Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Описание процессов, являющихся результатом сложения серий колебаний, происходящих как в одном, так и во взаимно перпендикулярных направлениях (как в двух, так и в трех), – задача, с которой приходится сталкиваться во многих сферах практической деятельности. С данной проблемой можно встреться при конструировании транспортной техники (описывая колебания транспортных средств и их частей, перевозимых грузов), в химической и пищевой промышленности (рассматривая перемешивание и фильтрацию веществ), в медицине (изучая воздействия вибраций на человека) и так далее. Проблема важна ещё и потому, что в ряде случаев сложение колебаний не только влияет на интенсивность протекания соответствующих процессов, но и способно привести к выявлению новых свойств, которыми обладает система.
В рамках настоящей работы рассмотрена возможность использования сложения переменных электрических полей, возбуждающих предпробойную электролюминесценцию порошковых — электролюминофоров, для увеличения срока службы (времени полуспада яркости) изготавливаемых на их основе источников света — электролюминесцентных конденсаторов (ЭЛК).
В обычных электролюминесцентных конденсаторах (с плоскими электродами и протяженными электродами-проволоками [1, 2]) свечение возбуждается полем, меняющимся в межэлектродном пространстве лишь вдоль одного направления. В этом пространстве находится светоизлучающая смесь, представляющая собой зерна люминофора (размером порядка 10 мкм), диспергированные в связующем диэлектрике. Под действием сильного (выше 105 В/см) электрического поля в зернах люминофора возникает предпробойная электролюминесценция, при этом умножение носителей заряда происходит не во всем объеме зерен, а лишь в области энергетических барьеров (в серийных люминофорах – это гетеропереходы ) возникающих на стадии их синтеза. Недостатком таких люминофоров является то, что сильное электрическое поле, которое требуется для развития предпробойных процессов, вызывает электродиффузию ионов междоузельной меди, являющейся донором в . Это приводит к «расплыванию» гетеропереходов, снижению напряженности электрического поля в них и, как следствие, – к снижению вероятности ударной ионизации решетки, а, значит, и яркости свечения образцов. Происходит «старение» (деградация) порошковых ЭЛК: процесс, который существенно ограничивает сферу их применения [3].
Гетеропереходы формируются в местах включений фазы (где ) в основу – сульфид цинка, легированный медью. Зерно может содержать несколько таких гетеропереходов, но сами зерна имеют неправильную форму и к тому же в люминофорно-диэлектрический смеси ориентированы хаотически, поэтому при заданном направлении силовых линий в процесс генерации электролюминесценции (и, соответственно – старения) оказывается вовлеченной лишь часть зерен. И действительно, эксперимент показывает, что если для создания люминофорно-диэлектрической смеси использовать не твердый, а жидкий диэлектрик, а ЭЛК сделать разборным, то состарившийся образец можно восстановить, разобрав конденсатор, перемешав смесь и вновь собрав ЭЛК. Яркость свечения такого образца окажется практически равной первоначальной, поскольку после перемешивания в работу включатся другие гетеропереходы, прежде не задействованные из-за того, что были ориентированы не оптимально для возникновения в них предпробойных явлений. Процедуру разборки — перемешивания — сборки можно повторять неоднократно, при этом общее время свечения такого ЭЛК с достаточно высокой яркостью существенно увеличится.
Понятно, что в случае серийных ЭЛК с люминофорно-диэлектрическими слоями из диэлектриков на основе затвердевших полимеров, стеклоэмалей, о перемешивании говорить не приходится. Однако можно пойти другим путём, воспользоваться известным приемом «сделать наоборот»: не поворачивать зёрна люминофора, а заставить вращаться само электрическое поле, что также позволит задействовать существенно большее число гетеропереходов и (при той же средней яркости) увеличить срок службы источника света.
Заставить вращаться поле можно, например, использовав не двух-, а трехэлектродную конструкцию, подавая на каждый электрод синусоидальный сигнал, смещенный по фазе на по отношению к соседнему [4]. Схема соответствующего источника света представлена на рис. 1, а — это две системы (1 и 2) параллельных медных тонких проводов в эмалевой оболочке, на которые подается напряжение и , соответственно и прозрачный электрод 4, на который подается напряжение с помощью контактных проводников 5. В межэлектродных зазорах находится люминофорно-диэлектрическая смесь 3 в области которой реализуется вращение электрического поля (показано стрелками 6). Справедливость предположения о возможности увеличения срока службы (времени полуспада яркости) источника ЭЛК (при одинаковой начальной яркости) подтверждается рис. 1, б), на котором приведены кривые спада яркости со временем для описанного образца (1) и обычного излучателя (2), в котором синусоидальное напряжение такой же частоты подается только на проволочные электроды 1 и 3.
Более эффективным, чем обычное вращение, является режим возбуждения, когда траектория кончика вектора напряженности электрического поля является не окружность, а многолучевая розетка типа «снежинки». Связано это с тем, что при подаче напряжения на гетеропереход и последующем возникновении лавины носителей заряда происходит быстрая поляризация зерна люминофора, в результате которой напряжённость поля в зерне (и в барьере) резко снижается и умножение зарядов прекращается. Возникшие неравновесные носители рекомбинируют по пути к противоположной части зерна, что и сопровождается вспышкой света. В обычном режиме вспышка длится по времени примерно на порядок меньше, чем полупериод возбуждающего напряжения. После перемены полярности и возникновения предпробойных процессов в гетеропереходах, оказавшихся при этом включёнными в обратном направлении, поток неравновесных носителей устремляется назад: возникает новая вспышка. Далее процесс повторяется раз за разом: носители движутся «туда — сюда» (двухстадийная модель электролюминесценции). Таким образом, для эффективной рекомбинации нужна периодическая переполяризация зерна, чему в большей степени соответствует ситуация, когда траекторией кончика вектора напряжённости является не окружность, а многолучевая розетка — «снежинка».
Для ее создания достаточно сложить два колебания, происходящие во взаимно перпендикулярных направлениях с одинаковыми частотами (в случае реальных ЭЛК это обычно от 0,4 до 3 кГц), но с модулированными амплитудами (одна — по синусу, а другая — по косинусу). Тогда в системе электродов, подобной той, которая изображена на рис. 2, а, кончик вектора напряженности начинает описывать траекторию, вид которой представлен на рис. 3, а. Переполяризация зерна при этом облегчается, т. е. средняя яркость свечения излучателя повышается. Теперь ее можно даже уменьшить, понизив напряжение на электродах, и тогда это приведет к увеличению времени полуспада яркости образца.
Еще большего эффекта можно достичь, возбуждая колебания в зерне люминофора не в двух, а в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Принципиальный возможный вариант конструкции такого образца – это система взаимно перпендикулярных электродов типа той, которая изображена на рис. 2, а, расположенная между двумя плоскими прозрачными электродами такого же вида, как на рис. 1, а. Так, при подаче на одну систему (пусть ее электроды перпендикулярны условной оси ) напряжения вида , на вторую (ее электроды перпендикулярны условной оси ) – напряжения вида , а на третью (электроды перпендикулярны условной оси в прямоугольной декартовой системе координат ) – напряжения вида траекторией кончика вектора напряженности оказывается игольчатая структура с шипами-иглами, направленными во все стороны (рис. 3, б).
Рассмотренные способы возбуждения позволяют вовлечь в «работу» практически все энергетические барьеры люминофорных зерен, что позволяет повысить яркость свечения порошковых излучателей и (или) увеличить время полуспада их яркости.
Создание источников питания, способных обеспечить требуемые режимы возбуждения проблемы не представляет. Затруднения возникают при отработке технологического процесса создания многоэлектродных структур, качество которых зависит, в частности, от их конструкции. Здесь существенным оказывается вопрос выбора такой геометрии расположения электродов, которая способна обеспечить минимум потерь генерируемого люминофором потока света при его выводе из многоэлектродной системы.
Расчеты показывают, что степень изотропности распределения «игл» итоговой траектории, описываемой кончиком вектора, соответствующего суперпозиции складываемых колебаний, зависит как от геометрических параметров системы, так и от вида зависимостей, которыми они описываются, от значений амплитуд и частот. Это следует принимать во внимание в случае использования подобного метода моделирования для повышения эффективности процессов в колебательных системах другой, нежели порошковые ЭЛК, физической природы.
