Blixtrör
Ett blixtrör ( blixtlampa ) är en elektrisk ljusbågslampa designad för att producera extremt intensivt, osammanhängande , fullspektrum vitt ljus under en mycket kort tid. Ett blixtrör är ett glasrör med en elektrod i varje ände och är fylld med en gas som, när den utlöses, joniserar och leder en högspänningspuls för att göra ljus. Blixtrör används mest inom fotografering; de används också inom vetenskap, medicin, industri och underhållning.
Konstruktion
Lampan består av ett hermetiskt tillslutet glasrör , som är fyllt med en ädelgas , vanligtvis xenon , och elektroder för att leda elektrisk ström till gasen. Dessutom är en högspänningskraftkälla nödvändig för att aktivera gasen som en triggerhändelse. En laddad kondensator används vanligtvis för att leverera energi till blixten, för att möjliggöra mycket snabb leverans av mycket hög elektrisk ström när lampan utlöses.
Glaskuvert
Glashöljet är oftast ett tunt rör, ofta gjort av smält kvarts , borosilikat eller Pyrex , som kan vara rakt eller böjt till ett antal olika former, inklusive spiralformad, "U"-form och cirkulär (för att omge en kameralins för skuggfri fotografering —' ringblixtar '). I vissa applikationer är emissionen av ultraviolett ljus oönskad, oavsett om det beror på produktion av ozon , skador på laserstavar, nedbrytning av plast eller andra skadliga effekter. I dessa fall används en dopad smält kiseldioxid. Doping med titandioxid kan ge olika gränsvåglängder på den ultravioletta sidan, men materialet lider av solarisering ; det används ofta i medicinska lampor och solstrålelampor och vissa icke-laserlampor. Ett bättre alternativ är en ceriumdopad kvarts; den lider inte av solarisering och har högre effektivitet, eftersom en del av den absorberade ultravioletta strålen återbestrålas som synlig via fluorescens . Dess cutoff är vid cirka 380 nm. Omvänt, när ultraviolett är påkallat, används en syntetisk kvarts som hölje; det är det dyraste av materialen, men det är inte mottagligt för solarisering och dess cutoff är vid 160 nm.
Lampornas effektnivå anges i watt/area, total elektrisk ineffekt dividerad med lampans innerväggsyta. Kylning av elektroderna och lamphöljet är av stor vikt vid höga effektnivåer. Luftkylning är tillräcklig för lägre medeleffektnivåer. Högeffektslampor kyls med en vätska, vanligtvis genom att avmineraliserat vatten flödar genom ett rör i vilket lampan är innesluten. Vattenkylda lampor kommer i allmänhet att ha glaset krympt runt elektroderna, för att ge en direkt värmeledare mellan dem och kylvattnet. Kylmediet bör också strömma över hela längden av lampan och elektroderna. Lampor med hög medeleffekt eller ljusbåge med kontinuerlig våg måste ha vattenflödet över lampans ändar och även över de exponerade ändarna av elektroderna, så det avjoniserade vattnet används för att förhindra kortslutning. Över 15 W/cm 2 krävs forcerad luftkylning; vätskekylning om i ett begränsat utrymme. Vätskekylning är vanligtvis nödvändig över 30 W/cm 2 .
Tunnare väggar kan överleva högre medeleffektbelastningar på grund av lägre mekanisk påkänning över materialets tjocklek, som orsakas av en temperaturgradient mellan den varma plasman och kylvattnet, (t.ex. 1 mm tjock dopad kvarts har en gräns på 160 W/cm 2 , 0,5 mm tjock en har en gräns på 320 W/cm 2 ). Av denna anledning används ofta tunnare glas för ljusbågslampor med kontinuerliga vågor. Tjockare material kan generellt hantera mer stötenergi från stötvågen som en kortpulsad båge kan generera, så kvarts så mycket som 1 mm tjockt används ofta vid konstruktionen av blixtrör. Kuvertets material ger en annan gräns för uteffekten; 1 mm tjock kvarts har en gräns på 200 W/cm 2 , syntetisk kvarts med samma tjocklek kan nå upp till 240 W/cm 2 . Andra glas såsom borosilikat har i allmänhet mindre än hälften av kraftladdningskapaciteten hos kvarts. Åldrande lampor kräver viss nedstämpling, på grund av ökad energiabsorption i glaset på grund av solarisering och sputtrade avlagringar.
Elektroder och tätningar
Elektroderna sticker ut i varje ände av röret och förseglas till glaset med några olika metoder . "Ribbon tätningar" använder tunna remsor av molybdenfolie bundna direkt till glaset, som är mycket hållbara, men är begränsade i mängden ström som kan passera. "Solder seals" binder glaset till elektroden med ett lod för en mycket stark mekanisk tätning, men är begränsade till lågtemperaturdrift. Vanligast i laserpumpningsapplikationer är "stavtätningen", där staven på elektroden fuktas med en annan typ av glas och sedan binds direkt till ett kvartsrör. Denna tätning är mycket hållbar och kan motstå mycket höga temperaturer och strömmar. Tätningen och glaset måste ha samma expansionskoefficient.
För låg elektrodslitage är elektroderna vanligtvis gjorda av volfram , som har den högsta smältpunkten av någon metall, för att hantera den termioniska emissionen av elektroner. Katoder är ofta gjorda av porös volfram fylld med en bariumförening , vilket ger låg arbetsfunktion ; Katodens struktur måste skräddarsys för applikationen. Anoder är vanligtvis gjorda av ren volfram, eller, när god bearbetbarhet krävs, lantanlegerad volfram, och är ofta bearbetade för att ge extra yta för att klara kraftbelastning. DC- bågslampor har ofta en katod med en vass spets, för att hjälpa till att hålla ljusbågen borta från glaset och för att kontrollera temperaturen. Blixtrör har vanligtvis en katod med en tillplattad radie, för att minska förekomsten av heta fläckar och minska sputter orsakad av toppströmmar, som kan vara över 1000 ampere. Elektroddesign påverkas också av medeleffekten. Vid höga nivåer av medeleffekt måste försiktighet iakttas för att uppnå tillräcklig kylning av elektroderna. Medan anodtemperaturen är av mindre betydelse kan överhettning av katoden kraftigt minska lampans förväntade livslängd.
Gaser och fyllningstryck
Beroende på storleken, typen och användningen av blixtröret kan gasfyllningstrycken variera från några kilopascal till hundratals kilopascal (0,01–4,0 atmosfärer eller tiotusentals torr ). Generellt gäller att ju högre tryck desto högre uteffekt. Xenon används mest på grund av dess goda effektivitet, och omvandlar nästan 50 % av den elektriska energin till ljus. Krypton, å andra sidan, är bara cirka 40% effektiv, men vid låga strömmar är en bättre matchning med absorptionsspektrumet för Nd:YAG-lasrar . En viktig faktor som påverkar effektiviteten är mängden gas bakom elektroderna, eller "dödvolymen". En högre dödvolym leder till en lägre tryckökning under drift.
Drift
Lampans elektroder är vanligtvis anslutna till en kondensator , som laddas till en relativt hög spänning (vanligtvis mellan 250 och 5000 volt), med hjälp av en transformator och en likriktare . Gasen uppvisar dock extremt hög motståndskraft och lampan leder inte elektricitet förrän gasen är joniserad . När den väl har joniserats, eller "utlösts", kommer en gnista att bildas mellan elektroderna, vilket gör att kondensatorn laddas ur. Den plötsliga ökningen av elektrisk ström värmer snabbt gasen till ett plasmatillstånd , där det elektriska motståndet blir mycket lågt. Det finns flera sätt att utlösa.
Extern triggning
.jpg)
Extern triggning är den vanligaste operationsmetoden, speciellt för fotografisk användning. Elektroderna laddas till en spänning som är tillräckligt hög för att reagera på triggning, men under lampans självblixtströskel. En extremt hög spänningspuls, (vanligtvis mellan 2000 och 150 000 volt), "triggerpulsen", appliceras antingen direkt på eller mycket nära glashöljet. (Vattenkylda blixtrör applicerar ibland denna puls direkt på kylvattnet, och ofta även till enhetens hölje, så försiktighet måste iakttas med denna typ av system.) Den korta högspänningspulsen skapar ett stigande elektrostatiskt fält , som joniserar gasen inuti röret. Glasets kapacitans kopplar triggerpulsen in i enveloppen, där den överstiger genombrottsspänningen för gasen som omger en eller båda elektroderna, och bildar gniststreamers. Streamrarna fortplantar sig via kapacitans längs glaset med en hastighet av 1 centimeter på 60 nanosekunder (170 km/s). (En triggerpuls måste ha tillräckligt lång varaktighet för att tillåta en streamer att nå den motsatta elektroden, annars uppstår en oregelbunden triggning.) Triggningen kan förbättras genom att applicera triggerpulsen på ett "referensplan", som kan vara i formen av ett metallband eller reflektor fäst på glaset, en ledande färg eller en tunn tråd lindad runt lampans längd. Om kondensatorspänningen är större än spänningsfallet mellan katoden och anoden, när de interna gnistströmrarna överbryggar elektroderna, kommer kondensatorn att laddas ur genom den joniserade gasen och värma upp xenonet till en tillräckligt hög temperatur för emissionsljuset.
Serieutlösande
Serietriggning är vanligare i kraftfulla, vattenkylda blixtrör, som de som finns i lasrar . Avtryckartransformatorns högspänningsledningar är anslutna till blixtröret i serie (en ledning till en elektrod och den andra till kondensatorn), så att blixten går genom både transformatorn och lampan. Triggerpulsen bildar en gnista inuti lampan, utan att exponera triggerspänningen på lampans utsida. Fördelarna är bättre isolering, mer tillförlitlig triggning och en båge som tenderar att utvecklas långt bort från glaset, men till en mycket högre kostnad. Den serieutlösande transformatorn fungerar också som en induktor . Detta hjälper till att kontrollera blixtens varaktighet, men förhindrar att kretsen används i applikationer med mycket snabb urladdning. Triggningen kan i allmänhet ske med en lägre spänning vid kondensatorn än vad som krävs för extern triggning. Emellertid blir triggertransformatorn en del av blixtkretsen och kopplar triggningskretsen till blixtenergin. Därför, eftersom trigger-transformatorn har mycket låg impedans, måste transformatorn, triggningskretsen och den kiselstyrda likriktaren (SCR) kunna hantera mycket höga toppströmmar, ofta över 1500 ampere.
Simmer-spänningsutlösande
Simmerspänningsutlösning är den minst vanliga metoden. I denna teknik appliceras inte kondensatorspänningen initialt på elektroderna, utan istället upprätthålls en högspänningsgniststreamer mellan elektroderna. Den höga strömmen från kondensatorn levereras till elektroderna med hjälp av en tyristor eller ett gnistgap . Denna typ av triggning används huvudsakligen i system med mycket snabb stigtid , vanligtvis de som urladdas i mikrosekundsregimen, till exempel vid höghastighetsfotografering, stop-motion-fotografering eller färglaser . Den sjudande gnist-streamern får ljusbågen att utvecklas i lampans exakta mitt, vilket ökar livslängden dramatiskt. Om extern triggning används för extremt korta pulser, kan gniststreamers fortfarande vara i kontakt med glaset när hela strömbelastningen passerar genom röret, vilket orsakar väggablation, eller i extrema fall, sprickbildning eller till och med explosion av lampan. Men eftersom mycket korta pulser ofta kräver mycket hög spänning och låg kapacitans, för att förhindra att strömtätheten stiger för högt, triggas vissa mikrosekundsblixtrör av helt enkelt "överspänning", det vill säga genom att applicera en spänning på elektroderna som är mycket högre än lampans självblixttröskel, med hjälp av ett gnistgap. Ofta används en kombination av sjudspänning och överspänning.
Förpulstekniker
Mycket snabba stigtider uppnås ofta med en förpulsteknik. Denna metod utförs genom att avge en liten blixt genom lampan strax före huvudblixten. Denna blixt har mycket lägre energi än huvudblixten (normalt mindre än 10 %) och, beroende på pulslängden, levereras den bara några tusendelar till några miljondelar av en sekund före huvudblixten. Förpulsen värmer gasen och producerar en svag, kortlivad efterglöd som är resultatet av fria elektroner och joniserade partiklar som finns kvar efter att pulsen stängts av. Om huvudblixten initieras innan dessa partiklar kan rekombineras, ger detta en bra mängd joniserade partiklar som ska användas av huvudblixten. Detta minskar stigtiden avsevärt. Det minskar också stötvågen och avger mindre ljud under drift, vilket avsevärt ökar lampans livslängd. Det är särskilt effektivt för applikationer med mycket snabb urladdning, vilket gör att ljusbågen kan expandera snabbare och fylla röret bättre. Den används mycket ofta med simmerspänning och ibland med serietriggning, men används sällan med extern triggning. Prepulse-tekniker används oftast vid pumpning av färglasrar, vilket kraftigt ökar omvandlingseffektiviteten . Det har emellertid också visat sig öka effektiviteten hos andra lasrar med längre fluorescenslivslängder (som tillåter längre pulser), såsom Nd:YAG eller titanium safir , genom att skapa pulser med nästan fyrkantiga vågformer .
Ablativa blixtrör
Ablativa blixtrör utlöses av undertryck. Ablativa blixtrör är vanligtvis konstruerade med kvartsrör och en eller båda elektroderna urholkade, vilket gör att en vakuumpump kan fästas för att kontrollera gastrycket. Lampans elektroder är anslutna till en laddad kondensator, och sedan sugs gasen från lampan. När gasen når ett tillräckligt lågt tryck (ofta bara några torr) kan slumpmässigt joniserade partiklar accelerera till tillräckliga hastigheter för att börja stöta ut elektroner från katoden när de träffar dess yta, vilket resulterar i en Townsend lavin som får lampan att själv -blixt. Vid så låga tryck skulle blixtens effektivitet normalt vara mycket låg. Men på grund av det låga trycket har partiklarna utrymme att accelerera till mycket höga hastigheter, och de magnetiska krafterna expanderar bågen så att huvuddelen av dess plasma koncentreras vid ytan och bombarderar glaset . Bombardementet tar bort (förångar) stora mängder kvarts från innerväggen. Denna ablation skapar en plötslig, våldsam, lokaliserad ökning av lampans inre tryck, vilket ökar blixtens effektivitet till mycket höga nivåer. Ablationen orsakar dock omfattande slitage på lampan, vilket försvagar glaset, och de behöver vanligtvis bytas ut efter en mycket kort livslängd.
Ablativa blixtrör måste fyllas på och dammsugas till rätt tryck för varje blixt. Därför kan de inte användas för applikationer med mycket upprepning. Dessutom utesluter detta vanligtvis användningen av mycket dyra gaser som krypton eller xenon. Den vanligaste gasen som används i ett ablativt blixtrör är luft , även om ibland billig argon också används. Blixten måste vanligtvis vara mycket kort för att förhindra att för mycket värme överförs till glaset, men blixtarna kan ofta vara kortare än en normal lampa av jämförbar storlek. Blixten från ett enda ablativt blixtrör kan också vara mer intensiv än flera lampor. Av dessa skäl är den vanligaste användningen av lamporna för pumpning av färglaser.
Variabel pulsbreddskontroll
Dessutom kan en bipolär transistor med isolerad grind (IGBT) anslutas i serie med både triggertransformatorn och lampan, vilket gör det möjligt att justera blixttiden. En IGBT som används för detta ändamål måste klassificeras för en hög pulserande ström, för att undvika överströmsskador på halvledarövergången. Denna typ av system används ofta i lasersystem med hög medeleffekt och kan producera pulser från 500 mikrosekunder till över 20 millisekunder. Den kan användas med vilken som helst av triggningsteknikerna, som extern och serie, och kan producera fyrkantsvågspulser. Den kan till och med användas med simmer-spänning för att producera en "modulerad" kontinuerlig vågutgång, med repetitionshastigheter över 300 hertz. Med rätt vattenkylt blixtrör med stor borrning kan flera kilowatts medeleffekt erhållas.
