Xenon-Gasentladungslampe

Xenon-Gasentladungslampen sind Höchstdruck-Gasentladungslampen. Sie nutzen die Strahlungsemission eines Lichtbogens, besitzen besonders hohe Leuchtdichten und einen sehr hohen Farbwiedergabeindex, weil das erzeugte Spektrum fast dem Sonnenlicht entspricht.

Üblich sind Lampen mit einer Aufnahmeleistung von 50 W bis 15 kW.

Aufbau

Xenon-Gasentladungslampen bestehen aus einem dickwandigen, mit Xenon gefüllten Quarzglaskolben, in dem zwei massive Wolfram-Elektroden eingeschmolzen sind, zwischen denen ein Abstand von wenigen Millimetern bleibt. Die Kathode ist ein vergleichsweise kleiner Kegel, der auf einem dünneren Wolframstift festgeschweißt ist. Die Anode ist ein großer zylindrischer Wolframkörper, dessen Stirnfläche mit einer Fase versehen ist und die zur Kathode gerichtet ist. Bei Hochleistungslampen ist die Anode von Kanälen für die Wasserkühlung durchzogen. Die Polarität darf nicht vertauscht werden, weil sonst der Kathodenkegel schmilzt. Die Kathode enthält bis zu 3 Prozent ²³²Thorium, um die Austrittsarbeit für Elektronen und somit die Zündspannung zu reduzieren. Die Gasfüllung besteht entweder aus reinem Xenon, kann aber auch geringe Zusätze von Quecksilber enthalten.

Betrieb

Xenon-Gasentladungslampen werden mit kurz aufeinander folgenden Hochspannungsimpulsen von bis zu 50 kV gezündet, um einige Atome der nicht leitenden Gasstrecke zwischen den Elektroden zu ionisieren. Liefert eine leistungsfähige Stromversorgung ausreichend Strom, bildet sich zwischen den Elektroden ein ionisierter Lichtbogen mit einer Brennspannung von etwa 20 V. Mit zunehmender Betriebsdauer kann diese bis auf 60 V steigen. Der Betriebsstrom von beispielsweise 25 A muss durch eine spezielle Stromversorgung aufrechterhalten werden, weil der Lichtbogen einen negativen differentiellen Widerstand aufweist und deshalb instabil werden kann. Je besser der Betriebsstrom geglättet ist, desto größer ist die Lebensdauer der Lampe und die Qualität des abgegebenen Lichtes.

Der Druck der Xenon-Edelgasfüllung steigt während des Betriebs von etwa 8 bar (0,8 MPa) im kalten Zustand auf bis zu 70 bar (7 MPa) an. Der große Druck verbreitert die Emissionslinien des Plasmas zu einem im sichtbaren Bereich nahezu kontinuierlichem Spektrum mit einer Farbtemperatur von etwa 6000 K, was der Farbe von Tageslicht entspricht. Große Wärmeverluste entstehen durch die starke Aufheizung der Anode. Diese wird durch die eintreffenden Elektronen im Betrieb rot glühend. Um die Wärme besser abstrahlen zu können, benötigt sie eine größere Außenfläche. Eine Heißwiederzündung der Lampe ist mit geeigneten Vorschaltgeräten möglich.

Technische Besonderheiten

Die hohen Temperaturen und der Druck, unter dem eine handelsübliche Xenon-Gasentladungslampe steht, führen dazu, dass der Betrieb eines solchen Leuchtkörpers mit einem relativ großen Aufwand verbunden ist. Die meisten Lampentypen benötigen für den reibungslosen Betrieb Kühlungsvorrichtungen und ein explosionssicheres Gehäuse. Abhängig vom Verwendungszweck werden Xenon-Gasentladungslampen auch mit dotiertem beziehungsweise beschichtetem Quarzglas hergestellt, um die Ultraviolettstrahlung (UV) des erzeugten Strahlungsspektrums zurückzuhalten und so die Ozonbildung und die Strahlungsbelastung der Optik zu verringern.

Xenon-Gasentladungslampen haben ein Leuchtzentrum von nur wenigen Millimetern Ausdehnung, wobei der Punkt der größten Leuchtdichte direkt an der Kathode liegt und die Lichtintensität bis zur Anode etwa um den Faktor 10 sinkt. Sie werden daher auch als Kurzbogenlampen bezeichnet. Die geringe Ausdehnung der Lichtquelle und ihre große Intensität erlaubt wirkungsvolle Bündelung.

