چگونه پوشش فسفری در لامپ‌های فلورسنت کار می‌کند

فسفر مصطلحی عمومی برای هر ماده‌ای است که می‌تواند زمانی که به تابش یا میدان‌های الکتریکی مواجه می‌شود، نور تولید کند. این واژه از کلمه یونانی "phosphoros" که به معنای "آورنده نور" است، گرفته شده است. فسفرها معمولاً نیمه‌رسانا هستند که سه باند انرژی دارند: باند ارزشی، باند هدایت و باند ممنوع.

باند ارزشی کمترین سطح انرژی است که الکترون‌ها به طور معمول در آن حضور دارند. باند هدایت بالاترین سطح انرژی است که الکترون‌ها می‌توانند در آن آزادانه حرکت کنند. باند ممنوع شکاف بین باند ارزشی و باند هدایت است که در آن هیچ الکترونی وجود ندارد.

فسفرها با افزودن آلودگی‌ها یا دوپانت‌ها فعال می‌شوند که سطوح انرژی اضافی در باند ممنوع ایجاد می‌کنند. این سطوح انرژی به عنوان فخ‌ها برای الکترون‌ها یا حفره‌ها (بارهای مثبت) که توسط تابش یا میدان‌های الکتریکی تحریک می‌شوند عمل می‌کنند. وقتی این الکترون‌ها یا حفره‌ها به حالت اولیه خود بازمی‌گردند، انرژی را به صورت فوتون‌های نور آزاد می‌کنند.

چگونه پوشش فسفری تابش فرابنفش را به نور قابل مشاهده تبدیل می‌کند

فرآیند تبدیل تابش فرابنفش به نور قابل مشاهده توسط پوشش فسفری به نام فلورسانس نامیده می‌شود. فلورسانس زمانی رخ می‌دهد که یک اتم یا مولکول یک فوتون از تابش با انرژی بالا جذب کرده و یک فوتون با انرژی کمتر تابش می‌کند. تفاوت انرژی بین فوتون‌های جذب شده و تابش شده به صورت گرما تبدیل می‌شود.

نمودار زیر نشان می‌دهد که چگونه فلورسانس در یک پوشش فسفری از سولفید روی (ZnS) که با نقره (Ag) به عنوان فعال‌کننده دوپ شده است، عمل می‌کند.

مدل فسفری سولفید روی

A – B :- پرش الکترون

B – E :- مهاجرت الکترون

E – D :- پرش الکترون

D – C :- پرش الکترون

A – C :- مهاجرت حفره

• یک فوتون از تابش فرابنفش با طول موج 253.7 نانومتر به پوشش فسفری ضربه می‌زند و یک الکترون از اتم سولفور (S) به اتم روی (Zn) تحریک می‌کند. این یک حفره مثبت در باند ارزشی و یک یون منفی (Zn^-) با یک الکترون اضافه در باند هدایت ایجاد می‌کند.

• الکترون اضافه از یک یون Zn^- به یک یون دیگر از طریق شبکه بلوری در باند هدایت مهاجرت می‌کند.

• در حالی که حفره مثبت از یک اتم S به یک اتم دیگر در باند ارزشی مهاجرت می‌کند تا به یک اتم Ag برسد که به عنوان فخ عمل می‌کند.

• اتم Ag الکترون از یون Zn^- نزدیک به خود را جذب کرده و خنثی (Ag^0) می‌شود. این یک فوتون از نور قابل مشاهده با طول موج بیشتر از فوتون UV تابش می‌کند.

• الکترون از اتم Ag^0 به اتم S که حفره در آن ایجاد شده بود، پرش می‌کند و چرخه را کامل می‌کند.

رنگ نور قابل مشاهده بستگی به تفاوت انرژی بین سطح فخ Ag و سطح Zn^- دارد. دوپانت‌های مختلف می‌توانند سطوح فخ مختلف و بنابراین رنگ‌های مختلف ایجاد کنند. به عنوان مثال، مس (Cu) می‌تواند نور سبز تولید کند، منگنز (Mn) می‌تواند نور نارنجی تولید کند و کادمیم (Cd) می‌تواند نور قرمز تولید کند.

نوع‌ها و کاربردهای پوشش فسفری

نوع‌های مختلفی از پوشش فسفری می‌تواند در لامپ‌های فلورسنت استفاده شود، بسته به رنگ و کیفیت مورد نظر نور. برخی از نوع‌های رایج عبارتند از:

• هالوفسفات: این یک مخلوط از هالوفسفات کلسیم (Ca5(PO4)3X) و تونگستات منیزیم (MgWO4) است، که X می‌تواند فلوئور (F)، کلر (Cl) یا بروم (Br) باشد. این ماده نور سفید با رنگ زرد یا آبی تولید می‌کند، بسته به نسبت F به Cl یا Br. این ماده دارای شاخص بازتاب رنگ کم است که به این معناست که نمی‌تواند رنگ‌ها را دقیق بازتاب دهد. کارایی لامپ حدود 60 تا 75 lm/W است.

