Sodné žiarovky: dominancia skroteného chemického prvku

Článok sa zaoberá návrhom a použitím vysokotlakových sodíkových výbojok.

Pre astronómov je to dnes ťažké. Či sú na oblohe orientované ďalekohľadmi, línie sodíka a ortuti budú vždy prítomné na fotografiách spektier hviezd. Takéto spektrá vôbec nedokazujú, že hviezdy sú bohaté na tieto chemické prvky. Dôvod je čisto pozemský: vonkajšie osvetlenie miest a diaľnic pomocou výbojok s vysokou intenzitou vytvára také silné osvetlenie atmosféry, že citlivé astronomické prístroje zachytávajú svetlo umelých „hviezd“.

Najväčší prínos k pouličnému osvetleniu a hlavná prekážka pre astronomické pozorovania sú dnes vysokotlakové sodíkové výbojky. O nich sa bude diskutovať v tomto materiáli.

Predovšetkým prečo práve vysoký tlak? Faktom je, že výbojky s nízkym tlakom ortuti sa objavili v predvojnovom období. Žiarivky sa rýchlo rozšírili. Dlhodobý výboj v sodnej pare sa však nemohol dosiahnuť kvôli nízkemu parciálnemu tlaku sodíka pri nízkych teplotách.

Po niekoľkých technologických trikoch sa líši vytvorenie sodíkových výbojok pracujúcich pri nízkom tlaku. Kvôli zložitému dizajnu sa však často nepoužívali. Šťastnejší osud vysokotlakové sodíkové výbojky (NLVD), Počiatočné pokusy o vytvorenie žiaroviek v kremennom skle boli neúspešné. Pri vysokých teplotách sa zvyšuje chemická aktivita sodíka. Mobilita jej atómov (difúzia) tiež rastie. Preto v kremíkových horákoch sodík rýchlo prenikol kremíkom a zničil plášť horáka.

Situácia sa merala, keď začiatkom 60. rokov spoločnosť General Electric patentovala nový keramický materiál, ktorý môže pracovať v parách sodíka pri vysokých teplotách. Získal obchodnú značku „Lukalos“. Túto keramiku nazývame "Polycor", Keramika sa vyrába vysokoteplotným spekaním oxidu hlinitého.

Oxid hlinitý má viac ako 10 modifikácií kryštalickej mriežky v závislosti od podmienok oxidačnej reakcie. Na účely osvetlenia je vhodná iba jedna modifikácia - alfa forma oxidu, ktorý má najhustejšie zhmotnenie atómov v kryštáli. Spekanie alebo skôr „pestovanie“ keramiky je veľmi náladové. Okrem chemickej odolnosti voči parám sodíka by keramika mala mať skutočne vysokú priehľadnosť. Aký má zmysel vyrábať lampu, ak sa väčšina svetla stratí v stenách výbojky (horáka)?

Keramický horák sodíkových výbojok je hlavným znakom od ostatných svetelných zdrojov s plynovou výbojkou. Keramika, ktorá pracuje pri teplotách vyšších ako 1 000 stupňov, dokáže zadržať sodík desaťtisíce hodín. To však neznamená, že sodík vôbec nemôže preniknúť von do objemu vonkajšej banky.

Hustá kryštalická mriežka skutočne bráni difúzii atómov cez keramiku. Kryštalické bloky oxidu hlinitého sú však navzájom „spojené“ amorfnou sklenenou medzifázovou keramikou. Pozostáva z prísad, ktoré obmedzujú rast polykryštalických kryštálov a nečistôt, ktorým je nevyhnutné vyhnúť sa v akomkoľvek materiáli. Životnosť sodíkových výbojok je preto presne určená stratou sodíka prostredníctvom medzikryštalického materiálu.

Na sodíkové výbojky sa používajú monokryštály oxidu hlinitého - „monokor“, lepšie známe ako zafír.Vypúšťacie trubice vyrobené z takéhoto materiálu majú veľmi vysokú priepustnosť, vysokú odolnosť proti difúzii sodíka, ale anizotropné (rôzne smery) mechanické vlastnosti sťažujú utesňovanie horákov vysokoteplotnými cementmi. Okrem toho sú výrazne drahšie ako polykryštalické horáky.

Horák so sodíkovou lampou má iba dve elektródy, na ktoré je nanesená emisná vrstva, aby sa uľahčilo počiatočné zapálenie žiarovky. Do horáka sa dávkuje inertný plyn (obvykle xenón pri tlaku asi 20 mm Hg) a amalgám (zliatina) ortuti so sodíkom vo forme gule s presne pevným zložením a veľkosťou.

Životnosť žiarovky priamo súvisí so životnosťou horáka. A to je zase determinované zásobou sodíka a emisným zložením na elektródach. V priebehu času sodík uniká keramikou, čo vedie k zvýšeniu napätia na horáku, čo spôsobuje, že lampa zhasne okamžite po vstupe do režimu.

Po ochladení lampa znova bliká, aby zhasla. Častá prevádzka (krátke cykly zapínania a vypínania) vedie k zrýchlenej spotrebe žiariča - emisné zloženie na elektródach a žiarovke zlyhá.

Horák je namontovaný vo vonkajšej banke vyrobenej zo žiaruvzdorného skla na traverzách (podperách). Po vyprázdnení a odvápnení je základňa pripevnená k banke (zvyčajne E27 alebo E40). Objem vonkajšej banky sa evakuuje. Na dosiahnutie vyššieho vákua sa v ňom dodatočne nastrieka getrová kompozícia - geter.

Vákuová izolácia horákov je nevyhnutná na ochranu žiaruvzdorných kovov štruktúry horáka (nióbu, molybdénu) pred oxidáciou. Hlavnou úlohou je však eliminovať tepelné straty konvekciou. Keramika, ktorá pracuje pri teplotách nad 1000 stupňov, sa napokon stáva silným zdrojom tepelnej energie. Pri zlej tepelnej izolácii sa účinnosť žiarovky znižuje, žiarovka a žiarovka sa prehrievajú.

Teraz je k dispozícii široká škála sodíkových výbojok od 35 do 1 000 wattov. Tri hlavné skupiny sodíkových lámp sa dajú rozlíšiť podľa tvaru vonkajšej žiarovky a vlastností aplikácie: DNaT s trubicovou žiarovkou, DNaS s eliptickou matnou škrupinou a DNaZ so zrkadlovým odrazom.

O aplikácii vysokotlakové sodíkové výbojky nestojí to za zmienku: je to pouličné osvetlenie osád, rušné diaľnice a zvýrazňovanie architektonických súborov.

Lampy DNaS vyvinutý ako náhrada za ortuťové žiarivky (DRL). Okrem eliptického tvaru banky majú zvláštnosti plnenia horákov: namiesto čistého xenónu sa dávkuje zmes ušľachtilých plynov (Penningova zmes) na uľahčenie vznietenia. Takéto svetlá sú prevádzkované bez zapaľovacieho zariadenia, ktoré generuje vysokonapäťové impulzy. Ostatné typy sodíkových výbojok potrebujú podobné zariadenie.

Lampy DNAZ našli uplatnenie v priemyselných skleníkoch na urýchlenie fotosyntézy rastlín. Podiel týchto žiaroviek na celkovom počte zdrojov využívajúcich sodíkové žiarenie je pomerne malý a možno ich pripísať špeciálnym žiarovkám.

S veľmi vysokou účinnosťou a dobrým podaním farieb mohli sodíkové žiarovky s nízkym príkonom (35 a 50 W) nájsť uplatnenie v každodennom živote. Prísady do horákov kovov vzácnych zemín umožňujú získať spektrum žiarenia, ktoré je takmer nerozoznateľné od slnečného žiarenia.

Achillova päta žiaroviek však nie je zložitá schéma napájania - moderná elektronika sa s týmto problémom ľahko vyrovná. Čas zrýchlenia a výstupu do prevádzkového režimu je prekážkou, ktorá neguje všetky výhody sodíkových výbojok v každodennom živote. Nízkoenergetické žiarovky trvajú 4 až 6 minút a úplné parametre sa stabilizujú v priebehu 20 až 25 minút. Na vyrovnanie sa s takýmito nepríjemnosťami pri osvetlení miestností zriedka súhlasí niekto.

Doteraz neexistujú prakticky žiadne iné alternatívne zdroje svetla pre vonkajšie osvetlenie.Sodné výbojky budú túto výklenok zaberať po dlhú dobu, blahosklonne pri pohľade na pokusy moderné „upstarts“, ako sú LED svetlá stlačte ich.