Đèn natri: sự thống trị của nguyên tố hóa học thuần hóa

Bài báo thảo luận về thiết kế và ứng dụng của đèn natri cao áp.

Ngày nay thật khó khăn cho các nhà thiên văn học. Bất kể nơi nào trên bầu trời chúng được định hướng bằng kính viễn vọng, các dòng natri và thủy ngân sẽ luôn hiện diện trong các bức ảnh về quang phổ của các ngôi sao. Quang phổ như vậy hoàn toàn không chứng minh rằng các ngôi sao rất giàu các nguyên tố hóa học này. Lý do hoàn toàn trần thế: sự chiếu sáng bên ngoài của các thành phố và xa lộ với sự trợ giúp của đèn phóng điện cường độ cao tạo ra sự chiếu sáng mạnh mẽ của bầu khí quyển mà các dụng cụ thiên văn nhạy cảm thu được ánh sáng của các ngôi sao nhân tạo.

Đóng góp lớn nhất cho chiếu sáng đường phố và trở ngại chính cho các quan sát thiên văn là ngày nay đèn natri cao áp. Về họ và sẽ được thảo luận trong tài liệu này.

Trước hết, tại sao chính xác áp lực cao? Thực tế là đèn ống phóng với áp suất thủy ngân thấp xuất hiện trong thời kỳ trước chiến tranh. Đèn huỳnh quang nhanh chóng trở nên phổ biến. Nhưng không thể thải được hơi natri trong một thời gian dài do áp suất riêng phần của natri ở nhiệt độ thấp.

Sau một số thủ thuật công nghệ, sự khác biệt là tạo ra đèn natri hoạt động ở áp suất thấp. Nhưng chúng không được sử dụng rộng rãi do thiết kế phức tạp. Một số phận may mắn hơn đèn natri cao áp (NLVD). Những nỗ lực ban đầu để tạo ra đèn trong vỏ thủy tinh thạch anh đã kết thúc thất bại. Ở nhiệt độ cao, hoạt động hóa học của natri tăng lên. Tính di động của các nguyên tử của nó (khuếch tán) cũng đang tăng lên. Do đó, trong các lò đốt thạch anh, natri nhanh chóng xâm nhập qua thạch anh, phá hủy vỏ đầu đốt.

Tình hình được đo khi vào đầu những năm 60, General Electric đã cấp bằng sáng chế cho một vật liệu gốm mới có thể hoạt động trong hơi natri ở nhiệt độ cao. Anh nhận được thương hiệu Hồi Lukalos. Chúng tôi có đồ gốm này được gọi là Polycor. Gốm sứ được làm bằng cách thiêu kết nhiệt độ cao của bột alumina.

Alumina có hơn 10 sửa đổi của mạng tinh thể, tùy thuộc vào các điều kiện của phản ứng oxy hóa. Đối với mục đích chiếu sáng, chỉ có một sửa đổi là phù hợp - dạng alpha của oxit, có chứa các nguyên tử dày đặc nhất trong tinh thể. Quá trình thiêu kết, hay đúng hơn là sự phát triển của gốm sứ "rất tâm trạng. Thật vậy, ngoài khả năng kháng hóa chất đối với hơi natri, gốm phải có độ trong suốt cao. Điểm làm đèn là gì nếu phần lớn ánh sáng bị mất trong các bức tường của ống phóng điện (đầu đốt)?

Đầu đốt gốm của đèn natri là đặc điểm phân biệt chính với các nguồn sáng xả khí khác. Gốm sứ hoạt động ở nhiệt độ hơn 1000 độ, có thể giữ natri trong hàng chục ngàn giờ. Nhưng điều này không có nghĩa là natri hoàn toàn không có khả năng thâm nhập ra bên ngoài vào thể tích của bình ngoài.

Một mạng tinh thể dày đặc thực sự cản trở sự khuếch tán của các nguyên tử thông qua gốm. Nhưng các khối tinh thể của oxit nhôm được gắn kết với nhau bằng gốm xen kẽ vô định hình giống như thủy tinh. Nó bao gồm các chất phụ gia làm hạn chế sự phát triển của tinh thể polycor và các tạp chất không thể tránh khỏi trong bất kỳ vật liệu nào. Độ thấm ở ranh giới tinh thể cao hơn nhiều so với qua mạng tinh thể. Do đó, tuổi thọ của đèn natri được xác định chính xác bằng việc mất natri thông qua vật liệu liên tinh thể.

Đối với đèn natri được sử dụng và các tinh thể nhôm oxit đơn - đơn monocor, hay còn gọi là sapphire.Các ống phóng điện làm bằng vật liệu như vậy có độ truyền qua rất cao, khả năng chống khuếch tán natri cao, nhưng tính chất cơ học dị hướng (các hướng khác nhau) gây khó khăn cho việc hàn đầu đốt bằng xi măng nhiệt độ cao. Ngoài ra, chúng đắt hơn đáng kể so với đầu đốt đa tinh thể.

Đầu đốt đèn natri chỉ có hai điện cực được sử dụng lớp phủ phát xạ để tạo điều kiện cho việc đánh lửa ban đầu của đèn. Một khí trơ (thường là xenon ở áp suất khoảng 20 mm Hg) và hỗn hống (hợp kim) thủy ngân với natri được định lượng vào đầu đốt, dưới dạng một quả bóng có thành phần và kích thước cố định nghiêm ngặt.

Tuổi thọ của đèn liên quan trực tiếp đến tuổi thọ của đầu đốt. Và điều đó, được xác định bởi trữ lượng natri và thành phần phát xạ ở các điện cực. Theo thời gian, natri rò rỉ qua gốm sứ, dẫn đến sự gia tăng điện áp trên đầu đốt, khiến đèn bị tắt ngay sau khi vào chế độ.

Sau khi làm mát, đèn lại nhấp nháy để đi ra ngoài một lần nữa. Hoạt động thường xuyên (chu kỳ tắt ngắn) dẫn đến việc tăng tốc tiêu thụ bộ phát - thành phần phát xạ trên các điện cực và đèn bị hỏng.

Đầu đốt được gắn trong một bình ngoài làm bằng thủy tinh chịu lửa trên các đường truyền (giá đỡ). Sau khi sơ tán và khử màu, đế được gắn vào bình (thường là E27 hoặc E40). Thể tích của bình ngoài được sơ tán. Để có được độ chân không cao hơn, một chế phẩm getter - getter - được phun thêm vào nó.

Cách nhiệt chân không của đầu đốt là cần thiết để bảo vệ các kim loại chịu lửa của cấu trúc đầu đốt (niobium, molypden) khỏi quá trình oxy hóa. Nhưng nhiệm vụ chính là loại bỏ sự mất nhiệt bằng đối lưu. Rốt cuộc, gốm sứ hoạt động ở nhiệt độ trên 1000 độ trở thành một nguồn năng lượng nhiệt mạnh mẽ. Với cách nhiệt kém, hiệu suất đèn giảm, bóng đèn và đế đèn quá nóng.

Một loạt các đèn natri từ 35 đến 1000 watt hiện có sẵn. Ba nhóm đèn natri chính có thể được phân biệt theo hình dạng của bóng đèn bên ngoài và các tính năng ứng dụng: DNaT với bóng đèn hình ống, DNaS với vỏ mờ hình elip và DNaZ với lớp phủ phản chiếu gương.

Về ứng dụng đèn natri cao áp Nó không đáng để đề cập đặc biệt: đó là ánh sáng đường phố của các khu định cư, đường cao tốc bận rộn và nổi bật của các quần thể kiến ​​trúc.

Đèn DNaS được phát triển để thay thế cho đèn huỳnh quang thủy ngân hồ quang (DRL). Ngoài hình dạng elip của bình, chúng còn có đặc thù là làm đầy đầu đốt: thay vì xenon nguyên chất, hỗn hợp khí hiếm (hỗn hợp Penning) được sử dụng để tạo điều kiện đánh lửa. Những đèn như vậy được vận hành mà không có thiết bị đánh lửa tạo ra xung điện áp cao. Các loại đèn natri khác cần một thiết bị tương tự.

Đèn DNAZ tìm thấy ứng dụng trong nhà kính công nghiệp để tăng tốc độ quang hợp của cây. Tỷ lệ của các loại đèn này trong tổng số nguồn sử dụng bức xạ natri là tương đối nhỏ và chúng có thể được quy cho các loại đèn đặc biệt.

Với hiệu quả rất cao và khả năng hiển thị màu sắc tốt, đèn natri công suất thấp (35 và 50 W) có thể tìm thấy ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Phụ gia vào đầu đốt của kim loại đất hiếm giúp có thể thu được phổ bức xạ gần như không thể phân biệt được với ánh sáng mặt trời.

Nhưng gót chân Achilles của đèn không phải là một sơ đồ năng lượng phức tạp - thiết bị điện tử hiện đại có thể dễ dàng đối phó với một vấn đề tương tự. Thời gian tăng tốc và thoát khỏi chế độ vận hành là một trở ngại phủ nhận tất cả những lợi thế của đèn natri trong cuộc sống hàng ngày. Đèn công suất thấp đi vào 4 - 6 phút và các thông số đầy đủ ổn định trong vòng 20-25 phút. Để đi đến thỏa thuận với những bất tiện như vậy trong ánh sáng của phòng, hiếm khi có ai đồng ý.

Cho đến nay, thực tế không có nguồn ánh sáng thay thế nào khác cho chiếu sáng ngoài trời.Đèn natri sẽ chiếm chỗ này trong một thời gian dài, nhìn xuống những nỗ lực hiện đại, những người mới nổi, như đèn LED nhấn chúng ra