Газоразрядные источники света.

Газоразрядной лампой или просто разрядной лампой называется источник света, в котором оптическое световое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах металлов или в их различных смесях.

В газоразрядных лампах, в отличие от открытой угольной дуги или искрового разряда, где разряд происходит в воздухе, газы или пары зак­лючены в герметическую оболочку-колбу, выполненную чаще всего из силикатного или квар­цевого стекла.

В общем газоразрядные лампы можно дополнительно классифицировать по рабочему давлению (низкого, высокого и сверхвысокого), по виду разряда (дуговой, тлеющий и импульсный), по источнику излучения (газо- или паросветные, люминесцентные, электросветные, в которых светятся сами электроды, и смешанные). По форме колбы газоразрядные лампы могут быть оформлены и как лампы накаливания (например, серия МSR), а также как трубчастые или линейные (в цилиндрической колбе), шаровые (с короткой или средней длиной дуги) и капиллярные (внутренний диаметр колбы меньше 4 мм).

В газоразрядных лампах многих типов, колбу в которой происходит разряд, часто называют горелкой. При этом ее помещают во внешнюю колбу ( как в серии МSR), которая выполняет целый ряд функций: защищает горелку от повреждений, уменьшает влияние окружающей среды на тепловой режим горелки, предохраняет нагретые выводы и внутренний монтаж от окисления, служит поверхностью для нанесения различных покрытий, позволяет создавать различные конструкции в виде ламп-фар. Защитная колба обычно изготавливается из закаленного стекла.

Цоколи газоразрядных ламп могут быть оформлены в виде односторонних двухштырьковых («Бипост»), двухсторонних с нарезной шпилькой, двухсторонних кабельных, двухсторонних стержневых и др.

Впервые разрядные ртутные лампы низкого давления были использованы для киносъемочного освещения еще в 90-е годы ХІХ века. Это были стеклянные трубки длиной около 130 см с шарообраз­ным баллоном на одном конце, заполненным ртутью. На другом конце трубке в стекло колбы впаивались два железных электрода-анода. Ртуть контактировала с третьим электродом – катодом, впаянным в ша­рообразный баллон. Ужетогда в колбу вводили, так называемый старто­вый газ аргон или неон для облегчения поджига лампы. Однако линейчастый спектр паров ртути, обуславливающий годубовато-зеленое свече­ние лампы, незначительная мощность (до 500 Вт) инизкая световая отдача (до 8,2 лм/Вт) явилась причинами отказа от их применения в качестве операторского освещения на длительный период. Тем более это было время широкого внедрения дуговых ламп высокой интенсивности со светоотдачей до 60 лм/Вт.

Дальнейшие исследования голландского физика Боля в 1935 году показали , что при давлениях более 10 Атм светоотдача ртутных ламп также повышается до 60-65 лм/Вт при смещении большей части спектра в видимую область.

Только с 1938 г. началась интенсивные разработки люминесцентных ламп низкого давленая. Но несмотря на высокую светоотдачу и большой срок службы (до 15 тыс. часов) они еще долго находили ограниченное применение, в основном, из-за малой мощности единичного источника света и его больших габаритов.

Металлогалогенные лампы.

Этапным в развитии газоразрядных ламп можно назвать 50-е годы ХХ века. Именно в этот период началось постепенное вытеснение газоразрядными лампами ламп накаливания. Причем вторая половина 70-х годов явилась переломной, так как дальнейшие разработки ртутных ламп – металлогалогенные лампы нашли самое широкое праменение в кино и на телевидении. Одновременно проводились работы по созданию ксеноновых ламп различной мощности, основное предназначение которых было сориентировано на кинопроекционные системы и стационарные прожекторы – «пушки» для театрального света и для освещения спортивных сооружений.

Газоразрядные источники света занимают в настоящее время очень большое место среди искусст­венных источников света, и их доля постоянно возрастает. Это объяс­няется тем, что они имеют ряд преимуществ по сравнению с ис­точниками теплового излучения, а именно:

· высокую светоотдачу

· большой срок службы

· большие возможности по коррекции спектра излучения.

Впер­вые разновидность газоразрядных ламп – металлогалогенные – были применены как источники телевизионного света в 1972 году на Олим­пийских играх в Мюнхене. В 1980 году они широко использовались при освещении спортивных сооружений XXII Олимпийских игр в Москве и с тех пор все более полно используются в кинотелевизионном освещении, как при работе на натуре, так и в телевизионных студиях, кинопавильйонах.

Стремление как можно шире использовать в осветительных приборах газоразрядные источники света, заменив ими, где воз­можно, лампы накаливания, объясняется, в первую очередь, сниже­нием расхода электроэнергии с одновременным ростом светового потока. И хотя стоимость самого газоразрядного источника значительно выше стоимости лампы накаливания, потребительская стоимость элект­роэнергии значительно снижается. Использование газоразрядных ламп в кинотелевизионном освещении обусловлено не только эконо­мическими показателями, но и некоторыми их светотехническими параметрами, отличными от параметров ламп накаливания (спектр излучения, цветовая температура, светоотдача).

Так как излучение газоразрядных источников света основано на принципе дугового разряда, то к ним неприменимы законы теп­лового излучения и сравнение с излучением абсолютно черного тела. Принцип работы газоразрядных источников света основан на возникновении в газовом промежутке дугового разряда при про­хождении через газовый промежуток электрического тока. Если к запаянному сосуду, наполненному некоторыми газами под опреде­ленным давлением, подвести электроды с положительным и отри­цательным зарядами и создать электрическое поле, через газ поте­чет электрический ток и возникнет газовый разряд.

В объеме газа за счет природных ионизирующих факторов все­гда имеются отдельные свободные заряженные частицы, которые при появлении электрического поля движутся вдоль силовых ли­ний. Скорость их движения зависит от величины заряда, массы частиц и напряженности электрического поля. Частицы, встречая на пути движения молекулы газа, соударяются с ними, в результа­те чего из расщепленных молекул освобождаются легкие отрица­тельно заряженные электроны и положительно заряженные ионы. Двигаясь вдоль силовых линий и выбивая, в свою очередь, из встреч­ных молекул электроны и ионы, свободные частицы направляют­ся соответственно к положительному и отрицательному электро­дам (аноду и катоду). Процесс нарастания электронного и ионно­го движения носит лавинообразный характер. Внешняя цепь замк­нута и в ней устанавливается электрический ток. Для облегчения процесса получения ионов точка приложения положительного за­ряда (анод) изготавливается из металла, с которого при нагрева­нии, вызванном приложением заряда, отделяются свободные ионы, которые, в свою очередь, направляются через газ к точке отрица­тельного заряда (катоду), выбивая по пути из молекул газа элект­роны и ионы. Таким образом, возникновение электрического тока в газе обусловлено перемещением двух типов носителей заряда – легких электронов, быстро движущихся к аноду, и ионов, медленно движущихся к катоду. Для установления в цепи, содержащей газо­вый промежуток, электрического тока необходимо, чтобы электро­ны постоянно переходили из катода в газ, а из газа в анод. Выход заряженных частиц из твердого электрода требует затраты энергии на преодоление потенциального барьера (сопротивления) на гра­нице металл-газ, что достигается созданием соответствующего потенциала (величины напряжения), зависящего от материалов элек­тродов, рода газа и давления газа. Приложенное напряжение долж­но быть достаточным не только для пробоя газового промежутка, но и для создания вблизи катода электрического поля достаточной напряженности для преодоления потенциального барьера.

При соударении положительных ионов с отрицательным като­дом происходит дополнительное нагревание катода, что облегчает, за счет возникшей кинетической энергии, выход с катода отрица­тельных электронов, которые, в свою очередь, вступают в процесс выбивания из молекул газа электронов и ионов. Внутренняя энер­гия, возникающая в процессе расщепления молекул, и вызывает свечение газового промежутка.

Излучения, испускаемые различными газами, состоят из излу­чений отдельных длин волн, то есть являются монохроматически­ми излучениями, приходящимися на отдельные участки оптичес­кого спектра. При излучении в парах ртути происходит наиболее эффективное преобразование электрической энергии в лучистую, но большая доля излучения приходится на ультрафиолетовую зону оптического спектра (60%) и на короткоковолновую часть видимого участка оптического спектра (20%). Остальная часть приложенной энергии расходуется на нагрев колбы и электродов. При введении в разряд в парах ртути галогенидов различных металлов (кадмий, цинк, литий, цезий и др.) в разряде можно получить спектр излучения соответствующего металла. Спектры излучения большин­ства металлов находятся в видимом участке оптического спектра и обладают большой интенсивностью излучения. Это излучение обеспечивает значительно лучшее цветовоспризхведение освещаемых объектов, чем просто излучение ртути.

Светоотдача таких излучателей выше и может доходить до 120 лм/Вт. В качестве добавок используются галогениды редкоземельных металлов (лантаноиды, диспрозий, галлий, таллий, гольмий и др.) да­ющих многолинейчатое излучение, заполняющее практически весь видимый участок спектра.

Рис. 3 – Металлогалогенная лампа с двусторонним цоколем

Рис.4 – Металлогалогенная лампа с односторонним цоколем

Таким образом, металлогалогенные лампы представляют газоразрядные ртутные лампы высокого давления переменного тока, в колбу которых вводится помимо ртути галогенные добавки различных химических элементов, а также стартовый газ аргон для облегчения поджига лампы.