NEMKOHERENS FÉNYFORRÁSOK I TERMIKUS ÉS LUMINESCENS SUGÁRZÓK

NEMKOHERENS FÉNYFORRÁSOK I TERMIKUS ÉS LUMINESCENS SUGÁRZÓK

BEVEZETÉS Fényforrások a fotonikában: információ bevitelére, továbbítására és rögzítésére szolgáló fotonok létrehozása (emissziója), információ megjelenítése. Fényforrások az emberiség szolgálatában: világítás (a nappal világos időszak mesterséges meghosszabbítása). Fényforrások csoportosítása a fényemisszió fizikája alapján: nem-koherens források, koherens források. Témák: Fizikai alapok, fényforrások radiometriai és fotometriai jellemzése Termikus gerjesztésű fényforrások Gázkisüléses fényforrások Lumineszcens fényforrások

BEVEZETÉS (FOLYTATÁS) Irodalom: Mojzes-Kökényessi: Fotonikai anyagok és eszközök Csuti Schanda: Világítástechnika 95 (7-8) 221 (2002) Borsányi János: kvk.bmf.hu/konf2008/doc/eloadasok/03.ppt Lajtha-Szép: Fénytávközlő rendszerek és elemeik (5. Fénydetektorok fizikája és tecbológiája, valamint 6. Fényadók fizikája és technológiája fejezetek)

RADIOMETRIA ÉS FOTOMETRIA Radiometriai egységek: a sugárzás által vitt energiára vonatkoznak, ezek az SI mértékrendszer részei. Fotometriai egységek: Ezek az emberi szem által érzékelt spektrális tartományra és az ember fényérzetére vonatkoznak. CIE (Commission International d Eclairage): Emberi szem standardizált érzékenységi görbéje szerint a relatív érzékenység maximuma λ = 0,550 µm-nél van, (sárgás-zöld), itt 1 watt sugárzási teljesítmény 680 lumennel egyenértékű (1 lm megfelel 1,47 mw-nak). A relatív érzékenység 0,380 µm-nél (ibolya) és 0,780 µm-nél (vörös) válik nullává.

AZ EMBERI SZEM ÉRZÉKENYSÉGI GÖRBÉJE ÉS A FÉLVEZETŐK

FÉNY ÉS FÉLVEZETŐ E = h = hc/λ E [ev] = 1,24/λ [μm] = 1240/λ [nm] E a kölcsönhatás karakterisztikus energiája, pl. tiltott sáv, szennyezési centrum ionizációs energiája, stb. Példa: látható zöld fény λ = 500 nm, E = 2,48 ev szilícium tiltott sáv E = 1,12 ev, fotoválasz küszöbhullámhossza λ = 1107 nm

RADIOMETRIA ÉS FOTOMETRIA Mennyiség Radiometria Fotometria Fényáram W lumen Fényerősség W/szteradián kandela Megvilágítás W/m 2 lux = lumen/m 2 Fényerősség egységnyi térszögbe kibocsátott fényáram Egy kandela erősségű fényforrás 4π lument bocsát ki. A kandela (cd) mai definíciója (1979): Annak a fényforrásnak az erőssége, mely adott irányba 540x10 12 Hz frekvenciájú monokromatikus fényt bocsát ki és sugárerőssége 1/683 W/szteradián. Az adott frekvencia 556 nm hullámhossznak (zöld fény) felel meg. Az így definiált kandela az SI rendszerben alapegység.

FÉNYFORRÁSOK CSOPORTOSÍTÁSA Fényforrások Hőmérsékleti sugárzók (izzólámpák) 1930-as évek Kisüléses fényforrások Félvezető-alapú fényforrások LED-ek 1990-es évek hagyományos 1880-as évek kisnyomású nagynyomású halogén 1950-es évek fénycső indukciós lámpa kisnyomású nátriumlámpa higanylámpa hagyományos kompakt fémhalogén lámpa nagynyomású nátriumlámpa Színek a működési elv alapján xenon lámpa

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Ősidők óta használnak különböző fényforrásokat és világítótesteket, de csak a XX század elején jelentek meg az első tűrhető hatásfokú fényforrások. Jó fényhasznosítás, elfogadható élettartam: izzószálas fényforrások. Az izzólámpát 1879-ben találta fel Thomas A. Edison. Azt fejlesztették tovább a Tungsram mérnökei és kutatói, Hamala Sándor, Juszt Ferenc és Bródy Imre, akik a szénszálat volfrámszálra cserélték, az izzó buráját pedig kriptongázzal töltötték fel. Az új izzólámpával akkoriban kb. 75%-os árammegtakarítást értek el és az izzó fényereje is nagyságrendekkel nagyobb lett. Millner Tivadar nevéhez fűződik a magas hőmérsékleteken is megfelelő mechanikai tulajdonságokkal bíró, alaktartó volfrámszál technológiájának tudományos megalapozása és megvalósítása.

