Серная лампа

Серная лампа

Се́рная ла́мпа — газосветный высокоэффективный источник излучения со спектром близким к спектру излучения Солнца.

Излучение с широким спектром образует электрический высокочастотный разряд в ионизированных парах серы.

Принцип действия

Микроволновое излучение нагревает смесь паров серы и инертного газа, обычно аргона. Плазма из атомов и молекул серы излучает интенсивный свет со спектром, близким к спектру солнечного света, с малой долей излучения в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра. Спектр излучения серной лампы является суммой атомарного и молекулярного спектров серы, отношение их интенсивностей зависит от мощности СВЧ-поля возбуждения электрического разряда в газе. Также в спектре присутствуют спектральные линии инертного газа небольшой интенсивности.

Лампа состоит из колбы, генератора электромагнитных колебаний (обычно используется магнетрон) и волновода для передачи СВЧ-энергии к электрическому разряду в лампе и формирующего в зоне разряда стационарную или динамически изменяемую область локализации СВЧ-поля. Для получения направленного излучения применяется какой-нибудь формирователь диаграммы направленности светового потока.

Цветовую температуру излучения можно изменять в некоторых пределах изменяя давление паров серы в колбе. Так, повышение давления с 4,4 до 12,1 бар повышает длину волны максимума излучения с 470 до 570 нм, что соответствует снижению цветовой температуры с 6100 до 5100 К, но при этом доля видимого излучения снижается более чем полтора раза, с 68 % до примерно 41 %^[1].

История

В 70-е годы XX столетия в США на фирме Fusion System Corp. (FSC) были созданы и использованы в технологическом процессе УФ-сушки излучатели на основе безэлектродных СВЧ-разрядных ламп, главным образом наполнениемс аргоном и парами ртути. Излучатели работали с СВЧ-возбуждением частотой 915 и 2450 МГц.

В начале 90-х годов американские инженеры, экспериментируя с составами рабочего вещества-наполнителя лампы, обнаружили, что замена ртути в колбе безэлектродной лампы серой позволяет получить весьма интенсивное квазисолнечное излучение. Это послужило толчком для создания в 1992 году первых светильников на основе серных ламп с СВЧ-возбуждением на частоте 2450 МГц. В октябре 1994 года в Вашингтоне были продемонстрированы две мощные осветительные системы с использованием выигрышного сочетания света на серной лампе с СВЧ возбуждением и полого «призматического» световода.

В 2000—2005]] годах в России были изготовлены несколько экспериментальных образцов прожекторов с СВЧ-возбуждением электрического разряда, подтвердившие ожидаемые высокие характеристики.

В 2006 году фирма LG Electronics начала производство светильников на основе серных ламп. Модели этих светильников получил название «плазменные осветительные системы» Plasma Lighting System (PLS).

Технические характеристики

Основные технические характеристики некоторых коммерческих моделей серных ламп:

	SOLAR 1000TM	PSF1032A	PSF1831A
Мощность, Вт	1375	1000	1850
Световой поток, клм	130	91	186
Световая отдача, лм/Вт	94,5	91	101
Индекс цветопередачи	79	76	79
Цветовая температура	5900	5500
Срок службы	> 15 000 часов*	100 000

Срок службы серной безэлектродной лампы определяется ресурсом электронных устройств (преобразователя переменного тока сети в постоянный и магнетрона) и электродвигателя вентилятора охлаждающей системы. Для первых коммерческих образцов он составлял примерно 10—15 тысяч часов. Ресурс же колбы лампы гораздо больше, так как пары серы практически не реагирует химически с кварцевым стеклом колбы даже при температуре 1000 °C^[2]. По некоторым оценкам срок службы колбы может достигать 60 тысяч часов^[3], Фирма LG заявляет, что срок службы их плазменных прожекторов 100 тыс. часов.

