Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к светоизлучающему материалу, пригодному для использования в светоизлучающем теле, и к способу излучения света. В частности, данное изобретение относится к светоизлучающему материалу, который требует меньше энергии возбуждения для излучения света и имеет чрезвычайно высокую яркость излучаемого света относительно энергии возбуждения, и к светоизлучающему телу с низкой характеристикой возбуждения и высокой яркостью, состоящему из светоизлучающего материала.
Уровень техники
Освещение является областью техники, особенно важной для человека. Начиная с использования ламп (светоизлучающих тел) с использованием древесины или жира, к настоящему времени разработано множество светоизлучающих тел. Современная широко развитая техника светоизлучения обеспечила применение, например, ламп накаливания, люминесцентных ламп, ртутных дуговых ламп и натриевых ламп, которые используются в основном для общего освещения; неоновых трубок, часто используемых для различных дисплеев; плазменных дисплеев; различных лазерных светоизлучающих тел и светоизлучающих диодов.
В технике светоизлучающих тел, как в старой, так и в новой, следующие два главных требования всегда предъявлялись к светоизлучающему телу: (1) энергия, необходимая для излучения света, должна быть, возможно, малой, другими словами, светоизлучающее тело должно иметь низкую характеристику возбуждения, и (2) яркость относительно определенной энергии возбуждения должна быть, возможно, большой. С развитием техники светоизлучающих тел энергия возбуждения уменьшалась, а яркость увеличивалась. Однако практика требует дальнейшего уменьшения энергии возбуждения и увеличения яркости. Этого требуют также нежелательные явления в окружающей среде, вызванные использованием ископаемой энергии и проблемой истощения ископаемого топлива в недалеком будущем.
В связи с требованием улучшения характеристики низкого возбуждения и повышения яркости принимались различные меры. Например, в качестве примера усилий для улучшения характеристики низкого возбуждения предлагалось использование нанокристаллического люминесцентного вещества с целью улучшения светоизлучающей эффективности люминесцентного вещества (патентный документ 1). Это нанокристаллическое вещество получают, например, в результате реакции тетрагидрата ацетата марганца и ацетата цинка с сульфидом натрия в растворе. В этом случае получают нанокристаллическое люминесцентное вещество сульфида цинка с примесью марганца.
Патентный документ 1: Выложенная заявка на патент Японии №2000-104058.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения
Однако в указанном выше патентном документе 1 кристалл люминесцентного вещества получают с помощью химической реакции, что делает стадии изготовления сложными. Кроме того, светоизлучающая эффективность улучшается лишь в чрезвычайно ограниченном диапазоне люминесцентного вещества в качестве светоизлучающего тела, и улучшение характеристики низкого возбуждения и повышение яркости не достигается в широком диапазоне светоизлучающих тел.
Данное изобретение задумано с учетом указанной ситуации и задачей данного изобретения является создание светоизлучающего материала, способного снизить энергию возбуждения широкого диапазона светоизлучающих веществ и обеспечить значительное увеличение яркости с помощью простой конструкции, и светоизлучающего вещества, включающего в себя светоизлучающий материал.
Средства для решения задачи
Для решения указанной задачи изобретатели после тщательного выполнения многочисленных экспериментов и исследований получили следующие результаты.
Светоизлучающие тела, основанные на принципах излучения света, в основном включают: тела, использующие излучение света веществом в состоянии высокой температуры, такие как лампа накаливания или галогенная лампа; тела, использующие излучение света, создаваемое излучательным переходом электронов светоизлучающего вещества за счет возбуждения, например разряд ртутной лампы, ксеноновая лампа, натриевая лампа, люминесцентная лампа или т.п.; и тела, использующие эффект электролюминесценции, при котором электрическая энергия в светоизлучающем диоде преобразуется непосредственно в свет. Из названных тел светоизлучающее тело, излучающее свет за счет нагревания, имеет низкую энергетическую эффективность и поэтому не может быть в будущем широко применено в освещении. Остальные светоизлучающие тела, включая тела, использующие излучение света, создаваемое излучательным переходом электронов светоизлучающего вещества за счет возбуждения, и тела, использующие эффект электролюминесценции, в будущем возможно будут широко распространены. Из них светоизлучающее тело с использованием излучательного перехода электронов можно изготавливать с помощью более простого способа при низкой стоимости. Приняв это светоизлучающее тело, использующее излучательный переход электронов, за основу, изобретатели сосредоточили усилия на создании технологии для улучшения низких характеристик возбуждения и повышения яркости. Лампой освещения, использующей излучательный переход электронов светоизлучающего вещества за счет электрического разряда и имеющей наиболее простую конструкцию, является натриевая лампа. Сначала были проведены эксперименты и исследования с целью улучшения характеристики низкого возбуждения и повышения яркости этой натриевой лампы. В результате различных экспериментов по методу проб и ошибок наблюдались следующие эффекты.
