Interested Article - Ксеноновая лампа-вспышка

Лампа ИФК-120 советских фотовспышек. На наружную поверхность стеклянной трубки нанесена электропроводящая обмазка (третий электрод)

Импульсная лампа — электрическая газоразрядная лампа , предназначенная для генерации мощных, некогерентных краткосрочных импульсов света, цветовая температура которого близка к солнечному свету.

Устройство

Импульсная лампа представляет собой запаянную трубку из кварцевого стекла , которая может быть прямой или согнутой в виде различных фигур, в том числе спирали, в форме буквы $U$ $U$ , или окружности, для размещения вокруг объектива фотоаппарата при «бестеневой» фотографии. Трубка заполнена смесью благородных газов , преимущественно ксеноном . Электроды впаяны в оба конца трубки и подключены к электролитическому конденсатору большой ёмкости (в некоторых случаях подключение через дроссель ). Напряжение на обкладках конденсатора составляет от 180 до 2 000 вольт в зависимости от длины трубки и состава газовой смеси. Третий электрод представляет собой металлизированную дорожку вдоль внешней стенки трубки или тонкую проволоку , намотанную вокруг трубки лампы спиралью с отступом от основных электродов.

Затем на третий (поджигающий) электрод подаётся импульс высокого напряжения, вызывающий ионизацию газа в трубке, электрическое сопротивление газа в лампе уменьшается и происходит электрический разряд между электродами лампы.

Импульсная лампа может иметь только два электрода, в этом случае поджигающий электрод совмещён с катодом .

Принцип работы

Вспышка происходит после ионизации газа и прохождении через него мощного импульса электрического тока. Ионизация необходима, чтобы уменьшить электрическое сопротивление газа, чтобы ток силой в сотни ампер смог пройти через газ внутри лампы. Первоначальную ионизацию можно получить, например трансформатором Теслы . Кратковременный высоковольтный импульс, поданный на поджигающий электрод, создаёт 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 (или 0,01-0,1 атм . или 10-100 мм рт. ст. ).

На практике для первоначальной ионизации газа используется поджигающий импульсный 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 её параметры, такие как: рабочее напряжение , энергия вспышки , напряжение самопробоя , интервал между вспышками и фактор нагрузки .

Энергия вспышки рассчитывается по формуле: $W={\frac {C\times U^{2}}{2}}$ $W={\frac {C\times U^{2}}{2}}$ , где

$W$ $W$ — энергия вспышки, Дж ;

$C$ $C$ — ёмкость конденсатора , Фарад ;

$U$ $U$ — электрическое напряжение на конденсаторе, Вольт .

Прохождение электрического тока через ионизированный газ прекращается, как только напряжение на обкладках конденсатора снизится до определённого значения, напряжения гашения $U_{g}$ $U_{g}$ , обычно 50—60 Вольт .

Формула энергии вспышки будет выглядеть так: $W={\frac {C\times (U^{2}-U_{g}^{2})}{2}}$ $W={\frac {C\times (U^{2}-U_{g}^{2})}{2}}$

Параметр напряжение самопробоя используется для расчёта двухэлектродных ламп.

Также особое внимание необходимо обратить на фактор нагрузки (размерность — мкФ × кВ ⁴ ). Этот параметр превышать не рекомендуется — это повлечёт ускоренный выход лампы из строя. 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 °C, для кварцевого стекла — 600 °C. Для мощных ламп используется охлаждение — вода, иногда — кремнийорганические соединения (наиболее эффективное охлаждение).

Принцип работы схемы фотовспышки

Накопительный конденсатор C ₁ большой ёмкости (типичные значения ёмкости — сотни мкФ, рабочее напряжение — 300…400 В в зависимости от типа импульсной лампы), включённый параллельно электродам ксеноновой лампы EL ₁ , заряжается от сети переменного тока через выпрямитель ( диоды VD ₁ и VD ₂ с ограничивающим ток резистором R ₁ ) или от высоковольтной батареи , или от низковольтной батареи и инвертора . Одновременно, через резисторы R ₄ и R ₅ , заряжается конденсатор C ₂ . Неоновая лампа HL ₁ , включённая через делитель напряжения ( R ₂ , R ₃ ), своим свечением сигнализирует о готовности фотовспышки. При срабатывании синхроконтакта фотоаппарата (или тестовой кнопки SA ₁ ) конденсатор C ₂ замыкается на первичную обмотку повышающего трансформатора T ₁ , на вторичной обмотке которого формируется высоковольтный (десятки тысяч вольт) импульс, ионизирующий газ в лампе через её контакт зажигания. Разряд конденсатора C ₁ через лампу сопровождается яркой световой вспышкой. По окончании вспышки цикл повторяется. Следующая вспышка возможна только после полной зарядки конденсатора C ₁ , которая отражается загоранием неоновой лампы HL ₁ в его цепи. Время перезарядки конденсатора (минимальный интервал между вспышками) ограничено мощностью преобразователя и максимальным током, который могут дать элементы питания.

Спектр излучения

Как и у всех ионизированных газов, спектр излучения ксенона содержит 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.

Интенсивность и длительность вспышки

Это высокоскоростное видео с ксеноновой фотовспышкой, снятое со скоростью более 44 000 кадров в секунду. Одиночный импульс вспышки в замедленном движении выявляет колебания заряженного газа.

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 ламп фотовспышек (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

Ксеноновые лампы-вспышки, используемые в смартфонах и камерах, обычно запускаются извне.

Головка рубинового лазера в собранном и разобранном виде, видна полость накачки, рубиновый стержень и две охлаждаемые водой вспышки.

Лампы по режимам работы делятся на осветительные (применяются, в основном, в фотовспышках) и стробоскопические. У стробоскопических ламп энергия вспышки намного меньше, но частота вспышек может доходить до нескольких сотен герц. При частотах около 400 Гц возможно зажигание электрической дуги , что крайне нежелательно.

Так как длительность вспышки хорошо контролируется и интенсивность её довольно высока, она используется в основном в фотовспышках. Также используется в высокоскоростной фотографии, пионером которой был Гарольд Эджертон в 1930-х гг.

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.

Лампы-вспышки получили применение и в косметологии : они применяются для фотоэпиляции и фотоомоложения кожи совместно с фильтром, отсекающим ультрафиолетовую и синюю составляющие.

См. также

Фотовспышка

Литература

Рохлин Г. Н. Газоразрядные источники света. — М. : Энергоатомиздат, 1991. — ISBN 5-283-00548-8 .
Импульсная лампа // Ива — Италики. — М. : Советская энциклопедия, 1972. — ( Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 10).
Лампа-вспышка / С. В. Кулагин. // Куна — Ломами. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — ( Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 14).