вспышка

«Фонарик» перенаправляется сюда. Информацию о портативном электрическом фонаре для освещения см. в разделе «Фонарик» . Информацию о горящем люминесцентном порошке с электрическим зажиганием см. в разделе «Лампа-вспышка» .

Спиральная ксеноновая лампа-вспышка, излучающая излучение серого тела в виде белого света. (Анимированная версия в конце )

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.

Строительство

U-образная ксеноновая лампа-вспышка

Лампа состоит из герметично закрытой стеклянной трубки, наполненной благородным газом , обычно ксеноном , и электродов, передающих электрический ток 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.

Стеклянные конверты

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 церием кварц, легированный ; 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, синтетический кварц используется как конверт; это самый дорогой из материалов, но он не подвержен соляризации и его граница находится на уровне 160 нм.

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. В дуговых лампах высокой средней мощности или дуговых лампах непрерывного действия поток воды должен проходить через концы лампы, а также через открытые концы электродов, поэтому деионизированная вода используется для предотвращения короткого замыкания. Выше 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 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.

Электроды и пломбы

Электроды . выступают в каждый конец трубки и прикрепляются к стеклу несколькими различными способами В «ленточных уплотнениях» используются тонкие полоски молибденовой фольги, приклеенные непосредственно к стеклу, которые очень прочны, но ограничены по количеству тока, который может пройти. «Паяные уплотнения» прикрепляют стекло к электроду с помощью припоя, 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. Уплотнитель и стекло должны иметь одинаковый коэффициент теплового расширения.

Лампы-вспышки различных размеров для лазерной накачки. Тройку лидеров занимают ксеноновые лампы-вспышки. Последняя — криптоновая дуговая лампа (показана для сравнения).

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. постоянного тока Дуговые лампы 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.

Газы и давление наполнения

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 ). Как правило, чем выше давление, тем выше выходная эффективность. Ксенон используется главным образом из-за его высокой эффективности, преобразующей почти 50% электрической энергии в свет. Криптон, с другой стороны, имеет эффективность всего около 40%, но при малых 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.

Операция

Это высокоскоростное видео ксеноновой лампы-вспышки, снятое со скоростью более 44 000 кадров в секунду. Одиночный импульс вспышки в замедленной съемке демонстрирует колебание заряженного газа.

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 «срабатывания» между электродами образуется искра , позволяющая конденсатору разряжаться. Внезапный всплеск электрического тока быстро нагревает газ до состояния плазмы , при котором электрическое сопротивление становится очень низким. Существует несколько способов запуска.

Внешний запуск

Ксеноновые лампы-вспышки, используемые в смартфонах и фотоаппаратах, обычно имеют внешний запуск.

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 больше, чем падение напряжения между катодом и анодом, когда внутренние искровые стримеры замыкают электроды, конденсатор разряжается через ионизированный газ, нагревая ксенон до достаточно высокой температуры для излучения света.

Серийный запуск

Рубиновая лазерная головка в собранном и разобранном виде: видна полость накачки, рубиновый стержень и две лампы-вспышки с водяным охлаждением.

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 цепь и Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) должен выдерживать очень высокие пиковые токи, часто превышающие 1500 ампер.

Запуск по напряжению Simmer

Вспышка с внешним срабатыванием, длительностью 3,5 микросекунды. Вспышка полностью разряжается до того, как дуга сможет отойти от стекла и заполнить трубку, вызывая чрезмерный износ лампы.

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. Если внешний запуск используется для очень 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 лампы. 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.

Преимпульсные методы

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. Предымпульсные 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 .

Абляционные лампы-вспышки

Абляционные лампы-вспышки срабатывают при недостаточном давлении. Абляционные лампы-вспышки обычно изготавливаются с использованием кварцевых трубок и одного или обоих полых электродов, что позволяет вакуумный насос прикрепить 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 обычно после очень короткого срока службы она требует замены.

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 аблятивной 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.

Управление переменной шириной импульса

Кроме того, биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) можно подключить последовательно как с триггерным трансформатором, так и с лампой, что позволяет регулировать длительность вспышки. Используемый для этой цели IGBT должен быть рассчитан на высокий импульсный ток, чтобы избежать повреждения полупроводникового перехода из-за перегрузки по току. Системы этого типа часто используются в лазерных системах высокой средней мощности и могут 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.

Электрические требования

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 (ohms(amps ^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. плазмы В 1965 году Джон Х. Гонц показал, что удельное сопротивление 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 увеличению давления. Поэтому любой расчет K _o — это всего лишь приближенное значение импеданса лампы.

Выходной спектр

Ксенон

Ксенон, работающий как «неоновый свет», состоит в основном из набора спектральных линий, в которых отсутствует большая часть непрерывного излучения, необходимого для хорошей цветопередачи .

Спектральная линия излучения ксеноновой лампы-вспышки. Сине-зеленая дуга похожа на то, что видит глаз. Несмотря на то, что цифровая камера невидима невооруженным глазом, она способна отображать сильные ИК-спектральные линии, которые выглядят как темно-синий свет, отраженный от стола. (т.е. длина волны 900 нм интерпретируется камерой как гармоника второго поколения, равная 450 нм.)

Как и все ионизированные газы, ксеноновые лампы-вспышки излучают свет в различных спектральных линиях . Это то же явление, которое придает неоновым вывескам характерный цвет. Однако неоновые вывески излучают красный свет из-за чрезвычайно низкой плотности тока по сравнению с теми, которые наблюдаются в лампах-вспышках, что благоприятствует спектральным линиям с более длинными волнами. Более высокие плотности тока имеют тенденцию отдавать предпочтение более коротким длинам волн. 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. 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. Излучение серого тела производится при плотности выше 2400 А/см. ² .

Очень высокие плотности тока, приближающиеся к 4000 А/см. ² , имеют тенденцию отдавать предпочтение излучению черного тела . Спектральные линии практически исчезают, поскольку доминирует континуальное излучение, а центр излучения смещается в сторону ультрафиолета. Поскольку 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). 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.

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. Ни одна из спектральных линий ксенона не соответствует линиям поглощения Nd:YAG, поэтому при накачке Nd:YAG ксеноном необходимо использовать непрерывное излучение.

Криптон и другие газы

Спектральные изображения различных газов при плотности тока, при которой визуальный выходной сигнал почти равен ИК-излучению. Криптон имеет очень мало спектральных линий в ближнем ИК-диапазоне, поэтому большая часть энергии направляется на два основных пика.

Излучение спектральной линии аргоновой лампы. Текстура стола преломляет свет, позволяя камере отображать ИК-линии.

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. По мере того, как плотности тока становятся 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.

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.

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.

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.

Световое производство

Криптоновая дуговая плазма. Темное пространство возле анода заполнено свободными электронами, оторванными от нейтральных атомов, ионизирующими атомы. Затем ионы уносятся от анода, сталкиваясь с нейтральными атомами, создавая свет.

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».

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.

Интенсивность и продолжительность вспышки

Вспышка мощностью 85 джоулей и длительностью 3,5 микросекунды. Хотя уровень энергии умеренно низкий, электрическая мощность при такой кратковременной продолжительности составляет 24 миллиона ватт. Благодаря чрезвычайно высокой плотности тока, температуре дуги 17 000 К (30 100 ° F) и выходному сигналу с центральной длиной волны 170 нм (в дальнем УФ-диапазоне) излучение черного тела настолько интенсивно, что оно без проблем проникает в чрезвычайно темные тени. 10 сварочный объектив, за которым находится камера.

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 требуются очень короткие импульсы, и иногда в них 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 «энергия 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 энергии ( джоулей используемой ) 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 изменении направления тока разрушение лампы при (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 .

Вспышка, исходящая от ксеноновой лампы-вспышки, может быть настолько интенсивной, что может воспламенить легковоспламеняющиеся материалы на небольшом расстоянии от трубки. Углеродные нанотрубки особенно чувствительны к такому самопроизвольному возгоранию при воздействии света лампы-вспышки. 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 .

Продолжительность жизни

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.

