Natriumlamper: dominans af det temmede kemiske element

Artiklen drøfter design og anvendelse af højtryksnatriumlamper.

Det er vanskeligt i dag for astronomer. Uanset hvor i himlen de er orienteret af teleskoper, vil linjerne af natrium og kviksølv altid være til stede på fotografier af stjernespektre. Sådanne spektre beviser slet ikke, at stjerner er rige på disse kemiske elementer. Årsagen er rent jordisk: udendørs belysning af byer og motorveje ved hjælp af højintensitetsafladelamper skaber en så stærk belysning af atmosfæren, at følsomme astronomiske instrumenter fanger lys fra menneskeskabte “stjerner”.

Det største bidrag til gadebelysning og den største hindring for astronomiske observationer er i dag højtryksnatriumlamper. Om dem og vil blive drøftet i dette materiale.

Først og fremmest, hvorfor nøjagtigt højt tryk? Faktum er, at udløbsrørlamper med lavt kviksølvtryk optrådte i førkrigstidens periode. Lysstofrør blev hurtigt udbredt. Men en udledning i natriumdamp i lang tid kunne ikke opnås på grund af det lave partielle natriumtryk ved lave temperaturer.

Efter en række teknologiske tricks er forskellen at skabe natriumlamper, der fungerer ved lavt tryk. Men de blev ikke brugt meget på grund af det komplekse design. En mere heldig skæbne højtryksnatriumlamper (NLVD). De første forsøg på at oprette lamper i et kvartsglasskall endte med fejl. Ved høje temperaturer stiger den kemiske aktivitet af natrium. Mobiliteten af ​​dens atomer (diffusion) vokser også. Derfor, i kvartsbrændere, trængte natrium hurtigt gennem kvarts og ødelagde brænderskallen.

Situationen blev målt når i de tidlige 60'ere patenterede General Electric et nyt keramisk materiale, der kan arbejde i natriumdamp ved høje temperaturer. Han modtog mærkenavnet “Lukalos”. Vi har denne keramik kendt som "Polycor". Keramik fremstilles ved høje temperatur sintring af aluminiumoxidpulver.

Alumina har mere end 10 modifikationer af krystalgitteret, afhængigt af betingelserne for oxidationsreaktionen. Til belysningsformål er kun en modifikation velegnet - alfaformen af ​​oxidet, der har den mest tætte pakning af atomer i krystallen. Sintringsprocessen eller rettere sagt "voksende" af keramik er meget lunefuld. Foruden kemisk resistens over for natriumdamp bør keramik faktisk have stor gennemsigtighed. Hvad er poenget med at fremstille en lampe, hvis det meste af lyset går tabt i væggene i udledningsrøret (brænder)?

Den keramiske brænder af natriumlamper er det vigtigste kendetegn ved andre gasudladning lyskilder. Keramik, der arbejder ved temperaturer over 1000 grader, kan beholde natrium i titusinder af timer. Men dette betyder ikke, at natrium slet ikke er i stand til at trænge udad i volumen af ​​den ydre kolbe.

En tæt krystalgitter hindrer virkelig spredningen af ​​atomer gennem keramik. Men de krystallinske blokke af aluminiumoxid er "bundet" til hinanden ved amorf, glaslignende fase-keramik. Det består af additiver, der begrænser væksten af ​​polycorkrystaller og urenheder, der er uundgåelige i ethvert materiale. Permeabilitet langs grænserne af krystaller er meget højere end gennem en krystalgitter. Derfor bestemmes levetiden for natriumlamper nøjagtigt af tabet af natrium gennem interkrystallinsk materiale.

Til natriumlamper bruges og enkeltkrystaller af aluminiumoxid - "monocor", bedre kendt som safir.Udledningsrør lavet af et sådant materiale har en meget høj transmission, høj modstand mod natriumdiffusion, men anisotrope (forskellige retninger) mekaniske egenskaber gør det vanskeligt at forsegle brændere med højtemperaturcement. Derudover er de mærkbart dyrere end polykrystallinske brændere.

