Světelné zdroje – halogenidové výbojky (část 1)

 

Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké výbojky, jejichž světlo vzniká převážně zářením par kovů (např. rtuti), popř. vzácných plynů (např. xenonu), a produktů štěpení halogenidů.

 

Velmi účinnou a v současné době nejvíce využívanou možností, jak zlepšit vlastnosti vysokotlakého rtuťového výboje, je využití dalších chemických prvků nebo sloučenin, jejichž záření žádoucím způsobem doplňuje čárové spektrum rtuti. Takových prvků existuje velké množství a jejich vhodným výběrem a správnou kombinací lze získat jak účinné zdroje bílého světla v širokém rozsahu chromatičnosti pro účely všeobecného osvětlení, tak i zdroje záření s cíleně upraveným spektrem, potřebným pro řešení nejrůznějších úkolů v mnoha oblastech vědy a techniky (průmysl, medicína, zemědělství aj.).

 

Některé chemické prvky se vyznačují velmi intenzivními rezonančními čárami ve viditelné oblasti spektra (např. sodík, thalium, indium, galium, lithium apod.), jiné prvky (např. kovy vzácných zemin, jako dysprozium, holmium, thulium, skandium, neodym aj.) mají velmi husté čárové spektrum v celé viditelné oblasti, které při jejich odpovídající kombinaci s dalšími prvky zajišťuje velmi dobré podání barev osvětlovaných předmětů. Další skupina prvků má bohaté záření v UV oblasti spektra (železo, kobalt, olovo aj.), a umožňuje tak vytvářet zdroje ultrafialového záření využívané v různých průmyslových odvětvích v technologii. Použití většiny prvků v čistém stavu je však spojeno se značnými problémy, které brání jejich racionálnímu použití. Prvky vzácných zemin mají při maximálně přípustných pracovních teplotách materiálu výbojové trubice (zpočátku se používalo výlučně křemenné sklo, v poslední době i teplotně a chemicky odolnější keramika z průsvitného polykrystalického oxidu hlinitého – umělého korundu) nízký tlak par, takže nelze dosáhnout potřebné koncentrace těchto prvků ve výboji, a tedy ani požadovaného měrného výkonu. Další prvky, např. alkalické kovy, sice mají při pracovních teplotách výbojky dostatečný tlak par, jsou však při teplotách převyšujících 300 °C velmi agresivní ke křemennému sklu, takže nastávají nežádoucí chemické reakce a hořák se rychle zničí.

 

Východiskem pro řešení obou jmenovaných problémů je nový způsob vnášení prvků do výboje v podobě jednoduchých chemických sloučenin. Ukázalo se, že nejvhodnější z nich jsou příslušné halogenidy (nejčastěji jodidy, popř. bromidy). Tyto sloučeniny jsou i při vysokých pracovních teplotách hořáku poměrně stálé, nevstupují příliš aktivně do chemické reakce s křemenným sklem ani s korundovou keramikou a většinou se vyznačují i vyšším tlakem par v porovnání s čistým kovem (výjimkou je např. sodík, který je však v čistém stavu nepoužitelný pro svou afinitu ke křemennému sklu, ale i nižší tlak jodidu sodného postačuje na to, aby se do výboje dostalo dostatečné množství atomů sodíku). Tím je zajištěna i jejich požadovaná koncentrace ve výboji, a tedy i potřebný měrný výkon.

