Lămpi de sodiu: dominantă a elementului chimic îmblânzit

Articolul discută despre proiectarea și aplicarea lămpilor cu sodiu de înaltă presiune.

Astăzi este dificil pentru astronomi. Indiferent unde pe cer sunt orientate prin telescoape, liniile de sodiu și mercur vor fi întotdeauna prezente în fotografiile spectrelor stelelor. Astfel de spectre nu dovedesc deloc că stelele sunt bogate în aceste elemente chimice. Motivul este pur pământesc: iluminarea externă a orașelor și autostrăzilor cu ajutorul lămpilor de descărcare de intensitate ridicată creează o iluminare atât de puternică a atmosferei încât instrumentele astronomice sensibile captează lumina „stelelor” create de om.

Cea mai mare contribuție la iluminatul stradal și principalul obstacol în calea observațiilor astronomice sunt astăzi lămpi de sodiu de înaltă presiune Despre ele și vor fi discutate în acest material.

În primul rând, de ce exact presiunea ridicată? Cert este că în perioada prebelică au apărut lămpi cu tuburi de descărcare cu presiune scăzută de mercur. Lămpile fluorescente au devenit rapid răspândite. Dar o descărcare în vapori de sodiu pentru o lungă perioadă de timp nu a putut fi obținută din cauza presiunii parțiale joase a sodiului la temperaturi scăzute.

După o serie de trucuri tehnologice, distincția este de a crea lămpi de sodiu care funcționează la presiune scăzută. Dar nu au fost utilizate pe scară largă datorită designului complex. O soartă mai norocoasă lămpi de sodiu de înaltă presiune (NLVD). Încercările inițiale de a crea lămpi într-o carcasă de sticlă de cuarț s-au încheiat în eșec. La temperaturi ridicate, activitatea chimică a sodiului crește. Mobilitatea atomilor săi (difuzie) este de asemenea în creștere. Prin urmare, în arzătoarele de cuarț, sodiul a pătruns rapid prin cuarț, distrugând învelișul arzătorului.

Situația a fost măsurată când la începutul anilor 60, General Electric a brevetat un nou material ceramic care poate lucra în vapori de sodiu la temperaturi ridicate. El a primit numele de marcă „Lukalos”. Avem această ceramică cunoscută sub numele de "Polycor". Ceramica se realizează prin sinterizarea la temperatură ridicată a pulberii de alumină.

Alumina are mai mult de 10 modificări ale grilajului de cristal, în funcție de condițiile reacției de oxidare. În scopuri de iluminare, o singură modificare este potrivită - forma alfa a oxidului, care are cel mai dens ambalaj de atomi din cristal. Procesul de sinterizare, sau mai degrabă „creșterea” ceramicii este foarte plin de spirit. Într-adevăr, pe lângă rezistența chimică la vaporii de sodiu, ceramica ar trebui să aibă transparență ridicată. Care este rostul de a face o lampă dacă cea mai mare parte a luminii se pierde în pereții tubului de refulare (arzător)?

Arzătorul ceramic al lămpilor de sodiu este principala caracteristică distinctivă față de alte surse de lumină cu descărcare de gaze. Ceramica care funcționează la temperaturi mai mari de 1000 de grade, poate reține sodiu zeci de mii de ore. Dar acest lucru nu înseamnă că sodiul nu este deloc capabil să pătrundă spre exterior în volumul balonului exterior.

Un strat de cristal dens împiedică într-adevăr difuzarea atomilor prin ceramică. Însă blocurile cristaline de oxid de aluminiu sunt „legate” una de cealaltă prin ceramică amorfă, asemănătoare cu interfaza. Este format din aditivi care limitează creșterea cristalelor policorice și a impurităților care sunt inevitabile în orice material. Permeabilitatea de-a lungul limitelor cristalelor este mult mai mare decât printr-o rețea de cristal. Prin urmare, durata de viață a lămpilor de sodiu este determinată tocmai de pierderea de sodiu prin materialul intercristalin.

Pentru lămpi de sodiu se folosesc și cristale unice de oxid de aluminiu - „monocor”, mai cunoscut sub numele de safir.Tuburile de descărcare realizate dintr-un astfel de material au o transmisie foarte ridicată, o rezistență ridicată la difuzia de sodiu, dar proprietățile mecanice anisotrope (direcții diferite) fac dificilă sigilarea arzătoarelor cu cimenturi la temperaturi ridicate. În plus, acestea sunt vizibil mai scumpe decât arzătoarele policristaline.