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Az izzószálas megoldásnál is hatékonyabbak a kis- és nagynyomású gázkisülőlámpák: fém-halogén és nagynyomású nátrium-lámpák (100-150 lm/w). A fénycsövek számos területen a világítás fő eszközeivé váltak. Korszerű fénycső fényhasznosítása 90 lm/w. Izzólámpák új családja: halogén-izzólámpa (15-20 lm/w).

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS A fényforrások fényhasznosításának fejlődése. Fényforrás fényárama Elfogyasztott elektromos teljesítmény

FÉNYFORRÁSOK: TÖRTÉNELMI ÁTTEKINTÉS Szilárdtest fényforrások: Komoly áttörést végül a viágítódiódák (LED) jelentették. 70-es évek közepe: 1 lm/w 80-as évek vége: 10 lm/w, ekkor vált versenyképessé a hagyományos fényforrásokkal. A LED-ek közel monokromatikus (kvázi-monokromatikus) sugárzást hoznak létre így pl. jelzőfényként sokkal jobban hasznosítják az elektromos energiát, mint a hagyományos fényforrások különböző fényszűrő optikákkal.

INFRAVÖRÖS LED-EK SPEKTRUMA Surface emitting InP/InGaAsP LEDs produced by LPE. 9-diode LED set covering emission in 1.1 to 1.8 m range.

NAGYTELJESÍTMÉNYŰ LED (5 W) Lumileds Lighting: Light from Silicon Valley

TERMIKUS GERJESZTÉSŰ FÉNYFORRÁSOK Az izzó testek kb. 550 o C felett világítanak. Jelenleg az emberiség túlnyomórészt termikus gerjesztésű fényforrásokat használ általános világításra. Pl. az EU-ban használt fényforrások 85 %-a a hagyományos izzólámpa (kb. 2007 évi adat). A világításra elhasznált villamosenergia a megtermelt villamosenergia számottevő része. Hagyományos izzólámpák Halogén töltésű izzólámpák

HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Az anyagi testek hőmérsékletüktől függően elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A kibocsátott EM (fény) energia a hőmérséklettel emelésével rohamosan (az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) nő. A sugárzás spektruma a teljes (0, ) tartományra kiterjed, és a spektrális maximum helye hullámhosszban az abszolút hőmérséklettel fordítva arányos. Alapvető fizikai törvények: Planck féle sugárzási törvény Wien féle eltolódási törvény Stefan-Boltzmann törvény (Rayleigh-Jeans törvény)

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA (Raleigh-Jeans)

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA

TERMIKUS SUGÁRZÁS SPEKTRUMA Mivel a hőmérséklet csökkentésével a kisugárzott energia rohamosan csökken, ezért pl. egy szobahőmérsékletű (300 K) 1 m 2 felületű tárgy néhány ezer évente emittál egy látható tartománybeli fonont. A testek bizonyos T hőmérsékleten elkezdenek láthatóan világítani mint pl. egy kályha vagy kemence. Draper pont vagy hőmérséklet az, ahol a testek elkezdenek halvány vörösen világítani (kb. 798 K). 1000 K hőmérsékletű test vörösnek, 6000K-n pedig fehérnek látszik. Még magasabb hőmérsékleteken pedig kéknek.

PLANCK FÉLE SUGÁRZÁSI TÖRVÉNY 2h 3 1 I(,T)d = ( ) d c 2 exp(h /kt)-1 I(,T)d egységnyi felületről időegység alatt egységnyi térszögbe a és a + d frekvenciatartományban a T hőmérsékletű sugártó (pontosabban fekete test sugárzó) által kisugárzott energia

WIEN FÉLE ELTOLÓDÁSI TÖRVÉNY hc m = 4,965kT A hőmérséklet növekedésével a maximumhoz tartozó hullámhossz csökken.

WIEN FÉLE ELTOLÓDÁSI TÖRVÉNY

STEFAN-BOLTZMANN TÖRVÉNY A termikus sugárzó által kisugárzott energia (egységnyi felületről, egységnyi idő alatt) arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával) I = T 4 Itt a Stefan-Boltzmann állandó.

SZÍNHŐMÉRSÉKLET Hőmérséklet (K) Fényforrás 1700 Gyufaláng 1850 Gyertyaláng 2700-3000 Izzólámpa 3350 Stúdió CP fény 3400 Studiólámpák 4100 Holdfény, xenon lámpa 5000 Horizont nappali fényben 5500-6000 Nappali fény, elektronikus villanó 6500 Nappali fény, borús 9300 Katódsugaras monitor A színhőmérséklet az emberi színérzéken alapul.

IZZÓLÁMPA FELÉPÍTÉSE Az izzólámpák leggyakrabban egy körtealakú és egy menetes fejből állnak. A burában középen egy spiralizált volfrám szál van vékony volfrám vagy molibdén tartókra felfüggesztve. 1 üvegbúra 2 vákuum vagy iners gáz (Ar, N 2 ) 3 volfrámszál 4 árambevezető 5 árambevezető 6 állvány 7 üveg állvány 8 elektromos kontaktus 9 menetes fej 10 szigetelés 11 elektromos kontaktus

IZZÓLÁMPA MŰKÖDÉSE Az izzószál magas hőmérséklete (2500-3100 C) következtében elektromágneses energiát sugároz, főként infravörös és kisebb részben látható fény tartományban. A volfrám jól közelíti az ideális feketetest tulajdonságait, ezért sugárzása nagyon közel esik a Plancktörvényből számolhatóval. Ebből adódóan a szál hőmérséklete egyértelműen megadja mind a kapott fény spektrumát, mind az elérhető maximális fényhasznosítást. A magas hőmérséklet egyúttal alacsony élettartamot is jelent, a megnövekedett párolgás miatt. Az elpárolgott volfrám a búrafalon lecsapódik, és rontja annak fényáteresztő képességét. A búra anyagát tekintve leggyakrabban lágyüveg, halogénizzók esetén keményüveg vagy kvarc. A búrát leszivattyúzzák, miáltal a szál és búra között javul a hőszigetelés.

KRIPTON LÁMPA Gáztöltésű lámpa: a gázatmoszféra alapvető célja, hogy meggátolja a W transzportját (volfrám párolgás), illetve az elpárolgott volfrámot visszajuttassa a szál testébe. Kriptonlámpa: Bródy Imre Hatásfoka jobb mint az argon-nitrogén töltésű lámpáé és hosszabb az élettartama. Fizikai (gázkinetika) háttér: Ne-N 2 -Ar-Kr sorrendben nő a mólsúly, és ezzel csökken a hővezetési együttható. 90 % Kr + 10 % N 2 : fehérebb fény, jobb fényhasznosítás

HALOGÉNLÁMPA A lámpa burájába halogén elemet (jód vagy bróm) juttatnak, többnyire szerves formában, pl.: dibróm-metán formájában. A spirál apró vastagságegyenetlenségei helyenként magasabb ellenállást eredményeznek. Ezeken a helyeken a hőmérséklet magasabb, a volfrám jobban párolog tovább gyorsítva a szál elvékonyodását. A halogén izzólámpákban az elpárolgott volfrám és a gáztérben jelenlévő halogén reakcióba lép és volfrám-jodidot (pontosabban volfrámoxijodidot) alkot. A vegyület az izzószál környezetében elbomlik és a volfrám lerakódik a melegebb részeken. Ez a körfolyamat lehetővé teszi az izzószál hőmérsékletének emelését, ami kedvez a fényhasznosításnak, de növeli a kibocsátott UV sugárzást is. Ahhoz, hogy a halogén körfolyamata beinduljon, elengedhetetlen, hogy a bura elérjen egy bizonyos hőmérsékletet. Ezen a hőmérsékleten a lágyüvegek már képlékenyek, ezért a burát keményüvegből, vagy kvarcból készítik.

