Натриевые лампы: господство укрощенного химического элемента

В статье рассмотрены конструкция и применения натриевых ламп высокого давления.

Трудно сегодня живется астрономам. На какой бы участок неба не ориентировали они телескопы, на фотографиях спектров звезд всегда будут присутствовать линии натрия и ртути. Подобные спектры вовсе не доказывают, что звезды богаты на эти химические элементы. Причина сугубо земная: наружное освещение городов и автострад с помощью газоразрядных ламп высокой интенсивности создает настолько сильную подсветку атмосферы, что чувствительные астрономические приборы фиксируют свет рукотворных “звезд”.

Самый большой вклад в уличное освещение, и главной помехой для астрономических наблюдений, являются сегодня лампы натриевые разрядные высокого давления. О них и пойдет речь в данном материале.

Прежде всего, почему именно высокого давления? Дело в том, что разрядные трубчатые лампы с низким давлением ртути появились еще в предвоенный период. Люминесцентные лампы быстро получили широкое распространение. Но разряд в парах натрия долгое время не удавалось получить из-за низкого парциального давления натрия при небольших температурах.

После ряда технологических ухищрений удалость создать натриевые лампы, работающие при низком давлении. Но широкого распространения они не получили из-за сложной конструкции. Более удачно сложилась судьба у натриевых ламп, работающих при высоком давлении (НЛВД) . Первоначальные попытки создать лампы в оболочке из кварцевого стекла закончилась неудачей. При высоких температурах возрастает химическая активность натрия. Подвижность его атомов (диффузия) так же растет. Поэтому в кварцевых горелках натрий быстро проникал через кварц, разрушая оболочку горелки.

Ситуация измелилась, когда в начале 60-х годов фирма “General Electric” запатентовала новый керамический материал, способный работать в парах натрия при высоких температурах. Он получил фирменное наименование “лукалос”. У нас эта керамика известна как “поликор” . Керамика изготавливается путем высокотемпературного спекания порошка окиси алюминия.

Оксид алюминия имеет более 10 модификаций кристаллической решетки, в зависимости от условий реакции окисления. Для светотехнических целей пригодна только одна модификация – альфа-форма окиси, имеющая наиболее плотную упаковку атомов в кристалле. Процесс спекания, а точнее “выращивания” керамики очень капризный. Ведь кроме химической стойкости к парам натрия, керамика должна иметь высокую прозрачность. Какой смысл делать лампу, если в стенках разрядной трубки (горелки) будет теряться большая часть света?

Керамическая горелка натриевых ламп и является главной отличительной чертой от остальных газоразрядных источников света. Керамика, работающая при температурах более 1000 градусов, способна удерживать натрий на протяжении десятков тысяч часов. Но это не значит, что натрию совсем не удается проникать наружу, в объем внешней колбы.

Плотная кристаллическая решетка действительно затрудняет диффузию атомов через керамику. Но кристаллические блоки оксида алюминия “скреплены” между собой аморфной, похожей на стекло, межфазной керамикой. Она состоит из добавок, которые ограничивают рост кристаллов поликора и примесей, неизбежных в любом материале.Проницаемость по границам кристаллов гораздо выше, чем через кристаллическую решетку. Поэтому срок службы натриевых ламп определяется именно потерями натрия через межкристаллический материал.

Для натриевых ламп применяются и монокристаллы окиси алюминия — “монокор”, больше известный, как сапфир. Разрядные трубки из такого материала имеют очень высокий коэффициент пропускания, высокую стойкость против диффузии натрия, но анизотропные (разные по направлениям) механические свойства затрудняет герметизацию горелок высокотемпературными цементами. Кроме этого, они заметно дороже поликристаллических горелок.

Горелка натриевых ламп имеет только два электрода, на которые нанесено эмиссионное покрытие для облегчения первоначального поджига лампы. В горелку дозируется инертный газ (обычно ксенон при давлении около 20 мм. ртутного столба), и амальгама (сплав) ртути с натрием, в виде шарика строго фиксированного состава и размера.

Срок службы лампы напрямую связан со сроком службы горелки. А тот, в свою очередь, определяется запасом натрия и эмиссионного состава на электродах. Со временем происходит утечка натрия через керамику, что приводит к возрастанию напряжения на горелке, которое вызывает потухание лампы сразу после выхода на режим.

После остывания лампа опять разгорается, чтоб опять погаснуть. Частый режим работы (короткие циклы включения-выключения) приводит к ускоренному расходу эмиттера — эмиссионного состава на электродах и лампа выходит из строя.

Горелка монтируется во внешней колбе из тугоплавкого стекла на траверсах (поддержках). К колбе после откачки и отпайки, крепится цоколь (обычно Е27 или Е40). Объем внешней колбы вакуумируется. Для получения более высокого вакуума еще в ней дополнительно распыляется газопоглощающий состав – геттер.

Вакуумная изоляция горелок необходима для защиты тугоплавких металлов конструкции горелки (ниобий, молибден) от окисления. Но главной задачей является устранение потерь тепла конвекционным способом. Ведь керамика, работающая при температурах свыше 1000 градусов, становится мощным источником тепловой энергии. При плохой теплоизоляции снижается эффективность лампы, перегреваются колба и цоколь лампы.

Сейчас выпускается широкий ассортимент натриевых ламп мощностью от 35 до 1000 Вт. По форме внешней колбы и особенностям применения можно выделить три основные группы натриевых ламп: ДНаТ с трубчатой колбой, ДНаС с эллиптической матированной оболочкой и ДНаЗ с зеркальным отражающим покрытием.

О применении натриевых ламп высокого давления ДНаТ особо говорить не стоит: это уличное освещение населенных пунктов, оживленных автострад и подсветка архитектурных ансамблей.

Лампы ДНаС разработаны как замена дуговых ртутных люминесцентных ламп (ДРЛ). Кроме эллиптической формы колбы они имеют особенности наполнения горелок: вместо чистого ксенона дозируется смесь благородных газов (смеси Пеннинга) для облегчения зажигания. Подобные лампы эксплуатируются без поджигающего устройства, вырабатывающего высоковольтные импульсы. Остальные типы натриевых ламп в подобном устройстве нуждаются.

Лампы ДНаЗ нашли применение в промышленных тепличных хозяйствах для ускорения фотосинтеза растений. Доля этих ламп в общем количестве источников, использующих излучение натрия, относительно невелика, и их можно отнести к лампам специального назначения.

Обладая очень высокой эффективностью и хорошей цветопередачей, натриевые лампы малой мощности (35 и 50 Вт) вполне могли бы найти применение в быту. Добавки в горелку редкоземельных металлов позволяют получить спектр излучения, почти неотличимый от солнечного света.

Но ахиллесовой пятой ламп является не сложная схема питания – современная электроника легко справляется с подобной проблемой. Время разгорания и выхода на рабочий режим – вот препятствие, которое сводит на нет все преимущества натриевых ламп в быту. Маломощные лампы выходят на режим 4-6 минут, а полностью параметры стабилизируются в течение 20-25 минут. Смириться с подобными неудобствами в освещении комнат редко кто согласится.

На сегодняшний день других, альтернативных источников света для целей наружного освещения практически не существует. Натриевые лампы еще долго будут занимать эту нишу, снисходительно взирая на попытки современных “выскочек” типа светодиодных светильников потеснить их.