Катастрофический провал

Катастрофический отказ может произойти из-за двух отдельных механизмов: энергии и тепла . Когда для длительности импульса используется слишком много энергии, может произойти структурный разрушение стеклянной оболочки. Лампы-вспышки производят вспышку электрической дуги, находящейся в стеклянной трубке. По мере развития дуги образуется сверхзвуковая ударная волна , распространяющаяся радиально от центра дуги и воздействующая на внутреннюю стенку трубки. Если уровень энергии достаточно низкий, все, что будет слышно – это стук по стеклу. Однако, если используемый уровень энергии равен номинальной «энергии взрыва» лампы, ударная волна разрушит стекло, разорвав трубку. В результате взрыва создается громкая звуковая ударная волна, которая может отбросить осколки стекла на несколько футов. Энергия взрыва рассчитывается путем умножения площади внутренней 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 с уменьшением длительности вспышки, тогда энергия взрыва должна уменьшаться прямо пропорционально корню квадратному из времени разряда.

Отказ из-за перегрева обычно вызван чрезмерно большой длительностью импульса, высокими средними уровнями мощности или неадекватным размером электродов. Чем длиннее пульс; тем больше его интенсивного тепла будет передано стеклу. Когда внутренняя стенка трубки становится слишком горячей, а внешняя еще холодная, этот температурный градиент может привести к растрескиванию лампы. Аналогичным образом, если электроды не имеют достаточного диаметра, чтобы выдерживать пиковые токи, они могут создавать слишком большое сопротивление, быстро нагреваться и термически расширяться . Если электроды нагреваются гораздо быстрее, чем стекло, лампа может треснуть или даже разбиться на концах.

Постепенный провал

Катоды лампы-вспышки с ранними признаками износа. Трубка слева показывает распыление, а трубка справа — абляцию стенки.

Чем ближе к энергии взрыва работает лампа-вспышка, тем выше становится риск катастрофического отказа. При 50% энергии взрыва лампа может произвести несколько тысяч вспышек, прежде чем взорвется. При 60% энергии взрыва лампа обычно выйдет из строя менее чем через сотню. Если лампа работает при энергии взрыва ниже 30%, риск катастрофического отказа становится очень низким. В этом случае методами отказа становятся те, которые снижают выходную эффективность и влияют на возможность запуска лампы. Процессами, влияющими на них, являются распыление и абляция внутренней стенки.

Распыление происходит, когда уровень энергии очень низок, ниже 15% энергии взрыва, или когда длительность импульса очень велика. Напыление — это испарение металла с катода, который переосаждается на стенках лампы, блокируя световой поток. Поскольку катод более излучательный, чем анод , лампа-вспышка 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 время жизни на низких энергетических уровнях.

На более высоких уровнях энергии основным процессом изнашивания становится абляция стенки. Электрическая дуга медленно разрушает внутреннюю стенку трубки, образуя микроскопические трещины, которые придают стеклу матовый вид. В результате абляции из стекла высвобождается кислород, повышая давление выше рабочего уровня. Это вызывает проблемы с запуском, известные как « дрожание ». При степени выше 30 % абляция может вызвать достаточный износ, способный привести к разрыву лампы. Однако при уровнях энергии более 15% время жизни можно рассчитать с достаточной степенью точности.

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

Приложения

Лампы-вспышки длиной 6 футов (180 см), используемые в лазере National Ignition Facility, были одними из самых больших в коммерческом производстве, работая при входной энергии 30 кДж на импульс.

Лампа-вспышка (нижняя половина изображения) длиной 12,5 футов (380 см) (длина дуги 12 футов (372 см)) для отжига подложки.

Поскольку продолжительность 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 сверхскоростной или «покадровой» фотографии , впервые предложенной Гарольдом Эдгертоном в 1930-х годах. Поскольку они могут генерировать яркие, привлекающие внимание вспышки при относительно небольшом непрерывном подаче электроэнергии, они также используются в сигнальных огнях самолетов , аварийном освещении транспортных средств , устройствах оповещения о пожарной сигнализации ( рупорных лампах ), авиационных маяках для предотвращения столкновений и других подобных устройствах. приложения.

В стоматологии используется в устройствах «световой короб» для световой активации отверждения различных реставрационных и вспомогательных светоотверждаемых смол (например: Megaflash mini, Uni XS и другие аппараты).

