闪光灯 Flash lamps

2022-11-28 14:46:07 浏览:261

定义

用于产生强光脉冲的气体放电灯。

闪光灯(或闪光灯)是用于产生强光脉冲的气体放电灯。 这与弧光灯形成鲜明对比,弧光灯设计为连续运行。 闪光灯的外观通常非常相似,但可能存在各种差异,特别是在金属电极方面:

  • 虽然弧光灯可能具有尖头阴极,但对于以高峰值电流运行的闪光灯,通常最好使用圆形电极形状(见图1),使用更大的表面积。 人们试图获得电流的平滑分布,避免可能导致阴极材料溅射的“热点”。
  • 此外,必须使用具有足够低电阻的电极密封件来施加高峰值电流;例如,这在很大程度上排除了带状密封件的使用。 杆密封件是最常见的。
  • 玻璃外壳通常稍厚一些,以提高机械坚固性。

闪光灯 Flash lamps

图1:激光应用中弧光灯和闪光灯灯电极的典型形状。

大多数闪光灯基于惰性气体,如氙气、氪气或氩气。 特别是氙气灯作为白光的宽带发射器非常普遍。 使用首先必须蒸发的金属或其他材料通常是不可行的,因为驱动脉冲对于此类过程来说太短;脉冲持续时间通常远低于一毫秒。

许多闪光灯产生大量的紫外线。 这可以最好地利用紫外线透射良好的玻璃外壳,例如由石英(实际上是熔融石英)制成的玻璃外壳。 在其他情况下,不需要产生紫外线;这可以通过使用掺杂玻璃的包络来抑制,表现出增加的紫外线吸收。

实际上还有一些其他类型的闪光灯,不是基于气体放电,而是基于例如一些化学反应。 这种灯有时用于摄影,但在本文中不涉及。

操作参数

最重要的操作参数如下:

  • 每次闪光的能量:这是发射单次闪光所需的推荐电能(以焦耳为单位)。
  • 阳极电压:主脉冲期间所需的电压;在初始阶段可能需要更强烈的点火脉冲。
  • 最大闪光率:这是可以闪光的最大重复率(每秒光脉冲数)。 对于有限的突发,可能允许大幅增加闪光率。
  • 脉冲持续时间:不同类型的驱动器电路用于从微秒到毫秒的不同脉冲持续时间。

上述电气操作参数仅对此类灯需要如何操作给出粗略的印象。 电气驱动器的细节对于灯的使用寿命非常重要。

闪光灯电源;触发技术

闪光灯需要特殊的灯电源,可以提供具有高峰值电压和电流的精心控制的电脉冲。 提供不同设计的电源,适用于特定类型的灯。 它们可以基于不同的技术。

闪光灯的电能通常取自电容器,该电容器先前已充电至一定电压。 在大多数情况下,仅靠该电压不足以点燃灯。 因此,需要一些额外的手段来触发放电。

请注意,虽然有些闪光灯只有两个电极,但其他闪光灯有一个或多个额外的触发(或火花)电极,必须为点火提供合适的电压尖峰。

以下各节介绍一些技术方法。

外部触发

技术上简单的方法(关于所需的电子设备)是外部触发,使用额外的电极,该电极通常在玻璃外壳之外。 例如,它可以是缠绕在玻璃管上的镍线。 使用小型外部触发变压器,可以在触发电极(火花电极)和阴极之间施加高压脉冲,从而产生火花流,随后导致阴极和阳极之间的主放电开始。 火花流光的产生涉及电容效应,因此尽管有中空玻璃,它仍然可以工作。 足够高的触发电压和触发脉冲的持续时间对于可靠的触发都是必要的。

许多灯驱动器包含简单的LC电路,或者更复杂的脉冲形成网络。

在许多灯驱动电路中,主电容器和闪光灯连接处的电感器限制了峰值电流。 (电缆本身可能已经引入了很大的电感。 人们通常试图为临界阻尼设计这样的电路,以避免振荡。 电路特性(包括灯阻抗)决定了电脉冲长度,从而也决定了光脉冲持续时间。 也是更复杂的脉冲形成网络,包含多个电容器和电感器。

