Una lámpara de arco de xenón es un tipo altamente especializado de lámpara de descarga de gas , una luz eléctrica que produce luz al hacer pasar electricidad a través de gas xenón ionizado a alta presión. Produce una luz blanca brillante para simular la luz solar , con aplicaciones en proyectores de películas en cines , en reflectores y para usos especializados en la industria y la investigación. Por ejemplo, las lámparas de arco de xenón con lámparas de mercurio son las dos lámparas más utilizadas en los microscopios de fluorescencia de campo amplio .
Las lámparas de arco de xenón se pueden dividir aproximadamente en tres categorías: lámparas de xenón de arco corto de salida continua, lámparas de xenón de arco largo de salida continua y lámparas de destello de xenón (que generalmente se consideran por separado).
Cada uno consta de un tubo de arco de cuarzo fundido u otro vidrio resistente al calor, con un electrodo de metal de tungsteno en cada extremo. Primero se vacía el tubo de vidrio y luego se vuelve a llenar con gas xenón. Para los tubos de flash de xenón, un tercer electrodo "disparador" generalmente rodea el exterior del tubo de arco. La vida útil de una lámpara de arco de xenón varía según su diseño y consumo de energía; un importante fabricante cita una vida útil promedio que oscila entre 500 horas (7 kW) y 1500 (1 kW). [1]
El interés por la descarga de xenón fue despertado por primera vez por P. Schulz en 1944, tras el descubrimiento de su espectro casi continuo y su alta reproducción cromática de la luz blanca. [2] Debido a las limitaciones de la disponibilidad de este gas noble en tiempos de guerra, no se lograron avances significativos hasta que John Aldington [3] de la compañía británica de lámparas Siemens publicó su investigación en 1949. [4]
Esto desencadenó intensos esfuerzos por parte de la empresa alemana Osram para seguir desarrollando esta tecnología como sustituto de los arcos de carbono en la proyección cinematográfica. La lámpara de xenón prometía enormes ventajas: un arco más estable con menos parpadeo, y sus electrodos no consumibles permitían proyectar películas más largas sin interrupciones. La principal contribución de Osram a este logro fue su investigación exhaustiva de la física de las descargas de xenón, que dirigió sus desarrollos hacia arcos muy cortos para funcionamiento en corriente continua con una geometría particular de electrodo y bombilla. El cátodo se mantiene pequeño para alcanzar altas temperaturas para la emisión termoiónica, mientras que el ánodo es más grande para disipar el calor generado a medida que se desaceleran los electrones entrantes. La mayor parte de la luz se genera inmediatamente delante de la punta del cátodo, donde las temperaturas del arco alcanzan los 10.000°C. El plasma se acelera hacia el ánodo y se estabiliza mediante la forma de los electrodos más la compresión magnética intrínseca generada por el flujo de corriente y los efectos de convección controlados por la forma del bulbo.
A raíz de estos acontecimientos, la primera proyección pública con éxito con luz de xenón se realizó el 30 de octubre de 1950, cuando se proyectaron extractos de una película en color ( Schwarzwaldmädel ) durante la 216ª reunión de la Sociedad Cinematográfica Alemana en Berlín. [5] La tecnología fue introducida comercialmente por el alemán Osram en 1952. [6] Producidas por primera vez en el tamaño de 2 kW (XBO2001), [ cita necesaria ] y 1 kW (XBO1001) [7] estas lámparas tuvieron un amplio uso en la proyección de películas. , donde reemplazaron las lámparas de arco de carbón más antiguas y que requieren más mano de obra (para operar) .
La luz blanca continua generada por el arco de xenón es espectralmente similar a la luz del día, pero la lámpara tiene una eficacia bastante baja en términos de lúmenes de luz visible por vatio de potencia de entrada. Hoy en día, casi todos los proyectores de cine de las salas utilizan estas lámparas, con potencias que van desde los 900 vatios hasta los 12 kW. Los sistemas de proyección Omnimax (Imax Dome) utilizan lámparas de xenón individuales con potencias de hasta 15 kW. A partir de 2016, la iluminación láser para proyectores de cine digital está comenzando a establecer una presencia en el mercado [8] y se prevé que reemplazará a la lámpara de arco de xenón para esta aplicación. [9]
El tamaño muy pequeño del arco permite enfocar la luz de la lámpara con una precisión moderada. Por esta razón, las lámparas de arco de xenón de tamaños más pequeños, de hasta 10 vatios, se utilizan en óptica y en iluminación de precisión para microscopios y otros instrumentos, aunque en los tiempos modernos están siendo desplazadas por diodos láser monomodo y láseres supercontinuos de luz blanca que pueden producir un punto verdaderamente limitado por la difracción. Las lámparas más grandes se emplean en reflectores donde se generan haces de luz estrechos, o en iluminación de producción cinematográfica donde se requiere simulación de luz diurna.
Todas las lámparas de xenón de arco corto generan una importante radiación ultravioleta . El xenón tiene fuertes líneas espectrales en las bandas UV que pasan fácilmente a través de la envoltura de la lámpara de cuarzo fundido, a diferencia del vidrio de borosilicato utilizado en las lámparas estándar; El cuarzo fundido pasa fácilmente la radiación UV a menos que esté especialmente dopado . La radiación ultravioleta liberada por una lámpara de arco corto puede provocar un problema secundario de generación de ozono . La radiación ultravioleta incide sobre las moléculas de oxígeno del aire que rodea la lámpara, provocando que se ionicen. Algunas de las moléculas ionizadas luego se recombinan como O 3 , ozono. Los equipos que utilizan lámparas de arco corto como fuente de luz deben contener protección contra la radiación UV y evitar la acumulación de ozono.
Muchas lámparas tienen una capa que bloquea los rayos UV de onda corta en el sobre y se venden como lámparas "libres de ozono". Estas lámparas "libres de ozono" se utilizan comúnmente en aplicaciones interiores, donde no se puede acceder fácilmente a una ventilación adecuada. Algunas lámparas tienen envolturas hechas de sílice fundida sintética ultrapura (como "Suprasidh"), que aproximadamente duplica el costo, pero les permite emitir luz útil en la región UV del vacío . Estas lámparas normalmente funcionan en una atmósfera de nitrógeno puro.
Todas las lámparas de xenón de arco corto modernas utilizan una envoltura de cuarzo fundido con electrodos de tungsteno toriado . El cuarzo fundido es el único material económicamente viable actualmente disponible que puede soportar la alta presión (25 atmósferas para una bombilla IMAX ) y la alta temperatura presentes en una lámpara en funcionamiento, sin dejar de ser ópticamente transparente. El dopante de torio en los electrodos mejora en gran medida sus características de emisión de electrones . Debido a que el tungsteno y el cuarzo tienen diferentes coeficientes de expansión térmica , los electrodos de tungsteno se sueldan a tiras de metal de molibdeno puro o aleación Invar , que luego se funden en el cuarzo para formar el sello envolvente.
Debido a los altísimos niveles de potencia involucrados, las lámparas grandes se refrigeran por agua. En los que se utilizan en los proyectores IMAX, los cuerpos de los electrodos están hechos de Invar sólido y rematados con tungsteno toriado. Una junta tórica sella el tubo para que los electrodos desnudos no entren en contacto con el agua. En aplicaciones de baja potencia, los electrodos están demasiado fríos para una emisión eficiente de electrones y no se enfrían. En aplicaciones de alta potencia es necesario un circuito de refrigeración por agua adicional para cada electrodo. Para reducir costos, los circuitos de agua a menudo no están separados y es necesario desionizar el agua para hacerla no conductora de electricidad, lo que permite que el cuarzo o algunos medios láser se disuelvan en el agua.
Para lograr la máxima eficiencia, el gas xenón dentro de las lámparas de arco corto se mantiene a una presión extremadamente alta, hasta 30 atmósferas (440 psi/3040 kPa), lo que plantea problemas de seguridad. Si una lámpara se cae o se rompe mientras está en servicio, los pedazos de la envoltura de la lámpara pueden salir disparados a gran velocidad. Para mitigar esto, las lámparas grandes de xenón de arco corto normalmente se envían en escudos protectores, que contendrán los fragmentos de la envoltura en caso de que se rompa. Normalmente, el protector se retira una vez que la lámpara está instalada en el portalámparas. Cuando la lámpara llega al final de su vida útil, se vuelve a colocar el escudo protector en la lámpara y luego la lámpara gastada se retira del equipo y se desecha. A medida que las lámparas envejecen, el riesgo de falla aumenta, por lo que las bombillas que se reemplazan corren mayor riesgo de explosión. Los fabricantes de lámparas recomiendan el uso de protección ocular al manipular lámparas de xenón de arco corto. Algunas lámparas, especialmente las utilizadas en los proyectores IMAX, requieren el uso de ropa protectora de cuerpo completo.
Las lámparas de xenón de arco corto se presentan en dos variedades distintas: xenón puro, que contiene únicamente gas xenón; y xenón-mercurio, que contiene gas xenón y una pequeña cantidad de mercurio metálico.
