Кіріспе
Ксенон доғасы - газды разряд шамдарының ерекше түрі, электр энергиясын жоғары қысымдағы иондалған ксенон газы арқылы өткізу арқылы жарық шығаратын электр жарығы. Ол күн сәулесін имитациялайтын күшті ақ жарық береді және кинотеатрлардағы кинопроекторларда, іздеу шамдарында, сондай-ақ өнеркәсіп және ғылыми зерттеулерде арнайы қолданылады. Мысалы, ксенон доғасы мен сынап шамдары кең далалы флуоресценттік микроскоптарда қолданылатын ең көп таралған шамдардың екеуі болып табылады.
A xenon arc lamp is a highly specialized type of gas discharge lamp, an electric light that produces light by passing electricity through ionized xenon gas at high pressure. It produces a bright white light to simulate sunlight, with applications in movie projectors in theaters, in searchlights, and for specialized uses in industry and research. For instance, Xenon arc lamps with mercury lamps are the two most common lamps used in wide field fluorescence microscopes.
Түрлері
Ксенон доғалы шамдарды шамамен үш санатқа бөлуге болады: үздіксіз шығыс беретін қысқа доғалы ксенон шамдары, үздіксіз шығыс беретін ұзақ доғалы ксенон шамдары және ксенон импульстік шамдар (әдетте олар жеке қарастырылады). Олардың әрқайсысы екі ұшында вольфрам металл электродтары бар, балқытылған кварц немесе басқа да жылуға төзімді шыныдан жасалған доға түтігінен тұрады. Шыны түтікше алдымен вакуумдалып, содан кейін ксенон газымен толтырылады. Ксенон импульстік шамдарда әдетте доға түтігінің сыртына үшінші "қандыру" электрод орналастырылады. Ксенон доғалы шамның қызмет ету мерзімі оның конструкциясына және тұтынылатын қуатына қарай өзгереді, ал ірі өндірушілер орташа қызмет ету мерзімін 500 сағаттан (7 кВт) 1500 сағатқа (1 кВт) дейін бағалайды.
Тарих
Ксенондық разрядқа қызығушылықты алғаш рет 1944 жылы П. Шульц оның дерлік үздіксіз спектрін және жоғары түс беру индексімен жарқын ақ жарығын тапқаннан кейін оятты. Соғыс кезінде бұл инертті газдың қолжетімділігі шектеулі болғандықтан, 1949 жылы британдық Siemens шам компаниясының Джон Олдингтон зерттеулерін жариялағанға дейін маңызды прогресс жасалмады. Бұл неміс Osram компаниясында кинопроекциядағы көміртекті доғаларды алмастыру мақсатында технологияны одан әрі дамытуға қарқынды күш салуға түрткі болды. Ксенондық шам тұрақтанған доғаның артықшылықтарын, аз жыпылықтауын және тозбайтын электродтарының ұзақ фильмдерді үзіліссіз көрсетуге мүмкіндік беретінін ұсынды. Osram компаниясының осы жетістікке қосқан ең маңызды үлесі – ксенондық разряд физикасын жан-жақты зерттеу болды, ол дамуын DC режимінде жұмыс істеуге арналған, нақты электрод және шам пішінімен ерекшеленетін өте қысқа доғаларға бағыттады. Катод термиондық эмиссияға жету үшін кішкентай сақталады, ал анод кіріп келетін электрондардың тежелуінен пайда болатын жылуды тарату үшін үлкен болады. Жарықтың көп бөлігі катод ұшының алдында, доға температурасы 10 000°C-қа жететін жерде пайда болады. Плазма электрод пішіндерімен, сондай-ақ ток ағынынан туындайтын ішкі магниттік қысыммен және шам пішінімен басқарылатын конвекция әсерлері арқылы анодқа қарай үдетеді және тұрақтандырылады. Осы дамулардан кейін, ксенон жарығын қолдана отырып, алғашқы табысты қоғамдық көрсету 1950 жылдың 30 қазанында Берлиндегі неміс кинематографиялық қоғамының 216-шы отырысында түсті фильмнен (Schwarzwaldmädel) үзінділер көрсетілген кезде өтті. Технология 1952 жылы неміс Osram компаниясымен коммерциялық түрде енгізілді. Алғашқыда 2 кВт (XBO2001) және 1 кВт (XBO1001) көлемдерінде шығарылған бұл шамдар кинопроекциясында кеңінен қолданылды, ол жерде олар ескі, көбірек еңбек талап ететін (пайдалануға) көміртекті доға шамдарын ығыстырды.
Қазіргі қолданысы
Ксенон дулынан пайда болатын ақ үздіксіз жарық спектрлік тұрғыдан күндізгі жарыққа ұқсас, бірақ шамның кіріс қуатына шаққанда көрінетін жарық шығарудың люмендері бойынша тиімділігі өте төмен. Бүгінде кинотеатрлардағы дерлік барлық кинопроекторлар осы шамдарды пайдаланады, олардың қуаты 900 ватттан 12 кВт-қа дейін жетеді. Omnimax (Imax Dome) проекциялық жүйелері 15 кВт-қа дейінгі номиналды қуаты бар бір ксенон шамдарын қолданады. 2016 жылдан бастап цифрлық театр проекторлары үшін лазерлік жарықтандыру нарыққа еніп, осы қолданыста ксенон доғалы шамдардың орнын басады деп күтілуде. Доғаның өте кішкентай өлшемі шамнан шыққан жарықты орташа дәлдікпен бағыттауға мүмкіндік береді. Осы себепті, ксенон доғалы кішігірім, 10 ваттқа дейінгі шамдар оптикада және микроскоптар мен басқа да құралдардың дәл жарықтандыруында қолданылады, бірақ қазіргі уақытта олар бір модты лазерлік диодтармен және ақ жарық суперконтинуум лазерлерімен алмастырылуда, олар нағыз дифракциялық шектеулі нүктені тудырады. Ірі шамдар іздеу шамдарында, онда жарық сәулесінің тар шоғыры жасалады, немесе күндізгі жарықты имитациялау қажет болғанда фильмдерді түсіру жарығында қолданылады. Барлық ксенон қысқа доғалы шамдар ультракүлгін сәулеленуді айтарлықтай шығарады. Ксенонның күлгін сәулелену жолақтарында күшті спектрлік сызықтары бар, және олар стандартты шамдарда қолданылатын боросиликатты шыныдан айырмашылығы, балқытылған кварц шам қаптамасынан оңай өтеді; балқытылған кварц ерекше қоспалар қосылмаса, күлгін сәулеленуді тез өткізеді. Қысқа доғалы шам шығаратын күлгін сәулелену озонның пайда болуына байланысты екінші проблеманы тудырады. Күлгін сәулелену шамның айналасындағы ауадағы оттегі молекулаларына тиіп, оларды иондайды. Кейбір иондалған молекулалар содан кейін О3, озон ретінде қайта бірігеді. Жарық көзі ретінде қысқа доғалы шамдарды пайдаланатын жабдықтар күлгін сәулеленуден қорғайтын және озонның жиналуын болдырмайтын болуы керек. Көптеген шамдардың қаптамасында қысқа толқынды күлгін сәулеленуді тоқтатуға арналған жабын бар және олар "озонсыз" шамдар ретінде сатылады. Бұл "озонсыз" шамдар көбінесе үй ішінде, тиімді желдету мүмкін болмаған жерлерде қолданылады. Кейбір шамдардың қаптамасы өте таза синтетикалық балқытылған кремнийден жасалған ("Suprasil" сияқты), бұл құнын шамамен екі есеге арттырады, бірақ оларға вакуумдық күлгін аймағына пайдалы жарық шығаруға мүмкіндік береді. Бұл шамдар әдетте таза азот атмосферасында жұмыс істейді.
Жарық құрылысы
Қазіргі кездегі барлық ксенонды қысқа доғалы шамдар ториаттанған вольфрам электродтары бар, балқытылған кварцтан жасалған корпусты пайдаланады. Балқытылған кварц – қазіргі уақытта қол жетімді, экономикалық тұрғыдан тиімді материал, ол жоғары қысымға (IMAX шамдары үшін 25 атмосфера) және шам жұмыс істеген кездегі жоғары температураға төтеп бере алады, сонымен қатар оптикалық тұрғыдан мөлдір болады. Электродтардағы торий қоспасы олардың электронды эмиссиялық қасиеттерін едәуір жақсартады. Вольфрам мен кварцтың жылулық кеңею коэффициенттері әртүрлі болғандықтан, вольфрам электродтары таза молибден металл немесе Инвар қорытпасынан жасалған жолақтарға тіркеледі, содан кейін кварцқа балқытылып, корпустың тығыздағышын құрайды. Жоғары қуат деңгейіне байланысты үлкен шамдар сумен салқындатылады. IMAX проекторларында қолданылатын электродтардың корпусы қатты Инвардан жасалған және ториаттанған вольфраммен қапталады. О-сақина түтікті герметикалық жабады, нәтижесінде жалаңаш электродтар сумен жанаспайды. Төмен қуатты қолдануларда электродтар тиімді электронды эмиссия үшін тым салқын болады және салқындатылмайды. Жоғары қуатты қолдануларда әрбір электрод үшін қосымша сумен салқындату контуры қажет. Құныны азайту үшін су контурлары көбінесе бөлінбейді, ал судың электр өткізгіштігін жою үшін деионизацияланады, бұл кварцтың немесе кейбір лазерлік ортаның суға еруіне мүмкіндік береді. Максималды тиімділікке қол жеткізу үшін қысқа доғалы шамдардың ішіндегі ксенон газы өте жоғары қысымда – 30 атмосфераға дейін (440 фунт/квадрат дюйм / 3040 кПа) сақталады, бұл қауіпсіздік мәселелерін тудырады. Егер шам құлап кетсе немесе жұмыс істеп тұрғанда жарылса, шам корпусының бөліктері жоғары жылдамдықпен ұшып кетуі мүмкін. Бұл қауіпті азайту үшін үлкен ксенонды қысқа доғалы шамдар әдетте қорғаныш қалқандарымен жеткізіледі, ол шам жарылған жағдайда корпустың сынықтарын ұстап алады. Әдетте, шам корпусына орнатылғаннан кейін қалқан алынып тасталады. Шамның қызмет ету мерзімі біткеннен кейін қорғаныш қалқаны қайтадан шамға орнатылады, содан кейін қолданылған шам жабдықтан алынып, кәдесіздендіріледі. Шамдар ескірген сайын олардың бұзылу қаупі артады, сондықтан ауыстырылатын шамдар жарылу қаупі ең жоғары. Шам өндірушілер ксенонды қысқа доғалы шамдарды пайдаланғанда көзді қорғау құралдарын қолдануды ұсынады. Кейбір шамдар, әсіресе IMAX проекторларында қолданылатын шамдар, бүкіл денені қорғайтын киімдерді киюді талап етеді.
Жарық шығару механизмі
Ксенонды қысқа доғалы шамдар екі ерекше түрі бар: таза ксенон, ол тек ксенон газынан тұрады; және ксенон-сынапты шамдар, ксенон газы мен аздаған мөлшерде сынап металлынан тұрады.
Таза ксенон
Таза ксенонды шамның жарығының көп бөлігі катод бетінен электрон ағыны шығатын жердегі кішкентай, нүктедей плазма бұлтында пайда болады. Жарық шығару көлемі конус тәрізді, ал жарық интенсивтілігі катодтан анодқа қарай экспоненциалды түрде төмендейді. Плазма бұлтынан өтетін электрондар анодқа шағылысып, оны қыздырады. Осының салдарынан ксенонды қысқа доғалы шамдағы анод катодтан әлдеқайда үлкен болуы керек немесе жылуды тарату үшін сумен салқындатылуы тиіс. Таза ксенонды қысқа доғалы шамның шығысы шамамен 6200K түс температурасымен және 100-ге жуық түс беру индексімен үздіксіз спектрлік қуат таралуын қамтамасыз етеді. Дегенмен, тіпті жоғары қысымды шамда да жақын инфрақызыл аймақта шамамен 850–900 нм аралығында өте күшті эмиссиялық сызықтар бар. Бұл спектрлік аймақтағы жарық шығысының жалпы көлемі 10% дейін жетеді. Жарық интенсивтілігі 20 000-ден 500 000 cd/cm2 аралығында өзгереді. Мысалы, "XBO шам" – бұл OSRAM фирмасының таза ксенонды қысқа доғалы шамға берген саудалық атауы. Кейбір қолданыстарда, мысалы эндоскопия және стоматологиялық технологияда жарық жетекші жүйелер қолданылады.
Ксенон-терез
Таза ксенон шамдарындағыдай, жарықтың басым бөлігі катод бетіне жақын орналасқан кішкентай плазма бұлтынан шығады. Дегенмен, ксенон-сынап шамдағы плазма бұлты, бірдей өлшемдегі таза ксенон шамдарына қарағанда көбінесе кішірек болады, себебі электрон ағыны энергиясын ауыррақ сынап атомдарына жылдам жоғалтады. Ксенон-сынап қысқа доғалы шамдары көгілдір-ақ спектрге және өте жоғары ультракүлгін сәуле шығаруға ие. Бұл шамдар негізінен ультракүлгін сәулемен кептіру, заттарды зарарсыздандыру және озон жасау үшін қолданылады.
Ксенонды керамикалық шамдар
Ксенонды қысқа доғалы шамдар керамикалық корпусымен және ендірілген шағылыстырғышымен де жасалады. Олар түрлі шығыс қуатымен, ультракөк сәуле өткізгіш немесе тоқтатушы терезелермен қолжетімді. Шағылыстырғыш опциялары параболалық (коллимацияланған жарық үшін) немесе эллипстік (фокусталған жарық үшін) болып келеді. Олар бейнепроекторлар, оптикалық талшықты жарықтандырғыштар, эндоскоптар мен фараларды жарықтандыру, стоматологиялық жарықтандыру және іздеу шамдары сияқты көптеген қолдану салаларында қолданылады.
Электрмен жабдықтау талаптары
Ксенонды қысқа доғалы шамдар, басқа газды разрядты шамдар сияқты, теріс температура коэффициентіне ие. Олар төмен кернеуде, жоғары токпен, тұрақты токпен жұмыс істейді және 20-50 кВ жоғары кернеу импульсімен өріс эмиссиясы арқылы қосылады. Мысалы, 450 Вт шам іске қосылғаннан кейін 18 В және 25 А кернеуде қалыпты жұмыс істейді. Олар өздерінен-өзді тұрақсыз болып келеді және плазма тербелісі және жылулық қашу сияқты құбылыстарға бейім. Осы ерекшеліктеріне байланысты, ксенонды қысқа доғалы шамдарға жалынды жыпылықтатпайтын дұрыс қуат көзі қажет, себебі жыпылықтау электродтарды зақымдауы мүмкін.
Ксенондағы ұзын доғалы шамдар
Олардың құрылымы қысқа доғалы шамдарға ұқсас, бірақ шыны түтіктегі электродтар арасындағы қашықтық едәуір ұзартылған. Эллипстік шағылыстырғышқа орнатылғанда, бұл шамдар көбінесе фотосуретке түсіру үшін қысқа импульстарда күн сәулесін имитациялау үшін қолданылады. Типикалық қолданылуларға күн батареяларын сынау (оптикалық сүзгілерді пайдаланумен), материалдардың ескіруін сынау үшін күн сәулесін имитациялау, жылдам термиялық өңдеу, материалды тексеру және спекация (сінтерілеу) жатады. Ресей мен бұрынғы Кеңес Одағының елдерінен тыс жерлерде кеңінен танымал болмаса да, ұзақ доғалы ксенон шамдары теміржол станциялары, спорт ареналары, кен орындары және атом электр станцияларының жоғары биіктіктегі кең аумақтарын жалпы жарықтандыру үшін қолданылған. Бұл шамдар, Лампа ксеноновая ДКСТ, яғни "ксенон DKST лампасы" деп аталады және 2 кВт-тан 100 кВт-қа дейінгі жоғары қуаттылығымен ерекшеленеді. Лампалар плазманың термалдану режимінде жұмыс істеді, яғни электрондар газдың өзінен едәуір ыстық болған жоқ. Мұндай жағдайларда оң ток-кернеу қисығы байқалды. Бұл 5 және 10 кВт сияқты кең таралған өлшемдерге 110 және 220 вольт желілік айнымалы тогынан тікелей қуат алуға мүмкіндік берді – арқалық тұтандырғыш (игнитор) тек шамды қосу үшін қажет болды. Лампалар шамамен 30 люмен/ватт өндірді, бұл вольфрамды шамдардың тиімділігінен екі есе жоғары, бірақ металл-галогенді шамдардан төмен. Олардың артықшылықтарына сынаптың болмауы, конвекциялық ауамен салқындату, жоғары қысымда жарылу қаупінің жоқтығы және түстің жақсы көрсеткіштері жатады. Төмен тиімділік және басқа шам түрлерімен бәсекелестікке байланысты бүгінде қондырғылардың саны азайды, бірақ олар бар жерде, оларды ерекше тікбұрышты/эллипстік шағылыстырғыш және салыстырмалы түрде ұзын түтікшелі көзден шығатын ақшыл көк жарықтан тануға болады.