Sodné lampy: dominance zkrouteného chemického prvku

Článek pojednává o návrhu a použití vysokotlakých sodíkových výbojek.

Pro astronomy je dnes obtížné. Bez ohledu na to, kde jsou na obloze orientovány dalekohledy, budou linie sodíku a rtuti vždy přítomny na fotografiích spekter hvězd. Taková spektra vůbec neprokazují, že hvězdy jsou na tyto chemické prvky bohaté. Důvod je čistě pozemský: vnější osvětlení měst a dálnic pomocí výbojek s vysokou intenzitou vytváří tak silné osvětlení atmosféry, že citlivé astronomické nástroje zachycují světlo člověkem vytvořených „hvězd“.

Největší příspěvek k pouličnímu osvětlení a hlavní překážka pro astronomická pozorování jsou dnes vysokotlaké sodíkové výbojky. O nich a budou diskutovány v tomto materiálu.

Zaprvé, proč přesně vysoký tlak? Faktem je, že výbojky s nízkým tlakem rtuti se objevily v předválečném období. Zářivky se rychle rozšířily. Vypouštění páry sodíku po dlouhou dobu však nebylo možné dosáhnout kvůli nízkému parciálnímu tlaku sodíku při nízkých teplotách.

Po řadě technologických triků se rozlišuje vytvoření sodíkových výbojek pracujících při nízkém tlaku. Kvůli složitému designu však nebyly široce využívány. Šťastnější osud vysokotlaké sodíkové výbojky (NLVD). Počáteční pokusy vytvořit lampy v křemenném skleněném obalu skončily selháním. Při vysokých teplotách se zvyšuje chemická aktivita sodíku. Mobilita jejích atomů (difúze) také roste. V hořácích křemene proto sodík rychle pronikl křemenem a zničil plášť hořáku.

Situace byla měřena, když na počátku 60. let společnost General Electric patentovala nový keramický materiál, který může pracovat v parách sodíku při vysokých teplotách. Dostal značku „Lukalos“. Tuto keramiku máme známou jako Polycor. Keramika se vyrábí vysokoteplotním slinováním oxidu hlinitého.

Oxid hlinitý má více než 10 modifikací krystalové mřížky, v závislosti na podmínkách oxidační reakce. Pro účely osvětlení je vhodná pouze jedna modifikace - alfa forma oxidu, který má nejhustší balení atomů v krystalu. Proces slinování nebo spíše „pěstování“ keramiky je velmi náladový. Keramika by měla mít kromě chemické odolnosti vůči sodíkovým parám vysokou průhlednost. Jaký má smysl vyrobit lampu, pokud se většina světla ztratí ve stěnách výbojky (hořáku)?

Keramický hořák sodíkových výbojek je hlavním rozlišovacím prvkem od jiných zdrojů světla s plynovými výbojkami. Keramika pracující při teplotách vyšších než 1000 stupňů, dokáže zadržet sodík po desítky tisíc hodin. To však neznamená, že sodík vůbec nemůže proniknout ven do objemu vnější baňky.

Hustá krystalová mříž skutečně brání šíření atomů keramikou. Krystalické bloky oxidu hlinitého jsou však navzájem „spojeny“ amorfní skleněnou mezifázovou keramikou. Skládá se z aditiv, které omezují růst polycorových krystalů a nečistot, které jsou nevyhnutelné v jakémkoli materiálu. Permeabilita podél hranic krystalů je mnohem vyšší než přes krystalovou mříž. Životnost sodíkových výbojek je tedy přesně určena ztrátou sodíku prostřednictvím interkrystalického materiálu.

Pro sodíkové výbojky se používají monokrystaly oxidu hlinitého - „monocor“, lépe známé jako safír.Vypouštěcí trubice vyrobené z takového materiálu mají velmi vysokou propustnost, vysokou odolnost proti difúzi sodíku, ale anizotropní (různé směry) mechanické vlastnosti ztěžují těsnění hořáků vysokoteplotními cementy. Kromě toho jsou znatelně dražší než polykrystalické hořáky.

Hořák sodíkové lampy má pouze dvě elektrody, na které je nanesen emisní povlak, aby se usnadnilo počáteční zapálení lampy. Do hořáku se dávkuje inertní plyn (obvykle xenon při tlaku asi 20 mm Hg) a amalgám (slitina) rtuti se sodíkem ve formě koule s přesně pevným složením a velikostí.

Životnost lampy přímo souvisí s životností hořáku. A to je zase určeno zásobou sodíku a emisním složením na elektrodách. Postupem času sodík uniká keramikou, což vede ke zvýšení napětí na hořáku, což způsobí, že lampa zhasne okamžitě po vstupu do režimu.

Po ochlazení lampa znovu zabliká a zhasne. Častý provoz (krátké cykly zapnutí a vypnutí) vede ke zrychlené spotřebě emitoru - emisní složení na elektrodách a lampa selže.

Hořák je namontován ve vnější baňce z žáruvzdorného skla na traverzách (podpěrách). Po evakuaci a odvápnění je základna připojena k baňce (obvykle E27 nebo E40). Objem vnější baňky se evakuuje. Pro dosažení vyššího vakua se do něj dodatečně nastříká getrová kompozice - geter.

Vakuová izolace hořáků je nezbytná k ochraně žáruvzdorných kovů struktury hořáku (niobu, molybdenu) před oxidací. Hlavním úkolem je však eliminovat tepelné ztráty konvekcí. Keramika, která pracuje při teplotách nad 1000 stupňů, se nakonec stává silným zdrojem tepelné energie. Při špatné tepelné izolaci se účinnost lampy snižuje, přehřívání žárovky a patice lampy.

Nyní je k dispozici široká řada sodíkových výbojek od 35 do 1000 wattů. Podle tvaru vnější žárovky a vlastností aplikace lze rozlišit tři hlavní skupiny sodíkových výbojek: DNaT s trubkovou žárovkou, DNaS s eliptickou matnou skořepinou a DNaZ se zrcadlovým reflexním povlakem.

O aplikaci vysokotlaké sodíkové výbojky nestojí to za zmínku: pouliční osvětlení osad, rušné dálnice a zvýraznění architektonických souborů.

Lampy DNaS vyvinutý jako náhrada za rtuťové zářivky (DRL). Kromě eliptického tvaru baňky mají zvláštnosti plnění hořáků: místo čistého xenonu se dávkuje směs ušlechtilých plynů (Penningova směs), aby se usnadnilo vznícení. Takové lampy jsou provozovány bez zapalovacího zařízení generujícího vysokonapěťové impulsy. Jiné typy sodíkových výbojek potřebují podobné zařízení.

Lampy DNAZ našel uplatnění v průmyslových sklenících pro urychlení fotosyntézy rostlin. Podíl těchto lamp na celkovém počtu zdrojů využívajících sodíkové záření je relativně malý a lze je připsat speciálním lampám.

Díky velmi vysoké účinnosti a dobrému podání barev by mohly sodíkové výbojky s nízkým výkonem (35 a 50 W) najít uplatnění v každodenním životě. Přísady do hořáku kovů vzácných zemin umožňují získat spektrum záření, které je téměř nerozeznatelné od slunečního světla.

Achillova pata žárovek však není složitá schémata výkonu - moderní elektronika se snadno dokáže vyrovnat s podobným problémem. Doba zrychlení a návratu do provozního režimu je překážkou, která neguje všechny výhody sodíkových výbojek v každodenním životě. Nízkoenergetické zářivky trvají 4-6 minut a úplné parametry se stabilizují během 20-25 minut. Aby se vyrovnal s takovými nepříjemnostmi při osvětlení pokojů, zřídka bude někdo souhlasit.

Dosud neexistují prakticky žádné jiné alternativní zdroje světla pro venkovní osvětlení.Sodné výbojky budou tuto výklenek zabírat po dlouhou dobu, blahosklonně se dívat na pokusy moderní „upstarts“, jako jsou LED světla stiskněte je.