Импульсная лампа ( вспышка ) производит электростатический разряд с чрезвычайно интенсивным, некогерентным , полным спектром белого света в течение очень короткого времени. Импульсная лампа представляет собой стеклянную трубку с электродом на каждом конце и заполнена газом, который при срабатывании ионизируется и проводит высоковольтный импульс, создавая свет. Импульсные лампы используются в основном в фотографии; они также используются в науке, медицине, промышленности и развлечениях.
Лампа состоит из герметично запечатанной стеклянной трубки, заполненной благородным газом , обычно ксеноном , и электродов для подачи электрического тока к газу. 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.
Стеклянная оболочка чаще всего представляет собой тонкую трубку, часто изготовленную из плавленого кварца , боросиликата или пирекса , которая может быть прямой или изогнутой в ряд различных форм, включая спиральную, U-образную и круглую (чтобы окружить объектив камеры для бестеневой фотографии — « кольцевые вспышки »). В некоторых приложениях излучение ультрафиолетового света нежелательно, будь то из-за образования озона , повреждения лазерных стержней, деградации пластика или других вредных эффектов. В этих случаях используется легированный плавленый кварц. Легирование диоксидом титана может обеспечить различные граничные длины волн на ультрафиолетовой стороне, но материал страдает от соляризации ; он часто используется в медицинских и солнечных лампах и некоторых нелазерных лампах. Лучшей альтернативой является кварц, легированный церием ; он не страдает от соляризации и имеет более высокую эффективность, так как часть поглощенного ультрафиолета повторно излучается в видимом виде посредством флуоресценции . Его граничная длина волны составляет около 380 нм. Наоборот, когда требуется ультрафиолет, в качестве оболочки используется синтетический кварц ; это самый дорогой из материалов, но он не подвержен соляризации, а его пороговое значение составляет 160 нм. [1]
Уровень мощности ламп измеряется в ваттах/площадь, общая электрическая входная мощность делится на внутреннюю поверхность стенки лампы. Охлаждение электродов и оболочки лампы имеет большое значение при высоких уровнях мощности. Воздушного охлаждения достаточно для более низких уровней средней мощности. Лампы высокой мощности охлаждаются жидкостью, как правило, путем протекания деионизированной воды через трубку, в которой заключена лампа. Лампы с водяным охлаждением, как правило, имеют стекло, усаженное вокруг электродов, чтобы обеспечить прямой тепловой проводник между ними и охлаждающей водой. Охлаждающая среда должна также протекать по всей длине лампы и электродов. Лампы высокой средней мощности или дуговые лампы непрерывного действия должны иметь поток воды через концы лампы, а также через открытые концы электродов, поэтому деионизированная вода используется для предотвращения короткого замыкания. При более чем 15 Вт/см 2 требуется принудительное воздушное охлаждение; жидкостное охлаждение, если находится в замкнутом пространстве. Жидкостное охлаждение, как правило, необходимо при более чем 30 Вт/см 2 .
Более тонкие стенки могут выдерживать более высокие нагрузки средней мощности из-за меньшей механической деформации по толщине материала, что вызвано температурным градиентом между горячей плазмой и охлаждающей водой (например, легированный кварц толщиной 1 мм имеет предел 160 Вт/см 2 , а толщиной 0,5 мм — предел 320 Вт/см 2 ). По этой причине более тонкое стекло часто используется для дуговых ламп непрерывного действия. Более толстые материалы, как правило, могут выдерживать большую энергию удара от ударной волны, которую может генерировать короткоимпульсная дуга, поэтому кварц толщиной до 1 мм часто используется в конструкции импульсных ламп. 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 достигать 240 Вт/см 2 . Другие стекла, такие как боросиликатное, как правило, имеют менее половины допустимой мощности нагрузки кварца. Стареющие лампы требуют некоторого снижения номинальных характеристик из-за повышенного поглощения энергии в стекле из-за соляризации и распыленных отложений. [1]
Электроды выступают в каждый конец трубки и герметизируются к стеклу несколькими различными способами. «Ленточные уплотнения» используют тонкие полоски молибденовой фольги, приклеенные непосредственно к стеклу, которые очень прочны, но ограничены по количеству проходящего тока. «Паяные уплотнения» приклеивают стекло к электроду припоем для очень прочного механического уплотнения, но ограничены работой при низких температурах. Наиболее распространенным в лазерной накачке является «стержневое уплотнение», где стержень электрода смачивается другим типом стекла, а затем приклеивается непосредственно к кварцевой трубке. Это уплотнение очень прочное и способно выдерживать очень высокую температуру и токи. [1] Уплотнение и стекло должны иметь одинаковый коэффициент теплового расширения.
