Flashtube - Flashtube
А вспышка, также называемый фонарик, является электрическая дуга лампа предназначена для получения чрезвычайно интенсивных, бессвязный, белый свет полного спектра на очень короткие промежутки времени. Лампы-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
Лампа состоит из герметично запечатан стекло трубка, которая заполнена благородный газ, обычно ксенон, и электроды для передачи 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 доставку очень высоких электрический ток при срабатывании лампы.
Стеклянные конверты
Стеклянный конверт обычно представляет собой тонкую трубку, часто сделанную из плавленый кварц, боросиликатный или Pyrex, которые могут быть прямыми или изогнутыми в различные формы, включая спиральную, U-образную и круглую (чтобы окружать объектив для бестеневых фотография —'кольцо мигает '). В некоторых приложениях излучение ультрафиолетового света нежелательно, будь то из-за образования озон, повреждение лазерных стержней, деградация пластмассы или другие вредные воздействия. В этих случаях используется легированный плавленый кварц. Допинг с оксид титана может обеспечивать различную длину волны отсечки на ультрафиолетовой стороне, но материал страдает от соляризация; он часто используется в медицинских и солнечных лампах, а также в некоторых нелазерных лампах. Лучшая альтернатива - это церий -дегированный кварц; он не страдает от соляризации и имеет более высокую эффективность, так как часть поглощенного ультрафиолета переизлучается как видимое через флуоресценция. Его отсечка составляет около 380 нм. И наоборот, когда требуется ультрафиолет, синтетический кварц используется как конверт; 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. деминерализованная вода 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 с высокой средней мощностью или в дуговых лампах с непрерывным излучением вода должна течь через концы лампы, а также через открытые концы электродов, поэтому деионизированная вода используется для предотвращения короткого замыкания. Свыше 15 Вт / см2 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 / см2Толщиной 0,5 мм имеет предел 320 Вт / см2). 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.2синтетический кварц такой же толщины может работать до 240 Вт / см2. Прочие стекла, такие как боросиликатные, 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
В электроды выступают в каждый конец трубки и прикрепляются к стеклу несколькими способами. «Ленточные пломбы» используют тонкие полоски молибден фольга, приклеенная непосредственно к стеклу, очень прочная, но ограниченная по току, 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 часто встречается в лазерная накачка Применение - «уплотнение стержня», когда стержень электрода смачивается другим типом стекла, а затем присоединяется 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 вольфрам, который имеет самый высокий температура плавления из любого металла, для обработки термоэлектронная эмиссия электронов. Катоды часто изготавливаются из пористого вольфрама, наполненного барий соединение, которое дает низкий рабочая функция; структура катода должна быть адаптирована к применению. Аноды обычно изготавливаются из чистого вольфрама или, когда требуется хорошая обрабатываемость, лантан из легированного вольфрама, и их часто обрабатывают, чтобы обеспечить дополнительную площадь поверхности, чтобы справиться с силовой нагрузкой. ОКРУГ КОЛУМБИЯ дуговые лампы часто имеют катод с острым концом, чтобы сохранить дуга подальше от стекла и для контроля температуры. Лампы-вспышки обычно имеют катод со сплющенным радиусом, чтобы уменьшить вероятность возникновения горячих точек и уменьшить брызгать вызванные 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 заполнения
В зависимости от размера, типа и применения трубки-вспышки давление наполнения газом может варьироваться от нескольких килопаскали 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 только на 40%, но при малых токах лучше соответствует спектру поглощения Nd: YAG лазеры. 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
Электроды лампы обычно подключаются к конденсатор, который начисляется относительно высокое напряжение (обычно от 250 до 5000 вольт), используя повышающий трансформатор и выпрямитель. Однако газ показывает чрезвычайно высокую сопротивление, и лампа не будет проводить электричество, пока не будет ионизированный. После ионизации или "срабатывания" искра между электродами образуется, позволяя конденсатору разрядиться. Внезапный всплеск электрический ток быстро нагревает газ до плазма состояние, в котором электрическое сопротивление становится очень низким.[2] Есть несколько способов запуска.
Внешний запуск
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 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 вызывает повышение электростатический 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, токопроводящей краски или тонкой проволоки, намотанной вокруг лампы по всей длине. Если напряжение конденсатора больше, чем падение напряжения между катодом и анодом, когда внутренние искровые стримеры перекрывают электроды, конденсатор разряжается через ионизированный газ, нагревая ксенон до температуры, достаточно высокой для излучения света.[1]
Последовательный запуск
Последовательный запуск чаще встречается в мощных лампах-вспышках с водяным охлаждением, таких как лазеры. Высоковольтные выводы триггерного трансформатора подключены к лампе-вспышке последовательно (один вывод к электроду, а другой к конденсатору), так что вспышка проходит как через трансформатор, так и через лампу. Триггерный импульс формирует 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, пусковая цепь и кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) должен выдерживать очень высокие пиковые токи, часто превышающие 1500 ампер.[1]
Запуск по напряжению кипения
Запуск по малому напряжению - наименее распространенный метод. В этом методе напряжение конденсатора изначально не прикладывается к электродам, а вместо этого между электродами поддерживается искровая коса высокого напряжения. Сильный ток от конденсатора подается на электроды с помощью тиристор или разрядник. Этот тип запуска используется в основном в очень быстрых время нарастания системы, обычно те, которые разряжаются в микросекундном режиме, такие как используемые в высокоскоростной, покадровой фотографии или лазеры на красителях. Кипящая искра-стример вызывает возникновение дуги точно в центре лампы, что значительно увеличивает срок службы.[3] Если внешний запуск используется для очень коротких импульсов, искровые стримеры все еще могут контактировать со стеклом, когда полная токовая нагрузка проходит через трубку, вызывая стенку абляция, или, в крайнем случае, треск или даже взрыв лампы. Однако, поскольку для очень коротких импульсов часто требуется очень высокое напряжение и низкая емкость, чтобы плотность тока не увеличивалась 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
Очень быстрое время нарастания часто достигается с помощью техники предымпульса. Этот метод выполняется путем пропускания 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, короткоживущее 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. Он также уменьшает ударную волну и снижает уровень шума во время работы, значительно увеличивая срок службы лампы. Он особенно эффективен в устройствах с очень быстрым разрядом, позволяя дуге быстрее расширяться и лучше заполнять трубку. Он очень часто используется с малым напряжением и иногда с последовательным запуском, но редко используется с внешним запуском. При накачке лазеров на красителях чаще всего используются предимпульсные методы, которые значительно увеличивают эффективность преобразования. Однако также было показано, что он увеличивает эффективность других лазеров с более длительным временем жизни флуоресценции (позволяя более длинные импульсы), таких как Nd: YAG или титановый сапфир, создавая импульсы с почти квадратной формы волны.[4][5][6]
Абляционные лампы-вспышки
Абляционные флэш-трубки запускаются при понижении давления. Абляционные импульсные трубки обычно изготавливаются с использованием кварцевой трубки и одного или обоих электродов с полыми отверстиями, что позволяет вакуумный насос присоединяется 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 Таунсендская лавина что приводит к самовспышке 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, бомбардировка стакан. Бомбардировка уносит (испаряет) большое количество кварца с внутренней стенки. Эта абляция вызывает внезапное резкое локализованное увеличение внутреннего давления лампы, повышая эффективность вспышки до очень высокого уровня. Однако абляция вызывает значительный износ лампы, ослабляя стекло, 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 распространенный газ, используемый в абляционной лампе-вспышке: воздуха, хотя иногда используется и 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 переменной ширины импульса
Кроме того, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно подключить 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 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 лампы-вспышки с водяным охлаждением большого диаметра можно получить несколько киловатт средней выходной мощности.[1]
Электрические требования
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 при этой продолжительности (энергия взрыва), и безопасное количество рабочей энергии. Затем выберите плотность тока который будет излучать желаемый спектр и позволит сопротивлению лампы определять необходимую комбинацию напряжения и емкости для его создания. Сопротивление в лампах-вспышках сильно различается в зависимости от давления, формы, мертвого объема, плотности тока, времени и длительности вспышки, и поэтому его обычно называют сопротивление. Наиболее распространенный символ, используемый для обозначения импеданса лампы: Kо, который выражается в омах на квадратный корень из ампер (Ом (ампер0.5).
