Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 24 октября
 
 


Это интересно!

Ранее

Практические примеры реализации светодиодного освещения на семинаре DOE

Участники светодиодной индустрии собрались в Сан-Диего для обсуждения новейших приложений и технологий, а также для разработки программы Департамента энергетики США по твердотельным источникам света.

Выбор наилучшей технологии для наружного освещения

В статье излагается методология критериев проектирования и ценового выбора осветительных систем наружного освещения.

Светодиоды CREE и источники питания для светильников внутреннего освещения

В статье даны рекомендации по выбору оптимальных серий светодиодов компании CREE для светильников внутреннего освещения (офисных светильников, аналогов галогенных ламп, светильников типа downlight) и представлены требования к источникам питания для этого типа светильников с учетом нормативных документов.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

23 июня

Серная лампа. Многообещающее начало и… непрогнозируемое будущее? Часть I. Немного истории и про устройство лампы

Открытия зачастую делаются при взгляде изобретателей на проблему с нетрадиционной, неожиданной стороны. Прорывное решение может потребовать подхода, который идет вразрез с общепринятым мнением. В частности, разработка серной лампы с микроволновым питанием разряда является таким примером.



Д

ействительно, попытки исследовать источники света с серным наполнением предпринимались задолго до появления серной лампы, но они ничего не принесли и были оценены как бесперспективные. Считалось, например, что добавление в разряд паров серы — электроотрицательного элемента — может привести к прекращению разряда (наверное, многим известен т.н. элегаз — электроотрицательный газ SF6 , который служит для предотвращения развития дуги в мощных прерывателях тока). Главная проблема в этом отношении то, что сера — химически активный элемент, который при больших температурах вызывает быструю эрозию электродов. К тому же эффективность серных разрядов в этих первых опытах оказалась достаточно малой.

Первые опыты использования серы

Сера (еще задолго до появления серной лампы) привлекла внимание физиков тем, что уже в первых исследованиях разряда низкого давления обнаружилось заметное излучение молекул S2 в ближнем ультрафиолете в диапазоне 2800–4000 Å [1, 2]. Очевидно, можно было предположить, что сера заменит ртуть в люминесцентных лампах.
Сера могла бы оказаться хорошим кандидатом в качестве излучателя в ближнем УФ-спектре по ряду причин. Так, общее давление паров молекул Sn (n = 8, 7…2) изменяется от 10–7 Тор при температуре 276 К до ~1 Тор при 462 К [3]. Поэтому при температурах 160–200°C могли быть созданы благоприятные условия для разряда низкого давления — самопоглощение излучения в данном случае мало. Далее, диапазон излучения 2800—4000 Å прекрасно подходит для возбуждения люминофора, учитывая низкие потери в преобразовании этого излучения в видимый свет (т.н. стоксовы потери). Наконец, пары серы практически не взаимодействуют с кварцевыми разрядными трубками.
Следует отметить, что даже при температурах ~160—200°С равновесное давление молекул S2, вообще говоря, пренебрежимо мало. Например, при комнатной температуре пары состоят в основном из колец S8 [4]. При температуре ~160°С пары серы претерпевают изменения состояния — кольца S8 разрываются (образуются открытые цепочки S8), но равновесная доля молекул S2 еще очень мала — значительно меньше, чем 10–3. Даже при температурах около 200°С пары состоят практически только из молекулярных цепочек S8, S7, S6 и S5. Но в газовом разряде эти открытые цепочки распадаются при столкновениях с электронами на молекулы S2, и они главенствуют в излучении разряда.
Эффективность преобразования энергии в оптическое излучение в разряде (в эксперименте использовалось высокочастотное (10,6 МГц) возбуждение разряда) была измерена, например, в работе [5]. К сожалению, она оказалась достаточно малой — в УФ-излучение максимально (т.е. при наиболее оптимальных разрядных условиях) преобразовывалось всего лишь до 13% поступающей энергии. Интересно, что с использованием специально изготовленных электродов (специальные стали, покрытые медью или платиной) исследовался также разряд постоянного тока [6]. Однако и в этом случае максимально достигнутая эффективность оказалась равной лишь 17%.
Для примера на рисунке 1 приведен спектр излучения разряда постоянного тока в трубке внутреннего диаметра 20 мм с использованием аргона в качестве буферного газа [6].

 

Рис. 1. Спектр излучения серно-аргонового разряда при токе 117 мА


Напомним, что в условиях, характерных для работы люминесцентных ламп, например, излучение линии 2536 Å составляет около 60% вкладываемой в разряд энергии. Как видно из рисунка 1, максимум излучения серно-аргонового разряда находится в районе 3100 Å. Считая, что все излучение сосредоточено в диапазоне 3200—3300 Å, получаем максимально возможное уменьшение стоксовых потерь в 3300/2536 = 1,3 раза. Таким образом, чтобы сравняться с эффективностью ртутно-аргонового разряда, серно-аргоновому разряду необходимо иметь эффективность около 45%, что много больше достигнутого в этих первых экспериментах значения.

Немного истории

В 1990 г. Fusion Systems Corporation была небольшой преуспевающей компанией по выпуску высокоспециализированной продукции. Основанная четырьмя учеными и одним инженером, компания в течение многих лет продвигала на рынок разрабатываемые ей установки ультрафиолетового (УФ) облучения с лампами, питаемыми микроволновым излучением. Они успешно использовались в ряде промышленных технологий — в частности, для фотопечати, фотополимеризации, в изготовлении полупроводниковых элементов и т.д. Интересно, что первая такая установка, появившаяся в 1976 г., пользовалась большим успехом у промышленников, которым требовался быстрый и эффективный способ сушки чернил. Крупнейшая пивоварня, например, приобрела эти системы для нанесения этикеток на пивные банки.
В 1980 и затем в 1986 гг. инженер Майкл Ури, физик Чарльз Вуд и их коллеги ставили эксперименты по адаптации имевшейся системы для получения уже видимого света. Обычные газоразрядные лампы ограничены в своих возможностях, т.к. для поддержания электрического разряда им требуются электроды. Вольфрамовые электроды, как наиболее теплостойкие, являются самыми распространенными, поэтому химически активные материалы и элементы, которые могут вызвать эрозию вольфрама, не используются в таких разрядных лампах. В ультрафиолетовой же лампе компании Fusion Systems эта проблема уже была решена. Безэлектродный разряд в ней возбуждался и поддерживался за счет микроволнового излучения, что позволяло проводить эксперименты с различными нетрадиционными материалами, в т.ч. с серой.
В 1980 г. Ури и Вуд впервые попытались использовать серу в линейных УФ-лампах, однако эта попытка не принесла успеха. Одна лампа взорвалась, и идея использования серы была отложена. Позднее, занимаясь совершенствованием конструкции УФ-лампы, они попробовали заменить линейную трубку вращающейся сферой. Целью такого эксперимента была попытка изготовить безэлектродную металлогалогенную лампу, которая могла бы пригодиться в одном специализированном проекте. Однако из-за проблем с цветопередачей этот проект также был отложен.
Наконец, в 1990 г. все необходимые составляющие успеха — сера и новая разрядная колба — воссоединились. Именно тогда Ури вспомнил об экспериментах с серным наполнением лампы и поручил инженеру Джиму Долану проверить этот элемент в сферической лампе.
16-го июля 1990 г. распечатки спектра показали изобретателям то, на что они надеялись — лампа давала очень яркий белый свет, спектр которого был весьма близок к солнечному (см. рис. 2). На этом рисунке для сравнения приведены также спектры излучения ряда других ламп. Спектральный анализ показал, что основная часть энергии излучения серной лампы сосредоточена в видимом спектре. Небольшое ее количество находится в ультрафиолетовом и инфракрасном участках спектра. Сразу же широко развернулась работа по исследованию характеристик серной лампы с колбами различных размеров и различным наполнением. Наконец, в 1992 г. на 6-м Международном симпозиуме по науке и технологии источников света изобретатели сообщили о создании принципиально новой высокоэффективной серной лампы [7].

 

Рис. 2. Примеры спектров излучения различных ламп


После примерно года исследований Ури узнал, что Лорни Уайтхед (из Университета Британской Колумбии) успешно ведет работу по созданию новых оптических пластиков. По мнению Ури, полые световоды3 (или, в определенном смысле, «световые трубы») с внутренним покрытием из таких пластиков были бы идеальным способом транспортировки и распределения света, генерируемого серной лампой.
Но, разумеется, настоятельно требовалась демонстрация такой новой технологии освещения. Ли Андерсон, менеджер Министерства энергетики США по осветительной продукции, уже знал о новой серной лампе и по достоинству оценил потенциал этого изобретения, особенно в энергосбережении. Он предложил организовать публичные демонстрации новой технологии. Для этих целей был выбран Вашингтон (где предлагалось освещать пространство под крытым переходом, связывающим два здания штаб-квартиры Министерства энергетики США) и наиболее посещаемый в мире Национальный аэрокосмический музей. Хотя Ури понимал, что от возможной неудачи такого масштаба откреститься будет невозможно, он согласился с этим планом.
Вопреки опасениям, демонстрация новых технологий, проведенная в октябре 1994 г., оказалась весьма успешной. Серная лампа была отмечена несколькими наградами, в т.ч. в 1995 г. наградой журнала Discover за технологические инновации. Впоследствии о серных лампах и впечатляющей демонстрации новых технологий освещения писали многие научно-технические журналы [8—10]. Так, согласно данным [8], при освещении упомянутого перехода две серные лампы заменили 240 обычных ртутных ламп (каждая мощностью 200 Вт). При этом уровень освещенности увеличился примерно в 4 раза, потребление же электроэнергии сократи­лось на 72%. Три большие серные лампы, использованные при освещении Национального аэрокосмического музея, заменили 94 ртутные лампы, что втрое повысило освещенность, уменьшив при этом расход энергии на 25%.