WOLFRÁM-HALOGÉN KÖRFOLYAMAT WI 2 WI 2 WI 2 burafal hőmérséklete a WI 2 kondenzációs hőmérséklete felett! reakciózóna I 2 I 2 I 2 W W W párolgás diffúzió T csökken hidegebb zóna W + nx WX n melegebb zóna

HALOGÉNLÁMPÁK TULAJDONSÁGAI Fényhasznosítás valamivel jobb Élettartam szélesebb határok közé tervezhető Jó fényminőség Bizonyos határok között szabályozható Nincs búrafeketedés Magasabb falhőmérséklet Naphoz közelálló színvisszaadás Drágább, mint a hagyományos izzó Törpefeszültség alkalmazása esetén segédeszközre (transzformátorra) van szükség.

GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK Fizikai alapok: gázon vagy gőzök áram folyik át sugárzási jelenségek lépnek fel. A sugárzás az ütközések következtében magasabb energiaállapotokba gerjesztett vagy esetleg ionizált atomokból ered. A gázkisülés spektruma sávos/vonalas szerkezetű. A gázkisülésre vonatkozó gyakorlati követelmények: önnfentartó jó a hatásfoka színvisszaadása meggfelelő jól technologizálható, gyártható megfelelő élettartam Kisnyomású fényforrások Nagynyomású fényforrások

GÁZKISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK Működés alapja: ívkisülés, felhevített elektródból elektronok lépnek ki, ezek ütköznek a közeg atomjaival, és gerjesztik sugárzás h ill. ionizálják őket. A + + e - Gerjesztett és ionizált anyag (plazma): Higanygőz fénycső, higanylámpa Nátriumgőz nátriumlámpa Egyéb fémek gőze fémhalogén lámpák Gáz xenonlámpa

KISNYOMÁSÚ FÉNYFORRÁSOK Nyomás: néhány száz Pa, áram: néhány A. Az ionizáció elektronütközésekből ered. Elektron-semleges atom ütközés: rugalmas ütközés, az atom gerjesztődik a kinetikus energia rovására, az atom ionizálódik, Az ionizációs valószínűség az elektronenergiától függ. Az atomok ionizációs energiái 10 néhány 10 ev nagyságúak.

FÉNYCSÖVEK A fénycsövek kisnyomású gázkisülési lámpák. A fémek (Hg) gőznyomása nagyságrendben 0,001 mbar, a Hg-é konkréten 0,005 mbar, a kisüléskor emittált UV sugárzást (Hg ún. rezonanciavonala 254 nm) fénypor alakítja át látható fénnyé. A fényporok a beeső nagyobb energiájú (rövidebb hullámhosszú) sugárzás hatására belső elektron energiaszintek közötti átmenetek révén látható tartománybeli fényt emittálnak (lumineszcencia). Ezek általában foszforvegyületek, vagy foszfort is tartalmazó keverékek. Fluoreszcencia: rövid lecsengésű folyamat Foszforeszcencia: hosszú lecsengésű folyamat Halofoszfát fénypor emissziós spektruma

FÉNYPOROK Fényük spektrális eloszlása akkor jó, ha egy hullámhossz környékén maximális az intenzitás, több maximum nincs, vagy kicsik. Általában keverékek, leggyakrabban foszforvegyületek, vagy foszfort is tartalmazó keverékek. Színes in-line TV képcső: háromsávos fénypor, melyeknek keskeny piros, kék és zöld sávú maximumai vannak. Piros: ittrium-oxid + Eu 3+ Kék: bárium-magnézium + aluminát + Eu 2+ Zöld: cérium-aluminát + Tb 3+

KOMPAKT FÉNYCSŐ Kisnyomású Hg-gőz Fénypor: ritka földfémekkel aktívált (jobb fényhasznosítás és színvisszaadás) Méretcsökkentés: több csődarab egymás mellett. Normállámpa foglalat!

NAGYNYOMÁSÚ KISÜLŐLÁMPÁK Fényhasznosítás (lm/w) Élettartam (h) Higanylámpa 30-50 16.000 Nátriumlámpa 90-150 28.500 Fémhalogén lámpa 100 10-20.000 higanylámpa fémhalogén lámpa nátriumlámpa

SZILÁRDTEST FÉNYFORRÁSOK, LUMINESZCENCIA A fénykibocsájtás és a világítás a lumineszcencia jelenségén alapul. A félvezetőkben a hibahelyek (szennyezők, adalékok, rácshibák) energiaszintjei szintén részt vesznek az optikai átmenetekben. A hibahelyek által a tiltott sávban létrehozott energiaszintek az abszorpciós és emissziós folyamatokban egyaránt részt vehetnek. Ha az elektron egy magasabb energiájú állapotba való gerjesztés után az alapállapotba visszakerülve a többletenergiáját sugárzás kibocsátásával veszti el, akkor a jelenséget lumineszcenciának nevezik.

LUMINESZCENCIA A gerjesztés módjától függően beszélhetünk foto-, katodo- és elektrolumineszcenciáról, mikor is a gerjesztés elegendően rövid hullámhosszúságú fénnyel, nagyenergiájú elektronsugárzással, illetve elektromos térbeli ütközési ionizációval, vagy injektált töltéshordozókkal történik. A gyakorlat számára a legfontosabb a pn átmenetben végbemenő töltéshordozó-injekció által keltett elektrolumineszcencia, mely a fénykibocsátó diódák illetve a lézerek alapvető működési mechanizmusát jelenti.

INJEKCIÓS LUMINESZCECIA foton emisszió vezetési sáv alja kiürülési tartomány szabad elektron p-tip Fermi nívó n-tip. Fermi nívó szabad lyuk vegyérték kötési sáv teteje az átmenetre helyezett feszültség

ELEKTROLUMINESZCENS VILÁGÍTÁS Az injekciós lumineszcenciát először szilícium-karbidon (SiC) Losev figyelte meg 1923-ban (O. V. Losev, Telegrafija i telefonija bez uprodov, 18, p. 45, 1923). SiC kristályra tűkontaktust helyezett, azon egyenáramot átfolyatva tapasztalta azt, hogy a kontaktus alatt a kristály világítani kezd. Az injekciós elektrolumineszcens világítás szabadalma: magyar elsőbbség (Tungsram Rt. Újpest)! SiC elektrolumineszcens fényforrás (a mai világítódiódák őse ): Szigeti György és Bay Zoltán US patent No. 2,254,952 (1942) Bay Zoltán: szobra van Újpesten Szigeti György: emléktábla és bronz mellkép Csillebércen

ELEKTROLUMINESZCENS ANYAGOK, ZnS ZnS: széles tiltott sávja miatt inkább a dielektrikumokhoz sorolható. Leggyakoribb alkalmazási területe a lumineszcens elemek, képernyők gyártása. Finom porból vagy porlasztással készült rétegekbe vagy cinkfelesleget, vagy olyan aktivátorokat vezetnek be, amelyek biztosítják a megfelelő színű kisugárzást: 0,0001-3% Ag, Cu, Mn. Egy másik alkalmazási terület az infravörös tartományban áttetsző optikai elemek gyártása. Vegyület Olvadási pont K Tiltott sáv ev Elektron mozgékonyság m 2 /Vs Lyuk mozgékonyság m 2 /Vs ZnS 2103 3,7 0,014 0,0005 CdS 2023 2,4 0,024 0,005 CdSe 1531 1,8 0,06 0,005 HgSe 1073 0,6 1,8 -

ZnS ELEKTROLUMINESZCENS SPEKTRUMA ZnS:Mn narancsszínű-sárga ZnS:Cu zöld Elektromos térerő: 10 8 V/m azaz 1 m vastag rétegen 100 V

ELEKTROLUMINESZCENS KRISTÁLY EGYSZERŰSÍTETT SÁVKÉPE fénypor szigetelõ réteg szigetelõ réteg

ELEKTROLUMINESZCENS CELLA ZnS elektroluminescens cella (Destriaux cella) felépítése. A cellára váltóáramot kapcsolva lehet a világítást gerjeszteni.

ELEKTROLUMINESZCENS KÉPMEGJELENÍTŐ

KATÓDLUMINESZCENCIA Elektronsugaras gerjesztés, vákuum: TV képernyők és számitógép monitorok (DE: technológiai váltás!) Színes TV képcső (árnyékmaszk, három elektronsugár, három fényporréteg)) Kék Kék Vörös ZnS:Ag ZnCdS:Cu,Al Y 2 O 3 :Eu

Gáskisülés karakterisztikája

Ellenőrző kérdések Mi a radiometria és a fotometria? Rajzolja fel vázlatosan az emberi szem érzékenységi görbéjét! Vázolja a Wien-féle eltolódási törvényt grafikonon! Mi a szöveges megfogalmazása a törvénynek? Mutassa be az izzólámpa működését! Térjen ki a gáztöltés szerepére! Vázlatosan ismertesse a kisnyomású gázkisülőlámpák működését! Mi az injekciós lumineszcenca? Mutassa be a folyamatot sávszerkezet ábrán!