Nātrija lampas: pieradinātā ķīmiskā elementa dominance

Rakstā apskatīts augstspiediena nātrija lampu dizains un pielietojums.

Mūsdienās astronomiem ir grūti. Neatkarīgi no tā, kur debesīs tās ir orientētas ar teleskopiem, nātrija un dzīvsudraba līnijas vienmēr būs redzamas zvaigžņu spektra fotogrāfijās. Šādi spektri nepavisam neliecina, ka zvaigznes ir bagātas ar šiem ķīmiskajiem elementiem. Iemesls ir tīri zemisks: pilsētu un automaģistrāļu āra apgaismojums ar augstas intensitātes gāzizlādes spuldžu palīdzību rada tik spēcīgu atmosfēras apgaismojumu, ka jutīgi astronomiskie instrumenti uztver cilvēka radīto “zvaigžņu” gaismu.

Lielākais ieguldījums ielu apgaismošanā un lielākais šķērslis astronomisko novērojumu veikšanai ir mūsdienās augstspiediena nātrija lampas. Par viņiem un tiks apspriesti šajā materiālā.

Pirmkārt, kāpēc tieši augsts spiediens? Fakts ir tāds, ka pirmskara periodā parādījās izlādes cauruļu lampas ar zemu dzīvsudraba spiedienu. Luminiscences spuldzes ātri kļuva plaši izplatītas. Bet nātrija tvaiku izplūdi ilgu laiku nevarēja iegūt, pateicoties zemam nātrija nātrija daļējam spiedienam zemā temperatūrā.

Pēc vairākiem tehnoloģiskiem trikiem jānošķir nātrija lampas, kas darbojas zemā spiedienā. Bet sarežģītā dizaina dēļ tie netika plaši izmantoti. Laimīgāks liktenis augstspiediena nātrija spuldzes (NLVD). Sākotnējie mēģinājumi izveidot lampas kvarca stikla apvalkā beidzās ar neveiksmi. Augstās temperatūrās palielinās nātrija ķīmiskā aktivitāte. Pieaug arī tā atomu mobilitāte (difūzija). Tāpēc kvarca degļos nātrijs ātri iekļuva caur kvarcu, iznīcinot degļa apvalku.

Situācija tika izmērīta, kad 60. gadu sākumā General Electric patentēja jaunu keramikas materiālu, kas augstā temperatūrā var darboties nātrija tvaikos. Viņš saņēma firmas vārdu “Lukalos”. Mums ir šī keramika, kas pazīstama kā Polycor. Keramiku izgatavo, sakausējot alumīnija oksīda pulveri augstā temperatūrā.

Alumīnijā ir vairāk nekā 10 kristāla režģa modifikāciju, atkarībā no oksidācijas reakcijas apstākļiem. Apgaismošanai ir piemērota tikai viena modifikācija - oksīda alfa forma, kurai ir visblīvākais atomu iepakojums kristālā. Kausēšanas process vai drīzāk keramikas “audzēšana” ir ļoti noskaņots. Patiešām, papildus ķīmiskajai izturībai pret nātrija tvaikiem keramikai jābūt ar augstu caurspīdīgumu. Kāda jēga izgatavot lampu, ja lielākā daļa gaismas tiek zaudēta izlādes caurules (degļa) sienās?

Nātrija lampu keramikas deglis ir galvenā atšķirīgā iezīme no citiem gāzizlādes gaismas avotiem. Keramika, kas darbojas vairāk nekā 1000 grādu temperatūrā, var noturēt nātriju desmitiem tūkstošu stundu. Bet tas nenozīmē, ka nātrijs vispār nespēj iekļūt ārējās kolbas tilpumā.

Blīvs kristāla režģis patiešām kavē atomu difūziju caur keramiku. Bet alumīnija oksīda kristāliskie bloki ir savstarpēji “savienoti” ar amorfu, stiklam līdzīgu starpfāžu keramiku. Tas sastāv no piedevām, kas ierobežo poliokoru kristālu augšanu, un piemaisījumiem, kas ir neizbēgami jebkurā materiālā.Par kristālu robežu caurlaidība ir daudz augstāka nekā caur kristāla režģi. Tāpēc nātrija lampu kalpošanas laiku precīzi nosaka nātrija zudums caur starpkristālisko materiālu.

Nātrija lampām tiek izmantoti alumīnija oksīda atsevišķi kristāli - “monokors”, labāk pazīstams kā safīrs.Izlādes caurulēm, kas izgatavotas no šāda materiāla, ir ļoti augsta caurlaidība, augsta izturība pret nātrija difūziju, bet anizotropās (dažādos virzienos) mehāniskās īpašības apgrūtina degļu aizzīmogošanu ar cementu ar augstu temperatūru. Turklāt tie ir ievērojami dārgāki nekā polikristāliskie degļi.

Nātrija lampas degļiem ir tikai divi elektrodi, uz kuriem tiek uzklāts emisijas pārklājums, lai atvieglotu luktura sākotnējo aizdegšanos. Degli ievada inertu gāzi (parasti ksenonu ar spiedienu aptuveni 20 mm Hg) un dzīvsudraba amalgamu (sakausējumu) ar nātriju stingri noteikta sastāva un izmēra bumbiņas formā.

Lampas kalpošanas laiks ir tieši saistīts ar degļa kalpošanas laiku. Un to, savukārt, nosaka nātrija krājums un emisijas sastāvs pie elektrodiem. Laika gaitā nātrijs izplūst caur keramiku, kas noved pie degļa sprieguma palielināšanās, kā rezultātā lukturis izmirst tūlīt pēc režīma iestāšanās.

Pēc atdzesēšanas lampiņa atkal mirgo, lai atkal izdzistu. Bieža darbība (īsi ieslēgšanās-izslēgšanas cikli) noved pie paātrināta emitētāja patēriņa - izstarojuma sastāva uz elektrodiem un lampa nedarbojas.

Deglis ir uzstādīts ārējā kolbā, kas izgatavota no ugunsizturīga stikla, uz traversiem (balstiem). Pēc evakuācijas un atkaļķošanas pamatni pievieno kolbai (parasti E27 vai E40). Ārējās kolbas tilpums tiek evakuēts. Lai iegūtu augstāku vakuumu, tajā papildus tiek izsmidzināts arī gettera sastāvs - getters.

Degļu vakuumizolācija ir nepieciešama, lai aizsargātu degļa struktūras ugunsizturīgos metālus (niobijs, molibdēns) no oksidācijas. Bet galvenais uzdevums ir novērst siltuma zudumus ar konvekcijas palīdzību. Galu galā keramika, kas darbojas temperatūrā virs 1000 grādiem, kļūst par spēcīgu siltumenerģijas avotu. Ar sliktu siltumizolāciju lampas efektivitāte samazinās, spuldze un lampas pamatne pārkarst.

Tagad ir pieejams plašs nātrija lampu klāsts no 35 līdz 1000 vatiem. Pēc ārējās spuldzes formas un pielietojuma īpašībām var atšķirt trīs galvenās nātrija lampu grupas: DNaT ar cauruļveida spuldzi, DNaS ar elipsveida matētu apvalku un DNaZ ar spoguli atstarojošu pārklājumu.

Par pieteikšanos augstspiediena nātrija lampas to nav vērts pieminēt īpaši: tas ir apdzīvots vietas ielu apgaismojums, aizņemtas šosejas un arhitektūras ansambļu izcelšana.

Lukturi DNaS izstrādāta kā aizvietotājs loka dzīvsudraba dienasgaismas spuldzēm (DRL). Papildus kolbas elipsveida formai tām ir arī degļu piepildīšanas īpatnības: tīra ksenona vietā tiek ievadīts cēlu gāzu maisījums (Penning maisījums), lai atvieglotu aizdegšanos. Šādas lampas darbina bez aizdedzes ierīces, kas rada augstsprieguma impulsus. Citiem nātrija lampu veidiem nepieciešama līdzīga ierīce.

Lampas DNAZ atrasts pielietojums rūpnieciskajās siltumnīcās, lai paātrinātu augu fotosintēzi. Šo lampu īpatsvars kopējā avotu skaitā, kas izmanto nātrija starojumu, ir salīdzinoši neliels, un tos var attiecināt uz īpašām lampām.

Ar ļoti augstu efektivitāti un labu krāsu atveidojumu mazjaudas nātrija lampas (35 un 50 W) varētu labi atrast pielietojumu ikdienas dzīvē. Retzemju metālu degļa piedevas ļauj iegūt radiācijas spektru, kas gandrīz neatšķiras no saules gaismas.

Bet lukturu Ahileja papēdis nav sarežģīta jaudas shēma - mūsdienu elektronika var viegli tikt galā ar līdzīgu problēmu. Paātrinājuma un izejas uz darba režīmu laiks ir šķērslis, kas noliedz visas nātrija lampu priekšrocības ikdienas dzīvē. Zema enerģijas patēriņa lampas nonāk 4-6 minūtēs, un pilnībā parametri stabilizējas 20-25 minūšu laikā. Lai samierinātos ar šādām neērtībām telpu apgaismojumā, reti kurš tam piekritīs.

Līdz šim citu alternatīvu gaismas avotu āra apgaismojumam praktiski nav.Nātrija lampas ilgu laiku aizņems šo nišu, līdzjūtīgi skatoties uz mēģinājumiem moderni “iesākumi”, piemēram, LED lukturi izspiediet tos.