 

Nový způsob vnášení svíticích příměsí do výbojek umožnil značně zvýšit počet prvků, jejichž záření lze využít ve světelných zdrojích, resp. ve zdrojích UV záření. Objevil se tak zcela nový sortiment výbojek (v české terminologii tzv. halogenidových), jež se vyznačují různým spektrem záření, od téměř jednobarevného až po spojité, s podstatně vyšším měrným výkonem (resp. energetickou účinností pro zadaný úkol) a kvalitnějším světlem z hlediska podání barev než u běžných vysokotlakých rtuťových výbojek. Při vývoji a zavádění technologie hromadné výroby halogenidových výbojek bylo nezbytné vyřešit mnoho problémů souvisejících se zapálením výbojky, se způsobem přípravy příslušných sloučenin a jejich vnesením do výboje, nalezením vhodné konstrukce hořáku, správného složení emisní hmoty aj. Významným krokem ve vývoji další generace těchto výbojek bylo zvládnutí technologie výroby korundového hořáku ve spojení s halogenidy, kde bylo nutné navíc vyvinout nové keramické pájecí materiály. Právě tento krok umožnil rozšířit sortiment halogenidových výbojek směrem k nižším příkonům, při současném dalším zlepšení světelnětechnických a kolorimetrických parametrů během jejich života. Všeobecně totiž platí, že při stejné svíticí náplni výbojek s křemenným hořákem se měrný výkon s klesajícím příkonem znatelně snižuje (podstatně více než u výbojek s keramickým hořákem), zhoršuje se stabilita světelného toku a kolorimetrických parametrů v průběhu života, zkracuje se život a roste náročnost technologie výroby. Tím se přínos z jejich zavedení v porovnání se rtuťovými výbojkami snižuje, a jejich znatelně vyšší cena tak limituje dolní mezní hodnoty příkonu. U halogenidových výbojek s keramickým hořákem byla dolní hranice příkonu, při níž je ještě racionální tento typ výbojek vyrábět a používat, snížena k 20 W. To znamená, že i při takto nízkém příkonu je užitečné investovat do dražšího světelného zdroje, protože úspory elektrické energie a další výhody tyto náklady kompenzují.

 

Princip činnosti halogenidových výbojek lze se značným zjednodušením popsat takto: Výboj se zapaluje vnějším zapalovacím zařízením, které zajišťuje vysokonapěťový impulz s amplitudou 1,8 až 5 kV, podle příkonu výbojky (konstrukce hořáku s pomocnou zapalovací elektrodou a bez vnějšího zapalovače, jako je tomu u klasických vysokotlakých rtuťových výbojek, se používá pouze v omezené míře u některých typů náplně). Výboj nejdříve probíhá v parách rtuti a inertního plynu, u bezrtuťové výbojky v xenonu. S postupným nárůstem teploty se zvyšuje koncentrace halogenidů ve výboji. Teplotní režim výbojky se ustálí během asi 5 až 10 min podle typu. Při pracovní teplotě hořáku se v oblasti jeho osy s vysokou teplotou halogenidy štěpí na atomy halogenu a atomy příslušného kovu, které se vybudí a září. Současně se vytváří gradient koncentrace těchto atomů v radiálním směru, které následně difindují ke stěnám hořáku s nižší teplotou, kde se opět slučují na původní sloučeniny. Vzniká tak uzavřený cyklus, jehož existence je základním a nezbytným předpokladem vytvoření účinného světelného zdroje s požadovaným spektrálním složením záření a dostatečně dlouhým životem.

 

Z předchozího textu vyplývá, že halogenidové výbojky lze z hlediska materiálu použitého na zhotovení vlastního hořáku rozdělit do dvou základních skupin: výbojky s křemenným hořákem a výbojky s keramickým hořákem.

 

V současné době je nejrozšířenějším keramickým materiálem oxid hlinitý; ve výzkumných laboratořích se však zkoumají i další materiály, např. oxid yttritý aj. Cílem těchto prací je nalézt materiály s ještě vyšší teplotní odolností, což by dále umožnilo zvýšit účinnost výboje. Materiál, z něhož je zhotoven hořák, velmi významně ovlivňuje vlastnosti výbojky a technologii jejich výroby, takže kritérium třídění podle materiálu, z něhož je vyroben hořák, má své opodstatnění.