Arzătorul cu lămpi de sodiu are doar doi electrozi pe care se aplică un strat de emisie pentru a facilita aprinderea inițială a lămpii. Un gaz inert (de obicei xenon la o presiune de aproximativ 20 mm Hg) și un amalgam (aliaj) de mercur cu sodiu sunt dozate în arzător, sub forma unei bile cu compoziție și dimensiune strict fixate.

Durata de viață a lămpii este legată direct de durata arzătorului. Și, la rândul său, este determinat de stocul de sodiu și compoziția de emisie la electrozi. În timp, sodiul se scurge prin ceramică, ceea ce duce la o creștere a tensiunii pe arzător, ceea ce face ca lampa să se stingă imediat după intrarea în mod.

După răcire, lampa se aprinde din nou pentru a stinge din nou. Funcționarea frecventă (cicluri scurte de pornire) duce la un consum accelerat al emițătorului - compoziția emisiilor pe electrozi și lampa eșuează.

Arzătorul este montat într-un balon exterior format din sticlă refractară pe traversele (suporturile). După evacuare și desfacere, baza este fixată pe balon (de obicei E27 sau E40). Volumul vasului exterior este evacuat. Pentru a obține un vid mai mare, o compoziție obturatoră - getter - este pulverizată suplimentar în ea.

Izolarea în vid a arzătorului este necesară pentru a proteja metalele refractare din structura arzătorului (niobiu, molibden) de oxidare. Dar sarcina principală este eliminarea pierderilor de căldură prin convecție. La urma urmei, ceramica care operează la temperaturi peste 1000 de grade devine o sursă puternică de energie termică. Cu o izolare termică slabă, eficiența lămpii scade, becul și baza lămpii se supraîncălzesc.

Acum este disponibilă o gamă largă de lămpi de sodiu între 35 și 1000 de wați. Se pot distinge trei grupe principale de lămpi de sodiu în funcție de forma becului extern și de caracteristicile de aplicare: DNaT cu bec tubular, DNaS cu o înveliș eliptic ghețat și DNaZ cu o acoperire reflectorizantă cu oglindă.

Despre aplicație lămpi de sodiu de înaltă presiune nu merită menționat special: este iluminatul stradal al așezărilor, autostrăzile aglomerate și evidențierea ansamblurilor arhitecturale.

Lămpi DNaS dezvoltat ca înlocuitor al lămpilor fluorescente cu mercur arc (DRL). Pe lângă forma eliptică a balonului, acestea au particularitățile de umplere a arzătoarelor: în loc de xenon pur, este dozat un amestec de gaze nobile (amestecul Penning) pentru a facilita aprinderea. Astfel de lămpi sunt acționate fără ca un dispozitiv de aprindere să genereze impulsuri de înaltă tensiune. Alte tipuri de lămpi cu sodiu au nevoie de un dispozitiv similar.

Lămpile DNAZ a găsit aplicație în sere industriale pentru a accelera fotosinteza plantelor. Ponderea acestor lămpi în numărul total de surse care utilizează radiații de sodiu este relativ mică și pot fi atribuite lămpilor speciale.

Cu o eficiență foarte ridicată și o reproducere bună a culorilor, lămpile de sodiu cu putere redusă (35 și 50 W) ar putea găsi aplicații în viața de zi cu zi. Aditivii la arzătorul metalelor cu pământuri rare fac posibilă obținerea unui spectru de radiații aproape indistinguibil de lumina soarelui.

Dar călcâiul lui Ahile al lămpilor nu este o schemă de putere complicată - electronica modernă poate face față cu ușurință unei probleme similare. Timpul de accelerare și ieșire în modul de funcționare este un obstacol care neagă toate avantajele lămpilor de sodiu din viața de zi cu zi. Lămpile cu consum redus se duc în 4-6 minute, iar parametrii complet se stabilizează în 20-25 de minute. Pentru a ajunge la astfel de inconveniente în ceea ce privește iluminarea încăperilor, rareori cineva va fi de acord.

Până în prezent, practic nu există alte surse alternative de lumină pentru iluminatul exterior.Lămpile de sodiu vor ocupa această nișă pentru o lungă perioadă de timp, analizând cu certitudine încercările „upstarts” moderne, cum ar fi luminile LED apasă-i afară.