Лампа ртутно-паровая - Mercury-vapor lamp

«Меркурий Лампа» перенаправляется сюда. Чтобы узнать о персонаже аниме и манги Rozen Maiden, см. Персонажи Rozen Maiden.
А 175-ватт свет паров ртути примерно через 15 секунд после запуска
Крупным планом 175-W ртутная лампа. Маленький диагональный цилиндр в нижней части дуговой трубки представляет собой резистор, который подает ток на стартовый электрод.

А ртутная лампа это газоразрядная лампа который использует электрическая дуга через испарение Меркурий производить свет. Дуговый разряд обычно ограничивается небольшим плавленый кварц дуговая трубка установлен в более крупном боросиликатное стекло лампочка. Наружная колба может быть прозрачной или покрытой люминофор; в любом случае внешняя колба обеспечивает теплоизоляция, защита от ультрафиолетовый излучение, которое производит свет, и удобный монтаж дуговой трубки из плавленого кварца.

Лампы на ртутных парах больше энергии эффективный чем раскаленный и большинство люминесцентные лампы, с светоотдача от 35 до 65 люмен / ватт.[1] Другими их преимуществами являются длительный срок службы лампы в диапазоне 24 000 часов и высокая интенсивность яркого белого света.[1] По этим причинам они используются для верхнего освещения больших площадей, например, на заводах, складах и спортивных аренах, а также для уличные фонари. Прозрачные ртутные лампы излучают белый свет с голубовато-зеленым оттенком из-за комбинации спектральных линий ртути.[1] Это не лестно цвет кожи человека, поэтому такие лампы обычно не используются в розничных магазинах.[1] Ртутные лампы с "коррекцией цвета" решают эту проблему с помощью люминофор на внутренней стороне внешней лампы, которая излучает белый свет, обеспечивая лучшую цветопередача.

Они работают при внутреннем давлении около одной атмосферы и требуют специальных приспособлений, а также электрический балласт. Им также требуется период прогрева от четырех до семи минут для достижения полной светоотдачи. Лампы на ртутных парах становятся устаревшими из-за более высокой эффективности и лучшего цветового баланса металлогалогенные лампы.[2]

Происхождение

Лампа Купера Хьюитта, 1903 год
Производство ртутных ламп высокого давления, 1965 г.

Чарльз Уитстон наблюдал спектр электрического разряда в парах ртути в 1835 году и отметил ультрафиолетовые линии в этом спектре. В 1860 г. Джон Томас Уэй для освещения использовались дуговые лампы, работающие в смеси воздуха и паров ртути при атмосферном давлении.[3] Немецкий физик Лео Аронс (1860–1919) в 1892 г. изучал ртутные разряды и разработал лампу на основе ртутной дуги.[4] В феврале 1896 г. Герберт Джон Доусинг и Х. С. Китинг из Англии запатентовали ртутную лампу, которую некоторые считают первой настоящей ртутной лампой.[5]

Первая ртутная лампа, добившаяся широкого успеха, была изобретена в 1901 году американским инженером. Питер Купер Хьюитт.[6] Hewitt был выпущен Патент США 682 692 17 сентября 1901 г.[7] В 1903 году Хьюитт создал улучшенную версию с более высокими цветовыми качествами, которая в конечном итоге нашла широкое промышленное применение.[6] К 1910 году ультрафиолетовый свет от ртутных ламп стал применяться для очистки воды. В лампах Хьюитта использовалось большое количество ртути. В 1930-е годы усовершенствованные лампы современной формы, разработанные Компания Osram-GEC, General Electric компания и другие привели к широкому использованию ртутных ламп для общего освещения.

Принцип действия

Ртуть в трубке при нормальной температуре находится в жидком состоянии. Его нужно испарить и ионизированный прежде чем лампа сможет выдать свой полный световой поток. Чтобы облегчить запуск лампы, третий электрод устанавливается рядом с одним из основных электродов и подключается через резистор к другому основному электроду. Помимо ртути, трубка заполнена аргон газ при низком давлении. При подаче питания, если достаточно Напряжение для ионизации аргона ионизированный газообразный аргон зажигает небольшую дугу между стартовым электродом и соседним основным электродом. Когда ионизированный аргон проводит, тепло от его дуги испаряет жидкую ртуть; затем напряжение между двумя основными электродами ионизирует газообразную ртуть. Между двумя основными электродами возникает дуга, и лампа начинает излучать[8] в основном в ультрафиолете, фиолетовом и синем эмиссионные линии. Продолжающееся испарение жидкой ртути увеличивает давление в дуговой трубке от 2 до 18. бар, в зависимости от размера лампы. Увеличение давления приводит к дальнейшему осветлению лампы.[9][10] Весь процесс разогрева занимает от 4 до 7 минут. Некоторые лампы включают термовыключатель, замыкающий пусковой электрод на соседний основной электрод, гасящий стартовую дугу при возникновении основной дуги.

Лампа на парах ртути - это отрицательное сопротивление устройство. Это означает, что его сопротивление уменьшается по мере того, как Текущий через трубку увеличивается. Таким образом, если лампа подключена непосредственно к источнику постоянного напряжения, например, к линиям электропередач, ток через нее будет увеличиваться, пока она не разрушится. Следовательно, требуется балласт чтобы ограничить ток через него. Балласты для ламп на парах ртути аналогичны балластам, используемым с флюоресцентные лампы. Фактически, первые британские люминесцентные лампы были разработаны для работы от балластов на ртутных парах мощностью 80 Вт. Также доступны ртутные лампы со встроенным балластом. В этих лампах вольфрамовая нить накала, соединенная последовательно с дуговой трубкой, действует как резистивный балласт и добавляет свет полного спектра к световому потоку дуговой лампы. Ртутные лампы со встроенным балластом можно вкручивать в стандартную розетку лампы накаливания, на которую подается соответствующее напряжение.

Уличный фонарь на парах ртути
Крупным планом после наступления темноты

Галогенид металла

Очень похожая конструкция лампы под названием металлогалогенная лампа использует различные соединения в амальгама с ртутью. Йодид натрия и скандий йодид обычно используются. Эти лампы могут производить свет гораздо лучшего качества, не прибегая к использованию люминофоров. Если они используют пусковой электрод, всегда имеется термический переключатель закорачивания, чтобы устранить любой электрический потенциал между основным электродом и пусковым электродом, как только лампа загорится. (Этот электрический потенциал в присутствии галогенидов может вызвать повреждение стеклянного / металлического уплотнения). Более современные металлогалогенные системы не используют отдельный пусковой электрод; вместо этого лампа запускается с высоким Напряжение импульсы, как в натриевых лампах высокого давления.

Лампы с балластом

Лампы со встроенным балластом (SB) представляют собой лампы на парах ртути с внутренней нитью накала, последовательно соединенной с дуговой трубкой, которая функционирует как электрический балласт. Это единственный вид ртутных ламп, которые можно подключать напрямую к электросети без внешнего балласта. Эти лампы имеют такой же или немного более высокий КПД, чем лампы накаливания аналогичного размера, но имеют более длительный срок службы. Они загораются сразу же при запуске, но обычно требуется несколько минут для повторного включения, если питание было отключено. Из-за света, излучаемого нитью накала, они имеют немного лучшие свойства цветопередачи, чем ртутные лампы.

Операция

Прогрев ртутной лампы высокого давления мощностью 80 Вт с коррекцией цвета до половины яркости

При первом включении ртутной лампы появляется темный синий свечение, потому что только небольшое количество ртути ионизируется, а давление газа в дуговой трубке очень низкое, поэтому большая часть света производится в ультрафиолетовый полосы ртути. Когда зажигается основная дуга и газ нагревается и давление увеличивается, свет смещается в видимый диапазон а высокое давление газа приводит к некоторому расширению полос испускания ртути, производя свет, который человеческому глазу кажется почти белым, хотя это все еще не так. непрерывный спектр. Даже при полной интенсивности свет от ртутной лампы без люминофора имеет отчетливо голубоватый цвет. Давление в кварцевой дуговой трубке повышается примерно до одной атмосферы, когда колба достигает своей рабочей температуры. Если разряд должен быть прерван (например, из-за прерывания подачи электроэнергии), лампа не сможет повторно зажигаться, пока колба не остынет достаточно для того, чтобы давление значительно упало. Причина длительного периода времени до повторного зажигания лампы заключается в том, что повышенное давление приводит к более высокому напряжению пробоя газа внутри (напряжение, необходимое для зажигания дуги - Закон Пашена ), что выходит за рамки возможностей балласта.

Цветовые соображения

Пример лампы 125 Вт с люминофорным покрытием

Чтобы исправить голубоватый оттенок, многие ртутные лампы покрывают внутреннюю часть внешней колбы люминофор который преобразует часть ультрафиолетового излучения в красный свет. Это помогает заполнить недостающий красный конец электромагнитный спектр. Эти лампы обычно называют лампами с коррекцией цвета. Большинство современных ртутных ламп имеют это покрытие. Одна из первоначальных претензий к ртутным огням заключалась в том, что они делали людей похожими на «бескровные трупы» из-за недостатка света красного конца спектра.[11] Распространенным методом исправления этой проблемы до использования люминофоров было использование ртутной лампы в сочетании с лампа накаливания. Также наблюдается усиление красного цвета (например, из-за непрерывного излучения) в ртутных лампах сверхвысокого давления (обычно более 200 атм.), Что нашло применение в современных компактных проекционных устройствах. На улице лампы с покрытием или с коррекцией цвета обычно можно определить по синему «ореолу» вокруг излучаемого света.

Спектр линии излучения

Наиболее сильные пики линейчатого спектра излучения:[12][13]

Линейчатый спектр паров ртути. Сине-зеленый оттенок ртутных ламп обусловлен яркими фиолетовыми и зелеными линиями.
Длина волны (нм)Имя (см. фоторезист )Цвет
184.45ультрафиолет (UVC)
253.7ультрафиолет (UVC)
365.4I-линияфиолетовый
404.7H-линияИндиго
435.8G-линиясиний
546.1зеленый
578.2желто-оранжевый
650красный

В ртутных лампах низкого давления присутствуют только линии 184 нм и 254 нм. В производстве используется плавленый кремнезем, чтобы свет 184 нм не поглощался. В ртутных лампах среднего давления присутствуют линии от 200 до 600 нм. Лампы могут быть сконструированы так, чтобы излучать в основном в УФ-A (около 400 нм) или УФ-C (около 250 нм). Ртутные лампы высокого давления обычно используются для общего освещения. Они излучают в основном синий и зеленый цвета.

Ультрафиолетовая очистка

Ртутные лампы низкого давления могут быть небольшими, но эффективными источниками глубокого ультрафиолетового излучения.

Ртутные лампы низкого давления[14] обычно есть кварц лампа, чтобы позволить передачу коротких длина волны свет. Если используется синтетический кварц, то прозрачность кварца увеличивается еще больше и линия излучения при 185 нм наблюдается также. Такую лампу затем можно использовать для бактерицидное ультрафиолетовое облучение.[15] Линия 185 нм создаст озон в кислородсодержащей атмосфере, что помогает в процессе очистки, но также представляет опасность для здоровья.

Соображения о световом загрязнении

Для мест размещения, где световое загрязнение имеет первостепенное значение (например, обсерватория парковка ), натрий низкого давления является предпочтительным. Поскольку он излучает узкие спектральные линии на двух очень близких длинах волн, его легче всего отфильтровать. На втором месте стоят ртутные лампы без люминофора; они образуют лишь несколько отчетливых линий ртути, которые необходимо отфильтровать.

Баны

в Европа Использование ртутных ламп с низким КПД для освещения было запрещено в 2015 году. Это не влияет на использование ртути в компактная люминесцентная лампа а также использование ртутных ламп для других целей, кроме освещения.[16]

В США балласты для ртутных ламп для общего освещения, за исключением балластов для специальных применений, были запрещены после 1 января 2008 года.[17] В связи с этим несколько производителей начали продавать заменяющие компактные люминесцентные (CFL) и светодиодные (LED) лампы для светильников на парах ртути, которые не требуют модификации существующего светильника. Соединенные штаты Департамент энергетики В 2015 году было определено, что правила, предложенные в 2010 году для паров ртути Скрытый лампы не будут реализованы, поскольку они не принесут существенной экономии.[18]

Ультрафиолетовые опасности

Некоторые лампы на парах ртути (включая металлогалогенные лампы) должны содержать элемент (или быть установлен в приспособлении, в котором есть элемент), предотвращающий ультрафиолетовый радиация от побега. Обычно боросиликатное стекло Эту функцию выполняет внешняя колба лампы, но следует проявлять особую осторожность, если лампа устанавливается в ситуации, когда эта внешняя оболочка может быть повреждена.[19] Были задокументированы случаи повреждения ламп в гимназии от ударов шариков по лампам, в результате чего солнечные ожоги и воспаление глаз от коротковолнового ультрафиолетового излучения.[20] При использовании в таких местах, как спортивные залы, светильник должен иметь прочную внешнюю защиту или внешнюю линзу для защиты внешней колбы лампы. Также делаются специальные «предохранительные» лампы, которые намеренно перегорают при разбивании наружного стекла. Обычно это достигается за счет использования тонкой углеродной полосы, которая будет сжечь при наличии воздуха подключить один из электродов.

Даже при использовании этих методов некоторое УФ-излучение все еще может проходить через внешнюю колбу лампы. Это приводит к ускорению процесса старения некоторых пластмасс, используемых в конструкции светильников, в результате чего они значительно обесцвечиваются уже через несколько лет эксплуатации. Поликарбонат особенно страдает от этой проблемы, и нередко можно увидеть довольно новые поверхности из поликарбоната, расположенные рядом с лампой, которые через короткое время приобретают тусклый желтый цвет.

Использует

Площадь и уличное освещение

Хотя другие виды Скрытые становятся все более распространенными, ртутные лампы все еще иногда используются для освещения территорий и уличное освещение В Соединенных Штатах.[нужна цитата ]

УФ-отверждение

Лампы на ртутных парах используются в полиграфической промышленности для отверждения красок. Как правило, они имеют высокую мощность для быстрого отверждения и закрепления используемых красок. Они закрыты и имеют защиту для предотвращения воздействия на человека, а также специализированные выхлопные системы для удаления образующегося озона.[нужна цитата ]

Молекулярная спектроскопия

Лампы на парах ртути высокого давления (и некоторые специально разработанные металлогалогенные лампы) находят применение в молекулярной спектроскопии благодаря обеспечению полезной широкополосной непрерывной («шумовой») энергии на миллиметровых и терагерцовых длинах волн благодаря высокой температуре электронов в дуговой плазме; основная линия ультрафиолетового излучения ионизированной ртути (254 нм) коррелирует с черным телом с Т = 11 500 К. Это свойство делает их одними из очень немногих простых и недорогих источников, доступных для генерации таких частот. Например, стандартная ртутная лампа общего освещения мощностью 250 Вт дает значительную мощность в диапазоне частот от 120 ГГц до 6 ТГц. Кроме того, более короткие волны в среднем инфракрасном диапазоне излучаются из горячей кварцевой оболочки дуговой трубки. Как и в случае с ультрафиолетовым излучением, внешняя стеклянная колба на этих частотах в значительной степени непрозрачна, и поэтому для этой цели ее необходимо удалить (или не использовать в специальных лампах).[нужна цитата ]

Проекция

Специальные ртутные лампы сверхвысокого давления, называемые Лампы сверхвысокого качества обычно используются в цифровых видеопроекторы, включая DLP, 3LCD и LCoS проекторы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d Шилер, Марк (1997). Упрощенный дизайн освещения здания, 4-е изд.. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ: Джон Уайли и сыновья. п. 27. ISBN  978-0-471-19210-7.
  2. ^ Жендре, Максим Ф. (2011). «Два века инноваций в области электрических источников света» (PDF). Эйндховенский институт осветительных технологий, Eindhoven Univ. of Technology, Эйндховен, Нидерланды. Получено 3 апреля, 2012. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  3. ^ Жандре, Максим Ф. Два века инноваций в источниках электрического света. п. 4. (PDF). Проверено 2 января 2012.
  4. ^ Ребенок, Клемент Д. (2002) Электрическая дуга - эксперимент с дугой между разными электродами в различных средах, Издательство "Часовщик". ISBN  0-9726596-1-7, п. 88
  5. ^ Лампы на парах ртути и действие ультрафиолетовых лучей - Труды Общества Фарадея (RSC Publishing)
  6. ^ а б б, К. В. (1921). "Питер Купер Хьюитт". Природа. 108 (2710): 188–189. Bibcode:1921Натура.108..188Б. Дои:10.1038 / 108188b0.
  7. ^ Хьюитт, Питер Купер (1900). «Способ изготовления электрических ламп». Патент США US682692A.
  8. ^ Шифф, Эрик (4 декабря 2001 г.). "Как работают неоновые огни?". Scientific American. Получено 16 апреля 2019.
  9. ^ Уилан, М. «Ртутно-паровые лампы». Технический центр Эдисона. Получено 24 ноября 2017.
  10. ^ "Ртутно-паровая лампа". Lamptech. Получено 24 ноября 2017.
  11. ^ Халл, Джанет Старр. "Ртутные паровые огни". Получено 2014-11-25.
  12. ^ Стойкие линии нейтральной ртути (Hg I). Physics.nist.gov. Проверено 2 января 2012.
  13. ^ Нейв, Карл Р. (2010). «Атомные спектры». Сайт HyperPhysics. Кафедра физики и астрономии, Georgia State Univ. Соединенные Штаты Америки. Получено 2011-11-15.
  14. ^ "Crystec Technology Trading GmbH, Ртутные лампы низкого давления".
  15. ^ «Очистка поверхности УФ-светом». Crystec Technology Trading GmbH.
  16. ^ Поэтапный отказ от ртутных ламп. www.osram.co.uk. Проверено 18 марта 2015.
  17. ^ Министерство энергетики §431.286 Стандарты энергосбережения и даты их вступления в силу. Проверено 30 июня 2020.
  18. ^ Окончательное определение HID-лампы DOE 2015-12-02 Дата обращения 14.10.2017
  19. ^ «Понимание разрядного освещения высокой интенсивности». Осрам Сильвания. Архивировано из оригинал 1 декабря 2006 г.
  20. ^ Thun, M. J .; Альтман, Р .; Ellingson, O .; Миллс, Л. Ф .; Таланский, М. Л. (1982). «Глазные осложнения неисправных ртутных ламп». Энн Офтальмол. 14 (11): 1017–20. PMID  7181332.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка