Натриеви лампи: доминиране на опитомен химичен елемент

Статията обсъжда дизайна и прилагането на натриеви лампи с високо налягане.

Днес е трудно за астрономите. Без значение къде в небето са ориентирани от телескопи, линиите на натрий и живак винаги ще присъстват на фотографии от спектрите на звездите. Подобни спектри изобщо не доказват, че звездите са богати на тези химически елементи. Причината е чисто земна: външното осветление на градовете и магистралите с помощта на високоинтензивни разрядни лампи създава толкова силно осветяване на атмосферата, че чувствителните астрономически инструменти улавят светлината на създадени от човека „звезди“.

Най-големият принос за уличното осветление и основната пречка за астрономическите наблюдения са днес натриеви лампи с високо налягане. За тях и ще говорим в този материал.

На първо място, защо точно високо налягане? Факт е, че лампи с разрядни тръби с ниско живачно налягане се появиха в предвоенния период. Флуоресцентните лампи бързо придобиха широко разпространение. Но изпускане в натриеви пари за дълго време не може да се получи поради ниското парциално налягане на натрий при ниски температури.

След редица технологични трикове, отличението е да се създадат натриеви лампи, работещи при ниско налягане. Но те не бяха широко използвани поради сложния дизайн. По-щастлива съдба натриеви лампи с високо налягане (NLVD), Първоначалните опити за създаване на лампи в кварцова стъклена обвивка завършиха с неуспех. При високи температури химическата активност на натрия се увеличава. Мобилността на неговите атоми (дифузия) също нараства. Следователно в кварцовите горелки натрият бързо прониква през кварц, унищожавайки черупката на горелката.

Ситуацията беше измерена кога в началото на 60-те General Electric патентова нов керамичен материал, който може да работи в натриеви пари при високи температури. Той получи марката „Lukalos”. Тази керамика ни е известна като "Polycor", Керамиката е направена чрез високотемпературно синтероване на алуминиев прах.

Алуминиевият оксид има повече от 10 модификации на кристалната решетка, в зависимост от условията на реакцията на окисляване. За целите на осветлението е подходяща само една модификация - алфа формата на оксида, който има най-плътна опаковка от атоми в кристала. Процесът на синтероване, или по-скоро "отглеждането" на керамиката е много настроен. В действителност, в допълнение към химическата устойчивост на натриевите пари, керамиката трябва да има висока прозрачност. Какъв е смисълът да се прави лампа, ако по-голямата част от светлината се изгуби в стените на изпускателната тръба (горелката)?

Керамичната горелка на натриевите лампи е основната отличителна черта от другите газоразрядни светлинни източници. Керамиката, работеща при температура над 1000 градуса, може да задържи натрий за десетки хиляди часове. Но това не означава, че натрият изобщо не е в състояние да проникне навън в обема на външната колба.

Плътната кристална решетка наистина възпрепятства дифузията на атомите чрез керамика. Но кристалните блокове от алуминиев оксид са "свързани" помежду си с аморфна, стъклоподобна интерфазна керамика. Състои се от добавки, които ограничават растежа на поликор кристали и примеси, които са неизбежни във всеки материал. Проницаемостта по границите на кристалите е много по-висока, отколкото чрез кристална решетка. Следователно животът на натриевите лампи се определя именно от загубата на натрий чрез интеркристален материал.

За натриеви лампи се използват монокристали от алуминиев оксид - „монокор“, по-известен като сапфир.Изпускателните тръби, изработени от такъв материал, имат много висока пропускливост, висока устойчивост на натриева дифузия, но анизотропните (различни посоки) механични свойства затрудняват запечатването на горелки с високотемпературни цименти. Освен това те са забележимо по-скъпи от поликристалните горелки.

Горелката на натриевата лампа има само два електрода, върху които е нанесено емисионно покритие, за да се улесни първоначалното запалване на лампата. Инертен газ (обикновено ксенон при налягане около 20 mm Hg) и амалгама (сплав) живак с натрий се дозират в горелката под формата на топка със строго фиксиран състав и размер.

Животът на лампата е пряко свързан с живота на горелката. А това от своя страна се определя от запаса на натрий и емисионния състав при електродите. С течение на времето натрият изтича през керамиката, което води до увеличаване на напрежението на горелката, което води до изгасване на лампата веднага след влизане в режим.

След охлаждане, лампата отново мига, за да изгасне отново. Честата работа (кратки цикли на включване) води до ускорена консумация на емитер - емисионния състав върху електродите и лампата се проваля.

Горелката е монтирана във външна колба, изработена от огнеупорно стъкло върху траверсите (опорите). След евакуация и разтваряне основата се прикрепя към колбата (обикновено Е27 или Е40). Обемът на външната колба се евакуира. За да се получи по-висок вакуум, в него допълнително се напръсква гетер - състав.

Вакуумната изолация на горелката е необходима за защита на огнеупорни метали на структурата на горелката (ниобий, молибден) от окисляване. Но основната задача е да се премахнат топлинните загуби чрез конвекция. В крайна сметка керамиката, работеща при температури над 1000 градуса, се превръща в мощен източник на топлинна енергия. При лоша топлоизолация ефективността на лампата намалява, крушката и основата на лампата прегряват.

Вече се предлага широка гама от натриеви лампи от 35 до 1000 вата. Три основни групи натриеви лампи могат да бъдат разграничени според формата на външната крушка и характеристиките на приложение: DNaT с тръбна крушка, DNaS с елиптична матирана обвивка и DNaZ с огледално отразяващо покритие.

Относно приложението натриеви лампи с високо налягане не си струва да се споменава специално: улично осветление на населени места, оживени магистрали и подчертаване на архитектурни ансамбли.

Лампи DNaS разработен като заместител на дъгови живачни флуоресцентни лампи (DRL). В допълнение към елипсовидната форма на колбата, те имат особеностите на пълнене на горелките: вместо чист ксенон се дозира смес от благородни газове (смес от Penning), за да се улесни запалването. Такива лампи работят без запалително устройство, генериращо импулси с високо напрежение. Други видове натриеви лампи се нуждаят от подобно устройство.

Лампи ДНК намери приложение в промишлените оранжерийни ферми за ускоряване на фотосинтезата на растенията. Делът на тези лампи в общия брой източници, използващи натриево лъчение, е сравнително малък и те могат да бъдат причислени към специални лампи.

С много висока ефективност и добро възпроизвеждане на цветовете натриевите лампи с ниска мощност (35 и 50 W) могат да намерят приложение в ежедневието. Добавките към горелката на рядкоземни метали позволяват получаването на радиационен спектър, който е почти неразличим от слънчевата светлина.

Но ахилесовата пета на лампите не е сложна схема на захранване - съвременната електроника лесно може да се справи с подобен проблем. Времето на ускорение и излизане в режим на работа е пречка, която отменя всички предимства на натриевите лампи в ежедневието. Лампите с ниска мощност минават за 4-6 минути, а параметрите са напълно стабилизирани в рамките на 20-25 минути. За да се справим с подобни неудобства при осветяването на стаите, рядко някой ще се съгласи.

Към днешна дата практически няма други алтернативни източници на светлина за външно осветление.Натриевите лампи ще заемат тази ниша за дълго време, снизходително гледайки опитите модерни "ъпгрейди" като LED светлини натиснете ги.