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 >Хт, 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.