مصباح بخار الصوديوم

مصباح بخار الصوديوم هو مصباح تفريغ غازي يستخدم الصوديوم في حالة مثارة لإنتاج الضوء عند طول موجي مميز بالقرب من 589  نانومتر .

يوجد نوعان من هذه المصابيح: مصابيح الضغط المنخفض ومصابيح الضغط العالي . تُعد مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط مصادر ضوء كهربائية عالية الكفاءة، ولكن ضوءها الأصفر يقيد تطبيقاتها بالإضاءة الخارجية، مثل مصابيح الشوارع ، حيث تُستخدم على نطاق واسع. ^{[1] تُصدر مصابيح الصوديوم عالية الضغط} طيفًا أوسع من الضوء من مصابيح الضغط المنخفض، ولكن لا يزال لديها عرض ألوان أضعف من أنواع المصابيح الأخرى. ^[2] لا تعطي مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط سوى ضوء أصفر أحادي اللون وبالتالي تمنع رؤية الألوان في الليل .

المصابيح أحادية النهاية ذاتية التشغيل معزولة بقرص ميكا وموجودة في أنبوب تفريغ غاز زجاجي من البورسليكات (أنبوب قوس) وغطاء معدني. ^{[3] [4]} وتشمل مصباح بخار الصوديوم وهو مصباح تفريغ الغاز في إضاءة الشوارع. ^{[5] [6] [3] [4]}

تم استخدام مصباح التفريغ القوسي الصوديومي منخفض الضغط لأول مرة في حوالي عام 1920 بسبب تطوير نوع من الزجاج يمكنه مقاومة التأثيرات التآكلية لبخار الصوديوم. تعمل هذه المصابيح عند ضغوط أقل من 1 باسكال وتنتج طيف ضوء أحادي اللون تقريبًا حول خطوط انبعاث الصوديوم عند طول موجة 589.0 و 589.56 نانومتر. يحد الضوء الأصفر الناتج عن هذه المصابيح من نطاق التطبيقات بحيث لا تتطلب رؤية الألوان. ^[7]

أُجريت أبحاث حول مصابيح الصوديوم عالية الضغط في كل من المملكة المتحدة والولايات المتحدة . أدى زيادة ضغط بخار الصوديوم إلى توسيع طيف انبعاث الصوديوم بحيث أصبح الضوء الناتج يحتوي على المزيد من الطاقة المنبعثة عند أطوال موجية أعلى وأسفل منطقة 589 نانومتر. تآكلت مادة الكوارتز المستخدمة في مصابيح التفريغ الزئبقي بسبب بخار الصوديوم عالي الضغط. أُجريت مظاهرة معملية لمصباح عالي الضغط في عام 1959. كان تطوير شركة جنرال إلكتريك لمادة أكسيد الألومنيوم المسحوق (مع إضافة أكسيد المغنيسيوم لتحسين انتقال الضوء) خطوة مهمة في بناء مصباح تجاري. كانت المادة متاحة في شكل أنابيب بحلول عام 1962، ولكن كانت هناك حاجة إلى تقنيات إضافية لإغلاق الأنابيب وإضافة الأقطاب الكهربائية اللازمة - لا يمكن دمج المادة مثل الكوارتز. كانت أغطية نهاية أنبوب القوس تصل إلى درجة حرارة 800 درجة مئوية (1470 درجة فهرنهايت) أثناء التشغيل، ثم تبرد إلى درجة حرارة الغرفة عند إطفاء المصباح، لذلك كان على نهايات الأقطاب الكهربائية وختم أنبوب القوس أن يتحملا دورات درجة حرارة متكررة. تم حل هذه المشكلة بواسطة مايكل أرينداش ^[8] في مصنع GE Nela Park. كانت أول مصابيح الصوديوم عالية الضغط التجارية متاحة في عام 1965 من شركات في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وهولندا؛ عند التقديم، كان المصباح بقوة 400 واط ينتج حوالي 100 لومن لكل واط. ^{[7] [9]}

تم تصنيع أنابيب الياقوت الاصطناعي أحادية البلورة واستخدامها أيضًا في مصابيح HPS في أوائل سبعينيات القرن العشرين، مع تحسن طفيف في الفعالية، ولكن تكاليف الإنتاج كانت أعلى من تكاليف أنابيب الألومينا متعددة البلورات. ^[7]

تحتوي مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط (LPS) على أنبوب تفريغ غاز زجاجي من البوروسيليكات (أنبوب قوس) يحتوي على صوديوم صلب وكمية صغيرة من غاز النيون والأرجون في خليط بينينج لبدء تفريغ الغاز. قد يكون أنبوب التفريغ خطيًا (مصباح SLI) ^[10] أو على شكل حرف U. عندما يبدأ المصباح لأول مرة، فإنه يصدر ضوءًا أحمر/ورديًا خافتًا لتسخين معدن الصوديوم؛ في غضون بضع دقائق مع تبخر معدن الصوديوم ، يصبح الانبعاث هو اللون الأصفر الساطع الشائع . تنتج هذه المصابيح ضوءًا أحادي اللون تقريبًا بمتوسط ​​طول موجي يبلغ 589.3 نانومتر (في الواقع خطان طيفيان مهيمنان قريبان جدًا من بعضهما البعض عند 589.0 و589.6 نانومتر). يصعب التمييز بين ألوان الأشياء المضاءة بهذا النطاق الترددي الضيق فقط.

تحتوي مصابيح LPS على غلاف زجاجي خارجي مفرغ حول أنبوب التفريغ الداخلي للعزل الحراري ، مما يحسن كفاءتها. كانت مصابيح LPS السابقة تحتوي على غلاف ديوار قابل للفصل (مصابيح SO). ^[11] تم تطوير مصابيح ذات غلاف مفرغ دائم (مصابيح SOI) لتحسين العزل الحراري. ^[12] تم تحقيق مزيد من التحسين من خلال طلاء الغلاف الزجاجي بطبقة عاكسة للأشعة تحت الحمراء من أكسيد الإنديوم والقصدير ، مما أدى إلى مصابيح SOX. ^[13]

تُعد مصابيح LPS من أكثر مصادر الضوء الكهربائي كفاءة عند قياسها في ظروف الإضاءة الضوئية ، حيث تنتج أكثر من 100 وحتى 206 لومن / وات . ^[14] ترجع هذه الكفاءة العالية جزئيًا إلى أن الضوء المنبعث يكون عند طول موجي قريب من حساسية ذروة العين البشرية. تُستخدم بشكل أساسي للإضاءة الخارجية (مثل مصابيح الشوارع والإضاءة الأمنية ) حيث لا يكون تقديم الألوان الدقيق مهمًا.

تتشابه مصابيح LPS مع مصابيح الفلورسنت من حيث أنها مصدر ضوء منخفض الكثافة وشكل المصباح خطي. ولا تظهر قوسًا ساطعًا كما تفعل مصابيح التفريغ عالي الكثافة (HID)؛ فهي تصدر توهجًا مضيءً أكثر نعومة، مما ينتج عنه وهج أقل. وعلى عكس مصابيح HID، أثناء انخفاض الجهد، تعود مصابيح الصوديوم منخفضة الضغط إلى سطوعها الكامل بسرعة. تتوفر مصابيح LPS بتصنيفات طاقة تتراوح من 10 إلى 180 وات؛ ومع ذلك، يمكن أن تعاني المصابيح ذات الأطوال الأطول من مشاكل التصميم والهندسة.

تتمتع مصابيح LPS الحديثة بعمر خدمة يبلغ حوالي 18000 ساعة ولا تنخفض في إنتاج اللومن مع تقدم العمر، على الرغم من أنها تزيد في استهلاك الطاقة بنحو 10% مع نهاية عمرها. تتناقض هذه الخاصية مع مصابيح HID التي تعمل ببخار الزئبق، والتي تصبح باهتة مع نهاية عمرها إلى الحد الذي تصبح فيه غير فعالة، في حين تستهلك طاقة كهربائية غير منقوصة.

في عام 2017، أعلنت شركة فيليبس لايتنج، آخر مصنع لمصابيح LPS، أنها ستتوقف عن إنتاج المصابيح بسبب انخفاض الطلب. ^[15] في البداية، كان من المقرر إيقاف الإنتاج تدريجيًا خلال عام 2020، ولكن تم تقديم هذا التاريخ وتم إنتاج آخر المصابيح في مصنع هاميلتون باسكتلندا في  31 ديسمبر 2019. ^[16]

بالنسبة للمواقع التي يعتبر فيها تلوث الضوء أمرًا مهمًا، مثل المراصد الفلكية القريبة أو شواطئ تعشيش السلاحف البحرية ، يفضل استخدام الصوديوم منخفض الضغط (كما كان الحال سابقًا في سان خوسيه، كاليفورنيا وفلاجستاف ، أريزونا ). ^{[17] [18]} تصدر هذه المصابيح الضوء على خطين طيفيين مهيمنين فقط (مع خطوط أخرى أضعف بكثير)، وبالتالي يكون لها أقل تداخل طيفي مع الملاحظة الفلكية. ^[19] (الآن بعد توقف إنتاج مصابيح LPS، يتم النظر في استخدام مصابيح LED ذات اللون الكهرماني ضيق النطاق، والتي توجد على طيف ألوان مشابه لمصابيح LPS.) يؤدي اللون الأصفر لمصابيح الصوديوم منخفضة الضغط أيضًا إلى أقل توهج مرئي للسماء، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى تحول بوركينجي للرؤية البشرية المتكيفة مع الظلام، مما يجعل العين غير حساسة نسبيًا للضوء الأصفر المنتشر عند مستويات سطوع منخفضة في الغلاف الجوي الصافي. ^{[20] [21]} إحدى عواقب الإضاءة العامة المنتشرة هي أنه في الليالي الملبدة بالغيوم، تضاء المدن ذات الإضاءة الكافية بالضوء المنعكس عن السحب. في حين أن مصابيح بخار الصوديوم هي مصدر الإضاءة الحضرية، فإن السماء الليلية ملونة باللون البرتقالي.

عملية بخار الصوديوم (يشار إليها أحيانًا باسم الشاشة الصفراء) هي تقنية فيلم تعتمد على خصائص النطاق الضيق لمصباح LPS. عادةً ما لا يكون الفيلم السلبي الملون حساسًا للضوء الأصفر من مصباح LPS، ولكن الفيلم الأسود والأبيض الخاص قادر على تسجيله. باستخدام كاميرا خاصة، يتم تسجيل المشاهد على بكرتين في وقت واحد، واحدة مع الممثلين (أو أشياء أخرى في المقدمة) والأخرى تصبح قناعًا للجمع لاحقًا مع خلفيات مختلفة . أسفرت هذه التقنية في الأصل عن نتائج متفوقة على تقنية الشاشة الزرقاء، واستُخدمت في الأعوام من 1956 إلى 1990، في الغالب بواسطة استوديوهات ديزني . تشمل الأمثلة البارزة للأفلام التي تستخدم هذه التقنية فيلم The Birds لألفريد هيتشكوك وأفلام ديزني ماري بوبينز و بيدكنوبس و برومستيكس . أدت التطورات اللاحقة في تقنيات الشاشة الزرقاء والخضراء وصور الكمبيوتر إلى سد هذه الفجوة، مما جعل SVP غير عملي اقتصاديًا. ^[22]

لقد تم استخدام مصابيح الصوديوم عالية الضغط (HPS) على نطاق واسع في الإضاءة الصناعية، وخاصة في مرافق التصنيع الكبيرة، وتستخدم عادة كأضواء لنمو النباتات . وهي تحتوي على الزئبق . ^[23] كما تم استخدامها على نطاق واسع لإضاءة المناطق الخارجية، مثل الطرق ومواقف السيارات والمناطق الأمنية. إن فهم التغيير في حساسية رؤية الألوان البشرية من الضوء إلى الضوء المتوسط ​​والضوء الخافت أمر ضروري للتخطيط السليم عند تصميم الإضاءة للطرق. ^[24]

تتمتع مصابيح الصوديوم عالية الضغط بكفاءة عالية - حوالي 100 لومن لكل واط، عند قياسها في ظروف الإضاءة الضوئية . تتمتع بعض المصابيح ذات القدرة الأعلى (مثل 600 واط) بكفاءة حوالي 150 لومن لكل واط.

نظرًا لأن قوس الصوديوم عالي الضغط شديد التفاعل الكيميائي، فإن أنبوب القوس يكون مصنوعًا عادةً من أكسيد الألومنيوم الشفاف . وقد دفع هذا البناء شركة جنرال إلكتريك إلى استخدام الاسم التجاري "لوكالوكس" لسلسلة مصابيح الصوديوم عالية الضغط الخاصة بها.

يستخدم الزينون عند ضغط منخفض كـ "غاز بدء" في مصباح HPS. يتمتع بأدنى موصلية حرارية وأقل إمكانية تأين من بين جميع الغازات النبيلة المستقرة . وباعتباره غازًا نبيلًا، فإنه لا يتداخل مع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في مصباح التشغيل. تعمل الموصلية الحرارية المنخفضة على تقليل الخسائر الحرارية في المصباح أثناء التشغيل، وتتسبب إمكانية التأين المنخفضة في أن يكون جهد انهيار الغاز منخفضًا نسبيًا في الحالة الباردة، مما يسمح ببدء تشغيل المصباح بسهولة.

تم تقديم مصابيح HPS البيضاء في عام 1986، وهي عبارة عن نوع من الصوديوم عالي الضغط، وتتميز بضغط أعلى من مصباح HPS النموذجي، مما ينتج درجة حرارة لون تبلغ حوالي 2700 كلفن مع مؤشر تجسيد اللون (CRI) حوالي 85، وهو يشبه إلى حد كبير لون الضوء المتوهج. ^[25] غالبًا ما تُستخدم هذه المصابيح في الأماكن المغلقة في المقاهي والمطاعم للحصول على تأثير جمالي. ومع ذلك، فإن مصابيح HPS البيضاء لها تكلفة أعلى وعمر خدمة أقصر وكفاءة إضاءة أقل، وبالتالي لا يمكنها التنافس مع مصابيح HPS في هذا الوقت.

لا يستشهد هذا القسم بأي مصادر . يرجى المساعدة في تحسين هذا القسم عن طريق إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها . ( ديسمبر 2017 ) ( تعرف على كيفية ومتى تحذف هذه الرسالة )

يوجد مزيج من الصوديوم المعدني والزئبق في أبرد جزء من المصباح ويوفر بخار الصوديوم والزئبق اللازم لرسم قوس كهربائي. يتم تحديد درجة حرارة المزيج إلى حد كبير من خلال طاقة المصباح. كلما زادت طاقة المصباح، زادت درجة حرارة المزيج. كلما زادت درجة حرارة المزيج، زادت ضغوط بخار الزئبق والصوديوم في المصباح وزاد الجهد الطرفي. مع ارتفاع درجة الحرارة، يستهلك التيار المستمر والجهد المتزايد طاقة متزايدة حتى يتم الوصول إلى مستوى التشغيل للطاقة. بالنسبة لجهد معين، توجد عمومًا ثلاثة أوضاع للتشغيل:

1. تم إطفاء المصباح ولم يتدفق أي تيار.
2. يعمل المصباح باستخدام الملغم السائل الموجود في الأنبوب.
3. المصباح يعمل مع كل الملغم المتبخر.

الحالة الأولى والأخيرة مستقرة، لأن مقاومة المصباح مرتبطة بشكل ضعيف بالجهد، لكن الحالة الثانية غير مستقرة. ستؤدي أي زيادة غير طبيعية في التيار إلى زيادة في الطاقة، مما يتسبب في زيادة درجة حرارة الملغم، مما سيؤدي إلى انخفاض المقاومة، مما سيؤدي إلى زيادة أخرى في التيار. سيؤدي هذا إلى خلق تأثير هارب، وسيقفز المصباح إلى حالة التيار العالي (# 3). نظرًا لأن المصابيح الفعلية غير مصممة للتعامل مع هذا القدر من الطاقة، فإن هذا من شأنه أن يؤدي إلى فشل كارثي. وبالمثل، فإن الانخفاض غير الطبيعي في التيار سيدفع المصباح إلى الانقراض. الحالة الثانية هي حالة التشغيل المرغوبة للمصباح، لأن الفقدان البطيء للملغم بمرور الوقت من الخزان سيكون له تأثير أقل على خصائص المصباح من الملغم المتبخر بالكامل. والنتيجة هي متوسط ​​عمر للمصباح يتجاوز 20000 ساعة.

في الاستخدام العملي، يتم تشغيل المصباح بواسطة مصدر جهد تيار متردد متصل على التوالي مع " صابورة " حثية من أجل توفير تيار ثابت تقريبًا للمصباح، بدلاً من جهد ثابت، وبالتالي ضمان التشغيل المستقر. عادةً ما تكون الصابورة حثية بدلاً من كونها مقاومة فقط لتقليل هدر الطاقة من خسائر المقاومة. نظرًا لأن المصباح ينطفئ بشكل فعال عند كل نقطة تيار صفري في دورة التيار المتردد، فإن الصابورة الحثية تساعد في إعادة الاشتعال من خلال توفير ارتفاع في الجهد عند نقطة التيار الصفري.

يتكون الضوء الصادر من المصباح من خطوط انبعاث ذرية من الزئبق والصوديوم، ولكن تهيمن عليه خطوط انبعاث الصوديوم D. هذا الخط متسع للغاية تحت الضغط (الرنين) كما أنه ينعكس ذاتيًا بسبب الامتصاص في الطبقات الخارجية الأكثر برودة للقوس، مما يمنح المصباح خصائص تقديم الألوان المحسنة . بالإضافة إلى ذلك، فإن الجناح الأحمر لانبعاث خط D متسع بشكل أكبر تحت الضغط بواسطة قوى فان دير فالس من ذرات الزئبق في القوس.

في نهاية العمر، تظهر مصابيح الصوديوم عالية الضغط (HPS) ظاهرة تُعرف باسم الدورة ، والتي تحدث بسبب فقدان الصوديوم في القوس. الصوديوم عنصر شديد التفاعل ويضيع في التفاعل مع أكسيد الألومنيوم لأنبوب القوس. المنتجات هي أكسيد الصوديوم والألومنيوم : [ ^27]

