Люминофоры
Многие современные часы умеют светиться в темноте, да еще и разными цветами. Как свет попадает в часы и как превращается в цвет – разберемся в данной статье.
Многие современные часы умеют светиться в темноте, да еще и разными цветами. Как свет попадает в часы и как превращается в цвет – разберемся в данной статье.
Никто не знает, когда человек впервые решил описать свет и зрение, но первые попытки датируются V веком до нашей эры. Тогда были высказаны идеи о том, что свет – следствие огня. Позже, в I веке до нашей эры, Тит Лукреций Кар озвучил предположение, что свет состоит из мельчайших частиц. В XVII-XVIII веках уже нашего времени были обнаружены волновые свойства света и шли споры об истинной его природе: волна он или частица? Были эксперименты, в которых свет вел себя как поток частиц, но были и другие опыты, где он вел себя подобно волнам. И лишь в XX веке, Луи де Бройль объединил волны и частицы для описания не только света, но и микромира вообще. Мы будем рассматривать свет как поток фотонов, где каждый фотон обладает собственной частотой – такой подход лучше всего отражает его двойственную природу.
Цвет света
Видеть окружающий мир мы можем только потому, что существует свет и человек способен его воспринимать. В свою очередь, восприятие электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение. Видимый человеческому глазу свет определяется частотой фотона. Глаз воспринимает частоты от 400 ТГц, что соответствует красному цвету, до 790 ТГц (фиолетовый). Остальные цвета находятся между ними. Чем больше частота - тем больше энергия фотона.
Получается, что человеческий глаз чем-то похож на радиоприемник, только он принимает «станции» в диапазоне 440-790 ТГц. Все окружающие нас предметы либо испускают свет определенной частоты, либо отражают его. Солнце, например, излучает белый свет, который попадая в атмосферу Земли, теряет часть синих и фиолетовых фотонов за счет рассеяния в атмосфере, и до поверхности он доходит уже слегка желтоватым. Растения активно поглощают красные и синие фотоны, «вычитая» их из светового потока, поэтому выглядят зелеными.
Дети огня
Поскольку каждый фотон несет определенную энергию, получается, что при свечении вещество эту самую энергию теряет – она уносится фотонами. Откуда же взять энергию для свечения? Из закона сохранения следует, что она не может возникнуть из ниоткуда и исчезнуть в никуда, поэтому ни одно вещество не может светиться само по себе.
Первыми источниками света, с которыми познакомился человек, были Солнце и огонь, поэтому логично будет в начале рассказать о самом распространенном способе получения света – нагреве вещества. Горение – сложный физико-химический процесс, при котором могут возникать свободные радикалы и молекулы в электронно-возбуждённых и колебательно-возбуждённых состояниях. Цвет пламени определяется тем, на каких частотах идут квантовые переходы, вносящие основной вклад в излучение в видимой области спектра. Обычная свеча дает красноватый свет, а дуга сварочного аппарата - синеватый. Именно из-за того, что горение является одним из основных источников света и сопряжено с выделением высоких температур, для описания света используют еще и температурную шкалу в градусах Кельвина, которая легко для восприятия может быть наложена на герцевую линейку (рис. 1). С увеличением температуры нагрева в излучении тела будет преобладать цвета все с более высокой энергией, а спектр смещаться от красного к желтому, зеленому, синему и фиолетовому.
Самым распространенным источником света сегодня является лампа накаливания. В ней электрический ток вызывает нагрев и свечение спирали. Температура плавления вольфрама, из которого делают спирали, около 3600К (3400 С), поэтому цветовой спектр этих ламп смещен в сторону красного и лежит в районе 2700 К. Несколько большую температуру можно получить в галогенных лампах, отличающихся от обычных особой атмосферой внутри колбы. Среди всех используемых ныне источников света лампы накаливания имеют самый низкий КПД: до 95% энергии расходуется на производство тепла.
Помимо нагрева спирали, для получения света можно использовать электрический разряд в газе. Цвет будет зависеть от того, какой именно газ закачан в трубку. В кислороде разряд будет выглядеть лиловым, в водороде - розовато-красным, в аргоне - фиолетово-голубым. Очень ярко светятся желтым цветом пары натрия, их используют в натриевых лампах ночного городского освещения.
Источником света может быть как сам электрический разряд, так и вторичное излучение. Смесь фосфора с другими элементами, называемая люминофором, способна излучать свет под действием потока заряженных частиц. В телевизоре лампа-пушка бомбардирует экран электронами, и мы видим изображение. Такой же люминофор нанесен на внутреннюю поверхность ламп дневного света. Когда через пары ртути, которыми заполнена лампа, проходит электрический разряд, люминофор начинает светиться под действием испускаемых газом частиц. Благодаря тому, что в люминесцентных лампах не происходит выделения ненужного тепла, их КПД в разы выше ламп накаливания.
Свечение может наблюдаться при некоторых химических реакциях в присутствии красителя. Такие принципы свечения используют некоторые растения и животные, например, светлячки. Биолюминисценция возникает в результате соединения внутриклеточного кислорода с кальцием, молекулой аденозинтрифосфата (АТФ) и пигментом люциферином в присутствии фермента лоюциферазы. Свет, излучаемый светлячками — холодный. В отличие от обычной электрической лампы, где основная часть энергии переходит в бесполезное тепло, а КПД составляет 5-10%, насекомые переводят в видимое излучение 87-98% выделяемой в процессе химической реакции энергии.
Существуют и более экзотические переходы энергии в свет. Например, сонолюминесценция – эффект свечения микроскопических пузырьков жидкости, вызванный мощным ультразвуковым импульсом. Хотя некоторые исследователи считают, что истинный источник энергии в этом случае – нагрев микроскопического объема жидкости в момент схлопывания пузырька, этот феномен относят к отдельному виду люминесценции.
Наши сбережения
Помимо уже описанной люминесценции излучение способно вызывать свет и с помощью других механизмов. К примеру, в ночных клубах часто можно наблюдать элементы интерьера, которые светятся в темноте. На самом деле они отражают свет специальных фиолетовых или ультрафиолетовых ламп. Человеческий глаз слабо чувствителен к такому излучению, поэтому кажется, что эти лампы едва-едва светятся, хотя их мощность на самом деле достаточно велика, и при таком освещении глаза сильно устают. Краска же на элементах интерьера поглощает ультрафиолет и испускает, например, зеленый. Поскольку глаз очень чувствителен к зеленому, то создается впечатление, что краска светится сама по себе. Свойство вещества излучать свет под действием внешнего излучения называется флуоресценция. При выключении внешнего источника флуоресценция прекращается.
В отличие от флуоресценции процесс фосфоресценции не прекращается после отключения активирующей подсветки, а продолжается некоторое время. Фосфоресценция - это самый распространенный эффект, используемый для подсветки циферблатов и стрелок. Основные вещества, используемые в люминофорах этого типа - сульфид цинка ZnS и алюминат стронция SrAl2O4. Их основное различие заключается в запасаемом количестве энергии. Люминофоры на основе алюмината стронция могут поглотить приблизительно в 10 раз больше энергии, чем сульфид цинковые, этим обуславливается их более длительное свечение. Для активации таких люминофоров нужно использовать ультрафиолетовые источники излучения. Свет от Солнца, ламп накаливания и энергосберегающих ламп содержит в себе ультрафиолетовую составляющую и хорошо «заряжает» люминофоры. А вот синим, зеленым или красным светом активировать люминофор не удастся, энергии этих фотонов будет недостаточно.
Фосфоресцирующие люминофоры относительно недороги, являются химически и биологически инертными – а значит, безопасными для человека. Единственный их недостаток - малое время послесвечения у сульфид-цинкового люминофора и длительное время активации для алюминат-стронциевого. На часовом рынке подобные составы известны под марками Luminova, Superluminova и Lumibright. Два последних состава, по сути, представляют собой одно и то же, с той разницей, что Superluminova является швейцарским аналогом разработанного ранее в Японии Lumibright. Основной проблемой всех подобных составов является относительно небольшое время послесвечения, которое удовлетворит нужды гражданских лиц, но вот военных, профессиональных дайверов или спелеологов – с трудом.
АЭС в миниатюре
Чтобы сделать свечение непрерывным, необходимо обеспечить люминофор источником энергии. Таким источником может быть электрический разряд, а может – радиоактивный состав. Введенная в состав люминофора радиоактивная примесь будет излучать поток частиц, а люминофор, поглощая их, – поток фотонов. Такие составы называют светомассой постоянного действия (СПД). СПД обладает одним, но существенным недостатком – радиоактивное излучение вредно для человека.
До 70-х годов 20 века в качестве активирующего элемента СПД использовался радий-226. Период полураспада радия-226 – около 1600 лет. При распаде ядро радия превращается в ядро радона и испускает альфа-частицу и фотон со сверхвысокой энергией - гамма-квант. Эти частицы и являются источником энергии для свечения люминофора. Радон - это тоже радиоактивный элемент, который в нормальных условиях существует в газообразной форме и при рождении внутри светомассы выходит в атмосферу, представляя собой еще одну опасность.
Радий вреден уже в количествах, используемых в часах, а в промышленном масштабе его опасность возрастает многократно. К примеру, на территории советского союза было всего два предприятия, наносивших метки с использованием радиоактивных составов - в Чистополе и Челябинске. Часовые и приборные циферблаты, стрелки и шкалы отправлялись туда, там окрашивались и поступали обратно на производство.
