Металевогалогенні лампи (МГЛ) є розрядними джерелами світла високого тиску. Вони значно переважають лампи типу ДРЛ як за світловою віддачею, так і за якістю кольоропередачі. Крім цього, ці лампи мають і вищу питому потужність, ніж лампи типу ДРЛ, і тому мають порівняно з ними менші розміри світловипромінюючого тіла.
Металевогалогенні лампи застосовують для загального освітлення, для освітлення різноманітних об'єктів і споруд при кольорових телепередачах та кінозйомках. Завдяки досить високій якості кольоропередачі і високій світловій віддачі їх застосовують для освітлення виставок, ярмарків, демонстраційних залів і т. ін.
Високі світлові та електричні характеристики МГЛ мають в результаті того, що в розрядних проміжках цих ламп крім пари ртуті та аргону, є також пари різних металевих домішок. У МГЛ найчастіше використовують такі домішки як натрій, індій, талій, скандій, торій та інші метали, які створюють випромінювання у видимій частині спектра.
Атоми натрію, коли вони знаходяться у дуговому розряді, утворюють випромінювання жовтого кольору з довжиною хвилі 581 нм, літію - червоного кольору з довжиною хвилі 671 нм , талію - зеленого кольору з довжиною хвилі 535 нм. Введенням в розряд одночасно атомів декількох з цих металів можна отримати спектр випромінювання у видимій його частині від лінійчастого до майже неперервного. Потенціали збудження атомів цих металів набагато нижчі, ніж атомів ртуті, тому потік випромінювання металевих домішок у МГЛ значно більший, ніж атомів ртуті, незважаючи на те, що тиск пари ртуті в них в сотні разів вищий, ніж тиск парів домішок.
Відповідно і повний потік випромінювання МГЛ і його спектральний склад визначаються в основному атомами металевих домішок. Проте для випаровування металів, які використовуються в МГЛ як домішки, потрібна значно вища температура пальників, ніж для випаровування ртуті, а при високій температурі вони швидко руйнують кварцове скло.
Щоб захистити кварцові пальники МГЛ від руйнівної дії металевих домішок при високій температурі, в них вводять галогеніди цих металів (сполук з йодом, бромом і хлором). Галогеніди багатьох металів (талію, індію, скандію, диспрозію та інших) і випаровуються легше, ніж самі метали, і мало впливають на кварцове скло. Зазвичай у МГЛ використовують сумісно йодиди натрію, талію та індію (так звана потрійна домішка) або йодиди натрію і скандію. Тому МГЛ часто називають дуговими ртутними лампами з йодидами металів або скорочено ДРЙ. Температура пальників у цих лампах при їхньому світінні дорівнює 800-900 °С.
При попаданні в зону дугового розряду, температура якого дуже висока, йодиди розпадаються на метал і йод. Атоми кожного з металів, коли вони знаходяться у зоні дугового розряду, утворюють характерне для кожного з них випромінювання.
Ртутна пара в МГЛ також відіграє дуже важливу роль. Її атоми створюють в пальниках працюючих ламп високий тиск і таким чином перешкоджають дифузії атомів металевих домішок з високотемпературної області розряду. Завдяки цьому значно збільшується світлова віддача ламп. Тому в МГЛ створюється значно вищий тиск пари ртуті , ніж у лампах типу ДРЛ.
Завдяки більшому тиску ртутної пари лампи типу ДРЙ мають і вищі значення градієнта потенціалу в стовпі розряду, ніж лампи типу ДРЛ. Тому і їхні розміри значно менші, ніж ламп типу ДРЛ з тією ж самою потужністю.
Загальний вигляд освітлювальних МГЛ зображений на рис. 4.18.
Кварцовий пальник лампи, показаної на рис. 4.18, а, розміщений усередині такої ж, як і у ламп типу ДРЛ, зовнішньої еліпсоподібної колби, виготовленої з термостійкого скла, але без люмінофорного покриття. Лампи, які показані на рис. 4.18, б і в, мають колби циліндричної форми.
Аргон в пальниках ламп типу ДРЙ, як і в інших РЛ, забезпечує запалювання розряду в досить холодних лампах, коли тиск пари ртуті в них дуже низький, а пари йодидів - практично відсутні.
У процесі нагрівання пальника електричним розрядом ртуть поступово випаровується, в результаті чого тиск її пари збільшується і розряд низького тиску в них переходить в розряд високого тиску, який стягується у шнур. При подальшому нагріванні пальника його температура стає ще більшою і починають помітно випаровуватися йодиди. В результаті дифузії молекули парів йодидів попадають у область дугового розряду, де розпадаються на йод і метал.
Рис. 4.18. Загальний вигляд МГЛ із зовнішньою еліпсоподібною (а) і циліндричною (б і в) колбами; 1 - зовнішня скляна колба; 2 - кварцовий пальник; 3 - траверси (тримачі); 4 - електрод; 5 - екран
Коли атоми парів металевих домішок внаслідок хаотичного руху потрапляють у шари розряду з меншою температурою та за його межі, вони знову сполучаються з атомами пари йоду і утворюють йодиди, завдяки чому відвертається контакт металевих домішок з поверхнею кварцового пальника і таким чином вона охороняється від прискореного руйнування цими металевими домішками. При переміщенні молекул парів йодидів у протилежному напрямку вони знову попадають у високотемпературну область дугового розряду і розпадаються і так далі.
Завдяки такому замкнутому циклу утворення і розпаду йодидів у пальниках МГЛ, який називають йодним циклом, з'являється можливість введення в розрядні проміжки ламп типу ДРЙ не тільки лужних металів (літію, натрію і цезію), а й ще більш агресивних металів (кадмію, цинку та інших).
Лампи типу ДРЙ з домішками йодидів натрію, індію і талію утворюють випромінювання з колірною температурою біля 5000 К. Спектр випромінювання цих ламп показаний на рис. 4.19. Основними в ньому є вузькі лінії резонансного випромінювання індію ( λ = 410 нм і λ = 451 нм), талію (λ = 535 нм і λ = 671 нм) і натрію (λ= 589/589,6 нм ). Частка видимого випромінювання ртуті у цьому спектрі значно менша.
Рис. 4.19.Спектр випромінювання ламп типу ДРЙ з домішками йодидів натрію, індію і талію у видимій області
Через труднощі точного дозування кількості йодидів індію і талію, які у робочому режимі ламп типу ДРЙ з потрійною домішкою знаходяться в стані ненасиченої пари, тобто тільки у вигляді пари, кольоровість випромінювання навіть однакових ламп цього типу помітно розрізняється. Тому лампи типу ДРЙ з потрійною домішкою мають не дуже добру відтворюваність. Йодиди натрію знаходяться в них у стані насиченої пари, тобто спільно з рідкою фазою, і тому вводяться в них з надлишком.
Істотним недоліком ламп типу ДРЙ з потрійною домішкою також є розшарування світіння розряду при вертикальному розташуванні розрядного проміжку. Так, у цьому випадку в нижній частині пальника переважає випромінювання натрію, у зв'язку з чим колір випромінювання - жовтий, а яскравість - максимальна; в середній частині пальника переважає синьо-зелена кольоровість, зумовлена випромінюванням талію та індію, а в області, яка межує з верхнім електродом, випромінюють в основному атоми ртуті і яскравість випромінювання в ній мінімальна.
Спектр випромінювання ламп типу ДРЙ з домішками йодидів натрію та скандію у видимій області показаний на рис. 4.20.
Рис. 4.20. Спектр випромінювання ламп типу ДРЙ з домішками йодидів натрію та скандію у видимій області
У цьому спектрі основними є лінії випромінювання натрію з довжинами хвиль 589/589,6 нм і лінії випромінювання скандію, спектр якого багато-лінійчастий і має такі довжини хвиль: 402, 425, 474, 510, 548, 621, 626 і 631 нм. Випромінювання ртуті в лампах цього типу істотного вкладу до видимого випромінювання не вносить. Колірна температура випромінювання цих ламп становить 4200 К. Йодиди скандію, як і натрію, при світінні цих ламп знаходяться у стані насиченої пари. Тому концентрація атомів натрію і скандію в розряді при зміні умов його горіння змінюється приблизно однаково. Через це колірні характеристики ламп із йодидами натрію і скандію відносно стабільні протягом тривалого часу і у різних ламп розрізняються дуже мало.
Розшарування випромінювання розряду при вертикальному розташуванні ламп з йодидами натрію і скандію менше, ніж у ламп з потрійною добавкою і проявляється в основному як збільшення яскравості випромінювання в нижній частині розряду.
Враховуючи те, що тиск насичених парів йодидів, як і пари ртуті, визначається температурою найхолодніших зон пальника, якими в пальниках є заелектродні області, для підвищення температури цих областей застосовують теплоізолюючі покриття з окису хрому або двоокису цирконію.
