Відкриття найчастіше робляться при погляді винахідників на проблему з нетрадиційною, несподіваного боку. Проривна рішення може зажадати підходу, який йде врозріз із загальноприйнятою думкою. Зокрема, розробка сірчаної лампи з мікрохвильовим живленням розряду є таким прикладом.
Справді, спроби дослідити джерела світла з сірчаним наповненням робилися задовго до появи сірчаної лампи, але вони нічого не принесли і були оцінені як безперспективні. Вважалося, наприклад, що додавання в розряд парів сірки - електронегативного елемента - може привести до припинення розряду (напевно, багатьом відомий т.зв. елегаз - електронегативний газ SF6. Який служить для запобігання розвитку дуги в потужних переривнику струму). Головна проблема в цьому відношенні те, що сірка - хімічно активний елемент, який при високих температурах викликає швидку ерозію електродів. До того ж ефективність сірчаних розрядів в цих перших дослідах виявилася досить малою.
Сірка (ще задовго до появи сірчаної лампи) привернула увагу фізиків тим, що вже в перших дослідженнях розряду низького тиску виявилося помітне випромінювання молекул S2 в ближньому ультрафіолеті в діапазоні 2800-4000 Å [1, 2]. Очевидно, можна було припустити, що сірка замінить ртуть в люмінесцентних лампах.
Сірка могла б виявитися хорошим кандидатом в якості випромінювача в ближньому УФ-спектрі по ряду причин. Так, загальний тиск парів молекул Sn (n = 8, 7 ... 2) змінюється від 10 -7 Тор при температурі 276 К до
1 Тор при 462 К [3]. Тому при температурах 160-200 ° C могли бути створені сприятливі умови для розряду низького тиску - самопоглинання випромінювання в даному випадку мало. Далі, спектр випромінювання 2800-4000 Å прекрасно підходить для збудження люмінофора, враховуючи низькі втрати в перетворенні цього випромінювання в видиме світло (т.зв. стоксово втрати). Нарешті, пари сірки практично не взаємодіють з кварцовими розрядними трубками.
Слід зазначити, що навіть при температурах
160-200 ° С рівноважний тиск молекул S2. взагалі кажучи, дуже малий. Наприклад, при кімнатній температурі пари складаються в основному з кілець S8 [4]. При температурі
160 ° С пари сірки зазнають змін стану - кільця S8 розриваються (утворюються відкриті ланцюжка S8), але рівноважна частка молекул S2 ще дуже мала - значно менше, ніж 10 -3. Навіть при температурах близько 200 ° С пари складаються майже виключно з молекулярних ланцюжків S8. S7. S6 і S5. Але в газовому розряді ці відкриті ланцюжка розпадаються при зіткненнях з електронами на молекули S2. і вони панують в випромінюванні розряду.
Ефективність перетворення енергії в оптичне випромінювання в розряді (в експерименті використовувалося високочастотне (10,6 МГц) збудження розряду) була виміряна, наприклад, в роботі [5]. На жаль, вона виявилася досить малою - в УФ-випромінювання максимально (тобто при найбільш оптимальних розрядних умовах) перетворювалося всього лише до 13% енергії, що надходить. Цікаво, що з використанням спеціально виготовлених електродів (спеціальні сталі, покриті міддю або платиною) досліджувався також розряд постійного струму [6]. Однак і в цьому випадку максимально досягнута ефективність виявилася рівною лише 17%.
Для прикладу на малюнку 1 наведено спектр випромінювання розряду постійного струму в трубці внутрішнього діаметра 20 мм з використанням аргону в якості буферного газу [6].
Мал. 1. Спектр випромінювання сірчано-аргонового розряду при струмі 117 мА
Нагадаємо, що в умовах, характерних для роботи люмінесцентних ламп, наприклад, випромінювання лінії 2536 Å становить близько 60%, що вкладається в розряд енергії. Як видно з малюнка 1, максимум випромінювання сірчано-аргонового розряду знаходиться в районі 3100 Å. Вважаючи, що всі випромінювання зосереджено в діапазоні 3200-3300 Å, отримуємо максимально можливе зменшення стоксових втрат в 3300/2536 = 1,3 рази. Таким чином, щоб зрівнятися з ефективністю ртутно-аргонового розряду, сірчано-аргоновим розряду необхідно мати ефективність близько 45%, що значно більше досягнутого в цих перших експериментах значення.
Мал. 2. Приклади спектрів випромінювання різних ламп
Мал. 3. Освітлення переходу між будівлями Міністерства енергетики США у Вашингтоні
Пристрій сірчаної лампи, взагалі кажучи, досить складне. Схематично вона показано на малюнку 4.
Мал. 4. Основні компоненти сірчаної лампи
Джерелом світлового випромінюючи-ня є кварцова сферична колба, наповнений-ва порошком сірки і інертним буферним газом. Випромінює розряд в суміші сірчаної пари і буферного газу (як правило, аргону) збуджується мікрохви-вим випромінюванням від магнетрона, що охолоджується спеціальним вентилятором. Колба діаметром 30-50 мм укладена в резонатора порожнини, виконаної з дротяної сітки. Від магнетрона через хвилевід (по суті, як і в домашніх СВЧ-печах) мікрохвильове випромінювання частотою 2,45 ГГц подається в резонаторних порожнину. Це випромінювання збуджує розряд в колбі, в результаті чого буферний газ і колба нагріваються, в свою чергу, нагріваючи і випаровуючи сірку. Потім утворюється яскраво світиться обсяг плазми, випромінювання якої вже визначається практично тільки парами сірки.
Оскільки нагрів досить значний (температура стінки колби може досягати 1000 ° C), потрібно примусове охла-дження. Це досягається як обертанням колби за допомогою електромотора, так і повітряним потоком.
Колба зазвичай поміщається в фокусі параболічного відбивача. Вид випромінює колби сірчаної лампи в сітковому резонаторі показаний на малюнку 5. Резонатор (в даному випадку циліндричної форми) повинен виконувати три функції - формувати певну моду електромагнітних коливань, бути непрозорим для мікрохвильового випромінювання і забезпечувати мінімум втрат оптичного випромінювання. На закінчення відзначимо, що робочий діапазон температур ламп становить -20 ... 60 ° С [10].