Серные лампы: принцип работы и перспективы применения.

Введение

Система освещения

Се́рная лампа (также серная лампа) — высокоэффективная система освещения полного спектра безэлектродного типа, в которой свет генерируется плазмой серы, возбуждаемой микроволновым излучением. Это особый тип плазменной лампы и одно из самых современных решений. Технология была разработана в начале 1990-х годов, но, несмотря на первоначальную перспективность, се́рное освещение потерпело коммерческий провал к концу 1990-х годов. С 2005 года лампы вновь производятся для коммерческого использования.

Механизм

Серовая лампа состоит из кварцевой колбы размером с мяч для гольфа (30 мм), изготовленной из расплавленного кварца и содержащей несколько миллиграммов порошка серы и аргона при давлении до пяти атмосфер, помещенной на конце тонкого стеклянного шпинделя. Колба заключена в микроволновую резонаторную проволочную клетку. Магнетрон, аналогичный используемым в бытовых микроволновых печах, направляет микроволны частотой 2,45 ГГц в колбу через волновод. Микроволновая энергия возбуждает газ, что, в свою очередь, нагревает серу до высокой температуры, образуя ярко светящуюся плазму, способную освещать большую площадь. Поскольку колба сильно нагревается, может потребоваться принудительное воздушное охлаждение для предотвращения ее плавления. Обычно колбу располагают в фокусе параболического отражателя для направления всего света в одном направлении. Возбудить серу традиционными электродами невозможно, так как сера быстро вступит в реакцию и разрушит любой металлический электрод. Патент на использование покрытых электродов находится на рассмотрении и обсуждается в разделе «Будущие перспективы» ниже. Отсутствие электродов позволяет использовать гораздо более широкий спектр веществ, генерирующих свет, чем в традиционных лампах. Расчетный срок службы колбы составляет около 60 000 часов. Компания Plasma International (Германия/Англия) улучшила срок службы магнетрона, чтобы он также мог проработать столько же времени. Время разогрева серовой лампы значительно короче, чем у других газоразрядных ламп, за исключением люминесцентных, даже при низких температурах окружающей среды. Она достигает 80% своего максимального светового потока в течение 20 секунд, и лампу можно перезапустить примерно через пять минут после отключения питания. Первые прототипы ламп были мощностью 5,9 кВт с эффективностью системы 80 люмен на ватт. Первые серийные модели обеспечивали 96,4 люмена на ватт. Более поздние модели позволили отказаться от охлаждающего вентилятора и повысить световую отдачу до 100 люмен на ватт. Для сравнения, экономически эффективные коммерчески доступные светодиодные чипы имеют эффективность около 160 люмен на ватт (2023), при типичном снижении светоотдачи на 10% после 50 000 часов работы, в зависимости от условий эксплуатации.

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.

Качество излучаемого света

Плазма серы состоит в основном из димерных молекул (S2), которые генерируют свет посредством молекулярной эмиссии. В отличие от атомной эмиссии, спектр излучения непрерывен во всем видимом спектре. До 73% излучаемой радиации приходится на видимый спектр, небольшая часть – на инфракрасное излучение и менее 1% – на ультрафиолетовый свет. Максимум спектральной мощности приходится на 510 нанометров, что придает свету зеленоватый оттенок. Коррелированная цветовая температура составляет около 6000 кельвинов при CRI 79. Лампу можно затемнять до 15% без ухудшения качества света. Для придания свету более теплого тона можно использовать пурпурный фильтр. Такой фильтр использовался на лампах в Национальном музее авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия.

Добавление других химических веществ в лампу может улучшить цветопередачу. Серные лампы с добавлением бромида кальция (CaBr2) создают аналогичный спектр с пиком в красной области на длине волны 625 нм. Для изменения выходного спектра можно использовать и другие добавки, такие как йодид лития (LiI) и йодид натрия (NaI).

История

Технология была разработана инженером Майклом Ури, физиком Чарльзом Вудом и их коллегами в 1990 году. При поддержке Министерства энергетики США, она была доработана в 1994 году компанией Fusion Lighting из Роквилла, штат Мэриленд, как спин-офф подразделения Fusion UV компании Fusion Systems Corporation. Её истоки – в источниках микроволнового излучения, используемых для ультрафиолетового отверждения в полупроводниковой и полиграфической промышленности. Позже подразделение Fusion UV было продано компании Spectris plc, а остальная часть Fusion Systems была приобретена корпорацией Eaton. Были разработаны только две серийные модели с аналогичными характеристиками: Solar 1000 в 1994 году и Light Drive 1000 в 1997 году, которая являлась усовершенствованием предыдущей модели. Производство этих ламп было прекращено в 1998 году. Fusion Lighting закрыла свой офис в Роквилле, штат Мэриленд, в начале 2002 года, а в феврале 2003 года, после привлечения около 90 миллионов долларов венчурного капитала. Их патенты были лицензированы LG Group. В Интернет-архиве сохранилась копия сайта Fusion Lighting, который больше не существует. Их лампы были установлены более чем в ста объектах по всему миру, но многие из них уже демонтированы. В 2001 году компания Ningbo Youhe New Lighting Source Co., Ltd. из Нинбо, Китай, начала производство собственной версии серной лампы. Сайт компании больше не доступен и, возможно, она прекратила свою деятельность, но информация об этих лампах доступна в его архивной копии в Интернет-архиве. В 2006 году LG Electronics начала производство своих серных ламп под названием Plasma Lighting System (PLS). В 2010-х годах компания Hive Lighting производила серные лампы под названием Wasp 1000. Её можно узнать по сетчатой оболочке вокруг стеклянной колбы. Позже производство было прекращено.

Электромагнитные помехи

Магнетроны в этих лампах могут создавать электромагнитные помехи в диапазоне беспроводных частот 2,4 ГГц, используемом Wi-Fi, беспроводными телефонами и спутниковым радио в Северной Америке. Опасаясь помех для своих вещаний, спутниковые радиостанции Sirius и XM подали петицию в Федеральную комиссию по связи США (FCC) с требованием обязать Fusion Lighting снизить электромагнитное излучение своих ламп на 99,9%. В 2001 году Fusion Lighting согласилась установить металлическую защиту вокруг ламп для снижения электромагнитного излучения на 95%. В мае 2003 года FCC прекратила разбирательство, которое должно было установить предельно допустимые значения внеполосных излучений для радиочастотных ламп, работающих на частоте 2,45 ГГц, заявив, что материалы разбирательства устарели, а Fusion Lighting прекратила разработку таких ламп. В заключении постановления говорится:

Экологические вопросы

В отличие от флуоресцентных и ламп высокого давления, серные лампы не содержат ртути. Следовательно, серные лампы не представляют опасности для окружающей среды и не требуют специальной утилизации. Кроме того, использование серных ламп может привести к снижению общего энергопотребления для освещения.

Системы распределения света

Поскольку одна лампа производит такое большое количество света, обычно требуется распределять его в области, удаленные от источника света. Наиболее распространенным способом для этого являются световоды.

Световые трубы

Световод 3M представляет собой длинный, прозрачный, полый цилиндр с призматической поверхностью, разработанной компанией 3M, которая равномерно распределяет свет по всей его длине. Световоды могут быть длиной до 100 метров и собираются на месте из более коротких модульных секций. Световод крепится к параболическому отражателю серной лампы. Для более коротких световодов на противоположном конце будет установлено зеркало, а для более длинных – лампа на каждом конце. Внешний вид световода часто сравнивают с гигантской люминесцентной лампой. Одна серная лампа со световодом может заменить десятки ламп ДНаТ (HID). В Национальном музее авиации и космонавтики три лампы, каждая с 10-метровым световодом, заменили 94 лампы ДНаТ, значительно увеличив при этом светоотдачу.

Косвенное освещение

Непрямые светильники направляют большую часть своего светового потока вверх к потолку. Высокоотражающий потолок может служить вторичным источником рассеянного, с низкой яркостью и высоким качеством освещения для внутренних помещений. Основными преимуществами непрямого освещения являются возможность значительно снизить риск возникновения непрямого блика и исключить видимость источника света напрямую. В здании штаб-квартиры Sacramento Municipal Utility District (SMUD) на верхней части отдельно стоящих киосков были установлены две серные лампы. Высокий потолок был модернизирован с использованием белых акустических потолочных панелей с высоким коэффициентом отражения (90%). Лампы направляют свет вверх, который отражается от потолка, обеспечивая непрямое освещение. Различные световые распределения – узкие, средние или широкие – можно получить, выбирая различные отражающие элементы.

Прямое освещение

Световоды не потребуются в таких применениях, как освещение стадионов, где обычный светильник можно установить достаточно высоко, чтобы свет распространялся на большую площадь. Установка на авиабазе Хилл включает в себя лампы со световодами, а также светильники, установленные высоко в ангаре для самолетов.

Оптические волокна

Оптические волокна изучались в качестве системы распределения для серных ламп, но ни одна практическая система так и не была выведена на рынок.

Другие применения

Серные лампы могут использоваться в качестве источников света в научных приборах.

Перспективы на будущее

Разработка доступного, эффективного и долговечного источника микроволнового излучения является технологическим препятствием на пути к снижению стоимости и коммерческому успеху. Прототипы ламп были доступны только высокой мощности (1000+ Вт), что затрудняло их применение в областях, где не требовалась большая световая отдача. Серные лампы имеют проблемы с ресурсом магнетрона и двигателя, вращающего лампу, а также шум от вентилятора охлаждения. Поскольку большинство серных ламп содержат движущиеся части, надежность остается критически важной проблемой, а техническое обслуживание системы может препятствовать внедрению на рынок, однако новые модели ламп, не требующие активного охлаждения, уже доступны в продаже. В других экспериментах в качестве светоизлучающей среды использовались йодид натрия, йодид скандия, монобромид индия (InBr) или теллур.

Выдающиеся объекты

Многие установки ламп были предназначены исключительно для тестирования, однако есть несколько мест, где лампы до сих пор используются в качестве основного источника света. Наиболее заметным примером являются стеклянные атриумы Национального музея авиации и космонавтики.