 

Рис. 3. Освещение перехода между зданиями Министерства энергетики США в Вашингтоне


После этого успеха к серным лампам в светотехнической промышленности стали относиться серьезнее. В том же 1994 г. первая система освещения с серными лампами появилась в Европе — система с полыми световодами была реализована в центральном зале почтамта г. Сундсвалле (Швеция). Специалисты же отнесли серную лампу к третьему поколению искусственных источников света (в их числе безэлектродные индукционные разрядные люминесцентные лампы типа QL 55 и 85 Вт (Philips), рефлекторная Genura 23 Вт (GE), Endura 150 Вт (Osram)).
Хотя новая технология освещения все еще не была широко принята, несколько компаний по производству светильников начало готовить ряд проектов, в которых предполагалось использовать серные лампы. Разумеется, в те годы еще предстояло выяснить, ожидает ли серные лампы и системы освещения (световые трубы) безоблачное будущее. Тем не менее, учитывая хорошие характеристики новых ламп (спектральные, а также высокую экономичность — световая отдача колбы лампы достигала 150 лм/Вт), специалисты по маркетингу полагали, что спрос на эти источники света достаточно быстро вырастет. В это же время специалисты фирмы Fusion Lighting (Fusion Lighting была образована из подразделения Fusion UV компании Fusion Systems Corporation) совместно с лабораторией им. Лоуренса (Беркли) начали разра­батывать варианты серных ламп различной мощности.

Устройство серной лампы

Устройство серной лампы, вообще говоря, достаточно сложное. Схематично оно показано на рисунке 4.

 

Рис. 4. Основные компоненты серной лампы


Источником светового излуче­ния является кварцевая сферическая колба, наполнен­ная порошком серы и инертным буферным газом. Излучающий разряд в смеси серных паров и буферного газа (как правило, аргона) возбуждается микроволно­вым излучением от магнетрона, охлаждаемого специальным вентилятором. Колба диаметром 30—50 мм заключена в резонаторной полости, выполненной из проволочной сетки. От магнетрона через волновод (по сути, как и в домашних СВЧ-печах) микроволновое излучение частотой 2,45 ГГц подается в резонаторную полость. Это излучение возбуждает разряд в колбе, в результате чего буферный газ и колба нагреваются, в свою очередь, нагревая и испаряя серу. Затем образуется ярко светящийся объем плазмы, излучение которой уже определяется практически только парами серы.
Поскольку нагрев весьма значителен (температура стенки колбы может достигать 1000°C), требуется принудительное охла­ждение. Это достигается как вращением колбы с помощью электромотора, так и воздушным потоком.
Колба обычно помещается в фокусе параболического отражателя. Вид излучающей колбы серной лампы в сеточном резонаторе показан на рисунке 5. Резонатор (в данном случае цилиндрической формы) должен выполнять три функции — формировать определенную моду электромагнитных колебаний, быть непрозрачным для микроволнового излучения и обеспечивать минимум потерь оптического излучения. В заключение отметим, что рабочий диапазон температур ламп составляет –20…60°С [10].

 

Рис. 5. Излучающая колба «зажженной» серной лампы в цилиндрическом сетчатом резонаторе

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Peterson D. A., Schlie D. A. — J. Chem. Phys., v. 73, p. 1551, 1980.
2. Smith A., Hopkins J. B. — J. Chem. Phys., v. 75, p. 2080, 1981.
3. Margrave J. L. The Characterization of High-Temperature Vapors, Wiley, New York, 1967.
4. Berkowitz J., Marquart J.R. — J. Chem. Phys., v. 39, p. 275, 1963.
5. Badura K. J. N., Verdeyen J.T. — IEEE Quantum. Electron. Lett. QE-21, p. 748, 1985.
6. Gibson N. D., Lawler J. E. — J. Appl. Phys., V. 79, N. 1, p.45, 1996.
7. Dolan J.T., Ury M.G., Wood C.H. — Novel high efficacy microwave powered light source. Presented as a land-mark paper on VIth International Symposium on the Science and Technology of Light Sources, Budapest, 1992.
8. Long-life “super lamp” mimics bright sunlight. — Elec. Rev., № 22, p. 18, 1994.
9. Айзенберг Ю.Б. — Светотехника, №4, с. 34, 1995.
10. Рохлин Г.Н. — Светотехника, №4, с. 19, 1997.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Мальков Михаил Анатольевич



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты