FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK IZZÓLÁMPÁK Kocsányi László Kovács Péter Dobos Gábor

4. Előadás: Izzólámpák II. Gáztöltésű lámpák Elméleti alapok Izzólámpák Történeti áttekintés Elektromos fűtésű vákuum – izzólámpák 4. Előadás: Izzólámpák II. Gáztöltésű lámpák Hőveszteség Langmuir Nussel Wolfram diffúziója Halogén – lámpák Izzólámpák konstrukciója, alkalmazott anyagok

CÉL: Izzószál párolgási sebességének csökkentése → Gáztöltés → Nő a hőveszteség is! Korai kísérletek sikertelenek ÁTTÖRÉS: Langmuir (1912) Izzószál vastagságának növelésével csak kevéssé nő a hőveszteség Spirális szerkezetű izzószál (a hőveszteség szempontjából) úgy működik, mint egy vastagabb izzószál → Azonos teljesítményű spirális izzószál (a hőveszteség szempontjából) tekinthető egy vastagabb, de rövidebb izzószálnak

MAGYARÁZAT: Az izzószál felületén a gáz áramlási sebessége 0 A gáz viszkozitása nő a hőmérséklettel → Az izzószál körül kialakul egy réteg, ahol a gáz jó közelítéssel mozdulatlan LANGMUIR – BUROK (Langmuir sheath) A Langmuir – burokban nincs hőáramlás, csak hővezetés A Langmuir – burkon kívül van hőáramlás → A burkon kívül a hőmérséklet megegyezik a fal hőmérsékletével → A teljes T1 – TW hőmérsékletkülönbség a Langmuir – burkon esik A burok átmérője jó közelítéssel független az izzószál átmérőjétől

Makai László szimulációi

Makai László szimulációi

A hőáram a Langmuir – burokban: (méterenként és másodpercenként, tisztán hővezetés útján) Integrálva d1/2 és d2/2 között: A hőáram kiszámításához ismerni kell d2-t → Langmuir szerint a φ szög független d1-től → d2 becsülhető

Nusselt – féle elmélet (1915): Átfogó elmélet a természetes konvekció útján történő hővezetésről Hőcsere leírására szolgáló egyik alapmennyiség a Nusselt – szám: Szabad áramlás esetén hasonló alakú, de különböző hőmérsékletű, méretű és környezetű testek körül a sebességeloszlás hasonló lesz, ha az úgynevezett Grashof – szám megegyezik A hőmérséklet – eloszlás hasonló, ha a Prandtl – szám megegyezik: Kimutatható, hogy a Nusselt szám jó közelítéssel a Grashoff- és a Prandtl – szám szorzatának függvénye

és alapján a Nusselt – szám felírható a következő alakban: d1 = ∞ határesetben (sík felület) a hőmérséklet-gradiens (dT/dr)d2 = – θW/B alakban írható. Mivel a Langmuir – burok vastagsága független d1-től: és alapján d2 – t kiküszöbölve:

Mivel A Nussel szám a Grashof és a Prandtl szám függvénye B független d1-től Gr-ben d13 szerepel → A jobb oldalnak (Gr * Pr)1/3 – al kell arányosnak lennie Az arányossági tényező kísérletileg határozható meg:

A kísérleti eredmények jó egyezést mutatnak a számításokkal → Ez igazolja Langmuir közelítéseinek jogosságát és alapján A Langmuir – burok vastagsága:

alapján számítható a hőveszteség. Ehhez szükséges további paraméterek: Viszkozitás: ahol C1 = 1,9*10-6 Ns/(m2K1/2) és C2 = 133 K Hővezetőképesség: Prandtl – szám: ahol q a gázrészecskék szabadsági fokainak száma pl.: 225 V, 100 W-os lámpa esetén az izzószál átmérője d1 = 7,23*10-4 m, hossza 3 cm 700 torr Ar + 8.5 % N2 keverékkel töltve, melynek nyomása működés közben kb. 1,25 atm-ra emelkedik. Az Izzószál hőmérséklete 2770 K, míg a Langmuir-burok határán a hőmérséklet kb. 450 K. Így Gr = 0,78, Pr = 0,52 és Nu = 0,94, ami a fenti képlet alapján 11,8 W veszteséget jelent.

Ugyanazt a lámpát gáztöltéssel és vákuumban üzemeltetve megmérhető a hővezetésből adódó energiaveszteség. Azonos fényáram esetén az izzószál hőmérséklete a két esetben azonos → A két görbe horizontális távolsága mutatja a hővezetésből adódó energiaveszteséget A gáztöltésből fakadó hőveszteség kb. 4 W/cm Gáztöltés miatt fennáll a veszélye, hogy kisülés indul meg az elektródák között (arcing) → 220 V → izzószál minimum 2 cm hosszú → minimum 8 W veszteség a hőveszteségből → 30 W alatt nem éri meg a gáztöltés

WOLFRAM ATOMOK DIFFÚZIÓJA: A szál felületén (r = d1/2 – nél) a wolfram gőznyomása megegyezik a szál hőmérsékletén mért gőznyomással A Langmuir – burok határán (r = d2/2 – nél) a wolfram gőznyomása 0 A koncentráció – különbség hatására wolfram atomok diffundálnak a száltól a fal felé: d1/2 és d2/2 között integrálva: ahol ln (d2/d1) – et behelyettesítve:

Első közelítésben N1 fordítva arányos a gáz nyomásával (D arányos a szabad úthosszal, ami fordítottan arányos a nyomással) N1 arányos n1 – el (a szál hőmérsékletének megfelelő gőznyomásnál a wolfram atomok sűrűsége), ami viszont gyorsan nő a hőmérséklettel Az előző példa esetén ez 7,8*1010 wolfram atomot jelent másodpercenként, ami a lámpa 1100 h élettartama során 0,095 mg-ot, vagyis a szál tömegének kb. 0,34 %-át teszi ki. A valóságban a wolfram – fogyás az élettartam során nagyjából 0,32 mg, ami több mint 1%! → Léteznie kell más folyamatoknak is. Megjegyzés: Ugyanezt a lámpát vákuumban üzemeltetve a wolfram – fogyás sebessége közel 500-szoros

Hőmérsékletkülönbség hatására a nehezebb részecskék a melegebb hely felől a hidegebb hely felé vándorolnak (thermal diffusion) ahol és C a wolfram és az argon atomok koncentrációjának aránya → A hőmérséklet – különbség által keltett diffúzió (az előző példa paraméterei mellett) nagyjából 17%-t teszi ki a koncentráció – gradiens által keltett diffúziónak A Langmuir – burokban a wolfram atomok ütközése során keletkezhetnek wolfram – klaszterek. Ezek nagy tömegük miatt hőmérsékleti diffúzióval szintén hozzájárulhatnak a wolfram – fogyáshoz. A wolfram atomok 97 % másik wolfram atommal való ütközés nélkül képes átjutni a Langmuir – burkon → Ez a folyamat csak nagy (olvadáspont – közeli) hőmérsékleteken válhat jelentőssé

A wolfram gőznyomása, a diffúziós koefficiens vagy a szál hőmérséklete (vagy akár mindhárom) magasabb lehet, mint a becsléshez felhasznált értékek → A három faktor együttes bizonytalansága okozhat ilyen mértékű eltérést Ha a lámpa tartalmaz nyomokban vízgőzt, a wolfram felületén wolfram – oxidok képződhetnek → A különbőz oxidok együttes gőznyomása magasabb mint a wolfram gőznyomása Körfolyamat alakul ki, így nagyon kis mennyiségű vízgőz is elég A forró üveg mindig dob le magáról valamennyi vízgőzt Getterezés ellenére marad valamennyi vízgőz a lámpában

HALOGÉNLÁMÁK Fordítsuk meg a körfolyamatot! → Falról vigye vissza a wolframot az izzószálra! FRIDRICH, MOSBEY, WILEY ÉS ZUBLER (1959): Wolframspirál + jód, kvarc kapszulában → A falnál a wolfram és a jód reakcióba lép → illékony wolfram – jodid képződik → a wolfram – jodid a faltól az izzószálhoz diffundál ahol elbomlik → növeli a szál körül a wolfram – koncentrációt Ideális esetben a folyamat az összes wolframot visszaviszi az izzószálra

Egyszerűsített modell: A rendszerben egyféle halogén van, a reakció során csak egyféle wolfram – halogenid képződik A Langmuir burkon kívül alacsony a hőmérséklet → r > rL esetén a wolfram – halogenid stabil → az erős áramlások miatt r > rL esetén egyenletes a WX koncentráció A Langmuir burokban rohamosan nő a hőmérséklet → A wolfram – halogenid r = r1-nél disszociál (r > r1-nél a wolfram – halogenid stabil)

A koncentráció – eloszlások egyszerűen számolhatók: r1 és rL között integrálva: N1 darab wolfram atom diffundál r1-től rL felé N2 darab wolfram – halogenid molekula diffundál rL-től r1 felé N1 = N2

n2,W túl alacsony → wolfram áramlik az izzószáltól a fal felé n2,W túl magas → wolfram áramlik a faltól az izzószálhoz → az izzószál vastagodik Az izzószál hidegebb részéről is áramlik wolfram a melegebb részek felé → izzószál szakadásához vezethet

Halogén lámpában ideális esetben az elpárolgó, és a visszaáramló wolfram mennyisége megegyezik → Nincs wolfram fogyás Halogén nélküli gáztöltésű lámpákban is 500 atomból 499 visszakerül az ízzószálra A lámpa meghibásodását nem a nagy wolframveszteség, hanem az izzószál keresztmetszetének egyenetlenségei okozzák Az izzószálon kezdetben is vannak kis mértékű egyenetlenségek Ahol kisebb az átmérő, a szál melegebb, ahol nagyobb, ott hidegebb → A kezdeti egyenetlenségek megnőnek → Az izzószál elszakad

Halogénlámpák előnyei: A búra nem feketedik Mivel a fala tiszta marad, kisebb búra is megfelelő Kis térfogat miatt drágább gázokat is lehet alkalmazni (Kr, Xe) Későbbi kísérletek kimutatták, hogy a folyamatban a lámpában található oxigén – szennyeződés is szerepet játszik Oxigén nélkül nem megy a körfolyamat → Szándékosan kevernek a töltőgázba oxigént Ha túl sok az oxigén a folyamat túl agresszív, és elmarja az izzószálat a hidegebb helyeken

Jód → Bróm: A ciklus még intenzívebb Működik oxigén nélkül is Hidrogén jelenlétében is működik → hidrogén – bromid használható adalékként → bekeverhető a töltőgázba → alacsony hőmérsékleten kevéssé disszociál → kevésbé támadja meg az izzószál hidegebb végeit HBr → CH2Br2: kevésbé agresszív Képes az izzószál egyenetlenségeinek kiegyenlítésére → Valóban növeli az élettartamot

IZZÓSZÁL: Kezdetben szénszál Kísérletek platinával, ozmiummal sikertelenek 1911-ig elterjedten alkalmaztak tantál izzószálakat Coolidge (1909): Új technológia wolframszál gyártására Wolfram-por szinterelése hidrogén atmoszférában Sajtolás és húzás → 1911-től gyakorlatilag csak wolframszálakat alkalmaznak. Pacz (1917): Wolfram doppolása Hőkezelés során a wolfram – oxidba (véletlenül !) kis mennyiségű kálium, nátrium és szilícum szennyeződés került → Izzószál tulajdonságai jelentősen javultak William D. Coolidge Aladar Pacz

Ma: Wolfram érc: CaWO4, (FeMn)WO4 → WO3 Redukció magas hőmérsékleten, hidrogén atmoszférában Rúddá préselés, majd szinterelés 3000 °C körüli hőmérsékleten Hengerelés, préselés és szál-húzás Spirál szerkezet kialakítása (gyakran dupla – spirál kialakítása) Vas vagy molibdén drótra tekerik Hőkezelés (csökkenti a feszültségeket) Vas illetve molibdén drót szelektív kimaratása

Húzás után a wolfram – huzal szála szerkezetű szemcsékből épül fel Spiralizálás után hőkezelés a rekrisztalizációs hőmérséklet fölött → Új szemcseszerkezet alakul ki A kialakuló szemcseszerkezetet a WO3 –ba kevert adalékok határozzák meg Oxid – adalék (pl. thórium – oxid) hatására elnyújtott, termikusan stabil szemcseszerkezet alakul ki → mechanikailag ellenálló (pl. vibrációnak kitett alkatrészekhez) AKS adalék (kálium – szilikát és alumínium – oxid keveréke) Nagyobb méretű szemcsék 5 – 100 nm-es üregek sora a szemcsehatárokon Az üreg – hálózat kontrollálja a szemcsehatárok mozgását a rekrisztallizáció során

Árambevezetés: Fém és az üveg hőtágulási együtthatója egyezzen meg Jól tapadjanak egymáshoz Fém legyen jó vezető Ne legyen gázleadás a beforrasztás során → DUMET szál: Magja nikkel-vas ötvözet Körülötte réz Felületén nátrium – borát réteg a jobb kötés érdeképen → Jól tapad az üveghez → Radiális irányban a hőtágulása megegyezik az üvegével → A tengelyirányú feszültségek csökkentése érdekében a gyakorlatban 1 mm-nél vékonyabb huzalokat alkalmaznak