Закономерности развития газоразрядных источников спонтанного излучения

Э.А. Соснин, Б.Н. Пойзнер

Закономерности развития газоразрядных 

источников спонтанного излучения

Москва

Инфра-М; ИЦ РИОР

2017

Э.А. Соснин, Б.Н. Пойзнер

Закономерности развития газоразрядных 

источников спонтанного излучения

Монография

Москва

Инфра-М; ИЦ РИОР; Znanium.com

2017

Соснин, Э.А.

Закономерности развития газоразрядных источников спонтанного 

излучения: монография / Э.А. Соснин, Б.Н. Пойзнер. – М.: Инфра-М; 
Znanium.com, 2017. – 106 с.

Технические системы развиваются по определенным законам, используя которые можно 
ускорить поиск технических решений при развитии той или иной технологии.

Методологическую базу книги составляют законы эволюции целенаправленных систем 
(Альтшуллер Г.С., 1973; Злотин Б.Л., 1989; Корогодин В.И., 1991). На их основе 
анализируется развитие источников спонтанного излучения. Даются рекомендации по 
созданию, совершенствованию и прогнозированию развития источников света. Все 
положения иллюстрируются примерами из фотоники и светотехники. Обобщен материал,
содержащийся в более чем ста книгах, патентах и статьях.

Книга написана как руководство для разработчиков источников спонтанного излучения. 
Она адресована научным работникам, инженерам, изучающим и конструирующим 
источники излучения, а также специалистам по проблемам творчества.

Книга также может использоваться студентами университетов в учебных курсах по 
специальностям «Светотехника и источники света» (180600) и «Оптико-электронные 
приборы и системы» (190700).

© Соснин Э.А., Пойзнер Б.Н., 2017

Введение

Изобретательность состоит в том, чтобы
сопоставлять вещи и распознавать их связь.
Люк де Клапье Вовенарг

Целью настоящей книги является описание закономерностей и создание прогнозов развития технической системы газоразрядных источников спонтанного излучения (ТС ИСИ).
Источники спонтанного излучения – устройства, преобразующие какой-либо вид энергии (электрической, тепловой, химической) в энергию электромагнитных волн в оптическом диапазоне длин волн, нашли широкое применение в быту, производстве, науке, технике и технологии. Примерно 13 -14 % всей
электроэнергии в мире расходуется при эксплуатации источников оптического излучения.
Каждый источник света отличается своими уникальными
физическими и эксплуатационными параметрами: уровнем
средней и удельной мощности, спектральным составом излучения, эффективностью, ресурсом работы, массой, габаритами,
стоимостью. Параметры определяют специфику использования
того или иного ИСИ в рамках данной конкретной задачи или целевом звене (ЦЗ).
По своей физической природе все существующие ИСИ
можно разделить на тепловые и люминесцентные. Промышленные тепловые источники, в которых используется излучение нагретых тел (главным образом к ним относятся лампы накаливания), наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, однако
имеют низкие ресурс, светоотдачу (не более 10–20 лм/Вт) и
цветность, сильно отличающуюся от цветности дневного света.
Люминесцентные ИСИ, в основе действия которых лежат различные способы превращения отдельных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, характеризуются существенно более высокими величинами светоотдачи (до 100 лм/Вт и
более) и ресурса (до 10–15 тысяч часов). Одним из важных преимуществ данных ИСИ, среди которых наибольшее распространение  получили электролюминесцентные, является разнообразие спектров излучения, что обеспечивает возможность ис

пользования их в различных технологиях. К основным недостаткам данных ИСИ можно отнести, прежде всего, большую стоимость, сложность и высокую технологию при изготовлении, необходимость обеспечения условий запуска и функционирования
[1–6]. Электролюминесцентные источники называются в инженерных справочниках газоразрядными лампами: согласно ГОСТ
15049-81, СТ СЭВ 2737-80 разрядным источником света или
разрядной лампой называют электрическую лампу, в которой
свет создается в электрическом разряде в газе и/или парах металла. Электрический разряд обеспечивает различные изменения энергетических состояний валентных электронов атомных и
молекулярных оболочек газов, заполняющих колбу лампы, что,
в свою очередь, определяет спектральный состав получаемого
оптического излучения.
Примером впечатляющего прорыва в создании и применении люминесцентных источников излучения является появление эксиламп. Это ИСИ ультрафиолетового (УФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазонов спектра [7]1. Отличительными чертами таких источников являются, во-первых, эффективное преобразование электрической энергии в световую
за счет образования эксимерных и эксиплексных молекул в условиях газоразрядной плазмы и последующего высвечивания
ими квантов света. Во-вторых, спектр излучения состоит преимущественно из относительно узкой полосы2 соответствующей молекулы. Это позволяет селективно воздействовать на
объекты облучения теми длинами волн излучения, которые
приводят к наибольшему полезному эффекту, т.е. увеличить

