Газоразрядные лампы

2.2.1 Лампы с излучающим газовым разрядом. Газоразрядными называют лампы, у которых оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях при пропускании через них электрического тока. они имеют по сравнению с лампами накаливания боле высокую световую отдачу и больший срок службы. Особенно они эффективны для освещения. Так, в передовых странах мира они создают более половины светового потока. световая отдача современных люминесцентных ламп достигает более 100 лм/Вт.

Ртутные лампы высокого давления имеют высокую светоотдачу (45-60 лм/Вт) и большой срок службы (10-15 тысяч часов). Они в основном используются для наружного освещения.

Подбирая соответствующее наполнение и условия разряда удается создавать высокоэффективные источники практически в любой области спектра, в том числе в ультрафиолетовой и инфракрасной. При этом можно получать излучение как в отдельных спектральных полосах, так и излучение с непрерывным спектром.

Натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы превышают по своим параметрам дуговые ртутные лампы.

Яркость газоразрядных ламп превосходит яркость ламп накаливания в десятки и сотни раз.

К первому недостатку газоразрядных ламп следует отнести сложность их включения, так как для их поджига требуется напряжение большее, чем для устойчивого горения. Для устойчивого горения необходим балласт, ограничивающий ток разряда до определенного предела. Второй недостаток – это зависимость характеристик газоразрядных ламп от температуры, от которой зависит давление паров рабочего вещества лампы. Это приводит к тому, что номинальный режим устанавливается лишь спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах металлов при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приемов возможно только по истечении некоторого времени после выключения.

Принцип действия газоразрядных ламп основан на электрическом разряде между электродами, запаянными в прозрачную колбу. Иногда вводят дополнительные электроды для зажигания. Внутреннее пространство колбы после обезвоживания и обезгаживания заполняют инертным газом или инертным газом с небольшим количеством металла с высокой упругостью паров (ртутью, натрием). Также вводят галогениды некоторых металлов.

Для создания газоразрядных лам применяют тлеющий и дуговой разряд в газе. Вид разряда определяется параметрами элементов внешней цепи (питающее напряжение) и балластного сопротивления, типом катода, давлением газа и пара, наполняющих лампу. Тлеющий разряд горит при низком давлении газа порядка десятков миллиметров ртутного столба (несколько тысяч паскалей). Плотность тока составляет 10^-5-10^-2 А/см². Дуговой разряд отличается от тлеющего высокой плотностью тока на катоде (10²-10⁴) А/см² и малым катодным падением потенциала (5-15) В. Давление газа составляет 10^-1-10⁸ Па. Разрядный ток в дуговом разряде может быть от долей ампера до сотен ампер. Во всех лампах используется свечение положительного столба.

Классификация газоразрядных ламп возможна по физическим конструктивным признакам, эксплуатационным свойствам и области применения.

1 По составу газов или паров газоразрядные лампы делятся на лампы с разрядом в газах, лампы с разрядом в парах металлов и на лампы с разрядом в парах металлов и их соединений.

2 По рабочему давлению различают: лампы низкого давления (10^-1-10⁴ Па), лампы высокого давления (3·10⁴-10⁶ Па) и лампы сверхвысокого давления (больше 10⁶ Па).

3 По виду газового разряда различают: лампы тлеющего разряда, лампы дугового разряда и лампы импульсного разряда.

4 По области свечения существуют лампы свечения тлеющего разряда и лампы свечения положительного столба.

5 В зависимости от источника излучения газоразрядные лампы делят на:

газо- или паросветные, в которых излучение вызвано возбуждением атомов, молекул или рекомбинацией ионов;

фотолюминесцентные (люминесцентные), излучение в которых создают люминофоры, возбуждаемые излучением разряда;

электродосветные, в которых излучение создается раскаленными в разряде до высокой температуры электродами.

6 по форме колбы различают трубчатые, капиллярные (в трубках малого диаметра менее 4 мм), шаровые, у которых колба шарообразная и расстояние между электродами меньше внутреннего диаметра колбы.

9 По способу охлаждения рассматривают лампы с естественным охлаждением и принудительным охлаждением.

Во многих газоразрядных лампах разрядную колбу (горелку) помещают внутрь другой колбы, которая выполняет ряд функций:

1) защищает горелку от повреждения;

2) уменьшает влияние окружающей среды на тепловой режим горелки;

3) предохраняет нагретые выводы и монтаж от окисления;

4) служит для нанесения различных покрытий.

Зажигание разряда в газоразрядных лампах возможно лишь при напряжении выше определенного значения, когда становится возможным лавинное образование зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к резкому возрастанию тока в течение 10^-5-10^-7 с и появлению свечения. Этот процесс называется процессом зажигания собственного разряда. Напряжение зажигания зависит от рода газа, его давления, расстояния между электродами, материала и свойств катода.

Значительное влияние на напряжение зажигания самостоятельного разряда оказывает введение небольшого, а иногда и ничтожного, количества специальных добавок.

Снижение напряжения зажигания также достигается:

1) введением вспомогательного электрода, подбором газа и его давления;

2) активировкой катодов, снижающей работу выхода электронов;

3) предварительным накалом катодов, обеспечивающем термоэмиссию электронов;

4) созданием начальной ионизации в газе за счет высокочастотного разряда или радиоактивных препаратов;

5) применением проводящих полос на поверхности лампы, изменяющих распределение электрического поля.

В зависимости от типа разряда применяют холодный или накаленный катоды. Холодные катоды применяют в газоразрядных лампах тлеющего разряда. Они имеют температуру примерно 100-200 ⁰С. Эмиссия электронов в них возникает за счет бомбардировки поверхности катода положительными ионами. Такие катоды изготавливают из материалов с малым катодным распылением (сталь, никель, алюминий). Часто для снижения напряжения зажигания поверхность катода покрывают тонким слоем соединений щелочно-земельных металлов.

2.2.2 Люминесцентные лампы. Принцип действия люминесцентных ламп основан на использовании фотолюминесценции люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхности колбы лампы, под действием ультрафиолетового резонансного излучения паров ртути при их давлении 5-10 Па. В основном применяется излучение двух линий ртути с длинами волн 253,7 и 184,9 нм. Добавка инертного газа (аргон, смеси аргона с натрием) при давлении 200-400 Па облегчает зажигание дугового разряда и повышает излучение резонансных линий ртути. На долю резонансного излучения приходится более 60 % мощности лампы, из них 55 % на долю линии 253,7 нм.

Существуют безртутные люминесцентные лампы с разрядом в инертных газах. Они нетоксичны и могут работать при низкой температуре, но имеют малый срок работы и низкую светоотдачу.

Цвет свечения люминесцентных ламп определяется составом люминофора. В основном, в качестве люминофора используют галофосфат кальция, легированный марганцем и сурьмой. При этом концентрацию марганца варьируют от 0,35 до 1,2 % по массе, а концентрация сурьмы остается постоянной и составляет 1 %. Такое варьирование состава люминофора позволяет реализовать люминесцентные лампы с различной цветовой температурой свечения. Другие люминофоры применяются для рекламных трубок. Выпускаются трубки с 17 цветовыми оттенками, что достигается смешиванием люминофоров, а также наполнением трубок неоном, аргоном или их смесью с ртутью.

2.2.3 Металлогалогенные лампы. Работа их основана на том, что галогениды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы и не разрушают колбу. Поэтому внутрь колбы вводят галоидные соединения металлов. наиболее часто применяют галогены йода, брома, хлора. После зажигания разряда и достижение рабочей температуры галогениды переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда с температурой в несколько тысяч кельвинов, они разлагаются на галогены и металл. При этом атомы металла излучают характерный спектр. Диффундируя к стенкам, они снова вступают в реакцию с галогеном и так далее. Этим обеспечивается два принципиальных преимущества. Во-первых, в разряде создается достаточная концентрация атомов металла, дающих требуемый спектр излучения, так как при рабочей температуре кварцевой колбы 800-900 ⁰С давление паров галогенидов многих металлов значительно выше, чем у самих металлов (таллий, индий, скандий и др.). Во-вторых, появляется возможность вводить в разряд щелочные и другие агрессивные (например, кадмий, цинк) металлы, которые в чистом виде вызывают быстрое разрушение кварцевого стекла при температуре 300-400 ⁰С, а в виде галогенидов не вызывают таких разрушений.

Некоторые металлы дают линейчатый спектр (натрий – 589 нм, таллий – 535 нм, индий – 435 и 410 нм). Другие металлы дают спектр из густо расположенных спектральных линий, заполняющих всю видимую область (скандий, титан, диспрозий и др.). Галогениды олова дают непрерывные молекулярные спектры.

2.2.4 ксеноновые лампы. Эти лампы представляют собой стеклянные (часто из кварцевого стекла) колбы, заполненные ксеноном при высоком давлении. В них реализуется дуговой разряд с плотностью тока в десятки и сотни ампер на квадратный сантиметр. Спектр излучения ксеноновых ламп является сплошным в диапазоне от 200 нм до 2 мкм с отдельными более интенсивными полосами. В видимой области спектр близок к солнечному с цветовой температурой 6100-6300 К. В ближней инфракрасной (ИК) области в диапазоне 0,8-1 мкм имеется несколько интенсивных спектральных линий.

Возрастающая вольт-амперная характеристика позволяет обойтись для их работы малым балластом или вообще без него для длинных ламп. Параметры ламп не зависят от температуры (до минус 50 ⁰С), но их работа зависит от магнитных полей.

Из всей мощности ксеноновых ламп излучение составляет 40 %. Около 9 % излучается в ультрафиолетовой области, 35 % – в видимой и 56 % в ближней ИК-области. Световая отдача составляет 30 лм/Вт. В лампах с малым расстоянием между электродами удается получить яркость 10⁹ кд/м². Излучение таких ламп хорошо модулируется током с частотами до десятков килогерц.

Обычно при их работе используется вертикальное положение: анодом вверх, так как при этом конвективный поток газа и поток электронов направлены в разные стороны, благодаря чему достигается более устойчивое горение лампы. Тепловой режим практически не оказывает влияние на электрические и световые характеристики ламп.

Меры предосторожности при работе с ксеноновыми лампами обусловлены их взрывоопасностью даже при отсутствии питающего их тока, так как ксенон в их колбе находится под большим давлением, не менее 0,3-0,5 Мпа.

Ксеноновые лампы применяются в качестве осветительных приборов в киноаппаратах, в качестве источников накачки в твердотельных лазерах. В последнее время они находят широкое применение в качестве автомобильных ламп.