Ксеноновая дуговая лампа - Xenon arc lamp

Ксеноновая лампа с короткой дугой мощностью 15 кВт, используемая в IMAX проекторы

Высокоскоростное замедленное видео с ксеноновой вспышкой, записанное со скоростью 44 025 кадров в секунду.

А ксеноновая дуговая лампа это узкоспециализированный тип газоразрядная лампа, электрический свет который производит свет, пропуская электричество через ионизированный ксенон газ под высоким давлением. Он излучает яркий белый свет, максимально имитирующий естественный свет. Солнечный свет, с приложениями в кинопроекторы в театры, в прожекторы, а также для специализированного использования в промышленности и исследованиях для имитации солнечного света, часто для тестирования продукции.

Ксеноновые фары в автомобилях на самом деле металлогалогенные лампы, где ксеноновая дуга используется только во время запуска для исправления цветовая температура.

Типы

Ксенон дуговые лампы можно условно разделить на три категории: ксеноновые короткодуговые лампы с непрерывным выходом, ксеноновые длинно-дуговые лампы с непрерывным выходом и ксеноновые лампы-вспышки (которые обычно рассматриваются отдельно).

Каждый состоит из плавленый кварц или другой термостойкий стекло дуговая трубка, с вольфрам металл электрод на каждом конце. Стеклянная трубка первая эвакуирован а потом снова залил ксенон. В ксеноновых лампах-вспышках третий «пусковой» электрод обычно окружает внешнюю часть дуговой лампы. Срок службы ксеноновой дуговой лампы зависит от ее конструкции и энергопотребления. Крупный производитель указывает средний срок службы от 500 часов (7 кВт) до 1500 (1 кВт).^[1]

История

An Osram Ксеноновая / ртутная короткодуговая лампа 100 Вт в отражателе

Интерес к ксеноновому разряду 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 значительного прогресса не было до тех пор, пока Джон Алдингтон из британской ламповой компании Siemens не опубликовал свое исследование в 1949 году.^[3] Это вызвало интенсивные усилия немецких Osram Компания продолжит развивать технологию в качестве замены угольных дуг в кинопроекциях. Первая успешная публичная проекция с использованием ксенонового света была проведена 30 октября 1950 года, когда отрывки из цветного фильма (Das Schwarzwaldmädel) были показаны во время 216-й сессии Немецкого кинематографического общества в Берлине.^[4] Технология была коммерчески представлена немецкой Osram в 1952 году.^[5] Впервые произведено в 2 кВт размер (XBO2001),^{[нужна цитата ]} эти лампы нашли широкое применение в кинопроекция, где заменили старые, более трудоемкие (в эксплуатации) угольные дуговые лампы.

Современное использование

Белый непрерывный свет, генерируемый ксеноновой дугой, спектрально подобен дневному свету, но лампа имеет довольно низкий эффективность с точки зрения люмен видимого света на ватт входной мощности. Сегодня почти все кинопроекторы в кинотеатрах используют эти лампы с номинальной мощностью от 900 Вт до 12 кВт. Омнимакс В проекционных системах (Imax Dome) используются одиночные ксеноновые лампы мощностью до 15 кВт. По состоянию на 2016 г. лазерное освещение для проекторы цифрового театра начинает выходить на рынок^[6] и было предсказано, что она заменит ксеноновую дуговую лампу для этого применения.^[7]

Очень маленький размер дуги позволяет фокусировать свет лампы с умеренной точностью. По этой причине дуговые ксеноновые лампы меньших размеров, мощностью до 10 Вт, используются в оптике и в точном освещении для микроскопы и другие инструменты, хотя в наше время они вытесняются одномодовые лазерные диоды и лазеры суперконтинуума белого света который может создать действительно ограниченное дифракцией пятно. Лампы большего размера используются в прожекторах, где генерируются узкие лучи света, или в освещении кинопроизводства, где требуется имитация дневного света.

Все ксеноновые лампы с короткой дугой генерируют значительный ультрафиолетовая радиация. Ксенон имеет сильные спектральные линии в УФ-диапазонах, которые легко проходят через оболочку лампы из плавленого кварца. в отличие от боросиликатное стекло плавленый кварц, используемый в стандартных лампах, легко пропускает УФ-излучение, если он специально не допированный. Ультрафиолетовое излучение лампы с короткой дугой может вызвать вторичную проблему: озон поколение. Ультрафиолетовое излучение поражает кислород молекулы в воздухе, окружающем лампу, вызывая их ионизацию. Некоторые из ионизированных молекул затем рекомбинируют как O₃, озон. Оборудование, в котором в качестве источника света используются лампы с короткой дугой, должно содержать УФ-излучение и предотвращать накопление озона.

