Ртутная лампа — это газоразрядная лампа , в которой для получения света используется электрическая дуга, проходящая через испаренную ртуть . [1] Дуговой разряд обычно ограничивается небольшой дуговой трубкой из плавленого кварца , установленной внутри более крупной колбы из натриево-известкового или боросиликатного стекла . [1] Внешняя колба может быть прозрачной или покрыта люминофором ; в любом случае внешняя колба обеспечивает теплоизоляцию , защиту от ультрафиолетового излучения, которое излучает свет, и удобное крепление для дуговой трубки из плавленого кварца. [1]
Ртутные лампы более энергоэффективны, чем лампы накаливания со светоотдачей от 35 до 55 люмен/ватт. [1] [2] Другими их преимуществами являются длительный срок службы лампы (24 000 часов) и высокая интенсивность чистого белого света. [1] [2] По этим причинам они используются для верхнего освещения больших площадей, например, на заводах, складах и спортивных аренах, а также в качестве уличных фонарей . Прозрачные ртутные лампы излучают зеленоватый свет благодаря сочетанию спектральных линий ртути. [2] Это не соответствует цвету кожи человека , поэтому такие лампы обычно не используются в розничных магазинах. [2] Ртутные лампы с «коррекцией цвета» решают эту проблему благодаря люминофору внутри внешней лампы, который излучает красные волны, обеспечивая более белый свет и лучшую цветопередачу .
Ртутные лампы работают при внутреннем давлении около одной атмосферы и требуют специальных приспособлений, а также электрического балласта . Им также требуется период прогрева от четырех до семи минут, чтобы достичь полной светоотдачи. Ртутные лампы устаревают из-за более высокой эффективности и лучшего цветового баланса металлогалогенных ламп . [3]
Чарльз Уитстон наблюдал спектр электрического разряда в парах ртути в 1835 году и заметил в этом спектре ультрафиолетовые линии. В 1860 году Джон Томас Уэй использовал для освещения дуговые лампы, работающие на смеси воздуха и паров ртути при атмосферном давлении. [4] Немецкий физик Лео Аронс (1860–1919) изучал ртутные разряды в 1892 году и разработал лампу на основе ртутной дуги. [5] В феврале 1896 года Герберт Джон Доусинг и Х. С. Китинг из Англии запатентовали ртутную лампу, которую некоторые считают первой настоящей ртутной лампой. [6]
Первая ртутная лампа, добившаяся широкого успеха, была изобретена в 1901 году американским инженером Питером Купером Хьюиттом . [7] Хьюитту был выдан патент США № 682,692 17 сентября 1901 года. [8] В 1903 году Хьюитт создал улучшенную версию, которая обладала более удовлетворительными цветовыми качествами, которая в конечном итоге нашла широкое промышленное применение. [7] К 1910 году для очистки воды стали применять ультрафиолетовый свет ртутных ламп. В лампах Хьюитта использовалось большое количество ртути. В 1930-е годы усовершенствованные лампы современной формы, разработанные фирмой Osram-GEC , фирмой General Electric и другими, привели к широкому использованию ртутных ламп для общего освещения.
Ртуть в трубке при нормальной температуре является жидкостью. Его необходимо испарить и ионизировать , прежде чем лампа сможет обеспечить полную светоотдачу. [1] Для облегчения зажигания лампы третий электрод устанавливается рядом с одним из основных электродов и подключается через резистор к другому основному электроду. Помимо ртути, трубка заполнена аргоном под низким давлением. При подаче питания, если имеется достаточное напряжение для ионизации аргона, ионизированный газ аргон образует небольшую дугу между пусковым электродом и соседним основным электродом. Поскольку ионизированный аргон проводит ток, тепло от его дуги испаряет жидкую ртуть; затем напряжение между двумя основными электродами ионизирует газообразную ртуть. Между двумя основными электродами возникает дуга, и лампа начинает излучать [9] преимущественно в ультрафиолетовых, фиолетовых и синих линиях излучения . Продолжающееся испарение жидкой ртути увеличивает давление в дуговой трубке до 2–18 бар , в зависимости от размера лампы. Увеличение давления приводит к дальнейшему свечению лампы. [10] [11] Весь процесс разминки занимает примерно 4–7 минут. Некоторые лампы оснащены термовыключателем, который замыкает стартовый электрод на соседний основной электрод, гася стартовую дугу при зажигании основной дуги.
Ртутная лампа является устройством с отрицательным сопротивлением . Это означает, что его сопротивление уменьшается по мере увеличения тока через трубку. Таким образом, если лампа подключена непосредственно к источнику постоянного напряжения, например, к линии электропередачи, ток через нее будет увеличиваться, пока он не разрушится сам. Поэтому для ограничения тока через него требуется балласт . Балласты ртутных ламп аналогичны балластам, используемым в люминесцентных лампах . Фактически, первые британские люминесцентные лампы были разработаны для работы от 80-ваттных ртутных балластов. Существуют также ртутные лампы с самобалластом. В этих лампах последовательно с дуговой трубкой используется вольфрамовая нить, которая действует как резистивный балласт и добавляет свет полного спектра к свету дуговой трубки. Ртутные лампы с самобалластом можно ввинчивать в стандартную розетку для лампы накаливания, на которую подается необходимое напряжение.