Etwa 80 % der zugeführten elektrischen Leistung wird in Strahlungsenergie umgesetzt, wovon nur etwa 30 % auf den sichtbaren und 6 % auf den UV-Bereich entfallen. Falls die UV-Strahlung stört, weil sie beispielsweise die Ozonbelastung erhöht, kann sie durch spezielle Glassorten verringert werden. Der Rest wird überwiegend als Infrarotstrahlung abgegeben. Die Lichtausbeute ist deutlich höher als beispielsweise die von Glühlampen. Sie ist jedoch mit ca. 50 lm/W niedriger als die von vielen anderen Gasentladungslampen.

Die optimale Einbaulage ist vertikal, wobei die Anode oben sein muss. Vertauscht man die Elektroden oder die elektrische Polarität, wird die Lampe schnell zerstört. Bei Filmprojektoren wird jedoch wegen der höheren Lichtausbeute durch elliptische Spiegel der waagrechte Einbau bevorzugt. Damit der Lichtbogen nicht instabil wird, muss er durch einen korrekt dimensionierten, hitzfesten Stabmagneten auf der Kathoden-Anoden-Achse gehalten werden.

Anwendung

Wegen ihres hohen Preises und des aufwendigen und nicht ganz ungefährlichen Betriebs wird die Xenon-Gasentladungslampe nur für spezielle Zwecke verwendet. Diese Faktoren fallen vor allem bei Kinoprojektoren, Festkörperlasern, Effekt- und Suchscheinwerfern, Lichtquellen für wissenschaftliche Anwendungen und Leuchttürmen ins Gewicht.

Eine spezielle Variante der Xenon-Gasentladungslampen enthält einen geringen Anteil Quecksilber um einen besonders hohen Anteil an UV-Strahlung zu erzeugen. Diese wird bei der Herstellung von Platinen, zur biologischen Reinigung von Trinkwasser, zum Aushärten bestimmter Klebstoffe oder zur Ozonerzeugung benötigt. Lampentypen für diese Anwendungsgebiete werden aus undotiertem Glas mit hoher UV-Durchlässigkeit hergestellt.

Gefahren im Umgang

Durch den hohen Druck selbst im kalten Zustand besteht bei mechanischen Beschädigungen der Lampe ein Explosionsrisiko. Durch ein Zersplittern des Kolbens können schwere Verletzungen bei umstehenden Personen verursacht werden. Eine heiße Lampe ist infolge des höheren Drucks und der beanspruchten Materialien entsprechend gefährlicher.

Selbst die ozonfreien Lampen strahlen große Mengen längerwelliger UV-Strahlung ab. Ohne geeignete Schutzmaßnahmen führt die Strahlung auf unbedeckter Haut in Kürze zu Verbrennungen und steigert längerfristig das Krebsrisiko.

Die Leuchtdichte des Lichtbogens ist so hoch, dass der ungeschützte Blick auf diesen innerhalb kürzester Zeit schwere Schäden der Netzhaut bis hin zur Erblindung verursachen kann.

Im professionellen Bereich (Kinoprojektion, Medizintechnik, Messtechnik und Materialprüfung) sind daher eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen üblich, wie zum Beispiel

• Eingehende Schulung von Bedien- und Wartungspersonal
• Betrieb nur in geeigneten geschlossenen Gehäusen
• Augenschutz mit Spezialbrillen oder Absperrung der Lichtausbreitungswege
• Wechsel und Transport nur in speziellen Behältern aus Lexan
• Einsatz spezieller Schutzkleidung bei der Handhabung

Kosten

Xenon-Kurzbogenlampen-XBO mit Leistungen von 50 Watt bis 1000 Watt sind im Handel zu Preisen von 250 bis 600 Euro erhältlich (Stand Januar 2010)

Literatur

• August Scherl: Das große Buch der Technik. (Die große Bertelsmann-Lexikonbibliothek, Bd. 17), Bertelsmann-Lexikon-Verlag, Gütersloh, Wien 1970

Einzelnachweise

• [1] (PDF; 5,5 MB) XBO® – theater lamps. Technology and application.

<references/>