Ксеноновая дуговая лампа — это узкоспециализированный тип газоразрядной лампы , электрический свет , который производит свет путем пропускания электричества через ионизированный газ ксенон под высоким давлением. Он производит яркий белый свет, имитирующий солнечный свет , и применяется в кинопроекторах в кинотеатрах , в прожекторах , а также для специализированного использования в промышленности и исследованиях. Например, ксеноновые дуговые лампы с ртутными лампами — две наиболее распространенные лампы, используемые в флуоресцентных микроскопах с широким полем зрения .
Ксеноновые дуговые лампы можно условно разделить на три категории: ксеноновые лампы с короткой дугой непрерывного действия, ксеноновые лампы с длинной дугой непрерывного действия и ксеноновые лампы-вспышки (которые обычно рассматриваются отдельно).
Каждый состоит из дуговой трубки из плавленого кварца или другого термостойкого стекла с вольфрамовым металлическим электродом на каждом конце. Стеклянную трубку сначала вакуумируют , а затем снова наполняют ксеноном. В ксеноновых лампах-вспышках третий «пусковой» электрод обычно окружает внешнюю часть дуговой трубки. Срок службы ксеноновой дуговой лампы варьируется в зависимости от ее конструкции и потребляемой мощности: крупный производитель указывает средний срок службы от 500 часов (7 кВт) до 1500 часов (1 кВт). [1]
Интерес к разряду ксенона впервые возник у П. Шульца в 1944 г. после открытия им почти непрерывного спектра и высокой цветопередачи белого света. [2] Из-за ограничений доступности этого благородного газа во время войны значительный прогресс не был достигнут до тех пор, пока Джон Алдингтон [3] из британской ламповой компании Siemens не опубликовал свое исследование в 1949 году. [4]
Это повлекло за собой интенсивные усилия немецкой компании Osram по дальнейшему развитию этой технологии в качестве замены угольных дуг в кинопроекции. Ксеноновая лампа обещала огромные преимущества: более стабильную дугу с меньшим мерцанием, а ее неплавящиеся электроды позволяли показывать более длинные фильмы без перерывов. Основным вкладом компании Osram в это достижение стало тщательное исследование физики ксенонового разряда, которое направило ее разработки на создание очень коротких дуг для работы на постоянном токе с определенной геометрией электрода и колбы. Катод остается небольшим, чтобы достигать высоких температур для термоэлектронной эмиссии, а анод имеет больший размер, чтобы рассеивать тепло, выделяемое при замедлении входящих электронов. Большая часть света генерируется непосредственно перед кончиком катода, где температура дуги достигает 10 000°C. Плазма ускоряется по направлению к аноду и стабилизируется формой электродов, а также собственным магнитным сжатием, создаваемым потоком тока, и эффектами конвекции, контролируемыми формой колбы.
После этих событий первая успешная публичная проекция с использованием ксенонового света была проведена 30 октября 1950 года, когда отрывки из цветного фильма ( Schwarzwaldmädel ) были показаны во время 216-й сессии Немецкого кинематографического общества в Берлине. [5] Эта технология была коммерчески представлена немецкой компанией Osram в 1952 году. [6] Впервые выпущенные в размерах 2 кВт (XBO2001), [ нужна ссылка ] и 1 кВт (XBO1001) [7] эти лампы нашли широкое применение в кинопроекции. , где заменили старые, более трудоемкие (в эксплуатации) угольные дуговые лампы .
Белый непрерывный свет, генерируемый ксеноновой дугой, по спектру подобен дневному свету, но лампа имеет довольно низкую эффективность с точки зрения количества люменов видимого света на ватт входной мощности. Сегодня почти все кинопроекторы в кинотеатрах используют эти лампы номинальной мощностью от 900 Вт до 12 кВт. В проекционных системах Omnimax (Imax Dome) используются одиночные ксеноновые лампы мощностью до 15 кВт. С 2016 года лазерное освещение для цифровых театральных проекторов начинает завоевывать рынок [8] и, согласно прогнозам, заменит ксеноновую дуговую лампу в этом применении. [9]
Очень маленький размер дуги позволяет с умеренной точностью фокусировать свет лампы. По этой причине в оптике и прецизионном освещении микроскопов и других приборов используются ксеноновые дуговые лампы меньших размеров, до 10 Вт, хотя в наше время они вытесняются одномодовыми лазерными диодами и лазерами суперконтинуума белого света , которые могут создать действительно дифракционное пятно. Лампы большего размера используются в прожекторах, где генерируются узкие лучи света, или в освещении кинопроизводства, где требуется имитация дневного света.
