FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK LUMINESZCENS FÉNYFORRÁSOK Kocsányi László Kovács Péter Dobos Gábor

5. Előadás: Lumineszcens fényforrások I. Lumineszcencia típusai Lumineszcencia a természetben Gázkisülések 6. Előadás: Lumineszcens fényforrások II. Kisülőlámpák típusai Kisnyomású kisülőlámpák Nyomás növelésének hatásai Nagynyomású kisülőlámpák Összehasonlítás

Kisülőlámpák Típusai Kisnyomású Neoncső Glimmlámpa Fénycső (kisnyomású higanylámpa) Kisnyomású nátriumlámpa Nagynyomású Nagynyomású higanygőzlámpa Nagynyomású nátriumlámpa Fémhalogén – lámpa Xenon lámpa Modern típusok DBD (Dielectric Barrier Discharge) lámpa Genura – lámpa

A NEONCSŐ a ködfénykisülés – tartományban működik Fényt elsősorban a pozitív oszlop adja Tiszta neon: vörös Argon – higany: kék Argon – higany + a fényporbevonat: tetszőleges szín Áramsűrűség a katódon független az áramtól → Nagy felületű katód (tipikus áram 10 – 100 mA) Áramsűrűség arányos p02 → Nyomás növelésével növelhető az áram Nyomás növelésével a veszteségek is nőnek → csökken az azonos áramhoz tartozó fényáram Hosszú, vékony cső + hideg katód → nagy gyújtó- és működési feszültség

GLIMM LÁMPA: Nincs pozitív oszlop Kevés fényt bocsát ki Többnyire neonnal töltve (~ 50 torr) 120 vagy 250 V-os változatok ~ 1 mA 1 – 2 lm/W Jelzőlámpának (mikor még nem volt LED) Használják fénycsövek gyújtóelektronikájában Gyorsan gyújt → Alkalmas nagyfesz tüskék szűrésére

FÉNYCSÖVEK: Kisnyomású higanygőzlámpa + fénypor – bevonat a kisülőcső falán Hosszú (akár 2,5 m) vastag (akár 5 cm) csövek Optimális higanygőznyomás (5·10-3 torr) túl alacsony → Elektronok képesek lennének ütközés nélkül végigmenni a csövön → néhány torr nemesgázt adnak hozzá Gáztöltés általában Ar + 20 – 30 % Ne Könnyebb gázokkal rosszabb a hatásfok Nehezebb gázok csak keveset javítanak a hatásfokon, viszont drágák → Ar olcsó, és jó hatásfokú Ne növeli a lámpa feszültségét, és ezzel a teljesítményét is (30 % alatt nem sokat ront a hatásfokon) Penning gázkeverék

Rezonancia – sugárzáshoz az optimális higanygőznyomás 5·10-3 torr 5·10-3 torr nagyjából 40-45 °C-nak felel meg Alacsonyabb hőmérséklet esetén hűteni kellene a lámpát Magasabb hőmérséklet esetén megnőnének a veszteségek

Jó hatásfokhoz alacsony áramsűrűség szükséges → Nagy átmérőjű kisülőcső Szokásos paraméterek mellett az anód- és a katódesés kb. 15 V Ez nem produkál fényt → veszteség → Célszerű nagy feszültségű fénycsöveket készíteni Szokásos paraméterek mellett a térerősség 0,5 – 1 V/cm → Hosszú kisülőcső szükséges További veszteségek: Térfogati veszteség: elektronok és atomok rugalmas ütközéséből Fal – veszteség: elektronok és + ionok rekombinációja a falnál → Pozitív oszlop által felvett teljesítmény max 70 %-a sugárzódik ki UV-ban

Sugárzás: 85 % 253,7 nm 15 % 185 nm → UV tartományban sugároz → UV fényt át kell alakítani láthatóvá → Fénypor → Átalakítás további veszteségekkel jár