Kо используется для расчета количества входного напряжения и емкости, необходимых для излучения желаемого спектра, путем управления плотностью тока. Kо 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 плазма удельное сопротивление в лампах-вспышках обратно пропорциональна корню квадратному из плотности тока. По мере развития дуги лампа переживает период отрицательное сопротивление, 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 Kо. Однако по мере развития дуги газ расширяется, и расчеты для Kо не учитывают мертвый объем, что приводит к меньшему увеличению давления. Следовательно, любой расчет Kо это просто приблизительное значение импеданса лампы.[1][11][12]
Выходной спектр
Ксенон
Как и все ионизированные газы, ксеноновые лампы-вспышки излучают свет в различных спектральные линии. Это то же явление, которое дает неоновые вывески 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 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 менее 1000 А / см.2.
Более высокие плотности тока начинают производить континуум эмиссия. 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 цвета и дает правильную комбинацию для белый свет.[9][11] Излучение серого тела происходит при плотностях выше 2400 А / см.2.
Очень высокая плотность тока, приближающаяся к 4000 А / см.2, склонны отдавать предпочтение излучение черного тела. Спектральные линии почти исчезают, так как континуальное излучение доминирует, а выходной центр смещается в сторону ультрафиолета. По мере того, как плотности тока становятся еще выше, визуально выходной спектр ксенона начнет сужаться к спектру излучения черного тела с цветовая температура 9800 кельвинов (небесно-голубой оттенок белого).[1] За исключением случаев, когда необходим интенсивный ультрафиолетовый свет, например, при обеззараживании воды, излучение абсолютно черного тела обычно нежелательно, потому что дуга становится непрозрачной, и большая часть излучения внутри дуги может поглощаться до достижения поверхности, что снижает выходную эффективность.[11][14][15]
Благодаря высокой эффективности белого цвета ксенон, несмотря на высокую стоимость, широко используется в фотографических целях. В лазерах обычно отдается предпочтение излучению спектральных линий, так как эти линии имеют тенденцию лучше соответствовать линии поглощения лазерных сред. Иногда используется криптон, хотя он еще дороже. При низких плотностях тока выход спектральной линии криптона в ближнем ИК-диапазоне лучше согласуется с профилем поглощения неодим на основе лазерной среды, чем ксеноновое излучение, 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
Все газы производят спектральные линии, характерные для газа, наложенные на фон непрерывного излучения. Для всех газов низкие плотности тока дают 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. Аргон имеет много сильных пиков на 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 спектральных линий, со скоростью 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 спектральными выходами, напоминающими синий гигант звезда с центром в УФ.[14]
Более тяжелые газы обладают более высоким сопротивлением и, следовательно, имеют более высокое значение для Kо. 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. Аргон может 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 запуска, чтобы преодолеть чрезвычайно высокий импеданс запуска.[14]
Азот в виде воздуха использовался в лампах-вспышках в самодельных лазерах на красителях, но азот и кислород Присутствуют образующие химические реакции с электродами и самими собой, 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
Когда импульс тока проходит через трубку, он ионизирует атомы, заставляя их переходить на более высокие уровни энергии. В дуговой плазме обнаруживаются частицы трех типов: электроны, положительно ионизированные атомы, и нейтральный атомы. 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 переходят обратно в более низкое энергетическое состояние, высвобождая при этом фотоны. Способы передачи энергии осуществляются 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 короткие расстояния, 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, поэтому более длинные трубки или более высокое давление помогают повысить эффективность лампы. Во время пульса 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, 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 спектральной линии излучения. Свободно связанные переходы происходят, когда ион захватывает свободный электрон. Этот метод дает непрерывное излучение и более заметно 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 радиация. Тормозное излучение увеличивается с увеличением плотность энергии, и вызывает сдвиг в сторону синего и ультрафиолетового конца спектра.[20]
Интенсивность и продолжительность вспышки
Единственный реальный электрический предел того, насколько коротким может быть импульс, - это общая система. индуктивность, включая конденсатор, провода и саму лампу. Коротко-импульсные вспышки требуют минимизации всей индуктивности. 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 лампы-вспышки, которые имеют кольцевое сечение 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 продолжительности вспышки электрическая энергия концентрируется в более коротких импульсах, поэтому плотность тока увеличивается. Компенсация этого обычно требует уменьшения емкости по мере уменьшения длительности импульса, а затем пропорционального увеличения 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 энергии (джоули ), которая используется, остается постоянной, электрическая мощность (мощность ) будет увеличиваться обратно пропорционально уменьшению времени разряда. Следовательно, энергия должна уменьшаться вместе с длительностью импульса, чтобы сохранить импульсная мощность уровни не поднимаются 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 критическое демпфирование (0,8 микрогенри), обычно требуется шунтирующий диод на конденсаторе, чтобы предотвратить текущий разворот (звон) от разрушения лампы. Если импульс проходит через лампу, он удлиняет вспышку, поэтому диод улавливает звон, позволяя лампе выключиться в нужное время.
Пределы большой длительности импульса - это количество электронов, перенесенных на анод, распыление, вызванное ионной бомбардировкой на катоде, и градиенты температуры из стекла. Слишком длинные импульсы могут испарять большое количество металла с катода, а перегрев стекла приведет к его растрескиванию. Для непрерывной работы охлаждение это предел. Продолжительность разряда для обычных ламп-вспышек составляет от 0,1 микросекунда десяткам миллисекунды, и может иметь частоту повторения сотен герц. Продолжительность вспышки можно тщательно контролировать с помощью индуктор.[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 этому самовозгоранию при воздействии света от лампы-вспышки.[21] Подобные эффекты могут быть использованы для использования в эстетических или медицинских процедурах, известных как интенсивный импульсный свет (IPL) процедуры. IPL можно использовать для таких процедур, как удаление и уничтожение волос. поражения или родинки.
Продолжительность жизни
Срок службы лампы-вспышки зависит как от уровня энергии, используемого 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 провал
Катастрофический провал может происходить из двух отдельных механизмов: энергия и высокая температура. Когда для длительности импульса используется слишком много энергии, структурный отказ стеклянного конверта. Вспышки производят электрический дуговая вспышка содержится в стеклянной трубке. По мере развития дуги сверхзвуковой 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. Возникающий 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 мощность уровень увеличивается с уменьшением длительности вспышки, тогда энергия взрыва должна быть уменьшена прямо пропорционально квадратному корню из времени разряда.[12]
Отказ из-за нагрева обычно вызван чрезмерно большой длительностью импульса, высоким уровнем 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, это температурный градиент лампа может треснуть. Точно так же, если электроды не имеют достаточного диаметра, чтобы выдерживать пиковые токи, они могут создавать слишком большое сопротивление, быстро нагреваясь и термически расширяющийся. Если электроды нагреваются намного быстрее, чем стекло, лампа может треснуть или даже расколоться на концах.[12]
Постепенный провал
Чем ближе импульсная лампа работает к энергии взрыва, тем выше риск катастрофического отказа. При 50% энергии взрыва лампа может произвести несколько тысяч вспышек до взрыва. При 60% энергии взрыва лампа обычно выйдет из строя менее чем через сотню. Если лампа эксплуатируется при мощности 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 следующие процессы: брызгать и абляция внутренней стены.[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 более эмиссионный, чем анод, лампа-вспышка поляризована, и неправильное подключение лампы к источнику питания быстро приведет к ее выходу из строя. 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 с запуском, известные как "дрожь. »Более 30% абляция может вызвать износ, достаточный для разрушения лампы. 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
Поскольку продолжительность вспышки, излучаемой ксеноновой лампой-вспышкой, можно точно контролировать, а из-за высокой интенсивности света ксеноновые лампы-вспышки обычно используются в качестве фотографический стробоскопы. Ксеноновые лампы-вспышки также используются в очень скоростная или "покадровая" фотография, который был впервые использован Гарольд Эдгертон в 1930-е гг. Поскольку они могут генерировать яркие, привлекающие внимание вспышки при относительно небольшом непрерывном вводе электроэнергии, они также используются в сигнальные огни самолета, освещение аварийного автомобиля, устройства оповещения о пожаре (рожковые стробоскопы), самолет маяки предотвращения столкновений и другие подобные приложения.
В стоматология 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 высокой интенсивности и относительной яркости при коротких длины волн (распространяется на ультрафиолетовый ) и короткие импульсы, лампы-вспышки также идеально подходят в качестве источников света для накачивание атомы в лазер к возбужденные состояния где они могут быть стимулированы испускать последовательный, монохромный 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 лазерная среда; например Криптоновые лампы-вспышки более подходят для перекачки, чем ксеноновые. Nd: YAG лазеры, 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 Nd: стекло который производит мощность лазера для термоядерный синтез с инерционным удержанием. В общей сложности от 1 до 1,5% электроэнергии, подаваемой в лампы-вспышки, превращается в полезный лазерный свет для этого приложения.
Импульсный свет (PL) - это метод обеззараживания поверхностей путем уничтожения микроорганизмов с помощью импульсов интенсивного широкого спектра, богатого УФ-светом. УФ-С - это часть электромагнитного спектра, соответствующая диапазону от 200 до 280. нм. Импульсный свет работает с ксеноновыми лампами, которые могут мигать несколько раз в секунду. Роботы для дезинфекции используйте импульсный УФ-свет.[24]
Недавнее применение фонарей фотонное отверждение.
История
Флештул изобрел Гарольд Эдгертон в 1930-х годах как средство для резких фотографий движущихся объектов. Вспышки в основном использовались для стробоскопов в научных исследованиях, но со временем начали заменять химические и порошковые. фотовспышки и лампы-вспышки в основной фотографии.[25]
Поскольку электрическая дуга могла быть намного быстрее, чем выдержка механического затвора, ранние высокоскоростные фотографии были сделаны с помощью электрического дугового разряда на открытом воздухе, называемого искровой фотографией, что помогло удалить размытие с движущихся объектов. Обычно это делалось с закрытым затвором в темном или тускло освещенном помещении, чтобы избежать переэкспонирования пленки, и с помощью метода синхронизации вспышки с событием, которое нужно сфотографировать. Самое раннее известное использование искровой фотографии началось с Генри Фокс Тэлбот около 1850 г.[25] В 1886 г. Эрнст Мах использовал искру на открытом воздухе, чтобы сфотографировать летящую пулю, обнаружив ударные волны, которые она производила на сверхзвуковой скорости.[26] Системы искрообразования на открытом воздухе было довольно легко построить, но они были громоздкими, очень ограниченными по светоотдаче и производили громкие звуки, сопоставимые с шумом выстрела.[25]
В 1927 году Гарольд Эдгертон построил свою первую вспышку, работая в Массачусетский Институт Технологий. Желая сфотографировать движение двигателя с яркими деталями, без размытия, Эдгертон решил улучшить процесс искровой фотографии, используя ртутно-дуговый выпрямитель вместо разряда на открытом воздухе для получения света. Он смог достичь длительности вспышки 10 микросекунд и смог сфотографировать движущийся двигатель, как будто он «застыл во времени».[25]
Интерес его коллеги к новой вспышке вскоре спровоцировал Эдгертона на улучшение конструкции. В ртутная лампа Эффективность была ограничена самой холодной частью лампы, из-за чего они работали лучше в очень горячем состоянии и хуже - в холодном. Эджертон решил попробовать благородный газ вместо этого, чувствуя, что она не будет так зависеть от температуры, как ртуть, и в 1930 году он применил General Electric компания построить несколько ламп с использованием аргон вместо. Трубки с аргоном были намного эффективнее, были намного меньше и могли быть установлены рядом с отражателем, концентрируя их выход. Постепенно дизайнеры фотоаппаратов обратили внимание на новую технологию и начали принимать ее. Эджертон получил свой первый крупный заказ на стробоскопы от Кодак компании в 1940 году. Позже он обнаружил, что ксенон был самым эффективным из благородных газов, производя спектр, очень близкий к дневному свету, а ксеноновые лампы-вспышки стали стандартом в большинстве больших наборов для фотосъемки. Лишь в 1970-х годах стробоскопы стали достаточно портативными для использования в обычных камерах.[25]
В 1960 году после Теодор Майман изобрел рубиновый лазер, появился новый спрос на лампы-вспышки для использования в лазерах, и новый интерес был проявлен к изучению ламп.[14]
Безопасность
Вспышки работают при высокое напряжение с током, достаточно сильным, чтобы быть смертельным. При определенных условиях удары до 1 джоуль сообщалось о летальном исходе. Энергия, накопленная в конденсаторе, может оставаться на удивление долго после отключения питания. Лампа-вспышка обычно отключается до того, как конденсатор полностью разрядится, и она может восстановить часть своего заряда с помощью процесса, называемого "диэлектрическое поглощение ". Кроме того, некоторые типы систем зарядки сами по себе могут быть столь же смертоносными. Напряжение срабатывания может вызвать болезненный шок, обычно недостаточный, чтобы убить его, но который часто может спугнуть человека и заставить его натолкнуться или коснуться чего-то более опасного. заряженный до высокого напряжения искра может Прыгать, обеспечение высокого тока конденсатора фактически ничего не касаясь.
