Ксеноновые лампы: принцип работы и применение.

Введение

Газоразрядная лампа, излучающая интенсивный белый свет.

Ксеноновая дуговая лампа – это высокоспециализированный тип газоразрядной лампы, источник света, в котором свет создается путем пропускания электрического тока через ионизированный ксенон под высоким давлением. Она производит яркий белый свет, имитирующий солнечный, и применяется в кинопроекторах, прожекторах, а также в специализированных промышленных и исследовательских целях. Например, ксеноновые дуговые лампы и ртутные лампы – два наиболее распространенных источника света, используемых в широкопольных флуоресцентных микроскопах.

Типы

Ксеноновые дуговые лампы можно условно разделить на три категории: ксеноновые лампы короткой дуги с непрерывным излучением, ксеноновые лампы длинной дуги с непрерывным излучением и ксеноновые импульсные лампы (которые обычно рассматриваются отдельно). Каждая из них состоит из кварцевой или другой жаропрочной стеклянной дуговой трубки с вольфрамовым электродом на каждом конце. Стеклянную трубку сначала откачивают, а затем заполняют ксеноном. Для ксеноновых импульсных ламп обычно вокруг внешней поверхности дуговой трубки располагается третий "запускающий" электрод. Срок службы ксеноновой дуговой лампы зависит от ее конструкции и потребляемой мощности, при этом один из ведущих производителей указывает средний срок службы от 500 часов (7 кВт) до 1500 (1 кВт).

История

Интерес к ксеноновым разрядам впервые пробудил П. Шульц в 1944 году, после его открытия почти непрерывного спектра и высокой цветопередачи белого света. Из-за ограничений на доступность этого благородного газа в военное время значительный прогресс не был достигнут, пока Джон Олдингтон из британской компании Siemens не опубликовал свои исследования в 1949 году. Это послужило стимулом для интенсивных усилий немецкой компании Osram по дальнейшему развитию технологии в качестве замены угольных дуговых ламп в кинопроекции. Ксеноновая лампа обещала значительные преимущества в виде более стабильной дуги с меньшим мерцанием, а ее неисчерпаемые электроды позволяли демонстрировать более длинные фильмы без перерывов. Основным вкладом Osram в это достижение стало тщательное исследование физики ксенонового разряда, которое направило разработки в сторону создания очень коротких дуг для работы на постоянном токе с определенной геометрией электродов и колбы. Катод поддерживается небольшим для достижения высоких температур, необходимых для термоэлектронной эмиссии, а 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 к аноду и стабилизируется формой электродов, а также внутренним магнитным сжатием, создаваемым потоком тока, и конвекционными эффектами, контролируемыми формой колбы. После этих разработок первая успешная публичная демонстрация с использованием ксенонового света состоялась 30 октября 1950 года, когда отрывки из цветного фильма (Schwarzwaldmädel) были показаны во время 216-й сессии Немецкого кинематографического общества в Берлине. Технология была коммерчески внедрена немецкой компанией Osram в 1952 году. Первоначально выпускавшиеся мощностью 2 кВт (XBO2001) и 1 кВт (XBO1001), эти лампы получили широкое распространение в кинопроекции, заменив более старые угольные дуговые лампы, которые требовали более сложного обслуживания.

Современное использование

Белый непрерывный свет, генерируемый ксеноновой дугой, по спектру схож с дневным светом, но лампа имеет относительно низкую эффективность с точки зрения светового потока видимого света на ватт потребляемой мощности. Сегодня почти все кинопроекторы в кинотеатрах используют эти лампы, мощность которых варьируется от 900 ватт до 12 кВт. Проекционные системы Omnimax (Imax Dome) используют одиночные ксеноновые лампы мощностью до 15 кВт. По состоянию на 2016 год лазерное освещение для цифровых кинопроекторов начинает занимать свою нишу на рынке и, как ожидается, заменит ксеноновые дуговые лампы в этом применении. Очень малый размер дуги позволяет фокусировать свет от лампы с умеренной точностью. По этой причине ксеноновые дуговые лампы меньшего размера, вплоть до 10 Вт, используются в оптике и для прецизионного освещения микроскопов и других приборов, хотя в настоящее время они вытесняются одномодовыми лазерными диодами и лазерами сверхпродолжительности белого света, способными создавать действительно дифракционно-ограниченное пятно. Лампы большей мощности используются в прожекторах, где генерируются узкие пучки света, или в освещении для 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 не подвергается специальной легировке. Ультрафиолетовое излучение, испускаемое лампой с короткой дугой, может вызывать вторичную проблему образования озона. Ультрафиолетовое излучение воздействует на молекулы кислорода в воздухе вокруг лампы, вызывая их ионизацию. Часть ионизированных молекул затем рекомбинирует в O3, озон. Оборудование, использующее лампы с короткой дугой в качестве источника света, должно быть оснащено защитой от УФ-излучения и предотвращать накопление озона. Многие лампы имеют на колбе покрытие, блокирующее коротковолновое УФ-излучение, и продаются как лампы "без озона". Эти "безозонные" лампы обычно используются в помещениях, где обеспечить надлежащую вентиляцию затруднительно. Некоторые лампы имеют колбы, изготовленные из сверхчистого синтетического плавленого кремнезема (например, "Suprasil"), что примерно удваивает их стоимость, но позволяет им излучать полезный свет в вакуумный УФ-диапазон. Эти лампы обычно работают в атмосфере чистого азота.

The white continuous light generated by the xenon arc is spectrally similar to daylight, but the lamp has a rather low efficacy in terms of lumens of visible light output per watt of input power. Today, almost all movie projectors in theaters employ these lamps, with power ratings ranging from 900 watts up to 12 kW. Omnimax (Imax Dome) projection systems use single xenon lamps with ratings as high as 15 kW. As of 2016, laser illumination for digital theater projectors is starting to establish a market presence and has been predicted to supersede the xenon arc lamp for this application. The very small size of the arc makes it possible to focus the light from the lamp with moderate precision. For this reason, xenon arc lamps of smaller sizes, down to 10 watts, are used in optics and in precision illumination for microscopes and other instruments, although in modern times they are being displaced by single mode laser diodes and white light supercontinuum lasers which can produce a truly diffraction limited spot. Larger lamps are employed in searchlights where narrow beams of light are generated, or in film production lighting where daylight simulation is required. All xenon short arc lamps generate substantial ultraviolet radiation. Xenon has strong spectral lines in the UV bands, and these readily pass through the fused quartz lamp envelope unlike the borosilicate glass used in standard lamps; fused quartz readily passes UV radiation unless it is specially doped. The UV radiation released by a short arc lamp can cause a secondary problem of ozone generation. The UV radiation strikes oxygen molecules in the air surrounding the lamp, causing them to ionize. Some of the ionized molecules then recombine as O3, ozone. Equipment that uses short arc lamps as the light source must contain UV radiation shielding and prevent ozone build up. Many lamps have a shortwave UV blocking coating on the envelope and are sold as "ozone free" lamps. These "ozone free" lamps are used commonly in indoor applications, where proper ventilation is not easily accessible. Some lamps have envelopes made out of ultra pure synthetic fused silica (such as "Suprasil"), which roughly doubles the cost, but which allows them to emit useful light into the vacuum UV region. These lamps are normally operated in a pure nitrogen atmosphere.

Конструкция лампы

Все современные ксеноновые лампы короткой дуги используют расплавленную кварцевую оболочку с торированными вольфрамовыми электродами. Расплавленный кварц – единственный экономически целесообразный материал, доступный в настоящее время, который способен выдерживать высокое давление (25 атмосфер для лампы IMAX) и высокую температуру, возникающие в работающей лампе, оставаясь при этом оптически прозрачным. Добавка тория в электроды значительно повышает их характеристики эмиссии электронов. Поскольку вольфрам и кварц имеют разные коэффициенты теплового расширения, вольфрамовые электроды привариваются к полоскам из чистого молибдена или сплава Инвар, которые затем вплавляются в кварц для формирования герметичного соединения оболочки. Из-за очень высоких уровней мощности большие лампы охлаждаются водой. В лампах, используемых в проекторах IMAX, корпуса электродов изготавливаются из цельного Инвара и покрыты торированным вольфрамом. Уплотнительное кольцо (O-ring) герметизирует трубку, предотвращая контакт оголенных электродов с водой. В маломощных приложениях электроды недостаточно нагреты для эффективной эмиссии электронов и не охлаждаются. В высокомощных приложениях необходима дополнительная система водяного охлаждения для каждого электрода. Для снижения стоимости контуры водяного охлаждения часто не разделяют, и вода должна быть деионизирована для обеспечения ее электрической непроводящей способности, что позволяет кварцу или некоторым лазерным средам растворяться в воде. Для достижения максимальной эффективности ксеноновый газ внутри ламп короткой дуги поддерживается под чрезвычайно высоким давлением – до 30 атмосфер (440 psi / 3040 kPa) – что создает риски для безопасности. Если лампа упадет или разрушится во время работы, осколки кварцевой оболочки могут быть выброшены с высокой скоростью. Для предотвращения этого большие ксеноновые лампы короткой дуги обычно поставляются в защитных кожухах, которые удержат осколки оболочки в случае повреждения. Обычно кожух снимается после установки лампы в корпус. Когда лампа достигает конца срока службы, защитный кожух надевается обратно на лампу, после чего отработанная лампа извлекается из оборудования и утилизируется. С возрастом лампы увеличивается риск отказа, поэтому наибольшему риску взрыва подвергаются лампы, подлежащие замене. Производители ламп рекомендуют использовать средства защиты глаз при работе с ксеноновыми лампами короткой дуги. Некоторые лампы, особенно используемые в проекторах IMAX, требуют использования защитной одежды для всего тела.

All modern xenon short arc lamps use a fused quartz envelope with thoriated tungsten electrodes. Fused quartz is the only economically feasible material currently available that can withstand the high pressure (25 atmospheres for an IMAX bulb) and high temperature present in an operating lamp, while still being optically clear. The thorium dopant in the electrodes greatly enhances their electron emission characteristics. Because tungsten and quartz have different coefficients of thermal expansion, the tungsten electrodes are welded to strips of pure molybdenum metal or Invar alloy, which are then melted into the quartz to form the envelope seal. Because of the very high power levels involved, large lamps are water cooled. In those used in IMAX projectors, the electrode bodies are made from solid Invar and tipped with thoriated tungsten. An O ring seals the tube, so that the naked electrodes do not contact the water. In low power applications the electrodes are too cold for efficient electron emission and are not cooled. In high power applications an additional water cooling circuit for each electrode is necessary. To reduce cost, the water circuits are often not separated and the water needs to be deionized to make it electrically non conductive, which lets the quartz or some laser media dissolve into the water. To achieve maximum efficiency, the xenon gas inside short arc lamps is maintained at an extremely high pressure — up to 30 atmospheres (440 psi / 3040 kPa) — which poses safety concerns. If a lamp is dropped or ruptures while in service, pieces of the lamp envelope can be thrown at high speed. To mitigate this, large xenon short arc lamps are normally shipped in protective shields, which will contain the envelope fragments should breakage occur. Normally, the shield is removed once the lamp is installed in the lamp housing. When the lamp reaches the end of its useful life, the protective shield is put back on the lamp, and the spent lamp is then removed from the equipment and discarded. As lamps age, the risk of failure increases, so bulbs being replaced are at the greatest risk of explosion. Lamp manufacturers recommend the use of eye protection when handling xenon short arc lamps. Some lamps, especially those used in IMAX projectors, require the use of full body protective clothing.

Механизм генерации света

Ксеноновые лампы короткой дуги выпускаются двух основных типов: ксенон, содержащий только ксеноновый газ; и ксенон с ртутью, содержащий ксеноновый газ и небольшое количество металлической ртути.

Чистый ксенон

В чистой ксеноновой лампе большая часть света генерируется внутри крошечного, точечного облака плазмы, расположенного в месте выхода электронного потока с поверхности катода. Объем генерации света имеет коническую форму, а световая интенсивность экспоненциально уменьшается при движении от катода к аноду. Электроны, проходя через облако плазмы, сталкиваются с анодом, вызывая его нагрев. В результате анод в ксеноновой лампе с короткой дугой должен быть значительно больше катода или охлаждаться водой для рассеивания тепла. Излучение чистой ксеноновой лампы с короткой дугой обеспечивает достаточно непрерывное спектральное распределение мощности с цветовой температурой около 6200 К и индексом цветопередачи, близким к 100. Однако даже в лампе высокого давления присутствуют очень интенсивные линии излучения в ближнем инфракрасном диапазоне, приблизительно в области 850–900 нм. В этой области спектра может содержаться около 10% от общего излучаемого света. Интенсивность света варьируется от 20 000 до 500 000 кд/см². Примером является лампа "XBO" – торговое наименование OSRAM для ксеноновой лампы с короткой дугой. Для некоторых областей применения, таких как эндоскопия и стоматология, используются системы световодов.