A KISÜLÉS STABILIZÁLÁSA Gyakorlatban a lámpákat általában a VI vagy VII tartományban használják Áram növelésével a feszültség CSÖKKEN! OKA: Gázkisülés esetén a töltéshordozók száma nem konstans Áram nélkül gyakorlatilag nincsenek töltéshordozók Áram növelésével nő a töltéshordozók száma, csökken a gáz ellenállása

V0 feszültségű áramforrásra kapcsolva a kisülőcsövet I0 áram folyik Az egyensúly INSTABIL: Ha az áram I0-ról I1-re nő → Feszültség V0-ról V1-re csökken → ΔV = V0 – V1 tovább gyorsítja az elektronokat → Az áram tovább nő!

Kisülőcsővel sorba kötnek egy korlátozó ellenállást Az ellenálláson és a kisülőcsövön eső feszültségek összegének kell kiadnia az áramforrás feszültségét → Két egyensúlyi pont (P és Q) Csak a P a stabil Váltóáramú meghajtás esetén induktivitást vagy kapacitást alkalmaznak ellenállás helyett

Gyújtás Glimm – lámpa segítségével: Egyik elektróda bimetál → Működés közben felmelegszik → A két elektróda összeér → rövidzár → Nagy áram folyik át a katódokon → felmelegednek → Bimetál - elektróda kihűlése után a rövidzár megszűnik → A ballasztban egy feszültséglökés jön létre → Gyújtás

Készítsünk olyan lámpát, ahol a rezonancia – vonalak a látható tartományba esnek → Nátrium – lámpa Probléma: a nátrium rendkívül agresszív Működési hőmérsékleten roncsolja az üveget → kisülőcső megbarnul → Na fogyás

COMPTON 1920: Újfajta borát – üveg → Ellenáll a nátrium gőzöknek → KISNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA Optimális működési hőmérséklet 260 °C → kemencében működtették ~ 200 lm/W PIRANI (1930): Mérések különböző nyomásokon, kis áramsűrűség mellett → Elérhető 350 lm/W (kemencében) → Első gyakorlatban alkalmazott lámpa: 1931 → 46 lm/W (kemence nélkül, hőszigeteléssel)

Első kereskedelmi alkalmazás: (1932) Hollandiában a Beek és Geleen közötti úton Egyenáramról működött (AC meghajtás esetén a Na eltávolodott a katódtól, és megtámadta az üveget, így a lámpa élettartama jelentősen csökkent) Katód alkáli – földfém oxidokkal borítva → Kisebb kilépési munka → nagyobb elektron – emisszió Hőszigetelés: Dewar – palack 15 V 5,5 A 38,5 lm/W

Első váltóáramról működtetett Na lámpa: GE NA – 9 (1936) Egészen 1966-ig volt kereskedelmi forgalomban Fűtött katódok a kisülőcső mindkét végén Hőszigetelés: Dewar – palack 10000 lm 180 W

Optimális nátrium – gőznyomás 3 · 10-3 torr → 260 °C falhőmérséklet A lámpa áramának növelésével nő a hőleadás → Nő a falhőmérséklet → Hatásfoknak az áram függvényében 260 °C falhőmérsékletnél maximuma van A sugárzás kb. 85 %-át az 589,0 / 589,6 nm-es rezonanciavonalak adják Sugárzás a látható tartományban → Nincs szükség fényporra 589 nm közel esik az emberi szem érzékenységi maximumához kb. 4-szer hatékonyabb a fénycsőnél

Hatásfok további javításához a hőveszteségeket kell csökkenteni Hővezetést és hőáramlás kiküszöbölhető külső búra alkalmazásával (a két búra között vákuum) Hősugárzás: 260 °C → maximum 5,5 nm-nél → Távol esik az 589 / 589,6 nm-es rezonancia – vonalaktól → Külső búra belső oldalára felvihető egy réteg ami az infravörös sugárzást visszaveri, de a láthatót átengedi Neon helyett Neon/Argon gázkeverék is alkalmazható →Penning gázkeverék Fontos: Üveg ne abszorbeáljon argont! → 170 – 180 lm/W

Nyomás növelésének hatásai: Nő a vonalszélesség: Természetes vonalszélesség: ΔE ~ h / 2π τk Δν ~ 1 / 2π τk ~ 107 1/s Doppler kiszélesedés: A megfigyelő felé-, és a tőle elfelé mozgó részecskék sugárzása eltérő irányba tolódik el 300K argon gáz, 500 nm → Δν ~ 8 · 109 1/s Δν ~ ν0 · (T/ma)1/2 Ütközési kiszélesedés: ütközések csökkenthetik a nívók élettartamát (Töltött részecskék esetében az elektromos tér a nívók helyzetét is módosíthatja → csúcseltolódás is lehetséges) 300K, 1 atm argon gáz → Δν ~ 7 · 1010 1/s Δν ~ p · T1/2

Nyomás – kiszélesedés: Nagyobb nyomásokon az atomok közelebb kerülnek egymáshoz → Atomi energianívók módosulnak Csökkenő távolsággal csökken a nívók távolsága → nagyobb hullámhossz irányában történik kiszélesedés Kiszélesedés nő a nyomás növekedtével Önabszorbció: Az alsóbb energiaszinten lévő atomok képesek elnyelni a fotont, és felugrani a magasabb energiaszintre Legnagyobb az elnyelés a vonal közepénél A csúcs közepe akár teljesen elnyelődhet

Na spektruma a nyomás függvényében:

A – B tartomány: Kisnyomású higanygőz lámpa szinte csak UV-ben sugároz A nyomás növelésével nő a rezonancia – vonalak önabszorpciója → A látható tartományba eső vonalak relatív intenzitása növekszik

B – C tartomány: A nyomás további növelésével egyre tovább nő az elektronok és az atomok közötti ütközések száma → Az elektronok egyre több energiát veszítenek a rugalmas ütközések során → Ez a veszteség hővé alakul → Romlik a hatásfok

C – D tartomány: A „C” pont alatt a kisülés kitölti a teljes rendelkezésre álló térfogatot A „C” pont fölött a kisülés egyre inkább összehúzódik a tengely felé → Az ív körül kialakul egy sötét tartomány → Ez a tartomány bizonyos mértékű hőszigetelést biztosít → Csökken a hőveszteség

A nyomás növelésével egyre gyakoribbá válnak az elektronok és ionok közötti ütközések → Az elektron- és a gáz-hőmérséklet kiegyenlítődik → Kialakul a termikus egyensúly → Alkalmazható a Boltzmann-törvény és a Saha-egyenlet

Töltött részecskék csak a kisülőcső közepén találhatóak → A kisülés összehúzódik

D – … tartomány: A „D” pont fölött az ív hőmérséklete igen magas (~ 6000 K) Az általa kibocsátott hőmérsékleti sugárzás jelentős része a látható tartományba esik → Egyre nő a spektrumvonalak közötti folytonos háttér → Javul a hatásfok

A nyomás növelésével A csúcsok kiszélesednek Az önabszorbció miatt a rezonancia – vonalak intenzitása csökken Megjelenik egy folytonos háttér

KÜCH és RETSCHINSKY (1906): NAGYNYOMÁSÚ HIGANYGŐZLÁMPA Kvarc kisülőcső Folyékony higany elektródák Gyújtás a kisülőcső megdöntésével Két elektród között átfolyt a higany → rövidzár → megindult az áram Visszaállítva vízszintes helyzetbe a kapcsolat megszakadt és létrejött az ív Ahogy a higany visszafolyt az elektródákba, az ív széthúzódott

További fejlesztések: Folyékony – higany elektródák lecserélése emissziós anyaggal borított szilárd elektródákra Új, jobb minőségű árambevezetések Néhány torr nemesgáz töltet Higany mennyiségének csökkentése → Higany teljes egészében elpárolog → Külső hőmérséklet- vagy a tápfeszültség változása nem változtatja meg a higany gőznyomását (legalábbis addig, amíg a kisülőcső minden pontja elég meleg) → Nagyobb stabilitás

NAGYNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA Megéri? 700 – 800 °C-os falhőmérséklet + agresszív nátrium gőz → különleges anyagok szükségesek A nyomás növelésével nő a rezonanciavonalak önabszorpciója Ez a Hg – lámpánál nem baj mert az UV tartományba esnek A Na – lámpánál a láthatóba esnek → rontja a hatásfokot Meg kell találni az optimumot, ahol Már megjelenik a folytonos háttér A csúcsok kiszélesednek (a két rezonanciavonal egybemosódik) Az önabszorpció még elfogadható → Kicsit rosszabb hatásfokú de jobb színvisszaadású lámpa

A Nagynyomású nátrium lámpáknál Hőveszteség kb. megegyezik a nagynyomású higanygőzlámpáknál mérhetővel (~ 10 W/cm) A hővezetési tényező csak kicsit nagyobb mint a higanygőzlámpáknál (Gázkeverék nagy része Hg. Pl.: 20 torr Xe + 100 torr Na + 0,5 atm Hg) A Na alacsonyabb gerjesztési szintjei miatt az ív hőmérséklete alacsonyabb → Pr’ = P’ - 10 A sugárzás kb. 40 %-a esik a látható tartományba (→ 0,4) A sugárzás maximuma közel esik az emberi szem érzékenységi maximumához (→ 0,6) → ~ 130 lm/W (az elektródaveszteségek figyelembevételével 110 lm/W)

A borát – üvegek sem képesek ellenállni a Na gőznek 700 – 800 °C-on → GE: Lucalox: Al2O3 kerámia (MgO adalékkal) Áttetsző (nem átlátszó!): 1 mm falvastagság esetén a fény 90 %-át átereszti Ellenáll a Na gőznek Nincs lágyulási hőmérséklete → Hagyományos árambevezetések nem alkalmazhatók Árambevezető hőtágulási együtthatójának illeszkednie kell a kerámiáéhoz Ellen kell állnia a nátriumnak → Nb drót speciális zománccal beforrasztva

FÉMHALOGÉN – LÁMPA: Nagynyomású higanygőz – lámpa elsősorban három tartományban sugároz: 436 nm (kék) 546 nm (zöld) 579 nm (sárga) Jobb színvisszaadás érdekében ki kell tölteni a tartományok közötti réseket → Nagynyomású higanygőz – lámpa különböző adalékokkal Több különböző fém → sok csúcs → jobb színvisszaadás Az adalékatomok csúcsai a látható tartományba esnek → jobb hatásfok Tipikus adalékok: diszprózium, gallium, indium, lítium, szkandium, nátrium tallium, tórium, túlium

Az adalékanyagnak illékonynak kell lennie → Nem magukat a fémeket, hanem azoknak különböző halogenidjeit alkalmazzák Az adalékok ne korrodálják a kisülőcsövet → Itt is működik a halogén – körfolyamat: a halogén a fal mellett reagál a fémgőzökkel, és visszaszállítja azokat az ívbe, ahol a magas hőmérséklet miatt a fém – halogenid molekulák elbomlanak. I, Br, Cl, F sorrendben nő a halogének reakcióképessége → A gyakorlatban jodidokat alkalmaznak Kvarc – fémhalogén lámpák: egyszerűbb, olcsóbb Kerámia – fémhalogén lámpák: drágább, viszont ellenállóbb → Magasabb működési hőmérséklet, jobb paraméterek

LPS: Kiváló hatásfok, rossz színvisszaadás HPS: Jó hatásfok, elfogadható színvisszaadás MH: aránylag jó hatásfok, kiváló színvisszaadás, drága Fénycső: elfogadható hatásfok aránylag jó színvisszaadás, olcsó Higanygőzlámpa: közepes hatásfok, elfogadható színvisszaadás Izzólámpa: olcsó, kellemes szín Halogénlámpa: drágább, de tovább él, jobb a hatásfoka és a színe