Існують джерела світла, які не відносяться до теплових, розрядних або змішаних. Це - джерела світла з радіоактивними ізотопами, світловипромінюючі діоди, електролюмінесцентні панелі та газові лазери.
У джерел світла з радіоактивними ізотопами світловий потік утворюється при збудженні атомів люмінофору радіоактивним випромінюванням. З цією метою у них зазвичай використовуються бета-радіоактивні ізотопи (β-випромінювання).
Як відомо, β-випромінювання виникає при розпаді ядер атомів і являє собою потік електронів (або позитронів), діапазон енергій яких може бути дуже великим. Для створення джерел світла можуть бути використані лише такі бета-радіоактивні ізотопи, які випускають електрони з мінімальною енергією і розпад яких не супроводжується γ-випромінюванням, оскільки воно має високу проникаючу спроможність. До таких ізотопів, зокрема, відносяться тритій (ізотоп водню) та прометій-147.
Бета-випромінювання з мінімальною енергією електронів є слабопроникаючим. Воно майже повністю поглинається стінками скляних трубок і колб, через що джерела світла з радіоактивними ізотопами в радіаційному відношенні є цілком безпечними. Вони також вибухобезпечні, не потребують джерел живлення. Строк їхньої служби може бути дуже великим і залежить від періоду напіврозпаду ізотопів, які застосовуються у них. Проте світлові потоки, що створюють такі джерела світла, малі, як мала і яскравість їхнього світіння, але вони достатні для освітлення шкал приладів, виготовлення світлових знаків і т. ін.
У світлових знаках найчастіше застосовують тритієве наповнення. Виготовляють ці знаки у вигляді запаяної скляної трубки діаметром 1-3 см або колби, які покриті зсередини шаром люмінофору і наповнені тритієм. Спектральний склад їхнього випромінювання залежить від люмінофора, який застосовується в них. Яскравість жовтого, зеленого та білого кольорів світіння у них складає 1 2 кд/м2, синього та оранжево-червоного - 0,3-0,8 кд/м2.
Період напіврозпаду тритію дорівнює приблизно 12 рокам, але яскравість світіння у світлових знаках із цим ізотопом зменшується вдвічі десь за 6-7 років. Корисний строк служби світлових знаків з урахуванням такого спаду яскравості світіння може досягти 12-15 років.
Радіоактивні ізотопи застосовують також для виготовлення самосвітних фарб. До складу таких фарб входять люмінофори, які змішані з радіоактивними ізотопами, що випускають лише β-промені. Самосвітні фарби майже зовсім нешкідливі, оскільки електрони, що випускаються при β-розпаді ядер ізотопів, які використовуються у фарбах, мають відносно малу енергію. Ці електрони майже повністю затримуються навіть тонким шаром захисного покриття (лаку) і не руйнують основу люмінофору. Яскравість світіння цих фарб залежно від кольору становить 0,05 - 0,2 кд/м2. Спад її залежить від періоду напіврозпаду ізотопу.
Світловипромінюючі діоди (світлодіоди) являють собою мініатюрні напівпровідникові джерела світла, в яких випромінювання виникає внаслідок рекомбінації електронів та “дірок” в р-n-переході. Іноді ці джерела світла називають інжекційними світлодіодами, а утворюване ними випромінювання - інжекційною люмінесценцією. Промисловість виготовляє десятки типів світло- діодів і складніших джерел світла на їхній основі з різною комбінацією тієї чи іншої кількості світлодіодів.
У світлодіодах, як і у звичайних напівпровідникових діодах, при вмиканні їх у прямому (провідному) напрямку під дією електричної напруги виникає інжекція (впорскування) основних носіїв заряду з емітерної частини в область бази. Але заряд основних його носіїв у базі має інший знак, ніж в емітері, тому в базі поблизу р-n-переходу при проходженні струму виникає процес рекомбінації, тобто електрони та позитивно заряджені “дірки” об’єднуються, що і спричинює появу рекомбінаційного випромінювання.
Для виготовлення світлодіодів вибирають такі напівпровідникові матеріали і домішки до них, щоб виникаюче рекомбінаційне випромінювання було видимим і мало певне забарвлення. Тому ні германій, ні кремній, які дуже часто застосовують у напівпровідниковій техніці, для виготовлення світлодіодів виявляються непридатними. Для виготовлення світлодіодів часто застосовуються фосфід галію або карбід кремнію, а також деякі потрійні сполуки, які є твердими розчинами.
Крім світлодіодів, що утворюють видиме випромінювання, випускаються також світлодіоди інфрачервоного випромінювання. Для їхнього виготовлення найчастіше використовується арсенід галію і застосовуються вони у фотореле, різноманітних датчиках, входять до складу деяких оптронів (напівпровідникових приладів з оптичним зв’язком). При використанні у світлодіодах одночасно арсеніду галію, кремнію і антистоксових люмінофорів, які перетворюють інфрачервоне випромінювання у видиме, отримують світлодіоди з червоним, зеленим та голубим світінням.
