Natriumlamper: dominans av det temte kjemiske elementet

Artikkelen diskuterer design og anvendelse av natriumlamper med høyt trykk.

Det er vanskelig i dag for astronomer. Uansett hvor på himmelen de er orientert av teleskoper, vil linjene av natrium og kvikksølv alltid være til stede i fotografier av stjerners spektre. Slike spektre beviser slett ikke at stjerner er rike på disse kjemiske elementene. Årsaken er rent jordisk: ekstern belysning av byer og motorveier ved hjelp av høytintensitetsutladningslamper skaper en så sterk belysning av atmosfæren at sensitive astronomiske instrumenter fanger lyset fra menneskeskapte "stjerner".

Det største bidraget til gatebelysning, og hovedhindringen for astronomiske observasjoner, er i dag høytrykksnatriumlamper. Om dem og vil bli diskutert i dette materialet.

Først av alt, hvorfor nøyaktig høyt trykk? Fakta er at utløpsrørlamper med lavt kvikksølvtrykk dukket opp i førkrigstiden. Lysrør ble raskt utbredt. Men en utladning i natriumdamp i lang tid kunne ikke oppnås på grunn av det lave deltrykk av natrium ved lave temperaturer.

Etter en rekke teknologiske triks er skillet å lage natriumlamper som fungerer ved lavt trykk. Men de ble ikke mye brukt på grunn av den komplekse designen. En mer heldig skjebne høytrykksnatriumlamper (NLVD). De første forsøkene på å lage lamper i et kvartsglaskall endte i svikt. Ved høye temperaturer øker den kjemiske aktiviteten til natrium. Mobiliteten til atomer (diffusjon) vokser også. Derfor, i kvartsbrennere, trengte natrium raskt gjennom kvarts og ødela brennerskallet.

Situasjonen ble målt når på begynnelsen av 60-tallet patenterte General Electric et nytt keramisk materiale som kan fungere i natriumdamp ved høye temperaturer. Han fikk merkenavnet “Lukalos”. Vi har denne keramikken kjent som "POLYCOR". Keramikk lages ved sintring av høye temperaturer av aluminiumoksydpulver.

Alumina har mer enn 10 modifikasjoner av krystallgitteret, avhengig av betingelsene for oksidasjonsreaksjonen. For belysningsformål er bare en modifisering passende - alfaformen til oksydet, som har den mest tette pakningen av atomer i krystallen. Sintringsprosessen, eller rettere sagt "voksing" av keramikk er veldig lunefull. Faktisk, i tillegg til kjemisk resistens mot natriumdamp, bør keramikk ha høy transparens. Hva er poenget med å lage en lampe hvis mesteparten av lyset går tapt i veggene i utløpsrøret (brenneren)?

Den keramiske brenneren av natriumlamper er det viktigste kjennetegnet fra andre lyskilder fra gassutladning. Keramikk som fungerer ved temperaturer over 1000 grader, kan beholde natrium i titusenvis av timer. Men dette betyr ikke at natrium overhode ikke er i stand til å trenge utover i volumet til den ytre kolben.

Et tett krystallgitter hindrer virkelig diffusjonen av atomer gjennom keramikk. Men de krystallinske blokker av aluminiumoksyd er "bundet" til hverandre av amorf, glasslignende flerfase keramikk. Den består av tilsetningsstoffer som begrenser veksten av polykorkrystaller og urenheter som er uunngåelig i noe materiale. Permeabiliteten ved krystallgrensene er mye høyere enn gjennom et krystallgitter. Derfor bestemmes levetiden til natriumlamper nøyaktig av tap av natrium gjennom interkrystallinsk materiale.

For natriumlamper brukes enkle krystaller av aluminiumoksyd - “monocor”, bedre kjent som safir.Utløpsrør laget av et slikt materiale har en veldig høy transmittans, høy motstand mot natriumdiffusjon, men anisotrope (forskjellige retninger) mekaniske egenskaper gjør det vanskelig å tette brennere med høye temperatur sement. I tillegg er de merkbart dyrere enn polykrystallinske brennere.

