金光洒满街

 

每当夜幕降临，繁华、美丽的首都北京就亮起了万盏明灯，宽阔的长安大街更是笼罩在一片金色光芒之中，这光来自60年代的一种新光源——高压钠灯。



霓虹灯和氙灯里充的是惰性气体，汞灯里装有液态的水银，现在呢，连固体的钠金属也居然进入了灯管。


钠灯和汞灯几乎是同时发展起来的气体放电光源。汞灯有高压、低压之别，钠灯也分高压、低压两类从历史发展的角度来看，高压钠灯是低压钠灯的“弟弟”。


早在1932年，欧洲一些国家就用低压钠蒸汽放电制成了低压钠灯。


低压钠灯里充的是少量的金属钠和由氖、氩组成的混合气体。钠灯一通电，氖气首先放电，发出红光。放电产生的热量使钠熔化，蒸发变成钠蒸汽，并且逐步代替氖气放电发光。


要使固体的金属钠变成蒸汽，可不像使水银变成蒸汽那么容易，必须尽量减少热量的损失。或者给放电管做一个玻璃外套，就像给人穿上一件大衣那样；或者把放电管弯成“U”形；或者改变灯管的横截面形状，总之要使灯管管壁保持一定的温度——3000℃左右。


人们早就知道发光效率高是钠灯突出的特点，尤其是低压钠灯发出的光中黄光占了绝大部分，而黄光又是人眼最敏感的色光，所以低压钠灯的实际发光效率要比白炽灯高出十几倍。


不过，由于低压钠灯发出的光几乎全是黄光，使它大多仅用在光学仪器里，作为偏振计、旋光计、折光仪等的单色光源。又因为黄光穿透云雾的能力很强，所以低压钠灯也可用于船舰信号以及港口、机场照明。在电影制片方面，有时还用钠灯作特技摄影。


当时人们也知道，随着钠蒸汽压的增大，钠灯的光色会由黄色变成金白色，只是钠蒸汽在高温高压下腐蚀性很强，各种类型的玻璃都对付不了，所以很长时间内没有造出高压钠灯。


你认识钠吗？它是一种银白色的化学性质非常活泼的碱性金属，温度不到100℃就熔化，放在空气中会很快跟氧化合，遇到水将发生强烈反应，甚至发生爆炸。


钠蒸汽有很强的腐蚀作用。用玻璃做钠灯的灯管，钠会同玻璃中的二氧化硅发生化学反应，使玻璃变成褐色，透明度变坏，灯光逐渐昏暗。后来化学家找到了一种二氧化硅含量比较低的特种玻璃球铝硼玻璃，这才初步解决了腐蚀问题。


但是，钠蒸汽的腐蚀作用是随着温度和压力的提高而增强的。一般来说，低压钠灯还比较好办，钠蒸汽压比较小，温度不过二三百度，上面提到的抗钠玻璃还勉强能顶得住。而在高压钠灯里，钠蒸汽压大大增加，灯管工作温度高到上千度，高温高压的钠蒸汽几乎能腐蚀所有的玻璃，不仅石英玻璃顶不住，就连抗钠玻璃也抗不了，用不多久便会被腐蚀得灯管变黑，部件损坏。


随着陶瓷技术的发展，直到1957年，美国人科里尔才研制出了一种用高纯多晶氧化铝，再加氧化镁添加剂烧结而成的半透明陶瓷。这种材料的熔点高达2040℃，经得起1600℃高温钠蒸汽的腐蚀，且能透过90％以上的可见光。有了它，高温钠灯才能于1960年呱呱坠地，经过改进完善，终于得到了实际的应用。



高压钠灯比低压钠灯更小，一只400瓦的高压钠灯只有一支钢笔那么大。它与高压汞灯有很多相似之处：放电管的两头封有两个电极，电极上涂着电子发射物质；灯内装有双金属片开关，目的是使灯容易启动；内管（放电管）外面加装一个椭球形的外玻壳，为的是减少灯的热量损耗，防止引线氧化，保持灯管温度稳定；内外管之间抽成真空，再加消气剂，可以更好防止热量散失。


灯管里不仅充有钠，还充有氙气和水银。水银起辅助作用，帮助提高灯管电压，并发少量的蓝绿光以改善光色；氙气帮助启动，它首先放电升温，然后过渡到钠蒸汽放电，直到稳定，需要好几分钟。


钠灯中的钠蒸汽压越高，黄光以外的可见光比例越大，光色改善，但光效越低。因此，为了获得比较高的光效，高压钠灯的钠蒸汽压是不能太高的。钠蒸汽压超过500毫米水银柱的高压钠灯，发白色光，光中有较多人眼不敏感的蓝光和红光，光效于是明显下降。实用的高压钠灯，钠蒸汽压只有二三百毫米水银柱，发出的光是金黄色光。


发出黄色光的高压钠灯显色性不好，在它的照耀下分不清黄和白，也分不清红和蓝，但是它的发光效率要比其他灯高得多，从理论上讲是发光效率最高的光源。即使考虑到热损失的影响，高压钠灯的实际光效也差不多3倍于高压汞灯，大约等于白炽灯的10倍。



可以作这样一个比较：同样是400瓦的钠灯和汞灯，安装钠灯的灯杆路灯已经用上了高压钠灯可以比汞灯高一倍，而路面的平均亮度反而比汞灯高3.5倍，而且光的均匀性也好，虽然有些人对它的光色不够习惯，可更多的人仍然觉得金色的光给人以温暖舒适的感觉，看得远，辨得清，光线柔和，眩光少，不刺眼，所以很受行人的欢迎。


在相近的照明效果下，钠灯比汞灯可节省一半以上的电力。请想想吧，一个城市更不用说一个国家有如此之多的照明路灯，节省一半以上的电力意味着可以节省多少宝贵的能源啊！


对于道路照明来说，首先应该考虑的是高光效，经济和长寿命，其次才是光色和显色性，所以高压钠灯被认为是最有前途的照明灯之一。我国许多大城市的街道上已经用上了高压钠灯。区域性照明、闪光照明、大面积厂房和体育场照明也可以用它，将来高压钠灯还可以用作强光投射灯和室内照明灯。


这还不算，钠灯灯光的穿透力强，射程远，尤其在雾天雨天，白茫茫一片，高压汞灯暗淡无光，高压钠灯却可以穿透浓雾，光照甚远，这对大面积远距离照明很有意义，特别适用于港口、码头、海面等常有浓雾的场合。


长寿是高压钠灯的又一个长处，它可以点亮几千个小时。70年代由于改进了电极，钠灯的使用寿命已延长到1万至2万个小时。


钠灯是60年代出现的新光源，有人称誉它是电光源的第三代。我国70年代初开始研制高压钠灯，1974年国庆前夕就已经在首都试用。现在的问题是要进一步扩大它的功率范围，减小启动电压，改善光色，降低成本。


在电光源的发展史上，高压钠灯的出现是一次重大突破。将来钠灯一定会在照明领域里进一步崭露头角，大放异彩！