Лампа -вспышка ( вспышка ) — это электрическая дуговая лампа, предназначенная для производства чрезвычайно интенсивного, некогерентного белого света полного спектра в течение очень короткого времени. Лампа-вспышка представляет собой стеклянную трубку с электродами на каждом конце, наполненную газом, который при срабатывании ионизируется и проводит высоковольтный импульс, создавая свет. Лампы-вспышки чаще всего используются в фотографии; они также используются в науке, медицине, промышленности и развлечениях.
Лампа состоит из герметично закрытой стеклянной трубки, наполненной благородным газом , обычно ксеноном , и электродов для подачи электрического тока к газу. Кроме того, для подачи газа в качестве триггерного события необходим источник питания высокого напряжения. Заряженный конденсатор обычно используется для подачи энергии на вспышку, 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 различных формах, включая спиральную, U-образную и круглую (для окружения объектива камеры ). для фотосъемки без теней — « кольцевые вспышки »). В некоторых случаях излучение ультрафиолетового света нежелательно из-за образования озона , повреждения лазерных стержней, разложения пластмасс или других вредных эффектов. В этих случаях используется легированный кварц. Легирование диоксидом титана может обеспечить различные длины волн отсечки ультрафиолета, но материал страдает от соляризации ; его часто используют в медицинских и солнечных лампах, а также в некоторых нелазерных лампах. Лучшей альтернативой является кварц, легированный церием ; он не страдает от соляризации и имеет более высокую эффективность, поскольку часть поглощенного ультрафиолета переизлучается как видимая посредством флуоресценции . Его граница находится примерно на уровне 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 граница находится на уровне 160 нм. [1]
Уровень мощности ламп измеряется в ваттах на площадь, общая потребляемая электрическая мощность делится на внутреннюю поверхность стены лампы. Охлаждение электродов и колбы лампы имеет большое значение при высоких уровнях мощности. Воздушного охлаждения достаточно для более низких средних уровней мощности. Лампы высокой мощности охлаждаются жидкостью, обычно протоком деионизированной воды через трубку, в которой заключена лампа. В лампах с водяным охлаждением стекло вокруг электродов обычно усаживается, чтобы обеспечить прямой проводник тепла между ними и охлаждающей водой. Охлаждающая среда должна течь также по всей длине лампы и электродов. Дуговые лампы высокой средней мощности или дуговые лампы непрерывного действия должны обеспечивать поток воды через концы лампы, а также через открытые концы электродов, поэтому деионизированная вода используется для предотвращения короткого замыкания. При мощности свыше 15 Вт/см 2 требуется принудительное воздушное охлаждение; жидкостное охлаждение в замкнутом пространстве. Жидкостное охлаждение обычно необходимо при мощности выше 30 Вт/см 2 .
Более тонкие стенки могут выдерживать более высокие нагрузки средней мощности из-за меньшей 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/ч). см 2 , толщина 0,5 мм имеет предел 320 Вт/см 2 ). По этой причине для дуговых ламп непрерывного действия часто используют более тонкое стекло. Более толстые материалы обычно выдерживают большую энергию удара ударной волны, которую может генерировать короткоимпульсная дуга, поэтому в конструкции ламп-вспышек часто используется кварц толщиной до 1 мм. Материал оболочки обеспечивает еще один предел выходной мощности; Плавленый кварц толщиной 1 мм имеет предел мощности 200 Вт/см 2 , синтетический кварц такой же толщины может работать до 240 Вт/см 2 . Другие стекла, такие как боросиликатное, обычно имеют менее половины несущей способности кварца. Стареющие лампы требуют некоторого снижения характеристик из-за повышенного поглощения энергии стеклом из-за соляризации и напыления отложений. [1]
Электроды выступают в каждый конец трубки и прикрепляются к стеклу несколькими различными способами. В «ленточных уплотнениях» используются тонкие полоски молибденовой фольги, прикрепленные непосредственно к стеклу, которые очень прочны, но ограничены по количеству тока, который может пройти. «Паяные уплотнения» прикрепляют стекло к электроду припоем, обеспечивая очень прочное механическое уплотнение, но они ограничены работой при низких температурах. Наиболее распространенным в приложениях лазерной накачки является «уплотнение стержня», при котором стержень электрода смачивается стеклом другого типа, 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 теплового расширения.
