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ナトリウム蒸気ランプは、励起状態のナトリウムを用いて589nm付近の特性波長の光を発生させるガス放電ランプである。
このようなランプには、低圧と高圧の2種類があります。低圧ナトリウムランプは非常に効率的な電気光源ですが、その黄色がかったオレンジ色の光は、街灯などの屋外照明に用途が限定され、そこで広く使用されています。[ 1 ]高圧ナトリウムランプは、低圧ランプよりも広いスペクトルの光を発しますが、それでも他のタイプのランプよりも演色性が劣ります。[ 2 ]低圧ナトリウムランプは単色の黄色がかったオレンジ色の光しか発しないため、夜間の色覚を阻害します。
片端自己始動ランプは、マイカディスクで絶縁され、金属キャップ付きのホウケイ酸ガラスガス放電管（アーク管）に収められています。 [ 3 ] [ 4 ]これには、街路灯に使用されるガス放電ランプであるナトリウム蒸気ランプが含まれます。[ 5 ] [ 6 ] [ 3 ] [ 4 ]
低圧ナトリウムランプは通常BY22dバヨネットベースを使用し、高圧ナトリウムランプはE27（35W～100Wの低出力用）およびE40（150W～1000Wの高出力用）のエジソンスクリュー式ランプベースを使用することが多い。すべてのガス放電ランプと同様に、ナトリウム蒸気ランプも動作には電気安定器が必要である。
低圧ナトリウムアーク放電ランプは、ナトリウム蒸気の腐食作用に耐えられるガラスが開発されたことにより、1920年頃に初めて実用化されました。これらは1 Pa未満の圧力で動作し、589.0ナノメートルと589.6ナノメートルの波長のナトリウム発光線付近でほぼ単色光スペクトルを生成しました。これらのランプから生成される黄色の光は、色覚を必要としない用途に限定されました。[ 7 ]
高圧ナトリウムランプの研究は、英国と米国の両方で行われた。ナトリウム蒸気の圧力を上げると、ナトリウムの発光スペクトルが広がり、生成される光は589 nm付近の波長より上と下の波長でより多くのエネルギーを放出するようになった。水銀放電ランプに使用されている石英材料は、高圧ナトリウム蒸気によって腐食された。高圧ランプの実験室での実証は1959年に行われた。ゼネラル・エレクトリック社による焼結酸化アルミニウム材料（光透過率を向上させるために酸化マグネシウムが添加されている）の開発は、商用ランプの製造における重要な一歩であった。この材料は1962年までにチューブの形で入手可能になったが、チューブを密封し、必要な電極を追加するには追加の技術が必要であった。この材料は石英のように溶融することができなかった。アーク管の端のキャップは動作中に800 °C（1,470 °F）まで熱くなり、ランプが消灯すると室温まで冷えるため、電極の終端とアーク管のシールは繰り返しの温度サイクルに耐えなければならなかった。この問題は、GEネラパーク工場のマイケル・アレンダッシュ[ 8 ]によって解決されました。最初の商用高圧ナトリウムランプは、1965年に米国、英国、オランダの企業から入手可能になりました。導入当初、400ワットのランプは1ワットあたり約100ルーメンを生成しました。[ 7 ] [ 9 ]
1970年代初頭には、単結晶人工サファイア管も製造され、HPSランプに使用され、効率はわずかに向上したが、多結晶アルミナ管よりも製造コストが高かった。[ 7 ]
低圧ナトリウム（LPS）ランプは、固体ナトリウムと少量のネオンおよびアルゴンガスをペニング混合ガス（ネオン99%、アルゴン1%）として含むホウケイ酸ガラス製の放電管を備えており、放電を開始させます。放電管は直線状（SLIランプ）[ 10 ]またはU字型です。ランプを最初に点灯すると、ナトリウム金属を温めるために（ネオンとアルゴンから）かすかな赤/ピンク色の光を発します。数分以内にナトリウム金属が蒸発すると、発光は一般的な明るい黄色になります。これらのランプは、平均波長589.3 nm（実際には589.0 nmと589.6 nmの非常に近い2つの主要なスペクトル線）のほぼ単色光を生成します。この狭い帯域幅のみで照らされた物体の色は区別しにくいです。
