Ксеноновая дуговая лампа — это узкоспециализированный тип газоразрядной лампы , электрический источник света , который производит свет, пропуская электричество через ионизированный газ ксенон под высоким давлением. Он производит яркий белый свет, имитирующий солнечный свет , и применяется в кинопроекторах в театрах , в прожекторах и для специализированных целей в промышленности и исследованиях. Например, ксеноновые дуговые лампы и ртутные лампы — две наиболее распространённые лампы, используемые в широкопольных флуоресцентных микроскопах .
Ксеноновые дуговые лампы можно условно разделить на три категории:
Каждая состоит из дуговой трубки из плавленого кварца или другого термостойкого стекла с вольфрамовым металлическим электродом на каждом конце. Стеклянная трубка сначала вакуумируется , а затем снова заполняется ксеноновым газом. Для ксеноновых импульсных ламп третий «пусковой» электрод обычно окружает внешнюю часть дуговой трубки. Срок службы ксеноновой дуговой лампы варьируется в зависимости от ее конструкции и энергопотребления, при этом 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 году после открытия им почти непрерывного спектра и белого света с высокой цветопередачей. [2] Из-за ограничений военного времени на доступность этого благородного газа значительный прогресс был достигнут только после того, как Джон Олдингтон [3] из британской компании Siemens Lamp опубликовал свое исследование в 1949 году. [4]
Это побудило немецкую компанию Osram приложить интенсивные усилия для дальнейшей разработки технологии в качестве замены углеродных дуг в кинопроекции. Ксеноновая лампа обещала огромные преимущества более стабильной дуги с меньшим мерцанием, а ее нерасходуемые электроды позволяли показывать более длинные фильмы без перерывов. Основным вкладом Osram в это достижение стало тщательное исследование физики ксенонового разряда, которое направило ее разработки на очень короткие дуги для работы на постоянном токе с определенной геометрией электрода и колбы. Катод остается небольшим, чтобы достигать высоких температур для термоионной эмиссии, анод больше, 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 за счет форм электродов, а также внутреннего магнитного сжатия, создаваемого потоком тока, и эффектов конвекции, контролируемых формой колбы.
После этих разработок первая успешная публичная проекция с использованием ксенонового света была осуществлена 30 октября 1950 года, когда отрывки из цветного фильма ( Schwarzwaldmädel ) были показаны во время 216-й сессии Немецкого кинематографического общества в Берлине. [5] Технология была коммерчески представлена немецкой компанией Osram в 1952 году . [6] Сначала они производились в размере 2 кВт (XBO2001), [ нужна ссылка ] и 1 кВт (XBO1001) [7], эти лампы нашли широкое применение в кинопроекции , где они заменили старые, более трудоемкие (в эксплуатации) угольные дуговые лампы .
Белый непрерывный свет, генерируемый ксеноновой дугой, спектрально похож на дневной свет, но лампа имеет довольно низкую эффективность с точки зрения люменов видимого светового потока на ватт входной мощности. Сегодня почти все кинопроекторы в кинотеатрах используют эти лампы с номинальной мощностью от 900 Вт до 12 кВт. Проекционные системы Omnimax (Imax Dome) используют одиночные ксеноновые лампы с номинальной мощностью до 15 кВт. С 2016 года лазерное освещение для цифровых театральных проекторов начинает завоевывать рынок [8] и, как прогнозируется, заменит ксеноновую дуговую лампу для этого применения. [9]
Очень малый размер дуги позволяет фокусировать свет от лампы с умеренной точностью. По этой причине ксеноновые дуговые лампы меньших размеров, до 10 Вт, используются в оптике и в прецизионном освещении микроскопов и других приборов, хотя в наше время их вытесняют одномодовые лазерные диоды и суперконтинуальные лазеры белого света , которые могут создавать действительно дифракционно-ограниченное пятно. Более крупные лампы используются в прожекторах, где генерируются узкие пучки света, или в освещении кинопроизводства, где требуется имитация дневного света.
