Э.А. Соснин, Б.Н. Пойзнер

Закономерности развития газоразрядных 

источников спонтанного излучения

Москва

Инфра-М; ИЦ РИОР

2017

Э.А. Соснин, Б.Н. Пойзнер

Закономерности развития газоразрядных 

источников спонтанного излучения

Монография

Москва

Инфра-М; ИЦ РИОР; Znanium.com

2017

Соснин, Э.А.

Закономерности развития газоразрядных источников спонтанного 

излучения: монография / Э.А. Соснин, Б.Н. Пойзнер. – М.: Инфра-М; 
Znanium.com, 2017. – 106 с.

Технические системы развиваются по определенным законам, используя которые можно 
ускорить поиск технических решений при развитии той или иной технологии.

Методологическую базу книги составляют законы эволюции целенаправленных систем 
(Альтшуллер Г.С., 1973; Злотин Б.Л., 1989; Корогодин В.И., 1991). На их основе 
анализируется развитие источников спонтанного излучения. Даются рекомендации по 
созданию, совершенствованию и прогнозированию развития источников света. Все 
положения иллюстрируются примерами из фотоники и светотехники. Обобщен материал,
содержащийся в более чем ста книгах, патентах и статьях.

Книга написана как руководство для разработчиков источников спонтанного излучения. 
Она адресована научным работникам, инженерам, изучающим и конструирующим 
источники излучения, а также специалистам по проблемам творчества.

Книга также может использоваться студентами университетов в учебных курсах по 
специальностям «Светотехника и источники света» (180600) и «Оптико-электронные 
приборы и системы» (190700).

© Соснин Э.А., Пойзнер Б.Н., 2017

Введение

Изобретательность состоит в том, чтобы
сопоставлять вещи и распознавать их связь.
Люк де Клапье Вовенарг

Целью настоящей книги является описание закономерно-
стей и создание прогнозов развития технической системы газо-
разрядных источников спонтанного излучения (ТС ИСИ).
Источники спонтанного излучения – устройства, преобра-
зующие какой-либо вид энергии (электрической, тепловой, хи-
мической) в энергию электромагнитных волн в оптическом диа-
пазоне длин волн, нашли широкое применение в быту, произ-
водстве, науке, технике и технологии. Примерно 13 -14 % всей
электроэнергии в мире расходуется при эксплуатации источни-
ков оптического излучения.
Каждый источник света отличается своими уникальными
физическими и эксплуатационными параметрами: уровнем
средней и удельной мощности, спектральным составом излуче-
ния, эффективностью, ресурсом работы, массой, габаритами,
стоимостью. Параметры определяют специфику использования
того или иного ИСИ в рамках данной конкретной задачи или це-
левом звене (ЦЗ).
По своей физической природе все существующие ИСИ
можно разделить на тепловые и люминесцентные. Промышлен-
ные тепловые источники, в которых используется излучение на-
гретых тел (главным образом к ним относятся лампы накалива-
ния), наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, однако
имеют низкие ресурс, светоотдачу (не более 10–20 лм/Вт) и
цветность, сильно отличающуюся от цветности дневного света.
Люминесцентные ИСИ, в основе действия которых лежат раз-
личные способы превращения отдельных видов энергии непо-
средственно в оптическое излучение, характеризуются сущест-
венно более высокими величинами светоотдачи (до 100 лм/Вт и
более) и ресурса (до 10–15 тысяч часов). Одним из важных пре-
имуществ данных ИСИ, среди которых наибольшее распро-
странение  получили электролюминесцентные, является разно-
образие спектров излучения, что обеспечивает возможность ис-

пользования их в различных технологиях. К основным недостат-
кам данных ИСИ можно отнести, прежде всего, большую стои-
мость, сложность и высокую технологию при изготовлении, не-
обходимость обеспечения условий запуска и функционирования
[1–6]. Электролюминесцентные источники называются в инже-
нерных справочниках газоразрядными лампами: согласно ГОСТ
15049-81, СТ СЭВ 2737-80 разрядным источником света или
разрядной лампой называют электрическую лампу, в которой
свет создается в электрическом разряде в газе и/или парах ме-
талла. Электрический разряд обеспечивает различные измене-
ния энергетических состояний валентных электронов атомных и
молекулярных оболочек газов, заполняющих колбу лампы, что,
в свою очередь, определяет спектральный состав получаемого
оптического излучения.
Примером впечатляющего прорыва в создании и приме-
нении люминесцентных источников излучения является появ-
ление эксиламп. Это ИСИ ультрафиолетового (УФ) и вакуумно-
го ультрафиолетового (ВУФ) диапазонов спектра [7]1. Отличи-
тельными чертами таких источников являются, во-первых, эф-
фективное преобразование электрической энергии в световую
за счет образования эксимерных и эксиплексных молекул в ус-
ловиях газоразрядной плазмы и последующего высвечивания
ими квантов света. Во-вторых, спектр излучения состоит пре-
имущественно из относительно узкой полосы2 соответствую-
щей молекулы. Это позволяет селективно воздействовать на
объекты облучения теми длинами волн излучения, которые
приводят к наибольшему полезному эффекту, т.е. увеличить

