Разрядные лампы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

по дисциплине «Оптический неразрушающий контроль»

Разрядные лампы

Содержание

оптический излучение световой

Введение

1. Искусственные источники оптического излучения

2. Параметры источников оптического излучения

3. Общие свойства разрядов, классификация разрядных ламп и области их применения

4. Колбы разрядных ламп

5. Рабочие вещества и их давление

6. Материалы колб

7. Люминесцентные лампы

8. Натриевые лампы низкого давления

9. Лампы с парами различных металлов при низком давлении

10. Газовые лампы низкого давления с положительным столбом

11. Лампы тлеющего свечения

12. Лампы ртутных разрядов высокого и сверхвысокого давления

13. Металлогалогенные лампы

14. Газоразрядные лампы высокой интенсивности

Литература

Введение

Современные разрядные источники света все шире применяются для освещения, постепенно вытесняя лампы накаливания. В настоящее время в передовых странах мира разрядные лампы создают более половины светового потока, и, по-видимому, в будущем эта доля будет возрастать. Объясняется это тем, что они имеют более высокие световые отдачи и большие сроки службы, чем лампы накаливания; кроме того,-- и это очень важно -- современные разрядные лампы дают возможность в очень широких пределах варьировать спектр излучения, мощность, яркость и другие параметры.

Газоразрямдная ламмпа -- электрическая лампа, в которой свет возникает в результате электрического разряда в газе, парах металлов или смеси газа с парами. В последнее время принято называть газоразрядные лампы разрядными лампами.

По источнику света, выходящего наружу и используемого человеком, газоразрядые лампы делятся на:

люминесцентные лампы (ЛЛ), в которых в основном наружу выходит свет от покрывающего лампу слоя люминофора, возбуждаемого излучением газового разряда;

газосветные лампы, в которых наружу выходит сам свет от газового разряда;

электродосветные лампы, в которых используется свечение электродов, возбуждённых газовым разрядом.

По величине давления разрядные лампы делятся на:

газоразрядные лампы высокого давления -- ГРЛВД.

газоразрядные лампы низкого давления -- ГРЛНД.

Разрядные лампы обладают высокой эффективностью преобразования электрической энергии в световую. Эффективность измеряется отношением люмен/Ватт.

В разрядных лампах могут использоваться разные газы: пары металлов (ртути или натрия), инертные газы (неон, ксенон и другие), а также их смеси. Наибольшей эффективностью, на сегодняшний день, обладают натриевые лампы (ДНаТ), они работают в парах натрия и имеют эффективность 150 лм/Вт. Подавляющее большинство разрядных ламп - это ртутные лампы, они работают в парах ртути. Среди ртутных ламп можно упомянуть дуговые ртутные люминесцентные лампы (ДРЛ). Кроме этого, широко распространены металлгалогенные лампы (МГЛ или ДРИ) - в них используется смесь паров ртути, инертных газов и галогенидов металлов. Меньше распространены безртутные разрядные лампы, содержащие инертные газы: ксеноновые лампы (ДКсТ), неоновые лампы и другие.

1. Искусственные источники оптического излучения

Искусственным источником света, иди, более строго, искусственным источником оптического излучения, называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в энергию электромагнитных излучений, лежащих в оптическом диапазоне спектра. Последний, как известно, разделяется на три области: ультрафиолетовую с длинами волн от 1 до 380 нм, видимую с длинами волн от 380 до 770 нм и инфракрасную с длинами волн от 770 до 10 нм.

Возникновение оптического излучения связано с изменением энергетических состояний валентных электронов, входящих в состав излучающего тела. Спектр излучения определяется энергетическими состояниями, которые могут принимать электроны в результате сообщения телу внешней энергии, т. е. строением тела, составляющих его атомов и молекул.

По физической природе оптическое излучение делят на тепловое излучение и люминесценцию.

Тепловое излучение. В основе действия источников теплового излучения лежит излучение энергии, сообщенной телу при нагревании тем или иным способом.

Согласно законам теплового излучения для получения высокого КПД в видимой области спектра необходимо нагревать тела до температур около 6000 К и стремиться к тому, чтобы излучение источника света сосредоточивалось по возможности только в видимой области. При нагреве твердых тел предел повышения температуры ограничивается температурой их плавления и быстрым испарением вещества. В настоящее время наивысшие температуры нагрева и световые КПД удается получать при применении вольфрама и карбидов тантала и гафния, при этом все же значительная часть излучения лежит в ИК-области. Попытки существенно повысить световую отдачу за счет увеличения селективности излучения нагретых твердых тел пока не дали значительных результатов, хотя принципиальные возможности в этом направлении имеются.

В отличие от твердых тел нагрев газов и паров не ограничен температурой плавления и может осуществляться практически до любых температур. Наиболее подходящим способом нагрева газов и паров до высоких температур является разряд. Путем подбора того или иного газа или пара можно получить селективное излучение в интересующей области спектра. Таким образом, при использовании газов или паров в качестве источника оптического излучения может быть повышен КПД и получен желаемый спектр излучения.

Люминесценция. В основе действия люминесцентных источников света лежат различные способы превращения отдельных видов энергии непосредственно в оптическое излучение. Оно возникает при локализованном поглощении внешней энергии частицами вещества с последующим излучением этой энергии и поэтому не связано с тепловым состоянием тела. Благодаря этому при люминесценции возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в оптическое излучение. Люминесценцией называют спонтанное излучение, избыточное по сравнению с тепловым, если его длительность значительно превышает период колебаний электромагнитной волны соответствующего излучения. Люминесценция наблюдается в газообразных, жидких и твердых телах. Спектр люминесценции может состоять из отдельных линий (излучение отдельных атомов и ионов), полос (излучение молекул) и непрерывных участков (излучение твердых тел и жидкостей). Твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений, называют люминофорами.

В современных источниках света в основном используют электролюминесценцию и фотолюминесценцию.

Электролюминесценция -- оптическое излучение атомов, ионов, молекул, жидких и твердых тел под действием ударов электронов, ионов, ускоренных в электрических полях до энергий, достаточных для возбуждения. Электролюминесценция газов и паров, возбуждаемых электронами в процессе газового разряда, является первопричиной излучения разрядов и широко используется в разрядных источниках света. Различные виды электролюминесценции люминофоров используются в злектро- люминесцентных панелях. Свечение люминофоров под действием ударов электронов достаточной скорости, называемое катодолюминесценцией, используется в электронно-лучевых трубках, кинескопах, электронно-оптических преобразователях, некоторых специальных источниках света и других приборах.

Фотолюминесценция -- оптическое излучение, возникающее в результате поглощения оптического излучения другого источника. В парах и газах наблюдается множества видов фотолюминесценции, определяемых энергией поглощаемых фотонов и строением поглощающих атомов, ионов или молекул. Например, резонансная флюоресценция паров и газов и многие другие виды, играющие большую роль в излучении разрядных ламп, особенно низкого давления. Фотолюминесценция люминофоров широко применяется в люминесцентных и некоторых других разрядных лампах.

В настоящее время наиболее широкое применение получили источники света, основанные на превращении электрической энергии в оптическое излучение, т. е. по роду первичной энергии относящиеся к категории электрических. Среди них наиболее массовыми являются лампы накаливания и разрядные лампы различного типа.

2. Параметры источников оптического излучения

Требования к источникам оптического излучения определяются, прежде всего, свойствами используемого приемника излучения, назначением установки и условиями эксплуатации. Основной областью применения источников света было и остается искусственное освещение во всем его многообразии. Наряду с этим по мере развития наших знаний о действиях оптического излучения и создания эффективных и надежных источников оптического излучения с соответствующими параметрами развивалось применение не только видимого излучения для освещения, но также видимого, ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) излучений для других целей. Среди них необходимо назвать различные облучательные светотехнические установки, использующие фотофизические, фотохимические и фотобиологические действия оптического излучения, а также устройства для передачи информации.

Для оценки качества источника и определения степени его соответствия требованиям того или иного применения используется набор параметров, т.е. показателей, которые всесторонне характеризуют свойства источника. Параметры условно можно разделить на две основные группы -- на технические (физические) и эксплуатационные. Рассмотрим кратко основные параметры электрических источников света, предназначенных для освещения и облучения.

Технические параметры. К числу наиболее важных из них относятся показатели, характеризующие излучение, электрический режим и конструктивные параметры.

Излучение характеризуется потоком излучения (световым потоком), распределением излучения по спектру, силой излучения, энергетической (световой) яркостью и ее распределением, а также изменением этих величин по времени при работе на переменном токе. Цвет излучения осветительных ламп дополнительно характеризуется цветовыми параметрами: координатами цветности, цветовой температурой и индексами цветопередачи -- общим и специальными, цвет излучения дуговых ртутных ламп оценивается так называемым красным отношением.

Электрический режим характеризуется мощностью лампы, рабочим напряжением на лампе, напряжением питания, силой тока и родом тока (постоянный, переменный с частотой и т. д.). Для разрядных ламп вводят дополнительно потери мощности в пускорегулирующем аппарате (ПРА), коэффициенты мощности лампы, коэффициент амплитуды тока, целый ряд напряжений, связанных с зажиганием и погасанием разряда, токи пускового режима и др.

Конструктивные параметры. К конструктивным параметрам ламп относят габаритные и присоединительные размеры, высоту светового центра, размеры излучающего тела, форму колбы, ее оптические свойства (прозрачная, матированная, зеркализованная и т. д.}, конструкцию ножки иди вводов, конструкцию и размеры электродов и др.

Эксплуатационные параметры. К числу наиболее важных из них относят эффективность, надежность, приспособленность источника к условиям установки и, безусловно, экономичность.

Эффективность, или полезная отдача, источника определяется, во-первых, энергетическим КПД преобразования электрической энергии в оптическое излучение и, во-вторых, долей энергии оптического излучения, превращаемой в эффективную энергию приемника.

Работа источника света в любой реальной светотехнической установке связана с рядом устройств, обеспечивающих нормальную работу источника, перераспределяющих излучение источника в пространстве для наилучшей работы приемника и системы, реализующей энергию приемника. Во всех этих устройствах, как правило, имеют место потери энергии. Поэтому в зависимости от того, какая часть потока излучения или эффективного потока к какой части затраченной мощности относится, можно получить различные КПД, характеризующие преобразование энергии того или иного устройства светотехнической установки.

Надежность -- свойство объекта выполнять все заданные функции в определенных условиях эксплуатации в течение заданного времени при сохранении значений основных параметров в заранее установленных пределах. Для источников оптического излучения наиболее важными показателями надежности являются разновидности сроков службы. Важным показателем надежности является также вероятность безотказной работы ламп в течение заданного времени, которая часто регламентируется минимальной продолжительностью горения.

Приспособленность источника к условиям установки определяется следующими факторами:

делимостью потока излучения источника, т. е. возможностью изготовлений ламп па различные мощности -- условие, необходимое для создания рациональных светотехнических установок;

характером распределения излучения в пространстве и размерами светящегося тела, от которых зависит возможность рационального размещения источника света в установке и рационального перераспределения потока излучения в пространстве;

степенью приспособленности источника к нормальным элементам светотехнической установки, позволяющей использовать стандартные элементы;

приспособленностью к режиму стандартных источников питания;

универсальностью источника света, позволяющей использовать его во многих областях светотехники;

гигиеничностью, которая определяется требованиями, связанными с гигиеной органов зрения, а также с общей гигиеной и безопасностью.

Экономичность. При разработке источников света, особенно массового применения, необходимо стремиться получить как можно более высокими все эксплуатационные параметры, в том числе и экономичность

3. Общие свойства разрядов, классификация разрядных ламп и области их применения

Разрядным источником света или разрядной лампой (РЛ) называют электрическую лампу, в которой свет создается в результате электрического разряда в газе и (или) парах металла (ГОСТ 15049--81, СТ СЭВ 2737--80).

Принцип устройства и применяемые типы разрядов.

Подавляющее большинство разрядных ламп представляют собой прозрачную для оптического излучения колбу цилиндрической, сферической или иной формы. В колбу герметически впаяны два основных электрода, между которыми происходит разряд. Иногда для облегчения зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания лампы (удаление сорбированных в материале колбы и электродах паров воды и других газов при помощи нагрева под откачкой) наполняется определенным газом (чаще всего инертным) до различного давления или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например ртутью, натрием и др. Начиная с середины 60-х годов широкое распространение получают лампы, в которые кроме инертного газа и ртути вводят специальные излучающие добавки, представляющие собой большей частью галогениды различных металлов.

Существует категория разрядных ламп с электродами, работающими в открытой атмосфере, у которых разряд происходит в воздухе и в парах вещества электродов. Это угольные дуги. В этом типе ламп во время работы расходуется материал электродов. В специальных типах ламп разряд горит в проточном газе.

Существуют также лампы, в которых используется высокочастотный безэлектродный разряд. Они представляют собой запаянную колбу без электродов, содержащую необходимые газы или пары.

В РЛ стационарного действия обычно используются два типа разряда: тлеющий и дуговой, в источниках импульсного действия -- так называемый импульсный разряд. В соответствии с этим различают лампы тлеющего, дугового и импульсного разрядов.

Тип разряда, устанавливающийся в лампе после зажигания, определяется условиями во внешней цепи (значениями питающего напряжения, балластного сопротивления), типом катода и давлением газа или пара, наполняющего лампу.

Тлеющий разряд происходит при малых плотностях тока на катоде и низких давлениях газа или пара, не превышающих нескольких тысяч паскалей (десятки мм. рт. ст.). Его особенностью является большое падение напряжения у катода, составляющее 50--400 В.

Дуговой разряд отличается от тлеющего высокими плотностями тока на катоде (102--104 А/см2) и малым околокатодным падением потенциала (5--15 В). Он может происходить в широком диапазоне давлений (от 0,1 до 1 * 107 Па) и токов (от десятых долей до сотен ампер). По физическим процессам и по характеру излучения он может быть разделен на приэлектродные области и столб. Столб дуговых разрядов низкого давления подобен столбу тлеющих разрядов, происходящих при одинаковых давлениях, диаметрах и токах. Столб дуг высокого и сверхвысокого давлений имеет ряд характерных особенностей, рассмотренных в гл. 4, 14--19.

Импульсный разряд -- разновидность нестационарного разряда, отличающаяся высокой концентрацией мощности при малой длительности (не превышающей 5-Ю-3 с).

В РЛ стационарного действия наиболее широко используются дуговые разряды, так как с их помощью удается создавать источники с весьма разнообразными характеристиками, обладающие высокой эффективностью при сравнительно низких рабочих напряжениях.

В подавляющем большинстве ламп используется излучение столба, обладающее значительно более высоким КПД по сравнению с излучением приэлектродных частей и позволяющее в широких пределах изменять размеры и характеристики светящейся области. Излучение приэлектродных областей, например тлеющее свечение, используется только в специальных типах ламп.

Классификация PЛ может проводиться по различным признакам. Ввиду большого разнообразия свойств РЛ и применяемости одних и тех же ламп в различных областях ниже приведена классификация по физическим признакам, которые характеризуют все основные свойства разряда, такие, как спектр излучения, распределение интенсивности излучения в спектре, яркость, градиент потенциала, энергетический КПД и др. Все эти свойства разряда определяются в первую очередь составом газовой среды, в которой происходит разряд, парциальными давлениями компонентов газовой смеси и силой тока. Вместе с типом разряда, используемой областью свечения и размерами газового промежутка, они определяют мощность и напряжение, габариты и конструкцию лампы и ее узлов, их тепловой режим, выбор материалов и связанные с этим особенности эксплуатации и области применения.

По составу газовой или паровой среды, в которой происходит разряд, лампы делят на лампы с разрядом в газах, в парах металлов и в парах металлов и их соединений.

По величине рабочего давления -- на лампы низкого давления (НД) примерно от 0,1 Па до 25 кПа, высокого давления (ВД) от 25 до 1 - 103 кПа и сверхвысокого давления (СВД) больше 1 - 103 кПа.

По типу разряда -- на лампы дугового, тлеющего и импульсного разрядов.

По области свечения -- на область столба и область тлеющего свечения.

По типу источника излучения -- на:

газо- или паросветные, в которых основным источником излучения являются возбужденные атомы, молекулы или рекомбинирующиеся ионы;

фотолюминесцентные (называемые для краткости просто люминесцентные), в которых основным источником излучения являются люминофоры, возбуждаемые излучением разряда;

электродосветные, в которых основным источником излучения являются электроды, раскаленные в разряде до высокой температуры.

У большинства фотолюминесцентных и электродосветных ламп к основному виду излучения примешивается излучение разряда, так что они являются, по существу, источниками смешанного излучения.

По форме колбы лампы со столбом подразделяют на:

трубчатые или линейные -- лампы в цилиндрических колбах, у которых расстояния между электродами в 2 и более раз превышают внутренний диаметр трубки;

капиллярные -- в трубках с внутренним диаметром меньше 4 мм;

«шаровые» -- лампы с расстоянием между электродами, меньшим или равным внутреннему диаметру колбы (колбы ламп имеют часто форму шара или близкую к ней, откуда и получили свое название), их называют также лампами с короткой или средней длиной дуги.

По охлаждению лампы подразделяют на лампы с естественным и принудительным (воздушным или водяным) охлаждением.

В некоторых типах ламп разрядную колбу, часто называемую горелкой, помещают во внешнюю колбу, которая чаще всего служит для обеспечения теплового режима горелки, но вместе с тем может выполнять и другие функции.

Области применения PЛ.

Давно было известно, что ртутные лампы высокого давления и натриевые лампы низкого давления обладают высокими световыми отдачами. Однако попытки применения этих ламп для целей освещения не имели успеха из-за сильного искажения цветопередачи, особенно цвета человеческой кожи. Впервые этот недостаток удалось преодолеть в ртутных люминесцентных лампах низкого давления. Их появление в 1938 г. ознаменовало собой новый этап в развитии разрядных источников света. Впервые были созданы ЛЛ, дающие излучение с непрерывным спектром практически любого состава и обладающие при этом световой отдачей и сроком службы, в несколько раз превышающими световые отдачи и сроки службы ламп накаливания. Световые отдачи современных ЛJI достигают 85--90 лм/Вт, а сроки службы 12--15 тыс. ч и более. В настоящее время ЛЛ являются наиболее массовым разрядным источником света, применяемым для освещения. Их мировой выпуск достигает почти 1 млрд. ламп в год.

В начале 50-х годов появились ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью типа ДРЛ. Эти лампы, обладающие высокой светоотдачей (45--60 лм/Вт) и сроком службы 10--15 тыс. ч, получили в настоящее время весьма широкое применение. Их мировой выпуск достигает многих десятков миллионов ламп в год и продолжает расти.

В 60-х годах были открыты новые, исключительно плодотворные направления в создании разрядных ламп высокой интенсивности с самым различным спектром излучения и более высокими КПД, чем у существовавших до этого. Впервые для ламп высокой интенсивности удалось перешагнуть рубеж в 100 лм/Вт. Уже разработано и выпускается большое число новых типов, которые по многим параметрам значительно превосходят ртутные лампы высокого давления типа ДРЛ и занимают видное место в семье разрядных источников света. Это натриевые лампы высокого давления в колбах из кристаллического оксида алюминия, широко применяемые для наружного освещения, и различные типы так называемых металлогалогенных ламп.

Наряду с освещением разрядные лампы находят многочисленные и весьма важные применения во многих отраслях народного хозяйства, в новейшей технике и в военном деле, что объясняется особенностями электрического разряда, которые позволяют создавать источники излучения с очень разнообразным сочетанием параметров. Путем подбора соответствующего наполнения и условий разряда удается создавать высокоэффективные источники излучения практически в любой части не только видимого, но также УФ- и ИК-областей спектра, при этом можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий, многолинейчатые и непрерывные.