En una lámpara de xenón puro, la mayor parte de la luz se genera dentro de una pequeña nube de plasma del tamaño de un alfiler situada donde la corriente de electrones sale de la cara del cátodo. El volumen de generación de luz tiene forma de cono y la intensidad luminosa cae exponencialmente al pasar del cátodo al ánodo. Los electrones que atraviesan la nube de plasma golpean el ánodo y provocan que se caliente. Como resultado, el ánodo de una lámpara de arco corto de xenón tiene que ser mucho más grande que el cátodo o estar refrigerado por agua para disipar el calor. La salida de una lámpara de arco corto de xenón puro ofrece una distribución de potencia espectral bastante continua con una temperatura de color de aproximadamente 6200 K y un índice de reproducción cromática cercano a 100. [10] Sin embargo, incluso en una lámpara de alta presión hay algunas líneas de emisión muy fuertes en el infrarrojo cercano, aproximadamente en la región de 850 a 900 nm. Esta región espectral puede contener aproximadamente el 10% de la luz total emitida. [ cita necesaria ] La intensidad de la luz oscila entre 20.000 y 500.000 cd/cm 2 . Un ejemplo es la "lámpara XBO", que es el nombre comercial de OSRAM para una lámpara de arco corto de xenón puro. [10]
Para algunas aplicaciones, como endoscopia y tecnología dental, se incluyen sistemas de guía de luz.
Como en una lámpara de xenón puro, la mayor parte de la luz producida irradia desde una nube de plasma del tamaño de un alfiler cerca de la cara del cátodo. Sin embargo, la nube de plasma en una lámpara de xenón-mercurio es a menudo más pequeña que la de una lámpara de xenón puro de tamaño equivalente, debido a que la corriente de electrones pierde su energía más rápidamente hacia los átomos de mercurio más pesados. Las lámparas de arco corto de xenón-mercurio tienen un espectro blanco azulado y una emisión de rayos UV extremadamente alta . Estas lámparas se utilizan principalmente para aplicaciones de curado UV , esterilización de objetos y generación de ozono . Ninguna escena.
Las lámparas de xenón de arco corto también se fabrican con cuerpo cerámico y reflector integral. Están disponibles en muchas potencias de salida con ventanas que transmiten rayos UV o que las bloquean. Las opciones de reflector son parabólicos (para luz colimada) o elípticos (para luz enfocada). Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como proyectores de vídeo, iluminadores de fibra óptica, iluminación para endoscopios y faros, iluminación dental y luces de búsqueda.
Las lámparas de xenón de arco corto tienen, al igual que otras lámparas de descarga de gas, un coeficiente de temperatura negativo . Funcionan con CC de baja tensión y alta corriente y se inician mediante emisión de campo con un pulso de alta tensión de 20 a 50 kV. Como ejemplo, una lámpara de 450 W funciona normalmente a 18 V y 25 A una vez encendida. También son inherentemente inestables, propensos a fenómenos como la oscilación del plasma y la fuga térmica . [ cita necesaria ] Debido a estas características, las lámparas de xenón de arco corto requieren una fuente de alimentación adecuada que funcione sin parpadear en la llama, lo que en última instancia podría dañar los electrodos.
Son estructuralmente similares a las lámparas de arco corto, excepto que la distancia entre los electrodos en el tubo de vidrio es muy alargada. Cuando se montan dentro de un reflector elíptico , estas lámparas se utilizan con frecuencia para simular la luz solar en breves destellos, a menudo para fotografía. Los usos típicos incluyen pruebas de células solares (con el uso de filtros ópticos), simulación solar para pruebas de envejecimiento de materiales, procesamiento térmico rápido, inspección de materiales y sinterización.
Aunque no son comúnmente conocidas fuera de Rusia y los antiguos países satélites soviéticos, las lámparas de xenón de arco largo se utilizaron para la iluminación general de grandes áreas, como estaciones de tren, estadios deportivos, operaciones mineras y espacios elevados de plantas de energía nuclear. Estas lámparas, Лампа ксеноновая ДКСТ , literalmente "lámpara de xenón DKST", se caracterizaban por sus altas potencias, que oscilaban entre 2 kW y 100 kW. Las lámparas funcionaban en un régimen de descarga peculiar en el que el plasma estaba termalizado, es decir, los electrones no estaban significativamente más calientes que el propio gas. En estas condiciones se demostró una curva corriente-voltaje positiva. Esto permitió que los tamaños comunes más grandes, como 5 y 10 kW, funcionaran directamente desde la red eléctrica de CA a 110 y 220 voltios respectivamente sin balasto; solo era necesario un encendedor en serie para iniciar el arco.
Las lámparas producían alrededor de 30 lúmenes/vatio, que es aproximadamente el doble de la eficiencia de la lámpara incandescente de tungsteno, pero menos que las fuentes más modernas, como las de halogenuros metálicos. Tenían la ventaja de no tener contenido de mercurio, refrigeración por aire por convección, ningún riesgo de ruptura por alta presión y una reproducción cromática casi perfecta. Debido a la baja eficiencia y la competencia de los tipos de lámparas más comunes, hoy en día quedan pocas instalaciones, pero cuando existen, pueden reconocerse por un reflector rectangular/elíptico característico y una luz azul-blanca nítida proveniente de una fuente tubular relativamente larga.
