Джерела світла - Фізичні процеси і фактори, від яких залежить тривалість роботи ламп розжарювання

Фізичні процеси і фактори, від яких залежить тривалість роботи ламп розжарювання і їхня світлова віддача
Тривалість роботи джерел світла характеризують такими строками служби: повним, корисним, середнім.
Повним строком служби (τпов) називають тривалість горіння джерела світла у годинах при номінальних умовах до повного виходу з ладу (в результаті перегорання тіла розжарювання або з інших причин).
Корисний строк служби (τк) - це тривалість горіння джерела світла у годинах при номінальних умовах до зниження світлового потоку до такого рівня, при якому подальша його експлуатація стає економічно невигідною. Зазвичай мінімальний світловий потік, нижче якого експлуатацію сучасних ЛР вже можна вважати неекономічною, складає 85-90 % від початкового.
Часто для джерел світла загального призначення за корисний строк служби приймають час, протягом якого їхній світловий потік зменшується не більше, ніж на 20 % свого номінального значення.

Середній строк служби джерела світла (τ) або просто строк служби дорівнює середньому арифметичному значенню повних строків служби групи джерел світла (не менше 10), але за умови, що середнє значення світлового потоку всієї групи джерел світла за цей час не буде нижчим за допустиме значення при корисному строку служби.
Середній строк служби є одним з основних експлуатаційних параметрів джерела світла.
Основним процесом, який найбільше скорочує строк служби і світлову віддачу ЛР, є випаровування вольфрамового тіла розжарювання.
Залежність швидкості випаровування вольфраму, тобто його кількості, що випаровується з 1 см² поверхні за 1 с, від температури показана на рис 2.4. При значеннях температури 2870 і 3270 °С вона відповідно дорівнює 8,4-10 10 і 9,95-10 8 кг/(см²-с).

Рис. 2.4. Залежність швидкості випаровування вольфрамового дроту у вакуумі від температури

На базі експериментально отриманих даних складене таке співвідношення для визначення швидкості випаровування вольфраму у вакуумі тТ у залежності від температури за шкалою Кельвіна Т:

Для визначення змінення швидкості випаровування вольфрамового тіла розжарювання при змінені його температури у невеликому інтервалі (на декілька процентів) можна користуватися такою формулою:

де тТ1 та тТ2 — відповідно швидкості випаровування вольфраму при значеннях температури Т1 і Т2, nм — показник, який залежить від температури і визначається при середньому арифметичному її значенні для вибраного інтервалу, тобто для T = (T1 + Т2)/2 .
Залежність показника nм від температури наведена в табл.2.1.

