Материал нашел и подготовил к публикации Григорий Лучанский Источник: Макаров М. «Сириус» — маленькое солнце. Техника молодежи, 1962, №1.
В сентябре минувшего года многие посетители Выставки достижений народного хозяйства наблюдали такую картину: по вечерам, когда небо совсем темнело, участок экспонатных посевов, расположенный рядом с павильоном «Юные натуралисты и техники», озарялся ослепительным солнечным светом. Золотились пo-дневному осенние дубы, зеленели делянки озимой ржи и пшеницы, и казалось, на всем участке стоял яркий полдень. Причиной такого интересного явления был новый источник света, установленный на испытательном стенде электроотдела выставки, метрах в трехстах от павильона юннатов. Здесь комсомолец Владислав Родионов, старший мастер электроотдела, наблюдал за тем, как ведет себя источник света мощностью в 300 квт. Лицо Владислава Родионова было красным от чрезмерного загара, как это случается с неопытными курортниками, глаза прикрыты темными очками. Тысячи мотыльков кружились вокруг светильника, но горе было тем, кто отваживался подлететь к нему: легкие крылышки вспыхивали мгновенно. Светильник излучал не только нестерпимо яркий свет, но и нестерпимый жар. Алюминиевая трубка в двадцати сантиметрах от светильника начинала плавиться. А смотреть на ослепительный свет без темных очков и подавно было опасно. Что же это за новый источник света? Коллектив Московского электролампового завода назвал небывалый, самый мощный в мире светильник по имени звезды Сириус и прислал его на выставку как новейший экспонат. Пустотелая, длиной около метра трубка из кварцевого стекла, имеющая на обоих концах вольфрамовые электроды, заполняется газом ксеноном, встречающимся в природе только в свободном виде. Ксенон ранее применялся в электровакуумной технике и в газосветных лампах. Кварцевое стекло тоже не новость. Но вот к кварцевой трубке с ксеноном, вернее к ее электродам, подключают электрический ток, и в трубке ослепительно вспыхивает молния! И вслед за вспышкой, сопровождаемой сильным треском, почти грохотом, как после молнии, трубка начинает излучать свет, не отличимый по своему спектру от солнечного. Не только свет кварцевой трубки подобен солнечному, но и температура ее поверхности близка к температуре поверхности солнца. Ослепительная вспышка кварцевой трубки, сопровождаемая треском, — это не что иное, как самый обычный электрический разряд, близкий к молнии. И этот разряд, продолжающийся всего какие-то считанные секунды, под воздействием электрического тока мощностью в тридцать — тридцать пять тысяч вольт, создатели «Сириуса» превратили в непрерывный процесс. Вслед за мощной электрической дугой, за этой своеобразной молнией, срывающей с атомов ксенона часть электронов, на электроды автоматически подается напряжение в 380 в, вполне достаточное для того, чтобы поддерживать в кварцевой трубке непрерывное свечение. Трудностей на пути создания «Сириуса» было много. Как охладить его, если он дает температуру, равную температуре поверхности солнца? Воздушное охлаждение здесь не поможет. Лучше охлаждать лампу непрерывно циркулирующей водой. Для этого кварцевую трубку с ксеноном заключили в другую, но имеющую больший диаметр. В пространстве между трубками и циркулирует вода. Но обычная вода оказалась непригодной для охлаждения: различные соли и механические примеси быстро оседали на стенках трубок, и те приобретали грязновато-желтый цвет. Попробовали охлаждать дистиллированной водой, и результат оказался положительным. «Накипь» исчезла. Так появилась идея об устройстве теплообменника, обеспечивающего «Сириус» чистой, проточной водой. Много думали над тем, каким должен быть внешний вид «Сириуса». Форму его подсказала сама жизнь. После испытания на стенде новый светильник было решено установить под стеклянным куполом павильона «Машиностроение», там, где прежде висела звезда со Спасской башни Кремля. Во время этих верхолазных путешествий и была найдена форма люстры для «Сириуса», такая же необычная и оригинальная, как и сам светильник: металлические пустотелые трубки, собранные в пучок в верхней части и расходящиеся веером вниз. Здесь на специальных кронштейнах подвешены лучеобразно три кварцевые трубки мощностью по 100 квт каждая. Над трубками укреплены отражатели, а ниже трубок — металлические сетки на случай, если какая-либо трубка лопнет и рассыплется. Впрочем, такая печальная возможность исключена: если приток воды прекратится, «Сириус» автоматически выключится. В дни исторического XXII съезда КПСС «Сириус» ярко вспыхнул под огромным куполом павильона «Машиностроение». — И, конечно, — говорили экскурсоводы, — новая лампа позволяет резко сократить расход металла и затраты на электропроводку, светильники и опоры при оборудовании освещения крупных объектов: строительных котлованов, открытых разработок ископаемых, транспортных узлов, крупных тепличных хозяйств, выставочных, спортивных, торговых и культурных сооружений. Говорили экскурсоводы и о том, что «Сириус» упрощает обслуживание осветительных устройств и, главное, повышает качество этого обслуживания. Через несколько лет, быть может, наши города зальет ровный солнечный свет крупноэнергетических осветительных установок с такими лампами, висящими над землей, подобно маленьким солнцам, на легких, прочных опорах. Назад в раздел |
Ксенон, превращенный в плазму, начинает излучать солнечный свет. Человек, обуздав молнию, получил искусственное маленькое солнце.
Десятки раз главный инженер Управления эксплуатации выставки М. И. Силич вместе с монтажниками электроотдела Расковским и Бутко взбирались на семидесятиметровую высоту, в «стакан» купола для того, чтобы в деталях разработать всю систему подвески «Сириуса», пусковое устройство для него и теплообменник.
Способный один осветить 100 га площади, «Сириус» заливал всю купольную часть павильона удивительно приятным солнечным светом. И на экскурсоводов посыпались тысячи вопросов: что это за диковинная лампа, какова ее экономичность, ее будущее? И экскурсоводы с удовольствием рассказывали о том, что новая лампа в 300 квт дает столько же света, сколько могут дать 12 тыс. ламп накаливания по 100 вт, что она наиболее экономично превращает электроэнергию в свет с солнечным спектром, обеспечивающий идеальную цветопередачу, что она вообще в пять раз экономичнее ламп накаливания — самая экономичная лампа в мире.
Ксеноновая дуговая лампа
Ксеноновая дуговая лампа — источник искусственного света, в котором источником излучения является электрическая дуга в колбе, заполненной ксеноном.
Дает яркий белый свет, близкий по спектру к дневному.
Ксеноновые лампы можно разделить на следующие категории:
- Длительной работы с короткой дугой.
- Длительной работы с длинной дугой.
- Ксеноновая лампа-вспышка.
Лампа состоит из колбы из обычного или кварцевого стекла с вольфрамовыми электродами. Колба вакуумируется и затем заполняется ксеноном. Ксеноновые лампы-вспышки имеют третий поджигающий электрод, опоясывающий или нанесённый на колбу в виде проводящего слоя.
История и применение
Ксеноновая лампа с короткой дугой была изобретена в 1940-х годах в Германии и представлена в 1951 году компанией Osram.
Лампа нашла широкое применение в кинопроекторах, откуда вытеснила преимущественно угольные дуговые источники света.
Лампа дает яркий белый свет, близкий к дневному спектру, но имеет достаточно невысокий КПД. На сегодняшний день практически во всех пленочных и цифровых кинопроекторах используются ксеноновые лампы мощностью от 450 Вт до 18 кВт. Лампы в проекторах IMAX могут достигать мощности в 15 кВт в одной лампе.
Конструкция лампы
Во всех современных ксеноновых лампах используется колба из кварцевого стекла с электродами из вольфрама, легированного торием. Кварцевое стекло — это единственный экономически приемлемый оптически прозрачный материал, который выдерживает высокое давление (25 атм в колбе ламп для IMAX) и температуру. Для специальных задач применяют изготовление колбы лампы из сапфира. Это расширяет спектральный диапазон излучения в сторону коротковолнового ультрафиолета и также приводит к увеличению срока службы лампы. Легирование электродов торием сильно увеличивает эмиссию ими электронов.
Так как коэффициент теплового расширения кварцевого стекла и вольфрама различаются, вольфрамовые электроды вварены в полосы из инвара, которые вплавлены в колбу. В ксеноновой лампе анод при работе сильно нагревается потоком электронов, поэтому лампы большой мощности нередко имеют жидкостное охлаждение.
Для повышения светоотдачи лампы ксенон находится в колбе под высоким давлением (до 30 атм), что накладывает особые требования по безопасности. При повреждении лампы осколки могут разлететься с большой скоростью и могут травмировать персонал. Обычно лампа транспортируется в специальном пластиковом контейнере, который снимается с лампы только после установки лампы на место и надевается на лампу при её демонтаже.
При работе лампы колба сильно нагревается, в результате чего к концу срока службы колба становится более хрупкой из-за частичной кристаллизации кварцевого стекла. Для безопасности персонала производители ксеноновых дуговых ламп рекомендуют использовать защитные очки при обслуживании лампы.
При замене ламп IMAX рекомендуется надевать защитный костюм.
Принцип работы
В ксеноновой лампе основной поток света излучается столбом плазмы возле катода. Светящаяся область имеет форму конуса, причём яркость её свечения падает по мере удаления от катода по экспоненте. Спектр ксеноновой лампы приблизительно равномерный по всей области видимого света, близкий к дневному свету. Но даже в лампах высокого давления есть несколько пиков в ближнем инфракрасном диапазоне, примерно около 850—900 нм, которые могут составлять до 10 % всего излучения по мощности.
