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.