Lampy sodowe: dominacja oswojonego pierwiastka chemicznego

W artykule omówiono budowę i zastosowanie wysokoprężnych lamp sodowych.

Dziś astronomom jest trudno. Bez względu na to, gdzie na niebie są one ustawione przez teleskopy, linie sodu i rtęci zawsze będą obecne na zdjęciach widm gwiazd. Takie widma wcale nie dowodzą, że gwiazdy są bogate w te pierwiastki chemiczne. Powód jest czysto ziemski: zewnętrzne oświetlenie miast i autostrad za pomocą lamp wyładowczych dużej intensywności tworzy tak silne oświetlenie atmosfery, że wrażliwe instrumenty astronomiczne wychwytują światło „gwiazd” stworzonych przez człowieka.

Największy wkład w oświetlenie uliczne i główna przeszkoda w obserwacjach astronomicznych mają dziś wysokoprężne lampy sodowe. O nich i zostaną omówione w tym materiale.

Po pierwsze, dlaczego właśnie wysokie ciśnienie? Faktem jest, że lampy wyładowcze o niskim ciśnieniu rtęci pojawiły się w okresie przedwojennym. Lampy fluorescencyjne szybko stały się powszechne. Ale wyładowania w oparach sodu przez długi czas nie można było uzyskać z powodu niskiego ciśnienia cząstkowego sodu w niskich temperaturach.

Po wielu sztuczkach technologicznych rozróżnia się tworzenie lamp sodowych działających pod niskim ciśnieniem. Ale nie były szeroko stosowane ze względu na złożoną konstrukcję. Szczęśliwszy los wysokoprężne lampy sodowe (NLVD). Początkowe próby stworzenia lamp w obudowie ze szkła kwarcowego zakończyły się niepowodzeniem. W wysokich temperaturach wzrasta aktywność chemiczna sodu. Rośnie także mobilność jego atomów (dyfuzja). Dlatego w palnikach kwarcowych sód szybko przenikał przez kwarc, niszcząc skorupę palnika.

Sytuacja została zmierzona, kiedy na początku lat 60. General Electric opatentował nowy materiał ceramiczny, który może pracować w parze sodu w wysokich temperaturach. Otrzymał markę „Lukalos”. Mamy tę ceramikę znaną jako Polycor. Ceramika jest wytwarzana przez spiekanie w wysokiej temperaturze proszku tlenku glinu.

Tlenek glinu ma ponad 10 modyfikacji sieci krystalicznej, w zależności od warunków reakcji utleniania. Do celów oświetleniowych nadaje się tylko jedna modyfikacja - forma alfa tlenku, który ma najgęstsze upakowanie atomów w krysztale. Proces spiekania, a raczej „uprawy” ceramiki, jest bardzo nastrojowy. Rzeczywiście, oprócz odporności chemicznej na parę sodową, ceramika powinna mieć wysoką przezroczystość. Jaki jest sens robienia lampy, jeśli większość światła ginie w ściankach rury wyładowczej (palnika)?

Ceramiczny palnik lamp sodowych jest główną cechą odróżniającą od innych gazowo-wyładowczych źródeł światła. Ceramika działająca w temperaturach powyżej 1000 stopni może zatrzymywać sód przez dziesiątki tysięcy godzin. Ale to nie oznacza, że ​​sód w ogóle nie jest w stanie przeniknąć na zewnątrz do objętości zewnętrznej kolby.

Gęsta sieć krystaliczna naprawdę utrudnia dyfuzję atomów przez ceramikę. Ale krystaliczne bloki tlenku glinu są „związane” ze sobą za pomocą amorficznej, szklistej ceramiki międzyfazowej. Składa się z dodatków, które ograniczają wzrost kryształów polikorowych i zanieczyszczeń, których nie można uniknąć w żadnym materiale. Przepuszczalność wzdłuż granic kryształów jest znacznie wyższa niż przez sieć krystaliczną. Dlatego żywotność lamp sodowych zależy dokładnie od utraty sodu przez materiał międzykrystaliczny.

Do lamp sodowych stosuje się monokryształy tlenku glinu - „monocor”, lepiej znany jako szafir.Rurki wyładowcze wykonane z takiego materiału mają bardzo wysoką transmitancję, wysoką odporność na dyfuzję sodu, ale anizotropowe (w różnych kierunkach) właściwości mechaniczne utrudniają uszczelnienie palników cementami wysokotemperaturowymi. Ponadto są zauważalnie droższe niż palniki polikrystaliczne.

Palnik lampy sodowej ma tylko dwie elektrody, na które nakłada się powłokę emisyjną, aby ułatwić początkowy zapłon lampy. Gaz obojętny (zwykle ksenon pod ciśnieniem około 20 mm Hg) i amalgamat (rtęć) z rtęcią z sodem są dozowane do palnika w postaci kuli o ściśle ustalonym składzie i wielkości.

Żywotność lampy jest bezpośrednio związana z żywotnością palnika. A to z kolei zależy od zapasu sodu i składu emisji na elektrodach. Z czasem sód wycieka przez ceramikę, co prowadzi do wzrostu napięcia na palniku, co powoduje, że lampa gaśnie natychmiast po wejściu w tryb.

Po schłodzeniu lampa ponownie miga, aby ponownie zgasnąć. Częste działanie (krótkie cykle włączania / wyłączania) prowadzi do przyspieszonego zużycia emiterów - kompozycja emisji na elektrodach i lampie ulega awarii.

Palnik jest zamontowany w zewnętrznej kolbie wykonanej ze szkła ogniotrwałego na trawersach (podporach). Po ewakuacji i wylutowaniu podstawa jest przymocowana do kolby (zwykle E27 lub E40). Objętość zewnętrznej kolby zostaje opróżniona. Aby uzyskać wyższą próżnię, dodatkowo rozpyla się w niej kompozycję gettera - gettera.

Izolacja próżniowa palnika jest konieczna, aby chronić metale ogniotrwałe struktury palnika (niob, molibden) przed utlenianiem. Ale głównym zadaniem jest wyeliminowanie strat ciepła przez konwekcję. W końcu ceramika działająca w temperaturach powyżej 1000 stopni staje się potężnym źródłem energii cieplnej. Przy złej izolacji termicznej zmniejsza się wydajność lampy, przegrzewa się żarówka i podstawa lampy.

Dostępna jest teraz szeroka gama lamp sodowych od 35 do 1000 watów. Trzy główne grupy lamp sodowych można rozróżnić według kształtu zewnętrznej żarówki i cech zastosowania: DNaT z rurową żarówką, DNaS z eliptyczną matową powłoką i DNaZ z lustrzaną powłoką odblaskową.

O aplikacji wysokoprężne lampy sodowe nie warto na to zwracać szczególnej uwagi: jest to oświetlenie ulic osiedli, ruchliwych autostrad i wyróżnianie zespołów architektonicznych.

Lampy DNaS opracowany jako zamiennik świetlówek rtęciowych łukowych (DRL). Oprócz eliptycznego kształtu kolby mają one szczególne właściwości wypełniania palników: zamiast czystego ksenonu dozuje się mieszaninę gazów szlachetnych (mieszanina Penninga), aby ułatwić zapłon. Takie lampy działają bez urządzenia zapłonowego generującego impulsy o wysokim napięciu. Inne rodzaje lamp sodowych wymagają podobnego urządzenia.

Lampy DNAZ znalazł zastosowanie w szklarniach przemysłowych do przyspieszenia fotosyntezy roślin. Udział tych lamp w całkowitej liczbie źródeł wykorzystujących promieniowanie sodowe jest stosunkowo niewielki i można je przypisać specjalnym lampom.

Dzięki bardzo wysokiej wydajności i dobrej reprodukcji kolorów lampy sodowe o niskiej mocy (35 i 50 W) z powodzeniem mogą znaleźć zastosowanie w życiu codziennym. Dodatki do palnika metali ziem rzadkich umożliwiają uzyskanie spektrum promieniowania prawie nieodróżnialnego od światła słonecznego.

Ale pięta achillesowa lamp nie jest skomplikowanym schematem zasilania - nowoczesna elektronika z łatwością poradzi sobie z podobnym problemem. Czas przyspieszenia i wyjścia z trybu pracy jest przeszkodą, która neguje wszystkie zalety lamp sodowych w życiu codziennym. Lampy o niskiej mocy pracują w ciągu 4-6 minut, a parametry są w pełni ustabilizowane w ciągu 20-25 minut. Aby pogodzić się z takimi niedogodnościami w oświetleniu pokoi, rzadko ktoś się zgodzi.

Do tej pory praktycznie nie ma innych alternatywnych źródeł światła do oświetlenia zewnętrznego.Lampy sodowe długo zajmą tę niszę, protekcjonalnie patrząc na próby nowoczesne „upstarty”, takie jak światła LED naciśnij je.