Lampes à arc au xénon : une source lumineuse brillante et polyvalente
Une lampe à arc au xénon est un type de lampe à décharge gazeuse qui produit de la lumière en faisant passer un courant électrique à travers du xénon ionisé sous haute pression. Les lampes à arc au xénon ont une courbe d'émission lisse dans l'ultraviolet et le spectre visible, avec des longueurs d'onde caractéristiques émises de 750 à 1000 nm. Elles produisent une lumière blanche vive qui imite de près la lumière naturelle du soleil, ce qui étend leurs applications dans divers domaines tels que le cinéma, la simulation de la lumière du jour, les tests solaires et la recherche. Les lampes à arc au xénon peuvent être divisées en trois catégories : les lampes à arc court à sortie continue, les lampes à arc long à sortie continue et les lampes à flash au xénon.
Qu'est-ce qu'une lampe à arc au xénon?
Une lampe à arc au xénon est définie comme un type très spécialisé de lampe à décharge gazeuse, une lumière électrique qui produit de la lumière en faisant passer un courant électrique à travers du xénon ionisé sous haute pression. Le terme "arc" fait référence au courant électrique qui circule entre deux électrodes dans un tube rempli de gaz. Le terme "xénon" fait référence au gaz noble utilisé comme composant principal du mélange de gaz dans le tube. Le xénon est choisi pour son nombre atomique élevé et son faible potentiel d'ionisation, ce qui lui permet d'émettre un large spectre de lumière avec une intensité et une restitution des couleurs élevées.
Comment fonctionne une lampe à arc au xénon ?
La structure de base d'une lampe à arc au xénon consiste en deux électrodes en tungstène thoréifié placées face à face avec un petit espace entre elles dans une enveloppe transparente hermétique en silice fondue (également connue sous le nom de quartz). Le tungstène thoréifié est un alliage de tungstène avec 1 à 2 % de thorium ajouté pour améliorer la capacité d'émission d'électrons du tungstène. La silice fondue est un verre de dioxyde de silicium non cristallin transparent qui fournit une résistance supplémentaire et une expansion thermique presque nulle. Elle peut supporter une pression et une température élevées.
L'enveloppe ou ampoule est remplie de xénon gazeux sous une très haute pression, généralement environ 30 bars. Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, le phénomène de décharge gazeuse commence dans le xénon gazeux dans l'espace entre les électrodes. Il y a toujours des électrons libres dans le gaz en raison de l'agitation thermique ou des rayons cosmiques. En raison du champ électrique appliqué entre les électrodes, les électrons libres s'accélèrent et entrent en collision avec les atomes de xénon. Ces collisions détachent les électrons des orbites externes des atomes de xénon de leur position et les font passer à un niveau d'énergie plus élevé. Les atomes avec des électrons à des niveaux d'énergie plus élevés sont appelés atomes excités.
Lorsque les atomes excités retournent de leur niveau d'énergie plus élevé à leur état précédent, ils libèrent l'énergie supplémentaire sous forme de photons. La longueur d'onde de l'énergie émise par les photons est dans la gamme visible. La couleur de la lumière de la lampe à arc au xénon est semblable à celle de la lumière du jour. En raison de l'attraction électrostatique de l'anode (électrode positive), les électrons libres finissent par se diriger vers l'anode et retourner à la source.
En raison de l'attraction de la cathode (électrode négative), les ions positifs (atomes de xénon ayant perdu des électrons) finissent par entrer en collision avec la surface avant de la cathode et génèrent des ions métalliques positifs, des atomes de xénon neutres et des électrons libres. Ces électrons sont appelés électrons secondaires émis. Ces électrons aident à maintenir le processus de décharge gazeuse.
Comme la cathode n'est pas chauffée supplémentairement pour l'émission d'électrons, la cathode d'une lampe à arc au xénon est appelée cathode froide.
Quels sont les types de lampes à arc au xénon ?
Les lampes à arc au xénon peuvent être grossièrement divisées en trois catégories : les lampes à arc court à sortie continue, les lampes à arc long à sortie continue et les lampes à flash au xénon.
Lampes à arc court à sortie continue
Les lampes à arc court à sortie continue sont conçues pour fonctionner en courant continu (CC) avec une longueur d'arc très courte (généralement inférieure à 5 mm). Elles ont une efficacité lumineuse élevée (jusqu'à 75 lumens par watt) et un indice de rendu des couleurs élevé (jusqu'à 95). Elles sont largement utilisées pour la projection cinématographique, les projecteurs, les simulateurs solaires et autres applications nécessitant une grande luminosité et une stabilité.
Lampes à arc long à sortie continue
Les lampes à arc long à sortie continue sont conçues pour fonctionner en courant alternatif (CA) avec une longueur d'arc plus longue (généralement supérieure à 10 mm). Elles ont une efficacité lumineuse plus faible (jusqu'à 40 lumens par watt) et un indice de rendu des couleurs plus faible (jusqu'à 85) que les lampes à arc court. Elles sont principalement utilisées pour l'éclairage général, tel que l'éclairage public, l'éclairage industriel et l'éclairage architectural.
Lampes à flash au xénon
Les lampes à flash au xénon sont conçues pour un fonctionnement pulsé avec une puissance crête très élevée (jusqu'à plusieurs mégawatts) et une durée très courte (généralement inférieure à 1 milliseconde). Elles ont une consommation moyenne de puissance faible (jusqu'à 10 watts) et une efficacité lumineuse moyenne faible (jusqu'à 10 lumens par watt). Elles sont principalement utilisées pour le flash photographique, les stroboscopes, le pompage laser et d'autres applications nécessitant une intensité élevée et une durée courte.
Quels sont les avantages des lampes à arc au xénon ?
Les lampes à arc au xénon présentent plusieurs avantages par rapport à d'autres types de sources lumineuses :
• Elles produisent un large spectre de lumière qui couvre la plupart de la gamme visible et une partie de la gamme ultraviolette et infrarouge. • Elles ont un indice de rendu des couleurs élevé qui fait apparaître les objets plus naturels et vifs. • Elles ont une température de couleur élevée qui simule la lumière naturelle du soleil et améliore la visibilité. • Elles ont une longue durée de vie qui varie de 500 heures (7 kW) à 1500 heures (1 kW). • Elles ont un arc stable avec moins de scintillement et de bruit. • Elles ont des électrodes non consommables qui permettent une opération plus longue sans interruptions. • Elles ont un impact environnemental faible car elles ne contiennent ni mercure ni autres substances toxiques.
Quels sont les inconvénients des lampes à arc au xénon ?
Les lampes à arc au xénon ont également quelques inconvénients par rapport à d'autres types de sources lumineuses :
• Elles nécessitent une tension et un courant élevés pour fonctionner, ce qui augmente le coût et la complexité de l'alimentation en électricité et des systèmes de contrôle. • Elles génèrent beaucoup de chaleur qui nécessite des systèmes de refroidissement efficaces. • Elles émettent un rayonnement ultraviolet qui peut causer des dommages oculaires ou des cancers de la peau si elles ne sont pas correctement filtrées ou protégées. • Elles sont sensibles aux chocs et aux vibrations qui peuvent endommager ou casser l'enveloppe en verre ou les électrodes. • Elles sont coûteuses à l'achat et à l'entretien par rapport à d'autres types de sources lumineuses.
