3.3 Газоразрядные источники света
Они используются в репродукционном, копировальном, монтажном оборудовании, устройствах для просмотра оригиналов и оттисков, а также в сушильных устройствах печатных машин.
Действие газоразрядных ламп основано на свечении ионизированного газа при прохождении электрического тока через него.
Газоразрядные источники образуют линейчатый спектр, определяемый составом инертных газов или паров металлов, в которых происходит электрический разряд. В результате этого процесса атомы или молекулы газа возбуждаются электронным ударом и затем, испуская свет, переходят в исходное состояние.
У источников с линейчатым спектром излучение происходит в пределах узкого участка спектра. Поток излучения источника с таким линейчатым спектром cкладывается из монохроматических потоков отдельных линий:
где ФΣ— общий поток излучения источника с линейчатым спектром;
— монохроматические потоки излучения отдельньгх линий.
Цвет излучения и характер спектра зависят от состава газа или пара, наполняющего источник света, и условий разряда (тока, давления газа и т.д.). Подбирая соответствующие газ (пар) и условия разряда, получают излучение в любой части спектра.
Газоразрядные лампы могут быть непрерывного или импульсного горения. В газоразрядных лампах непрерывного горения используют преимущественно тлеющий и дуговой разряды.
Для тлеющего разряда характерны малое давление газа или паров металла, заполняющих разрядный промежуток, и малая плотность тока на электродах лампы. Лампы тлеющего разряда имеют, как правило, форму длинных трубок (например, ртутные лампы низкого давления). Вследствие малых плотностей тока интенсивность излучения таких источников сравнительно невелика.
Дуговой разряд происходит при больших плотностях тока. Этот вид разряда наиболее широко используется в газоразрядных лампах, поскольку с его помощью удается создать источники света большой яркости при сравнительно низких рабочих напряжениях.
Импульсные газоразрядные лампы используют для создания как редких, но мощных импульсов, так и частых, но менее мощных. Длительность вспышки импульсных ламп составляет короткий промежуток времени (от мкс до мс). В связи с этим, несмотря на большую силу света в импульсе (до десятков миллионов кандел), суммарная мощность импульсов достаточно мала.
Наиболее распространены ксеноновые, металогалогенные и люминесцентные лампы.
Ксеноновые лампы
Колбы ксеноновых ламп наполнены инертным газом ксеноном под давлением до 20 атм. (10 5 -10 6 паскалей), в котором и происходит газовый дуговой разряд, сопровождающийся очень интенсивным световым излучением, которое по своему составу близко к дневному. Поэтому эти лампы пригодны при экспонировании фотоматериала для цветоделения и цветовоспроизведения. Энергетический спектр ксенонового источника находится в диапазоне от 300 нм до инфракрасной области и имеет максимумы при 470, 625 и около 700 нм. Спектральная характеристика светового излучения ксенонового источника представлена на рис. 3.1 (кривая 2) и имеет вид непрерывного фона, на котором есть нерезко выраженный линейчатый спектр.
Ксеноновые источники могут эксплуатироваться в импульсном и квазинепрерывном режимах. Одноразовый импульс имеет продолжительность 0,01-0,1 секунды, а режим непрерывного горения осуществляется с скоростью около 100 импульсов в минуту. При этом выделяется большое количество тепла и обязательно нужно искусственное охлаждение.
Ксеноновые лампы характеризуются высокой интенсивностью, постоянством цветовой температуры, достигают максимальной интенсивности излучения практически сразу после включения, но их спектр излучения содержит ограниченное количество УФ лучей.
Мощность ксеноновых ламп от 200 до нескольких тысяч ватт. По форме лампы могут быть прямолинейными, в виде спирали или прямоугольной рамки.
ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
Газоразрядные лампы относятся к осветительным приборам, источником видимого излучения которых служит электрический разряд в газовой среде.
Разряд в газах, сопровождающийся выделением электромагнитного излучения может иметь различные формы в зависимости от условий его возникновения и протекания.
- величина приложенного напряжения и расстояние между электродами;
- состав среды, в которой происходит разряд;
- давление газа в колбе с электродами.
В газоразрядных лампах различного типа в основном используется два вида электрических разрядов — тлеющий и дуговой.
Тлеющий разряд характеризуется малым значением протекающего электрического тока и практически полным отсутствием выделения тепла. Обычно разряд такого вида протекает в условиях пониженного давления.
Структура тлеющего разряда содержит два участка — тёмное пространство, прилегающее к катоду и участок, излучающий свечение, который распространяется до анода.
Дуговой разряд сопровождается выделением значительной энергии, как световой, так и тепловой. Ионизированный газовый промежуток при горении дуги находится в состоянии плазмы. В дуговых газоразрядных приборах используются электроды из тугоплавких сплавов, компонентом которых обычно является вольфрам.
В зависимости от типа и характеристик применяемого наполнителя колб газоразрядных источников света, спектр их электромагнитного излучения может быть смещён в зону, находящуюся за пределами восприятия человеческого глаза. Обычно это излучение ультрафиолетового спектра.
В этом случае на внутреннюю поверхность колбы наносится специальный состав — люминофор. Слой люминофора поглощает ультрафиолетовые волны, излучая при этом видимый спектр.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
К данному типу световых источников относятся приборы, работающие при давлении газа в колбе от 0,15 до 104 Па. Примером приборов низкого давления могут служить традиционно применяемые люминесцентные лампы дневного света, а также так называемые энергосберегающие газоразрядные лампочки.
Лампа дневного света представляет собой герметичную цилиндрическую стеклянную колбу, в торцах которой расположены цоколи с контактными штырьками для подключения.
Штырьки соединены с электродами, выполненными в виде вольфрамовых спиралей. Для обеспечения условий, благоприятных для термоэлектронной эмиссии, поверхность электродов покрыта оксидами щелочноземельных металлов.
Внутреннее пространство колбы люминесцентной лампы заполнено инертным газом — аргоном и парами ртути, обеспечивающими хорошее её зажигание.
При запуске, в парах ртути начинает протекать электрический ток, вызывая излучение электромагнитных волн частицами ртути. Свойства ртути таковы, что выделяемое ей излучение лежит в ультрафиолетовой области спектра, то есть невидимо.
Для преобразования ртутного излучения в видимый свет используется специальный химический состав, наносимый на внутреннюю поверхность колбы. Состав называется люминофором и представляет собой соли кальция, бериллия, кадмия и других металлов.
Люминофор поглощает выделяемые парами ртути ультрафиолетовые волны, выделяя при этом излучение видимого светового спектра.
- необходимость использования для их питания специальной пускорегулирующей аппаратуры;
- линейчатая характеристика спектра излучения с отсутствием отдельных световых диапазонов;
- высокочастотное мерцание, вызывающее стробоскопический эффект;
- потенциальная опасность паров ртути и необходимость соблюдения определённого порядка утилизации вышедших из строя приборов.
БАКТЕРИЦИДНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
Этот вид газоразрядных источников излучения низкого давления не относится к приборам освещения. Выделяемое парами ртути ультрафиолетовое излучение используется этими устройствами в медицинских целях.
Бактерицидные свойства ультрафиолетовых газоразрядных ламп используются для обеззараживания помещений в медицинских учреждениях.
Разумеется, люминофор в этом случае не применяется. Правда, спектр излучения ртути приходится фильтровать, для чего в этих устройствах используются колбы из специального увиолевого стекла. Характеристики увиолевого стекла таковы, что оно пропускает преимущественно длинноволновое ультрафиолетовое излучение.
ИНДИКАТОРНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
Данный вид газоразрядных лампочек применяется в электронных приборах для числовой или символьной индикации. Наиболее распространённый тип таких индикаторов представляет собой газоразрядное устройство, имеющее один анод и десять тонких сетчатых катодов.
Каждый катод соответствует одной из цифр от 0 до 9. Катоды расположены слоями, один над другим. Управляются они раздельно, при подключении одного из катодов загорается соответствующая цифра.
Громоздкость этих приборов и необходимость их питания относительно высоким напряжением привела к их полному вытеснению индикаторами светодиодного типа.
ЛАМПЫ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
К данному виду приборов относят источники, рабочее давление газа в колбах которых составляет от 3х104 до 106 Па. Повышенное давление газа позволяет повысить уровень создаваемого светового потока, но при этом, предъявляет особые требования к материалу и конструкции колб.
РТУТНЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
Наиболее распространёнными приборами данного вида являются устройства типа ДРЛ (дуговые ртутные люминесцентные). Зажигание таких световых источников осуществляется с применением специальных пусковых устройств, создающих высоковольтные импульсы.
- колба из стекла высокой прочности;
- цоколь с резьбой для вкручивания в электрический патрон;
- кварцевая горелка;
- электроды (главные и дополнительные).
Горелка дуговой ртутной лампочки представляет собой высокопрочную стеклянную герметично запаянную трубку, расположенную внутри общей колбы. Внутри горелки под давлением находится аргон с ртутными парами.
В горелке может быть два или четыре электрода, во втором варианте два из них — основные, два других играют роль дополнительных. Наличие дополнительных электродов обеспечивает более лёгкое зажигание дуги и стабильное её горение.
Розжиг ДРЛ до номинальной яркости происходит в течение некоторого времени, которое зависит от температуры окружающего воздуха и может достигать нескольких минут после включения.
Применяются дуговые ртутные лампочки для наружного освещения либо для освещения больших производственных помещений — цехов, складов и т. п.
НАТРИЕВЫЕ ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
Излучающей средой приборов этого типа являются пары натрия. Отличительная характеристика натриевой газоразрядной лампы — яркий оранжево–жёлтый цвет свечения. Такой цвет обладает преимуществами в условиях тумана или задымлённости, поэтому широко применяется для уличного освещения.
Самый распространённый представитель источников света этой категории — газоразрядная лампа ДНаТ (дуговая натриевая трубчатая).
Натриевая лампа подобно ртутной содержит две колбы — внешнюю и внутреннюю, являющуюся горелкой. Стекло горелки изготовлено из оксида алюминия.
Это обусловлено тем, что при работе внутренняя колба может разогреваться до температуры 1200°С. Внутри горелки расположены два электрода, находящихся в пространстве, заполненном смесью инертных газов.
Материалом внешней колбы служит специальное боросиликатное стекло, обладающее повышенной тугоплавкостью. При изготовлении из внутреннего пространства внешней колбы производится откачка воздуха. Создающийся при этом вакуум является надёжной защитой от высокой температуры горелки. Такая конструкция работает подобно термосу.
Наибольшее распространение имеют ДНаТ с резьбовым цоколем Е40.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ МЕТАЛЛОГАЛОГЕННЫЕ И КСЕНОНОВЫЕ ЛАМПЫ
Особенностью металлогалогенных источников света является скорректированная спектральная характеристика. Коррекция достигается путём добавления в содержимое горелки кроме паров ртути специальных добавок — галогенидов некоторых металлов (йодид натрия и скандия).
Благодаря добавке галогенидов происходит заполнение провалов в области красного и жёлтого цветов, свойственным характеристикам ртутного излучения.
В ксеноновых лампах излучающей средой является ксенон, находящийся в колбе под высоким давлением, которое может достигать в некоторых типах ламп 25 атм. Колбы таких источников изготавливаются из кварцевого стекла и даже из сапфира. Ксеноновые газоразрядные лампы дают очень яркое белое свечение, близкое по спектру к дневному свету.
© 2012-2023 г. Все права защищены.
Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Распределение энергии излучения газоразрядных ламп по основным областям спектра представлено в табл. III-3 [53, 66]; энергия излучения выражена в микроваттах на 1 см2 облучаемой поверхности, перпендикулярной к направлению лучистого потока и находящейся на расстоянии 1 м от лампы. Из этой таблицы видно, что лампы всех типов значительную часть своей энергии излучают в видимой области спектра. Поэтому при использовании газоразрядных ламп в качестве источника ультрафиолетового возбуждения флуоресценции необходимо применять светофильтры, более или менее полно поглощающие видимую область спектра. [3]
К люминесцентным излучателям относятся разнообразные газоразрядные лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления. Спектр излучения газоразрядных ламп определяется природой наполняющего газа или паров металла. [4]
Жидкостные лазеры используют в качестве активных элементов растворы, содержащие ионы редкоземельных элементов. Все эти лазеры работают только в импульсном режиме с оптической накачкой излучением ксеноновых газоразрядных ламп . [6]
Так, не одинаковы длительности и формы импульсов яркости и силы света шаровых импульсных ламп. Существенно различны также длительности и формы импульсов спектральной линии и прилегающего к ней фона излучения газоразрядных ламп . [8]
Они представляют собой газоразрядные лампы низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение паров ртути преобразуется люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность цилиндрической колбы, в излучение видимого света, близкого к естественному дневному свету. Спектр излучения газоразрядных ламп близок к линейчатому. [9]
Этот материал имеет низкий пороговый уровень накачки ( 1 дж при температуре 77 К и 0 1 дж при 4 2 К), что связано с наличием широких полос поглощения. Таким образом, для накачки практически используется энергия излучения в области от 1 мкм до ультрафиолетового участка спектра. Полоса поглощения в диапазоне 9100 Л хорошо совпадает с интенсивными линиями излучения ксеноновых газоразрядных ламп . В непрерывном режиме излучения пороговая мощность накачки составляет при температуре 27 К менее 100 вт, что является очень низкой величиной для твердотельных оптических генераторов. [10]
Современные газоразрядные лампы имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания. Газоразрядные лампы в зависимости от инертного газа или паров металла, в которых происходит разряд, дают световой поток в любой области спектра и любой цветности. В связи с этим газоразрядные лампы, создающие интенсивные ультрафиолетовые лучи, широко используются в медицине и обезвреживании продуктов. Безынерционность излучения газоразрядных ламп используется для создания импульсных источников света большой мощности и. Наряду с перечисленными преимуществами газоразрядные лампы имеют ряд недостатков, в числе которых следует указать на пульсации светового потока при питании от сети однофазного тока. [11]
Такой метод использован, например, в масс-спектрометре МХ-1311. Источником УФ-излучения в нем служит газоразрядная лампа. Пучок излучения проходит дифракционный монохроматор и попадает в ионизационную камеру. После прохождения камеры пучок попадает на люминесцентный экран, где превращается в видимое излучение, которое анализируется ФЭУ. Сигнал с выхода ФЭУ используется для стабилизации потока излучения газоразрядной лампы . В ряде масс-спектрометров для стабилизации характеристик ионных пучков применяется дополнительная температурная стабилизация ионизационных камер. Масс-спектрометры аналогичных конструкций выпускают некоторые зарубежные фирмы. [12]
Газоразрядная лампа
источники искусственного света, работающие от ионизированного газового электрического разряда 
Бактерицидные лампы представляют собой простые разряды паров ртути при низком давлении в оболочке из плавленого кварца.
Газоразрядные лампы представляют собой семейство искусственных источников света, которые генерируют свет, посылая электрический разряд через ионизированный газ, плазма. Обычно в таких лампах используется благородный газ (аргон, неон, криптон и ксенон ) или смесь этих газов. Некоторые из них включают дополнительные вещества, такие как ртуть, натрий и галогениды металлов , которые испаряются при запуске и становятся частью газовой смеси.. В процессе работы некоторые электроны вынуждены покинуть атомы газа около анода с помощью электрического поля, приложенного между двумя электродами, оставляя эти атомы положительно ионизированный. Освободившиеся таким образом свободные электроны текут на анод, в то время как образованные таким образом катионы ускоряются электрическим полем и текут к катоду. Обычно после прохождения очень короткого расстояния ионы сталкиваются с атомами нейтрального газа, которые передают свои электроны ионам. Атомы, потерявшие электрон во время столкновений, ионизируются и ускоряются к катоду, в то время как ионы, получившие электрон во время столкновений, возвращаются в состояние с более низкой энергией, высвобождая энергию в виде фотонов. Таким образом излучается свет характерной частоты. Таким образом, электроны передаются через газ от катода к аноду. Цвет излучаемого света зависит от спектров излучения атомов, составляющих газ, а также от давления газа, плотности тока и других переменных. Газоразрядные лампы могут иметь широкий диапазон цветов. Некоторые лампы излучают ультрафиолетовое излучение, которое преобразуется в видимый свет с помощью флуоресцентного покрытия на внутренней стороне стеклянной поверхности лампы. люминесцентная лампа, пожалуй, самая известная газоразрядная лампа.
По сравнению с лампами накаливания газоразрядные лампы имеют более высокий КПД, но более сложны в производстве и большинство из них имеют отрицательное сопротивление, что приводит к сопротивление в плазме уменьшается по мере увеличения тока. Поэтому обычно требуется вспомогательное электронное оборудование, такое как балласты, для управления током, протекающим через газ, и предотвращения утечки тока (вспышка дуги ). Некоторые газоразрядные лампы также имеют заметное время запуска для достижения полной светоотдачи. Тем не менее, из-за их большей эффективности газоразрядные лампы были предпочтительнее ламп накаливания во многих осветительных приборах до недавних усовершенствований в технологии светодиодных ламп.
Содержание
- 1 История
- 2 Цвет
- 3 Типы
- 3.1 Газоразрядные лампы низкого давления
- 3.2 Газоразрядные лампы высокого давления
- 3.3 Газоразрядные лампы высокой интенсивности
История
История газоразрядных ламп началась в 1675 году, когда французский астроном Жан -Феликс Пикард заметил, что пустое пространство в его ртутном барометре светилось, когда ртуть покачивалась, пока он нес барометр. Следователи, в том числе Фрэнсис Хоксби, пытались установить причину явления. Хоксби впервые продемонстрировал газоразрядную лампу в 1705 году. Он показал, что вакуумированный или частично вакуумированный стеклянный шар, в который он поместил небольшое количество ртути, заряженный статическим электричеством, может производить свет, достаточно яркий, чтобы читать по нему. Явление электрической дуги было впервые описано Василием В. Петровым в 1802 году; Сэр Хэмфри Дэви продемонстрировал в том же году электрическую дугу в Королевском институте Великобритании. С тех пор были изучены разрядные источники света, потому что они создают свет от электричества значительно более эффективно, чем лампы накаливания.
Отцом газоразрядной трубки низкого давления был немецкий стеклодув Генрих Гайсслер, который в 1857 году сконструировал красочные художественные лампы с холодным катодом с разными газами в них, которые светились разными цветами, названные трубками Гейсслера. Было обнаружено, что инертные газы, такие как благородные газы неон, аргон, криптон или ксенон, а также диоксид углерода, хорошо работают в трубках. Эта технология была коммерциализирована французским инженером Жоржем Клодом в 1910 году и стала неоновым освещением, используемым в неоновых вывесках.
. разрядная трубка была более поздним достижением. Тепло газового разряда испарило часть металла, и в этом случае разряд создается почти исключительно парами металла. Обычными металлами являются натрий и ртуть из-за их излучения в видимой области спектра.
Спустя сто лет исследований привели к созданию ламп без электродов, которые вместо этого получают энергию от микроволновых или радиочастотных источников. Кроме того, были созданы источники света с гораздо меньшей мощностью, что расширило область применения разрядного освещения до домашнего и внутреннего использования.
Каждый газ, в зависимости от его атомной структуры, излучает определенные длины волн, его спектр излучения, который определяет цвет света от лампы. В качестве способа оценки способности источника света воспроизводить цвета различных объектов, освещаемых источником, Международная комиссия по освещению (CIE) ввела индекс цветопередачи ( CRI). Некоторые газоразрядные лампы имеют относительно низкий индекс цветопередачи, что означает, что цвета, которые они освещают, существенно отличаются от того, как они выглядят при солнечном свете или другом освещении с высоким индексом цветопередачи.
Лампы делятся на семейства в зависимости от давления газа и от того, нагревается ли катод. Горячие катодные лампы имеют электроды, которые работают при высокой температуре и нагреваются током дуги в лампе. Тепло выбивает электроны из электродов за счет термоэлектронной эмиссии, что помогает поддерживать дугу. Во многих типах электроды состоят из электрических нитей, сделанных из тонкой проволоки, которые при запуске нагреваются отдельным током для зажигания дуги. Лампы с холодным катодом имеют электроды, работающие при комнатной температуре. Чтобы в лампе появилась проводимость, необходимо подать достаточно высокое напряжение (напряжение зажигания ) для ионизации газа, поэтому для запуска этих ламп требуется более высокое напряжение.
A компактная люминесцентная лампа Газоразрядные лампы низкого давления
Лампы низкого давления имеют рабочее давление намного меньше атмосферного. Например, обычные люминесцентные лампы работают при давлении около 0,3% от атмосферного.
Люминесцентные лампы, лампа с подогреваемым катодом, самая распространенная лампа в офисном освещении и многих других областях, излучает до 100 люмен на ватт
Неоновое освещение, широко используемый вид специального освещения с холодным катодом, состоящий из длинных трубок, заполненных различными газами при низком давлении, возбуждаемых высоким напряжением, используемый в качестве рекламы в неоновых вывесках.
Низкое давление натриевых лампах, наиболее эффективный тип газоразрядной лампы, производящий до 200 люмен на ватт, но за счет очень плохой цветопередачи. Почти монохроматический желтый свет приемлем только для уличного освещения и аналогичных приложений.
Маленькая газоразрядная лампа, содержащая биметаллический переключатель, используется для включения люминесцентной лампы. В этом случае для срабатывания переключателя используется тепло разряда; стартер заключен в непрозрачный корпус, и малый световой поток не используется.
Лампы непрерывного свечения производятся для специальных применений, когда электроды могут быть вырезаны в форме буквенно-цифровых символов и фигурных фигур.
Лампа мерцания, лампочка мерцающего пламени или лампа мерцания накаливания — это газоразрядная лампа, которая излучает свет путем ионизации газа, обычно неона, смешанного с гелием и небольшим количеством газообразный азот посредством электрического тока, проходящего через два экрана пламени электрода, покрытых частично разложившимся азидом бария. Ионизированный газ беспорядочно перемещается между двумя электродами, что создает эффект мерцания, который часто называют пламенем свечи (см. Изображение).
Газоразрядные лампы высокого давления
Лампы высокого давления имеют разряд, который происходит в газе при давлении от немного меньшего до более высокого, чем атмосферное. Например, натриевая лампа высокого давления имеет дуговую трубку под давлением от 100 до 200 торр, примерно от 14% до 28% от атмосферного давления; Некоторые автомобильные HID-фары имеют давление до 50 бар, что в пятьдесят раз превышает атмосферное давление.
Металлогалогенные лампы излучают почти белый свет со светоотдачей 100 люмен на ватт. Применения включают внутреннее освещение высотных зданий, парковок, магазинов, спортивных площадок.
Натриевые лампы высокого давления, производящие до 150 люмен на ватт, производят более широкий спектр света, чем натриевые лампы низкого давления. Также используются для уличного освещения и для искусственной фотоассимиляции для выращивания растений
Ртутные лампы высокого давления являются старейшими типами ламп высокого давления и в большинстве применения металлогалогенными и натриевыми лампами высокого давления. Для них требуется меньшая длина дуги.
Газоразрядные лампы высокой интенсивности
15 кВт ксеноновая лампа с короткой дугой, используемая в проекторах IMAXHID-лампы обычно используются, когда требуется высокий уровень света и энергоэффективность.
Другие примеры
Ксеноновая лампа-вспышка производит одиночную вспышку света в диапазоне миллисекунды-микросекунды и обычно используется в кино, фотографии и театральное освещение. Особо прочные версии этой лампы, известные как стробоскопы, могут производить длинные последовательности вспышек, что позволяет проводить стробоскопическое исследование движения. Это нашло применение при изучении механического движения, в медицине и при освещении танцевальных залов.