Використання галогенного циклу в газонаповнених лампах розжарювання
Газонаповнені ЛР, до наповнення яких входять галогени, тобто елементи сьомої групи Д.І. Менделєєва (йод, хлор, бром, фтор), називають галогенними (ГЛР).
Позитивною особливістю ГЛР у порівнянні із звичайними газонаповненими ЛР є те, що в них при світінні виникає замкнутий фізико-хімічний процес ( замкнутий галогенний цикл ), який перешкоджає осаджуванню випаруваного вольфраму на внутрішню поверхню колби. Тому в ГЛР і після тривалої роботи зберігається прозорість колби, завдяки чому корисний строк служби цих ламп може бути значно більшим, ніж звичайних газонаповнених.
В основі виникаючого в ГЛР галогенного циклу лежать залежність поведінки галогенів у лампі від теплового стану лампи при її світінні та явище дифузії. Так, при відносно низькій температурі (до 335 К) галогени не утворюють хімічних сполучень з вольфрамом і з іншими металами. При більших значеннях температури вони, вступаючи в хімічну реакцію з вольфрамом (молібденом, нікелем), утворюють газоподібні сполучення, які називають галогенідами. При ще більших значеннях температури, але нижчих за робочу температуру тіл розжарювання ЛР, галогеніди розкладаються на первісні складові частини, тобто на вольфрам і галоген. Дифузія, як відомо з курсу фізики, являє собою спрямоване перенесення частинок речовини в бік перепаду (зменшення) їхньої концентрації. Обумовлена вона хаотичним (невпорядкованим) рухом молекул у всіх напрямках і відбувається незалежно від дії сили тяжіння і навіть всупереч їй.
Густина дифузійного потоку частинок Ζ, тобто кількість частинок, які проходять через 1 м2 за 1 с у визначеному напрямку х, пропорційна перепаду концентрації частинок у цьому напрямку:
де D - коефіцієнт дифузії.
Замкнутий галогенний цикл у ГЛР проходить таким чином.
При світінні лампи вольфрам, що випаровується з тіла розжарювання, осідає на внутрішній поверхні колби. При цьому температура колби є такою, що галогени з осівшим на ній вольфрамом утворюють галогенід вольфраму. У зв'язку з підвищенням концентрації цього газоподібного галогеніда біля стінки колби його молекули дифундують у бік тіла розжарювання. На тілі розжарювання та біля нього галогенід розкладається, повертаючи йому раніше випарувані атоми вольфраму. Звільнені ж атоми галогену, дифундуючи в об'ємі лампи, знову сполучаються на стінці колби лампи з вольфрамом і так і далі.
В усталеному процесі атоми випарюваного вольфраму можуть сполучатися з галогенами ще до досягнення ними поверхні колби. При цьому почорніння колби через наліт вольфраму взагалі не виникає.
Пара йоду, наприклад, при температурі 300-1200 °С утворює з випарюваним вольфрамом йодистий вольфрам WJ2 (W+2J→ WJ2). При температурі вище 250-300 °С цей галогенід випаровується, а розкладається він біля тіла розжарювання при температурі 1400-1600 °С (WJ2→W+2J). При цьому атоми вольфраму осідають на тілі розжарювання і на інших деталях ламп, температура яких вища за температуру розкладу цього галогеніду. Атоми йоду, що звільнилися, знову дифундують в об'ємі лампи і цей очисний процес безперервно повторюється.
Кількість йоду в лампі повинна бути не більшою за мінімально необхідну, оскільки пара йоду помітно поглинає видиме випромінювання, особливо з довжинами хвиль 500-520 нм.
Найбільш сприятливою для виникнення йодного циклу є температура стінки колби 500-600 °С, тому колби ГЛР виготовляються з кварцового скла, хоч воно й значно дорожче силікатних стекол. Кварцові стекла можуть працювати тривалий час при температурі 700-800 °С.
Колби ГЛР завдяки тривалому зберіганню прозорості для світлового випромінювання можуть мати набагато менші розміри, ніж колби звичайних газонаповнених ЛР, для збереження прозорості яких потрібна достатня площа внутрішньої поверхні для розосереджування осідаючих частинок вольфраму.
Разом з цим кварцове скло значно міцніше, ніж силікатне. І те і інше дозволяє істотно збільшити тиск газового наповнення в ГЛР і завдяки цьому при тій же самій температурі тіла розжарювання значно зменшити швидкість його випаровування, або при тій же самій швидкості випаровування відповідно збільшити температуру тіла розжарювання. Так, при підвищенні тиску газового середовища в холодній газонаповненій лампі від звичайного, близького до атмосферного ((0,75-0,85)·105 Па), до 1,6-105 Па світлова віддача ламп при однаковому строку служби може бути підвищена на 10.. .15 % і більше. Завдяки цьому ГЛР можуть мати не лише триваліший строк служби, але й більшу світлову віддачу.
Середня світлова віддача ГЛР, призначених для загального освітлення, складає близько 22 лм/Вт при строку служби 2000 год.
Найбільш інтенсивно випаровування вольфраму відбувається з ділянок тіла, що мають найвищу температуру, а осідає він в основному на менш нагрітих ділянках, температура яких нижча. Тому відновлення найбільш зруйнованих через випаровування вольфраму гарячих ділянок тіла розжарювання, які мають найбільшу температуру, у процесі галогенного циклу не відбувається. Отже, строк служби ГЛР за рахунок повернення випарюваного вольфраму на тіло розжарювання не збільшується. Різнотовщинність вольфрамового дроту тіл розжарювання у ГЛР при однакових умовах зростає так само, як і при відсутності у них галогенного циклу.
У більшості ГЛР, що виготовлені в останній час, замість чистих галогенів використовують їхні хімічні сполуки СН3Вr (бромистий метил), СН2ВГ2 (бромистий метилен) та інші. Використання цих сполук замість чистих галогенів пояснюється високою токсичністю останніх, а також їхньою хімічною агресивністю по відношенню до металевих ділянок ламп.
Триваліший строк служби, набагато менші розміри і вища світлова віддача - основні переваги ГЛР, а досить висока вартість - їхній головний недолік порівняно з іншими типами ЛР.