מנורות נתרן: דומיננטיות של היסוד הכימי המאולף

המאמר דן בתכנון ויישום של מנורות נתרן בלחץ גבוה.

לאסטרונומים קשה היום. לא משנה היכן בשמיים הם מכוונים באמצעות טלסקופים, קווי נתרן וכספית תמיד יהיו נוכחים בתצלומים של ספקטרום הכוכבים. ספקטרומים כאלה כלל לא מוכיחים שכוכבים עשירים באלמנטים כימיים אלה. הסיבה היא ארצית גרידא: תאורה חיצונית של ערים וכבישים מהירים בעזרת מנורות פריקה בעוצמה גבוהה יוצרת תאורה כה חזקה של האווירה, עד כי מכשירים אסטרונומיים רגישים לוכדים את אורם של "כוכבים" מעשה ידי אדם.

התרומה הגדולה ביותר לתאורת רחוב, והמכשול העיקרי לתצפיות אסטרונומיות, היא כיום מנורות נתרן בלחץ גבוה. עליהם ויידונו בחומר זה.

קודם כל, למה בדיוק לחץ גבוה? העובדה היא שמנורות צינור פריקה עם לחץ כספית נמוך הופיעו בתקופת המלחמה לפני המלחמה. מנורות פלורסנט התפשטו במהירות. אך לא ניתן היה להשיג פריקה באדי נתרן במשך זמן רב בגלל הלחץ החלקי הנמוך של נתרן בטמפרטורות נמוכות.

לאחר מספר טריקים טכנולוגיים, ההבחנה היא ליצור מנורות נתרן הפועלות בלחץ נמוך. אבל הם לא היו בשימוש נרחב בגלל העיצוב המורכב. גורל בר מזל יותר מנורות נתרן בלחץ גבוה (NLVD). ניסיונות ראשוניים ליצור מנורות במעטפת זכוכית קוורץ הסתיימו בכישלון. בטמפרטורות גבוהות, הפעילות הכימית של נתרן עולה. גם ניידות האטומים שלו (דיפוזיה) גדלה. לפיכך, במבערי קוורץ, נתרן חדר במהירות דרך קוורץ, והרס את מעטפת המבער.

המצב נמדד מתי בתחילת שנות ה -60, ג'נרל אלקטריק רשמה פטנט על חומר קרמי חדש שיכול לעבוד באדי נתרן בטמפרטורות גבוהות. הוא קיבל את שם המותג "לוקאלוס". יש לנו קרמיקה זו המכונה פוליקור. קרמיקה מיוצרת על ידי sintering בטמפרטורה גבוהה של אבקת אלומינה.

לאלומינה יש יותר מעשרה שינויים של סריג הגביש, תלוי בתנאי תגובת החמצון. למטרות תאורה, שינוי אחד בלבד מתאים - צורת האלפא של תחמוצת, שיש בה אריזה אטומית צפופה ביותר בגביש. תהליך הסינון, או ליתר דיוק "גידול" הקרמיקה הוא מאוד מצוברח. אכן, בנוסף לעמידות כימית לאדי נתרן, קרמיקה צריכה להיות שקופה גבוהה. מה הטעם ביצירת מנורה אם רוב האור הולך לאיבוד בקירות צינור הפריקה (צורב)?

המבער הקרמי של מנורות נתרן הוא המאפיין העיקרי ממקורות אור אחרים המפרקים גז. קרמיקה הפועלת בטמפרטורות של יותר מ- 1000 מעלות, יכולה לשמור על נתרן במשך עשרות אלפי שעות. אך אין פירוש הדבר כי נתרן כלל אינו מסוגל לחדור החוצה לנפח הבקבוק החיצוני.

סריג גביש צפוף באמת מעכב את התפשטות האטומים דרך קרמיקה. אולם הגושי הגבישים של תחמוצת האלומיניום "קשורים" זה לזה על ידי קרמיקה בין-שלבית אמורפית, דמוית זכוכית. זה מורכב מתוספים המגבילים את צמיחתם של גבישים פוליקוריים וזיהומים שלא ניתן להימנע מהם בחומר כלשהו. חדירות לאורך גבולות הגבישים גבוהה בהרבה מאשר דרך סריג גביש. לפיכך, חיי מנורות הנתרן נקבעים בדיוק על ידי אובדן נתרן באמצעות חומר בין-גבישי.

עבור מנורות נתרן משמשות גבישים יחידים של תחמוצת אלומיניום - "מונוקור", הידועה יותר בשם ספיר.צינורות הפריקה העשויים מחומר כזה הם בעלי תדר גבוה מאוד, עמידות גבוהה בפני דיפוזיה של נתרן, אך תכונות מכניות אניסוטרופיות (כיוונים שונים) מקשות על איטום מבערים עם מלטים בטמפרטורה גבוהה. בנוסף, הם יקרים יותר מבערים מפולי-קריסטל.

למבער מנורת הנתרן יש רק שתי אלקטרודות עליהן מוחל ציפוי פליטה כדי להקל על הצתה ראשונית של המנורה. הגז האינרטי (בדרך כלל קסנון בלחץ של כ- 20 מ"מ הר"ג) ואמלגם (סגסוגת) כספית עם נתרן מונחים למבער, בצורה של כדור בעל גודל וגודל קבוע.

חיי המנורה קשורים ישירות לחייו של המבער. וזה, בתורו, נקבע על ידי מלאי הנתרן והרכב הפליטה באלקטרודות. עם הזמן, נתרן דולף דרך הקרמיקה, מה שמביא לעלייה במתח על המבער, מה שגורם למנורה למות מיד לאחר הכניסה למצב.

לאחר הקירור, המנורה מהבהבת שוב כדי לצאת שוב. פעולה תכופה (מחזורי כיבוי קצרים) מביאה לצריכה מואצת של הפולט - הרכב הפליטה על האלקטרודות והמנורה נכשלת.

המבער מותקן בבקבוק חיצוני העשוי זכוכית עקשן על חציית הכבישים (תומכים). לאחר הפינוי והסרת הלחמה, הבסיס מחובר לבקבוק (בדרך כלל E27 או E40). נפח הבקבוק החיצוני מפונה. כדי להשיג ואקום גבוה יותר, מרסס בו בנוסף הרכב גטר - גטר.

בידוד ואקום של המבער נחוץ כדי להגן על מתכות עקשן במבנה המבער (ניוביום, מוליבדן) מפני חמצון. אבל המשימה העיקרית היא לחסל את אובדן החום על ידי הסעה. אחרי הכל, קרמיקה הפועלת בטמפרטורות שמעל 1000 מעלות הופכת למקור חזק לאנרגיה תרמית. עם בידוד תרמי לקוי, יעילות המנורה פוחתת, הנורה ובסיס המנורה מתחממים יתר על המידה.

ניתן להשיג מגוון רחב של מנורות נתרן בין 35 ל 1000 וואט. ניתן להבחין בין שלוש קבוצות עיקריות של מנורות נתרן על פי צורת הנורה החיצונית ותכונות היישום: DNaT עם נורה צינורית, DNaS עם מעטפת חלבית אליפטית ו- DNaZ עם ציפוי רפלקטיבי למראה.

על יישום מנורות נתרן בלחץ גבוה לא כדאי להזכיר זאת במיוחד: מדובר בתאורת רחוב של יישובים, בכבישים הכבישים העמוסים והדגשת הרכבים אדריכליים.

מנורות DNaS שפותחה כתחליף למנורות פלורסנט קשת כספית (DRL). בנוסף לצורת האליפטית של הבקבוק, יש להם את המוזרויות של מילוי המבערים: במקום קסנון טהור, מינון תערובת של גזים אצילים (תערובת Penning) כדי להקל על הצתה. מנורות כאלה מופעלות ללא מכשיר הצתה המפיק פולסים במתח גבוה. סוגים אחרים של מנורות נתרן זקוקים למכשיר דומה.

מנורות DNAZ נמצא יישום בחוות חממה תעשייתיות כדי להאיץ את פוטוסינתזה של הצמח. חלקם של מנורות אלה בסך הכל של המקורות המשתמשים בקרינת נתרן הוא קטן יחסית, וניתן לייחס אותם למנורות מיוחדות.

ביעילות גבוהה מאוד ושעתוק צבע טוב, מנורות נתרן בעלות עוצמה נמוכה (35 ו 50 וולט) יכולות למצוא יישום בחיי היומיום. תוספים למבער מתכות אדמה נדירות מאפשרים להשיג ספקטרום קרינה שאי אפשר להבחין כמעט באור השמש.

אבל עקב אכילס של המנורות אינו תוכנית כוח מסובכת - אלקטרוניקה מודרנית יכולה בקלות להתמודד עם בעיה דומה. זמן האצה והיציאה למצב ההפעלה הוא מכשול השולל את כל היתרונות של מנורות נתרן בחיי היומיום. מנורות בעלות עוצמה נמוכה עוברות 4-6 דקות, והפרמטרים מתייצבים במלואה תוך 20-25 דקות. להשלים עם אי הנוחות שכזו בתאורת חדרים, לעיתים רחוקות מישהו יסכים.

נכון להיום אין כמעט מקורות אור חלופיים אחרים לתאורת חוץ.מנורות נתרן יעסיקו נישה זו במשך זמן רב, בהתבוננות בהתנשאות על ניסיונות "upstarts" מודרניים כמו נורות LED לחץ עליהם.