Lámparas de sodio: predominio del elemento químico domesticado

El artículo analiza el diseño y la aplicación de lámparas de sodio de alta presión.

Hoy es difícil para los astrónomos. No importa en qué parte del cielo estén orientados por telescopios, las líneas de sodio y mercurio siempre estarán presentes en las fotografías de los espectros de las estrellas. Tales espectros no prueban en absoluto que las estrellas sean ricas en estos elementos químicos. La razón es puramente terrenal: la iluminación externa de ciudades y autopistas con la ayuda de lámparas de descarga de alta intensidad crea una iluminación tan fuerte de la atmósfera que los instrumentos astronómicos sensibles capturan la luz de las "estrellas" hechas por el hombre.

La mayor contribución al alumbrado público y el principal obstáculo para las observaciones astronómicas son hoy lámparas de sodio a alta presión. Sobre ellos y será discutido en este material.

En primer lugar, ¿por qué exactamente alta presión? El hecho es que las lámparas de tubo de descarga con baja presión de mercurio aparecieron en el período anterior a la guerra. Las lámparas fluorescentes se generalizaron rápidamente. Pero no se pudo obtener una descarga en vapor de sodio durante mucho tiempo debido a la baja presión parcial de sodio a bajas temperaturas.

Después de varios trucos tecnológicos, es posible crear lámparas de sodio que funcionan a baja presión. Pero no fueron ampliamente utilizados debido al complejo diseño. Un destino más afortunado lámparas de sodio de alta presión (NLVD). Los intentos iniciales de crear lámparas en una carcasa de vidrio de cuarzo terminaron en fracaso. A altas temperaturas, aumenta la actividad química del sodio. La movilidad de sus átomos (difusión) también está creciendo. Por lo tanto, en los quemadores de cuarzo, el sodio penetró rápidamente a través del cuarzo, destruyendo la carcasa del quemador.

La situación se midió cuando a principios de los años 60, General Electric patentó un nuevo material cerámico que puede funcionar en vapor de sodio a altas temperaturas. Recibió la marca "Lukalos". Tenemos esta cerámica conocida como Polycor. Las cerámicas se fabrican por sinterización a alta temperatura de polvo de alúmina.

La alúmina tiene más de 10 modificaciones de la red cristalina, dependiendo de las condiciones de la reacción de oxidación. Para fines de iluminación, solo una modificación es adecuada: la forma alfa del óxido, que tiene la acumulación más densa de átomos en el cristal. El proceso de sinterización, o más bien el "crecimiento" de la cerámica es muy cambiante. De hecho, además de la resistencia química al vapor de sodio, la cerámica debe tener una alta transparencia. ¿Cuál es el punto de hacer una lámpara si la mayor parte de la luz se pierde en las paredes del tubo de descarga (quemador)?

El quemador cerámico de las lámparas de sodio es la principal característica distintiva de otras fuentes de luz de descarga de gas. Las cerámicas que operan a temperaturas de más de 1000 grados pueden retener sodio durante decenas de miles de horas. Pero esto no significa que el sodio no pueda penetrar en el volumen del matraz externo.

Una red cristalina densa realmente impide la difusión de los átomos a través de la cerámica. Pero los bloques cristalinos de óxido de aluminio están "unidos" entre sí mediante cerámicas de interfase amorfas, similares al vidrio. Consiste en aditivos que limitan el crecimiento de cristales de policor e impurezas que son inevitables en cualquier material. La permeabilidad en los límites de los cristales es mucho mayor que a través de una red cristalina. Por lo tanto, la vida útil de las lámparas de sodio está determinada precisamente por la pérdida de sodio a través del material intercristalino.

Para las lámparas de sodio se utilizan lámparas y cristales individuales de óxido de aluminio - "monocor", mejor conocido como zafiro.Los tubos de descarga hechos de dicho material tienen una transmitancia muy alta, alta resistencia a la difusión de sodio, pero las propiedades mecánicas anisotrópicas (diferentes direcciones) dificultan el sellado de los quemadores con cementos de alta temperatura. Además, son notablemente más caros que los quemadores policristalinos.

El quemador de la lámpara de sodio tiene solo dos electrodos en los que se aplica un revestimiento de emisión para facilitar el encendido inicial de la lámpara. Un gas inerte (generalmente xenón a una presión de aproximadamente 20 mm Hg) y una amalgama (aleación) de mercurio con sodio se dosifican en el quemador, en forma de una bola de composición y tamaño estrictamente fijos.

La vida útil de la lámpara está directamente relacionada con la vida del quemador. Y eso, a su vez, está determinado por el stock de sodio y la composición de emisión en los electrodos. Con el tiempo, el sodio se escapa a través de la cerámica, lo que conduce a un aumento en el voltaje del quemador, lo que hace que la lámpara se apague inmediatamente después de ingresar al modo.

Después de enfriarse, la lámpara parpadea nuevamente para apagarse nuevamente. La operación frecuente (ciclos cortos de encendido y apagado) conduce a un consumo acelerado de la composición del emisor - emisión en los electrodos y la lámpara falla.

El quemador está montado en un matraz externo de vidrio refractario en los travesaños (soportes). Después de la evacuación y desoldadura, la base se une al matraz (generalmente E27 o E40). El volumen del matraz exterior se evacua. Para obtener un mayor vacío, se rocía adicionalmente una composición de captador (captador).

El aislamiento al vacío del quemador es necesario para proteger los metales refractarios de la estructura del quemador (niobio, molibdeno) de la oxidación. Pero la tarea principal es eliminar la pérdida de calor por convección. Después de todo, la cerámica que funciona a temperaturas superiores a 1000 grados se convierte en una poderosa fuente de energía térmica. Con un aislamiento térmico deficiente, la eficiencia de la lámpara disminuye, el foco y la base de la lámpara se sobrecalientan.

Ahora está disponible una amplia gama de lámparas de sodio de 35 a 1000 vatios. Se pueden distinguir tres grupos principales de lámparas de sodio según la forma de la bombilla externa y las características de la aplicación: DNaT con una bombilla tubular, DNaS con una carcasa esmerilada elíptica y DNaZ con un recubrimiento reflectante de espejo.

Acerca de la aplicación lámparas de sodio de alta presión No merece una mención especial: es el alumbrado público de los asentamientos, las carreteras transitadas y el resaltado de conjuntos arquitectónicos.

Lámparas DNaS desarrollado como reemplazo de las lámparas fluorescentes de mercurio de arco (DRL). Además de la forma elíptica del matraz, tienen las peculiaridades de llenar los quemadores: en lugar de xenón puro, se dosifica una mezcla de gases nobles (mezcla de Penning) para facilitar la ignición. Dichas lámparas funcionan sin un dispositivo de encendido que genera pulsos de alto voltaje. Otros tipos de lámparas de sodio necesitan un dispositivo similar.

Lámparas DNAZ Se encontró aplicación en invernaderos industriales para acelerar la fotosíntesis de las plantas. La proporción de estas lámparas en el número total de fuentes que usan radiación de sodio es relativamente pequeña, y pueden atribuirse a lámparas especiales.

Con una eficiencia muy alta y una buena reproducción del color, las lámparas de sodio de baja potencia (35 y 50 W) podrían encontrar aplicación en la vida cotidiana. Los aditivos para el quemador de metales de tierras raras permiten obtener un espectro de radiación que es casi indistinguible de la luz solar.

Pero el talón de Aquiles de las lámparas no es un esquema de potencia complicado: la electrónica moderna puede hacer frente fácilmente a un problema similar. El tiempo de aceleración y salida al modo de funcionamiento es un obstáculo que niega todas las ventajas de las lámparas de sodio en la vida cotidiana. Las lámparas de baja potencia duran entre 4 y 6 minutos, y los parámetros se estabilizan completamente en 20-25 minutos. Para aceptar tales inconvenientes en la iluminación de las habitaciones, rara vez alguien estará de acuerdo.

Hasta la fecha, prácticamente no hay otras fuentes de luz alternativas para la iluminación exterior.Las lámparas de sodio ocuparán este nicho durante mucho tiempo, mirando condescendientemente los intentos "advenedizos" modernos como luces LED presionarlos.