Покоренная плазма

В небольших кинотеатрах экран невелик и висит он не очень далеко от проектора. В таких проекторах, например, в узкопленочных, электрическую дугу, опасную в пожарном отношении, зажигать нет необходимости. Здесь неплохо справляется лампа накаливания, правда, более яркая, чем та, которую мы зажигаем у себя дома.

Нашей стране нужны целые реки электроэнергии. Ежедневно вступают в строй новые промышленные предприятия, сдаются в эксплуатацию школы, больницы, кинотеатры, заселяются тысячи квартир жилых домов. И всюду, где появляются люди, сразу же начинается расходование электричества, которое всем так же необходимо, как и вода, пища, одежда.

Люди, занимающиеся тяжелой атлетикой, знают, что, если каждый день увеличивать поднимаемый вес, очень скоро наступит время, когда штанга перестанет покоряться и вес взят не будет. В энергетике происходит то же самое: нагрузка электростанций изо дня в день растет и это ложится новым грузом на плечи электрических генераторов.

У нас строится много новых электростанций, больше, чем в любом другом государстве. И все же электроэнергию приходится экономить, бороться за то, чтобы она впустую не расходовалась.

«Уходя, гасите свет» — этот призыв к экономии драгоценных, нужных народному хозяйству киловатт-часов видите вы всюду — в школе, в подъездах домов, на стенах в учреждениях.

Но люди, постигшие тайны плазмы, могут экономить и экономят электричество и другим способом. Речь идет об ученых-светотехниках, создающих плазменные источники освещения.

По какому признаку судят светотехники о выгодности, экономичности той или иной лампы? По световой отдаче или, иными словами, по величине потока света, рождаемого каждым ваттом электроэнергии, «съеденной» лампой.

Возьмем хорошо нам знакомую лампу накаливания в 40 ватт. Какова ее светоотдача? Десять люменов на ватт. Долгое время считалось это вполне приличной светоотдачей. Ведь это почти в пятьдесят раз больше, чем светоотдача керосиновой лампы!

Но вот специалисты стали измерять светоотдачу огненного жгутика дуги и обнаружили: плазма при том же «питании» рождает света больше, чем лампа накаливания. Она выгоднее! Лучше всего с этой стороны зарекомендовал себя разряд в парах ртути. Выгода была столь неоспоримой, что еще в 1937 году ртутными лампами попробовали осветить улицу Горького в Москве. И все же новые светильники вскоре пришлось снять: они горели зеленоватым светом, делали лица людей мертвенно-бледными, неестественными. Погнавшись за выгодой, светотехники не учли того, как «дешевый» свет будет восприниматься глазом, каким он обладает спектром, какими лучами он беден и какими богат.

Прошли годы, и дуговые ртутные лампы, или лампы ДРЛ, стали снова выпускаться промышленностью и освещать улицы наших городов. Исправить их «характер» помогли люминофоры, причем такие, которые «перерабатывают» часть световой энергии лампы в желтый и красный свет, то есть в те лучи, которыми беден спектр лампы. Происходит это так же, как и в газосветных трубках. Правда в ДРЛ основная масса лучей дуги вырывается из колбы без изменений, лишь часть их ударяется в люминофор и «перерабатывается» в желтый и красный свет.

И, хотя при этом неизбежны некоторые потери энергии, дуговая ртутная лампа отдает света почти в пять раз больше, чем лампа накаливания.

Таким образом, там, где приходилось устанавливать пять ламп накаливания, сейчас достаточно установить одну ДРЛ, и освещенность будет той же. Это позволяет экономить огромное количество электроэнергии!

В наши дни выпускается множество разных типов ртутных ламп. Они нашли себе место в проекционных аппаратах, в кинотехнике, вместо незащищенной дуги, способной привести к пожару, а также в целом ряде производств, где нужны особенно яркие источники света.

Здесь я расскажу только о так называемых лампах СВД — ртутных лампах сверхвысокого давления.

