FÉNYEMISSZIÓ, FÉNYFORRÁSOK, FÉNYKELTŐ ESZKÖZÖK

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

2. 3. Előadás: Izzólámpák I. • 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

3. 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

4. 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

6. Makai László szimulációi

7. Makai László szimulációi

8. 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

9. 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

10. 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:

11. 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:

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

13. 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 cm700 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.

14. 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

15. 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:

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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 HALOGÉNLÁMÁK Ideális esetben a folyamat az összes wolframot visszaviszi az izzószálra

20. 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)

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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

27. 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

28. 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

29. 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