Un tubo de destello ( lámpara de destello ) es una lámpara de arco eléctrico diseñada para producir luz blanca extremadamente intensa, incoherente y de espectro completo durante un tiempo muy corto. Un tubo de destello es un tubo de vidrio con un electrodo en cada extremo y está lleno de un gas que, cuando se activa, se ioniza y conduce un pulso de alto voltaje para producir luz. Los flashtubes se utilizan más en fotografía; también se utilizan en ciencia, medicina, industria y entretenimiento.
La lámpara consta de un tubo de vidrio herméticamente cerrado , que se llena con un gas noble , generalmente xenón , y electrodos para transportar corriente eléctrica al gas. Además, es necesaria una fuente de energía de alto voltaje para energizar el gas como evento desencadenante. Generalmente se utiliza un condensador cargado para suministrar energía al flash, a fin de permitir una entrega muy rápida de una corriente eléctrica muy alta cuando se activa la lámpara.
La envoltura de vidrio es más comúnmente un tubo delgado, a menudo hecho de cuarzo fundido , borosilicato o Pyrex , que puede ser recto o doblado en varias formas diferentes, incluyendo helicoidal, en forma de "U" y circular (para rodear la lente de una cámara) . para fotografías sin sombras : ' destellos anulares '). En algunas aplicaciones, la emisión de luz ultravioleta no es deseada, ya sea debido a la producción de ozono , daños a las varillas láser, degradación de los plásticos u otros efectos perjudiciales. En estos casos se utiliza sílice fundida dopada. El dopaje con dióxido de titanio puede proporcionar diferentes longitudes de onda de corte en el lado ultravioleta, pero el material sufre solarización ; A menudo se utiliza en lámparas médicas y de rayos solares y en algunas lámparas que no son láser. Una mejor alternativa es el cuarzo dopado con cerio ; no sufre solarización y tiene mayor eficiencia, ya que parte del ultravioleta absorbido se vuelve a irradiar como visible a través de fluorescencia . Su límite está a unos 380 nm. Por el contrario, cuando se requiere luz ultravioleta, se utiliza un cuarzo sintético como envoltura; es el más caro de los materiales, pero no es susceptible a la solarización y su corte está en 160 nm. [1]
El nivel de potencia de las lámparas se expresa en vatios/área, la potencia eléctrica total de entrada dividida por la superficie de la pared interior de la lámpara. La refrigeración de los electrodos y de la envoltura de la lámpara es de gran importancia a niveles de potencia elevados. La refrigeración por aire es suficiente para niveles de potencia medios más bajos. Las lámparas de alta potencia se enfrían con un líquido, normalmente haciendo fluir agua desmineralizada a través de un tubo en el que está encerrada la lámpara. Las lámparas enfriadas por agua generalmente tendrán el vidrio encogido alrededor de los electrodos, para proporcionar un conductor térmico directo entre ellos y el agua de refrigeración. El medio refrigerante debe fluir también a lo largo de toda la lámpara y los electrodos. Las lámparas de arco de onda continua o de alta potencia promedio deben hacer que el agua fluya a través de los extremos de la lámpara y también a través de los extremos expuestos de los electrodos, por lo que el agua desionizada se usa para evitar un cortocircuito. Por encima de 15 W/cm 2 se requiere refrigeración por aire forzado; refrigeración líquida si se encuentra en un espacio confinado. Generalmente es necesaria una refrigeración líquida por encima de 30 W/cm 2 .
Las paredes más delgadas pueden soportar cargas de potencia promedio más altas debido a una menor tensión mecánica en todo el espesor del material, que es causada por un gradiente de temperatura entre el plasma caliente y el agua de enfriamiento (por ejemplo, el cuarzo dopado de 1 mm de espesor tiene un límite de 160 W/ cm 2 , uno de 0,5 mm de espesor tiene un límite de 320 W/cm 2 ). Por este motivo, en las lámparas de arco de onda continua se suele utilizar un vidrio más fino. Los materiales más gruesos generalmente pueden soportar más energía de impacto de la onda de choque que la que puede generar un arco de pulsación corta, por lo que a menudo se utiliza cuarzo de hasta 1 mm de espesor en la construcción de tubos de destello. El material de la envoltura proporciona otro límite para la potencia de salida; El cuarzo fundido de 1 mm de espesor tiene un límite de 200 W/cm 2 , el cuarzo sintético del mismo espesor puede alcanzar hasta 240 W/cm 2 . Otros vidrios, como el borosilicato, generalmente tienen menos de la mitad de la capacidad de carga de energía que el cuarzo. Las lámparas viejas requieren cierta reducción de potencia debido al aumento de la absorción de energía en el vidrio debido a la solarización y los depósitos pulverizados. [1]
Los electrodos sobresalen de cada extremo del tubo y se sellan al vidrio mediante algunos métodos diferentes. Los "sellos de cinta" utilizan tiras delgadas de lámina de molibdeno unidas directamente al vidrio, que son muy duraderas, pero tienen una cantidad limitada de corriente que puede pasar. Los "sellos de soldadura" unen el vidrio al electrodo con soldadura para obtener un sello mecánico muy fuerte, pero se limitan al funcionamiento a baja temperatura. Lo más común en aplicaciones de bombeo láser es el "sello de varilla", donde la varilla del electrodo se humedece con otro tipo de vidrio y luego se une directamente a un tubo de cuarzo. Este sello es muy duradero y capaz de soportar temperaturas y corrientes muy altas. [1] La junta y el vidrio deben tener el mismo coeficiente de expansión.
Para un bajo desgaste de los electrodos, estos suelen estar hechos de tungsteno , que tiene el punto de fusión más alto de cualquier metal, para soportar la emisión termoiónica de electrones. Los cátodos suelen estar hechos de tungsteno poroso lleno de un compuesto de bario , lo que proporciona una función de trabajo baja ; la estructura del cátodo debe adaptarse a la aplicación. Los ánodos suelen estar hechos de tungsteno puro o, cuando se requiere una buena maquinabilidad, de tungsteno aleado con lantano y, a menudo, se mecanizan para proporcionar una superficie adicional para hacer frente a la carga de energía. Las lámparas de arco de CC suelen tener un cátodo con una punta afilada para ayudar a mantener el arco alejado del vidrio y controlar la temperatura. Los flashtubes suelen tener un cátodo con un radio aplanado, para reducir la incidencia de puntos calientes y disminuir la chisporroteo causado por corrientes máximas, que pueden exceder los 1000 amperios. El diseño de los electrodos también está influenciado por la potencia media. A niveles altos de potencia media, se debe tener cuidado para lograr una refrigeración suficiente de los electrodos. Si bien la temperatura del ánodo tiene menor importancia, el sobrecalentamiento del cátodo puede reducir en gran medida la esperanza de vida de la lámpara. [1]
Dependiendo del tamaño, tipo y aplicación del tubo de destello, las presiones de llenado de gas pueden variar desde unos pocos kilopascales hasta cientos de kilopascales (0,01 a 4,0 atmósferas o decenas a miles de torr ). [1] Generalmente, cuanto mayor es la presión, mayor es la eficiencia de salida. El xenón se utiliza principalmente debido a su buena eficiencia, ya que convierte casi el 50% de la energía eléctrica en luz. El criptón, por otro lado, tiene solo un 40% de eficiencia, pero a corrientes bajas se adapta mejor al espectro de absorción de los láseres Nd:YAG . Un factor importante que afecta la eficiencia es la cantidad de gas detrás de los electrodos o el "volumen muerto". Un mayor volumen muerto conduce a un menor aumento de presión durante el funcionamiento. [1]
Los electrodos de la lámpara suelen estar conectados a un condensador , que se carga a un voltaje relativamente alto (generalmente entre 250 y 5000 voltios), utilizando un transformador elevador y un rectificador . Sin embargo, el gas presenta una resistencia extremadamente alta y la lámpara no conducirá la electricidad hasta que el gas esté ionizado . Una vez ionizado o "activado", se formará una chispa entre los electrodos, lo que permitirá que el condensador se descargue. El repentino aumento de corriente eléctrica calienta rápidamente el gas a un estado de plasma , donde la resistencia eléctrica se vuelve muy baja. [2] Existen varios métodos de activación.
