Lámpara de arco de xenón

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Una lámpara de arco de xenón es un tipo altamente especializado de lámpara de descarga de gas , una luz eléctrica que produce luz al 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 teatros , en reflectores y para usos especializados en la industria y la investigación. Por ejemplo, las lámparas de arco de xenón y las lámparas de mercurio son las dos lámparas más comunes utilizadas en microscopios de fluorescencia de campo amplio .

Las lámparas de arco de xenón se pueden dividir aproximadamente en tres categorías:

• lámparas de arco corto de xenón de salida continua,
• lámparas de arco largo de xenón de salida continua, y
• Lámparas de destello de xenón (que normalmente se consideran por separado).

Cada una de ellas 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. El tubo de vidrio se vacía primero y luego se vuelve a llenar con gas xenón. En el caso de los tubos de destello 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 va desde 500 horas (7 kW) hasta 1.500 (1 kW). ^[1]

El interés por la descarga de xenón fue despertado por primera vez por P. Schulz en 1944, tras su descubrimiento de su espectro casi continuo y la alta reproducción cromática de la luz blanca. ^[2] Debido a las limitaciones de la guerra en la disponibilidad de este gas noble, no se lograron avances significativos hasta que John Aldington ^[3] de la compañía de lámparas británica Siemens publicó su investigación en 1949. ^[4]

Esto desencadenó intensos esfuerzos en la empresa alemana Osram para seguir desarrollando la tecnología como reemplazo de los arcos de carbono en la proyección cinematográfica. La lámpara de xenón prometía enormes ventajas: un arco más estable con menos parpadeos 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 la descarga de xenón, que dirigió sus desarrollos hacia arcos muy cortos para el funcionamiento con corriente continua con una geometría particular de electrodo y bombilla. El cátodo se mantiene pequeño para alcanzar altas temperaturas para la emisión termoiónica, y 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 las formas de los electrodos, además de la compresión magnética intrínseca generada por el flujo de corriente y los efectos de convección controlados por la forma de la bombilla.

Tras estos avances, la primera proyección pública exitosa con luz de xenón se realizó el 30 de octubre de 1950, cuando se mostraron extractos de una película en color ( Schwarzwaldmädel ^{) durante la 216.ª sesión de la Sociedad Cinematográfica Alemana en Berlín. [5]} La tecnología fue introducida comercialmente por la alemana Osram en 1952. ^[6] Producidas por primera vez en el tamaño de 2 kW (XBO2001), ^{[ cita requerida ]} y 1 kW (XBO1001) ^[7], estas lámparas se utilizaron ampliamente en la proyección de películas , donde reemplazaron a las lámparas de arco de carbono más antiguas y que requerían 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 salida de luz visible por vatio de potencia de entrada. Hoy en día, casi todos los proyectores de películas en los cines emplean 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 digitales está empezando a establecer una presencia en el mercado  ^[8] y se ha pronosticado 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 este motivo, 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 la actualidad están siendo sustituidas 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 la simulación de la luz del día.

Todas las lámparas de xenón de arco corto generan una radiación ultravioleta sustancial . El xenón tiene fuertes líneas espectrales en las bandas UV, y estas 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 UV liberada por una lámpara de arco corto puede causar un problema secundario de generación de ozono . La radiación UV golpea las moléculas de oxígeno en el aire que rodea la lámpara, haciendo que se ionicen. Algunas de las moléculas ionizadas luego se recombinan como O ₃ , ozono. El equipo que utiliza lámparas de arco corto como fuente de luz debe contener protección contra la radiación UV y evitar la acumulación de ozono.

Muchas lámparas tienen una capa que bloquea los rayos ultravioleta de onda corta en la envoltura y se venden como lámparas "libres de ozono". Estas lámparas "libres de ozono" se utilizan comúnmente en aplicaciones interiores, donde no es fácil acceder a una ventilación adecuada. Algunas lámparas tienen envolturas hechas de sílice fundida sintética ultra pura (como "Suprasidh"), que aproximadamente duplica el costo, pero que les permite emitir luz útil en la región ultravioleta del vacío . Estas lámparas normalmente funcionan en una atmósfera de nitrógeno puro.

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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 de quirófano, 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 de invar , que luego se funden en el cuarzo para formar el sello de la envoltura.

