Flashtube

Спиральная ксеноновая лампа-вспышка, излучающая серое тело в виде белого света. (Анимированная версия в конце )

Ксеноновая лампа-вспышка , которая также называется ламповой , является электрической дугой лампы предназначена для производства чрезвычайно интенсивный, некогерентный , полный спектр белого света для очень короткого промежутка времени. Вспышки состоят из отрезка стеклянной трубки с электродами на обоих концах и заполнены газом, который при срабатывании триггера ионизирует и проводит импульс высокого напряжения для получения света. Вспышки используются в основном для фотографических целей, но также используются в научных, медицинских, промышленных и развлекательных целях.

Строительство [ править ]

U-образная ксеноновая лампа-вспышка

Лампа состоит из герметично закрытой стеклянной трубки, заполненной благородным газом , обычно ксеноном , и электродов для подачи электрического тока в газ. Кроме того, необходим источник высокого напряжения для подачи энергии на газ в качестве триггерного события. Заряженный конденсатор обычно используется для подачи энергии для вспышки, чтобы обеспечить очень быструю подачу очень высокого электрического тока при срабатывании лампы.

Стеклянные конверты [ править ]

Стеклянная оболочка чаще всего представляет собой тонкую трубку, часто сделанную из плавленого кварца , боросиликата или пирекса , которая может быть прямой или изогнутой в различные формы, включая спиральную, U-образную и круглую (для окружения объектива камеры. для бестеневой фотографии - « кольцевые вспышки »). В некоторых применениях излучение ультрафиолетового света нежелательно, будь то из-за образования озона , повреждения лазерных стержней, разрушения пластмасс или других вредных эффектов. В этих случаях используется легированный плавленый кварц. Легирование диоксидом титана может обеспечить различную длину волны отсечки на ультрафиолетовой стороне, но материал страдает отсоляризация ; он часто используется в медицинских и солнечных лампах, а также в некоторых нелазерных лампах. Лучшая альтернатива - кварц, легированный церием ; он не подвержен соляризации и имеет более высокую эффективность, так как часть поглощенного ультрафиолета переизлучается в видимом свете посредством флуоресценции . Его отсечка составляет около 380 нм. И наоборот, когда требуется ультрафиолет, в качестве оболочки используется синтетический кварц ; это самый дорогой из материалов, но он не подвержен соляризации и его отсечка составляет 160 нм. ^[1]

Уровень мощности ламп измеряется в ваттах на площадь: общая потребляемая электрическая мощность, деленная на внутреннюю поверхность стены лампы. Охлаждение электродов и оболочки лампы имеет большое значение при высоких уровнях мощности. Для более низких средних уровней мощности достаточно воздушного охлаждения. Лампы высокой мощности охлаждаются жидкостью, обычно проточной деминерализованной водой.через трубку, в которой заключена лампа. Стекло ламп с водяным охлаждением обычно имеет усадку вокруг электродов, чтобы обеспечить прямой теплопровод между ними и охлаждающей водой. Охлаждающая среда также должна течь по всей длине лампы и электродов. В дуговых лампах высокой средней мощности или дуговых ламп непрерывного действия вода должна течь через концы лампы, а также через открытые концы электродов, чтобы деионизированная вода использовалась для предотвращения короткого замыкания. При мощности выше 15 Вт / см ² требуется принудительное воздушное охлаждение; жидкостное охлаждение в ограниченном пространстве. Жидкостное охлаждение обычно необходимо при мощности выше 30 Вт / см ² .

Более тонкие стенки могут выдерживать более высокие нагрузки средней мощности из-за более низкой механической деформации по толщине материала, которая вызвана температурным градиентом между горячей плазмой и охлаждающей водой (например, легированный кварц толщиной 1 мм имеет предел 160 Вт / см ² толщиной 0,5 мм имеет предел 320 Вт / см ² ). По этой причине более тонкое стекло часто используется для дуговых ламп непрерывного действия. Более толстые материалы обычно могут выдерживать большую энергию удара от ударной волны, которую может генерировать короткоимпульсная дуга, поэтому в конструкции импульсных трубок часто используется кварц толщиной до 1 мм. Материал оболочки обеспечивает еще один предел выходной мощности; Плавленый кварц толщиной 1 мм имеет предел 200 Вт / см ² , синтетический кварц той же толщины может работать до 240 Вт / см.² . Другие стекла, такие как боросиликат, обычно имеют менее половины нагрузочной способности кварца. Старение ламп требует некоторого снижения номинальных характеристик из-за повышенного поглощения энергии стеклом из-за соляризации и распыленных отложений. ^[1]

Электроды и пломбы [ править ]

Эти электроды выступают в каждый конец трубы, и запечатаны к стеклу с помощью несколько различных методов. «Ленточные уплотнения» используют тонкие полоски молибденовой фольги, приклеенные непосредственно к стеклу, которые очень прочные, но ограничены по величине тока, который может пройти. «Уплотнения припоя» связывают стекло с электродом с помощью припоя для очень прочного механического уплотнения, но ограничены при работе при низких температурах. Наиболее распространенным в применениях лазерной накачки является «уплотнение стержня», когда стержень электрода смачивается другим типом стекла, а затем прикрепляется непосредственно к кварцевой трубке. Это уплотнение очень прочное и способно выдерживать очень высокие температуры и токи. ^[1] Уплотнение и стекло должны иметь одинаковый коэффициент расширения.

