Natrijeve svjetiljke: dominacija prikrojenog kemijskog elementa

Članak govori o dizajnu i primjeni natrijevih svjetiljki visokog pritiska.

Teško je danas astronomima. Bez obzira na to gdje su na nebu orijentirani teleskopima, linije natrija i žive uvijek će biti prisutne na fotografijama spektra zvijezda. Takvi spektri uopće ne dokazuju da su zvijezde bogate tim kemijskim elementima. Razlog je čisto zemaljski: vanjsko osvjetljenje gradova i autocesta uz pomoć svjetiljki visokog intenziteta stvara tako snažno osvjetljavanje atmosfere da osjetljivi astronomski instrumenti hvataju svjetlost umjetnih zvijezda.

Danas je najveći doprinos uličnoj rasvjeti i glavna prepreka astronomskim promatranjima natrijeve žarulje visokog pritiska. O njima će se govoriti u ovom materijalu.

Prije svega, zašto baš visok pritisak? Činjenica je da su se žarulje sa ispušnim cijevima pojavile u predratnom razdoblju. Fluorescentne svjetiljke brzo su postale široko rasprostranjene. No, pražnjenje natrijeve pare dugo se nije moglo dobiti zbog niskog parcijalnog tlaka natrija pri niskim temperaturama.

Nakon niza tehnoloških trikova, razlika je stvoriti natrijeve svjetiljke koje rade pri niskom tlaku. Ali nisu se široko koristile zbog složenog dizajna. Sretnija sudbina natrijeve žarulje visokog pritiska (NLVD), Početni pokušaji stvaranja svjetiljki u kvarčnoj staklenoj školjci završili su neuspjehom. Pri visokim temperaturama povećava se kemijska aktivnost natrija. Povećava se i pokretljivost njegovih atoma (difuzija). Zbog toga je u kvarcnim plamenicima natrij brzo prodirao kroz kvarc, uništavajući ljusku plamenika.

Situacija je mjerena kada u ranim 60-ima General Electric je patentirao novi keramički materijal koji može raditi u obliku natrijeve pare pri visokim temperaturama. Dobio je naziv „Lukalos“. Mi imamo ovu keramiku poznatu kao "Polycor", Keramika je proizvedena sinteriranjem praška glinice pri visokim temperaturama.

Glinica ima više od 10 modifikacija kristalne rešetke, ovisno o uvjetima reakcije oksidacije. Za potrebe osvjetljenja prikladna je samo jedna modifikacija - alfa oblik oksida, koji ima najgušće pakiranje atoma u kristalu. Postupak sinteriranja, ili boljeg izrastanja keramike je vrlo raspoložen. Doista, osim kemijske otpornosti na natrijeve pare, keramika bi trebala imati visoku prozirnost. Kakva je svrha stvaranja svjetiljke ako se većina svjetlosti izgubi u zidovima cijevi za pražnjenje (plamenik)?

Keramički plamenik natrijevih svjetiljki glavna je odlika u odnosu na druge svjetlosne izvore. Keramika koja radi na temperaturama većim od 1000 stupnjeva može zadržati natrij u desecima tisuća sati. Ali to ne znači da natrij uopće ne može prodrijeti prema van u volumen vanjske tikvice.

Gusta kristalna rešetka zaista ometa difuziju atoma kroz keramiku. Ali kristalni blokovi aluminij-oksida međusobno su "spojeni" amorfnom, staklenom interfaznom keramikom. Sastoji se od aditiva koji ograničavaju rast polikornih kristala i nečistoće koja je neizbježna u bilo kojem materijalu. Propusnost duž granica kristala mnogo je veća nego kroz kristalnu rešetku. Stoga se život natrijevih žarulja određuje upravo gubitkom natrija kroz interkristalni materijal.

Za natrijeve žarulje koriste se monokristali aluminijskog oksida - „monokor“, poznatiji kao safir.Cijevi za pražnjenje izrađene od takvog materijala imaju vrlo visoku propusnost, visoku otpornost na difuziju natrija, ali anizotropna (različita smjera) mehanička svojstva otežavaju brtvljenje plamenika visokotemperaturnim cementom. Pored toga, osjetno su skuplji od polikristalnih plamenika.

Plamenik natrijeve svjetiljke ima samo dvije elektrode na koje se nanosi emisijski premaz koji olakšava prvo paljenje svjetiljke. U plamenik se dovodi inertni plin (obično ksenon pri tlaku od oko 20 mm Hg) i amalgam (legura) žive sa natrijom, u obliku kuglice strogo fiksiranog sastava i veličine.

Život svjetiljke izravno je povezan s životom plamenika. A to se, zauzvrat, određuje na osnovu natrija i sastava emisije na elektrodama. Vremenom, natrij propušta kroz keramiku, što dovodi do povećanja napona na plameniku, što uzrokuje da lampica ugasi odmah nakon ulaska u mod.

Nakon hlađenja, žarulja ponovno bljesne i ponovo se ugasi. Česti rad (kratki ciklusi isključenja) dovodi do ubrzane potrošnje sastava emitira - emisija na elektrodama i lampica ne radi.

Plamenik je ugrađen u vanjsku tikvicu izrađenu od vatrostalnog stakla na poprečnim stazama (nosačima). Nakon evakuacije i otapanja, baza je pričvršćena na tikvicu (obično E27 ili E40). Volumen vanjske tikvice se evakuira. Da bi se postigao veći vakuum, u njega se dodatno raspršuje i sastav getera - getter.

Vakuumska izolacija plamenika potrebna je za zaštitu vatrostalnih metala strukture plamenika (niobija, molibdena) od oksidacije. Ali glavni zadatak je uklanjanje gubitka topline konvekcijom. Uostalom, keramika koja radi na temperaturama iznad 1000 stupnjeva postaje snažan izvor toplinske energije. S lošom toplinskom izolacijom, učinkovitost žarulje smanjuje se, žarulja i baza žarulje se pregrijavaju.

Sad je dostupan širok raspon natrijevih svjetiljki od 35 do 1000 vata. Tri se skupine natrijevih svjetiljki mogu razlikovati prema obliku vanjske žarulje i značajkama primjene: DNaT s tubularnom žaruljom, DNaS s eliptičnom smrznutom školjkom i DNaZ sa zrcalnim reflektirajućim premazom.

O primjeni natrijeve žarulje visokog pritiska ne vrijedi posebno spomenuti: to je ulična rasvjeta naselja, prometne autoceste i isticanje arhitektonskih cjelina.

Svjetiljke DNaS razvijena kao zamjena za lučne živinaste fluorescentne svjetiljke (DRL). Osim eliptičnog oblika tikvice, imaju i osobine punjenja plamenika: umjesto čistog ksenona, dozira se mješavina plemenitih plinova (Penning smjesa) radi lakšeg paljenja. Takve svjetiljke rade bez uređaja za paljenje koji generiraju visokonaponske impulse. Ostale vrste natrijevih svjetiljki trebaju sličan uređaj.

Lampe DNAZ pronašli primjenu u industrijskim plastenicima za ubrzavanje fotosinteze biljaka. Udio ovih svjetiljki u ukupnom broju izvora koji koriste natrijevo zračenje je relativno mali, pa se mogu pripisati posebnim svjetiljkama.

Uz vrlo visoku učinkovitost i dobru reprodukciju boja, natrijeve žarulje male snage (35 i 50 W) dobro bi mogle pronaći primjenu u svakodnevnom životu. Aditivi u plameniku rijetkozemnih metala omogućuju dobivanje spektra zračenja koji se gotovo ne razlikuje od sunčeve svjetlosti.

Ali Ahilova peta svjetiljki nije komplicirana shema napajanja - moderna elektronika lako se može nositi sa sličnim problemom. Vrijeme ubrzanja i izlaska u režim rada prepreka je koja negira sve prednosti natrijevih svjetiljki u svakodnevnom životu. Žarulje male snage ulaze u 4-6 minuta, a parametri se u potpunosti stabiliziraju u roku od 20-25 minuta. Da se suočim s takvim neugodnostima u osvjetljenju prostorija, rijetko će se tko složiti.

Do danas praktički ne postoje drugi alternativni izvori svjetla za vanjsku rasvjetu.Natrijeve svjetiljke dugo će zauzimati ovu nišu, suosjećajno gledajući pokušaje moderni "start up" kao što su LED svjetla istisnite ih.