Вещества, способные излучать свет под действием внешнего излучения, потока электронов или электрического поля, называются люминофорами.
В производстве источников света применяются главным образом фотолюминофоры, возбуждаемые ультрафиолетовым и частично видимым излучением. Такие люминофоры принято называть ламповыми. К ним предъявляются следующие технические требования:
- Высокая эффективность при заданных спектрах возбуждения и излучения. Эффективность люминофора в первую очередь определяется его квантовым выходом, т. е. отношением числа излученных квантов к числу поглощенных квантов возбуждающего излучения. Эта величина может быть меньше, равна или больше единицы. Для люминесцентных ламп наиболее эффективным является тот люминофор, который при возбуждении линией 253,7 нм имеет квантовый выход, близкий к максимальному. Для ламп ДРЛ люминофор должен иметь высокий квантовый выход при возбуждении многими линиями излучения разряда высокого давления, но особенно линией 365 нм.
- Излучение в требуемой области спектра. В люминесцентных лампах для общего освещения люминофор должен иметь излучение, близкое к спектральному составу дневного света. Излучение люминофора, применяемого в лампах ДРЛ, должно находиться в красной области спектра. В эритемных лампах применяется люминофор с излучением в эритемной области и т. д.
- Высокий коэффициент пропускания видимого излучения как собственного, так и ртутного разряда.
- Высокая стабильность в процессе изготовления и эксплуатации ламп. Неблагоприятными факторами, действующими на люминофор, являются воздействие паров ртути, повышенной температуры, коротковолнового излучения ртутного разряда (линии 185 нм) и др.
- Люминофор должен иметь определенный гранулометрический состав. Размер зерен влияет на качество закрепления люминофора на стенках колбы, на световую отдачу ламп и др. Прочность закрепления (адгезия) люминофора к стеклу возрастает с уменьшением размеров зерен, но при этом одновременно происходит снижение световой отдачи ламп за счет повышения коэффициента отражения возбуждающего излучения таким покрытием. Крупные частицы люминофора легко осыпаются в лампе. Поэтому для люминофоров устанавливается определенный гранулометрический состав. Обычно для люминесцентных ламп низкого давления используется люминофор с размером зерен от 3 до 20 мкм.
- Люминофор должен быть технологичен, т. е. удобным в работе.
а) Люминофоры для люминесцентных ламп низкого давления. Люминофоры на основе галофосфатов.
Наиболее широкое применение в люминесцентных лампах нашли люминофоры на основе галофосфата кальция (ГФК), активированного сурьмой и марганцем. Общая химическая формула этих люминофоров 3Са3(РО4)2-Са(F, Cl):Sn, Мn. Спектр возбуждения ГФК имеет два максимума в области 200 и 250 нм, т. е. вблизи резонансных линий ртутного разряда низкого давления. Это обусловливает высокий квантовый выход (около 0,75—0,85).
Излучение галофосфатных люминофоров состоит из двух спектральных полос — сурьмяной с максимумом 480 нм и марганцевой — с максимумом 580 нм. За счет изменения процентного содержания и соотношения активаторов (сурьмы, марганца) и галоидов (хлора, фтора) можно в значительных пределах изменять спектр излучения люминофора. Галофосфатные люминофоры технологичны, имеют невысокую стоимость. Их общим недостатком является относительно малая стабильность в течение срока службы.
В улучшенных марках галофосфатных люминофоров значительно сужен гранулометрический состав, размеры большинства зерен близки к оптимальным — 6—16 мкм. Это и ряд других улучшений позволили поднять световую отдачу до 75—80 лм/Вт.
В настоящее время электроламповая промышленность использует галофосфатные люминофоры марок ЛГ-1-1, ЛГ-1,2, Л-3500-2, Л-3500-3, ЛГ-5, ЛГ-6, ЛГ-2К, ЛГ-3К и др.
Люминофоры на основе ортофосфатов.
Из этой группы для люминесцентных ламп получил широкое применение люминофор Л-42ДН, имеющий химическую формулу (Са, Zn)3-(РО4)2:Sn. Люминофор Л-42ДН при возбуждении резонансной линией ртути 254 нм генерирует три полосы излучения: 390, 500 и 610 нм. Квантовый выход составляет 0,9. При нагревании до 100 °C яркость свечения люминофора увеличивается и начинает уменьшаться только при температуре выше 150°C. Важными преимуществами ортофосфатного люминофора перед галофосфатными является его большая однородность по радиационной стойкости к излучению с λ=185 нм, а также меньшая сорбционная способность по отношению к ртути.
Применение ортофосфатных люминофоров в люминесцентных лампах позволило улучшить цветопередачу ламп, так как доля энергии, излучаемой этим люминофором в красной области спектра, гораздо больше, чем у ГФК. Ортофосфатные люминофоры в смеси с галофосфатными широко используются в люминесцентных лампах с улучшенной цветопередачей.
Люминофоры на основе ортофосфатов с излучением в ультрафиолетовой области спектра применяются для эритемных ламп. Наиболее эффективным из этой группы является люминофор Э-2, имеющий химическую формулу (Са, Mg)3-(РО4)2:Т1. Максимум его излучения находится в области 305 нм.
В последнее время с целью повышения световой отдачи и индекса цветопередачи для люминесцентных ламп разработаны трехполосные люминофоры на редкоземельной основе. Их общее суммарное излучение складывается из трех отдельных излучений в узких интервалах длин волн спектра (450, 540 и 610 нм). Изменяя процентное соотношение компонент люминофора, можно добиться изменения соотношения мощностей излучений в этих областях и получить люминесцентные лампы с требуемыми световыми и цветовыми параметрами.
б) Люминофоры для ртутных ламп высокого давления. Фторогерманат магния, активированный марганцем.
Этот люминофор, известный под маркой Л-40, имеет химическую формулу Mg4-GeO5,5-Fe:Мn.
Люминофор возбуждается в широкой области спектра — от 200 до 480 нм. Спектр его излучения состоит из пяти узких полос, имеющих максимумы в областях 626, 634, 643, 654 и 660 нм. Квантовый выход равен 0,85. Максимальная яркость свечения люминофора наблюдается при его нагреве до температуры около 600 К.
Красное отношение в суммарном спектре излучения ламп ДРЛ с этим люминофором составляет 7—9%. Поглощение излучения ртутного разряда слоем люминофора в видимой области не превышает 10%. Основной недостаток этого люминофора — его дороговизна.
Ортофосфатные люминофоры, активированные оловом.
Для ртутных ламп высокого давления нашли применение люминофоры:
фосфат стронция — магния (Sr, Mg)3·(РО4)2:Sn; фосфат стронция — цинка (Sr, Ζη)3· (РО4)2: Sn; фосфат кальция— магния (CaMg)3·(РО4)2 : Sn.
В спектре излучения ортофосфатных люминофоров наряду с интенсивной оранжево-красной полосой имеется небольшое излучение в синей части спектра. Полосы излучения этих люминофоров относительно широкие, квантовый выход около 0,9.
Люминофор (Sr, Mg)3(PO4)2:Sn стабилен при технологической обработке, при нагреве до 620 К его яркость увеличивается на 30%. Максимум излучения приходится на 630 нм. ·
Люминофор (Sr, Mg)3· (РО4)2: Sn характеризуется относительно невысокой рабочей температурой (около 270°C). При нагреве наблюдается сдвиг максимума излучения в сторону более коротких волн (до 600 нм), за счет чего яркость свечения увеличивается на 25% с соответствующей потерей в красной области спектра.
У люминофора (Са, Mg)3·(РО4)2:Sn спектр излучений зависит от длины волны возбуждающего излучения. При возбуждении люминофора излучением с длиной волны 254 нм максимум полосы излучения люминофора приходится на 600 нм, а при возбуждении линий ртутного разряда 313 нм максимум излучения сдвигается в сторону более коротких длин волн (500 нм). Лампы с таким люминофором имеют высокую световую отдачу (около 60 лм/Вт), но малое красное отношение (около 4,4%).
Ортованадат иттрия, активированный европием.
Его химическая формула YVO4: Еu. Он является одним из широкого круга люминофоров, в качестве основы которых используются окислы металлов (ванадия, бериллия, цинка, кадмия и др.), а в качестве активаторов церий, неодим, европий, тербий и другие редкоземельные элементы.
Ортованадат иттрия возбуждается ультрафиолетовой областью спектра ртутного разряда (при комнатной температуре примерно до 350 нм), при нагревании до 520 К спектр возбуждения люминофора смещается в длинноволновую область (увеличивается эффективность использования линии 365 нм).
Спектр излучения люминофоров состоит из четырех достаточно узких полос с максимумами в областях 535, 590, 618 и 650 нм.
Максимальная яркость свечения люминофора достигается при его нагреве до температуры порядка 400 °C. Квантовый выход равен 0,9. Люминофор практически не поглощает собственное и видимое излучение ртутного разряда.
В ртутных лампах высокого давления ортованадат иттрия может применяться в смеси с другими люминофорами. Наиболее эффективно использовать смесь 20—30% ортованадата иттрия и 80—70% ортофосфатного люминофора (Са, Sr)s-(РО4)2:Sn. В этом случае световая отдача ламп мощностью 400 Вт доходит до 60 лм/Вт при «красном отношении» 5—7%.