Ртутная лампа — это газоразрядная лампа , которая использует электрическую дугу через испаренную ртуть для получения света . [1] Дуговой разряд обычно ограничивается небольшой трубкой из плавленого кварца, установленной внутри большой колбы из натриевой извести или боросиликатного стекла . [1] Внешняя колба может быть прозрачной или покрытой люминофором ; в любом случае внешняя колба обеспечивает теплоизоляцию , защиту от ультрафиолетового излучения, создаваемого светом, и удобное крепление для трубки из плавленого кварца. [1]
Ртутные лампы более энергоэффективны , чем лампы накаливания , со световой отдачей от 35 до 55 люмен/ватт. [1] [2] Их другими преимуществами являются длительный срок службы лампы в диапазоне 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 для уличного освещения . Чистые ртутные лампы излучают зеленоватый свет из-за комбинации спектральных линий ртути. [2] Это не льстит цвету человеческой кожи , поэтому такие лампы обычно не используются в розничных магазинах. [2] Ртутные лампы с «цветовой коррекцией» решают эту проблему с помощью люминофора на внутренней стороне внешней колбы, который излучает на красных длинах волн, 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 для достижения 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 отметил ультрафиолетовые линии в этом спектре. В 1860 году Джон Томас Уэй использовал дуговые лампы, работающие в смеси воздуха и паров ртути при атмосферном давлении для освещения. [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 Г. С. Китинг из Англии запатентовали ртутную лампу, которую некоторые считают первой настоящей ртутной лампой. [6]
Первая ртутная лампа, добившаяся широкого распространения, была изобретена в 1901 году американским инженером Питером Купером Хьюиттом . [7] Хьюитт получил патент США 682 692 17 сентября 1901 года . [8] В 1903 году Хьюитт создал улучшенную версию, которая обладала более удовлетворительными цветовыми качествами, которые в конечном итоге нашли широкое промышленное применение. [7] Ультрафиолетовый свет ртутных ламп применялся для очистки воды к 1910 году. Лампы Хьюитта использовали большое количество ртути. В 1930-х годах улучшенные лампы современной формы, разработанные компанией Osram-GEC , компанией General Electric и другими, привели к широкому использованию ртутных ламп для общего освещения.
Ртуть в трубке при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Она должна испариться и ионизироваться, прежде чем лампа сможет выдавать полную световую мощность. [1] Для облегчения запуска лампы третий электрод устанавливается около одного из основных электродов и подключается через резистор к другому основному электроду. В дополнение к ртути трубка заполнена аргоном под низким давлением. При подаче питания, если имеется достаточное напряжение для ионизации аргона, ионизированный аргоновый газ зажжет 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 ртутный газ. Дуга зажигается между двумя основными электродами, и лампа затем будет излучать [9] в основном в ультрафиолетовой, фиолетовой и синей 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 увеличению яркости лампы. [10] [11] Весь процесс разогрева занимает примерно от 4 до 7 минут. Некоторые лампы включают в себя тепловой выключатель, который замыкает пусковой электрод на соседний основной электрод, гася пусковую дугу после того, как загорится основная дуга.
Ртутная лампа — это устройство с отрицательным сопротивлением . Это означает, что ее сопротивление уменьшается по мере увеличения тока через трубку. Поэтому, если лампа подключена напрямую к источнику постоянного напряжения, например, к линиям электропередач, ток через нее будет увеличиваться до тех пор, пока она не разрушится. Поэтому для ограничения тока через нее требуется балласт . Балласты для ртутных ламп похожи на балласты, используемые с люминесцентными лампами . Фактически, первые британские люминесцентные лампы были разработаны для работы от 80-ваттных ртутных балластов. Существуют также ртутные лампы со встроенным балластом. Эти лампы используют вольфрамовую нить последовательно с дуговой трубкой, чтобы действовать как резистивный балласт и добавлять полный спектр света к свету дуговой трубки. Ртутные лампы со встроенным балластом можно ввинчивать в стандартный патрон для лампы накаливания, на который подается соответствующее напряжение.