Для снижения износа электродов электроды обычно изготавливаются из вольфрама , который имеет самую высокую температуру плавления среди всех металлов, чтобы выдерживать термоэлектронную эмиссию электронов. Катоды часто изготавливаются из пористого вольфрама, наполненного соединением бария , что обеспечивает низкую работу выхода ; структура катода должна быть адаптирована для конкретного применения. Аноды обычно изготавливаются из чистого вольфрама или, если требуется хорошая обрабатываемость, из вольфрама, легированного лантаном , и часто подвергаются механической обработке для обеспечения дополнительной площади поверхности, позволяющей выдерживать силовую нагрузку. Дуговые лампы постоянного тока часто имеют катод с острым кончиком, который помогает удерживать дугу от стекла и контролировать температуру. Лампы-вспышки обычно имеют катод сплющенного радиуса, чтобы уменьшить количество горячих точек и уменьшить распыление , вызванное пиковыми токами, которые могут превышать 1000 ампер. На конструкцию электродов также влияет средняя мощность. 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 трубки-вспышки давление наполнения 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, преобразующей почти 50% электрической энергии в свет. Криптон, с другой стороны, имеет эффективность всего около 40%, но при низких токах он лучше соответствует спектру поглощения Nd:YAG-лазеров . 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]
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 обладает чрезвычайно высоким сопротивлением , и лампа не будет проводить электричество, пока газ не будет ионизирован . После ионизации или «спуска» между электродами образуется искра , позволяющая конденсатору разряжаться. Внезапный всплеск электрического тока быстро нагревает газ до состояния плазмы , при котором электрическое сопротивление становится очень низким. [2] Существует несколько способов запуска.
.jpg/1280px-Nokia_N8_(rear_view).jpg)
Внешний запуск — наиболее распространенный метод работы, особенно для фотографических целей. Электроды заряжаются до напряжения, достаточно высокого, чтобы среагировать 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 колбе, либо очень близко к ней. (В лампах-вспышках с водяным охлаждением этот импульс иногда подается непосредственно на охлаждающую воду, а часто и на корпус устройства, поэтому с системами такого типа следует соблюдать осторожность.) Короткий импульс высокого напряжения создает нарастающее электростатическое поле, который ионизирует газ внутри трубки. Емкость стекла переносит триггерный импульс в огибающую, где он превышает напряжение пробоя газа, окружающего один или оба электрода, образуя искровые стримеры. Стримеры распространяются за счет емкости 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 это приведет к неустойчивому запуску.) Запуск можно улучшить, приложив триггерный импульс к «опорной плоскости», которая может иметь форму металлической ленты или отражателя, прикрепленного к стеклу, проводящей краски или тонкой проволоки, обернутой по всей длине лампы. Если напряжение конденсатора превышает падение напряжения между катодом и анодом, когда внутренние искровые стримеры перемыкают электроды, конденсатор разряжается через ионизированный газ, нагревая ксенон до достаточно высокой температуры для излучения света. [1]
Последовательный запуск чаще встречается в мощных лампах-вспышках с водяным охлаждением, например, в лазерах . Высоковольтные выводы триггерного трансформатора подключаются к лампе-вспышке последовательно (один вывод к электроду, другой к конденсатору), так что вспышка проходит как через трансформатор, так и через лампу. Импульс триггера образует искру внутри лампы, не подвергая пусковому напряжению вне лампы. Преимуществами являются лучшая изоляция, более надежное срабатывание и дуга, которая имеет тенденцию развиваться далеко от стекла, но это обходится гораздо дороже. Трансформатор последовательного запуска также действует как индуктор . Это помогает контролировать продолжительность вспышки, но предотвращает использование схемы в приложениях с очень быстрым разрядом. Запуск обычно может происходить при более низком напряжении на конденсаторе, чем требуется для внешнего запуска. Однако триггерный трансформатор становится частью схемы вспышки и соединяет цепь запуска с энергией вспышки. Следовательно, поскольку триггерный трансформатор имеет очень низкий импеданс, трансформатор, триггерная схема и кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) должны быть способны выдерживать очень высокие пиковые токи, часто превышающие 1500 ампер. [1]