外部触发的一个优点是触发变压器可以独立于提供主电脉冲的电路部分工作。 然而,缺点是外部触发电极会产生电绝缘问题,例如,当闪光灯用于灯泵浦激光器的泵浦室时。 因此,此类灯应用通常需要使用不同的触发技术。 另一个问题是点火火花将放电拉向灯罩,这可能会缩短灯的使用寿命。

外壳内还有带有触发电极的灯。 这可以具有各种优点,例如较低的触发电压,缓解绝缘问题和更长的灯寿命。

串联触发

串联触发可应用于灯具,无需额外的触发电极。 在这里,触发变压器的次级绕组与灯串联(通常在阴极侧)。 触发变压器产生的电压尖峰会增加主电容器的电压,使电压足以启动放电。

这种方法的缺点是全灯电流必须通过触发变压器的次级线圈。 因此,需要更大的变压器。

预燃操作

特别是对于以大量脉冲重复率运行的闪光灯,例如脉冲激光器的泵浦,通常使用预燃操作以获得最可靠的闪烁和较长的灯寿命。 在这里,在闪光之间,灯继续以小直流电流运行,远低于闪光灯产生的峰值电流。 灯不必每次闪光都点燃,因此在其使用寿命内可以产生更多的脉冲。 所需的激光电源稍微复杂一些,但这可能是非常值得的。 获得的脉冲能量可以比不预燃更一致(噪音更低)。

高质量的闪光灯在良好的条件下运行(远低于其爆炸能量),有时可以达到超过1亿次甚至超过10亿次脉冲的寿命。 对于更高的能量,实现的寿命可能要低几个数量级,并且炖煮没有多大帮助。

对于低脉冲重复率,预燃操作不太合适,因为大部分驱动功率用于预燃。 在这种情况下,人们可能会使用假预燃法 。 在这里,在产生实际脉冲之前一段时间(例如 100 ms),触发灯,但仅用于在主放电开始之前建立相对较小的沸腾电流。 通过两步启动过程,可以显著延长灯管寿命,特别是在低脉冲能量下,同时提高脉冲稳定性。

缩短脉冲持续时间的电路

如上所述,如果电容器通过具有串联电感的闪光灯放电,则脉冲持续时间受该LC电路特性的限制。 为了减少脉冲持续时间,必须使用电容较小的电容器,同时增加充电电压以实现所需的电能。 然后,电容器电压可能高于灯的点火阈值。 在这种情况下,需要使用额外的高压开关器件,该器件允许快速开关并可以处理非常高的峰值电流。 为此,固态开关可能不再适用;相反,可以使用其他一些设备,如火花隙晶闸管或IgNitron。 为了在峰值电流较高的情况下实现相当长的灯泡寿命,还可以实现炖煮操作(见上文)。

用于更长脉冲持续时间的电路

对于更长和可变的脉冲持续时间,有带有高压开关晶体管的电子电路,它可以根据其驱动信号限制灯电流。 这样,即使在几十毫秒的脉冲持续时间内,也可以很好地控制灯电流。 如果在整个脉冲中施加近似恒定的电流,则称为方波操作。

冷却

以中等能量运行的闪光灯,特别是低重复率,通常只能使用简单的对流空气冷却。 另一方面,具有高重复率和强烈脉冲的设备通常需要非常积极地冷却,在大多数情况下,需要湍流去离子水。 例如,大多数激光灯都是以这种方式冷却的。

在某些情况下,甚至不会将电极与冷却水电绝缘。 当然,冷却水需要具有很高的电阻率,这是通过适当的脱盐来实现的。

灯泡寿命

由于电极和长度包络所经历的恶劣条件,每次发射的闪光灯都会导致闪光灯退化。 一些重要的降级机制如下:

