Outre les lasers, les lampes à arc court sont les sources de rayonnement à courant continu (DC) les plus lumineuses parmi celles fabriquées. Une part importante de leur sortie s'effectue dans l'UV-VIS, ce qui les rend utiles pour les applications de spectroscopie et de photochimie UV. Nos lampes à arc court au Xénon DC ont une température de couleur proche de celle du soleil, ~5800 K. Nos lampes à arc au Mercure émettent une intense radiation UV et dans le visible avec des raies UV très puissantes.
La région de l'arc entre l'anode et la cathode est tellement petite que dans de nombreuses situations, ces lampes sont effectivement des sources ponctuelles. Ces minuscules sources lumineuses peuvent produire des faisceaux collimatés haute intensité à l'aide de nos structures de lentilles de concentration ou être à nouveau focalisées sur l'entrée de faisceaux de fibres optiques.
Nous proposons des lampes à arc au Mercure, au Xénon et au Mercure(Xénon) de 50 à 1600 W. Pour la plupart des modèles, nous disposons de versions sans ozone, utilisables sans danger, si vous n'avez pas besoin de sortie inférieure à 260 nm.
Structure des lampes à arc
La figure 1 montre la structure typique de lampes à arc. L'anode et la cathode sont scellées dans une enveloppe en quartz transparent. Le quartz est utilisé à des fins de solidité mécanique et thermique et le type de quartz dépend de la sortie UV souhaitée. Certaines de nos lampes comportent un quartz de niveau UV haute qualité pour transmettre une sortie en dessous de 200 nm. D'autres sont en quartz dopé qui absorbe les longueurs d'onde courtes afin de réduire la génération d'ozone. Nous les appelons lampes "sans ozone".
L'ampoule de quartz est soigneusement formée pour supporter les gradients et le choc thermiques inhérents à l'utilisation de ces lampes.
Figure 1 : Structure des lampes à arc.
Anode et cathode
L'anode et la cathode sont faites de Tungstène. Le Tungstène utilisé dans la cathode est dopé avec des matériaux comme le Thorium pour augmenter l'émission d'électrons. La cathode est petite et pointue pour assurer l'élévation suffisante de la température de l'extrémité pour une émission d'électrons efficace. L'anode est plus massive pour supporter le bombardement d'électrons et dissiper efficacement la chaleur produite. Les lampes à arc au Mercure comportent des spires sur une électrode ou les deux pour contribuer à la formation de l'arc. L'intervalle entre l'anode et la cathode peut être compris entre 0,25 mm et plusieurs mm, selon la puissance nominale de la lampe.
Remplissage
Les lampes à arc sont remplies d'un gaz rare à une pression de plusieurs atmosphères ou d'un peu de gaz rare et d'une quantité exacte de Mercure. Lors du fonctionnement des lampes, la pression interne passe de 12 à 75 bar, selon le type de lampe. Les pressions élevées requièrent un soin particulier dans la manipulation et le fonctionnement de ces lampes.
Bornes
Les deux bornes métalliques aux extrémités de la lampe sont destinées aux connexions électriques et au support mécanique de la lampe. Les bornes sont reliées aux électrodes par des barrettes de connexion en feuilles de Molybdène incluses dans la tige de verre ou, pour les lampes d'un niveau d'alimentation plus élevé, par des tiges en Tungstène.
Choix de la lampe
Votre application détermine la lampe à arc appropriée. Posez-vous deux questions :
1. De quelle plage de longueur d'onde ai-je besoin ?
Cela devrait permettre d'identifier si vous avez besoin d'une lampe au Xénon ou au Mercure. Les lampes au Mercure et au Mercure(Xénon) fournissent une sortie comportant de nombreuses raies intenses dans la plage UV. Si vous avez besoin d'un fort éclairement provenant d'une raie UV, ces lampes sont appropriées. Si votre application nécessite le balayage par tout un éventail de longueurs d'ondes, une lampe au Xénon est plus adaptée. Elle ne possède pas d'importantes variations de sortie (ses raies sont larges) et simplifie ainsi le traitement du signal. Consultez les courbes d'éclairement spectral.
2. Quelle est la puissance (éclairement) requis(e) ?
Une lampe haute puissance est meilleure pour l'éclairement d'une surface importante (si le système optique n'impose pas de limitation). Avec une cible de petites dimensions relativement aux arcs (par exemple fibre optique ou fente de monochromateur), une petite lampe à arc peut produire plus d'éclairement du fait de sa luminance élevée sur une très petite surface d'arc effective. Considérez le flux total et les dimensions d'arc quand votre cible est de petite taille. Les fentes étroites de spectrographes requièrent un calcul impliquant les nombres d'ouverture du spectrographe et des systèmes de collection lumineuse et d'imagerie pour assurer les meilleurs résultats. Consultez l'exemple calculs de puissance.
Types de lampes à arc court
Lampes à arc court au Xénon*
- Proche correspondance avec le spectre solaire UV-VIS
- Fond continu sur le spectre UV-VIS
Les lampes au Xénon sont remplies de Xénon purifié à 5-20 bar. La pression triple pendant leur fonctionnement. Les lampes au Xénon fonctionnent avec l'anode au sommet. Les petits arcs intenses émettent des spectres proches d'un corps noir à 5500-6000 K, auxquels se superposent des raies du Xénon. Les raies du Xénon dominent entre 750 et 1000 nm, mais son spectre est presque inexistant dans l'UV et le visible. Les lampes au Xénon sont appréciées pour les applications exigeantes en matière d'absorbance et de fluorescence impliquant le balayage spectral et ce par des sources large bande haute intensité. Du fait de son spectre proche de celui du soleil, la lampe au Xénon est utilisée pour la simulation solaire.
Lampes à arc au Mercure
- Sortie UV intense à raies discrètes
Les lampes à arc au Mercure contiennent une quantité précise de Mercure et du gaz Argon ou du Xénon, qui sert de gaz d'allumage lorsque le mercure se vaporise. Lorsque les lampes sont froides, la pression du gaz à l'intérieur est inférieure à la pression atmosphérique et vous pouvez voir de petites goutelettes de Mercure dans la lampe. Quand les lampes fonctionnent, ce mercure se vaporise et atteint des pressions allant jusqu'à 75 bar. Ainsi, ces lampes au gaz rare deviennent des lampes au Mercure. Durant une phase de transition de cinq à dix minutes, les lampes fonctionnent avec un courant supérieur à la normale et l'anode doit être en bas pour assurer une vaporisation adéquate du Mercure. Certaines lampes au Mercure possèdent une ampoule partiellement recouverte d'un revêtement réfléchissant. Cela accélère la phase de transition et améliore la distribution thermique. Comme la température de l'ampoule influe significativement sur la pression du Mercure, ces lampes sont sensibles au flux de l'air sur l'ampoule.
De puissantes raies du Mercure dans le visible et l'UV dominent le spectre de sortie de ces lampes. fond continu dans l'infrarouge persiste à 2,5 mm et au-delà. La puissante sortie UV a conduit à utiliser ces lampes pour de nombreux processus photochimiques comme la lithographie et le traitement UV. Les raies intenses sont très utiles dans l'irradiation monochromatique pour la spectroscopie de la fluorescence. Des raies spécifiques peuvent être isolées à l'aide de filtres ou d'un monochromateur.
Lampes au Mercure(Xénon)
- Raies intenses du Mercure (UV) et du Xénon (IR)
Les lampes au Mercure(Xénon) possèdent des spectres de sortie similaires à ceux des lampes au Mercure, avec des raies du Xénon dans l'infra-rouge et un fond continu plus élevé dans le visible. Ces lampes utilisent le Xénon comme gaz d'allumage à une pression supérieure à la pression atmosphérique et fonctionnent avec l'anode en haut.
Lampe haute stabilité
Nous proposons une lampe haute stabilité au Xénon de 75 W, également appelée lampe “Super-Quiet” (très silencieuse). La plupart des lampes à arc subissent une “dérive de leur arc”, déplacement progressif de l'arc avec le temps, causé par un manque d'électrons émis depuis la cathode. En conséquence, un nouveau réglage de la lampe doit être effectué pendant sa durée de vie. Cette lampe résout le problème de dérive de l'arc à l'aide d'une cathode haute-performance. L'intensité émise ne diminue pas au cours de la durée de vie de la lampe.
Lampe EmArc™
Notre lampe EmArc™ 200 W est une lampe à arc en métal optimisée qui combine les avantages d'une lampe au Xénon, au Mercure et à l'halogénure de métal, en une seule et même source. Elle est similaire à une lampe à l'halogénure de métal en matière d'efficacité lumineuse, mais sa durée de vie est beaucoup plus longue.
La sortie spectrale est similaire à celle d'une lampe à arc court au Mercure. Le très petit intervalle de l'arc (1,2 mm) la rend utile comme source d'un illuminateur de fibre ou de monochromateur.
Alimentation d'une lampe à arc
Les lampes à arc, en particulier les lampes au Xénon ou au Mercure(Xénon) requièrent des étincelles haute tension pour s'allumer. Une alimentation soigneusement régulée est ensuite nécessaire pour son fonctionnement. Un système d'allumage fournit les étincelles haute tension tandis qu'une alimentation fournit le courant régulé. Nos boîtiers Research comportent un système d'allumage intégré qui facilite l'utilisation de la lampe et sont conformes aux réglementations CE.
Carte de luminosité de l'arc
Les figures 2 et 3 montrent les contours types d'équi-luminance pour les lampes au Mercure et au Xénon. Les deux types de lampes comportent des "points chauds" qui peuvent être récupérés par des micro-trous, des fibres ou autres petites cibles pour un éclairement maximal.
Distribution de l'intensité lumineuse
Les figures 4 et 5 montrent les distributions types d'intensité lumineuse des lampes à arc au Mercure et au Xénon. Le schéma montre une bonne symétrie rotationnelle. Notez l'effet d'ombres des électrodes. Les lampes au Mercure(Xénon) possèdent des distributions similaires à celle du Xénon. Ces schémas peuvent être importants dans la conception de systèmes de miroirs de collection lumineuse comme dans notre boîtier de lampe PhotoMax™ et nos illuminateurs Apex.
Figure 2 : Carte de contour typique de lampe à arc au Mercure.
Figure 3 : Carte de contour typique de lampe à arc de faible puissance au Xénon.
Figue 4 : Distribution typique d'intensité lumineuse de lampe au Mercure 350 W 6286.
Figure 5 : Distribution type d'intensité lumineuse de lampe au Xénon 150 W 6253.
Stabilité de l'arc
Nos lampes à arc sont dotées d'électrodes conçues pour réduire les variations spatiales dans les arcs. Les courants de convection dans la lampe et la migration de l'arc sur les électrodes sont deux sources de variation. Nous évaluons les performances des systèmes complets, pas seulement des lampes, en faisant l'image de l'arc par un micro-trou étroit ou une fente et en mesurant la lumière qui passe à travers. Les changements traduisent les fluctuations de l'arc. La combinaison de boîtiers de lampes Oriel à flux d'air à déflection, avec les alimentations Oriel a pour résultat des changements de signaux minimes. Notre contrôleur d'intensité lumineuse réduit nettement l'impact des changements.
Durée de vie de la lampe
Le Tungstène des électrodes s'évapore lentement à l'usage et se dépose à l'intérieur de l'enveloppe de la lampe. Cela a pour conséquence de diminuer l'éclairement en sortie. La figure 7 montre la sortie spectrale d'une nouvelle lampe comparée à celle d'une lampe ayant fonctionné pendant 1200 heures. La lumière UV est un peu plus réduite que le visible. La "consumation" des électrodes, augmentant alors l'intervalle entre l'anode et la cathode, est un résultat secondaire de l'érosion du Tungstène. Nous indiquons ci-dessous la durée de vie-type de la lampe ; c'est la durée moyenne écoulée avant que la sortie visible tombe à 75% de sa valeur initiale. Elle est basée sur un fonctionnement de la lampe pendant 30 minutes entre les allumages. Le retrait du Tungstène de la cathode pendant les allumages peut être significatif, donc des allumages fréquents peuvent réduire la durée de vie de la lampe. L'ajustement de l'alimentation en entrée pendant le fonctionnement de la lampe peut compenser la baisse en sortie. Nos systèmes de contrôle d'exposition numérique 68950 et 68951 contrôlent l'alimentation en entrée automatiquement (sur la plupart des alimentations Oriel). Le 68950 fonctionne avec nos sources pour petites surfaces. Le 68951 est conçu pour nos sources d'exposition divergentes et nos simulateurs solaires.
Considérations sur la sécurité
Les lampes à arc fonctionnent à des pressions et des températures très élevées et émettent un rayonnement UV. Elles doivent être utilisées dans un boîtier entièrement confiné. Toutes les lampes à arc doivent être employées de manière appropriée pour éviter la contamination de l'ampoule et les contraintes thermiques résultantes. Les lampes au Xénon et au Mercure(Xénon) ont une pression supra-atmosphérique même quand elles sont froides. Manipulez-les avec un équipement de sécurité approprié. Des gants épais et des masques résistant aux impacts sont recommandés.
Risque UV
Ces lampes sont couramment utilisées pour leur production de rayonnement UV. Protégez vos yeux et votre peau s'ils risquent d'être exposés aux rayons UV.
Risque Ozone
Les rayonnements UV en dessous de 242 nm produisent de l'ozone toxique. Envisagez une lampe sans ozone si vous n'avez pas besoin des ondes UV très courts en dessous de 260 nm.
Note technique
1. Une bonne habitude de travail consiste à remplacer toute lampe à arc après sa durée de vie nominale afin d'éviter une rapide détérioration en sortie et une possible défaillance accidentelle de la lampe.
2. La consumation des électrodes déplace la position du point chaud intense. La bonne conception du système explique ce déplacement.
Figure 6 : Eclairement spectral réel d'une source 300 W au Xénon avec une lampe neuve, puis une autre lampe après 1200 heures.