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El disparo externo es el método de operación más común, especialmente para uso fotográfico. Los electrodos se cargan a un voltaje lo suficientemente alto como para responder al disparo, pero por debajo del umbral de destello automático de la lámpara. Un pulso de voltaje extremadamente alto (generalmente entre 2000 y 150 000 voltios), el "pulso de disparo", se aplica directamente a la envoltura de vidrio o muy cerca de ella. (Los tubos de flash enfriados por agua a veces aplican este impulso directamente al agua de refrigeración y, a menudo, también a la carcasa de la unidad, por lo que se debe tener cuidado con este tipo de sistema). El impulso corto y de alto voltaje crea un campo electrostático ascendente, que ioniza el gas dentro del tubo. La capacitancia del vidrio acopla el pulso de disparo en la envoltura, donde excede el voltaje de ruptura del gas que rodea uno o ambos electrodos, formando chispas. Las serpentinas se propagan mediante capacitancia a lo largo del vidrio a una velocidad de 1 centímetro en 60 nanosegundos (170 km/s). (Un pulso de activación debe tener una duración suficientemente larga para permitir que una corriente alcance el electrodo opuesto, o se producirá una activación errática). La activación se puede mejorar aplicando el pulso de activación a un "plano de referencia", que puede tener la forma de una banda de metal o reflector adherido al vidrio, una pintura conductora o un alambre delgado enrollado a lo largo de la lámpara. Si el voltaje del capacitor es mayor que la caída de voltaje entre el cátodo y el ánodo, cuando las chispas internas puentean los electrodos, el capacitor se descargará a través del gas ionizado, calentando el xenón a una temperatura lo suficientemente alta para la emisión de luz. [1]
El disparo en serie es más común en tubos de flash de alta potencia refrigerados por agua, como los que se encuentran en los láseres . Los cables de alto voltaje del disparador-transformador están conectados al tubo del flash en serie (un cable a un electrodo y el otro al capacitor), de modo que el flash viaja tanto a través del transformador como de la lámpara. El pulso del disparador forma una chispa dentro de la lámpara, sin exponer el voltaje del disparador al exterior de la lámpara. Las ventajas son un mejor aislamiento, un disparo más confiable y un arco que tiende a desarrollarse lejos del vidrio, pero a un costo mucho mayor. El transformador disparador en serie también actúa como inductor . Esto ayuda a controlar la duración del destello, pero evita que el circuito se utilice en aplicaciones de descarga muy rápida. La activación puede realizarse generalmente con una tensión en el condensador menor que la necesaria para la activación externa. Sin embargo, el transformador-disparador pasa a formar parte del circuito de destello y acopla el circuito de disparo a la energía del destello. Por lo tanto, debido a que el transformador-disparador tiene una impedancia muy baja, el transformador, el circuito de disparo y el rectificador controlado por silicio (SCR) deben poder manejar picos de corriente muy altos, a menudo superiores a 1500 amperios. [1]
El disparo a fuego lento es el método menos común. En esta técnica, el voltaje del capacitor no se aplica inicialmente a los electrodos, sino que se mantiene una chispa de alto voltaje entre los electrodos. La alta corriente del condensador se entrega a los electrodos mediante un tiristor o un explosor . Este tipo de disparo se utiliza principalmente en sistemas de tiempo de subida muy rápido , normalmente aquellos que se descargan en el régimen de microsegundos, como los que se utilizan en fotografía stop-motion de alta velocidad o láseres de tinte . La chispa que hierve a fuego lento hace que el arco se desarrolle en el centro exacto de la lámpara, lo que aumenta drásticamente