Для снижения износа электродов электроды обычно изготавливаются из вольфрама , который имеет наивысшую температуру плавления среди всех металлов, чтобы справиться с термоэлектронной эмиссией электронов. Катоды часто изготавливают из пористого вольфрама, заполненного соединением бария , что дает низкую работу выхода ; структура катода должна быть адаптирована к применению. Аноды обычно изготавливаются из чистого вольфрама или, когда требуется хорошая обрабатываемость, из легированного лантаном вольфрама и часто подвергаются механической обработке, чтобы обеспечить дополнительную площадь поверхности, чтобы справиться с силовой нагрузкой. Дуговые лампы постоянного тока часто имеют катод с острым концом, чтобы сохранитьдугой от стекла и для контроля температуры. У ламп накаливания обычно есть катод с плоским радиусом, чтобы уменьшить возникновение горячих точек и уменьшить разбрызгивание, вызванное пиковыми токами, которые могут превышать 1000 ампер. На конструкцию электродов также влияет средняя мощность. При высоких уровнях средней мощности необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить достаточное охлаждение электродов. Хотя температура анода имеет меньшее значение, перегрев катода может значительно сократить срок службы лампы. ^[1]

Газы и давление наполнения [ править ]

В зависимости от размера, типа и применения лампы-вспышки давление заполнения газом может варьироваться от нескольких килопаскалей до сотен килопаскалей (0,01–4,0 атмосферы или от десятков до тысяч торр ). ^[1] Как правило, чем выше давление, тем выше выходная эффективность. Ксенон используется в основном из-за его хорошей эффективности, поскольку он преобразует почти 50% электроэнергии в свет. Криптон, с другой стороны, эффективен всего на 40%, но при низких токах лучше соответствует спектру поглощения лазеров Nd: YAG . Основным фактором, влияющим на эффективность, является количество газа за электродами или «мертвый объем». Более высокий мертвый объем приводит к меньшему увеличению давления во время работы. ^[1]

Операция [ править ]

Электроды лампы обычно подключаются к конденсатору , который заряжается до относительно высокого напряжения (обычно от 250 до 5000 вольт) с помощью повышающего трансформатора и выпрямителя . Однако газ имеет чрезвычайно высокое сопротивление , и лампа не будет проводить электричество, пока газ не ионизируется . После ионизации или «срабатывания» между электродами образуется искра , позволяющая конденсатору разрядиться. Внезапный скачок электрического тока быстро нагревает газ до состояния плазмы , где электрическое сопротивление становится очень низким. ^[2] Есть несколько способов срабатывания.

Внешний запуск [ править ]

Внешний запуск - наиболее распространенный метод работы, особенно для фотографических целей. Электроды заряжаются до напряжения, достаточно высокого, чтобы реагировать на срабатывание, но ниже порога самовспышки лампы. Импульс чрезвычайно высокого напряжения (обычно от 2000 до 150 000 вольт), «пусковой импульс», прикладывается либо непосредственно к стеклянной оболочке, либо в непосредственной близости от нее. (Вспышки с водяным охлаждением иногда подают этот импульс непосредственно на охлаждающую воду, а часто и на корпус устройства, поэтому с этим типом системы следует проявлять осторожность.) Короткий импульс высокого напряжения создает нарастающий электростатический заряд.поле, которое ионизирует газ внутри трубки. Емкость стекла передает импульс запуска в огибающую, где он превышает напряжение пробоя газа, окружающего один или оба электрода, образуя искровые стримеры. Стримеры распространяются через емкость по стеклу со скоростью 1 сантиметр за 60 наносекунд (170 км / с). (Импульс запуска должен иметь достаточно большую длительность, чтобы позволить одному стримеру достичь противоположного электрода, в противном случае запускается беспорядочный запуск.) Запуск можно улучшить, приложив импульс запуска к «плоскости отсчета», которая может иметь форму металлической ленты или отражателя, прикрепленного к стеклу, проводящей краски или тонкой проволоки, намотанной вокруг лампы по всей длине. Если напряжение на конденсаторе больше падения напряжениямежду катодом и анодом, когда внутренние искровые стримеры перекрывают электроды, конденсатор разряжается через ионизированный газ, нагревая ксенон до температуры, достаточно высокой для излучения света. ^[1]

Запуск серии [ править ]

Последовательный запуск более распространен в мощных лампах-вспышках с водяным охлаждением, например, в лазерах . Высоковольтные выводы триггерного трансформатора подключены к импульсной лампе последовательно (один вывод к электроду, а другой к конденсатору), так что вспышка проходит как через трансформатор, так и через лампу. Триггерный импульс образует искру внутри лампы, не подвергая триггерное напряжение снаружи лампы. Преимущества - лучшая изоляция, более надежное срабатывание и дуга, которая имеет тенденцию развиваться далеко от стекла, но при гораздо более высокой стоимости. Трансформатор последовательного запуска также действует как индуктор.. Это помогает контролировать продолжительность вспышки, но предотвращает использование схемы в приложениях с очень быстрой разрядкой. Запуск обычно может происходить при более низком напряжении на конденсаторе, чем требуется для внешнего запуска. Однако триггерный трансформатор становится частью схемы вспышки и связывает схему запуска с энергией вспышки. Следовательно, поскольку триггерный трансформатор имеет очень низкий импеданс, трансформатор, схема запуска и кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) должны выдерживать очень высокие пиковые токи, часто превышающие 1500 ампер. ^[1]

Запуск по напряжению на медленном огне [ править ]

Запуск по малому напряжению - наименее распространенный метод. В этом методе напряжение конденсатора первоначально не подается на электроды, а вместо этого между электродами поддерживается искровая коса высокого напряжения. Сильный ток от конденсатора подводится к электродам с помощью тиристора или разрядника . Этот тип запуска используется в основном в системах с очень коротким временем нарастания , обычно в тех, которые разряжаются в микросекундном режиме, например, в высокоскоростной, покадровой фотографии или лазерах на красителях . Кипящая искра-стример вызывает появление дуги точно в центре лампы, значительно увеличивая срок службы. ^[3]Если внешний запуск используется для очень коротких импульсов, искровые стримеры могут все еще контактировать со стеклом, когда через трубку проходит полная токовая нагрузка, вызывая абляцию стенки или, в крайних случаях, растрескивание или даже взрыв лампы. Однако, поскольку для очень коротких импульсов часто требуется очень высокое напряжение и низкая емкость, чтобы плотность тока не повышалась слишком высоко, некоторые микросекундные импульсные лампы запускаются просто "перенапряжением", то есть приложением напряжения к электродам, которое намного выше порога самовспышки лампы при использовании искрового разрядника. Часто используется комбинация повышенного напряжения и перенапряжения. ^[1]

Предимпульсные техники [ править ]

Очень быстрое время нарастания часто достигается с помощью техники предымпульса. Этот метод заключается в пропускании небольшой вспышки через лампу непосредственно перед основной вспышкой. Эта вспышка имеет гораздо меньшую энергию, чем основная вспышка (обычно менее 10%), и, в зависимости от длительности импульса, вырабатывается от нескольких тысячных до нескольких миллионных долей секунды до основной вспышки. Предымпульс нагревает газ, создавая тусклое, кратковременное послесвечение, которое возникает из-за свободных электронов и ионизированных частиц, которые остаются после отключения импульса. Если основная вспышка инициируется до того, как эти частицы могут рекомбинировать, это обеспечивает хорошее количество ионизированных частиц, которые могут быть использованы основной вспышкой. Это значительно сокращает время нарастания. Это также уменьшает ударную волну и снижает уровень шума во время работы, значительно увеличивая срок службы лампы.Он особенно эффективен в системах с очень быстрым разрядом, позволяя дуге быстрее расширяться и лучше заполнять трубку. Он очень часто используется с малым напряжением, а иногда и с последовательным запуском, но редко используется с внешним запуском. При накачке лазеров на красителях чаще всего используются предимпульсные методы, которые значительно увеличиваютэффективность преобразования . Однако также было показано, что он повышает эффективность других лазеров с более длительным временем жизни флуоресценции (позволяя использовать более длинные импульсы), таких как Nd: YAG или титановый сапфир , за счет создания импульсов с почти прямоугольной формой волны . ^{[4] [5] [6]}

Абляционные вспышки [ править ]

Абляционные импульсные трубки запускаются при понижении давления. Абляционные импульсные трубки обычно конструируются с использованием кварцевых трубок и одного или обоих электродов с полыми отверстиями, что позволяет подсоединять вакуумный насос для контроля давления газа. Электроды лампы подключаются к заряженному конденсатору, а затем из лампы откачивается газ. Когда газ достигает достаточно низкого давления (часто всего несколько торр), случайно ионизированные частицы могут ускоряться до скорости, достаточной для того, чтобы начать выбрасывать электроны из катода, когда они ударяются о его поверхность, что приводит к лавины Таунсенда.что приводит к самопроизвольной вспышке лампы. При таком низком давлении эффективность вспышки обычно будет очень низкой. Однако из-за низкого давления у частиц есть место для ускорения до очень высоких скоростей, а магнитные силы расширяют дугу, так что основная часть ее плазмы концентрируется на поверхности, бомбардируя стекло. Бомбардировка уносит (испаряет) большое количество кварца с внутренней стенки. Эта абляция вызывает внезапное резкое локализованное повышение внутреннего давления лампы, повышая эффективность вспышки до очень высокого уровня. Однако абляция приводит к значительному износу лампы, ослаблению стекла, и они обычно требуют замены после очень короткого срока службы.

Абляционные флэш-трубки необходимо повторно наполнить и вакуумировать до необходимого давления для каждой вспышки. Поэтому их нельзя использовать для приложений с очень частым повторением. Кроме того, это обычно исключает использование очень дорогих газов, таких как криптон или ксенон. Наиболее распространенным газом, используемым в абляционной лампе-вспышке, является воздух , хотя иногда также используется дешевый аргон. Вспышка обычно должна быть очень короткой, чтобы предотвратить передачу слишком большого количества тепла на стекло, но вспышки часто могут быть короче, чем у обычной лампы сравнительного размера. Вспышка от одной абляционной лампы-вспышки также может быть более интенсивной, чем от нескольких ламп. По этим причинам лампы чаще всего используются для накачки лазеров на красителях. ^{[7] [8]}

Регулировка ширины импульса [ править ]

Кроме того, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) может быть подключен последовательно как к пусковому трансформатору, так и к лампе, что делает возможной регулируемую продолжительность вспышки. ^{[1] [9] [10]} IGBT, используемый для этой цели, должен быть рассчитан на высокий импульсный ток, чтобы избежать повреждения полупроводникового перехода из-за перегрузки по току. ^[9]Этот тип системы часто используется в лазерных системах с высокой средней мощностью и может генерировать импульсы длительностью от 500 микросекунд до более 20 миллисекунд. Он может использоваться с любыми методами запуска, такими как внешний и последовательный, и может генерировать прямоугольные импульсы. Его можно даже использовать с малым напряжением для получения «модулированной» непрерывной волны на выходе с частотой повторения более 300 герц. При правильном использовании импульсной лампы с водяным охлаждением большого диаметра можно получить несколько киловатт средней выходной мощности. ^[1]

Электрические требования [ править ]

Электрические требования к лампе-вспышке могут варьироваться в зависимости от желаемых результатов. Обычный метод состоит в том, чтобы сначала определить длительность импульса, максимальное количество энергии, допустимое для этой продолжительности (энергия взрыва), и безопасное количество рабочей энергии. Затем выберите плотность тока, которая будет излучать желаемый спектр, и позвольте сопротивлению лампы определить необходимую комбинацию напряжения и емкости для его создания. Сопротивление в лампах-вспышках сильно варьируется в зависимости от давления, формы, мертвого объема, плотности тока, времени и длительности вспышки, и поэтому обычно называется импедансом . Наиболее распространенный символ, используемый для обозначения импеданса лампы - K _o , который выражается в омах на квадратный корень из ампер (Ом (ампер ^0,5).

K _o используется для расчета количества входного напряжения и емкости, необходимых для излучения желаемого спектра, путем управления плотностью тока. K _o определяется внутренним диаметром, длиной дуги и типом газа лампы и, в меньшей степени, давлением заполнения. Сопротивление в лампах-вспышках непостоянно, но быстро падает с увеличением плотности тока. В 1965 году Джон Х. Гонц показал, что удельное сопротивление плазмы в лампах-вспышках обратно пропорционально квадратному корню из плотности тока. По мере развития дуги лампа испытывает период отрицательного сопротивления., вызывая уменьшение как сопротивления, так и напряжения по мере увеличения тока. Это происходит до тех пор, пока плазма не войдет в контакт с внутренней стенкой. Когда это происходит, напряжение становится пропорциональным корню квадратному из тока, а сопротивление в плазме становится стабильным до конца вспышки. Именно это значение определяется как K _o . Однако по мере развития дуги газ расширяется, и при расчетах K _o мертвый объем не учитывается, что приводит к меньшему увеличению давления. Следовательно, любое вычисление K _o является всего лишь приближением импеданса лампы. ^{[1] [11] [12]}

Выходной спектр [ править ]

Ксенон [ править ]

Как и все ионизированные газы, ксеноновые лампы-вспышки излучают свет в различных спектральных линиях . Это то же явление, которое придает неоновым вывескам характерный цвет. Однако неоновые вывески излучают красный свет из-за чрезвычайно низкой плотности тока по сравнению с теми, которые наблюдаются в лампах-вспышках, что способствует более длинноволновым спектральным линиям. Чем выше плотность тока, тем больше длина волны. ^[13]Свет от ксенона в неоновой вывеске тоже скорее фиолетовый. Спектр, излучаемый лампами-вспышками, гораздо больше зависит от плотности тока, чем от давления заполнения или типа газа. Низкие плотности тока создают излучение в узких спектральных линиях на слабом фоне непрерывного излучения. Ксенон имеет множество спектральных линий в УФ, синей, зеленой, красной и ИК частях спектра. При низкой плотности тока возникает зеленовато-синяя вспышка, указывающая на отсутствие значительных желтых или оранжевых линий. При низких плотностях тока большая часть выхода ксенона будет направлена ​​в невидимые спектральные линии ИК-диапазона около 820, 900 и 1000 нм. ^[14] Низкие плотности тока для импульсных ламп обычно составляют менее 1000 А / см ² .

Более высокие плотности тока начинают производить непрерывное излучение. Спектральные линии расширяются и становятся менее доминирующими по мере того, как свет излучается по всему спектру, обычно достигающий пика или «центрированный» на определенной длине волны. Оптимальная выходная эффективность в видимом диапазоне достигается при плотности, которая способствует «излучению серого тела» (дуга, которая производит в основном непрерывное излучение, но все еще в основном полупрозрачна для собственного света; эффект, подобный солнечному свету, когда он проходит через облако) . Для ксенона излучение серого тела сосредоточено около зеленого и дает правильную комбинацию для белого света. ^{[9] [11]} Излучение серого тела возникает при плотностях выше 2400 А / см ² .

