Giới thiệu
Các nguồn sáng nóng, bao gồm các phiên bản với dây tóc vonfram và cacbon, cũng như các đèn sợi đốt vonfram-halogen tiên tiến hơn, đã được sử dụng thành công như một nguồn sáng có độ tin cậy cao trong kính hiển vi huỳnh quang trong nhiều thập kỷ và tiếp tục là một trong những cơ chế chiếu sáng được lựa chọn cho nhiều phương thức hình ảnh khác nhau.Các loại đèn cũ hơn được trang bị dây tóc vonfram và chứa đầy khí argon trơ thường được sử dụng trong kính hiển vi để chụp ảnh trường sáng và tương phản pha, và những nguồn này có thể đủ sáng cho một số ứng dụng cần ánh sáng phân cực. Đèn vonfram tương đối rẻ (so với nhiều nguồn sáng khác), dễ thay thế và cung cấp đủ ánh sáng khi kết hợp với bộ lọc khuếch tán thủy tinh. Những đặc điểm này chủ yếu tạo nên sự phổ biến rộng rãi của nguồn sáng sợi đốt trong mọi dạng kính hiển vi huỳnh quang. Đèn vonfram-halogen, thiết kế tiên tiến nhất trong loại này, tạo ra sự phân bố ánh sáng liên tục trên quang phổ khả kiến, mặc dù phần lớn năng lượng phát ra từ các đèn này bị tiêu tán dưới dạng nhiệt ở bước sóng hồng ngoại (xem Hình 1). Do sự phát xạ tương đối yếu của chúng ở phần tử ngoại của quang phổ, đèn vonfram-halogen không hữu ích bằng đèn hồ quang và tia laser để kiểm tra các mẫu vật phải được chiếu sáng ở bước sóng dưới 400 nanomet.
Một số loại đèn vonfram-halogen hiện nay là nguồn chiếu sáng sợi đốt mặc định (và được cung cấp bởi nhà sản xuất) cho hầu hết các kính hiển vi dùng trong giảng dạy và nghiên cứu được bán trên thị trường trên toàn thế giới. Chúng rất lý tưởng cho việc kiểm tra trường sáng, chụp ảnh vi mô và chụp ảnh kỹ thuật số các tế bào nhuộm màu và các phần mô, cũng như nhiều ứng dụng ánh sáng phản xạ cho sản xuất và phát triển công nghiệp. Kính hiển vi huỳnh quang được sử dụng để nhận dạng hạt, phân tích sợi và đo lưỡng chiết, cũng như các ứng dụng địa chất thạch học thông thường, thường sử dụng đèn vonfram-halogen công suất cao để cung cấp cường độ ánh sáng cần thiết thông qua các bản phân cực chéo. Kính hiển vi soi nổi cũng tận dụng nguồn sáng phổ biến này ở cả mẫu cấp thấp và mẫu cao cấp. Để chụp ảnh các tế bào sống bằng kỹ thuật tăng cường độ tương phản (chủ yếu là độ tương phản giao thoa vi sai (DIC) và độ tương phản pha) trong kính hiển vi phức hợp ánh sáng truyền qua, nguồn sáng phổ biến nhất hiện đang được sử dụng là đèn vonfram-halogen 12 volt, 100 watt. Trong các thử nghiệm dài hạn (thông thường, những thử nghiệm yêu cầu hàng trăm đến hàng nghìn lần chụp ảnh), chiếc đèn này đặc biệt ổn định và chỉ chịu sự dao động đầu ra theo không gian và thời gian ở mức độ nhỏ trong điều kiện hoạt động bình thường.
Đèn sợi đốt đầu tiên được trang bị dây tóc vonfram được giới thiệu vào đầu những năm 1900. Những sợi dây tóc tiên tiến này, có thể được cuộn tròn và hoạt động ở nhiệt độ rất cao, được phát hiện là linh hoạt hơn nhiều so với các sợi tiền thân dựa trên carbon và osmium của chúng. Đèn carbon bị dây tóc bay hơi nhanh ở nhiệt độ trên 2500° C và do đó, phải hoạt động ở điện áp thấp hơn để tạo ra ánh sáng có nhiệt độ màu tương đối thấp (màu vàng). Ngược lại, vonfram có điểm nóng chảy xấp xỉ 3380° C và có thể được nung nóng đến nhiệt độ gần như này trong lớp vỏ thủy tinh để tạo ra ánh sáng có nhiệt độ màu và tuổi thọ cao hơn bất kỳ vật liệu nào trước đây được sử dụng làm dây tóc đèn. Mối quan tâm chính với đèn vonfram là trong quá trình hoạt động bình thường, dây tóc liên tục bay hơi để tạo ra vonfram dạng khí làm giảm dần đường kính dây tóc và cuối cùng đông cứng lại bên trong lớp vỏ thủy tinh dưới dạng cặn đen. Theo thời gian, công suất phát của đèn giảm dần do cặn vonfram lắng đọng trên thành vỏ bên trong ngày càng dày hơn và hấp thụ lượng bước sóng khả kiến ngắn hơn ngày càng tăng. Tương tự như vậy, việc mất vonfram khỏi dây tóc làm giảm đường kính, khiến nó mỏng đến mức cuối cùng bị hỏng.
Đèn vonfram-halogen lần đầu tiên được phát triển vào đầu những năm 1960 bằng cách thay thế bóng đèn thủy tinh truyền thống bằng vỏ thạch anh hiệu suất cao hơn, không còn hình cầu nữa mà có dạng hình ống. Việc thay thế thủy tinh nóng chảy thấp hơn bằng thạch anh là cần thiết vì chu trình tái sinh halogen của đèn (được thảo luận chi tiết bên dưới) yêu cầu vỏ bọc phải được duy trì ở nhiệt độ cao (vượt quá nhiệt độ mà thủy tinh thông thường có thể chịu đựng được) để ngăn chặn các hợp chất halogen vonfram khỏi sự đông cứng ở bề mặt bên trong. Do có các thành phần mới nên những loại đèn tiên tiến này ban đầu được gọi bằng thuật ngữ: thạch anh-iođua. Mặc dù đèn chứa halogen thể hiện sự cải tiến đáng kể so với bóng đèn vonfram trơn mà chúng thay thế, nhưng đèn mới có tông màu hơi hồng đặc trưng của hơi iốt. Ngoài ra, thạch anh dễ bị tấn công bởi chất kiềm nhẹ được hình thành trong quá trình vận hành, dẫn đến lớp vỏ bị hỏng sớm. Trong những năm tiếp theo, hợp chất brom thay thế iốt và vỏ bọc được chế tạo bằng hợp kim thủy tinh borosilicate mới hơn để tạo ra đèn vonfram-halogen có tuổi thọ dài hơn và công suất bức xạ cao hơn.
Chu trình tái sinh halogen
Như đã thảo luận trước đây, trong đèn sợi đốt truyền thống, vonfram dạng khí hóa hơi từ dây tóc được vận chuyển qua pha hơi và liên tục lắng đọng trên thành bên trong của bóng đèn thủy tinh. Hiện vật này có tác dụng làm đen các thành bên trong của bóng đèn và giảm dần lượng ánh sáng phát ra. Để duy trì sự mất ánh sáng ở mức thấp nhất có thể, dây tóc đèn vonfram thông thường được đặt trong bóng đèn lớn có diện tích bề mặt đủ để giảm thiểu độ dày của vonfram lắng đọng tích tụ trong suốt tuổi thọ của đèn. Ngược lại, vỏ dạng ống trong đèn vonfram-halogen chứa đầy khí trơ (nitơ, argon, krypton hoặc xenon) được trộn trong quá trình lắp ráp với một lượng nhỏ hợp chất halogen (thường là hydro bromua; HBr) và hàm lượng vết của oxy phân tử. Hợp chất halogen dùng để bắt đầu một phản ứng hóa học thuận nghịch với vonfram bay hơi từ dây tóc để tạo ra các phân tử oxyhalua vonfram dạng khí ở pha hơi. Các gradient nhiệt được hình thành do sự chênh lệch nhiệt độ giữa dây tóc nóng và vỏ làm mát góp phần chặn và tái chế vonfram thành dây tóc đèn thông qua một hiện tượng được gọi là chu trình tái sinh halogen (minh họa trong Hình 2) . Do đó, vonfram bay hơi phản ứng với hydro bromua để tạo thành khí halogenua sau đó được tái lắng đọng vào các vùng mát hơn của dây tóc thay vì tích lũy từ từ trên thành trong của vỏ bọc.