Вспышки работают при высоком давлении и, как известно, взрываются, создавая сильные ударные волны. «Энергия взрыва» лампы-вспышки (количество энергии, которое разрушит ее всего за несколько вспышек) хорошо определена, и, чтобы избежать катастрофического отказа, рекомендуется использовать не более 30% энергии взрыва.[11] Вспышки должны быть защищены стеклом или помещены в полость отражателя. В противном случае следует надеть средства защиты глаз и ушей.
Фотовспышки производят очень интенсивные вспышки, часто быстрее, чем может заметить глаз, и могут быть не такими яркими, как они есть. Кварцевое стекло будут пропускать почти все длинные и короткие волны УФ, включая бактерицидные волны, и могут представлять серьезную опасность для глаз и кожи. Это ультрафиолетовое излучение также может производить большое количество озон, которые могут нанести вред людям, животным и оборудованию.[27]
Многие компактные камеры заряжают конденсатор вспышки сразу после включения, а некоторые даже просто вставляют батареи. Простая установка батареи в камеру может привести к тому, что конденсатор станет опасным или, по крайней мере, неприятным на срок до нескольких дней. Затраченная энергия также довольно значительна; Конденсатор емкостью 330 мкФ, заряженный до 300 вольт (стандартные значения для фотоаппаратов), хранит почти 15 джоулей энергии.
Популярная культура
В книге 1969 года Штамм Андромеды и фильм 1971 года Специальное воздействие ксеноновой вспышки использовалось для выжигания наружных эпителиальных слоев кожи человека в качестве антисептической меры, чтобы исключить доступ всех бактерий для людей, работающих в экстремально чистых условиях. (В книге использовался термин «ультравспышка»; в фильме устройство было обозначено как «ксеноновая вспышка».)
Анимация
Кадр 1: Трубка темная.
Кадр 2: запускающий импульс ионизирует газ, светясь слабым синим светом. Искровые стримеры образуются от каждого электрода, двигаясь навстречу друг другу по внутренней поверхности стеклянной трубки.
Кадр 3: искровые стримеры соединяются и удаляются от стекла, образуется плазменный туннель, позволяющий скачку тока.
Кадр 4: Ток конденсатора начинает убывать, нагревая окружающий ксенон.
Кадр 5: По мере уменьшения сопротивления напряжение падает и ток заполняет трубку, нагревая ксенон до плазменного состояния.
Кадр 6: Полностью нагретый, сопротивление и напряжение стабилизируются в дугу, и полная токовая нагрузка проходит через трубку, заставляя ксенон излучать вспышку света.
Смотрите также
использованная литература
- ^ а б c d е ж г час я j k л м п о п q «Высокопроизводительные импульсные и дуговые лампы» (PDF). ПеркинЭлмер. Получено 1 июл 2013.
- ^ Эдгертон, Гарольд Э. Электронный стробоскоп. MIT Press. ISBN 978-0-262-55008-6.
- ^ Holzrichter, J. F .; Шавлов, А. Л. (февраль 1969 г.). «Разработка и анализ систем импульсных ламп для накачки лазеров на органических красителях». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 168 (3-е второе совещание): 703–14. Bibcode:1969НЯСА.168..703Х. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1969.tb43155.x. PMID 5273396. S2CID 34719312.
- ^ ФотохимияАвтор: Д. Брайс-Смит - Химическая пресса, 1979 г., стр. 94
- ^ http://www.orcontech.com/data/Perkin_Elmer_Flashlamp_catalog.pdf
- ^ Прогресс в квантовой электронике - том 7 Сильви А. Дж. Друэ, Т. С. Мосс, Жан-Пьер Э. Таран - Elsevier 1983, стр. 213
- ^ Фотохимия Д. Брайс-Смит - Химическое общество, 1979 г., стр. 93-94
- ^ Levy, Y .; Neumann, G .; Тревес, Д. (1 августа 1977 г.). «Абляционные лампы-вспышки для лазеров на красителях большой пиковой мощности». Прикладная оптика. 16 (8): 2293–2296. Bibcode:1977ApOpt..16.2293L. Дои:10.1364 / AO.16.002293. PMID 20168911.
- ^ а б c "Прерывание тока ксеноновой вспышки?" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-07-17. Получено 3 февраля 2009.
- ^ «Примечания по применению - Цепи нагнетания» (PDF). www.lightingassociates.org. Получено 3 февраля 2009.
- ^ а б c d е Клипштейн, Дон. «Общие рекомендации по проектированию ксеноновой вспышки и стробоскопа». Получено 3 февраля 2009.
- ^ а б c d е Твердотельные лазеры: выпускной текст Вальтер Кехнер, Майкл Басс - Springer-Verlag 2003, стр. 191-193
- ^ Гебель, Радамес К. Х .; Mestwerdt, Hermann R .; Хейслетт, Рой Р. (ноябрь 1971 г.). «Фотокатоды, чувствительные к ближнему инфракрасному свету, и чувствительность пленки для типичного излучения ксеноновой лампы и связанных предметов» (PDF). Научный журнал Огайо. 71 (6): 343.
- ^ а б c d е ж г Оливер, Дж. Р .; Барнс, Ф. С. (май 1969 г.). "Сравнение газовых фонарей". Журнал IEEE по квантовой электронике. 5 (5): 232–7. Bibcode:1969IJQE .... 5..232O. Дои:10.1109 / JQE.1969.1075765. ISSN 0018-9197.
- ^ Emmett, J. L .; Schawlow, A. L .; Вайнберг, Э. Х. (сентябрь 1964 г.). «Прямое измерение непрозрачности ксеноновой лампы-вспышки». J. Appl. Phys. 35 (9): 2601. Bibcode:1964JAP .... 35.2601E. Дои:10.1063/1.1713807. HDL:2060/19650025655.
- ^ Дишингтон, Р. Х .; Крюк, W. R .; Хильберг, Р. П. (1974). «Ламповый разряд и эффективность лазера». Прикладная оптика. 13 (10): 2300–2312. Bibcode:1974ApOpt..13.2300D. Дои:10.1364 / AO.13.002300. PMID 20134680.
- ^ "Лазеры с ламповой накачкой". Энциклопедия лазерной физики и техники. RP Photonics. Получено 3 февраля 2009.
- ^ Твердотельные лазеры: выпускной текст Вальтер Кехнер, Майкл Басс - Springer-Verlag 2003, стр. 190
- ^ Голдвассер, Сэмюэл М. (2008). "Sam's Laser FAQ". Получено 3 февраля 2009.
- ^ а б Твердотельные лазеры: выпускной текст Вальтер Кехнер, Майкл Басс - Springer-Verlag 2003, стр. 189-190
- ^ «У нас есть зажигание! Углеродные нанотрубки воспламеняются при воздействии вспышки - Новости и события». news.rpi.edu.
- ^ «НИФ Технологии». www.llnl.gov.
- ^ «Хостинг изображений, обмен изображениями, загрузка изображений - PicBG.net - Фотографии, картинки, обои, альбомы». picbg.net.
- ^ «Главная страница - Лучшие вики». en.topwiki.nl.
- ^ а б c d е Технологии нашего времени: люди и инновации в оптике и оптоэлектронике Фредерик Су - SPIE - Международное общество оптической инженерии, 1990 г. Стр. 43-55
- ^ Эрнст Мах; его работа, жизнь и влияние Джон Т. Блэкмор - Калифорнийский университет Press, 1972 г. Страница x
- ^ Клипштейн, Дон. "Рекомендации по безопасности ксенонового стробоскопа и вспышки". Получено 3 февраля 2009.