Λαμπτήρες νατρίου: κυριαρχία του εξημερωμένου χημικού στοιχείου

Το άρθρο ασχολείται με το σχεδιασμό και την εφαρμογή λαμπτήρων νατρίου υψηλής πίεσης.

Είναι δύσκολο σήμερα για τους αστρονόμους. Οπουδήποτε στον ουρανό προσανατολίζονται με τηλεσκόπια, οι γραμμές του νατρίου και του υδραργύρου θα είναι πάντα παρούσες σε φωτογραφίες των φασμάτων των αστεριών. Τέτοια φάσματα δεν αποδεικνύουν καθόλου ότι τα αστέρια είναι πλούσια σε αυτά τα χημικά στοιχεία. Ο λόγος είναι καθαρά γήινος: ο εξωτερικός φωτισμός των πόλεων και των αυτοκινητοδρόμων με τη βοήθεια λαμπτήρων εκκένωσης υψηλής έντασης δημιουργεί έναν τόσο έντονο φωτισμό της ατμόσφαιρας ότι τα ευαίσθητα αστρονομικά όργανα συλλαμβάνουν το φως των ανθρωπογενών «αστεριών».

Η μεγαλύτερη συμβολή στον φωτισμό του δρόμου και το κύριο εμπόδιο στις αστρονομικές παρατηρήσεις είναι σήμερα λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης. Σχετικά με αυτά και θα συζητηθούν σε αυτό το υλικό.

Πρώτα απ 'όλα, γιατί ακριβώς υψηλή πίεση; Το γεγονός είναι ότι οι λαμπτήρες σωλήνων εκκένωσης με χαμηλή πίεση υδραργύρου εμφανίστηκαν στην προπολεμική περίοδο. Οι λαμπτήρες φθορισμού έγιναν γρήγορα διαδεδομένοι. Ωστόσο, δεν ήταν δυνατή η απόρριψη ατμών νατρίου για μεγάλο χρονικό διάστημα λόγω της χαμηλής μερικής πίεσης του νατρίου σε χαμηλές θερμοκρασίες.

Μετά από μια σειρά τεχνολογικών κόλπα, η διάκριση είναι να δημιουργηθούν λαμπτήρες νατρίου που λειτουργούν σε χαμηλή πίεση. Αλλά δεν χρησιμοποιούνταν ευρέως λόγω του πολύπλοκου σχεδιασμού. Μια πιο τυχερή μοίρα λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης (NLVD). Οι αρχικές προσπάθειες δημιουργίας λαμπτήρων σε γυάλινο κέλυφος από χαλαζία έληξαν σε αποτυχία. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η χημική δραστηριότητα του νατρίου αυξάνεται. Η κινητικότητα των ατόμων (διάχυση) αυξάνεται επίσης. Ως εκ τούτου, σε καυστήρες χαλαζία, το νάτριο διεισδύσει γρήγορα μέσω χαλαζία, καταστρέφοντας το κέλυφος του καυστήρα.

Η κατάσταση μετρήθηκε πότε στις αρχές της δεκαετίας του '60, η General Electric κατοχυρώθηκε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας ένα νέο κεραμικό υλικό που μπορεί να λειτουργήσει σε ατμούς νατρίου σε υψηλές θερμοκρασίες. Έλαβε το εμπορικό σήμα "Λουκάλος". Έχουμε αυτά τα κεραμικά γνωστά ως Polycor. Τα κεραμικά κατασκευάζονται με θερμοσυσσωμάτωση υψηλής θερμοκρασίας σκόνης αλουμίνας.

Η αλουμίνα έχει περισσότερες από 10 τροποποιήσεις του κρυσταλλικού πλέγματος, ανάλογα με τις συνθήκες της αντίδρασης οξείδωσης. Για λόγους φωτισμού, είναι κατάλληλη μόνο μία τροποποίηση - η μορφή άλφα του οξειδίου, που έχει την πιο πυκνή συσκευασία ατόμων στον κρύσταλλο. Η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης, ή μάλλον η «ανάπτυξη» των κεραμικών είναι πολύ κακή. Πράγματι, πέραν της χημικής αντοχής σε ατμούς νατρίου, τα κεραμικά θα πρέπει να έχουν υψηλή διαφάνεια. Ποιο είναι το σημείο κατασκευής μιας λυχνίας αν το μεγαλύτερο μέρος του φωτός χάνεται στα τοιχώματα του σωλήνα εκκένωσης (καυστήρας);

Ο κεραμικός καυστήρας λαμπτήρων νατρίου είναι το κύριο χαρακτηριστικό γνώρισμα από άλλες φωτεινές πηγές εκκένωσης αερίου. Κεραμικά που λειτουργούν σε θερμοκρασίες άνω των 1000 μοιρών, μπορούν να διατηρήσουν το νάτριο για δεκάδες χιλιάδες ώρες. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι το νάτριο δεν είναι καθόλου ικανό να διεισδύσει προς τα έξω στον όγκο της εξωτερικής φιάλης.

Ένα πυκνό κρυσταλλικό πλέγμα εμποδίζει πραγματικά τη διάχυση των ατόμων μέσω κεραμικών. Αλλά τα κρυσταλλικά τεμάχια του οξειδίου του αργιλίου "συνδέονται" το ένα με το άλλο με άμορφο, γυάλινο ενδιάμεσο κεραμικό. Αποτελείται από πρόσθετα που περιορίζουν την ανάπτυξη των κρυστάλλων polycor και των ακαθαρσιών που είναι αναπόφευκτες σε οποιοδήποτε υλικό. Η διαπερατότητα στα κρυστάλλινα όρια είναι πολύ μεγαλύτερη από ότι μέσα από ένα κρυσταλλικό πλέγμα. Ως εκ τούτου, η ζωή λαμπτήρων νατρίου προσδιορίζεται ακριβώς από την απώλεια νατρίου μέσω διακρυσταλλικού υλικού.

Για λαμπτήρες νατρίου και μονοκρυστάλλους οξειδίου του αργιλίου - "monocor", γνωστότερο ως ζαφείρι.Οι σωλήνες εκκένωσης που έχουν κατασκευαστεί από ένα τέτοιο υλικό έχουν πολύ υψηλή διαπερατότητα, υψηλή αντοχή στη διάχυση νατρίου, αλλά ανισότροπες (διαφορετικές κατευθύνσεις) μηχανικές ιδιότητες καθιστούν δύσκολη τη σφράγιση των καυστήρων με τσιμέντα υψηλής θερμοκρασίας. Επιπλέον, είναι αισθητά πιο ακριβά από τους πολυκρυσταλλικούς καυστήρες.

Ο καυστήρας λαμπτήρα νατρίου διαθέτει μόνο δύο ηλεκτρόδια στα οποία εφαρμόζεται μια επίστρωση εκπομπής για τη διευκόλυνση της αρχικής ανάφλεξης της λάμπας. Ένα αδρανές αέριο (συνήθως ξένον σε πίεση περίπου 20 mm Hg) και ένα αμάλγαμα (κράμα) υδραργύρου με νάτριο δοσολογούνται στον καυστήρα, με τη μορφή μίας σφαίρας αυστηρά καθορισμένης σύνθεσης και μεγέθους.

Η διάρκεια ζωής του λαμπτήρα σχετίζεται άμεσα με τη διάρκεια ζωής του καυστήρα. Και αυτό, με τη σειρά του, καθορίζεται από το απόθεμα νατρίου και τη σύνθεση εκπομπής στα ηλεκτρόδια. Με την πάροδο του χρόνου, το νάτριο διαρρέει μέσω των κεραμικών, πράγμα που οδηγεί σε αύξηση της τάσης στον καυστήρα, γεγονός που προκαλεί την απώλεια της λάμπας αμέσως μετά την είσοδο στη λειτουργία.

Μετά την ψύξη, η λυχνία αναβοσβήνει ξανά για να βγει ξανά. Η συχνή λειτουργία (κύκλοι βραδείας απενεργοποίησης) οδηγεί σε επιταχυνόμενη κατανάλωση της εκπεμπόμενης εκπομπής στα ηλεκτρόδια και η λάμπα αποτυγχάνει.

Ο καυστήρας είναι τοποθετημένος σε μια εξωτερική φιάλη από πυρίμαχο γυαλί πάνω στους διαδρόμους (υποστηρίγματα). Μετά την εκκένωση και την αποσύνδεση, η βάση προσαρτάται στη φιάλη (συνήθως E27 ή E40). Ο όγκος της εξωτερικής φιάλης εκκενώνεται. Για να επιτευχθεί υψηλότερο κενό, ψεκάζεται επιπρόσθετα σε αυτό και η σύνθεση getter - getter.

Η μόνωση κενού των καυστήρων είναι απαραίτητη για την προστασία των πυρίμαχων μετάλλων της δομής του καυστήρα (νιόβιο, μολυβδαίνιο) από την οξείδωση. Αλλά ο κύριος στόχος είναι να εξαλειφθεί η απώλεια θερμότητας από τη μεταφορά. Μετά από όλα, τα κεραμικά που λειτουργούν σε θερμοκρασίες πάνω από 1000 βαθμούς γίνονται μια ισχυρή πηγή θερμικής ενέργειας. Με την κακή θερμομόνωση, η απόδοση της λάμπας μειώνεται, η λάμπα και η λάμπα υπερθερμαίνονται.

Ένα ευρύ φάσμα λαμπτήρων νατρίου από 35 έως 1000 watt είναι τώρα διαθέσιμο. Τρεις κύριες ομάδες λαμπτήρων νατρίου μπορούν να διακριθούν ανάλογα με το σχήμα του εξωτερικού βολβού και τα χαρακτηριστικά εφαρμογής: DNaT με σωληνοειδή λαμπτήρα, DNaS με ελλειπτικό παγωμένο κέλυφος και DNaZ με αντανακλαστική επίστρωση καθρέφτη.

Σχετικά με την εφαρμογή λαμπτήρες νατρίου υψηλής πίεσης δεν αξίζει ιδιαίτερη μνεία: είναι ο φωτισμός δρόμων των οικισμών, οι πολυσύχναστοι αυτοκινητόδρομοι και η ανάδειξη αρχιτεκτονικών συνόλων.

Λαμπτήρες DNaS αναπτύχθηκε ως αντικατάσταση των λαμπτήρων φθορισμού τόξου υδραργύρου (DRL). Εκτός από το ελλειπτικό σχήμα της φιάλης, έχουν τις ιδιαιτερότητες της πλήρωσης των καυστήρων: αντί για το καθαρό ξένο, δοσολογείται ένα μίγμα ευγενών αερίων (μίγμα Penning) για να διευκολύνεται η ανάφλεξη. Τέτοιοι λαμπτήρες λειτουργούν χωρίς συσκευή ανάφλεξης που παράγει παλμούς υψηλής τάσης. Άλλοι τύποι λαμπτήρων νατρίου χρειάζονται μια παρόμοια συσκευή.

Λαμπτήρες DNAZ βρήκε εφαρμογή σε βιομηχανικές βιομηχανίες θερμοκηπίων για να επιταχύνει τη φωτοσύνθεση των φυτών. Το μερίδιο αυτών των λαμπτήρων στο συνολικό αριθμό πηγών που χρησιμοποιούν ακτινοβολία νατρίου είναι σχετικά μικρό και μπορεί να αποδοθεί σε ειδικούς λαμπτήρες.

Με πολύ υψηλή απόδοση και καλή αναπαραγωγή χρωμάτων, λαμπτήρες νατρίου χαμηλής ισχύος (35 και 50 W) θα μπορούσαν να βρουν εφαρμογή στην καθημερινή ζωή. Τα πρόσθετα στον καυστήρα των μέταλλα σπάνιων γαιών καθιστούν δυνατή την απόκτηση φάσματος ακτινοβολίας που είναι σχεδόν αδιαίρετη από το ηλιακό φως.

Αλλά η Αχίλλειος πτέρνα των λαμπτήρων δεν είναι ένα πολύπλοκο σχέδιο ισχύος - τα σύγχρονα ηλεκτρονικά μπορούν εύκολα να αντιμετωπίσουν ένα παρόμοιο πρόβλημα. Ο χρόνος επιτάχυνσης και εξόδου στον τρόπο λειτουργίας αποτελεί εμπόδιο που αρνείται όλα τα πλεονεκτήματα των λαμπτήρων νατρίου στην καθημερινή ζωή. Οι λαμπτήρες χαμηλής κατανάλωσης φτάνουν σε 4-6 λεπτά και οι παράμετροι σταθεροποιούνται πλήρως μέσα σε 20-25 λεπτά. Για να ανταποκριθεί σε τέτοιες δυσκολίες στον φωτισμό των δωματίων, σπάνια θα συμφωνήσει κανείς.

Μέχρι σήμερα δεν υπάρχουν άλλες εναλλακτικές πηγές φωτισμού για εξωτερικό φωτισμό.Οι λαμπτήρες νατρίου θα καταλάβουν αυτή τη θέση για μεγάλο χρονικό διάστημα, κοιτάζοντας με σθένος τις προσπάθειες σύγχρονα "ανοίγματα" όπως τα φώτα LED πιέστε τα έξω.