Натриевая лампа — это газоразрядная лампа , в которой натрий находится в возбужденном состоянии и производит свет с характерной длиной волны около 589 нм .
Существуют две разновидности таких ламп: низкого давления и высокого давления . Натриевые лампы низкого давления являются высокоэффективными электрическими источниками света, но их желтый свет ограничивает применение для наружного освещения, например, в уличных фонарях , где они широко используются. [1] Натриевые лампы высокого давления излучают более широкий спектр света, чем лампы низкого давления, но они все равно имеют худшую цветопередачу , чем другие типы ламп. [2] Натриевые лампы низкого давления дают только монохромный желтый свет и поэтому подавляют цветное зрение ночью .
Одноцокольные самозапускающиеся лампы изолированы слюдяным диском и заключены в боросиликатную стеклянную газоразрядную трубку (дуговую трубку) и металлический колпачок. [3] [4] К ним относятся натриевые лампы, которые являются газоразрядными лампами уличного освещения. [5] [6] [3] [4]
Натриевая дуговая разрядная лампа низкого давления впервые была применена на практике около 1920 года благодаря разработке типа стекла, которое могло противостоять коррозионному воздействию паров натрия. Они работали при давлении менее 1 Па и создавали почти монохроматический спектр света вокруг линий излучения натрия на длине волны 589,0 и 589,56 нанометров. Желтый свет, создаваемый ими, ограничивал область применения теми, где не требовалось цветное зрение. [7]
Исследования натриевых ламп высокого давления проводились как в Великобритании , так и в Соединенных Штатах . Увеличение давления паров натрия расширило спектр излучения натрия, так что произведенный свет имел больше энергии, излучаемой на длинах волн выше и ниже области 589 нм. Кварцевый материал, используемый в ртутных разрядных лампах, подвергался коррозии под воздействием паров натрия высокого давления. Лабораторная демонстрация лампы высокого давления была проведена в 1959 году. Разработка компанией General Electric спеченного материала из оксида алюминия (с добавлением оксида магния для улучшения светопропускания) стала важным шагом в создании коммерческой лампы. Материал был доступен в виде трубок к 1962 году, но требовались дополнительные методы для герметизации трубок и добавления необходимых электродов — материал нельзя было сплавить, как кварц. Торцевые крышки дуговой трубки нагревались до 800 °C (1470 °F) во время работы, а затем охлаждались до комнатной температуры, когда лампа была выключена, поэтому концы электродов и уплотнение дуговой трубки должны были выдерживать повторяющиеся температурные циклы. Эту проблему решил Майкл Арендаш [8] на заводе GE Nela Park. Первые коммерческие натриевые лампы высокого давления появились в 1965 году у компаний в Соединенных Штатах, Великобритании и Нидерландах; на момент появления 400-ваттная лампа давала около 100 люменов на ватт. [7] [9]
Монокристаллические искусственные сапфировые трубки также изготавливались и использовались для ламп HPS в начале 1970-х годов, с небольшим улучшением эффективности, но себестоимость производства была выше, чем для поликристаллических алюминиевых трубок. [7]
Натриевые лампы низкого давления (LPS) имеют газоразрядную трубку из боросиликатного стекла (дуговую трубку), содержащую твердый натрий и небольшое количество неона и аргона в смеси Пеннинга для запуска газового разряда. Разрядная трубка может быть линейной (лампа SLI) [10] или U-образной. Когда лампа впервые запускается, она излучает тусклый красно-розовый свет для нагрева металлического натрия; в течение нескольких минут, когда металлический натрий испаряется , излучение становится обычным ярко- желтым . Эти лампы производят практически монохроматический свет со средней длиной волны 589,3 нм (на самом деле две доминирующие спектральные линии, очень близкие друг к другу на 589,0 и 589,6 нм). Цвета объектов, освещенных только этой узкой полосой пропускания, трудно различить.
Лампы LPS имеют внешнюю стеклянную вакуумную оболочку вокруг внутренней разрядной трубки для теплоизоляции , что повышает их эффективность. Ранее лампы LPS имели съемную оболочку Дьюара (лампы SO). [11] Лампы с постоянной вакуумной оболочкой (лампы SOI) были разработаны для улучшения теплоизоляции. [12] Дальнейшее улучшение было достигнуто путем покрытия стеклянной оболочки слоем оксида индия-олова , отражающим инфракрасное излучение , в результате чего появились лампы SOX. [13]
Лампы LPS являются одними из самых эффективных источников электрического света при измерении в условиях фотопического освещения, производя от 100 до 206 лм / Вт . [14] Эта высокая эффективность частично обусловлена тем, что излучаемый свет имеет длину волны, близкую к пиковой чувствительности человеческого глаза. Они используются в основном для наружного освещения (например, уличное освещение и охранное освещение ), где точная цветопередача не важна.
Лампы LPS похожи на люминесцентные лампы тем, что они являются источником света низкой интенсивности с линейной формой лампы. Они не показывают яркую дугу, как лампы высокой интенсивности разряда (HID); они излучают более мягкое светящееся свечение, что приводит к меньшему бликованию. В отличие от ламп HID, во время падения напряжения натриевые лампы низкого давления быстро возвращаются к полной яркости. Лампы LPS доступны с номинальной мощностью от 10 до 180 Вт; однако большая длина лампы может иметь проблемы с конструкцией и инженерией.
Современные лампы LPS имеют срок службы около 18 000 часов и не снижают световой поток со временем, хотя они увеличивают потребление энергии примерно на 10% к концу срока службы. Это свойство контрастирует с ртутными лампами HID, которые становятся тусклее к концу срока службы вплоть до неэффективности, при этом потребляя не уменьшенную электроэнергию.
В 2017 году компания Philips Lighting, последний производитель ламп LPS, объявила о прекращении производства ламп из-за падения спроса. [15] Первоначально производство должно было быть прекращено в течение 2020 года, но эта дата была перенесена, и последние лампы были произведены на заводе в Гамильтоне , Шотландия, 31 декабря 2019 года. [16]
Для мест, где световое загрязнение является важным фактором, например, вблизи астрономических обсерваторий или пляжей, где гнездятся морские черепахи , предпочтительны натриевые лампы низкого давления (как раньше в Сан-Хосе, Калифорния и Флагстаффе, Аризона ). [17] [18] Такие лампы излучают свет только на двух доминирующих спектральных линиях (с другими, гораздо более слабыми линиями), и поэтому имеют наименьшие спектральные помехи для астрономических наблюдений. [19] (Теперь, когда производство ламп LPS прекращено, рассматривается возможность использования узкополосных янтарных светодиодов, которые находятся в цветовом спектре, аналогичном LPS.) Желтый цвет натриевых ламп низкого давления также приводит к наименьшему визуальному свечению неба, в первую очередь из-за сдвига Пуркинье адаптированного к темноте человеческого зрения, в результате чего глаз становится относительно нечувствительным к желтому свету, рассеянному при низких уровнях яркости в чистой атмосфере. [20] [21] Одним из последствий широкого распространения общественного освещения является то, что в облачные ночи города с достаточным освещением освещаются светом, отраженным от облаков. Там, где источником городского освещения являются натриевые лампы, ночное небо окрашено в оранжевый цвет.
Процесс с парами натрия (иногда называемый желтым экраном) — это метод создания фильмов, основанный на узкополосных характеристиках лампы LPS. Цветная негативная пленка обычно нечувствительна к желтому свету от лампы LPS, но специальная черно-белая пленка способна его записывать. Используя специальную камеру, сцены записываются на две катушки одновременно, на одной из которых находятся актеры (или другие объекты переднего плана), а другая становится маской для последующего комбинирования с другим фоном . Первоначально этот метод давал результаты, превосходящие технологию синего экрана, и использовался в 1956–1990 годах, в основном студией Disney . Известными примерами фильмов, использующих этот метод, являются «Птицы » Альфреда Хичкока и фильмы Disney « Мэри Поппинс» и «Набалдашник и метла» . Более поздние достижения в области технологий синего и зеленого экрана и компьютерной обработки изображений закрыли этот пробел, сделав SVP экономически нецелесообразным. [22]
Натриевые лампы высокого давления (HPS) широко используются в промышленном освещении, особенно на крупных производственных предприятиях, и обычно используются в качестве освещения для выращивания растений . Они содержат ртуть . [23] Они также широко используются для наружного освещения, например, на дорогах, парковках и в зонах безопасности. Понимание изменения чувствительности цветового зрения человека от фотопического к мезопическому и скотопическому имеет важное значение для правильного планирования при проектировании освещения для дорог. [24]
Натриевые лампы высокого давления довольно эффективны — около 100 люменов на ватт при измерении для фотопических условий освещения. Некоторые лампы большей мощности (например, 600 ватт) имеют эффективность около 150 люменов на ватт.
Поскольку натриевая дуга высокого давления чрезвычайно химически активна, дуговая трубка обычно изготавливается из полупрозрачного оксида алюминия . Такая конструкция позволила компании General Electric использовать торговое название «Lucalox» для своей линейки натриевых ламп высокого давления.
Ксенон при низком давлении используется в качестве «стартового газа» в лампе HPS. Он имеет самую низкую теплопроводность и самый низкий потенциал ионизации из всех стабильных благородных газов . Как благородный газ, он не мешает химическим реакциям, происходящим в рабочей лампе. Низкая теплопроводность минимизирует тепловые потери в лампе в рабочем состоянии, а низкий потенциал ионизации приводит к тому, что напряжение пробоя газа в холодном состоянии относительно низкое, что позволяет лампе легко запускаться.
Разновидность высоконапорной натриевой лампы, представленной в 1986 году, белая HPS имеет более высокое давление, чем типичная лампа HPS, создавая цветовую температуру около 2700 кельвинов с индексом цветопередачи (CRI) около 85, что очень напоминает цвет лампы накаливания. [25] Эти лампы часто используются в помещениях кафе и ресторанов для эстетического эффекта. Однако белые лампы HPS имеют более высокую стоимость, более короткий срок службы и более низкую световую эффективность, поэтому они не могут конкурировать с HPS в настоящее время.
Амальгама металлического натрия и ртути находится в самой холодной части лампы и обеспечивает пары натрия и ртути, необходимые для создания дуги. Температура амальгамы в значительной степени определяется мощностью лампы. Чем выше мощность лампы, тем выше будет температура амальгамы. Чем выше температура амальгамы, тем выше будет давление паров ртути и натрия в лампе и тем выше будет напряжение на клеммах. По мере повышения температуры постоянный ток и увеличивающееся напряжение потребляют все больше энергии, пока не будет достигнут рабочий уровень мощности. Для заданного напряжения обычно существует три режима работы:
Первое и последнее состояния стабильны, поскольку сопротивление лампы слабо связано с напряжением, но второе состояние нестабильно. Любое аномальное увеличение тока вызовет увеличение мощности, что приведет к повышению температуры амальгамы, что вызовет снижение сопротивления, что вызовет дальнейшее увеличение тока. Это создаст эффект разгона, и лампа перейдет в состояние высокого тока (№ 3). Поскольку настоящие лампы не рассчитаны на такую большую мощность, это приведет к катастрофическому отказу. Аналогично, аномальное падение тока приведет к тому, что лампа погаснет. Именно второе состояние является желаемым рабочим состоянием лампы, поскольку медленная потеря амальгамы с течением времени из резервуара будет иметь меньшее влияние на характеристики лампы, чем полностью испарившаяся амальгама. Результатом является средний срок службы лампы, превышающий 20 000 часов.
На практике лампа питается от источника переменного напряжения последовательно с индуктивным « балластом », чтобы подавать на лампу почти постоянный ток, а не постоянное напряжение, тем самым обеспечивая стабильную работу. Балласт обычно индуктивный, а не просто резистивный, чтобы минимизировать потери энергии из-за потерь на сопротивление. Поскольку лампа эффективно гаснет в каждой точке нулевого тока в цикле переменного тока, индуктивный балласт помогает в повторном зажигании, обеспечивая скачок напряжения в точке нулевого тока.
Свет от лампы состоит из атомных линий эмиссии ртути и натрия, но преобладает эмиссия D-линии натрия. Эта линия чрезвычайно расширена давлением (резонансом) , а также самообратима из-за поглощения в более холодных внешних слоях дуги, что дает лампе улучшенные характеристики цветопередачи . Кроме того, красное крыло эмиссии D-линии еще больше расширено давлением силами Ван-дер-Ваальса от атомов ртути в дуге.
В конце срока службы натриевые лампы высокого давления (HPS) демонстрируют явление, известное как цикличность , вызванное потерей натрия в дуге. Натрий является высокореактивным элементом и теряется в реакции с оксидом алюминия дуговой трубки. Продуктами являются оксид натрия и алюминий :
В результате эти лампы могут быть запущены при относительно низком напряжении, но, поскольку они нагреваются во время работы, внутреннее давление газа внутри дуговой трубки растет, и для поддержания дугового разряда требуется все больше и больше напряжения . По мере того, как лампа стареет, поддерживающее напряжение для дуги в конечном итоге увеличивается, чтобы превысить максимальное выходное напряжение электрического балласта. Когда лампа нагревается до этой точки, дуга гаснет, и лампа гаснет. В конце концов, когда дуга гаснет, лампа снова остывает, давление газа в дуговой трубке уменьшается, и балласт может снова вызвать зажигание дуги. Эффект этого заключается в том, что лампа светится некоторое время, а затем гаснет, обычно начиная с чистого или голубовато-белого цвета, затем переходя к красно-оранжевому, прежде чем погаснуть.
Более сложные конструкции зажигателя обнаруживают цикличность и прекращают попытки запустить лампу после нескольких циклов, поскольку повторяющиеся высоковольтные зажигания, необходимые для перезапуска дуги, сокращают срок службы балласта или зажигателя, в зависимости от конфигурации зажигателя. Если питание отключается и снова подается, балласт делает новую серию попыток запуска.
Отказ лампы LPS не приводит к циклированию; скорее, лампа просто не зажигается или сохраняет тускло-красное свечение фазы запуска. В другом режиме отказа крошечный прокол дуговой трубки приводит к утечке части паров натрия во внешнюю вакуумную колбу. Натрий конденсируется и создает зеркало на внешнем стекле, частично затемняя дуговую трубку. Лампа часто продолжает работать нормально, но большая часть генерируемого света затемняется натриевым покрытием, не обеспечивая освещения.
