Күкірт лампасы: жарық беру жүйесінің сипаттамасы

Кіріспе

Жарықтандыру жүйесі

Күкірт шам (немесе күкірт шам) – микротолқындық сәулелену арқылы қоздырылған күкірт плазмасымен жарық шығаратын, өте тиімді, толық спектрлі электродсыз жарықтандыру жүйесі. Бұл плазмалық шамдардың ерекше түрі және ең қазіргі заманғы технологиялардың бірі. Технология 1990 жылдардың басында жасалған, бірақ бастапқыда үміттерді орындағанмен, күкірт шамдары 1990 жылдардың соңында коммерциялық тұрғыдан сәтсіздікке ұшырады. 2005 жылдан бері шамдар қайтадан коммерциялық пайдалану үшін өндірілуде.

Механизм

Күкірт шамдары – бұл гольф добының мөлшеріндегі (30 мм) бірнеше миллиграмм күкірт ұнтағы және аргон газы бар, жұқа шыны орамның ұшында орналасқан, балқытылған кварцтан жасалған шам. Шам микротолқынды резонансты сым торлы қоршаумен жабылған. Үйдегі микротолқынды пештердегідей магнитрон, шамды толқын жетек арқылы 2,45 ГГц микротолқындармен бомбалайды. Микротолқын энергиясы газды бес атмосфералық қысымға дейін қоздырады, бұл күкірттің қатты қыздырылуына және үлкен аумақты жарықтандыруға қабілетті жарқын плазманың пайда болуына әкеледі. Шам қатты қызып кеткендіктен, оның балқуын болдырмау үшін күштеп салқындату қажет болуы мүмкін. Шамның барлық жарығын бір бағытта бағыттау үшін әдетте параболалық рефлектордың фокусына орналастырылады. Күкіртті дәстүрлі электродтарды пайдаланып қоздыру мүмкін емес, себебі күкірт кез келген металл электродпен тез реакцияға түсіп, оны жояды. Жабынмен қапталған электродтарды қолдануға қатысты патенттік өтінімдер келешек перспективалар бөлімінде талқыланады. Электродтардың болмауы, дәстүрлі шамдарда қолданылатын материалдарға қарағанда, жарық шығаратын заттардың көптеген түрлерін пайдалануға мүмкіндік береді. Шамның қызмет ету мерзімі шамамен 60 000 сағатты құрайды. Германия мен Англиядағы Plasma International компаниясы магнитронның қызмет ету мерзімін ұзартты, сондықтан ол да сондай мерзімге дейін жұмыс істей алады. Күкірт шамдарының қызып кету уақыты, тіпті төмен температурада да, флуоресцентті шамдардан басқа, басқа газды разрядты шамдарға қарағанда едәуір қысқа. Ол 20 секунд ішінде жарық ағынының 80% -ына жетеді және шам тоқ өшірілгеннен кейін шамамен бес минуттан кейін қайта қосылуы мүмкін. Алғашқы прототиптік шамдар 5,9 кВт қуатты, жүйе тиімділігі 80 люмен/Ватт болды. Алғашқы өндіріс үлгілері 96,4 люмен/Ватт қуатты көрсетті. Кейінгі модельдерде салқындатқыш желдеткіш алынып тасталды және жарық тиімділігі ваттқа 100 люменге дейін жақсартылды. Қарама-қарсылығы, коммерциялық LED чиптері шамамен 160 люмен/Ватт (2023) тиімділікпен қол жетімді, олардың жарық шығымы жұмыс ортасына байланысты 50 000 сағаттан кейін 10% - ға төмендейді.

