Ксеноновая лампа-вспышка | это... Что такое Ксеноновая лампа-вспышка? (original) (raw)
Винтовая труба вспышки ксенона.
Ксеноновая лампа-вспышка — электрическая газоразрядная лампа, предназначенная для генерации мощных, некогерентных краткосрочных импульсов света, цветовая температура которых близка к солнечному свету.
Содержание
- 1 Устройство
- 2 Принцип работы
- 3 Спектр излучения
- 4 Интенсивность и длительность вспышки
- 5 Применение
- 6 См. также
Устройство
Лампа представляет собой запаянную трубку из стекла или кварца, заполненную смесью газов, преимущественно ксеноном, и электродов для пропускания электрического тока через газ. Для возбуждения газа нужна довольно высокая энергия, которая обычно накапливается в конденсаторе, подключенном к лампе (в некоторых случаях через дроссель). Затем относительно одного из электродов (чаще всего катода) на поджигающий электрод подается импульс высокого напряжения, ионизирующий газ в лампе и вызывающий пробой между электродами лампы.
Стеклянный корпус газоразрядной лампы обычно представляет собой трубку, которая может быть прямой или согнутой в виде различных фигур, в том числе спирали, в форме буквы «U», или окружности, для размещения вокруг объектива фотоаппарата при «бестеневой» фотографии. Электроды впаяны в оба конца трубки и подключены к конденсатору, заряженному высоким напряжением, от 180 В до 2 000 В в зависимости от длины трубки и состава газовой смеси. Третий электрод, который представляет собой металлизированную дорожку вдоль колбы или же никелевую проволку, намотанную вокруг трубки лампы спиралью с отступом от электродов (например на отечественных лампах серии ИФК) называется поджигающим и служит для первичной ионизации газа, которая запускает процесс разряда через лампу. Импульсная лампа имеет три (реже - два) вывода - анод, катод и поджигающий электрод. Катод лампы активируется для снижения работы выхода электронов.
Принцип работы
Вспышка получается при ионизации газа и пропускании через него мощного импульса тока. Ионизация необходима, чтобы уменьшить электрическое сопротивление газа, чтобы ток в сотни ампер смог пройти через газ внутри лампы. Первоначальную ионизацию можно получить например трансформатором Теслы. Кратковременный высоковольтный импульс, поданный на поджигающий электрод, создает первые ионы. Ток, начинающий протекать через газ, возбуждает атомы ксенона, заставляя электроны занимать орбиты с более высокими энергетическими уровнями. Электроны немедленно возвращаются на прежние орбиты излучая разницу энергий в виде фотонов. В зависимости от размеров лампы, давление ксенона в лампе может быть от нескольких кПа до десятков кПа (от 0,01-0,1 атм. до 10-100 мм рт.ст.).
На практике для первоначальной ионизации газа используется поджигающий трансформатор. Короткий импульс высокого напряжения прикладывается относительно одного из электродов (чаще всего катода) к поджигающему электроду, тем самым ионизируя содержащийся в лампе газ и вызывая разряд конденсаторов на лампу. Поджигающий импульс, в среднем превышает рабочее напряжение лампы в 10 раз. Для поджига двухэлектродной лампы накопительные конденсаторы заряжаются напряжением, выше напряжения самопробоя лампы (данный параметр присутствует у всех типов импульсных ламп), вследствие чего происходит ионизация и разряд в газе.
Для зажигания импульсной лампы важно знать ее параметры, такие как: рабочее напряжение, энергия, напряжение самопробоя, интервал между вспышками и фактор нагрузки. Энергия, запасенная в конденсаторе, рассчитывается по формуле:
Е = (C * U * U) / 2
Е — энергия [Дж]; С — емкость конденсатора [Ф]; U — напряжение на конденсаторе [В].
Параметр напряжение самопробоя используется для расчета двухэлектродных ламп. Также особое внимание необходимо обратить на фактор нагрузки (размерность — мкФ * кВ^4). Этот параметр превышать не рекомендуется — это повлечет ускоренный выход из строя лампы. То есть - работать при данной энергии лампы и не превышать рабочего напряжения. Также при вспышке в лампе происходит выделение тепла. Необходимо соблюдать интервал между вспышками. Для обычного стекла максимальная температура составляет 200 градусов, для кварцевого стекла - 600. Для мощных ламп используется охлаждение - вода, иногда - кремнийорганические соединения (наиболее эффективное охлаждение).
Спектр излучения
Как и все ионизированные газы, ксенон имеет различные спектральные линии. Это тот же механизм, который дает характерное свечение неону. Но у ксенона спектральные линии распределены по всему видимому спектру, так что его излучение кажется человеку белым. Ксенон имеет пик в синей области спектра что хорошо подходит для приложений с видимым светом. Именно это является основной причиной использования ксенона несмотря на дороговизну. Криптон тоже иногда используется, хотя он еще более дорог. Криптон имеет более сильное излучение около ИК диапазона, что хорошо подходит к спектру поглощения у Nd:YAG лазеров, что дает ему преимущество перед ксеноном.
Интенсивность и длительность вспышки
При коротком импульсе количество эмитированных катодом электронов ограничено. При более длительном импульсе отвод тепла тоже ограничен. У большинства ламп фотовспышек длительность импульса от микросекунд до нескольких миллисекунд, с частотой повторения до нескольких сотен герц.
У фотоосветительнных ламп (с большой энергией вспышки и большой длительностью между вспышками) мощность в импульсе превышает сотни кВт.
Интенсивность излучения ксеноновой импульсной лампы настолько высока, что может поджечь легковоспламеняющиеся объекты в непосредственной близости от лампы.
Применение
Лампы по режимам работы делятся на фотоосветительные (применяются, в основном, в фотовспышках) и стробоскопические. У стробоскопических ламп намного меньше энергия вспышки, но частота вспышек может доходить до пары сотен Гц. При частотах около 400 Гц лампа может перейти в дуговой режим, что крайне нежелательно.
Так как длительность вспышки хорошо контролируется и интенсивность ее довольно высока, она используется в основном в фотовспышках. Также используется в высокоскоростной фотографии, пионером которой был Харольд Эдгертон (Harold Edgerton) в 1930х.
Лампы с пониженной длительностью вспышки используются в стробоскопах.
Благодаря высокой интенсивности излучения в коротковолновой части спектра (вплоть до УФ), и малой продолжительности вспышки, данные лампы отлично подходят в качестве лампы накачки в лазере. Подбор состава газа лампы позволяет добиться максимума излучения в областях максимального поглощения рабочего тела лазера.
