Способы получения искусственного излучения

Первые попытки создать искусственное солнце были предприняты в 18 веке и привели к созданию ламп освещения. Эти лампы имели несовершенную конструкцию и короткий срок службы. Для создания света была использована тонкая угольная. Дальнейшее развитие индустрии искусственного света привело к созданию ламп накаливания для массового использования. В этих лампах использовался принцип получения света за счет нагрева вольфрамовой спирали до высокой температуры.

Данный принцип достаточно легко реализуем в серийном производстве, но имеет низкий КПД. КПД определяется процентным соотношением получаемой световой энергии к затрачиваемой для этого электрической мощности. Недостатком этих ламп являлось также и ограничение по светоотдаче.

Для создания более мощных ламп был разработан другой метод получения искусственного света. Так появились лампы высокого давления, использующие дуговой разряд. Данный тип ламп, как и предыдущий, также имеет достаточно низкий КПД. Но, используемая в них методика получения света за счёт дугового разряда, в то же время снимает ограничение по светоотдаче.

Малый КПД существующих ламп накаливания и ламп дугового разряда заставил ученых искать новые принципы получения световой энергии. И в результате этих поисков появились так называемые лампы тлеющего разряда. Коэффициент полезного действия у них значительно вырос.

В настоящее время, по способу получения светового излучения, серийно производимые источники света можно разделить на три типа:
- лампы накаливания
- лампы, использующие дуговой разряд
- лампы, использующие тлеющий разряд.

Классификация ламп по способу получения ультрафиолетового излучения

Первые ультрафиолетовые лампы (созданные в 1908 г.) получили название кварцевых ламп. Своё название они получили от кварцевого стекла используемого для их изготовления. Полученное от них излучение имело необходимую мощность, но в то же время это излучение имело спектральные характеристики, сдвинутые в область коротковолнового излучения.

Длительное нахождение под таким излучением может привести к негативным последствиям.

Основные характеристики ультрафиолетовых ламп.

1. Мощность излучения
2. Спектральный состав излучения (коэффициент излучения диапазона В)
3. Баланс между излучаемой мощностью и спектральным составом излучения
4. Долговечность лампы.
5. Стабильность выходных параметров в процессе эксплуатации
6. Механическая надежность конструкции
7. Время достижения номинальных характеристик.
8. Минимально необходимое количество паров ртути в лампе.

По методу получения ультрафиолетового излучения их можно разделить на два вида:

1. Лампы высокого давления, использующие дуговой разряд (зарубежное название - ND (Nieder Drucken);
2. Лампы низкого давления, использующие тлеющий разряд (зарубежное название - HD (Hoсhe Drucken).

Рассмотрим каждый из этих ламп отдельно.

Лампы высокого давления

Итак, лампы высокого давления, использующие дуговой разряд (рис.)

Их основная область применения в качестве ламп для лица и области декольте.

 Этот тип ламп имеет высокую световую отдачу. Современные лампы могут производиться с общей потребляемой мощностью до 10 000 Вт.

Эти лампы относятся к разряду газонаполненных (галогеновых) ламп.

Спектр излучения этих ламп расположен в области от 100 нм до 380 нм. Лампа имеет мощное ультрафиолетовое излучение как в диапазоне А так и в диапазоне В.

Использование таких ламп с испорченными или разбитыми фильтрами категорически запрещается из-за возможного вреда для здоровья.
Свечение получается за счет дугового разряда между двумя электродами, расположенными в оси излучателя. Внутрь лампы закачивается инертный газ (как правило, это аргон) под давлением - отсюда и название лампы. Для получения нужной спектральной плотности излучения, в состав газа наполняющего лампу вводятся специальные добавки. Ими могут быть пары ртути и других металлов (например: железо, галлий и т.д.)

Мощность ультрафиолетового излучения таких ламп может составлять от 90 -1500 W.

Конструкция лампы представлена на рис.2

Основные части лампы :

1 - стеклянного корпуса
2 - электродов
3 - керамических цоколей
4 - молибденовой площадки

Стеклянный корпус лампы изготовлен из специального кварцевого стекла пропускающего ультрафиолет и имеющего специальное антиозоновое покрытие. (Изотоп кислорода озон О3 это быстро разлагающий и имеющий резкий запах газ).

Коротко рассмотрим свойства и основные требования к составным частям лампы:

1. К химическому составу стекла, используемого для производства ламп, предъявляют очень жесткие требования. Оно должно быть прозрачно к ультрафиолету, иметь высокую температурную стойкость (температура в области электродов составляет 9500С), а также иметь низкий коэффициент расширения при изменении температуры (это необходимо для высокой герметичности изделия в области электродов).

2. Электрод представляет собой специальной формы и размера вольфрамовую пружину. От химического состава нити зависит ее долговечность.

3. Керамический цоколь выполнен из термоустойчивой диэлектрической керамики, выдерживает до 3500С. Может быть как односторонним, так и двухсторонним.
Для одностороннего цоколя предъявляются дополнительные повышенные требования к его диэлектрическим свойствам.
Для двухсторонних цоколей более жесткие требования предъявляются к качеству посадочного гнезда. Оно должно обеспечивать безыскровую работу на протяжении всего срока службы лампы.

4. Молибденовая площадка изготовлена из специального сплава с высоким содержанием молибдена и имеет коэффициент теплового расширения близкий к коэффициенту кварцевого стекла.

Физика работы ламп.

Для запуска лампы требуется "импульс зажигания". Он создается путем создания на противоположных электродах напряжения пробоя.

Для этого используется устройство запуска (Ignitor, Vorschaltgerat) - умножитель напряжения.

После пробоя в лампе возникает дуговой разряд (Для ограничения протекающего тока в цепи питания лампы включены дроссели). При неправильно выбранных параметрах питающей цепи, может произойти выход из строя всей системы.

После возникновения дугового разряда температура внутри лампы повышается. Это приводит к тому, что ртуть находящаяся, при комнатной температуре в жидком состоянии, начинает испаряться. При полном испарении ртути внутри колбы лампы создается оптимальная плотность её распределения. Температура внутри колбы поднимается ещё выше, и находящиеся в ней дополнительные присадки металлов переходят в газообразную форму. Данный процесс называется фаза разбега лампы (рис.).

Опишем процесс получения ультрафиолетового излучения в лампе.

Электроны, летящие от одного электрода к другому, на своем пути сталкиваются с атомами ртути и, отдавая им свою энергию, переводят электрон атома ртути на нестабильную орбиту. Так как время нахождения электрона на внешней нестабильной орбите не значительно, то он возвращается назад на свою стабильную орбиту с выделением фотона света.

Таким образом, в лампе создается ультрафиолетовое излучение в диапазоне от 100-380 нм.

За счет добавления в газовую смесь различных присадок изготовители могут менять спектральную плотность выходного излучения. Проходя через стекло колбы, излучение лампы проходит первичную фильтрацию и имеет в своем спектральном составе только ультрафиолетовое излучение диапазона А и Б. Причем соотношение мощности излучения диапазона А к Б составляет приблизительно 4:1.

Таким образом, мы ясно видим, что без применения специальных дополнительных фильтров использовать это излучение недопустимо.

Как правило, большинство ламп низкого давления выпускаются со стандартным сроком службы, составляющим 600 часов. Срок службы лампы определяется интервалом времени от начала эксплуатации до достижения лампой 30 процентной потери мощности ультрафиолетового излучения.

В последнее время на рынке появляются лампы, которые имеют продленный срок службы до 800 и более часов. Но наиболее технологически отработанной конструкцией всё же является лампа со сроком службы 600 часов.

При дуговом разряде происходит сильный разогрев лампы, поэтому время на её охлаждение требуется значительно больше, чем у ламп низкого давления. Это время составляет от 3 до 5 минут.

Лампы низкого давления

Перейдем к рассмотрению второго типа ламп, используемых в соляриях - это лампы тлеющего разряда или лампы низкого давления (аббревиатура в зарубежной литературе ND (Nieder druck))

В основном используются для получения загара тела. Они нашли широкое распространение благодаря своему экономному энергопотреблению.

Данный тип ламп можно разделить на две большие группы:

1. Рефлекторные лампы.
2. Без рефлекторные лампы.

Обе группы ламп по своим выходным параметрам излучения и конструктивным характеристикам практически не имеют отличий.

Отличие существуют лишь в том, что внутри лампы на одну из полусфер нанесен слой специального вещества, непрозрачного для ультрафиолетового излучения. Благодаря этому практически отсутствует излучение с одной стороны лампы и немного усиливается излучение с другой стороны лампы.

Данная конструкция была разработана для того, чтобы лампы низкого давления можно было устанавливать в солярии значительно ближе друг к другу. Это стало возможным благодаря уменьшению эффекта интерференции при установке рефлекторных ламп.

Далее мы отдельно не будем рассматривать эти два типа ламп, а остановимся только на рефлекторных лампах, так как они находят наиболее широкое применение в соляриях.

По количеству моделей и типоразмеров лампы низкого давления далеко обогнали лампы высокого давления. Так только диапазон потребляемых мощностей ламп низкого давления составляет от 5 Вт до 180 Вт.

Спектр излучения ламп низкого давления находится в области от 280 -400 нм. Свечение получается за счет тлеющего разряда между двумя электродами лампы, расположенными в оси излучений. Внутрь лампы закачивается инертный газ под небольшим избыточным давлением и пары ртути, которые при комнатной температуре могут оседать мелкими капельками ртути в жидком состоянии. Так как газ находится под низким давлением, то отсюда следует и название ламп.

Мощность ультрафиолетового излучения ламп составляет, как правило, около 20% от потребляемой ими мощности. Конструкция лампы представлена на рис.5

Лампы могут изготавливаться как из простых по форме, так и витых стеклянных трубок.

Основные части лампы :

1. Кварцевая трубка
2. Вольфрамовый электрод.
3. Металлические или пластмассовые цоколи со штырьковыми разъемами
4. Молибденовые токоведущие нити.
5. Слой люминофора
6. Рефлекторный слой.

Коротко рассмотрим свойства и основные требования к составным частям лампы:

1. Кварцевая трубка изготовлена из специального по составу стекла, пропускающего ультрафиолет. Особых требований к стеклу, кроме прозрачности к ультрафиолету в лампах низкого давления не предъявляется.

2. Электрод с вольфрамовой спиралью представляет собой конструкцию показанную на рис.6

Химический состав, длина и конструкция электрода и вольфрамовой спирали каждой модели ламп специально подбирается под определённые условия эксплуатации. Эти условия прописаны в заводских спецификациях на изделие и их строго придерживаются все ведущие производители соляриев. Для каждого типа солярия его производителем придаётся карта возможной типозамены ламп, и поэтому для обеспечения безопасной работы каждый владелец солярием должен строго придерживаться её. Стеклянная юбочка у электрода сделана для того, чтобы уменьшить эффект от потемнения околоэлектродного пространства от испарившегося вольфрама.

3. Цоколь, расположенный у обоих концов лампы, состоит из текстолитовой площадки, имеющей штырьковый разъем, состоящий из двух контактов. Диэлектрическая площадка с помощью металлического обода соединяется со стеклянной трубкой лампы и обеспечивает ее надежное крепление.

4. Токопроводящие молибденовые нити впаяны в стекло и служат для подачи напряжения на спираль. Имеют практически одинаковый со стеклом коэффициент теплового расширения и поэтому сохраняют герметичность внутри лампы. Молибденовая проволока соединяет вольфрамовую спираль с выходным разъемом.

5. Слой люминофора, покрывающий изнутри всю поверхность лампы и служащий для получения заданной спектральной плотности ультрафиолетового излучения.

6. Рефлекторный слой. Специальное вещество, нанесенное на нерабочую полусферу лампы и служащее для уменьшения нежелательного излучения в нерабочую сторону.

Для запуска лампы требуется "импульс зажигания". Он создается путем создания на противоположных электродах напряжения пробоя.

Для этого используется устройство запуска - стартёр. Стартёры производятся различных номиналов и предназначены для использования только с теми лампами, для которых они предназначены. Типы ламп (по потребляемой мощности) для которых предназначен стартёр, указываются в его маркировке.

После пробоя в лампе возникает тлеющий разряд (Для ограничения протекающего тока в цепи питания лампы включены дроссели). При неправильно выбранных параметрах питающей цепи, может произойти выход из строя всей системы.

После возникновения тлеющего разряда температура внутри лампы несколько повышается. Это приводит к тому, что ртуть находящаяся, при комнатной температуре в жидком состоянии, начинает испаряться. При полном испарении ртути внутри колбы лампы создается оптимальная плотность её распределения.

Опишем процесс получения ультрафиолетового излучения в лампе.

Электроны, летящие от одного электрода к другому, на своем пути сталкиваются с атомами ртути и, отдавая им свою энергию, переводят электрон атома ртути на нестабильную орбиту. Так как время нахождения электрона на внешней нестабильной орбите не значительно, то он возвращается назад на свою стабильную орбиту с выделением фотона света короткой длины волны. Получаемый фотон света поглощается люминофором и уже атом люминофора излучает заявленное в характеристиках лампы ультрафиолетовое излучение.

Таким образом, в работе лампы тлеющего разряда, существенную роль играет химический состав и количество нанесённого люминофора.

Так появились лампы с нежно-розовым, нежно-голубым, нежно-зеленым свечением. Также стали чаще использоваться и лампы двойного (комбинированного) свечения. В лампах комбинированного свечения мощность излучения лампы в ультрафиолетовом диапазоне при этом не изменяется.

В них, за счет нанесения на разные участки лампы различных слоев люминофора, достигается разная спектральная плотность выходного ультрафиолетового излучения.

В большинстве ламп комбинированного свечения верхняя розовая часть имеет повышенное излучение в диапазоне А, а нижняя голубая часть имеет повышенное излучение в диапазоне В.

В настоящее время состав люминофора, используемого при производстве ламп, подбирается таким образом, что доля ультрафиолетового излучения диапазона В к общей мощности излучения составляет от 0,7% до 3,3 %. Напомню, что у солнца в зависимости от фазы активности, этот коэффициент колеблется от 3,5% до 5%.

Рассмотрев принцип работы лампы, мы понимаем, насколько важна каждая из выходных характеристик лампы.

 Условия необходимые для получения стабильных выходных параметров и способствующих надежной и длительной эксплуатации лампы высокого давления:

1. Химический состав стекла.
2. Химический состав и конструктивные размеры токопроводящей молибденовой площадки.
3. Качество изготовления, форма и химический состав вольфрамовых электродов.
4. Качество изготовления, механическая прочность и диэлектрические свойства цоколей.
5. Качество спайки между молибденовым проводником и вольфрамовой нитью.
6. Соблюдение температурного режима (отвод тепла от конструкции крепления лампы).
7. Точность подбора номиналов дросселей и устройств запуска.

Каждый из параметров существенно влияет или на стабильность выходных характеристик лампы или на ее надежность и долговечность.

Отсюда можно сделать важный вывод, что именно под определённые модели ламп создаётся конструкция будущего солярия, которая позволит получить наиболее равномерное изучение по всей области загара.

Как правило, большинство ламп низкого давления выпускаются со стандартным сроком службы, составляющим 500 часов.

В последнее время на рынке появляются лампы, которые имеют продленный срок службы до 800 и более часов.

Глоссарий

Потребляемая мощность ультрафиолетовой лампы - электрическая мощность, затрачиваемая на получение в лампе заданного уровня ультрафиолетового излучения.

Эту характеристику мы встречаем в технических характеристиках солярия, когда заходит речь об общей потребляемой мощности. Также эта характеристика применяется как обязательный элемент в маркировке ультрафиолетовых ламп. Единица измерения - Ватт (Вт.)

Диапазон ультрафиолетового излучения - участок спектра электромагнитного излучения заключённый между длинами волн от 200 нм до 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение диапазона А - участок спектра электромагнитного излучения заключённый между длинами волн от 315 нм до 400 нм.

Ультрафиолетовое излучение диапазона B - участок спектра электромагнитного излучения заключённый между длинами волн от 280 нм до 315 нм.

Ультрафиолетовое излучение диапазона C - участок спектра электромагнитного излучения заключённый между длинами волн от 200 нм до 280 нм.

Мощность ультрафиолетового излучения - суммарная мощность излучения во всём диапазоне ультрафиолетового излучения. Единица измерения - Ватт (Вт.)

Если мы говорим о ультрафиолетовых лампах используемых в соляриях, то данное понятие можно несколько сузить, так как ультрафиолетовое излучение диапазона C в этих лампах отсутствует.

Поэтому мощность ультрафиолетового излучения для современных ламп суммируется их двух составляющих.

Коэффициент излучения диапазона B - выраженное в процентах отношение мощности ультрафиолетового излучения диапазона B к общей мощности ультрафиолетового излучения. Единица измерения проценты.

Спектральная плотность ультрафиолетового излучения - мощность ультрафиолетового излучения лампы в интервале длины волны единичной ширины.

Поток ультрафиолетового излучения - количество энергии ультрафиолетового излучения падающее на единицу поверхности. Единица измерения - (Вт/см2.)

Доза ультрафиолетового излучения - количество энергии ультрафиолетового излучения падающее на единицу поверхности за единицу времени. Единица измерения - (Вт*сек/см2.)

Все что нужно знать об ультрафиолетовых лампах
По принципу действия лампы для соляриев не отличаются от обычных люминесцентных ламп. Однако есть несколько типов ламп, которые необходимо различать. В этой статье мы опишем основные характеристики ламп и дадим несколько советов по выбору правильных ламп