The sulfur lamp consists of a golf ball sized (30 mm) fused quartz bulb containing several milligrams of sulfur powder and argon gas at the end of a thin glass spindle. The bulb is enclosed in a microwave resonant wire mesh cage. A magnetron, much like the ones in home microwave ovens, bombards the bulb, via a waveguide, with 2.45 GHz microwaves. The microwave energy excites the gas to five atmospheres pressure, which in turn heats the sulfur to an extreme degree forming a brightly glowing plasma capable of illuminating a large area. Because the bulb heats considerably, it may be necessary to provide forced air cooling to prevent it from melting. The bulb is usually placed at the focus of a parabolic reflector to direct all the light in one direction. It would be impossible to excite the sulfur using traditional electrodes since the sulfur would quickly react with and destroy any metallic electrode. A patent pending to employ coated electrodes is discussed in Future prospects below. The absence of electrodes allows for a much greater variety of light generating substances to be used than those used in traditional lamps. The design life of the bulb is approximately 60,000 hours. The design life of the magnetron has been improved by the Germany/England based Plasma International so it can also last for that same period. The warm up time of the sulfur lamp is notably shorter than for other gas discharge lamps, with the exception of fluorescent lamps, even at low ambient temperatures. It reaches 80% of its final luminous flux within 20 seconds, and the lamp can be restarted approximately five minutes after a power cut. The first prototype lamps were 5.9 kW units, with a system efficiency of 80 lumens per watt. The first production models were 96.4 lumens per watt. Later models were able to eliminate the cooling fan and improve luminous efficacy to 100 lumens per watt. By comparison, cost effective commercially available LED chips are available with around 160 lumens per Watt (2023) efficacy, with a typical light output depreciation of 10% after 50,000 hours, dependent on operating environment.

Шығаратын жарықтың сапасы

Күкірт плазмасы негізінен димерлік молекулалардан (S2) тұрады, олар молекулалық эмиссия арқылы жарық шығарады. Атомдық эмиссиядан өзгеше, эмиссия спектрі көрінетін спектрдің барлық аймағында үздіксіз болады. Шығарылатын сәулеленудің 73%-ы көрінетін спектрде, аздаған бөлігі инфрақызыл энергияда, ал 1%-дан азы ультракүлгін сәуледе болады. Спектрлік шығыс 510 нанометрде ең жоғары шарына жетеді, бұл жарыққа жасыл түс береді. Корреляцияланған түс температурасы шамамен 6000 кельвин, ал CRI 79-ға тең. Жарықтың сапасын өзгертпей, шамды 15%-ға дейін азайтуға болады. Жарыққа жылырақ сезім беру үшін қызғылт сүзгі қолдануға болады. Мұндай сүзгі Вашингтондағы Ұлттық Әуе және Ғарыш мұражайындағы шамдарда қолданылған. Кальций бромиді (CaBr2) қосылған күкірт шамдары ұқсас спектрді және 625 нм толқын ұзындығында қызыл түстің жоғарылауын қамтамасыз етеді. Шығыс спектрлерін өзгерту үшін литий йодиді (LiI) және натрий йодиді (NaI) сияқты басқа да қоспаларды пайдалануға болады.

Тарих

Технологияны инженер Майкл Ури, физик Чарльз Вуд және олардың әріптестері 1990 жылы ойлап тапты. АҚШ Энергетика департаментінің қолдауымен, 1994 жылы Мэриленд штатының Роквилл қаласындағы Fusion Lighting компаниясы, Fusion Systems Corporation компаниясының Fusion UV бөлімшесінен бөлініп шығып, оны одан әрі дамытты. Оның бастауы жартылай өткізгіштер және полиграфия өнеркәсібінде ультракүлгін сәулелермен бекітуге қолданылатын микротолқынды сәуле шығарушы жарық көздерінен басталады. Fusion UV бөлімшесі кейін Spectris plc компаниясына сатылды, ал Fusion Systems компаниясының қалған бөлігі Eaton Corporation компаниясымен сатып алынды. Барлығы екі өндірістік модель жасалды, екеуі де ұқсас сипаттамаларға ие: 1994 жылғы Solar 1000 және 1997 жылғы Light Drive 1000, ол бұрынғы модельдің жетілдірілген нұсқасы болды. Бұл шамдардың өндірісі 1998 жылы тоқтатылды. Fusion Lighting компаниясы 2002 жылдың басында, ақпан 2003 жылы, шамамен 90 миллион доллар көлеміндегі венчурлік капиталды жұмсағаннан кейін Роквилл, Мэрилендтегі орналасқан жерін жапты. Олардың патенттері LG Group компаниясына лицензияланды. Fusion Lighting компаниясының бұрынғы веб-сайтының көшірмесі Интернет архивінде сақталған. Олардың шамдары әлемдегі жүзден астам объектілерге орнатылды, бірақ олардың көп бөлігі қазірде алынып тасталды. 2001 жылы Қытайдың Нинбо қаласындағы Ningbo Youhe New Lighting Source Co., Ltd компаниясы күкірт шамдарының өзіндік нұсқасын жасады. Компанияның веб-сайты қазірде қолжетімсіз және жұмыс істемейтін болуы мүмкін, бірақ бұл шамдар туралы ақпарат Интернет архивіндегі сақталған көшірмесінен алуға болады. 2006 жылы LG Electronics компаниясы плазмалық жарықтандыру жүйесі (PLS) деп аталатын күкірт шамдарын өндіруді бастады. 2010 жылдары Hive Lighting компаниясы Wasp 1000 деген атпен күкірт шамдарын өндірді. Оны шыны шамды қоршаған тор арқылы тануға болады. Кейіннен ол өндірістен алынды.

Электромагниттік кедергілер

Бұл шамдардағы магнитрондар 2,4 ГГц сымсыз спектрінде электромагниттік кедергі тудыруы мүмкін, осы спектрді Wi-Fi, сымсыз телефондар және Солтүстік Америкадағы спутниктік радио пайдаланады. Sirius және XM спутниктік радио компаниялары өздерінің хабарларын таратуға кедергі келтіруі мүмкін деп қорқып, АҚШ Федералдық байланыс комиссиясына (FCC) Fusion Lighting компаниясын шамдарының электромагниттік сәулеленуін 99,9%-ға дейін төмендетуге мәжбүрлеу туралы өтініш жасады. 2001 жылы Fusion Lighting компаниясы электромагниттік сәулеленуді 95%-ға азайту үшін шамдарының айналасына металл қорғаныш орнатуға келісті. 2003 жылдың мамырында FCC 2,45 ГГц жиілігінде жұмыс істейтін радиожиіліктік шамдар үшін жолақтан тыс сәулелену шектерін белгілейтін процедураны тоқтатты, себебі процедураның құжаттары ескірген және Fusion Lighting мұндай шамдарды дамытуын тоқтатқан. Бұл бұйрықта былай деп қорытындыланды:

Қоршаған орта мәселелері

Флуоресцентті және жоғары қарқынды газ разрядты шамдардан өзгеше, күкірт шамдарында сынап қандай да болмасын мөлшерде жоқ. Сондықтан күкірт шамдары қоршаған ортаға ешқандай қауіп тудырмайды және оларды ерекше жоюдың қажеті де жоқ. Бұған қоса, күкірт шамдарын пайдалану жарық беруге жұмсалатын энергияның жалпы мөлшерін азайтуға ықпал етеді.

Жарық тарату жүйелері

Бір шамнан шығатын жарық мөлшері өте көп болғандықтан, көбінесе осы жарықты шамнан қашық жерлерге тарату қажет болады. Осы үшін ең көп қолданылатын тәсіл – жарық құбырлары.

Жарық құбырлары

3M жарық құбыры - 3M компаниясы жасаған, жарықты ұзындығы бойымен тең бөліп тарататын призмалық беті бар, ұзын, мөлдір, іші қуыс цилиндр. Жарық құбырлары 5 метрден ұзын болуы мүмкін және қысқа, модульді бөліктерден орналасқан жерде жиналады. Жарық құбыры күкірт шамның параболалық рефлекторына бекітіледі. Қысқа құбырлардың қарамағында айна болады, ал ұзын құбырлардың екі басында шам орнатылады. Жарық құбырының сыртқы түрі алып флуоресценттік түтікке ұқсас. Бір күкірт шам және жарық құбыры ондаған HID шамдарын алмастыра алады. Ұлттық Әуе және Ғарыш мұражайында үш шам, әрқайсысы жарық құбырымен, 94 HID шамдарын алмастырып, жарық мөлшерін едәуір арттырды.

Жанама жарықтандыру

Жанама жарықтандыру шамдарының көп бөлігі жарық ағынын көбінесе төбеге қарай бағыттайды. Жоғары шағылыстырылатын төбе ішкі кеңістіктер үшін таратылған, төмен жарықтықпен, жоғары сапалы жарықтандырудың қосымша көзі ретінде пайдаланылуы мүмкін. Жанама жарықтандырудың басты артықшылықтары – жанама шағылу мүмкіндігін едәуір төмендету және жарық көзін тікелей көруден қорғау. Сакраменто қалалық коммуналдық ауданының (SMUD) бас кеңсесінде екі күкірттік шам бос тұрған киоскілердің үстіне орнатылды. Биік төбе жоғары шағылыстырылатын (90%) ақ акустикалық төбе плиткаларымен жаңартылды. Шамдар жарықты жоғары қарай бағыттайды, ол төбеден шағылысып, жанама жарық береді. Әртүрлі рефлектор элементтерін таңдау арқылы тар, орташа немесе кең сәулелі жарық үлгілерін жасауға болады.

Тікелей жарықтандыру

Жарық құбырлары стадион сияқты жарықтандыру жүйелерінде қажет емес, онда қарапайым шамды жарық кең аумаққа тарату үшін жеткілікті биіктікке орнатуға болады. Хилл әуе базасындағы орналымда жарық құбырлары бар шамдармен қатар, ұшақ ангарында жоғары орнатылған төмен бағытталған шамдар да бар.

Оптика талшықтары

Оптикалық талшықтар күкірт шамдарын тарату жүйесі ретінде зерттелген, бірақ ешқандай практикалық жүйе нарыққа шығарылмаған.

Басқа қолданыстар

Күкірт шамдары ғылыми құралдарда жарық көзі ретінде қолданылуы мүмкін.

Болашақ перспективалары

Арзан, тиімді және ұзақ қызмет ететін микротолқынды көзді жасау – шығындарды төмендету және коммерциялық сәттілікке жетудегі технологиялық қиындық. Шам прототиптері тек жоғары қуатты (1000+ Вт) болды, бұл жарық шығымы үлкен талап етілмейтін қолдануларда пайдалануға кедергі келтірді. Күкірт шамдарының магнетронының және шамды айналдыратын мотордың қызмет мерзімімен, сондай-ақ салқындатқыш желдеткіштен шығатын шумен мәселелері бар. Күкірт шамдарының көпшілігінде қозғалмалы бөліктер болғандықтан, сенімділік маңызды мәселе болып қалады, ал жүйеге техникалық қызмет көрсету нарыққа енуге кедергі келтіруі мүмкін, алайда қазір белсенді салқындатуды қажет етпейтін жаңа конструкциядағы шамдар саудаға түскен. Басқа тәжірибелерде жарық шығару ортасы ретінде натрий йодиді, скандий йодиді, индий монобромиді (InBr) немесе теллурий қолданылған.

Белгілі нысандар

Көптеген шамдар тек сынақ үшін орнатылды, бірақ шамдар негізгі жарық көзі ретінде қолданылатын бірнеше орындар қалды. Олардың ең көрінетіні – Ұлттық Әуе және Ғарыш мұражайындағы әйнек атриумдары.