miniatura|direita|Lâmpada de arco curto de xenônio de 15 kW usada em projetores IMAX. miniatura|Vídeo em alta velocidade e câmera lenta de um tubo de flash de xenônio, gravado a 44.025 quadros por segundo.
Uma lâmpada de arco de xenônio é um tipo de lâmpada de descarga que produz luz pela passagem de corrente elétrica através de gás xenônio ionizado sob alta pressão. A descarga gera luz branca intensa, com distribuição espectral próxima à da luz solar, e é usada em projetores de cinema, holofotes e equipamentos industriais e científicos. Lâmpadas de arco de xenônio e de vapor de mercúrio também são usadas como fontes de iluminação em microscopia de fluorescência de campo amplo.
Tipos As lâmpadas de arco de xenônio podem ser divididas, de modo aproximado, em três categorias:
lâmpadas de arco curto de xenônio de emissão contínua lâmpadas de arco longo de xenônio de emissão contínua lâmpadas de flash de xenônio, em geral tratadas separadamente
Cada tipo usa um tubo de arco de quartzo fundido ou de outro vidro resistente ao calor, com um eletrodo de tungstênio em cada extremidade. O tubo é primeiro evacuado e depois preenchido novamente com xenônio. Nos tubos de flash, um terceiro eletrodo de disparo costuma circundar a parte externa do tubo de arco. A vida útil depende do projeto e da potência. A Ushio especifica, por exemplo, vida média de 1.500 horas para um modelo de 1 kW e de 500 horas para um modelo de 7 kW.
História miniatura|direita|Uma das primeiras lâmpadas de arco curto de xenônio, a Osram-STUD XBO 1001, de cerca de 1954.
O interesse pela descarga em xenônio aumentou em 1944, depois que P. Schulz encontrou um espectro quase contínuo e luz branca com boa reprodução de cores.P. Schulz, "Edelgasbögen", Reichsbericht für Physik, vol. 1, 1944, p. 147. As limitações impostas pela guerra à disponibilidade desse gás nobre retardaram o desenvolvimento. Em 1949, John Norman Aldington, da empresa britânica Siemens Lamp Works, publicou resultados de suas pesquisas sobre arcos em gases.J. N. Aldington, "Gas Arcs", Transactions of the Illuminating Engineering Society of London, vol. 14, 1949, pp. 19-51.
A Osram, na Alemanha, passou a desenvolver a tecnologia como substituta dos arcos de carbono usados na projeção cinematográfica. O arco de xenônio era mais estável e produzia menos cintilação, enquanto os eletrodos não consumíveis permitiam projetar filmes mais longos sem interrupções. A empresa estudou a física da descarga em xenônio e adotou arcos muito curtos para operação em corrente contínua, com geometria própria para os eletrodos e o bulbo. O cátodo é pequeno para atingir a temperatura necessária à emissão termiônica, enquanto o ânodo é maior para dissipar o calor produzido pela desaceleração dos elétrons que chegam a ele. Grande parte da luz é produzida logo à frente da ponta do cátodo, onde a temperatura do arco chega a cerca de 10.000 °C. O plasma é acelerado em direção ao ânodo e estabilizado pela forma dos eletrodos, pela compressão magnética criada pela corrente e pelos efeitos de convecção controlados pelo formato do bulbo.
A primeira projeção pública bem-sucedida com luz de xenônio ocorreu em 30 de outubro de 1950. Trechos do filme colorido Schwarzwaldmädel foram exibidos durante a 216.ª sessão da Sociedade Cinematográfica Alemã, em Berlim.K. Ittig, K. Larché e F. Michalk, "Die Neuen Xenon-Hochdrucklampen", Technisch-wissenschaftliche Abhandlungen der Osram-Gesellschaft, vol. 6, 1953, pp. 33-38. A Osram introduziu comercialmente a tecnologia em 1952.Technik der Spezial-Entladungslampen, Osram GmbH, 1989, p. 24. Entre os primeiros modelos estavam a XBO 1001 de 1 kW e a XBO 2001 de 2 kW. Essas lâmpadas passaram a ser usadas em projetores de cinema no lugar das lâmpadas de arco de carbono, que exigiam mais trabalho durante a operação.
Uso moderno A luz branca contínua produzida pelo arco de xenônio tem espectro semelhante ao da luz do dia, embora sua eficácia luminosa, medida em lúmens de luz visível por watt de potência elétrica, seja relativamente baixa. Em 2012, quase todos os projetores de cinema usavam essas lâmpadas, em potências de 900 W a 12 kW. Sistemas Omnimax podiam usar uma única lâmpada de 15 kW. Em meados da década de 2010, a iluminação por laser começou a ganhar espaço em projetores de cinema digital, e já havia previsões de que substituiria o arco de xenônio nessa aplicação.
O arco muito pequeno permite concentrar a luz com precisão moderada. Por isso, lâmpadas menores, algumas com potências da ordem de dezenas de watts, são usadas em óptica, microscópios e outros instrumentos de iluminação de precisão. Em parte dessas aplicações, elas passaram a dividir espaço com diodos laser de modo único e fontes de supercontínuo de luz branca. Fontes de supercontínuo podem produzir luz de espectro amplo com brilho muito superior ao de uma lâmpada de xenônio. Lâmpadas maiores são usadas em holofotes, que exigem feixes estreitos, e na iluminação para produção cinematográfica quando se deseja uma fonte parecida com a luz do dia.
No Brasil, lâmpadas de xenônio foram empregadas como fonte contínua em sistemas de espectroscopia de absorção atômica multielementar e como fonte de radiação em equipamentos usados para avaliar protetores solares.
Todas as lâmpadas de arco curto de xenônio produzem quantidade considerável de radiação ultravioleta. O xenônio tem linhas espectrais fortes na faixa ultravioleta, e a radiação atravessa o invólucro de quartzo fundido com facilidade, ao contrário do vidro borossilicato usado em lâmpadas comuns. O quartzo fundido transmite ultravioleta, a menos que sua composição seja modificada para bloqueá-la. A radiação de comprimentos de onda mais curtos também pode gerar ozônio ao atingir moléculas de oxigênio no ar ao redor da lâmpada. Parte das espécies ionizadas ou dissociadas volta a se combinar na forma O3. Equipamentos com lâmpadas de arco curto precisam, por isso, bloquear a radiação ultravioleta e impedir o acúmulo de ozônio.
Há modelos com invólucro ou janela que bloqueia o ultravioleta de onda curta, vendidos como "livres de ozônio". Eles são comuns em instalações internas nas quais a ventilação é limitada. Outros usam sílica fundida sintética de alta pureza, como a Suprasil, que chega a aproximadamente dobrar o custo do invólucro e permite transmitir radiação útil até a região do ultravioleta de vácuo. Essas lâmpadas costumam operar em atmosfera de nitrogênio.
Construção da lâmpada miniatura|direita|Vista de uma extremidade de uma lâmpada IMAX de 15 kW, mostrando as conexões para refrigeração líquida. miniatura|direita|Lâmpada de arco curto de xenônio-mercúrio Osram de 100 W, instalada em refletor.
As lâmpadas modernas de arco curto de xenônio com bulbo de quartzo usam um invólucro de quartzo fundido e eletrodos de tungstênio, em muitos modelos com tungstênio toriado. O quartzo suporta as altas temperaturas e pressões de operação sem deixar de ser opticamente transparente. O tório adicionado ao tungstênio favorece a emissão de elétrons pelo cátodo. Como o tungstênio e o quartzo têm coeficientes de dilatação térmica diferentes, a passagem de corrente pelo vidro pode usar folhas de molibdênio em lâmpadas de menor potência ou vedações graduadas em modelos de alta corrente.
Lâmpadas de potência muito alta podem usar refrigeração a água. A Ushio fabrica, por exemplo, uma lâmpada de xenônio de 15 kW refrigerada a água para projetores IMAX. Em aplicações de menor potência, a refrigeração forçada pode ser feita com ar. A refrigeração e a faixa de corrente devem seguir as especificações de cada modelo, pois o superaquecimento e a operação fora dos limites previstos reduzem a vida útil da lâmpada.
miniatura|direita|Vista de uma lâmpada de 3 kW com a proteção plástica usada durante o transporte.
O xenônio dentro das lâmpadas de arco curto é mantido sob pressão muito alta. Nas lâmpadas XBO, a pressão de enchimento a frio fica entre 5 e 15 bar e aumenta para cerca de quatro vezes esse valor durante a operação. A ruptura pode lançar fragmentos de quartzo e metal em alta velocidade. Por isso, lâmpadas grandes são transportadas com proteções que retêm os fragmentos caso o bulbo se quebre. A proteção é retirada depois que a lâmpada está instalada no alojamento e recolocada antes da remoção. O risco de ruptura cresce depois que a vida útil especificada é ultrapassada, e a troca exige proteção para o rosto, pescoço, mãos e corpo.
Mecanismo de geração de luz miniatura|direita|300px|Perfil de emissão de uma lâmpada de arco de xenônio.
As lâmpadas de arco curto são encontradas em duas variantes principais: xenônio puro, com apenas o gás xenônio, e xenônio-mercúrio, com xenônio e uma pequena quantidade de mercúrio metálico.
Xenônio puro Em uma lâmpada de xenônio puro, a maior parte da luz é gerada numa pequena nuvem de plasma junto ao ponto em que o fluxo de elétrons deixa a superfície do cátodo. O volume luminoso tem forma aproximadamente cônica, e sua intensidade diminui rapidamente na direção do ânodo. Os elétrons que atravessam o plasma atingem o ânodo e o aquecem. Por isso, o ânodo de uma lâmpada de arco curto precisa ser muito maior que o cátodo ou dispor de refrigeração suficiente para dissipar o calor.
A distribuição espectral de uma lâmpada de arco curto de xenônio puro é quase contínua, com temperatura de cor próxima de 6.200 K e índice de reprodução de cor perto de 100. Mesmo em alta pressão, há linhas de emissão fortes no infravermelho próximo, sobretudo por volta de 850 a 900 nm. A luminância do arco varia aproximadamente de 20.000 a 500.000 cd/cm². "XBO" é a designação comercial da Osram para sua família de lâmpadas de arco curto de xenônio puro.
Em aplicações como endoscopia e tecnologia odontológica, a lâmpada pode ser acoplada a sistemas de guia de luz.
Xenônio-mercúrio miniatura|Lâmpada de arco de xenônio Osram XBO de 4.000 W.
Assim como na lâmpada de xenônio puro, a maior parte da luz de uma lâmpada de xenônio-mercúrio sai de uma pequena região de plasma perto do cátodo. A presença de mercúrio acrescenta linhas intensas nas regiões visível e ultravioleta do espectro, sobrepostas ao espectro contínuo do xenônio. Essas lâmpadas têm emissão ultravioleta elevada. São usadas em sistemas de cura por ultravioleta e em aplicações de prevenção de infecções que empregam emissão no ultravioleta profundo. Modelos que transmitem ultravioleta de comprimento de onda suficientemente curto podem produzir ozônio, enquanto versões com revestimento bloqueador de UV são fabricadas para evitá-lo.
Lâmpadas de xenônio com corpo cerâmico miniatura|direita|Lâmpada Cermax de xenônio de 2 kW de um projetor de vídeo. Dois dissipadores de calor ficam presos às faixas metálicas, que também levam corrente aos eletrodos.
Lâmpadas de arco curto de xenônio também são fabricadas com corpo cerâmico e refletor integrado. Há modelos de diferentes potências, com janelas que transmitem ou bloqueiam ultravioleta. O refletor pode ser parabólico, para produzir luz colimada, ou elíptico, para concentrá-la. Esse tipo de lâmpada é usado em projetores de vídeo, iluminadores de fibra óptica, endoscópios, faróis, equipamentos odontológicos e holofotes.
Requisitos da fonte de alimentação miniatura|direita|Fonte de alimentação de 1 kW para uma lâmpada de arco curto de xenônio, com a tampa removida.
A curva de tensão e corrente de uma lâmpada de arco curto de xenônio inclui uma região de resistência diferencial negativa em correntes baixas, abaixo da faixa normal de operação. A lâmpada opera em baixa tensão e alta corrente, normalmente em corrente contínua, e é iniciada por um pulso de alta tensão. Em modelos Cermax, a tensão mínima recomendada de ignição fica entre 17 e 35 kV, e projetos de ignitores podem usar picos de 30 a 45 kV. Um modelo de 450 W, por exemplo, opera a cerca de 18 V e 25 A depois da ignição.