Короткий історичний огляд розвитку джерел випромінювання

Спочатку джерела випромінювання застосовувались виключно для освітлення, тому розвиток джерел світла був тісно пов’язаний із потребами людини в штучному освітлені.

На протязі багатьох віків джерела світла (а точніше вогню) залишались практично без змін. Це можна пояснити тим, що довгий час людина не мала потреби у вдосконаленні джерел світла. Цей «застій» у розвитку джерел випромінювання був порушений бурхливим розвитком промисловості в кінці XVIII – на початку XIX віків.

В XIX ст. техніка штучного освітлення, активним елементом котрого є джерело випромінювання, зробила великий стрибок. На початку XIX ст. був винайдений парафін та стеарин, що дозволило відмовитись від свічок із сала. Раніше, в кінці XVIIIст. були застосовані лампові скла і пустотілі гніти. В середині XIX ст. в лампах було використано нове пальне – гас.

Вдосконалення конструкцій гасових ламп дозволило суттєво покращити штучне освітлення, й найбільш раціональні конструкції цих ламп застосовуються досі. Судячи по описах того періоду, найбільше враження на початку XIX ст. викликала поява газового освітлення.

В другій половині XIX ст. широке розповсюдження стало отримувати електричне освітлення, що активно витісняло всі інші види освітлення. Боротьба з лампами розжарювання супроводжувалась вдосконаленням установок газового освітлення, що призвело до створення ефективних газорозжарювальних сіток.

Після відкриття в 1800р. теплової дії електричного струму почались досліди по отриманню світла шляхом розжарювання дротини струмом.

В 1801р. Тенард і Готро (Франція) – показали принципову можливість нагріву тонкої дротини до температури видимого свічення.

В 1802р. Деві струмом від гальванічної батареї доводив до яскравого свічення тонку платинову дротину, температура плавлення якої близько 1750°С. Було встановлено, що збільшення температури тонкої дротини можна в значній мірі змінювати випромінювання, а тому почались пошуки матеріалів, котрі могли б працювати при підвищеній температурі. Так як платина не окислювалась на повітрі, то перші пошуки були пов’язані з матеріалом.

В 1840р. Граве створив лампу із платиновим спіральним тілом розжарювання, але конструкція була не досконалою і дальше лабораторії зразок не пішов.

В 1865 – 1869рр. Адамс вирішив проблему щільного впаю електродів у скло, вказана робота спільно з винаходом Шпренгеля в 1865р. ртутного насосу дозволила суттєво просунутись у розробці ефективних ламп розжарювання.

Чисельні роботи в цій області довгі роки не давали задовільних результатів. Лише 1872р. успіх супроводжував російського винахідника і конструктора А.Н.Ладиніна, котрий запропонував джерело світла, в принципі схожий з сучасною лампою розжарювання (рис1.1.а). Він помістив у скляний балон вугільний стрижень, випиляний із реторного вугілля (отриманого при сухій перегонці деревини), і пропустив через нього струм. Стрижень розігрівався й яскраво світився. Кисень всередині балону поглинався за рахунок згоряння частини вугілля (вакуумної техніки на той час не було). Частина вугілля, що залишилась відносно довго працювала, випромінюючи світло. Пізніше лампа була вдосконалена В.Ф.Дідріхсоном (рис1.1.б), котрий розмістив в балоні декілька вугільних стрижнів, що автоматично перемикались по мірі перегоряння.

*

Рис.1.1. Перші лампи розжарювання: а) – лампа А.Н. Лодигіна; б) – лампа Лодигіна-Дідріхсона

В 1802р. Російський фізик В. В. Петров відкрив явище електричної дуги між вугільними електродами і відзначив її світлові якості, підказав тим самим можливість використання цього явища з метою освітлення.

В 1876р. російський винахідник П. Н. Яблочков використав для отримання світла електричну дугу. В лампі Яблочкова, котра ввійшла в історію під назвою «свічка Яблочкова»  являла собою відкриту вугільну дугу, в якості електродів були застосовані два вугільних стрижня, розміщені паралельно й розділені проміжком із суміші каоліну з магнезією. Лампа П. Н. Яблочкова демонструвалась на виставці в Петербурзі у 1881р.

У 1879р. американський вчений Т. А. Едісон вдосконалив лампу Ладиніна, застосувавши для тіла розжарювання вугільний волосок, отриманий шляхом обвуглювання довгих і тонких бамбукових волокон, і відкачав із балону повітря (рис.1.2.а). Конструкція лампи була достатньо технологічною, що дозволило організувати промислове виробництво ламп з вугільною ниткою (рис.1.2.б). Лампи розжарювання починають широко впроваджуватись в практику електричного освітлення в багатьох країнах, в тому числі в Росії.

* *

Рис.1.2. Лампи з вугільною ниткою:

а) – одна з перших ламп Едісона;

б) – промисловий зразок лампи.

Рис.1.3. Вакуумна лампа з прямою вольфрамовою ниткою.

В 1890р. А.Н.Ладинін демонстрував лампу з тілом розжарювання у вигляді нитки із тугоплавкого металу – молібдену. Ця ідея виявилась дуже плідною. Для виготовлення тіла розжарювання намагались використовувати платину, осмій, цирконій, тантал і нарешті вольфрам, котрий витіснив усі інші метали. Перші зразки ламп із застосуванням вольфраму з`явились в 1903р., в 1906р. почався промисловий випуск вакуумних ламп з прямою вольфрамовою тягнутою ниткою (рис.1.3).

В 1897р. Нернст, використовуючи властивості окислів деяких металів, передусім торію, церію, цирконію, ітрію, та ербію ставати при високих температурах провідниками, створив лампу, в котрій застосував стрижні із магнезії, в подальшому замінивши її оксидами перерахованих матеріалів.

В 1913р. американський вчений І.Ленгмюр запропонував наповнювати лампу розжарювання нейтральним газом і використовувати спіралізоване тіло розжарювання замість ниткоподібного. Ці заходи дозволили зменшити температурне розпилення вольфрової дротини і за рахунок цього збільшити тривалість горіння (термін служби) лампи. І.Ленгмюру належить теоретична і практична розробка спіральних вакуумних і газонаповнених ламп (рис.1.4. а, б).

Рис.1.4. Вакуумні та газонаповнені лампи розжарювання:

а) – спіральна вакуумна лампа; б) – спіральна газонаповнена лампа; в) – біспіральна криптонова лампа.

В 1914р. були винайдені газонаповнені лампи розжарювання з біспіральним (двічі спіралізованим) тілом розжарювання. Але вони довго не отримували практичного застосування із-за сильного провисання тіла розжарювання. Тільки в 1935р., після розробки технології виготовлення формостійкого вольфраму, почалось їх масове виробництво. З 1936р. в якості газів – наповнювачів лампи стали використовувати криптон (рис.1.4. в) і ксенон.

Практичне використання свічення електричного розряду в газі з метою освітлення почалось у 1893р., коли американський інженер Ф.Мур запропонував конструкцію трубок, що світяться, наповнених розрідженими газами (азот та вуглекислота). Цій події передували дослідження багатьох вчених в галузі створення джерел струму, отримання вакууму, вивчення властивостей і різноманітності газового розряду. У 1910р. для трубок, що світяться, почали застосовувати неон, аргон та інші гази, що дозволило спростити їх конструкцію. Паралельно створювались й трубки, що світяться, наповнені парами металів. Першою такою лампою, що використовувала свічення парів ртуті, була ртутна лампа І.Репьєва, запропонована в 1879р. В 1900 – 1901рр. в ці лампи були введені конструктивні вдосконалення, котрі зробили їх зручними для практичного застосування. В результаті розпочатих у 1904р. робіт, пов`язаних з використанням для ртутних ламп кварцових колб, була створена надійна конструкція ламп з металевими виводами (1912–1913рр.) та твердими оксидними катодами (1930 – 1932рр.).

 

Рис.1.5. Люмінесцентні лампи:

а) – низького тиску;

б) – високого тиску (ДРЛ).

Ці лампи були інтенсивними джерелами випромінювання в ультрафіолетовій області спектру. На рис.1.5 зображені два типи ламп високого і надвисокого тиску. Перша (типу ДРТ), в циліндричній колбі, являє собою ефективне джерело ультрафіолетового випромінювання, а друга (типу ДРШ), з короткою дугою в кульовій кварцовій колбі, наповнена ртутними парами, володіє високою яскравістю, в десятки й сотні раз перевершуючи яскравість ламп розжарювання. У 1919р. з`явились і почали розповсюджуватись лампи з парами натрію низького тиску. В кінці 30–х років почались дослідження по створенню інтенсивних джерел світла з малою тривалістю свічення (імпульсні лампи). Однак, незважаючи на значно вищий, ніж у ламп розжарювання, ККД, вказані вище газорозрядні лампи не знайшли широкого застосування для загального освітлення, так як вони мають лінійчатий спектр випромінювання та сильно спотворюють колір освітлюваних предметів.