6 نا + آل ₂ يا ₃ → 3 نا ₂ يا + 2 آل

نتيجة لذلك، يمكن تشغيل هذه المصابيح بجهد منخفض نسبيًا، ولكن مع ارتفاع درجة حرارتها أثناء التشغيل، يرتفع ضغط الغاز الداخلي داخل أنبوب القوس، ويتطلب الأمر المزيد والمزيد من الجهد للحفاظ على تفريغ القوس . ومع تقدم عمر المصباح، يرتفع جهد الحفاظ على القوس في النهاية ليتجاوز أقصى جهد خرج من الصابورة الكهربائية. ومع ارتفاع درجة حرارة المصباح إلى هذه النقطة، يفشل القوس وينطفئ المصباح. في النهاية، مع إطفاء القوس، يبرد المصباح مرة أخرى، وينخفض ​​ضغط الغاز في أنبوب القوس، ويمكن أن يتسبب الصابورة مرة أخرى في حدوث القوس. ويتمثل تأثير ذلك في أن المصباح يتوهج لفترة ثم ينطفئ، وعادةً ما يبدأ باللون الأبيض النقي أو المزرق ثم ينتقل إلى اللون البرتقالي المحمر قبل أن ينطفئ.

تكتشف التصميمات الأكثر تطورًا للمشعلات حدوث دورات وتتوقف عن محاولة تشغيل المصباح بعد بضع دورات، حيث تعمل عمليات الإشعال المتكررة ذات الجهد العالي اللازمة لإعادة تشغيل القوس على تقليل عمر الصابورة أو المشعل، اعتمادًا على تكوين المشعل. إذا تم فصل الطاقة وإعادة تطبيقها، فإن الصابورة ستجري سلسلة جديدة من محاولات التشغيل.

لا يؤدي فشل مصباح LPS إلى حدوث دورة؛ بل إن المصباح ببساطة لن يضيء أو سيحافظ على التوهج الأحمر الباهت لمرحلة بدء التشغيل. في وضع فشل آخر، يتسبب ثقب صغير في أنبوب القوس في تسرب بعض بخار الصوديوم إلى المصباح الفراغي الخارجي. يتكاثف الصوديوم ويخلق مرآة على الزجاج الخارجي، مما يحجب أنبوب القوس جزئيًا. غالبًا ما يستمر المصباح في العمل بشكل طبيعي، لكن الكثير من الضوء الناتج يكون محجوبًا بواسطة طلاء الصوديوم، مما لا يوفر أي إضاءة. ^[27]

• مصباح القوس  – مصباح ينتج الضوء بواسطة قوس كهربائي
• مصباح التفريغ عالي الكثافة  – نوع من المصابيح/المصباح الكهربائي (HID)
• تاريخ إنارة الشوارع في الولايات المتحدة
• التلوث الضوئي  – الضوء الاصطناعي الزائد في البيئة
• قائمة مصادر الضوء  – الأجهزة والعمليات التي تنتج الضوء
• مصباح بخار الزئبق  – مصدر ضوء باستخدام قوس كهربائي من خلال بخار الزئبق
• مصباح هاليد معدني  – نوع المصباح
• مصباح النيون  – مصدر ضوء يعتمد على تفريغ الغاز
• إنارة الشوارع  – مصدر ضوء مرتفع بجانب الطريق أو المسار
• مصباح الكبريت  – نظام الإضاءة

• دي جروت، جي جي؛ فان فليت؛ جاجم (1986). مصباح الصوديوم عالي الضغط . ديفينتر : Kluwer Technische Boeken BV. رقم ISBN 978-90-201-1902-2. OCLC  16637733.
• Waymouth, John F (1971). مصابيح التفريغ الكهربائي . كامبريدج، ماساتشوستس : مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا . ISBN 978-0-262-23048-3. OCLC  214331.
• براءة اختراع الولايات المتحدة الأمريكية رقم US3737717A، أرينداش، مايكل، "مصباح عالي الكثافة يحتوي على فتيل ماس حراري"، نُشرت في 13 مارس 1972، وصدرت في 5 يونيو 1973، وتم تخصيصها لشركة جنرال إلكتريك 

• متحف مصابيح التفريغ الكهربائي
• هذا الاختراع حقق لشركة ديزني الملايين، ثم خسرتها! – Corridor Crew عبر YouTube (2024) – إعادة إنشاء نظام ضوء بخار الصوديوم المستخدم في المؤثرات الخاصة للأفلام