Flashtube - Flashtube

Spiralformet xenon -lysrør som avgir grå kroppsstråling som hvitt lys. (Animert versjon på slutten )

En blitsrør , også kalt en lommelykt , er en lysbue lampe designet for å produsere ekstremt intens, usammenhengende , hvitt lys med full spektrum i svært korte varigheter. Flashrør er laget av en lengde av glassrør med elektroder i hver ende og er fylt med en gass som, når den utløses, ioniserer og leder en høyspentpuls for å produsere lyset. Flashtubes brukes mest til fotografiske formål, men brukes også i vitenskapelige, medisinske, industrielle og underholdningsapplikasjoner.

Konstruksjon

U-formet xenon-lysrør

Lampen består av en hermetisk lukket glassrøret, som er fylt med en edelgass , vanligvis xenon , og elektroder for å føre elektrisk strøm til gassen. I tillegg er en høyspenningskilde nødvendig for å aktivere gassen som en utløserhendelse. En ladet kondensator brukes vanligvis til å levere energi til blitsen, for å tillate svært rask levering av veldig høy elektrisk strøm når lampen utløses.

Konvolutter i glass

Glasskonvolutten er oftest et tynt rør, ofte laget av smeltet kvarts , borosilikat eller Pyrex , som kan være rett eller bøyd i en rekke forskjellige former, inkludert spiralformet "U" -form og sirkulær (for å omgi et kameralins for skyggeløs fotografering - ' ring blinker '). I noen applikasjoner er utslipp av ultrafiolett lys uønsket, enten det skyldes produksjon av ozon , skader på laserstenger, nedbrytning av plast eller andre skadelige effekter. I disse tilfellene brukes en dopet smeltet silika. Doping med titandioksid kan gi forskjellige cutoff -bølgelengder på den ultrafiolette siden, men materialet lider av solisering ; det brukes ofte i medisinske og solstråle lamper og noen ikke-laser lamper. Et bedre alternativ er en cerium dopet kvarts; den lider ikke av solisering og har høyere effektivitet, ettersom en del av det absorberte ultrafiolette stråles ut som synlig via fluorescens . Avbruddet er på omtrent 380 nm. Omvendt, når ultrafiolett etterlyses, brukes en syntetisk kvarts som konvolutt; det er det dyreste av materialene, men det er ikke utsatt for solisering og avbruddet er på 160 nm.

Lampenes effektnivå er angitt i watt/område, total elektrisk inngangseffekt dividert med lampens indre veggoverflate. Kjøling av elektrodene og lampekonvolutten er av stor betydning ved høye effektnivåer. Luftkjøling er tilstrekkelig for lavere gjennomsnittlig effektnivå. Lamper med høy effekt blir avkjølt med en væske, vanligvis ved å strømme demineralisert vann gjennom et rør der lampen er innkapslet. Vannkjølte lamper vil vanligvis ha glasset krympet rundt elektrodene, for å gi en direkte termisk leder mellom dem og kjølevannet. Kjølemediet skal også flyte over hele lengden på lampen og elektrodene. Høy gjennomsnittlig effekt eller lysbuer med kontinuerlig bølge må ha vannstrømmen over endene på lampen og også over de eksponerte endene av elektrodene, så det avioniserte vannet brukes til å forhindre kortslutning. Over 15 W / cm 2 med forsert kjøling er nødvendig; væskekjøling hvis det er i et begrenset rom. Væskekjøling er generelt nødvendig over 30 W / cm 2 .

Tynnere vegger kan overleve høyere gjennomsnittlig effektbelastning på grunn av lavere mekanisk belastning over materialets tykkelse, som er forårsaket av en temperaturgradient mellom varmt plasma og kjølevann, (f.eks. 1 mm tykt dopet kvarts har en grense på 160 W/cm 2 , 0,5 mm tykk har en grense på 320 W/cm 2 ). Av denne grunn blir tynnere glass ofte brukt til lysbuer med kontinuerlig bølge. Tykkere materialer kan generelt håndtere mer slag energi fra sjokkbølgen som en kortpulsbue kan generere, så kvarts så mye som 1 mm tykk brukes ofte i konstruksjonen av blitsrør. Konvoluttens materiale gir en annen grense for utgangseffekten; 1 mm tykt smeltet kvarts har en grense på 200 W/cm 2 , syntetisk kvarts med samme tykkelse kan løpe opptil 240 W/cm 2 . Andre briller som borsilikat har generelt mindre enn halvparten av effektbelastningskapasiteten til kvarts. Eldringslamper krever noe nedgang, på grunn av økt energiabsorpsjon i glasset på grunn av solisering og sputtered avleiringer.

Elektroder og tetninger

De elektroder som rager inn i hver ende av røret, og er forseglet til glasset ved hjelp av et par forskjellige metoder. "Båndtetninger" bruker tynne strimler av molybdenfolie som er bundet direkte til glasset, som er veldig holdbare, men er begrenset i mengden strøm som kan passere gjennom. "Loddetetninger" binder glasset til elektroden med et loddetinn for en veldig sterk mekanisk tetning, men er begrenset til drift ved lav temperatur. Mest vanlig i laserpumpe -applikasjoner er "stangforseglingen", der stangen på elektroden blir fuktet med en annen type glass og deretter limt direkte til et kvartsrør. Denne tetningen er veldig holdbar og tåler svært høy temperatur og strøm. Tetningen og glasset må ha samme ekspansjonskoeffisient.

Flashtubes i forskjellige størrelser for laserpumping. De tre beste er xenon -lysrør. Den siste er en krypton buelampe, (vist for sammenligning).