1 Эксилампы излучают за счет распада эксимерных молекул (эксиплексов -
от англ. excited complex (exciplex) – возбужденный комплекс, если речь идет о
гетероядерной молекуле (например, XeF*)) или эксимерных молекул (экси-
меров - от англ. excited dimer (excimer)  –  возбужденный димер,  если речь
идет о молекуле, состоящей из одинаковых атомов (например, Ar2*)).
   Эксиплексные и эксимерные молекулы являются неустойчивыми химиче-
скими соединениями, существующим только в возбужденных электронных
состояниях, поэтому время жизни такой молекулы в возбужденном состоя-
нии ограничено и составляет для разных эксиплексов от 10-9 до 10-7 с. Спон-
танный распад таких молекул на отдельные атомы сопровождается высвечи-
ванием характерного для данного комплекса кванта света. Излучение экси-
ламп является узкополосным, а максимумы полос излучения, в зависимости
от используемой молекулы, располагаются в диапазоне от 126 до 354 нм.
2 Полуширина полос составляет от единиц до десятков нанометров.

КПД технологического процесса, в котором используется экси-
лампа.
В-третьих, рабочие смеси данных ИСИ, состоящие из
инертных газов или их смесей с галогенами, экологически безо-
пасны по сравнению с рабочей смесью ртутных ламп, излучаю-
щих в том же спектральном диапазоне. Эти уникальные свойст-
ва позволили с успехом применить их, например, для фотохи-
мических приложений [8], в аналитической химии [9], фотобио-
логии [10], микроэлектронике [11-13] и научных исследованиях
[14].
Развиваются и другие интересные технологии получения
спонтанного излучения,  о которых тоже пойдет речь в книге.
Таким образом, с конца прошлого века фотоника испытыва-
ет бум новых технологий: появляются новые источники излуче-
ния, ширятся области их применения.
Настоящая книга задумана как попытка систематизировать
описание закономерностей развития газоразрядных ИСИ, а
также дать ряд прогнозов развития этих систем и наметить но-
вые области их применения. Для этого использовался опыт
анализа закономерностей развития технических систем, накоп-
ленный в ТРИЗ [15]. Книга адресована специалистам по фото-
нике и студентам университетов, специализирующимся на раз-
работке и применении ИСИ.
Автор будет рад сотрудничеству с читателями, заинтересо-
вавшимися темой книги. Представленный здесь фактический
материал нуждается в пополнении, и автор с благодарностью
примет любые сведения, которые могли бы его расширить.
Автор благодарит всех авторов-разработчиков, с которыми
ему посчастливилось общаться и которые поделились с ним
своим опытом разработки ИСИ. Автор также благодарен кол-
лективу кафедры квантовой электроники и фотоники радиофи-
зического факультета Томского государственного университета,
поверившему в него и зимой 2002 года проголосовавшему за
его зачисление в преддокторантуру университета с научным
проектом «Ультрафиолетовые газоразрядные эксилампы и их
применение в фотохимии и фотобиологии».

Сентябрь 2004 г.

Принятые сокращения

ВУФ – вакуумное ультрафиолетовое излучение
ЗРТС – законы развития технических систем
ИСИ – источник спонтанного излучения
ИКР – идеальный конечный результат
ТРИЗ - теория решения изобретательских задач
ТС - техническая система
ТТИ - телеологическая теория информации
УФ – ультрафиолетовое излучение
ЦД - целенаправленные действия
ЦЗ - целевое звено
►  – значок предложения по развитию технической системы

Глава 1. ИСТОЧНИК СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
КАК РАБОТОСПОСОБНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

В этой главе мы рассмотрим статические законы построе-
ния работоспособной технической системы и конкретизируем их
действие на примере источников спонтанного излучения. Под
статикой здесь понимается то, что эти законы описывают необ-
ходимые условия возникновения и поддержания в рабочем со-
стоянии технической системы без их длительного развития.