Elektriska krav
De elektriska kraven för ett blixtrör kan variera beroende på önskat resultat. Den vanliga metoden är att först bestämma pulslängden, den maximala mängden energi som kan tolereras vid den varaktigheten (explosionsenergi) och den säkra mängden driftenergi. Välj sedan en strömtäthet som kommer att avge det önskade spektrumet och låt lampans resistans bestämma den nödvändiga kombinationen av spänning och kapacitans för att producera det. Motståndet i blixtrör varierar kraftigt, beroende på tryck, form, dödvolym, strömtäthet, tid och blixtlängd, och brukar därför kallas impedans . Den vanligaste symbolen som används för lampimpedans är K o , som uttrycks som ohm per kvadratroten av ampere (ohm(ampere 0,5 ).
K o används för att beräkna mängden inspänning och kapacitans som behövs för att avge ett önskat spektrum, genom att styra strömtätheten. K o bestäms av lampans inre diameter, båglängd och gastyp och, i mindre utsträckning, av fyllnadstrycket. Resistansen i blixtrör är inte konstant, utan sjunker snabbt när strömtätheten ökar. 1965 visade John H. Goncz att plasmaresistiviteten i blixtrör är omvänt proportionell mot kvadratroten av strömtätheten. När ljusbågen utvecklas upplever lampan en period av negativt motstånd , vilket gör att både motståndet och spänningen minskar när strömmen ökar. Detta sker tills plasman kommer i kontakt med innerväggen. När detta händer blir spänningen proportionell mot kvadratroten av strömmen, och motståndet i plasmat blir stabilt under resten av blixten. Det är detta värde som definieras som Ko . Men när ljusbågen utvecklas expanderar gasen, och beräkningar för K o tar inte hänsyn till dödvolymen, vilket leder till en lägre tryckökning. Därför är varje beräkning av Ko bara en approximation av lampimpedansen.
Utgångsspektrum
Xenon
Som med alla joniserade gaser avger xenonblixtrör ljus i olika spektrallinjer . Detta är samma fenomen som ger neonskyltar sin karakteristiska färg. Neonskyltar avger dock rött ljus på grund av extremt låga strömtätheter jämfört med de som ses i blixtrör, vilket gynnar spektrala linjer med längre våglängder. Högre strömtätheter tenderar att gynna kortare våglängder. Ljuset från xenon, i ett neonskylt, är likaså ganska violett.
Spektrum som emitteras av blixtrör är mycket mer beroende av strömtätheten än på fyllningstrycket eller gastypen. Låga strömtätheter producerar smala spektrallinjeemissioner mot en svag bakgrund av kontinuerlig strålning. Xenon har många spektrallinjer i UV-, blå-, grön-, röd- och IR-delarna av spektrumet. Låga strömtätheter ger en grönblå blixt, vilket indikerar frånvaron av signifikanta gula eller orangea linjer. Vid låga strömtätheter kommer det mesta av xenonets uteffekt att riktas in i de osynliga IR-spektrallinjerna runt 820, 900 och 1000 nm. Låga strömtätheter för blixtrör är i allmänhet mindre än 1000 A/cm 2 .
Högre strömtätheter börjar producera kontinuerliga emissioner. Spektrallinjer vidgas och blir mindre dominerande när ljus produceras över hela spektrumet, vanligtvis toppar, eller "centrerat", på en viss våglängd. Optimal utgångseffektivitet i det visuella området erhålls vid en densitet som gynnar "gråkroppsstrålning" (en båge som producerar mestadels kontinuerlig emission, men som fortfarande är mestadels genomskinlig för sitt eget ljus; en effekt som liknar solljus när den passerar genom ett moln) . För xenon är gråkroppsstrålningen centrerad nära grönt och ger den rätta kombinationen för vitt ljus. Gråkroppsstrålning produceras vid densiteter över 2400 A/cm 2 .
Strömtätheter som är mycket höga, närmar sig 4000 A/cm 2 , tenderar att gynna svartkroppsstrålning . Spektrallinjerna försvinner nästan allt eftersom kontinuumstrålningen dominerar, och utgångscentrum skiftar mot ultraviolett ljus. När strömtätheten blir ännu högre, kommer xenons utgångsspektrum visuellt att börja lägga sig på det för en blackbody radiator med en färgtemperatur på 9800 kelvin (en ganska himmelsblå nyans av vitt). Förutom i de fall där intensivt UV-ljus behövs, såsom vattensanering, är svartkroppsstrålning vanligtvis inte önskvärd eftersom ljusbågen blir ogenomskinlig, och mycket av strålningen från ljusbågen kan absorberas innan den når ytan, vilket försämrar uteffektens effektivitet.
På grund av sin högeffektiva, vita uteffekt, används xenon flitigt för fotografiska applikationer, trots dess stora kostnader. I lasrar gynnas vanligtvis spektrallinjeemission, eftersom dessa linjer tenderar att bättre matcha absorptionslinjerna för lasrmediet. Krypton används också ibland. Vid låga strömtätheter är kryptons spektrallinjeutgång i det nära IR-området bättre anpassad till absorptionsprofilen för neodymbaserade lasermedia än xenonemission, och matchar mycket nära den smala absorptionsprofilen för Nd:YAG. Ingen av xenons spektrallinjer matchar Nd:YAGs absorptionslinjer, så när man pumpar Nd:YAG med xenon måste kontinuumstrålningen användas.
Krypton och andra gaser
Alla gaser producerar spektrallinjer som är specifika för gasen, överlagrade på en bakgrund av kontinuerlig strålning. Med alla gaser producerar låga strömtätheter mestadels spektrallinjer, med den högsta uteffekten koncentrerad i nära-IR mellan 650 och 1000 nm. Kryptons starkaste toppar är runt 760 och 810 nm. Argon har många starka toppar vid 670, 710, 760, 820, 860 och 920 nm. Neon har toppar runt 650, 700, 850 och 880 nm. När strömtätheterna blir högre, kommer utsignalen från kontinuumstrålning att öka mer än spektrallinjestrålningen med en hastighet som är 20 % större, och utsignalens centrum kommer att förskjutas mot det visuella spektrumet. Vid gråkroppsströmtätheter är det bara en liten skillnad i det spektrum som emitteras av olika gaser. Vid mycket höga strömtätheter kommer alla gaser att börja fungera som svartkroppsstrålare, med spektraleffekter som liknar en blå jättestjärna, centrerad i UV.
motstånd och har därför ett högre värde för Ko . Impedans, definierad som motståndet som krävs för att omvandla energi till arbete, är högre för tyngre gaser, och som sådan är de tyngre gaserna mycket effektivare än de lättare. Helium och neon är alldeles för lätta för att producera en effektiv blixt. Krypton kan vara så bra som 40 % effektivt, men kräver upp till 70 % ökning av trycket jämfört med xenon för att uppnå detta. Argon kan vara upp till 30 % effektivt, men kräver en ännu större tryckökning. Vid sådana höga tryck kan spänningsfallet mellan elektroderna, som bildas av gniststreamern, vara större än kondensatorspänningen. Dessa lampor behöver ofta en "boost-spänning" under triggerfasen, för att övervinna den extremt höga triggerimpedansen.
Kväve , i form av luft, har använts i blixtrör i hemmagjorda färglasrar, men det närvarande kvävet och syret bildar kemiska reaktioner med elektroderna och sig själva, vilket orsakar för tidigt slitage och behovet av att justera trycket för varje blixt.
Viss forskning har gjorts på att blanda gaser för att ändra spektraleffekten. Effekten på utgångsspektrumet är försumbar, men effekten på effektiviteten är stor. Att lägga till en lättare gas minskar bara effektiviteten hos den tyngre.
Lätt produktion
När strömpulsen går genom röret joniserar den atomerna, vilket får dem att hoppa till högre energinivåer. Tre typer av partiklar finns inom bågplasman, bestående av elektroner , positivt joniserade atomer och neutrala atomer . Vid varje given tidpunkt under blixten, utgör de joniserade atomerna mindre än 1 % av plasman och producerar allt det emitterade ljuset. När de rekombinerar med sina förlorade elektroner faller de omedelbart tillbaka till ett lägre energitillstånd och frigör fotoner i processen. Metoderna för att överföra energi sker på tre olika sätt, kallade "bundna-bundna", "fria-bundna" och "fria-fria" övergångar.
Inom plasmat accelererar positiva joner mot katoden medan elektroner accelererar mot anoden. Neutrala atomer rör sig mot anoden i en långsammare hastighet och fyller en lokal tryckskillnad som skapas av jonerna. Vid normala tryck sker denna rörelse på mycket korta avstånd, eftersom partiklarna interagerar och stöter in i varandra, och, vid utbyte av elektroner, ändrar de riktningen. Under pulsen joniserar och rekombinerar neutrala atomer ständigt, avger en foton varje gång, och vidarebefordrar elektroner från katoden till anoden. Ju större antal jonövergångar för varje elektron; desto bättre konverteringseffektiviteten , så längre rör eller högre tryck bidrar båda till att öka lampans effektivitet. Under pulsen hudeffekten att fria elektroner samlas nära innerväggen, vilket skapar ett elektronhölje runt plasmat. Detta gör området elektronegativt och hjälper till att hålla det svalt. Hudeffekten ökar också induktansen genom att inducera virvelströmmar i centralplasman.
Bundna övergångar uppstår när jonerna och neutrala atomer kolliderar och överför en elektron från atomen till jonen. Denna metod dominerar vid låga strömtätheter och är ansvarig för att producera spektrallinjeemissionen. Fribundna övergångar inträffar när en jon fångar en fri elektron. Denna metod producerar kontinuumemissionen och är mer framträdande vid högre strömtätheter. En del av kontinuumet produceras också när en elektron accelererar mot en jon, kallade fria fria övergångar, och producerar bremsstrahlung strålning. Bremsstrahlung-strålningen ökar med ökande energitäthet och orsakar en förskjutning mot den blå och ultravioletta änden av spektrumet.
Blixtens intensitet och varaktighet
Den enda verkliga elektriska gränsen för hur kort en puls kan vara är den totala systemets induktans , inklusive kondensatorn, ledningarna och själva lampan. Korta pulsblinkar kräver att all induktans minimeras. Detta görs vanligtvis med hjälp av speciella kondensatorer, de kortaste kablarna som finns tillgängliga eller elektriska ledningar med mycket yta men tunt tvärsnitt. För extremt snabba system kan låginduktans axiella ledningar, såsom kopparrör, plastkärntrådar eller till och med ihåliga elektroder, användas för att minska den totala systemets induktans. Färglasrar behöver mycket korta pulser och använder ibland axiella blixtrör, som har ett ringformigt tvärsnitt med en stor ytterdiameter, ringformade elektroder och en ihålig inre kärna, vilket gör att både lägre induktans och en färgcell kan placeras som en axel genom mitten av lampan.
Ändringar i ingångsspänningen eller kapacitansen har däremot ingen effekt på urladdningstiden, även om de har en effekt på strömtätheten. När blixtens varaktighet minskar koncentreras den elektriska energin till kortare pulser, så att strömtätheten ökar. Att kompensera för detta kräver vanligtvis att kapacitansen sänks när pulslängden minskar, och sedan höjs spänningen proportionellt för att upprätthålla en tillräckligt hög energinivå. Men när pulslängden minskar, minskar också lampans "explosionsenergi"-klassning, så energinivån måste också minskas för att undvika att lampan förstörs.
Mängden kraftbelastning som glaset kan hantera är den största mekaniska gränsen. Även om mängden energi ( joule ) som används förblir konstant, kommer den elektriska effekten ( watt ) att öka i omvänd proportion till en minskning av urladdningstiden. Därför måste energin minskas tillsammans med pulslängden för att hålla de pulsade effektnivåerna från att stiga för högt. Kvartsglas (1 millimeter tjockt per 1 sekunds urladdning) tål vanligtvis maximalt 160 watt per kvadratcentimeter inre yta. Andra glasögon har en mycket lägre tröskel. Extremt snabba system, med induktans under kritisk dämpning (0,8 mikrohenries), kräver vanligtvis en shuntdiod över kondensatorn för att förhindra strömvändning (ringning) från att förstöra lampan. Om pulsen tillåts ringa genom lampan kommer det att förlänga blixten, så dioden fångar ringsignalen, vilket gör att lampan kan stängas av vid rätt tidpunkt.
Gränserna för långa pulslängder är antalet överförda elektroner till anoden, sputter orsakad av jonbombardemang vid katoden och glasets temperaturgradienter . Pulser som är för långa kan förånga stora mängder metall från katoden, medan överhettning av glaset gör att det spricker på längden. För kontinuerlig drift kylningen gränsen. Urladdningstiden för vanliga blixtrör sträcker sig från 0,1 mikrosekund till tiotals millisekunder och kan ha upprepningshastigheter på hundratals hertz . Blixtens varaktighet kan noggrant kontrolleras med hjälp av en induktor .
Blixten som kommer från ett xenonblixtrör kan vara så intensiv att den kan antända brandfarliga material inom ett kort avstånd från röret. Kolnanorör är särskilt känsliga för denna spontana antändning när de utsätts för ljuset från ett blixtrör. Liknande effekter kan utnyttjas för användning i estetiska eller medicinska procedurer som kallas intensivt pulserande ljus ( IPL) behandlingar. IPL kan användas för behandlingar som hårborttagning och att förstöra lesioner eller födelsemärken .
Livstid
Livslängden för ett blixtrör beror på både energinivån som används för lampan i proportion till dess explosionsenergi och på lampans pulslängd. Fel kan vara katastrofala och få lampan att splittras, eller så kan de ske gradvis, vilket minskar lampans prestanda under en användbar klassificering.
Katastrofalt misslyckande
Katastrofala fel kan uppstå från två separata mekanismer: energi och värme . När för mycket energi används under pulslängden strukturella fel på glashöljet uppstå. Blixtrör producerar en elektrisk ljusbåge som finns i ett glasrör. När ljusbågen utvecklas bildas en överljudschockvåg som rör sig radiellt från bågens centrum och träffar rörets innervägg . Om energinivån är tillräckligt låg är en knacka mot glaset allt som kommer att höras. Men om den använda energinivån är lika med lampans "explosionsenergi"-klassificering, kommer den stötvåg som stöter att spricka glaset och spränga röret. Den resulterande explosionen skapar en hög ljudchockvåg och kan kasta krossat glas flera fot. Explosionsenergin beräknas genom att multiplicera lampans inre yta, mellan elektroderna, med glasets effektbelastningskapacitet. Effektbelastningen bestäms av glasets typ och tjocklek samt kylningsmetod som används. Effektbelastningen mäts i watt per kvadratcentimeter. Emellertid, eftersom den pulsade effektnivån ökar när blixtens varaktighet minskar, måste explosionsenergin minskas i direkt proportion till kvadratroten av urladdningstiden.
Fel från värme orsakas vanligtvis av för långa pulstider, höga medeleffektnivåer eller otillräcklig elektrodstorlek. Ju längre puls; desto mer av dess intensiva värme kommer att överföras till glaset. När rörets innervägg blir för varm medan ytterväggen fortfarande är kall kan denna temperaturgradient göra att lampan spricker. På liknande sätt, om elektroderna inte har tillräcklig diameter för att hantera toppströmmarna, kan de producera för mycket motstånd, snabbt värmas upp och termiskt expandera . Om elektroderna värms mycket snabbare än glaset kan lampan spricka eller till och med splittras i ändarna.
Gradvis misslyckande
Ju närmare ett blixtrör arbetar sin explosionsenergi, desto större blir risken för katastrofala fel. Vid 50 % av explosionsenergin kan lampan ge flera tusen blixtar innan den exploderar. Vid 60 % av explosionsenergin kommer lampan vanligtvis att gå sönder på mindre än hundra. Om lampan drivs under 30 % av explosionsenergin blir risken för katastrofala fel mycket låg. Metoderna för fel blir då de som minskar uteffekten och påverkar möjligheten att trigga lampan. Processerna som påverkar dessa är sputter och ablation av innerväggen.
Sputter uppstår när energinivån är mycket låg, under 15 % av explosionsenergin, eller när pulslängden är mycket lång. Sputter är förångningen av metall från katoden, som återavsätts på lampans väggar, vilket blockerar ljusutgången. Eftersom katoden är mer emissiv än anoden är blixtröret polariserat, och om du ansluter lampan till strömkällan på ett felaktigt sätt kommer det snabbt att förstöra det. Men även om den är korrekt ansluten kan sputtergraden variera avsevärt från lampa till lampa. Därför är det omöjligt att förutsäga livslängden exakt vid låga energinivåer.
Vid högre energinivåer blir väggablation den huvudsakliga slitageprocessen. Den elektriska ljusbågen eroderar långsamt rörets innervägg och bildar mikroskopiska sprickor som ger glaset ett frostat utseende. Ablationen frigör syre från glaset, vilket ökar trycket över en funktionsduglig nivå. Detta orsakar utlösande problem, så kallade " jitter ". Över 30 % kan ablationen orsaka tillräckligt med slitage för att spränga lampan. Men vid energinivåer över 15 % kan livslängden beräknas med en rimlig grad av noggrannhet.
När den används under 30 % av explosionsenergin är livslängden för blixtrör i allmänhet mellan några miljoner till tiotals miljoner blixtar.
Ansökningar
Eftersom varaktigheten av blixten som avges av ett xenonblixtrör kan kontrolleras noggrant, och på grund av ljusets höga intensitet, används ofta xenonblixtrör som fotografiska blixtljus . Xenonblixtrör används också i mycket höghastighets- eller "stop-motion"-fotografering, som pionjärer av Harold Edgerton på 1930-talet. Eftersom de kan generera ljusa, uppmärksammade blixtar med en relativt liten, kontinuerlig inmatning av elektrisk kraft, används de även i flygplansvarningsljus , belysning av utryckningsfordon , apparater för brandlarm ( tjuvljus ), antikollisionsfyrar för flygplan och andra liknande applikationer.
Inom tandvården används det i "light box"-anordningar för att ljusaktivera härdningen av olika restaurerande och extra ljushärdande hartser (till exempel: Megaflash mini, Uni XS och andra anordningar).
På grund av deras höga intensitet och relativa ljusstyrka vid korta våglängder (som sträcker sig in i ultraviolett ljus ) och korta pulsbredder är blixtrör också idealiska som ljuskällor för att pumpa atomer i en laser till exciterade tillstånd där de kan stimuleras att avge koherent , monokromatiskt ljus . Rätt val av både tillsatsgas och strömtäthet är avgörande, så att den maximala utstrålade utenergin koncentreras till de band som absorberas bäst av lasrmediet ; t.ex. är kryptonblixtrör mer lämpade än xenonblixtrör för att pumpa Nd:YAG-lasrar , eftersom krypton-emission i nära infraröd är bättre anpassad till absorptionsspektrumet för Nd:YAG.
Xenonblixtrör har använts för att producera en intensiv blixt av vitt ljus, varav en del absorberas av Nd:glas som producerar laserkraften för tröghetsinneslutningsfusion . Totalt omvandlas cirka 1 till 1,5 % av den elektriska kraften som matas in i blixtrören till användbart laserljus för denna applikation.
Pulserande ljus (PL) är en teknik för att dekontaminera ytor genom att döda mikroorganismer med hjälp av pulser av ett intensivt brett spektrum, rikt på UV-C-ljus. UV-C är den del av det elektromagnetiska spektrumet som motsvarar bandet mellan 200 och 280 nm . Pulserande ljus fungerar med xenonlampor som kan ge blixtar flera gånger per sekund. Desinfektionsrobotar använder pulsat UV-ljus.
En senare tillämpning av blixtlampor är fotonisk härdning .
Historia
Blixtröret uppfanns av Harold Edgerton på 1930-talet som ett sätt att ta skarpa fotografier av rörliga föremål. Blixtrör användes främst för blixtljus i vetenskapliga studier, men började så småningom ersätta kemiska och pulverblixtlampor och blixtlampor i vanlig fotografering.
Eftersom elektriska ljusbågar kunde göras som var mycket snabbare än mekaniska slutartider, togs tidiga höghastighetsfotografier med en utomhus, elektrisk bågeurladdning, kallad gnistfotografering, och hjälpte till att ta bort oskärpa från rörliga föremål. Detta gjordes vanligtvis med slutaren låst öppen i ett mörkt eller svagt upplyst rum, för att undvika överexponering av filmen, och en metod för att anpassa blixten till händelsen som ska fotograferas. Den tidigaste kända användningen av gnistfotografering började med Henry Fox Talbot runt 1850. År 1886 använde Ernst Mach en utomhusgnista för att fotografera en kula som rusade och avslöjade chockvågorna den producerade i överljudshastigheter. Friluftsgnistsystem var ganska lätta att bygga, men var skrymmande, mycket begränsade i ljuseffekt och producerade höga ljud jämförbara med ett skott.
1927 byggde Harold Edgerton sin första blixtenhet vid Massachusetts Institute of Technology . Edgerton ville fotografera rörelsen av en motor med levande detaljer, utan oskärpa, och bestämde sig för att förbättra processen för gnistfotografering genom att använda en kvicksilverbågelikriktare , istället för en friluftsurladdning, för att producera ljuset. Han kunde uppnå en blixttid på 10 mikrosekunder och kunde fotografera den rörliga motorn som om den "frusen i tiden".
Hans kollegas intresse för den nya blixtapparaten provocerade snart Edgerton att förbättra designen. Kvicksilverlampans effektivitet begränsades av den coolaste delen av lampan, vilket gjorde att de presterade bättre när de var mycket varma men dåliga när de var kalla . Edgerton bestämde sig för att istället prova en ädelgas , eftersom han kände att den inte skulle vara lika temperaturberoende som kvicksilver, och 1930 anställde han företaget General Electric för att konstruera några lampor med argon istället. Argonrören var mycket effektivare, var mycket mindre och kunde monteras nära en reflektor, vilket koncentrerade deras produktion. Sakta började kameradesigners lägga märke till den nya tekniken och började acceptera den. Edgerton fick sin första stora beställning på blixtljus från Kodak -företaget 1940. Efteråt upptäckte han att xenon var den mest effektiva av ädelgaserna och producerade ett spektrum mycket nära det för dagsljus, och xenonblixtrör blev standard i de flesta stora fotografier set. Det var inte förrän på 1970-talet som stroboskopenheter blev tillräckligt portabla för att användas i vanliga kameror.
1960, efter att Theodore Maiman uppfann rubinlasern , började en ny efterfrågan på blixtrör för användning i lasrar, och ett nytt intresse väcktes för att studera lamporna.
Säkerhet
Blixtrör fungerar vid höga spänningar , med strömmar tillräckligt höga för att vara dödliga. Under vissa förhållanden har stötar så låga som 1 joule rapporterats vara dödliga. Energin som lagras i en kondensator kan finnas kvar förvånansvärt länge efter att strömmen har kopplats bort. Ett blixtrör kommer vanligtvis att stängas av innan kondensatorn har tömts helt, och den kan återfå en del av sin laddning genom en process som kallas " dielektrisk absorption ". Dessutom kan vissa typer av laddningssystem själva vara lika dödliga. Utlösningsspänningen kan ge en smärtsam stöt, vanligtvis inte tillräckligt för att döda, men som ofta kan skrämma en person att stöta eller röra något farligare. När en person laddas med höga spänningar kan en gnista hoppa och leverera den höga kondensatorströmmen utan att faktiskt röra någonting .
Blixtrör fungerar vid höga tryck och är kända för att explodera och producera våldsamma stötvågor. "Explosionsenergin" för ett blixtrör (mängden energi som kommer att förstöra det på bara några blixtar) är väl definierad, och för att undvika katastrofala fel rekommenderas att inte mer än 30 % av explosionsenergin används. Blixtrör bör skärmas bakom glas eller i ett reflektorhålrum. Om inte, bör ögon- och hörselskydd användas.
Blixtrör producerar mycket intensiva blixtar, ofta snabbare än ögat kan registrera, och kanske inte verkar lika ljusa som de är. Kvartsglas kommer att överföra nästan all lång- och kortvågig UV, inklusive bakteriedödande våglängder, och kan vara en allvarlig fara för ögon och hud. Denna ultravioletta strålning kan också producera stora mängder ozon , vilket kan vara skadligt för människor, djur och utrustning.
Många kompaktkameror laddar blixtkondensatorn direkt efter uppstart, och vissa till och med bara genom att sätta i batterierna. Att bara sätta i batteriet i kameran kan göra att kondensatorn blir farlig eller åtminstone obehaglig i upp till flera dagar. Den inblandade energin är också ganska betydande; en kondensator på 330 mikrofarad laddad till 300 volt (vanliga värden som finns i kameror) lagrar nästan 15 joule energi.
Populärkultur
I boken The Andromeda Strain and the 1971 motion picture från 1969 användes specialiserad exponering för en xenonblixtapparat för att bränna bort de yttre epitelskikten av mänsklig hud som en antiseptisk åtgärd för att eliminera all möjlig bakteriell tillgång för personer som arbetar i en extrem, ultraren miljö. (Boken använde termen 'ultraflash'; filmen identifierade apparaten som en 'xenonblixt'.)
Animation
Ram 1: Röret är mörkt.
Bildruta 2: Triggerpulsen joniserar gasen och lyser med ett svagt, blått ljus. Gniststreamers bildas från varje elektrod som rör sig mot varandra längs glasrörets inre yta.
Bildruta 3: Sparkstreamers ansluter och rör sig bort från glaset, och en plasmatunnel bildas som tillåter ampere att stiga.
Bildruta 4: Kondensatorströmmen börjar rinna iväg och värmer upp det omgivande xenonet.
Bildruta 5: När motståndet minskar sjunker spänningen och strömmen fyller röret, vilket värmer upp xenonet till ett plasmatillstånd.
Bildruta 6: Fullständigt uppvärmd, motstånd och spänning stabiliseras till en båge och den fulla strömbelastningen rusar genom röret, vilket gör att xenonet avger en ljusskur.