Flashtube - Flashtube
Um flashtube , também chamado de flashlamp , é uma lâmpada de arco elétrico projetada para produzir luz branca de espectro total extremamente intensa, incoerente , por períodos muito curtos. Os flashtubes são feitos de um tubo de vidro com eletrodos em cada extremidade e são preenchidos com um gás que, quando acionado, ioniza e conduz um pulso de alta voltagem para produzir a luz. Flashtubes são usados principalmente para fins fotográficos, mas também são empregados em aplicações científicas, médicas, industriais e de entretenimento.
Construção
A lâmpada compreende um tubo de vidro hermeticamente selado , que é preenchido com um gás nobre , geralmente xenônio , e eletrodos para transportar corrente elétrica para o gás. Além disso, uma fonte de alimentação de alta tensão é necessária para energizar o gás como um evento de gatilho. Um capacitor carregado é normalmente usado para fornecer energia para o flash, de modo a permitir uma entrega muito rápida de corrente elétrica muito alta quando a lâmpada é acionada.
Envelopes de vidro
O envelope de vidro é mais comumente um tubo fino, geralmente feito de quartzo fundido , borosilicato ou pirex , que pode ser reto ou dobrado em uma série de formas diferentes, incluindo helicoidal, em "U" e circular (para envolver a lente de uma câmera para fotografia sem sombras - ' flashes circulares '). Em algumas aplicações, a emissão de luz ultravioleta é indesejável, quer devido a produção de ozono , os danos para as hastes de laser, a degradação de plásticos, ou outros efeitos prejudiciais. Nestes casos, uma sílica fundida dopada é usada. A dopagem com dióxido de titânio pode fornecer diferentes comprimentos de onda de corte no lado ultravioleta, mas o material sofre de solarização ; é frequentemente usado em lâmpadas médicas e de raios solares e em algumas lâmpadas não laser. Uma alternativa melhor é um quartzo dopado com cério ; não sofre solarização e tem maior eficiência, pois parte do ultravioleta absorvido é re-irradiado como visível via fluorescência . Seu corte é de cerca de 380 nm. Por outro lado, quando o ultravioleta é exigido, um quartzo sintético é usado como envelope; é o mais caro dos materiais, mas não é suscetível à solarização e seu corte é de 160 nm.
O nível de potência das lâmpadas é classificado em watts / área, a potência elétrica total de entrada dividida pela superfície interna da parede da lâmpada. O resfriamento dos eletrodos e do envelope da lâmpada é de grande importância em níveis de alta potência. O resfriamento a ar é suficiente para níveis médios de energia mais baixos. As lâmpadas de alta potência são resfriadas com um líquido, normalmente fluindo água desmineralizada através de um tubo no qual a lâmpada está envolta. As lâmpadas resfriadas a água geralmente terão o vidro encolhido ao redor dos eletrodos, para fornecer um condutor térmico direto entre eles e a água de resfriamento. O meio de resfriamento deve fluir também por todo o comprimento da lâmpada e dos eletrodos. Lâmpadas de alta potência média ou arco de onda contínua devem ter o fluxo de água através das extremidades da lâmpada e também através das extremidades expostas dos eletrodos, de forma que a água deionizada seja usada para evitar um curto-circuito. Acima de 15 W / cm 2 é necessário resfriamento de ar forçado; resfriamento por líquido se em um espaço confinado. O resfriamento por líquido é geralmente necessário acima de 30 W / cm 2 .
Paredes mais finas podem sobreviver a cargas de potência média mais altas devido à menor tensão mecânica em toda a espessura do material, que é causada por um gradiente de temperatura entre o plasma quente e a água de resfriamento (por exemplo, quartzo dopado com 1 mm de espessura tem limite de 160 W / cm 2 , 0,5 mm de espessura tem limite de 320 W / cm 2 ). Por esta razão, o vidro mais fino é freqüentemente usado para lâmpadas de arco de onda contínua. Materiais mais grossos geralmente podem lidar com mais energia de impacto da onda de choque que um arco de pulso curto pode gerar, então quartzo de até 1 mm de espessura é freqüentemente usado na construção de tubos de flash. O material do envelope fornece outro limite para a potência de saída; O quartzo fundido com 1 mm de espessura tem um limite de 200 W / cm 2 , o quartzo sintético da mesma espessura pode atingir 240 W / cm 2 . Outros vidros, como o borosilicato, geralmente têm menos da metade da capacidade de carga do quartzo. As lâmpadas envelhecidas requerem alguma redução, devido ao aumento da absorção de energia no vidro devido à solarização e depósitos pulverizados.
Eletrodos e selos
Os eletrodos se projetam em cada extremidade do tubo e são selados ao vidro usando alguns métodos diferentes. As "vedações de fita" usam tiras finas de folha de molibdênio coladas diretamente no vidro, que são muito duráveis, mas são limitadas na quantidade de corrente que pode passar. "Selos de solda" unem o vidro ao eletrodo com uma solda para um selo mecânico muito forte, mas são limitados a operação em baixa temperatura. O mais comum em aplicações de bombeamento a laser é a "vedação da haste", onde a haste do eletrodo é umedecida com outro tipo de vidro e então ligada diretamente a um tubo de quartzo. Esta vedação é muito durável e capaz de suportar temperaturas e correntes muito altas. A vedação e o vidro devem ter o mesmo coeficiente de expansão.