1.1. Элементы ТС ИСИ. Закон полноты частей системы

Система - это комплекс взаимодействующих элементов.
Приписывается Л. фон Берталанфи

Как система источник спонтанного излучения является не-
которым множеством взаимосвязанных элементов, не сводя-
щихся к свойствам отдельных элементов (так называемое сис-
темное качество): все источники излучения имеют типовые
элементы, однако их комбинации позволяют создавать много-
численные системы, каждая их которых имеет свои характери-
стики и даже придает системе неожиданные системные свойст-
ва.
Фундаментальными признаками ИСИ, помимо системного
качества, являются:
ü
функциональность: полезной функцией ИСИ является
создание спонтанного излучения;
ü
целостность: получить полезную функцию ИСИ трудно
или невозможно, если какой-либо из элементов системы
удалить;
ü
организованность: все элементы ИСИ взаимосвязаны в
пространстве и во времени.
Для того чтобы система была работоспособной, т.е. могла
выполнять свою основную положительную функцию, для кото-
рой была создана, необходимо наличие минимум четырех час-
тей: органа управления, трансмиссии, рабочего органа и двига-
теля3 (закон полноты частей системы). Кроме того, необхо-

3 Орган управления – элемент, обеспечивающий регуляцию прохождения
энергии и реализацию полезной функции.

дим источник энергии для подпитки технической системы и из-
делие, на которое воздействует ТС, выполняя свои служебные
функции. Схематически это показано на рис. 1.
Что это означает применительно к ТС ИСИ?
Общим элементом любой лампы является рабочий объем,
заполненный молекулярным или атомарным газом, а также
смесями нескольких газов или смесями, содержащими пары ме-
таллов: ртути, натрия, калия, рубидия, цезия и пр. Возбуждение

Рис. 1. Блок-схема построения технической системы, способной вы-
полнять свою положительную функцию
этих сред в целях получения излучающей плазмы осуществля-
ется в большинстве случаев за счет зажигания в рабочей по-
лости ламп газового разряда, хотя возможны и иные способы:
радиолюминесцентный, возбуждение электронным пучком и
различные их комбинации с электрическим разрядом. Накачка
разрядом выгодно отличается тем, что ее наиболее просто
осуществить, и, меняя давление и состав газовой среды, конфи-
гурацию электродов и размеры разрядного промежутка, можно
сравнительно легко управлять параметрами плазмы: распреде-
лением возбужденных и ионизованных частиц по энергиям и
скоростям, собственно степенью ионизации плазмы (отношение

  Трансмиссия – элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему ор-
гану с необходимым преобразованием её вида и параметров.
  Рабочий орган – элемент, передающий энергию внешней среде (изделию,
надсистеме) и завершающий выполнение полезной функции системы.
  Двигатель – элемент, вырабатывающий энергию либо аккумулирующий её
из внешней среды.

числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объ-
ема), температурой заряженных частиц. То есть в конечном
счете управлять люминесцентным процессом в среде.
Таким образом, элементы ТС ИСИ могут быть сведены в
табл. 1.

Таблица 1
Элемент системы
Элемент ТС ИСИ

Орган управления 
Устройства коммутации, задающие генера-
торы, логические цепи

Трансмиссия
Электродная система, атомы и молекулы,
входящие в состав газовой смеси, электро-
ны, ионы, тип разряда

Рабочий орган
Возбужденные атомы и молекулы, в т.ч. по-
павшие в разряд с электродов, колба лампы,
выходное окно, через которое излучение по-
ступает из устройства наружу

Двигатель
Внешнее питание

Основные части ТС ИСИ выделить просто. По мере совер-
шенствования источника излучения и расширения числа выпол-
няемых им функций работоспособность каждой отдельной час-
ти может обеспечиваться в неодинаковой мере, что приводит к
снижению её жизнеспособности. Эта особенность называется
в ЗРТС законом неравномерности развития технической сис-
темы. О нем подробнее речь пойдет в гл. 2.
Пример 1.1. Лампа накаливания появилась как сравнитель-
но простое устройство, содержащее электроды, газовый баллон
и цоколь для подвода электрического тока. Со временем элек-
троды были заменены нитью накаливания, а лампу стали ис-
пользовать для получения более сложных спектров. Для этого в
баллон стали помещать новые газы и химические элементы. Их
взаимодействие с нитью накаливания (трансмиссией) привело к
тому, что срок службы нити уменьшился. Это потребовало но-
вых технических решений.