Ontmenging in hoge-druklampen

Vanwege hun hoge efficiëntie en goede kleureigenschappen staan metaalhalogenidelampen (MH-lampen) steeds meer en meer in de belangstelling. In tegenstelling tot de TL-buis en de spaarlampen zijn ze klein van vorm en hoog van druk. Typische afmetingen zijn een diameter van 4 mm en een lengte van 32 mm. De druk is in de orde van enkele bars (5 - 30) en wordt voornamelijk door kwik bepaald. Echter de lichtemissie komt tot stand door het elektronisch verval van aangeslagen atomen van de categorie zeldzame aardmetalen die met een relatief lage concentratie zijn ingebed in dat hete kwikbad. We hebben dus te doen met complex-chemische plasma's waarvan slechts een minderheid van de deeltjes verantwoordelijk is voor een meerderheid van de plasmaeigenschappen. Want naast lichtuitzending zijn deze zeldzame aardmetalen ook verantwoordelijk voor het leveren van de vrije elektronen. Dit impliceert dat deze plasma's sterk niet-lineair zijn en daarmee erg gevoelig voor uitwendige factoren.

MH-lampen zijn bijvoorbeeld gevoelig voor de gravitatiekracht. Zo kan het veranderen van de brandstand van een horizontale naar verticale positie de kleur en kleurverdeling van een MH-lamp sterk veranderen. Deze gevoeligheid voor de zwaartekracht is buitengewoon opmerkelijk wanneer men zich realiseert dat plasma's bepaald worden door de aanwezigheid van elektrisch geladen deeltjes (elektronen en ionen) en dat de elektrische kracht op een ion meer dan een miljard (10^9) maal groter is dan de zwaartekracht op dat ion!!

Dit project hanteert verschillende experimentele en theoretische methoden. In de theoretische benadering maken we gebruik van ons simulatiepakket PLASIMO, een computercode geschreven in de taal C++. Bij de experimentele studies gebruiken we de Polydiagnostische Calibratiemethode. Hierin worden simpele methoden, zoals emissiespectrometrie (ES), geijkt aan meer gecompliceerde lasertechnieken en X-ray-tomografie. Naast experimenten onder normale zwaartekrachtcondities op aarde, doen we ook onderzoek naar de manier waarop de lampen branden als de zwaartekracht wordt "uitgezet". Dit gebeurt in het kader van het ARGES-project. In dat project wordt de toestand van gewichtloosheid bereikt in de vrije val van een vliegtuig of ruimteschip. In het eerste geval gaat het om kortstondige experimenten terwijl in de ruimte (in het ISS) de toestand van gewichtloosheid vele dagen of maanden kan duren.

Het werken aan MH-lampen heeft als groot voordeel dat we gebruik kunnen maken van de kennis van Philips Lighting alwaar een enorme expertise voorhanden is voor het maken van lampen van verschillende vormen, werkdrukken, chemische samenstelling etc.

Daarnaast ondersteunt Philips Lighting dit project ook financieel. Zeer recentelijk heeft STW een project goedgekeurd.

Deze foto toont de kleurscheiding in de brander van een MH-lamp op basis van NaI en een zeldzame aard-jodide (zoals Dy, Tm, Ho, Ce, etc.). Het plasma bereikt op de as een temperatuur van 6000 graden en bestaat uit de (lichtemitterende) Na- en zeldzame aardatomen (enkele mbars) in een bad van hoge druk kwik (ongeveer 5 bar). Deze brander is gemaakt van polykristallijn aluminium en is niet transparant maar translucent. Dat betekent dat de oorspronkelijke richting van het licht verloren gaat met als geval een meer diffuus karakter van de lichtemissie. Desondanks is te zien dat de ontlading langs de as niet uniform van kleur is. De onderkant is meer groenachtig terwijl de bovenkant roder is. Dat is het gevolg van de segregatie van de lichtemitterende deeltjes. Een ontmengingproces dat veroorzaakt wordt door de convectie (analoog met "warme lucht stijgt op"). De drijfveer van de convectie is de zwaartekracht. In een horizontaal brandende lamp is deze segregatie en kleurscheiding niet te zien.

De foto aan de linkerkant, die de constructie van de lamp als geheel toont, laat zien hoe de brander binnen een buitenballon gesitueerd is. De lengte van de brander is 36 mm en de diameter is 4 mm.

Een compositiefoto die de transportprocessen in een verticaal brandende metaalhalogenidelamp laat zien. Door middel van de elektroden (de twee staven) wordt een elektrische stroom getrokken door de lamp waarbij warmte en licht wordt gegenereerd. Dit leidt tot een groot temperatuurverschil van zo'n 4500 K over een afstand van 2 mm!! De centrale temperatuur is 6000 K en de wandtemperatuur 1500 K. De lichtemitterende atomen zijn bestanddelen van moleculen die het plasma binnenkomen door de verdamping van de "zoutplas", de zwarte plek op de bodem. De moleculen worden meegesleurd door de convectiestroom van het buffergas (kwik). Reizend langs de stroomlijnen zullen de moleculen dissociëren, zodat de lichtemitterende atomen bevrijd worden. De concentratieverschillen (de moleculen M zitten voornamelijk bij de wand en de atomen A meer in het midden) zullen leiden tot diffusie; dat is de snelheid van de deeltjes ten opzichte van de hoofdstroom (de horizontale pijlen in de figuur).

Onderstaande tekening laat zien hoe in een horizontaal brandende lamp de convectiestroom de ontladingsboog naar boven doet krommen.