Para baixo desgaste do eletrodo, os eletrodos são geralmente feitos de tungstênio , que tem o ponto de fusão mais alto de qualquer metal, para lidar com a emissão termiônica de elétrons. Os cátodos são geralmente feitos de tungstênio poroso preenchido com um composto de bário , que fornece baixa função de trabalho ; a estrutura do cátodo deve ser adaptada para a aplicação. Os ânodos são geralmente feitos de tungstênio puro ou, quando uma boa usinabilidade é necessária, tungstênio com liga de lantânio e geralmente são usinados para fornecer área de superfície extra para lidar com a carga de energia. As lâmpadas de arco DC geralmente têm um cátodo com uma ponta afiada, para ajudar a manter o arco longe do vidro e para controlar a temperatura. Os flashtubes geralmente têm um cátodo com um raio achatado, para reduzir a incidência de pontos quentes e diminuir a pulverização catódica causada por correntes de pico, que podem ser superiores a 1000 amperes. O projeto do eletrodo também é influenciado pela potência média. Em altos níveis de potência média, deve-se tomar cuidado para conseguir o resfriamento suficiente dos eletrodos. Embora a temperatura do ânodo seja de menor importância, o superaquecimento do cátodo pode reduzir muito a expectativa de vida da lâmpada.
Gases e pressão de enchimento
Dependendo do tamanho, tipo e aplicação do tubo flash , as pressões de enchimento do gás podem variar de alguns quilopascais a centenas de quilopascais (0,01–4,0 atmosferas ou dezenas a milhares de torr ). Geralmente, quanto mais alta a pressão, maior a eficiência de saída. O xenônio é usado principalmente por causa de sua boa eficiência, convertendo quase 50% da energia elétrica em luz. O Krypton, por outro lado, é apenas cerca de 40% eficiente, mas em baixas correntes é uma combinação melhor para o espectro de absorção dos lasers Nd: YAG . Um fator importante que afeta a eficiência é a quantidade de gás atrás dos eletrodos, ou o "volume morto". Um maior volume morto leva a um menor aumento de pressão durante a operação.
Operação
Os eletrodos da lâmpada são geralmente conectados a um capacitor , que é carregado com uma tensão relativamente alta (geralmente entre 250 e 5000 volts), usando um transformador elevador e um retificador . O gás, entretanto, apresenta resistência extremamente alta e a lâmpada não conduz eletricidade até que o gás seja ionizado . Uma vez ionizado, ou "disparado", uma faísca se formará entre os eletrodos, permitindo que o capacitor descarregue. A súbita onda de corrente elétrica aquece rapidamente o gás a um estado de plasma , onde a resistência elétrica torna-se muito baixa. Existem vários métodos de acionamento.
Acionamento externo
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O disparo externo é o método de operação mais comum, especialmente para uso fotográfico. Os eletrodos são carregados com uma voltagem alta o suficiente para responder ao disparo, mas abaixo do limite do auto-flash da lâmpada. Um pulso de voltagem extremamente alta (geralmente entre 2.000 e 150.000 volts), o "pulso de disparo", é aplicado diretamente ou muito próximo ao envelope de vidro. (Flashtubes resfriados a água às vezes aplicam este pulso diretamente à água de resfriamento, e muitas vezes ao alojamento da unidade também, portanto, deve-se tomar cuidado com este tipo de sistema.) O pulso curto de alta tensão cria um campo eletrostático crescente , que ioniza o gás dentro do tubo. A capacitância do vidro acopla o pulso de disparo ao envelope, onde excede a tensão de ruptura do gás que envolve um ou ambos os eletrodos, formando raios de faísca. Os streamers se propagam via capacitância ao longo do vidro a uma velocidade de 1 centímetro em 60 nanossegundos (170 km / s). (Um pulso de gatilho deve ter uma duração longa o suficiente para permitir que um streamer alcance o eletrodo oposto, ou o resultado será um gatilho errático.) O gatilho pode ser aprimorado aplicando o pulso de gatilho a um "plano de referência", que pode estar na forma de uma faixa de metal ou refletor afixado ao vidro, uma tinta condutora ou um fio fino enrolado ao redor do comprimento da lâmpada. Se a voltagem do capacitor for maior que a queda de voltagem entre o cátodo e o ânodo, quando as faíscas internas passarem pelos eletrodos, o capacitor irá descarregar através do gás ionizado, aquecendo o xenônio a uma temperatura alta o suficiente para a luz de emissão.
Acionamento de série
O disparo em série é mais comum em flashtubes resfriados a água de alta potência, como os encontrados em lasers . Os cabos de alta tensão do transformador de disparo são conectados ao tubo flash em série (um cabo para um eletrodo e o outro para o capacitor), de modo que o flash viaje através do transformador e da lâmpada. O pulso do gatilho forma uma faísca dentro da lâmpada, sem expor a tensão do gatilho para fora da lâmpada. As vantagens são melhor isolamento, disparo mais confiável e um arco que tende a se desenvolver bem longe do vidro, mas a um custo muito mais alto. O transformador de disparo em série também atua como um indutor . Isso ajuda a controlar a duração do flash, mas evita que o circuito seja usado em aplicações de descarga muito rápida. O disparo geralmente pode ocorrer com uma tensão mais baixa no capacitor do que a necessária para o disparo externo. No entanto, o transformador de disparo torna-se parte do circuito do flash e acopla o circuito de disparo à energia do flash. Portanto, como o transformador de disparo tem impedância muito baixa, o transformador, o circuito de disparo e o retificador controlado de silício (SCR) devem ser capazes de lidar com correntes de pico muito altas, muitas vezes acima de 1.500 amperes.
Simmer-voltagem disparando
O disparo por voltagem simmer é o método menos comum. Nesta técnica, a tensão do capacitor não é inicialmente aplicada aos eletrodos, mas, em vez disso, um streamer de faísca de alta tensão é mantido entre os eletrodos. A alta corrente do capacitor é fornecida aos eletrodos por meio de um tiristor ou centelhador . Esse tipo de disparo é usado principalmente em sistemas de tempo de subida muito rápido , normalmente aqueles que descarregam no regime de microssegundos, como os usados em alta velocidade, fotografia de movimento parado ou lasers de tinta . O streamer de faísca faz com que o arco se desenvolva exatamente no centro da lâmpada, aumentando drasticamente a vida útil. Se o acionamento externo for usado para pulsos extremamente curtos, os streamers de faísca ainda podem estar em contato com o vidro quando a carga total da corrente passar pelo tubo, causando ablação da parede ou, em casos extremos, rachaduras ou mesmo explosão da lâmpada. No entanto, como pulsos muito curtos muitas vezes exigem voltagem muito alta e baixa capacitância, para evitar que a densidade de corrente aumente muito, alguns flashtubes de microssegundos são acionados simplesmente por "over-volting", isto é, aplicando uma voltagem aos eletrodos que é muito mais alto do que o limite do flash automático da lâmpada, usando um centelhador. Freqüentemente, uma combinação de tensão simmer e sobretensão é usada.
Técnicas de pré-pulso
Tempos de subida muito rápidos são freqüentemente alcançados usando uma técnica de pré-pulso. Este método é executado fornecendo um pequeno flash através da lâmpada imediatamente antes do flash principal. Este flash tem energia muito menor do que o flash principal (normalmente menos de 10%) e, dependendo da duração do pulso, é fornecido apenas alguns milésimos a alguns milionésimos de segundo antes do flash principal. O pré-pulso aquece o gás, produzindo um brilho residual fraco e de curta duração que resulta dos elétrons livres e partículas ionizadas que permanecem depois que o pulso é encerrado. Se o flash principal for iniciado antes que essas partículas possam se recombinar, isso fornecerá uma boa quantidade de partículas ionizadas a serem usadas pelo flash principal. Isso diminui muito o tempo de subida. Também reduz a onda de choque e faz menos ruído durante a operação, aumentando muito a vida útil da lâmpada. É especialmente eficaz em aplicações de descarga muito rápida, permitindo que o arco se expanda mais rápido e preencha melhor o tubo. É muito frequentemente usado com tensão simmer e às vezes com disparo em série, mas raramente usado com disparo externo. As técnicas de pré-pulso são mais comumente usadas no bombeamento de lasers de tintura, aumentando muito a eficiência de conversão . No entanto, também foi demonstrado que aumenta a eficiência de outros lasers com tempos de vida de fluorescência mais longos (permitindo pulsos mais longos), como Nd: YAG ou safira de titânio , criando pulsos com formas de onda quase quadradas .
Flashtubes ablativos
Flashtubes ablativos são acionados por subpressurização. Os flashtubes ablativos são normalmente construídos com tubos de quartzo e um ou ambos os eletrodos ocos, permitindo que uma bomba de vácuo seja acoplada para controlar a pressão do gás. Os eletrodos da lâmpada são conectados a um capacitor carregado e, em seguida, o gás é aspirado da lâmpada. Quando o gás atinge uma pressão baixa o suficiente (muitas vezes apenas algumas torr), as partículas ionizadas aleatoriamente são capazes de acelerar a velocidades suficientes para começar a ejetar elétrons do cátodo conforme eles impactam sua superfície, resultando em uma avalanche de Townsend que faz com que a lâmpada se auto -acelere -clarão. Em tais pressões baixas, a eficiência do flash seria normalmente muito baixa. No entanto, por causa da baixa pressão, as partículas têm espaço para acelerar a velocidades muito altas e as forças magnéticas expandem o arco de forma que a maior parte de seu plasma se concentra na superfície, bombardeando o vidro. O bombardeio remove (vaporiza) grandes quantidades de quartzo da parede interna. Essa ablação cria um aumento repentino, violento e localizado na pressão interna da lâmpada, aumentando a eficiência do flash para níveis muito altos. A ablação, no entanto, causa grande desgaste da lâmpada, enfraquecendo o vidro, e eles normalmente precisam ser substituídos após uma vida útil muito curta.
Os flashtubes ablativos precisam ser recarregados e aspirados até a pressão adequada para cada flash. Portanto, eles não podem ser usados para aplicações de repetição muito alta. Além disso, isso geralmente impede o uso de gases muito caros, como criptônio ou xenônio. O gás mais comum usado em um tubo flash ablativo é o ar , embora às vezes argônio barato também seja usado. O flash geralmente deve ser muito curto para evitar que muito calor seja transferido para o vidro, mas os flashes geralmente podem ser mais curtos do que uma lâmpada normal de tamanho comparativo. O flash de um único flashtube ablativo também pode ser mais intenso do que várias lâmpadas. Por esses motivos, o uso mais comum das lâmpadas é no bombeamento de lasers de tinta.
Controle de largura de pulso variável
Além disso, um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) pode ser conectado em série com o transformador de disparo e a lâmpada, tornando possíveis as durações de flash ajustáveis. Um IGBT usado para essa finalidade deve ser classificado para uma alta corrente pulsada, de modo a evitar danos de sobrecorrente à junção do semicondutor. Esse tipo de sistema é usado com frequência em sistemas de laser de alta potência média e pode produzir pulsos que variam de 500 microssegundos a mais de 20 milissegundos. Ele pode ser usado com qualquer uma das técnicas de disparo, como externo e em série, e pode produzir pulsos de onda quadrada. Pode até ser usado com tensão simmer para produzir uma saída de onda contínua "modulada", com taxas de repetição acima de 300 hertz. Com o tubo flash resfriado a água de grande diâmetro adequado, vários quilowatts de potência média de saída podem ser obtidos.
