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氙弧灯 编辑

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氙弧灯

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氙弧灯是高度专业化类型的气体放电,一个电光源,其产生通过传递电力的光离子化氙气体在高压下。它产生一个明亮的白色光,密切模仿自然的阳光,在应用程序电影放映机的影院,在探照灯,以及在工业和研究,模拟太阳光专门的用途,经常进行产品测试

汽车中的“氙气大灯”实际上是金属卤化物灯,氙气弧只在启动时使用,一旦灯启动,立即提供最少量的光。

氙弧灯的类型

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氙弧灯大致可分为三类:连续输出氙气短弧灯、连续输出氙气长弧灯和氙气闪光灯(通常单独考虑)。

每个都由熔融石英或其他耐热玻璃电弧管组成,两端各有一个钨金属电极。首先将玻璃管抽真空,然后重新填充氙气。对于氙气闪光管,第三个“触发”电极通常围绕电弧管的外部。氙弧灯的寿命根据其设计和功耗而有所不同,主要制造商的平均寿命从500小时(7kW)到1,500(1kW)不等。

发展历史

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1944年,P.Schulz在发现近连续光谱和高显色性白光后,首次引起了对氙气放电的兴趣。由于战时对这种惰性气体的可用性的限制,直到1949年英国西门子灯公司的约翰·奥尔丁顿(JohnAldington)发表了他的研究才取得重大进展。这引发了德国欧司朗公司进一步开发该技术可替代电影放映中的碳弧。1950年10月30日,首次成功地使用氙灯进行了公共投影,当时从彩色电影(DasSchwarzwaldmädel)在柏林的德国电影学会第216届会议期间放映。该技术于1952年由德国欧司朗引入商业用途。最初以2kW尺寸(XBO2001)生产,这些灯在电影放映中得到了广泛的应用,在那里它们取代了旧的、更多的劳动力-密集(操作)碳弧灯。

现代用法

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氙弧产生的白色连续光在光谱上类似于日光,但就每瓦输入功率的可见光输出流明而言,该灯的功效相当低。今天,影院中几乎所有的电影放映机都使用这些灯,额定功率从900瓦到12千瓦。Omnimax(ImaxDome)投影系统使用额定功率高达15kW的单个氙气灯。到2016年,用于数字影院投影仪的激光照明开始占据市场地位,并预计将在此应用中取代氙弧灯。

极小的弧形尺寸可以以中等精度聚焦来自灯的光。出于这个原因,较小尺寸的氙弧灯(低至10瓦)用于光学以及显微镜和其他仪器的精密照明,尽管在现代它们已被单模激光二极管和白光超连续谱激光器所取代,这些激光器可以产生真正的衍射极限光斑。较大的灯用于产生窄光束的探照灯,或需要日光模拟的电影制作照明。

氙弧灯

所有氙气短弧灯都会产生大量的紫外线辐射。氙气在紫外波段具有很强的谱线,这些谱线很容易穿过熔融石英灯外壳。与标准灯中使用的硼硅玻璃不同,熔融石英很容易通过紫外线辐射,除非它经过特殊掺杂。短弧灯释放的紫外线辐射会导致产生臭氧的次要问题。紫外线辐射撞击灯周围空气中的氧分子,使它们电离。一些电离分子然后重新结合为O3,即臭氧。使用短弧灯作为光源的设备必须包含紫外线辐射并防止臭氧积聚。

许多灯在外壳上具有短波紫外线阻挡涂层,并作为“无臭氧”灯出售。这些“无臭氧”灯通常用于室内应用,在那里不容易获得适当的通风。WACOM公司也拥有悠久的氙气灯生产历史。一些灯的外壳由超纯合成熔融石英(例如“Suprasil”)制成,这大约使成本增加了一倍,但允许它们将有用的光发射到真空紫外线区域。这些灯通常在纯氮气氛中工作

氙弧灯的构造

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所有现代氙气短弧灯都使用带有钍钨电极的熔融石英外壳。熔融石英是目前xxx经济可行的材料,可以承受手术灯中存在的高压(IMAX灯泡为25个大气压)和高温,同时仍保持光学透明。电极中的钍掺杂剂xxx增强了它们的电子发射特性。由于钨和石英具有不同的热膨胀系数,钨电极被焊接到纯钼金属或因瓦合金条上,然后将其熔化到石英中以形成外壳密封。

由于涉及非常高的功率水平,大型灯采用水冷方式。在IMAX放映机中使用的电极体中,电极体由实心因瓦合金制成,并带有钍钨。一个O形环密封管中,从而使裸电极不接触水。在低功率应用中,电极对于有效的电子发射来说太冷并且没有冷却。在高功率应用中,每个电极都需要额外的水冷回路。为了降低成本,水回路通常不分离,需要对水进行去离子处理以使其不导电,从而让石英或某些激光介质溶解到水中。

3kW灯的透视图,显示运输过程中使用的塑料安全防护罩。

为了实现xxx效率,短弧灯内的氙气保持在极高的压力下——高达30个大气压(440psi/3040kPa)——这会带来安全问题。如果灯泡在使用过程中跌落或破裂,灯泡的碎片可能会被高速抛掷。为了缓解这种情况,大型氙气短弧灯通常装在保护罩中运输,如果发生破损,保护罩将包含外壳碎片。通常,一旦将灯安装到灯罩中,就会移除屏蔽。当灯达到其使用寿命结束时,将保护罩放回灯上,然后将用过的灯从设备中取出并丢弃。随着灯泡老化,故障风险增加,因此被更换的灯泡爆炸的风险xxx。灯泡制造商建议在处理氙气短弧灯时使用护目镜。有些灯,尤其是IMAX放映机中使用的灯,需要穿全身防护服。

光产生机制

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氙气短弧灯有两种不同的种类:纯氙气,只含有氙气;和氙-汞,它含有氙气和少量的汞金属。

纯氙气

在纯氙气灯中,大部分光是在电子流离开阴极表面的微小、针尖大小的等离子云中产生的。发光体积呈锥形,发光强度从阴极到阳极呈指数衰减。穿过等离子云的电子撞击阳极,使其发热。因此,氙气短弧灯中的阳极要么必须比阴极大得多,要么采用水冷方式来散热。纯氙气短弧灯的输出提供相当连续的光谱功率分布,色温约为6200K,显色指数接近100。然而,即使在高压灯中,在近红外区域也有一些非常强的发射线,大约在850-900nm的范围内。该光谱区域可包含总发射光的约10%。光强度范围从20,000到500,000cd/cm2。一个例子是“XBO灯”,它是欧司朗纯氙气短弧灯的商品名称。

对于某些应用,例如内窥镜和牙科技术,包括光导系统。

氙-汞

就像在纯氙气灯中一样,产生的大部分光是从阴极表面附近的精确大小的等离子体云中辐射出来的。然而,氙汞灯中的等离子体云通常比同等大小的纯氙灯小,这是因为电子流将能量更快地失去给更重的汞原子。氙汞短弧灯具有蓝白色光谱和极高的紫外线输出。这些灯主要用于紫外线固化应用、物体消毒和产生臭氧。

陶瓷氙气灯

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氙气短弧灯也采用陶瓷体和整体反射器制造。它们具有多种输出功率额定值,具有紫外线透射或阻挡窗口。反射器选项是抛物线(用于准直光)或椭圆形(用于聚焦光)。它们用于各种应用,例如视频投影仪、光纤照明器、内窥镜和前照灯照明、牙科照明和探照灯。

电源要求

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氙气短弧灯与其他气体放电灯一样具有负温度系数。它们在低压、大电流、直流下运行,并以20至50kV的高压脉冲启动。例如,一个450W的灯一旦启动就可以在18V和25A下正常工作。它们本身也不稳定,容易出现等离子振荡和热失控等现象。由于这些特性,氙气短弧灯需要合适的电源,在火焰中不会闪烁,这最终会损坏电极。

汽车头灯

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1991年,为车辆(BMWE32)引入了“氙气大灯”。这些实际上是金属卤化物灯;氙气仅用于在灯启动时立即提供一些光,这是汽车前照灯应用中安全所需的。全强度达到20〜30秒后,一旦盐的钠和钪由氙弧的热量而蒸发。灯壳很小,弧度只有几毫米。外部硬玻璃管可阻挡紫外线辐射的逸出,紫外线辐射可能会损坏塑料头灯组件。xxx个氙气大灯含有汞;较新的类型没有。

氙气长弧灯

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它们在结构上与短弧灯相似,只是玻璃管中电极之间的距离xxx拉长。当安装在椭圆形反射器内时,这些灯经常用于模拟短暂闪光的阳光,通常用于摄影。典型用途包括太阳能电池测试(使用滤光片)、用于材料老化测试的太阳能模拟、快速热处理、材料检查和烧结。

尽管在俄罗斯和前苏联卫星国之外并不常见,但长弧氙灯用于大面积的一般照明,例如火车站、体育场馆、采矿作业和核电站高棚空间。这些灯,ЛампаксеноноваяДКСТ,字面意思是“氙灯DKST”,其特点是功率范围从2kW到100kW。灯在一种特殊的放电状态下工作,其中等离子体被热化,也就是说,电子并不比气体本身热得多。在这些条件下,显示了正电流-电压曲线。这允许较大的常见尺寸(例如5kW和10kW)直接从110伏和220伏的交流电源直接运行,无需镇流器——只需要串联点火器来启动电弧。

这些灯产生大约30流明/瓦特,这大约是钨白炽灯效率的两倍,但低于更现代的光源,如金属卤化物。它们的优点是不含汞、对流空气冷却、没有高压破裂风险和近乎完美的色彩再现。由于低效率和来自更常见灯类型的竞争,今天很少安装,但在它们安装的地方,它们可以通过特征性的矩形/椭圆形反射器以及来自相对较长的管状光源的清晰蓝白光来识别。


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词条目录
  1. 氙弧灯
  2. 氙弧灯的类型
  3. 发展历史
  4. 现代用法
  5. 氙弧灯的构造
  6. 光产生机制
  7. 纯氙气
  8. 氙-汞
  9. 陶瓷氙气灯
  10. 电源要求
  11. 汽车头灯
  12. 氙气长弧灯

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