Буферный газ
Во всех современных МГЛ в качестве буфера применяется ртуть. Она обладает удивительно удачным сочетанием качеств.
Пары ртути и ее галогенные соединения не разрушают стенок колбы и материала электродов при их рабочих температурах.
Пары ртуть обладают малой теплопроводностью, так как они одноатомны и имеют одну из самых больших атомных масс(200,6) . Вследствие этого удается уменьшить почти до предела удельные тепловые потери в столбе.
Потенциалы возбуждения и ионизации атомов ртути существенно выше, чем у других металлов, вводимых в качестве излучающих добавок, что позволяет вводить эти добавки при значительно низких давлениях. Благодаря этому удается получать излучение более 40 металлов, галогениды которых имеют достаточные упругости паров при максимальной рабочей температуре кварцевого стекла.
Пары ртути имеют низкое давление при комнатной температуре (около 0, 17 Па), а при повышении температуры в пределах, которые допускает работа кварцевого стекла, давление паров ртути может быть доведено до десяти и более мегапаскалей. Благодаря этому облегчается зажигание разряда, и имеется возможность регулировать рабочее давление буфера в исключительно рабочих пределах.
Ртуть образует соединение с иодом, благодаря чему свободный иод связывается, что облегчает зажигание. Замечу, что иодид ртути является газом, который обладает, так же, как и иод, высоким сродством к электронам, но давление его паров при комнатной температуре значительно ниже, чем у паров иода. Поэтому он оказывает не такое сильное влияние на зажигание разряда, как иод.
Ртуть вызывает значительное уширение ряда спектральных линий добавок, благодаря чему увеличивается их выход.
Также сейчас изучаются лампы, работающие на ксеноне, который обладает сравнительно большой атомной массой (131,3) , но возникает вопрос с зажиганием разряда.
Электроды для мгл
В подавляющем большинстве источников света дугового разряда используются горячие катоды, электронная эмиссия которых состоит главным образом из термоэмиссии, увеличенной за счет ускоряющего поля у поверхности катода.
В целях снижения работы выхода в лампах дугового разряда применяют , как правило, только активированные катоды.
Наличие галогенов в наполнении ламп исключает возможность использования катодов, активированных оксидами и другими соединениями щелочноземельных металлов (Ba, Ca, Sr), отлично работающих в ртутных лампах. Галогены, взаимодействуя с оксидами этих элементов, образуют их галогениды, которые испаряются и затем конденсируются на стенках колбы, унося с катода активирующие металлы. Оставшийся кислород, взаимодействуя с раскаленным вольфрамом, образует его летучие оксиды, которые переносят вольфрам на стенки. В результате через несколько десятков часов работы катоды теряют свои эмиттирующие свойства и перегреваются, повышается напряжение зажигания, стенки колбы покрываются черным налетом, и лампы выходят из строя. Поэтому в МГЛ приходится применять катоды, активированные другими элементами. Наиболее часто этим элементом является торий, так как можно создать такие условия, при которых торий в результате галогенного цикла оседать на кончике электрода, обеспечивая максимальную термоэмиссию и препятствую испарению вольфрама.
В лампах, работающих на переменном токе, электроды имеют, как правило, одинаковую конструкцию, поскольку каждый электрод попеременно с частотой питания становится то катодом, то анодом.
Добавки (галогениды)
Необходимые условия для успешного применения добавок галогенида
Первым условием, которое должно быть удовлетворено любой добавкой, вводимой в лампу, является упругость паров. На рис.3.2 приведен перечень металлов, давление паров которые выше 130 Па при 1000 К, приемлемой рабочей температуре холодной зоны кварцевой дуговой лампы с накальными катодами.
Рис.3.2
Стронций, магний и цинк активно взаимодействуют с кварцем при температуре, необходимой для их испарения. Поэтому в чистом виде могут быть использованы только цинк, кадмий и теллур. Галогенные соединения имеют два существенных свойства: они почти все имеют упругость паров выше 1 мм.рт.ст. при 1000К, за исключением фторидов. Следовательно, применение в качестве добавок галогенных соединений металлов позволяет использовать почти любой из металлов периодической системы , вместо трех или четырех допустимых.
Кроме требований, предъявляемых в отношении упругости паров и неактивности к кварцу при рабочий температурах, соединение добавки должно удовлетворять еще двум требованиям: оно не должно разлагаться при температуре колбы и должно разлагаться при температуре, соответствующей излучающей свет части дугового столба.
Вообще, иодиды разных металлов наилучшим образом удовлетворяют всем условиям. Хотя хлориды и бромиды устойчивы при температуре колбы, они чрезмерно устойчивы и при более высоких температурах.
Присутствие небольших количеств галогенидов в парообразной фазе во время зажигания лампы значительно повышает напряжение зажигания.
Разнообразие добавок
Ограничения, наложенные на применение различных соединений в качестве добавок, могут быть у спехом удовлетворены использованием иодидов почти всех металлов периодической системы. Исключены только бериллий, мышьяк и селен вследствие высокой токсичности их паров. Медь, серебро и золото неудовлетворительно работают с иодидами из-за неустойчивости этих соединений при необходимой температуре колбы. Кальций, стронций и барий также неэффективны вследствие низкой упругости паров всех галогенидов. Бром и алюминий также недостаточно эффективны, т.к. все их галогениды имеют высокую упругость паров при комнатной температуре, и лампы с этими добавками требуют высокого напряжения зажигания.
Очевидно, сто каждой области применения лампы соответствует определенный оптимальный спектр излучения. Например, лампы, предназначенные для общего освещения, должны обычно излучать белый свет. Для каждой области применения можно подобрать в качестве добавки те металлы, линии излучения которых строго соответствуют требуемой части спектра.
Достоинства металлогалогенных ламп
Высокая энергоэффективность и светоотдача, обычно составляющая у качественных ламп около 80 люмен/ватт. У самых современных ламп достигнута светоотдача 100 люмен/ватт, а в опытных образцах фантастический показатель 170 люмен/ватт.
Огромный диапазон мощности одной лампы, от 20 ватт до 3 500 ватт.
Независимость характеристик МГЛ от температуры окружающего воздуха.
Высокая цветопередача. МГЛ создают нейтральный белый цвет, приближенный к естественному солнечному. Индекс цветопередачи у качественных ламп - 1А (Ra = 90).
Малые габариты, что позволяет легко управлять световым потоком лампы, в том числе и при необходимости направленного света.