Debido a los altísimos niveles de potencia involucrados, las lámparas grandes se enfrían con agua. En las que se usan 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, de modo 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 los costos, los circuitos de agua a menudo no están separados y el agua debe desionizarse para que no sea conductora de electricidad, lo que permite que el cuarzo o algún medio láser se disuelva 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, pueden salir despedidos a gran velocidad fragmentos de la envoltura de la lámpara. Para mitigar esto, las lámparas de arco corto de xenón de gran tamaño se envían normalmente en escudos protectores, que contendrán los fragmentos de la envoltura en caso de que se produzca una rotura. Normalmente, el escudo se retira una vez que la lámpara se instala en la carcasa. Cuando la lámpara llega al final de su vida útil, se vuelve a colocar el escudo protector en la lámpara y, a continuación, la lámpara gastada se retira del equipo y se desecha. A medida que las lámparas envejecen, aumenta el riesgo de avería, por lo que las bombillas que se sustituyen corren el mayor riesgo de explosión.

Las lámparas de arco corto de xenón vienen en dos variedades distintas: xenón puro, que contiene sólo 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 nube de plasma diminuta y del tamaño de un punto situado en el punto donde el flujo de electrones abandona la superficie del cátodo. El volumen de generación de luz tiene forma de cono y la intensidad luminosa disminuye exponencialmente al pasar del cátodo al ánodo. Los electrones que pasan a través de la nube de plasma golpean el ánodo, lo que hace 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 requerida ]} La intensidad de la luz varía de 20.000 a 500.000 cd/cm ² . Un ejemplo es la "lámpara XBO", que es un nombre comercial de OSRAM para una lámpara de arco corto de xenón puro. ^[10]

Para algunas aplicaciones, como la endoscopia y la tecnología dental, se incluyen sistemas de guía de luz.

Al igual que en una lámpara de xenón puro, la mayor parte de la luz producida irradia desde una nube de plasma del tamaño de un punto cerca de la cara del cátodo. Sin embargo, la nube de plasma en una lámpara de xenón-mercurio suele ser más pequeña que la de una lámpara de xenón puro de tamaño equivalente, debido a que el flujo de electrones pierde su energía más rápidamente a los átomos de mercurio más pesados. Las lámparas de xenón-mercurio de arco corto tienen un espectro blanco azulado y una salida de UV extremadamente alta . Estas lámparas se utilizan principalmente para aplicaciones de curado UV, esterilización de objetos y generación de ozono .

Las lámparas de xenón de arco corto también se fabrican con un cuerpo de cerámica y un reflector integrado. Están disponibles en muchas potencias de salida con ventanas que transmiten o bloquean los rayos UV. Las opciones de reflector son parabólicas (para luz colimada) o elípticas (para luz enfocada). Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como proyectores de vídeo, iluminadores de fibra óptica, iluminación de endoscopios y faros, iluminación dental y luces de búsqueda.

Las lámparas de xenón de arco corto tienen un coeficiente de temperatura negativo como otras lámparas de descarga de gas. Funcionan a bajo voltaje, alta corriente, CC y se encienden por emisión de campo con un pulso de alto voltaje de 20 a 50 kV. A modo de ejemplo, una lámpara de 450 W funciona normalmente a 18 V y 25 A una vez encendida. También son inherentemente inestables, propensas a fenómenos como la oscilación del plasma y el descontrol térmico . ^{[ cita requerida ]} Debido a estas características, las lámparas de xenón de arco corto requieren una fuente de alimentación adecuada que funcione sin parpadeos en la llama, lo que podría dañar los electrodos.

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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 destellos breves, 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 muy conocidas fuera de Rusia y los países satélites de la antigua Unión Soviética, las lámparas de xenón de arco largo se utilizaban 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 tener altos voltajes que iban desde los 2 kW hasta los 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 de 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 un balasto; solo era necesario un encendedor en serie para iniciar el arco.

Las lámparas producían alrededor de 30 lúmenes por vatio, lo que equivale aproximadamente al doble de la eficiencia de la lámpara incandescente de tungsteno, pero menos que las fuentes más modernas, como las de haluro metálico. Tenían la ventaja de no contener mercurio, de enfriarse por aire convectivo, de no correr riesgo de rotura por alta presión y de ofrecer una reproducción cromática casi perfecta. Debido a la baja eficiencia y a la competencia de los tipos de lámparas más comunes, hoy en día quedan pocas instalaciones, pero donde las hay, se las puede reconocer por un reflector rectangular/elíptico característico y una luz azul-blanca nítida procedente de una fuente tubular relativamente larga.

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