la vida útil. [3] Si se utiliza disparo externo para pulsos extremadamente cortos, las chispas aún pueden estar en contacto con el vidrio cuando toda la carga de corriente pasa a través del tubo, causando la ablación de la pared o, en casos extremos, agrietamiento o incluso explosión del lámpara. Sin embargo, debido a que los pulsos muy cortos a menudo requieren un voltaje muy alto y una capacitancia baja, para evitar que la densidad de corriente aumente demasiado, algunos tubos de flash de microsegundos se activan simplemente "sobrevoltaje", es decir, aplicando un voltaje a los electrodos que es mucho más alto que el umbral de destello automático de la lámpara, utilizando una vía de chispa. A menudo se utiliza una combinación de tensión de cocción lenta y sobretensión. [1]
A menudo se consiguen tiempos de subida muy rápidos utilizando una técnica de prepulso. Este método se realiza enviando un pequeño destello a través de la lámpara justo antes del destello principal. Este destello tiene mucha menos energía que el destello principal (normalmente menos del 10%) y, dependiendo de la duración del pulso, se emite entre unas milésimas y unas millonésimas de segundo antes del destello principal. El prepulso calienta el gas, produciendo un resplandor tenue y de corta duración que resulta de los electrones libres y las partículas ionizadas que quedan después de que se apaga el pulso. Si el flash principal se inicia antes de que estas partículas puedan recombinarse, esto proporciona una buena cantidad de partículas ionizadas para ser utilizadas por el flash principal. Esto disminuye enormemente el tiempo de subida. También reduce la onda de choque y hace menos ruido durante el funcionamiento, lo que aumenta enormemente la vida útil de la lámpara. Es especialmente eficaz en aplicaciones de descarga muy rápida, lo que permite que el arco se expanda más rápido y llene mejor el tubo. Se usa muy a menudo con voltaje de cocción lenta y, a veces, con disparo en serie, pero rara vez se usa con disparo externo. Las técnicas de prepulso se utilizan con mayor frecuencia en el bombeo de láseres de tinte, lo que aumenta considerablemente la eficiencia de conversión . Sin embargo, también se ha demostrado que aumenta la eficiencia de otros láseres con vidas de fluorescencia más largas (lo que permite pulsos más largos), como el Nd:YAG o el de zafiro de titanio , al crear pulsos con formas de onda casi cuadradas . [4] [5] [6]
Los tubos de flash ablativos se activan al estar subpresurizados. Los tubos de flash ablativos generalmente se construyen con tubos de cuarzo y uno o ambos electrodos ahuecados, lo que permite conectar una bomba de vacío para controlar la presión del gas. Los electrodos de la lámpara se conectan a un condensador cargado y luego se aspira el gas de la lámpara. Cuando el gas alcanza una presión lo suficientemente baja (a menudo solo unos pocos torr), las partículas ionizadas aleatoriamente pueden acelerar a velocidades suficientes para comenzar a expulsar electrones del cátodo cuando impactan su superficie, lo que resulta en una avalancha de Townsend que hace que la lámpara se autoapague. -destello. A presiones tan bajas, la eficiencia del flash normalmente sería muy baja. Sin embargo, debido a la baja presión, las partículas tienen espacio para acelerar a velocidades muy altas y las fuerzas magnéticas expanden el arco de modo que la mayor parte de su plasma se concentra en la superficie, bombardeando el vidrio. El bombardeo elimina (vaporiza) grandes cantidades de cuarzo de la pared interior. Esta ablación crea un aumento repentino, violento y localizado en la presión interna de la lámpara, aumentando la eficiencia del flash a niveles muy altos. Sin embargo, la ablación provoca un gran desgaste de la lámpara, debilitando el vidrio y, por lo general, es necesario reemplazarla después de una vida útil muy corta.