В очень близкой конструкции лампы, называемой металлогалогенной лампой, используются различные соединения в виде галогенидов металлов с ртутью. Обычно используются йодид натрия и йодид скандия . Эти лампы могут производить свет гораздо лучшего качества, не прибегая к использованию люминофоров. Если они используют пусковой электрод, всегда имеется термозамыкатель для устранения любого электрического потенциала между основным электродом и пусковым электродом после зажигания лампы. (Этот электрический потенциал в присутствии галогенидов может привести к разрушению уплотнения стекло/металл). В более современных металлогалогенных системах не используется отдельный пусковой электрод; вместо этого лампа запускается с помощью импульсов высокого напряжения , как и в натриевых лампах высокого давления.
Лампы с самобалластом (SB) представляют собой ртутные лампы с вольфрамовой нитью внутри, последовательно соединенной с дуговой трубкой, которая выполняет функцию электрического балласта. Это единственный вид ртутных ламп, которые можно подключать напрямую к электросети без внешнего балласта. Эти лампы имеют такой же или немного более высокий КПД, чем лампы накаливания аналогичного размера, но имеют более длительный срок службы. Они загораются сразу при запуске, но обычно требуется несколько минут для повторного включения, если питание было прервано. Из-за света, излучаемого нитью накаливания, их цветопередача немного лучше, чем у ртутных ламп. Лампы с самобалластом обычно дороже стандартных ртутных ламп.
При первом включении ртутной лампы она будет излучать темно- синее свечение, поскольку ионизируется лишь небольшое количество ртути, а давление газа в дуговой трубке очень низкое, поэтому большая часть света генерируется в ультрафиолетовом диапазоне ртути . группы. Когда зажигается основная дуга, газ нагревается и давление увеличивается, свет смещается в видимый диапазон , а высокое давление газа приводит к некоторому расширению полос излучения ртути, создавая свет, который человеческому глазу кажется более почти белым, хотя это все еще не непрерывный спектр . Даже при полной интенсивности свет ртутной лампы без люминофоров имеет отчетливо голубоватый цвет. Давление в кварцевой дуговой трубке повышается примерно до одной атмосферы, как только колба достигает рабочей температуры. Если разряд должен быть прерван (например, из-за отключения электропитания), лампа не сможет повторно зажечься до тех пор, пока колба не остынет настолько, что давление значительно упадет. Причина длительного периода времени перед повторным зажиганием лампы заключается в повышенном давлении, которое приводит к более высокому напряжению пробоя газа внутри (напряжение, необходимое для зажигания дуги - закон Пашена ), что находится за пределами возможностей балласта. По этой причине многие ртутные лампы имеют дополнительную лампу, которая работает в качестве резервного источника света до тех пор, пока ртутная лампа не загорится повторно. Эта лампа обычно представляет собой галогенную лампу близкой или равной яркости.
Чтобы исправить голубоватый оттенок, многие ртутные лампы покрывают внутреннюю часть внешней колбы люминофором, который преобразует некоторую часть ультрафиолетового излучения в красный свет. Это помогает заполнить очень дефицитный красный конец электромагнитного спектра . Эти лампы обычно называют лампами с цветовой коррекцией. Большинство современных ртутных ламп имеют такое покрытие. Одна из первоначальных жалоб на ртутные лампы заключалась в том, что они делали людей похожими на «бескровные трупы» из-за отсутствия света красного конца спектра. [12] Распространенным методом решения этой проблемы до того, как были использованы люминофоры, было использование ртутной лампы в сочетании с лампой накаливания . Также наблюдается усиление красного цвета (например, за счет непрерывного излучения) в ртутных лампах сверхвысокого давления (обычно более 200 атм.), что нашло применение в современных медиапроекторах. На улице лампы с покрытием или с цветокоррекцией обычно можно отличить по синему «ореолу» вокруг излучаемого света.
Наиболее сильные пики спектра эмиссионных линий [13] [14]
В ртутных лампах низкого давления присутствуют только линии 184 нм и 254 нм. В производстве используется плавленый кварц, чтобы предотвратить поглощение света с длиной волны 184 нм. В ртутных лампах среднего давления присутствуют линии от 200 до 600 нм. Лампы могут быть сконструированы так, чтобы излучать преимущественно в УФ-А (около 400 нм) или УФ-С (около 250 нм). Ртутные лампы высокого давления обычно используются для общего освещения. Они излучают преимущественно синий и зеленый цвета.
Ртутные лампы низкого давления [15] обычно имеют кварцевую колбу, обеспечивающую передачу коротковолнового света . Если используется синтетический кварц, то прозрачность кварца еще больше увеличивается и наблюдается также эмиссионная линия при 185 нм. Такую лампу затем можно использовать для ультрафиолетового бактерицидного облучения . [16] Линия 185 нм создает озон в кислородсодержащей атмосфере, что помогает в процессе очистки, но также представляет опасность для здоровья.
Для мест, где световое загрязнение имеет первостепенное значение (например, парковка у обсерватории ), предпочтительным является натрий низкого давления . Поскольку он излучает узкие спектральные линии на двух очень близких длинах волн, его легче всего отфильтровать. Ртутные лампы без люминофора занимают второе место; они производят лишь несколько отдельных линий ртути, которые необходимо отфильтровать.
В ЕС использование ртутных ламп низкой эффективности для освещения было запрещено в 2015 году. Это не влияет на использование ртути в компактных люминесцентных лампах , а также на использование ртутных ламп для целей, отличных от освещения. [17]
В США балласты для ртутных ламп общего освещения, за исключением балластов ртутных ламп специального назначения, были запрещены после 1 января 2008 года . диодные (LED) лампы для ртутных светильников, которые не требуют модификации существующего светильника. В 2015 году Министерство энергетики США определило, что правила, предложенные в 2010 году для ламп ртутного типа, не будут применяться, поскольку они не дадут существенной экономии. [19]
Дуговая трубка ртутных ламп производит большое количество коротковолнового УФ- излучения, которое может вызвать ожоги глаз и кожи. Обычно это излучение блокируется стеклянной внешней оболочкой лампы, а в некоторых лампах и люминофорным покрытием. Однако следует соблюдать осторожность, если наружная оболочка лампы сломается, поскольку дуговая трубка будет продолжать работать, что представляет угрозу безопасности. [20] В Соединенных Штатах были зарегистрированы случаи повреждения ламп в спортзалах ударами шариков по лампам, что приводило к солнечным ожогам и воспалениям глаз от коротковолнового ультрафиолетового излучения. [21] При использовании в таких местах, как спортивные залы, светильник должен иметь прочную внешнюю защиту или внешнюю линзу для защиты внешней колбы лампы. В результате указанных задокументированных случаев некоторые американские производители создали «безопасные» лампы, которые намеренно перегорают, если разбить внешнее стекло. Обычно этого достигают, используя для подключения одного из электродов тонкую вольфрамовую полоску, которая сгорает в присутствии воздуха.
Типичные ртутные лампы с внешней колбой из натриевой извести или боросиликатного стекла по-прежнему позволяют относительно большому количеству УФ-излучения с длиной волны 365 нм выходить из лампы. Это может вызвать ускоренное старение некоторых пластмасс, используемых в конструкции светильников, в результате чего они значительно обесцвечиваются уже через несколько лет эксплуатации. Поликарбонат особенно страдает от этой проблемы, и нередко можно увидеть, как довольно новые поликарбонатные поверхности, расположенные рядом с лампой, через короткое время становятся тусклыми, желтыми.
Хотя другие типы газоразрядных ламп становятся все более распространенными, ртутные лампы все еще иногда используются для освещения территорий и улиц в США, Канаде и Японии.
Ртутные лампы используются в полиграфической промышленности для отверждения чернил. Обычно они обладают высокой мощностью, позволяющей быстро отверждать и закреплять используемые чернила. Они закрыты и имеют защиту от воздействия на человека, а также специальные выхлопные системы для удаления образующегося озона.
Ртутные лампы высокого давления (и некоторые специально разработанные металлогалогенные лампы) находят применение в молекулярной спектроскопии благодаря обеспечению полезной широкополосной энергии континуума («шума») на миллиметровых и терагерцовых длинах волн из-за высокой электронной температуры дуговой плазмы; основная линия УФ-излучения ионизированной ртути (254 нм) коррелирует с черным телом с температурой T = 11 500 К. Это свойство делает их одними из очень немногих простых и недорогих источников, доступных для генерации таких частот. Например, стандартная ртутная лампа общего освещения мощностью 250 Вт производит значительную мощность в диапазоне от 120 ГГц до 6 ТГц. Кроме того, более короткие волны в среднем инфракрасном диапазоне излучаются из оболочки горячей кварцевой дуговой трубки. Как и в случае с ультрафиолетовым излучением, внешняя стеклянная колба в значительной степени непрозрачна на этих частотах, и поэтому для этой цели ее необходимо удалить (или не использовать в специально изготовленных лампах). [ нужна цитата ]
Специальные ртутные лампы сверхвысокого давления, называемые лампами сверхвысокой производительности или лампами UHP, обычно используются в цифровых видеопроекторах , включая проекторы DLP , 3LCD и LCoS .
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
СМИ, связанные с ртутной лампой, на Викискладе?