Многие лампы имеют коротковолновый Покрытие, блокирующее УФ-излучение, нанесено на конверт и продаются как лампы, не содержащие озона. Эти «безозоновые» лампы обычно используются в помещениях, где затруднена надлежащая вентиляция. Компания WACOM также имеет долгую историю производства ксеноновых ламп.^[8] Конверты некоторых ламп сделаны из сверхчистого синтетического материала. плавленый кварц (например, «Супрасил»), что примерно вдвое увеличивает стоимость, но позволяет им излучать полезный свет в вакуумная УФ область. Эти лампы обычно работают в атмосфере чистого азота.

Конструкция лампы

Вид сбоку лампы IMAX мощностью 15 кВт с отверстиями для жидкостного охлаждения

Все современные ксеноновые короткодуговые лампы используют кварцевую оболочку с торированный вольфрам электроды. Плавленый кварц - единственный доступный в настоящее время с экономической точки зрения материал, способный выдерживать высокое давление (25 атмосфер для IMAX лампа) и высокая температура, присутствующая в операционной лампе, при этом оставаясь оптически прозрачной. В торий легирующая добавка в электродах значительно увеличивает их электронная эмиссия характеристики. Потому что вольфрам и кварц имеют разные коэффициенты теплового расширения, вольфрамовые электроды привариваются к полосам из чистого молибден металл или Инвар сплава, который затем плавится в кварце, чтобы сформировать уплотнение оболочки.

Из-за очень высоких уровней мощности большие лампы охлаждаются водой. В проекторах IMAX корпуса электродов изготовлены из твердого инвара и покрыты торированным вольфрамом. An Уплотнительное кольцо герметизирует трубку, чтобы оголенные электроды не соприкасались с водой. В устройствах с низким энергопотреблением электроды слишком холодные для эффективной электронной эмиссии и не охлаждаются. В приложениях с высокой мощностью необходим дополнительный контур водяного охлаждения для каждого электрода. Чтобы снизить затраты, водяные контуры часто не разделяются, и воду необходимо отводить. деионизированный чтобы сделать его непроводящим, что позволяет кварцу или некоторым лазерным средам растворяться в воде.

Перспективный вид лампы мощностью 3 кВт, показывающий пластиковый защитный экран, используемый при транспортировке.

Для достижения максимальной эффективности газообразный ксенон в лампах с короткой дугой поддерживается под чрезвычайно высоким давлением - до 30 атмосфер (440 фунтов на кв. Дюйм / 3040 кПа), что создает проблемы с безопасностью. Если лампу уронят или разорвут во время эксплуатации, части оболочки лампы могут быть выброшены с большой скоростью. Чтобы уменьшить это, большие ксеноновые лампы с короткой дугой обычно поставляются в защитных экранах, которые будут содержать фрагменты оболочки в случае поломки. Обычно экран снимается после установки лампы в корпус лампы. Когда срок службы лампы подходит к концу, защитный экран снова надевается на лампу, а отработанная лампа снимается с оборудования и выбрасывается. По мере старения ламп увеличивается риск выхода из строя, поэтому заменяемые лампы подвергаются наибольшему риску взрыва. Производители ламп рекомендуют использовать средства защиты глаз при обращении с ксеноновыми лампами с короткой дугой. Некоторые лампы, особенно те, которые используются в проекторах IMAX, требуют использования защитной одежды для всего тела.

Механизм генерации света

Выходной профиль ксеноновой дуговой лампы.

Ксеноновые лампы с короткой дугой бывают двух различных разновидностей: чистый ксенон, содержащий только газообразный ксенон; и ксенон-ртуть, которая содержит газообразный ксенон и небольшое количество Меркурий металл.

Чистый ксенон

В чистой ксеноновой лампе большая часть света генерируется в крошечном плазменном облаке точечного размера, расположенном там, где поток электронов покидает поверхность катода. Объем генерации света имеет форму конуса, а сила света экспоненциально спадает при переходе от катода к аноду. Электроны, проходящие через плазменное облако, ударяются об анод, вызывая его нагрев. В результате анод в ксеноновой лампе с короткой дугой либо она должна быть намного больше катода, либо иметь водяное охлаждение для рассеивания тепла. Лампа с короткой дугой из чистого ксенона обеспечивает довольно непрерывное спектральное распределение мощности с цветовой температурой около 6200K и индекс цветопередачи близко к 100.^[9] Однако даже в лампе высокого давления есть несколько очень сильных эмиссионных линий в ближней инфракрасной области, примерно в области 850–900 нм. Эта спектральная область может содержать около 10% всего испускаемого света.^{[нужна цитата ]} Интенсивность света составляет от 20 000 до 500 000 кд / см.². Примером может служить «лампа XBO» - торговая марка OSRAM для чисто ксеноновой лампы с короткой дугой.^[9]

Для некоторых приложений, таких как эндоскопия и стоматологическая техника, включены световодные системы.