LPSランプは、熱絶縁のために内側の放電管の周囲に外側のガラス真空エンベロープを備えており、これにより効率が向上します。初期のLPSランプは、取り外し可能なデュワージャケット（SOランプ）を備えていました。[ 11 ]熱絶縁性を向上させるために、永久真空エンベロープを備えたランプ（SOIランプ）が開発されました。[ 12 ]さらに、ガラスエンベロープに酸化インジウムスズの赤外線反射層をコーティングすることで改良が図られ、現在の標準的な低圧ナトリウムランプであるSOXランプが誕生しました。[ 13 ]
Philips Mini-SOX 18W（低圧ナトリウムランプの最小サイズとなり、後にSOX-Eシリーズに組み込まれた）の開発後、[ 14 ]その高効率に貢献した設計上の特徴の一部が、既存の高出力SOXランプに適用されました。その結果、エネルギー効率が高く、以前よりも少ない電流で動作するSOX-E（エコノミー）シリーズが誕生しました。標準のSOXランプの赤いバヨネットキャップの代わりに黒いバヨネットキャップが付いているため、容易に区別できます。ランプ出力は従来のSOXシリーズと比較して大幅に削減され、放電電流密度が低下し、発光効率が向上しました。これは、断熱性の向上と赤外線反射コーティングの改良によって実現されました。[ 15 ]
後に開発されたもう一つの製品は、フィリップス社製のSOX-PSG（Philips Solid-state Getter）ランプで、標準のSOXランプで早期故障の原因となる漏れを防ぐために、ゲッター（完全な真空を維持することを目的とする）システムを大幅に変更し、エンドユーザーにとってより信頼性が高く長寿命であることを目指しました。また、効率と耐久性を高めるために、改良された熱設計を採用しました。一部の製品（主に初期～中期生産）は、通常、青色のバヨネットキャップで識別されますが、後期の製品では通常の赤色のキャップが使用されています。SOX-PSGランプは35Wと55Wの定格のみで生産され、36WのSOX-Eは、緑色のバヨネットキャップを備えたSOX-E-PSGバリアントに採用された唯一の省エネ/エコノミーモデルです。[ 16 ] SOX-Plus/Proランプも市販されており、通常のSOX/低圧ナトリウムランプの2倍の寿命を持つことを意図しているが、外観は通常のランプと非常によく似ていることが知られている。[ 17 ]
LPSランプは、明所照明条件下で測定した場合、最も効率的な電気光源の一つであり、100～206 lm / Wの効率を実現します。[ 18 ]この高い効率は、発光波長が人間の目の感度ピークに近いことが一因です。主に屋外照明（街路灯や防犯灯など）に使用され、忠実な色再現は重要ではありません。
LPSランプは、直線状の形状をした低輝度光源という点で蛍光灯に似ています。高輝度放電（HID）ランプのように明るいアーク放電は発生せず、より柔らかな光を発するため、眩しさが軽減されます。HIDランプとは異なり、電圧が低下しても低圧ナトリウムランプはすぐに元の明るさに戻ります。LPSランプは10Wから180Wまでの定格電力 で入手可能ですが、ランプの長さが長くなると設計や製造上の問題が生じる可能性があります。
最新のLPSランプは、約18,000時間の寿命を持ち、経年劣化による光束出力の低下は見られませんが、寿命末期には消費電力が約10%増加します。この特性は、寿命末期に光量が著しく低下し、最終的には使用できなくなる水銀灯（HIDランプ）とは対照的です。水銀灯は、消費電力は低下しません。
2017年、LPSランプの大手メーカーであるフィリップスライティングは、需要の減少によりランプの生産を中止すると発表した。[ 19 ]当初、生産は2020年中に段階的に終了する予定だったが、この日付が前倒しされ、最後のランプは2019年12月31日にスコットランドのハミルトン工場で生産された。 [ 20 ]
LPSランプ、バラスト、イグナイター、ソケットは、現在も中国の台州にあるQian Shun Lighting Companyによって製造・販売されている。[ 21 ]
天文台やウミガメの産卵地の近くなど、光害が問題となる場所では、低圧ナトリウムランプが好まれます（かつてカリフォルニア州サンノゼやアリゾナ州フラッグスタッフで使用されていたように）。[ 22 ] [ 23 ] このようなランプは、2つの主要なスペクトル線（その他ははるかに弱い線）のみで光を発するため、天体観測へのスペクトル干渉が最も少なくなります。[ 24 ] LPSランプの生産が中止された現在、LPSと似た色スペクトルを持つ狭帯域アンバーLEDの使用が検討されています。
