Kurzbogenlampen sind neben Lasern die lichtstärksten künstlichen Strahlungquellen. Die Ausgangsleistung liegt überwiegend im UV-VIS-Bereich, sodass diese Lampen für Anwendungen in der UV-Spektroskopie und UV-Photochemie geeignet sind. Unsere Xenon-Kurzbogenlampen haben eine der Sonne ähnliche Farbtemperatur von ~5800 K. Unsere Quecksilber-Bogenlampen emittieren intensive Strahlung im UV und Sichtbaren mit sehr starken Spektrallinien im UV. Der Abstand zwischen der Anode und der Kathode ist so klein, dass diese Lampen für viele Anwendungen als Punkt-Lichtquellen angesehen werden können. Diese kleinen, lichtstarken Lichtquellen erzeugen unter Verwendung unser Kondensor-Optiken intensive kollimierte Strahlen, die z.B. auf eine Faseroptik abgebildet werden können.
Wir bieten Quecksilber-, Xenon- sowie Quecksilber(Xenon)-Bogenlampen von 50 bis 1600 W an. Für die meisten Modelle stehen ozonfreie Versionen zur Verfügung, die eine sicherere Alternative darstellen, wenn keine Lichtintensität unter 260 nm benötigt wird.
Aufbau von Bogenlampen
Abb. 1 zeigt den Aufbau einer typischen Bogenlampe. Anode und Kathode sind in einem Quarzkolben eingeschlossen. Quarzglas wird aufgrund seiner mechanischen und thermischen Stabilität verwendet. Welcher Quarztyp verwendet wird, hängt von der gewünschten UV-Intensität ab. Einige unserer Lampen, die hochwertiges UV-Quarz benutzen, emittieren noch unterhalb 200 nm. Andere Lampentypen verwenden dotiertes Quarz, das den kurzwelligen Anteil des Spektrums absorbiert und dadurch die Erzeugung von Ozon reduziert. Sie werden als ozonfreie Lampen bezeichnet.
Der Quarzkolben hat eine spezielle Form, um Temperatur-Gradienten und Wärmeschocks zu wiederstehen. Der Kolben hat eine kleine, abgedichtete Spitze.
Abb. 1: Aufbau von Bogenlampen
Anode und Kathode
Beide Elektroden werden aus Wolfram hergestellt. Das Wolfram der Kathode ist mit Materialien wie beispielsweise Thorium dotiert, um die Elektronenemission zu verstärken. Die Kathode ist klein und spitz, damit die Spitze die für eine effiziente Elektronenemission erforderliche hohe Temperatur erreicht. Die Anode ist massiver, damit sie den Elektronenbeschuss aushalten und die entstehende Wärme wirksam ableiten kann. Quecksilber-Bogenlampen haben Wicklungen an einer oder beiden Elektroden, um die Ausbildung des Bogens zu erleichtern. Je nach Lampen-Nennleistung kann der Abstand zwischen Anode und Kathode zwischen 0,25 mm und mehreren Millimetern betragen.
Gasfüllung
Bogenlampen sind entweder mit Edelgas oder mit Edelgas und einer bestimmten Menge an Quecksilber gefüllt. Die Gasfüllung hat einen Überdruck von einigen bar. Im Betrieb steigt der Überdruck je nach Lampentyp auf 12 bis 75 bar an. Aufgrund des hohen Drucks ist beim Umgang mit diesen Lampen besondere Sorgfalt und Vorsicht geboten.
Metallsockel
Die beiden Metallsockel am Ende der Lampen sind sowohl für den elektrischen Anschluss als auch für die mechanische Halterung der Lampe ausgelegt. Die Metallsockel sind mit den Elektroden über ein Metallband aus Molybdän innerhalb des Quarzstiels verbunden. Bei Lampen mit höherem Stromfluss werden Wolframstäbe verwendet.
