Расчет основных характеристик металлогалогенной лампы
Основные теоретические сведения
Металлогалогенная лампа- это один из типов газоразрядных ламп высокого давления. Их световой поток образуется непосредственно в плазме дугового разряда за счет добавок внутрь лампы галогенидов некоторых металлов. Основным элементом наполнения разрядной трубки МГЛ является инертный газ (аргон Ar) и ртуть Hg.
Принцип работы
После зажигания разряда, когда достигается рабочая температура колбы, галогениды металлов частично переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда с температурой в несколько тысяч кельвин, молекулы галогенидов диссоциируют на галоген и металл. Атомы металла возбуждаются и излучают характерные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в галогениды, которые вновь испаряются. Возникает замкнутый цикл. Таким образом, в разряде создается достаточная концентрация атомов металлов, дающих требуемый спектр излучения, и появляется возможность вводить в разряд различные металлы, имеющие свои спектры. Излучающие добавки подбираются таким образом, чтобы заполнить провалы в спектре излучения ртути и выровнять его. В разрядах преобладает излучение металлов-добавок, в то время как атомы ртути слабо участвуют в излучении, несмотря на то, что их концентрации в разряде в сотни и тысячи раз больше концентраций излучающих добавок.
Применение галогенидов резко увеличило число химических элементов, используемых для генерации излучения, и позволило создать МГЛ с весьма различными спектрами, особенно в случае использования смеси галогенидов.
Применение
МГЛ - компактный, мощный и эффективный источник света, находящий широкое применение в осветительных и светосигнальных приборах различного назначения.
Основные области применения: утилитарное, декоративное и архитектурное наружное освещение, осветительные установки промышленных и общественных зданий, сценическое и студийное освещение, осветительные установки для освещения больших открытых пространств (железнодорожные станции, карьеры и т.д.), освещение спортивных объектов и т.д. В осветительных установках технологического назначения МГЛ могут использоваться как мощный источник видимого и ближнего ультрафиолетового излечения. Компактность светящегося тела МГЛ делает их весьма удобными источниками света для световых приборов прожекторного типа с катоптрической и катадиоптрической оптикой.
Конструкция
Сердцем лампы является разрядная камера (рис.3.1), которая изготавливается из оптического кварцевого стекла или керамики(Преимуществом керамических горелок является их более высокая термостойкость а так же высокая цветопередача заявленная производителями на весь срок службы лампы). В случае керамики применяется поликор. Поликор – это поликристаллическая керамика из окиси алюминия, стойкая к высоким температурам и действию агрессивных щелочных металлов.
рис.3.1
Разрядная камера (горелка) с электродами внутри помещена во внешнюю колбу из вольфрамового стекла. Форма внешних колб столь же разнообразна, как и типы цоколей ламп. Как правило, геометрия колб диктуется конструкцией светильника, в котором МГЛ будет эксплуатироваться.
Сама горелка содержит инертный газ для зажигания, некоторое количество ртути и один или более галоидных соединений металлов.
Лампы различают:
1. По виду горелки – керамическая или кварцевая.
2. По типу цоколя. Он может быть: винтовой, штырьковый, двухцокольный.
3. По мощности.
4. По размерам.
5. По цветовой температуре.
Буферный газ
Во всех современных МГЛ в качестве буфера применяется ртуть. Она обладает удивительно удачным сочетанием качеств.
1. Пары ртути и ее галогенные соединения не разрушают стенок колбы и материала электродов при их рабочих температурах.
2. Пары ртуть обладают малой теплопроводностью, так как они одноатомны и имеют одну из самых больших атомных масс(200,6) . Вследствие этого удается уменьшить почти до предела удельные тепловые потери в столбе.
3. Потенциалы возбуждения и ионизации атомов ртути существенно выше, чем у других металлов, вводимых в качестве излучающих добавок, что позволяет вводить эти добавки при значительно низких давлениях. Благодаря этому удается получать излучение более 40 металлов, галогениды которых имеют достаточные упругости паров при максимальной рабочей температуре кварцевого стекла.
4. Пары ртути имеют низкое давление при комнатной температуре (около 0, 17 Па), а при повышении температуры в пределах, которые допускает работа кварцевого стекла, давление паров ртути может быть доведено до десяти и более мегапаскалей. Благодаря этому облегчается зажигание разряда, и имеется возможность регулировать рабочее давление буфера в исключительно рабочих пределах.
5. Ртуть образует соединение с иодом, благодаря чему свободный иод связывается, что облегчает зажигание. Замечу, что иодид ртути является газом, который обладает, так же, как и иод, высоким сродством к электронам, но давление его паров при комнатной температуре значительно ниже, чем у паров иода. Поэтому он оказывает не такое сильное влияние на зажигание разряда, как иод.
6. Ртуть вызывает значительное уширение ряда спектральных линий добавок, благодаря чему увеличивается их выход.
Также сейчас изучаются лампы, работающие на ксеноне, который обладает сравнительно большой атомной массой (131,3) , но возникает вопрос с зажиганием разряда.
Электроды для МГЛ
В подавляющем большинстве источников света дугового разряда используются горячие катоды, электронная эмиссия которых состоит главным образом из термоэмиссии, увеличенной за счет ускоряющего поля у поверхности катода.
В целях снижения работы выхода в лампах дугового разряда применяют , как правило, только активированные катоды.
Наличие галогенов в наполнении ламп исключает возможность использования катодов, активированных оксидами и другими соединениями щелочноземельных металлов (Ba, Ca, Sr), отлично работающих в ртутных лампах. Галогены, взаимодействуя с оксидами этих элементов, образуют их галогениды, которые испаряются и затем конденсируются на стенках колбы, унося с катода активирующие металлы. Оставшийся кислород, взаимодействуя с раскаленным вольфрамом, образует его летучие оксиды, которые переносят вольфрам на стенки. В результате через несколько десятков часов работы катоды теряют свои эмиттирующие свойства и перегреваются, повышается напряжение зажигания, стенки колбы покрываются черным налетом, и лампы выходят из строя. Поэтому в МГЛ приходится применять катоды, активированные другими элементами. Наиболее часто этим элементом является торий, так как можно создать такие условия, при которых торий в результате галогенного цикла оседать на кончике электрода, обеспечивая максимальную термоэмиссию и препятствую испарению вольфрама.
В лампах, работающих на переменном токе, электроды имеют, как правило, одинаковую конструкцию, поскольку каждый электрод попеременно с частотой питания становится то катодом, то анодом.
Добавки (галогениды)