Серная лампа и фотосинтез

Серная лампа благодаря своему спектру оказалась прекрасным источником света для фотосинтеза растений и, соответственно, для использования в оранжерейном освещении. Компания Fusion Lighting по заказу NASA провела исследование для увеличения интенсивности излучения лампы в части спектра с длиной волны около 625 нм, где квантовая эффективность фотосинтеза близка к единице. Оказалось, что добавление в колбу бромида кальция создает пик излучения в спектре вблизи 625 нм. При этом наблюдается лишь небольшое снижение интенсивности излучения в области малых длин волн, доля же инфракрасного излучения остается практически неизменной^[2].

Преимущества

Практически основную номенклатуру составляют лампы с СВЧ-возбуждением порядка 800—1000 Вт, и световым потоком примерно до 130 кЛм. Эти системы относительно просты конструктивно, не требуют принудительного обдува колбы лампы, позволяют использовать обычные недорогие серийные магнетроны, применяемые в бытовых СВЧ-печах.

Основные достоинства СВЧ-световых приборов с безэлектродными лампами:

• Повышенная до 100 лм/Вт световая отдача^[4] (световая отдача непосредственно колбы составляет 150 лм/Вт, но около трети мощности теряется в силовом трансформаторе источника питания, магнетроне, расходуется на работу вентиляторов и т. д.)^[2].
• Сплошной квазисолнечный спектр оптического излучения с пониженным уровнем излучений в УФ и ИК^[5][6] диапазонах и с максимумом интенсивности спектра совпадающим с максимумом кривой видности человеческого глаза, что обеспечивает естественную цветопередачу^[5][4].
• Отсутствие мерцания источника света.
• Малогабаритность и равномерная яркость поверхности светящего тела, облегчающая построение оптимальных оптических систем.
• Высокая долговечность лампы (десятки тысяч часов).
• Экологическая чистота материалов наполнения лампы: сера и аргон экологически безопасны.
• Возможность регулировки силы света.
• Возможность ремонта путём замены модулей в блочных конструкциях крупных осветительных систем.

Недостатки

• Сложность конструкции^[4].
• Высокая стоимость модуля с лампой^[4].
• Высокая температура колбы, что требует использования высококачественного кварцевого стекла и защиты поверхности колбы от пыли.
• Большой диаметр светящегося тела (25—30 мм), что усложняет фокусировку светового потока и использование в оптических системах.
• Инерционность (лампа достигает 80 % номинальной светимости через 20—25 с, а после выключения может быть заново включена только через 5—15 минут).
• Высокий уровень акустического шума от вентилятора из-за необходимости интенсивного обдува колбы.
• Трудность в подавления паразитного излучения микроволнового излучения.

Примечания

1. Серная лампа. Многообещающее начало и… непрогнозируемое будущее? Часть II. Немного о физике серного разряда  (неопр.). Дата обращения: 17 ноября 2017. Архивировано 18 ноября 2017 года.
2. Серная лампа. Многообещающее начало и… непрогнозируемое будущее? Часть III. Технические характеристики ламп и системы светораспределения  (неопр.). Дата обращения: 17 ноября 2017. Архивировано 17 ноября 2017 года.
3. Эволюция лампы  (неопр.). Дата обращения: 21 мая 2009. Архивировано 20 марта 2015 года.
4. http://www.belsut.gomel.by/ellibrary/1/29.pdf (недоступная ссылка) «В установившемся режиме СВЧ-разряд высокого давления в парах серы имеет сплошной спектр оптического излучения, близкий к солнечному. … высокие энергоэффективные свойства (световая отдача до 100 лм/Вт);2) практически естественная цветопередача, обусловленная сплошным квазисолнечным спектром с резко пониженным уровнем излучений в УФ и ИК диапазонах и с максимумом в диапазоне видимого излучения;»
5. http://www.mephi.ru/upload/main/news/Shchukin.pdf Архивная копия от 19 июля 2014 на Wayback Machine «… достоинства СВЧ-источников света на основе серы: повышенная световая отдача (~100 лм/Вт), обеспечивающая возможность энергосбережения; сплошной квазисолнечный спектр, максимум спектральной плотности мощности которого практически совпадает с максимумом кривой чувствительности человеческого глаза, то естьестественная цветопередача; генерация в инфракрасной области низка (<1 %)»
6. Поскольку излучение не тепловое, а обусловлено взаимодействием молекул серы с электронами аргоновой плазмы.