Розрядні лампи високого і надвисокого тиску, їх загальна характеристика і особливості
Розрядні лампи високого і надвисокого тиску на відміну від ламп низького тиску виготовляють і потужними. Вони придатні для освітлення досить великих відкритих просторів з низькою температурою повітря.
Джерелом майже всього випромінювання в РЛВТ і РЛНВТ є позитивний стовп дугового розряду в парах металів та в інертних газах. Основним випромінюванням у таких ламп є нерезонансне випромінювання атомів і молекул, оскільки, як зазначено вище, воно при дугових розрядах високого і надвисокого тиску є переважаючим. Потужності прикатодної і прианодної областей розряду (UкIл і UaIл ) у ламп цього типу майже повністю дорівнюють втратам потужності ламп у цих областях. Істотно зменшують ці втрати, використовуючи активовані саморозжарювальні електроди, які зменшують падіння напруги Uк+Ua до 12- 15 В.
Одна з найбільш поширених конструкцій електродів, які використовуються у РЛВТ і РЛНВТ, показана на рис. 4.9.
Рис. 4.9 Електроди РЛВТ з конічною (а) і напівкулевою (б) заточками: 1 - дротик; 2 - окисна паста ; 3 - вольфрамова спіраль
Електроди цієї конструкції являють собою вольфрамовий дротик (стержень) з присадкою торію. Кінець його, звернений до іншого електрода, має конічну (рис. 4.9,а) або напівкулеву (рис. 4.9,б) заточки. На бічну циліндричну поверхню дротика в декілька шарів навита вольфрамова спіраль 3. Вона утримує на електроді оксидну пасту 2, призначену для полегшення запалювання розряду. Електроди потужних ламп з короткою дугою для кращого охолодження виготовляють досить масивними. Розряд починається з поверхні спіралі і переходить на торцеву частину вольфрамового дротика.
Для утворення пари у РЛВТ і РЛНВТ придатні ртуть, цезій, калій, натрій, цинк та інші метали, які мають порівняно велику пружність пари. Чим вища пружність пари металу, тим при меншій температурі розрядної трубки можна створити необхідний тиск насиченої пари цього металу. Він, як уже зазначено, повністю залежить від температури найхолоднішої ділянки внутрішньої поверхні розрядної трубки і ,зокрема, для утворення в розрядному проміжку РЛ тиску пари, що складає 105 Па, мінімальна температура внутрішньої поверхні розрядної трубки має бути: для ртуті - 350, для рубідію - 650, для цезію - 670, для калію - 770, для цинку - 890 і для натрію - 930 °С. Ці дані свідчать про те , що з точки зору створення в РЛВТ і РЛНВТ необхідного тиску ртуть порівняно з іншими металами має незаперечні переваги. Вона дає можливість створювати лампи з тиском, набагато вищим за 106 Па, і з досить різноманітними характеристиками. Крім цього, пара ртуті хімічно малоактивна і слабо взаємодіє з матеріалами розрядної трубки і електродів.
Ртутний розряд високого і надвисокого тиску дуже часто використовують для створення РЛ. Він дозволив створити високоефективні лампи з випромінюванням в ультрафіолетовій, видимій і близькій до інфрачервоної областях спектра, різної потужності, досить компактні, зі строком служби, який складає десятки тисяч годин, і з високою яскравістю. Оскільки тиск насиченої пари ртуті, як і інших металів, в холодних РЛВТ і РЛНВТ дуже малий, то при запалюванні вони є лампами низького тиску. Тільки після запалювання розряду, коли розрядна трубка достатньо нагріється і метал почне досить інтенсивно випаровуватися, тиск його пари поступово збільшиться до необхідного рівня.
Для того, щоб забезпечити запалювання холодних ламп з розрядами високого і надвисокого тиску, коли пара ртуті або пари інших металів у них майже відсутні, розрядні трубки цих ламп, як і ламп низького тиску, одночасно наповнюють і інертним газом. Зазвичай з цією метою використовують аргон під тиском у декілька сотень паскалей (декілька міліметрів ртутного стовпа). Тоді при розгоранні ламп розряд спочатку виникає в інертному газі. Крім цього, в період розгорання ламп, коли падіння напруги біля катода в них підвищене, газ сповільнює розпилювання електродів під дією бомбардування позитивними іонами. Проте, гальмуючи переміщення іонів, молекули газу одночасно уповільнюють і нагрівання електродів під дією іонного бомбардування і тому дещо збільшують період запалювання ламп.
Після того, як тиск пари ртуті або іншого металу в розрядних трубках ламп досягне приблизно 105 Па, роль інертного газу в РЛВТ і РЛНВТ стає в основному негативною. Необхідний тиск в розрядних трубках РЛВТ і РЛНВТ при їхньому світінні створюється вже парами самих металів. Інертні гази (крім ксенона) при світінні ламп збільшують теплові втрати потужності, тому що їхня теплопровідність більша, ніж теплопровідність пари ртуті і парів інших металів, які використовуються в лампах для створення випромінювання.
Поперечний переріз розряду в РЛВТ і РЛНВТ набагато менший, ніж у лампах низького тиску, оскільки при високому тиску розряд стягується до своєї осі (в шнур), у той час як при низькому тиску він заповнює майже увесь простір розрядної трубки. Поряд з цим і напруженість електричного поля (градієнт потенціалу) в стовпах розряду РЛВТ і РЛНВТ може бути набагато більшою, ніж у РЛНТ, що пояснюється зменшенням довжини вільного пробігу електронів у газах і парах при збільшенні їхнього тиску. При коротких пробігах вільних електронів в електричному полі для збільшення їхньої кінетичної енергії до значень, необхідних для збудження та іонізації атомів парів або газів, потрібні й більші значення градієнта потенціалу. Але, чим більшими є значення градієнта потенціалу в стовпі розряду (див. співвідношення 4.1), тим меншою за інших аналогічних умов повинна бути довжина стовпа розряду. Тому при однаковій потужності і тій самій напрузі довжина стовпа розряду bст, а відповідно і довжина розрядних трубок у лампах високого і надвисокого тиску є набагато меншою, ніж, наприклад, у ЛЛ, які є лампами низького тиску. Завдяки цьому, а також через малий поперечний переріз розряду РЛВТ і РЛНВТ відрізняються від РЛНТ, зокрема від ЛЛ, високою компактністю і набагато (в сотні разів) більшою густиною випромінювання. Тому їх часто називають лампами високої інтенсивності.
Для зменшення залежності характеристик РЛВТ і РЛНВТ від режиму роботи в їхні розрядні трубки вводять строго дозовану кількість ртуті або інших металів з таким розрахунком, щоб у нормальних умовах світіння цих ламп ртуть або інші метали, що використовуються для утворення випромінювання, повністю випарувалися, і розряд відбувався б у ненасичених парах цих металів. Тоді при світінні ламп в різних умовах тиск парів у них буде визначатися однаковою кількістю металів, що випарувалися.
У зв’язку з тим, що в початковий період після виникнення дугового розряду між основними електродами тиск парів металів у РЛВТ і РЛНВТ дуже знижений, опір ламп цього типу в період розгорання є набагато меншим, ніж при стабільному горінні. Тому пусковий струм у лампах цього типу може значно (в два рази) перевищувати номінальний. При розгоранні ламп і збільшенні тиску парів струм в них поступово зменшується і через певний час досягає його значення в усталеному режимі роботи.