Покоренная плазма - Борис Васильевич Фомин

Видя эти светящиеся трубки, помогающие нам продлить день, мы теперь знаем, что внутри них неутомимо трудится вещество в четвертом состоянии — плазма.

«Сириус» — самая мощная лампа в мире

Эта лампа зажглась в дни исторического XXII съезда нашей партии, принявшего новую Программу КПСС — программу построения коммунизма в нашей стране. Эта лампа заняла свое место под куполом павильона «Машиностроение» на Выставке достижений народного хозяйства.

«Сириус» была создана на Московском электроламповом заводе под руководством И. С. Маршака, известного специалиста по плазменным источникам света. Название свое лампа получила по имени самой яркой звезды в звездном небе.

Вначале приведу несколько цифр, которые дали бы возможность уяснить технические показатели этой лампы.

Гигант светотехники — «Сириус» — имеет мощность 300 киловатт. Лампа создает такой мощный поток света, что может расплавить алюминиевый лист, если его поднести к лампе сантиметров на двадцать. Если вы захотите свет «Сириуса» заменить светом обыкновенных 50-ваттных ламп накаливания, то таких ламп нужно включить 25 тысяч штук, при этом они будут потреблять не 300, а 1250 киловатт электрической мощности. Следовательно, плазменная лампа «Сириус» в четыре раза экономичнее ламп накаливания.

Как устроена и как работает эта удивительная лампа?

Если вы не сумеете побывать на ВДНХ, то представление о лампе вы можете получить из рисунка.

Три разрядные кварцевые трубки длиной около метра каждая в виде веера подвешены в специальной арматуре. К торцам трубок, к их электродам, подходят толстые провода. По ним во время работы лампы течет ток в несколько сот ампер. Трубки наполнены ксеноном. Каждая из трех трубок потребляет мощность в 100 киловатт — это очень большая мощность, способная погубить трубки, если их не охладить.

«Сириус» охлаждается водой, причем, чтобы не получался непрозрачный налет на стенках, воду берут дистиллированную. Стенки разрядных трубок сделаны двойными, и вода, проходя между этими стенками, отводит излишнее тепло. Если циркуляция воды прекратится, автоматическое устройство выключит лампу.

Эта мощная лампа питается от сети трехфазного переменного тока напряжением всего 380 вольт. Естественно, такого напряжения недостаточно для того, чтобы зажечь разряд в трубках. Для зажигания разряда было сконструировано специальное пусковое устройство, уникальное по своей схеме. Высоковольтный трансформатор этого устройства создает напряжение в 20 тысяч вольт. Оно подается в виде отдельных импульсов на специальный поджигающий электрод, расположенный вблизи разрядной трубки. Соседство разрядной трубки и поджигающего электрода для ксенона, запертого в трубке, не остается без последствий: ксенон сильно ионизируется. Все это происходит в течение одной секунды, а затем пусковое устройство автоматически отключается, а на электроды трубки подается нормальное напряжение сети. Лампа вспыхивает ярким светом, рожденным жгутом плазмы. В центре этого жгута температура достигает восьми тысяч градусов — больше, чем на поверхности Солнца!

Одно из достоинств «Сириуса» — это высокая экономичность лампы. Есть у этой лампы и другой плюс: качество света. Спектр «Сириуса» очень похож на солнечный, поэтому можно вполне назвать эту лампу искусственным солнцем. При свете ее лучей мы видим предметы такими, какими они нам кажутся при естественном освещении.

Специалисты светотехники восхищаются «Сириусом» не только потому, что эта лампа имеет огромную мощность. Другая ее замечательная особенность состоит в том, что в сеть лампа включается напрямую, без балластного сопротивления.

Раньше считалось, что последовательно с любой газоразрядной лампой нужно включать катушку индуктивности, намотанную на железном сердечнике. Эта катушка и является балластом. Для чего он нужен?

Ответ на этот вопрос один — чтобы не дать погибнуть трубке.

С началом разряда в любой трубке ток растет лавинообразно. Электроды, принимая все большее и большее число зарядов, разогреваются, а от них разогревается стекло, и может наступить момент, когда трубка выйдет из строя. Катушка индуктивности, через которую проходит весь ток, играет роль регулировщика: она не дает току увеличиться до недопустимых пределов. С ростом тока на ней падает большая часть сетевого напряжения, а на самой лампе соответственно напряжение уменьшается. Это и ограничивает ток через разрядную трубку.

Вы узнали о различных газоразрядных лампах: о лампах дневного света, лампах ДРЛ, СВД и других. Все они могут нормально работать только с балластом. Даже крохотные сигнальные люминесцентные лампы включаются в сеть с балластным сопротивлением, пусть маломощным. Но любое балластное сопротивление, большое оно или маленькое, потребляет энергию, расходует драгоценные ватты мощности, которые светотехники с удовольствием превратили бы в свет. Хотели бы, да не могут, потому что без балласта наступает гибель лампы.

Всегда ли? Этот вопрос решил проверить сотрудник лаборатории Московского электролампового завода, лауреат Государственной премии И. С. Маршак.

Ученый изучал поведение плазмы при пропускании импульсов тока через ксенон, заключенный в тоненькие подковообразные трубочки. Плазма в этих трубочках вспыхивала на мгновение и сразу же гасла. Ток в ней существовал доли секунды. И. С. Маршак стал все больше и больше увеличивать импульсы этого тока. К своему удивлению, он обнаружил, что, достигнув какого-то предела, ток через трубку больше не хотел увеличиваться. В чем дело? Почему лавина зарядов больше не меняется?

Оказалось, весь секрет заключался в самой плазме. Вы, очевидно, помните, что при возникновении плазмы в трубке появляется большое количество положительно заряженных ионов. Они-то и не дают увеличиваться лавине электронов.

Несмотря на то что в трубке еще имеется огромное число нейтральных атомов, движущиеся к аноду электроны чаще сталкиваются с плюс-ионами, чем с нейтральными атомами. Почему? Потому, что электрон и положительный ион имеют противоположные заряды и между ними существуют силы взаимного притяжения. Положительные ионы как бы заслоняют собой нейтральные атомы и не дают электронам с ними сталкиваться.

Такой режим разряда ученые назвали квазистационарным, то есть как бы стационарным; при нем протекание тока через трубку похоже на ток по обыкновенному металлическому проводнику.

Почему же такой режим не наблюдался в других случаях? Может быть, не стоило для укрощения тока через трубку ставить балластное сопротивление? Нет, это не так.

Плазма очень капризна, и квазистационарный режим в ней возникает при определенных условиях. Эти условия зависят и от газа, наполняющего трубку, и от размеров трубки, и от целого ряда других причин. Получив такой режим при импульсных, прерывистых разрядах, И. С. Маршак с сотрудниками еще немало потрудился над тем, чтобы добиться того же при постоянном протекании тока через трубку. Сделать это удалось после того, как была разработана теория квазистационарного разряда.

Многолетняя работа, в течение которой были проведены сотни опытов и сделан целый ряд теоретических изысканий, не пропала даром: в заводской лаборатории была изготовлена первая в мире газоразрядная