Ксенон-ртуть

Как и в чистой ксеноновой лампе, большая часть производимого света излучается из плазменного облака размером с точку вблизи лицевой стороны катода. Однако плазменное облако в ксеноновой ртутной лампе часто меньше, чем в ксеноновой лампе аналогичного размера, поскольку электронный поток быстрее теряет энергию, взаимодействуя с более тяжелыми атомами ртути. Ксеноновые ртутные лампы короткой дуги имеют голубовато-белый спектр и чрезвычайно высокую ультрафиолетовую составляющую. Эти лампы в основном используются для УФ-отверждения, стерилизации объектов и генерации озона.

Ксеноновые лампы из керамики

Ксеноновые лампы короткой дуги также изготавливаются с керамическим корпусом и встроенным отражателем. Они доступны в различных вариантах выходной мощности с ультрафиолетопропускающими или ультрафиолетоблокирующими стеклами. Варианты отражателей включают параболические (для коллимированного света) и эллиптические (для сфокусированного света). Они применяются в широком спектре устройств, таких как видеопроекторы, осветители для оптоволокна, освещение эндоскопов и налобных фонарей, стоматологическое освещение и прожекторы.

Требования к электроснабжению

Ксеноновые лампы короткой дуги, как и другие газоразрядные лампы, имеют отрицательный температурный коэффициент. Они работают при низком напряжении, высоком токе и постоянном токе, а запуск осуществляется полевым излучением с помощью высоковольтного импульса от 20 до 50 кВ. Например, лампа мощностью 450 Вт после запуска работает в нормальном режиме при напряжении 18 В и токе 25 А. Эти лампы также по своей природе нестабильны и подвержены таким явлениям, как колебания плазмы и тепловой провал. Из-за этих особенностей ксеноновые лампы короткой дуги требуют правильно подобранного источника питания, обеспечивающего стабильную работу без мерцания, которое может привести к повреждению электродов.

Ксеноновые лампы длинной дуги

Они по структуре 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 коротких вспышках, в частности для фотосъемки. Типичные области применения включают испытания солнечных элементов (с использованием оптических фильтров), моделирование солнечного излучения для оценки стойкости материалов, быстрое термическое воздействие, контроль материалов и спекание. Хотя они малоизвестны за пределами России и бывших стран советского блока, длинные ксеноновые лампы использовались для общего освещения больших площадей, таких как железнодорожные вокзалы, спортивные арены, горнодобывающие предприятия и высотные помещения атомных электростанций. Эти лампы, Лампа ксеноновая ДКСТ, буквально "лампа ксеноновая ДКСТ", отличались высокой мощностью в диапазоне от 2 кВт до 100 кВт. Лампы работали в специфическом режиме разряда, при котором плазма была термизована, то есть температура электронов ненамного превышала температуру газа. В этих условиях демонстрировалась положительная вольт-амперная характеристика. Это позволяло более крупным, распространенным моделям, таким как 5 и 10 кВт, работать непосредственно от сети переменного тока напряжением 110 и 220 вольт соответственно, без использования балласта – требовался лишь последовательный запальник для запуска дуги. Лампы производили около 30 люмен/Вт, что примерно вдвое выше эффективности ламп накаливания с вольфрамовой нитью, но ниже, чем у более современных источников, таких как металлогалогенные лампы. Их преимуществами были отсутствие ртути, конвективное воздушное охлаждение, отсутствие риска взрыва из-за высокого давления и почти идеальная цветопередача. В связи с низкой эффективностью и конкуренцией со стороны более распространенных типов ламп, сегодня осталось мало установок, но их можно узнать по характерному прямоугольному или эллиптическому отражателю и яркому голубовато-белому свету от относительно длинного трубчатого источника.