна уровень освещенности должен быть достаточен для уверенного определения показаний стрелочного манометра, вольтметра и т.п. В табл. 5-9 представлены данные по освещенности, создаваемой осветителем при соотношении длины образующей отражателя к диаметру выходного окна СЭ, равном 3 и расстоянии от выходного окна СЭ до освещаемой поверхности S=50 см. Из данных табл. 5-9 видно, что в наибольшей степени осветительным целям соответствует отражатель с углом (18-22)^o между осью и образующей. В табл. 10 представлены данные по освещенности, получаемой при использовании отражателя с a 18^o, в зависимости от соотношения длины образующей конуса к диаметру выходного окна. Данные табл. 10 свидетельствуют, что для сохранения уровня и распределения освещенности, удовлетворяющих поставленной цели, длина образующей должна быть при a (18-22)^o не менее 2,5 D.

Сопоставительный анализ показывает, что заявляемый осветитель имеет форму полости, давление газа и параметры ЛП, отличные от прототипа. Отличием является наличие в составе устройства наружного корпуса со встроенным светоотражателем.

Таким образом, заявляемый осветитель соответствует критерию изобретения "новизна".

Вышеизложенным показано, что в заявляемой совокупности признаки являются взаимосвязанными. Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями выполнено в табл. 11. Данные табл. 11 свидетельствуют, что ни одно из известных технических решений не совпадает по всей своей совокупности с заявляемым решением, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлено продольное сечение осветителя (см. чертеж).

Осветитель состоит из корпуса светоэлемента 1, выполненного из нержавеющей стали 12X18H10T. Внутри этого корпуса находится вкладыш 2 из того же материала, на внутренней поверхности которого с помощью алюмофосфорной кислоты (содержание в ЛП 1- 1,5%) нанесено люминесцирующее покрытие 3 из люминофора состава ZnS:Cu.

Сверху полость ограничивается кольцом из ковра 4 с припаянным к нему стеклом молибденовой группы 5 (C52-1; C50-5m). Кольцо герметично соединяется с корпусом светоэлемента посредством сварного шва 6, создаваемого под действием электронного луча или лазерного излучения. Предварительно на внутренней поверхности стекла выходного окна светоэлемента методом сухого напыления частиц люминофора на смоченную алюмофосфатным связующим поверхность нанесен дополнительный слой 7 из частиц люминофора ZnS:Cu. Соотношение размеров частиц и поверхностных плотностей люминофора на две полости и на выходном окне составляет от 3 до 6 и от 22 до 38 соответственно. Заполнение светоэлемента тритием и его окончательная герметизация производятся через узкий канал 8, при герметизации заполняемый свинцом под действием пробки из стали 12X18H10T, запрессовываемой в расширенную часть канала. Герметичный СЭ, заполненный тритием, при яркости не менее 3,5 кд•м^-2 вставляется в выемку на дне основания наружного дюралевого корпуса 9. Между наружным корпусом и СЭ проложен амортизатор 10 из микропористой резины. К основанию наружного корпуса на резьбе прикреплена дюралевая крышка 11 с присоединенным к ней путем завальцовки тонких кромок защитным окном 12 из органического стекла. Конусообразный отражатель выполняет функцию крышки и имеет зеркальную металлическую поверхность внутри 13. Нижний диаметр соответствует диаметру входного окна СЭ. Угол между осью и образующей конуса 18-22^o. Длина образующей конуса не менее 2,5 диаметров выходного окна.

После сборки осветитель готов к эксплуатации. Закрепленный над освещаемой поверхностью на расстоянии не более 40 см он способен осветить на ней область диаметром 60 см с освещенностью, достаточной для регистрации показаний даже небольших стрелочных приборов.

Составной металло-стеклянный корпус СЭ осветителя позволил заполнять полость тритием под повышенным давлением, а также создать внутри полости существенно различные по толщине, оптимальные слои ЛП. В результате удалось повысить яркость на выходном окне СЭ примерно в 1,7 раза. Сочетание СЭ со встроенным в наружный корпус коническим светоотражателем, оптимизированным по форме и размерам для выполнения осветительских функций, впервые позволило создать компактный осветитель направленного действия, способный осветить пульт управления площадью 0,3 м² до уровня, необходимого для распознавания показателей стрелочных приборов, положений переключателей и т.п.

Использование: в качестве автономных осветителей малого радиуса действия. Сущность изобретения: осветитель содержит металлический корпус с окном, заполненный газообразным тритием при давлении выше атмосферного. Дно полости покрыто слоем люминофора на основе Zn S : Cu. Для увеличения уровня освещенности осветитель снабжен дополнительным слоем люминофора на внутренней поверхности окна. Напротив окна расположен зеркальный конический отражатель. Длина отражателя составляет не менее 2,5 диаметров, а образующая расположена под углом к оси полости, составляющим от 18^o до 22^o. Указанная полость выполнена цилиндрической при соотношении диаметра к высоте, составляющем от 8 до 12. Соотношения размеров частиц и поверхностных плотностей люминофоров на дне полости и на окне составляют от 3 до 6 и от 22 до 38 соответственно. 1 ил., 11 табл.

Радиолюминесцентный осветитель, содержащий заполненный газообразным тритием при давлении выше атмосферного металлический корпус с выходным окном и полостью, дно которой покрыто слоем люминофора на основе ZnS Cu, отличающийся тем, что, с целью повышения уровня освещенности, он снабжен дополнительным слоем люминофора на поверхности выходного окна, обращенной к полости, и защитным корпусом, содержащим установленный напротив окна зеркальный конический отражатель, длина которого не менее 2,5 диаметров выходного окна, а образующая расположена под углом к оси полости, составляющим 18 22^o, указанная полость выполнена цилиндрической при соотношении диаметра к высоте, составляющем от 8 до 12, а соотношения размеров частиц и поверхностных плотностей люминофоров на дне полости и на окне составляют от 3 до 6 и от 22 до 38 соответственно.