Auswahl der richtigen Lampe
Welche Bogenlampe am besten geeignet ist, hängt von der Anwendung ab. Zur Auswahl der richtigen Lampe müssen u.a zwei Fragen zu beantworten:
1. Welcher Wellenlängenbereich wird benötigt?
Die Beantwortung dieser Frage legt fest, ob eine Xenon- oder Quecksilberbogenlampe benötigt wird. Hg- und Hg(Xe)-Bogenlampen erzeugen ein Spektrum mit starken Linien im UV-Bereich. Wenn eine hohe Bestrahlungsstärke von Spektrallinien im UV benötigt wird, sind diese Lampen besser geeignet. Bei einer Scan-Anwendung, in der ein großer Wellenlängenbereich der Lampe genutzt werden soll, ist eine Xe-Lampe besser geeignet. Sie weist keine großen Sprünge der emittierten Strahlung (d. h. starke Linien) auf und vereinfacht daher die Signalverarbeitung. Siehe Abschnitt pspektrale Bestrahlungsstärkekurven.
2. Wie viel Leistung (Bestrahlungsstärke) wird benötigt?
Eine Lampe mit hoher Ausgangsleistung ist für die Bestrahlung einer großen Fläche am besten geeignet (sofern die Optik keine Beschränkungen auferlegt). Für eine zu beleuchtende Fläche, die kleiner als der Lichtbogen ist (wie z.B. Faseroptik oder Monochromator-Spalt), kann eine Lampe mit kleinem Bogen einen höheren Wert der Bestrahlungsstärke produzieren, aufgund der sehr hohen Strahldichte kleiner Lichtbögen. Bei einem kleinem zu beleuchtenden Objekt muss sowohl der gesamte Lichtstrom als auch die Lichtbogengröße berücksichtigt werden. Spektrographen mit kleinen Spaltgrößen erfordern zur Berechnung der Leistung die Einbeziehung der F-Zahl des Spektrographen, des Sammel- und des Abbildungssystems, um das beste Ergebnis zu erzielen. Siehe Beispiele für Berechnungen der Leistung.
Typen von Kurzbogenlampen
Xenon-Kurzbogenlampen*
- Stimmt sehr gut mit dem UV-VIS-Sonnenspektrum überein
- Kontinuum im UV und Sichtbaren
Xenonlampen werden mit reinem Xenon bei 5 – 20 bar befüllt. Der Druck verdreifacht sich während des Betriebes. Xenonlampen werden mit der Anode nach oben betrieben. Das Spektrum des kleine, hellen Lichtbogens entspricht dem eines schwarzen Körpers von 5500-6000 K mit einigen überlagerten Xenon-Linien. Die Xenon-Linien dominieren zwischen 750 und 1000 nm, aber das Spektrum ist im gesamten ultravioletten und sichtbaren Bereich nahezu kontinuierlich. Xenonlampen werden bei Anwendungen eingesetzt, die hohe Ansprüche an Absorption und Fluoreszenz stellen und einen Spektralscan der Lichtquelle enthalten, sowie als Breitband-Stahlungsquellen mit großer Lichtintensität. Aufgrund ihres sonnenähnlichen Spektrums wird die Xenonlampe für Sonnensimulatoren verwendet.
Quecksilber-Bogenlampen
- Hohe UV-Ausgangsleistung mit diskreten Linien
Quecksilber-Bogenlampen enthalten eine exakt gemessene Menge von Quecksilber und entweder Argon oder Xenon, die den Startvorgang der Lampe beschleunigen, während das Quecksilber verdampft. Wenn die Lampen kalt sind, ist der Gasdruck in der Lampe niedriger als der Luftdruck und es lassen sich kleine Quecksilbertröpfchen innerhalb der Lampe erkennen. Wenn die Lampen eingeschaltet sind, verdampft dieses Quecksilber und erreicht einen Druck von bis zu 75 bar. Diese Lampen sind also durch einen Übergang von einer Edelgaslampe zu einer Quecksilberlampe gekennzeichnet. Während dieser Übergangsphase, die fünf bis zehn Minuten dauert, benötigen die Lampen mehr Strom als normal. Im Betrieb muss die Anode unten liegen, um ein schnelles Verdampfen des Quecksilbers zu ermöglichen. Einige Quecksilberlampen verfügen über eine Reflexion-Beschichtung am Kolben. Sie beschleunigt die Übergangsphase und verbessert die thermische Verteilung. Da die Kolbentemperatur den Dampfdruck des Quecksilbers wesentlich beeinflusst, sind diese Lampen empfindlich gegen Luftstrom.
Das Spektrum dieser Lampen ist durch starke Quecksilberlinien im sichtbaren und ultravioletten Bereich gekennzeichnet. Ein Kontinuum im Infrarotbereich reicht bis 2,5 mm und darüber hinaus. Die Emission intensiver UV-Strahlung hat dazu geführt, dass diese Lampen für viele photochemische Prozesse verwendet werden, darunter Lithographie und Aushärtung. Die intensiven Linien sind für die monochromatische Bestrahlung in der Fluoreszenz-Spektroskopie nützlich. Individuelle Linien können mit Filtern oder einem Monochromator isoliert werden.
Quecksilber-(Xenon-)Lampen
- Starke Hg-Linien im UV-Bereich und Xe-Linien im IR-Bereich
Quecksilber-(Xenon-)Lampen haben ähnliche Spektren wie Quecksilberlampen, wobei einige Xenon-Linien im IR-Bereich und eine Verstärkung des Kontinuums im sichtbaren Bereich zu erkennen sind. Diese Lampen benutzen Xenon bei Überdruck als Starter-Gas und werden mit der Anode nach oben betrieben.
Hochstabile Lampe
Wir bieten eine hochstabile Xenonlampe mit 75 W an, die auch als „superstille“ Lampe bezeichnet wird. Bei den meisten Bogenlampen tritt Bogenwanderung auf, eine graduelle Verschiebung des Bogens, verursacht durch das Fehlen von kathodenseitig emittierten Elektronen. Diese neue Lampe beseitigt das Problem der Bogenwanderung, indem eine besondere Hochleistungskathode eingesetzt wird. Die Intensität bleibt damit über die gesamte Lebensdauer der Lampe unverändert erhalten.
EmArc™-Lampe
Unsere 200 W EmArc™-Lampe ist eine verbesserte Metallbogenlampe, sie vereint die Vorteile einer Xe-, einer Hg- und einer Halogenlampe in einer einzigen Strahlungsquelle. Ihre Lichtausbeute ist ähnlich der einer Halogen-Metalldampflampe, ihre Lebensdauer ist aber deutlich höher. Die spektrale Verteilung ähnelt der einer Hg-Kurzbogenlampe. Durch den sehr kleinen Lichtbogen (1,2 mm) ist diese Lampe besonders gut für Faserkopplung oder die Abbildung auf einen Monochromatorspalt geeignet.
Stromversorgung einer Bogenlampe
Bogenlampen (insbesondere Xenon- und Quecksilber-(Xenon-)Lampen) benötigen zum Zünden Hochspannungsentladungen. Danach benötigen sie einen präzise stabilisierten Strom für den fortlaufenden Betrieb. Die Hochspannungsentladungen werden durch ein Zündgerät und der stabile Betriebsstrom durch ein Netzgerät bereitgestellt. Die Gehäuse unserer Research-Serie verfügen zwecks einfacherer Bedienbarkeit und zur Einhaltung von CE-Vorschriften über ein eingebautes Zündgerät.
Darstellung der Strahldichte
Die Abbildungen 2 und 3 zeigen typische Linien gleicher Strahldichte für Quecksilber- und Xenonlampen. Beide Lampen haben Strahldichtemaxima oder „hot spots“, die sich mit dem Ziel einer maximalen Beleuchtung auf Pinholes, Fasern oder anderen kleinen Flächen abbilden lassen.
Verteilung der Beleuchtungsintensität
Die Abbildungen 4 und 5 zeigen typische Verteilungen der Beleuchtungsintensität für Quecksilber- und Xenonlampen. Das Muster weist eine gute Rotationssymmetrie auf. Zu beachten ist die Schattenwirkung der Elektroden. Quecksilber-(Xenon-)Lampen haben ähnliche Verteilungen wie Xenon. Diese Muster können bei der Entwicklung von Spiegelsystemen zur Lichtsammlung wichtig sein, etwa in unserem PhotoMax™-Lampengehäuse und in Apex Illuminatoren.
Abb. 2: Typische Intensitätsverteilung einer Quecksilber-Bogenlampe.
Abb. 3: Typische Intensitätsverteilung einer Xenon-Bogenlampe mit niedriger Leistung.
Abb. 4: Typische Intensitätsverteilung einer 6286 350 W Quecksilberlampe.
Abb. 5: Typische Intensitätsverteilung einer 6253 150 W Xenonlampe.
Bogenstabilität
Unsere Bogenlampen sind mit Elektroden ausgestattet, die räumliche Schwankungen im Lichtbogen minimieren sollen. Konvektionsströme in der Lampe und Bogenwanderung auf den Elektroden sind zwei Quellen solcher Schwankungen. Wir bewerten die Leistung kompletter Systeme, nicht nur der Lampen, indem wir den Bogen auf ein kleines Pinhole oder einen Spalt abbilden und das Licht messen, das durch die Öffnung geht. Änderungen weisen auf Bogenschwankungen hin. Die Kombination von Oriel Lampengehäusen mit abgelenktem Luftstrom und Oriel Netzgeräten bewirkt auf ein Minimum verringerte Signalschwankungen. Unsere Lichtintensitätssteuerung reduziert die Auswirkungen aller Schwankungen.
Lebensdauer der Lampe
Das Wolfram der Elektroden verdampft allmählich während des Betriebs und setzt sich an der Innenseite des Lampenkolbens ab. Dadurch wird die Lichtabgabe reduziert. Abb. 7 zeigt die spektrale Verteilung einer neuen Lampe im Vergleich mit einer Lampe nach 1200 Betriebsstunden. Die Lichtabgabe im UV wird stärker als im VIS reduziert. Elektroden-Abbrand ist eine weitere Folge der Wolframerosion, wodurch der Abstand zwischen Anode und Kathode vergrößert wird. Die typische Lebensdauer (in der die abgegebene Strahlung im sichtbaren Bereich durchschnittlich auf 75% des Anfangswerts fällt) einer Lampe wird nachstehend dargestellt. Die Werte basieren auf einem 30-minütigen Betrieb der Lampe zwischen Zündungen; häufige Lampenstarts können die Lebensdauer reduzieren.
Die Anpassung der Versorgungsleistung kann einen Rückgang des Lichtstroms kompensieren während der Betriebsdauer. Unsere digitalen Beleuchtungs-Steuerungen 68950 und 68951 steuern die Leistungsaufnahme (bei den meisten Oriel Netzgeräten) automatisch. Das Gerät 68950 funktioniert mit unseren kleinflächigen Strahlungsquellen. Das Gerät 68951 ist für Flood-Exposure-Lichtquellen und für unsere Sonnensimulatoren vorgesehen.
Sicherheitshinweise
Bogenlampen werden bei hohem Druck und hoher Temperatur betrieben. Sie emittieren ultraviolette Strahlung und müssen in vollständig geschlossenen Gehäusen betrieben werden. Fachgerechter Umgang mit Bogenlampen ist erforderlich, um Verunreinigungen des Kolbens und daraus resultierende thermische Belastung zu vermeiden. Selbst in kalten In Xenon und Quecksilber-(Xenon-)Lampen herrscht ein Überdruck. Die Lampen müssen daher mit entsprechender Sicherheitsausrüstung behandelt werden. Dicke Handschuhe und schlagfeste Schutzbrillen werden empfohlen.
UV-Risiko
Diese Lampen werden weitgehend wegen ihrer UV-Strahlung benutzt. Augen und Haut sind zu schützen, wenn die Gefahr des Austritts von UV-Strahlung besteht.
Ozonrisiko
Ultraviolette Strahlung unter 242 nm erzeugt giftiges Ozon. Wenn keine UV-Strahlung unter 260 nm benötigt wird, sollte auf ozonfreie Lampen zurückgegriffen werden.
Technischer Hinweis
1. Es gehört zum fachgerechten Umgang mit Bogenlampen, dass sie nach ihrer Nennlebensdauer ausgewechselt werden, um eine rapide Rückgang des Lichtstroms und einen möglicherweise dramatischen Lampenausfall zu verhindern.
2. Die Erosion des Elektrodenmaterials führt zu einer Verschiebung den intensiven „hot spot“. Eine sorgfältige Planung des Systems berücksichtigt dies.
Abb. 6: Spektrale Bestrahlungsstärke einer 300 W Xenon-Lichtquelle mit einer neuen Lampe und einer Lampe nach 1200 Betriebsstunden.