低圧ナトリウムランプの黄色は、主に暗順応した人間の視覚のプルキンエ効果により、空の光害を最も少なくします。この効果により、目は澄んだ大気中で低輝度レベルで散乱される黄色の光に対して比較的鈍感になります。 [ 25 ] [ 26 ]公共照明が広く普及した結果、曇りの夜には、十分な照明がある都市は雲から反射した光で照らされます。ナトリウム蒸気ランプが都市照明の光源である場合、夜空はオレンジ色に染まります。
ナトリウム蒸気プロセス（イエロースクリーンとも呼ばれる）は、LPSランプの狭帯域特性を利用したフィルム技術です。カラーネガフィルムは通常、LPSランプの黄色光に感度がありませんが、特殊な白黒フィルムは黄色光を記録できます。特殊なカメラを使用して、2つのスプールに同時にシーンを記録します。1つは俳優（またはその他の前景オブジェクト）を、もう1つは後で別の背景と合成するためのマスクになります。この技術は当初、ブルースクリーン技術よりも優れた結果をもたらし、1956年から1990年にかけて、主にディズニースタジオで使用されました。この技術を使用した映画の有名な例としては、アルフレッド・ヒッチコックの『鳥』やディズニー映画の『メリー・ポピンズ』、『ベッドかざりとほうき』などがあります。その後、ブルースクリーンとグリーンスクリーンの技術とコンピュータ画像処理の進歩により、その差は縮まり、SVPは経済的に非実用的になりました。[ 27 ]
高圧ナトリウム（HPS）ランプは、産業照明、特に大規模な製造施設で広く使用されており、植物育成ライトとしてもよく使用されています。これらには水銀が含まれています。[ 29 ]また、道路、駐車場、セキュリティエリアなどの屋外エリア照明にも広く使用されています。道路の照明を設計する際には、人間の色覚感度が明所視から薄明視、暗所視へと変化することを理解することが、適切な計画に不可欠です。[ 30 ]
高圧ナトリウムランプは非常に効率が良く、明所視条件下で測定した場合、1ワットあたり約100ルーメンの効率を発揮します。より高出力のランプ（例えば600ワット）では、1ワットあたり約150ルーメンの効率が得られます。
高圧ナトリウムアークは極めて化学的に反応性が高いため、アーク管は通常、半透明の酸化アルミニウムで作られています。この構造から、ゼネラル・エレクトリック社は自社の高圧ナトリウムランプ製品群に「ルカロックス」という商標名を使用するようになりました。
高圧ナトリウムランプ（HPSランプ）では、低圧キセノンが「始動ガス」として使用されます。キセノンは、安定な希ガスの中で最も熱伝導率とイオン化ポテンシャルが低く、希ガスであるため、動作中のランプ内で起こる化学反応を妨げません。また、熱伝導率が低いため、動作中のランプの熱損失が最小限に抑えられ、イオン化ポテンシャルが低いため、低温状態でのガスの絶縁破壊電圧が比較的低く、ランプの始動が容易になります。
1986年に導入された高圧ナトリウムランプのバリエーションである白色HPSランプは、一般的なHPSランプよりもさらに高い圧力を持ち、約2500ケルビンの色温度と約85の演色評価数（CRI）を生成し、白熱灯の色に非常によく似ています。[ 31 ] これらのランプは、美的効果のためにカフェやレストランの屋内でよく使用されます。しかし、白色HPSランプはコストが高く、ルーメン効率が低いため、HPSランプと競争することはできません。
ランプの最も温度の低い部分には、金属ナトリウムと水銀のアマルガムがあり、アーク放電に必要なナトリウムと水銀の蒸気を供給します。アマルガムの温度は、ランプの出力によって大きく左右されます。ランプの出力が高いほど、アマルガムの温度も高くなります。アマルガムの温度が高いほど、ランプ内の水銀とナトリウムの蒸気圧が高くなり、端子電圧も高くなります。温度が上昇するにつれて、一定の電流と電圧の上昇により、動作電力レベルに達するまでエネルギー消費量が増加します。一定の電圧に対して、一般的に3つの動作モードがあります。
