Nguyên tắc cơ bản của đèn hồ quang Xenon trong ứng dụng của kính hiển vi

Giới thiệu

Đèn hồ quang Xenon thể hiện độ chói và độ sáng cao nhất so với bất kỳ nguồn sáng hoạt động liên tục nào và rất gần với mô hình lý tưởng cho nguồn sáng điểm. Ngược lại với các nguồn chiếu sáng thủy ngân và halogen kim loại, đèn hồ quang xenon khác biệt ở chỗ nó tạo ra quang phổ đồng nhất và liên tục trên toàn bộ vùng quang phổ nhìn thấy được. Do cấu hình phát xạ của đèn xenon có nhiệt độ màu xấp xỉ 6000 K (gần với nhiệt độ màu của ánh sáng mặt trời) và không có các vạch phát xạ nổi bật, nên nguồn chiếu sáng này có lợi thế hơn đèn hồ quang thủy ngân trong nhiều ứng dụng ở kính hiển vi huỳnh quang. Trên thực tế, ở vùng quang phổ xanh lam-lục (440 đến 540 nanomet) và đỏ (685 đến 700 nanomet), đèn hồ quang xenon 75 watt sáng hơn đèn hồ quang thủy ngân 100 watt (HBO 100) tương đương. Tương tự như đèn thủy ngân, đèn hồ quang xenon thường được tham chiếu bằng nhãn hiệu đã đăng ký là đèn XBO (X cho Xe hoặc xenon; B là ký hiệu cho độ chói; O cho làm mát không cưỡng bức) và được giới thiệu với cộng đồng khoa học vào cuối những năm 1940. Đèn XBO 75 phổ biến (đèn hồ quang xenon 75 watt) ổn định hơn và có tuổi thọ dài hơn đèn thủy ngân HBO 100 tương tự, nhưng sự phát xạ ánh sáng khả kiến chỉ chiếm khoảng 25% tổng lượng ánh sáng phát ra, với phần lớn năng lượng rơi vào vùng quang phổ hồng ngoại ít hữu ích hơn. Khoảng 70% sản lượng đèn hồ quang xenon xảy ra ở bước sóng dài hơn 700 nanomet, trong khi chưa đến 5% sản lượng bao gồm các bước sóng nhỏ hơn 400 nanomet. Áp suất cực cao của đèn xenon trong quá trình hoạt động (dao động từ 40 đến 60 atm) mở rộng các vạch quang phổ để tạo ra sự kích thích phân bố đồng đều hơn của fluorophores khi so sánh với các vạch phát xạ hẹp và rời rạc do đèn thủy ngân tạo ra. Do đó, đèn hồ quang xenon phù hợp hơn với các ứng dụng nghiêm ngặt đòi hỏi sự kích thích đồng thời nhiều chất huỳnh quang trên phạm vi bước sóng rộng trong kính hiển vi huỳnh quang phân tích.

Mặc dù đèn xenon tạo ra sự phát xạ băng thông rộng, gần như liên tục có nhiệt độ màu xấp xỉ ánh sáng mặt trời ở các bước sóng khả kiến ​​(thường được gọi là ánh sáng trắng), chúng thể hiện phổ vạch phức tạp trong vùng 750 đến 1000 nanomet của phổ cận hồng ngoại (xem Hình 1). Ngoài ra, một số vạch năng lượng thấp hơn tồn tại khoảng 475 nanomet trong vùng khả kiến. Trong khoảng từ 400 đến 700 nanomet, khoảng 85% tổng năng lượng phát ra từ đèn xenon tồn tại ở dạng liên tục trong khi khoảng 15% phát sinh từ quang phổ vạch. Quang phổ đầu ra (nhiệt độ màu) của đèn xenon không bị thay đổi khi thiết bị cũ đi, không giống như đèn hồ quang thủy ngân, cấu hình phát xạ hoàn chỉnh xảy ra ngay lập tức khi đánh lửa. Đầu ra của đèn xenon vẫn tuyến tính như một hàm của dòng điện áp dụng và có thể được điều chỉnh cho các ứng dụng chuyên dụng. Hơn nữa, bức xạ quang phổ không bị thay đổi bởi sự thay đổi dòng điện của đèn. Một đèn XBO 75 thông thường tạo ra quang thông khoảng 15 lumen trên watt, nhưng đèn cần vài phút sau khi đánh lửa để đạt công suất phát sáng tối đa do áp suất khí xenon bên trong bóng đèn tiếp tục tăng cho đến khi đạt đến nhiệt độ vận hành cuối cùng và đạt được trạng thái cân bằng nhiệt.

Sự phân bố độ chói tối đa liền kề với cực âm trong vùng hồ quang của đèn xenon XBO 75 (thường được gọi là điểm nóng hoặc bóng plasma ) có kích thước xấp xỉ 0,3 x 0,5 mm và có thể được xem xét, đối với tất cả các mục đích thực tế trong kính hiển vi huỳnh quang, một nguồn ánh sáng điểm sẽ tạo ra các chùm tia chuẩn trực cường độ cao khi được dẫn đúng cách qua hệ thống thấu kính ngưng tụ trong đèn. Trong hầu hết các ứng dụng kính hiển vi huỳnh quang, ánh sáng thu thập từ hồ quang đèn xenon được chụp ảnh trên lỗ kim hoặc khẩu độ phía sau vật kính. Sơ đồ đường viền điển hình của đèn XBO 75 được minh họa trong Hình 2(a) và sự phân bố cường độ quang thông của cùng một đèn được trình bày trong Hình 2(b). Trong bản đồ đường viền, độ chói hồ quang mạnh nhất ở đầu cực âm và giảm nhanh ở gần cực dương. Phần lớn, mẫu cường độ từ thông (Hình 2(b)) thể hiện sự đối xứng quay tuyệt vời xung quanh đèn, nhưng bị che khuất bởi các điện cực ở các vùng xung quanh số 0 và 180° trên bản đồ nơi cường độ giảm đáng kể. Trong đèn hồ quang xenon, tổng công suất phát của đèn nằm trong băng thông quang phổ trên 1000 nanomet với hồ quang plasma và các điện cực, mỗi loại chiếm khoảng một nửa tổng lượng phát xạ. Sự đóng góp đáng kể của các điện cực là do diện tích bề mặt lớn và nhiệt độ cao. Hầu hết sự phát xạ có bước sóng thấp hơn (trong thực tế là ánh sáng khả kiến) bắt nguồn từ hồ quang plasma, trong khi các điện cực chiếm phần lớn bức xạ hồng ngoại (trên 700 nanomet). Các mẫu cường độ sáng và bức xạ do đèn hồ quang tạo ra là những yếu tố quan trọng đối với các kỹ sư trong chiến lược thiết kế quang học và làm mát của hệ thống phân phối ánh sáng cho các ứng dụng trong kính hiển vi huỳnh quang.

Bảng 1: Công suất quang của đèn hồ quang Xenon (XBO)

Được trình bày trong Bảng 1 là các giá trị công suất quang đầu ra của nguồn sáng XBO 75 watt điển hình sau khi đi qua dãy quang học của kính hiển vi và các bộ lọc huỳnh quang được chọn. Công suất (tính bằng miliwatt/cm2 ⁾ được đo tại mặt phẳng tiêu điểm của vật kính hiển vi (40x fluorite khô, khẩu độ số = 0,85) bằng máy đo phóng xạ dựa trên photodiode. Một chiếc gương có độ phản xạ lớn hơn 95% từ 350 đến 800 nanomet hoặc bộ lọc huỳnh quang tiêu chuẩn được sử dụng để chiếu ánh sáng qua vật kính và vào cảm biến đo bức xạ. Sự thất thoát thông lượng ánh sáng trong hệ thống chiếu sáng kính hiển vi có thể thay đổi trong khoảng từ 50 đến 99 phần trăm công suất đầu vào, tùy thuộc vào cơ chế ghép nguồn sáng và số lượng bộ lọc, gương, lăng kính và thấu kính trong dãy quang học. Ví dụ, đối với kính hiển vi soi ngược cấp độ nghiên cứu điển hình được ghép nối với đèn XBO ở cổng vào của đèn epi, có ít hơn 70 phần trăm ánh sáng thoát ra khỏi hệ thống thấu kính thu có sẵn để kích thích các chất huỳnh quang đặt ở mặt phẳng tiêu cự vật kính.