Очень высокая плотность тока, приближающаяся к 4000 А / см ² , способствует излучению абсолютно черного тела . Спектральные линии почти исчезают, так как континуальное излучение доминирует, а выходной центр смещается в сторону ультрафиолета. По мере того, как плотность тока становится еще выше, визуально выходной спектр ксенона начинает сравняться со спектром излучения черного тела с цветовой температурой 9800 кельвинов (скорее небесно-голубой оттенок белого). ^[1] За исключением случаев, когда необходим интенсивный ультрафиолетовый свет, например, обеззараживание воды, излучение абсолютно черного тела обычно нежелательно, потому что дуга становится непрозрачной, и большая часть излучения внутри дуги может поглощаться до того, как достигнет поверхности, что снижает выходную эффективность. . ^{[11] [14][15]}

Благодаря своей высокой эффективности белого цвета ксенон, несмотря на высокую стоимость, широко используется в фотографических целях. В лазерах обычно отдается предпочтение излучению спектральных линий, поскольку эти линии имеют тенденцию лучше соответствовать линиям поглощения лазерной среды. Иногда также используется криптон, хотя он еще дороже. При низких плотностях тока выходная спектральная линия криптона в ближнем ИК-диапазоне лучше соответствует профилю поглощения лазерных сред на основе неодима, чем излучение ксенона, и очень близко соответствует узкому профилю поглощения Nd: YAG. ^{[16] [17]} Ни одна из спектральных линий ксенона не соответствует линиям поглощения Nd: YAG, поэтому при накачке Nd: YAG ксеноном необходимо использовать непрерывное излучение. ^[18]

Криптон и другие газы [ править ]

Все газы производят спектральные линии, характерные для газа, наложенные на фон непрерывного излучения. Для всех газов низкие плотности тока создают в основном спектральные линии, причем наибольший выход сосредоточен в ближнем ИК диапазоне между 650 и 1000 нм. Самые сильные пики криптона находятся в районе 760 и 810 нм. У аргона много сильных пиков при 670, 710, 760, 820, 860 и 920 нм. Неон имеет пики около 650, 700, 850 и 880 нм. ^[14]По мере того, как плотности тока становятся выше, выход непрерывного излучения будет увеличиваться больше, чем излучение спектральной линии, на 20% больше, а выходной центр будет смещаться в сторону визуального спектра. При плотности тока серого тела наблюдается лишь небольшая разница в спектре, излучаемом различными газами. При очень высоких плотностях тока все газы начнут работать как излучатели черного тела со спектральным выходом, напоминающим голубую гигантскую звезду с центром в УФ. ^[14]

Более тяжелые газы обладают более высоким сопротивлением и, следовательно, имеют более высокое значение K _o . Импеданс, определяемый как сопротивление, необходимое для преобразования энергии в работу, выше для более тяжелых газов, и поэтому более тяжелые газы намного эффективнее, чем более легкие. Гелий и неон слишком светлые, чтобы произвести эффективную вспышку. Криптон может иметь КПД 40%, но для этого требуется увеличение давления до 70% по сравнению с ксеноном. Аргонможет иметь КПД до 30%, но требует еще большего повышения давления. При таком высоком давлении падение напряжения между электродами, образованное искровым стримером, может быть больше, чем напряжение на конденсаторе. Этим лампам часто требуется «повышающее напряжение» во время фазы триггера, чтобы преодолеть чрезвычайно высокий импеданс триггера. ^[14]

Азот в форме воздуха использовался в лампах-вспышках в самодельных лазерах на красителях, но присутствующие азот и кислород образуют химические реакции с электродами и сами по себе, вызывая преждевременный износ и необходимость регулировки давления для каждой вспышки. ^[19]

Некоторые исследования были проведены по смешиванию газов для изменения спектрального выхода. Влияние на выходной спектр незначительно, но влияние на эффективность велико. Добавление более легкого газа только снизит эффективность более тяжелого. ^[14]

Легкое производство [ править ]

Когда импульс тока проходит через трубку, он ионизирует атомы, заставляя их переходить на более высокие уровни энергии. В плазме дуги обнаруживаются три типа частиц: электроны , положительно ионизированные атомы и нейтральные атомы . В любой момент времени во время вспышки ионизированные атомы составляют менее 1% плазмы и производят весь излучаемый свет. Когда они рекомбинируют со своими потерянными электронами, они немедленно возвращаются к более низкому энергетическому состоянию, высвобождая при этом фотоны. Способы передачи энергии происходят тремя разными способами, называемыми переходами «связанный-связанный», «свободный-связанный» и «свободный-свободный». ^[20]

Внутри плазмы положительные ионы ускоряются к катоду, а электроны ускоряются к аноду. Нейтральные атомы движутся к аноду с меньшей скоростью, заполняя некоторый локализованный перепад давления, создаваемый ионами. При нормальном давлении это движение происходит на очень коротких расстояниях, потому что частицы взаимодействуют и сталкиваются друг с другом, обмениваясь электронами и меняя направление. Таким образом, во время импульса нейтральные атомы постоянно ионизируются и рекомбинируют, каждый раз испуская фотон, передавая электроны от катода к аноду. Чем больше количество ионных переходов для каждого электрона; тем лучше эффективность преобразования будет, так что более длинные трубы или более высокое давление и способствовать повышению эффективности работы лампы. Во время пульса скин-эффектзаставляет свободные электроны собираться возле внутренней стенки, создавая электронную оболочку вокруг плазмы. Это делает область электроотрицательной и помогает сохранять ее прохладной. Скин-эффект также увеличивает индуктивность, вызывая вихревые токи в центральной плазме.

Связанные переходы происходят, когда ионы и нейтральные атомы сталкиваются, передавая электрон от атома к иону. Этот метод преобладает при низких плотностях тока и отвечает за создание излучения спектральных линий. Свободно связанные переходы происходят, когда ион захватывает свободный электрон. Этот метод дает непрерывное излучение и становится более заметным при более высоких плотностях тока. Некоторая часть континуума также создается, когда электрон ускоряется по направлению к иону, что называется свободно-свободными переходами, производя тормозное излучение. Тормозное излучение увеличивается с увеличением плотности энергии и вызывает сдвиг в сторону синего и ультрафиолетового конца спектра. ^[20]

Интенсивность и продолжительность вспышки [ править ]

Единственный реальный электрический предел того, насколько коротким может быть импульс, - это общая индуктивность системы , включая индуктивность конденсатора, проводов и самой лампы. Короткие импульсные вспышки требуют, чтобы вся индуктивность была сведена к минимуму. Обычно для этого используются специальные конденсаторы, самые короткие из имеющихся проводов или электрические провода с большой площадью поверхности, но с тонким поперечным сечением. Для очень быстрых систем можно использовать осевые выводы с низкой индуктивностью, такие как медные трубки, провода с пластмассовым сердечником или даже полые электроды, чтобы уменьшить общую индуктивность системы. Лазеры на красителях нуждаются в очень коротких импульсах и иногда используют осевые импульсные трубки с кольцевым поперечным сечением. с большим наружным диаметром, кольцевыми электродами и полым внутренним сердечником, что позволяет разместить как более низкую индуктивность, так и ячейку с красителем, как ось, через центр лампы.

Напротив, изменения входного напряжения или емкости не влияют на время разряда, хотя они влияют на плотность тока. По мере уменьшения длительности вспышки электрическая энергия концентрируется в более коротких импульсах, поэтому плотность тока увеличивается. Для компенсации этого обычно требуется снижение емкости по мере уменьшения длительности импульса, а затем пропорциональное повышение напряжения для поддержания достаточно высокого уровня энергии. Однако с уменьшением длительности импульса уменьшается и «энергия взрыва» лампы, поэтому уровень энергии также должен быть уменьшен, чтобы избежать разрушения лампы.

Величина нагрузки, которую может выдержать стекло, является основным механическим пределом. Даже если количество используемой энергии ( джоули ) остается постоянным, электрическая мощность ( мощность ) будет увеличиваться обратно пропорционально уменьшению времени разряда. Следовательно, вместе с длительностью импульса необходимо уменьшать энергию, чтобы уровни импульсной мощности не повышались слишком высоко. Кварцевое стекло (толщиной 1 миллиметр за 1 секунду разряда) обычно может выдерживать максимум 160 Вт на квадратный сантиметр внутренней поверхности. У других очков порог намного ниже. Чрезвычайно быстрые системы с индуктивностью ниже критического демпфирования (0,8 микрогенри) обычно требуют шунтирующего диода через конденсатор для предотвращения реверсирования тока.(звон) от разрушения лампы. Если импульс проходит через лампу, он удлиняет вспышку, поэтому диод улавливает звон, позволяя лампе выключиться в нужное время.

Ограничениями для длительных импульсов являются количество электронов, перенесенных на анод, распыление, вызванное ионной бомбардировкой катода, и температурные градиенты стекла. Слишком длинные импульсы могут привести к испарению большого количества металла с катода, а перегрев стекла приведет к его продольному растрескиванию. Для непрерывной работы пределом является охлаждение . Длительность разряда для обычных импульсных ламп составляет от 0,1 микросекунды до десятков миллисекунд , а частота повторения может достигать сотен герц . Продолжительность вспышки можно тщательно контролировать с помощью индуктора . ^{[1] [11]}

Вспышка, исходящая от ксеноновой лампы-вспышки, может быть настолько сильной, что может воспламенить горючие материалы на небольшом расстоянии от лампы. Углеродные нанотрубки особенно восприимчивы к такому самовоспламенению при воздействии света от лампы-вспышки. ^[21] Подобные эффекты могут быть использованы для использования в эстетических или медицинских процедурах, известных как лечение интенсивным импульсным светом (IPL). IPL можно использовать для таких процедур, как удаление волос и удаление повреждений или родинок .

Срок службы [ править ]

Срок службы лампы-вспышки зависит как от уровня энергии, используемой для лампы, пропорционально ее энергии взрыва, так и от длительности импульса лампы. Отказы могут быть катастрофическими, вызывая разрушение лампы, или могут быть постепенными, снижая производительность лампы ниже допустимого уровня. ^[1]

Катастрофический сбой [ править ]

Катастрофический отказ может произойти из-за двух отдельных механизмов: энергии и тепла . Когда для длительности импульса используется слишком много энергии, может произойти структурное повреждение стеклянной оболочки. Лампы-вспышки производят вспышку электрической дуги, находящуюся в стеклянной трубке. По мере развития дуги возникает сверхзвуковая ударная волна.образует, двигаясь радиально от центра дуги и ударяясь о внутреннюю стенку трубки. Если уровень энергии достаточно низкий, все, что будет слышно, - это стук по стеклу. Однако, если используемый уровень энергии равен «энергии взрыва» лампы, ударная волна разобьет стекло, разорвав трубку. Возникший в результате взрыв создает громкую звуковую ударную волну и может разбить осколки стекла на несколько футов. Энергия взрыва рассчитывается путем умножения внутренней поверхности лампы между электродами на нагрузочную способность стекла. Нагрузка зависит от типа и толщины стекла, а также от используемого метода охлаждения. Мощность нагрузки измеряется в ваттах на квадратный сантиметр. Однако, поскольку импульсная мощностьуровень увеличивается с уменьшением длительности вспышки, тогда энергия взрыва должна быть уменьшена прямо пропорционально квадратному корню из времени разряда. ^[12]

Отказ из-за нагрева обычно вызывается чрезмерно большой длительностью импульсов, высокими уровнями средней мощности или несоответствующим размером электрода. Чем дольше пульс; тем больше тепла будет передано стеклу. Когда внутренняя стенка трубки становится слишком горячей, а внешняя еще холодная, этот температурный градиент может привести к растрескиванию лампы. Точно так же, если электроды не имеют достаточного диаметра, чтобы выдерживать пиковые токи, они могут создавать слишком большое сопротивление, быстро нагреваясь и термически расширяясь . Если электроды нагреваются намного быстрее, чем стекло, лампа может треснуть или даже расколоться на концах. ^[12]

Постепенная неудача [ править ]

Чем ближе лампа-вспышка работает к своей энергии взрыва, тем выше риск катастрофического отказа. При 50% энергии взрыва лампа может произвести несколько тысяч вспышек, прежде чем взорвется. При 60% энергии взрыва лампа обычно выйдет из строя менее чем через сотню. Если лампа эксплуатируется ниже 30% энергии взрыва, риск катастрофического отказа становится очень низким. Затем методы отказа становятся такими, которые снижают выходную эффективность и влияют на способность зажигания лампы. На них влияют такие процессы, как распыление и абляция внутренней стенки. ^[12]

Распыление происходит, когда уровень энергии очень низкий, ниже 15% энергии взрыва, или когда длительность импульса очень велика. Распыление - это испарение металла с катода, который повторно осаждается на стенках лампы, блокируя выход света. Поскольку катод излучает больше, чем анод , лампа-вспышка поляризована, и неправильное подключение лампы к источнику питания быстро приведет к ее разрушению. Однако даже при правильном подключении степень разбрызгивания может значительно варьироваться от лампы к лампе. Следовательно, невозможно точно предсказать время жизни при низких уровнях энергии. ^[1]

При более высоких уровнях энергии абляция стенок становится основным процессом износа. Электрическая дуга медленно разрушает внутреннюю стенку трубки, образуя микроскопические трещины, которые придают стеклу матовый вид. Абляция высвобождает кислород из стекла, повышая давление выше допустимого уровня. Это вызывает проблемы запуска, известные как « дрожание ». При значении выше 30% абляция может вызвать износ лампы, достаточный для разрушения. Однако при уровнях энергии более 15% срок службы может быть рассчитан с достаточной степенью точности. ^[1]

При работе с энергией взрыва ниже 30% срок службы лампы-вспышки обычно составляет от нескольких миллионов до десятков миллионов вспышек. ^[12]

Приложения [ править ]

Поскольку продолжительность вспышки, излучаемой ксеноновой лампой-вспышкой, можно точно контролировать, а из-за высокой интенсивности света ксеноновые лампы-вспышки обычно используются в качестве фотографических стробоскопов . Ксеноновые фотовспышки также используются в высокоскоростной или "покадровой" фотографии , впервые примененной Гарольдом Эдгертоном в 1930-х годах. Потому что они могут генерировать яркие, привлекающие внимание вспышки с относительно небольшим, непрерывного ввода электроэнергии, они также используются в предупреждения самолета огни , аварийное освещение автомобиля , оповещатели пожарной сигнализации ( звуковой сигнал стробов ), самолет антиколлизии маякови другие подобные приложения.

В стоматологии он используется в устройствах типа «световой короб» для световой активации отверждения различных реставрационных и вспомогательных светоотверждаемых смол (например: Megaflash mini, Uni XS и других устройств). ^[23]

Из - за их высокую интенсивность и относительной яркость на короткие длины волн (проходящие в ультрафиолет ) и короткую ширину импульса, flashtubes также идеально подходят в качестве источников света для накачки атомов в лазере на возбужденные состояния , где они могут быть стимулированы , чтобы излучать когерентные , монохроматический свет . Правильный выбор как газа-наполнителя, так и плотности тока имеет решающее значение, так что максимальная излучаемая выходная энергия сосредоточена в полосах, которые лучше всего поглощаются лазерной средой ; например, криптоновые лампы-вспышки более подходят для накачки Nd: YAG-лазеров, чем ксеноновые., поскольку излучение криптона в ближней инфракрасной области лучше соответствует спектру поглощения Nd: YAG.

Ксеноновые лампы-вспышки использовались для создания интенсивной вспышки белого света, часть которого поглощается неодимовым стеклом, которое производит мощность лазера для термоядерного синтеза с инерционным ограничением . В общей сложности от 1 до 1,5% электроэнергии, подаваемой в лампы-вспышки, превращается в полезный лазерный свет для этого приложения.

Pulsed light (PL) is a technique to decontaminate surfaces by killing microorganisms using pulses of an intense broad spectrum, rich in UV-C light. UV-C is the portion of the electromagnetic spectrum corresponding to the band between 200 and 280 nm. Pulsed light works with xenon lamps that can produce flashes several times per second. Disinfection robots use pulsed UV light.^[24]

A recent application of flashlamps is photonic curing.