Все ксеноновые лампы с короткой дугой генерируют значительное ультрафиолетовое излучение . 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 он не легирован специально . УФ-излучение, испускаемое лампой с короткой дугой, может вызвать вторичную проблему образования озона . УФ-излучение поражает молекулы кислорода в воздухе, окружающем лампу, заставляя их ионизироваться. Некоторые из ионизированных молекул затем рекомбинируют в O 3 , озон. Оборудование, использующее лампы с короткой дугой в качестве источника света, должно содержать защиту от УФ-излучения и предотвращать накопление озона.
Многие лампы имеют коротковолновое УФ-блокирующее покрытие на колбе и продаются как «безозоновые» лампы. Эти «безозоновые» лампы обычно используются в помещениях, где надлежащая вентиляция нелегкодоступна. Некоторые лампы имеют колбы, изготовленные из сверхчистого синтетического плавленого кварца (например, «Супрасидх»), что примерно вдвое увеличивает стоимость, но позволяет им излучать полезный свет в вакуумную УФ-область . Эти лампы обычно работают в атмосфере чистого азота.
Все современные ксеноновые лампы с короткой дугой используют колбу из плавленого кварца с электродами из торированного вольфрама . Плавленый кварц является единственным экономически целесообразным материалом, доступным в настоящее время, который может выдерживать высокое давление (25 атмосфер для лампы IMAX ) и высокую температуру, присутствующие в рабочей лампе, оставаясь при этом оптически прозрачным. Легирование торием в электродах значительно улучшает их характеристики электронной эмиссии . Поскольку вольфрам и кварц имеют разные коэффициенты теплового расширения , вольфрамовые электроды привариваются к полоскам чистого молибденового металла или сплава инвара , которые затем расплавляются в кварце для формирования уплотнения колбы.
Из-за очень высоких уровней мощности большие лампы охлаждаются водой. В тех, которые используются в проекторах IMAX, корпуса электродов сделаны из твердого инвара и имеют наконечники из торированного вольфрама. Уплотнительное кольцо герметизирует трубку, так что обнаженные электроды не контактируют с водой. В приложениях с низкой мощностью электроды слишком холодные для эффективной эмиссии электронов и не охлаждаются. В приложениях с высокой мощностью необходим дополнительный контур водяного охлаждения для каждого электрода. Для снижения стоимости водяные контуры часто не разделены, и воду необходимо деионизировать, чтобы сделать ее непроводящей электричество, что позволяет кварцу или некоторым лазерным средам растворяться в воде.
Для достижения максимальной эффективности ксеноновый газ внутри короткодуговых ламп поддерживается под чрезвычайно высоким давлением — до 30 атмосфер (440 фунтов на кв. дюйм / 3040 кПа), что создает проблемы безопасности. Если лампа падает или разрывается во время эксплуатации, куски колбы лампы могут быть отброшены с большой скоростью. Чтобы смягчить это, большие ксеноновые короткодуговые лампы обычно поставляются в защитных экранах, которые будут удерживать фрагменты колбы в случае разрушения. Обычно экран снимается после установки лампы в корпус лампы. Когда лампа достигает конца своего срока службы, защитный экран снова устанавливается на лампу, а отработанная лампа затем извлекается из оборудования и выбрасывается. По мере старения ламп риск выхода из строя увеличивается, поэтому заменяемые лампочки подвергаются наибольшему риску взрыва.
Ксеноновые лампы с короткой дугой выпускаются в двух различных вариантах: чисто ксеноновые, которые содержат только газ ксенон; и ксеноново-ртутные, которые содержат газ ксенон и небольшое количество металлической ртути .
В чистой ксеноновой лампе большая часть света генерируется в крошечном, размером с точку, облаке плазмы, расположенном там, где поток электронов покидает поверхность катода. Объем генерации света имеет форму конуса, а интенсивность света экспоненциально падает от катода к аноду. Электроны, проходящие через плазменное облако, ударяются об анод, заставляя его нагреваться. В результате анод в ксеноновой короткодуговой лампе должен быть либо намного больше катода, либо охлаждаться водой, чтобы рассеивать тепло. Выход чистой ксеноновой короткодуговой лампы 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 есть несколько очень сильных линий излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, примерно в области от 850 до 900 нм. Эта спектральная область может содержать около 10% от общего излучаемого света. [ необходима цитата ] Интенсивность света колеблется от 20 000 до 500 000 кд/см 2 . Примером может служить «лампа XBO», которая является торговым наименованием OSRAM для чисто ксеноновой короткодуговой лампы. [10]
Для некоторых областей применения, таких как эндоскопия и стоматологические технологии, предусмотрены световодные системы.