Định hướng của đèn xenon là rất quan trọng để hoạt động tốt và kéo dài tuổi thọ. Ở những đèn được thiết kế để hoạt động theo phương thẳng đứng (góc lệch trục tối đa là 30°), cực dương được đặt ở trên cùng, trong khi cực âm nằm bên dưới ở đáy đèn. Cấu hình này đối xứng quay và mang lại hiệu suất hồ quang tuyệt vời. Ngược lại, đèn được thiết kế để hoạt động theo chiều ngang (mặc dù chúng cũng có thể hoạt động theo chiều dọc) tạo ra hồ quang cần ổn định để giảm hiện tượng mài mòn điện cực sớm và tăng tốc. Hoạt động của đèn nằm ngang không có tính đối xứng vốn có khi vận hành đèn theo chiều dọc, mặc dù một số thiết kế đèn đường yêu cầu hướng này. Ổn định hồ quang trong đèn nằm ngang đạt được dễ dàng nhất bằng cách sử dụng nam châm hình que gắn song song với trục đèn, ngay dưới vỏ bọc. Từ trường kéo hồ quang xuống dưới, tăng độ ổn định, có thể tinh chỉnh bằng cách thay đổi khoảng cách giữa nam châm và đường bao. Việc định vị lại đèn bằng cách xoay 180 độ ở thời gian bán hủy của đèn cho phép sự lắng đọng của vật liệu điện cực hóa hơi trở nên phân bố đều hơn trên các thành bên trong của vỏ bọc. Cần lưu ý rằng lựa chọn khôn ngoan là sử dụng đèn xenon định hướng thẳng đứng, bất cứ khi nào có thể, trong cấu hình kính hiển vi huỳnh quang.

Tuổi thọ của đèn hồ quang xenon chủ yếu được xác định bằng sự giảm quang thông xảy ra do vonfram bay hơi tích tụ trên thành trong của vỏ theo thời gian. Sự phân rã của đầu cực âm và hiệu ứng năng lượng mặt trời của bức xạ cực tím trên lớp vỏ thạch anh cũng góp phần làm đèn bị lão hóa cũng như độ ổn định. Việc đánh lửa đèn thường xuyên có xu hướng làm tăng tốc độ mài mòn điện cực và dẫn đến vỏ bọc bị đen sớm. Việc làm đen dần dần làm giảm lượng ánh sáng phát ra và chuyển các đặc tính quang phổ sang nhiệt độ màu thấp hơn. Hiện tượng đen bóng đèn, làm tăng nhiệt độ hoạt động của vỏ do hấp thụ năng lượng từ ánh sáng bức xạ, xảy ra chậm trong giai đoạn đầu của tuổi thọ đèn nhưng tăng nhanh ở các giai đoạn sau. Các yếu tố khác tác động tiêu cực đến tuổi thọ của đèn xenon bao gồm quá nhiệt, dòng điện thấp, gợn sóng nguồn điện, vị trí đốt không chính xác, dòng điện quá mức và lớp vỏ đen không đều. Tuổi thọ trung bình của bóng đèn (do nhà sản xuất tính toán) dựa trên thời gian cháy khoảng 30 phút cho mỗi lần đánh lửa. Nói chung, người ta đồng ý rằng thời điểm kết thúc tuổi thọ hữu ích của bóng đèn là thời điểm mà tại đó lượng tia cực tím phát ra giảm khoảng 25%, độ không ổn định của hồ quang tăng quá 10% hoặc bóng đèn đã ngừng cháy hoàn toàn. Nói chung, nên thay đèn xenon khi tuổi thọ trung bình đã vượt quá 25%.

Đèn hồ quang xenon trong ứng dụng của kính hiển vi

Đèn hồ quang xenon được sản xuất với vỏ hình cầu hoặc hình elip bao gồm thạch anh silic nung chảy, một trong số ít vật liệu trong suốt về mặt quang học có thể chịu được tải nhiệt quá mức và áp suất bên trong cao tác dụng lên vật liệu được sử dụng trong chế tạo các loại đèn này. Đối với hầu hết các ứng dụng kính hiển vi huỳnh quang, hợp kim thạch anh dùng trong đèn xenon thường được pha tạp các hợp chất xeri hoặc titan dioxide để hấp thụ các bước sóng cực tím nhằm tạo ra ozon trong quá trình hoạt động. Silica nung chảy điển hình truyền ánh sáng ở bước sóng xuống tới 180 nanomet trong khi pha tạp thủy tinh hạn chế sự phát xạ của đèn ở bước sóng trên 220 nanomet. Đèn xenon được trang bị để hoạt động không có ôzôn thường được ký hiệu bằng mã OFR để biểu thị loại của chúng. Tương tự như quy trình chế tạo đèn thủy ngân, thạch anh dùng cho vỏ đèn xenon được sản xuất từ ​​ống chất lượng cao nhất, được tạo hình cẩn thận trên máy tiện thành bóng đèn hoàn thiện thông qua kỹ thuật giãn nở không khí. Trong quá trình vận hành, vỏ đèn có thể đạt nhiệt độ từ 500 đến 700° C, đòi hỏi dung sai chế tạo chặt chẽ để giảm thiểu nguy cơ nổ.

Các điện cực anode và cathode trong đèn hồ quang xenon được chế tạo từ vonfram rèn hoặc hợp kim vonfram chuyên dụng pha tạp oxit thori hoặc hợp chất bari để giảm công và tăng hiệu suất phát xạ điện tử. Chỉ những loại vonfram tinh khiết nhất mới được sử dụng trong chế tạo đèn hồ quang xenon. Vonfram cao cấp có áp suất hơi rất thấp và đảm bảo rằng các điện cực đèn xenon có thể chịu được nhiệt độ hồ quang cực cao (trên 2000° C đối với cực dương) gặp phải trong quá trình vận hành và giúp giảm thiểu sự tích tụ cặn bám trên vỏ. Do sự phức tạp trong việc gia công các điện cực với loại vonfram có độ tinh khiết cao như vậy, nên cần có các dụng cụ gốm sứ trong suốt quá trình để tránh đưa các chất gây ô nhiễm vào. Sau khi chế tạo, cực âm được hàn vào một thanh hoặc tấm molypden để hỗ trợ, nhưng trục cực dương bao gồm vonfram rắn vì nó chịu nhiệt độ cao hơn nhiều do sự bắn phá liên tục của các electron phát ra từ cực âm. Cả hai điện cực đều được làm sạch bằng siêu âm và xử lý nhiệt để loại bỏ chất bôi trơn còn sót lại và chất gây ô nhiễm trước khi được gắn vào bóng đèn.

Việc thiết kế catốt đèn xenon nhận được sự quan tâm đáng kể nhằm tăng độ ổn định của hồ quang trong quá trình hoạt động. Trong các đèn thông thường sử dụng điện cực vonfram pha tạp thori, điểm phát xạ hồ quang trên cực âm dịch chuyển không liên tục do sự thay đổi cục bộ trong phát xạ điện tử từ bề mặt, một hiện tượng được gọi là arc wander (xem Hình 3(a)). Hiện tượng này, mức độ nghiêm trọng tăng lên khi đầu đèn bị mòn, dẫn đến sự dao động tạm thời về độ sáng của đèn được gọi là hiện tượng lóa khi hồ quang di chuyển đến một vùng mới trên cực âm (Hình 3(b)). Arc flutter mô tả sự dịch chuyển nhanh chóng theo phương ngang của cột hồ quang bởi các dòng đối lưu được tạo ra khi khí xenon được làm nóng bởi hồ quang và được làm mát bên trong(Hình 3(c)). Ngoài ra, các đầu nhọn của cực âm pha tạp thori có xu hướng mòn với tốc độ nhanh hơn so với các cực âm được chế tạo bằng hợp kim oxit đất hiếm tiên tiến. Đèn có công nghệ cực âm tiên tiến và đã chứng tỏ độ ổn định hồ quang ngắn hạn cao dưới 1/2% cũng như giảm tốc độ trôi dạt xuống dưới 0,05% mỗi giờ hoạt động. Phân tích dài hạn về hoạt động của cực âm hiệu suất cao cho thấy độ mài mòn giảm đáng kể và sự dịch chuyển của điểm hồ quang trong suốt tuổi thọ trung bình của đèn hầu như bị loại bỏ. Kết quả là, sau khi đèn xenon siêu yên tĩnh ban đầu được căn chỉnh với các thành phần khác trong dãy quang học của kính hiển vi, nhìn chung không cần thiết phải điều chỉnh lại vị trí trong toàn bộ thời gian hoạt động của đèn.

Trong giai đoạn bịt kín của cụm đèn, cực âm và cực dương được gắn chặt vào các dải ruy băng molypden rất mỏng trong một lớp bịt kín được phân loại để bù cho sự chênh lệch giãn nở nhiệt giữa ống thạch anh và trục điện cực kim loại. Một con dấu chức năng được tạo ra bằng cách nén nhiệt ống thạch anh vào lá molypden trong máy tiện đặt trong chân không để ngăn chặn quá trình oxy hóa. Nhiệt độ nén cao cho phép thạch anh nóng chảy sụp đổ xung quanh lá molypden để tạo thành một lớp bịt kín khí. Sau khi bịt kín các điện cực trong vỏ đèn thạch anh và ủ cụm để loại bỏ sức căng, vỏ được nạp khí xenon có độ tinh khiết cao (99,999 %) đến áp suất 10 atm thông qua một ống nạp gắn vào bóng đèn vỏ. Sau đó, đèn được làm mát bằng nitơ lỏng để đông đặc khí xenon và tháo ống nạp ra để bịt kín hoàn toàn vỏ bọc. Sau khi trở về nhiệt độ phòng, đèn thành phẩm được điều áp khi xenon trở về trạng thái khí.

Giai đoạn cuối cùng của quá trình lắp ráp đèn xenon bao gồm việc thêm các cực bằng đồng mạ niken được gọi là ống nối hoặc đế vào mỗi đầu của bóng đèn. Các ống nối phải có khả năng chịu được nhiệt độ lên tới 300° C, có nhiệm vụ kép bằng cách đóng vai trò kết nối điện với nguồn điện cũng như giá đỡ cơ học để cố định đèn một cách chính xác vào vị trí quang học chính xác trong buồng đèn. Nhiều thiết kế ống nối bao gồm một dây dẫn linh hoạt bên trong đế kết nối với các điện cực kín nhằm loại trừ khả năng hỏng đèn do ứng suất hoặc sức căng giữa trục điện cực và ống nối bằng đồng. Các đai sắt được gắn vào các đầu bịt kín của vỏ thạch anh bằng băng carbon-graphite hoặc chất kết dính chịu nhiệt. Một vòng nén thụ động cũng được sử dụng để đảm bảo mối nối chặt chẽ giữa các ống nối và ống bọc. Sau khi lắp các ống sắt, một dây đánh lửa được quấn quanh vỏ thạch anh ở các cạnh của bóng đèn hình elip (xem Hình 2). Dây được cấu tạo từ niken mỏng, nguyên chất và dùng để tạo ra một điện trường cục bộ bên trong lớp vỏ nhằm hỗ trợ kích thích quá trình ion hóa và dòng điện tử khi khởi động đèn.

Đèn Xenon và Nguồn điện

Thiết kế buồng đèn cho đèn hồ quang xenon rất quan trọng đối với tuổi thọ và hiệu suất của đèn. Điều quan trọng nhất trong số những cân nhắc về thiết kế là thực tế là những chiếc đèn này được vận hành ở áp suất bên trong cực cao (thường là trên 50 atm) nên cần tính đến khả năng xảy ra vụ nổ khi lựa chọn vật liệu xây dựng. Vì đèn hồ quang nở ra do nhiệt sinh ra quá nhiều trong quá trình hoạt động nên chỉ cần kẹp chặt một đầu của đèn vào vỏ; đầu còn lại có thể được cố định bằng dải kim loại dẻo hoặc được phủ một tấm tản nhiệt và buộc vào thiết bị đầu cuối điện bên trong thích hợp thông qua cáp (xem Hình 4). Buồng đèn xenon phải được cung cấp đủ khả năng làm mát để đèn xenon có thể hoạt động ở nhiệt độ dưới 750°C ở bề mặt vỏ và dưới 250°C ở các ống nối đế. Nhiệt độ quá cao nhanh chóng dẫn đến quá trình oxy hóa các dây dẫn điện cực, làm tăng tốc độ mài mòn vỏ và làm tăng khả năng hỏng đèn sớm. Trong trường hợp đèn công suất thấp (dưới 250 watt), làm mát đối lưu trong buồng đèn thông gió tốt thường là đủ, nhưng đèn có công suất cao hơn thường cần quạt làm mát. Điện áp kích hoạt cao (20 đến 30 kilovolt) cần thiết để đốt cháy đèn xenon đòi hỏi phải sử dụng vật liệu cách điện chất lượng cao trong cụm dây điện của buồng đèn và cáp cấp nguồn phải có khả năng chịu được điện áp vượt quá 30 kilovolt. Ngoài ra, cáp nguồn phải càng ngắn càng tốt, không được bó lại và đặt cách xa khung kính hiển vi và các thiết bị kim loại khác (như máy tính, bộ điều khiển bộ lọc và máy ảnh kỹ thuật số) ở gần.

Hầu hết các đèn xenon hiệu suất cao đều kết hợp gương phản chiếu bên trong kết hợp với hệ thống thấu kính thu đầu ra tạo ra chùm ánh sáng chuẩn trực có cường độ cao. Các thiết kế của gương phản xạ bao gồm từ gương lõm đơn giản đến các dạng hình học elip, hình cầu, hình cầu và parabol phức tạp giúp tổ chức và hướng sự phát xạ của đèn đến thấu kính thu và sau đó qua kính hiển vi một cách hiệu quả hơn. Việc sử dụng một gương phản xạ hình nón được tạo hình bằng điện có thể đạt được hiệu suất thu thập danh nghĩa lên tới 85%, một cải tiến lớn so với các hệ thống phản xạ ngược thông thường có hiệu suất từ ​​10 đến 20%. Các gương phản xạ chuyên dụng có thể được thiết kế dễ dàng bằng các kỹ thuật dò tia đơn giản. Lớp phủ trên tất cả các gương thu thập phải có tính lưỡng sắc để cho phép các bước sóng hồng ngoại (nhiệt) đi qua. Đèn Xenon cũng được hưởng lợi từ việc có bộ lọc chặn tia hồng ngoại, chẳng hạn như bộ lọc thủy tinh Schott BG38 hoặc BG39 và/hoặc gương tản nhiệt nóng hoặc lạnh (tùy thuộc vào bước sóng truyền đi hoặc phản xạ), để làm suy giảm hoặc chặn bước sóng hồng ngoại và bảo vệ mẫu vật (tế bào sống) do nhiệt dư. Ngoài ra, các máy dò trạng thái rắn trong máy ảnh điện tử, đặc biệt là các máy dò hình ảnh CCD, cũng đặc biệt nhạy cảm với ánh sáng hồng ngoại, có thể làm mờ hình ảnh nếu các bộ lọc thích hợp không được lắp vào đường dẫn ánh sáng.

Đèn xenon thường tuân theo cấu hình tiêu chuẩn với đèn hồ quang được đặt ở tiêu điểm của thấu kính thu để các mặt sóng rời khỏi nguồn được tập hợp lại và chuẩn trực gần đúng để thoát ra khỏi nhà đèn dưới dạng một bó song song (Hình 4). Tấm phản xạ cũng được đặt trên cùng trục với đèn và bộ thu để đảm bảo rằng có thể tạo ra ảnh ảo ngược của hồ quang gần đèn. Ánh sáng từ ảnh ảo phản xạ cũng được thu thập bởi thấu kính thu, nhờ đó tăng cường khả năng chiếu sáng. Cần phải có hệ thống thấu kính thứ hai (được gọi là thấu kính hội tụ ), được đặt bên trong đèn chiếu sáng của kính hiển vi, để đưa các tia song song thoát ra khỏi đèn vào tiêu điểm ở mặt phẳng tiêu cự phía sau vật kính. Nói chung, tiêu cự của hệ thống thấu kính hội tụ dài hơn nhiều so với tiêu cự của bộ thu, dẫn đến hình ảnh phóng đại của cung được chiếu lên mặt phẳng tiêu cự phía sau vật kính. Kết quả cuối cùng là ánh sáng rời khỏi vật kính phía trước và tiến về phía mẫu vật gần như song song để cung cấp ánh sáng đồng đều cho trường nhìn. Lưu ý rằng trong quá trình căn chỉnh đèn, không nên tập trung ánh sáng tập trung trực tiếp vào thành bao của đèn (gần hồ quang) để tránh làm nóng trực tiếp bóng đèn bằng ánh sáng phát xạ của chính nó. Hành động này sẽ dẫn đến việc tạo ra nhiệt độ đèn quá cao. Thay vào đó, hãy đặt ảnh ảo của vòng cung sang bên này hoặc bên kia của đèn.

Một trong những yêu cầu cơ bản của việc sử dụng đèn hồ quang xenon cho các ứng dụng kính hiển vi huỳnh quang là đầu ra phát xạ phải ổn định. Cường độ bức xạ đầu ra của đèn xenon xấp xỉ tỷ lệ với dòng điện chạy qua đèn. Vì vậy, để đảm bảo sự ổn định tối đa thì nguồn điện phải được thiết kế cẩn thận. Bộ cấp nguồn cho đèn hồ quang cũng phải kết hợp thiết bị kích hoạt để đánh lửa đèn. Minh họa trong Hình 5 là sơ đồ nguyên lý của nguồn điện ổn định điển hình cho đèn hồ quang xenon. Ngoài việc cung cấp cho đèn nguồn dòng điện một chiều ( DC ) ổn định, bộ nguồn còn có nhiệm vụ duy trì cực âm ở nhiệt độ hoạt động tối ưu bằng cách sử dụng mức dòng điện cụ thể. Mạch ổn định của nguồn điện đèn hồ quang xenon, tùy theo thiết kế, có thể ổn định điện áp, dòng điện hoặc tổng công suất (điện áp x dòng điện). Nếu điện áp ổn định, dòng điện (và độ sáng của đèn) sẽ giảm dần khi các điện cực phân rã. Ngược lại, nếu dòng điện ổn định, đèn sẽ tiếp tục phát sáng ở mức không đổi cho đến khi các điện cực đạt đến điểm suy giảm tới hạn khiến đèn không thể bốc cháy. Mặt khác, vì cần phải tăng điện áp để duy trì dòng điện cố định, nên công suất truyền tới hồ quang sẽ tăng chậm khi các điện cực bị mòn, điều này có thể dẫn đến quá nhiệt và có khả năng gây nổ. Trong các bộ nguồn ổn định mức công suất tổng, công suất phát sáng sẽ giảm dần theo dòng điện khi điện áp cần thiết để duy trì hồ quang tăng lên.

Khi đèn hồ quang nguội (thực tế là ở nhiệt độ phòng), chúng hoạt động như chất cách điện và khí xenon bao quanh các điện cực trước tiên phải được ion hóa để khởi tạo và thiết lập hồ quang. Trong hầu hết các thiết kế nguồn điện, việc đánh lửa được thực hiện bằng cách sử dụng các xung điện áp cao (30 đến 40 kilovolt) từ một mạch phụ tạo ra sự phóng điện giữa các điện cực. Mạch chuyên dụng thường được gọi là bộ kích hoạt vì nó cấp một xung tần số cao nhất thời vào tải đèn thông qua khớp nối cảm ứng (xem Hình 5). Sau khi hồ quang được thiết lập, nó phải được duy trì bằng nguồn dòng điện ổn định từ nguồn điện chính, giá trị của dòng điện này phụ thuộc vào các thông số của đèn. Một đèn XBO 75 watt thông thường hoạt động ở điện áp 15 volt và dòng điện từ 5 đến 6 ampe, nhưng những con số này thay đổi tùy theo nhà sản xuất và tăng theo công suất đèn. Lưu ý rằng đèn XBO hoạt động ở dòng điện cao hơn đáng kể so với dự kiến ​​từ điện áp tương đối thấp, được xác định bởi kích thước của khe hở hồ quang, áp suất xenon và nhiệt độ vận hành được khuyến nghị. Độ gợn dòng điện từ nguồn điện phải được giảm thiểu để đảm bảo tuổi thọ bóng đèn hồ quang dài. Do đó, chất lượng của dòng điện một chiều dùng để điều khiển đèn phải cao và độ gợn sóng phải nhỏ hơn 10% (đỉnh đến đỉnh) đối với đèn xenon có công suất lên tới 3000 watt.

Bóng đèn xenon chuyên dụng do các nhà sản xuất phụ tùng sản xuất thường kết hợp các tùy chọn lựa chọn bước sóng và kết hợp đầu ra với sợi quang hoặc dẫn ánh sáng lỏng để chuyển tiếp đến hệ thống quang học của kính hiển vi nhằm chiếu sáng hiệu quả cao ở các vùng quang phổ đã chọn. Các ví dụ bao gồm Lambda LS (Sutter Instrument), kết hợp đèn xenon, gương parabol lạnh và nguồn điện vào một vỏ duy nhất được ghép nối với bộ dẫn ánh sáng lỏng. Lambda LS có thể chứa một kính lọc bên trong, các miếng đệm bộ lọc và kính lọc thứ hai gắn bên ngoài. Một thiết bị tiên tiến hơn và nhanh hơn của Sutter, DG-4, có thể tạo ra tốc độ chuyển đổi bước sóng trong phạm vi 1-2 mili giây bằng cách sử dụng thiết kế điện kế kép kết hợp với các bộ lọc nhiễu tiêu chuẩn. Ánh sáng từ đèn hồ quang xenon được tập trung vào điện kế thứ nhất, điện kế này hướng nó tới bộ lọc nhiễu bằng cách phản xạ từ gương parabol. Ánh sáng được lọc sau đó đi qua gương parabol thứ hai và điện kế trước khi đi vào ống dẫn ánh sáng lỏng. Một gương tản nhiệt lạnh được đặt trước ống dẫn ánh sáng sẽ loại bỏ bức xạ hồng ngoại truyền tới hệ thống quang học của kính hiển vi. Các nhà sản xuất khác cũng sản xuất đèn chiếu sáng chạy bằng xenon tương tự, nhiều loại trong số đó có tính năng lựa chọn bước sóng và màng chắn sáng.

Nguồn: https://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/lightsources/xenonarc.html

Công ty Minh Khang là nhà phân phối độc quyền thị trường miền Nam phân khúc kính hiển vi hãng Carl ZEISS.