 

Halogenidové výbojky s křemenným hořákem jsou z hlediska konstrukce příbuzné rtuťovým výbojkám. Některé konstrukční odlišnosti vyplývají z přítomnosti halogenidů v hořáku. Vlastní výbojová trubice je zhotovena ze speciálního druhu křemenného skla, vyznačujícího se velmi malým obsahem skupin OH (nižší než 1 ppm). Do hořáku jsou s využitím molybdenových fólií zataveny hlavní wolframové elektrody pokryté emisní hmotou na bázi oxidu yttritého nebo thoričitého, popř. jsou zhotoveny z thoriovaného wolframu. Přítomnost halogenidů vylučuje použití emisní hmoty využívané ve rtuťových výbojkách. Do hořáku se kromě rtuti a příslušných halogenidů plní inertní plyn (obvykle argon nebo směs neonu a argonu), který má stejnou funkci jako u rtuťových výbojek. V některých typech těchto halogenidových výbojek, kde je důležité co nejvíce zkrátit dobu náběhu (např. ve světlometech automobilů), se používá ještě xenon. Teplota částí hořáku za elektrodou, která ovlivňuje tlak, a tedy i výsledné světelné a elektrické parametry výbojky, se stabilizuje vrstvou např. oxidu zirkoničitého. Hořák je zataven do vnější baňky, která je buď evakuovaná anebo naplněná inertním plynem. Baňky výbojek malých příkonů jsou zhotoveny z měkkého skla, u vyšších příkonů (150 W a výše) z tvrdé skloviny. Jsou většinou válcové, čiré, u některých typů výbojek se používají eliptické, jež jsou pokryty luminoforem nebo rozptylnou vrstvou. Výbojky jsou opatřeny buď závitovou, nebo bajonetovou paticí, anebo paticí s kontaktními kolíky. U některých typů výbojek zvláště malých rozměrů se používá baňka z křemenného skla. Konstrukce základních typů halogenidových výbojek s křemenným hořákem je schematicky zobrazena na obr. 1.

 

V současně vyráběném sortimentu halogenidových výbojek se používá množství různých kombinací halogenidů, z nichž pro účely všeobecného osvětlení jsou nejzajímavější tyto:

a) NaI + TlI + InI. Každý z použitých prvků se vyznačuje intenzivními rezonančními čárami ve viditelné oblasti spektra (sodík září na vlnové délce λ = 589 a 589,6 nm, thalium má velmi intenzivní čáru v zelené části spektra λ = 535 nm, indium září v modro-fialové oblasti λ = 410 a 451 nm). Vhodnou kombinací těchto prvků lze získat zdroj bílého světla s měrným výkonem 70 až 110 lm/W podle příkonu a R_a = 65 až 70. Tento typ náplně se nepoužívá u výbojek s keramickým hořákem.

b) DyI₃ + HoI₃ + TmI₃ a některé další halogenidy, např. TlI, NaI, CsI. Prvky vzácných zemin mají velmi husté čárové spektrum v celé viditelné oblasti, takže při jejich správné kombinaci lze dosáhnout vynikajícího podání barev osvětlovaných předmětů. Přítomnost thalia, jehož záření se nachází v blízkosti maxima citlivosti lidského oka, významně zvyšuje měrný výkon. Výsledkem jsou výbojky s měrným výkonem 80 až 90 lm/W při R_a > 80.

c) ScI₃ + NaI a další halogenidy, např. ThI₄, LiI. Scandium se vyznačuje bohatým spektrem v modro-zelené oblasti, sodík s lithiem doplňují záření v oblasti žluto-červené. Měrný výkon dosahuje hodnot až 100 lm/W při R_a ≈ 75. d) SnBr₂ + SnI₂. U výbojek s uvedenou náplní se využívá molekulární spektrum použitých příměsí, které je spojité a lze je velmi dobře přizpůsobit záření černého tělesa. Při měrném výkonu přibližně 60 lm/W je dosaženo vynikajícího podání barev charakterizovaného R_a ≈ 98.

