Lampes au sodium: dominance de l'élément chimique apprivoisé

L'article traite de la conception et de l'application des lampes au sodium à haute pression.

C'est difficile aujourd'hui pour les astronomes. Peu importe où dans le ciel elles sont orientées par les télescopes, les raies de sodium et de mercure seront toujours présentes sur les photographies des spectres des étoiles. De tels spectres ne prouvent pas du tout que les étoiles sont riches en ces éléments chimiques. La raison est purement terrestre: l'éclairage extérieur des villes et des autoroutes à l'aide de lampes à décharge à haute intensité crée un éclairage de l'atmosphère si puissant que des instruments astronomiques sensibles capturent la lumière des «étoiles» artificielles.

La plus grande contribution à l'éclairage public et le principal obstacle aux observations astronomiques sont aujourd'hui lampes au sodium haute pression. À leur sujet et seront discutés dans ce document.

Tout d'abord, pourquoi exactement une pression élevée? Le fait est que des lampes à tube à décharge à faible pression de mercure sont apparues dans la période d'avant-guerre. Les lampes fluorescentes se sont rapidement répandues. Mais une décharge dans la vapeur de sodium pendant une longue période n'a pas pu être obtenue en raison de la faible pression partielle de sodium à basse température.

Après un certain nombre d'astuces technologiques, la distinction est de créer des lampes au sodium fonctionnant à basse pression. Mais ils n'étaient pas largement utilisés en raison de la conception complexe. Un destin plus heureux lampes au sodium haute pression (NLVD). Les premières tentatives de création de lampes dans une coque en verre de quartz ont échoué. Aux températures élevées, l'activité chimique du sodium augmente. La mobilité de ses atomes (diffusion) augmente également. Par conséquent, dans les brûleurs à quartz, le sodium a rapidement pénétré à travers le quartz, détruisant la coque du brûleur.

La situation a été mesurée lorsque au début des années 60, General Electric a breveté un nouveau matériau céramique qui peut fonctionner dans la vapeur de sodium à haute température. Il a reçu le nom de marque «Lukalos». Nous avons cette céramique connue sous le nom Polycor. La céramique est réalisée par frittage à haute température de poudre d'alumine.

L'alumine présente plus de 10 modifications du réseau cristallin, selon les conditions de la réaction d'oxydation. À des fins d'éclairage, une seule modification convient - la forme alpha de l'oxyde, qui a le plus dense des atomes dans le cristal. Le processus de frittage, ou plutôt la «croissance» de la céramique est très morose. En effet, en plus de la résistance chimique à la vapeur de sodium, les céramiques devraient avoir une grande transparence. Quel est l'intérêt de fabriquer une lampe si la majeure partie de la lumière est perdue dans les parois du tube à décharge (brûleur)?

Le brûleur en céramique des lampes au sodium est la principale caractéristique distinctive des autres sources lumineuses à décharge. Les céramiques fonctionnant à des températures supérieures à 1 000 degrés peuvent retenir le sodium pendant des dizaines de milliers d'heures. Mais cela ne signifie pas que le sodium n'est pas du tout capable de pénétrer vers l'extérieur dans le volume du flacon extérieur.

Un réseau cristallin dense empêche vraiment la diffusion des atomes à travers la céramique. Mais les blocs cristallins d'oxyde d'aluminium sont «liés» les uns aux autres par des céramiques interphases amorphes de type verre. Il se compose d'additifs qui limitent la croissance des cristaux de polycor et des impuretés qui sont inévitables dans n'importe quel matériau.La perméabilité le long des limites des cristaux est beaucoup plus élevée que par le biais d'un réseau cristallin. Par conséquent, la durée de vie des lampes au sodium est déterminée précisément par la perte de sodium à travers le matériau intercristallin.

Pour les lampes au sodium, on utilise des monocristaux d'oxyde d'aluminium - «monocor», mieux connu sous le nom de saphir.Les tubes à décharge en un tel matériau ont une transmittance très élevée, une résistance élevée à la diffusion du sodium, mais les propriétés mécaniques anisotropes (différentes directions) rendent difficile l'étanchéité des brûleurs avec des ciments à haute température. De plus, ils sont nettement plus chers que les brûleurs polycristallins.

Le brûleur à lampe au sodium ne possède que deux électrodes sur lesquelles un revêtement d'émission est appliqué pour faciliter l'allumage initial de la lampe. Un gaz inerte (généralement du xénon à une pression d'environ 20 mm Hg) et un amalgame (alliage) de mercure avec du sodium sont dosés dans le brûleur, sous la forme d'une boule de composition et de taille strictement fixes.

La durée de vie de la lampe est directement liée à la durée de vie du brûleur. Et cela, à son tour, est déterminé par le stock de sodium et la composition des émissions aux électrodes. Au fil du temps, du sodium fuit à travers la céramique, ce qui entraîne une augmentation de la tension sur le brûleur, ce qui provoque l'extinction de la lampe immédiatement après son entrée en mode.

Après refroidissement, la lampe clignote à nouveau pour s'éteindre à nouveau. Un fonctionnement fréquent (courts cycles marche-arrêt) entraîne une consommation accélérée de l'émetteur - la composition des émissions sur les électrodes et la lampe tombe en panne.

Le brûleur est monté dans un ballon externe en verre réfractaire sur les traverses (supports). Après évacuation et dessoudage, la base est fixée au ballon (généralement E27 ou E40). Le volume du ballon externe est évacué. Pour obtenir un vide plus élevé, une composition de getter - getter - y est en outre pulvérisée.

L'isolation sous vide du brûleur est nécessaire pour protéger les métaux réfractaires de la structure du brûleur (niobium, molybdène) de l'oxydation. Mais la tâche principale est d'éliminer les pertes de chaleur par convection. Après tout, les céramiques fonctionnant à des températures supérieures à 1 000 degrés deviennent une puissante source d'énergie thermique. Avec une mauvaise isolation thermique, l'efficacité de la lampe diminue, l'ampoule et le culot de la lampe surchauffent.

Une large gamme de lampes au sodium de 35 à 1000 watts est désormais disponible. Trois groupes principaux de lampes au sodium peuvent être distingués en fonction de la forme de l'ampoule externe et des caractéristiques d'application: DNaT avec une ampoule tubulaire, DNaS avec une coque elliptique dépolie et DNaZ avec un revêtement réfléchissant miroir.

À propos de l'application lampes au sodium haute pression cela ne mérite pas une mention spéciale: il s'agit de l'éclairage public des établissements, des autoroutes très fréquentées et de la mise en valeur des ensembles architecturaux.

Lampes DNaS développé en remplacement des lampes fluorescentes à arc au mercure (DRL). En plus de la forme elliptique du ballon, ils ont les particularités de remplir les brûleurs: au lieu du xénon pur, un mélange de gaz nobles (mélange de Penning) est dosé pour faciliter l'allumage. Ces lampes fonctionnent sans dispositif d'allumage générant des impulsions à haute tension. D'autres types de lampes au sodium nécessitent un appareil similaire.

Lampes DNAZ trouvé une application dans les serres industrielles pour accélérer la photosynthèse des plantes. La part de ces lampes dans le nombre total de sources utilisant un rayonnement sodique est relativement faible et elles peuvent être attribuées à des lampes spéciales.

Avec une très grande efficacité et une bonne reproduction des couleurs, les lampes au sodium de faible puissance (35 et 50 W) pourraient bien trouver une application dans la vie quotidienne. Les additifs au brûleur des métaux des terres rares permettent d'obtenir un spectre de rayonnement presque impossible à distinguer de la lumière solaire.

Mais le talon d'Achille des lampes n'est pas un schéma d'alimentation compliqué - l'électronique moderne peut facilement faire face à un problème similaire. Le temps d'accélération et de sortie en mode de fonctionnement est un obstacle qui annule tous les avantages des lampes au sodium au quotidien. Les lampes à faible puissance passent en 4 à 6 minutes et les paramètres sont entièrement stabilisés en 20 à 25 minutes. Pour accepter de tels inconvénients dans l'éclairage des pièces, personne ne sera rarement d'accord.

À ce jour, il n'existe pratiquement aucune autre source lumineuse alternative pour l'éclairage extérieur.Les lampes au sodium occuperont cette niche pendant longtemps, regardant avec condescendance les tentatives «parvenus» modernes tels que les lumières LED les presser.