Was ist eine Xenon-Lichtquelle?
Xenon-Lichtquellen sind künstliche Lichtquellen, die das durch eine Bogenentladung in Xenon-Gas erzeugte Licht nutzen.
Unter Lichtbogenentladung versteht man die Ionisierung von Gasmolekülen zwischen positiven und negativen Elektroden in einen Plasmazustand, durch den ein elektrischer Strom fließt. Aufgrund ihres Leuchtprinzips zeichnen sich Xenon-Lichtquellen durch einen geringeren Stromverbrauch und eine längere Lebensdauer aus als Glühlampen, die mit Glühfäden betrieben werden wie z. B. Glühbirnen. Andere wichtige künstliche Lichtquellen sind Halogenlampen, aber Xenon-Lichtquellen sind leistungsstärker als Halogenlampen und können kleinere Flächen beleuchten.
Obwohl sie manchmal als Xenon-Lampen bezeichnet werden, wird in diesem Artikel der Begriff Xenon-Lichtquelle verwendet, da dieser Begriff mit den mit Xenon gefüllten Glühlampen (Xenon-Birnen) verwechselt werden kann. Eine Xenon-Glühbirne, die Licht erzeugt, indem sie elektrischen Strom durch einen Glühfaden leitet, ist etwas völlig anderes als eine Xenon-Lichtquelle, die Licht erzeugt, indem sie elektrischen Strom durch plasmaisiertes Xenon-Gas leitet.
Anwendungen von Xenon-Lichtquellen
Xenon-Lichtquellen haben eine relativ lange Lebensdauer, da sie nicht wie Glühbirnen durch einen Glühfaden erhitzt werden. In Verbindung mit speziellen Filtern entspricht ihr Spektrum außerdem fast dem des Sonnenlichts, was sie für industrielle, medizinische und andere Bereiche, in denen natürliche Farben reproduziert werden müssen, nützlich macht.
1. Anwendungen von Kurzbogenlampen
Xenon-Kurzbogenlampen werden als Punktlichtquellen mit hoher Leuchtdichte in folgenden Bereichen eingesetzt.
Beleuchtung
Obwohl sie auch als hochintensive Lichtquellen wie Such- und Scheinwerfer verwendet werden, zeichnen sie sich durch ihren häufigen Einsatz als Bühnenbeleuchtung und chirurgische Lampen aus, wo eine natürliche Farbwiedergabe erforderlich ist. Sie werden auch als Lichtquellen für Endoskope verwendet, da sie miniaturisiert werden können.
Lichtquellen für Tests
Als Sonnensimulatoren mit sonnenlichtähnlichen Eigenschaften sind sie ideal für die Prüfung der Stromerzeugungseffizienz von Solarmodulen oder die Durchführung von Dauerhaftigkeitsprüfungen wie z. B. das Ausbleichen oder die Zersetzung von Materialien durch Sonnenlicht. Da sie in der Lage sind, Licht einer breiten Palette von Wellenlängen abzugeben, werden sie als Lichtquellen für Spektralanalysatoren und zur Prüfung von Displays und Messgeräten eingesetzt.
Lichtquelle für die Projektion
Xenon-Kurzbogenlampen sind die am besten geeignete Lichtquelle für Projektoren, Planetariumsprojektoren und Großprojektoren, da sie nicht nur eine Punktlichtquelle sind, sondern auch eine stabile Leistung und eine hohe Farbwiedergabe erfordern.
2. Anwendungen von Langbogenlampen
Xenon-Langbogenlampen werden häufig als große Lichtquellen eingesetzt, die einen weiten Bereich beleuchten müssen, z. B. als Flutlicht in Stadien und als Führungslicht in Flughäfen.
3. Anwendungen von Blitzlampen
Die am häufigsten anzutreffenden Xenon-Blitzlampen sind Blitzlichter für die Fotografie. Sie werden in großformatigen Blitzlampen in Fotostudios und in Blitzlampen für Spiegelreflexkameras verwendet.
Weitere Anwendungen sind Xenon-Phototherapiegeräte zur Verbesserung der Durchblutung der Haut bei der Behandlung von Verbrennungsnarben und Blutergüssen (zur Förderung der Regeneration) sowie als Lichtquelle für die IPL-Haarentfernung (Intense Pulse Light).
Funktionsweise von Xenon-Lichtquellen
Die Grundstruktur einer Xenon-Lichtquelle besteht aus Xenon-Gas, das in einer Quarzglasröhre eingeschlossen ist, zwei Elektroden und einem Beleuchtungskreislauf, der von der Außenseite der Glasröhre aus mit beiden Elektroden verbunden ist. Die Aufgabe des Beleuchtungskreises besteht darin, durch Anlegen von Hochspannungsimpulsen an die Elektroden eine Bogenentladung zu initiieren, um einen Isolationsdurchbruch zu erzeugen. Einmal in Gang gesetzt, kann die Bogenentladung auch bei niedrigeren angelegten Spannungen aufrechterhalten werden, weshalb die meisten Xenon-Lichtquellen eine Nennspannung von 15-30 V haben.
Die von der Kathode emittierten Elektronen stoßen mit hoher Geschwindigkeit zusammen, um Xenonatome zu ionisieren, und die durch die Ionisierung erzeugten Elektronen ionisieren das nächste Xenonatom (Bogenentladung). Sobald die Bogenentladung begonnen hat, wird ein breites Spektrum von Lichtwellenlängen (kontinuierliches Spektrum) emittiert, wenn die ionisierten Elektronen mit den Xenon-Ionen rekombinieren und zu den Atomen zurückkehren.
Darüber hinaus werden einige der Elektronen im Xenonatom ohne Ionisierung angeregt und wenn die angeregten Elektronen in ihren Grundzustand zurückkehren, geben sie Licht mit einer bestimmten Wellenlänge ab (Linienspektrum). Das Spektrum einer Xenon-Lichtquelle ist also ein kontinuierliches Spektrum plus ein Linienspektrum.
Arten von Xenon-Lichtquellen
Xenon-Lichtquellen lassen sich grob in folgende Typen einteilen:
1. Kurzbogenlampen
Kurzbogenlampen haben einen kurzen Abstand von weniger als einigen Millimetern zwischen den Elektroden, so dass die Emissionsfläche kleiner ist als bei Xenon-Lampen, wodurch eine Punktlichtquelle mit hoher Leuchtdichte erzeugt werden kann. Das Quarzglasrohr ist mit Xenongas gefüllt, das unter hohem Druck (ca. 5-10 atm) bei Raumtemperatur steht. Die Xenonatome emittieren Licht durch Gleichstromentladung, und in kurzer Zeit kann eine stabile Leistung erzielt werden.
2. Langbogenlampen
Diese Lampen bestehen aus einer langen, schmalen Quarzglasröhre, die mit Xenongas bei fast 1 atm (105 Pa) gefüllt ist. Sie zeichnen sich durch einen extrem hohen Lichtstrom aus und haben in der Regel eine Nennleistungsaufnahme von 1 kW oder mehr; einige Lampen haben eine Nennleistungsaufnahme von über 50 kW.
Sie geben ihr Licht im Allgemeinen durch Wechselstromentladung ab, der Abstand zwischen den Elektroden beträgt 5-10 cm oder mehr und der Teil der Leuchtröhre wird beim Anzünden sehr heiß, so dass eine Kühlung mit Wasser oder Luft erforderlich ist.
3. Blitzlampen
Hierbei handelt es sich um Xenon-Lichtquellen, die Licht für eine extrem kurze Zeitspanne (einige μs bis einige ms) aussenden. Aufgrund der kurzen Emissionszeit ist kein Kühlsystem erforderlich und die Gesamtgröße kann reduziert werden.
Es gibt sie in verschiedenen Formen und sie sind mit 2-10 kPa Xenongas gefüllt. Es gibt zwei Arten: eine Impulsspannung, die beim Einschalten angelegt wird und ein Schimmersystem, das ein schnelles Aufleuchten ermöglicht, indem ständig ein schwacher Strom angelegt wird, auch wenn die Lampe nicht eingeschaltet ist.