Natriumdampflampen: Dominanz des gezähmten chemischen Elements

Der Artikel beschreibt das Design und die Anwendung von Natriumdampf-Hochdrucklampen.

Für Astronomen ist es heute schwierig. Egal wo am Himmel sie von Teleskopen ausgerichtet sind, die Linien von Natrium und Quecksilber werden immer in Fotografien der Spektren von Sternen vorhanden sein. Solche Spektren beweisen überhaupt nicht, dass Sterne reich an diesen chemischen Elementen sind. Der Grund ist rein irdisch: Die Außenbeleuchtung von Städten und Autobahnen mit Hilfe hochintensiver Entladungslampen erzeugt eine so starke Beleuchtung der Atmosphäre, dass empfindliche astronomische Instrumente das Licht künstlicher „Sterne“ einfangen.

Der größte Beitrag zur Straßenbeleuchtung und das Haupthindernis für astronomische Beobachtungen sind heute Natriumhochdrucklampen. Über sie und wird in diesem Material diskutiert.

Zuallererst, warum genau hoher Druck? Tatsache ist, dass in der Vorkriegszeit Entladungsröhrenlampen mit niedrigem Quecksilberdruck auftraten. Leuchtstofflampen verbreiteten sich schnell. Eine Entladung in Natriumdampf über einen langen Zeitraum konnte jedoch aufgrund des niedrigen Partialdrucks von Natrium bei niedrigen Temperaturen nicht erzielt werden.

Nach einer Reihe von technologischen Tricks besteht die Unterscheidung darin, Natriumlampen zu erzeugen, die bei niedrigem Druck arbeiten. Aufgrund des komplexen Designs waren sie jedoch nicht weit verbreitet. Ein glücklicheres Schicksal Natriumhochdrucklampen (NLVD). Erste Versuche, Lampen in einer Quarzglasschale herzustellen, scheiterten. Bei hohen Temperaturen nimmt die chemische Aktivität von Natrium zu. Die Mobilität seiner Atome (Diffusion) nimmt ebenfalls zu. Daher drang in Quarzbrennern Natrium schnell durch Quarz ein und zerstörte die Brennerhülle.

Die Situation wurde gemessen, als Anfang der 60er Jahre patentierte General Electric ein neues Keramikmaterial, das bei hohen Temperaturen in Natriumdampf arbeiten kann. Er erhielt den Markennamen „Lukalos“. Wir haben diese Keramik bekannt als Polycor. Keramiken werden durch Hochtemperatursintern von Aluminiumoxidpulver hergestellt.

Aluminiumoxid weist abhängig von den Bedingungen der Oxidationsreaktion mehr als 10 Modifikationen des Kristallgitters auf. Für Beleuchtungszwecke ist nur eine Modifikation geeignet - die Alpha-Form des Oxids, das die dichteste Packung von Atomen im Kristall aufweist. Der Sinterprozess oder vielmehr das „Wachsen“ von Keramik ist sehr launisch. Zusätzlich zur chemischen Beständigkeit gegenüber Natriumdampf sollte Keramik eine hohe Transparenz aufweisen. Was bringt es, eine Lampe herzustellen, wenn das meiste Licht in den Wänden der Entladungsröhre (Brenner) verloren geht?

Der Keramikbrenner von Natriumdampflampen ist das Hauptunterscheidungsmerkmal von anderen Gasentladungslichtquellen. Keramiken, die bei Temperaturen von mehr als 1000 Grad betrieben werden, können Natrium für Zehntausende von Stunden zurückhalten. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Natrium überhaupt nicht in das Volumen des Außenkolbens eindringen kann.

Ein dichtes Kristallgitter behindert die Diffusion von Atomen durch Keramik. Die kristallinen Aluminiumoxidblöcke sind jedoch durch amorphe, glasartige Interphasenkeramiken miteinander „verbunden“. Es besteht aus Additiven, die das Wachstum von Polycorkristallen und Verunreinigungen begrenzen, die in jedem Material unvermeidbar sind. Die Permeabilität entlang der Grenzen von Kristallen ist viel höher als durch ein Kristallgitter. Daher wird die Lebensdauer von Natriumlampen genau durch den Natriumverlust durch interkristallines Material bestimmt.

Für Natriumlampen werden Einkristalle aus Aluminiumoxid verwendet - "Monocor", besser bekannt als Saphir.Entladungsrohre aus einem solchen Material haben eine sehr hohe Durchlässigkeit, einen hohen Widerstand gegen Natriumdiffusion, aber anisotrope (unterschiedliche Richtungen) mechanische Eigenschaften machen es schwierig, Brenner mit Hochtemperaturzementen abzudichten. Darüber hinaus sind sie deutlich teurer als polykristalline Brenner.

Der Natriumlampenbrenner hat nur zwei Elektroden, auf die eine Emissionsbeschichtung aufgebracht ist, um das anfängliche Zünden der Lampe zu erleichtern. Ein Inertgas (üblicherweise Xenon bei einem Druck von etwa 20 mm Hg) und ein Amalgam (Legierung) von Quecksilber mit Natrium werden in Form einer Kugel mit streng fester Zusammensetzung und Größe in den Brenner dosiert.

Die Lebensdauer der Lampe steht in direktem Zusammenhang mit der Lebensdauer des Brenners. Und das wird wiederum durch den Natriumvorrat und die Emissionszusammensetzung an den Elektroden bestimmt. Im Laufe der Zeit tritt Natrium durch die Keramik aus, was zu einem Anstieg der Spannung am Brenner führt, wodurch die Lampe unmittelbar nach dem Eintritt in den Modus erlischt.

Nach dem Abkühlen blinkt die Lampe erneut und erlischt wieder. Häufiger Betrieb (kurze Ein-Aus-Zyklen) führt zu einem beschleunigten Verbrauch der Emitter-Emissions-Zusammensetzung an den Elektroden und die Lampe fällt aus.

Der Brenner ist in einem Außenkolben aus feuerfestem Glas an den Traversen (Stützen) montiert. Nach dem Evakuieren und Entlöten wird der Boden am Kolben befestigt (normalerweise E27 oder E40). Das Volumen des Außenkolbens wird evakuiert. Um ein höheres Vakuum zu erhalten, wird zusätzlich eine Getterzusammensetzung - Getter - hineingesprüht.

Eine Vakuumisolierung des Brenners ist erforderlich, um die feuerfesten Metalle der Brennerstruktur (Niob, Molybdän) vor Oxidation zu schützen. Die Hauptaufgabe besteht jedoch darin, den Wärmeverlust durch Konvektion zu beseitigen. Keramik, die bei Temperaturen über 1000 Grad arbeitet, wird schließlich zu einer starken Wärmeenergiequelle. Bei schlechter Wärmedämmung nimmt der Lampenwirkungsgrad ab, die Glühlampe und der Lampensockel überhitzen sich.

Eine breite Palette von Natriumdampflampen von 35 bis 1000 Watt ist jetzt verfügbar. Drei Hauptgruppen von Natriumdampflampen können je nach Form der Außenlampe und Anwendungsmerkmalen unterschieden werden: DNaT mit einer Röhrenlampe, DNaS mit einer elliptisch gefrosteten Hülle und DNaZ mit einer spiegelreflektierenden Beschichtung.

Über die Anwendung Natriumhochdrucklampen Es ist keine besondere Erwähnung wert: Es ist die Straßenbeleuchtung von Siedlungen, stark befahrenen Autobahnen und die Hervorhebung von Architekturensembles.

Lampen DNaS entwickelt als Ersatz für Lichtbogen-Quecksilber-Leuchtstofflampen (DRL). Zusätzlich zur elliptischen Form des Kolbens haben sie die Besonderheiten, die Brenner zu füllen: Anstelle von reinem Xenon wird eine Mischung von Edelgasen (Penning-Mischung) dosiert, um die Zündung zu erleichtern. Solche Lampen werden ohne eine Zündvorrichtung betrieben, die Hochspannungsimpulse erzeugt. Andere Arten von Natriumdampflampen benötigen ein ähnliches Gerät.

Lampen DNAZ fanden Anwendung in industriellen Gewächshausfarmen, um die Photosynthese von Pflanzen zu beschleunigen. Der Anteil dieser Lampen an der Gesamtzahl der Quellen, die Natriumstrahlung verwenden, ist relativ gering und kann speziellen Lampen zugeschrieben werden.

Mit sehr hoher Effizienz und guter Farbwiedergabe könnten Natriumdampflampen mit geringer Leistung (35 und 50 W) im Alltag Anwendung finden. Zusätze zum Brenner von Seltenerdmetallen ermöglichen es, ein Strahlungsspektrum zu erhalten, das vom Sonnenlicht kaum zu unterscheiden ist.

Die Achillesferse der Lampen ist jedoch kein kompliziertes Stromversorgungsschema - moderne Elektronik kann ein ähnliches Problem leicht bewältigen. Die Zeit des Beschleunigens und des Austritts in die Betriebsart ist ein Hindernis, das alle Vorteile von Natriumdampflampen im Alltag zunichte macht. Lampen mit geringem Stromverbrauch dauern 4 bis 6 Minuten, und die Parameter sind innerhalb von 20 bis 25 Minuten vollständig stabilisiert. Um mit solchen Unannehmlichkeiten bei der Beleuchtung von Räumen fertig zu werden, wird selten jemand zustimmen.

Bisher gibt es praktisch keine anderen alternativen Lichtquellen für die Außenbeleuchtung.Natriumdampflampen werden diese Nische für eine lange Zeit besetzen und Versuche herablassend betrachten moderne „Upstarts“ wie LED-Leuchten drück sie raus.