В 1931р. академік С.І.Вавілов запропонував можливість застосування в газорозрядних лампах люмінофорів для перетворення ультрафіолетового випромінювання ртутного розряду у видиме випромінювання з неперервним спектром.

Ця ідея була реалізована в люмінесцентних лампах низького тиску (рис.1.6.а), масовий випуск яких розпочався в СРСР у 1938р. Вони стали першими газорозрядними джерелами світла, котрі поряд з лампами розжарювання знайшли масове застосування для освітлення. Цьому сприяла висока ефективність люмінесцентних ламп (світлова віддача яких в 2 – 5 і термін служби в 5 – 15 разів вище, ніж у ламп розжарювання), а також технологічність конструкції, що дозволила організувати високомеханізоване виробництво. На рис. 1.6 зображені деякі типи люмінесцентних ламп [а) – пряма; б) -  жолобкова; в) – кільцева; г) - U–подібна; д) – W–подібна].

Починаючи з 1951р. починають швидко розповсюджуватись ртутно – кварцові лампи високого тиску з нанесеним на внутрішню стінку зовнішньої колби люмінофором – лампи ДРЛ (рис.1.5.б). Їх світлова віддача сягає зараз 60лм/Вт, а термін служби 12 – 15тис.год. Виробництво таких ламп добре механізовано.

Рис.1.6. Деякі типи люмінесцентних ламп низького тиску:

а) – пряма; б) -  жолобкова; в) – кільцева; г) - U–подібна; д) – W–подібна

 У 1959р. були створені галогенні лампи розжарювання в кварцовій колбі, що відкрили нову сторінку в розвитку теплових джерел світла. Введення галогенів (наприклад, йоду) в лампу забезпечувало при певних умовах зворотній перенос частинок вольфраму, що випарувався, зі стінок колби на тіло розжарювання.

Рис.1.7. Галогенна лампа розжарювання    Рис.1.8. Натрієва лампа високого тиску.

При цьому колба в процесі роботи залишається прозорою, світловий потік – більш стабільний, що дозволило суттєво зменшити розміри лампи в порівнянні із звичайними лампами такої ж потужності. Відносно малі розміри цих ламп й висока міцність кварцових оболонок дозволила підвищити тиск наповнюючого лампу середовища до 4 – 5*105Па ( 3000 – 4000мм.рт.ст.) і тим самим суттєво збільшити термін служби галогенних ламп (приблизно в 2 рази) в порівнянні з лампами розжарювання. Галогенні лампи різних типорозмірів використовуються для інфрачервоного нагріву, прожекторного освітлення, автотранспорту, оптичних пристроїв, кіно-, теле- , й фотознімальної апаратури (рис.1.7).

Винайдення галогенних ламп розжарювання наштовхнуло на думку використовувати цикли в парах найпростіших хімічних з`єднань в газорозрядних лампах. Це дозволяє створювати лампи, які поєднують високу світлову віддачу та хорошу кольоропередачу, притаманну люмінесцентним лампам, з високою потужністю випромінювання, котрою вирізняються ртутні лампи високого тиску. Так з`явились металогалогенні (типу ДРИ), тобто ртутні лампи високого тиску з введеними йодидами натрію, талію, індію та ін. Світлова віддача цих ламп сягає 80 – 90лм/Вт, що в 1,5 – 2 рази більше, ніж у аналогічних ламп типу ДРЛ.

Важливим досягненням є впровадження у виробництво натрієвих ламп високого тиску (рис.1.8), що мають світлову віддачу до 110 – 120лм/Вт, термін служби близько 20тис.год. та задовільну кольоропередачу, що стало можливим завдяки створенню прозорих трубок-колб із полікристалічного окису алюмінію. Такі колби можуть працювати при більш високій температурі, ніж кварцові, й протидіяти впливу розряду в парах лужних і лужноземельних металів.

© Yukka. Уривок дипломної роботи.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *