Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет «Львівська політехніка»

Кафедра фотоніки

Реферат

з лазерної техніки та квантової електроніки

на тему:

«Дугові ксенонові лампи»

Виконав:

студент гр. ОТ-31

Пастернак Б. А.

Перевірив:

доцент Вороняк Т. І.

Львів 2013

План

1. Класифікація та характеристики

2. Будова

3. Принцип роботи

4. Застосування

5. Промислові зразки

Класифікація та характеристики

Ксенонова дугова лампа – спеціалізований тип газорозрядних ламп, в яких світло виробляється внаслідок проходження енергії через йонізований ксенон під високим тиском. Даний тип випромінювачів був винайдений у 40-х роках 20 століття в Німеччині, а перші прототипи представлені в 1951 році компанією Osram.

Ксенонові дугові лампи поділяють на 3 типи за видом дуги та способом дії: короткодугові постійної дії (невеликий розмір дуги дає можливість досить точно сфокусувати світло, це є однією з переваг даного типу ламп над металогалогенними), довгодугові постійної дії та імпульсні лампи. За вмістом газу поділяють на лампи з ксеноном та лампи з домішками ртуті. За матеріалом виготовлення поділяють на кварцові та керамічні.

Будова

Кварцові лампи складається з кварцової колби, зпаяної з вольфрамовими електродами з кожної сторони, оскільки кварц – єдиний економічно вигідний матеріал, який може витримувати тиск до 25-30 атмосфер та високу температуру залишаючись прозорим. В електродах вольфрам, легований торієм, значно покращує характеристики електронного випромінювання. Оскільки вольфрам та кварц мають різні коефіцієнти термічного розширення, то електроди зварюють зі смугами з молібдену чи інвару (сплав заліза з нікелем), які сплавлені з кварцом. Молібденова фольга товщиною близько 20 мм притравлена до гострої ріжучої вершини з обох сторін. При нагріванні абсолютне розширення фольги по товщині настільки незначне, що поглинається кварцом. По ширині гострі вершини не впливають на кварц. Цей метод використовується лише для низько ватних ламп, тому що фольга розрахована на дію струму до 10 ампер і називається фольгове ущільнення. Інший метод полягає в пресуванні фольги в чашкоподібну форму замість кількох паралельно з’єднаних пластин (молібденове чашкоподібне ущільнення). Єдиним недоліком є велика ціна виготовлення фольги такої форми та ненадійність ущільнення по круговій ріжучій вершині. Ще один метод є більш механічно та електрично надійний. Він полягає в тому, що струм передається безпосередньо через стрижень, до якого закріплений електрод. В ролі посередника між вольфрамом та кварцом виступає ряд різних видів скла з різними коефіцієнтами розширення, які падають від стрижня: біля вольфраму скло з близьким до його значенням роширення, так само і біля кварцу, а між ними – 1 або 2 «посередники». Цей метод має назву градуйоване ущільнення. Він є найбільш надійним та чистим методом ущільнення для високострумних ламп. Оскільки ущільнене скло чутливе до змін температури, воно не повинно розташовуватись близько до дуги та аноду. Для цього використовують різні методи закріплення електродів у колбі: капілярне, в якому трубка-муфта притиснена до електрода на певній ділянці та дискове – електрод, розміщений у центрі міцної трубки великого діаметру, тримається дисковою головкою форми клапана та вольфрамовою пружиною. Великі лампи піддають водяному охолодженню, оскільки задіюються високі рівні енергії. «Ніс» лампи розташований на колбі чи на шиї лампи. Його ще називають вихлопною трубою, оскільки через нього закачують газ в лампу. Важливою умовою ефективної дії лампи є захист від окислення. Для цього використовують спеціальне скло з низькою температурою плавлення. Близькі хімічні та фізичні зв’язки цього скла з вольфрамом утворюють додаткове ущільнення від атмосферного кисню

Ксенон закачують в колбу під високим тиском щоб досягнути максимальної ефективності. Це може призвести до небезпеки при неправильному користуванні, падінні лампи або виникненні тріщин, тому лампу доставляють в захисному корпусі, який затримає частини кварцу при вибуху.

Керамічні лампи мають ті ж спектральні характеристики, стабільні кольорові характеристики, відмінну передачу кольору та модулюючу здатність. Перевагами даного типу є компактність, менший розмір дуги (більше значення струму і, відповідно, більша яскравість при тому ж рівні споживання енергії), міцність (безпечність), відсутність розсклування (перетворення склоподібних твердих тіл в кристалічні) на відміну від звичайних ксенонових ламп. Конструкція лампи не має в собі органічних матеріалів, ртуті, рідкоземельних елементів чи інших матеріалів, які спричинюють складності при утилізації. Складові зроблені високотемпературних припаїв у приладах, які обмежують його згідно з допустимими відхиленнями розмірів. Основні «вузли» лампи – катод, анод, відбивач. Катодний вузол (3a) складається з лампового катода (3b), стояка який тримає катод з віконним бортом (3c), вікна (3d) та здобувача (3e). Катод представляє собою частину формою олівця з вольфраму, легованого торієм. Стояки жорстко закріплені з катодом та проводять струм до нього. Лампове вікно – подрібнений відполірований кристал сапфіру (AlO2), оскільки цей матеріал дає змогу змінити коефіцієнт термічного розширення вікна до значення коефіцієнта для борту для герметичного запечатування при різних значеннях температури. Крім цього, сапфір має добру теплопровідність, що забезпечує рівномірний потік тепла до борта лампи для запобігання тріщин у вікні. Здобувачі обгорнуті навколо катода та розміщені на стояках. Їх функція – поглинання забруднюючих газів, які виділяються в лампі, та збільшення часу життя лампи, запобігаючи забрудненню катода і попаданню непотрібних матеріалів на відбивач та вікно. Анодний вузол (3f) складається з анода (3g), бази (3h) та трубки (3i). Анод зроблений з вольфраму і формою набагато тупіший за катод та має вигляд зрізаного конуса. Через анод проходить до 80% надлишкового тепла, решта – через катод, тому анод має нижчий термічний опір. Це пояснює чому база відносно масивна. Вона зроблена із заліза чи іншого термопровідного матеріалу щоб відводити тепло від аноду. Трубка призначена для зняття лампи або наповнення її ксеноном, вона також є найбільш крихким елементом лампи, тому має бути додатково захищена. Після закачки трубку защіплюють або запломбовують холодним зварюванням за допомогою гідравлічного знаряддя. Вузол відбивача (3j) складається з відбивача (3k) та двох муфт (3l). Відбивач зроблений з майже чистого полікристалічного оксиду алюмінію, він засклений високотемпературним матеріалом для надання певної форми. Якщо відбивач параболічний, то вихідні промені паралельні, а якщо еліптичний – сфокусовуються в певній точці. Їх перевіряють по партіях щоб впевнитись в тому, що вони не пошкодять оптичні характеристики лампи. Після цього відбивач запломбовують з муфтами та застосовують відбиваюче покриття на засклену внутрішню поверхню. Для ламп класу F відбивач покривають срібним сплавом, для УФ ламп – алюмінієве покриття. Така конструкція відбивача дозволяє набагато зменшити шанси окиснення, яке руйнує поверхню відбивача.

Вузли герметизують вольфрам інертним зварюванням (електродугове зварювання), зварюючи муфти катода й анода. Перед герметизацією перевіряють розмір дуги та відсутність витікання, тиск та розміщення дуги відносно відбивача. Після цього закачують ксенон і включають лампи на 2 години щоб стабілізувати катод, а потім перевіряють випромінювання лампи.

В лампі без домішок більшість світла генерується в хмарі, розміром в точку, де потік електронів виходить з катоду, та поширюється конусоподібно. Світлова інтенсивність спадає експоненціально від катода до анода. Електрони, проходячи через плазму, потрапляють на анод, нагріваючи його. Звідси випливає, що розміри аноду мають бути більшими або він повинен охолоджуватись. Вироблене світло має неперервний розподіл спектральної оптичної сили при кольоровій температурі 6200 К та індекс кольоропередачі близький до 100, хоча дане випромінювання має кілька ліній в близькому інфрачервоному спектрі (850-900 нм) і може досягати 10% від всього випромінювання. Інтенсивність світла лежить в межах від 20000 до 500000 кд/ .

В лампах з домішками ртуті більшість світла генерується в хмарах розміром точки на кінці кожного електрода. Світло поширюється у вигляді двох конусів, які перетинаються, а інтенсивність спадає від електродів до центру лампи. На відміну від ксенонових ламп без домішок, ці лампи мають спектр випромінювання зміщений до ультрафіолету (біло-голубе світло), а також мають значну випромінювання в УФ області. Це становить небезпеку для здоров’я, оскільки дане випромінювання може спричинити генерацію озону (іонізація молекул кисню навколо колби). Тому використовують колби з домішками, які не пропускають УФ світло.

Ксенонові імпульсні лампи генерують інтенсивне некогерентне широко спектральне біле світло і складаються з герметичної скляної колби, електродів, зарядженого конденсатора, газу та під’єднаного високовольтного джерела. Конденсатор використовується для дуже швидкої доставки високих струмів при запалюванні лампи. Колба представляє собою тонку трубку, зроблену з кварцового, боросилікатного чи пірексового скла і може мати різну форму: пряма, спіральна, «U» подібна та кругова. Дані лампи випромінюють в УФ області, що може спричинити генерацію озону, пошкодження лазерних стержнів, погіршення пластику та інші ефекти. Щоб запобігти цьому, використовують кварцове скло, леговане діоксидом титану, який має свої недоліки як, наприклад, ефект соляризації (зміна кольору матеріалу при дії високоенергетичного випромінювання). Кращою заміною є кварц легований церієм, оскільки в цьому склі відсутній ефект соляризації та вища ефективність. Крім цього, частина поглинутого УФ світла пере випромінюється як видиме через флуоресценцію (затримує хвилі до 380 нм). У випадках коли необхідно УФ випромінювання, використовують штучний кварц. Він є найдорожчим матеріалом, але несприйнятливий до соляризації та затримує хвилі до 160 нм.

Електроди виступають з кожного кінця трубки та припаяні до скла. Використовують кілька різних методів. При смужковій герметизації молібденову фольгу закріплюють на скло, що ефективно протягом тривалого проміжку часу, але має обмеження по кількості струму, який може проходити через фольгу. Ущільнення припоєм – закріплення скла до електроду зі спайкою для дуже міцного механічного ущільнення. Обмеженням є робота в низьких температурних режимах. Найбільш загальним методом є стержневе ущільнення. Для цього електрод «змочують» іншим типом скла, а потім зв’язують з кварцовою трубкою. Ущільнення та скло повинні мати однаковий коефіцієнт розширення. Така конструкція має великий термін експлуатації та може працювати при високих значеннях температур та струму. Щоб запобігти швидкому зношенню, електроди виготовляють з вольфраму. Катод часто виготовляють з пористого вольфраму в суміші з барієм, що дає низьку роботу виходу, анод – з чистого вольфраму чи з легованого лантаном для забезпечення додаткової поверхні щоб справитись з енергетичними навантаженнями. Трубки мають катод зі згладженим радіусом щоб зменшити падіння гарячих точок і зменшити шуми, які створюються піковими струмами, які досягають 1000 ампер. Важливо достатньо охолоджувати катод щоб продовжити час експлуатації.