Requisitos elétricos
Os requisitos elétricos para um tubo flash podem variar, dependendo dos resultados desejados. O método usual é determinar primeiro a duração do pulso, a quantidade máxima de energia tolerável naquela duração (energia de explosão) e a quantidade segura de energia operacional. Em seguida, escolher uma densidade de corrente que vai emitir o espectro desejado, e deixar a resistência da lâmpada determinar a necessária combinação de tensão e capacidade para produzi-lo. A resistência em flashtubes varia muito, dependendo da pressão, forma, volume morto, densidade de corrente, tempo e duração do flash e, portanto, é geralmente referida como impedância . O símbolo mais comum usado para a impedância da lâmpada é K o , que é expresso como ohms pela raiz quadrada de amperes (ohms (amperes 0,5 ).
K o é usado para calcular a quantidade de tensão de entrada e capacitância necessária para emitir um espectro desejado, controlando a densidade de corrente. K o é determinado pelo diâmetro interno, comprimento do arco e tipo de gás da lâmpada e, em menor grau, pela pressão de enchimento. A resistência em flashtubes não é constante, mas cai rapidamente conforme aumenta a densidade da corrente. Em 1965, John H. Goncz mostrou que a resistividade do plasma em flashtubes é inversamente proporcional à raiz quadrada da densidade de corrente. À medida que o arco se desenvolve, a lâmpada passa por um período de resistência negativa , fazendo com que a resistência e a tensão diminuam à medida que a corrente aumenta. Isso ocorre até que o plasma entre em contato com a parede interna. Quando isso acontece, a tensão se torna proporcional à raiz quadrada da corrente e a resistência no plasma se torna estável pelo restante do flash. É esse valor que é definido como K o . No entanto, à medida que o arco se desenvolve, o gás se expande e os cálculos para K o não levam em consideração o volume morto, o que leva a um menor aumento de pressão. Portanto, qualquer cálculo de K o é meramente uma aproximação da impedância da lâmpada.
Espectro de saída
Xenon
Como acontece com todos os gases ionizados, os flashtubes de xenônio emitem luz em várias linhas espectrais . Este é o mesmo fenômeno que dá aos sinais de néon sua cor característica. No entanto, os sinais de néon emitem luz vermelha por causa de densidades de corrente extremamente baixas quando comparados com aqueles vistos em flashtubes, o que favorece linhas espectrais de comprimentos de onda mais longos. Densidades de corrente mais altas tendem a favorecer comprimentos de onda mais curtos. A luz do xenônio, em um letreiro de néon, também é bastante violeta. O espectro emitido por flashtubes é muito mais dependente da densidade da corrente do que da pressão de enchimento ou tipo de gás. Baixas densidades de corrente produzem emissão de linha espectral estreita, contra um fundo tênue de radiação contínua. O xenônio possui muitas linhas espectrais nas porções UV, azul, verde, vermelha e IV do espectro. Baixas densidades de corrente produzem um flash azul esverdeado, indicando a ausência de linhas amarelas ou laranja significativas. Em baixas densidades de corrente, a maior parte da saída do xenônio será direcionada para as linhas espectrais infravermelhas invisíveis em torno de 820, 900 e 1000 nm. Baixas densidades de corrente para flashtubes são geralmente menores que 1000 A / cm 2 .
Densidades de corrente mais altas começam a produzir emissão contínua . As linhas espectrais se ampliam e se tornam menos dominantes à medida que a luz é produzida em todo o espectro, geralmente com pico, ou "centrada", em um determinado comprimento de onda. A eficiência de saída ideal na faixa visual é obtida em uma densidade que favorece a "radiação de corpo cinza" (um arco que produz principalmente emissão contínua, mas ainda é principalmente translúcido para sua própria luz; um efeito semelhante à luz solar quando passa por uma nuvem) . Para o xenônio, a radiação de corpo cinza é centralizada perto do verde e produz a combinação certa para a luz branca . Greybody radiação é produzida com densidades acima de 2400 A / cm 2 .
As densidades de corrente muito altas, aproximando-se de 4000 A / cm 2 , tendem a favorecer a radiação de corpo negro . As linhas espectrais praticamente desaparecem à medida que a radiação contínua domina e o centro de saída muda em direção ao ultravioleta. À medida que as densidades de corrente se tornam ainda mais altas, visualmente, o espectro de saída do xenônio começará a se estabelecer no de um radiador de corpo negro com uma temperatura de cor de 9.800 kelvins (um tom bastante azul-celeste de branco). Exceto nos casos em que a luz ultravioleta intensa é necessária, como a descontaminação da água, a radiação de corpo negro geralmente não é desejada porque o arco se torna opaco e grande parte da radiação de dentro do arco pode ser absorvida antes de atingir a superfície, prejudicando a eficiência de saída.
Devido à sua saída de branco de alta eficiência, o xenônio é usado extensivamente para aplicações fotográficas, apesar de seu alto custo. Em lasers, a emissão da linha espectral é geralmente favorecida, pois essas linhas tendem a corresponder melhor às linhas de absorção do meio de laser. O criptônio também é usado ocasionalmente, embora seja ainda mais caro. Em baixas densidades de corrente, a saída da linha espectral do criptônio na faixa próxima do IV é melhor combinada com o perfil de absorção da mídia de laser à base de neodímio do que a emissão de xenônio, e se aproxima muito do perfil de absorção estreito de Nd: YAG. Nenhuma das linhas espectrais do xenônio corresponde às linhas de absorção de Nd: YAG, então, ao bombear Nd: YAG com xenônio, a radiação contínua deve ser usada.
Criptônio e outros gases
Todos os gases produzem linhas espectrais específicas do gás, sobrepostas em um fundo de radiação contínua. Com todos os gases, baixas densidades de corrente produzem principalmente linhas espectrais, com a saída mais alta concentrada no infravermelho próximo entre 650 e 1000 nm. Os picos mais fortes de Krypton estão em torno de 760 e 810 nm. O argônio tem muitos picos fortes em 670, 710, 760, 820, 860 e 920 nm. O néon tem picos em torno de 650, 700, 850 e 880 nm. Conforme as densidades de corrente se tornam mais altas, a saída da radiação contínua aumentará mais do que a radiação da linha espectral a uma taxa 20% maior, e o centro de saída mudará em direção ao espectro visual. Nas densidades de corrente de corpo cinza, há apenas uma ligeira diferença no espectro emitido por vários gases. Em densidades de corrente muito altas, todos os gases começarão a operar como radiadores de corpo negro, com saídas espectrais semelhantes a uma estrela gigante azul , centrada no UV.
Gases mais pesados apresentam maior resistência e, portanto, maior valor para K o . A impedância, sendo definida como a resistência necessária para transformar energia em trabalho, é maior para gases mais pesados e, como tal, os gases mais pesados são muito mais eficientes do que os mais leves. Hélio e néon são claros demais para produzir um flash eficiente. O Krypton pode ser tão bom quanto 40% eficiente, mas requer um aumento de até 70% na pressão sobre o xenônio para conseguir isso. O argônio pode ser até 30% eficiente, mas requer um aumento de pressão ainda maior. Em tais pressões altas, a queda de voltagem entre os eletrodos, formada pelo streamer de faísca, pode ser maior do que a voltagem do capacitor. Essas lâmpadas geralmente precisam de uma "tensão de reforço" durante a fase de disparo, para superar a impedância de disparo extremamente alta.
O nitrogênio , na forma de ar, tem sido usado em flashtubes em lasers de corantes caseiros, mas o nitrogênio e o oxigênio presentes formam reações químicas com os eletrodos, e com eles próprios, causando desgaste prematuro e a necessidade de ajustar a pressão a cada flash.
Algumas pesquisas foram feitas sobre a mistura de gases para alterar a produção espectral. O efeito no espectro de saída é insignificante, mas o efeito na eficiência é grande. Adicionar um gás mais leve apenas reduzirá a eficiência do mais pesado.
Produção leve
À medida que o pulso atual viaja através do tubo, ele ioniza os átomos, fazendo-os saltar para níveis de energia mais elevados. Três tipos de partículas são encontrados no plasma do arco, consistindo em elétrons , átomos positivamente ionizados e átomos neutros . A qualquer momento durante o flash, os átomos ionizados constituem menos de 1% do plasma e produzem toda a luz emitida. À medida que se recombinam com seus elétrons perdidos, eles caem imediatamente de volta a um estado de energia inferior, liberando fótons no processo. Os métodos de transferência de energia ocorrem de três maneiras distintas, chamadas de transições "limitadas", "livres" e "livres".
Dentro do plasma, os íons positivos aceleram em direção ao cátodo enquanto os elétrons aceleram em direção ao ânodo. Os átomos neutros se movem em direção ao ânodo em uma taxa mais lenta, preenchendo algum diferencial de pressão localizado criado pelos íons. Em pressões normais, esse movimento ocorre em distâncias muito curtas, porque as partículas interagem e se chocam umas com as outras e, trocando elétrons, invertem a direção. Assim, durante o pulso, os átomos neutros estão constantemente ionizando e recombinando, emitindo um fóton a cada vez, retransmitindo elétrons do cátodo para o ânodo. Quanto maior o número de transições de íons para cada elétron; melhor será a eficiência de conversão , portanto tubos mais longos ou pressões mais altas ajudam a aumentar a eficiência da lâmpada. Durante o pulso, o efeito de pele faz com que os elétrons livres se juntem próximo à parede interna, criando uma bainha de elétrons ao redor do plasma. Isso torna a área eletronegativa e ajuda a mantê-la fria. O efeito cutâneo também aumenta a indutância induzindo correntes parasitas no plasma central.
As transições limitadas ocorrem quando os íons e os átomos neutros colidem, transferindo um elétron do átomo para o íon. Este método predomina em baixas densidades de corrente e é responsável por produzir a emissão da linha espectral. As transições de limite livre acontecem quando um íon captura um elétron livre. Este método produz a emissão contínua e é mais proeminente em densidades de corrente mais altas. Parte do continuum também é produzida quando um elétron acelera em direção a um íon, chamadas transições livres-livres, produzindo radiação bremsstrahlung . A radiação Bremsstrahlung aumenta com o aumento da densidade de energia e causa uma mudança em direção à extremidade azul e ultravioleta do espectro.
Intensidade e duração do flash
O único limite elétrico real para quão curto um pulso pode ser é a indutância total do sistema , incluindo a do capacitor, dos fios e da própria lâmpada. Os flashes de pulso curto exigem que toda a indutância seja minimizada. Isso normalmente é feito usando capacitores especiais, os fios mais curtos disponíveis ou condutores elétricos com uma grande área de superfície, mas seções transversais finas. Para sistemas extremamente rápidos, terminais axiais de baixa indutância, como tubos de cobre, fios de núcleo de plástico ou até mesmo eletrodos vazados, podem ser usados para diminuir a indutância total do sistema. Os lasers de corante precisam de pulsos muito curtos e, às vezes, usam flashtubes axiais, que têm uma seção transversal anular com um grande diâmetro externo, eletrodos em forma de anel e um núcleo interno oco, permitindo que a indutância inferior e uma célula de corante sejam colocadas como um eixo através o centro da lâmpada.
Em contraste, as mudanças na tensão de entrada ou capacitância não têm efeito no tempo de descarga, embora tenham efeito na densidade da corrente. À medida que a duração do flash diminui, a energia elétrica se concentra em pulsos mais curtos, de modo que a densidade da corrente aumenta. A compensação para isso geralmente requer a redução da capacitância conforme a duração do pulso diminui e, em seguida, o aumento da tensão proporcionalmente para manter um nível de energia alto o suficiente. No entanto, à medida que a duração do pulso diminui, o mesmo ocorre com a classificação de "energia de explosão" da lâmpada, de modo que o nível de energia também deve ser diminuído para evitar a destruição da lâmpada.
A quantidade de energia que o vidro pode suportar é o principal limite mecânico. Mesmo que a quantidade de energia ( joules ) usada permaneça constante, a potência elétrica ( potência ) aumentará na proporção inversa à diminuição do tempo de descarga. Portanto, a energia deve ser diminuída junto com a duração do pulso, para evitar que os níveis de energia pulsada subam muito. O vidro de quartzo (1 milímetro de espessura por 1 segundo de descarga) geralmente pode suportar um máximo de 160 watts por centímetro quadrado de área de superfície interna. Outros óculos têm um limite muito mais baixo. Sistemas extremamente rápidos, com indutância abaixo do amortecimento crítico (0,8 microhenries), geralmente requerem um diodo shunt no capacitor, para evitar que a reversão de corrente (toque) destrua a lâmpada. Se for permitido que o pulso toque através da lâmpada, ele aumentará o flash, então o diodo retém o toque, permitindo que a lâmpada desligue no momento correto.
Os limites para durações de pulso longas são o número de elétrons transferidos para o ânodo, a pulverização catódica causada pelo bombardeio de íons no cátodo e os gradientes de temperatura do vidro. Pulsos muito longos podem vaporizar grandes quantidades de metal do cátodo, enquanto o superaquecimento do vidro fará com que ele se rache longitudinalmente. Para operação contínua, o resfriamento é o limite. As durações de descarga para flashtubes comuns variam de 0,1 microssegundo a dezenas de milissegundos e podem ter taxas de repetição de centenas de hertz . A duração do flash pode ser controlada cuidadosamente com o uso de um indutor .
O flash que emana de um tubo de flash de xenônio pode ser tão intenso que pode inflamar materiais inflamáveis a uma curta distância do tubo. Os nanotubos de carbono são particularmente suscetíveis a essa ignição espontânea quando expostos à luz de um tubo flash. Efeitos semelhantes podem ser explorados para uso em procedimentos estéticos ou médicos conhecidos como tratamentos de luz intensa pulsada (IPL). O IPL pode ser usado para tratamentos como remoção de pelos e destruição de lesões ou manchas .
Tempo de vida
A vida útil de um flashtube depende do nível de energia usado para a lâmpada em proporção à sua energia de explosão e da duração do pulso da lâmpada. As falhas podem ser catastróficas, fazendo com que a lâmpada se estilhace, ou podem ser graduais, reduzindo o desempenho da lâmpada abaixo de uma classificação utilizável.
Falha catastrófica
A falha catastrófica pode ocorrer a partir de dois mecanismos separados: energia e calor . Quando muita energia é usada para a duração do pulso, pode ocorrer falha estrutural do envelope de vidro. Flashtubes produzem um arco elétrico contido em um tubo de vidro. Conforme o arco se desenvolve, uma onda de choque supersônica se forma, viajando radialmente do centro do arco e impactando a parede interna do tubo. Se o nível de energia estiver baixo o suficiente, uma batida no vidro é tudo o que se ouve. No entanto, se o nível de energia usado for igual à classificação de "energia de explosão" da lâmpada, a onda de choque impactante irá fraturar o vidro, rompendo o tubo. A explosão resultante cria uma onda de choque sônica alta e pode jogar vidros quebrados a vários metros. A energia da explosão é calculada multiplicando a área da superfície interna da lâmpada, entre os eletrodos, pela capacidade de carga do vidro. A carga de energia é determinada pelo tipo e espessura do vidro e pelo método de resfriamento usado. A carga de energia é medida em watts por centímetro quadrado. No entanto, porque os potência pulsadas nível aumenta à medida que diminui a duração do flash, a energia de explosão deve, então, ser reduzida em proporção directa com a raiz quadrada do tempo de descarga.
A falha por calor é geralmente causada por durações de pulso excessivamente longas, níveis de potência média altos ou tamanho de eletrodo inadequado. Quanto mais longo o pulso; mais de seu intenso calor será transferido para o vidro. Quando a parede interna do tubo fica muito quente enquanto a parede externa ainda está fria, esse gradiente de temperatura pode causar rachaduras na lâmpada. Da mesma forma, se os eletrodos não tiverem um diâmetro suficiente para lidar com as correntes de pico, eles podem produzir muita resistência, aquecendo rapidamente e expandindo termicamente . Se os eletrodos aquecerem muito mais rápido que o vidro, a lâmpada pode rachar ou mesmo quebrar nas pontas.
Falha gradual
Quanto mais perto um flashtube opera de sua energia de explosão, maior se torna o risco de falha catastrófica. Com 50% da energia da explosão, a lâmpada pode produzir vários milhares de flashes antes de explodir. Com 60% da energia da explosão, a lâmpada geralmente falha em menos de cem. Se a lâmpada funcionar abaixo de 30% da energia da explosão, o risco de falha catastrófica torna-se muito baixo. Os métodos de falha tornam-se então aqueles que reduzem a eficiência de saída e afetam a capacidade de acionar a lâmpada. Os processos que os afetam são a pulverização catódica e a ablação da parede interna.
A pulverização catódica ocorre quando o nível de energia está muito baixo, abaixo de 15% da energia da explosão, ou quando a duração do pulso é muito longa. Sputter é a vaporização do metal do cátodo, que é redepositado nas paredes da lâmpada, bloqueando a saída de luz. Como o cátodo é mais emissivo do que o ânodo , o tubo de flash é polarizado e conectar a lâmpada à fonte de alimentação incorretamente irá estragá-lo rapidamente. No entanto, mesmo se conectado corretamente, o grau de crepitação pode variar consideravelmente de lâmpada para lâmpada. Portanto, é impossível prever a vida útil com precisão em baixos níveis de energia.
Em níveis de energia mais elevados, a ablação da parede torna-se o principal processo de desgaste. O arco elétrico corrói lentamente a parede interna do tubo, formando rachaduras microscópicas que dão ao vidro uma aparência fosca. A ablação libera oxigênio do vidro, aumentando a pressão além de um nível operável. Isso causa problemas de disparo, conhecidos como " jitter ". Acima de 30%, a ablação pode causar desgaste suficiente para romper a lâmpada. No entanto, em níveis de energia superiores a 15%, a vida útil pode ser calculada com um grau razoável de precisão.
Quando operado abaixo de 30% da energia de explosão, a vida útil do tubo de flash é geralmente entre alguns milhões a dezenas de milhões de flashes.
Formulários
Como a duração do flash emitido por um flashtube de xenônio pode ser controlada com precisão, e devido à alta intensidade da luz, os flashtubes de xenônio são comumente usados como luzes estroboscópicas fotográficas . Os flashtubes de xenônio também são usados em fotografia de alta velocidade ou "stop-motion" , lançada por Harold Edgerton na década de 1930. Como eles podem gerar flashes brilhantes e que chamam a atenção com uma entrada relativamente pequena e contínua de energia elétrica, eles também são usados em luzes de advertência de aeronaves , iluminação de veículos de emergência , aparelhos de notificação de alarme de incêndio ( luzes estroboscópicas ), faróis anticolisão de aeronaves e outros semelhantes formulários.
Na odontologia , é usado em dispositivos "caixa de luz" para ativar a luz o endurecimento de várias resinas fotopolimerizadoras auxiliares e restauradoras (por exemplo: Megaflash mini, Uni XS e outros dispositivos).
Devido à sua alta intensidade e brilho relativo em comprimentos de onda curtos (estendendo-se até o ultravioleta ) e larguras de pulso curtas, os flashtubes também são ideais como fontes de luz para bombear átomos em um laser para estados excitados onde podem ser estimulados a emitir luz coerente e monocromática . A seleção adequada do gás de enchimento e da densidade da corrente é crucial, de modo que a energia de saída irradiada máxima seja concentrada nas bandas que são mais bem absorvidas pelo meio laser ; por exemplo, os flashtubes de criptônio são mais adequados do que os flashtubes de xenônio para bombear lasers Nd: YAG , pois a emissão de criptônio no infravermelho próximo é melhor combinada com o espectro de absorção de Nd: YAG.
Flashtubes de xenônio têm sido usados para produzir um flash intenso de luz branca, parte da qual é absorvida pelo Nd: vidro que produz a potência do laser para a fusão por confinamento inercial . No total, cerca de 1 a 1,5% da energia elétrica alimentada nos flashtubes é transformada em luz laser útil para esta aplicação.
A luz pulsada (PL) é uma técnica para descontaminar superfícies matando microorganismos por meio de pulsos de amplo espectro intenso, rico em luz UV-C. UV-C é a porção do espectro eletromagnético correspondente à banda entre 200 e 280 nm . A luz pulsada funciona com lâmpadas de xenônio que podem produzir flashes várias vezes por segundo. Os robôs de desinfecção usam luz ultravioleta pulsada.
Uma aplicação recente de lâmpadas de flash é a cura fotônica .
História
O flashtube foi inventado por Harold Edgerton na década de 1930 como um meio de tirar fotos nítidas de objetos em movimento. Flashtubes foram usados principalmente para luzes estroboscópicas em estudos científicos, mas eventualmente começaram a tomar o lugar de flashes químicos e de pó e lâmpadas de flash na fotografia convencional.
Como podiam ser feitos arcos elétricos muito mais rápidos do que as velocidades do obturador mecânico, as primeiras fotos de alta velocidade foram tiradas com uma descarga de arco elétrico ao ar livre, chamada de fotografia de faísca, ajudando a remover o borrão de objetos em movimento. Isso normalmente era feito com o obturador travado aberto em uma sala escura ou mal iluminada, para evitar a superexposição do filme e um método de cronometrar o flash para o evento a ser fotografado. O primeiro uso conhecido da fotografia com faíscas começou com Henry Fox Talbot por volta de 1850. Em 1886, Ernst Mach usou uma faísca ao ar livre para fotografar uma bala em alta velocidade, revelando as ondas de choque que produzia em velocidades supersônicas. Os sistemas de faísca ao ar livre eram bastante fáceis de construir, mas eram volumosos, muito limitados na emissão de luz e produziam ruídos altos comparáveis ao de um tiro.
Em 1927, Harold Edgerton construiu sua primeira unidade flash enquanto estava no Instituto de Tecnologia de Massachusetts . Querendo fotografar o movimento de um motor em detalhes vívidos, sem borrões, Edgerton decidiu melhorar o processo de fotografia por centelha usando um retificador de arco de mercúrio , em vez de uma descarga ao ar livre, para produzir a luz. Ele foi capaz de atingir uma duração de flash de 10 microssegundos e foi capaz de fotografar o motor em movimento como se estivesse "congelado no tempo".
O interesse de seu colega pelo novo aparato flash logo levou Edgerton a aprimorar o design. A eficiência da lâmpada de mercúrio era limitada pela parte mais fria da lâmpada, fazendo com que funcionassem melhor quando muito quente, mas pior quando fria. Edgerton decidiu tentar um gás nobre , sentindo que não seria tão dependente da temperatura quanto o mercúrio e, em 1930, contratou a empresa General Electric para construir algumas lâmpadas usando argônio . Os tubos de argônio eram muito mais eficientes, eram muito menores e podiam ser montados perto de um refletor, concentrando sua produção. Lentamente, os designers de câmeras começaram a perceber a nova tecnologia e a aceitá-la. Edgerton recebeu seu primeiro grande pedido de estroboscópios da empresa Kodak em 1940. Posteriormente, ele descobriu que o xenônio era o mais eficiente dos gases nobres, produzindo um espectro muito próximo ao da luz do dia, e os flashtubes de xenônio tornaram-se padrão na maioria das grandes fotografias conjuntos. Foi só na década de 1970 que as unidades estroboscópicas se tornaram portáteis o suficiente para serem usadas em câmeras comuns.
Em 1960, depois que Theodore Maiman inventou o laser de rubi , uma nova demanda por flashtubes começou para uso em lasers, e um novo interesse surgiu no estudo das lâmpadas.
Segurança
Flashtubes operam em altas tensões , com correntes altas o suficiente para serem mortais. Sob certas condições, choques de até 1 joule são considerados letais. A energia armazenada em um capacitor pode permanecer surpreendentemente por muito tempo depois que a alimentação foi desconectada. Um tubo flash normalmente fecha antes que o capacitor seja totalmente drenado e pode recuperar parte de sua carga por meio de um processo chamado " absorção dielétrica ". Além disso, alguns tipos de sistemas de carregamento podem ser igualmente mortais. A voltagem do gatilho pode fornecer um choque doloroso, geralmente não o suficiente para matar, mas que muitas vezes pode assustar uma pessoa a ponto de bater ou tocar em algo mais perigoso. Quando uma pessoa é carregada com altas tensões, uma faísca pode saltar , liberando a alta corrente do capacitor sem realmente tocar em nada.
Flashtubes operam em altas pressões e são conhecidos por explodir, produzindo ondas de choque violentas. A "energia de explosão" de um flashtube (a quantidade de energia que irá destruí-lo em apenas alguns flashes) está bem definida e, para evitar uma falha catastrófica, recomenda-se que não mais do que 30% da energia da explosão seja usada. Os flashtubes devem ser protegidos por vidro ou em uma cavidade refletora. Caso contrário, deve-se usar proteção para os olhos e ouvidos.
Flashtubes produzem flashes muito intensos, geralmente mais rápidos do que o olho pode registrar, e podem não parecer tão brilhantes quanto são. O vidro de quartzo transmite quase todos os raios ultravioleta de ondas longas e curtas, incluindo os comprimentos de onda germicidas, e pode ser um sério perigo para os olhos e a pele. Essa radiação ultravioleta também pode produzir grandes quantidades de ozônio , que pode ser prejudicial a pessoas, animais e equipamentos.
Muitas câmeras compactas carregam o capacitor do flash imediatamente após ligá-lo, e algumas até mesmo inserindo as baterias. Apenas inserir a bateria na câmera pode preparar o capacitor para se tornar perigoso ou pelo menos desagradável por vários dias. A energia envolvida também é bastante significativa; um capacitor de 330 microfarad carregado a 300 volts (valores aproximados comuns encontrados em câmeras) armazena quase 15 joules de energia.
Cultura popular
No livro de 1969 The Andromeda Strain e no filme de 1971 , a exposição especializada a um aparato de flash de xenônio foi usada para queimar as camadas epiteliais externas da pele humana como uma medida anti-séptica para eliminar todo o acesso bacteriano possível para pessoas que trabalham em condições extremas e ultracleanas ambiente. (O livro usou o termo 'ultraflash'; o filme identificou o aparelho como um 'flash de xenônio'.)
Animação
Quadro 1: O tubo está escuro.
Quadro 2: O pulso de disparo ioniza o gás, brilhando com uma luz azul fraca. Flâmulas de faísca se formam a partir de cada eletrodo, movendo-se em direção umas às outras ao longo da superfície interna do tubo de vidro.
Quadro 3: os streamers de faísca se conectam e se afastam do vidro, e um túnel de plasma se forma permitindo que os amperes aumentem.
Quadro 4: A corrente do capacitor começa a fugir, aquecendo o xenônio circundante.
Frame 5: Conforme a resistência diminui, a tensão cai e a corrente preenche o tubo, aquecendo o xenônio a um estado de plasma.
Frame 6: Totalmente aquecido, a resistência e a tensão se estabilizam em um arco e a carga total da corrente passa pelo tubo, fazendo com que o xenônio emita uma explosão de luz.
Veja também
- Flash (fotografia)
- Lista de fontes de luz
- Farol estroboscópico
- Luz estroboscópica
- Flash de espaço de ar