弧光灯 Arc lamps

2023-02-28 10:45:31 浏览:833

定义

基于电弧的气体放电灯,或连续运行的气体放电灯。

弧光灯最初被理解为基于电弧而不是辉光放电的气体放电灯。 这意味着放电在等离子体压力和温度、电离程度和功率密度相对较高的物理状态下工作,而由于电离程度高,电阻相对较小。 光谱或多或少是一个连续体,可能还包含一定数量的光谱线。 发光体积通常很小。 最初,弧光灯基本上一直是碳弧灯(见下文)。 后来,开发了其他类型的此类装置,例如高压氙气灯。

弧光灯通常被理解为连续连续灯 - 连续运行而不是闪光。

后来,该术语的含义发生了重大变化。 人们开始使用弧光灯一词来指任何连续运行的气体放电灯 - 具有连续的电弧而不是短火花。 从这个意义上说,术语弧光灯与闪光灯正好相反,无论气体放电的物理细节是什么,例如关于气体温度和压力。 例如,即使是基于低压汞蒸气排放的荧光灯也可能被认为是属于这一类。

一种区分短弧灯和长弧灯。 前者阳极和阴极之间的距离很短,导致发光体积相对较小。 这对于需要准直或聚焦生成的光的应用尤其有用。 长弧灯可以产生更高的平均功率,其中弧长可以达到几十厘米。

弧光灯通常以恒定的电功率和光输出运行,但也可以实现准连续运行模式,例如具有周期性调制的驱动电流。 但请注意,由此产生的热循环会大大缩短灯的使用寿命。 这个问题可以通过使用专门调整的电极设计来缓解。

在以下各节中,将解释几种旧意义上的弧光灯(带电弧放电)。 它们都具有具有高功率密度和高等离子体温度的小发光体积。 通常,它们不能直接使用线电压操作,而是需要一些镇流器或更复杂的电路。 由于电极上的高应力,寿命通常相对有限,但有些版本可以运行数千小时。 典型应用是那些需要相对较高的辐射度(由相对较小的发光体积产生的应用)的应用,例如,高功率投影显示器和定向探照灯。

对于其他类型的连续波灯,以及电极和灯罩等其他方面,请参阅有关气体放电灯的文章。

弧光灯的种类

碳弧灯

碳弧灯是一种相当古老的灯,现在几乎已经过时了,因为它已经在很大程度上被氙弧灯等其他设备所取代(见下文)。 它的构造相对简单。 一种使用两个长度为几厘米,直径为几毫米的石墨电极,对其施加一些电压。 为了开始电弧,电极与其尖端放在一起并被空气包围。 由此产生的高电流主要加热接触区域,并且很快就可以缓慢增加电极之间的距离,同时保持它们之间的电弧。 电弧产生相当高的温度(数千摄氏度)并发出明亮的白光。

在操作过程中,石墨电极被连续消耗;该材料主要被氧化成二氧化碳气体。 然而,大部分消耗的电力来自电力来源,而不是石墨的氧化。

在简单的设备中,电极之间的距离是手动调整的。 这在启动后尤其必要,但偶尔在以后也是如此,因为电极变短了。 还有更复杂的灯结构,其中一个(或两个)自动调整,例如用于保持恒定的电流。 这可以通过电磁阀作为电磁铁来实现,当电流过高时,它会将电极拉开。

碳灯曾经常见于照明(照明)应用,也用于明亮的投影显示器。 由于石墨电极的发光效率相对较差和寿命短,也由于附近光学元件的快速污染,碳弧灯已基本过时。 特别是,它们已被氙气灯和金属卤化物灯取代,如下所述。 对于低功率低亮度应用,使用了白炽灯,白炽灯本身越来越多地被基于发光二极管的解决方案所取代。

高压氙弧灯

氙气灯可以在低气压或高气压下运行。 高压变体作为高强度放电 (HID) 灯制成,在具有高功率密度和气体温度的传统电弧状态下运行,并发出明亮的白光。

氙气压力可以达到几十巴。 钨电极和发光体积之间的距离相当小 - 有时甚至体积远低于1 mm3. 因此,辐射度相对较高。 通常,阴极具有锥形,而阳极具有更大的圆形区域以改善散热。 高功率版本可以具有水冷电极。 灯罩通常由熔融石英(熔融石英)制成,在操作过程中会变得相当热(数百摄氏度)。

此类设备以直流电流运行,允许对两个电极形状进行独立优化,并导致连续稳定的电弧。 所需的电子设备当然比简单的荧光灯更复杂,例如,只需使用简单的电路即可在交流线路电压下运行。

高压汞弧灯

汞蒸气灯种类繁多,在相当不同的参数区域工作。 这包括原始意义上的弧光灯,它们与氙弧灯具有不同的共同点:它们具有相似的电极并在相似的功率水平下工作,例如几百瓦。 然而,发射光谱更多地延伸到紫外光谱区域。 因此,它们可用于紫外光刻和紫外固化等应用。

由于汞压力取决于温度,因此在运行的最初几分钟内,汞压力必须达到满水平,此时灯的亮度要低得多。 在不需要频繁开关的应用中(例如街道照明),它们可以达到超过 20,000 小时的超长使用寿命。

有关更多详细信息,请参阅有关汞蒸气灯的文章。

在早期,汞灯也被用作白炽灯的更有效的照明替代品。 然而,由于它们的发光效率约为35至65 lm/W,它们无法再与更现代的解决方案竞争,如金属卤化物灯和发光二极管,后者也可以提供比汞灯的蓝白色更好的白色调。 此外,出于环境原因,人们试图避免使用汞。

还有同时含有氙气和汞的高压灯。

金属卤化物灯

金属卤化物灯也基于电弧,通常涉及氩气或氙气,汞和一些金属卤化物(含溴或碘)在5至50个大气压的高压下。 它们可以产生非常明亮的白光,通常具有很大的发光效率,例如100 lm/W甚至更高。 对于可见光的产生,这比使用纯汞灯要高效得多。 显色指数可能相当高,并且可以通过添加其他金属(例如钠,锂,钾和铷)来修改光谱。

有时需要使用额外的滤光片来去除紫外线,紫外线可能在各个方面都是有害的,例如对附近人的皮肤和眼睛。

其发光特性和高效率使金属卤化物对大功率照明(照明)应用具有吸引力。 例如,它们用于体育场馆的照明,停车场的安全照明,工业建筑,剧院舞台等,其中效率是主要优势。 在其他应用中,高辐射也被利用,并进一步限制了可用的替代解决方案;例如,投影显示器不仅用于电影院,甚至作为家庭视频的小型投影仪。 另一个例子是汽车前照灯。 这些通常被称为氙气灯,尽管它们仅含有氙气作为启动气体,这也在预热阶段提供一些有限的输出。

有关更多详细信息,请参阅有关金属卤化物灯的文章。

用于激光泵浦的弧光灯

某些类型的弧光灯广泛用于连续波固体激光器的泵浦。 它们通常基于氪(这是YAG激光器的主要解决方案),有时基于氙气或汞。 这些是长弧高压灯,通常在多个大气压下工作,电流密度很大。 通常,它们具有细圆柱形管的形式,与长激光棒平行安装,全部安装在泵室的漫反射器内。 它们看起来类似于用于泵浦脉冲激光的闪光灯,只是电极形状不同;尖头阴极在弧光灯中很常见。

弧光灯 Arc lamps

图1:激光应用中弧光灯和闪光灯灯电极的典型形状。尖头阴极设计在连续波运行中具有优势。它更好地定义了电弧位置,并且由于尖端温度升高而导致更好的电子发射。

所需的功率密度相当高,导致每厘米弧长数十瓦的热负荷(取决于孔径和所用气体)。 因此,基本上总是需要用去离子水冷却。

这种弧光灯一旦启动,通常以恒流电源运行。 通常采用一种启动方法,即从能量相对较低的高压触发脉冲开始,然后在连续波操作的主电源接管之前,通过高能量升压脉冲施加较低电压。 如果没有升压器,阻抗将无法充分降低。 另请参阅有关灯电源的文章。

为了高效的激光操作,需要大量的泵强度。 作为典型示例,用于泵浦连续波YAG激光器的氪弧灯可能具有100 mm的弧长,5 mm的孔径,30 A的工作电流,170 V的压降,以及约5 kW的电力输入(不包括激光电源中的能量损失)。 对于50 W量级的激光输出功率来说,这可能已经足够了。 然后,墙上插头效率低于 1%,具体取决于电源效率和冷却系统的功耗。

主要是由于壁插效率低,复杂电源和强大冷却系统的成本,以及寿命有限和激光束质量低,弧光灯泵浦固态激光器现在已在很大程度上被二极管泵浦激光器取代,而带有闪光灯的脉冲激光器通常仍在使用。

基础光学

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