1 Эксилампы излучают за счет распада эксимерных молекул (эксиплексов от англ. excited complex (exciplex) – возбужденный комплекс, если речь идет о
гетероядерной молекуле (например, XeF*)) или эксимерных молекул (эксимеров - от англ. excited dimer (excimer)  –  возбужденный димер,  если речь
идет о молекуле, состоящей из одинаковых атомов (например, Ar2*)).
   Эксиплексные и эксимерные молекулы являются неустойчивыми химическими соединениями, существующим только в возбужденных электронных
состояниях, поэтому время жизни такой молекулы в возбужденном состоянии ограничено и составляет для разных эксиплексов от 10-9 до 10-7 с. Спонтанный распад таких молекул на отдельные атомы сопровождается высвечиванием характерного для данного комплекса кванта света. Излучение эксиламп является узкополосным, а максимумы полос излучения, в зависимости
от используемой молекулы, располагаются в диапазоне от 126 до 354 нм.
2 Полуширина полос составляет от единиц до десятков нанометров.

КПД технологического процесса, в котором используется эксилампа.
В-третьих, рабочие смеси данных ИСИ, состоящие из
инертных газов или их смесей с галогенами, экологически безопасны по сравнению с рабочей смесью ртутных ламп, излучающих в том же спектральном диапазоне. Эти уникальные свойства позволили с успехом применить их, например, для фотохимических приложений [8], в аналитической химии [9], фотобиологии [10], микроэлектронике [11-13] и научных исследованиях
[14].
Развиваются и другие интересные технологии получения
спонтанного излучения,  о которых тоже пойдет речь в книге.
Таким образом, с конца прошлого века фотоника испытывает бум новых технологий: появляются новые источники излучения, ширятся области их применения.
Настоящая книга задумана как попытка систематизировать
описание закономерностей развития газоразрядных ИСИ, а
также дать ряд прогнозов развития этих систем и наметить новые области их применения. Для этого использовался опыт
анализа закономерностей развития технических систем, накопленный в ТРИЗ [15]. Книга адресована специалистам по фотонике и студентам университетов, специализирующимся на разработке и применении ИСИ.
Автор будет рад сотрудничеству с читателями, заинтересовавшимися темой книги. Представленный здесь фактический
материал нуждается в пополнении, и автор с благодарностью
примет любые сведения, которые могли бы его расширить.
Автор благодарит всех авторов-разработчиков, с которыми
ему посчастливилось общаться и которые поделились с ним
своим опытом разработки ИСИ. Автор также благодарен коллективу кафедры квантовой электроники и фотоники радиофизического факультета Томского государственного университета,
поверившему в него и зимой 2002 года проголосовавшему за
его зачисление в преддокторантуру университета с научным
проектом «Ультрафиолетовые газоразрядные эксилампы и их
применение в фотохимии и фотобиологии».

Сентябрь 2004 г.

Принятые сокращения

ВУФ – вакуумное ультрафиолетовое излучение
ЗРТС – законы развития технических систем
ИСИ – источник спонтанного излучения
ИКР – идеальный конечный результат
ТРИЗ - теория решения изобретательских задач
ТС - техническая система
ТТИ - телеологическая теория информации
УФ – ультрафиолетовое излучение
ЦД - целенаправленные действия
ЦЗ - целевое звено
►  – значок предложения по развитию технической системы

Глава 1. ИСТОЧНИК СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
КАК РАБОТОСПОСОБНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

В этой главе мы рассмотрим статические законы построения работоспособной технической системы и конкретизируем их
действие на примере источников спонтанного излучения. Под
статикой здесь понимается то, что эти законы описывают необходимые условия возникновения и поддержания в рабочем состоянии технической системы без их длительного развития.

1.1. Элементы ТС ИСИ. Закон полноты частей системы

Система - это комплекс взаимодействующих элементов.
Приписывается Л. фон Берталанфи

Как система источник спонтанного излучения является некоторым множеством взаимосвязанных элементов, не сводящихся к свойствам отдельных элементов (так называемое системное качество): все источники излучения имеют типовые
элементы, однако их комбинации позволяют создавать многочисленные системы, каждая их которых имеет свои характеристики и даже придает системе неожиданные системные свойства.
Фундаментальными признаками ИСИ, помимо системного
качества, являются:
ü
функциональность: полезной функцией ИСИ является
создание спонтанного излучения;
ü
целостность: получить полезную функцию ИСИ трудно
или невозможно, если какой-либо из элементов системы
удалить;
ü
организованность: все элементы ИСИ взаимосвязаны в
пространстве и во времени.
Для того чтобы система была работоспособной, т.е. могла
выполнять свою основную положительную функцию, для которой была создана, необходимо наличие минимум четырех частей: органа управления, трансмиссии, рабочего органа и двигателя3 (закон полноты частей системы). Кроме того, необхо
3 Орган управления – элемент, обеспечивающий регуляцию прохождения
энергии и реализацию полезной функции.

дим источник энергии для подпитки технической системы и изделие, на которое воздействует ТС, выполняя свои служебные
функции. Схематически это показано на рис. 1.
Что это означает применительно к ТС ИСИ?
Общим элементом любой лампы является рабочий объем,
заполненный молекулярным или атомарным газом, а также
смесями нескольких газов или смесями, содержащими пары металлов: ртути, натрия, калия, рубидия, цезия и пр. Возбуждение

Рис. 1. Блок-схема построения технической системы, способной выполнять свою положительную функцию
этих сред в целях получения излучающей плазмы осуществляется в большинстве случаев за счет зажигания в рабочей полости ламп газового разряда, хотя возможны и иные способы:
радиолюминесцентный, возбуждение электронным пучком и
различные их комбинации с электрическим разрядом. Накачка
разрядом выгодно отличается тем, что ее наиболее просто
осуществить, и, меняя давление и состав газовой среды, конфигурацию электродов и размеры разрядного промежутка, можно
сравнительно легко управлять параметрами плазмы: распределением возбужденных и ионизованных частиц по энергиям и
скоростям, собственно степенью ионизации плазмы (отношение

  Трансмиссия – элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с необходимым преобразованием её вида и параметров.
  Рабочий орган – элемент, передающий энергию внешней среде (изделию,
надсистеме) и завершающий выполнение полезной функции системы.
  Двигатель – элемент, вырабатывающий энергию либо аккумулирующий её
из внешней среды.

числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема), температурой заряженных частиц. То есть в конечном
счете управлять люминесцентным процессом в среде.
Таким образом, элементы ТС ИСИ могут быть сведены в
табл. 1.

Таблица 1
Элемент системы
Элемент ТС ИСИ

Орган управления 
Устройства коммутации, задающие генераторы, логические цепи

Трансмиссия
Электродная система, атомы и молекулы,
входящие в состав газовой смеси, электроны, ионы, тип разряда

Рабочий орган
Возбужденные атомы и молекулы, в т.ч. попавшие в разряд с электродов, колба лампы,
выходное окно, через которое излучение поступает из устройства наружу

Двигатель
Внешнее питание

Основные части ТС ИСИ выделить просто. По мере совершенствования источника излучения и расширения числа выполняемых им функций работоспособность каждой отдельной части может обеспечиваться в неодинаковой мере, что приводит к
снижению её жизнеспособности. Эта особенность называется
в ЗРТС законом неравномерности развития технической системы. О нем подробнее речь пойдет в гл. 2.
Пример 1.1. Лампа накаливания появилась как сравнительно простое устройство, содержащее электроды, газовый баллон
и цоколь для подвода электрического тока. Со временем электроды были заменены нитью накаливания, а лампу стали использовать для получения более сложных спектров. Для этого в
баллон стали помещать новые газы и химические элементы. Их
взаимодействие с нитью накаливания (трансмиссией) привело к
тому, что срок службы нити уменьшился. Это потребовало новых технических решений.