Человек, работающий с прибором, у которого шкала покрашена СПД, находится под действием потока гамма-частиц и, возможно, повышенного содержания радона в воздухе. Именно поэтому такие составы сегодня используют преимущественно в военной технике, самолетах и некоторых специальных приборах, время контакта с которыми ограничено. Но находятся и такие люди, которые во что бы то ни стало, хотят носить с собой «свой кусочек» радиации. Гражданские часы Panerai Radiomir были изготовлены с использованием упомянутого выше радия, который обеспечил им прекрасную считываемость в любых условиях и хороший спрос среди тех, кому это качество было необходимо.
В наше время радий вытеснен более безопасным тритием – радиоактивным изотопом водорода. Если радий генерирует гамма-частицы, - наиболее опасный вид излучения, - то тритий - альфа-частицы, поток электронов, которые по своей природе не способны навредить человеку. Но поскольку тритий в нормальных условиях находится в газообразной форме, то его нельзя просто добавить в люминофор. Состав приходится заключать в запаянные стеклянные колбы. Все это выглядит как лампа дневного света в миниатюре: в стеклянный цилиндр, на внутреннюю поверхность которого нанесен люминофор, закачан тритий.
При распаде ядро трития превращается в ядро гелия и испускает электрон, этот электрон и активирует люминофор. Энергия электрона примерно равна той, что обладает электрон в трубке старого монитора и не представляет опасности для окружающих. Элементы тритиевой подсветки могут нанести вред, если капсулу проглотить, предварительно разжевав. Но даже в таком экстравагантном случае опасность гораздо ниже, чем при попадании в организм, к примеру, радия. Период полураспада трития – более 12 лет. В грубом приближении это означает, что яркость тритиевой подсветки через 12 лет будет составлять 50% от изначальной, а через 24 года - 25%. Составы на основе радия работают значительно дольше и ярче, но и свечения на основе трития более чем достаточно для адекватной считываемости показаний часов в темноте. Наиболее известные часы с использованием трития – Luminox, менее известны в России марки Traser и Ball.
Здоровое питание
С появлением кварцевых калибров вперед шагнула как сама часовая индустрия, так и перспективы организации подсветки, ведь теперь часы получили источник энергии - батарейку. Существует много различных принципов преобразования электричества в свет, но основное соревнование производителей идет в плоскости энергоэффективности.
Использование в часах ламп накаливания невозможно из-за их размеров, температуры, а, главное – крайне низкого КПД. Но на заре кварцевых часов были разработаны модели с так называемым LED-индикатором – газоразрядными лампами, которые при нажатии на кнопку высвечивали текущее время. Первой такую модель на рынок предложила американская Pulsar, позже ставшая частью концерна Seiko.
Появление светодиодов позволило значительно снизить энергопотребление и увеличить эффективность освещения циферблатов. Их КПД значительно выше, чем у ламп накаливания, к тому же светодиоды позволяют получить любой оттенок. Однако и в этом случае потребление энергии осталось слишком высоким, к тому же светодиоды и лампы накаливания – точечные источники света и не позволяют равномерно залить циферблат. Для улучшения равномерности подсветки и уменьшения толщины часов светодиоды устанавливают в торце экрана и используют специальные подложки. Чем больше толщина подложки, тем более равномерным будет световое поле. Однако большая толщина экрана не всегда приемлема для часов, к тому же подложка поглощает часть света, что уменьшает общий КПД системы.
Самый тонкий дисплей можно получить, используя электролюминесцентную подсветку. Ее основой является тонкая пленка, расположенная под циферблатом. Внутри пленки находится люминофор, способный излучать свет под влиянием проходящего через пленку тока. Такая подсветка тонкая и может генерировать различные цвета, но и она обладает недостатками. Во-первых, время жизни электролюминофора ограничено и со временем такая система будет терять яркость. Средний срок ее службы до потери половины яркости зависит от выбранной мощности и составляет 3-5 тысяч часов. В отличие от радиоактивных подсветок, электролюминесцентная работает только при нажатии кнопки, поэтому степень ее деградации будет зависеть от частоты использования. Во-вторых, этот тип подсветки требует высокого напряжения, для получения которого в часы встраивают миниатюрный преобразователь. Он хоть и незначительно, но увеличивает габариты часов и является дополнительным устройством, не отличающимся надежностью.
Наиболее «раскрученными» на рынке часами с электролюминесцентной подсветкой являются Timex. В начале 90-х компания разработала уникальную мягкую сине-зеленую подсветку Indiglo, которая обеспечивает больший контраст между цифровыми обозначениями и фоном циферблата. Совсем недавно компания обнародовала новость о разработке нового типа подсветки с еще более высокой контрастностью.
Многие производители часов превращают технологию подсветки в уникальное торговое предложение, двигая прогресс вперед, увеличивая яркость, контрастность, срок службы и уменьшая вредное воздействие часов на человека. Возможно, уже совсем скоро мы узнаем о новых технологиях, которые, обязательно превзойдут современные и станут новым витком в развитии часовой индустрии.
Автор: Андрей Ивлев
При перепечатке активная ссылка обязательна