Ксенонова лампа-спалах

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Влаштування ксенонової імпульсної лампи
Фотоспалах у дії.
Лампа ІФК-120 радянських спалахів. На зовнішню поверхню скляної трубки нанесена електропровідна обмазка (третій електрод)

Імпульсна лампа - електрична газорозрядна лампа , призначена для генерації потужних, некогерентних короткострокових імпульсів світла, колірна температура якого близька до сонячного світла.

Пристрій

Імпульсна лампа є запаяною трубкою з кварцового скла , яка може бути прямою або зігнутою у вигляді різних фігур, у тому числі спіралі, у формі літери , або кола, для розміщення навколо об'єктива фотоапарата при «безтіньовій» фотографії. Трубка заповнена сумішшю благородних газів , переважно ксеноном . Електроди впаяні в обидва кінці трубки та підключені до електролітичного конденсатора великої ємності (у деяких випадках підключення через дросель ). Напруга на обкладинках конденсатора становить від 180 до 2000 вольт залежно від довжини трубки та складу газової суміші. Третій електрод являє собою металізовану доріжку вздовж зовнішньої стінки трубки або тонкий дріт , намотаний навколо трубки лампи спіраллю з відступом від основних електродів.

Потім на третій (підпалює) електрод подається імпульс високої напруги, що викликає іонізацію газу в трубці, електричний опір газу в лампі зменшується і відбувається електричний розряд між електродами лампи.

Імпульсна лампа може мати тільки два електроди, в цьому випадку запалює електрод суміщений з катодом .

Принцип роботи

Спалах відбувається після іонізації газу та проходження через нього потужного імпульсу електричного струму. Іонізація необхідна, щоб зменшити електричний опір газу, щоб струм силою в сотні ампер зміг пройти через газ усередині лампи. Початкову іонізацію можна отримати, наприклад, трансформатором Тесли . Короткочасний високовольтний імпульс, поданий на електрод, що підпалює, створює перші іони. Струм, що починає протікати через газ, збуджує атоми ксенону, змушуючи електрони займати орбіти з вищими енергетичними рівнями. Електрони негайно повертаються на колишні орбіти, випромінюючи різницю енергій як фотонів. Залежно від розмірів лампи тиск ксенону в лампі може бути від декількох кПа до десятків кПа (або 0,01-0,1 атм . або 10-100 мм рт. ст. ).

На практиці для початкової іонізації газу використовується запалюючий імпульсний трансформатор . Короткий імпульс високої напруги прикладається щодо одного з електродів (найчастіше катода) до запалюючого електрода, тим самим іонізуючи газ, що міститься в лампі, і викликаючи розряд конденсаторів на лампу. Підпалює імпульс, що в середньому перевищує робочу напругу лампи в 10 разів. Для запалювання двоелектродної лампи накопичувальні конденсатори заряджаються напругою, вище напруги самопробою лампи (даний параметр присутній у всіх типів імпульсних ламп), внаслідок чого відбувається іонізація та розряд у газі.

Для запалювання імпульсної лампи важливо знати її параметри, такі як: робоча напруга , енергія спалаху , напруга самопробою , інтервал між спалахами та фактор навантаження .

Енергія спалаху розраховується за такою формулою: , де

- Енергія спалаху, Дж ;

- ємність конденсатора , Фарад ;

- Електрична напруга на конденсаторі, Вольт .

Проходження електричного струму через іонізований газ припиняється, як тільки напруга на обкладках конденсатора знизиться до певного значення, напруга гасіння , зазвичай 50-60 Вольт .

Формула енергії спалаху виглядатиме так:

Параметр напруги самопробою використовується для розрахунку двоелектродних ламп.

Також особливу увагу необхідно привернути до уваги фактор навантаження (розмірність — мкФ × кВт·год ). Цей параметр перевищувати не рекомендується - це спричинить прискорений вихід лампи з ладу. Тобто працювати при даній енергії лампи і не перевищувати робочої напруги.

Також під час спалаху в лампі відбувається виділення тепла. Необхідно дотримуватися інтервалу між спалахами . Для звичайного скла максимальна температура становить 200 °C, для кварцового скла – 600 °C. Для потужних ламп використовується охолодження – вода, іноді – кремнійорганічні сполуки (найбільш ефективне охолодження).

Схема електронного мережевого спалаху.
Схема електронного мережевого спалаху.

Спектр випромінювання

Як і у всіх іонізованих газів, спектр випромінювання ксенону містить різні спектральні лінії . Це той самий механізм, який дає характерне світіння неону . Але ксенон спектральні лінії розподілені по всьому видимому спектру, так що його випромінювання здається людині білим.

Інтенсивність та тривалість спалаху

Це високошвидкісне відео з ксеноновим спалахом, зняте зі швидкістю більше 44 000 кадрів в секунду. Одиночний імпульс спалаху в уповільненому русі виявляє коливання зарядженого газу.

При короткому імпульсі кількість емітованих катодом електронів обмежена. При більш тривалому імпульсі відведення тепла також обмежене. Більшість ламп фотоспалахів тривалість імпульсу від мікросекунд до кількох мілісекунд, з частотою повторення до кількох сотень герц.

У ламп фотоспалахів (з великою енергією спалаху і великою тривалістю між спалахами) потужність імпульсу перевищує сотні кВт.

Інтенсивність випромінювання ксенонової імпульсної лампи настільки висока, що може підпалити легкозаймисті об'єкти в безпосередній близькості від лампи.

Застосування

Ксенонові лампи-спалахи, що використовуються у смартфонах та камерах, зазвичай запускаються ззовні.
Головка рубінового лазера в зібраному та розібраному вигляді, видно порожнину накачування, рубіновий стрижень і два спалахи, що охолоджуються водою.

Лампи по режимах роботи діляться на освітлювальні (застосовуються, переважно, у фотоспалахах) і стробоскопічні. У стробоскопічних ламп енергія спалаху набагато менша, але частота спалахів може сягати кількох сотень герц. При частотах близько 400 Гц можливе запалення електричної дуги , що дуже небажано.

Оскільки тривалість спалаху добре контролюється і інтенсивність її досить висока, вона використовується переважно у фотоспалахах. Також використовується у високошвидкісній фотографії, піонером якої був Гарольд Еджертон у 1930-х роках.

Лампи зі зниженою тривалістю спалаху використовуються у стробоскопах .

Завдяки високій інтенсивності випромінювання в короткохвильовій частині спектру (аж до УФ) і малій тривалості спалаху, дані лампи відмінно підходять як лампа накачування в лазері . Підбір складу газу лампи дозволяє досягти максимуму випромінювання в областях максимального поглинання робочого тіла лазера.

Лампи-спалахи отримали застосування і в косметології : вони використовуються для фотоепіляції та фотоомолодження шкіри разом з фільтром, що відсікає ультрафіолетову та синю компоненти.

Див. також