Запуск по напряжению Simmer является наименее распространенным методом. В этом методе напряжение конденсатора изначально не подается на электроды, а вместо этого между электродами поддерживается искровой стример высокого напряжения. Большой ток от конденсатора подается на электроды с помощью тиристора или разрядника . Этот тип запуска используется в основном в системах с очень быстрым нарастанием , обычно в тех, которые разряжаются в микросекундном режиме, например, в высокоскоростной покадровой фотографии или в лазерах на красителях . Кипящий искровой стример заставляет дугу возникать точно в центре лампы, что значительно увеличивает срок службы. [3] Если внешний запуск используется для чрезвычайно коротких импульсов, искровые стримеры могут все еще контактировать со стеклом, когда полная токовая нагрузка проходит через трубку, вызывая абляцию стенки или, в крайних случаях, растрескивание или даже взрыв лампа. Однако, поскольку очень короткие импульсы часто требуют очень высокого напряжения и низкой емкости, чтобы предотвратить слишком высокий рост плотности тока, некоторые микросекундные лампы-вспышки срабатывают просто «перенапряжением», то есть путем подачи напряжения на электроды, которые намного выше порога самовоспламенения лампы при использовании искрового промежутка. Часто используется комбинация напряжения кипения и перенапряжения. [1]
Очень быстрое время нарастания часто достигается с использованием метода предимпульса. Этот метод осуществляется 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, генерируется всего за несколько тысячных до нескольких миллионных долей секунды до основной вспышки. Предимпульс нагревает газ, создавая тусклое кратковременное послесвечение, возникающее в результате свободных электронов и ионизированных частиц, остающихся после прекращения импульса. Если основная вспышка инициируется до того, как эти частицы смогут рекомбинироваться, это обеспечивает достаточное количество ионизированных частиц, которые будут использоваться основной вспышкой. Это значительно уменьшает время нарастания. Это также уменьшает ударную волну и снижает уровень шума во время работы, что значительно увеличивает срок службы лампы. Он особенно эффективен при очень быстром разряде, позволяя дуге быстрее расширяться и лучше заполнять трубку. Он очень часто используется с постоянным напряжением, а иногда и с последовательным запуском, но редко используется с внешним запуском. Предимпульсные методы чаще всего используются при накачке лазеров на красителях, что значительно увеличивает эффективность преобразования . Однако также было показано, что он повышает эффективность других лазеров с более длительным сроком службы флуоресценции (позволяющих создавать более длинные импульсы), таких как Nd:YAG или титан-сапфир , за счет создания импульсов с почти прямоугольной формой волны . [4] [5] [6]
Абляционные лампы-вспышки срабатывают при недостаточном давлении. Абляционные лампы-вспышки обычно изготавливаются с использованием кварцевых трубок и одного или обоих полых электродов, что позволяет прикрепить вакуумный насос для контроля давления газа. Электроды лампы подключаются к заряженному конденсатору, после чего газ из лампы отсасывается. Когда газ достигает достаточно низкого давления (часто всего несколько торр), случайно ионизированные частицы способны ускоряться до скоростей, достаточных для того, чтобы начать выбрасывать электроны из катода при столкновении с его поверхностью, что приводит к лавине Таунсенда , которая заставляет лампу самозагораться. -вспышка. При таком низком давлении эффективность вспышки обычно будет очень низкой. Однако из-за низкого давления частицы могут разогнаться до очень высоких скоростей, а магнитные силы расширяют дугу так, что основная часть ее плазмы концентрируется у поверхности, бомбардируя стекло. Бомбардировка удаляет (испаряет) большое количество кварца с внутренней стенки. Эта абляция создает внезапное, резкое, локализованное увеличение внутреннего давления лампы, повышая эффективность вспышки до очень высокого уровня. Однако абляция приводит к сильному износу лампы, ослаблению стекла и, как правило, требует замены после очень короткого срока службы.