Это достоинство РЛ открыло им исключительно широкие возможности применения не только для освещения, но также для многочисленных специальных целей. Так, например, в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и других отраслях народного хозяйства широко используются фотолюминесценция, фотохимические, биологические, бактерицидное и другие действия УФ-излучения; красное излучение неона применяется для сигнального освещения, ИК-излучение -- для лучистого нагрева, сигнализации, связи и т. д.

Разряды высокого и особенно сверхвысокого давления имеют высокие яркости в различных областях спектра, в десятки и сотни раз превосходящие яркости ламп накаливания, благодаря чему они с успехом применяются в различных светооптических приборах и установках.

Малая инерционность излучения разряда является недостатком для общего освещения, поскольку она приводит к большим пульсациям, светового потока при работе в стандартных сетях переменного тока с частотой 50 Гц. В то же время она открывает РЛ множество специальных применений там, где требуется модуляция излучения.

Широкое и весьма разнообразное применение находят импульсные лампы, дающие вспышки излучения исключительно высокой яркости и очень малой длительности. Они применяются в многочисленных приборах и установках для наблюдения и изучения быстродвижущихся частей машин и механизмов (в стробоскопах), при фотографировании и изучении быстро- протекающих процессов, аэрофотосъемке, оптической дальнометрии и т. д. В настоящее время импульсные лампы широко применяются для оптической накачки лазеров.

Наряду со многими достоинствами РЛ имеют и недостатки, главным из которых является некоторая сложность их включения в сеть, связанная с особенностями разряда. При зажигании требуются более высокие напряжения, чем при устойчивом горении. Для обеспечения устойчивого режима горения в цепь каждой лампы приходится включать балласт, ограничивающий ток разряда требуемыми пределами.

Характеристики ламп с разрядом в парах металлов или веществ зависят от их теплового режима, и их нормальный режим устанавливается только спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах металла при высоком и сверхвысоком давлениях без специальных приемов возможно только по истечении некоторого времени после выключения.

4. Колбы разрядных ламп

Колбы представляют собой герметически замкнутые оболочки той или иной формы, прозрачные для оптического излучения. Их основное назначение -- изолировать среду, в которой происходит разряд, от атмосферного воздуха. Наряду с этим колбы выполняют и другие функции. Они являются конструктивным остовом ламп, определяющим положения электродов, вводов и соединительных элементов. Во многих типах ламп стенки колбы ограничивают разряд, и, таким образом, форма и размеры колбы определяют форму и размеры разряда и его электрические и оптические свойства. В лампах с разрядом в парах металлов и веществ тепловой режим колбы определяет давление паров, а следовательно, оказывает решающее влияние на электрические и оптические свойства разряда. В люминесцентных лампах на внутренние стенки колбы наносится слой люминофора. В некоторых типах ламп колба выполняет роль оптической системы, перераспределяющей поток излучения в пространстве. Для этого колбе придают необходимую форму и покрывают ее поверхность отражающим или рассеивающим слоем. В ряде случаев колба выполняет также роль фильтра.

5. Рабочие вещества и их давление

Выбор рабочих веществ, т. е. веществ, в которых происходит разряд, определяется, с одной стороны, требованиями к спектру излучения, а с другой -- возможностью использования соответствующего элемента или его соединения в разрядной лампе. Что касается спектров излучения, то существует большое число элементов, излучение которых представляет значительный интерес для создания эффективных источников излучения различного назначения. При использовании в разрядных лампах закрытого типа рабочие вещества должны удовлетворять, по крайней мере, двум требованиям: упругость паров элемента или вещества при допустимой рабочей температуре колбы должна быть достаточной для получения требуемого излучения с приемлемым КПД и элементы или вещества при рабочей температуре лампы не должны разрушать материал колбы и электродов.

Этим требованиям полностью удовлетворяют инертные газы, в определенной мере азот, водород, которые и находят применение в разрядных источниках излучения. Из металлов наиболее широкое применение нашла ртуть. Это объясняется тем, что из всех металлов она обладает наиболее высокой упругостью паров, дает богатый линейчатый спектр излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра и химически не активна по отношению к материалу колб и электродов. К недостаткам ртути относится токсичность ее паров.

Среди других металлов, обладающих сравнительно высокой упругостью паров, после ртути следуют цезий, рубидий, кадмий, калий, натрий, цинк, т.е. металлы I и II групп таблицы Менделеева. Интересны по своим спектральным и другим характеристикам разряды высокого давления в парах натрия, цезия и некоторых других металлов.

6. Материалы колб

Материал колбы должен удовлетворять следующим требованиям:

1) быть прозрачным в необходимой области оптического спектра;

2) обладать газонепроницаемостью при рабочих температурах;

3) допускать работу при температурах, требуемых условиями разряда и эксплуатации;

4) обладать химической стойкостью по отношению к веществам, в которых происходит разряд при рабочих температурах, и не взаимодействовать с ними;

5) не выделять веществ, нарушающих работу лампы (электроды, газовая среда, люминофор и т. д.);

6) допускать возможность придания ему формы различных оболочек и обладать способностью сохранять полученную форму;

7) обладать при рабочих температурах механической прочностью, достаточной для того, чтобы выдерживать внешние и внутренние давления, необходимые для работы лампы;

8) обладать хорошими электроизоляционными свойствами при рабочих температурах;

9) допускать соединения с металлами для получения вакуумно-плотных вводов;

10) быть достаточно дешевым и технологичным для изготовления колб и т. д.

Основным материалом, применяемым для изготовления колб разрядных ламп, являются различные сорта неорганических стекол. В настоящее время разработано большое количество сортов стекла специально для колб разрядных ламп различного типа. В качестве основного стеклообразующего оксида используется оксид кремния.

Совершенно новые возможности в смысле создания ламп со значительно более высокими удельными мощностями и весьма высокими давлениями открыло применение кварцевого стекла. Температура размягчения кварцевого стекла составляет около 1600 °С. Хорошие сорта стекол могут работать многие сотни часов при рабочих температурах до 950 °С.

Серьезным недостатком силикатных стекол, в том числе и кварцевого стекла, является их слабая устойчивость по отношению к разряду в парах щелочных металлов при повышенных температурах. В конце 50-х годов был разработан новый керамический материал для колб, обладающий более высокими рабочими температурами (до 1600°С), чем кварцевое стекло, и весьма устойчивый к воздействию паров щелочных металлов вплоть до 1500 °С. Он представляет собой спеченный при высоких температурах поликристаллический оксид алюминия особой чистоты и известен под названиями «поликор», «люкор» и др. Появление этого материала открыло возможности создания ряда ламп высокого давления с парами щелочных металлов, таких, как натрий, цезий и др. В настоящее время этот материал получил широкое применение в натриевых лампах.

7. Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы представляют собой цилиндрическую стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта тонким равномерным слоем люминофора. По обоим концам трубки впаяны ножки с электродами. После тщательной откачки и обезгаживания лампа наполняется небольшим количеством ртути и инертным газом до давления в несколько сот паскалей. В обычных ЛЛ в качестве инертного газа используется аргон при давлении около 300 Па. В последнее время разработаны ЛЛ, в которых для наполнения использованы смеси инертных газов. Основное назначение инертного газа состоит в уменьшении распыления электродов при работе лампы и облегчении зажигания разряда. Помимо того, инертный газ оказывает существенное влияние также на механизм излучения разряда и явления у катода.

Лампы включают в сеть при помощи специальных схем, обеспечивающих надежное зажигание разряда и нормальный режим работы. После зажигания в лампе возникает разряд низкого давления в парах ртути и в наполняющем газе. Вследствие более низких потенциалов возбуждения и ионизации ртути по сравнению с аргоном или другими инертными газами ионизуются и излучают практически только атомы ртути. Исключение составляют прикатодные области, где за счет наличия быстрых электронов наряду со свечением ртути возникает также свечение и ионизация инертного газа. Ртутный разряд низкого давления является весьма эффективным источником резонансного излучения, лежащего в УФ-части спектра. Доминирующую часть потока излучения лампы составляет излучение люминофора. Роль разряда сводится в основном к генерации УФ-излучения, возбуждающего свечение люминофора. Применение различных люминофоров или их смесей дает возможность получать излучение практически

Существуют также ЛЛ с разрядом только в инертных газах, без ртути. Люминофор возбуждается в них УФ-излучением разряда в инертных газах. Эти лампы имеют более низкую световую отдачу и поэтому не получили широкого применения для общего освещения. Их применяют в специальных случаях, например для декоративного и рекламного освещения, для облучений растений и т. п. Достоинством этих ламп является независимость режима от окружающей температуры и отсутствие ртути.

Первые образцы отечественных ЛЛ были созданы в 1936-- 1940 гг. группой ученых и инженеров г. Москвы, работавших под общим руководством академика С. И. Вавилова. Наиболее широкое применение получили ртутные ЛЛ, дающие свет, близкий к белому или дневному. В настоящее время они являются источниками света массового применения.

8. Натриевые лампы низкого давления

Световые отдачи современных натриевых ламп низкого давления (НЛНД) достигают 180--200 лм/Вт. Однако они излучают почти монохроматический желтый свет, вследствие чего непригодны для общего освещения. Их применяют в специальных случаях, как, например, для освещения загородных автострад, для архитектурного и декоративного освещения, в лабораторной практике и т. п.

В НЛНД используется резонансное излучение паров натрия (589,0 и 589,6 нм), и в этом отношении по принципу действия они подобны ртутным лампам НД.

