Как уже упоминалось, характеристики ксеноновых ламп делают их очень рекомендуемым решением для освещения кухонь и офисов  . Они очень удобны для освещения рабочих поверхностей, размещая лампы под верхними шкафами на кухне.

Ксеноновые лампы являются хорошим вариантом для освещения рабочих зон, от мастерских до врачебных кабинетов, офисов и учебных заведений. их тоже превосходен в розничной торговле для демонстрации товаров в помещении или на витринах, поскольку характеристики этого типа света улучшают внешний вид товаров.

Некоторые ксеноновые лампы могут содержать токсичные вещества, такие как ртуть, поэтому мы рекомендуем вам быть очень осторожными при обращении с ними или доверить это профессионалу.

Онлайн-кампус микроскопии ZEISS | Ксеноновые дуговые лампы

Введение

Ксеноновые и ртутные короткодуговые плазменные лампы обладают наивысшей яркостью и яркостью из всех непрерывно работающих источников света и очень близки к идеальной модели точечного источника света.

Несмотря на то, что ксеноновые лампы производят широкополосное, почти непрерывное излучение, имеющее цветовую температуру, близкую к солнечному свету в видимом диапазоне длин волн (часто называемом белым светом ), они демонстрируют сложный линейчатый спектр в диапазоне от 750 до 1000 нанометров ближнего света. -инфракрасный спектр (см. рис. 1). Кроме того, около 475 нанометров в видимой области существует несколько линий с более низкой энергией. В диапазоне от 400 до 700 нанометров примерно 85 процентов всей энергии, излучаемой ксеноновой лампой, приходится на континуум, тогда как около 15 процентов приходится на линейчатый спектр. Спектральный выход (цветовая температура) ксеноновой лампы не меняется по мере старения устройства (даже до конца срока службы), и, в отличие от ртутных дуговых ламп, полный профиль излучения возникает мгновенно при включении. Мощность ксеноновой лампы остается линейной в зависимости от приложенного тока и может регулироваться для специализированных приложений. Кроме того, спектральная яркость не изменяется при изменении тока лампы. Типичная лампа XBO 75 производит световой поток примерно 15 люмен на ватт, но лампе требуется несколько минут после зажигания для достижения максимальной светоотдачи из-за того, что давление газа ксенона внутри колбы продолжает увеличиваться, пока она не достигнет конечной рабочей температуры. и достигает теплового равновесия.

Максимальное распределение яркости рядом с катодом в области дуги ксеноновой лампы XBO 75 (часто называемой горячей точкой или плазменным шаром ) составляет примерно 0,3 x 0,5 мм в размере и может рассматриваться для всех практических целей. для целей оптической микроскопии, точечный источник света, который будет производить коллимированные лучи высокой интенсивности при правильном направлении через систему конденсирующих линз в фонаре. В большинстве приложений флуоресцентной микроскопии свет, собранный от дуги ксеноновой лампы, отражается на точечном отверстии или задней апертуре объектива. Типичная контурная карта лампы XBO 75 показана на рис. 2(а), а распределение силы светового потока для той же лампы показано на рис. 2(б). На контурной карте яркость дуги наиболее интенсивна на кончике катода и быстро падает вблизи анода. Картина интенсивности потока (рис. 2(b)) демонстрирует, по большей части, превосходную вращательную симметрию вокруг лампы, но затенена электродами в областях, окружающих ноль и 180° на карте, где интенсивность резко падает. В ксеноновых дуговых лампах общая выходная мощность лампы составляет более 1000 нанометров в спектральной полосе пропускания, при этом на плазменную дугу и электроды приходится примерно половина общего излучения. Существенный вклад электродов обусловлен их большой площадью поверхности и высокими температурами. Большая часть излучения с более низкой длиной волны (по сути, видимый свет) исходит от плазменной дуги, тогда как на электроды приходится большая часть инфракрасного излучения (выше 700 нанометров). Свечение и интенсивность излучения, генерируемые дуговыми лампами, являются важными элементами для инженеров при проектировании оптики и стратегии охлаждения систем распределения света для применений в оптической микроскопии.

В таблице 1 представлены значения оптической выходной мощности типичного 75-ваттного источника света XBO после прохождения через оптическую систему микроскопа и выбранные наборы флуоресцентных фильтров. Мощность (в милливатт/см ² ) измеряли в фокальной плоскости объектива микроскопа (40-кратный сухой флюорит, числовая апертура = 0,85) с использованием радиометра на основе фотодиодов. Для проецирования света через объектив в датчик радиометра использовалось либо зеркало с коэффициентом отражения более 95% от 350 до 800 нанометров, либо стандартный набор флуоресцентных фильтров. Потери светопропускной способности в системе освещения микроскопа могут варьироваться примерно от 50 до 99 процентов входной мощности, в зависимости от механизма соединения источника света и количества фильтров, зеркал, призм и линз в оптической цепи. Например, для типичного инвертированного микроскопа исследовательского класса, соединенного с ламповым блоком XBO на входе эпи-осветителя, менее 70 процентов света, выходящего из системы собирающих линз, доступно для возбуждения флуорофоров, расположенных в фокусе объектива. самолет.

Ориентация ксеноновой лампы имеет решающее значение для правильной работы и долговечности. В тех лампах, которые предназначены для вертикальной работы (до угла отклонения от оси 30), анод расположен вверху, а катод находится внизу в нижней части лампы. Эта конфигурация осесимметрична и обеспечивает отличные характеристики дуги. Напротив, лампы, предназначенные для горизонтальной работы (хотя они также могут работать и вертикально), создают дугу, требующую стабилизации, чтобы уменьшить преждевременный и ускоренный износ электродов. Горизонтальная работа лампы не отличается симметрией, присущей вертикальной работе лампы, хотя такая ориентация требуется для некоторых конструкций ламповых домов. Стабилизация дуги в горизонтальных лампах проще всего достигается с помощью стержнеобразных магнитов, установленных параллельно оси лампы, непосредственно под колпаком. Магнитное поле тянет дугу вниз, повышая стабильность, которую можно точно настроить, изменяя расстояние между магнитом и оболочкой. Изменение положения лампы путем поворота на 180 градусов в период полураспада лампы позволяет более равномерно распределить испарившийся электродный материал на внутренних стенках оболочки. Следует отметить, что разумным выбором является использование вертикальной ориентации ксеноновых ламп, когда это возможно, в конфигурациях флуоресцентной микроскопии.

Срок службы ксеноновой дуговой лампы в первую очередь определяется уменьшением светового потока из-за испарения вольфрама, который со временем осаждается на внутренней стенке колбы. Распад наконечника катода и воздействие ультрафиолетового излучения на кварцевую оболочку также способствуют старению лампы и стабильности. Частые возгорания лампы ускоряют износ электродов и приводят к преждевременному почернению оболочки. Почернение постепенно снижает светоотдачу и сдвигает спектральные характеристики в сторону более низкой цветовой температуры. Почернение лампы, которое увеличивает рабочую температуру оболочки из-за поглощения энергии излучаемого света, происходит медленно на ранних стадиях срока службы лампы, но быстро увеличивается на более поздних стадиях. Другими факторами, негативно влияющими на срок службы ксеноновой лампы, являются перегрев, слабый ток, пульсации источника питания, неправильное положение горения, чрезмерный ток и неравномерное почернение оболочки. Средний срок службы лампы (рассчитанный производителями) основан на периоде горения приблизительно 30 минут для каждого случая возгорания. Обычно считается, что окончанием срока службы лампы является точка, в которой мощность ультрафиолетового излучения снижается примерно на 25 %, нестабильность дуги возрастает более чем на 10 % или лампа вообще прекращает зажигание. Как правило, ксеноновые лампы следует заменять (даже если они еще могут загореться), когда средний срок службы превышается на 25 процентов. 9Ксеноновая дуговая лампа Конструкция

Ксеноновые дуговые лампы изготавливаются со сферическими или эллипсоидальными оболочками, состоящими из плавленого кварца, одного из немногих оптически прозрачных материалов, способных выдерживать чрезмерные тепловые нагрузки и высокое внутреннее давление, воздействующее на материалы, используемые при изготовлении эти лампы. Для большинства применений в оптической микроскопии ксеноновые лампы обычно содержат кварцевый сплав, легированный соединениями церия или диоксидом титана для поглощения ультрафиолетовых длин волн, которые служат для образования озона во время работы. Типичный плавленый кварц пропускает свет с длиной волны до 180 нанометров, тогда как легирование стекла ограничивает излучение лампы длиной волны выше 220 нанометров. Ксеноновые лампы, оборудованные для работы без озона, часто обозначаются кодом 9.0141 ОФР с указанием их класса. Подобно процессу изготовления ртутных ламп, кварц, используемый для корпусов ксеноновых ламп, изготавливается из трубок высочайшего качества, которые тщательно формируются на токарном станке в готовую колбу с помощью методов расширения воздуха. Во время работы корпус лампы может нагреваться до температуры от 500 до 700°С, что требует жестких производственных допусков для сведения к минимуму риска взрыва.