  • 每次射击时,灯罩中的一些材料都会被烧蚀。 这个问题在高能量状态下占主导地位。
  • 此外,一些材料从阴极溅射并在灯罩上形成沉积物,从而减少光输出。

在不同情况下,由此产生的使用寿命可能会相差几个数量级——这不仅是因为灯的质量不同,而且最重要的是由于工作条件的各个方面。

泵能与爆炸能量之比是灯管寿命的关键参数。

一个特别重要的参数是电输入能量的比率E0到爆炸能量 Ex的灯。 爆炸能量是引起瞬间爆炸的电能,即单个脉冲。 粗略估计,在高能量状态下(灯包络的烧蚀是限制因素),可以根据可能的脉冲数计算灯的寿命(E0 / Ex)−8.5. 例如,如果能量比为 1/3,则可以预期大约 10,000 个脉冲,如果能量比为 1/5,则可以预期大约 100 万个脉冲。

在低能量状态下,所解释的规则表明超过一百万个脉冲,寿命并不像预测的那么长,因为电极相关效应(阴极溅射)对泵浦能量的依赖性较弱,成为限制因素。 在该状态下,炖煮操作大大提高了使用寿命,而在高能量状态下,它没有多大帮助。

特别是对于高能量操作,寿命的结束通常很明显,就像灯的爆炸一样。 在其他情况下,光输出可能会降低到不再足以满足应用的水平。

电磁干扰

由于相当高的峰值电流,即使对于相对较小的灯也可能达到数百安培,因此可能会造成大量的电磁干扰。 特别是在实验室环境中,这可能会非常令人不安。 由于电磁辐射可能被电源、长度和任何电缆辐射,因此应在所有这些位置提供仔细的屏蔽。

定时抖动

在触发脉冲的应用和光输出的形成之间,有一些延迟时间通常为几微秒。 该延迟时间有一些波动,例如由于气体放电的不规则性,这些波动会导致光脉冲的定时抖动。 在某些应用程序中,这可能会令人不安。 抖动幅度通常随着灯电压的增加而大幅减小。

闪光灯的应用

使用频闪灯成像

闪光灯用于高速成像,例如在工业环境中。 即使是快速移动的部件,在用短闪光灯照亮时也可以精确成像。

特别是氙闪光灯用于频闪仪,应用周期性的脉冲序列。 在这里,它们通常需要以很高的重复率被解雇。 因此,它们应该针对这种操作模式进行优化,可能会限制施加的电脉冲能量。

一些频闪灯具有非常短的电弧(电极间隙小),因此可以接近点源。 这种灯的形式也用于各种科学应用。

医疗和美容应用

各种闪光灯用于皮肤病学,即用于皮肤治疗,包括痤疮,老年斑的医学和美容治疗,以及脱毛和去除纹身。

光谱学

闪光灯系统可用于光谱学。 例如,可以使用氙闪光灯激发样品中的荧光;荧光的光谱分析可提供化学信息。 例如,这些方法适用于临床化学以及空气和水污染分析。

固体激光器的泵浦

闪光灯仍然广泛用于脉冲的泵浦,即自由运行或Q开关固态激光器。 特别是,氪灯和氙气灯用于脉冲YAG激光器。 虽然氙气灯本身的效率更高,但氪灯的发射光谱更适合钕的吸收。

通常,激光闪光灯具有薄圆柱形管的形式,它们与长激光棒平行安装,全部安装在泵室的漫反射器内。 特别是在Q开关激光器的情况下,这种灯需要发射相对较短的脉冲,持续时间例如低于100μs,因为这种激光器的增益介质通常不能在更长的时间内存储提供的能量。

尽管二极管泵浦激光器可以实现更高的壁插效率,但闪光灯仍然广泛用于具有非常高脉冲能量的应用,主要是因为它们的每瓦特(或每焦耳脉冲能量)的成本要低得多。 另请注意,对于脉冲重复率低且平均功率低(或运行时间少)的激光器,低能效可能不是很相关。 对于低重复率,冷却需求也适中。

有关更多详细信息,请参阅有关灯泵浦激光器的文章。

基础光学

作          者: 泮桥成像光电商城

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