_in_Trenton,_Mercer_County,_New_Jersey.jpg/1280px-thumbnail.jpg)
Очень близкая конструкция лампы, называемая металлогалогенной лампой, использует различные соединения в форме галогенидов металлов с ртутью. Обычно используются йодид натрия и йодид скандия . Эти лампы могут производить гораздо более качественный свет, не прибегая к люминофорам. Если они используют пусковой электрод, всегда есть тепловой переключатель замыкания, чтобы устранить любой электрический потенциал между основным электродом и пусковым электродом, как только лампа зажигается. (Этот электрический потенциал в присутствии галогенидов может привести к выходу из строя стеклянно-металлического уплотнения). Более современные металлогалогенные системы не используют отдельный пусковой электрод; вместо этого лампа запускается с помощью высоковольтных импульсов , как в натриевых лампах высокого давления.
Лампы со встроенным балластом (SB) — это ртутные лампы с вольфрамовой нитью внутри, соединенной последовательно с дуговой трубкой, которая выполняет функцию электрического балласта. Это единственный вид ртутных ламп, которые можно подключать напрямую к сети без внешнего балласта. Эти лампы имеют такую же или немного более высокую эффективность, чем лампы накаливания аналогичного размера, но имеют более длительный срок службы. Они дают свет сразу после включения, но обычно им требуется несколько минут, чтобы снова зажечься, если питание было прервано. Из-за света, излучаемого нитью накаливания, они имеют немного лучшие свойства цветопередачи, чем ртутные лампы. Лампы со встроенным балластом, как правило, дороже, чем стандартные ртутные лампы.
Когда ртутная лампа включается впервые, она будет производить темно- синее свечение, потому что только небольшое количество ртути ионизировано, а давление газа в дуговой трубке очень низкое, поэтому большая часть света производится в ультрафиолетовых полосах ртути. Когда зажигается основная дуга, газ нагревается и увеличивается в давлении, свет смещается в видимый диапазон , а высокое давление газа заставляет полосы излучения ртути несколько расширяться, создавая свет, который кажется более белым для человеческого глаза, хотя это все еще не непрерывный спектр . Даже при полной интенсивности свет от ртутной лампы без люминофоров отчетливо голубоватый по цвету. Давление в кварцевой дуговой трубке повышается примерно до одной атмосферы, как только колба достигает своей рабочей температуры. Если разряд должен быть прерван (например, прерыванием подачи электроэнергии), лампа не сможет снова зажечься, пока колба не остынет достаточно, чтобы давление значительно упало. Причиной длительного периода времени до повторного зажигания лампы является повышенное давление, которое приводит к более высокому напряжению пробоя газа внутри (напряжение, необходимое для возникновения дуги – закон Пашена ), что находится за пределами возможностей балласта. Из-за этого многие ртутные лампы имеют вторичную лампу, которая функционирует как резервный источник света, пока ртутная лампа не сможет повторно зажечься. Эта лампа обычно является галогенной лампой с близкой или равной яркостью.
Чтобы исправить синеватый оттенок, многие ртутные лампы покрывают внутреннюю часть внешней колбы люминофором , который преобразует некоторую часть ультрафиолетового излучения в красный свет. Это помогает заполнить в противном случае очень дефицитный красный конец электромагнитного спектра . Эти лампы обычно называют «цветокорректирующими» лампами. Большинство современных ртутных ламп имеют такое покрытие. Одной из первоначальных жалоб на ртутные лампы было то, что они, как правило, делали людей похожими на «бескровных трупов» из-за отсутствия света от красного конца спектра. [12] Распространенным методом исправления этой проблемы до использования люминофоров была работа ртутной лампы в сочетании с лампой накаливания . Также наблюдается усиление красного цвета (например, из-за непрерывного излучения) в ртутных лампах сверхвысокого давления (обычно более 200 атм.), что нашло применение в современных медиапроекторах. На открытом воздухе покрытые или цветокорректирующие лампы обычно можно определить по синему «ореолу» вокруг испускаемого света.
Наиболее сильные пики спектра эмиссионной линии: [13] [14]
В ртутных лампах низкого давления присутствуют только линии на 184 нм и 254 нм. Плавленый кварц используется в производстве, чтобы предотвратить поглощение света 184 нм. В ртутных лампах среднего давления присутствуют линии от 200 до 600 нм. Лампы могут быть сконструированы так, чтобы излучать в основном в УФ-А (около 400 нм) или УФ-С (около 250 нм). Ртутные лампы высокого давления обычно используются для общего освещения. Они излучают в основном в синем и зеленом цветах.
Ртутные лампы низкого давления [15] обычно имеют кварцевую колбу, чтобы обеспечить передачу коротковолнового света . Если используется синтетический кварц, то прозрачность кварца увеличивается еще больше, и также наблюдается линия излучения при 185 нм. Такая лампа затем может использоваться для ультрафиолетового бактерицидного облучения . [16] Линия 185 нм будет создавать озон в атмосфере, содержащей кислород, что помогает в процессе очистки, но также представляет опасность для здоровья.
Для мест, где световое загрязнение имеет первостепенное значение (например, парковка обсерватории ), предпочтительны натриевые лампы низкого давления . Поскольку они испускают узкие спектральные линии на двух очень близких длинах волн, их легче всего отфильтровать. Ртутные лампы без какого-либо люминофора являются вторыми по качеству; они производят только несколько отдельных линий ртути, которые необходимо отфильтровать.
В ЕС использование ртутных ламп с низкой эффективностью 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 для ртутных ламп специального назначения, были запрещены после 1 января 2008 года. [18] Из-за этого несколько производителей начали продавать сменные компактные люминесцентные (CFL) и светодиодные (LED) лампы для ртутных светильников, которые не требуют модификации существующего светильника. Министерство энергетики США определило в 2015 году, что правила, предложенные в 2010 году для ртутных ламп HID, не будут реализованы, поскольку они не дадут существенной экономии. [19]
Дуговая трубка ртутных ламп производит большое количество коротковолнового УФ-С- излучения, которое может вызвать ожоги глаз и кожи. Обычно внешняя стеклянная оболочка лампы, а в некоторых лампах также и фосфорное покрытие, блокируют это излучение. Однако следует соблюдать осторожность, если внешняя оболочка лампы разобьется, поскольку дуговая трубка продолжит работать, представляя угрозу безопасности. [20] В Соединенных Штатах были зарегистрированы случаи повреждения ламп в спортзалах мячами, ударявшимися о лампы, что приводило к солнечным ожогам и воспалению глаз от коротковолнового ультрафиолетового излучения. [21] При использовании в таких местах, как спортзалы, светильник должен содержать прочную внешнюю защиту или внешнюю линзу для защиты внешней колбы лампы. В результате указанных зарегистрированных случаев некоторые американские производители изготавливали «безопасные» лампы, которые намеренно перегорают, если внешнее стекло разобьется. Обычно это достигается с помощью тонкой вольфрамовой полоски, которая сгорит в присутствии воздуха, для соединения одного из электродов.
Типичные ртутные лампы с внешней оболочкой из натриевой извести или боросиликатного стекла все еще пропускают относительно большое количество УФ-излучения 365 нм. Это может привести к ускоренному старению некоторых пластиков, используемых в конструкции светильников, из-за чего они значительно обесцвечиваются всего через несколько лет эксплуатации. Поликарбонат особенно страдает от этой проблемы, и нередко можно увидеть, как сравнительно новые поликарбонатные поверхности, расположенные рядом с лампой, приобретают тусклый желтый цвет уже через короткое время.
Хотя другие типы HID становятся все более распространенными, ртутные лампы по-прежнему иногда используются для освещения территорий и улиц в Соединенных Штатах, Канаде и Японии.
Ртутные лампы используются в полиграфии для отверждения чернил. Обычно они обладают высокой мощностью для быстрого отверждения и закрепления используемых чернил. Они закрыты и имеют защиту от воздействия на человека, а также специальные вытяжные системы для удаления образующегося озона.
Высоконапорные ртутные лампы (и некоторые специально разработанные металлогалогенные) находят применение в молекулярной спектроскопии благодаря предоставлению 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 T = 11 500 К. Это свойство делает их одними из немногих простых и недорогих источников, доступных для генерации таких частот. Например, стандартная 250-ваттная ртутная лампа общего освещения производит значительный выход от 120 ГГц до 6 ТГц. Кроме того, более короткие длины волн в среднем инфракрасном диапазоне излучаются из горячей кварцевой дуговой трубки. Как и в случае с ультрафиолетовым выходом, стеклянная внешняя колба в значительной степени непрозрачна на этих частотах и, таким образом, для этой цели ее необходимо удалить (или исключить в лампах специального назначения). [ необходима 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}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Медиа, связанные с ртутной лампой на Wikimedia Commons