Все ксеноновые короткодуговые лампы генерируют значительное количество ультрафиолетового излучения . Ксенон имеет сильные спектральные линии в УФ-диапазонах, и они легко проходят через колбу лампы из плавленого кварца, в отличие от боросиликатного стекла , используемого в стандартных лампах; плавленый кварц легко пропускает УФ-излучение, если его специально не легировать . УФ-излучение, испускаемое короткодуговой лампой, может вызвать вторичную проблему образования озона . УФ-излучение поражает молекулы кислорода в воздухе, окружающем лампу, вызывая их ионизацию. Некоторые из ионизированных молекул затем рекомбинируют в O 3 , озон. Оборудование, в котором в качестве источника света используются лампы с короткой дугой, должно иметь защиту от ультрафиолетового излучения и предотвращать накопление озона.
Многие лампы имеют на корпусе покрытие, блокирующее коротковолновое УФ-излучение, и продаются как «безозоновые» лампы. Эти «безозоновые» лампы обычно используются в помещениях, где затруднен доступ к надлежащей вентиляции. Некоторые лампы имеют колбы из сверхчистого синтетического плавленого кварца (например, «Супрасил»), что примерно удваивает стоимость, но позволяет им излучать полезный свет в вакуумную УФ-область . Эти лампы обычно работают в атмосфере чистого азота.
Во всех современных ксеноновых лампах с короткой дугой используется колба из плавленого кварца с торированными вольфрамовыми электродами. Плавленый кварц — единственный доступный в настоящее время экономически выгодный материал, который может выдерживать высокое давление (25 атмосфер для лампы IMAX ) и высокую температуру, присутствующую в операционной лампе, оставаясь при этом оптически прозрачным. Примесь тория в электродах значительно улучшает их характеристики электронной эмиссии . Поскольку вольфрам и кварц имеют разные коэффициенты теплового расширения , вольфрамовые электроды привариваются к полосам чистого металлического молибдена или инварного сплава, которые затем вплавляются в кварц, образуя уплотнение оболочки.
Из-за очень высоких уровней мощности большие лампы имеют водяное охлаждение. В проекторах IMAX корпуса электродов изготовлены из твердого инвара и имеют наконечник из торированного вольфрама. Уплотнительное кольцо герметизирует трубку, поэтому обнаженные электроды не контактируют с водой. В устройствах с низким энергопотреблением электроды слишком холодны для эффективной эмиссии электронов и не охлаждаются. В приложениях высокой мощности необходим дополнительный контур водяного охлаждения для каждого электрода. Чтобы снизить стоимость, водяные контуры часто не разделены, и воду необходимо деионизировать , чтобы сделать ее электрически непроводящей, что позволяет кварцу или некоторым лазерным средам растворяться в воде.
Для достижения максимальной эффективности газ ксенон внутри короткодуговых ламп поддерживается под чрезвычайно высоким давлением — до 30 атмосфер (440 фунтов на квадратный дюйм / 3040 кПа), что создает проблемы безопасности. Если лампа упала или разбилась во время эксплуатации, куски корпуса лампы могут быть выброшены с большой скоростью. Чтобы избежать этого, большие ксеноновые лампы с короткой дугой обычно поставляются в защитных экранах, которые удерживают фрагменты оболочки в случае поломки. Обычно экран снимается после установки лампы в корпус лампы. Когда срок службы лампы подходит к концу, на лампу снова надевают защитный экран, а отработанную лампу вынимают из оборудования и выбрасывают. По мере старения ламп риск выхода из строя увеличивается, поэтому заменяемые лампы подвергаются наибольшему риску взрыва. Производители ламп рекомендуют использовать защитные очки при работе с ксеноновыми короткодуговыми лампами. Некоторые лампы, особенно те, которые используются в проекторах IMAX, требуют использования защитной одежды, закрывающей все тело.
Ксеноновые лампы с короткой дугой бывают двух разновидностей: чистый ксенон, содержащий только газообразный ксенон; и ксенон-ртуть, который содержит газообразный ксенон и небольшое количество металлической ртути .
