ガス放電ランプ

殺菌ランプは、石英ガラス容器内で低圧水銀蒸気を放電する単純なランプです。

ガス放電ランプは、イオン化されたガス、プラズマに放電を送ることで光を生成する人工光源の一種です。

通常、このようなランプは 希ガス（アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン）またはこれらのガスの混合物を使用します。中には、水銀、ナトリウム、金属ハロゲン化物などの追加物質を含むものもあり、これらは始動時に蒸発して混合ガスの一部となります。

片端自己始動型ランプは、マイカディスクで絶縁され、ホウケイ酸ガラス製のガス放電管（アーク管）と金属キャップに収められています。[ 1 ] [ 2 ]これには、一部の街路照明のガス放電ランプに使用されているナトリウム蒸気ランプが含まれます。 [ 3 ] [ 4 ] [ 1 ] [ 2 ]

作動中、 2つの電極間に印加された電界によって、一部の電子が陽極付近のガス原子から強制的に放出され、これらの原子は正イオン化されます。こうして放出された自由電子は陽極へと流れ、生成された陽イオンは電界によって加速され、陰極へと流れます。

イオンは通常、中性ガス原子と衝突するまでの非常に短い距離しか移動しません。衝突により電子を失った原子は電離し、陰極に向かって加速します。一方、衝突により電子を獲得したイオンは、より低いエネルギー状態に戻り、光子の形でエネルギーを放出します。その結果、固有の周波数の光が放出されます。このようにして、電子はガス中を陰極から陽極へと中継されます。

生成される光の色は、ガスを構成する原子の発光スペクトル、ガスの圧力、電流密度、その他の変数に依存します。ガス放電ランプは幅広い色を生成できます。一部のランプは紫外線を放射し、ランプのガラス表面の内側に塗布された蛍光コーティングによって可視光に変換されます。蛍光ランプは、おそらく最もよく知られているガス放電ランプです。

白熱電球と比較して、ガス放電ランプは効率が高いが[ 5 ] [ 6 ]、製造が複雑で、多くの場合負性抵抗を示すため、電流が増加するとプラズマ内の抵抗が減少する。そのため、ガスを流れる電流を制御し、電流の暴走（アークフラッシュ） を防ぐために、安定器などの補助電子機器が必要となる。

一部のガス放電ランプは、最大光出力に達するまでに、ある程度の始動時間を要するものもあります。しかし、その高い効率性から、近年のLEDランプ技術の進歩までは、多くの照明用途において白熱電球よりもガス放電ランプが好まれていました。

歴史

ガス放電ランプの歴史は1675年にフランスの天文学者ジャン・ピカールが気圧計を持っていた際に水銀が揺れて内部の空間が光ることを観察したことに始まった。 [ 7 ]フランシス・ホークスビーを含む研究者たちは、この現象の原因を解明しようとした。ホークスビーは1705年に初めてガス放電ランプを実演した。[ 8 ]彼は、真空または部分的に真空にしたガラス球に少量の水銀を入れ、静電気を帯電させると、文字が読めるほど明るい光を発することを示した。電気アークの現象は1802年にヴァシリー・V・ペトロフによって初めて説明された。 [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] 1809年、ハンフリー・デービー卿が王立英国研究所で電気アークを実演した。[ 12 ] [ 13 ]それ以来、放電光源は白熱電球よりもはるかに効率的に電気から光を作り出すことから研究されてきた。

低圧ガス放電管の父はドイツのガラス職人ハインリッヒ・ガイスラーです。彼は1857年から、様々なガスを封入し、様々な色に輝く色彩豊かな芸術的な冷陰極管、いわゆるガイスラー管を製作しました。ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンといった希ガスや二酸化炭素といった不活性ガスが、この管内で良好に機能することが分かりました。この技術は1910年にフランスの技術者ジョルジュ・クロードによって商品化され、ネオンサインに用いられるネオン照明となりました。

放電管内に様々な金属を組み込んだ金属蒸気ランプの導入は、後の進歩でした。ガス放電の熱によって金属の一部が蒸発し、放電はほぼ金属蒸気のみによって発生します。一般的に使用される金属は、可視スペクトルを放射するため、 ナトリウムと水銀です。

その後100年にわたる研究の結果、電極を持たず、マイクロ波や高周波源で駆動するランプが開発されました。さらに、出力がはるかに低い光源も開発され、放電照明の用途が家庭用や屋内用途へと広がりました。

ジュール・ヴェルヌの「ルームコルフのランプ」

「ルームコルフ」ランプ

ルムコルフランプは、ハインリヒ・ダニエル・ルムコルフにちなんで名付けられた、携帯型電球の初期の形態であり、1860年代に初めて使用されました。このランプは、電池式のルムコルフ誘導コイルによって励起されるガイスラー管で構成されていました。これは、低電圧の直流電流を急速な高電圧パルスに変換できる初期の変圧器でした。当初、このランプは二酸化炭素を充填したガイスラー管を使用して白色光を発していました。しかし、二酸化炭素は分解しやすいという問題がありました。そのため、後のランプでは、ガイスラー管に窒素（赤色光を発する）が充填され、透明ガラスがウランガラス（緑色の蛍光を発する）に置き換えられました。[ 14 ]

このランプは、鉱山の潜在的爆発環境やダイビングなどの無酸素環境での使用、あるいは手術に使用できる無熱ランプとして意図されていましたが、実際にはフランスのアルデシュ県プリヴァ近郊のサン・プリエストとラックの鉄鉱山の技師であったアルフォンス・デュマと、プリヴァの医師であるカミーユ・ブノワ博士の両者によって開発されました。[ 15 ] 1864年、フランス科学アカデミーはデュマとブノワの発明に対して1,000フランの賞金を授与しました。[ 16 ]当時の最先端技術であったこのランプは、ジュール・ヴェルヌのSF小説のいくつかで描写されて有名になりました。[ 17 ]

色

それぞれのガスは、原子構造に応じて特定の波長の放射線（発光スペクトル）を放出し、これがランプから発せられる光の色を決定します。光源が様々な物体の色を再現する能力を評価する方法として、国際照明委員会（CIE）は演色評価数（CRI）を導入しました。一部のガス放電ランプはCRIが比較的低く、そのランプが照射する色は、太陽光やその他のCRIの高い照明下での見え方とは大きく異なります。

ガス 色 スペクトラム 注記 画像
ヘリウム白からオレンジ色。状況によっては灰色、青、緑青になることもあります。 アーティストが特殊な照明に使用する。
ネオン赤オレンジ強い光。ネオンサインやネオンランプによく使われます。
アルゴン紫から淡いラベンダーブルー水銀蒸気と一緒に使用されることが多い。
クリプトン灰色がかったオフホワイトから緑色。ピーク電流が高い場合は、明るい青白色になります。 アーティストが特殊な照明に使用する。
キセノン灰色または青灰色の薄白色。ピーク電流が高い場合、非常に明るい緑青色となる。 フラッシュランプ、キセノンHIDヘッドランプ、キセノンアークランプに使用されます。
窒素アルゴンに似ていますが、より鈍く、よりピンク色です。ピーク電流が高い場合は明るい青白色になります。 ムーアランプに使用（歴史的に）
酸素紫からラベンダー色、アルゴンよりも暗い
水素低電流ではラベンダー、 10mA以上では ピンクからマゼンタ
水蒸気水素に似て、暗く
二酸化炭素青白からピンク色、低電流ではキセノンより明るい二酸化炭素レーザーでは、ムーアランプ（歴史的に）が使用されます。
一酸化炭素二酸化炭素に似ています。
メタンマゼンタですが、紫やピンクに近いです。
塩素ライムまたはシャルトリューズ。 ハロゲンランプに使用（歴史的に）
フッ素マスタードまたはアイボリー。 ハロゲンランプに使用（歴史的に）
アンモニアフクシアですが、紫に近い色です。
オゾン藍色または紺色、酸素に似ている
水銀蒸気水色、強い紫外線このスペクトル画像には 紫外線は表示されません。

蛍光体と組み合わせて様々な色の光を発生させます。水銀灯や蛍光灯などに広く使用されています。

ナトリウム蒸気（低圧） 明るいオレンジイエローナトリウムランプに広く使用されています。

種類

ランプは、ガス圧と陰極の加熱の有無によっていくつかの種類に分けられます。熱陰極ランプの電極は高温で動作し、ランプ内のアーク電流によって加熱されます。この熱によって熱電子放出によって電極から電子が叩き出され、アークが維持されます。多くの種類の電極は細いワイヤでできた電気フィラメントで構成されており、始動時に別の電流によって加熱されてアークが開始されます。冷陰極ランプの電極は室温で動作します。ランプ内で伝導を開始するには、ガスをイオン化するために十分な電圧（点弧電圧）を印加する必要があるため、これらのランプの始動にはより高い電圧が必要です。

コンパクト蛍光灯

低圧放電ランプ

低圧ランプの動作圧力は大気圧よりもはるかに低いです。例えば、一般的な蛍光灯は大気圧の約0.3%の圧力で動作します。

蛍光灯は加熱陰極ランプであり、オフィス照明やその他の多くの用途で最も一般的なランプで、ワットあたり最大 100ルーメンの光を生成します。

ネオン照明は、高電圧によって励起された低圧のさまざまなガスを充填した長いチューブで構成される、広く使用されている冷陰極特殊照明の形式で、ネオンサインでの広告として使用されます。

低圧ナトリウムランプは、最も効率の高いガス放電ランプの一種で、ワットあたり最大200ルーメンの光を発しますが、演色性が非常に低いという欠点があります。ほぼ単色の黄色の光は、街路照明などの用途にしか適していません。

バイメタルスイッチを備えた小型放電ランプは、蛍光灯の始動に使用されます。この場合、放電熱を利用してスイッチを作動させます。始動器は不透明な筐体に収納されており、小さな光出力は利用されません。

連続グローランプは、電極を英数字や図形の形に切断する特殊な用途向けに製造されています。[ 18 ]

フリッカー電球、フリッカー炎電球、またはフリッカーグローランプは、ガス放電ランプの一種で、通常はネオンガスにヘリウムと少量の窒素ガスを混合したものを、部分的に分解したアジ化バリウムを塗布した2つの炎型電極スクリーンに電流を流すことでイオン化させ、発光する。イオン化されたガスは2つの電極間をランダムに移動することでちらつき効果を生み出し、しばしばろうそくの炎を連想させるものとして販売されている（画像参照）。[ 19 ]

高圧放電ランプ

高圧ランプは、大気圧よりわずかに低い圧力から高い圧力のガス中で放電を起こします。例えば、高圧ナトリウムランプの発光管は100～200トル（大気圧の約14～28%）の圧力下にあります。一部の自動車用HIDヘッドランプは、最大50バール（大気圧の50倍）の圧力下にあります。

メタルハライドランプはほぼ​​白色光を発し、1ワットあたり100ルーメンの光出力を達成します。用途としては、高層ビル、駐車場、店舗、スポーツ施設などの屋内照明が挙げられます。

高圧ナトリウムランプは、1ワットあたり最大150ルーメンの光を発し、低圧ナトリウムランプよりも広い光スペクトルを生成します。街路照明や、植物栽培のための 人工光合成にも使用されます。

高圧水銀灯は最も古いタイプの高圧ランプであり、ほとんどの用途でメタルハライドランプや高圧ナトリウムランプに置き換えられています。これらのランプは、より短いアーク長を必要とします。

高輝度放電ランプ

IMAXプロジェクターで使用される15kWキセノンショートアークランプ

高輝度放電（HID）ランプは、半透明または透明な溶融石英管または溶融アルミナ管内に収容されたタングステン電極間のアークによって光を発生させる電気ランプの一種です。他の種類のランプと比較して、アーク長に対するアーク電力が比較的高いのが特徴です。

HIDランプは、低圧放電ランプと高圧放電ランプのいずれかです。例としては、水銀ランプ、メタルハライドランプ、セラミック放電メタルハライドランプ、ナトリウムランプ、キセノンアークランプなどがあります。

HID ランプは通常、高いレベルの光とエネルギー効率が求められる場合に使用されます。

その他の例

キセノンフラッシュランプは、ミリ秒からマイクロ秒単位の単一閃光を発生させ、映画、写真、舞台照明に広く使用されています。特に堅牢なストロボライトと呼ばれるこのランプは、長い閃光シーケンスを発生させることができ、動きをストロボスコープで観察することができます。これは、機械運動の研究、医学、ダンスホールの照明などに利用されています。

代替案

参照

参考文献

  1. ^ a b「低圧ナトリウムランプ」。
  2. ^ a b「低圧ナトリウムランプ」。
  3. ^ 「照明の比較：LEDと高圧ナトリウム/低圧ナトリウム」www.stouchlighting.com。
  4. ^「ナトリウムランプ - 仕組みと歴史」edisontechcenter.org。
  5. ^ 「照明の種類」 Energy.gov .米国エネルギー省. 2013年6月10日閲覧。
  6. ^ 「照明技術：エネルギー効率の高い照明へのガイド」（PDF） . Energy Star . 米国環境保護庁. 2013年6月10日閲覧。
  7. ^参照:
    • （スタッフ）（1676）。「Experience Faire à l'Observatoire sur la Barometre simple touchant un nouveau Phenomene qu'on ya découvert」 [パリの天文台で発見された新しい現象に関する単純な気圧計で行われた実験]。Journal des Sçavans (パリ版) (フランス語): 112–113。 ページ 112 ～ 113 より: 「単純な気圧のせいで、最高の読者は、状況を判断することを選択しました。」 (単純な気圧計は、上部が密閉され下部が開いているガラス管に過ぎないことは周知の事実です。その中には通常、ある高さに水銀が入っており、それより上の部分は空洞になっています。ピカール氏は [パリの] 天文台にそのような装置を 1 つ所有しており、暗闇の中で水銀が揺れる程度に振ると、火花が散って管の空洞部分全体を照らす明滅する光が放たれます。ただし、この現象は、振るたびに空洞部分でのみ、水銀が下降する間のみに発生します。同じ構成の他のさまざまな気圧計で同じ実験を試みましたが、これまでのところ成功したのは [この] 装置だけです。あらゆる角度からこの装置を調査することに決めたので、今後、この現象に関するすべての状況がわかり次第、より詳しく説明することにします。)
    • 再版: (スタッフ) (1676)。「Experience Faire à l'Observatoire sur la Barometre simple touchant un nouveau Phénomène qu'on ya découvert」 [パリの天文台で発見された新しい現象に関する単純な気圧計で行われた実験]。Journal des Sçavans (アムステルダム版) (フランス語): 132.
    • （スタッフ）（1694）。「Sur la lumière du baromètre」 [気圧計の光について]。Histoire de l'Académie Royale des Sciences (フランス語)。2：202～ 203 202ページより： 「1676年頃、ピカール氏は気圧計を （パリの）天文台からサン・ミシェル港まで夜間に輸送中、水銀管が動いている部分に光を発見した。この現象に驚いたピカール氏は、すぐに（ジャーナル・デ・サヴァン紙に）報告した。気圧計を所有していた人々が調べたところ、光るものは何も見つからなかった。」ピカール氏が亡くなる（1682年）頃には、彼の気圧計は光を発する能力を失っていた。しかし、フィリップ・ド・ラ・イル（1640年 - 1718年）がピカール氏の気圧計を修復すると、再び光を発するようになった。カッシーニ（1625年 - 1712年）も光を発する気圧計を所有していました。
    • 参照: 気圧計
  8. ^ホークスビー、フランシス（1705年1月1日） 「グレシャム・カレッジで王立協会に先立ち行われた、水銀リンに関するいくつかの実験」ロンドン王立協会哲学紀要24 (303): 2129–2135 . doi : 10.1098/rstl.1704.0096 . S2CID 186212654 . 
  9. ^ヴァシリー、ペトロフ (1803)。Извѣстіе о Гальвани-Вольтовскихъ Опытахъ [ガルバニ - ボルタ電流実験のニュース] (ロシア語)。ロシア、サンクトペテルブルク: 国立医科大学の印刷所。 163–164 ページより: 「Естьли на стеклянную плитку или на скамеечку со стеклянными ножками будуть положены два или три」 куска древесного угля , … и отъ которого темный покой довольно ясно освѣщенъ быть можетъ." （ガラス板またはガラス脚の作業台の上に、ガルバニ-ボルタ電池によって発光現象を起こせる木炭を2～3個置き、巨大な電池の両極と接続する絶縁金属導体（電極）がある場合は、これらを1～3本分（2.5～7.5 mm）の距離まで近づけます。すると、その間に非常に明るい白光または炎が生じ、その光で木炭が速くまたは遅く燃え、暗闇をはっきりと照らすことができます。）
  10. ^ Anders, Andre (2003). 「アークプラズマ科学の起源を探る。II. 初期の連続放電」 . IEEE Transactions on Plasma Science . 31 (5): 1060– 1069. Bibcode : 2003ITPS...31.1060A . doi : 10.1109/TPS.2003.815477 . OSTI 823202. S2CID 11047670 .  
  11. ^ペトロフは低圧空気中の放電も観測した。(Petrov, 1803)p.より。 176: 「最高、最高です、最高です、 былъ яркій、белаго цвѣта、и при томъ не рѣдко оть разкаленнаго конца иголки、либо и ото дна стакана отскакивали искры или какъ бы маленькія звѣздочки." (ただし、空気のない空間でのガルバニ-ボルタ流体の流れに伴う光は明るく、色は白く、同時に、針の白熱した端 (つまり電極) またはガラスの底から、小さな星のような火花が出ることも珍しくありませんでした。) (Petrov、1803)、p. 190: 「3) 最高のパフォーマンスを見せてください。 явленія、нежели какія могъ я примѣтить отъ свѣта Гальвани-Вольтовской жидкости. (非常に希薄化した空気中の電気の光は、ガルバニック・ボルタ流体の光から私が認識できたどの現象よりも比較にならないほど荘厳な現象を示します。)
  12. ^ 1801年と1802年にデイビーは明るい電気火花を観察したが、連続したアークは観測できなかった。彼の電池には、アークを維持するのに十分な電圧と電流がなかったのだ。 1808年になって初めて、デイビーは電弧を維持するのに十分な電圧と電流を持つ電池を手に入れました。1808年と1809年に、彼は電弧の観察を記録しました。
  13. ^電気アークの初期の歴史については、 Ayrton, Hertha (1902). The Electric Arc . New York City, New York, USA: D. Van Nostrand Co. pp. 19 ff. を参照。
  14. ^ Paolo Brenni (2007)「ウランガラスとその科学的用途」Wayback Machineで2014年6月30日にアーカイブ 科学機器協会紀要、第92号、34～39ページ。37ページを参照。
  15. ^参照:
  16. ^「Prix dit des Arts insalubres」、 Comptes rendus、 60  : 273 (1865)。
  17. ^『地底旅行』（1864年）、『月世界旅行』（1865年）、『海底二万里』（1869年）。
  18. ^ 「kilokatのアンティーク電球サイト：ネオンランプ」。bulbcollector.com 。
  19. ^米国特許3238408、Kayatt Philip J.、「フリッカーグローランプ」、1966年3月1日発行 
  20. ^ 「FAQ：従来の白熱電球の段階的廃止」 . europa.eu . 2022年7月22日閲覧。
  21. ^ “LED電球” . yourelectricianbrisbane.com.au . 2022年3月15日. 2022年7月22日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2022年7月22日閲覧。

さらに読む

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