Наявність йодидів у пальниках ламп типу ДРЙ не дозволяє застосовувати для зниження напруги запалення цих ламп звичайні для РЛВТ оксидні катоди (йодиди отруюють окисні покриття цих катодів). Разом з цим запалювання ламп типу ДРЙ утруднює пара вільного йоду, пружність якої в холодній лампі складає біля 50 Па. Тому в лампах типу ДРЙ застосовують вольфрамові катоди, активовані торієм або його окисом. Атоми торію при попаданні в розрядний проміжок теж приймають участь в утворенні видимого випромінювання. Спектр випромінювання атомів торію у видимій області майже неперервний.
У зв’язку з тим, що напруга запалювання розряду при використанні торійованих вольфрамових електродів значно вища, ніж при оксидних, і до того ж запалювання розряду в лампах типу ДРЙ додатково ускладнене наявністю в них вільних атомів йоду, напруга електричної мережі часто виявляється недостатньою для запалювання ламп цього типу, навіть коли вони мають допоміжні запалюючі електроди. Тому більшість із цих ламп виготовляється тільки з двома основними електродами, а для їхнього запалювання застосовують імпульсні запалюючі пристрої, які створюють імпульси напруги з амплітудою, яка досягає значень 3-5 кВ і більше. Імпульси напруги з такою амплітудою викликають електричний пробій міжелектродного проміжку та іонізацію аргону, достатню для запалювання розряду при напрузі електричної мережі.
У лампах типу ДРЙ з додатковим запалюючим електродом може виникати значний струм витоку через цей електрод, що спричинений наявністю у заелектродних областях йодидів, які збільшують електропровідність зазору між запалюючим і основним електродами. Ліквідують цей струм витоку розриванням електричного кола, в якому він проходить, після запалювання розряду. Розривається це коло біметалевим розмикачем, розміщеним безпосередньо в лампі.
Існують також МГЛ з допоміжним електродом, який розташований не в пальнику лампи , а в зовнішній колбі. При подаванні на лампу запалюючого імпульсу напруги завдяки наявності цього електроду утворюється короткочасний тліючий розряд, який є джерелом ультрафіолетового випромінювання. Це випромінювання викликає фотоелектронну емісію з основних електродів лампи, яка істотно зменшує напругу запалювання лампи. Так, в існуючих МГЛ потужністю 100 Вт ця напруга завдяки такому допоміжному електроду зменшена з 4 кВ до 1,5 кВ, а час очікування запалювання зменшений до 0,3 с. Це в свою чергу дало можливість істотно зменшити вартість ПРА.
При відсутності запалюючого електроду безпосередньо в пальниках МГЛ зменшується й імовірність передчасного їхнього виходу з ладу.
Під час світіння ламп типу ДРЙ іони натрію поступово дифундують крізь кварцове скло і тому в пальниках ламп цього типу певна кількість йоду стає зайвою, через що напруга запалювання підвищується.
Зовнішні колби ламп типу ДРЙ наповнюють азотом, оскільки електрична міцність технічного аргону при високовольтному імпульсному запалюванні ламп виявляється недостатньою.
Світлова віддача ламп типу ДРЙ може досягати 80-90 лм/Вт і більше, а індекс кольоропередачі Ra=80-90. Проте через вищу ніж у ламп типу ДРЛ робочу температуру пальника, яка прискорює кристалізацію кварцового скла, а також через хімічні реакції за участю галогенів лампи ДРЙ мають менший строк служби (5-10 тис. год), а спад світлового потоку у них більший, ніж у ламп типу ДРЛ та інших ртутних ламп високого тиску.
Більше впливають на характеристики ламп типу ДРЙ і зміни напруги електричної мережі живлення UM. При повільних змінах напруги електричної мережі в межах ±15 % від номінальної і роботі з дроселем для визначення зміни світлового потоку Ф і потужності цих ламп Рл складені такі емпіричні формули:
При змінах напруги електричної мережі в межах ±(10 - 15) % світловий потік ламп типу ДРЙ змінюється на 25 - 37 %, а потужність - на 22 - 33 %.
Пульсації світлового потоку ламп типу ДРЙ значно нижчі, ніж ламп типу ДРЛ. Коефіцієнт пульсації у них кп=30-50 %. Для зменшення пульсації світлового потоку лампи типу ДРЙ, як і лампи типу ДРЛ, підключають до різних фаз електричної мережі.
Металевогалогенні лампи, які призначені для кольорового телебачення і кінозйомок, виготовляють з колбами кульової, еліпсоїдної або циліндричної форми, а як домішки в них використовують йодиди та броміди диспрозію, гольмію, тулію, талію, натрію і цезію.