Газоразрядные лампы высокого давления с парами металлов

Особенности разряда в парах металла

Помимо ртути многие металлы при нагреве до высоких температур дают в разряде излучение в видимой области спектра. Однако практическое использование разряда в парах металла до последнего времени сдерживалось двумя причинами: металлы, воздействуя на силикатные стекла, очень быстро их разрушают; получение достаточной упругости паров металла связано с высокими температурами, которые не выдерживались даже кварцевым стеклом.

Проблема использования металлов для получения излучения в видимой области спектра была решена при введении в лампы не чистых металлов, а их галогенидов, то есть химических соединений с галогенами (йодом, бромом и хлором), о которых упоминалось в статье "Типы ламп накаливания". Температура испарения галогенидов многих металлов ниже, чем чистых металлов. Поэтому, попадая в зону разряда с высокой температурой, галогениды распадаются на галоген и металл. Атомы металла при высокой температуре в зоне разряда возбуждаются и излучают характерный для них спектр. Затем, диффундируя за пределы канала разряда в зону с более низкой температурой, атомы металла и галогена вновь восстанавливаются в галогенид и в таком виде существуют у стенок колбы, не вызывая их нарушения. Вводя в лампу не один, а несколько различных металлов в виде галогенидов, можно получить требуемый спектр разряда – от линейчатого до практически сплошного. Благодаря конвекции газа внутри газоразрядного промежутка и диффузии цикл, состоящий из выделения металла для участия его в разряде и последующего соединения в областях с более низкой температурой, будет повторяться, обеспечивая постоянную концентрацию возбужденных атомов в центральной части разряда.

Указанный цикл обеспечивает два преимущества: при температуре стенки колбы 1050 – 1150 К давление паров галогенидов многих металлов значительно выше, чем у самих металлов, что создает в канале разряда необходимую концентрацию атомов металла, излучающих требуемый спектр; появляется возможность использовать щелочные и другие агрессивные металлы, которые вызывают в чистом виде разрушение кварцевого стекла уже при 570 – 670 К, а в виде галогенов не оказывают разрушающего действия.

Галогениды металла вводятся в лампы в очень малой концентрации, ртутный пар играет роль буфера, создавая в разряде требуемую высокую температуру, высокий градиент потенциала и снижая тепловые потери. Излучение почти полностью обеспечивается атомами металла, которые называют добавками, что связано с более низкими потенциалами возбуждения этих атомов по сравнению с атомами ртути.

Разряд высокого давления с галогенидами металлов имеет ряд преимуществ перед разрядом низкого давления. Температура в разрядном канале достигает нескольких тысяч градусов, что достаточно для полной диссоциации всех известных галогенидов металла и для интенсивного возбуждения атомов металлов и других элементов. Высокие значения градиента потенциала позволяют создать лампы малых размеров, большой удельной мощности и высокой яркости, а также изменять в широких пределах размеры колбы, ее температуру, а следовательно, и давление паров. Постепенный спад температуры от канала дуги к стенкам колбы создает благоприятные условия для протекания галогенного цикла, обеспечивая воссоединение галогенидов за пределами столба разряда.

Добавки одного или нескольких металлов в виде галогенных соединений могут дать излучение с определенным спектром. Так, добавка натрия может дать желтое излучение с длиной волны 589 нм, лития – красное с длиной волны 671 нм, таллия – зеленое с длиной волны 535 нм. Используя излучения нескольких добавок, можно создать лампы с однородным спектром излучения, что обеспечило применение этих ламп как для общего освещения, так и для специальных технологических процессов.

В настоящее время для ламп общего освещения наибольший эффект дает применение в них в качестве добавок йодных соединений (йодид натрия, талия и индия и йодид натрия, скандия и тория). Перспективным следует считать использование йодидов редкоземельных металлов, обеспечивающих практически непрерывный спектр излучения, а следовательно высокое качество цветопередачи.

Для повышения выхода излучения атомов добавок требуется высокая температура колбы. Поэтому металлогалогенные лампы (МГЛ) имеют меньшие размеры по сравнению с лампами типа ДРЛ той же мощности. В целях применения металлогалогенных ламп в существующих светильниках, предназначенных для ламп типа ДРЛ, и возможности их работы с балластами для ламп типа ДРЛ металлогалогенные лампы имеют такие же электрические параметры, что и лампы типа ДРЛ той же мощности. Для этого металлогалогенные лампы выполняют с большим давлением ртутных паров и меньшим расстоянием между электродами.

Однако введение внутрь ламп йодидов приводит и к отрицательным последствиям. Самым существенным является повышение напряжения зажигания, что связано с попаданием галогенов или их соединений на активный слой катода, излучающий электроны. Атомы галогенидов присоединяют к себе электроны, что ухудшает условия образования новых заряженных частиц. Поэтому для зажигания металлогалогенных ламп применяют специальные устройства, о которых будет рассказано в отдельных статьях.

Параметры металлогалогенных ламп

Для общего освещения промышленных и общественных помещений, открытых пространств, для облучения рассады в теплицах и так далее, выпускается серия металлогалогенных ламп с йодидами натрия и скандия. Основные параметры ламп приведены в таблице 1. Обозначения ламп включают в себя: буквы ДРИ (дуговая, ртутная, с добавками йодидов металлов), мощность в ваттах и через дефис номер модификации. На рисунке 1 приведен общий вид металлогалогенной лампы модификации 5 для работы в любом положении и модификации 6 для работы преимущественно в горизонтальном положении. На рисунке 2 дано относительное спектральное распределение плотности энергии излучения ламп ДРИ. Лампы имеют высокую световую отдачу (75 – 100 лм/Вт) и хорошую цветопередачу, что обеспечивает значительный экономический эффект при их применении практически в любых установках.

Таблица 1

Основные параметры ламп типа ДРИ для общего освещения

Рисунок 1. Общий вид и размеры ламп типа ДРИ: а – модификация 5; б – модификация 6	Рисунок 2. Относительное спектральное распределение плотности энергии излучения Pλ ламп типа ДРИ

Кроме перечисленных типов выпускаются металлогалогенные лампы для специальных технологических целей, где требуется получение сплошного или узкополосного спектра. Продолжаются работы по применению в металлогалогенных лампах добавок редкоземельных металлов, в частности для ламп большой мощности типа ДРИШ (в шаровой колбе). Работы в области создания и промышленного производства ламп типа ДРИ будут развиваться и в дальнейшем с учетом больших перспектив их использования.

Лампы типа ДРИ выпускают с внешними баллонами эллипсоидной формы, в частности от ламп типа ДРЛ, без люминофорного покрытия или с покрытием.

В лампах модификации 6 применена цилиндрическая колба.

Параметры ламп типа ДРИ сильно зависят от колебаний напряжения сети. При его изменении в пределах ±10 – 15 % мощность ламп изменяется на 22 – 33, а световой поток на 25 – 37 %. Температура окружающей среды влияет на напряжение зажигания металлогалогенных ламп, однако при применении специальных зажигающих устройств это влияние можно исключить.

Лампы ДРИ с напряжением горения 130 В включают в сеть 220 В с балластом, лампы ДРИ с напряжением горения 230 В стабильно работают только от сети напряжением 380 В.

Натриевые лампы высокого давления ДНаТ

Рисунок 3. Зависимость световой отдачи натриевого разряда от давления паров натрия

Натриевые лампы являются весьма эффективными источниками света, что связано с резонансным излучением натрия с длинами волн 589 и 589,6 нм. На рисунке 3 приведена зависимость световой отдачи натриевого разряда от давления паров натрия. Кривая на рисунке 3 имеет два явно выраженных максимума: в областях низкого и высокого давления. Область первого максимума использована в натриевых лампах низкого давления. Лампы высокого давления с использованием паров натрия работают в области высоких давлений (около 10 кПа). Такое давление обеспечивается при средних температурах 1000 – 1150 К. Пары натрия являются очень агрессивными по отношению к силикатным стеклам, включая кварц, поэтому практическое использование разряда паров натрия было связано с разработкой и промышленным получением специального материала для разрядных трубок, выдерживающего указанную температуру. Таким материалом явилась специальная светопропускающая керамика на основе поликристаллического оксида алюминия.

В лампы вводится натрий с рабочим давлением паров 4 – 14 кПа, имеющий низкие потенциалы возбуждения и ионизации, ртуть в качестве буферного газа и ксенон – в качестве зажигающего. Наличие ксенона снижает тепловые потери через газ за счет меньшей теплопроводности, что несколько повышает световую отдачу ламп.

Рисунок 4. Схема натриевой лампы высокого давления в колбе из поликристаллического оксида алюминия: а – общий вид; б – разрядная трубка; 1 – трубка из поликора; 2 – металлические колпачки; 3 – откачная трубка; 4 – ампула с натрием; 5 – отверстие для откачки; 6 – активированные электроды; 7 - выводы

Желто-золотистый цвет излучения ограничивает область применения ламп. В настоящее время натриевые лампы используют для освещения транспортных магистралей, площадей, спортивных сооружений и других открытых пространств.

Натриевые лампы изготавливают в цилиндрической разрядной трубке из поликристаллического оксида алюминия (рисунок 4). В зависимости от мощности лампы внешний диаметр трубки составляет 5 – 12, толщина стенок 0,5 – 1 мм. Трубка заключается во внешнюю колбу из прозрачного стекла. Внешняя колба вакуумирована (до давления не выше 0,01 Па), причем вакуум поддерживается на необходимом уровне в течение всего срока службы лампы с помощью специального газопоглотителя.

Зажигание натриевых ламп затруднено, поэтому для них разработаны зажигающие устройства, обеспечивающие подачу зажигающего импульса около 2,5 – 4 кВ. Натриевые лампы малочувствительны к изменению температуры окружающей среды, они могут работать при ее колебании от -60 до +50 °С, однако требуют соблюдения установленного положения при горении.

На электрические параметры ламп сильно влияет как напряжение сети, так и продолжительность горения ламп. Последнее требует использования для ламп специальной пускорегулирующей аппаратуры.

Основные параметры выпускаемых натриевых ламп высокого давления мощностью 250 и 400 Вт типов ДНаТ250 и ДНаТ400: световой поток 25000 и 47000 лм, срок службы 10 и 15 тысяч часов соответственно, начальное напряжение на лампах 100 В. Благодаря высокой световой отдаче и сроку службы натриевые лампы являются весьма перспективными источниками света.

В целях компенсации потерь натрия в процессе горения лампы его вводят с некоторым избытком. Это приводит к зависимости парциального давления натрия и ртути от температуры холодной точки, в которой конденсируется избыток амальгамы. Во время горения лампы на концах трубки оседает испарившийся с катодов материал, концы трубки темнеют, температура около катода повышается и давление натрия и ртути увеличивается. Повышение давления в свою очередь приводит к росту градиента потенциала и напряжения на лампе. По полученным данным, напряжение на натриевых лампах увеличивается на 1 % за каждые 1000 часов горения, что необходимо учитывать при разработке схемы включения. Для включения натриевых ламп нельзя использовать балласты от ламп типов ДРИ и ДРЛ.

Герметизация электродных вводов лампы представляет определение трудности, поскольку оксид алюминия, входящий в состав материала оболочки, имеет кристаллическую структуру и не может быть подвергнут обработке пламенем, например, как стекло. Поэтому на концы трубки надевают специальные колпачки из ниобия, через один из которых пропускают штенгель. Выбор ниобия определен его температурным коэффициентом линейного расширения, который оказался близким к температурному коэффициенту линейного расширения материала трубки. Спай ниобия с оксидом алюминия обеспечивается пайкой твердым припоем или склеиванием специальным цементом.

Источник: Афанасьева Е. И., Скобелев В. М., "Источники света и пускорегулирующая аппаратура: Учебник для техникумов", 2-е издание переработанное – Москва: Энергоатомиздат, 1986 – 272с.