Світлодіоди живляться від джерела постійного струму з напругою 1-3 В при значеннях струму 10-100 мА. Сила світла у них - 0,01-0,02 кд. Світлова віддача світлодіодів може досягати декількох сотень люменів на ват (світлодіоди з жовто-зеленим світінням), але утворюваний ними світловий потік дуже малий. Тому застосовують світлодіоди найчастіше як індикатори та освітлювачі малої потужності. Площа р-n-переходу у них може бути дуже малою (10-3-10-4 см2). Це дозволяє виготовляти їх дуже малих розмірів. Діаметр сучасних світлодіодів зазвичай не перевищує 3-7 мм.
Діапазон температур навколишнього середовища, при якому світлодіоди здатні нормально працювати, може бути досить широким (мінус 60 - плюс 70 оС).
Залежність яскравості світіння від прямого струму називається характеристикою яскравості світлодіоду, а залежність сили світла від прямого струму - його світловою характеристикою. Вольт- амперна характеристика у світлодіодів така ж, як і у звичайних випрямляючих діодів.
Виготовляють також світлодіоди змінного кольору світіння, які мають декілька р-n-переходів. Так, зокрема, виготовляють світлодіоди, які мають два р-n-переходи, один з яких має максимум енергії випромінювання у червоній частині спектра, а другий - в зелений його частині. Колір світіння цих світлодіодів залежить від співвідношення струмів, що проходять через р-n-переходи. Найкращі властивості мають світлодіоди з гетеропереходами, що утворюються між різними напівпровідниками.
Конструкційно світлодіоди виконують у металевих корпусах з лінзою, яка забезпечує направлене випромінювання, або в прозорих пластмасових корпусах, при застосуванні яких випромінювання є розсіяним. Поряд з цим виготовляють також і безкорпусні світлодіоди.
На основі світлодіодів створені лінійні світлодіодні шкали та цифрово-буквені світлові індикатори.
Лінійні світлодіодні шкали виготовляють як інтегральні мікросхеми, що складаються з послідовно розташованих світлодіодних структур (сегментів), кількість яких може бути від п’яти до 100 і більше. Такі шкали можуть замінювати щитові вимірювальні прилади, їхнім призначенням є відображення змінної інформації.
Цифрово-буквені світлові індикатори також виготовляють у вигляді інтегральних мікросхем з декількома світлодіодними сегментами. Ці світильні сегменти розміщуються у таких індикаторів так, щоб при відповідних комбінаціях світних сегментів з них можна було б утворювати відображення певної цифри або букви. Одно- розрядні індикатори дозволяють відтворювати одну цифру (від нуля до дев’яти) або деякі букви. Багаторозрядні індикатори відтворюють одночасно декілька знаків.
У більшості цифрово-буквених світлових індикаторів світлодіодні сегменти мають вигляд смужок (зазвичай сім для кожного розряду). Виготовляють також матричні індикатори, які мають 35 точкових світлодіодних елементів, з яких синтезуються будь-які знаки. Перевагою таких матричних індикаторів з великою кількістю елементів є те, що у них при відмові в роботі одного з елементів матриці помилка при відтворенні знака не виникає, в той час як у семисегментних індикаторах у вигляді смужок відмова у роботі одного сегмента часто робить неможливим правильне визначення відтворюваного знака.
Параметри і характеристики цифрово-буквених індикаторів аналогічні тим, які мають звичайні світлодіоди. Застосовують цифровобуквені індикатори у вимірювальній апаратурі, у пристроях автоматики та обчислювальної техніки, в мікрокалькуляторах, електронних годинниках та в інших пристроях.
Багатоелементні світлодіодні блоки, які вміщують десятки тисяч світлодіодів, дають можливість одержувати зображення будь- якої складності. Зокрема, вони можуть бути виконані як плоскі екрани для телевізійних приймачів.
Електролюмінесцентні панелі являють собою плоскі конденсатори, в електричному полі яких знаходиться діелектрик з певною люмінесцентною речовиною. Принцип дії таких панелей заснований на тому, що деякі люмінесцентні речовини здатні випромінювати світло під дією електричного поля, тобто необхідне збудження їхніх атомів досягається за рахунок енергії електричного поля.
Схематично будова електролюмінесцентної панелі показана на рис. 5.1.
Електролюмінесцентна панель має металевий електрод 1, на який нанесений шар діелектрика 2. Як діелектрик у них може бути застосована органічна смола з розподіленим у ній люмінесцентним порошком. Основу цього порошка становлять сульфід або селенід цинку. Необхідний колір світіння (зелений, голубий, жовтий, червоний, білий) створюється введенням в люмінофор різних активаторів. Зверху шар діелектрика покритий електропровідною прозорою плівкою 3, яка є другим електродом. Від несприятливого впливу оточуючого середовища плівка 3 захищена скляною пластинкою 4. Прозорий електрод 3 виготовляється з окису олова і є суцільним, а електроду 1 залежно від призначення джерела світла надають певної форми. Зазвичай йому надають форму цифр, букв або сегментів для отримання синтезованих знаків та геометричних фігур.
Світіння в люмінесцентних панелях виникає тоді, коли між електродами 1 і 3 з’являється напруга. Напруженість електричного поля для виникнення світіння має складати 104 - 105 В/см. Стандартні електролюмінесцентні панелі на склі живляться від мережі змінного струму напругою 220 В і мають вигляд прямокутних пластин товщиною 4-5 мм.
Максимальна світлова віддача електролюмінесцентних панелей (із зеленим і жовтим світінням) досягає 12 лм/Вт. При збільшенні частоти струму яскравість світіння цих джерел світла підвищується, але одночасно збільшується і швидкість її спаду протягом часу. Особливо великим спад яскравості буває в перші сотні годин роботи, пізніше він уповільнюється. Корисний строк служби електролюмінесцентних панелей досягає 3 тис. год і більше.
Найчастіше електролюмінесцентні панелі використовують як світлові індикатори у системах сигналізації та відтворення інформації, а також як малопотужні джерела світла.
Найбільше поширення мають цифрово-буквені люмінесцентні індикатори. У них електрод 1 виготовляється растровим або матричним. Він буває складений з ряду смужок або великої кількості точкових елементів, які дають світлове зображення на темному фоні або навпаки - темне зображення на світловому фоні. Смуги і точкові елементи можуть бути як одноколірними, так і багатоколірними. Для зображення цифр електрод 1 часто поділяють на 7 - 9 сегментів, а індикатори з 19 сегментами дозволяють висвітлювати усі цифри і букви російського, українського або латинського алфавітів. Зазвичай такі індикатори оформляють у пластмасових корпусах. Для їхнього живлення використовуються джерела змінного струму напругою 220 В і частотою 400 - 1200 Гц. Лінійні розміри висвітлювальних знаків можуть бути від декількох одиниць міліметрів до десятків міліметрів.
Позитивними якостями електролюмінесцентних індикаторів є невелика потужність, що споживається ними, відносно висока яскравість зображень, плоска конструкція, порівняно висока механічна міцність і тривалий строк служби. Основний їхній недолік, як і багатьох інших індикаторів, - необхідність застосування досить складних систем керування.
Лазери є генераторами оптичного випромінювання з дуже великою концентрацією потужності (до 1011 Вт/см2 в неперервному режимі і до 1018 Вт/см2 - в імпульсі), з дуже вузькою направленістю випромінювання та іншими унікальними властивостями. Вивчаються ці джерела світла в окремому курсі.
Методичні вказівки
Грамотне сприйняття матеріалу, який викладений у цьому розділі, можливе за умови достатнього розуміння основ теорії розпаду радіоактивних атомних ядер, теорії р-n-переходів у напівпровідникових приладах та знання властивостей конденсаторів, що вивчається відповідно в курсах фізики, електротехніки та електроніки.
Треба добре зрозуміти, що джерела світла з радіоактивними ізотопами не створюють негативної дії на здоров’я людини, оскільки в них застосовуються лише β-ізотопи з мінімальними енергіями електронів і без γ-випромінювання.
Запитання для самоперевірки
- Назвіть джерела світла, що не відносяться до теплових розрядних або змішаних їхніх різновидів.
- Чим спричинене виникнення світлового потоку у джерелах світла з радіоактивними ізотопами? Що являють собою такі джерела світла? Яке радіоактивне випромінювання у них використовується та чому такі джерела світла є безпечними в радіаційному відношенні?
- Назвіть основні особливості джерел світла з радіоактивними ізотопами. Де застосовуються такі джерела світла?
- Що являють собою світлосклади самосвітних фарб? Чим визначається спад світіння цих фарб? Чому вони безпечні в радіаційному відношенні?
- Що являють собою світлодіоди? Внаслідок чого у них утворюється випромінювання?
- Назвіть основні особливості світлодіодів. Де застосовують світлодіоди?
- Від чого залежить колір світіння у світлодіодів змінного кольору світіння?
- Що являють собою лінійні світлодіодні шкали та цифровобуквені світлодіодні індикатори? Де їх застосовують?
- Яку будову мають електролюмінесцентні панелі? Що є джерелом збудження атомів у електролюмінесцентних панелях?
- Назвіть основні особливості електролюмінесцентних панелей і області їхнього застосування.
- Генераторами якого вимірювання є лазери?
Прийняті скорочення
ВАХ - вольт-амперна характеристика
ГЛР - галогенна лампа розжарювання
ДКсТ - дугова ксенонова трубчаста лампа
ДКсК - дугова ксенонова кульова лампа
ДРВ - дугова ртутно-вольфрамова лампа
ДРЙ - дугова ртутна лампа з йодидами металів
ДРЛ - дугова ртутна люмінесцентна лампа (з виправленою колірністю)
ДРТ - дугова ртутна трубчаста лампа
ДРК - дугова ртутна кульова лампа
ІЛ - імпульсна лампа
ЛЛ - люмінесцентна лампа
ЛР - лампа розжарювання
МГЛ - металевогалогенна лампа
НЛВТ - натрієва лампа високого тиску
НЛНТ - натрієва лампа низького тиску
ПРА - пуско-регулювальний апарат
РЛ - розрядна лампа
РЛВТ - розрядна лампа високого тиску
РЛНТ - розрядна лампа низького тиску
РЛНВТ - розрядна лампа надвисокого тиску