Natriumlamput: kesytetyn kemiallisen elementin dominointi

Artikkelissa käsitellään korkeapaineisten natriumlamppujen suunnittelua ja käyttöä.

Se on tänään vaikea tähtitieteilijöille. Riippumatta siitä, mihin taivaaseen ne on suunnattu teleskooppien avulla, natrium- ja elohopeaviivat ovat aina läsnä valokuvissa tähtien spektristä. Tällaiset spektrit eivät lainkaan todista, että tähdet ovat rikkaita näillä kemiallisilla elementeillä. Syy on puhtaasti maallinen: kaupunkien ja moottoriteiden ulkoinen valaistus korkean intensiteetin purkauslamppujen avulla luo ilmapiirin niin voimakkaan valaistuksen, että herkät tähtitieteelliset instrumentit kaappaavat ihmisen luomien “tähtijen” valon.

Suurin vaikutus katuvalaistukseen ja suurin este tähtitieteellisille havainnoille ovat tänään korkeapaineiset natriumlamput. Niistä ja niistä keskustellaan tässä materiaalissa.

Ensinnäkin, miksi juuri korkea paine? Tosiasia on, että purkausputkilamput, joilla oli alhainen elohopeapaine, ilmestyivät sotaa edeltävänä aikana. Loistelamput levisivät nopeasti. Natriumhöyryn purkausta pitkään ei kuitenkaan voitu saada aikaan natriumin alhaisen osapaineen vuoksi alhaisissa lämpötiloissa.

Useiden teknisten temppujen jälkeen erona on luoda natriumlamput, jotka toimivat alhaisessa paineessa. Mutta niitä ei käytetty laajasti monimutkaisen suunnittelun takia. Onnekas kohtalo korkeapaineiset natriumlamput (NLVD). Alkuperäiset yritykset luoda lamppuja kvartsilasikuoreen päättyivät epäonnistumiseen. Korkeissa lämpötiloissa natriumin kemiallinen aktiivisuus kasvaa. Myös sen atomien liikkuvuus (diffuusio) kasvaa. Siksi kvartsipolttimissa natrium tunkeutui nopeasti kvartsin läpi tuhoamalla polttimen vaipan.

Tilanne mitattiin, kun 60-luvun alkupuolella General Electric patentoi uuden keraamisen materiaalin, joka voi toimia natriumhöyryssä korkeissa lämpötiloissa. Hän sai tuotenimen “Lukalos”. Meillä on tämä keramiikka, joka tunnetaan nimellä "Polycor". Keramiikat valmistetaan alumiinioksidijauheen sintraamisella korkeassa lämpötilassa.

Alumiinioksidilla on yli 10 kidehilan modifikaatiota hapetusreaktion olosuhteista riippuen. Valaistustarkoituksiin soveltuu vain yksi modifikaatio - oksidin alfa-muoto, jonka kidessä atomien tiiviimpi pakkaus on. Keramiikan sintrausprosessi tai pikemminkin "kasvaminen" on erittäin mielialaista. Kemiallisen natriumhöyrynkestävyyden lisäksi keraamien tulisi todellakin olla erittäin läpinäkyviä. Mitä hyötyä on lampun valmistuksesta, jos suurin osa valosta häviää purkausputken (polttimen) seiniin?

Natriumlamppujen keraaminen poltin on tärkein erottuva tekijä muista kaasupurkausvalonlähteistä. Yli 1000 asteen lämpötilassa toimivat keramiikat voivat pitää natriumia kymmeniä tuhansia tunteja. Mutta tämä ei tarkoita, että natrium ei ollenkaan kykene tunkeutumaan ulospäin ulkopolven tilavuuteen.

Tiheä kidehila estää todella atomien diffuusiota keramiikan avulla. Alumiinioksidin kiteiset lohkot on kuitenkin "sidottu" toisiinsa amorfisella, lasimaisella interfaasikeramiikalla. Se koostuu lisäaineista, jotka rajoittavat monikerroksisten kiteiden kasvua, ja epäpuhtauksista, joita ei voida välttää missään materiaalissa.Käteiden läpäisevyys kiteiden rajoilla on paljon suurempi kuin kidehilan kautta. Siksi natriumlamppujen käyttöikä määritetään tarkkaan natriumhäviön takia kiteiden välisestä materiaalista.

Natriumlamppuihin käytetään alumiinioksidin yksittäisiä kiteitä - ”monocor”, tunnetaan paremmin safiirina.Tällaisesta materiaalista valmistetuilla poistoputkilla on erittäin korkea läpäisykyky, suuri natriumdiffuusionkestävyys, mutta anisotrooppiset (eri suunnat) mekaaniset ominaisuudet vaikeuttavat polttimien tiivistämistä korkean lämpötilan sementeillä. Lisäksi ne ovat huomattavasti kalliimpia kuin monikiteiset polttimet.

Natriumlamppupolttimessa on vain kaksi elektrodia, joihin päästöpäällyste levitetään lampun alkuperäisen syttymisen helpottamiseksi. Polttoaineeseen annostellaan inerttiä kaasua (yleensä ksenonia paineessa noin 20 mm Hg) ja elohopean amalgaamia (seosta) natriumin kanssa tiukasti kiinteän koostumuksen ja koon kuulina.

Lampun käyttöikä liittyy suoraan polttimen käyttöikään. Ja se puolestaan ​​määritetään natriumvaraston ja elektrodien emissiokoostumuksen perusteella. Ajan myötä natrium vuotaa keramiikan läpi, mikä johtaa polttimen jännitteen lisääntymiseen, mikä aiheuttaa lampun sammumisen heti tilalle siirtymisen jälkeen.

Jäähdytyksen jälkeen lamppu vilkkuu uudelleen, jotta se sammuu uudelleen. Toistuva toiminta (lyhyet on-off-syklit) johtaa emitterin kiihtyneeseen kulutukseen - päästökoostumus elektrodoihin ja lamppu epäonnistuu.

Poltin asennetaan ulkoiseen, tulenkestävästä lasista valmistettuun pulloon kulkureiteille (tuille). Evakuoinnin ja irrotuksen jälkeen pohja kiinnitetään pulloon (yleensä E27 tai E40). Ulomman pullon tilavuus tyhjennetään. Korkeamman tyhjiön aikaansaamiseksi siihen suihkutetaan lisäksi getterikoostumus - getter.

Polttimien tyhjöeristys on välttämätöntä polttimen rakenteen tulenkestävien metallien (niobium, molybdeeni) suojaamiseksi hapettumiselta. Mutta päätehtävänä on poistaa lämpöhäviöt konvektiolla. Loppujen lopuksi yli 1000 asteen lämpötilassa toimivasta keramiikasta tulee voimakas lämpöenergian lähde. Huonolla lämpöeristyksellä lampun hyötysuhde heikkenee, lampun ja lampun kansi ylikuumenee.

Nyt on saatavana laaja valikoima natriumlamppuja, välillä 35 - 1000 wattia. Kolme natriumlamppujen pääryhmää voidaan erottaa ulkoisen lampun muodon ja sovellusominaisuuksien perusteella: DNaT putkimaisella lampulla, DNaS elliptisellä huurrekuorella ja DNaZ peiliheijastavalla pinnoitteella.

Tietoja sovelluksesta korkeapaineiset natriumlamput se ei ole erityisen maininnan arvoinen: se on siirtokuntien katuvalaistus, vilkkaat moottoritiet ja arkkitehtonisten yhtyeiden korostaminen.

Valaisimet DNaS kehitetty korvaamaan valokaarilämpölamput (DRL). Pullon elliptisen muodon lisäksi niillä on polttimien täyttämisen erityispiirteet: puhtaan ksenonin sijaan annostellaan jalokaasujen seosta (Penning-seos) syttymisen helpottamiseksi. Tällaisia ​​lamppuja käytetään ilman sytytyslaitetta, joka tuottaa korkeajännitepulsseja. Muun tyyppiset natriumlamput tarvitsevat samanlaisen laitteen.

Valaisimet DNAZ löydetty käyttö teollisuuskasvihuoneissa kasvien fotosynteesin nopeuttamiseksi. Näiden lamppujen osuus natrium säteilyä käyttävien lähteiden kokonaismäärästä on suhteellisen pieni, ja niiden voidaan katsoa johtuvan erikoislampuista.

Erittäin korkealla hyötysuhteella ja hyvällä värintoistolaitteella pienitehoiset natriumlamput (35 ja 50 W) voisivat löytää sovelluksia jokapäiväisessä elämässä. Lisäaineet harvinaisten maametallien polttimeen mahdollistavat säteilytehospektrin, joka on lähes erotettavissa auringonvalosta.

Mutta lamppujen Akilles-kantapää ei ole monimutkainen voimakaavio - moderni elektroniikka pystyy helposti selviytymään samanlaisesta ongelmasta. Kiihtyvyyden ja käyttötilaan poistumisen aika on este, joka poistaa kaikki natriumlamppujen edut jokapäiväisessä elämässä. Pienitehoisilla lampuilla käy 4-6 minuuttia, ja parametrit pysyvät täysin varastossa 20-25 minuutin sisällä. Selviytyäkseen tällaisista huoneiden valaistusvaikeuksista harvoin kukaan suostuu.

Toistaiseksi ulkovalaistukseen ei ole käytännössä muita vaihtoehtoisia valonlähteitä.Natriumlamput käyttävät tätä kapeutta pitkään, arvaavasti katsomalla yrityksiä modernit ”ylösalaisin”, kuten LED-valot paina heidät ulos.