مصباحات القوس الزينون: مصدر ضوء ساطع ومتنوع
يُعرَف مصباح القوس الزينون بأنه نوع من أنواع مصابيح تفريغ الغاز، وهو ينتج الضوء عن طريق مرور الكهرباء عبر غاز الزينون المؤين تحت ضغط عالٍ. يتميز مصباح القوس الزينون بمنحنى انبعاث ناعم في الطيف من الأشعة فوق البنفسجية إلى الطيف المرئي، مع أطوال موجية مميزة تتراوح بين 750 و 1000 نانومتر. ينتج هذا المصباح ضوءًا أبيضًا ساطعًا يشبه الضوء الطبيعي للشمس، مما يوسع نطاق تطبيقاته في مجالات مختلفة مثل السينما، ومحاكاة الضوء النهاري، واختبارات الطاقة الشمسية، والأبحاث. يمكن تقسيم مصابيح القوس الزينون إلى ثلاث فئات: مصابيح القوس الزينون ذات الإخراج المستمر القصير، ومصابيح القوس الزينون ذات الإخراج المستمر الطويل، ومصابيح الفلاش الزينون.
ما هو مصباح القوس الزينون؟
مصباح القوس الزينون هو نوع متخصص للغاية من مصابيح تفريغ الغاز، وهو مصباح كهربائي ينتج الضوء عن طريق مرور الكهرباء عبر غاز الزينون المؤين تحت ضغط عالٍ. يشير المصطلح "قوس" إلى تيار كهربائي يتدفق بين كهرين في أنبوب مليء بالغاز. يشير المصطلح "زينون" إلى الغاز النبيل الذي يستخدم كمكون رئيسي لمزيج الغاز في الأنبوب. يتم اختيار الزينون بسبب عدد ذراته العالية وقلة طاقة التأيين له، مما يسمح له بإصدار طيف واسع من الضوء بحدة عالية وإعادة إنتاج الألوان بشكل جيد.
كيف يعمل مصباح القوس الزينون؟
يتكون هيكل مصباح القوس الزينون الأساسي من كهرين من التنجستن المحتوي على ثوريوم موضوعين وجهاً لوجه مع فجوة صغيرة داخل ظرف شفاف محكم من الكوارتز المذاب (المعروف أيضًا باسم الكوارتز). يعتبر التنجستن المحتوي على ثوريوم هو سبيكة من التنجستن مع إضافة 1 إلى 2% من الثوريوم لتعزيز قدرة التنجستن على إصدار الإلكترونات. يعتبر الكوارتز المذاب زجاجًا من أكسيد السيليكون غير البلوري شفاف يوفر قوة إضافية وتوسع حراري شبه صفري. يمكنه تحمل الضغط العالي والحرارة العالية.
تمتلئ الظرف أو المصباح بالغاز الزينون تحت ضغط عالٍ جدًا، عادة حوالي 30 بار. عندما يتم تطبيق جهد عبر الكهرين، يبدأ ظاهرة تفريغ الغاز في غاز الزينون في الفجوة بين الكهرين. هناك دائمًا بعض الإلكترونات الحرة في الغاز بسبب التحريض الحراري أو الأشعة الكونية. بسبب المجال الكهربائي المطبق عبر الكهرين، يتم تسريع الإلكترونات الحرة وتتصادم مع ذرات الزينون. نتيجة لهذه التصادمات، يتم فصل الإلكترونات من المدار الخارجي لذرات الزينون وتنتقل إلى مستويات طاقة أعلى. تسمى الذرات التي تحتوي على إلكترونات في مستويات طاقة أعلى بذرات مثارة.
عندما تعود الذرات المثارة من مستوياتها الطاقية الأعلى إلى مستوياتها السابقة، تطلق الطاقة الزائدة على شكل فوتونات. تكون طول موجة الطاقة المنبعثة من الفوتونات ضمن النطاق المرئي. لون ضوء مصباح القوس الزينون مشابه للضوء النهاري. بسبب الجذب الكهروستاتيكي للأقطاب الموجبة (الأقطاب الموجبة)، تأتي الإلكترونات الحرة في النهاية إلى الأقطاب الموجبة وتعود إلى المصدر.
بسبب جذب القطب السالب (القطب السالب)، تتصادم الأيونات الموجبة (ذرات الزينون التي فقدت إلكتروناتها) في النهاية مع سطح القطب السالب وتجعل أيونات معدنية موجبة، وذرات زينون محايدة، وإلكترونات حرة. تُعرف هذه الإلكترونات بالإلكترونات الثانوية المنبعثة. تساعد هذه الإلكترونات في استمرار عملية تفريغ الغاز.
نظرًا لعدم تسخين القطب السالب لإصدار الإلكترونات، يُعرف القطب السالب لمصباح القوس الزينون بالقطب البارد.
ما هي أنواع مصابيح القوس الزينون؟
يمكن تقسيم مصابيح القوس الزينون إلى ثلاثة أنواع رئيسية: مصابيح القوس الزينون ذات الإخراج المستمر القصير، ومصابيح القوس الزينون ذات الإخراج المستمر الطويل، ومصابيح الفلاش الزينون.
مصابيح القوس الزينون القصيرة ذات الإخراج المستمر
تم تصميم مصابيح القوس الزينون القصيرة ذات الإخراج المستمر للعمل بتيار مستمر (DC) بطول قوس قصير جدًا (عادة أقل من 5 ملم). لديها كفاءة إضاءة عالية (تصل إلى 75 لومين لكل واط) ومؤشر إعادة إنتاج الألوان عالي (تصل إلى 95). تستخدم على نطاق واسع في عرض الأفلام، وأضواء البحث، ومحاكاة الشمس، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب سطوعًا عاليًا واستقرارًا.
مصابيح القوس الزينون الطويلة ذات الإخراج المستمر
تم تصميم مصابيح القوس الزينون الطويلة ذات الإخراج المستمر للعمل بتيار متغير (AC) بطول قوس أطول (عادة أكثر من 10 ملم). لديها كفاءة إضاءة أقل (تصل إلى 40 لومين لكل واط) ومعامل إعادة إنتاج ألوان أقل (تصل إلى 85) من المصابيح القصيرة. تستخدم بشكل أساسي لأغراض الإضاءة العامة، مثل إضاءة الشوارع، والإضاءة الصناعية، والإضاءة المعمارية.
مصابيح الفلاش الزينون
تم تصميم مصابيح الفلاش الزينون للعمل بنظام دفع نبضي بقوة ذروة عالية جداً (تصل إلى عدة ميجاوات) ومدة زمنية قصيرة جدًا (عادة أقل من 1 مللي ثانية). لها استهلاك قليل للطاقة المتوسط (تصل إلى 10 وات) وكفاءة إضاءة متوسطة منخفضة (تصل إلى 10 لومين لكل وات). تستخدم بشكل أساسي للفلاش التصويري، وأضواء الفلاش، وضخ الليزر، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب شدة عالية ومدة قصيرة.
ما هي مزايا مصابيح القوس الزينون؟
للمصابيح القوس الزينون العديد من المزايا مقارنة بأنواع أخرى من مصادر الضوء:
• تنتج طيفًا واسعًا من الضوء يغطي معظم النطاق المرئي وبعض النطاق فوق البنفسجي والأشعة تحت الحمراء. • لديها مؤشر إعادة إنتاج ألوان عالي يجعل الأشياء تبدو أكثر طبيعية وحيوية. • لديها درجة حرارة لون عالية تحاكي ضوء الشمس الطبيعي وتعزز الرؤية. • لديها عمر طويل يتراوح من 500 ساعة (7 كيلوواط) إلى 1500 ساعة (1 كيلوواط). • لديها قوس مستقر بأقل تشويش وضوضاء. • لديها أقطاب غير قابلة للاستهلاك تسمح بتشغيل أطول دون انقطاع. • لديها تأثير بيئي منخفض حيث لا تحتوي على الزئبق أو مواد سامة أخرى.
ما هي عيوب مصابيح القوس الزينون؟
للمصابيح القوس الزينون أيضًا بعض العيوب مقارنة بأنواع أخرى من مصادر الضوء:
