ナトリウムランプ

ナトリウム蒸気ランプは、励起状態のナトリウムを使用して589 nm付近の特性波長の 光を生成するガス放電ランプです。

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高効率の電気光源ですが、その黄色い光のため、広く使用されている街灯などの屋外照明にしか用途が限定されます。 ^[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、それでも他の種類のランプよりも演色性は劣ります。 ^{[2]低圧ナトリウムランプは}単色の黄色い光しか発しないため、夜間の色覚を妨げます。

片端自己始動ランプは、マイカディスクで絶縁され、ホウケイ酸ガラスのガス放電管（アーク管）と金属キャップに収められています。^{[3] [4]これには、街路照明の}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]}

低圧ナトリウムアーク放電ランプは、1920年頃にM.スシンドランのデータによって初めて実用化されました。このデータは、ナトリウム蒸気の腐食作用に耐えるタイプのガラスの開発を示しています。これらは1Pa未満の圧力で動作し、589.0ナノメートルと589.56ナノメートルの波長のナトリウム輝線を中心にほぼ単色の光スペクトルを生成します。これらによって生成される黄色の光は、色覚が必要とされない用途に限定されていました。^[7]

高圧ナトリウムランプの研究は、英国と米国の両国で行われました。ナトリウム蒸気の圧力を高めると、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 領域の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りました。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ました。高圧ランプの実験室でのデモンストレーションは 1959 年に実施されました。ゼネラル エレクトリック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を追加) の開発は、商用ランプの構築における重要なステップでした。この材料は 1962 年までにチューブの形で利用可能になりましたが、チューブを密閉して必要な電極を追加するには追加の技術が必要でした。この材料は石英のように溶融できなかったためです。発光管のエンド キャップは、動作中に 800 °C (1,470 °F) まで熱くなり、ランプがオフになると室温まで冷えるため、電極端子と発光管シールは、繰り返される温度サイクルに耐える必要がありました。この問題はGEネラパーク工場のマイケル・アーレンダッシュ^[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発売されました。導入時には400ワットのランプが1ワットあたり約100ルーメンの光を発していました。^{[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、効率がわずかに向上しましたが、製造コストは多結晶アルミナ管よりも高くなりました。^[7]

低圧ナトリウム（LPS）ランプには、ガス放電を開始するためのペニング混合物に固体ナトリウムと少量のネオンおよびアルゴンガスを含むホウケイ酸ガラスのガス放電管（アーク管）があります。放電管は直線状（SLIランプ） ^[10]またはU字型です。ランプが最初に始動すると、ナトリウム金属を温めるために薄暗い赤/ピンクの光を発します。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変わります。これらのランプは、平均589.3 nmの波長（実際には589.0 nmと589.6 nmで非常に近い2つの主要なスペクトル線）の実質的に単色の光を生成します。この狭い帯域幅のみで照らされた物体の色を区別することは困難です。

LPSランプは、断熱のため内部放電管の周りに外側のガラス真空エンベロープを備えており、効率が向上しています。以前のLPSランプには、取り外し可能なデュワージャケット（SOランプ）が付いていました。^[11]断熱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]ガラスエンベロープを}インジウムスズ酸化物の赤外線反射層でコーティングすることでさらに改善され、SOXランプが誕生しました。^[13]

LPSランプは、明所照明条件で測定した場合、100～206 lm / Wを超える最も効率的な電気光源の1つです。^[14]この高い効率は、放出される光が人間の目のピーク感度に近い波長にあることに一部起因しています。これらは、忠実な色再現が重要でない 屋外照明（街灯や防犯照明など）に主に使用されます。

LPS ランプは、直線状のランプ形状を持つ低強度光源という点で蛍光灯に似ています。高輝度放電(H​​ID) ランプのように明るいアークを発しません。より柔らかい光を発するため、グレアが少なくなります。HID ランプとは異なり、低圧ナトリウムランプは電圧降下時にすぐに最大輝度に戻ります。LPS ランプは、 10 ～ 180 W の定格電力で使用できますが、ランプの長さが長くなると、設計上およびエンジニアリング上の問題が発生する可能性があります。

現代の LPS ランプの耐用年数は約 18,000 時間で、経年変化によるルーメン出力の低下はありませんが、寿命が近づくにつれてエネルギー消費量は約 10% 増加します。この特性は、寿命が近づくにつれて暗くなり、効果がなくなる一方で、電力消費量は減少しない水銀蒸気 HID ランプとは対照的です。

2017年、LPSランプの最後の製造業者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ました。^[15]当初、生産は2020年中に段階的に廃止される予定でしたが、この日付は前倒しされ、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ました。 ^[16] 

天文台の近くやウミガメの産卵地の海岸など、光害が考慮される場所では、低圧ナトリウムが好まれます（以前は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ました）。^{[17] [18]} こうしたランプは、2つの主要なスペクトル線（他のはるかに弱い線を含む）のみを放射するため、天体観測に対するスペクトル干渉が最も少なくなります。^[19]（現在、LPSランプの生産は中止されているため、LPSと同様の色スペクトルにある狭帯域琥珀色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シフトにより、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目が比較的鈍感になるため、視覚的な空の輝きも最も少なくなります。^{[20] [21]}公共照明が普及した結果、曇りの夜には、十分な照明がある都市は雲に反射した光で照らされます。ナトリウム灯が都市の照明の源となっている場所では、夜空はオレンジ色に染まっています。

ナトリウム蒸気法（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映画技法である。カラーネガフィルムは通常、LPSランプの黄色光に反応しないが、特殊な白黒フィルムはそれを記録することができる。特殊なカメラを使用して、シーンは2つのスプールに同時に記録される。1つは俳優（またはその他の前景オブジェクト）で、もう1つは後で異なる背景と組み合わせるためのマスクとなる。この技法はもともと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た。この技法を使用した映画の著名な例としては、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』や『ベッドかざりとほうき』などがある。その後、ブルースクリーンとグリーンスクリーンの技法とコンピューター画像の進歩によりその差は縮まり、SVPは経済的に非現実的になった。^[22]

高圧ナトリウム（HPS）ランプは、特に大規模な製造施設などの産業照明に広く使用されており、植物栽培用ライトとしてよく使用されています。HPSランプには水銀が含まれています。^[23]また、道路、駐車場、セキュリティエリアなどの屋外エリアの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、適切な計画を立てるには、人間の色覚感度が明所視から薄明視および暗所視に変化することを理解することが重要です。^[24]

高圧ナトリウムランプは非常に効率的で、明所照明条件で測定した場合、ワットあたり約 100 ルーメンです。一部の高出力ランプ (例: 600 ワット) では、ワットあたり約 150 ルーメンの効率があります。

高圧ナトリウムアークは化学的に非常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。この構造により、ゼネラル・エレクトリック社は高圧ナトリウムランプの製品ラインに「Lucalox」という商標名を使用するように なりました。

低圧のキセノンは、HPS ランプの「スターター ガス」として使用されます。キセノンは、安定した希ガスの中で最も低い熱伝導率とイオン化ポテンシャルを持っています。希ガスであるため、動作中のランプで発生する化学反応を妨げません。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、冷状態でのガスのブレークダウン電圧が比較的低くなり、ランプを簡単に始動できます。

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ホワイトHPSは、一般的なHPSランプよりも圧力が高く、色温度が約2700ケルビン、演色評価数（CRI）が約85で、白熱灯の色に非常に似ています。^[25] これらのランプは、美観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、ホワイトHPSランプはコストが高く、耐用年数が短く、光効率が低いため、現時点ではHPSと競合することはできません。

金属ナトリウムと水銀のアマルガムはランプの最も冷たい部分にあり、アークを描くのに必要なナトリウムと水銀の蒸気を提供します。アマルガムの温度は、ランプの電力によって大きく左右されます。ランプの電力が高いほど、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。温度が上昇すると、一定電流と増加する電圧によって消費されるエネルギーが増加し、最終的に動作電力レベルに達します。特定の電圧に対して、一般に 3 つの動作モードがあります。

1. ランプが消えて電流が流れなくなります。
2. ランプはチューブ内の液体アマルガムで作動します。
3. ランプはアマルガムがすべて蒸発した状態で作動しています。

最初の状態と最後の状態は、ランプ抵抗が電圧とほとんど関係がないため安定していますが、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て抵抗が低下し、さらに電流が増加します。これにより暴走効果が生じ、ランプは高電流状態 (#3) にジャンプします。実際のランプはこれほどの電力を処理できる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、ランプが消えます。ランプの望ましい動作状態は 2 番目の状態です。なぜなら、アマルガムが時間の経過とともにリザーバから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に与える影響が少ないからです。その結果、平均ランプ寿命は 20,000 時間を超えます。

実際の使用では、ランプは誘導性「バラスト」と直列の AC 電圧源によって駆動され、一定の電圧ではなくほぼ一定の電流をランプに供給して、安定した動作を保証します。バラストは通常​​、抵抗損失によるエネルギーの浪費を最小限に抑えるために、抵抗性ではなく誘導性です。ランプは AC サイクルの各ゼロ電流ポイントで事実上消えるため、誘導性バラストはゼロ電流ポイントで電圧スパイクを提供することで再点火を補助します。

ランプからの光は水銀とナトリウムの原子輝線から構成されていますが、ナトリウムの D 線輝線が支配的です。この輝線は圧力 (共鳴) により極度に広がり、アークのより冷たい外層での吸収により自己反転するため、ランプの演色特性が向上します。さらに、D 線輝線の赤い部分は、アーク内の水銀原子からの ファンデルワールス力により圧力によりさらに広がります。

高圧ナトリウム（HPS）ランプは寿命が尽きると、アーク中のナトリウムの損失によってサイクリングと呼ばれる現象を示す。ナトリウムは反応性の高い元素であり、アーク管の酸化アルミニウムとの反応で失われる。生成物は酸化ナトリウムとアルミニウムである。^[27]

6 Na + Al ₂ O ₃ → 3 Na ₂ O + 2 Al

その結果、これらのランプは比較的低い電圧で始動できますが、動作中に加熱されると、発光管内の内部ガス圧が上昇し、アーク放電を維持するためにますます高い電圧が必要になります。ランプが古くなると、アークの維持電圧が最終的に上昇し、電気バラストの最大電圧出力を超えます。ランプがこの点まで加熱されると、アークが消え、ランプが消えます。最終的に、アークが消えると、ランプが再び冷却され、発光管内のガス圧が低下し、バラストが再びアークを点火できるようになります。この結果、ランプはしばらく点灯してから消え、通常は純白または青みがかった白色で始まり、赤オレンジ色になってから消えます。

より高度なイグナイタ設計では、サイクルを検出し、数サイクル後にランプの始動を中止します。これは、アークを再開するために必要な高電圧のイグナイタの繰り返しにより、イグナイタの構成に応じてバラストまたはイグナイタの寿命が短くなるためです。電源が切断されて再投入されると、バラストは新しい一連の起動を試行します。

LPSランプの故障では、サイクルは発生しません。ランプは単に点灯しないか、始動段階の鈍い赤色の輝きを維持します。別の故障モードでは、発光管の小さな穴からナトリウム蒸気の一部が外部真空バルブに漏れます。ナトリウムは凝縮して外部ガラスに鏡を作り、発光管を部分的に覆い隠します。ランプは通常どおり動作し続けますが、生成される光の多くはナトリウムコーティングによって遮られ、照明が得られません。^[27]

• アークランプ – 電気アークによって光を生み出すランプ
• 高輝度放電ランプ – 電球の種類 (HID)
• アメリカの街路照明の歴史
• 光害 – 環境における過剰な人工光
• 光源のリスト – 光を生成する装置とプロセス
• 水銀蒸気ランプ – 水銀蒸気を通した電気アークを利用した光源
• メタルハライドランプ – ランプの種類
• ネオンランプ – ガス放電に基づく光源
• 街灯 – 道路や小道の脇にある高くなった光源
• 硫黄ランプ – 照明システム

• デ・グルート、JJ。ヴァン・ブリート。 JAJM (1986)。高圧ナトリウムランプ。デフェンター: Kluwer Technische Boeken BV. ISBN 978-90-201-1902-2. OCLC  16637733.
• ウェイマス、ジョン F. (1971)。『放電ランプ』。マサチューセッツ州ケンブリッジ：MIT 出版。ISBN 978-0-262-23048-3. OCLC  214331.
• 米国特許 US3737717A、Arendash、Michael、「熱短絡ヒューズを含む高輝度ランプ」、1972 年 3 月 13 日公開、1973 年 6 月 5 日発行、General Electric Co に譲渡 

ウィキメディア・コモンズには、ナトリウム蒸気放電ランプに関連するメディアがあります。

• 放電ランプ博物館
• この発明でディズニーは数百万ドルを儲けたが、その後失ってしまった！ – Corridor Crew、YouTube経由（2024年） – 映画の特殊効果で使われるナトリウム蒸気ライトシステムを再現