9. Лампы с парами различных металлов при низком давлении

Бактерицидные лампы. УФ-излучение ртути обладает сильным бактерицидным действием. Поэтому оно широко используется для обеззараживания воздуха, жидкостей, продуктов. Лампы, предназначенные для этой цели, носят название бактерицидных. В зависимости от назначения могут применяться бактерицидные лампы мощностью от 3,5 до 60 Вт различных размеров и форм. Бактерицидные лампы по своей конструкции и электрическим характеристикам подобны ртутным ЛЛ дугового разряда с самокалящимися электродами; они отличаются от них тем, что колбы бактерицидных ламп изготовляются из специального стекла, прозрачного для УФ-излучения с длиной волны 254 нм, и не покрываются люминофором. Отечественная промышленность выпускает бактерицидные лампы четырех типов мощностью 8, 15, 30 и 60 Вт.Лампы включаются в сеть по тем же схемам и с теми же ПРА, что и ЛЛ соответствующей мощности и напряжения.

Помимо ртутных и натриевых ламп разработаны лампы низкого давления с парами цезия Cs, рубидия Rb, калия К, цинка Zn, кадмия Cd, таллия Т1 и др. Эти лампы различной конструкции находят применение как источники линейчатого излучения в различных участках спектра для различных специальных целей, например для спектрального анализа.

10. Газовые лампы низкого давления с положительным столбом

В качестве наполняющей среды для ламп низкого давления со столбом наиболее широко применяют неон. Неоновые лампы используют для сигнального, декоративного и рекламного освещения, а также при искусственном выращивании растений. Другие инертные газы в чистом виде применяются редко. Аргон широко используется для наполнения ламп вместе с парами ртути. В этом случае газ играет вспомогательную роль, а основную выполняет разряд в парах ртути.

По форме разряда газосветные лампы НД со столбом разделяют на лампы тлеющего и дугового разряда.

Благодаря разнообразной цветности излучения, возможности придания трубкам различной формы и простоте включения эти лампы, часто именуемые, газосветными трубками, широко применяются для рекламного и декоративного освещения, а также для сигнального освещения и некоторых других целей.

11. Лампы тлеющего свечения

Лампы тлеющего свечения представляют собой стеклянную колбу, в которую впаяны два электрода, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга. Промышленность выпускает сигнальные неоновые (СН), миниатюрные неоновые (МН), неоновые специальные -- панельные (ПН), фазовые (ФН), волномерные (ВМН), точечные модуляторные (ТМН-2) и другие типы ламп. В зависимости от типа лампы световой поток составляет от 0,02 до 5 лм, яркость -- от 0,1 до 10 ккд/м², световая отдача -- от 0,2 до 1,8 лм/Вт. Срок службы--от нескольких сотен до нескольких тысяч часов. Их применяют в качестве индикаторных и сигнальных ламп, указателей полярности, модуляторных, цифровых ламп и т. п. Помимо того, свойства тлеющего свечения широко используются для изготовления различных разрядных приборов, например стартеров, стабилизаторов и делителей напряжения, выпрямителей, тиратронов и т. д.

Цвет и спектр излучения определяются в основном родом наполняющего газа. Наиболее широко применяется для наполнения неон, дающий отчетливо видимое оранжево-красное свечение. Аргон дает бледно-голубое свечение. Добавление ртути к неону вызывает появление синевато-белого ореола, окружающего светящуюся пленку оранжево-красного цвета. В спектре излучения появляются линии ртути.

При наполнении ламп чистым неоном наряду с пленкой тлеющего свечения оранжево-красного цвета, покрывающей катод, появляется синий ореол и свечение в объеме.

12. Лампы ртутных разрядов высокого и сверхвысокого давления

Среди различных разрядных источников света лампы с разрядом в парах ртути получили наиболее широкое применение. Это объясняется тем, что с помощью ртутного разряда удается создавать источники излучения в УФ, видимой и близкой ИК областях спектра, обладающие высокой эффективностью и высокой яркостью; ртуть имеет такую зависимость упругости пара от температуры, которая позволяет создавать лампы с давлениями от одного паскаля до одного-двух десятков мегапаскалей с весьма разнообразными характеристиками; пары ртути химически малоактивны и почти не взаимодействуют с материалом колбы и электродов.

Лампы с разрядом ВД и СВД отличаются от ламп НД значительно более высокими плотностями излучения, и поэтому их часто называют лампами высокой интенсивности. Применение кварцевого стекла для колб открыло широкие возможности развития ртутных ламп ВД и СВД. Оно позволило создавать лампы с весьма высокими удельными мощностями и давлениями, применять водяное охлаждение и использовать богатое УФ-излучение ртутного разряда.

Развитие ртутных ламп СВД привело к созданию двух основных типов ламп с высокими плотностями излучения:

капиллярные лампы с принудительным охлаждением. В настоящее время эти лампы применяются крайне редко;

ртутные шаровые лампы СВД с короткой дугой типа ДРШ--лампы в кварцевых колбах, по форме близких к шару с дугой, длина которой сравнима или меньше диаметра колбы. Лампы работают обычно при естественном и реже воздушном охлаждении.