Как и в чистой ксеноновой лампе, большая часть производимого света исходит из точечного облака плазмы вблизи поверхности катода. Однако плазменное облако в ксенон-ртутной лампе часто меньше, чем у чистой ксеноновой лампы эквивалентного размера, из-за того, что поток электронов быстрее теряет свою энергию более тяжелым атомам ртути. Ксенон-ртутные лампы с короткой дугой имеют голубовато-белый спектр и чрезвычайно высокую УФ- генерацию. Эти лампы используются в основном для УФ- отверждения , стерилизации объектов и генерации озона .
Ксеноновые лампы с короткой дугой также производятся с керамическим корпусом и встроенным отражателем. Они доступны во многих номинальных выходных мощностях с окнами, пропускающими или блокирующими УФ-излучение. Варианты отражателя — параболические (для коллимированного света) или эллиптические (для сфокусированного света). Они используются в самых разных областях, таких как видеопроекторы, волоконно-оптические осветители, эндоскопическое и налобное освещение, стоматологическое освещение и поисковые огни.
Ксеноновые лампы с короткой дугой имеют отрицательный температурный коэффициент , как и другие газоразрядные лампы. Они работают при низком напряжении, большом токе, постоянном токе и запускаются посредством полевой эмиссии с высоковольтным импульсом от 20 до 50 кВ. Например, лампа мощностью 450 Вт нормально работает при 18 В и 25 А после запуска. Они также по своей природе нестабильны, подвержены таким явлениям, как плазменные колебания и тепловой разгон . [ необходима цитата ] Из-за этих характеристик ксеноновые лампы с короткой дугой требуют надлежащего источника питания, который работает без мерцания пламени, что в конечном итоге может повредить электроды.
Они структурно похожи на лампы с короткой дугой, за исключением того, что расстояние между электродами в стеклянной трубке значительно удлинено. При установке в эллиптический отражатель эти лампы часто используются для имитации солнечного света в коротких вспышках, часто для фотографии. Типичные области применения включают тестирование солнечных элементов (с использованием оптических фильтров), моделирование солнечного света для проверки возраста материалов, быструю термическую обработку, проверку материалов и спекание.
Хотя они не были широко известны за пределами России и бывших советских стран-сателлитов, длиннодуговые ксеноновые лампы использовались для общего освещения больших площадей, таких как железнодорожные станции, спортивные арены, горнодобывающие предприятия и многоярусные помещения атомных электростанций. Эти лампы, Лампа ксеноновая ДКСТ , буквально «лампа ксеноновая ДКСТ», характеризовались высокой мощностью от 2 кВт до 100 кВт. Лампы работали в особом режиме разряда, где плазма была термализована, то есть электроны были не намного горячее самого газа. В этих условиях была продемонстрирована положительная кривая вольт-амперная зависимость. Это позволяло более крупным распространенным размерам, таким как 5 и 10 кВт, работать непосредственно от сети переменного тока при 110 и 220 вольт соответственно без балласта — для зажигания дуги требовался только последовательный зажигатель.
Лампы выдавали около 30 люмен/ватт, что примерно вдвое превышает эффективность вольфрамовой лампы накаливания, но меньше, чем у более современных источников, таких как металлогалогенные. Они имели преимущество в виде отсутствия ртути, конвективного воздушного охлаждения, отсутствия риска разрыва под высоким давлением и почти идеальной цветопередачи. Из-за низкой эффективности и конкуренции со стороны более распространенных типов ламп сегодня сохранилось немного установок, но там, где они есть, их можно узнать по характерному прямоугольному/эллиптическому отражателю и четкому сине-белому свету от относительно длинного трубчатого источника.