History[edit]

The flashtube was invented by Harold Edgerton in the 1930s as a means to take sharp photographs of moving objects. Flashtubes were mainly used for strobe lights in scientific studies, but eventually began to take the place of chemical and powder flashbulbs and flash lamps in mainstream photography.^[25]

Because electrical arcs could be made that were much faster than mechanical-shutter speeds, early high-speed photographs were taken with an open-air, electrical-arc discharge, called spark photography, helping to remove blur from moving objects. This was typically done with the shutter locked open while in a dark or dimly lit room, to avoid overexposing the film, and a method of timing the flash to the event to be photographed. The earliest known use of spark photography began with Henry Fox Talbot around 1850.^[25] In 1886, Ernst Mach used an open-air spark to photograph a speeding bullet, revealing the shockwaves it produced at supersonic speeds.^[26] Open-air spark systems were fairly easy to build, but were bulky, very limited in light output, and produced loud noises comparable to that of a gunshot.^[25]

In 1927, Harold Edgerton built his first flash unit while at the Massachusetts Institute of Technology. Wanting to photograph the motion of a motor in vivid detail, without blur, Edgerton decided to improve the process of spark photography by using a mercury-arc rectifier, instead of an open-air discharge, to produce the light. He was able to achieve a flash duration of 10 microseconds, and was able to photograph the moving motor as if "frozen in time."^[25]

His colleague's interest in the new flash apparatus soon provoked Edgerton to improve upon the design. The mercury lamp's efficiency was limited by the coolest part of the lamp, causing them to perform better when very hot but poorly when cold. Edgerton decided to try a noble gas instead, feeling that it would not be as temperature dependent as mercury, and, in 1930, he employed the General Electric company to construct some lamps using argon instead. The argon tubes were much more efficient, were much smaller, and could be mounted near a reflector, concentrating their output. Slowly, camera designers began to take notice of the new technology and began to accept it. Edgerton received his first major order for the strobes from the Kodak company in 1940. Afterward, he discovered that xenon was the most efficient of the noble gases, producing a spectrum very close to that of daylight, and xenon flashtubes became standard in most large photography sets. It was not until the 1970s that strobe units became portable enough to use in common cameras.^[25]

In 1960, after Theodore Maiman invented the ruby laser, a new demand for flashtubes began for use in lasers, and new interest was taken in the study of the lamps.^[14]

Safety[edit]

Flashtubes operate at high voltages, with currents high enough to be deadly. Under certain conditions, shocks as low as 1 joule have been reported to be lethal. The energy stored in a capacitor can remain surprisingly long after power has been disconnected. A flashtube will usually shut down before the capacitor has fully drained, and it may regain part of its charge through a process called "dielectric absorption". In addition, some types of charging systems can be equally deadly themselves. The trigger voltage can deliver a painful shock, usually not enough to kill, but which can often startle a person into bumping or touching something more dangerous. When a person is charged to high voltages a spark can jump, delivering the high capacitor current without actually touching anything.

Flashtubes operate at high pressures and are known to explode, producing violent shockwaves. The "explosion energy" of a flashtube (the amount of energy that will destroy it in just a few flashes) is well defined, and to avoid catastrophic failure, it is recommended that no more than 30% of the explosion energy be used.^[11] Flashtubes should be shielded behind glass or in a reflector cavity. If not, eye and ear protection should be worn.

Flashtubes produce very intense flashes, often faster than the eye can register, and may not appear as bright as they are. Quartz glass will transmit nearly all of the long and short wave UV, including the germicidal wavelengths, and can be a serious hazard to eyes and skin. This ultraviolet radiation can also produce large amounts of ozone, which can be harmful to people, animals, and equipment.^[27]

Many compact cameras charge the flash capacitor immediately after power-up, and some even just by inserting the batteries. Merely inserting the battery into the camera can prime the capacitor to become dangerous or at least unpleasant for up to several days. The energy involved is also fairly significant; a 330 microfarad capacitor charged to 300 volts (common ballpark values found in cameras) stores almost 15 joules of energy.

Popular culture[edit]

In the 1969 book The Andromeda Strain and the 1971 motion picture, specialized exposure to a xenon flash apparatus was used to burn off the outer epithelial layers of human skin as an antiseptic measure to eliminate all possible bacterial access for persons working in an extreme, ultraclean environment. (The book used the term 'ultraflash'; the movie identified the apparatus as a 'xenon flash'.)

Animation[edit]

Frame 1: The tube is dark.

Frame 2: The trigger pulse ionizes the gas, glowing with a faint, blue light. Spark streamers form from each electrode, moving toward each other along the inner surface of the glass tube.

Frame 3: Spark streamers connect and move away from the glass, and a plasma tunnel forms allowing amperes to surge.

Frame 4: Capacitor current begins to runaway, heating the surrounding xenon.

Frame 5: As resistance decreases voltage drops and current fills the tube, heating the xenon to a plasma state.

Frame 6: Fully heated, resistance and voltage stabilize into an arc and the full current load rushes through the tube, causing the xenon to emit a burst of light.

See also[edit]

• Flash (photography)
• List of light sources
• Strobe beacon
• Strobe light
• Air-gap flash

References[edit]

External links[edit]

• Emission spectra of different flash lamps