Благодаря своей высокой интенсивности и относительной яркости на коротких длинах волн (вплоть до ультрафиолета идеально подходят в качестве источников света для накачки атомов в лазере до возбужденных состояний , где их можно стимулировать излучать когерентный ) и короткой длительности импульса, лампы-вспышки также монохроматический свет. . Правильный выбор как газа-наполнителя, так и плотности тока имеет решающее значение, чтобы максимальная излучаемая выходная энергия концентрировалась в полосах, которые лучше всего поглощаются лазерной средой ; например, криптоновые лампы-вспышки более подходят, чем ксеноновые лампы-вспышки, для накачки лазеров Nd:YAG , поскольку излучение криптона в ближнем инфракрасном диапазоне лучше соответствует спектру поглощения Nd:YAG.

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

Импульсный свет (PL) — это метод обеззараживания поверхностей путем уничтожения микроорганизмов с использованием импульсов интенсивного широкого спектра, богатых ультрафиолетовым излучением C. УФ-С — это часть электромагнитного спектра, соответствующая полосе от 200 до 280 нм . Импульсный свет работает с ксеноновыми лампами, которые могут производить вспышки несколько раз в секунду. Дезинфицирующие роботы используют импульсный ультрафиолетовый свет.

Недавним применением ламп-вспышек является фотонное отверждение .

История

Этот теневой снимок пули в сверхзвуковом полете был сделан в Центре Эдгертона (Строб-Элли, Массачусетский технологический институт) с использованием разряда высокоскоростной лампы-вспышки.

Лампа-вспышка была изобретена Гарольдом Эдгертоном в 1930-х годах как средство для получения четких фотографий движущихся объектов. Лампы-вспышки в основном использовались для стробоскопов в научных исследованиях, но со временем стали заменять химические и порошковые лампы-вспышки и лампы-вспышки в основной фотографии.

Поскольку можно было создавать электрические дуги, скорость которых была намного быстрее, чем при выдержке механического затвора, первые высокоскоростные фотографии делались с использованием электрического дугового разряда на открытом воздухе, называемого искровой фотографией, который помогал убрать размытость движущихся объектов. Обычно это делалось с запертым затвором в темной или тускло освещенной комнате, чтобы избежать переэкспонирования пленки, и с использованием метода синхронизации вспышки с событием, которое нужно сфотографировать. Самое раннее известное использование искровой фотографии началось с Генри Фокса Талбота около 1850 года. В 1886 году Эрнст Мах использовал искру на открытом воздухе, чтобы сфотографировать летящую пулю, показав ударные волны, которые она производит на сверхзвуковых скоростях. Открытые искровые системы было довольно легко построить, но они были громоздкими, очень ограниченными по светоотдаче и производили громкий шум, сравнимый с звуком выстрела.

В 1927 году Гарольд Эдгертон построил свою первую вспышку, работая в Массачусетском технологическом институте . Желая сфотографировать движение двигателя в ярких деталях, без размытия, Эдгертон решил улучшить процесс искровой фотографии ртутно-дуговой выпрямитель , используя для получения света вместо разряда на открытом воздухе. Ему удалось добиться продолжительности вспышки в 10 микросекунд и сфотографировать движущийся двигатель, как будто «замороженный во времени».

Интерес его коллеги к новой вспышке вскоре побудил Эджертона усовершенствовать конструкцию. Эффективность ртутных ламп была ограничена самой холодной частью лампы, из-за чего они работали лучше в очень горячем состоянии и хуже в холодном. Вместо этого Эдгертон решил попробовать использовать благородный газ , чувствуя, что он не будет так сильно зависеть от температуры, как ртуть, и в 1930 году нанял компанию General Electric для создания нескольких ламп, использующих вместо этого аргон . Аргоновые трубки были намного более эффективными, были намного меньше и могли быть установлены рядом с отражателем, концентрируя их выходной сигнал. Постепенно дизайнеры фотоаппаратов начали обращать внимание на новую технологию и принимать ее. Эдгертон получил свой первый крупный заказ на вспышки от компании Kodak в 1940 году. Впоследствии он обнаружил, что ксенон является наиболее эффективным из благородных газов, создавая спектр, очень близкий к спектру дневного света, и ксеноновые лампы-вспышки стали стандартом в большинстве крупногабаритных фотографий. наборы. Лишь в 1970-х годах стробоскопы стали достаточно портативными, чтобы их можно было использовать в обычных камерах.

В 1960 году, после того как Теодор Майман изобрел рубиновый лазер , появился новый спрос на лампы-вспышки для использования в лазерах, и появился новый интерес к изучению ламп.

Безопасность

Этот конденсатор емкостью 525 джоулей является одним из пары, адаптированной для использования в рубиновом лазере, и на нем имеется предупреждение о его смертельной емкости. Между клеммами подключен резистор, предотвращающий сохранение опасного заряда конденсатора, когда он не работает.

Лампы-вспышки работают при высоком напряжении , а токи достаточно велики, чтобы быть смертельными. , что при определенных условиях удары силой всего в 1 джоуль Сообщается могут быть 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 посредством процесса, называемого « диэлектрической абсорбцией ». Кроме того, некоторые типы зарядных систем сами по себе могут быть столь же смертоносными. Триггерное напряжение может вызвать болезненный шок, которого обычно недостаточно, чтобы убить, но который часто может заставить человека наткнуться или прикоснуться к чему-то более опасному. Когда человек заряжается до высокого напряжения, может возникнуть искра , создавая большой ток в конденсаторе, фактически ничего не касаясь.

Лампы-вспышки работают при высоком давлении и, как известно, взрываются, вызывая сильные ударные волны. «Энергия взрыва» лампы-вспышки (количество энергии, которая разрушит ее всего за несколько вспышек) четко определена, и во избежание катастрофического отказа рекомендуется использовать не более 30% энергии взрыва. Лампы-вспышки должны быть защищены стеклом или в полости отражателя. В противном случае следует использовать средства защиты глаз и ушей.

Лампы-вспышки производят очень интенсивные вспышки, часто быстрее, чем может заметить глаз, и могут казаться не такими яркими, как есть. Кварцевое стекло пропускает почти все длинные и коротковолновые УФ-излучения, включая бактерицидные волны, и может представлять серьезную опасность для глаз и кожи. Это ультрафиолетовое излучение также может производить большое количество озона , который может быть вредным для людей, животных и оборудования.

Многие компактные камеры заряжают конденсатор вспышки сразу после включения питания, а некоторые даже просто вставив батарейки. Простая вставка аккумулятора в камеру может привести к тому, что конденсатор станет опасным или, по крайней мере, неприятным на несколько дней. Затраченная энергия также довольно значительна; Конденсатор емкостью 330 микрофарад, заряженный до напряжения 300 вольт (обычные приблизительные значения, встречающиеся в камерах), сохраняет почти 15 джоулей энергии.

Популярная культура

В книге 1969 года «Штамм Андромеды» и фильме 1971 года специальное воздействие ксеноновой вспышки использовалось для сжигания внешних эпителиальных слоев человеческой кожи в качестве антисептической меры для устранения любого возможного доступа бактерий к людям, работающим в экстремальных, сверхчистых условиях. среда. (В книге использовался термин «ультравспышка», а в фильме аппарат обозначен как «ксеноновая вспышка».)

Анимация

Спиральная ксеноновая лампа-вспышка запускается

Кадр 1: Трубка темная.

Кадр 2: Триггерный импульс ионизирует газ, светясь слабым синим светом. От каждого электрода образуются искровые стримеры, движущиеся навстречу друг другу вдоль внутренней поверхности стеклянной трубки.

Кадр 3: Искровые стримеры соединяются и отходят от стекла, образуя плазменный туннель, позволяющий току расти.

Кадр 4: Ток конденсатора начинает утекать, нагревая окружающий ксенон.

Кадр 5: По мере уменьшения сопротивления напряжение падает и ток заполняет трубку, нагревая ксенон до состояния плазмы.

Кадр 6: Полный нагрев, сопротивление и напряжение стабилизируются в дугу, и полная токовая нагрузка проходит через трубку, заставляя ксенон излучать вспышку света.

См. также

• Вспышка (фотография)
• Список источников света
• Стробоскопический маяк
• Стробоскоп
• Вспышка с воздушным зазором

Внешние ссылки

• Спектры излучения различных ламп-вспышек. Архивировано 20 мая 2009 г. на Wayback Machine.