Таблиця 2.1.
Залежність показника nм від температури для вольфраму

Для одержання прийнятного строку служби (не менше 1000 год) робоча температура тіла розжарювання у вакуумних ЛР повинна бути у межах 2400 - 2600 К. Підвищення її в цьому інтервалі тільки на 1 % призводить до подвоєння швидкості випаровування вольфраму з тіла розжарювання.
Через випаровування вольфраму не тільки руйнується виготовлене з нього тіло розжарювання лампи, але й, що не менш важливо, зменшується прозорість колби лампи.
Швидке випаровування вольфрамового тіла розжарювання при нагріванні його до високої температури супроводжується інтенсивним осіданням частинок вольфраму, що відірвалися від тіла розжарювання, на внутрішній поверхні колби, у результаті чого на цій поверхні з'являється темний наліт. Колба чорніє і прозорість її для видимого випромінювання зменшується (зростає коефіцієнт поглинання світлового потоку). Світловий потік лампи поступово зменшується, у зв'язку з чим корисний строк служби лампи скорочується.
В останній час для збільшення строку служби ЛР як добавку до вольфраму, з якого виготовляють їхні нитки розжарювання, використовують метал реній. Хоч температура плавлення ренію дещо нижча, ніж у вольфраму (3453 К), проте швидкість його випаровування менша, ніж у вольфраму, він є стійкішим до окислення і в той же час добре піддається механічній обробці в нагрітому стані. Застосовують реній також як покриття вольфрамових ниток розжарювання.
Значно зменшують інтенсивність випаровування вольфрамових тіл розжарювання, наповнюючи колби газом.
При випаровуванні вольфрамових тіл розжарювання у середовищі газів значна частина молекул вольфраму, які випаровуються, повертається на поверхню тіла розжарювання внаслідок відштовхування від молекул газу. Чим більша молекулярна маса і тиск газу, тим нижчою є швидкість випаровування розжареного вольфраму. Дослідження показали, що швидкість випаровування вольфраму обернено пропорційна молекулярній масі газів, тобто для зменшення швидкості випаровування тіл розжарювання слід використовувати гази, що мають більшу масу. Одночасно ці гази повинні бути хімічно інертними до вольфраму і до інших матеріалів, з яких виготовляють внутрішні частини ламп.
Для наповнення колб ЛР використовують азот та інертні гази - аргон, криптон, ксенон та їхні суміші.
Для зменшення швидкості випаровування вольфрамового тіла розжарювання тиск газу у колбах ЛР повинен бути якомога вищим. Зазвичай він у холодних газонаповнених лампах наближається до атмосферного і складає (0,75.. .0,85)·10⁵ Па (1,01·10⁵ Па =1 атм=760 мм.рт.ст.). Використання більш високого тиску потребує застосування спеціальних пристроїв для забезпечення можливості відпайки трубки для вакуумізації колби лампи. Під час світіння газонаповнених ламп тиск у них через нагрівання газу збільшується до (1,1...1,2)·10⁵ Па. Підвищений тиск газів у холодній лампі може призвести до руйнування колби лампи при її нагріванні в процесі роботи.
Позитивно впливає на стабільність світлових параметрів ЛР протягом строку служби виготовлення ЛР з досить довгими циліндричними колбами, які розташовані вертикально і цоколем вниз. У таких лампах наліт вольфраму зосереджується в основному у верхній частині колби, яка найбільш віддалена від тіла розжарювання.
Газонаповнені ЛР при однаковій робочій температурі тіла розжарювання завдяки меншій швидкості випаровування вольфраму в газі мають значно більший строк служби, ніж аналогічні вакуумні (у два рази і більше). При однаковому з вакуумними лампами строку служби (однаковій швидкості випаровування вольфраму) температура тіл розжарювання газонаповнених ламп вища (2800 К і більше), тому вони створюють значно більший світловий потік, ніж аналогічні вакуумні.
Однак ЛР, наповнена газом, навіть при однаковій температурі тіла розжарювання має більші теплові втрати, ніж вакуумна лампа, що обумовлене втратами тепла через газ теплопровідністю та за рахунок конвекції. Тому світлова віддача газонаповненої ЛР при тій самій потужності нижча, ніж аналогічної вакуумної, оскільки температура тіла розжарювання у неї нижча.
Чим більшу молекулярну масу має газ, тим меншим є його коефіцієнт теплопровідності (табл. 2.2).

Таблиця 2.2
Значення молекулярної маси і коефіцієнта теплопровідності газів, які використовуються у ЛР

Набагато більшу теплопровідність, ніж інертні гази аргон, криптон і ксенон, має азот. Тому, щоб значно не збільшувати теплові втрати ламп, у чистому вигляді для наповнення ламп азот не застосовується. Його частіше використовують у невеликій кількості як додаток до аргону та інших газів для збільшення потенціалу іонізації газової суміші, тому що при низькому потенціалі іонізації наповнюючого газу в лампі може виникнути електричний розряд (електрична дуга).
Останнім часом все частіше колби ЛР наповнюють сумішшю криптону з азотом. У таких лампах теплові втрати менші, ніж у наповнених сумішшю аргону з азотом, і тому вони в енергетичному відношенні економічніші. Недоліком криптонових ламп є висока вартість криптону. При наповненні ламп ксеноном ще більш зменшуються теплові втрати ламп, але цей газ ще дорожчий за криптон. Використання для наповнення ЛР криптону замість аргону дає можливість значно зменшити розміри їхніх колб. При цьому грибовидна форма колби використовується для запобігання можливого перегріву колби і ніжки при розміщенні лампи в несприятливих з точки зору теплового режиму положеннях.
Для того щоб підвищити температуру тіла розжарювання газонаповненої лампи, необхідно відповідно збільшити електричну потужність, яка підводиться до лампи. При цьому чим до вищої температури нагрівається тіло розжарювання, тим швидше зростає світловий потік лампи у порівнянні із зростанням електричної потужності, що підводиться до лампи. Завдяки цьому світлова віддача газонаповнених ламп значно (на 10-12 %) вища, ніж вакуумних, у яких допустимі значення робочої температури тіл розжарювання значно нижчі.
Таким чином, газонаповнені лампи можуть бути виготовлені як з більш тривалим строком служби, так і з більш високою світловою віддачею, ніж вакуумні, або з тим і іншим одночасно, але меншою мірою.

Зміни світлового потоку Ф, світлової віддачі η і строку служби τ ЛР при змінені температури їхніх тіл розжарювання Т в межах ± 10 % від номінальної можна із задовільною для практики точністю знаходити, використовуючи такі узагальнені співвідношення:

де Фн, ηн і τн - світловий потік, світлова віддача і строк служби ЛР в номінальному режимі роботи.
Змінення електричної потужності ЛР, які відповідають певним збільшенням або зменшенням температури їхніх тіл розжарювання у тих же межах ±10 % від номінальної, можна наближено визначити із співвідношення:

де Рн - номінальна потужність ЛР.
Крім випаровування вольфрамових тіл розжарювання, на строк служби ЛР впливають різні домішки та забруднення, які можуть бути наявні у газовому середовищі лампи або в її вакуумному об'ємі.
Незважаючи на досить високий вакуум, який створюється при відкачуванні ламп, в них все ж залишаються водень, окис вуглецю, пари води і масло. Джерелами забруднення відкачаної лампи є саме розжарене тіло розжарювання, електроди і тримачі. Вони при нагріванні виділяють окис вуглецю, водень і пари вуглекислоти.
Різні гази і пари сторонніх речовин значною мірою поглинаються спеціальними речовинами, які з цією метою вводять у лампу. Особливо негативно впливає на строк служби ламп наявність у колбах ламп пари води. При нагріванні до високої температури молекули води дисоціюють на атомарний водень і кисень. Кисень вступає в хімічну реакцію з вольфрамом і утворює окиси вольфраму (WO, WO2, WO3), які швидко випаровуються і вилучають з тіла розжарювання частину вольфраму. Коли ці окиси попадають на колбу, температура якої набагато нижча, ніж тіла розжарювання, то в присутності дуже активного атомарного водню відбувається їх розклад на вольфрам та кисень. Кисень з воднем знову утворюють пару води, а вольфрам залишається на колбі у вигляді темного нальоту. Утворена пара води повторює той же цикл, продовжуючи руйнувати тіло розжарювання. Тому вольфрамове тіло при наявності у колбі пари води дуже швидко руйнується.
Значну кількість води мають стекла ламп. Вона при нагріванні стекол випаровується. Тому стекла ламп дуже ретельно обезводнюють нагріванням їх до температури 300...350 °С з одночасним відкачуванням ламп.
Окис вуглецю, вступаючи у хімічну реакцію з вольфрамом розжареного тіла розжарювання, утворює окиси, а також карбіди вольфраму (W+C=WC або 2W+C=W2C). При відсутності в лампі пари води окиси вольфраму випаровуються і осідають на колбі. Карбіди вольфраму порушують однорідність тіла розжарювання, зменшують його механічну міцність, у зв'язку з чим на тілі розжарювання з'являються дефектні ділянки.
Сучасна техніка відкачування дозволяє зменшувати вміст різних шкідливих домішок у колбах ламп до такої кількості, щоб вони вже не змогли значно впливати на строк служби ламп.
Дуже впливає на структуру та механічну міцність вольфрамових тіл розжарювання тривалість їхньої роботи при високій температурі. При цьому границя міцності вольфрамових ниток різко падає, у зв'язку з чим при досить тривалій роботі ламп значно збільшується провисання їхніх спіралей.
Зменшення механічної міцності вольфрамових тіл розжарювання при тривалому нагріванні до високої температури пов'язане із зростанням у них кристалів, які через деякий час у вольфрамових нитках можуть зайняти усю площу перерізу. Зміщення досить крупних кристалів на окремих ділянках нитки розжарювання зменшують ефективні значення площі перерізу нитки на цих ділянках, в результаті чого температура їх збільшується і відповідно скорочується час до перегорання нитки.
Структура вольфрамової нитки до початку роботи показана на рис. 2.5, а і б, а після тривалого впливу високої температури - на рис. 2.5, в і г. При цьому на рис. 2.5, г показане зміщення крупних кристалів відносно один одного.

Рис. 2.5. Структура вольфрамової нитки розжарювання: а, б - до початку роботи; в, г - після тривалого впливу високої температури
Для підвищення міцності і формостійкості вольфрамових спіралей при високих значеннях температури до вольфраму додають присадки з окису алюмінію, окису торію та інші присадки. Вольфрам з такими присадками зберігає мілкозернисту структуру і після тривалого нагрівання до високої температури.