Natriumlampebrenneren har bare to elektroder som et utslippsbelegg påføres for å lette lampenes første antenning. En inert gass (vanligvis xenon ved et trykk på ca. 20 mm Hg) og et amalgam (legering) kvikksølv med natrium blir dosert inn i brenneren i form av en ball med strengt fast sammensetning og størrelse.

Lampens levetid er direkte relatert til levetiden til brenneren. Og det blir på sin side bestemt av bestanden av natrium og emisjonssammensetningen ved elektrodene. Over tid lekker natrium gjennom keramikken, noe som fører til en økning i spenningen på brenneren, noe som får lampen til å dø ut umiddelbart etter at den har gått inn i modus.

Etter avkjøling blinker lampen for å slukke igjen. Hyppig drift (korte av / på-sykluser) fører til akselerert forbruk av senderen - utslippskomposisjon på elektrodene og lampen svikter.

Brenneren er montert i en ekstern kolbe laget av ildfast glass på traversene (støttene). Etter evakuering og lodding er basen festet til kolben (vanligvis E27 eller E40). Volumet av den ytre kolben evakueres. For å få et høyere vakuum, sprayes en getter-sammensetning - getter - i tillegg.

Vakuumisolering av brennerne er nødvendig for å beskytte de ildfaste metaller i brennerkonstruksjonen (niob, molybden) mot oksidasjon. Men hovedoppgaven er å eliminere varmetapet ved konveksjon. Tross alt blir keramikk som fungerer ved temperaturer over 1000 grader, en kraftig kilde til termisk energi. Med dårlig varmeisolasjon reduseres lampeeffektiviteten, pæren og lampeunderlaget overopphetes.

Et bredt utvalg av natriumlamper fra 35 til 1000 watt er nå tilgjengelig. Tre hovedgrupper med natriumlamper kan skilles ut i henhold til formen på den ytre pæren og påføringsfunksjonene: DNaT med en rørformet pære, DNaS med et elliptisk frostet skall og DNaZ med et speilreflekterende belegg.

Om søknad høytrykksnatriumlamper det er ikke verdt å nevne noe spesielt: det er gatelys av bebyggelse, travle motorveier og markering av arkitektoniske ensembler.

Lamper DNaS utviklet som erstatning for lysstoffrør for lysbue kvikksølv (DRL). I tillegg til kolbeens elliptiske form, har de særegenhetene ved å fylle brennerne: i stedet for ren xenon doseres en blanding av edle gasser (Penning-blanding) for å lette antennelse. Slike lamper blir betjent uten en tenningsinnretning som genererer høyspenningsimpulser. Andre typer natriumlamper trenger en lignende enhet.

Lamper DNAZ fant anvendelse i industrielle drivhus for å fremskynde fotosyntesen av planter. Andelen av disse lampene i det totale antall kilder som bruker natriumstråling er relativt liten, og de kan tilskrives spesielle lamper.

Med meget høy effektivitet og god fargegjengivelse, kan natriumlamper med lav effekt (35 og 50 W) godt finne anvendelse i hverdagen. Tilsetningsstoffer til brenneren av sjeldne jordartsmetaller gjør det mulig å få et strålingsspektrum som nesten ikke kan skilles fra sollys.

Men Achilles-hælen på lampene er ikke et komplisert kraftopplegg - moderne elektronikk kan lett takle et lignende problem. Tidspunktet for akselerasjon og utkjøring til driftsmodus er et hinder som negerer alle fordelene med natriumlamper i hverdagen. Laveffektlamper går over 4-6 minutter, og parametrene fullt ut stabiliseres i løpet av 20-25 minutter. For å komme til rette med slike problemer i belysningen av rom, vil sjelden noen være enige.

Til dags dato er det praktisk talt ingen andre alternative lyskilder for utendørsbelysning.Natriumlamper vil okkupere denne nisjen i lang tid, nedlatende å se på forsøk moderne “upstarts” som LED-lys press dem ut.