Для низкого износа электродов электроды обычно изготавливаются из вольфрама , который имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов, для обработки термоэлектронной эмиссии электронов. Катоды часто изготавливаются из пористого вольфрама, заполненного соединением бария , что обеспечивает низкую работу выхода ; структура катода должна быть адаптирована для применения. Аноды обычно изготавливаются из чистого вольфрама или, когда требуется хорошая обрабатываемость, из вольфрама, легированного лантаном , и часто подвергаются механической обработке для обеспечения дополнительной площади поверхности, чтобы справиться с нагрузкой мощности. Дуговые лампы постоянного тока часто имеют катод с острым кончиком, чтобы помочь удерживать дугу подальше от стекла и контролировать температуру. Импульсные лампы обычно имеют катод со сплющенным радиусом, чтобы уменьшить частоту возникновения горячих точек и уменьшить распыление, вызванное пиковыми токами, которые могут превышать 1000 ампер. Конструкция электрода также зависит от средней мощности. При высоких уровнях средней мощности необходимо позаботиться о достаточном охлаждении электродов. Хотя температура анода имеет меньшее значение, перегрев катода может значительно сократить срок службы лампы. [1]
В зависимости от размера, типа и применения импульсной трубки давление газа может варьироваться от нескольких килопаскалей до сотен килопаскалей (0,01–4,0 атмосфер или десятки-тысячи торр ). [1] Как правило, чем выше давление, тем выше выходная эффективность. Ксенон используется в основном из-за его хорошей эффективности, преобразуя почти 50% электрической энергии в свет. Криптон, с другой стороны, эффективен всего около 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 повышению давления во время работы. [1]
Электроды лампы обычно подключены к конденсатору , который заряжается до относительно высокого напряжения (обычно от 250 до 5000 вольт) с помощью повышающего трансформатора и выпрямителя . Однако газ обладает чрезвычайно высоким сопротивлением , и лампа не будет проводить электричество, пока газ не ионизирован . После ионизации или «срабатывания» между электродами образуется искра , что позволяет конденсатору разрядиться. Внезапный всплеск электрического тока быстро нагревает газ до состояния плазмы , в котором электрическое сопротивление становится очень низким. [2] Существует несколько методов срабатывания.
.jpg/1280px-Nokia_N8_(rear_view).jpg)
Внешнее включение является наиболее распространенным методом работы, особенно для фотографического использования. Электроды заряжаются до напряжения, достаточно высокого для реагирования на включение, но ниже порога самовспышки лампы. Чрезвычайно высокий импульс напряжения (обычно от 2000 до 150 000 вольт), «пусковой импульс», подается либо непосредственно на стеклянную колбу, либо очень близко к ней. (Вспышки с водяным охлаждением иногда подают этот импульс непосредственно на охлаждающую воду, а часто и на корпус устройства, поэтому с этим типом системы следует соблюдать осторожность.) Короткий импульс высокого напряжения создает нарастающее электростатическое поле, которое ионизирует газ внутри трубки. Емкость стекла связывает пусковой импульс с колбой, где он превышает напряжение пробоя газа, окружающего один или оба электрода, образуя искровые стримеры. Стримеры распространяются через емкость вдоль стекла со скоростью 1 сантиметр за 60 наносекунд (170 км/с). (Импульс запуска должен иметь достаточно большую длительность, чтобы позволить одному стримеру достичь противоположного электрода, иначе срабатывание будет нестабильным.) Срабатывание можно усилить, прикладывая импульс запуска к «опорной плоскости», которая может быть в форме металлической полосы или отражателя, прикрепленного к стеклу, проводящей краски или тонкой проволоки, обернутой вокруг длины лампы. Если напряжение конденсатора больше падения напряжения между катодом и анодом, когда внутренние искровые стримеры соединят электроды, конденсатор будет разряжаться через ионизированный газ, нагревая ксенон до достаточно высокой температуры для испускания света. [1]
Последовательное включение чаще встречается в мощных, охлаждаемых водой лампах-вспышках, таких как те, что используются 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 напряжение триггера воздействию внешней части лампы. Преимуществами являются лучшая изоляция, более надежное включение и дуга, которая имеет тенденцию развиваться далеко от стекла, но при гораздо более высокой стоимости. Последовательный триггерный трансформатор также действует как индуктор . Это помогает контролировать длительность вспышки, но не позволяет использовать схему в приложениях с очень быстрым разрядом. Включение обычно может происходить при более низком напряжении на конденсаторе, чем требуется для внешнего включения. Однако триггерный трансформатор становится частью схемы вспышки и связывает схему включения с энергией вспышки. Таким образом, поскольку триггерный трансформатор имеет очень низкое сопротивление, трансформатор, триггерная схема и кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) должны быть способны выдерживать очень высокие пиковые токи, часто превышающие 1500 ампер. [1]
Запуск с помощью напряжения кипения является наименее распространенным методом. В этой технике напряжение конденсатора изначально не прикладывается к электродам, а вместо этого между электродами поддерживается высоковольтный искровой стример. Высокий ток от конденсатора подается на электроды с помощью тиристора или искрового промежутка . Этот тип запуска используется в основном в системах с очень быстрым временем нарастания , как правило, тех, которые разряжаются в микросекундном режиме, например, используемых в высокоскоростной покадровой фотографии или лазерах на красителях . Кипящий искровой стример заставляет дугу развиваться точно в центре лампы, что значительно увеличивает срок службы. [3] Если внешний запуск используется для чрезвычайно коротких импульсов, искровые стримеры могут все еще находиться в контакте со стеклом, когда полная токовая нагрузка проходит через трубку, вызывая абляцию стенки или, в крайних случаях, растрескивание или даже взрыв лампы. Однако, поскольку очень короткие импульсы часто требуют очень высокого напряжения и низкой емкости, чтобы не допустить слишком высокого роста плотности тока, некоторые микросекундные импульсные лампы запускаются просто «перенапряжением», то есть путем подачи на электроды напряжения, которое намного выше порога самовозгорания лампы, с использованием искрового промежутка. Часто используется комбинация напряжения кипения и перенапряжения. [1]
