Natriumlampen: dominantie van het getemde chemische element

Het artikel bespreekt het ontwerp en de toepassing van hogedruknatriumlampen.

Het is vandaag moeilijk voor astronomen. Het maakt niet uit waar ze in de lucht worden georiënteerd door telescopen, de lijnen van natrium en kwik zullen altijd aanwezig zijn in foto's van de spectra van sterren. Dergelijke spectra bewijzen helemaal niet dat sterren rijk zijn aan deze chemische elementen. De reden is puur aards: de externe verlichting van steden en snelwegen met behulp van ontladingslampen met een hoge intensiteit creëert zo'n sterke verlichting van de atmosfeer dat gevoelige astronomische instrumenten het licht van door de mens gemaakte "sterren" vangen.

De grootste bijdrage aan straatverlichting en het grootste obstakel voor astronomische waarnemingen zijn vandaag hogedruk natriumlampen. Over hen en zal in dit materiaal worden besproken.

Allereerst, waarom precies hoge druk? Het feit is dat ontladingsbuislampen met lage kwikdruk verschenen in de vooroorlogse periode. Fluorescentielampen werden snel wijdverbreid. Maar een langdurige ontlading in natriumdamp kon niet worden verkregen vanwege de lage partiële natriumdruk bij lage temperaturen.

Na een aantal technologische trucs is het onderscheid om natriumlampen te maken die op lage druk werken. Maar ze werden niet veel gebruikt vanwege het complexe ontwerp. Een meer gelukkig lot hogedruk natriumlampen (NLVD). De eerste pogingen om lampen te maken in een schaal van kwartsglas eindigden in een mislukking. Bij hoge temperaturen neemt de chemische activiteit van natrium toe. De mobiliteit van zijn atomen (diffusie) groeit ook. Daarom drong natrium in kwartsbranders snel door kwarts en vernietigde de branderschaal.

De situatie werd gemeten wanneer in de vroege jaren 60 patenteerde General Electric een nieuw keramisch materiaal dat bij hoge temperaturen in natriumdamp kan werken. Hij ontving de merknaam "Lukalos". We hebben deze keramiek bekend als "Polycor". Keramiek wordt gemaakt door aluminiumoxide poeder op hoge temperatuur te sinteren.

Alumina heeft meer dan 10 modificaties van het kristalrooster, afhankelijk van de omstandigheden van de oxidatiereactie. Voor verlichtingsdoeleinden is slechts één modificatie geschikt - de alfavorm van het oxide, dat de dichtste pakking van atomen in het kristal heeft. Het sinterproces, of liever gezegd het "groeien" van keramiek, is erg humeurig. Keramiek moet inderdaad, naast chemische bestendigheid tegen natriumdamp, een hoge transparantie hebben. Wat heeft het voor zin om een ​​lamp te maken als het meeste licht verloren gaat in de wanden van de ontladingsbuis (brander)?

De keramische brander van natriumlampen is het belangrijkste onderscheidende kenmerk van andere gasontladingslichtbronnen. Keramiek werkt bij temperaturen van meer dan 1000 graden en kan natrium gedurende tienduizenden uren vasthouden. Maar dit betekent niet dat natrium helemaal niet in staat is om naar buiten te dringen in het volume van de buitenkolf.

Een dicht kristalrooster belemmert echt de diffusie van atomen door keramiek. Maar de kristallijne blokken aluminiumoxide worden aan elkaar "gebonden" door amorf, glasachtig interfase keramiek. Het bestaat uit additieven die de groei van polycorkristallen en onzuiverheden beperken die onvermijdelijk zijn in elk materiaal.De permeabiliteit langs de grenzen van kristallen is veel hoger dan via een kristalrooster. Daarom wordt de levensduur van natriumlampen precies bepaald door het verlies van natrium door interkristallijn materiaal.

Voor natriumlampen worden gebruikt en enkele kristallen van aluminiumoxide - "monocor", beter bekend als saffier.Afvoerbuizen gemaakt van een dergelijk materiaal hebben een zeer hoge doorlaatbaarheid, hoge weerstand tegen natriumdiffusie, maar anisotrope (verschillende richtingen) mechanische eigenschappen maken het moeilijk om branders af te dichten met cement op hoge temperatuur. Bovendien zijn ze merkbaar duurder dan polykristallijne branders.

De natriumlampbrander heeft slechts twee elektroden waarop een emissielaag is aangebracht om de initiële ontsteking van de lamp te vergemakkelijken. Een inert gas (meestal xenon bij een druk van ongeveer 20 mm Hg) en een amalgaam (legering) kwik met natrium worden in de brander gedoseerd in de vorm van een bal met een strikt vaste samenstelling en grootte.

De levensduur van de lamp is direct gerelateerd aan de levensduur van de brander. En dat wordt op zijn beurt bepaald door de voorraad natrium en de emissiesamenstelling bij de elektroden. Na verloop van tijd lekt natrium door het keramiek, wat leidt tot een toename van de spanning op de brander, waardoor de lamp onmiddellijk na het overschakelen naar de modus sterft.

Na afkoeling knippert de lamp opnieuw om weer uit te gaan. Frequent bedrijf (korte aan-uitcycli) leidt tot versneld verbruik van de emitter - emissiesamenstelling op de elektroden en de lamp faalt.

De brander is gemonteerd in een uitwendige kolf van vuurvast glas op de dwarsbalken (steunen). Na evacuatie en desolderen wordt de basis bevestigd aan de kolf (meestal E27 of E40). Het volume van de buitenkolf wordt geëvacueerd. Om een ​​hoger vacuüm te verkrijgen, wordt een getter-samenstelling - getter - er bovendien in gespoten.

Vacuümisolatie van de brander is noodzakelijk om de vuurvaste metalen van de branderstructuur (niobium, molybdeen) tegen oxidatie te beschermen. Maar de belangrijkste taak is om het warmteverlies door convectie te elimineren. Keramiek wordt immers bij temperaturen boven 1000 graden een krachtige bron van thermische energie. Bij slechte thermische isolatie neemt de lampefficiëntie af en raken de lamp en de lampvoet oververhit.

Er is nu een breed assortiment natriumlampen van 35 tot 1000 watt beschikbaar. Drie hoofdgroepen natriumlampen kunnen worden onderscheiden op basis van de vorm van de externe lamp en toepassingskenmerken: DNaT met een buisvormige lamp, DNaS met een elliptische matte schaal en DNaZ met een spiegelreflecterende coating.

Over toepassing hogedruk natriumlampen het is geen speciale vermelding waard: het is straatverlichting van nederzettingen, drukke snelwegen en markeringen van architecturale ensembles.

Lampen DNaS ontwikkeld als vervanging voor arc kwik fluorescentielampen (DRL). Naast de elliptische vorm van de fles, hebben ze de eigenaardigheden van het vullen van de branders: in plaats van puur xenon wordt een mengsel van edelgassen (mengsel Penning) gedoseerd om ontsteking te vergemakkelijken. Dergelijke lampen werken zonder een ontstekingsapparaat dat hoogspanningspulsen genereert. Andere soorten natriumlampen hebben een soortgelijk apparaat nodig.

Lampen DNAZ toepassing gevonden in industriële kassen om fotosynthese van planten te versnellen. Het aandeel van deze lampen in het totale aantal bronnen dat natriumstraling gebruikt, is relatief klein en kan worden toegeschreven aan speciale lampen.

Met een zeer hoog rendement en een goede kleurweergave, kunnen natriumarme lampen met een laag vermogen (35 en 50 W) goed worden toegepast in het dagelijks leven. Additieven voor de brander van zeldzame aardmetalen maken het mogelijk om een ​​stralingsspectrum te verkrijgen dat bijna niet van zonlicht te onderscheiden is.

Maar de achilleshiel van de lampen is geen ingewikkeld stroomschema - moderne elektronica kan een soortgelijk probleem gemakkelijk aan. De tijd van versnelling en uitgang naar de bedrijfsmodus is een obstakel dat alle voordelen van natriumlampen in het dagelijks leven tenietdoet. Lampen met laag vermogen gaan 4-6 minuten in en de volledige parameters stabiliseren zich binnen 20-25 minuten. Zulke ongemakken bij het verlichten van kamers komen niet overeen, zelden zal iemand hiermee instemmen.

Tot op heden zijn er praktisch geen andere alternatieve lichtbronnen voor buitenverlichting.Natriumlampen zullen deze nis lange tijd bezetten en neerbuigend naar pogingen kijken moderne "start-ups" zoals LED-verlichting druk ze uit.