4.10. Ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления

В лампах используется область высоких давлений (1 атм. и более), характеризующаяся повышенной светоотдачей, практически сплошным спектром излучения, высокими энергетическими параметрами и высоким уровнем ультрафиолетового потока излучения ртути. Во всех лампах поддерживается дуговой режим горения. Для обеспечения рабочего давления ртути применяется тщательная дозировка количества ртути, которая при нагреве до рабочих температур полностью испаряется. В этих условиях ртуть ведет себя почти как идеальный газ. Зависимость давления ртути от температуры подчиняется уравнению Менделеева – Клапейрона (в отличие от экспоненциальной зависимости, свойственной лампам дневного света). Поэтому такие источники света могут успешно эксплуатироваться в широком диапазоне температуры окружающей среды.

Принята следующая классификация ламп: 1) газоразрядные трубчатые лампы высокого давления; 2) газоразрядные лампы высокого давления с исправленной цветностью; 3) газоразрядные лампы сверхвысокого давления с естественным охлаждением; 4) трубчатые газоразрядные лампы сверхвысокого давления с принудительным охлаждением.

4.10.1. Ртутные лампы высокого давления (дрт)

Оболочка лампы выполняется в виде ампулы из кварцевого стекла. Ввиду того, что кварцевое стекло имеет чрезвычайно малый коэффициент термического расширения (5·10^-7 1/град), невозможно обеспечить согласованный спай стекла с металлом, поэтому электрические выводы выполняются в виде тонких полосок из тугоплавкого металла (чаще всего из молибдена). Помимо ртути, которая вводится в объем лампы в строго дозированном количестве, лампа наполняется чистым аргоном при давлении 1,5…3 кПа (12…25 мм рт.ст.). Аргон необходим для облегчения разгорания разряда и снижает испарение материала катода.

К атод выполнен в виде вольфрамового стержня с намоткой из более тонкой вольфрамовой проволоки. Для повышения эмиссионной способности используются марки вольфрама с активирующей присадкой. Питание лампы обеспечивается от сети переменного тока промышленной частоты, поэтому в лампе устанавливается по два катода одинаковой конструкции. Возможен вариант конструкции с двумя и четырьмя выводами (рис. 4.30). В последнем случае вблизи катодов устанавливаются поджигающие электроды из вольфрамовой проволоки (рис. 4.31).

Н езависимо от количества электродов динамика параметров в период разгорания газового разряда примерно одинакова. Первоначальное зажигание происходит в инертном газе. Затем в результате разогрева всего объема начинает испаряться ртуть и давление поднимается до рабочего (1 атм.). Из-за роста давления падает ток (растет внутреннее сопротивление лампы), растет падение напряжения на разрядном промежутке, возрастает поток излучения, увеличивается мощность, выделяющаяся в разряде (рис. 4.32). Длительность процесса установления номинального электрического режима составляет 5…7 мин.

Схема включения четырехэлектродной лампы показана на рис. 4.33. Этот вариант лампы высокого давления обладает высокой надежностью зажигания разряда, но более сложной системой электродов, чем двухэлектродный. При подаче напряжения на лампу между поджигающим электродом и катодом вспыхивает разряд. Возникшая плазма быстро перебрасывается на весь межэлектродный промежуток. Резисторы R₁ и R₂ служат для ограничения мощности поджигающей искры. Для ламп промышленного выпуска резисторы R _1,2 ≈ 10…12 кОм. Конденсатор С служит для подавления радиопомех, создаваемых лампой.

К онструкция и схема включения двухэлектродного варианта лампы показаны на рис. 4.34. В этом варианте лампы предусмотрен накладной электрод (НЭ), устанавливаемый на оболочке вблизи катодов. Конденсатор С₁ служит для подавления радиопомех. Конденсаторы С₂ и С₃ служат для формирования поджигающей искры. В первый отрезок времени после подачи напряжения на лампу ключ Кл₂ находится в замкнутом состоянии. Заряжаются конденсаторы С₂ и С₃ полярностью, определяемой первым по времени полупериодом сетевого напряжения. Формируются электрические заряды на внутренней стороне оболочки вблизи концевого участка накладного электрода. При размыкании ключа возникает бросок напряжения порядка 2U_сети, связанный с самоиндукцией дросселя. Под действием возникшей таким образом разности потенциалов между катодом и зарядами на оболочке вспыхивает поджигающая искра, которая затем перебрасывается на весь межэлектродный промежуток. Вместо ключа Кл₂ иногда применяют схему с разрядником. Типичные параметры элементов схемы: С₁ ≈ 0,05…0,07 мкФ; С₂≈ 300…500 пФ; С₃ ≈ 2…4 мкФ.

Основной вариант обозначений таких ламп: ДРТ (дуговая ртутная трубчатой конструкции), далее указывается потребляемая мощность. Например: ДРТ 400, ДРТ 1000 и т.д. Из-за большой мощности, выделяющейся в разряде, желательно применение воздушной системы охлаждения.

Срок службы ламп ограничен в основном снижением прозрачности кварцевого стекла в результате напыления продуктов испарения катода на внутреннюю сторону оболочки и рекристаллизации материала оболочки под воздействием УФ излучения. Типичное значение срока службы 1500…3000 часов.

Области применения дуговых ламп высокого давления определяются, в первую очередь, тем, что основная часть излучения находится в УФ области оптического спектра.

1. Медицинские и биологические установки бактерицидного и эритемного воздействия.

2. Люминесцентный анализ.

3. Контроль ценных бумаг с люминесцентной системой защиты.

4. Светокопировальные установки.

5. Полимеризация защитных покрытий.

6. Установки ультрафиолетовой фотолитографии.

Ртутные лампы высокого давления могут использоваться для освещения, если принять специальные меры по корректировке спектральных характеристик излучаемых ими световых потоков – так называемые «ртутные лампы с исправленной цветностью». Это, в первую очередь, ртутные лампы высокого давления с люминесцирующим покрытием на внешней оболочке и лампы, использующие дополнительно тепловой источник излучения.