В чистой ксеноновой лампе большая часть света генерируется внутри крошечного облака плазмы размером с точку, расположенного там, где поток электронов покидает поверхность катода. Объем светогенерации имеет конусообразную форму, а сила света падает по экспоненте при движении от катода к аноду. Электроны, проходящие через плазменное облако, ударяются об анод, вызывая его нагрев. В результате анод в ксеноновой короткодуговой лампе должен быть либо намного больше катода, либо иметь водяное охлаждение для рассеивания тепла. Выход чистой ксеноновой лампы с короткой дугой обеспечивает довольно непрерывное спектральное распределение мощности с цветовой температурой около 6200 К и индексом цветопередачи, близким к 100. [10] Однако даже в лампе высокого давления имеются очень сильные линии излучения. ближний инфракрасный диапазон, примерно в диапазоне 850–900 нм. Эта спектральная область может содержать около 10% общего излучаемого света. [ нужна ссылка ] Интенсивность света колеблется от 20 000 до 500 000 кд/см 2 . Примером может служить «лампа XBO», торговое название OSRAM для чистой ксеноновой лампы с короткой дугой. [10]
Для некоторых применений, таких как эндоскопия и стоматологическая техника, в комплект поставки входят световодные системы.
Как и в случае с чистой ксеноновой лампой, большая часть излучаемого света исходит из крошечного облака плазмы возле поверхности катода. Однако плазменное облако в ксеноново-ртутной лампе часто меньше, чем у чистой ксеноновой лампы эквивалентного размера, поскольку поток электронов быстрее теряет свою энергию в пользу более тяжелых атомов ртути. Ксеноново-ртутные короткодуговые лампы имеют голубовато-белый спектр и чрезвычайно высокую мощность УФ-излучения . Эти лампы используются в основном для УФ- отверждения , стерилизации предметов и генерации озона .
Ксеноновые короткодуговые лампы также изготавливаются с керамическим корпусом и встроенным отражателем. Они доступны во многих номиналах выходной мощности с окнами, пропускающими УФ-излучение, или с блокирующими окнами. Варианты отражателя: параболический (для коллимированного света) или эллиптический (для сфокусированного света). Они используются в самых разных приложениях, таких как видеопроекторы, оптоволоконные осветители, освещение эндоскопов и налобных фонарей, стоматологическое освещение и прожекторы.
Ксеноновые короткодуговые лампы имеют отрицательный температурный коэффициент, как и другие газоразрядные лампы. Они работают при низком напряжении, сильном токе постоянного тока и запускаются автоэмиссионным импульсом высокого напряжения от 20 до 50 кВ. Например, лампа мощностью 450 Вт обычно работает при напряжении 18 В и токе 25 А после запуска. Они также по своей природе нестабильны и склонны к таким явлениям, как плазменные колебания и тепловой разгон . [ нужна ссылка ] Из-за этих характеристик ксеноновые лампы с короткой дугой требуют надлежащего источника питания, который работает без мерцания пламени, что в конечном итоге может привести к повреждению электродов.
Конструктивно они аналогичны лампам с короткой дугой, за исключением того, что расстояние между электродами в стеклянной трубке сильно удлинено. При установке внутри эллиптического отражателя эти лампы часто используются для имитации солнечного света короткими вспышками, часто для фотографии. Типичные области применения включают тестирование солнечных элементов (с использованием оптических фильтров), моделирование солнечного излучения для проверки материалов на возраст, быструю термическую обработку, проверку материалов и спекание.
Хотя ксеноновые лампы с длинной дугой не были широко известны за пределами России и стран-сателлитов бывшего Советского Союза, они использовались для общего освещения больших площадей, таких как железнодорожные станции, спортивные арены, горнодобывающие предприятия и высокие отсеки атомных электростанций. Эти лампы, Лампа ксеноновая ДКСТ , буквально «ксеноновая лампа ДКСТ», характеризовались высокой мощностью от 2 кВт до 100 кВт. Лампы работали в своеобразном режиме разряда, при котором плазма была термализована, то есть электроны были незначительно горячее самого газа. В этих условиях была продемонстрирована положительная вольт-амперная кривая. Это позволило более крупным моделям, таким как 5 и 10 кВт, работать непосредственно от сети переменного тока напряжением 110 и 220 В соответственно без балласта — для зажигания дуги требовался только последовательный воспламенитель.
Лампы производили около 30 люмен/ватт, что примерно вдвое превышает эффективность вольфрамовой лампы накаливания, но меньше, чем у более современных источников, таких как металлогалогенные лампы. Их преимуществом было отсутствие содержания ртути, конвективное воздушное охлаждение, отсутствие риска разрыва под высоким давлением и почти идеальная цветопередача. Из-за низкой эффективности и конкуренции со стороны более распространенных типов ламп сегодня осталось немного установок, но там, где они есть, их можно распознать по характерному прямоугольному / эллиптическому отражателю и четкому сине-белому свету от относительно длинного трубчатого источника.