Вы, наверно, знаете, как устроен обыкновенный термос. Это стеклянная удлиненная банка с двойными стенками. Воздуха между стенками нет, он выкачан. Благодаря этому кофе, налитый в термос, долго остается горячим, двойные стенки неохотно пропускают тепло.

В лампе СВД — тоже двойные стенки. Для чего? Чтобы отгородиться от окружающего воздуха, температура которого, как у больного лихорадкой, прыгает то вверх, то вниз. А это нежелательно для паров ртути, давление их очень чувствительно к температуре стенок лампы.

На рисунке показан разрез мощной лампы СВД. В центре ее помещена толстостенная трубочка — капилляр из тугоплавкого кварцевого стекла. В трубочке — газ аргон и капля ртути. Когда на вольфрамовые электроды подается высокое напряжение, между электродами вспыхивает разряд. Пока это только разряд в аргоне. Плазма аргона для освещения не нужна, она, по существу, является «печкой», которая, нагревая всю трубочку, заставляет ртуть испаряться. Когда в трубочке ртуть превратится в пар, в ней вспыхивает дуговой разряд. При этом давление внутри разрядной трубки в мощных лампах СВД может достигать сотни атмосфер, а температура — нескольких тысяч градусов. Чтобы лампа не расплавилась, излишнее тепло отводится проточной водой, которая поступает по шлангу в стеклянную рубашку и омывает лампу.

Лампы СВД сравнительно небольшой мощности обходятся без водяного охлаждения.

Возможно, у вас возник вопрос: стоило ли «городить огород» из водяных рубашек, шлангов, применять особо прочное и тугоплавкое стекло? Не проще ли сделать так, чтобы давление в разрядной трубочке не поднималось до сотни атмосфер? Вопрос существенный и требует обстоятельного ответа.

Плазма дугового разряда обладает таким свойством: она тем ярче светится, тем больше отдает лучей, чем выше ее температура. А температура плазмы зависит от плотности тока. Поэтому, если мы хотим извлечь из плазмы побольше света, нужно сделать так, чтобы плазма не расползалась по трубочке, а концентрировалась в тонкий жгут. Тогда плотность тока внутри плазменного жгута будет большой и светоотдача максимальной.

Высокое давление паров ртути и обеспечивает концентрацию массы плазмы в виде тонкого жгута. С точки зрения физики объяснить это нетрудно. При высоком давлении в разрядной трубке находится много молекул газа или паров. Этим молекулам тесно, поэтому разряд, возникнув, не охватывает всего объема газа, а развивается на одной «проторенной дорожке», то есть внутри шнура. Электроны в такой сутолоке разогнаться сильно не могут, и ионизация в основном происходит не за счет их ударов, а благодаря высокой температуре плазмы.

Таким образом, давление в разрядной трубке лампы СВД таким большим сделано специально. Именно оно и увеличивает яркость свечения плазмы.

В последние годы лампы СВД, предназначенные для освещения, стали наполнять одними инертными газами без паров ртути. Давление газа десять — пятнадцать атмосфер. Хотя эти лампы имели меньшую светоотдачу, нежели ртутные, но «качество» света получалось очень высоким. Если лампу СВД наполняли аргоном, ее свет имел слегка синеватый оттенок, если ксеноном — золотистый, когда же брали смесь неона с ксеноном, то лампа излучала розоватый свет.

Ксеноновые лампы, применяемые в кинотехнике, — это тоже лампы СВД. Их конструкция, как вы очевидно заметили, несколько отличается от конструкции ртутных ламп сверхвысокого давления: в проекционных лампах мощностью до трех киловатт охлаждение воздушное, а в пятикиловаттной разборной охлаждаются водой только электроды. Однако физические процессы в плазме и в тех и в других лампах одинаковы. Разряд в инертном газе при давлении в десятки атмосфер рождает много света, и свет этот почти не отличается от солнечного.

Теперь уточним, какой из плазменных источников света наиболее экономичен. Дуговая ртутная лампа? Или, может быть, дуговая лампа СВД, наполненная инертными газами? Нет ли какой-либо другой лампы, которая на каждый ватт, взятый из электрической сети, отдавала бы световых лучей больше других?