ランプの抵抗と電圧の関係が弱いため、最初の状態と最後の状態は安定していますが、2番目の状態は不安定です。電流が異常に増加すると、電力が増加し、アマルガムの温度が上昇し、抵抗が低下し、さらに電流が増加します。これにより暴走効果が発生し、ランプは高電流状態（#3）に移行します。実際のランプはこれほどの電力を扱うように設計されていないため、これは壊滅的な故障につながります。同様に、電流が異常に低下すると、ランプは消灯します。ランプの望ましい動作状態は2番目の状態です。ランプが時間とともに燃焼するにつれて、リザーバーからアマルガムがゆっくりと失われる方が、アマルガムが完全に蒸発するよりもランプの特性への影響が少ないためです。その結果、平均ランプ寿命は20,000時間を超えます。
実際の使用においては、ランプには交流電圧源と誘導性バラストが直列に接続され、一定電圧ではなくほぼ一定の電流を供給することで、安定した動作が保証されます。バラストは通常、抵抗損失によるエネルギー損失を最小限に抑えるため、単なる抵抗ではなく誘導性バラストが用いられます。ランプは交流サイクルの電流ゼロ点で消灯するため、誘導性バラストは電流ゼロ点で電圧スパイクを発生させることで再点灯を補助します。
ランプから発せられる光は、水銀とナトリウムの原子発光線から構成されていますが、中でもナトリウムのD線発光が支配的です。この線は、アークの低温な外層での吸収によって極めて強い圧力（共鳴）広がりを持ち、さらに自己反転するため、ランプの演色性が向上しています。加えて、D線発光の赤色側は、アーク中の水銀原子間のファンデルワールス力によってさらに圧力広がりを持ちます。
寿命末期になると、飽和状態の高圧ナトリウムランプ（HPSランプ）は点灯と消灯を繰り返すようになることがあります。電極からスパッタリングされた物質がアーク管を黒くし、より多くの放射光を吸収して高温になります。温度上昇はガス圧の上昇を招き、アーク管の電圧降下を増加させます。最終的に、電気バラストはアーク放電を維持するのに十分な電圧を供給できなくなります。ランプが加熱されるとアークが消滅し、ランプが消灯します。アークが消滅すると、ランプは再び冷却され、アーク管内のガス圧が低下し、電気バラストが再びアークを発生させることができます。この結果、ランプはしばらく点灯した後消灯します。通常は、純粋な白色または青みがかった白色から始まり、消灯する前に赤橙色に変化します。一部の点火装置設計では、複数の高電圧パルスによるバラストと点火装置の劣化を防ぐため、数回のサイクル後にランプの点灯を試みることを諦めます。電源が切断されて再び投入されると、バラストは新たな一連の起動を試みます。
不飽和高圧ナトリウムランプは、寿命末期に特有の故障挙動を示します。ナトリウムアマルガムがすべて蒸発するため電圧上昇がなく、寿命末期には点灯・消灯を繰り返すことはありません。ナトリウムが完全に消費されると、ランプは水銀蒸気放電による緑色の光を発します。
LPSランプの故障は、サイクル動作を引き起こしません。ランプは点灯しないか、起動段階の鈍い赤色の光を発し続けます。別の故障モードでは、アーク管に小さな穴が開いてナトリウム蒸気の一部が外側の真空バルブに漏れます。ナトリウムが凝縮して外側のガラスに鏡面を形成し、アーク管を部分的に覆い隠します。ランプは多くの場合正常に動作し続けますが、生成された光の大部分はナトリウムコーティングによって遮られ、照明は提供されません。[ 38 ]
2010年代半ば以降、世界中の多くの都市当局は、環境問題（特に気候変動）やエネルギー消費の節約（LEDはナトリウムランプに比べてはるかに効率的であるため）を理由に、LED街路灯に切り替えてナトリウムランプを段階的に廃止し始めています。 [ 39 ] [ 40 ]しかし、これらのランプは通常、4500～5000Kの白色光を発するように製造されています（ナトリウムランプは1400～2700K）。これには、技術的な不具合に加えて、さまざまな健康上の懸念や人々の美的感覚の悪さがあります[ 41 ] [ 42 ] 。フロリダ州タイタスビルや近隣のケネディ宇宙センターなどの一部の自治体は、以前のナトリウムランプのような「暖かみのある」オレンジ/琥珀色の光を発するLED街路灯を設置しています。
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