Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

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