Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЛАМПОВЫХ ЛЮМИНОФОРОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СВЕТОВОЙ ОТДАЧИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Буряк В.В. 1 Коваленко О.Ю. 1 Гусева Е.Д. 1
1 ГОУ ВПО «Мордовский Государственный университет им. Н.П.Огарева»
В данной работе рассматривается влияние дефектов структуры (плотности дислокаций и дислокационных скоплений) галофосфатных люминофоров активированных сурьмой и марганцем на световой поток в люминесцентных лампах. Экспериментальные данные показывают снижение светового потока люминесцентных ламп при увеличении количества дислокаций в кристаллах люминофора. Проводиться аналогия с дефектами (дислокации и дислокационные скопления) в металлах и сплавах и ультразвуковым методом их обработки с целью снижения локальных напряжений, которое проявляется в изменении распределения дислокаций по ямкам травления в монокристалле вольфрама и скорости упругого последействия вольфрамовых проволок. Применение ультразвуковой обработки лампового люминофора позволяет увеличить относительный световой поток за счет влияния механических колебаний на перераспределение дислокаций в кристалликах, по аналогии с металлами.
люминофор
дислокации
плотность
напряжения
световой поток
тушение
ультразвук
колебания
перераспределение
1. Александров Л. Н., Золотков В. Д., Мордюк В. С. Ростовые и радиационные дефекты кристаллов люминофоров для источников света. - Новосибирск: Наука, 1986.-184 с.
2. Бурханов Г.С., Мордюк В.С., Буряк В.В. и др. Фундаментальные и прикладные научные проблемы использования особочистых материалов в источниках света с целью повышения их эффективности и энергосбережения //Горный информационно аналитический бюллетень. Тематическое приложение. Функциональные материалы. Изд. РАН.- 2005.- С.103-112.
3. Буряк В.В., Мордюк В.С. Дефекты структуры и световой поток ламповых люминофоров. Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики//мат. XII Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием в рамках III Всерос. светотехнич. форума с междунар. участием. МГУ им. Н.П. Огарева. - Саранск: Изд. Афанасьев В.С., 2015.- С. 371-377.
4. Мордюк В. С. О некоторых физических механизмах поглощения ультрафиолетового излучения ртутного разряда на структурных дефектах люминофора. //Материалы для источников света и светотехнических изделий ─ межвузовский сборник научных трудов/Саранск: из-во Мордовского университета, 1993.-с.4-10.
5. Мордюк В.С., Буряк В.В., Котлов В.А. и др. Энергосберегающие материалы для источников света.//Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники // Сб. науч. тр. Всерос. науч.-техн. конф. с международным участием /Под ред. Л.В. Абрамовой.- Саранск.- СВМО, 2002. С. 97-102.

В настоящее время в люминесцентных лампах (ЛЛ) в основном применяются люминофоры, состоящие из галофосфатов кальция активированных сурьмой и марганцем (ГФЛ). Люминофоры являются кристаллическими веществами и содержат различного рода дефекты кристаллической решетки, влияющие на их эксплуатационные свойства. Основное влияние на световой поток ЛЛ дают дислокации и их скопления. Снижение излучающей способности люминофоров отмечается многими авторами на основании теоретических расчетов и экспериментальных результатов. На излучающей способности люминофоров сказывается количество и распределение дислокаций [1,4,5]. Снижение дефектности люминофора является актуальной задачей. На основании выводов, сделанных авторами [3] о снижении внутренних напряжений в кристаллах под действием ультразвуковых колебаний (УЗК), в данной работе были проведены экспериментальные исследования по определению влияния УЗК на дислокационные скопления, создающие эти напряжения, результатом которого должно явиться увеличение излучающей способности люминофора.

С точки зрения влияния дефектной структуры люминофора, на его оптические свойства, наиболее опасными являются скопления дислокаций, образующиеся в результате деформирования, например размола. Показательными являются следующие результаты этого влияния [1]: плотность дислокаций в кристаллах люминофоров может достигать величины порядка 108 см −2 и более; предельно деформированное состояние люминофора характеризуется плотностью дислокаций 1011 – 1012 см−2, которая сравнима с плотностью дислокаций хорошо наклепанных металлов и сплавов (при этом яркость свечения и световая отдача ламп близки к нулю [4]); в производстве люминесцентных ламп наличие высокой плотности дислокаций приводило к снижению яркости люминофоров (до 15 %) после их технологического размола.

Дислокации и их скопления в частицах люминофоров оказывают тушащее действие на люминесценцию [3], которое обусловлено особым взаимодействием локализованной в области дефектов внутренней энергии решетки люминофора с подводимой извне энергией возбуждения активаторов.

По мнению авторов [2-3]: становится все более очевидным, что внутренние напряжения вокруг дислокационных линий оказывают угнетающее действие на излучения люминофоров и световую отдачу ЛЛ, что требует разработки методов снижения плотности дислокаций в кристаллах люминофора.

Авторами [3] были приведены результаты влияния УЗК на монокристалл вольфрама (рисунок 1), где показан эффект снижения локальных напряжений, за счет равномерного распределения дислокаций.

Рис. 1. а, б – распределение дислокаций по ямкам травления в деформированном монокристалле вольфрама до и после воздействия ультразвуковых колебаний

Эффект снижения локальных напряжений от дислокационных скоплений под действием УЗК хорошо проявляется в процессе изменения скорости упругого последействия в вольфрамовых проволоках [3]. Упругое последействие (УП) – как временная зависимость деформации εуп(t) предварительно деформированных кручением проволочных образцов позволяет определять наличие упругих скоплений дислокаций по скорости раскручивания, являясь одним из методов их обнаружения и контроля.

Линейные дислокационные скопления наблюдаются и в частицах люминофора. Это хорошо иллюстрирует рисунок 2, где показано упругое линейное дислокационное скопление перед фазовым включением в отдельной частице люминофора [1].

Рис. 2. Линейное скопление дислокаций в виде цепочки перед фазовым включением в частице люминофора (растровая электронная микроскопия)

Для снижения плотности дислокаций и локальных напряжений в люминофорах, был предложен метод его обработки с применением УЗК [3]. УЗК хорошо распространяются в твердых телах и жидкостях и имеют свойство затухать практически полностью в воздухе. Эти свойства определяют условия ультразвуковой обработки. Наиболее приемлемым в данном случае является применение ультразвуковой ванны, в которую необходимо помещать люминофор.

Была проведена ультразвуковая обработка лампового люминофора марки ФЛ 580-3500-1 «белой цветности». Люминофор в виде суспензии обрабатывался в ультразвуковой ванне с УЗК различной интенсивности и с разной продолжительностью. Образцы для определения эффективности ультразвуковой обработки люминофора представляли собой нанесенные на стеклянную пластинку суспензию люминофора, которые отжигались в муфельной печи. Для каждой экспериментальной точки (рисунок 3) были изготовлены по четыре образца. Измерение относительной яркости от образцов проводились с помощью спектрорадиометра Spekbus 1211. Экспериментальные данные представлены (табл.1).

Таблица 1

Экспериментальные данные

№ партии

Lv [о.е.]

1

65,03

65,02

64,90

63,98

2

73,41

74,04

73,84

72,90

3

72,94

72,71

71,80

72,94

4

74,83

75,08

75,11

74,80

Контрольная партия

66,92

67,01

67,09

66,87

Статистическая обработка данных приведена (табл.2).

Таблица 2

Статистическая обработка экспериментальных данных

№ партии

Среднее арифметическое

СКО

Размахи

Медиана

Xiср

Si

Ri

Xiмед

1

64,73

0,26

1,05

64,96

2

73,55

0,34

1,14

73,63

3

72,60

0,51

1,14

72,83

4

74,96

0,14

0,31

74,96

Контрольная партия

66,97

0,08

0,22

66,97

Для визуализации построен график (рис.3), показывающий увеличение относительной яркости люминофора до 15 % по отношению к исходному.

Рис. 3. Изменение относительной яркости лампового люминофора после ультразвуковой обработки

Визуально можно определить, что четвертая партия образцов имеет наилучший результат. Дальнейшая обработка заключалась в анализе четвертой партии экспериментальных образцов.

Проведем проверку гипотезы нормальности для одной из серий эксперимента.

Необходимо вычислить, сумму квадратов отклонений от среднего арифметического (1):

, (1)

где хi – iе измерение,

xср – среднее значение.

SE = 0,01.

Далее вычисляется величина ba по формуле (2):

(2)

Значения коэффициентов аn-i+1 берутся из таблицы

Wn = 1,00.

1,00 > 0,93 – гипотеза нормальности подтверждается.

Сравнение нескольких дисперсий по критерию Бартлета.

Средняя арифметическая взвешенная всех выборочных дисперсий определяется по формуле (3):

(3)

SA2= 0,02;

Х2p=31,45;

Х2(2;0.05)= 6.

Хp т, дисперсии не однородны.

Сравнение двух средних значений по критерию Стьюдента (4):

t = (S2a1 - S2a2) / (S2ср)0,5 ∙(1/n+1/n)0,5  ,                                (4)

где S2a - средняя дисперсия воспроизводимости,

n  - количество измерений .

tр = 78,96.

tкр = 2,10.

tp > tт, различия между средними есть.

Выводы

Для повышения оптических свойств люминофоров необходимо снижение плотности дислокаций и локальных напряжений, вызванных дислокационными скоплениями.
Проведенные исследования по обработке лампового люминофора ультразвуковыми колебаниями показали правильность высказанных предложений авторов [3] по снижению плотности дислокаций в локальных объемах. Результаты, полученные в ходе исследований, показали эффективность ультразвуковой обработки люминофоров в целях улучшения их оптических свойств, повышения излучающей способности в среднем до 15%, что совпадает с ранее полученными данными [1].

Рецензенты:

Панфилов С.А., д.т.н., заведующий кафедрой общей и теоретической электротехники ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева», г. Саранск;

Свешников В.К., д.т.н., профессор кафедры физики и методики обучения физике ФГБОУ ВПО «МГПИ им. М. Е. Евсевьева», г. Саранск.


Библиографическая ссылка

Буряк В.В., Коваленко О.Ю., Гусева Е.Д. ПРИМЕНЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ ЛАМПОВЫХ ЛЮМИНОФОРОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ СВЕТОВОЙ ОТДАЧИ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-3. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=24004 (дата обращения: 23.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074