مصباح قوس الزينون

مصباح قوس الزينون هو نوع متخصص للغاية من مصابيح التفريغ الغازي ، وهو مصباح كهربائي ينتج الضوء عن طريق تمرير التيار الكهربائي عبر غاز الزينون المتأين تحت ضغط عالٍ. يُصدر هذا المصباح ضوءًا أبيض ساطعًا يُحاكي ضوء الشمس ، ويُستخدم في أجهزة عرض الأفلام في دور السينما ، وفي كشافات الإضاءة ، ولأغراض متخصصة في الصناعة والبحث العلمي. على سبيل المثال، تُعد مصابيح قوس الزينون ومصابيح الزئبق من أكثر المصابيح شيوعًا في مجاهر التألق واسعة المجال .

يمكن تقسيم مصابيح قوس الزينون تقريبًا إلى ثلاث فئات:

• مصابيح زينون قصيرة القوس ذات خرج مستمر،
• مصابيح زينون طويلة القوس ذات خرج مستمر، و
• مصابيح زينون الومضية (والتي عادة ما يتم النظر إليها بشكل منفصل).

يتكون كل منها من أنبوب قوس مصنوع من الكوارتز المنصهر أو زجاج مقاوم للحرارة ، مع قطب كهربائي من التنجستن في كل طرف. يُفرغ الأنبوب الزجاجي أولاً من الهواء ثم يُعاد ملؤه بغاز الزينون. في أنابيب وميض الزينون، يُحيط عادةً قطب كهربائي ثالث "للتشغيل" بالسطح الخارجي لأنبوب القوس. يختلف عمر مصباح قوس الزينون تبعًا لتصميمه واستهلاكه للطاقة، حيث تُشير إحدى الشركات المصنعة الكبرى إلى متوسط ​​عمر يتراوح بين 500 ساعة (7 كيلوواط) و1500 ساعة (1 كيلوواط). ^{[ 1 ]}  

بدأ الاهتمام بتفريغ الزينون لأول مرة على يد بيير شولتز عام 1944، بعد اكتشافه طيفه شبه المتصل وضوئه الأبيض عالي القدرة على تجسيد الألوان. ^{[ 2 ]} ونظرًا لمحدودية توفر هذا الغاز النبيل خلال الحرب، لم يُحرز تقدم ملحوظ حتى نشر جون ألدينجتون ^{[ 3 ]} من شركة سيمنز البريطانية للمصابيح بحثه عام 1949. ^{[ 4 ]}

أدى ذلك إلى بذل جهود مكثفة في شركة أوسرام الألمانية لتطوير هذه التقنية كبديل لأقواس الكربون في عرض الأفلام. وعد مصباح الزينون بمزايا هائلة، منها قوس أكثر استقرارًا مع وميض أقل، كما سمحت أقطابه غير القابلة للاستهلاك بعرض أفلام أطول دون انقطاع. تمثلت مساهمة أوسرام الرئيسية في هذا الإنجاز في أبحاثها المعمقة حول فيزياء تفريغ الزينون، والتي وجهت تطويراتها نحو أقواس قصيرة جدًا للتشغيل بالتيار المستمر مع شكل هندسي محدد للقطب الكهربائي والمصباح. يُحافظ على صغر حجم المهبط للوصول إلى درجات حرارة عالية للانبعاث الحراري، بينما يكون المصعد أكبر لتبديد الحرارة المتولدة نتيجة تباطؤ الإلكترونات الواردة. يتولد معظم الضوء مباشرة أمام طرف المهبط، حيث تصل درجة حرارة القوس إلى 10000  درجة مئوية. يتم تسريع البلازما نحو المصعد وتثبيتها بواسطة أشكال الأقطاب الكهربائية بالإضافة إلى الضغط المغناطيسي الذاتي الناتج عن تدفق التيار، وتأثيرات الحمل الحراري التي يتحكم بها شكل المصباح.

في أعقاب هذه التطورات، أُجري أول عرض سينمائي ناجح باستخدام ضوء الزينون في 30 أكتوبر 1950، حيث عُرضت مقتطفات من فيلم ملون ( Schwarzwaldmädel ) خلال الدورة 216 للجمعية السينمائية الألمانية في برلين. ^{[ 5 ]} وقد طرحت شركة أوسرام الألمانية هذه التقنية تجاريًا في عام 1952. ^{[ 6 ]} أُنتجت هذه المصابيح في البداية بحجم 2 كيلوواط (XBO2001) و1 كيلوواط (XBO1001) ^{[ 7 ]} وشهدت استخدامًا واسعًا في عرض الأفلام ، حيث حلت محل مصابيح قوس الكربون القديمة التي تتطلب جهدًا أكبر في التشغيل .

يُشابه الضوء الأبيض المستمر الناتج عن مصباح زينون قوسي ضوء النهار طيفيًا، إلا أن كفاءة هذا المصباح منخفضة نسبيًا من حيث شدة الإضاءة المرئية (لومن) لكل واط من الطاقة المُدخلة. واليوم، تستخدم معظم أجهزة عرض الأفلام في دور السينما هذه المصابيح، بقدرات تتراوح بين 900 واط و12  كيلوواط. وتستخدم أنظمة عرض أومنيماكس (آيماكس دوم) مصابيح زينون أحادية بقدرات تصل إلى 15  كيلوواط. ومنذ عام 2016، بدأ استخدام إضاءة الليزر في أجهزة العرض السينمائية الرقمية يكتسب رواجًا في السوق ^{[ 8 ]} ، ومن المتوقع أن يحل محل مصباح زينون قوسي في هذا التطبيق. ^{[ 9 ]}

يُتيح صغر حجم قوس الزينون تركيز الضوء الصادر من المصباح بدقة معقولة. ولهذا السبب، تُستخدم مصابيح قوس الزينون الصغيرة، التي تصل قدرتها إلى 10 واط، في البصريات والإضاءة الدقيقة للمجاهر وغيرها من الأجهزة، على الرغم من أنها تُستبدل حاليًا بثنائيات الليزر أحادية النمط وليزر الطيف المتصل ذي الضوء الأبيض ، والتي تُنتج بقعة ضوئية محدودة الانعراج. أما المصابيح الأكبر حجمًا فتُستخدم في كشافات الإضاءة التي تُنتج حزمًا ضوئية ضيقة، أو في إضاءة إنتاج الأفلام التي تتطلب محاكاة ضوء النهار.

تُنتج جميع مصابيح الزينون ذات القوس القصير كمية كبيرة من الأشعة فوق البنفسجية . ^{[ 10 ]} يتميز الزينون بخطوط طيفية قوية في نطاقات الأشعة فوق البنفسجية، والتي تخترق بسهولة غلاف مصباح الكوارتز المنصهر، على عكس زجاج البوروسيليكات المستخدم في المصابيح القياسية؛ إذ يسمح الكوارتز المنصهر بمرور الأشعة فوق البنفسجية بسهولة ما لم يُعالج بمعالجة خاصة . يمكن أن تُسبب الأشعة فوق البنفسجية المنبعثة من مصباح القوس القصير مشكلة ثانوية تتمثل في توليد الأوزون . تصطدم الأشعة فوق البنفسجية بجزيئات الأكسجين في الهواء المحيط بالمصباح، مما يؤدي إلى تأينها. ثم تتحد بعض الجزيئات المتأينة لتكوين الأوزون (O3) _. يجب أن تحتوي المعدات التي تستخدم مصابيح القوس القصير كمصدر للضوء على دروع واقية من الأشعة فوق البنفسجية لمنع تراكم الأوزون.

تحتوي العديد من المصابيح على طبقة عازلة للأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة على غلافها، وتُباع على أنها مصابيح "خالية من الأوزون". تُستخدم هذه المصابيح "الخالية من الأوزون" عادةً في التطبيقات الداخلية، حيث يصعب توفير تهوية مناسبة. بعض المصابيح لها أغلفة مصنوعة من السيليكا المنصهرة الاصطناعية فائقة النقاء (مثل "سوبراسيد")، مما يُضاعف تكلفتها تقريبًا، ولكنه يسمح لها بإصدار ضوء مفيد في نطاق الأشعة فوق البنفسجية الفراغية . تعمل هذه المصابيح عادةً في جو من النيتروجين النقي.

تستخدم جميع مصابيح الزينون الحديثة ذات القوس القصير غلافًا من الكوارتز المنصهر مع أقطاب كهربائية من التنجستن المُثوَّر . يُعدّ الكوارتز المنصهر المادة الوحيدة المتاحة حاليًا من الناحية الاقتصادية والقادرة على تحمّل الضغط العالي (25 ضغطًا جويًا لمصباح IMAX ) ودرجة الحرارة العالية الموجودة في المصباح أثناء التشغيل، مع الحفاظ على شفافيته البصرية. يُحسّن عنصر الثوريوم المُضاف إلى الأقطاب الكهربائية خصائص انبعاث الإلكترونات بشكل كبير. نظرًا لاختلاف معاملات التمدد الحراري بين التنجستن والكوارتز ، تُلحم أقطاب التنجستن بشرائح من معدن الموليبدينوم النقي أو سبيكة إنفار ، والتي تُصهر بدورها في الكوارتز لتشكيل غلاف مانع للتسرب.

نظراً لمستويات الطاقة العالية جداً المستخدمة، تُبرّد المصابيح الكبيرة بالماء. في المصابيح المستخدمة في أجهزة عرض IMAX، تُصنع أجسام الأقطاب الكهربائية من مادة إنفار الصلبة وتُغطى أطرافها بالتنغستن المُثوّر. يُحكم إغلاق الأنبوب بحلقة مانعة للتسرب ، بحيث لا تلامس الأقطاب الكهربائية المكشوفة الماء. في التطبيقات منخفضة الطاقة، تكون الأقطاب الكهربائية باردة جداً بحيث لا تُنتج انبعاثاً فعالاً للإلكترونات، لذا لا تُبرّد. أما في التطبيقات عالية الطاقة، فيلزم وجود دائرة تبريد مائي إضافية لكل قطب كهربائي. ولتقليل التكلفة، غالباً ما تكون دوائر التبريد المائي غير منفصلة، ​​ويجب إزالة أيونات الماء لجعله غير موصل للكهرباء، مما يسمح للكوارتز أو بعض وسائط الليزر بالذوبان في الماء.

لتحقيق أقصى كفاءة، يُحافظ على ضغط غاز الزينون داخل مصابيح القوس القصير عند مستوى عالٍ للغاية  - يصل إلى 30 ضغطًا جويًا (440 رطل/بوصة مربعة / 3040 كيلو باسكال)  - مما يُثير مخاوف تتعلق بالسلامة. ففي حال سقوط المصباح أو تمزقه أثناء التشغيل، قد تتطاير أجزاء من غلافه بسرعة عالية. وللحد من ذلك، تُشحن مصابيح الزينون الكبيرة ذات القوس القصير عادةً داخل أغطية واقية، تعمل على احتواء شظايا الغلاف في حال حدوث كسر. يُزال الغطاء الواقي عادةً بعد تركيب المصباح في هيكله. وعندما يصل المصباح إلى نهاية عمره الافتراضي، يُعاد تركيب الغطاء الواقي، ثم يُزال المصباح المستهلك من الجهاز ويُتخلص منه. ومع تقادم المصابيح، يزداد خطر تعطلها، لذا فإن المصابيح التي يتم استبدالها تكون الأكثر عرضة لخطر الانفجار.

تأتي مصابيح الزينون ذات القوس القصير بنوعين متميزين: الزينون النقي، الذي يحتوي على غاز الزينون فقط؛ والزينون الزئبقي، الذي يحتوي على غاز الزينون وكمية صغيرة من معدن الزئبق .

زينون-زئبق

كما هو الحال في مصباح الزينون النقي، ينبعث معظم الضوء من سحابة بلازما دقيقة الحجم بالقرب من سطح المهبط. إلا أن سحابة البلازما في مصباح الزينون-الزئبقي غالبًا ما تكون أصغر من نظيرتها في مصباح الزينون النقي ذي الحجم المكافئ، وذلك لأن تيار الإلكترونات يفقد طاقته بسرعة أكبر لصالح ذرات الزئبق الأثقل. تتميز مصابيح الزينون-الزئبقي ذات القوس القصير بطيف أبيض مزرق وإنتاج عالٍ للغاية للأشعة فوق البنفسجية . تُستخدم هذه المصابيح بشكل أساسي في تطبيقات معالجة المواد بالأشعة فوق البنفسجية ، وتعقيم الأشياء، وتوليد الأوزون .

تُصنع مصابيح زينون ذات القوس القصير بهيكل خزفي وعاكس مدمج. وهي متوفرة بقدرات إخراج متعددة، مع نوافذ تسمح بمرور الأشعة فوق البنفسجية أو تحجبها. وتشمل خيارات العاكس شكلاً مكافئاً (للحصول على ضوء متوازي) أو شكلاً بيضاوياً (للحصول على ضوء مركّز). تُستخدم هذه المصابيح في تطبيقات متنوعة، مثل أجهزة عرض الفيديو، ووحدات إضاءة الألياف الضوئية، وإضاءة المناظير والمصابيح الأمامية، وإضاءة طب الأسنان، وأضواء البحث.

تتميز مصابيح زينون ذات القوس القصير بمعامل حراري سالب، شأنها شأن مصابيح التفريغ الغازي الأخرى. تعمل هذه المصابيح بجهد منخفض وتيار عالٍ بتيار مستمر ، ويتم تشغيلها عن طريق انبعاث المجال بنبضة جهد عالية تتراوح بين 20 و50 كيلوفولت. على سبيل المثال، يعمل مصباح بقدرة 450 واط بشكل طبيعي عند 18 فولت و25 أمبير بعد تشغيله. كما أنها غير مستقرة بطبيعتها، وعرضة لظواهر مثل تذبذب البلازما والهروب الحراري . وبسبب هذه الخصائص، تتطلب مصابيح زينون ذات القوس القصير مصدر طاقة مناسبًا يعمل دون وميض في اللهب، والذي قد يؤدي في النهاية إلى تلف الأقطاب الكهربائية.

تتشابه هذه المصابيح هيكليًا مع مصابيح القوس القصير، باستثناء أن المسافة بين الأقطاب الكهربائية في الأنبوب الزجاجي أطول بكثير. عند تركيبها داخل عاكس بيضاوي الشكل ، تُستخدم هذه المصابيح بكثرة لمحاكاة ضوء الشمس في ومضات قصيرة، غالبًا لأغراض التصوير الفوتوغرافي. تشمل الاستخدامات الشائعة اختبار الخلايا الشمسية (باستخدام مرشحات بصرية)، ومحاكاة ضوء الشمس لاختبار عمر المواد، والمعالجة الحرارية السريعة، وفحص المواد، والتلبيد.

على الرغم من عدم شيوعها خارج روسيا ودول الاتحاد السوفيتي السابق، فقد استُخدمت مصابيح الزينون ذات القوس الطويل للإضاءة العامة للمساحات الواسعة، مثل محطات السكك الحديدية والملاعب الرياضية ومواقع التعدين والأماكن المرتفعة في محطات الطاقة النووية. تميزت هذه المصابيح، التي تُعرف حرفيًا باسم "مصباح زينون DKST"، بقدرة عالية تتراوح بين 2 و100 كيلوواط. كانت تعمل بنظام تفريغ خاص حيث كانت البلازما متوازنة حراريًا، أي أن الإلكترونات لم تكن أسخن بكثير من الغاز نفسه. في ظل هذه الظروف، كان منحنى التيار-الجهد موجبًا. سمح هذا للأحجام الشائعة الأكبر، مثل 5 و10 كيلوواط، بالعمل مباشرةً من التيار المتردد الرئيسي بجهد 110 و220 فولت على التوالي دون الحاجة إلى مُحَوِّل - فقط مُشعل متسلسل كان ضروريًا لبدء القوس.   

كانت هذه المصابيح تُنتج حوالي 30 لومن/واط، أي ما يُعادل ضعف كفاءة مصباح التنجستن المتوهج تقريبًا، ولكنها أقل من مصادر الإضاءة الحديثة مثل مصابيح هاليد المعدن. تميزت هذه المصابيح بخلوها من الزئبق، وتبريدها بالهواء، وانعدام خطر انفجارها تحت الضغط العالي، ودقة ألوانها العالية. ونظرًا لانخفاض كفاءتها ومنافسة أنواع المصابيح الأكثر شيوعًا، لم يتبق منها سوى عدد قليل اليوم، ولكن حيثما وُجدت، يُمكن تمييزها من خلال عاكسها المستطيل/البيضاوي المميز، وضوءها الأبيض المائل للزرقة الساطع المنبعث من أنبوب طويل نسبيًا.

• قائمة مصادر الإضاءة