Анодные и катодные электроды в ксеноновых дуговых лампах изготавливают из кованого вольфрама или специальных вольфрамовых сплавов, легированных оксидом тория или соединениями бария для снижения работы выхода и повышения эффективности электронной эмиссии. В производстве ксеноновых дуговых ламп используются только самые чистые сорта вольфрама. Высококачественный вольфрам имеет очень низкое давление паров и гарантирует, что электроды ксеноновых ламп способны выдерживать чрезвычайно высокие температуры дуги (более 2000 C для анода), возникающие во время работы, и помогает свести к минимуму накопление отложений на оболочке. Из-за сложности обработки электродов с такими высокочистыми сортами вольфрама на протяжении всего процесса требуются керамические инструменты, чтобы избежать попадания загрязняющих веществ. После изготовления катод припаивается к молибденовому стержню или пластине для поддержки, но стержень анода состоит из твердого вольфрама, поскольку он подвергается гораздо более высоким температурам из-за постоянной бомбардировки электронами, испускаемыми катодом. Оба электрода проходят ультразвуковую очистку и термообработку для удаления остатков смазки и загрязнений перед их герметизацией в колбе лампы.

Значительное внимание уделялось конструкции катодов ксеноновых ламп, направленной на повышение стабильности дуги во время работы. В обычных лампах с вольфрамовыми электродами, легированными торием, точка испускания дуги на катоде периодически смещается из-за локализованных изменений эмиссии электронов с поверхности, явление, известное как дрейф дуги (см. рис. 3(a)). Этот артефакт, усиливающийся по мере износа наконечника, приводит к мгновенным колебаниям яркости лампы, называемым 9.0141 вспыхивает , когда дуга перемещается в новую область на катоде (рис. 3(b)). Дуга флаттер описывает быстрое боковое смещение столба дуги за счет конвекционных потоков, возникающих при нагревании газообразного ксенона дугой и охлаждении внутренними стенками оболочки (рис. 3(с)). Кроме того, острые наконечники катодов, легированных торием, изнашиваются быстрее, чем катоды, изготовленные из современных сплавов оксидов редкоземельных элементов. Лампы с усовершенствованной катодной технологией часто называют сверхтихий и продемонстрировали высокую кратковременную стабильность дуги менее чем на полпроцента, а также снижение скорости дрейфа менее 0,05 процента в час работы. Долгосрочный анализ высокоэффективной работы катода показывает, что износ значительно снижается, а смещение точки дуги в течение среднего срока службы лампы практически исключено. В результате, после того, как сверхтихая ксеноновая лампа первоначально выровнена с другими элементами оптической системы микроскопа, как правило, нет необходимости в повторной регулировке положения в течение всего срока службы лампы.

На этапах герметизации сборки лампы катод и анод крепятся к полоскам очень тонкой молибденовой ленты с помощью градуированного уплотнения, которое компенсирует разницу в тепловом расширении между кварцевой трубкой и металлическими стержнями электродов. Функциональное уплотнение создается путем термопрессования кварцевой трубки с молибденовой фольгой на токарном станке, находящемся под вакуумом для предотвращения окисления. Высокие температуры сжатия позволяют расплавленному кварцу разрушаться вокруг молибденовой фольги, образуя газонепроницаемое уплотнение. После запаивания электродов в корпус кварцевой лампы и отжига сборки для снятия деформации в оболочку загружается высокочистый (99,999 процента) газообразного ксенона до давления 10 атмосфер через наполнительную трубку, прикрепленную к колбе колбы. Затем лампу охлаждают жидким азотом для затвердевания газообразного ксенона и удаляют наполнительную трубку, чтобы полностью запечатать оболочку. После возврата к комнатной температуре готовая лампа подвергается давлению, поскольку ксенон возвращается в газообразное состояние.

Заключительный этап процесса сборки ксеноновой лампы состоит из добавления никелированных латунных контактов, называемых наконечниками или основания к каждому концу колбы. Наконечники, которые должны выдерживать температуру до 300°C, выполняют двойную функцию, действуя как электрические соединения с источником питания, а также как механическая опора для точной фиксации лампы в правильном оптическом положении внутри фонаря. Многие конструкции наконечников включают в себя гибкий подводящий провод внутри основания, который соединяется с герметичными электродами, чтобы исключить возможность отказа лампы из-за напряжения или деформации между стержнем электрода и латунным наконечником. Феррулы крепятся к запаянным концам кварцевой оболочки с помощью углеграфитовой ленты или термостойкого клея. Пассивированное компрессионное кольцо также используется для обеспечения плотного соединения между наконечниками и оболочкой. После установки наконечников провод розжига наматывается на кварцевую оболочку по краям колбы эллиптической формы (см. рис. 2). Проволока состоит из тонкого чистого никеля и служит для создания локализованного электрического поля внутри оболочки, чтобы способствовать стимуляции ионизации электронов и потока при включении лампы. 9Ксеноновые лампы и источники питания

Конструкция ламп для ксеноновых дуговых ламп имеет решающее значение для долговечности и рабочих характеристик лампы. Важнейшим из конструктивных соображений является тот факт, что эти лампы работают при чрезвычайно высоком внутреннем давлении (обычно более 50 атмосфер), поэтому при выборе конструкционных материалов следует учитывать возможность взрыва. Поскольку дуговые лампы расширяются из-за избыточного тепла, выделяющегося при работе, к корпусу следует жестко прижимать только один конец лампы; другой конец можно закрепить гибкой металлической полосой или накрыть радиатором и присоединить к соответствующей внутренней электрической клемме кабелем (см. рис. 4). Ксеноновые лампы должны иметь достаточное охлаждение, чтобы ксеноновые лампы могли работать при температуре менее 750°С на поверхности оболочки и менее 250°С у основания. Чрезмерно высокие температуры быстро приводят к окислению выводов электродов, ускоренному износу оболочки и повышают вероятность преждевременного выхода лампы из строя. В случае ламп малой мощности (менее 250 Вт) обычно достаточно конвекционного охлаждения в хорошо проветриваемом помещении лампы, но для ламп большей мощности часто требуется охлаждающий вентилятор. Высокие напряжения срабатывания (от 20 до 30 кВ), необходимые для зажигания ксеноновых ламп, требуют использования качественных изоляционных материалов в электропроводке фонаря, а кабель питания должен выдерживать напряжение свыше 30 кВ. Кроме того, кабель питания должен быть как можно короче, развязан и находиться вдали от корпуса микроскопа и других металлических инструментов (таких как компьютеры, контроллеры фильтров и цифровые камеры) в непосредственной близости.

Большинство высокопроизводительных ксеноновых фонарей имеют внутреннее отражающее зеркало, соединенное с системой линз выходного коллектора, которая создает коллимированный световой пучок высокой интенсивности. Конструкции собирающих отражателей варьируются от простых вогнутых зеркал до сложных эллиптических, сферических, асферических и параболических геометрических форм, которые более эффективно организуют и направляют излучение лампы на собирающую линзу, а затем через микроскоп. Использование гальванического конического отражателя может обеспечить номинальную эффективность сбора до 85 процентов, что является значительным улучшением по сравнению с обычными системами обратного отражателя, которые имеют эффективность в диапазоне от 10 до 20 процентов. Специализированные отражатели могут быть легко разработаны с помощью простых методов трассировки лучей. Покрытия на всех собирающих зеркалах должны быть дихроичными, чтобы пропускать инфракрасные (тепловые) волны. Ксеноновые лампы также выигрывают от наличия фильтров, блокирующих инфракрасное излучение, таких как Schott BG38 или BG39.стеклянный фильтр и/или горячее или холодное зеркало (в зависимости от передаваемой или отражаемой длины волны) для ослабления или блокирования инфракрасных волн и защиты образца (живых клеток) от избыточного тепла. Кроме того, твердотельные детекторы в электронных камерах, особенно в формирователях изображения на ПЗС, также особенно чувствительны к инфракрасному свету, который может затуманивать изображение, если на пути света не установлены соответствующие фильтры.

Ксеноновые лампы обычно имеют стандартную конфигурацию с дуговой лампой, расположенной в фокусе линзы коллектора, так что волновые фронты, выходящие из источника, собираются и примерно коллимируются, чтобы выйти из лампы в виде параллельного пучка (рис. 4). Рефлектор также расположен на той же оси, что и лампа и коллектор, чтобы гарантировать, что перевернутое виртуальное изображение дуги может быть создано рядом с лампой. Свет от отраженного виртуального изображения также собирается собирающей линзой, что увеличивает мощность освещения. Вторая система линз (называемая конденсор ), расположенный внутри осветителя микроскопа, необходим для фокусировки параллельных лучей, выходящих из корпуса лампы, в задней фокальной плоскости объектива. Как правило, фокусное расстояние системы конденсирующих линз намного больше, чем фокусное расстояние коллектора, в результате чего увеличенное изображение дуги проецируется на заднюю фокальную плоскость объектива. Конечным результатом является то, что свет, выходящий из передней линзы объектива и направляющийся к образцу, идет примерно параллельно, что обеспечивает равномерное освещение поля зрения. Обратите внимание, что во время выравнивания фонаря свет, собранный собирающим отражателем, не должен быть непосредственно сфокусирован на стенках оболочки лампы (вблизи дуги), чтобы избежать прямого нагрева колбы ее собственным излучением. Это действие приведет к чрезмерному нагреву лампы. Вместо этого расположите виртуальное изображение дуги с одной или с другой стороны лампы.

Одним из основных требований к использованию ксеноновой дуговой лампы для количественной флуоресцентной микроскопии является то, что выходное излучение должно быть стабильным. Выходная интенсивность излучения ксеноновой лампы приблизительно пропорциональна току, протекающему через лампу. Таким образом, для обеспечения максимальной стабильности блок питания должен быть тщательно спроектирован. Источники питания дуговых ламп также должны иметь пусковое устройство для зажигания лампы. На рисунке 5 показана принципиальная схема типичного стабилизированного источника питания для ксеноновой дуговой лампы. Помимо питания лампы стабильным постоянным током ( DC ), источник питания также заряжается с поддержанием катода при оптимальной рабочей температуре с использованием определенного уровня тока. Схема стабилизации источника питания ксеноновой дуговой лампы, в зависимости от конструкции, может стабилизировать напряжение, ток или общую мощность (напряжение x ток). Если напряжение стабилизируется, ток (и яркость лампы) будет медленно уменьшаться по мере распада электродов. Напротив, если ток стабилизирован, лампа будет продолжать излучать на постоянном уровне до тех пор, пока электроды не достигнут критической точки износа, при которой лампа не сможет зажечься. С другой стороны, поскольку для поддержания фиксированного тока требуется возрастающее напряжение, мощность, подаваемая на дугу, медленно увеличивается по мере износа электродов, что может привести к перегреву и возможности взрыва. В источниках питания, которые стабилизируют общий уровень мощности, светоотдача будет медленно падать с увеличением тока по мере увеличения напряжения, необходимого для поддержания дуги.

Когда дуговые лампы холодные (по сути, при комнатной температуре), они действуют как электрические изоляторы, и газообразный ксенон, окружающий электроды, необходимо сначала ионизировать, чтобы инициировать и установить дугу. В большинстве конструкций источников питания зажигание осуществляется с помощью высоковольтных всплесков (30–40 кВ) от вспомогательной цепи, создающей разряд между электродами. Специализированная схема часто упоминается как триггер или воспламенитель , потому что она подает мгновенный высокочастотный импульс на ламповую нагрузку посредством индуктивной связи (см. рис. 5). После образования дуги ее необходимо поддерживать постоянным источником тока от основного источника питания, величина которого зависит от параметров лампы. Типичная лампа XBO мощностью 75 Вт работает при напряжении 15 вольт и силе тока от 5 до 6 ампер, но эти цифры зависят от производителя и увеличиваются с увеличением мощности лампы. Обратите внимание, что лампа XBO работает при значительно более высоком токе, чем можно было бы ожидать при относительно низком напряжении, которое определяется размером дугового промежутка, давлением ксенона и рекомендуемой рабочей температурой. Пульсации тока от источника питания должны быть сведены к минимуму, чтобы обеспечить длительный срок службы дуговой лампы. Таким образом, качество постоянного тока, используемого для питания лампы, должно быть высоким, а пульсации должны быть менее 10 процентов (полный размах) для ксеноновых ламп мощностью до 3000 Вт.

Специализированные ксеноновые лампы, выпускаемые производителями вторичного рынка, часто имеют опции выбора длины волны и соединяют выходной сигнал с оптическим волокном или жидким световодом для передачи на оптическую систему микроскопа для высокоэффективного освещения в выбранных областях спектра. Примеры включают Lambda LS (Sutter Instrument), который включает ксеноновую лампу, холодное параболическое зеркало и источник питания в одном корпусе, соединенном с жидким световодом. В Lambda LS можно установить внутренний фильтрующий элемент, фильтрующие вставки и второй внешний фильтрующий элемент. Более продвинутый и быстрый прибор от Sutter, DG-4, способен обеспечивать скорость переключения длин волн в диапазоне 1-2 миллисекунды, используя конструкцию двойного гальванометра, соединенную со стандартными интерференционными фильтрами. Свет от ксеноновой дуговой лампы фокусируется на первом гальванометре, который путем отражения от параболического зеркала направляет его на интерференционный фильтр.