Лампы типа ДРЛ во внешних колбах, покрытых слоем люминофора, весьма широко применяются для промышленного и наружного освещения.

Лампы, последовательно включаемые с вольфрамовой спиралью в общей внешней колбе или так называемые ртутнонакальные, применяются для освещения и облучения.

Первоначально разряд происходит при низком давлении паров ртути, которое определяется температурой лампы в момент возникновения разряда. Все характеристики соответствуют при этом разряду НД при тех же давлении, диаметре и токе. По мере разогревания колбы и испарения ртути повышается давление ее пара и вместе с тем изменяются характеристики разряда. Нормально процесс завершается полным испарением ртути и стабилизацией характеристик разряда. Время разгорания определяется скоростью установления теплового режима колбы и обычно составляет несколько минут.

13. Металлогалогенные лампы

Для создания эффективных источников света различного назначения может быть использовано большое число элементов, излучение которых лежит в оптической области спектра. Однако до начала 60-х годов они не могли быть применены либо из-за недостаточной упругости паров при максимально возможных рабочих температурных колб (кварцевое стекло до 900-- 950 °С), либо из-за их разрушающего действия на материал колб и электродов.

В начале 60-х годов был практически реализован новый метод введения элементов в разряд, благодаря чему значительно расширилось число элементов, излучение которых оказалось возможным использовать в разрядных лампах. Появились исключительно широкие возможности создания ламп с высокой удельной мощностью, обладающих самым различным спектром излучения, от практически однородного до непрерывного, при существенно более высоких КПД по сравнению с традиционными ртутными лампами ВД. По своему революционному значению это открытие можно сравнить с созданием ЛЛ. Вместе с тем при разработке и внедрении этого нового класса ламп возник ряд специфических проблем, связанных главным образом с зажиганием, нестабильностью характеристик и более низким сроком службы. По мере преодоления этих трудностей новый класс ламп постепенно получает все более широкое распространение. Эти лампы получили название металлогалогенных .

В конструктивном отношении металлогалогенные лампы (МГЛ) подобны различным типам ртутных ламп ВД и СВД. Принципиальное отличие заключается в том, что внутрь разрядных колб МГЛ кроме ртути и аргона (или другого инертного газа) дополнительно вводят определенные элементы, обычно металлы, но не в чистом виде, а в форме химических соединений. В результате этого удается в широких пределах изменять спектр излучения разряда.

14. Газоразрядные лампы высокой интенсивности

В газоразрядных лампах высокой интенсивности используется излучение дугового разряда в тяжелых инертных газах -- аргоне, криптоне или ксеноне -- при больших плотностях тока. В отличие от ламп с парами металла в газовых лампах средняя плотность газа в лампе остается постоянной независимо от теплового режима колбы. Вследствие этого почти полностью отсутствует период разгорания, электрические и световые характеристики в очень широких пределах не зависят от температуры колбы.

К недостаткам этого вида разряда следует отнести худшую стабильность из-за более сильной конвекции, значительно меньшую величину градиента потенциала по сравнению с ртутным разрядом при аналогичных условиях (давление, ток, диаметр) и весьма высокое напряжение зажигания из-за больших начальных давлений газа. Характерной особенностью разряда в инертных газах при высоких давлениях и больших плотностях тока является непрерывный спектр излучения, обеспечивающий хорошую цветопередачу освещаемых объектов. В связи с этим ксеноновые лампы используются как эталоны белого света. По внешнему виду цвет излучения газовых ламп близок к белому с небольшими оттенками. Аргоновые лампы имеют более голубоватый оттенок, чем криптоновые и ксеноновые. В видимой части спектр излучения ксенонового разряда весьма близок к солнечному. Благодаря этому ксеноновые лампы высокой интенсивности широко применяются в кинопроекции, в установках, имитирующих солнечное излучение, и в других случаях, когда требуется непрерывный спектр излучения. Практическая реализация ксеноновых ламп с добавками водорода или гелия встречает некоторые трудности, связанные с поддержанием постоянного количества этих газов в лампе, поскольку они легко диффундируют через нагретую кварцевую колбу.

Классификация разрядных ламп высокой интенсивности с газовым наполнением.

В настоящее время определились следующие три основных типа газоразрядных ламп высокой интенсивности: лампы ВД трубчатой формы с естественным охлаждением, лампы ВД трубчатой формы с водяным охлаждением и лампы СВД с короткой дугой (несколько миллиметров) в колбах шаровой или близкой к ней формы. В современных типах ламп в качестве наполняющего газа применяется почти исключительно ксенон и только в некоторых специальных лампах другие инертные газы, например криптон в трубчатых лампах для накачки лазеров.

Литература

1. Рохлин Г.Н. - Разрядные источники света (2-е изд.) ., перераб. -- М.: Энергоатомиздат, 1991.

2. Афанасьева Е.И., Скобелев В.М. Источники света и пускорегулирующая аппаратура (2-е изд., перераб. -- М.: Энергоатомиздат, 1986.

3. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга. М.: Энергоатомиздат, 1995.

Размещено на Allbest.ru

...