 

Poznámka: V některých případech je výhodnější namísto halogenidu příslušného kovu vnést do hořáku čistý kov s odpovídajícím množstvím jodidu rtuťnatého. Potřebný halogenid se pak vytvoří přímo v hořáku v průběhu prvního rozsvícení výbojky. Další provoz takto vyrobené výbojky je shodný jako u výbojek s halogenidy dávkovanými přímo v rámci technologického procesu.

Použitím dalších příměsí lze vyrobit efektivní zdroje s intenzivním zářením v modro-fialové a blízké ultrafialové oblasti, využívané např. v chemickém a polygrafickém průmyslu k urychlení fotochemických reakcí anebo v soláriích ke kosmetickým účelům. V současné době se používají kombinace PbI₂ + GaI₃ s maximem záření v intervalu 350 až 450 nm a FeI₂ + CoI₂ s maximem záření v oblasti 300 až 400 nm. Tyto výbojky nemají vnější baňku, vlastní hořák je v případě potřeby vyroben z křemenného skla se speciálními přísadami nepropouštějícími krátkovlnné UV záření, takže při provozu nevzniká nežádoucí ozon. Vzhledem k většímu teplotnímu zatížení stěny hořáku a náročnějším podmínkám provozu bez vnější baňky je život těchto výbojek kratší, dosahuje 800 až 1 500 h.

 

Zmíněné kombinace svíticích příměsí zdaleka nevyčerpávají sortiment výbojek uváděný v katalozích významných světových firem, v odborných časopisech a v patentové literatuře. Svědčí o tom i katalogy firem specializujících se výhradně na přípravu různých vysoce čistých chemických sloučenin pro halogenidové výbojky, v nichž je uvedeno více než 90 halogenidů téměř 50 kovů, umožňujících sestavit stovky nejrůznějších kombinací svíticích příměsí. Sortiment halogenidových výbojek je tedy v současné době velmi široký, a i když se příkonové řady již ustálily, vyskytují se mezi jednotlivými výrobci určité rozdíly i u typů stejného příkonu.

Rozdíly spočívají nejen v chromatičnosti vyzařovaného světla, ale rovněž v geometrických a elektrických parametrech, takže je nutné věnovat pozornost i volbě příslušného předřadníku. Některé typy halogenidových výbojek jsou konstruovány pro předřadníky určené pro vysokotlaké sodíkové výbojky, a proto je možná přímá náhrada sodíkových výbojek halogenidovými v těch případech, kdy je žádoucí zlepšit podání barev bez větších investičních nákladů.

 

Základní sortiment halogenidových výbojek s křemenným hořákem je uveden v tab. 1. S ohledem na uvedenou rozmanitost sortimentu halogenidových výbojek a na jeho neustálý vývoj je v tab. 1 pouze orientační přehled výbojek s křemenným hořákem tříděných podle příkonu, typu patice a geometrických parametrů.

 

Výhody halogenidových výbojek s křemenným hořákem lze shrnout takto:

K nevýhodám, kromě technologické náročnosti a z toho vyplývající vyšší pořizovací ceny, patří nutnost použít zapalovací zařízení (s výjimkou některých výbojek s malým příkonem se zabudovaným zapalovačem, resp. malé části sortimentu výbojek, jejichž náplň dovoluje použít pomocnou elektrodu), dále poměrně velká citlivost parametrů výbojek na kolísání napětí sítě, větší rozptyl kolorimetrických parametrů mezi jednotlivými výbojkami stejného typu i jejich větší změny u jednotlivých výbojek v průběhu svícení (výrobci přiznávají možné změny teploty chromatičnosti v intervalu ±600 K), stejně jako změna těchto parametrů v závislosti na poloze svícení.

[1] ROCHLIN, G. N.: Razrjadnyje istočniki světa. Energoatomizdat, 1991.

[2] Katalog firmy Osram 2008/2009.

[3] Technická dokumentace firmy Philips.