Lampade al sodio: dominanza dell'elemento chimico addomesticato

L'articolo discute la progettazione e l'applicazione di lampade al sodio ad alta pressione.

Oggi è difficile per gli astronomi. Indipendentemente da dove nel cielo siano orientati da telescopi, le linee di sodio e mercurio saranno sempre presenti nelle fotografie degli spettri delle stelle. Tali spettri non provano affatto che le stelle siano ricche di questi elementi chimici. La ragione è puramente terrena: l'illuminazione esterna di città e autostrade con l'aiuto di lampade a scarica ad alta intensità crea un'illuminazione così forte dell'atmosfera che strumenti astronomici sensibili catturano la luce delle "stelle" create dall'uomo.

Il più grande contributo all'illuminazione stradale e il principale ostacolo alle osservazioni astronomiche sono oggi lampade al sodio ad alta pressione. Su di loro e saranno discussi in questo materiale.

Prima di tutto, perché esattamente l'alta pressione? Il fatto è che nel periodo prebellico apparvero lampade a tubo a scarica con bassa pressione di mercurio. Le lampade fluorescenti si sono rapidamente diffuse. Tuttavia, a causa della bassa pressione parziale del sodio a basse temperature, non è stato possibile ottenere una scarica a lungo termine del vapore di sodio.

Dopo una serie di trucchi tecnologici, la distinzione è quella di creare lampade al sodio che funzionano a bassa pressione. Ma non sono stati ampiamente utilizzati a causa del design complesso. Un destino più fortunato lampade al sodio ad alta pressione (NLVD). I primi tentativi di creare lampade in un guscio di vetro al quarzo si sono conclusi con un fallimento. Alle alte temperature, l'attività chimica del sodio aumenta. Anche la mobilità dei suoi atomi (diffusione) sta crescendo. Pertanto, nei bruciatori al quarzo, il sodio penetra rapidamente attraverso il quarzo, distruggendo il guscio del bruciatore.

La situazione è stata misurata quando nei primi anni '60, General Electric ha brevettato un nuovo materiale ceramico in grado di funzionare a vapore di sodio ad alte temperature. Ha ricevuto il marchio "Lukalos". Abbiamo questa ceramica conosciuta come "Polycor". La ceramica viene prodotta mediante sinterizzazione ad alta temperatura di polvere di allumina.

L'allumina ha più di 10 modifiche del reticolo cristallino, a seconda delle condizioni della reazione di ossidazione. Ai fini dell'illuminazione, è adatta solo una modifica: la forma alfa dell'ossido, che ha il più denso impaccamento di atomi nel cristallo. Il processo di sinterizzazione, o meglio la "crescita" della ceramica, è molto lunatico. In effetti, oltre alla resistenza chimica al vapore di sodio, la ceramica dovrebbe avere un'elevata trasparenza. Qual è il punto di fare una lampada se la maggior parte della luce viene persa nelle pareti del tubo di scarico (bruciatore)?

Il bruciatore in ceramica delle lampade al sodio è la principale caratteristica distintiva rispetto ad altre fonti di luce a scarica di gas. La ceramica che opera a temperature superiori a 1000 gradi, può trattenere il sodio per decine di migliaia di ore. Ma ciò non significa che il sodio non sia affatto in grado di penetrare verso l'esterno nel volume del pallone esterno.

Un reticolo cristallino denso impedisce davvero la diffusione degli atomi attraverso la ceramica. Ma i blocchi cristallini di ossido di alluminio sono "legati" tra loro da ceramiche interfase amorfe, simili al vetro. È costituito da additivi che limitano la crescita di cristalli di policoro e impurità che sono inevitabili in qualsiasi materiale.La permeabilità lungo i confini dei cristalli è molto più elevata che attraverso un reticolo cristallino. Pertanto, la durata delle lampade al sodio è determinata precisamente dalla perdita di sodio attraverso materiale intercristallino.

Per le lampade al sodio vengono utilizzati e singoli cristalli di ossido di alluminio - "monocor", meglio noto come zaffiro.I tubi di scarico realizzati con tale materiale hanno una trasmissione molto elevata, un'elevata resistenza alla diffusione del sodio, ma le proprietà meccaniche anisotrope (diverse direzioni) rendono difficile sigillare i bruciatori con cementi ad alta temperatura. Inoltre, sono notevolmente più costosi dei bruciatori policristallini.

Il bruciatore della lampada al sodio ha solo due elettrodi su cui viene applicato un rivestimento di emissione per facilitare l'accensione iniziale della lampada. Un gas inerte (di solito xeno ad una pressione di circa 20 mm Hg) e un amalgama (lega) di mercurio con sodio vengono dosati nel bruciatore, sotto forma di una sfera di composizione e dimensioni rigorosamente fissate.

La durata della lampada è direttamente correlata alla durata del bruciatore. E questo, a sua volta, è determinato dallo stock di sodio e dalla composizione di emissione agli elettrodi. Nel tempo, il sodio fuoriesce attraverso la ceramica, il che porta ad un aumento della tensione sul bruciatore, che provoca lo spegnimento della lampada immediatamente dopo l'accesso alla modalità.

Dopo il raffreddamento, la spia lampeggia di nuovo per spegnersi di nuovo. Il funzionamento frequente (brevi cicli di accensione / spegnimento) porta ad un consumo accelerato dell'emettitore - composizione delle emissioni sugli elettrodi e la lampada si guasta.

Il bruciatore è montato su un pallone esterno in vetro refrattario sulle traverse (supporti). Dopo l'evacuazione e la dissaldatura, la base viene fissata al pallone (di solito E27 o E40). Il volume del pallone esterno viene evacuato. Per ottenere un vuoto più elevato, una composizione getter - getter - viene ulteriormente spruzzata al suo interno.

L'isolamento sotto vuoto dei bruciatori è necessario per proteggere i metalli refrattari della struttura del bruciatore (niobio, molibdeno) dall'ossidazione. Ma il compito principale è eliminare la perdita di calore per convezione. Dopo tutto, le ceramiche che operano a temperature superiori a 1000 gradi diventano una potente fonte di energia termica. Con scarso isolamento termico, l'efficienza della lampada diminuisce, il bulbo e la base della lampada si surriscaldano.

È ora disponibile una vasta gamma di lampade al sodio da 35 a 1000 watt. Tre gruppi principali di lampade al sodio possono essere distinti in base alla forma del bulbo esterno e alle caratteristiche dell'applicazione: DNaT con un bulbo tubolare, DNaS con un guscio glassato ellittico e DNaZ con un rivestimento riflettente a specchio.

A proposito dell'applicazione lampade al sodio ad alta pressione non merita una menzione speciale: è l'illuminazione stradale di insediamenti, autostrade trafficate e l'evidenziazione di complessi architettonici.

Lampade DNaS sviluppato in sostituzione di lampade fluorescenti al mercurio ad arco (DRL). Oltre alla forma ellittica del pallone, hanno le peculiarità di riempire i bruciatori: al posto dello xeno puro, viene dosata una miscela di gas nobili (miscela Penning) per facilitare l'accensione. Tali lampade funzionano senza un dispositivo di accensione che genera impulsi ad alta tensione. Altri tipi di lampade al sodio richiedono un dispositivo simile.

Lampade DNAZ trovato applicazione in serre industriali per accelerare la fotosintesi delle piante. La percentuale di queste lampade nel numero totale di fonti che usano radiazioni di sodio è relativamente piccola e possono essere attribuite a lampade speciali.

Con un'efficienza molto elevata e una buona riproduzione dei colori, le lampade al sodio a bassa potenza (35 e 50 W) potrebbero trovare applicazione nella vita di tutti i giorni. Gli additivi al bruciatore di metalli delle terre rare consentono di ottenere uno spettro di radiazioni quasi indistinguibile dalla luce solare.

Ma il tallone d'Achille delle lampade non è uno schema di alimentazione complicato: l'elettronica moderna può facilmente far fronte a un problema simile. Il tempo di accelerazione e di uscita in modalità operativa è un ostacolo che annulla tutti i vantaggi delle lampade al sodio nella vita di tutti i giorni. Le lampade a bassa potenza vanno in 4-6 minuti e i parametri sono completamente stabilizzati entro 20-25 minuti. Per venire a patti con tali inconvenienti nell'illuminazione delle stanze, raramente qualcuno sarà d'accordo.

Ad oggi, non ci sono praticamente altre fonti di luce alternative per l'illuminazione esterna.Le lampade al sodio occuperanno a lungo questa nicchia, osservando in modo condiscendente i tentativi moderni "upstart" come le luci a LED premili fuori.