Цветовая температура излучения ксеноновой лампы около 6200 К.
Существуют также ртутно-ксеноновые лампы, в которых, кроме ксенона в колбе, находятся пары ртути. В них светящиеся области есть как возле катода, так и возле анода. Они излучают голубовато-белый свет с сильным содержанием ультрафиолета, что позволяет использовать их для физиотерапевтических целей, стерилизации и озонирования.
Благодаря малым размерам светящейся области, ксеноновые лампы могут использоваться как близкий к точечному источник света, позволяющий производить достаточно точную фокусировку излучения.
Спектр, близкий к дневному свету, обуславливает широкое применение в кино- и фотосъёмке. Ксеноновые лампы также используются в климатических камерах — установках, моделирующих солнечное излучение для испытания материалов на светостойкость.
Варианты исполнения
Короткодуговые лампы (шаровые лампы)
Наиболее распространены короткодуговые лампы. В них электроды расположены на небольшом расстоянии, а колба имеет шарообразную или близкую к шарообразной форму.
Керамические лампы
Ксеноновые короткодуговые лампы могут выпускаться в керамической оболочке со встроенным рефлектором. Благодаря этому лампа получается более безопасной, так как из стекла сделано только небольшое окно, через которое выходит свет, а также не требуется юстировка при установке и замене. В такой лампе может быть окно, как пропускающее ультрафиолетовое излучение, так и непрозрачное для него. Рефлекторы могут быть как параболическими (для получения параллельного светового потока), так и эллиптическими (для сфокусированного в точку или цилиндрическом теле, например, для накачки лазеров).
Длиннодуговые лампы (трубчатые лампы)
По конструкции длиннодуговые лампы отличаются от короткодуговых тем, что электроды дальше разнесены друг относительно друга, а колба имеет форму трубки. Ксеноновые лампы с длинной дугой требуют балласта меньших размеров, а в некоторых случаях могут использоваться без балласта, так как имеют участок на вольт-амперной характеристике с положительным дифференциальным сопротивлением. Такие лампы нередко устанавливаются в рефлектор в виде параболического цилиндра и используются для освещения больших открытых пространств (на железнодорожных станциях, заводах, складских комплексах и т. п.), а также для моделирования солнечного излучения, например при тестировании солнечных батарей, проверке материалов на светостойкость и т. д. Длиннодуговая ксеноновая лампа «Сириус», выпускавшаяся в СССР, имела рекордную мощность 100 кВт.
Требования к питанию
Ксеноновая лампа с короткой дугой имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Для поджига дуги требуется зажигающий импульс амплитудой 15—30 кВ, а иногда и до 50 кВ. В рабочем режиме требуется точная регулировка напряжения и тока (чтобы не превысить номинальную электрическую мощность лампы), так как по мере прогрева лампы её сопротивление значительно уменьшается, и кроме того, возможно появление колебаний плазмы. При питании выпрямленным током необходимо, чтобы уровень пульсаций не превышал 10—12 %, так как колебания напряжения ускоряют износ электродов. Существуют разновидности ксеноновых ламп для переменного тока. Лампы с длинной дугой (например, отечественная ДКсТ) не столь требовательны к качеству питания и могут использоваться без балласта, требуя лишь пускатель.
Применение
Ксеноновые лампы чаще всего применяются в проекторах и в сценическом освещении, так как имеют очень хорошую цветопередачу. Благодаря малому размеру излучающей области, они нашли применение в оптических приборах.
Начиная с 1991 года, широкое распространение ртутно-ксеноновые лампы нашли в автомобильных фарах.
Точнее, в автомобильных лампах основной световой поток формируют ртуть, соли натрия и скандия, а в атмосфере ксенона разряд происходит только на время запуска, до испарения других компонентов. Поэтому их стоит скорее относить к металлогалогенным лампам, однако при этом возникла бы путаница в названиях, так как в автомобильной светотехнике применяются также галогенные лампы накаливания.
В России при установке ксеноновых ламп на автомобиль необходимо также установить систему автоматической регулировки угла наклона фар и фароомыватели, во избежание ослепления встречных водителей.
Советская вспышка с фотоловушкой FIL-107
Ксеноновые фары на автомобилях.
Вид из космоса: рыбаки приманивают тихоокеанских кальмаров ксеноновыми лампами ярко-голубого цвета (в центре) в Цусимском проливе, разделяющем Японию и Южную Корею. Оранжевый оттенок (слева) имеют огни корейских городов, где для освещения улиц используются, как правило, натриевые газоразрядные лампы.
