Импульсные лампы: устройство и применение

Введение

Некогерентный источник света

Импульсная лампа (флеш-лампа) — это электрическая дуговая лампа, предназначенная для генерации чрезвычайно интенсивного, некогерентного, полного спектра белого света в течение очень короткого времени. Импульсная лампа представляет собой стеклянную трубку с электродом на каждом конце, заполненную газом, который при возбуждении ионизируется и проводит высоковольтный импульс для создания света. Импульсные лампы наиболее широко используются в фотографии, а также в науке, медицине, промышленности и сфере развлечений.

Строительство

Лампа состоит из герметично запаянной стеклянной трубки, заполненной инертным газом, обычно ксеноном, и электродов для пропускания электрического тока через газ. Кроме того, для ионизации газа и запуска разряда необходим источник высокого напряжения. Для обеспечения очень быстрой подачи очень высокого электрического тока при срабатывании лампы обычно используется заряженный конденсатор, накапливающий энергию для вспышки.

Стеклянные конверты

Стеклянная оболочка чаще всего представляет собой тонкую трубку, изготовленную из кварцевого стекла, боросиликатного стекла или Pyrex, которая может быть прямой или изогнута в различные формы, включая спиральную, U-образную и круглую (для окружения объектива камеры при бесследовой фотографии – "кольцевые вспышки"). В некоторых применениях нежелательно излучение ультрафиолетового света, будь то из-за образования озона, повреждения лазерных стержней, разрушения пластика или других негативных последствий. В этих случаях используется легированное кварцевое стекло. Легирование диоксидом титана позволяет получать различные длины волн отсечки в ультрафиолетовом диапазоне, однако материал подвержен соляризации; он часто применяется в медицинских и лампах для соляриев, а также в некоторых нелазерных лампах. Более предпочтительной альтернативой является кварц, легированный церием; он не подвержен соляризации и обладает более высокой эффективностью, поскольку часть поглощенного ультрафиолета переизлучается в видимый спектр посредством флуоресценции. Его длина волны отсечки составляет около 380 нм. Напротив, когда требуется ультрафиолетовое излучение, в качестве оболочки используется синтетический кварц; это самый дорогой материал, но он не подвержен соляризации, а его предел – 160 нм. Существует несколько методов инициации.

Внешний запуск

Внешнее срабатывание является наиболее распространенным методом работы, особенно при использовании в фотографии. Электроды заряжаются до напряжения, достаточно высокого для реагирования на запуск, но ниже порога самопроизвольного зажигания лампы. Импульс чрезвычайно высокого напряжения (обычно от 2000 до 150 000 вольт), называемый "приводным импульсом", подается непосредственно на стеклянную колбу или очень близко к ней. (Водяноохлаждаемые лампы-вспышки иногда подают этот импульс непосредственно в охлаждающую воду, а часто и на корпус устройства, поэтому с такой системой необходимо соблюдать осторожность.) Короткий импульс высокого напряжения создает нарастающее электростатическое поле, которое ионизирует газ внутри лампы. Емкость стекла связывает приводной импульс с колбой, где он превышает напряжение пробоя газа, окружающего один или оба электрода, формируя искровые разряды. Эти разряды распространяются по емкости вдоль стекла со скоростью 1 сантиметр за 60 наносекунд (170 км/с). (Приводной импульс должен иметь достаточную длительность, чтобы один разряд достиг противоположного электрода, иначе запуск будет нерегулярным.) Запуск можно усилить, подавая приводной импульс на "плоскость сравнения", которая может быть выполнена в виде металлической полосы или отражателя, прикрепленного к стеклу, проводящей краски или тонкой проволоки, обернутой вокруг лампы. Если напряжение конденсатора превышает падение напряжения между катодом и анодом, то при замыкании внутренних искровых разрядов между электродами конденсатор разрядится через ионизированный газ, нагревая ксенон до температуры, достаточной для излучения света. При использовании внешнего запуска для чрезвычайно коротких импульсов искровые разряды могут все еще контактировать со стеклом, когда через лампу проходит полный ток, вызывая абляцию стенок или, в крайних случаях, трещины или даже взрыв лампы. Однако, поскольку для очень коротких импульсов часто требуется очень высокое напряжение и низкая емкость, чтобы не допустить чрезмерного повышения плотности тока, некоторые микросекундные лампы-вспышки запускаются простым "повышением напряжения", то есть путем подачи на электроды напряжения, значительно превышающего порог самопроизвольного зажигания лампы, с использованием искрового промежутка. Часто используется комбинация поддерживающего напряжения и повышенного напряжения.

External triggering is the most common method of operation, especially for photographic use. The electrodes are charged to a voltage high enough to respond to triggering, but below the lamp's self flash threshold. An extremely high voltage pulse, (usually between 2000 and 150,000 volts), the "trigger pulse", is applied either directly to or very near the glass envelope. (Water cooled flashtubes sometimes apply this pulse directly to the cooling water, and often to the housing of the unit as well, so care must be taken with this type of system.) The short, high voltage pulse creates a rising electrostatic field, which ionizes the gas inside the tube. The capacitance of the glass couples the trigger pulse into the envelope, where it exceeds the breakdown voltage of the gas surrounding one or both of the electrodes, forming spark streamers. The streamers propagate via capacitance along the glass at a speed of 1 centimeter in 60 nanoseconds (170 km/s). (A trigger pulse must have a long enough duration to allow one streamer to reach the opposite electrode, or erratic triggering will result.) The triggering can be enhanced by applying the trigger pulse to a "reference plane", which may be in the form of a metal band or reflector affixed to the glass, a conductive paint, or a thin wire wrapped around the length of the lamp. If the capacitor voltage is greater than the voltage drop between the cathode and the anode, when the internal spark streamers bridge the electrodes the capacitor will discharge through the ionized gas, heating the xenon to a high enough temperature for the emission light. If external triggering is used for extremely short pulses, the spark streamers may still be in contact with the glass when the full current load passes through the tube, causing wall ablation, or in extreme cases, cracking or even explosion of the lamp. However, because very short pulses often call for very high voltage and low capacitance, to keep the current density from rising too high, some microsecond flashtubes are triggered by simply "over volting", that is, by applying a voltage to the electrodes which is much higher than the lamp's self flash threshold, using a spark gap. Often, a combination of simmer voltage and over volting is used.

Отливные лампы

Аблативные флеш-трубы запускаются путем понижения давления. Обычно аблативные флеш-трубы изготавливаются из кварцевых трубок с одним или обоими электродами, имеющими полость, что позволяет подключить вакуумный насос для контроля давления газа. Электроды лампы подключаются к заряженному конденсатору, после чего из лампы откачивается газ. Когда давление газа достигает достаточно низкого значения (часто всего несколько торр), случайные ионизированные частицы могут ускоряться до скоростей, достаточных для выбивания электронов из катода при столкновении с его поверхностью, что приводит к таунсендовской лавине и самопроизвольной вспышке лампы. При таком низком давлении эффективность вспышки обычно была бы очень низкой. Однако, благодаря низкому давлению, частицы могут разгоняться до очень высоких скоростей, а магнитные силы расширяют дугу таким образом, что основная часть плазмы концентрируется на поверхности, бомбардируя стекло. Эта бомбардировка вызывает абляцию (испарение) большого количества кварца с внутренней стенки. Абляция создает внезапное, сильное, локализованное увеличение внутреннего давления в лампе, повышая эффективность вспышки до очень высоких уровней. Однако абляция приводит к значительному износу лампы, ослабляя стекло, и обычно требуется ее замена после очень короткого срока службы. Аблятивные флеш-трубы необходимо повторно заполнять и откачивать до нужного давления перед каждой вспышкой. Поэтому они не подходят для применений с очень высокой частотой повторения. Кроме того, это обычно исключает использование очень дорогих газов, таких как криптон или ксенон. Наиболее распространенным газом, используемым в аблятивной флеш-трубе, является воздух, хотя иногда также используется дешевый аргон. Вспышка обычно должна быть очень короткой, чтобы предотвратить передачу слишком большого количества тепла стеклу. Однако, поскольку почти вся плазма концентрируется на поверхности, лампы имеют очень низкую индуктивность, и вспышки часто могут быть короче, чем у обычной лампы аналогичного размера. Вспышка от одной аблятивной лампы также может быть более интенсивной, чем от нескольких ламп. По этим причинам наиболее распространенным применением этих ламп является накачка красителей для лазеров.

Ablative flashtubes are triggered by under pressurizing. Ablative flashtubes are typically constructed using quartz tubing and one or both electrodes hollowed out, allowing a vacuum pump to be attached to control the gas pressure. The electrodes of the lamp are connected to a charged capacitor, and then the gas is vacuumed from the lamp. When the gas reaches a low enough pressure (often just a few torr) randomly ionized particles are able to accelerate to velocities sufficient to begin ejecting electrons from the cathode as they impact its surface, resulting in a Townsend avalanche that causes the lamp to self flash. At such low pressures, the efficiency of the flash would normally be very low. However, because of the low pressure, the particles have room to accelerate to very high speeds, and the magnetic forces expand the arc so that the bulk of its plasma becomes concentrated at the surface, bombarding the glass. The bombardment ablates (vaporizes) large amounts of quartz from the inner wall. This ablation creates a sudden, violent, localized increase in the internal pressure of the lamp, increasing the efficiency of the flash to very high levels. The ablation, however, causes extensive wear to the lamp, weakening the glass, and they typically need replacement after a very short lifetime. Ablative flashtubes need to be refilled and vacuumed to the proper pressure for each flash. Therefore, they cannot be used for very high repetition applications. Also, this usually precludes the use of very expensive gases like krypton or xenon. The most common gas used in an ablative flashtube is air, although sometimes cheap argon is also used. The flash usually must be very short to prevent too much heat from transferring to the glass. However, because nearly all the plasma is concentrated at the surface, the lamps have very low inductance and flashes can often be shorter than a normal lamp of comparative size. The flash from a single ablative flashtube can also be more intense than multiple lamps. For these reasons, the most common use for the lamps is for the pumping of dye lasers.

Регулирование переменной ширины импульса

Кроме того, изолированный биполярный транзистор с затвором (IGBT) может быть включен последовательно как с трансформатором запуска, так и с лампой, что делает возможной регулировку длительности вспышки. IGBT, используемый для этой цели, должен быть рассчитан на высокий импульсный ток, чтобы избежать повреждения полупроводникового перехода из-за перегрузки по току. Свет ксенона, например в неоновой вывеске, также имеет выраженный фиолетовый оттенок. Спектр, излучаемый импульсными лампами, гораздо сильнее зависит от плотности тока, чем от давления газа или его типа. Низкая плотность тока приводит к узкому спектральному излучению на фоне слабого непрерывного спектра. Ксенон имеет множество спектральных линий в УФ-, синей, зеленой, красной и ИК-областях спектра. Низкая плотность тока создает зеленовато-голубую вспышку, что свидетельствует об отсутствии значительных желтых или оранжевых линий. При низкой плотности тока большая часть излучения ксенона направляется в невидимые ИК-спектральные линии в диапазоне 820, 900 и 1000 нм. Благодаря высокой эффективности и белому излучению ксенон широко используется в фотографических приложениях, несмотря на его высокую стоимость. В лазерах обычно предпочтительнее спектральное линейчатое излучение, поскольку эти линии, как правило, лучше соответствуют линиям поглощения активной среды лазера. Криптон также иногда применяется. При низкой плотности тока спектральное излучение криптона в ближней ИК-области лучше соответствует профилю поглощения неодимовых лазерных сред, чем излучение ксенона, и очень близко соответствует узкому профилю поглощения Nd:YAG. Ни одна из спектральных линий ксенона не совпадает с линиями поглощения Nd:YAG, поэтому при накачке Nd:YAG ксеноном необходимо использовать непрерывный спектр излучения.

Криптоны и другие газы

Все газы производят спектральные линии, специфичные для данного газа, наложенные на фон непрерывного излучения. Для всех газов низкие плотности тока генерируют преимущественно спектральные линии, при этом максимальная мощность сосредоточена в ближней инфракрасной области между 650 и 1000 нм. Наиболее интенсивные пики криптона находятся в районе 760 и 810 нм. Аргон имеет множество сильных пиков на длинах волн 670, 710, 760, 820, 860 и 920 нм. У неона пики расположены около 650, 700, 850 и 880 нм. Азот, в форме воздуха, использовался в импульсных лампах самодельных красителей, однако присутствующий азот и кислород вступают в химические реакции с электродами и друг с другом, вызывая преждевременный износ и необходимость регулировки давления для каждого импульса. Проводились исследования по смешиванию газов с целью изменения спектрального состава излучения. Влияние на выходной спектр незначительно, но влияние на эффективность значительно. Добавление более легкого газа лишь снижает эффективность более тяжелого газа. Внутри плазмы положительные ионы ускоряются к катоду, а электроны – к аноду. Нейтральные атомы перемещаются к аноду с меньшей скоростью, заполняя локальные перепады давления, создаваемые ионами. При нормальном давлении это перемещение происходит на очень коротких расстояниях, поскольку частицы взаимодействуют и сталкиваются друг с другом, обмениваясь электронами и меняя направление движения. Таким образом, в течение импульса нейтральные атомы постоянно ионизируются и рекомбинируют, излучая фотон при каждом процессе, передавая электроны от катода к аноду. Чем больше число ионных переходов на каждый электрон, тем выше эффективность преобразования, поэтому более длинные трубки или более высокое давление способствуют увеличению эффективности лампы. Во время импульса скин-эффект приводит к концентрации свободных электронов вблизи внутренней стенки, формируя электронную оболочку вокруг плазмы. Это делает область электроотрицательной и способствует ее охлаждению. Скин-эффект также увеличивает индуктивность, индуцируя вихревые токи в центральной плазме. Переходы "связано-связано" происходят при столкновении ионов и нейтральных атомов, в результате чего электрон переходит от атома к иону. Этот механизм преобладает при низких плотностях тока и отвечает за генерацию спектральных линий излучения. Переходы "свободно-связано" происходят, когда ион захватывает свободный электрон. Этот механизм создает непрерывное излучение и становится более выраженным при более высоких плотностях тока. Часть континуума также образуется при ускорении электрона к иону, что называется переходом "свободно-свободно" и приводит к возникновению тормозного излучения. Интенсивность тормозного излучения возрастает с увеличением плотности энергии и вызывает сдвиг спектра в сторону синего и ультрафиолетового диапазонов. Аналогичные эффекты могут быть использованы в эстетических или медицинских процедурах, известных как интенсивный импульсный свет (IPL). IPL применяется для таких процедур, как удаление волос и уничтожение новообразований или родинок.

All gases produce spectral lines which are specific to the gas, superimposed on a background of continuum radiation. With all gases, low current densities produce mostly spectral lines, with the highest output being concentrated in the near IR between 650 and 1000 nm. Krypton's strongest peaks are around 760 and 810 nm. Argon has many strong peaks at 670, 710, 760, 820, 860, and 920 nm. Neon has peaks around 650, 700, 850, and 880 nm. Nitrogen, in the form of air, has been used in flashtubes in home made dye lasers, but the nitrogen and oxygen present form chemical reactions with the electrodes, and themselves, causing premature wear and the need to adjust the pressure for each flash. Some research has been done on mixing gases to alter the spectral output. The effect on the output spectrum is negligible, but the effect on efficiency is great. Adding a lighter gas will only reduce the efficiency of the heavier one. Within the plasma, positive ions accelerate toward the cathode while electrons accelerate toward the anode. Neutral atoms move toward the anode at a slower rate, filling some localized pressure differential created by the ions. At normal pressures this motion is in very short distances, because the particles interact and bump into each other, and, exchanging electrons, they reverse direction. Thus, during the pulse neutral atoms are constantly ionizing and recombining, emitting a photon each time, relaying electrons from the cathode to the anode. The greater the number of ion transitions for each electron; the better the conversion efficiency will be, so longer tubes or higher pressures both help increase the efficiency of the lamp. During the pulse, skin effect causes free electrons to gather near the inner wall, creating an electron sheath around the plasma. This makes the area electro negative and helps to keep it cool. The skin effect also increases inductance by inducing eddy currents in the central plasma. Bound bound transitions occur when the ions and neutral atoms collide, transferring an electron from the atom to the ion. This method predominates at low current densities, and is responsible for producing the spectral line emission. Free bound transitions happen when an ion captures a free electron. This method produces the continuum emission, and is more prominent at higher current densities. Some of the continuum is also produced when an electron accelerates toward an ion, called free free transitions, producing bremsstrahlung radiation. Bremsstrahlung radiation increases with increasing energy density, and causes a shift toward the blue and ultraviolet end of the spectrum. Similar effects may be exploited for use in aesthetic or medical procedures known as intense pulsed light (IPL) treatments. IPL can be used for treatments such as hair removal and destroying lesions or moles.

Время жизни

Срок службы лампы-вспышки зависит как от уровня энергии, используемого для лампы пропорционально её энергии взрыва, так и от длительности импульса лампы. Выход из строя может быть катастрофическим, приводя к разрушению лампы, или постепенным, снижая её производительность ниже допустимого уровня. Выход из строя из-за перегрева обычно вызван чрезмерно длительной длительностью импульса, высокой средней мощностью или недостаточным размером электрода. Чем длиннее импульс, тем больше его интенсивного тепла передается стеклу. Когда внутренняя стенка трубки становится слишком горячей, а внешняя стена остается холодной, этот температурный градиент может привести к образованию трещин в лампе. Аналогично, если электроды имеют недостаточный диаметр для обработки пиковых токов, они могут создавать слишком большое сопротивление, быстро нагреваться и термически расширяться. Если электроды нагреваются значительно быстрее стекла, лампа может треснуть или даже разбиться на концах. Поскольку длительность вспышки, излучаемой ксеноновой лампой-вспышкой, может быть точно контролирована, а также благодаря высокой интенсивности света, ксеноновые лампы-вспышки обычно используются в качестве импульсных ламп для фотосъемки. Ксеноновые лампы-вспышки также применяются в высокоскоростной или "стоп-моушн" фотографии, пионером которой в 1930-х годах был Гарольд Эджертон. Благодаря способности генерировать яркие, привлекающие внимание вспышки при относительно небольшом постоянном потреблении электроэнергии, они также используются в предупредительных огнях для самолетов, аварийном освещении транспортных средств, пожарных извещателях (стробоскопических сигналах), противостолкновенных маяках для самолетов и других подобных областях. В стоматологии они применяются в устройствах "световой коробки" для световой активации полимеризации различных пломбировочных и вспомогательных светоотверждаемых смол (например, Megaflash mini, Uni XS и других устройств). Благодаря высокой интенсивности и относительной яркости на коротких длинах волн (вплоть до ультрафиолетового диапазона) и короткой длительности импульса, лампы-вспышки также идеально подходят в качестве источников света для накачки атомов в лазере в возбужденное состояние, где они могут быть стимулированы к излучению когерентного монохроматического света. Правильный выбор как рабочего газа, так и плотности тока имеет решающее значение для того, чтобы максимальная излучаемая выходная энергия концентрировалась в полосах, которые наилучшим образом поглощаются лазерной средой; например, криптоновые лампы-вспышки более подходят, чем ксеноновые, для накачки Nd:YAG лазеров, поскольку криптоновое излучение в ближнем инфракрасном диапазоне лучше соответствует спектру поглощения Nd:YAG. Ксеноновые лампы-вспышки используются для получения интенсивной вспышки белого света, часть которого поглощается Nd-стеклом, которое генерирует лазерную мощность для инерционного термоядерного синтеза. В общей сложности около 1–1,5% электрической энергии, подаваемой в лампы-вспышки, преобразуется в полезный лазерный свет для этой цели. Импульсный свет (ИП) – это метод дезинфекции поверхностей путем уничтожения микроорганизмов с помощью импульсов интенсивного широкого спектра, богатого УФ-С излучением. УФ-С – это часть электромагнитного спектра, соответствующая диапазону длин волн от 200 до 280 нм. Импульсный свет работает с ксеноновыми лампами, которые могут генерировать вспышки несколько раз в секунду. Дезинфекционные роботы используют импульсный УФ-свет. Недавнее применение ламп-вспышек – фотонное отверждение.

The lifetime of a flashtube depends on both the energy level used for the lamp in proportion to its explosion energy, and on the pulse duration of the lamp. Failures can be catastrophic, causing the lamp to shatter, or they can be gradual, reducing the performance of the lamp below a usable rating. Failure from heat is usually caused by excessively long pulse durations, high average power levels, or inadequate electrode size. The longer the pulse; the more of its intense heat will be transferred to the glass. When the inner wall of the tube gets too hot while the outer wall is still cold, this temperature gradient can cause the lamp to crack. Similarly, if the electrodes are not of a sufficient diameter to handle the peak currents they may produce too much resistance, rapidly heating up and thermally expanding. If the electrodes heat much faster than the glass, the lamp may crack or even shatter at the ends.]] As the duration of the flash that is emitted by a xenon flashtube can be accurately controlled, and due to the high intensity of the light, xenon flashtubes are commonly used as photographic strobe lights. Xenon flashtubes are also used in very high speed or "stop motion" photography, which was pioneered by Harold Edgerton in the 1930s. Because they can generate bright, attention getting flashes with a relatively small, continuous input of electrical power, they are also used in aircraft warning lights, emergency vehicle lighting, fire alarm notification appliances (horn strobes), aircraft anticollision beacons, and other similar applications. In dentistry it is used in "light box" devices to light activate the hardening of various restorative and auxiliary light curing resins (for example: Megaflash mini, Uni XS and other devices). Due to their high intensity and relative brightness at short wavelengths (extending into the ultraviolet) and short pulse widths, flashtubes are also ideally suited as light sources for pumping atoms in a laser to excited states where they can be stimulated to emit coherent, monochromatic light. Proper selection of both the filler gas and current density is crucial, so that the maximum radiated output energy is concentrated in the bands that are the best absorbed by the lasing medium; e. g. krypton flashtubes are more suitable than xenon flashtubes for pumping Nd:YAG lasers, as krypton emission in near infrared is better matched to the absorption spectrum of Nd:YAG. Xenon flashtubes have been used to produce an intense flash of white light, some of which is absorbed by Nd:glass that produces the laser power for inertial confinement fusion. In total about 1 to 1.5% of the electrical power fed into the flashtubes is turned into useful laser light for this application. Pulsed light (PL) is a technique to decontaminate surfaces by killing microorganisms using pulses of an intense broad spectrum, rich in UV C light. UV C is the portion of the electromagnetic spectrum corresponding to the band between 200 and 280 nm. Pulsed light works with xenon lamps that can produce flashes several times per second. Disinfection robots use pulsed UV light. A recent application of flashlamps is photonic curing.

История

Флеш-труба была изобретена Гарольдом Эджертоном в 1930-х годах как способ получения четких снимков движущихся объектов. Флеш-трубы в основном использовались для стробоскопических ламп в научных исследованиях, но со временем стали заменять химические и порошковые лампы-вспышки и импульсные лампы в обычной фотографии. Поскольку электрические дуги могли создаваться быстрее, чем механическая выдержка затвора, первые высокоскоростные фотографии делались с помощью открытого электрического дугового разряда, известного как искровая фотография, что позволяло устранить размытие движущихся объектов. Обычно это делалось с затвором, зафиксированным в открытом положении, в темной или слабо освещенной комнате, чтобы избежать переэкспонирования пленки, и с использованием метода синхронизации вспышки с моментом съемки. Самое раннее известное применение искровой фотографии относится к Генри Фоксу Талботу, примерно к 1850 году. Искровые системы с открытым воздухом были относительно просты в изготовлении, но громоздки, имели ограниченную световую отдачу и производили громкий звук, сопоставимый с выстрелом. Многие компактные камеры заряжают конденсатор вспышки сразу после включения, а некоторые – даже при установке батарей. Простое вставление батареи в камеру может привести к тому, что конденсатор окажется под напряжением и станет опасным или, по крайней мере, неприятным в течение нескольких дней. Количество энергии, задействованное в этом процессе, также значительно: конденсатор емкостью 330 микрофарад, заряженный до 300 вольт (типичные значения для камер), накапливает почти 15 джоулей энергии.

Анимация

Кадр 1: Трубка темная. Кадр 2: Импульс запуска ионизирует газ, который светится слабым синим светом. От каждого электрода формируются искровые разряды, движущиеся навстречу друг другу по внутренней поверхности стеклянной трубки. Кадр 3: Искровые разряды соединяются и отрываются от стекла, формируя плазменный канал, позволяющий току нарастать. Кадр 4: Ток конденсатора начинает неконтролируемо возрастать, нагревая окружающий ксенон. Кадр 5: По мере уменьшения сопротивления напряжение падает, и ток заполняет трубку, нагревая ксенон до состояния плазмы. Кадр 6: После полного нагрева сопротивление и напряжение стабилизируются, образуя дугу, и весь ток проходит через трубку, заставляя ксенон излучать вспышку света.