For lav elektrodebruk er elektrodene vanligvis laget av wolfram , som har det høyeste smeltepunktet for et hvilket som helst metall, for å håndtere termionisk utslipp av elektroner. Katoder er ofte laget av porøs wolfram fylt med en bariumforbindelse , noe som gir lav arbeidsfunksjon ; strukturen til katoden må skreddersys for applikasjonen. Anoder er vanligvis laget av rent wolfram, eller, når god bearbeidbarhet er nødvendig, lantan -legert wolfram, og blir ofte bearbeidet for å gi ekstra overflate for å takle kraftbelastning. DC buelamper har ofte en katode med en skarp spiss, for å holde buen borte fra glasset og for å kontrollere temperaturen. Flashtubes har vanligvis en katode med en flat radius, for å redusere forekomsten av hot spots og redusere sputter forårsaket av toppstrømmer, som kan være over 1000 ampere. Elektrodedesign påvirkes også av gjennomsnittlig effekt. Ved høye gjennomsnittlige effekter må det utvises forsiktighet for å oppnå tilstrekkelig avkjøling av elektrodene. Selv om anodtemperaturen er av lavere betydning, kan overoppheting av katoden i stor grad redusere lampens levetid.

Gasser og fylltrykk

Avhengig av størrelsen, typen og bruken av blitsrøret, kan gasspåfyllingstrykket variere fra noen få kilopascal til hundrevis av kilopascal (0,01–4,0 atmosfærer eller titalls til tusenvis av torr ). Generelt, jo høyere trykk, desto større utgangseffektivitet. Xenon brukes mest på grunn av sin gode effektivitet, og konverterer nesten 50% av elektrisk energi til lys. Krypton, derimot, er bare omtrent 40% effektiv, men ved lave strømmer er det en bedre match med absorpsjonsspekteret til Nd: YAG -lasere . En viktig faktor som påvirker effektiviteten er mengden gass bak elektrodene, eller "dødvolumet". Et høyere dødvolum fører til lavere trykkøkning under drift.

Operasjon

Dette er en høyhastighetsvideo av et xenon-blitsrør fanget med over 44 000 bilder i sekundet. Enkeltblinkpulsen i sakte film avslører en ladet gassoscillasjon.

Elektrodene til lampen er vanligvis koblet til en kondensator , som er ladet til en relativt høy spenning (vanligvis mellom 250 og 5000 volt), ved hjelp av en trinnvis transformator og en likeretter . Gassen har imidlertid ekstremt høy motstand , og lampen vil ikke lede strøm før gassen er ionisert . Når den er ionisert eller "utløst", vil det dannes en gnist mellom elektrodene, slik at kondensatoren kan utlades. Den plutselige strømmen av elektrisk strøm varmer gassen raskt til en plasmatilstand , der elektrisk motstand blir veldig lav. Det er flere metoder for å utløse.

Ekstern utløsning

Xenon -lysrør som brukes på smarttelefoner og kameraer, utløses vanligvis eksternt.

Ekstern utløsning er den vanligste operasjonsmetoden, spesielt for fotografisk bruk. Elektrodene lades til en spenning som er høy nok til å reagere på utløser, men under lampens selvblitsgrense. En ekstremt høy spenningspuls (vanligvis mellom 2000 og 150 000 volt), "triggerpulsen", påføres enten direkte på eller veldig nær glasshylsteret. (Vannkjølte blitsrør bruker noen ganger denne pulsen direkte på kjølevannet, og ofte også på huset til enheten, så det må utvises forsiktighet med denne typen systemer.) Den korte høyspentpulsen skaper et stigende elektrostatisk felt, som ioniserer gassen inne i røret. Kapasitansen til glasset kobler triggerpulsen inn i konvolutten, der den overskrider nedbrytningsspenningen til gassen som omgir den ene eller begge elektrodene, og danner gniststrømmer. Streamerne forplanter seg via kapasitans langs glasset med en hastighet på 1 centimeter på 60 nanosekunder (170 km/s). (En utløserpuls må ha en lang nok varighet til at en streamer kan nå den motsatte elektroden, ellers vil det oppstå uregelmessig utløsning.) Utløsningen kan forsterkes ved å bruke utløserpulsen på et "referanseplan", som kan ha formen av et metallbånd eller reflektor festet til glasset, en ledende maling eller en tynn tråd viklet rundt lampens lengde. Hvis kondensatorspenningen er større enn spenningsfallet mellom katoden og anoden, vil kondensatoren utlade seg gjennom den ioniserte gassen når den interne gniststrømmen bygger bro mellom elektrodene og varme opp xenon til en høy nok temperatur for utslippslyset.

Serier utløser

Et rubinlaserhode, montert og demontert, avslører pumpehulrummet, rubinstangen og to vannkjølte blitsrør.

Serieutløser er mer vanlig i kraftige, vannkjølte blitsrør, for eksempel de som finnes i lasere . Høyspenningsledningene til trigger-transformatoren er koblet til blitsrøret i serie, (den ene leder til en elektrode og den andre til kondensatoren), slik at blitsen beveger seg gjennom både transformatoren og lampen. Utløserpulsen danner en gnist inne i lampen, uten å utsette utløserspenningen på utsiden av lampen. Fordelene er bedre isolasjon, mer pålitelig utløsning og en bue som har en tendens til å utvikle seg langt unna glasset, men til en mye høyere pris. Den serieutløsende transformatoren fungerer også som en induktor . Dette bidrar til å kontrollere blitsens varighet, men forhindrer at kretsen brukes i svært raske utladningsprogrammer. Utløsningen kan vanligvis skje med en lavere spenning ved kondensatoren enn det som kreves for ekstern utløsning. Utløsertransformatoren blir imidlertid en del av blitskretsen, og kobler utløser-kretsen til blitsenergien. Fordi trigger-transformatoren har veldig lav impedans, må derfor transformatoren, utløser-kretsen og silisiumstyrt likeretter (SCR) kunne håndtere svært høye toppstrømmer, ofte over 1500 ampere.

Simmer-spenning utløser

En eksternt utløst 3,5 mikrosekundblits. Blitsen tømmes helt før lysbuen kan bevege seg bort fra glasset og fylle røret, noe som forårsaker overdreven slitasje på lampen.

Simmer-spenning utløser er den minst vanlige metoden. I denne teknikken blir ikke kondensatorspenningen i utgangspunktet påført elektrodene, men i stedet opprettholdes en høyspent gniststreamer mellom elektrodene. Den høye strømmen fra kondensatoren leveres til elektrodene ved hjelp av en tyristor eller et gnistgap . Denne typen utløsere brukes hovedsakelig i systemer med veldig rask stigningstid , vanligvis de som utlades i mikrosekundregimet, for eksempel brukt i høyhastighets, stop-motion fotografering eller fargelasere . Den ulmende gniststrømmen får buen til å utvikle seg i lampens eksakte sentrum, noe som øker levetiden dramatisk. Hvis ekstern utløsning brukes for ekstremt korte pulser, kan gniststrømmer fortsatt være i kontakt med glasset når full strømbelastning passerer gjennom røret, noe som forårsaker ablasjon av veggen , eller i ekstreme tilfeller, sprekker eller til og med eksplosjon av lampen. Men fordi veldig korte pulser ofte krever veldig høy spenning og lav kapasitans, for å forhindre at strømtettheten stiger for høyt, utløses noen mikrosekund-blitsrør ved ganske enkelt "overspenning", det vil si ved å påføre en spenning til elektrodene som er mye høyere enn lampens egenblits-terskel, ved hjelp av et gnistgap. Ofte brukes en kombinasjon av simmerspenning og overspenning.

Prepulsteknikker

Svært raske stigningstider oppnås ofte ved hjelp av en prepulsteknikk. Denne metoden utføres ved å levere en liten blits gjennom lampen like før hovedblitsen. Denne blitsen har mye lavere energi enn hovedblitsen (vanligvis mindre enn 10%) og leveres, avhengig av pulsvarigheten, bare noen få tusendeler til noen få milliondeler av et sekund før hovedblitsen. Prepulsen varmer gassen og produserer en svak, kortvarig etterglød som skyldes frie elektroner og ioniserte partikler som blir igjen etter at pulsen slår seg av. Hvis hovedblitsen startes før disse partiklene kan rekombinere, gir dette en god mengde ioniserte partikler som skal brukes av hovedblitsen. Dette reduserer økningstiden kraftig. Det reduserer også sjokkbølgen og lager mindre støy under drift, noe som øker lampens levetid enormt. Det er spesielt effektivt på applikasjoner med svært rask utladning, slik at buen kan ekspandere raskere og bedre fylle røret. Det brukes veldig ofte med simmerspenning og noen ganger med serietrigging, men sjelden brukt med ekstern utløsning. Prepulsteknikker brukes oftest ved pumping av fargelasere, noe som øker konverteringseffektiviteten sterkt . Imidlertid har det også vist seg å øke effektiviteten til andre lasere med lengre fluorescenslevetid (slik at lengre pulser), for eksempel Nd: YAG eller titansafir , ved å lage pulser med nesten firkantede bølgeformer .

Ablative lysrør

Ablative lysrør utløses av undertrykk. Ablative lysrør er vanligvis konstruert ved hjelp av kvartsrør og en eller begge elektrodene uthult, slik at en vakuumpumpe kan festes for å kontrollere gasstrykket. Elektrodene til lampen er koblet til en ladet kondensator, og deretter støvsuges gassen fra lampen. Når gassen når et lavt nok trykk (ofte bare noen få torr), er tilfeldig ioniserte partikler i stand til å akselerere til hastigheter som er tilstrekkelige til å begynne å kaste ut elektroner fra katoden når de påvirker overflaten, noe som resulterer i et Townsend-skred som får lampen til å -blits. Ved så lave trykk vil blitsens effektivitet normalt være veldig lav. På grunn av lavt trykk har imidlertid partiklene rom for å akselerere til svært høye hastigheter, og de magnetiske kreftene utvider buen slik at hoveddelen av plasmaet blir konsentrert på overflaten og bombarderer glasset. Bombardementet ablater (fordamper) store mengder kvarts fra den indre veggen. Denne ablasjonen skaper en plutselig, voldelig, lokalisert økning i lampens indre trykk, og øker blitsens effektivitet til svært høye nivåer. Ablasjonen forårsaker imidlertid omfattende slitasje på lampen, svekker glasset, og de trenger vanligvis utskifting etter en veldig kort levetid.

Ablative lysrør må fylles på igjen og støvsuges til riktig trykk for hver blits. Derfor kan de ikke brukes til applikasjoner med svært høy repetisjon. Dette forhindrer vanligvis også bruk av svært dyre gasser som krypton eller xenon. Den vanligste gassen som brukes i et ablativt lysrør er luft , selv om det noen ganger også brukes billig argon. Blitsen må vanligvis være veldig kort for å forhindre at for mye varme overføres til glasset, men blitsene kan ofte være kortere enn en vanlig lampe med sammenlignende størrelse. Blitsen fra et enkelt ablativt lysrør kan også være mer intens enn flere lamper. Av disse grunnene er den vanligste bruken av lampene for pumping av fargelasere.

Variabel pulsbreddekontroll

I tillegg kan en isolert gate bipolar transistor (IGBT) kobles i serie med både utløsertransformatoren og lampen, noe som muliggjør justerbare blitsvarigheter. En IGBT som brukes til dette formålet må vurderes for høy pulserende strøm, for å unngå skade på overstrøm på halvlederkrysset. Denne typen systemer brukes ofte i lasersystemer med høy gjennomsnittlig effekt, og kan produsere pulser fra 500 mikrosekunder til over 20 millisekunder. Den kan brukes med hvilken som helst av utløsningsteknikkene, som ekstern og serier, og kan produsere firkantbølgepulser. Den kan til og med brukes med simmerspenning for å produsere en "modulert" kontinuerlig bølgeutgang, med repetisjonshastigheter over 300 hertz. Med riktig stor boring, vannkjølt blitsrør, kan flere kilowatt gjennomsnittlig effekt oppnås.

Elektriske krav

De elektriske kravene til et blitsrør kan variere, avhengig av ønsket resultat. Den vanlige metoden er å først bestemme pulsvarigheten, maksimal energimengde som kan tolereres ved den varigheten (eksplosjonsenergi) og den sikre mengden driftsenergi. Velg deretter en strømtetthet som vil avgi ønsket spekter, og la lampens motstand bestemme den nødvendige kombinasjonen av spenning og kapasitans for å produsere den. Motstanden i blitsrør varierer sterkt, avhengig av trykk, form, dødvolum, strømtetthet, tid og blitsvarighet, og blir derfor vanligvis referert til som impedans . Det vanligste symbolet som brukes for lampeimpedans er K o , som uttrykkes som ohm per kvadratrot av ampere (ohm (ampere 0,5 ).

K o brukes til å beregne mengden inngangsspenning og kapasitans som er nødvendig for å avgi et ønsket spektrum, ved å kontrollere strømtettheten. K o bestemmes av lampens indre diameter, buelengde og gasstype og i mindre grad av fylltrykk. Motstanden i blitsrør er ikke konstant, men synker raskt når strømtettheten øker. I 1965, John H. Göncz, viser at plasma resistiviteten i flashtubes er omvendt proporsjonal med kvadratroten av strømtettheten. Etter hvert som buen utvikler seg, opplever lampen en periode med negativ motstand , noe som får både motstanden og spenningen til å falle når strømmen øker. Dette skjer til plasmaet kommer i kontakt med den indre veggen. Når dette skjer, blir spenningen proporsjonal med kvadratroten til strømmen, og motstanden i plasmaet blir stabil for resten av blitsen. Det er denne verdien som er definert som K o . Når buen utvikler seg, ekspanderer imidlertid gassen, og beregninger for K o tar ikke hensyn til dødvolumet, noe som fører til en lavere trykkøkning. Derfor er enhver beregning av K o bare en tilnærming til lampens impedans.

Utgangsspekter

Xenon

Xenon, som drives som et 'neonlys', består av en samling av hovedsakelig spektrale linjer, som mangler mye av kontinuumstrålingen som trengs for god fargegjengivelse .
Spektrallinjestråling fra en xenon -lommelykt. Selv om det er usynlig for det blotte øye, er det digitale kameraet i stand til å se de sterke IR -spektrallinjene, som fremstår som det blå lyset som reflekteres fra bordet.

Som med alle ioniserte gasser, avgir xenon -lysrør lys i forskjellige spektrale linjer . Dette er det samme fenomenet som gir neonskiltene sin karakteristiske farge. Neonskilt avgir imidlertid rødt lys på grunn av ekstremt lave strømtettheter sammenlignet med dem som ses i blitsrør, noe som favoriserer spektrale linjer med lengre bølgelengder. Høyere strømtetthet har en tendens til å favorisere kortere bølgelengder. Lyset fra xenon, i et neonskilt, er også ganske fiolett. Spekteret som slippes ut av lysrør er langt mer avhengig av strømtetthet enn av fylltrykk eller gasstype. Lav strømtetthet gir smale spektrallinjeavgivelser, mot en svak bakgrunn av kontinuerlig stråling. Xenon har mange spektrale linjer i UV, blå, grønn, rød og IR deler av spekteret. Lav strømtetthet gir en grønnblå blits, noe som indikerer fravær av betydelige gule eller oransje linjer. Ved lave strømtettheter vil det meste av xenons utgang ledes inn i de usynlige IR-spektrallinjene rundt 820, 900 og 1000 nm. Lav strømtetthet for blitsrør er generelt mindre enn 1000 A/cm 2 .

Høyere strømtetthet begynner å produsere kontinuumutslipp . Spektrallinjer utvides og blir mindre dominerende ettersom lyset produseres over spekteret, vanligvis topp, eller "sentrert", på en bestemt bølgelengde. Optimal utgangseffektivitet i det visuelle området oppnås ved en tetthet som favoriserer "grå kroppsstråling" (en bue som hovedsakelig produserer kontinuumstråling, men fremdeles er mest gjennomskinnelig for sitt eget lys; en effekt som ligner sollys når den passerer gjennom en sky) . For xenon er gråtonestråling sentrert nær grønt, og gir den riktige kombinasjonen for hvitt lys. Grå kroppsstråling produseres ved tettheter over 2400 A/cm 2 .

Strømtettheter som er svært høy, som nærmer seg 4000 A / m 2 , har en tendens til å favorisere svart-legeme stråling . Spektrale linjer forsvinner så godt som kontinuumstrålingen dominerer, og utgangssenteret forskyver seg mot ultrafiolett. Etter hvert som strømtettheten blir enda høyere, vil visuelt vil xenons utgangsspekter begynne å slå seg ned på en svart kroppsradiator med en fargetemperatur på 9800 kelvin (en ganske himmelblå nyanse av hvitt). Bortsett fra i tilfeller der det er behov for intens UV -lys, for eksempel dekontaminering av vann, er det vanligvis ikke ønskelig med svart kroppsstråling fordi buen blir ugjennomsiktig, og mye av strålingen fra lysbuen kan absorberes før den når overflaten, noe som svekker utgangseffektiviteten.

På grunn av sin høyeffektive, hvite utgang, brukes xenon mye til fotografiske applikasjoner, til tross for store kostnader. I lasere foretrekkes vanligvis spektrallinjeutslipp, ettersom disse linjene pleier å matche absorpsjonslinjene til lasermediene bedre. Krypton brukes også av og til, selv om det er enda dyrere. Ved lave strømtettheter er kryptons spektrallinjeutgang i nær-IR-området bedre tilpasset absorpsjonsprofilen til neodymbaserte lasermedier enn xenonemisjon, og matcher veldig tett den smale absorpsjonsprofilen til Nd: YAG. Ingen av xenons spektrallinjer samsvarer med Nd: YAGs absorpsjonslinjer, så når du pumper Nd: YAG med xenon, må kontinuumstrålingen brukes.

Krypton og andre gasser

Spektrale utganger av forskjellige gasser ved nåværende tetthet der visuell utgang nesten er lik IR. Krypton har svært få spektrale linjer i nær-IR, så mest energi blir ledet inn i to hovedtopper.
Argon blitslampe spektral linje stråling. Bordets tekstur avbryter lyset, slik at kameraet kan ta bilder av IR -linjene.

Alle gasser produserer spektrale linjer som er spesifikke for gassen, lagt over en bakgrunn av kontinuumstråling. Med alle gasser produserer lave strømtettheter hovedsakelig spektrale linjer, med den høyeste effekten konsentrert i nær-IR mellom 650 og 1000 nm. Kryptons sterkeste topper er rundt 760 og 810 nm. Argon har mange sterke topper ved 670, 710, 760, 820, 860 og 920 nm. Neon har topper rundt 650, 700, 850 og 880 nm. Etter hvert som strømtettheten blir høyere, vil produksjonen av kontinuumstråling øke mer enn spektrallinjestrålingen med en hastighet på 20% større, og utgangssenteret vil skifte mot det visuelle spekteret. Ved grå tetthet er det bare en liten forskjell i spekteret fra forskjellige gasser. Ved svært høy strømtetthet vil alle gasser begynne å fungere som radiatorer med svart kropp, med spektrale utganger som ligner en blå gigantisk stjerne, sentrert i UV.

Tyngre gasser viser høyere motstand, og har derfor en høyere verdi for K o . Impedans, som defineres som motstanden som kreves for å bytte energi til arbeid, er høyere for tyngre gasser, og som sådan er de tyngre gassene mye mer effektive enn de lettere. Helium og neon er altfor lette til å produsere en effektiv blits. Krypton kan være så god som 40% effektiv, men krever opptil 70% økning i trykket over xenon for å oppnå dette. Argon kan være opptil 30% effektiv, men krever en enda større trykkøkning. Ved slike høye trykk kan spenningsfallet mellom elektrodene, dannet av gniststreameren, være større enn kondensatorspenningen. Disse lampene trenger ofte en "boost-spenning" under triggerfasen for å overvinne den ekstremt høye triggerimpedansen.

Nitrogen , i form av luft, har blitt brukt i flashtubes i hjemmelagde fargelasere, men nitrogen og oksygen som dannes, danner kjemiske reaksjoner med elektrodene og seg selv, noe som forårsaker for tidlig slitasje og behovet for å justere trykket for hver blits.

Noen undersøkelser har blitt gjort for å blande gasser for å endre spektralutgang. Effekten på utgangsspekteret er ubetydelig, men effekten på effektiviteten er stor. Tilsetning av en lettere gass vil bare redusere effektiviteten til den tyngre.

Lett produksjon

Krypton bue plasma. Det mørke rommet nær anoden er fylt med frie elektroner som er fjernet fra nøytrale atomer, og ioniserer atomene. Ionene farer deretter vekk fra anoden og kolliderer med nøytrale atomer for å produsere lyset.

Når den nåværende pulsen beveger seg gjennom røret, ioniserer den atomene og får dem til å hoppe til høyere energinivåer. Tre typer partikler finnes i bueplasmaet, bestående av elektroner , positivt ioniserte atomer og nøytrale atomer . Til enhver tid under blitsen utgjør de ioniserte atomene mindre enn 1% av plasmaet og produserer alt avgitt lys. Når de rekombinerer med sine tapte elektroner, faller de umiddelbart tilbake til en lavere energistatus og frigjør fotoner i prosessen. Metodene for overføring av energi skjer på tre separate måter, kalt "bundet-bundet", "fri-bundet" og "fritt-fri" overganger.

I plasmaet akselererer positive ioner mot katoden mens elektronene akselererer mot anoden. Nøytrale atomer beveger seg mot anoden med en lavere hastighet, og fyller noen lokalisert differensial som skapes av ionene. Ved normalt trykk er denne bevegelsen på svært korte avstander, fordi partiklene interagerer og støter på hverandre, og når de utveksler elektroner, vender de retning. Således ioniserer og rekombinerer neutrale atomer under pulsen kontinuerlig og sender ut et foton hver gang, som videresender elektroner fra katoden til anoden. Jo større antall ionoverganger for hvert elektron; jo bedre konverteringseffektiviteten blir, så lengre rør eller høyere trykk bidrar begge til å øke lampens effektivitet. I løpet av pulsen, skinneffekten fører til frie elektroner for å samle nær den indre veggen, og skaper en elektron kappe rundt plasmaet. Dette gjør området elektro-negativt og bidrar til å holde det kjølig. Hudeffekten øker også induktansen ved å indusere virvelstrømmer i det sentrale plasmaet.

Innbundne overganger oppstår når ionene og nøytrale atomer kolliderer, og overfører et elektron fra atomet til ionet. Denne metoden dominerer ved lave strømtettheter, og er ansvarlig for å produsere spektrallinjeutslipp. Friebundne overganger skjer når et ion fanger et fritt elektron. Denne metoden gir kontinuumutslipp, og er mer fremtredende ved høyere strømtettheter. Noe av kontinuum produseres også når et elektron akselererer mot et ion, kalt fri-frie overganger, og produserer bremsstrahlung- stråling. Bremsstrahlung -stråling øker med økende energitetthet , og forårsaker et skifte mot den blå og ultrafiolette enden av spekteret.

Blitsens intensitet og varighet

En 85 joule, 3,5 mikrosekund blits. Selv om energinivået er moderat lavt, er elektrisk kraft ved så kort varighet 24 millioner watt. Med en ekstremt høy strømtetthet, en buetemperatur på 17.000 K (30.100 ° F) og utgang sentrert ved 170 nm (i fjern UV), er strålingen av svart kropp så intens at den ikke har noe problem å trenge inn i den ekstremt mørke, skyggen 10 sveiselinser som kameraet er bak.

Den eneste virkelige elektro grense for hvor kort puls kan være er det totale system- induktans , blant annet fra kondensatoren, ledninger, og lampen selv. Kortpulsblinker krever at all induktans minimeres. Dette gjøres vanligvis ved bruk av spesielle kondensatorer, de korteste ledningene som er tilgjengelige, eller elektriske ledninger med mye overflate, men tynne tverrsnitt. For ekstremt raske systemer kan aksialledninger med lav induktans, for eksempel kobberrør, plastkjernetråder eller til og med hule elektroder, brukes til å redusere totalinduktansen i systemet. Fargelasere trenger veldig korte pulser og bruker noen ganger aksiale blitsrør, som har et ringformet tverrsnitt med stor ytre diameter, ringformede elektroder og en hul indre kjerne, slik at både lavere induktans og fargestoff kan plasseres som en aksel gjennom midten av lampen.

I kontrast har endringer i inngangsspenningen eller kapasitansen ingen effekt på utladningstiden, selv om de har en effekt på strømtettheten. Etter hvert som blitsvarigheten reduseres, blir den elektriske energien konsentrert til kortere pulser, så nåværende tetthet vil øke. Å kompensere for dette krever vanligvis å senke kapasitansen etter hvert som pulsvarigheten reduseres, og deretter øke spenningen proporsjonalt for å opprettholde et høyt nok energinivå. Imidlertid, ettersom pulsvarigheten avtar, reduseres også lampen "eksplosjonsenergi", så må energinivået også reduseres for å unngå å ødelegge lampen.

Mengden kraftbelastning glasset kan håndtere er den viktigste mekaniske grensen. Selv om energimengden ( joule ) som brukes forblir konstant, vil elektrisk kraft ( watt ) øke i omvendt forhold til en nedgang i utladningstiden. Derfor må energien reduseres sammen med pulsvarigheten, for å forhindre at pulserende effektnivåer stiger for høyt. Kvartsglass (1 millimeter tykt per 1 sekund utladning) tåler vanligvis maksimalt 160 watt per kvadratcentimeter indre overflateareal. Andre briller har en mye lavere terskel. Ekstremt raske systemer, med induktans under kritisk demping (0,8 mikrohenries), krever vanligvis en shuntdiode over kondensatoren for å forhindre at strøm reversering (ringing) ødelegger lampen. Hvis pulsen får lov til å ringe gjennom lampen, vil den forlenge blitsen, slik at dioden fanger ringen, slik at lampen kan slås av på riktig tidspunkt.

Grensene for lange pulsvarigheter er antall overførte elektroner til anoden, sputter forårsaket av ionebombardement ved katoden og temperaturgradientene til glasset. For lange pulser kan fordampe store mengder metall fra katoden, mens overoppheting av glasset får det til å sprekke i lengderetningen. For kontinuerlig drift er kjøling grensen. Utladningstiden for vanlige flashtubes varierer fra 0,1 mikrosekund til titalls millisekunder , og kan ha gjentakelseshastigheter på hundrevis av hertz . Blitsvarigheten kan kontrolleres nøye ved bruk av en induktor .

Blitsen som kommer fra et xenon -blitsrør kan være så intens at det kan antenne brennbare materialer innen kort avstand fra røret. Karbon nanorør er spesielt utsatt for denne spontane antennelsen når de utsettes for lyset fra et blitsrør. Lignende effekter kan utnyttes til bruk i estetiske eller medisinske prosedyrer kjent som intens pulserende lys (IPL) behandlinger. IPL kan brukes til behandlinger som hårfjerning og ødeleggelse av lesjoner eller føflekker .

Livstid

Levetiden til et lysrør avhenger av både energinivået som brukes for lampen i forhold til dens eksplosjonsenergi, og av lampens pulsvarighet. Feil kan være katastrofale og få lampen til å knuses, eller de kan gradvis redusere lampens ytelse under en brukbar vurdering.

Katastrofal svikt

Katastrofal svikt kan oppstå fra to separate mekanismer: energi og varme . Når det brukes for mye energi i pulsvarigheten, kan det oppstå strukturelle svikt i glasshylsteret. Flashtubes produserer en lysbue flash i et glassrør. Etter hvert som buen utvikler seg, dannes en supersonisk sjokkbølge , som beveger seg radielt fra midten av buen og påvirker rørets indre vegg. Hvis energinivået er lavt nok, er det bare å tappe mot glasset. Imidlertid, hvis energinivået som brukes er lik "eksplosjonsenergien" for lampen, vil den støtende sjokkbølgen knekke glasset og ødelegge røret. Den resulterende eksplosjonen skaper en høy, sonisk sjokkbølge og kan kaste glass i flere meter. Eksplosjonsenergien beregnes ved å multiplisere lampens indre overflate mellom elektrodene, med glassets kapasitet. Effektbelastning bestemmes av glassets type og tykkelse, og avkjølingsmetoden som brukes. Effektbelastning måles i watt per centimeter i kvadrat. Fordi pulseffektnivået øker etter hvert som blitsens varighet avtar, må eksplosjonsenergien da reduseres i direkte forhold til kvadratroten av utladningstiden.

Svikt i varmen er vanligvis forårsaket av for lange pulsvarigheter, høye gjennomsnittlige effektnivåer eller utilstrekkelig elektrodestørrelse. Jo lengre puls; jo mer av dens intense varme vil bli overført til glasset. Når rørets indre vegg blir for varm mens ytterveggen fortsatt er kald, kan denne temperaturgradienten føre til at lampen sprekker. Tilsvarende, hvis elektrodene ikke har tilstrekkelig diameter til å håndtere toppstrømmene, kan de produsere for mye motstand, hurtig oppvarming og termisk ekspansjon . Hvis elektrodene varmer mye raskere enn glasset, kan lampen sprekke eller til og med knuses i endene.

Gradvis svikt

Flashtube katoder, som viser tidlige tegn på slitasje. Røret til venstre viser sprut, mens røret til høyre viser veggablasjon.

Jo nærmere et blitsrør opererer eksplosjonsenergien, desto større blir risikoen for katastrofal svikt. Ved 50% av eksplosjonsenergien kan lampen produsere flere tusen blink før den eksploderer. Ved 60% av eksplosjonsenergien vil lampen vanligvis svikte på mindre enn hundre. Hvis lampen brukes under 30% av eksplosjonsenergien, blir risikoen for katastrofal svikt veldig lav. Feilmetodene blir deretter de som reduserer utgangseffektiviteten og påvirker evnen til å utløse lampen. Prosessene som påvirker disse er sprut og ablasjon av den indre veggen.

Sputter oppstår når energinivået er veldig lavt, under 15% av eksplosjonsenergien, eller når pulsvarigheten er veldig lang. Sputter er fordampning av metall fra katoden, som deponeres på veggene i lampen og blokkerer lysutgangen. Fordi katoden er mer emissiv enn anoden , er blitsrøret polarisert, og å koble lampen til strømkilden feil vil ødelegge den raskt. Selv om den er riktig tilkoblet, kan graden av sputter variere betydelig fra lampe til lampe. Derfor er det umulig å forutsi levetiden nøyaktig ved lave energinivåer.

Ved høyere energinivåer blir veggablasjon hovedprosessen for slitasje. Den elektriske lysbuen tærer sakte på den indre veggen av røret og danner mikroskopiske sprekker som gir glasset et frostet utseende. Ablasjonen frigjør oksygen fra glasset, og øker trykket utover et brukbart nivå. Dette forårsaker utløsende problemer, kjent som " jitter ". Over 30%kan ablasjonen forårsake nok slitasje til å spre lampen. Ved energinivåer som er større enn 15%, kan levetiden imidlertid beregnes med en rimelig grad av nøyaktighet.

Når den drives under 30% av eksplosjonsenergien, er blitsrørets levetid vanligvis mellom noen få millioner til titalls millioner blinker.

applikasjoner

De 180 cm (18 fot) blitsrørene som ble brukt på laseren National Ignition Facility var noen av de største i kommersiell produksjon, og opererte med 30 kJ inngangsenergi per puls.
Et blitsrør (nedre halvdel av bildet) med en lengde på 380 cm, 372 cm lysbue, for gløding av underlaget.

Siden varigheten av blitsen som sendes ut av et xenon -blitsrør kan kontrolleres nøyaktig, og på grunn av lysets høye intensitet, brukes xenon -blitsrør ofte som fotografiske stroboskoplys . Xenon-lysrør brukes også i fotografering med svært høy hastighet eller "stop-motion" , som ble banebrytende av Harold Edgerton på 1930-tallet. Fordi de kan generere lys, oppsiktsvekk blinker med en forholdsvis liten, kontinuerlig inngangs av elektrisk kraft, er de også brukes i luftfartøyer varsellamper , varsellys , brannalarmvarslingsapparater ( horn strober ), luftfartøy antikollisjons beacons , og andre tilsvar applikasjoner.

I tannlegen brukes den i "lysboks" -enheter for å lysaktivere herding av forskjellige restorative og hjelpelysherdende harpikser (for eksempel: Megaflash mini, Uni XS og andre enheter).

På grunn av deres høye intensitet og relative lysstyrke ved korte bølgelengder (som strekker seg inn i ultrafiolett ) og korte pulsbredder, er også lysrør ideelt egnet som lyskilder for pumping av atomer i en laser til eksiterte tilstander hvor de kan stimuleres til å avgi koherent , monokromatisk lys . Riktig valg av både fyllgass og strømtetthet er avgjørende, slik at maksimal utstrålt utgangsenergi konsentreres i båndene som absorberes best av lasermediet ; f.eks. krypton flashtubes er mer egnet enn xenon flashtubes for pumping av Nd: YAG lasere , ettersom krypton -utslipp i nær infrarød er bedre tilpasset absorpsjonsspekteret til Nd: YAG.

Xenon -lysrør har blitt brukt til å produsere et intens blink av hvitt lys, hvorav noen absorberes av Nd: glass som produserer laserkraften for treghetsfusjon . Totalt blir om lag 1 til 1,5% av den elektriske effekten som mates inn i blitsrørene til nyttig laserlys for denne applikasjonen.

Pulserende lys (PL) er en teknikk for å dekontaminere overflater ved å drepe mikroorganismer ved hjelp av pulser med et intenst bredt spekter, rikt på UV-C-lys. UV-C er delen av det elektromagnetiske spekteret som tilsvarer båndet mellom 200 og 280 nm . Pulserende lys fungerer med xenonlamper som kan produsere blink flere ganger i sekundet. Desinfeksjonsroboter bruker pulserende UV -lys.

En nylig anvendelse av lommelykter er fotonisk herding .

Historie

Dette skyggediagrammet av en kule i supersonisk flyging ble tatt ved Edgerton Center (Strobe Alley, MIT), ved bruk av utslipp fra en høyhastighets blitsrør

Blitsrøret ble oppfunnet av Harold Edgerton på 1930 -tallet som et middel til å ta skarpe fotografier av objekter i bevegelse. Flashtubes ble i hovedsak brukt til strobelys i vitenskapelige studier, men etter hvert begynte å ta plassen til kjemiske og pulver lynlyspærer og flash lamper i mainstream fotografering.

Fordi det var mulig å lage elektriske buer som var mye raskere enn mekanisk lukkerhastighet, ble det tatt tidlige høyhastighetsfotografier med en åpen lysbueutladning, kalt gnistfotografering, som hjelper til med å fjerne uskarphet fra objekter i bevegelse. Dette ble vanligvis gjort med lukkeren låst åpen i et mørkt eller svakt opplyst rom, for å unngå å overeksponere filmen, og en metode for å ta blitsen til hendelsen som skal fotograferes. Den tidligste kjente bruken av gnistfotografering begynte med Henry Fox Talbot rundt 1850. I 1886 brukte Ernst Mach en friluftsgnist til å fotografere en kule i rask fart, og avslørte sjokkbølgene den produserte ved supersoniske hastigheter. Friluftsgnistsystemer var ganske enkle å bygge, men var omfangsrike, svært begrenset i lysytelse, og produserte høye lyder som kan sammenlignes med et skudd.

I 1927 bygde Harold Edgerton sin første blits mens han var ved Massachusetts Institute of Technology . Ønsket å fotografere bevegelsen til en motor i levende detaljer, uten uskarphet, bestemte Edgerton seg for å forbedre prosessen med gnistfotografering ved å bruke en kvikksølvbue-likeretter , i stedet for en friluftsutladning, for å produsere lyset. Han klarte å oppnå en blitsvarighet på 10 mikrosekunder, og var i stand til å fotografere motoren i bevegelse som om den var "frosset i tide".

Hans kollegas interesse for det nye blitsapparatet fikk snart Edgerton til å forbedre designet. Den kvikksølvlampe 's effektivitet var begrenset av den kuleste delen av lampen, forårsaker dem til å prestere bedre når det er veldig varmt, men dårlig når det er kaldt. Edgerton bestemte seg for å prøve edelgass i stedet, og følte at den ikke ville være like temperaturavhengig som kvikksølv, og i 1930 ansatte han General Electric -selskapet til å konstruere noen lamper ved hjelp av argon i stedet. Argonrørene var mye mer effektive, var mye mindre og kunne monteres i nærheten av en reflektor, og konsentrerte effekten. Langsomt begynte kameradesignere å legge merke til den nye teknologien og begynte å godta den. Edgerton mottok sin første store ordre på strobes fra Kodak -selskapet i 1940. Etterpå oppdaget han at xenon var den mest effektive av edelgassene, og produserte et spektrum som var veldig nær dagslys, og xenon -lysrør ble standard i de fleste store fotografier settene. Det var først på 1970 -tallet at strobeenheter ble bærbare nok til å brukes i vanlige kameraer.

I 1960, etter at Theodore Maiman oppfant rubin laser , en ny etterspørsel etter flashtubes begynte for bruk i lasere, og ny interesse ble tatt i studiet av lampene.

Sikkerhet

Denne kondensatoren på 525 joule er en av et par tilpasset for bruk i en rubinlaser, og har en advarsel om dens dødelige lagringskapasitet. En motstand er koblet mellom terminalene for å forhindre at kondensatoren beholder en farlig ladning når den ikke er i drift.

Flashtubes opererer ved høye spenninger , med strømmer som er høye nok til å være dødelige. Under visse forhold har sjokker så lave som 1 joule blitt rapportert å være dødelige. Energien lagret i en kondensator kan forbli overraskende lenge etter at strømmen er koblet fra. Et blitsrør vil vanligvis stenge før kondensatoren er helt tømt, og den kan gjenvinne en del av ladningen gjennom en prosess som kalles " dielektrisk absorpsjon ". I tillegg kan noen typer ladesystemer være like dødelige selv. Utløserspenningen kan gi et smertefullt sjokk, vanligvis ikke nok til å drepe, men som ofte kan skremme en person til å støte eller berøre noe farligere. Når en person blir ladet for høye spenninger, kan en gnist hoppe og levere den høye kondensatorstrømmen uten å berøre noe.

Flashtubes opererer ved høyt trykk og er kjent for å eksplodere og forårsaker voldsomme sjokkbølger. "Eksplosjonsenergien" til et blitsrør (mengden energi som vil ødelegge det på bare noen få blink) er godt definert, og for å unngå katastrofal svikt anbefales det at ikke mer enn 30% av eksplosjonsenergien brukes. Flashtubes skal være skjermet bak glass eller i et reflektorhulrom. Hvis ikke, bør du bruke øye- og ørevern.

Flashtubes produserer svært intense blitser, ofte raskere enn øyet kan registrere, og ser kanskje ikke så lyse ut som de er. Kvartsglass vil overføre nesten all lang- og kortbølge UV, inkludert bakteriedrepende bølgelengder, og kan være en alvorlig fare for øyne og hud. Denne ultrafiolette strålingen kan også produsere store mengder ozon , som kan være skadelig for mennesker, dyr og utstyr.

Mange kompaktkameraer lader blits-kondensatoren umiddelbart etter oppstart, og noen til og med bare ved å sette inn batteriene. Bare å sette batteriet inn i kameraet kan føre kondensatoren til å bli farlig eller i det minste ubehagelig i opptil flere dager. Energien som er involvert er også ganske betydelig; en 330 mikrofarad kondensator ladet til 300 volt (vanlige ballpark -verdier som finnes i kameraer) lagrer nesten 15 joule energi.

Populær kultur

I boken The Andromeda Strain fra 1969 og film fra 1971 ble spesialisert eksponering for et xenon -blitsapparat brukt til å brenne av de ytre epitelagene på menneskelig hud som et antiseptisk tiltak for å eliminere all mulig bakteriell tilgang for personer som arbeider i et ekstremt, ultraclean miljø. (Boken brukte begrepet 'ultraflash'; filmen identifiserte apparatet som en 'xenon -blits'.)

Animasjon

Spiralformet xenon -blitsrør blir avfyrt

Ramme 1: Røret er mørkt.

Ramme 2: Utløserpulsen ioniserer gassen og lyser med et svakt, blått lys. Gniststrømmer dannes fra hver elektrode og beveger seg mot hverandre langs glassrørets indre overflate.

Ramme 3: Spark streamers kobles til og beveger seg bort fra glasset, og en plasmatunnel dannes slik at ampere kan stige.

Ramme 4: Kondensatorstrøm begynner å løpe, og oppvarmer det omkringliggende xenon.

Ramme 5: Etter hvert som motstanden reduserer spenningsfall og strøm fyller røret, oppvarmer xenonet til en plasmatilstand.

Ramme 6: Fullstendig oppvarmet, motstand og spenning stabiliserer seg til en lysbue og full strømbelastning siver gjennom røret, noe som får xenon til å avgi et lysinnbrudd.

Se også

Referanser

Eksterne linker