金光洒满街
每当夜幕降临,繁华、美丽的首都北京就亮起了万盏明灯,宽阔的长安大街更是笼罩在一片金色光芒之中,这光来自60年代的一种新光源——高压钠灯。
霓虹灯和氙灯里充的是惰性气体,汞灯里装有液态的水银,现在呢,连固体的钠金属也居然进入了灯管。
钠灯和汞灯几乎是同时发展起来的气体放电光源。汞灯有高压、低压之别,钠灯也分高压、低压两类从历史发展的角度来看,高压钠灯是低压钠灯的“弟弟”。
早在1932年,欧洲一些国家就用低压钠蒸气放电制成了低压钠灯。低压钠灯里充的是少量的金属钠和由氖、氩组成的混合气体。钠灯一通电,氖气首先放电,发出红光。放电产生的热量使钠熔化,蒸发变成钠蒸气,并且逐步代替氖气放电发光。
要使固体的金属钠变成蒸气,可不像使水银变成蒸气那么容易,必须尽量减少热量的损失。或者给放电管做一个玻璃外套,就像给人穿上一件大衣那样;或者把放电管弯成“U”形;或者改变灯管的横截面形状,总之要使灯管管壁保持一定的温度——3000℃左右。
人们早就知道发光效率高是钠灯突出的特点,尤其是低压钠灯发出的光中黄光占了绝大部分,而黄光又是人眼最敏感的色光,所以低压钠灯的实际发光效率要比白炽灯高出十几倍。
不过,由于低压钠灯发出的光几乎全是黄光,使它大多仅用在光学仪器里,作为偏振计、旋光计、折光仪等的单色光源。又因为黄光穿透云雾的能力很强,所以低压钠灯也可用于船舰信号以及港口、机场照明。在电影制片方面,有时还用钠灯作特技摄影。
当时人们也知道,随着钠蒸气压的增大,钠灯的光色会由黄色变成金白色,只是钠蒸气在高温高压下腐蚀性很强,各种类型的玻璃都对付不了,所以很长时间内没有造出高压钠灯。
你认识钠吗?它是一种银白色的化学性质非常活泼的碱性金属,温度不到100℃就熔化,放在空气中会很快跟氧化合,遇到水将发生强烈反应,甚至发生爆炸。
钠蒸气有很强的腐蚀作用。用玻璃做钠灯的灯管,钠会同玻璃中的二氧化硅发生化学反应,使玻璃变成褐色,透明度变坏,灯光逐渐昏暗。后来化学家找到了一种二氧化硅含量比较低的特种玻璃球铝硼玻璃,这才初步解决了腐蚀问题。
但是,钠蒸气的腐蚀作用是随着温度和压力的提高而增强的。一般来说,低压钠灯还比较好办,钠蒸气压比较小,温度不过二三百度,上面提到的抗钠玻璃还勉强能顶得住。而在高压钠灯里,钠蒸气压大大增加,灯管工作温度高到上千度,高温高压的钠蒸气几乎能腐蚀所有的玻璃,不仅石英玻璃顶不住,就连抗钠玻璃也抗不了,用不多久便会被腐蚀得灯管变黑,部件损坏。(www.xing528.com)
随着陶瓷技术的发展,直到1957年,美国人科里尔才研制出了一种用高纯多晶氧化铝,再加氧化镁添加剂烧结而成的半透明陶瓷。这种材料的熔点高达2040℃,经得起1600℃高温钠蒸气的腐蚀,且能透过90%以上的可见光。有了它,高温钠灯才能于1960年呱呱坠地,经过改进完善,终于得到了实际的应用。
高压钠灯比低压钠灯更小,一只400瓦的高压钠灯只有一支钢笔那么大。它与高压汞灯有很多相似之处:放电管的两头封有两个电极,电极上涂着电子发射物质;灯内装有双金属片开关,目的是使灯容易启动;内管(放电管)外面加装一个椭球形的外玻壳,为的是减少灯的热量损耗,防止引线氧化,保持灯管温度稳定;内外管之间抽成真空,再加消气剂,可以更好防止热量散失。
灯管里不仅充有钠,还充有氙气和水银。水银起辅助作用,帮助提高灯管电压,并发少量的蓝绿光以改善光色;氙气帮助启动,它首先放电升温,然后过渡到钠蒸气放电,直到稳定,需要好几分钟。
钠灯中的钠蒸气压越高,黄光以外的可见光比例越大,光色改善,但光效越低。因此,为了获得比较高的光效,高压钠灯的钠蒸气压是不能太高的。钠蒸气压超过500毫米水银柱的高压钠灯,发白色光,光中有较多人眼不敏感的蓝光和红光,光效率是明显下降。实用的高压钠灯,钠蒸气压只有二三百毫米水银柱,发出的是金黄色光。
发出黄色光的高压钠灯显色性不好,在它的照耀下分不清黄和白,也分不清红和蓝,但是它的发光效率要比其他灯高得多,从理论上讲是发光效率最高的光源。即使考虑到热损失的影响,高压钠灯的实际光效也差不多3倍于高压汞灯,大约等于白炽灯的10倍。
可以作这样一个比较:同样是400瓦的钠灯和汞灯,安装钠灯的灯杆路灯已经用上了高压钠灯可以比汞灯高一倍,而路面的平均亮度反而比汞灯高3.5倍,而且光的均匀性也好,虽然有些人对它的光色不够习惯,可更多的人仍然觉得金色的光给人以温暖舒适的感觉,看得远,辨得清,光线柔和,眩光少,不刺眼,所以很受行人的欢迎。
在相近的照明效果下,钠灯比汞灯可节省一半以上的电力。请想想吧,一个城市更不用说一个国家有如此之多的照明路灯,节省一半以上的电力意味着可以节省多少宝贵的能源啊!
对于道路照明来说,首先应该考虑的是高光效,经济和长寿命,其次才是光色和显色性,所以高压钠灯被认为是最有前途的照明灯之一。我国许多大城市的街道上已经用上了高压钠灯。区域性照明、闪光照明、大面积厂房和体育场照明也可以用它,将来高压钠灯还可以用作强光投射灯和室内照明灯。
这还不算,钠灯灯光的穿透力强,射程远,尤其在雾天雨天,白茫茫一片,高压汞灯暗淡无光,高压钠灯却可以穿透浓雾,光照甚远,这对大面积远距离照明很有意义,特别适用于港口、码头、海面等常有浓雾的场合。长寿是高压钠灯的又一个长处,它可以点亮几千个小时。70年代由于改进了电极,钠灯的使用寿命已延长到1万至2万个小时。
钠灯是60年代出现的新光源,有人称誉它是电光源的第三代。我国70年代初开始研制高压钠灯,1974年国庆前夕就已经在首都试用。现在的问题是要进一步扩大它的功率范围,减小启动电压,改善光色,降低成本。
在电光源的发展史上,高压钠灯的出现是一次重大突破。将来钠灯一定会在照明领域里进一步崭露头角,大放异彩!
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