Natrio lempos: sutramdyto cheminio elemento dominavimas

Straipsnyje aptariama aukšto slėgio natrio lempų konstrukcija ir pritaikymas.

Šiandien astronomams sunku. Nesvarbu, kur danguje jie bus nukreipti teleskopu, žvaigždžių spektro fotografijose visada bus natrio ir gyvsidabrio linijų. Tokie spektrai niekaip neįrodo, kad žvaigždėse gausu šių cheminių elementų. Priežastis yra grynai žemiška: išorinis miestų ir greitkelių apšvietimas, naudojant didelio intensyvumo išlydžio lempas, sukuria tokį stiprų atmosferos apšvietimą, kad jautrūs astronominiai instrumentai fiksuoja žmogaus sukeltų „žvaigždžių“ šviesą.

Didžiausias įnašas į gatvių apšvietimą ir pagrindinė astronominių stebėjimų kliūtis yra šiandien aukšto slėgio natrio lempos. Apie juos ir bus aptarta šioje medžiagoje.

Visų pirma, kodėl būtent aukštas slėgis? Faktas yra tas, kad prieškariniu laikotarpiu išleidimo vamzdžių lempos su mažu gyvsidabrio slėgiu pasirodė. Liuminescencinės lempos greitai paplito. Tačiau dėl žemo natrio dalinio slėgio žemoje temperatūroje ilgą laiką nebuvo galima išmesti natrio garų.

Po daugybės technologinių gudrybių išskirtinumas yra natrio lempų, veikiančių žemu slėgiu, sukūrimas. Bet jie nebuvo plačiai naudojami dėl sudėtingo dizaino. Labiau pasisekė likimas aukšto slėgio natrio lempos (NLVD). Pradiniai bandymai sukurti lempas kvarco stiklo apvalkale baigėsi nesėkme. Esant aukštai temperatūrai, natrio cheminis aktyvumas padidėja. Taip pat auga jo atomų mobilumas (difuzija). Todėl kvarco degikliuose natris greitai įsiskverbė per kvarcą, sunaikindamas degiklio apvalkalą.

Padėtis buvo įvertinta, kai 60-ųjų pradžioje „General Electric“ užpatentavo naują keraminę medžiagą, kuri aukštoje temperatūroje gali veikti natrio garuose. Jis gavo prekės pavadinimą „Lukalos“. Mes turime šią keramiką, žinomą kaip Polioras. Keramika gaminama sukepinant aliuminio oksido miltelius aukštoje temperatūroje.

Aliuminis turi daugiau nei 10 kristalinės gardelės modifikacijų, priklausomai nuo oksidacijos reakcijos sąlygų. Apšvietimo tikslams tinka tik viena modifikacija - alfa formos oksidas, turintis tankiausiai kristalų atomus. Sukepinimo procesas, tiksliau keramikos „auginimas“, yra labai nuotaikingas. Iš tikrųjų, be cheminio atsparumo natrio garams, keramika turėtų būti ir labai skaidri. Kokia prasmė gaminti žibintą, jei didžioji dalis šviesos prarandama išleidimo vamzdžio (degiklio) sienose?

Natrio lempų keramikinis degiklis yra pagrindinis skiriamasis bruožas iš kitų dujų išlydžio šviesos šaltinių. Keramika, veikianti aukštesnėje nei 1000 laipsnių temperatūroje, natrį gali išlaikyti dešimtis tūkstančių valandų. Bet tai nereiškia, kad natris visiškai negali prasiskverbti į išorės kolbos tūrį.

Tankus kristalų tinklelis iš tikrųjų trukdo atomų difuzijai keramikos būdu. Tačiau kristaliniai aliuminio oksido blokai yra „sujungti“ vienas su kitu amorfine, stiklinę, kaip fazių keramika. Jį sudaro priedai, ribojantys polikorozo kristalų augimą, ir priemaišos, kurių neišvengiama bet kurioje medžiagoje.Parmatūra per kristalų ribas yra daug didesnė nei per krištolo gardelę. Todėl natrio lempų tarnavimo laikas tiksliai nustatomas atsižvelgiant į natrio praradimą per tarpkristalinę medžiagą.

Natrio lempoms naudojami pavieniai aliuminio oksido kristalai - „monocor“, geriau žinomi kaip safyras.Iš tokios medžiagos pagaminti išleidimo vamzdeliai pasižymi labai dideliu pralaidumu, dideliu atsparumu natrio difuzijai, tačiau dėl anizotropinių (skirtingų krypčių) mechaninių savybių sunku uždengti degiklius aukštos temperatūros cementais. Be to, jie yra pastebimai brangesni nei polikristaliniai degikliai.

Natrio lempos degiklyje yra tik du elektrodai, ant kurių uždedama emisijos danga, palengvinanti pradinį lempos užsidegimą. Į degiklį įpurškiamos inertinės dujos (paprastai ksenonas, esant maždaug 20 mm Hg slėgiui) ir gyvsidabrio amalgama (lydinys) su griežtai fiksuotos sudėties ir dydžio rutuliu.

Lempos tarnavimo laikas yra tiesiogiai susijęs su degiklio tarnavimo laiku. O tai, savo ruožtu, lemia natrio atsargos ir elektrodų emisijos sudėtis. Laikui bėgant per keramiką nutekėjo natris, dėl kurio padidėjo degiklio įtampa, dėl kurio lempa mirė iškart, įėjus į režimą.

Atvėsus, lemputė vėl mirksi, kad vėl užges. Dažnas veikimas (trumpi įjungimo ir išjungimo ciklai) lemia spartesnį emiterio sunaudojimą - išmetimo kompozicija ant elektrodų ir lempa sugenda.

Degiklis įmontuotas į išorinę kolbą, pagamintą iš ugniai atsparaus stiklo, ant traversų (atramų). Po evakuacijos ir nuimant, pagrindas pritvirtinamas prie kolbos (paprastai E27 arba E40). Ištuštinamas išorinės kolbos tūris. Norint gauti didesnį vakuumą, jame papildomai purškiama geterinė kompozicija - getteris.

Degiklių izoliacija vakuume yra būtina norint apsaugoti degiklio struktūros ugniai atsparius metalus (niobį, molibdeną) nuo oksidacijos. Tačiau pagrindinė užduotis yra pašalinti šilumos nuostolius konvekcijos būdu. Galų gale keramika, veikianti aukštesnėje nei 1000 laipsnių temperatūroje, tampa galingu šiluminės energijos šaltiniu. Esant blogai šilumos izoliacijai, lempos efektyvumas sumažėja, lemputė ir lempos pagrindas perkaista.

Dabar yra platus natrio lempų asortimentas nuo 35 iki 1000 vatų. Pagal išorinės lemputės formą ir naudojimo ypatybes galima atskirti tris pagrindines natrio lempų grupes: DNaT su vamzdine lempute, DNaS su elipsiniu matiniu apvalkalu ir DNaZ su veidrodinę atspindinčią dangą.

Apie paraišką aukšto slėgio natrio lempos neverta ypatingai paminėti: tai gatvių apšvietimas gyvenvietėse, judriose magistralėse ir architektūrinių ansamblių išryškinimas.

Lempos DNaS sukurta kaip gyvsidabrio lanko fluorescencinių lempų (DRL) pakaitalas. Be elipsės formos kolbos, jie turi ir degiklių užpildymo ypatumus: vietoj gryno ksenono, siekiant palengvinti užsidegimą, dozuojamas tauriųjų dujų mišinys (Penningo mišinys). Tokios lempos veikia be uždegimo įtaiso, generuojančio aukštos įtampos impulsus. Kitų tipų natrio lempoms reikia panašaus prietaiso.

Lempos DNAZ rastas pritaikymas pramoniniuose šiltnamiuose paspartinti augalų fotosintezę. Šių lempų dalis bendrame šaltinių, naudojančių natrio spinduliuotę, santykinai nedidelė, ir juos galima priskirti prie specialių lempų.

Dėl labai didelio efektyvumo ir geros spalvų perteikimo mažos galios natrio lempos (35 ir 50 W) galėtų būti pritaikytos kasdieniame gyvenime. Priedai prie retųjų žemių metalų degiklio leidžia gauti radiacijos spektrą, kuris beveik nesiskiria nuo saulės spindulių.

Bet lempučių Achilas kulnas nėra sudėtinga galios schema - šiuolaikinė elektronika gali lengvai susidoroti su panašia problema. Įsibėgėjimo ir perėjimo prie darbo režimo laikas yra kliūtis, paneigianti visus natrio lempų pranašumus kasdieniame gyvenime. Mažos galios lempos įgyja per 4–6 minutes, o visi parametrai stabilizuojasi per 20–25 minutes. Susitaikyti su tokiais kambarių apšvietimo nepatogumais retai kada kas sutiks.

Iki šiol kitų alternatyvių lauko apšvietimui šviesos šaltinių praktiškai nėra.Natrio lempos ilgą laiką užims šią nišą, maloniai žvelgdamos į bandymus modernūs „pradžia“, tokie kaip LED žibintai išstumkite juos.