Ксенон-ртуть

Ксеноновая дуговая лампа (Osram XBO 4000W).

Как и в чистой ксеноновой лампе, большая часть излучаемого света излучается из облака плазмы крошечного размера около торца катода. Однако плазменное облако в ксенон-ртутной лампе часто меньше, чем в чистой ксеноновой лампе эквивалентного размера, из-за того, что поток электронов быстрее теряет свою энергию в сторону более тяжелых атомов ртути. Ксеноново-ртутные короткодуговые лампы имеют голубовато-белый спектр и очень высокую яркость. УФ выход. Эти лампы используются в основном для УФ-излучения. лечение Приложения, стерилизация объекты и создание озон.

Керамические ксеноновые лампы

Ксеноновая лампа Cermax 2 кВт от видеопроектора. Пара радиаторов закреплена на двух металлических полосах по периметру, которые также удваиваются для подачи питания на электроды лампы.

Ксеноновые короткодуговые лампы также производятся с керамическим корпусом и встроенным отражателем. Они доступны во многих номиналах выходной мощности с окнами, пропускающими УФ-излучение, или блокирующими их. Варианты отражателя бывают параболическими (для коллимированного света) или эллиптическими (для сфокусированного света). Они используются в широком спектре приложений, таких как видеопроекторы, волоконно-оптические осветители, эндоскопы и налобные фонари, стоматологическое освещение и поисковые фонари.

Требования к источнику питания

Источник питания ксеноновой лампы с короткой дугой мощностью 1 кВт со снятой крышкой.

Ксеноновые короткодуговые лампы имеют отрицательный температурный коэффициент как и другие газоразрядные лампы. Они работают при низком напряжении, сильном токе, ОКРУГ КОЛУМБИЯ и начался с импульса высокого напряжения от 20 до 50 кВ. Например, лампа мощностью 450 Вт нормально работает при 18 В и 25 А. при включении. Они также по своей природе нестабильны, склонны к таким явлениям, как плазменное колебание и тепловой разгон.^{[нужна цитата ]} 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.

Автомобильные фары

В 1991 г. "ксеноновые фары "были введены для транспортных средств (BMW E32 ). Это на самом деле металлогалогенные лампы; ксенон используется только для обеспечения некоторого света сразу после включения лампы, что необходимо для обеспечения безопасности при использовании автомобильных фар. Полная интенсивность достигается через 20-30 секунд после соли из натрий и скандий испаряются под действием тепла ксеноновой дуги. Колба лампы небольшая, а дуга охватывает лишь несколько миллиметры. Наружная твердая стеклянная трубка блокирует выход ультрафиолетового излучения, которое может повредить пластмассовые компоненты фары. Первые ксеноновые фары содержали ртуть; более новые типы нет.

Ксеноновые дуговые лампы

Они конструктивно похожи на лампы с короткой дугой, за исключением того, что расстояние между электродами в стеклянной трубке значительно увеличено. При установке в эллиптический с отражателем, эти лампы часто используются для имитации коротких вспышек солнечного света, часто для фотосъемки. Типичное использование включает солнечная батарея тестирование (с использованием оптических фильтров), солнечное моделирование для определения возраста материалов, быстрой термической обработки, контроля материалов и спекания.

Хотя ксеноновые лампы с длинной дугой не были широко известны за пределами России и бывших советских стран-сателлитов, они использовались для общего освещения больших площадей, таких как вокзалы, спортивные арены, горнодобывающие предприятия и высокие пролеты 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, когда плазма термализовалась, то есть электроны были не намного горячее самого газа. В этих условиях была продемонстрирована положительная вольт-амперная кривая. Это позволяло более крупным типоразмерам, таким как 5 и 10 кВт, работать напрямую от сети переменного тока напряжением 110 и 220 вольт соответственно без балласта - для зажигания дуги требовалось только последовательное запальное устройство.

Лампы производили около 30 люмен / ватт, что примерно вдвое превышает эффективность вольфрамовой лампы накаливания, но меньше, чем у более современных источников, таких как галогениды металлов. 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.

Смотрите также

Список источников света