Очень быстрое время нарастания часто достигается с помощью техники предымпульса. Этот метод выполняется путем подачи 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, подается всего за несколько 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, остающихся после выключения импульса. Если основная вспышка инициируется до того, как эти частицы могут рекомбинировать, это обеспечивает хорошее количество ионизированных частиц для использования основной вспышкой. Это значительно сокращает время нарастания. Это также уменьшает ударную волну и создает меньше шума во время работы, значительно увеличивая срок службы лампы. Это особенно эффективно в приложениях с очень быстрым разрядом, позволяя дуге расширяться быстрее и лучше заполнять трубку. Это очень часто используется с медленным напряжением и иногда с последовательным запуском, но редко используется с внешним запуском. Методы предымпульса чаще всего используются при накачке лазеров на красителях, значительно увеличивая эффективность преобразования . Однако также было показано, что они увеличивают эффективность других лазеров с более длительным временем жизни флуоресценции (что позволяет использовать более длинные импульсы), таких как Nd:YAG или титановый сапфир , путем создания импульсов с почти квадратной формой волны . [4] [5] [6]
Абляционные импульсные лампы срабатывают при пониженном давлении. Абляционные импульсные лампы обычно изготавливаются с использованием кварцевых трубок и одного или обоих полых электродов, что позволяет присоединить вакуумный насос для управления давлением газа. Электроды лампы подключаются к заряженному конденсатору, а затем газ откачивается из лампы. Когда газ достигает достаточно низкого давления (часто всего несколько торр), случайно ионизированные частицы способны ускоряться до скоростей, достаточных для начала выброса электронов из катода при ударе о его поверхность, что приводит к лавине Таунсенда , которая заставляет лампу самопроизвольно вспыхивать. При таком низком давлении эффективность вспышки обычно будет очень низкой. Однако из-за низкого давления частицы имеют возможность ускоряться до очень высоких скоростей, а магнитные силы расширяют дугу так, что основная часть ее плазмы концентрируется на поверхности, бомбардируя стекло. Бомбардировка удаляет (испаряет) большое количество кварца с внутренней стенки. Эта абляция создает внезапное, сильное, локализованное увеличение внутреннего давления лампы, увеличивая эффективность вспышки до очень высоких уровней. Однако абляция вызывает значительный износ лампы, ослабляя стекло, и они обычно требуют замены после очень короткого срока службы.
Абляционные импульсные лампы необходимо заправлять и вакуумировать до нужного давления для каждой вспышки. Поэтому их нельзя использовать для приложений с очень высокой повторяемостью. Кроме того, это обычно исключает использование очень дорогих газов, таких как криптон или ксенон. Наиболее распространенным газом, используемым в абляционной импульсной лампе, является воздух , хотя иногда также используется дешевый аргон. Вспышка обычно должна быть очень короткой, чтобы предотвратить передачу слишком большого количества тепла стеклу. Однако, поскольку почти вся плазма сосредоточена на поверхности, лампы имеют очень низкую индуктивность, и вспышки часто могут быть короче, чем у обычной лампы сравнительного размера. Вспышка от одной абляционной импульсной лампы также может быть более интенсивной, чем у нескольких ламп. По этим причинам наиболее распространенным применением ламп является накачка лазеров на красителях. [7] [8]
Кроме того, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) может быть подключен последовательно как к триггерному трансформатору, так и к лампе, что делает возможной регулируемую длительность вспышки. [1] [9] [10] IGBT, используемый для этой цели, должен быть рассчитан на высокий импульсный ток, чтобы избежать повреждения полупроводникового перехода сверхтоком. [9] Этот тип системы часто используется в лазерных системах с высокой средней мощностью и может производить импульсы длительностью от 500 микросекунд до более 20 миллисекунд. Его можно использовать с любым из методов запуска, как внешним, так и последовательным, и он может производить прямоугольные импульсы. Его можно использовать даже с напряжением кипящего разряда для получения «модулированного» непрерывного выходного сигнала с частотой повторения более 300 Гц. С помощью соответствующей лампы-вспышки с большим отверстием и водяным охлаждением можно получить несколько киловатт выходной мощности средней мощности. [1]
Электрические требования к импульсной лампе могут различаться в зависимости от желаемых результатов. Обычный метод заключается в том, чтобы сначала определить длительность импульса, максимально допустимое количество энергии при этой длительности (энергия взрыва) и безопасное количество рабочей энергии. Затем выбрать плотность тока , которая будет излучать желаемый спектр, и позволить сопротивлению лампы определить необходимую комбинацию напряжения и емкости для его получения. Сопротивление в импульсных лампах сильно варьируется в зависимости от давления, формы, мертвого объема, плотности тока, времени и длительности вспышки, и поэтому обычно называется импедансом . Наиболее распространенным символом, используемым для импеданса лампы, является K o , который выражается в омах на квадратный корень из ампер (омы(амперы 0,5 ).