Brænderen til natriumlampe har kun to elektroder, hvorpå der udsættes en emissionsbelægning for at lette lampens første antændelse. En inert gas (sædvanligvis xenon ved et tryk på ca. 20 mm Hg) og en amalgam (legering) kviksølv med natrium doseres i brænderen i form af en kugle med strengt fast sammensætning og størrelse.

Lampens levetid er direkte relateret til brænderens levetid. Og det på sin side bestemmes af bestanden af ​​natrium og emissionskompositionen ved elektroderne. Over tid lækker natrium gennem keramikken, hvilket fører til en stigning i spændingen på brænderen, hvilket får lampen til at dø ud umiddelbart efter at den er gået i tilstanden.

Efter afkøling blinker lampen igen for at slukke igen. Hyppig drift (korte on-off cykler) fører til accelereret forbrug af emitteren - emissionskomposition på elektroderne og lampen svigter.

Brænderen monteres i en ekstern kolbe lavet af ildfast glas på tværs (understøtter). Efter evakuering og aflodning fastgøres basen til kolben (normalt E27 eller E40). Volumenet af den ydre kolbe evakueres. For at få et højere vakuum sprøjtes en getterkomposition - getter - derudover.

Vakuumisolering af brænderne er nødvendig for at beskytte de ildfaste metaller i brænderstrukturen (niobium, molybdæn) mod oxidation. Men hovedopgaven er at eliminere varmetabet ved konvektion. Når alt kommer til alt bliver keramik, der arbejder ved temperaturer over 1000 grader, en kraftig kilde til termisk energi. Ved dårlig varmeisolering falder lampeeffektiviteten, pæren og lampeunderlaget overophedes.

En bred vifte af natriumlamper fra 35 til 1000 watt er nu tilgængelig. Tre hovedgrupper af natriumlamper kan skelnes ud fra formen af ​​den udvendige pære og anvendelsesegenskaber: DNaT med en rørformet pære, DNaS med en elliptisk frostet skal og DNaZ med en spejlreflekterende belægning.

Om ansøgning højtryksnatriumlamper det er ikke særlig værd at nævne: det er gadebelysning af bebyggelser, travle motorveje og fremhævning af arkitektoniske ensembler.

Lamper DNaS udviklet som en erstatning for lysrør med lysbue-kvikksølv (DRL). Ud over kolbeens elliptiske form har de de særegenheder ved fyldning af brænderne: i stedet for ren xenon doseres en blanding af ædelgasser (Penning-blanding) for at lette antændelse. Sådanne lamper drives uden en tændingsindretning, der genererer højspændingsimpulser. Andre typer natriumlamper har brug for en lignende enhed.

Lamper DNAZ fundet anvendelse i industrielle drivhuse til at fremskynde plantens fotosyntese. Andelen af ​​disse lamper i det samlede antal kilder, der bruger natriumstråling, er relativt lille, og de kan tilskrives specielle lamper.

Med meget høj effektivitet og god farvegengivelse kunne natriumlamper med lav effekt (35 og 50 W) godt finde anvendelse i hverdagen. Tilsætningsstoffer til brænderen af ​​sjældne jordartsmetaller gør det muligt at få et strålingsspektrum, der næsten ikke kan skelnes fra sollys.

Men Achilles-hælen på lamperne er ikke et kompliceret strømforbrug - moderne elektronik kan let klare et lignende problem. Tidspunktet for acceleration og udgang til driftstilstand er en hindring, der ophæver alle fordelene ved natriumlamper i hverdagen. Laveffektlamper går over 4-6 minutter, og parametrene stabiliseres fuldt ud inden for 20-25 minutter. For at komme til udtryk med sådanne ulemper ved belysning af værelser, er der sjældent nogen, der er enige om det.

Indtil videre er der praktisk talt ingen andre alternative lyskilder til udendørs belysning.Natriumlamper optager denne niche i lang tid, nedladende set på forsøg moderne “upstarts” såsom LED-lys tryk dem ud.