Natriumlampor: dominans av det tämda kemiska elementet

Artikeln diskuterar utformningen och tillämpningen av natriumlampor med högt tryck.

Det är svårt idag för astronomer. Oavsett var på himlen de är orienterade med teleskop, kommer linjerna med natrium och kvicksilver alltid att finnas i fotografier av stjärnspektra. Sådana spektra bevisar inte alls att stjärnor är rika på dessa kemiska element. Anledningen är rent jordisk: den yttre belysningen av städer och motorvägar med hjälp av högintensiva urladdningslampor skapar en så stark belysning av atmosfären att känsliga astronomiska instrument fångar ljuset från mänskliga "stjärnor".

Det största bidraget till gatubelysning och det största hindret för astronomiska observationer är idag högtrycksnatriumlampor. Om dem och kommer att diskuteras i detta material.

Först av allt, varför exakt högt tryck? Faktum är att utloppsrörslampor med lågt kvicksilvertryck dök upp under förkrigstiden. Fluorescerande lampor blev snabbt utbredda. Men en urladdning i natriumånga under lång tid kunde inte erhållas på grund av det låga partiklarna av natrium vid låga temperaturer.

Efter ett antal tekniska knep är skillnaden att skapa natriumlampor som arbetar vid lågt tryck. Men de användes inte ofta på grund av den komplexa designen. Ett lyckligare öde högtrycksnatriumlampor (NLVD). De första försöken att skapa lampor i ett kvartsglasskal slutade i misslyckande. Vid höga temperaturer ökar den kemiska aktiviteten av natrium. Rörligheten hos dess atomer (diffusion) växer också. Därför penetrerade natrium snabbt genom kvarts i kvartsbrännare, vilket förstörde brännskalet.

Situationen mättes när i början av 60-talet patenterade General Electric ett nytt keramiskt material som kan fungera i natriumånga vid höga temperaturer. Han fick varumärket ”Lukalos”. Vi har den här keramiken känd som "POLYCOR". Keramik tillverkas genom högtemperatursintring av aluminiumoxidpulver.

Alumina har mer än 10 modifieringar av kristallgitteret, beroende på betingelserna för oxidationsreaktionen. För belysningsändamål är endast en modifiering lämplig - alfaformen av oxiden, som har den tätaste förpackningen av atomer i kristallen. Sintringsprocessen, eller snarare "odling" av keramik är mycket humörig. Förutom kemisk resistens mot natriumånga bör keramik ha hög transparens. Vad är poängen med att skapa en lampa om det mesta av ljuset går förlorat i avloppsrörets väggar (brännare)?

Den keramiska brännaren av natriumlampor är den viktigaste kännetecknande funktionen från andra gasurladdningsljuskällor. Keramik som arbetar vid temperaturer över 1000 grader kan hålla natrium i tiotusentals timmar. Men detta betyder inte att natrium inte alls kan tränga utåt i volymen på ytterkolven.

Ett tätt kristallgitter hindrar verkligen spridningen av atomer genom keramik. Men de kristallina blocken av aluminiumoxid är "bundna" till varandra med amorfa, glasliknande mellanfaskeramik. Den består av tillsatser som begränsar tillväxten av polykorkristaller och föroreningar som är oundvikliga i något material. Permeabiliteten vid kristallgränserna är mycket högre än genom ett kristallgitter. Därför bestäms livslängden för natriumlampor exakt av förlusten av natrium genom interkristallint material.

För natriumlampor används och enkristaller av aluminiumoxid - "monocor", bättre känd som safir.Utloppsrör av sådant material har en mycket hög transmittans, hög motståndskraft mot natriumdiffusion, men anisotropa (olika riktningar) mekaniska egenskaper gör det svårt att täta brännare med högtemperaturcement. Dessutom är de märkbart dyrare än polykristallina brännare.

Brännaren för natriumlampa har endast två elektroder på vilka en utsläppsbeläggning appliceras för att underlätta lampans första tändning. En inert gas (vanligtvis xenon vid ett tryck av cirka 20 mm Hg) och en amalgam (legering) kvicksilver med natrium doseras i brännaren i form av en boll med strikt fixerad sammansättning och storlek.

Lampans livslängd är direkt relaterad till brännarens livslängd. Och det i sin tur bestäms av natriumlagret och emissionskompositionen vid elektroderna. Med tiden läcker natrium genom keramiken, vilket leder till en ökning av spänningen på brännaren, vilket får lampan att dö ut omedelbart efter att ha gått in i läget.

Efter kylning blinkar lampan igen för att slockna igen. Frekvent drift (korta on-off cykler) leder till accelererad konsumtion av emittern - emissionskomposition på elektroderna och lampan misslyckas.

Brännaren är monterad i en yttre kolv gjord av eldfast glas på traverserna (stöd). Efter evakuering och avlödning är basen fäst vid kolven (vanligtvis E27 eller E40). Volymen på den yttre kolven evakueras. För att få ett högre vakuum sprayas en getterkomposition - getter - dessutom.

Vakuumisolering av brännarna är nödvändig för att skydda de eldfasta metallerna i brännarstrukturen (niob, molybden) från oxidation. Men huvuduppgiften är att eliminera värmeförlusten genom konvektion. När allt kommer omkring blir keramik som arbetar vid temperaturer över 1000 grader en kraftfull källa för termisk energi. Med dålig värmeisolering minskar lampeffektiviteten, lampan och lampbotten överhettas.

Ett stort antal natriumlampor från 35 till 1000 watt finns nu tillgängligt. Tre huvudgrupper av natriumlampor kan skiljas utifrån den yttre glödlampans form och applikationsfunktioner: DNaT med en rörformad glödlampa, DNaS med ett elliptiskt frostat skal och DNaZ med en spegelreflekterande beläggning.

Om ansökan högtrycksnatriumlampor det är inte värt att nämna speciellt: det är gatubelysning av bosättningar, upptagna motorvägar och belysning av arkitektoniska ensembler.

Lampor DNaS utvecklad som en ersättning för lysrör med ljusbågskvicksilver (DRL). Förutom kolvens elliptiska form, har de de särdragen att fylla brännarna: istället för ren xenon doseras en blandning av ädla gaser (Penning-blandning) för att underlätta antändning. Sådana lampor manövreras utan en tändanordning som genererar högspänningspulser. Andra typer av natriumlampor behöver en liknande enhet.

Lampor DNAZ hittade tillämpning i industriella växthus för att påskynda växtfotosyntes. Andelen av dessa lampor i det totala antalet källor som använder natriumstrålning är relativt liten och de kan tillskrivas speciella lampor.

Med mycket hög effektivitet och god färgåtergivning kan natriumlampor med låg effekt (35 och 50 W) mycket väl hitta applikationer i vardagen. Tillsatser till brännaren av sällsynta jordartsmetaller gör det möjligt att få ett strålningsspektrum som nästan inte kan skiljas från solljus.

Men lamporna med Achilles häl är inte ett komplicerat kraftsystem - modern elektronik kan lätt hantera ett liknande problem. Tiden för acceleration och utgång till driftläget är ett hinder som avskaffar alla fördelar med natriumlampor i vardagen. Lågeffektslampor går på 4-6 minuter och parametrarna är helt stabiliserade inom 20-25 minuter. För att komma till rätta med sådana besvär i belysningen av rum, kommer sällan någon att komma överens.

Hittills finns det praktiskt taget inga andra alternativa ljuskällor för utomhusbelysning.Natriumlampor kommer att ockupera denna nisch under lång tid, nedåtriktat titta på försök moderna “upstarts” som LED-lampor tryck ut dem.