Lợi ích của chu trình tái tạo halogen bao gồm khả năng sử dụng các vỏ nhỏ hơn được duy trì trong điều kiện sạch sẽ, không có cặn trong suốt tuổi thọ của đèn. Do vỏ bọc nhỏ hơn vỏ bọc được sử dụng trong đèn vonfram thông thường nên thạch anh đắt tiền và các hợp kim thủy tinh liên quan có thể được sử dụng tiết kiệm hơn trong quá trình chế tạo. Lớp vỏ thạch anh mạnh hơn cho phép sử dụng áp suất khí bên trong cao hơn để hỗ trợ ngăn chặn sự bay hơi của dây tóc, do đó cho phép tăng nhiệt độ dây tóc để tạo ra nhiều ánh sáng hơn và thay đổi cấu hình phát xạ để có tỷ lệ lớn hơn các bước sóng khả kiến mong muốn hơn. Kết quả là đèn vonfram-halogen giữ được độ sáng ban đầu trong suốt tuổi thọ của chúng và cũng chuyển đổi dòng điện thành ánh sáng hiệu quả hơn so với các đèn trước. Mặt khác, vonfram bay hơi và lắng đọng lại bởi chu trình tái tạo halogen không trở về vị trí ban đầu mà cuộn lại ở những vùng mát nhất của dây tóc, dẫn đến độ dày không đồng đều. Cuối cùng, đèn bị hỏng do độ dày dây tóc giảm ở những vùng nóng nhất. Nếu không, đèn vonfram-halogen có thể có tuổi thọ gần như vô hạn.
Các nghiên cứu ban đầu cho thấy rằng việc bổ sung muối florua vào hơi bịt kín bên trong đèn vonfram-halogen tạo ra sản lượng có bước sóng khả kiến cao nhất và cũng lắng đọng vonfram tái chế trên các vùng của dây tóc có nhiệt độ cao hơn. Khám phá này mang lại hy vọng rằng các sợi vonfram có thể được duy trì ở độ dày đồng đều hơn trong suốt tuổi thọ tăng lên đáng kể của những chiếc đèn này. Hơn nữa, việc thay đổi đầu ra cấu hình phát xạ của đèn để bao gồm các bước sóng khả kiến hơn là điều rất được mong muốn so với nhiệt độ màu thấp hơn do các loại đèn tương tự có hợp chất halogen thay thế (iodua, clorua và bromua) cung cấp. Không may thay, Các hợp chất florua được phát hiện có khả năng tấn công mạnh vào thủy tinh (lưu ý rằng axit flohydric thường được sử dụng để khắc thủy tinh) dẫn đến lớp vỏ bị hỏng sớm. Vì vậy, hợp chất florua không có ích cho đèn thương mại. Do đó, các hợp chất bromua được thảo luận ở trên vẫn là thuốc thử được lựa chọn để sản xuất đèn vonfram-halogen, nhưng các nhà sản xuất đèn vẫn tiếp tục nghiên cứu ứng dụng hỗn hợp khí và halogen mới cho các nguồn sáng rất hữu ích này.
Quang phổ phát ra và nhiệt độ màu
Đèn sợi đốt vonfram-halogen hoạt động như bộ tản nhiệt, nghĩa là ánh sáng được tạo ra bằng cách làm nóng một vật rắn (dây tóc) đến nhiệt độ rất cao. Như vậy, nhiệt độ hoạt động càng cao thì ánh sáng sẽ càng sáng. Tất cả các loại đèn làm từ vonfram đều có cấu hình phổ phát xạ giống với cấu hình quang phổ của bộ tản nhiệt vật đen và cấu hình quang phổ đầu ra của đèn halogen-vonfram tương tự về mặt chất lượng với các cấu hình quang phổ của đèn sợi đốt vonfram và sợi carbon. Phần lớn năng lượng phát ra (lên tới 85%) nằm ở vùng hồng ngoại và cận hồng ngoại của quang phổ, với 15-20% rơi vào vùng khả kiến (400 đến 700 nanomet), và ít hơn và 1% ở bước sóng tia cực tím. (dưới 400 nanomet).
Một phần đáng kể năng lượng điện tiêu thụ bởi các sợi dây vonfram sợi đốt được phát ra dưới dạng bức xạ điện từ trải dài trong vùng bước sóng trong khoảng từ 200 đến 3000 nanomet. Về mặt toán học, tổng bức xạ tăng theo lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ dây, làm dịch chuyển sự phân bố quang phổ sang các bước sóng ngày càng ngắn hơn (nhìn thấy được) trong hình dạng hình chuông khi nhiệt độ tăng lên (xem Hình 1 và 3). Mặc dù các bước sóng cực đại có xu hướng được phân phối lại từ vùng cận hồng ngoại gần vùng khả kiến hơn với nhiệt độ dây tóc cao hơn, điểm nóng chảy của vonfram không cho phép phần lớn bức xạ đầu ra chuyển sang vùng quang phổ khả kiến. Ở nhiệt độ hoạt động thực tế cao nhất, mức phát xạ cực đại tập trung ở khoảng 850 nanomet với khoảng 20% tổng sản lượng là ánh sáng khả kiến. Các bước sóng hồng ngoại, chiếm phần lớn đầu ra, phải bị tiêu tán dưới dạng nhiệt không mong muốn. Kết quả là, so với quang phổ ánh sáng ban ngày (5000+ K) phát ra từ đèn hồ quang thủy ngân, xenon và halogen kim loại, phần màu đỏ của quang phổ luôn chiếm ưu thế ở đèn vonfram-halua.
Tóm lại, giống như bộ tản nhiệt sợi đốt, đèn vonfram-halogen tạo ra quang phổ ánh sáng liên tục trải dài từ vùng tử ngoại trung tâm đến vùng khả kiến và đến vùng bước sóng hồng ngoại (xem Hình 1 và 3). So với phổ phát xạ của ánh sáng mặt trời và vật bức xạ vật đen 5800 K theo lý thuyết (như được trình bày trong Hình 3(a)), các vùng bước sóng dài hơn luôn chiếm ưu thế trong đèn vonfram-halogen. Tuy nhiên, khi nhiệt độ dây tóc tăng trong đèn vonfram-halogen, cấu hình phát xạ ánh sáng chuyển sang bước sóng ngắn hơn để khi nhiệt độ đạt đến điểm nóng chảy giới hạn của vonfram, tỷ lệ bước sóng khả kiến phát ra từ đèn tăng đáng kể. Hiệu ứng này được minh họa trong Hình 3(b) bằng cách chuẩn hóa sự phân bố đầu ra của bức xạ đèn ở nhiệt độ màu 2800 K và 3300 K cho cùng một quang thông. Ngoài việc có tỷ lệ bức xạ ở bước sóng hồng ngoại nhỏ hơn đáng kể, đường cong 3300 K còn thể hiện công suất lớn hơn nhiều ở bước sóng khả kiến.
Đặc điểm trắc quang
Các đặc tính trắc quang để đánh giá hiệu suất của nguồn sáng hơi khác thường ở chỗ hai hệ đơn vị tồn tại song song để xác định các biến quan trọng liên quan đến bức xạ và quang phổ đầu ra. Hệ thống trắc quang vật lý xử lý ánh sáng hoàn toàn như bức xạ điện từ về độ sáng (bức xạ) được kết nối với các đơn vị chiều dài và góc và được đo bằng watt. Hệ thống trắc quang sinh lý học tính đến cách thức mà mắt người giả định đánh giá nguồn sáng. Vì mắt người phản ứng hơi khác nhau với quang phổ ánh sáng khả kiến nên mắt tiêu chuẩn đã được xác định theo quy ước quốc tế. Đặc điểm chính của tiêu chuẩn này là độ nhạy với các màu ánh sáng khác nhau dựa trên phản ứng tối đa với ánh sáng 550 nanomet (xanh lục-vàng), được đo bằng đơn vị lumenst hay vì watt. Hệ thống sinh lý là đầy đủ nếu máy dò ánh sáng là mắt người, máy ảnh kỹ thuật số, phim chụp ảnh hoặc một số loại thiết bị khác có phản ứng tương tự. Tuy nhiên, hệ thống này sẽ thất bại nếu ánh sáng được phân tích rơi vào vùng cực tím hoặc hồng ngoại mà mắt người không nhìn thấy được. Trong trường hợp này, hệ thống trắc quang vật lý phải được sử dụng để đo và phân tích.
Bảng 1: Thông số kỹ thuật đèn kính hiển vi vonfram-halogen
| Công suất định mức (W) |
Điện áp định mức (V) |
Quang thông (lm) |
Kích thước dây tóc W x H (mm) |
Tuổi thọ trung bình (Giờ) |
| 10 | 6 | 150 | 1,5 x 0,7 | 300 |
| 20 | 6 | 480 | 2,3 x 0,8 | 100 |
| 30 | 6 | 765 | 1,5 x 1,5 | 100 |
| 30 | 12 | 750 | 2,6 x 1,3 | 50 |
| 50 | 12 | 1000 | 3.0 x 3.0 | 1100 |
| 100 | 12 | 3600 | 4,2 x 2,3 | 2000 |
Bảng 1 trình bày các thông số kỹ thuật về điện, kích thước dây tóc, tuổi thọ điển hình và kết quả đo quang của một số đèn halogen-vonfram phổ biến nhất hiện nay được sử dụng trong kính hiển vi huỳnh quang. Trong số các thuật ngữ quan trọng nhất được sử dụng để so sánh các loại đèn này là quang thông, là tổng lượng ánh sáng phát ra được đo bằng lumen . Quang thông tăng tỷ lệ thuận với tương đương trắc quang vật lý của nó tính bằng watt. Một đại lượng quan trọng khác, được gọi là cường độ sáng , là một phần của quang thông được đo bằng một góc đặc theo một hướng. Cường độ sáng, có đơn vị là candela , được sử dụng để đánh giá hiệu suất của đèn trong hệ thống quang học. Đèn cũng được đánh giá về Hiệu quả chiếu sáng sử dụng lumen trên mỗi watt năng lượng điện (liên quan đến hệ thống vật lý và sinh lý) để xác định hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện thành bức xạ khả kiến. Hiệu suất phát sáng tối đa theo lý thuyết là 683 lumen/watt, nhưng trên thực tế, đèn halogen-vonfram thường đạt giới hạn 37 lumen/watt. Để hiểu rõ hơn các đặc tính điện của đèn vonfram-halogen, thường có thể áp dụng các khái quát sau: cứ thay đổi 5 phần trăm điện áp đặt vào đèn, tuổi thọ sẽ tăng gấp đôi hoặc giảm một nửa, tùy thuộc vào việc điện áp có phù hợp hay không. giảm hoặc tăng. Ngoài ra, mỗi sự thay đổi 5% về điện áp sẽ kèm theo sự thay đổi 15% về quang thông, 8% về công suất, 3% về dòng điện,
Đèn phản xạ
Nhiều thiết kế đèn vonfram-halogen đa dạng kết hợp các bộ phản xạ tích hợp nhằm thu thập hiệu quả các mặt sóng ánh sáng phát ra từ đèn và hướng chúng vào hệ thống chiếu sáng một cách có tổ chức. Đèn phản xạ có thuật ngữ (xem Hình 4), các thiết bị được lắp ráp sẵn này đã được ứng dụng rộng rãi làm đèn chiếu sáng bên ngoài cho các ứng dụng kính hiển vi soi nổi. Ánh sáng từ đèn chiếu sáng có thể được hướng tới bất kỳ vùng nào của mẫu vật bằng ống dẫn ánh sáng sợi quang linh hoạt. Đèn phản xạ có nhiều thiết kế khác nhau liên quan đến đặc điểm và hình học của gương phản xạ, cũng như sự căn chỉnh của đèn trong gương phản xạ. Tuy nhiên, tất cả các đèn phản xạ đều có đèn một đầu, được lắp ở giữa trục quang của gương phản xạ với đế được gắn vào đỉnh của gương phản xạ. Cấu hình dây tóc thường được xác định bởi các đặc tính chùm tia theo yêu cầu của hệ thống quang học cụ thể mà đèn hướng tới. Tất cả các thiết kế dây tóc, bao gồm cả dây ngang, trục và lõi phẳng, đều được sử dụng trong đèn phản xạ.
Đèn phản xạ thường được kết nối với giá đỡ đèn có chân molypden nhô ra ngoài từ phía sau gương phản xạ và được gắn bằng vỏ gốm. Trong một số trường hợp, các kết nối cáp chuyên dụng được sử dụng để tách biệt không gian tiếp xúc điện khỏi nguồn nhiệt (đèn). Bởi vì đèn phản xạ thường được kết hợp như một phần của hệ thống quang học được căn chỉnh chính xác nên đôi khi kết nối điện chỉ được sử dụng như một phần của giá đỡ. Có một số phương pháp để lắp gương phản xạ, bao gồm lắp một giá đỡ ở cạnh trước của gương phản xạ, sử dụng áp lực lên mặt sau của nắp gương phản xạ, căn giữa mép gương phản xạ theo hình nón và điều chỉnh cạnh phản xạ tại một điểm dừng góc. Trong hầu hết các trường hợp, thiết kế đế phản xạ và cơ cấu lắp đặt được sử dụng để chỉ định loại đèn phản xạ cụ thể. Đường kính ngoài của lỗ mở phía trước phản xạ là tiêu chí xác định cho đèn phản xạ và hai kích thước cơ bản đã được nhà sản xuất thiết lập. Chúng được chỉ định MR 11 và MR 16 , với các chữ cái là tên viết tắt của gương phản xạ kim loại và các chữ số đề cập đến đường kính gương phản xạ tính bằng phần tám inch. Do đó, đèn phản xạ MR 16 có đường kính khoảng 50 mm trong khi đèn MR 11 có đường kính gần 35 mm.
Tấm phản xạ thường được chế tạo từ thủy tinh, nhưng một số cũng được làm bằng nhôm. Các bức tường bên trong của chúng có thể nhẵn hoặc có cấu trúc với các mặt để kiểm soát sự phân bố ánh sáng. Cấu trúc bên trong bao gồm từ các hạt mịn, khó nhìn thấy đến các mặt lớn, lát gạch (xem Hình 4(a)). Trong các tấm phản xạ bằng thủy tinh, bề mặt phản xạ hình vòm bên trong được phủ (thường bằng cách lắng đọng hơi) để đạt được các đặc tính phản chiếu cần thiết. Độ ổn định kích thước của gương phản xạ thủy tinh vượt trội so với gương phản xạ kim loại và khả năng chọn vật liệu phủ cụ thể, bao gồm cả những vật liệu có thể thay đổi đặc tính quang phổ của ánh sáng phản xạ, khiến những gương phản xạ này trở nên linh hoạt hơn nhiều. Tấm phản xạ kim loại được chế tạo dễ dàng hơn và rẻ hơn nhiều,
Nếu cần toàn bộ phổ bức xạ do đèn phát ra hoặc trong trường hợp ánh sáng hồng ngoại có ích thì chóa phản xạ kim loại hoặc chóa phản xạ thủy tinh có lớp phủ vàng mỏng là lựa chọn tối ưu. Tuy nhiên, khi phải sử dụng các đặc tính phản xạ cụ thể để chọn bước sóng thông qua giao thoa thì lớp phủ màng mỏng lưỡng sắc trên gương phản xạ thủy tinh là tối ưu. Những lớp phủ này bao gồm khoảng 40-60 lớp rất mỏng, mỗi lớp chỉ dày bằng một phần tư bước sóng ánh sáng và bao gồm các vật liệu xen kẽ có chỉ số khúc xạ cao và thấp. Việc tinh chỉnh độ dày và số lớp cho phép các nhà thiết kế tạo ra nhiều đặc tính đầu ra quang phổ khác nhau. Trong số các đèn phản xạ lưỡng sắc, loại đèn hữu ích nhất cho kính hiển vi được gọi là đèn lạnh phản xạ vì chỉ ánh sáng khả kiến ở vùng bước sóng từ 400 đến 700 nanomet mới được gửi tới hệ thống quang học (Hình 4(d)). Bước sóng hồng ngoại tỏa qua phía sau gương phản xạ và được bơm ra khỏi buồng đèn bằng quạt điện. Việc áp dụng các tấm phản xạ ánh sáng lạnh phù hợp giúp giảm tải nhiệt tổng thể lên hệ thống chiếu sáng và tạo ra ánh sáng có thể ghi lại bằng máy ảnh phim và máy ảnh kỹ thuật số.
Đèn sợi đốt vonfram-halogen
Cấu trúc cơ bản của đèn halogen-vonfram một đầu thường được sử dụng để chiếu sáng trong kính hiển vi huỳnh quang được minh họa trên Hình 5. Tổng chiều dài được đo từ đầu chốt đế đến điểm của ống xả kín. Một tiêu chí quan trọng để định vị đèn đối với hệ thống thấu kính thu là chiều dài tâm ánh sáng (Hình 5(a)), định vị tâm của dây tóc trên một mặt phẳng tham chiếu xác định trong đế đèn. Các thông số quan trọng khác là đường kính bóng đèn (phần dày nhất của vỏ), độ rộng nhúm của đế (thường lớn hơn một chút so với đường kính bóng đèn) và kích thước của trường dây tóc (chiều cao và chiều rộng). Kích thước hiệu dụng của nguồn chiếu sáng được sử dụng trong thiết kế hệ thống quang học đầu ra được xác định bởi chiều cao và chiều rộng của dây tóc (trường dây tóc). Dung sai và vị trí trường dây tóc là quan trọng và không được sai lệch quá 1 mm so với trục đối xứng của đèn (được xác định bởi mặt phẳng của các chân đế và đường tâm của đèn). Dung sai trường dây tóc được thiết kế cho cấu trúc dây tóc cụ thể và phải được đo khi dây tóc nóng.
Nhiệt độ hoạt động quá cao của đèn vonfram-halogen đòi hỏi vỏ bọc trong suốt chắc chắn hơn và dày hơn đáng kể so với đèn vonfram và carbon thông thường. Thủy tinh thạch anh silic nung chảy là vật liệu tiêu chuẩn được sử dụng trong chế tạo đèn vonfram-halogen vì vật liệu này có thể chịu được nhiệt độ vỏ lên tới 900°C và áp suất vận hành lên tới 50 atm. Nhìn chung, chất lượng quang học của vỏ đèn thạch anh thấp hơn đáng kể so với bóng đèn thủy tinh thổi dùng để sản xuất đèn sợi đốt thông thường. Hiện vật này là do thạch anh khó xử lý hơn (chủ yếu là do điểm nóng chảy cao hơn). Thạch anh dành cho vỏ đèn bắt đầu ở dạng ống hình trụ, lần đầu tiên được cắt theo chiều dài thích hợp trước khi gắn ống xả nhỏ hơn. Ở giai đoạn sau của quá trình sản xuất, sau khi dây tóc và chốt chì được lắp vào và kẹp chặt, phong bì sẽ được đổ đầy hợp chất khí và halogen thích hợp trước khi ống xả được tháo ra và bịt kín trong một quy trình được gọi là quá trình đóng nắp. Đèn halogen-vonfram dùng trong kính hiển vi thường có khuyết điểm đầu mút nằm ở phần trên của vỏ trong vùng không ảnh hưởng đến chất lượng quang học của ánh sáng phát ra từ đèn (Hình 5(a)). Các bộ phận cấu trúc đèn bên trong được đúc sẵn (dây tóc, đầu nối giấy bạc và chân) được lắp vào thạch anh hình ống trước khi các chân chì được bịt kín vào vỏ bằng cách kẹp. Bề mặt bên ngoài của chốt được định hình để đảm bảo độ bền cơ học tối đa.
Vonfram luôn được sử dụng để chế tạo dây tóc trong đèn sợi đốt hiện đại. Để phù hợp với đèn vonfram-halogen, dây vonfram thô phải trải qua quá trình xử lý nhiệt và pha tạp phức tạp để mang lại độ dẻo cần thiết cho quá trình xử lý và đảm bảo rằng dây tóc không bị biến dạng trong thời gian dài ở nhiệt độ cao trong quá trình vận hành đèn. Dây điện cũng phải được làm sạch nghiêm ngặt để tránh phát ra khí độc hại sau khi đèn đã được bịt kín. Chiều dài dây tóc được xác định bởi điện áp hoạt động, với điện áp cao hơn đòi hỏi chiều dài dài hơn. Đường kính được quyết định bởi mức công suất đèn và tuổi thọ mong muốn. Mức năng lượng cao đòi hỏi các sợi dày hơn, cũng bền hơn về mặt cơ học. Hình dạng dây tóc chịu trách nhiệm chính cho các đặc tính trắc quang của đèn vonfram-halogen. Các đèn được sử dụng trong kính hiển vi thường có dạng hình học dây tóc lõi phẳng, trong đó dây đầu tiên được quấn thành hình thanh hình chữ nhật, sau đó được kẹp dọc theo trục dài. Thay vì được chỉ định về đường kính và chiều dài, các sợi lõi phẳng được đo bằng chiều dài và chiều rộng của mặt phẳng của sợi và độ dày của hình chữ nhật. Đặc tính phát xạ ánh sáng của đèn dây tóc lõi phẳng khác biệt đáng kể so với đặc tính phát xạ ánh sáng của các loại đèn hình học khác. Phần đáng kể nhất của ánh sáng phát ra được tỏa vuông góc với mặt phẳng của dây tóc, được căn chỉnh với bộ phận quang học để có thông lượng tối đa. Một số thiết kế đèn có dây tóc lõi phẳng chuyên dụng trong đó bề mặt phát sáng có hình vuông.
Một trong những yếu tố quan trọng trong việc chế tạo đèn halogen-vonfram là bịt kín các bộ phận bên trong để cách ly chúng với khí quyển bên ngoài. Dây dẫn vào (chân molypden; Hình 5(b)) nhô ra khỏi đế đèn, xuyên qua vòng đệm, để định vị và cố định đèn trong ổ cắm được nối dây với nguồn điện. Khía cạnh quan trọng nhất của việc tạo ra một con dấu là sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa thạch anh và dây tóc vonfram. Thạch anh có hệ số giãn nở rất thấp trong khi vonfram cao hơn nhiều. Nếu không có lớp bịt kín thích hợp, các dây dẫn vào sẽ nhanh chóng giãn nở khi đèn nóng lên và làm vỡ kính xung quanh. Trong đèn vonfram-halogen hiện đại, một lá molypden rất mỏng (rộng 2 đến 4 mm và dày 10 đến 20 micromet; Hình 5(b)) được nhúng vào thạch anh và mỗi đầu của lá mỏng được hàn vào các dây nối molypden ngắn rồi lần lượt được hàn vào dây tóc và dây pin dẫn vào. Molypden được sử dụng trong con dấu vì các cạnh sắc như dao cạo cho phép nó được nhúng một cách an toàn vào thạch anh trong quá trình thao tác kẹp. Đèn dùng cho kính hiển vi có đặc điểm là đế một đầu có các chân molypden nhô ra từ chốt kẹp hoặc các chân vonfram được liên kết bên trong với lá molypden, như mô tả ở trên. Khoảng cách giữa các chân được tiêu chuẩn hóa, với các giá trị điển hình là 4 và 6,35 mm (được ký hiệu là G4 và G6.35; G cho kính). Đường kính pin dao động từ 0,7 đến 1 mm.
Bởi vì công nghệ chế tạo đèn halogen-vonfram rất tiên tiến vào thời điểm này nên tuổi thọ của một bóng đèn thông thường sẽ kết thúc đột ngột, thường là khi cấp nguồn cho dây tóc đèn nguội. Trong suốt tuổi thọ trung bình, đèn vonfram-halogen tiên tiến không bị đen và chỉ trải qua những thay đổi nhỏ về đặc tính trắc quang đầu ra. Tương tự như các loại đèn sợi đốt khác, tuổi thọ của đèn vonfram-halogen được xác định bởi tốc độ hóa hơi của vonfram từ dây tóc. Nếu dây tóc không có nhiệt độ không đổi dọc theo toàn bộ chiều dài của dây mà thay vào đó có các vùng có nhiệt độ cao hơn nhiều do độ dày không đồng đều hoặc do sự thay đổi cấu trúc bên trong thì dây tóc thường sẽ bị hỏng do đứt sớm ở những vùng này. Mặc dù vonfram bay hơi được đưa trở lại dây tóc bằng chu trình tái tạo halogen (đã thảo luận ở trên), nhưng không may vật liệu này lại lắng đọng ở những vùng mát hơn của dây tóc chứ không phải những điểm nóng quan trọng nơi thường xảy ra hiện tượng mỏng đi. Kết quả là hầu như không thể dự đoán khi nào dây tóc cụ thể nào đó sẽ bị hỏng trong các đèn được vận hành liên tục. Ở những loại đèn được bật và tắt thường xuyên, có thể an toàn khi cho rằng chúng sẽ hỏng ở một thời điểm nào đó khi được bật.
Nguồn điện vonfram-Halogen
Đèn vonfram-halogen có thể hoạt động bằng cách sử dụng nguồn điện có dòng điện một chiều hoặc xoay chiều, nhưng hầu hết các ứng dụng kính hiển vi ở cấp độ nghiên cứu đều sử dụng nguồn điện một chiều (DC ). Bộ nguồn tiên tiến nhất dành cho đèn vonfram-halogen có mạch điện chuyên dụng đảm bảo ổn định dòng điện và triệt tiêu hiện tượng gợn sóng. Giai đoạn quan trọng đối với đèn vonfram-halogen là khi lần đầu tiên đặt điện áp vào dây tóc nguội, giai đoạn mà điện trở dây tóc thấp hơn khoảng 20 lần so với khi ở nhiệt độ hoạt động tối đa. Do đó, khi điện áp nguồn được cấp tức thời vào đèn bằng cách bật nó lên, dòng điện ban đầu rất cao sẽ chạy qua (cao hơn tới 10 lần so với trạng thái ổn định), giảm dần khi nhiệt độ dây tóc và điện trở tăng. Mức dòng điện cao nhất đạt được trong vòng vài mili giây kể từ khi khởi động, nhưng thường kết thúc sau khoảng nửa giây. Thật không may, dòng điện khởi động cao sinh ra khi khởi động nguội có ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ của đèn. Mạch cấp nguồn chuyên dụng (thường được gọi là mạch khởi động mềm) được sử dụng để bù cho dòng điện khởi động cao trong các ứng dụng tiên tiến nhất, trong đó đèn vonfram-halogen được sử dụng để tiến hành các phép đo tỷ lệ.
Nguồn: https://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/lightsources/tungstenhalogen.html
Công ty Minh Khang là nhà phân phối độc quyền thị trường miền Nam phân khúc kính hiển vi hãng Carl ZEISS.
EN