XI.: Weitere Strahlungsquellen

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1 XI.: Weitere Strahlungsquellen XI.1: Temperaturstrahler XI.2: Plasmastrahler XI.3: Unkonventionelle Elektrolumineszenz

2 Strahlungsfluß Bewertung des Strahlungsflusses durch Leistungsmessgerät: Strahlungsfluß φ e [φ e ]=W Index e wie energetisch Bewertung des Strahlungsflusses durch das Auge: Übergang zum Lichtstrom φ v Φ = v 780nm lm dφe 683 v( λ) dλ W dλ 380nm [ Φ v ] = lm (das Lumen) Index v wie visuell Lichtausbeute: η = Φv lm P W el

3 Strahlstärke Lichtstärke Strahlstärke: I e φ e = = Ω dφ e dω 1 1 [ ] I = e W sr Lichtstärke: 780nm lm die Iv = 683 v( λ) dλ W dλ 380nm lm I v = = cd sr [ ]

4 XI.1.1: Temperaturstrahlung Strahlungsgleichgewicht: Emittierte und absorbierte Leistung müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein: M ( λ, T) = αe ( λ, T) eλ wobei α: Absorptionsgrad und E eλ (λ,t): spektrale Bestrahlungsstärke eλ α=1: Alle auftreffende Strahlung wird absorbiert Schwarzer Strahler, Schwarzkörperstrahler SK L SK eλ L λ (, ) ( λ λ =, ) e T T α Für eine möglichst große Emission muß der Strahler im gewünschten Wellenlängenbereich auch möglichst gut absorbieren.

5 XI.1.1: Temperaturstrahlung Es gilt: L SK eλ ( λ, T) c1 = 5 πλ (Planck sche Strahlungsformel) 1 1 c sr λt 2 exp( ) 1 c 1 = Wm 2 c 2 = m K Spektrale Strahldichte ist stark temperaturabhängig Verschiebung des Maximums mit der Temperatur Hohe Strahldichte bei hohen Temperaturen

6 XI.1.1: Temperaturstrahlung Die Wellenlänge der maximalen spektralen Strahldichte verschiebt mit steigender Temperatur nach dem Wien schen Verschiebungsgesetz: K λ max = 0.29cm T Die gesamte Strahldichte ergibt sich durch Integration zu: SK σ Le T T π sr 4 ( ) = mit σ = (Stefan-Boltzmann-Gesetz) W m K 2 4

7 XI.1.2: Glühlampen Eine effiziente Glühlampe muß also im sichtbaren Spektralbereich einen hohen Absorptionsgrad haben und mit einer möglichst hohen Temperatur (nahe an 5000 K) betrieben werden. Im tatsächlichen Betrieb: Kompromiss zwischen Lebensdauer und höchstmöglicher Lichtausbeute. 1 Lebensdauer im Vakuum: τ =const. T 39

8 XI.1.2: Glühlampen: Historische Entwicklung Erhitzung von Edelmetallfäden (Pt) (Physiker Grove) Glühdraht brennt in Luft Lichtausbeute [lm/w] 1854 Goebel: Kohlefäden (in evakuierten Parfümflaschen) Vakuum 1879 Edison: Beginn der tech. Entwicklung Vakuum 1,5 Kohlefaden (Fabrikationsreife) 1905 Metallisierte Kohlenfäden Vakuum Auer von Welsbach: Osmiumfaden Vakuum 1905 Bolten:Tantalfaden Vakuum 5, Just, Hanamann: Gespritzte Wolframfäden Vakuum 1908 Siemens, Halske:Gespritzte Ni-W-Fäden Vakuum 1910 GEC: Gezogener W-Draht Vakuum AEG: W-Wendel Ar,N 2 9, Doppel-Wendel Ar,N Doppel-Wendel Kr 1959 GEC: Halogen-Glühlampe Halogenzusatz 22-33

9 XI.1.2: Glühlampen Abdampfen der Wolframatome wird verhindert durch: Stickstoff-Argon-Gemisch Abdampfrate von W in g cm -2 s 2870 K: Vakuum 1 bar Ar/N Wärmeverluste werden verringert durch Wendelung Wendelung verringert den Wärmeübergang aufgrund von Konvektion

10 Typische physikalisch bedingte Lebensdauer einer Allgebrauchs-Glühlampe: 1000 h XI.1.2: Glühlampen

11 Halogen-Glühlampen Lebensdauer kann erhöht werden durch Zusatz von Halogenen. Hier am Beispiel der (historischen) Jodlampe: aus [2] 1. W-Atom dampft ab 2. Diffusion nach außen 3. Bildung von WJ 2 im Aussenbereich (gasförmig > 250 C) 4. Diffusion zur Wendel 5. Zersetzung 6. Abscheidung auf Wendel W + J 2 WJ 2 T gross (~ 3000 K) T klein (~ 400 K) Halogen-Lampe erlaubt - höhere Temperatur (höhere Lichtausbeute) oder - größere Lebensdauer

12 XI.1.2: Halogen-Glühlampen - höhere Drahttemperatur bei gleicher Lebensdauer höhere Lichtausbeute oder - höhere Lebensdauer bei gleicher Drahttemperatur Weitere Vorteile: -Miniaturisierung möglich, da weniger Kolbenschwärzung durch Rücktransport erlaubt höhere Betriebsdrücke und Füllung mit teureren Edelgasen (geringere Wärmeleitung)