Абляционные лампы-вспышки необходимо наполнять и пылесосить до необходимого 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 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. Однако, поскольку почти вся плазма сосредоточена на поверхности, лампы имеют очень низкую индуктивность, а 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]
Кроме того, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно подключить последовательно как с триггерным трансформатором, так и с лампой, что позволяет регулировать длительность вспышки. [1] [9] [10] Используемый для этой цели IGBT 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 высокой средней мощности и может генерировать импульсы длительностью от 500 микросекунд до более 20 миллисекунд. Его можно использовать с любым методом запуска, например внешним и последовательным, и он может генерировать импульсы прямоугольной формы. Его даже можно использовать при минимальном напряжении для получения «модулированного» непрерывного выходного сигнала с частотой повторения более 300 герц. При наличии подходящей лампы-вспышки большого диаметра с водяным охлаждением можно получить среднюю выходную мощность в несколько киловатт. [1]
Электрические требования к лампе-вспышке могут различаться в зависимости от желаемых результатов. Обычный метод состоит в том, чтобы сначала определить длительность импульса, максимальное количество энергии, допустимое при этой длительности (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 ламп-вспышек сильно варьируется в зависимости от давления, формы, мертвого объема, плотности тока, времени и продолжительности вспышки, и поэтому его обычно называют импедансом . Наиболее распространенным символом, используемым для обозначения импеданса лампы, является K o , который выражается в омах на квадратный корень из ампер (ом(ампер 0,5 ).
K o используется для расчета величины входного напряжения и емкости, необходимой для излучения желаемого спектра, путем контроля плотности тока. Ко определяется внутренним диаметром, длиной дуги, типом газа лампы и, в меньшей степени, давлением наполнения . Сопротивление ламп-вспышек не является постоянным, а быстро падает с увеличением плотности тока. В 1965 году Джон Х. Гонц показал, что удельное сопротивление плазмы в лампах-вспышках обратно пропорционально корню квадратному из плотности тока. По мере развития дуги лампа испытывает период отрицательного сопротивления , в результате чего сопротивление 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 корню квадратному из тока, и сопротивление плазмы становится стабильным до конца вспышки. Именно это значение и определяется как K o . Однако по мере развития дуги газ расширяется, и расчеты К о не учитывают мертвый объем, что приводит к меньшему повышению давления. Следовательно, любое вычисление K o является лишь приближением импеданса 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 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 более длинными волнами. Более высокие плотности тока имеют тенденцию отдавать предпочтение более коротким длинам волн. [13] Свет ксенона в неоновой вывеске также довольно фиолетовый.
Спектр, излучаемый лампами-вспышками, в гораздо большей степени зависит от плотности тока, чем от давления наполнения или типа газа. Низкая плотность тока приводит к излучению узкой спектральной линии 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 заметных желтых или оранжевых линий. При низких плотностях тока большая часть излучения ксенона будет направлена в невидимые ИК-спектральные линии около 820, 900 и 1000 нм. [14] Низкая плотность тока для ламп-вспышек обычно составляет менее 1000 А/см 2 .
Более высокие плотности тока начинают производить непрерывную эмиссию. Спектральные линии расширяются и становятся менее доминирующими, поскольку свет генерируется по всему спектру, обычно с пиком или «центром» на определенной длине волны. Оптимальная выходная эффективность в видимом диапазоне достигается при плотности, которая благоприятствует «излучению серого тела» (дуга, которая производит в основном непрерывное излучение, но по-прежнему в основном прозрачна для собственного света; эффект, аналогичный солнечному свету, когда он проходит через облако). . Для ксенона излучение серого тела сосредоточено рядом с зеленым и создает правильную комбинацию для белого света. [9] [11] Излучение серого тела возникает при плотности выше 2400 А/см 2 .
Очень высокие плотности тока, приближающиеся к 4000 А/см 2 , способствуют излучению черного тела . Спектральные линии практически исчезают, поскольку доминирует континуальное излучение, а центр излучения смещается в сторону ультрафиолета. По мере того, как плотность тока становится еще выше, визуально выходной спектр ксенона начнет приближаться к спектру излучателя черного тела с цветовой температурой 9800 К (довольно небесно-голубой оттенок белого). [1] За исключением случаев, когда необходим интенсивный ультрафиолетовый свет, например, при обеззараживании воды, излучение черного тела обычно нежелательно, поскольку дуга становится непрозрачной, и большая часть излучения изнутри дуги может поглощаться до того, как достигнет поверхности, что ухудшает выходную эффективность. . [11] [14] [15]
Благодаря своей высокой эффективности белого цвета ксенон широко используется в фотографии, несмотря на его высокую стоимость. В лазерах обычно отдается предпочтение излучению спектральных линий, поскольку эти линии имеют тенденцию лучше соответствовать линиям поглощения лазерной среды. Криптон также иногда используется. 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]
Все газы производят спектральные линии, специфичные для газа, наложенные на фон непрерывного излучения. Для всех газов низкие плотности тока создают в основном спектральные линии, причем самый высокий выходной сигнал сосредоточен в ближнем ИК-диапазоне между 650 и 1000 нм. Самые сильные пики криптона составляют около 760 и 810 нм. Аргон имеет множество 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 плотность тока становится выше, выход непрерывного излучения будет увеличиваться больше, чем излучение спектральных линий, со скоростью на 20% большей, а центр выходного сигнала сместится в сторону визуального спектра. При плотностях тока серого тела имеется лишь небольшая разница в спектре, излучаемом различными газами. При очень высоких плотностях тока все газы начнут работать как излучатели абсолютно черного тела, а их спектральный выход будет напоминать голубую гигантскую звезду с центром в УФ-диапазоне. [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 гораздо более эффективны, чем более легкие. Гелий и неон слишком легкие, чтобы создать эффективную вспышку. Криптон может иметь эффективность до 40%, но для достижения этого требуется увеличение давления на 70% по сравнению с ксеноном. Аргон может иметь эффективность до 30%, но требует еще большего повышения давления. При таких высоких давлениях падение напряжения между электродами, образуемое искровым стримером, может быть больше напряжения на конденсаторе. Этим лампам часто требуется «повышенное напряжение» во время фазы триггера, чтобы преодолеть чрезвычайно высокий импеданс триггера. [14]
Азот в форме воздуха использовался в лампах-вспышках самодельных лазеров на красителях, но присутствующие азот и кислород вступают в химические реакции с электродами и сами по себе, вызывая преждевременный износ и необходимость регулировать давление 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 дуговой плазме 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 в более низкое энергетическое состояние, высвобождая при этом фотоны. Методы передачи энергии происходят тремя отдельными способами, называемыми переходами «связанный-связанный», «свободно-связанный» и «свободно-свободный». [20]
Внутри плазмы положительные ионы ускоряются по направлению к катоду, а электроны – 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, поскольку частицы взаимодействуют, сталкиваются друг с другом и, обмениваясь электронами, 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 возле внутренней стенки, создавая электронную оболочку вокруг плазмы. Это делает область электроотрицательной и помогает сохранять ее прохладной. Скин-эффект также увеличивает индуктивность за счет создания вихревых токов 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 излучение спектральных линий. Свободносвязанные переходы происходят, когда ион захватывает свободный электрон. Этот метод обеспечивает непрерывное излучение, которое более заметно при более высоких плотностях тока. Некоторая часть континуума также образуется, когда электрон ускоряется по направлению к иону, что называется свободно-свободными переходами, создавая 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 минимизации всей индуктивности. Обычно это делается с использованием специальных конденсаторов, самых коротких проводов или электрических выводов с большой площадью поверхности, но тонким поперечным сечением. В чрезвычайно быстрых системах для уменьшения общей индуктивности системы можно использовать осевые выводы с низкой индуктивностью, такие как медные трубки, провода с пластиковым сердечником или даже полые электроды. Лазерам на красителях нужны очень короткие импульсы, и иногда используются осевые лампы-вспышки, которые имеют кольцевое поперечное сечение с большим внешним диаметром, кольцеобразные электроды и полый внутренний сердечник, что позволяет как с более низкой индуктивностью, так и с возможностью размещения ячейки красителя как оси через центр лампы.
Напротив, изменения входного напряжения или емкости не влияют на время разряда, хотя и влияют на плотность тока. По мере уменьшения продолжительности вспышки электрическая энергия концентрируется в более коротких импульсах, поэтому плотность тока увеличивается. Компенсация этого обычно требует снижения емкости по мере уменьшения длительности импульса, а затем пропорционального повышения напряжения, чтобы поддерживать достаточно высокий уровень энергии. Однако по мере уменьшения длительности импульса снижается и номинальная мощность взрыва лампы, поэтому уровень энергии также необходимо уменьшить, чтобы избежать разрушения лампы.
Величина силовой нагрузки, которую может выдержать стекло, является основным механическим пределом. Даже если количество используемой энергии ( джоулей ) остается постоянным, электрическая мощность ( ватт ) будет увеличиваться обратно пропорционально уменьшению времени разряда. Следовательно, энергия должна уменьшаться вместе с длительностью импульса, чтобы уровни импульсной мощности не росли слишком высоко. Кварцевое стекло (толщина 1 миллиметр за 1 секунду разряда) обычно выдерживает максимум 160 Вт на квадратный сантиметр внутренней поверхности. Другие очки имеют гораздо более низкий порог. Чрезвычайно быстрые системы с индуктивностью ниже критического затухания (0,8 микрогенри) обычно требуют установки шунтирующего диода на конденсаторе, чтобы предотвратить разрушение лампы при изменении направления тока (звоне). Если позволить импульсу пройти через лампу, вспышка удлинится, поэтому диод улавливает звон, позволяя лампе выключиться в нужное время.
Ограничениями на большую длительность импульса являются количество электронов, перенесенных на анод, распыление, вызванное ионной бомбардировкой катода, и температурные градиенты стекла. Слишком длинные импульсы могут испарить большое количество металла с катода, а перегрев стекла приведет к его продольному растрескиванию. Для непрерывной работы охлаждение является пределом. Длительность разряда обычных ламп-вспышек варьируется 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 интенсивной, что может воспламенить легковоспламеняющиеся материалы на небольшом расстоянии от трубки. Углеродные нанотрубки особенно подвержены такому самопроизвольному воспламенению при воздействии света лампы-вспышки. [21] Подобные эффекты могут быть использованы в эстетических или медицинских процедурах, известных как лечение интенсивным импульсным светом (IPL). IPL можно использовать для таких процедур, как удаление волос и разрушение повреждений или родинок .
Срок службы лампы-вспышки зависит как от уровня энергии, используемой для лампы, пропорционально ее энергии взрыва, так и от длительности импульса лампы. Неисправности могут быть катастрофическими, приводящими к разрушению лампы, или постепенными, приводящими к снижению производительности лампы до уровня, ниже допустимого. [1]
Catastrophic failure can occur from two separate mechanisms: energy and heat. When too much energy is used for the pulse duration, structural failure of the glass envelope can occur. Flashtubes produce an electrical arc flash contained in a glass tube. As the arc develops, a supersonic shock-wave forms, traveling radially from the center of the arc and impacting the inner wall of the tube. If the energy level is low enough, a tap against the glass is all that will be heard. However, if the energy level used equals the "explosion energy" rating of the lamp, the impacting shock wave will fracture the glass, rupturing the tube. The resulting explosion creates a loud, sonic shock-wave, and may throw shattered glass several feet. The explosion energy is calculated by multiplying the internal surface-area of the lamp, between the electrodes, with the power-loading capacity of the glass. Power loading is determined by the type and thickness of the glass, and the cooling method that is used. Power loading is measured in watts per centimeter squared. However, because the pulsed-power level increases as the flash duration decreases, the explosion energy must then be decreased in direct proportion to the square root of discharge time.[12]
Failure from heat is usually caused by excessively long pulse-durations, high average-power levels, or inadequate electrode-size. The longer the pulse; the more of its intense heat will be transferred to the glass. When the inner wall of the tube gets too hot while the outer wall is still cold, this temperature gradient can cause the lamp to crack. Similarly, if the electrodes are not of a sufficient diameter to handle the peak currents they may produce too much resistance, rapidly heating up and thermally expanding. If the electrodes heat much faster than the glass, the lamp may crack or even shatter at the ends.[12]
The closer a flashtube operates to its explosion energy, the greater the risk becomes for catastrophic failure. At 50% of the explosion energy, the lamp may produce several thousand flashes before exploding. At 60% of the explosion energy, the lamp will usually fail in less than a hundred. If the lamp is operated below 30% of the explosion energy the risk of catastrophic failure becomes very low. The methods of failure then become those that reduce the output efficiency and affect the ability to trigger the lamp. The processes affecting these are sputter and ablation of the inner wall.[12]
Sputter occurs when the energy level is very low, below 15% of the explosion energy, or when the pulse duration is very long. Sputter is the vaporization of metal from the cathode, which is redeposited on the walls of the lamp, blocking the light output. Because the cathode is more emissive than the anode, the flashtube is polarized, and connecting the lamp to the power source incorrectly will quickly ruin it. However, even if connected properly, the degree of sputter may vary considerably from lamp to lamp. Therefore, it is impossible to predict the lifetime accurately at low energy-levels.[1]
At higher energy-levels, wall ablation becomes the main process of wear. The electrical arc slowly erodes the inner wall of the tube, forming microscopic cracks that give the glass a frosted appearance. The ablation releases oxygen from the glass, increasing the pressure beyond an operable level. This causes triggering problems, known as "jitter." Above 30%, the ablation may cause enough wear to rupture the lamp. However, at energy levels greater than 15%, the lifetime can be calculated with a fair degree of accuracy.[1]
When operated below 30% of the explosion energy, flashtube lifetime is generally between a few million to tens of millions of flashes.[12]
As the duration of the flash that is emitted by a xenon flashtube can be accurately controlled, and due to the high intensity of the light, xenon flashtubes are commonly used as photographic strobe lights. Xenon flashtubes are also used in very high-speed or "stop-motion" photography, which was pioneered by Harold Edgerton in the 1930s. Because they can generate bright, attention-getting flashes with a relatively small, continuous input of electrical power, they are also used in aircraft warning lights, emergency vehicle lighting, fire alarm notification appliances (horn strobes), aircraft anticollision beacons, and other similar applications.
In dentistry it is used in "light box" devices to light-activate the hardening of various restorative and auxiliary light-curing resins (for example: Megaflash mini, Uni XS and other devices).[23]
Due to their high intensity and relative brightness at short wavelengths (extending into the ultraviolet) and short pulse widths, flashtubes are also ideally suited as light sources for pumping atoms in a laser to excited states where they can be stimulated to emit coherent, monochromatic light. Proper selection of both the filler gas and current density is crucial, so that the maximum radiated output-energy is concentrated in the bands that are the best absorbed by the lasing medium; e.g. krypton flashtubes are more suitable than xenon flashtubes for pumping Nd:YAG lasers, as krypton emission in near infrared is better matched to the absorption spectrum of Nd:YAG.
Xenon flashtubes have been used to produce an intense flash of white light, some of which is absorbed by Nd:glass that produces the laser power for inertial confinement fusion. In total about 1 to 1.5% of the electrical power fed into the flashtubes is turned into useful laser light for this application.
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.
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]
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.
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'.)
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 current to surge.
Frame 4: Capacitor current begins to run away, 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.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)