CC BY
52
УДК 621.37
А.Б. Поллер, Б.В. Поллер, А.Е. Кусакина ЗАО «СКБ», СГГА, НГТУ, Новосибирск
О РАСПРОСТРАНЕНИИ И НАКОПЛЕНИИ СВЕТА В СЛОЯХ ЛЮМИНОФОРОВ ДЛИТЕЛЬНОГО ПОСЛЕСВЕЧЕНИЯ
В статье рассматриваются некоторые характеристики люминофоров длительного послесвечения.
A.B. Poller, B. V Poller, A.E. Kusakina Inc. «SKB», SSGA, NSTU, Novosibirsk
ABOUT PROPAGATION AND ACCUMULATION OF LIGHT IN LAYERS OF LONG AFTERGLOW PHOSPORS
The article discusses some characteristics of long afterglow phosphors.
Развитие исследований, разработки и производства люминофоров длительного послесвечения для целей рекламы, освещения, безопасности делает актуальным вопросы анализа распространения и накопления света в слоях таких люминофоров. В настоящее время получены кристаллофосфоры на основе стронциевых алюминатов и иттриевых оксисульфидов с энергетической эффективностью (светосуммой) до 0,85-1016 квант/см2 [1]. При использовании
таких люминофоров становится возможным получение яркостей послесвечения
2 2 более 180 мКд/м через 10 мин и более 20 мКд/м через 60 мин после засветки,
что достаточно для целей освещения подземных и темных помещений, для
безопасного ночного движения транспорта. В работе [2] рассматривался метод
накопления света и тепла в композитах люминофоров с жидкостями. Для
развития этого метода представляет интерес анализ распространения
оптического излучения в слоях люминофоров.
Для анализа рассмотрим схему распространения света в слое люминофора, представленную на рис. 1.
Рис. 1. Схема распространения солнечного света в слое люминофора толщиной
d, высотой h и шириной I, Ео - облученность на поверхности слоя, Еi -
облученность от микрочастиц
Люминофор (ЛМ) представляет собой порошок из микрочастиц неправильной формы размерами от единиц до десятков мкм.
Тогда в слое объемом V = I х а х Н ориентировочно будет находиться N частиц ЛМ:
N = ^ ,
Аг3
где Ат - средний объем одной частицы ЛМ, К - коэффициент, учитывающий плотность упаковки частиц.
Поскольку падающее солнечное излучение лежит в диапазоне длин волн от
0,3 до 2 мкм, т. е. излучение имеет длины волн существенно меньше Ат, то к рассматриваемой схеме применим парадокс ослабления света крупными частицами [3]. В соответствии с ним микрочастица любой формы изымает из пучка света энергии вдвое больше, чем падает на ее поверхность.
Для микрочастицы ЛМ характерно также поглощение части энергии солнечного света с полосой АХ, за счет чего и происходит накопление световой энергии. Тогда процесс взаимодействия одной микрочастицы ЛМ с солнечным светом можно представить в виде, изображенном на рис. 2.
Рис. 2. Взаимодействие солнечного света с микрочастицей ЛМ. Рпог. -поглощенная энергия, Ррас. - рассеяная энергия, Рпр. - прошедшая энергия, Ризл. -
Для анализа выделим из слоя люминофора тонкий срез толщиной А, поперечное сечение которого представлено на рис. 3.
В данном срезе, очевидно, может происходить конгломерация микрочастиц (МЧ) с образованием крупных частиц. Для ЛМ ФВ-490 анализ формы МЧ показал, что они вписываются в неправильные многоугольники, некоторые из которых близки по форме к вытянутым эллипсам (пирожкам).
Рис. 3. Конфигурация микрочастиц в срезе А слоя из люминофоров
При рассмотрении МЧ были выделены несколько основных форм: шар, кубик, многоугольник, треугольник. У люминофора ФВ-490 основное количество имеет форму многоугольника (пятиугольника). Анализ формы частиц для люминофора ФСВ-590-1 показал, что большинство частиц имеет форму близкую к сфере с диаметром D = 10 ... 15 мкм.
Р
Р рас.
излучаемая энергия
£
5 15 25 35 Ц.мкм
Рис. 4. Распределение частиц люминофора ФВ-490 по размеру
Средний поперечный размер МЧ около 5 - 15 мкм. Расположение МЧ по поверхности среза подчиняется случайному закону, а отношение суммарной площади поперечных сечений МЧ к площади сечения а*Ь равно коэффициенту £Лг2. п
т — (< 1).
а ■ Ь
Тогда доля прошедшего через срез А света ДРо без ослабления в промежутках между ними будет пропорциональна (1 - т).
Доля излучения АРо прошедшего через материал МИ ЛмРо = Ро-а, где а -коэффициент ослабления в материале МИ.
Для экспериментальной оценки характеристик затухания излучения в слоях ЛМ был выбран лазер (с длиной волны вне полосы поглощения ЛМ), и были проведены измерения ослабления выходного сигнала от фотодиода большой площади в зависимости от толщины слоя ЛМ, находящегося над ним. Такая зависимость выходного сигнала от высоты слоя Н представлена на рис. 5.
и
Н[нм]
Рис. 5. Зависимость выходного сигнала от высоты слоя Н
Экспериментальная зависимость достаточно хорошо подчиняется закону Бугера, при этом для исследованных ЛМ, коэффициент ослабления находился в диапазоне от 2 до 3,5 на мм-1 .
При внешнем облучении от газоразрядного источника света глубина засветки слоя люминофора к также зависит от времени облучения At. Экспериментальная зависимость для ФВ-490 к от At представлена на рис. 6.
И [нм]
А
2,5 --
2,0 -1,5 --
1,0 -0,5 --
1------г
т
-|—> At [сек.]
10 30 60 120 300
Рис. 6. Зависимость h от At
При этом интенсивность свечения граничного слоя ЛМ при оценке h примерно одинакова.
При облучении слоя ЛМ толщиной 2 мм лазером с длиной волны 530 нм в области поглощения ЛМ время до насыщения слоя (стабилизации послесвечения) составило около 180 сек.
На основании полученных характеристик можно обоснованно выбирать параметры устройств для накопления не только солнечного света, но и света от искусственных светильников, что важно для обеспечения безопасности в аварийных ситуациях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Семендяев С.В. Свойства кристаллофосфоров на основе стронциевых алюминатов и иттриевых оксисульфидов / Автореф. на соиск. учен. степ. к.ф.-м.н. - Москва, ФИ РАН. - 2009.
2. Поллер А.Б. О построении светотеплового люминофорного преобразователя солнечной энергии / Сб. матер. VI Междун. выст. и науч. конгр. «ГЕО-Сибирь-2008». - Новосиб., СГГА. - С. 51-55.
3. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. - СПб.: Наука, 2003. - 474 с.
© А.Б. Поллер, Б.В. Поллер, А.Е. Кусакина, 2011
