Ксеноновая дуговая лампа

Ксеноновая дуговая лампа - источник искусственного света. При помощи электричества возбуждается газ ксенон, что дает яркий белый свет, близкий по спектру к дневному.

Ксеноновые лампы можно разделить на следующие категории:

• Длительной работы с короткой дугой
• Длительной работы с длинной дугой
• Ксеноновая лампа-вспышка (обычно рассматривается отдельно)

Лампа состоит из: колба стекла или кварцевого стекла, с вольфрамовыми электродами с каждого конца. Каждая колба вакуммирована и затем заполнена газом ксеноном. Ксеноновые лампы-вспышки имеют третий поджигающий электрод, опоясывающий колбу.

История и современное использование

Ксеноновая лампа с короткой дугой была изобретена в 1940х в Германии и представлена в 1951 компанией Osram. Запущенная 2 кВ моделью, лампа нашла широкое применение в кинопроекторах, откуда вытеснила преимущественно угольные дуговые лампы. Яркий продолжительный белый свет, близкий к дневному, генерируемый лампой омрачается тем, что эффективность ее в 2 раза ниже (количество люмен видимого света на 1 ватт затраченной электроэнергии). На сегодня практически все кинопроекторы используют эти лампы мощностью от 900 вт до 12 кВт. Лампы в проекторах IMAX могут достигать мощности в 15 кВт в одной лампе.

Конструкция лампы

Все современные ксеноновые дуговые лампы используют колбу из кварцевого стекла с электродами из легированного торием вольфрама. Кварцевое стекло единственный экономически приемлемый материал, который выдерживает высокое давление (25 атм в колбе ламп для IMAX), нагрев и при этом остается оптически прозрачным. Легирование электродов торием сильно увеличивает эмиссию ими электронов. Так как коэффициент теплового расширения кварцевого стекла и вольфрама различаются, вольфрамовые электроды вварены в полосы из чистого молибдена или инвара, которые вплавлены в колбу.

В связи с тем что к лампе подводятся большие мощности, крупные лампы обычно имеют водяное охлаждение. В маленьких лампах температура электродов недостаточна для эффективной эмиссии электронов,а в крупных охлаждение каждого электрода необходимо. Если для экономии используется один контур охлаждения электродов то вода должна быть сильно деионизированной.

Для повышения эффективности лампы, ксенон находится в колбе при экстремальных давлениях (до 300 атм), что накладывает особые требования по безопасности. При повреждении лампы осколки колбы могут разлететься с огромной скоростью. Обычно лампа транспортируется в специальном пластиковом контейнере, и снимается с лампы только после установки лампы на место, и надевается на лампу при ее демонтаже. При старении лампы риск ее взрыва возрастает, поэтому лампа должна демонтироваться с высокой осторожностью. Из соображений безопасности производители ксеноновых дуговых ламп рекомендуют использовать защиту для глаз при обслуживании лампы. Из-за опасности лампы, используемые в IMAX требуют полной защиты тела при работе.

Механизм генерации света

Ксеноновые короткодуговые лампы бывают с чистым ксеноном в колбе, и ксеноново-ртутные, когда к газу ксенону добавлены небольшие количества ртути.

В чисто ксеноновых лампах основное количество света генерируется маленькими точечными облачками плазмы в том месте, где поток электронов покидает поверхность электрода. Генерирующая свет поверхность конусной формы, и интенсивность свечения падает экспоненциально расстоянию от катода к аноду. Электроны, пробиваясь через облачки плазмы бомбардируют анод, нагревая его. В итоге анод имеет большие размеры, чем катод или использует водяное охлаждение для отвода тепла. Чисто ксеноновые лампы имеют близкий к дневному спектр. Спектр излучения приблизительно ровный по всем длиннам волн видимого спектра.

В лампах высокого давления несколько сильных спектральных линий около инфракрасного диапазона, примерно 850-900 нм. Эти линии могут составлять до 10% всего излучения.

В ксеноново-ртутных лампах основное количество света генерируется маленькими точечными облачками плазмы на концах каждого электрода. Светящаяся зона представляет собой 2 конуса, светимость падает экспоненциально при движении от электрода к центру. Ксеноново-ртутные лампы имеют голубовато-белый свет с сильным выходом ультрафиолета. Эти лампы применяются для УФ лечебных целей, стерилизацией объектов и генерирования озона.

Очень маленький размер дуги делает возможным очень точный фокус света с лампы. Маленькие (10 Вт) ксеноновые дуговые лампы используют в прецизионной подсветке в микроскопах и других инструментах. Более крупные лампы дают узкий пучок поисковых фонарей, или в киносъемках когда нужен эффект дневного света.

Все ксеноновые дуговые лампы генерируют ощутимые количества УФ излучения во время работы. У ксенона мощные спектральные линии в области УФ, который охотно проходит через кварцевое стекло. В отличие от боросиликатного стекла, используемого в обычных лампах кварцевое стекло не задерживает УФ излучение. УФ, генерируемый лампой может создавать проблему побочного образования озона.

Керамические ксеноновые лампы

Ксеноновые короткодуговые лампы могут выпускаться с керамической оболочкой и встроенным рефлектором. Они доступны различной мощности как с УФ прозрачными окнами так и с УФ блокирующими. Рефлекторы могут быть как параболическими (для параллельного пучка) так и эллиптическими (для фокусированного пучка). Они используются во множестве устройств: видеопроекторы, поисковые огни, оптоволоконная подсветка и т.д.

Требования по питанию

Ксеноновые короткодуговые лампы - низковольтные, сильноточные устройства постоянного тока с отрицательным температурным коэффициентом. Они требуют импульс в 50 кВ для поджига и экстремально хорошую регулировку тока в процессе работы. Они по сути своей нестабильны и имеют склонность к колебаниям плазмы и температурному убеганию (изменение характеристик при нагреве, приводящие к еще большему нагреву). Поэтому ксеноновая дуговая лампа требует изощренного блока питания для длительной стабильной работы. Обычно необходимо регулировать ток через лампу, а не напряжение. Например 450 Вт лампа работает при 18 В и 25 А.

Технология в быту

Проникновение ксеноновых технологий на потребительский рынок произошло в 1991 году с появлениям биксеноновых ламп для автомобилей. Данные лампы имеют маленький размер и длину дуги всего пару миллиметров. Добавки ртути, солей натрия и скандия значительно повышают выход света, таким образом ксенон используется для получения света непосредственно после поджига лампы.

Ксеноновые длиннодуговые лампы

Структурно эти лампы аналогичны короткодуговым лампам, за исключением того что колба, окружающуя дугу, сильно удлинена. При применении эллиптического рефлектора эти лампы часто используют для моделирования солнца. Например при тестировании солнечных батарей, искуственного старения материалов, инспекция материалов и т.д.