• تری‌فسفر: این یک مخلوط از سه فسفر مختلف است، هر یک از آن‌ها یک رنگ اصلی از قرمز، سبز و آبی تولید می‌کند. ترکیب این رنگ‌ها نور سفید با شاخص بازتاب رنگ بالا بین 80 تا 90 و کارایی لامپ حدود 80 تا 100 lm/W تولید می‌کند. لامپ‌های تری‌فسفر گران‌تر از لامپ‌های هالوفسفات هستند، اما کیفیت رنگ و کارایی انرژی بهتری ارائه می‌دهند.

• چند فسفر: این یک مخلوط از چهار یا بیشتر فسفر است، هر یک از آن‌ها یک رنگ مختلف از طیف قابل مشاهده تولید می‌کند. هدف ایجاد یک توزیع طیفی صاف و پیوسته است که نور روز را تقلید می‌کند. لامپ‌های چند فسفر شاخص بازتاب رنگ بالای 90 و کارایی لامپ حدود 90 تا 110 lm/W دارند. این لامپ‌ها گران‌ترین نوع لامپ‌های فلورسنت هستند، اما بهترین عملکرد رنگ و راحتی بصری را ارائه می‌دهند.

پوشش فسفری می‌تواند به روش‌های مختلفی مانند پاشش، غوطه‌ور کردن یا رسوب‌دهی الکتروفورتیک اعمال شود. ضخامت و یکنواختی پوشش تأثیر بر خروجی نور و کیفیت لامپ دارد. پوشش فسفری می‌تواند با گذشت زمان به دلیل مواجهه با گرما، رطوبت و تابش فرابنفش تخریب شود، که منجر به کاهش روشنایی و تغییر رنگ می‌شود.

پوشش فسفری در کاربردهای مختلفی که نیاز به نور با کیفیت بالا و کارایی انرژی دارند، مانند:

• نور عمومی: پوشش فسفری می‌تواند نور سفید با دمای رنگ و شاخص بازتاب رنگ مختلف ارائه دهد، بسته به نیازها و ترجیحات کاربران. به عنوان مثال، نور گرم سفید (2700 تا 3000 K) برای محیط‌های مسکونی و مهمان‌نوازی مناسب است، در حالی که نور سرد سفید (4000 تا 5000 K) برای دفاتر و فضاهای تجاری ترجیح داده می‌شود.

• نور نمایشگاهی: پوشش فسفری می‌تواند ظاهر و جاذبه محصولات و آثار هنری را با ارائه رنگ‌های زنده و دقیق بهبود بخشد. به عنوان مثال، لامپ‌های تری‌فسفر یا چند فسفر می‌توانند برای نمایش میوه‌ها، سبزیجات، گوشت‌ها، گل‌ها، نقاشی‌ها و غیره استفاده شوند.

• نور پزشکی: پوشش فسفری می‌تواند دید و تشخیص وضعیت‌های پزشکی را با ارائه نور با کیفیت بالا و طبیعی بهبود بخشد. به عنوان مثال، لامپ‌های چند فسفر می‌توانند برای عمل‌های جراحی، بررسی‌های دندانپزشکی، درمان‌های پوست و غیره استفاده شوند.

• نور تخصصی: پوشش فسفری می‌تواند اثرات و کارکردهای مختلفی با تابش رنگ‌ها یا طول‌موج‌های مختلف نور ایجاد کند. به عنوان مثال، لامپ‌های نور سیاه از فسفرهایی استفاده می‌کنند که تابش فرابنفش تولید می‌کنند که می‌تواند برخی مواد را در تاریکی روشن کند. لامپ‌های ضد باکتری از فسفرهایی استفاده می‌کنند که تابش UV-C تولید می‌کنند که می‌تواند باکتری‌ها و ویروس‌ها را کشته. لامپ‌های رشد از فسفرهایی استفاده می‌کنند که نور قرمز و آبی تولید می‌کنند که می‌تواند رشد گیاهان را تحریک کند.

نتیجه‌گیری

پوشش فسفری یک جزء ضروری لامپ‌های فلورسنت است که تابش فرابنفش را به نور قابل مشاهده تبدیل می‌کند. این پوشش رن