Ксеноновая дуговая лампа - Xenon arc lamp

Ксеноновая лампа с короткой дугой мощностью 15 кВт, используемая в проекторах IMAX
Высокоскоростное замедленное видео с ксеноновой вспышкой, записанное со скоростью 44 025 кадров в секунду.

Ксеноновая дуговая лампа является высоко специализированным типом газоразрядной лампы , с электрическим светом , который производит свет, пропуская электричество через ионизированный ксеноновый газ при высоком давлении. Он излучает яркий белый свет, который точно имитирует естественный солнечный свет , и используется в кинопроекторах в кинотеатрах , в прожекторах , а также для специального использования в промышленности и исследованиях для имитации солнечного света, часто для тестирования продукции.

Типы

Ксеноновые 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 плавленого кварца или другой термостойкой стеклянной дуговой трубки с металлическим вольфрамовым электродом на каждом конце. Стеклянная трубка сначала откачивается, а затем снова заполняется газообразным ксеноном. 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).

История

Первая короткодуговая ксеноновая лампа Osram -STUD XBO 1001 выпуска ~ 1954 г.

Интерес к ксеноновому разряду впервые пробудил П. Шульц в 1944 году после открытия им почти непрерывного спектра и белого света с высокой цветопередачей. Из-за ограничений военного времени на доступность этого благородного газа значительный прогресс не был достигнут до тех пор, пока Джон Алдингтон из британской ламповой компании Siemens не опубликовал свое исследование в 1949 году.

Это вызвало интенсивные усилия немецкой компании Osram по дальнейшему развитию технологии в качестве замены углеродных дуг в кинопроекциях. Ксеноновая лампа обещала огромные преимущества более стабильной дуги с меньшим мерцанием, а ее неплавящиеся электроды позволяли демонстрировать более длинные пленки без перерывов. Основным вкладом Osram в это достижение было тщательное исследование физики ксенонового разряда, направленное на создание очень коротких дуг для работы на постоянном токе с определенной геометрией электрода и колбы. Катод сохраняют маленького размера, чтобы достигать высоких температур для термоэлектронной эмиссии, анод большего размера, чтобы рассеивать тепло, генерируемое при замедлении поступающих электронов. Большая часть света генерируется непосредственно перед концом катода, где температура дуги достигает 10 000 ° C. Плазма ускоряется по направлению к аноду и стабилизируется формой электродов плюс собственное магнитное сжатие, создаваемое током, и эффекты конвекции, контролируемые формой баллона.

После этих разработок первая успешная публичная проекция с использованием ксенонового света была осуществлена ​​30 октября 1950 года, когда во время 216-й сессии Немецкого кинематографического общества в Берлине были показаны отрывки из цветного фильма ( Das Schwarzwaldmädel ). Эта технология была коммерчески представлена ​​немецкой Osram в 1952 году. Сначала эти лампы были произведены с мощностью 2 кВт (XBO2001) и мощностью 1 кВт (XBO1001), которые широко использовались в кинопроекциях , где они заменили старые, более трудоемкие (до работают) угольные дуговые лампы .

Современное использование

Белый непрерывный свет , генерируемый ксеноновой дуга спектрально похож на дневной свет, но лампа имеет довольно низкую эффективность с точкой 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. В проекционных системах Omnimax (Imax Dome) используются одиночные ксеноновые лампы мощностью до 15 кВт. С 2016 года лазерное освещение для проекторов цифровых кинотеатров начинает завоевывать рынок и, по прогнозам, заменит ксеноновую дуговую лампу для этого применения.

Очень маленький размер дуги позволяет фокусировать свет от лампы с умеренной точностью. По этой причине ксеноновые дуговые лампы меньших размеров, мощностью до 10 Вт, используются в оптике и для точного освещения микроскопов и других инструментов, хотя в наше время они заменяются одномодовыми лазерными диодами и суперконтинуумными лазерами белого света, которые могут создают 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 значительное ультрафиолетовое излучение . Ксенон имеет сильные спектральные линии в УФ-диапазоне, которые 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 специально не легирован . Ультрафиолетовое излучение лампы с короткой дугой 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 защищать от ультрафиолетового излучения и предотвращать накопление озона.

Многие лампы имеют коротковолновое УФ-блокирующее покрытие на конверте 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. Некоторые лампы имеют оболочки 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.

Конструкция лампы

Вид сбоку лампы IMAX мощностью 15 кВт с отверстиями для жидкостного охлаждения.
Osram 100 Вт ксенон / ртутные короткой дугой лампы в рефлекторе

Во всех современных ксеноновых короткодуговых лампах используется оболочка из плавленого кварца с торированными вольфрамовыми электродами. Плавленый кварц - единственный доступный в настоящее время с экономической точки зрения материал, который может выдерживать высокое давление (25 атмосфер для лампы IMAX ) и высокую температуру, присутствующую в операционной лампе, при этом оставаясь оптически прозрачным. Торий легирующей примеси в электродах значительно повышает их эмиссии электронов характеристики. Поскольку вольфрам и кварц имеют разные коэффициенты теплового расширения , вольфрамовые электроды привариваются к полосам из чистого металлического молибдена или сплава инвара , которые затем плавятся в кварце, образуя уплотнение оболочки.

Из-за очень высоких уровней мощности большие лампы имеют водяное охлаждение. В проекторах IMAX корпуса электродов изготовлены из твердого инвара и покрыты торированным вольфрамом. Уплотнительное кольцо герметизирует трубу, так что голые электроды не контактируют с водой. В приложениях 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 стоимость, водяные контуры часто не разделяются, и воду необходимо деионизировать, чтобы сделать ее электрически непроводящей, 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 внутри ламп с короткой дугой поддерживается под чрезвычайно высоким давлением - до 30 атмосфер (440 фунтов на кв. Дюйм / 3040 кПа), что создает проблемы с безопасностью. Если лампа упала или разорвалась 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 затем удаляется из оборудования и утилизируется. 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, содержащий газообразный ксенон и небольшое количество металлической ртути .

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 должен быть либо намного больше, чем катод, 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 индексом цветопередачи, близким к 100. Однако даже в лампе высокого давления есть несколько очень сильных линий излучения в ближнем инфракрасном диапазоне. , примерно в области 850–900 нм. Эта спектральная область может содержать около 10% всего излучаемого света. 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 лампы с короткой дугой.

Для некоторых применений, 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 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 в направлении более тяжелых атомов ртути. Ксеноново-ртутные лампы с короткой дугой имеют голубовато-белый спектр и чрезвычайно высокую мощность УФ-излучения . Эти лампы используются в основном для УФ- отверждения , стерилизации предметов и генерации озона .

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 или блокирующими УФ-излучение. Варианты отражателя бывают параболическими (для коллимированного света) или эллиптическими (для сфокусированного света). Они используются в широком спектре приложений, таких как видеопроекторы, волоконно-оптические осветители, освещение для эндоскопов и налобных фонарей, стоматологическое освещение и прожекторы.

Требования к источнику питания

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

Ксеноновые лампы с короткой дугой имеют отрицательный температурный коэффициент, как и другие газоразрядные лампы. Они работают при низком напряжении, сильном токе, постоянном токе и запускаются импульсами 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 плазменные колебания и тепловой убегание . 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.

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 эллиптическом отражателе эти лампы часто используются для имитации солнечного света в виде коротких вспышек, часто для фотосъемки. Типичные области применения включают тестирование солнечных элементов (с использованием оптических фильтров), моделирование солнечного излучения для определения возраста материалов, быструю термическую обработку, контроль материалов и спекание.

Ксеноновые лампы с длинной дугой широко не известны за пределами России и стран бывшего Советского Союза, но 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, чем сам газ. 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 преимущество заключается в отсутствии содержания ртути, конвективном воздушном охлаждении, отсутствии риска разрыва под высоким давлением и почти идеальной цветопередаче. 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

использованная литература