Для изучения натриевой лампы в очень упрощенном виде помещали натрий, который является светоизлучающим материалом, в тигель в атмосфере инертного газа и поддерживали тигель при температуре около 350°С для расплавления натрия. В этом состоянии к натрию не прикладывается достаточное количество энергии возбуждения. Поэтому не наблюдалось излучения света (излучения света линии D) за счет излучательного перехода электронов не только невооруженным глазом, но также с помощью фотодетектора даже в темном окружении. В таком излучении света линии D на чрезвычайно низком уровне яркость нельзя увеличить до видимого уровня, пока к натрию не будет приложена с целью возбуждения высокая энергия лазера с переменной длиной волны или т.п. Однако теоретически можно утверждать, что даже в таком состоянии излучение света линии D происходит на чрезвычайно низком уровне. Затем в этом жидком натрии было равномерно распределено заданное количество (от 10 до 100 млн-1) сверхмелких частиц никеля (в эксперименте сверхмелкие частицы имели размер частиц от 10 до 40 нм), которые являлись наночастицами. После равномерного распределения наночастиц, когда окружение было затемнено, невооруженным глазом наблюдали излучение света на поверхности натрия в тигле, подобное пламени. Этот эффект означает, что лишь после распределения небольшого количества наночастиц в натрии, который является светоизлучающим материалом, яркость его излучения света линии D можно значительно повысить до видимого уровня. Излучаемый свет линии D (свет, имеющий длину волны 589,6 нм) является, другими словами, светом освещения натриевой лампы. Эффект дополнительно тестировали посредством различного регулирования условий и получили достаточное подтверждение воспроизводимости и надежности.
Механизм эффекта, при котором яркость излучаемого света линии D натрия в состоянии низкого возбуждения увеличивается посредством добавления наночастиц, в настоящее время является не полностью понятным, однако были подтверждены его повторяемость и надежность. В данном случае представляется, что тип вещества наночастиц не является главным фактором, однако их размер является важным фактором.
В качестве составляющих наночастиц использовался, по меньшей мере, один тип, выбранный из металлов и неметаллов. Примеры металлов включают одноэлементные металлы, такие как медь (Cu), никель (Ni), титан (Ti) и кобальт (Со), их металлические соединения, такие как оксиды, нитриды и силициды; и сплавы, такие как нержавеющая сталь, хромомолибденовая сталь и т.п. Кроме того, примеры неметаллов включают кремний, углерод и т.п. Наночастицы можно получать посредством дробления металла или неметалла на частицы с диаметром не более 1000 нм, предпочтительно от 1 до 500 нм, более предпочтительно от 1 до 100 нм, так что получаются более мелкие наночастицы. Дополнительно к этому в настоящее время коммерчески доступны материалы в виде нанопорошка, например "мелкий порошок никеля", "мелкий порошок меди" и "мелкий порошок кобальта", изготавливаемые фирмой Sumimoto Electric Industries Ltd., "металлический нанопорошок никеля", "металлический нанопорошок меди" и "металлический нанопорошок кобальта", изготавливаемые фирмой Japan Nanotech Co, Ltd. и т.п.
Для повышения надежности эффекта повышения яркости излучаемого света было установлено, что наночастицы необходимо равномерно распределять в основном материале светоизлучающего тела. Кроме того, было установлено, что для обеспечения такого равномерного распределения важным фактором является образование оксидного слоя на поверхности наночастиц. При наличии оксидной пленки на поверхности наночастиц сродство (лиофильная характеристика) с твердым натрием, который является основньм материалом, является низким. Поэтому даже при достаточном перемешивании жидкого натрия при смешивании с наночастицами наночастицы частично соединяются и распределяются неравномерно. С другой стороны, если оксидную пленку на поверхности наночастиц удалить или уменьшить до состояния, когда оксидная пленка отсутствует, то сродство с твердым натрием, который является основным материалом, становится лучше. В результате при перемешивании твердого натрия при подмешивании наночастиц они распределяются проще и равномернее.
Способы для обеспечения состояния, в котором отсутствует оксидная пленка на поверхности наночастиц, можно грубо классифицировать как (а) способ удаления оксидной пленки перед смешиванием наночастиц с жидким натрием; (b) способ удаления оксидной пленки во время смешивания и (с) способ покрытия поверхности частиц атомами натрия во время изготовления наночастиц, другими словами, способ покрытия поверхности наночастиц атомами натрия перед образованием оксидной пленки на их поверхности.
А именно способ (а) можно обеспечить посредством помещения наночастиц, имеющих образованную оксидную пленку, в атмосферу водорода. Способ (b) можно обеспечить посредством подмешивания и взбалтывания поглотителя кислорода перед или после подмешивания наночастиц в жидкий натрий. Оксидная пленка уменьшается во время процесса перемешивания. Последний способ (с) можно обеспечить с помощью нового устройства. То есть можно использовать устройство, состоящее, по меньшей мере, из одной испарительной камеры, в которой натрий и материал наночастиц испаряется и смешивается в атмосфере инертного газа; камеры молекулярного пучка, соединенной с испарительной камерой через небольшое отверстие, в которой испаренная внутри испарительной камеры смесь, прошедшая через небольшое отверстие, попадает в атмосферу вакуума, и комплекс наночастица/натрий в виде, когда атомы натрия адсорбированы на поверхности наночастиц в испаренной смеси, отделяется от других атомов натрия и наночастиц в зависимости от разницы массы; и коллекторной камеры, соединенной с камерой молекулярного пучка, в которой отделенный комплекс наночастица/натрий собирается в атмосфере вакуума. С помощью этого устройства можно получать наночастицы, поверхность которых покрыта атомами натрия без поверхностной оксидной пленки.
Натриевая лампа содержит стеклянную трубку (светящуюся трубку), заполненную аргоном в качестве инертного газа, которая дополнительно содержит натрий, и при приложении напряжения к электродам, установленным на обоих концах светящейся трубки, вызывается электрический разряд в светящейся трубке. Кроме того, конструкция такова, что светящаяся трубка дополнительно покрыта защитной наружной трубкой и защитная наружная трубка заполнена азотом для предотвращения окисления металлических элементов электродов лампы. В этой натриевой лампе натрий возбуждается с помощью энергии электрического разряда для осуществления излучательного перехода электронов с целью излучения света.
Механизм излучения света натрием в натриевой лампе предполагает излучательный переход электронов. Теоретически средство возбуждения, которое вызывает излучательный переход электронов, не ограничивается использованием электрического разряда, а может также использовать излучение света высокой интенсивности, такого как свет лазера переменной длины, электрическое поле, плазму, ионизацию посредством подвода энергии нагревания и другие. Кроме того, светоизлучающий материал не ограничивается натрием и можно применять любое вещество, имеющее характеристику излучения света посредством излучательного перехода электронов. Например, как известно, можно использовать в качестве светоизлучающего основного материала различные люминесцентные вещества, инертный газ, такой как неон, или т.п.
Кроме того, обычная натриевая лампа имеет конструкцию, в которой электроды и натрий загерметизированы, что затрудняет снижение стоимости изготовления. С другой стороны, при помещении лишь натрия, содержащего наночастицы, в стеклянную трубку эффект электрического разряда может быть вызван в стеклянной трубке с использованием высокочастотного электрического разряда. Таким образом, для уменьшения стоимости изготовления можно создавать натриевую лампу с высокой яркостью без электродов, заключенных в стеклянную трубку.
Данное изобретение основано на указанных выше наблюдениях.
Светоизлучающий материал, раскрытый в пункте 1 формулы изобретения, содержит светоизлучающий основной материал и добавленные в него наночастицы.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.2 формулы изобретения, зависимом от п.1, состоит из вещества, которое излучает свет за счет излучательного перехода электронов в атомах материала.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.3 формулы изобретения, зависимом от п.1, содержит наночастицы, которые равномерно в нем распределены.
В светоизлучающем материале, раскрытом в п.4 формулы изобретения, зависимом от п.1, наночастицы распределены в результате добавления, за счет чего достигается низкая характеристика возбуждения и большая яркость излучаемого света.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.5 формулы изобретения, зависимом от п.1, характеризуется тем, что излучение света происходит за счет электрического разряда.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.6 формулы изобретения, зависимом от п.1, характеризуется тем, что указанный электрический разряд является дуговым разрядом.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.7 формулы изобретения, зависимом от п.6, является натрием, ртутью или люминесцентным веществом.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.8 формулы изобретения, зависимом от п.6, состоит, по меньшей мере, из двух или более типов натрия, ртути и люминесцентного вещества.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.9 формулы изобретения, зависимом от п.5, характеризуется тем, что электрический разряд является тлеющим разрядом, а светоизлучающий основной материал является инертным газом.
Светоизлучающий материал, раскрытый в п.10 формулы изобретения, зависимом от п.1, характеризуется тем, что излучение света происходит за счет приложения электрического поля, создания плазмы, ионизации нагреванием или облучения светом.
В светоизлучающем материале, раскрытом в п.11 формулы изобретения, зависимом от п.1, наночастицы являются, по меньшей мере, одним типом сверхмелких частиц, выбранных из металла или неметалла.
В светоизлучающем материале, раскрытом в п.12 формулы изобретения, зависимом от п.1, наночастицы имеют диаметр, равный или меньше 1000 нм.
Пункт 13 формулы изобретения относится к светоизлучающему телу, которое состоит из основного светоизлучающего материала и содержит добавленные наночастицы.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.14 формулы изобретения, зависимом от п.13, состоит из вещества, которое излучает свет за счет излучательного перехода электронов в атомах.
В светоизлучающем теле, раскрытом в п.15 формулы изобретения, зависимом от п.13, наночастицы равномерно распределены.
В светоизлучающем теле, раскрытом в п.16 формулы изобретения, зависимом от п.13, наночастицы распределены в основном материале в результате добавления, за счет чего достигается низкая характеристика возбуждения и большая яркость излучаемого света.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.17 формулы изобретения, зависимом от п.13, характеризуется тем, что излучение света происходит за счет электрического разряда.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.18 формулы изобретения, зависимом от п.17, характеризуется тем, что указанный электрический разряд является дуговым разрядом.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.19 формулы изобретения, зависимом от п.18, характеризуется тем, что содержит светоизлучающий основной материал, является натрием, ртутью или люминесцентным веществом.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.20 формулы изобретения, зависимом от п.18, характеризуется тем, что светоизлучающий основной материал состоит, по меньшей мере, из двух или более типов натрия, ртути и люминесцентного вещества.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.21 формулы изобретения, зависимом от п.17, характеризуется тем, что электрический разряд является тлеющим разрядом, а светоизлучающий основной материал является инертным газом.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.22 формулы изобретения, зависимом от п.13, характеризуется тем, что излучение света происходит за счет приложения электрического поля, создания плазмы, ионизации нагреванием или облучения светом.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.23 формулы изобретения, зависимом от п.13, характеризуется тем, что наночастицы являются, по меньшей мере, одним типом сверхмелких частиц, выбранных из металла или неметалла.
Светоизлучающее тело, раскрытое в п.24 формулы изобретения, зависимом от п.13, характеризуется тем, что наночастицы имеют диаметр, равный или меньше 1000 нм.
Пункт 25 формулы изобретения относится к способу излучения света и способ излучения света включает стадию приложения заданной энергии возбуждения к светоизлучающему материалу, при этом светоизлучающий материал состоит из светоизлучающего основного материала с добавленными в него наночастицами.
Способ излучения света, раскрытый в п.26 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что в качестве светоизлучающего основного материала используют вещество, которое излучает свет за счет излучательного перехода электронов в атомах материала.
Способ излучения света, раскрытый в п.27 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что наночастицы равномерно распределяют в светоизлучающем основном материале и используют в качестве светоизлучающего основного материала, за счет чего достигают увеличение яркости излучаемого света.
Способ излучения света, раскрытый в п.28 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что наночастицы распределяют в основном материале в результате добавления, за счет чего достигается уменьшение энергии возбуждения, необходимой для излучения света.
Способ излучения света, раскрытый в п.29 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что энергию электрического разряда используют в качестве энергии возбуждения.
Способ излучения света, раскрытый в п.30 формулы изобретения, зависимом от п.29, характеризуется тем, что в качестве светоизлучающего основного материала используют натрий, ртуть или люминесцентное вещество.
Способ излучения света, раскрытый в п.31 формулы изобретения, зависимом от п.29, характеризуется тем, что, по меньшей мере, два или более типов натрия, ртути и люминесцентного вещества используют в качестве светоизлучающего основного материала.
Способ излучения света, раскрытый в п.32 формулы изобретения, зависимом от п.19, характеризуется тем, что в качестве энергии электрического разряда используют энергию тлеющего разряда, а в качестве светоизлучающего основного материала используют инертный газ.
Способ излучения света, раскрытый в п.33 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что в качестве энергии возбуждения используют энергию электрического поля, плазму, ионизацию нагреванием или облучение светом.
Способ излучения света, раскрытый в п.34 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что в качестве наночастиц используют, по меньшей мере, один тип сверхмелких частиц, выбранных из металла или неметалла.
Способ излучения света, раскрытый в п.35 формулы изобретения, зависимом от п.25, характеризуется тем, что наночастицы имеют диаметр, равный или меньше 1000 нм.
Преимущества изобретения
Светоизлучающий материал и светоизлучающее тело, состоящие из светоизлучающего материала, согласно данному изобретению обеспечивают улучшение характеристики возбуждения и увеличение яркости, достигаемые лишь посредством добавления и распределения небольшого количества наночастиц в обычный светоизлучающий материал. Таким образом значительно снижается потребление энергии светоизлучающим телом, используемым для различного освещения и в дисплеях. Кроме того, достигаются преимущества, такие как увеличение яркости, продление срока службы, уменьшение размеров и увеличение скорости ответного излучения света светоизлучающего тела. Таким образом, использование данного изобретения оказывает глубокое влияние на промышленность.
Краткое описание чертежей
На чертежах изображено:
фиг.1 - иллюстрация первого варианта выполнения данного изобретения, схематично показывающая устройство для изготовления натриевого светоизлучающего материала с распределенными наночастицами посредством уменьшения поверхностной оксидной пленки наночастиц и равномерного распределения наночастиц в жидкой среде;
фиг.2 - иллюстрация первого варианта выполнения данного изобретения, показывающая состояние, в котором натриевый светоизлучающий материал в тигле, содержащий наночастицы, излучает свет при условиях, имитирующих натриевую лампу, в изометрической проекции;
фиг.3 - график яркости излучаемого света, показанного на фиг.2;
фиг.4 - иллюстрация пятого варианта выполнения данного изобретения, показывающая блок-схему устройства излучения света и устройства для измерения интенсивности излучаемого света с использованием Н-образной разрядной трубки, имитирующей натриевую лампу;
фиг.5 - иллюстрация шестого варианта выполнения данного изобретения, показывающая внутреннюю конструкцию натриевой лампы согласно данному изобретению в частичном разрезе, в которой в качестве светоизлучающего материала используется натрий с включенными распределенными наночастицами;
фиг.6 - иллюстрация девятого варианта выполнения данного изобретения, показывающая блок-схему натриевой лампы, при этом конструкция натриевой лампы упрощена посредством изменения источника энергии разряда; и
фиг.7 - иллюстрация десятого варианта выполнения данного изобретения, показывающая конструкцию люминесцентной лампы согласно данному изобретению в частичном разрезе, при этом в люминесцентной лампе в качестве светоизлучающего материала используется люминесцентный материал с распределенными наночастицами.
Перечень позиций
1 Тигель
2 Нагреватель оболочки
3 Жидкий натрий
4 Мешалка
4а Пропеллер мешалки
5 Термопара
6 Алюминиевая проволока (поглотитель кислорода)
10 Зона излучения света
20 Н-образная электроразрядная трубка
21 Сифон
22 Вакуумный насос
23 Датчик давления
24 Подающая труба
25 Тигель
26 Цилиндр с гелием
27 Расходомер
28 Терморегулятор
29 Слидакс
30 Трансформатор неонового знака
31 Спектроскоп
32 Осциллограф
40 Наружная трубка, выполненная из стекла
41 Светящаяся трубка
41а, 41b Электрод
42 Металлический элемент
50 Стеклянная трубка
51, 52 Металлическая трубка
53 Источник высокочастотной энергии
54 Плазма электрического разряда
60 Стеклянная трубка (разрядная трубка или люминесцентная трубка)
61а, 62а Контактный штырек
60, 62 Корпус
63 Электроды
64 Нить между электродами
65 Люминесцентный материал
Осуществление изобретения
Ниже приводится описание вариантов выполнения данного изобретения со ссылками на чертежи. Следует отметить, что варианты выполнения, описание которых приведено ниже, являются лишь иллюстрацией для соответствующего описания данного изобретения и не ограничивают данное изобретение.
(Первый вариант выполнения)
В данном варианте выполнения приводится описание примера выполнения эксперимента, проведенного для подтверждения структуры и принципа действия данного изобретения со ссылками на фиг.1.
На фиг.1 ссылочным номером 1 обозначен тигель, выполненный из керамического материала и расположенный в нагревающей оболочке 2, при этом тигель заполнен жидким натрием 3 при температуре 250-350°С под инертным газом. Примерно в середине тигля 1 установлен пропеллер 4а мешалки 4. Вблизи стенки установлена термопара 5 для измерения температуры. Кроме того, внутри тигля 1 размещена алюминиевая проволока 6 в виде спирали вдоль внутренней стенки, используется для поглощения кислорода.
В качестве наночастиц используются, например, сверхмелкие частицы никеля. Обычно непосредственно после изготовления этих сверхмелких частиц никеля на них уже образуется оксидная пленка. Поэтому частицы используются при условии наличия поверхностной оксидной пленки. Эти наночастицы постепенно добавляют в жидкий натрий 3 в тигле 1, пока они не составят от 20 до 30 мас.% общей массы натрия. Во время этого добавления пропеллер 4а мешалки постоянно вращается для достаточного перемешивания жидкого натрия 3. Алюминий, образующий алюминиевую проволоку 6, имеет более низкую стандартную свободную энергию образования, чем натрий или никель, во время образования оксида, и поэтому кислород, связанный с никелем, освобождается от никеля и затем связывается с алюминием. В результате поверхностная оксидная пленка сверхмелких частиц никеля редуцируется, за счет чего образуется состояние, в котором на поверхности сверхмелких частиц никеля отсутствует оксидная пленка. Сверхмелкие частицы никеля, не имеющие оксидной пленки на своей поверхности, сходны с жидким натрием 3 и поэтому они легко диспергируются и равномерно распределяются в жидком натрии 3. Это состояние можно точно подтверждать посредством отбора проб с использованием трубки для отбора проб, выполненной из нержавеющей стали (не изображена), и проведения измерения концентрации сверхмелких частиц никеля в пробе с помощью спектрометрии атомарной абсорбции.
Таким образом, при предварительном размещении поглотителя кислорода в жидкий светоизлучающий материал и смешивании жидкого светоизлучающего материала с наночастицами при постоянном перемешивании наночастиц удаляют тем самым поверхностную оксидную пленку и их равномерно распределяют. Таким образом можно эффективно изготавливать натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами.
Как показано на фиг.2, когда натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами, полученный указанным выше образом, помещают в темноту, можно наблюдать, что жидкий натрий в тигле 1 излучает свет с такой степенью яркости, что его можно видеть невооруженным глазом. Жидкий натрий без примеси наночастиц не имел бы такой степени яркости, которую можно было обнаруживать невооруженным глазом. Поэтому, например, яркость нельзя было обнаруживать даже с помощью фотодетектора, пока не было использовано лазерное устройство с изменяемой длиной волны для возбуждения излучения света линии D натрия с помощью света лазера. Однако лишь с равномерно распределенными наночастицами яркость увеличивается в такой степени, что ее можно обнаружить невооруженным глазом.
Затем тигель 1 был размещен в темноте и подобная пламени зона 10 излучения света натриевым светоизлучающим материалом с распределенными наночастицами в тигле 1 и ее окружение наблюдались с помощью устройства получения изображения с использованием приборов с зарядовой связью (CCD). Яркость пикселей видимых изображений анализировали и переводили в цифровую форму, за счет чего получали график, в котором расстояние от центра подобной пламени зоны излучения света представлена по горизонтальной оси, а яркость излучаемого света - по вертикальной оси. Этот график показан на фиг.3. Этот график выполнен в масштабе яркости излучаемого света, измеренной числом пикселей. При аналогичном наблюдении лишь обычного жидкого натрия, который не содержит наночастиц, пиксели яркости не возникали и поэтому построение графика было невозможно. Если бы на этой фиг.3 были отображены пиксели яркости, то линия накладывалась бы на базовую линию этого графика. На графике, показанном на фиг.3, можно видеть, что в натриевом светоизлучающем материале с распределенными наночастицами степень увеличения относительной яркости в зоне излучения света является чрезвычайно высокой.
(Второй вариант выполнения)
В указанном выше первом варианте выполнения в качестве наночастиц использовались добавляемые сверхмелкие частицы никеля. Во втором варианте выполнения использовались в качестве наночастиц добавляемые сверхмелкие частицы титана. Натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами изготавливали аналогично первому варианту.
Натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами измеряли аналогично первому варианту выполнения с помощью устройства получения изображения в темноте. Так же как в первом варианте выполнения, наблюдалось излучение света вышеуказанной яркости.
(Третий вариант выполнения)
В третьем варианте выполнения в качестве наночастиц использовались сверхмелкие частицы серебра. Натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами изготавливали аналогично первому варианту выполнения.
Натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами измеряли аналогично первому варианту выполнения с помощью устройства получения изображения в темноте. Так же как в первом варианте выполнения, наблюдалось излучение света с яркостью, указанной выше.
(Четвертый вариант выполнения)
В четвертом варианте выполнения использовались в качестве наночастиц добавляемые сверхмелкие частицы нержавеющей стали. Натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами изготавливали аналогично первому варианту выполнения.
Натриевый светоизлучающий материал с распределенными наночастицами измеряли аналогично первому варианту выполнения с помощью устройства получения изображения в темноте. Так же как в первом варианте выполнения, наблюдалось излучение света с яркостью, указанной выше.
Металл наночастиц, использованных в четвертом варианте выполнения, является сплавом, т.е. металлом, образованным несколькими атомами, что отличается от одноэлементного металла, такого как никель, используемого в первом варианте выполнения, титана, используемого во втором варианте выполнения, и серебра, используемого в третьем варианте выполнения. Кроме того, химические свойства соответствующих металлов отличаются друг от друга. Несмотря на эти различия химической структуры и химических свойств, добавление наночастиц приводит во всех случаях, указанных выше, к увеличению яркости излучаемого света. Поэтому можно предположить, что вклад наночастиц в излучение света натриевого светоизлучающего материала с распределенными наночастицами согласно данному изобретению не является следствием свойств вещества, образующего наночастицы, а происходит из-за измельчения частиц до наноразмеров и распределения.
(Пятый вариант выполнения)
В пятом варианте выполнения для проверки увеличения параметров натриевой лампы за счет распределения наночастиц в натрии была создана светящаяся трубка с использованием Н-образной разрядной трубки, имитирующей натриевую лампу, и в ней вызывалось излучение света. Блок-схема устройства, используемого для этого излучения света, показана на фиг.4.
На фиг.4 позицией 20 обозначена Н-образная разрядная трубка, имитирующая натриевую лампу. Внутренне пространство этой Н-образной разрядной трубки 20 выполнено с возможностью создания разряжения с помощью вакуумного насоса, соединенного с одним из выходов устройства через сифон 21. Степень разряжения можно определять с помощью датчика 23 давления, установленного в сифоне 21. Кроме того, с другим концом Н-образной разрядной трубки 20 соединена подающая труба 20, а другой конец подающей трубы 20 соединен с внутренним пространством тигля 25. В тигель 25 подается по потребности один натрий или натрий с распределенными наночастицами и затем нагревается. Для этого тигель 25 соединен с гелиевым цилиндром 26 для подачи определенного количества потока гелия, регулируемого расходомером 27. Один натрий или натрий с распределенными наночастицами нагревается с помощью терморегулятора 28 в тигле 25 и подается в виде паров в Н-образную разрядную трубку 20 вместе с гелием в качестве носителя. После заполнения одним натрием или натрием с распределенными наночастицами Н-образную разрядную трубку 20 приводят в состояние электрического разряда с помощью трансформатора 30 неонового знака, регулируемого с помощью слидакса 29, что приводит к излучению света. Интенсивность излучаемого света измеряется с помощью спектроскопа 31 и наблюдается с помощью осциллографа 32.
В качестве наночастиц для натрия с распределенными наночастицами использовались сверхмелкие частицы титана. В устройстве, имеющем указанную выше конструкцию, температуру нагнетаемых паров одного натрия или натрия с распределенными наночастицами поддерживали между 250 и 270°С, а напряжение, приложенное к разрядной трубке, составляло 1200 В. В этих условиях измеряли излучение света и интенсивность излучения света.
В результате было установлено, что (1) светоизлучающий основной материал излучает свет линии D натрия; (2) интенсивность излучения света натрием увеличивалась на 10-20% с распределенными наночастицами и (3) интенсивность излучения света натрием с распределенными наночастицами, измеренная в течение длительного периода времени, равного 1 часу или более после начала излучения, не изменялась до конца измерения. Кроме того, распределение сверхмелких частиц титана, которые являются наночастицами, было подтверждено за счет обнаружения длины волны линии излучения титана (336 нм) во время измерения излучаемого света.
Эти результаты измерения подтверждают, что применение натрия с распределенными наночастицами (светоизлучающего материала) в натриевой лампе может обеспечивать эффект усиления излучения света, который сохраняется в течение длительного времени. Коэффициент усиления излучения света составил до 20%. При 83% потребляемой мощности (1/1,2) и количестве ламп освещения с использованием обычных натриевых ламп эффект усиления обеспечивает параметры освещения, эквивалентные современному уровню техники. Результирующий экономический эффект является значительным.
(Шестой вариант выполнения)
В шестом варианте выполнения используется, например, показанная на фиг.5 конструкция натриевой лампы (светоизлучающего тела) с использованием в качестве светоизлучающего материала натрия с распределенными наночастицами, полученными указанным выше способом.
Наружная трубка 40, выполненная из стекла, содержит внутри светящуюся трубку 41, выполненную из полупрозрачной керамики окиси алюминия, и металлический элемент 42. На верхнем и нижнем концах светящейся трубки 41 расположены соответственно электроды 41а и 41b для создания электрического разряда. Внутри этой светящейся трубки 41 используются в качестве светоизлучающих материалов, например, натрий с распределенными наночастицами и газ аргон аналогично первому варианту выполнения.
Газ азот заключен между этой светящейся трубкой 41 и наружной трубкой 40 для предотвращения окисления металлического элемента 42 из-за повышения температуры, связанного с излучением света.
Натриевая лампа, имеющая указанную выше конструкцию, и обычная натриевая лампа отличаются друг от друга лишь светоизлучающим материалом, т.е. используется натрий с распределенными наночастицами или один натрий.
При использовании натриевой лампы согласно данному изобретению при обычных условиях с одинаковым приложенным напряжением можно ожидать значительного увеличения яркости, примерно на 20%. Если яркость, эквивалентная яркости обычной натриевой лампы достаточна, то можно уменьшить прилагаемое напряжение. Кроме того, если яркость, эквивалентная яркости обычной натриевой лампы достаточна, то возможно дополнительное уменьшение размеров. Кроме того, можно обеспечивать яркость, эквивалентную или большую обычной яркости, даже при уменьшении энергии возбуждения (мощности разряда), что обеспечивает уменьшение стоимости освещения.
(Седьмой вариант выполнения)
В конструкции лампы, показанной на фиг.5, при заключении ртути в светящейся трубке вместо натрия можно создавать ртутную лампу. В случае ртутной лампы достаточной является светящаяся трубка, выполненная из кварцевого стекла, и поэтому светящаяся трубка выполнена из кварцевого стекла. Кроме того, в этой ртутной лампе при небольшом количестве наночастиц, распределенных в ртути, можно с помощью меньшего возбуждения достигать яркости, равной или превышающей обычную яркость.
(Восьмой вариант выполнения)
Кроме того, в конструкции лампы, показанной на фиг.5, при заключении галогенированного металла натрия, скандия или т.п. в светящуюся трубку вместо ртути можно создавать металлогалогенную лампу. В металлогалогенной лампе при небольшом количестве наночастиц, распределенных в светоизлучающем основном материале, можно с помощью меньшего возбуждения достигать яркости, равной или превышающей обычную яркость.
(Девятый вариант выполнения)
Девятый вариант выполнения имеет признак, в котором изменен источник энергии электрического разряда для упрощения конструкции лампы, что обеспечивает уменьшение стоимости изготовления лампы.
Обычная натриевая лампа имеет конструкцию, в которой оба электрода и натрий заключены в одну и ту же стеклянную трубку. Одновременное размещение электродов и заключение натрия в стеклянной трубке делает стадии сложными, что препятствует снижению стоимости изготовления. Для решения этой проблемы в данном варианте выполнения используется высокочастотный электрический разряд для обеспечения механизма, в котором вызывается плазма в стеклянной трубке без размещения электродов внутри стеклянной трубки, что упрощает конструкцию лампы.
Как показано на фиг.6, стеклянная трубка 50, в которой размещен натрий с распределенными наночастицами, обмотана снаружи парой металлических трубок 51 и 52. Применяется механизм электрического разряда, в котором между этими металлическими трубками 51 и 52 подается высокочастотное напряжение из источника 53 высокочастотной энергии. При приложении высокочастотного напряжения в стеклянной трубке 50 возникает плазма 54 электрического разряда между металлическими трубками 51 и 52. При возникновении плазмы происходит излучение света натрием.
Хотя кислород, остающийся в качестве загрязнения в стеклянной трубке во время закрывания стеклянной трубки, действует в качестве гасителя, уменьшающего интенсивность излучения света, действие наночастиц (например, сверхмелких частиц титана) компенсирует уменьшение интенсивности излучения света, обеспечивая тем самым стабильное излучение света. Кроме того, в стеклянной трубке 50 реакция натрия и стекла приводит к затемнению внутренней стенки стеклянной трубки 50, что уменьшает интенсивность излучаемого света. Однако в части вне металлических трубок 51 и 52 натрий и стекло имеют тенденцию не вступать в реакцию друг с другом, так что стенка стеклянной трубки вне металлических трубок мало затемняется. Поэтому, если конфигурация такова, что свет отводится в продольном направлении стеклянной трубки 50 (в направлении, обозначенном на чертеже стрелкой), то можно получать натриевую лампу с интенсивностью излучения света, стабильной во времени.
Натриевая лампа, имеющая указанную выше конструкцию, с использованием натрия с распределенными наночастицами в качестве светоизлучающего тела имеет простую конструкцию и проста в изготовлении, что позволяет снизить стоимость изготовления. При наличии наночастиц в натрии, который является светоизлучающим основным материалом, можно легко управлять загрязнением кислородом в газе электрического разряда, что позволяет снизить стоимость изготовления натриевой лампы.
В данном варианте выполнения источник высокочастотной энергии выполнен в виде источника электрического разряда. В качестве альтернативного решения конструкция, обеспечивающая безэлектродный разряд, не требующий размещения электрода внутри разрядной трубки, например, в виде комбинации источника микроволновой энергии и микроволновой разрядной трубки, обеспечивает эффекты, аналогичные указанным выше.
(Десятый вариант выполнения)
На фиг.7 показана на виде сбоку в частичном разрезе люминесцентная лампа (светоизлучающее тело) согласно данному изобретению. Стеклянная трубка (называемая также разрядной трубкой или люминесцентной трубкой) 60 снабжена на обоих концах колпачком 61, имеющим два контактных штырька 61а, 61а, и колпачком 62, имеющим соответственно два контактных штырька 62а, 62а. Нить 64 электродов 63 покрыта оксидом, например, бария (Ва), стронция (Sr) или кальция (Са) для активирования излучательного перехода электронов. Кроме того, в трубе заключен газ аргон под давлением в несколько миллиметров ртутного столба, а внутренняя стенка трубки покрыта одним или несколькими типами люминесцентного материала 65. В люминесцентном материале 65 распределены наночастицы с концентрацией от 10 до 100 млн-1 относительно всего люминесцентного материала.
При использовании люминесцентной лампы согласно данному изобретению с тем же прикладываемым напряжением, что и в обычной лампе, можно ожидать значительного увеличения яркости. Если яркость, эквивалентная яркости обычной люминесцентной лампы, является достаточной, то можно уменьшить прикладываемое напряжение. Кроме того, если яркость, эквивалентная яркости обычной люминесцентной лампы, является достаточной, то можно дополнительно уменьшить размеры лампы. Кроме того, можно обеспечивать яркость, равную или превышающую обычную яркость, даже при уменьшении энергии возбуждения (мощности разряда), что позволяет снизить стоимость изготовления.
(Одиннадцатый вариант выполнения)
В одиннадцатом варианте выполнения в конструкции лампы, показанной на фиг.5, в стеклянную трубку 41 заключен один натрий, при этом наночастицы добавлены в электроды 41а и 41b. Наночастицы (металлический порошок), добавленный в электроды, высвобождаются за счет электрического разряда в плазму, а затем реагируют с кислородом, служащим в качестве гасителя излучения света натрием, увеличивая тем самым интенсивность излучения света натрием. Энергия диссоциации оксида натрия (NaO) является низкой, составляя 65 ккал/моль, и поэтому можно ожидать легкую диссоциацию и повторную реакцию с натрием. Однако, например, когда в качестве наночастиц используются сверхмелкие частицы титана, то энергия диссоциации оксида титана (TiO) является высокой, составляя 156 ккал/моль, и поэтому диссоциация не проходит легко и кислород не действует в качестве гасителя. Это приводит к стабилизации излучения света натрием.
Согласно данному варианту выполнения при добавлении наночастиц в электроды не требуется стадия предварительного распределения наночастиц в натрии, что обеспечивает снижение стоимости изготовления. При наличии наночастиц в плазме электрического разряда возможен устойчивый электрический разряд даже в присутствии кислорода, служащего гасителем. Поэтому можно просто управлять остающимся в светящейся трубке кислородом и загрязняющим кислородом в разрядном газе, что обеспечивает снижение стоимости изготовления лампы.
(Двенадцатый вариант выполнения)
Как хорошо известно, на внутреннюю поверхность плазменного дисплея наносятся люминесцентные вещества в виде множества слоев в соответствии с их рисунком. Вблизи такого большого количества люминесцентных веществ вызывается электрический разряд за счет приложения напряжения. С помощью этой энергии электрического разряда вызывается излучение каждого люминесцентного вещества, за счет чего отображается информация. Огромное количество люминесцентных веществ образуется за счет заполнения множества электроразрядных люминесцентных пространств комплексом люминесцентных веществ, при этом пространства образованы посредством секционирования с помощью множества перегородок, образованных на внутренней поверхности подложки плазменного дисплея. В данном варианте выполнения в комплексе люминесцентных веществ распределены наночастицы в концентрации от 10 до 100 млн-1 относительно всего комплекса люминесцентных веществ.
Когда плазменный дисплей (светоизлучающее тело) согласно данному варианту выполнения возбуждается с помощью энергии разряда аналогично обычной энергии разряда, то яркость экрана дисплея может быть значительно увеличена. Если яркость, эквивалентная яркости обычного дисплея, является достаточной, то можно уменьшить прилагаемое напряжение. Кроме того, если яркость, эквивалентная яркости обычного дисплея, является достаточной, то можно дополнительно уменьшить размеры. Кроме того, можно обеспечивать яркость, равную или превышающую обычную яркость, даже при уменьшенной энергии возбуждения (мощности разряда), что позволяет снизить стоимость изготовления.
Размеры наночастиц, используемых в 1-12 экспериментальных вариантах выполнения, следующие. Единицей измерения является нанометр. Использовались сверхмелкие частицы никеля, имеющие размер частиц от 10 до 40 (первый вариант выполнения); сверхмелкие частицы титана, имеющие размер частиц от 10 до 50 (второй вариант выполнения); сверхмелкие частицы серебра, имеющие размер частиц от 20 до 30 (третий вариант выполнения); сверхмелкие частицы нержавеющей стали, имеющие размер частиц от 10 до 30 (четвертый вариант выполнения); сверхмелкие частицы титана, имеющие размер частиц от 10 до 50 (пятый вариант выполнения); сверхмелкие частицы титана, имеющие размер частиц от 10 до 50 (девятый вариант выполнения).
Промышленная применимость
Как указывалось выше, светоизлучающий материал и светоизлучающее тело, состоящее из светоизлучающего материала, согласно данному изобретению обеспечивают улучшение низкой характеристики возбуждения и увеличение яркости лишь посредством добавления небольшого количества наночастиц в обычный светоизлучающий материал и распределения их. Таким образом можно значительно снижать потребление энергии светоизлучающим телом для использования в различных типах освещения и дисплеях. Кроме того, можно обеспечивать увеличение яркости, продление срока службы, уменьшение размера и увеличение скорости ответного излучения света светоизлучающим телом. Поэтому использование данного изобретения имеет глубокое технологическое и экономическое значение для промышленности.
Изобретение относится к оптике. Светоизлучающий материал обеспечивает получение светоизлучающего тела, имеющего низкую характеристику возбуждения и высокую яркость, за счет использования светоизлучающего основного материала с добавленными в него и распределенными в нем наночастицами. Технический результат - расширение диапазона светоизлучающих тел с высоким качеством излучения и с простой структурой. Также предложено светоизлучающее тело, содержащее светоизлучающий материал, и способ излучения света. 6 н. и 35 з.п. ф-лы, 7 ил.
| JP 2003215252 А, 30.07.2003 | |||
| US 5917279 А, 29.06.1999 | |||
| СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА В КОГЕРЕНТНЫЙ АКТИВНЫМИ СРЕДАМИ МИКРОННОГО РАЗМЕРА | 1995 |
|
RU2106730C1 |
| US 6447698 B1, 10.09.2002. | |||