K o используется для расчета величины 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 импульсных лампах не является постоянным, а быстро падает с ростом плотности тока. В 1965 году Джон Х. Гонц показал, что удельное сопротивление плазмы в импульсных лампах обратно пропорционально квадратному корню плотности тока. По мере развития дуги лампа испытывает период отрицательного сопротивления , в результате чего как сопротивление, так и напряжение уменьшаются по мере увеличения тока. Это происходит до тех пор, пока плазма не соприкоснется с внутренней стенкой. Когда это происходит, напряжение становится пропорциональным квадратному корню тока, а сопротивление в плазме становится стабильным на оставшуюся часть вспышки. Именно это значение определяется как K o . Однако по мере развития дуги газ расширяется, и расчеты для K o не учитывают мертвый объем, что приводит к меньшему увеличению давления. Поэтому любой расчет K o является лишь приближенным значением сопротивления лампы. [1] [11] [12]
Как и все ионизированные газы, ксеноновые лампы-вспышки излучают свет в различных спектральных линиях . Это то же самое явление, которое придает неоновым вывескам их характерный цвет. Однако неоновые вывески излучают красный свет из-за чрезвычайно низкой плотности тока по сравнению с теми, которые наблюдаются в лампах-вспышках, что благоприятствует спектральным линиям с большей длиной волны. Более высокая плотность тока, как правило, благоприятствует более коротким длинам волн. [13] Свет от ксенона в неоновой вывеске также довольно фиолетовый.
Спектр, излучаемый импульсными лампами, гораздо больше зависит от плотности тока, чем от давления заполнения или типа газа. Низкие плотности тока создают излучение с узкой спектральной линией на слабом фоне непрерывного излучения. Ксенон имеет много спектральных линий в УФ, синей, зеленой, красной и ИК-частях спектра. Низкие плотности тока создают зеленовато-голубую вспышку, что указывает на отсутствие значительных желтых или оранжевых линий. При низких плотностях тока большая часть выходного излучения ксенона будет направлена в невидимые ИК-спектральные линии 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, поскольку свет производится по всему спектру, обычно достигая пика или «центрируясь» на определенной длине волны. Оптимальная выходная эффективность в видимом диапазоне достигается при плотности, которая благоприятствует «излучению серого тела» (дуге, которая производит в основном непрерывное излучение, но все еще в основном прозрачна для своего собственного света; эффект, аналогичный солнечному свету, когда он проходит через облако). Для ксенона излучение серого тела центрировано около зеленого и дает правильную комбинацию для белого света. [9] [11] Излучение серого тела производится при плотностях выше 2400 А/см 2 .
Плотности тока, которые очень высоки, приближаясь к 4000 А/см 2 , как правило, благоприятствуют излучению черного тела . Спектральные линии практически исчезают, поскольку доминирует непрерывное излучение, а центр выходного излучения смещается в сторону ультрафиолета. По мере того, как плотности тока становятся еще выше, визуально выходной спектр ксенона начнет приближаться к спектру черного тела с цветовой температурой 9800 кельвинов (довольно небесно-голубой оттенок белого). [1] За исключением случаев, когда требуется интенсивный ультрафиолетовый свет, например, для обеззараживания воды, излучение черного тела обычно нежелательно, поскольку дуга становится непрозрачной, и большая часть излучения изнутри дуги может быть поглощена до того, как достигнет поверхности, что снижает эффективность выходного излучения. [11] [14] [15]
Благодаря своей высокой эффективности и белому выходу ксенон широко используется в фотографических приложениях, несмотря на свою высокую стоимость. В лазерах обычно предпочитают спектральную линию излучения, поскольку эти линии, как правило, лучше соответствуют линиям поглощения лазерной среды. Криптон также иногда используется. При низких плотностях тока спектральная линия излучения криптона в ближнем ИК-диапазоне лучше соответствует профилю поглощения лазерной среды 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]
Все газы производят спектральные линии, которые являются специфическими для газа, наложенные на фон континуального излучения. Для всех газов низкие плотности тока производят в основном спектральные линии, причем самый высокий выход сосредоточен в ближнем ИК-диапазоне между 650 и 1000 нм. Самые сильные пики криптона находятся около 760 и 810 нм. Аргон имеет 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 континуального излучения будет увеличиваться больше, чем излучение спектральной линии, со скоростью на 20% больше, и центр выхода сместится в сторону видимого спектра. При плотностях тока серого тела существует лишь небольшая разница в спектре, излучаемом различными газами. При очень высоких плотностях тока все газы начнут работать как излучатели черного тела, спектральные выходы которых напоминают голубую гигантскую звезду с центром в ультрафиолетовом диапазоне. [14]
Более тяжелые газы демонстрируют более высокое сопротивление и, следовательно, имеют более высокое значение для K o . Импеданс, определяемый как сопротивление, необходимое для преобразования энергии в работу, выше для более тяжелых газов, и, как таковые, более тяжелые газы намного эффективнее, чем более легкие. Гелий и неон слишком легки, чтобы произвести эффективную вспышку. Криптон может быть эффективен на 40%, но для этого требуется до 70% увеличения давления по сравнению с ксеноном. Аргон может быть эффективен на 30%, но требует еще большего увеличения давления. При таких высоких давлениях падение напряжения между электродами, образованное искровым стримером, может быть больше, чем напряжение конденсатора. Эти лампы часто нуждаются в «повышающем напряжении» во время фазы запуска, чтобы преодолеть чрезвычайно высокое сопротивление запуска. [14]
Азот в виде воздуха использовался в импульсных лампах самодельных лазеров на красителях, но присутствующие азот и кислород вступают в химические реакции с электродами и между собой, вызывая преждевременный износ и необходимость регулировки давления для каждой вспышки. [19]
Были проведены некоторые исследования 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]
Когда импульс тока проходит через трубку, он ионизирует атомы, заставляя их переходить на более высокие энергетические уровни. В плазме дуги обнаруживаются три типа частиц, состоящие из электронов , положительно ионизированных атомов и нейтральных атомов . В любой момент времени во время вспышки ионизированные атомы составляют менее 1% плазмы и производят весь испускаемый свет. Когда они рекомбинируют со своими потерянными электронами, они немедленно возвращаются в более низкое энергетическое состояние, высвобождая в этом процессе фотоны. Методы передачи энергии происходят тремя отдельными способами, называемыми переходами «связанный-связанный», «свободно-связанный» и «свободно-свободный». [20]
Внутри плазмы положительные ионы ускоряются к катоду, в то время как электроны ускоряются к аноду. Нейтральные атомы движутся к аноду с меньшей скоростью, заполняя некоторую локализованную разность давлений, созданную ионами. При нормальном давлении это движение происходит на очень коротких расстояниях, поскольку частицы взаимодействуют и сталкиваются друг с другом, и, обмениваясь электронами, они меняют направление. Таким образом, во время импульса нейтральные атомы постоянно ионизируются и рекомбинируют, каждый раз испуская фотон, передавая электроны от катода к аноду. Чем больше число ионных переходов для каждого электрона, тем выше будет эффективность преобразования , поэтому более длинные трубки или более высокое давление помогают повысить эффективность лампы. Во время импульса скин-эффект заставляет свободные электроны собираться около внутренней стенки, создавая электронную оболочку вокруг плазмы. Это делает область электроотрицательной и помогает поддерживать ее прохладной. Скин-эффект также увеличивает индуктивность, вызывая вихревые токи в центральной плазме.
Связанно-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 спектральной линии излучения. Свободно-связанные переходы происходят, когда ион захватывает свободный электрон. Этот метод производит континуальное излучение и более заметен при более высоких плотностях тока. Часть континуума также производится, когда электрон ускоряется к иону, называемые свободно-свободными переходами, производящими тормозное излучение. Тормозное излучение увеличивается с увеличением плотности энергии и вызывает сдвиг в сторону синего и ультрафиолетового конца спектра. [20]
Единственным реальным электрическим ограничением того, насколько коротким может быть импульс, является общая индуктивность системы , включая индуктивность конденсатора, проводов и самой лампы. Вспышки с короткими импульсами требуют, чтобы вся индуктивность была минимизирована. Обычно это делается с помощью специальных конденсаторов, самых коротких доступных проводов или электрических выводов с большой площадью поверхности, но тонким поперечным сечением. Для чрезвычайно быстрых систем могут использоваться аксиальные выводы с низкой индуктивностью, такие как медные трубки, провода с пластиковым сердечником или даже полые электроды, чтобы уменьшить общую индуктивность системы. Лазеры на красителях нуждаются в очень коротких импульсах и иногда используют аксиальные импульсные трубки, которые имеют кольцевое поперечное сечение с большим внешним диаметром, кольцеобразные электроды и полый внутренний сердечник, что позволяет как более низкую индуктивность, так и ячейку красителя размещать 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 будет увеличиваться. Для компенсации этого обычно требуется снижать емкость по мере уменьшения длительности импульса, а затем пропорционально повышать напряжение, чтобы поддерживать достаточно высокий уровень энергии. Однако по мере уменьшения длительности импульса снижается и рейтинг «энергии взрыва» лампы, поэтому уровень энергии также должен быть снижен, чтобы избежать разрушения лампы.
Величина нагрузки мощности, которую может выдержать стекло, является основным механическим ограничением. Даже если количество используемой энергии ( джоулей ) остается постоянным, электрическая мощность ( ваттность ) будет увеличиваться обратно пропорционально уменьшению времени разряда. Поэтому энергия должна уменьшаться вместе с длительностью импульса, чтобы не допустить слишком высокого уровня импульсной мощности . Кварцевое стекло (толщиной 1 миллиметр на 1 секунду разряда) обычно может выдерживать максимум 160 Вт на квадратный сантиметр внутренней поверхности. Другие стекла имеют гораздо более низкий порог. Чрезвычайно быстрые системы с индуктивностью ниже критического затухания (0,8 микрогенри) обычно требуют шунтирующего диода через конденсатор, чтобы предотвратить разрушение лампы реверсом тока (звоном). Если импульсу позволить пройти через лампу, он удлинит вспышку, поэтому диод улавливает звон, позволяя лампе выключиться в нужное время.
Ограничениями для длительных импульсов являются количество переданных электронов на анод, распыление, вызванное ионной бомбардировкой катода, и температурные градиенты стекла. Слишком длинные импульсы могут испарять большие количества металла с катода, в то время как 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 и может иметь частоту повторения в сотни герц . Длительность вспышки можно тщательно контролировать с помощью индуктора . [ 1] [11]
Вспышка, исходящая от ксеноновой лампы-вспышки, может быть настолько интенсивной, что она может воспламенить горючие материалы на небольшом расстоянии от трубки. Углеродные нанотрубки особенно подвержены такому спонтанному воспламенению при воздействии света от лампы-вспышки. [21] Аналогичные эффекты могут быть использованы для использования в эстетических или медицинских процедурах, известных как процедуры интенсивного импульсного света (IPL). IPL может использоваться для таких процедур, как удаление волос и уничтожение новообразований или родинок .
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, приводящими к разрушению лампы, или они могут быть постепенными, снижая производительность лампы ниже пригодного номинала. [1]
Катастрофический отказ может произойти из-за двух отдельных механизмов: энергии и тепла . Когда для длительности импульса используется слишком много энергии, может произойти структурное разрушение стеклянной оболочки. Импульсные трубки производят электрическую дуговую вспышку , заключенную в стеклянной трубке. По мере развития дуги образуется сверхзвуковая ударная волна , распространяющаяся радиально от центра дуги и ударяющая по внутренней стенке трубки. Если уровень энергии достаточно низок, будет слышен только стук по стеклу. Однако, если уровень используемой энергии равен рейтингу «энергии взрыва» лампы, ударная ударная волна разобьет стекло, разорвав трубку. Результирующий взрыв создает громкую звуковую ударную волну и может разбросать осколки стекла на несколько футов. Энергия взрыва рассчитывается путем умножения внутренней площади поверхности лампы между электродами на мощность нагрузки стекла. Мощность нагрузки определяется типом и толщиной стекла, а также используемым методом охлаждения. Мощность нагрузки измеряется в ваттах на квадратный сантиметр. Однако, поскольку уровень импульсной мощности увеличивается по мере уменьшения длительности вспышки, энергия взрыва должна уменьшаться прямо пропорционально квадратному корню времени разряда. [12]
Отказ от тепла обычно вызывается чрезмерно большой длительностью импульса, высокими уровнями средней мощности или неподходящим размером электрода. Чем длиннее импульс, тем больше его интенсивного тепла будет передано стеклу. Когда внутренняя стенка трубки становится слишком горячей, а внешняя стенка еще холодная, этот температурный градиент может привести к растрескиванию лампы. Аналогично, если электроды не имеют достаточного диаметра для выдерживания пиковых токов, они могут создавать слишком большое сопротивление, быстро нагреваясь и термически расширяясь . Если электроды нагреваются намного быстрее стекла, лампа может треснуть или даже разбиться на концах. [12]
Чем ближе импульсная лампа работает к своей энергии взрыва, тем больше становится риск катастрофического отказа. При 50% энергии взрыва лампа может произвести несколько тысяч вспышек, прежде чем взорваться. При 60% энергии взрыва лампа обычно выходит из строя менее чем за сотню. Если лампа работает ниже 30% энергии взрыва, риск катастрофического отказа становится очень низким. Тогда методы отказа становятся такими, которые снижают выходную эффективность и влияют на способность запускать лампу. Процессы, влияющие на них, - это распыление и абляция внутренней стенки. [12]
Распыление происходит, когда уровень энергии очень низок, ниже 15% от 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 более эмиссионный, чем анод , импульсная лампа поляризована, и неправильное подключение лампы к источнику питания быстро ее испортит. Однако даже при правильном подключении степень распыления может значительно различаться от лампы к лампе. Поэтому невозможно точно предсказать срок службы при низких уровнях энергии. [1]
При более высоких уровнях энергии основным процессом износа становится абляция стенки. Электрическая дуга медленно разрушает внутреннюю стенку трубки, образуя микроскопические трещины, которые придают стеклу матовый вид. Абляция высвобождает кислород из стекла, увеличивая давление сверх рабочего уровня. Это вызывает проблемы с запуском, известные как « джиттер ». Выше 30% абляция может вызвать достаточный износ, чтобы разорвать лампу. Однако при уровнях энергии более 15% срок службы можно рассчитать с достаточной степенью точности. [1]
При работе на уровне ниже 30% энергии взрыва срок службы импульсной лампы обычно составляет от нескольких миллионов до десятков миллионов вспышек. [12]
Поскольку длительность вспышки, излучаемой ксеноновой лампой-вспышкой, можно точно контролировать, а также из-за высокой интенсивности света ксеноновые лампы-вспышки обычно используются в качестве фотографических стробоскопов . Ксеноновые лампы-вспышки также используются в очень высокоскоростной или «покадровой» фотографии , которая была изобретена Гарольдом Эджертоном в 1930-х годах. Поскольку они могут генерировать яркие, привлекающие внимание вспышки при относительно небольшом непрерывном потреблении электроэнергии, их также используют в авиационных сигнальных огнях , аварийном освещении транспортных средств , устройствах оповещения о пожаре ( стробоскопы ), авиационных маяках для предотвращения столкновений и других подобных приложениях.
В стоматологии он используется в устройствах «световой короб» для активации светом затвердевания различных реставрационных и вспомогательных светоотверждаемых смол (например: Megaflash mini, Uni XS и другие устройства). [23]
Благодаря высокой интенсивности и относительной яркости на коротких длинах волн (вплоть до ультрафиолета ) и короткой длительности импульса импульсные лампы также идеально подходят в качестве источников света для накачки атомов в лазере до возбужденных состояний , где их можно стимулировать для излучения когерентного монохроматического света . Правильный выбор как наполнителя, так и плотности тока имеет решающее значение, так что максимальная излучаемая выходная энергия концентрируется в полосах, которые лучше всего поглощаются лазерной средой ; например, импульсные лампы на криптоне более подходят, чем ксеноновые, для накачки лазеров на Nd:YAG , поскольку излучение криптона в ближнем инфракрасном диапазоне лучше соответствует спектру поглощения Nd:YAG.
Ксеноновые импульсные лампы использовались для создания интенсивной вспышки белого света, часть которого поглощается неодимовым стеклом , которое производит лазерную мощность для инерционного термоядерного синтеза . В общей сложности около 1–1,5% электрической мощности, подаваемой в импульсные лампы, преобразуется в полезный лазерный свет для этого применения.
Импульсный свет (PL) — это метод обеззараживания поверхностей путем уничтожения микроорганизмов с помощью импульсов интенсивного широкого спектра, богатого УФ-С-светом. УФ-С — это часть электромагнитного спектра, соответствующая диапазону от 200 до 280 нм . Импульсный свет работает с ксеноновыми лампами, которые могут производить вспышки несколько раз в секунду. Дезинфекционные роботы используют импульсный УФ-свет. [24]
Современным применением импульсных ламп является фотонное отверждение .
Вспышка была изобретена Гарольдом Эджертоном в 1930-х годах как средство для получения резких фотографий движущихся объектов. Вспышки в основном использовались для стробоскопического освещения в научных исследованиях, но со временем начали заменять химические и порошковые лампы-вспышки и лампы-вспышки в обычной фотографии. [25]
Поскольку электрические дуги могли быть сделаны намного быстрее, чем механические скорости затвора, ранние высокоскоростные фотографии были сделаны с помощью открытого электродугового разряда, называемого искровой фотографией, помогающего устранить размытость движущихся объектов. Обычно это делалось с запертым открытым затвором в темной или тускло освещенной комнате, чтобы избежать переэкспонирования пленки, и методом синхронизации вспышки с событием, которое должно было быть сфотографировано. Самое раннее известное использование искровой фотографии началось с Генри Фокса Тальбота около 1850 года. [25] В 1886 году Эрнст Мах использовал искру на открытом воздухе, чтобы сфотографировать летящую пулю, показав ударные волны, которые она производила на сверхзвуковых скоростях. [26] Системы искр на открытом воздухе были довольно просты в изготовлении, но были громоздкими, очень ограниченными по световому потоку и производили громкие звуки, сравнимые с шумом выстрела. [25]
В 1927 году Гарольд Эджертон построил свою первую вспышку, работая в Массачусетском технологическом институте . Желая сфотографировать движение двигателя в ярких деталях, без размытия, Эджертон решил усовершенствовать процесс искровой фотографии, используя ртутно-дуговой выпрямитель вместо разряда на открытом воздухе для получения света. Он смог добиться длительности вспышки 10 микросекунд и смог сфотографировать движущийся двигатель, как будто «замороженный во времени». [25]
Интерес его коллеги к новому вспышечному аппарату вскоре побудил Эджертона усовершенствовать конструкцию. Эффективность ртутной лампы была ограничена самой холодной частью лампы, из-за чего они работали лучше, когда было очень жарко, но плохо, когда было холодно. Эджертон решил попробовать вместо этого благородный газ , чувствуя, что он не будет так зависеть от температуры, как ртуть, и в 1930 году он нанял компанию General Electric для создания нескольких ламп, используя вместо этого аргон . Аргоновые трубки были намного эффективнее, были намного меньше и могли быть установлены рядом с отражателем, концентрируя их выход. Постепенно конструкторы камер начали обращать внимание на новую технологию и начали принимать ее. Эджертон получил свой первый крупный заказ на вспышки от компании Kodak в 1940 году. После этого он обнаружил, что ксенон был самым эффективным из благородных газов, создавая спектр, очень близкий к спектру дневного света, и ксеноновые вспышки стали стандартом в большинстве больших фотокомплектов. Лишь в 1970-х годах стробоскопы стали достаточно портативными для использования в обычных камерах. [25]
В 1960 году, после того как Теодор Майман изобрел рубиновый лазер , возник новый спрос на импульсные лампы для использования в лазерах, и возник новый интерес к изучению ламп. [14]
Лампы-вспышки работают при высоких напряжениях , с токами, достаточно высокими, чтобы быть смертельными. При определенных условиях, удары всего в 1 джоуль, как сообщается, являются смертельными. Энергия, запасенная в конденсаторе, может сохраняться на удивление долго после отключения питания. Лампа-вспышка обычно отключается до того, как конденсатор полностью разрядится, и может восстановить часть своего заряда через процесс, называемый « диэлектрической абсорбцией ». Кроме того, некоторые типы зарядных систем могут быть столь же смертоносными сами по себе. Напряжение срабатывания может вызвать болезненный удар, обычно недостаточный, чтобы убить, но который часто может напугать человека и заставить его удариться или коснуться чего-то более опасного. Когда человек заряжается до высокого напряжения, может возникнуть искра , которая подает высокий ток конденсатора , фактически ничего не касаясь.
Лампы-вспышки работают при высоком давлении и, как известно, взрываются, производя сильные ударные волны. «Энергия взрыва» лампы-вспышки (количество энергии, которое уничтожит ее всего за несколько вспышек) четко определена, и во избежание катастрофического отказа рекомендуется использовать не более 30% энергии взрыва. [11] Лампы-вспышки следует экранировать за стеклом или в рефлекторной полости. В противном случае следует надевать средства защиты глаз и ушей.
Вспышки производят очень интенсивные вспышки, часто быстрее, чем может зарегистрировать глаз, и могут казаться не такими яркими, какими они есть на самом деле. Кварцевое стекло пропускает почти все длинноволновое и коротковолновое УФ-излучение, включая бактерицидные длины волн, и может представлять серьезную опасность для глаз и кожи. Это ультрафиолетовое излучение также может производить большое количество озона , который может быть вреден для людей, животных и оборудования. [27]
Многие компактные камеры заряжают конденсатор вспышки сразу после включения питания, а некоторые даже просто вставляя батареи. Простая вставка батареи в камеру может привести к тому, что конденсатор станет опасным или, по крайней мере, неприятным на несколько дней. Энергия, затрачиваемая при этом, также довольно значительна: конденсатор емкостью 330 микрофарад, заряженный до 300 вольт (обычные приблизительные значения, встречающиеся в камерах), хранит почти 15 джоулей энергии.
В книге 1969 года «Штамм Андромеда» и кинофильме 1971 года специальное воздействие ксеноновой вспышки использовалось для сжигания наружных эпителиальных слоев кожи человека в качестве антисептической меры для устранения любого возможного доступа бактерий к людям, работающим в экстремальной, сверхчистой среде. (В книге использовался термин «ультравспышка»; в фильме аппарат был обозначен как «ксеноновая вспышка».)
Кадр 1: Трубка темная.
Кадр 2: Импульс триггера ионизирует газ, светясь слабым голубым светом. Искровые стримеры формируются от каждого электрода, двигаясь навстречу друг другу по внутренней поверхности стеклянной трубки.
Кадр 3: Искровые разряды соединяются и отходят от стекла, образуется плазменный туннель, позволяющий току нарастать.
Кадр 4: Ток конденсатора начинает уходить, нагревая окружающий ксенон.
Кадр 5: По мере уменьшения сопротивления напряжение падает и ток заполняет трубку, нагревая ксенон до состояния плазмы.
Кадр 6: Полностью нагретая, сопротивление и напряжение стабилизируются, образуя дугу, и через трубку проходит полная токовая нагрузка, заставляя ксенон испускать вспышку света.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )