キセノンアークランプ

キセノンアークランプは、ガス放電ランプの中でも高度に特殊化されたタイプで、高圧のイオン化キセノンガスに電気を流すことで光を生成する電灯です。太陽光を模した明るい白色光を発し、映画館の映写機、サーチライト、産業や研究の特殊な用途に使用されています。たとえば、キセノンアークランプと水銀ランプは、広視野蛍光顕微鏡で使用される最も一般的な 2 つのランプです。

キセノンアークランプは、大きく分けて 3 つのカテゴリに分類できます。

• 連続出力キセノンショートアークランプ、
• 連続出力キセノンロングアークランプ、および
• キセノンフラッシュランプ（通常は別々に考慮されます）。

それぞれのランプは、両端にタングステン金属電極を備えた、溶融石英またはその他の耐熱ガラス製の発光管で構成されています。ガラス管は最初に真空にされ、その後キセノンガスが再充填されます。キセノン フラッシュ チューブの場合、通常、3 番目の「トリガー」電極が発光管の外側を囲んでいます。キセノン アークランプの寿命は設計と消費電力によって異なり、大手メーカーは平均寿命を 500 時間 (7 kW) から 1,500 時間 (1 kW) としています。^[1]

キセノン放電への関心は、1944年にP.シュルツがほぼ連続したスペクトルと高演色性の白色光を発見したことに始まり、その後急速に高まりました。^{[2]この希ガスの入手が戦時中制限されていたため、イギリスのシーメンスランプ会社のジョン・アルディントン[3]}が1949年に研究を発表するまで、大きな進歩はありませんでした。 ^[4]

これをきっかけに、ドイツのオスラム社では、映画映写におけるカーボンアークの代替としてこの技術をさらに開発する取り組みが活発に行われた。キセノンランプは、より安定したアークとちらつきの少なさという大きな利点を約束し、消耗しない電極により、より長い映画を中断することなく上映できた。この成果に対するオスラムの主な貢献は、キセノン放電物理の徹底的な研究であり、特定の電極と電球の形状による直流動作用の非常に短いアークの開発へと向かった。陰極は、熱電子放出のために高温に達するように小さく保たれ、陽極は、入ってくる電子が減速される際に発生する熱を放散させるために大きくなっている。ほとんどの光は、アーク温度が 10,000 °C に達する陰極先端のすぐ前で生成される。プラズマは陽極に向かって加速され、電極の形状、電流によって生成される固有の磁気圧縮、および電球の形状によって制御される対流効果によって安定化される。

これらの開発に続いて、1950年10月30日、ベルリンで開催されたドイツ映画協会の第216回総会で、カラー映画（『シュヴァルツヴァルトメーデル^{』）の抜粋が上映され、キセノンライトを使用した最初の公開上映が成功しました。 [5]}この技術は、1952年にドイツのオスラム社によって商業的に導入されました。 ^[6]最初に2kWサイズ（XBO2001）[要出典]と1kWサイズ（XBO1001）[7]で製造されたこれらの^{ランプは、}映画の映写^で広く使用され、より労働集約的な（操作に）古いカーボンアークランプに取って代わりました。

キセノンアークによって生成される白色連続光はスペクトル的には日光に似ていますが、入力電力1ワットあたりの可視光出力のルーメン数で見ると、ランプの効率はかなり低いです。今日、劇場のほぼすべての映画プロジェクターは、定格電力が900ワットから12kWまでのこれらのランプを使用しています。オムニマックス（Imax Dome）投影システムは、定格が15kWにも達する単一のキセノンランプを使用しています。2016年現在、デジタルシアタープロジェクター用のレーザー照明が市場で存在感を確立し始めており ^[8]、この用途ではキセノンアークランプに取って代わると予測されています。^[9]

アークのサイズが非常に小さいため、ランプからの光を適度な精度で集光できます。このため、10 ワットまでの小型のキセノン アークランプが光学や顕微鏡などの精密照明に使用されていますが、現在では、回折限界のスポットを生成できるシングル モード レーザー ダイオードや白色光スーパーコンティニューム レーザーに取って代わられています。大型のランプは、狭い光線を生成するサーチライトや、日光のシミュレーションが必要な映画製作照明に使用されています。

すべてのキセノンショートアークランプは、かなりの紫外線を放射します。キセノンは紫外線帯域に強いスペクトル線を持ち、標準ランプに使用されているホウケイ酸ガラスとは異なり、溶融石英ランプの外被を容易に通過します。溶融石英は、特別にドープされていない限り、紫外線を容易に通過させます。ショートアークランプによって放出される紫外線は、オゾン生成という二次的な問題を引き起こす可能性があります。紫外線はランプ周辺の空気中の酸素分子に衝突し、それらをイオン化させます。イオン化された分子の一部は、O ₃、つまりオゾンとして再結合します。ショートアークランプを光源として使用する機器には、紫外線シールドが含まれ、オゾンの蓄積を防ぐ必要があります。

多くのランプは、外被に短波紫外線遮断コーティングが施されており、「オゾンフリー」ランプとして販売されています。これらの「オゾンフリー」ランプは、適切な換気が困難な屋内用途でよく使用されます。一部のランプは、超高純度合成溶融シリカで作られた外被を備えており (「Suprasidh」など)、コストはおよそ 2 倍になりますが、真空紫外線領域に有用な光を放射できます。これらのランプは通常、純粋な窒素雰囲気で動作します。

現代のキセノンショートアークランプはすべて、トリエーテッドタングステン電極を備えた溶融石英管を使用しています。溶融石英管は、光学的に透明でありながら、手術用ランプの高圧（IMAXバルブの場合は 25 気圧）と高温に耐えられる、現在入手可能な唯一の経済的に実現可能な材料です。電極のトリウムドーパントは、電子放出特性を大幅に向上させます。タングステンと石英管は熱膨張係数が異なるため、タングステン電極は純粋なモリブデン金属またはインバー合金のストリップに溶接され、その後、石英管に溶け込んで管のシールを形成します。

非常に高い電力レベルが関係するため、大型ランプは水冷式です。IMAX プロジェクターで使用されるランプでは、電極本体は固体インバーで作られ、先端にはトリウムタングステンが使用されています。Oリングがチューブを密閉するため、むき出しの電極は水に触れません。低電力アプリケーションでは、電極は冷たすぎて効率的な電子放出が行えないため、冷却されません。高電力アプリケーションでは、各電極に追加の水冷回路が必要です。コストを削減するため、水回路は分離されないことが多く、水を脱イオン化して非導電性にする必要があります。これにより、石英または一部のレーザー媒体が水に溶解します。

最高の効率を達成するために、ショートアークランプ内のキセノンガスは、最大 30 気圧 (440 psi / 3040 kPa) の極めて高い圧力に維持されますが、これは安全上の懸念を生じます。使用中にランプが落下したり破裂したりすると、ランプエンベロープの破片が高速で飛び散る可能性があります。これを軽減するために、大型のキセノンショートアークランプは通常、破損が発生した場合にエンベロープの破片を封じ込める保護シールドに入れて出荷されます。通常、ランプがランプハウジングに取り付けられると、シールドは取り外されます。ランプの耐用年数が終了すると、保護シールドがランプに取り付けられ、使用済みのランプは機器から取り外されて廃棄されます。ランプが古くなるにつれて故障のリスクが高まるため、交換中の電球は爆発のリスクが最も高くなります。

キセノン短アークランプには、キセノンガスのみを含む純キセノンと、キセノンガスと少量の水銀金属を含むキセノン水銀の 2 種類があります。

純粋なキセノンランプでは、光の大部分は、電子流が陰極面から出る場所にある、極小の点サイズのプラズマ雲内で生成されます。光生成容積は円錐形で、光度は陰極から陽極に移動するにつれて指数関数的に減少します。プラズマ雲を通過する電子は陽極に衝突し、陽極を加熱します。その結果、キセノンショートアークランプの陽極は、熱を放散させるために、陰極よりもはるかに大きくするか、水冷する必要があります。純粋なキセノンショートアークランプの出力は、色温度が約 6200K、演色評価数が100 に近い、かなり連続したスペクトル電力分布を提供します。 ^[10]ただし、高圧ランプでも、近赤外線、およそ 850 ～ 900 nm の領域に非常に強い輝線がいくつかあります。このスペクトル領域には、放出される光全体の約 10% が含まれます。^{[要出典]光強度は20,000～500,000 cd/cm 2}の範囲である。一例としては、純粋なキセノン短アークランプのOSRAMの商標名である「XBOランプ」が挙げられる。^[10]

内視鏡検査や歯科技術などの一部のアプリケーションでは、ライトガイドシステムが組み込まれています。

純粋なキセノンランプと同様に、生成される光の大部分は、陰極の表面近くにあるピンポイントサイズのプラズマ雲から放射されます。ただし、キセノン水銀ランプのプラズマ雲は、電子流がより重い水銀原子にエネルギーをより急速に失うため、同等サイズの純粋なキセノンランプのプラズマ雲よりも小さいことがよくあります。キセノン水銀ショートアークランプは、青みがかった白色のスペクトルと非常に高いUV出力を備えています。これらのランプは、主に UV硬化アプリケーション、物体の殺菌、およびオゾンの生成に使用されます。

キセノン ショートアークランプも、セラミック製の本体と一体型リフレクターで製造されています。UV 透過ウィンドウまたは UV 遮断ウィンドウのいずれかを備えた、さまざまな出力定格の製品が用意されています。リフレクターのオプションは、放物面 (平行光用) または楕円形 (集光光用) です。ビデオ プロジェクター、光ファイバー照明、内視鏡やヘッドランプの照明、歯科用照明、サーチライトなど、さまざまな用途に使用されています。

キセノンショートアークランプは、他のガス放電ランプと同様に、負の温度係数を持っています。低電圧、高電流、DCで動作し、 20～50kVの高電圧パルスによる電界放出によって始動します。たとえば、450Wのランプは、始動後は18V、25Aで正常に動作します。また、本質的に不安定で、プラズマ振動や熱暴走などの現象が発生しやすいです。^[要出典]これらの特性のため、キセノンショートアークランプには、最終的に電極を損傷する可能性のある炎のちらつきなしで動作する適切な電源が必要です。

これらは構造的にショートアークランプに似ていますが、ガラス管内の電極間の距離が非常に長くなっています。楕円形の反射鏡内に取り付けられたこれらのランプは、多くの場合、写真撮影用に、短いフラッシュで太陽光をシミュレートするためによく使用されます。一般的な用途には、太陽電池のテスト (光学フィルターを使用)、材料の経年変化テストのための太陽光シミュレーション、急速熱処理、材料検査、焼結などがあります。

ロシアと旧ソ連の衛星国以外ではあまり知られていないが、ロングアークキセノンランプは、鉄道駅、スポーツ競技場、採鉱作業、原子力発電所の高所スペースなどの広いエリアの一般照明に使用されていた。これらのランプ、Лампа ксеноновая ДКСТ、文字通り「キセノンランプ DKST」は、2kWから100kWの範囲の高ワット数を特徴としていた。ランプは、プラズマが熱化される、つまり電子がガス自体よりもそれほど熱くない、特殊な放電モードで動作した。これらの条件下では、正の電流電圧曲線が実証された。これにより、5kWや10kWなどのより大きな一般的なサイズは、バラストなしでそれぞれ110ボルトと220ボルトの主交流電源から直接動作することができ、アークを開始するために必要なのは直列イグナイターのみであった。

このランプは、1 ワットあたり約 30 ルーメンの光を発しました。これはタングステン白熱ランプの約 2 倍の効率ですが、メタルハライドなどの最新の光源よりは効率が低いです。水銀を含まない、対流空気冷却、高圧破裂の危険がない、ほぼ完璧な色再現という利点がありました。効率が低く、より一般的なランプ タイプとの競合のため、現在残っている設置物はほとんどありませんが、残っている場合は、特徴的な長方形/楕円形の反射鏡と、比較的長い管状の光源から発せられる鮮明な青白色の光で見分けることができます。

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