13 - dielektrische Spiegel reflektieren die IR-Strahlung

14 Funktionsprinzip Kaltlichtreflektor - dielektrische Spiegel reflektieren nur die sichtbare Strahlung

15 XI.2: Leuchtstofflichtquellen...bereits diskutiert: Die weisse LED LED erzeugt blaues Licht Farbstoff Abb. Anregung eines Leuchtstoffes Emission von niederenergetischerem Licht

16 Gasentladungslampen Niederdruck Hochdruck Pa Hg, 10 3 Pa Edelgas Anregung eines Leuchtstoffes z.b. Philips UHP-Lampe, 100W, 90Hz Hg, 200bar direkte Nutzung der Plasmastrahlung

17 Gasentladungslampen: Atomare Übergänge

18 Gasentladungslampen: Druckabhängigkeit Druckabhängige Verbreiterung der Emissionsspektren bei einer Natriumgasentladungslampe - niedriger Druck: atomare Linie - hoher Druck: breites Spektrum Quelle: J. de Groot, J. van Vliet, The High-Pressure Sodium Lamp, Philips Technical Library (1986)

19 Gasentladungslampen Pa Hg, 10 3 Pa Edelgas -Anregung von Quecksilber von geringem Druck durch Elektronenstoß Quecksilber- Niederdruckgasentladung erzeugt UV-Strahlung (185 und 254 nm) -Leuchtstoffschicht wandelt UV-Strahlung in sichtbares Licht um (Energieverlust ca. 50%)

20 Spektren bei der Leuchtstofflampe

21 XI.2: Leuchtstofflichtquellen Prinzip eines anorganischen Leuchtstoffes REM-Aufnahme von Leuchtstoffpartikeln für Kathodenstrahlröhren

22 XI.2: Leuchtstofflichtquellen

23 Allgemeinbeleuchtung: Lichtausbeuten, Lebensdauern, Betriebskosten Lichtquelle Lichtausbeute Lebensdauer Glühlampe <19 lm/w 1000 h <22 lm/w 2500 h Hochvolt- Halogenglühlampe Niedervolt- Halogenglühlampe <22 lm/w <5000 h Leuchtstofflampe <104 lm/w h Kompaktleuchtstoff lampe <88 lm/w h aus [1]

24 Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im Beamer 1 mm Philips UHP-Lampe, 100W, 90Hz Hg, 200bar enthält HgHöchstdrucklampe bar 200bar 240bar Intensity [W/nm] * Pavel Pekarski, UHP Lamps for Projection Systems, ICPIG 2003 Greifswald w a v e le n g t h [ n m ]

25 Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im Xenon - Scheinwerfer D2-Lampe (Xenon Lampe): 50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck) 20 bar Quecksilber <1 bar NaI, ScI 3 Technische Daten: Strom: 0.4 A, 400 Hz Rechteck Leistung: 35 Watt (85 V) Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm) 4 mm

26 XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Kathodenstrahlröhre 1. Elektronen werden durch thermionische Emission aus Kathode gelöst 2. Kontrollgitter steuert e-fluß 3. Anoden beschleunigen und fokussieren e-strahl 4. Horizontale und vertikale Steuerung des Strahls durch Ablenkplatten (1-4 bei Farbbildschirmen jeweils für 3 e-strahlen)

27 XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Kathodenstrahlröhre 5. Elektronen fallen durch Löcher in Schattenmaske auf verschiedenfarbige Phosphore 6. Elektronen regen Phosphore an 7. Bildschirm leuchtet farbig

28 XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Plasmaanzeige pixelartige Zündung von Gasentladung ähnlich wie in Leuchtstofflampe einfarbig emittierende Phosphore

29 XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Feldemissionsbildschirme Pixelierte Minielektonenstrahlröhren

30 XI.3.1 : Hochfeldelektrolumineszenz 1. Tunneln eines Elektrons aus Grenzflächenzuständen 2. Beschleunigung durch E-Feld 3. Energieabgabe durch Stossanregung u. Stossionisation 4. Lichtaussendung durch Rekomination

31 Elektrolumineszenz-Folie Elektrode Dielektrikum Elektrode Quelle: Schema der Hochfeld-EL Typische Daten Betriebsspannung: 115 V AC Standardfrequenz: 400 Hz Leuchtdichte: < 200 cd/m 2 Lichtausbeute: < 1 lm/w

32 Organische Leuchtdioden (OLEDs( OLEDs) Organic semiconductor Cathode Substrate Anode Quelle: - sehr dünne Bauelemente (< 1 µm) - mechanisch flexibel (?) - geringe Gewicht - grosse Flächen - alle Farben - geringe Betriebsspanungen -...

33 XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Materialien Konjugierte Polymere Aufdampffähige Moleküle Alq 3 Covion PPV co-polymers HTL Polyfluorene (Dow) ETL Abscheidung aus der Flüssigphase Vakuumabscheidung

34 Polymer film Thin film fabrication Spin Coating Doctor Blade Ink Jet Printing Dipping

35 OLED: Energiediagramm A typical device consists of 3 layers avoid large barriers (ITO-side: PEDOT, Phthalos; low work function cathodes: Ca, LiF+Mg:Ag) balanced carrier injection

36 XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Prinzip 5) Light emission from the device

37 XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Heterostrukturen multiple layers can support injection and carrier balance more degrees of freedom with evaporated small molecules

38 Lichtausbeuten im Vergleich - OLED-Weltrekord: > 90 lm/w (green) - zum Vergleich Bildschirme: 1 lm/w (CRT), 2 lm/w (AMLCD)

39 XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Effizienzen

40 XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Stabilitäten red CDT-PLED blue CDT-PLED

41 OLED-Beleuchtungs Beleuchtungs-Roadmap