Los tubos de flash ablativos deben rellenarse y aspirarse a la presión adecuada para cada flash. Por lo tanto, no se pueden utilizar para aplicaciones con mucha repetición. Además, esto suele impedir el uso de gases muy caros como el criptón o el xenón. El gas más común utilizado en un tubo de flash ablativo es el aire , aunque a veces también se utiliza argón barato. Por lo general, el destello debe ser muy corto para evitar que se transfiera demasiado calor al vidrio. Sin embargo, debido a que casi todo el plasma se concentra en la superficie, las lámparas tienen una inductancia muy baja y los destellos a menudo pueden ser más cortos que los de una lámpara normal de tamaño comparativo. El destello de un solo tubo de destello ablativo también puede ser más intenso que el de varias lámparas. Por estas razones, el uso más común de las lámparas es el bombeo de láseres de tinte. [7] [8]
Además, se puede conectar un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) en serie tanto con el transformador de disparo como con la lámpara, lo que permite ajustar la duración del destello. [1] [9] [10] Un IGBT utilizado para este propósito debe estar clasificado para una corriente pulsada alta, a fin de evitar daños por sobrecorriente en la unión del semiconductor. [9] Este tipo de sistema se utiliza con frecuencia en sistemas láser de alta potencia media y puede producir pulsos que van desde 500 microsegundos hasta más de 20 milisegundos. Se puede utilizar con cualquiera de las técnicas de activación, como externa y en serie, y puede producir pulsos de onda cuadrada. Incluso se puede utilizar con voltaje de cocción lenta para producir una salida de onda continua "modulada", con tasas de repetición superiores a 300 hercios. Con el tubo de flash adecuado de gran diámetro y refrigerado por agua, se pueden obtener varios kilovatios de potencia promedio. [1]
Los requisitos eléctricos para un tubo de flash pueden variar, dependiendo de los resultados deseados. El método habitual consiste en determinar primero la duración del pulso, la cantidad máxima de energía tolerable en esa duración (energía de explosión) y la cantidad segura de energía operativa. Luego elija una densidad de corriente que emita el espectro deseado y deje que la resistencia de la lámpara determine la combinación necesaria de voltaje y capacitancia para producirla. La resistencia en los tubos de destello varía mucho, dependiendo de la presión, la forma, el volumen muerto, la densidad de corriente, el tiempo y la duración del destello y, por lo tanto, generalmente se la denomina impedancia . El símbolo más común utilizado para la impedancia de la lámpara es K o , que se expresa en ohmios por raíz cuadrada de amperios (ohmios (amperios 0,5 ).
K o se utiliza para calcular la cantidad de voltaje de entrada y capacitancia necesarios para emitir un espectro deseado, controlando la densidad de corriente. K o está determinado por el diámetro interno, la longitud del arco y el tipo de gas de la lámpara y, en menor medida, por la presión de llenado. La resistencia en los tubos de flash no es constante, pero cae rápidamente a medida que aumenta la densidad de corriente. En 1965, John H. Goncz demostró que la resistividad del plasma en los tubos de flash es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la densidad de corriente. A medida que se desarrolla el arco, la lámpara experimenta un período de resistencia negativa , lo que hace que tanto la resistencia como el voltaje disminuyan a medida que aumenta la corriente. Esto ocurre hasta que el plasma entra en contacto con la pared interior. Cuando esto sucede, el voltaje se vuelve proporcional a la raíz cuadrada de la corriente y la resistencia en el plasma se vuelve estable durante el resto del destello. Es este valor el que se define como K o . Sin embargo, a medida que se desarrolla el arco, el gas se expande y los cálculos de K o no tienen en cuenta el volumen muerto, lo que conduce a un menor aumento de presión. Por lo tanto, cualquier cálculo de K o es simplemente una aproximación de la impedancia de la lámpara. [1] [11] [12]
Como ocurre con todos los gases ionizados, los tubos de flash de xenón emiten luz en varias líneas espectrales . Este es el mismo fenómeno que le da a los letreros de neón su color característico. Sin embargo, los letreros de neón emiten luz roja debido a densidades de corriente extremadamente bajas en comparación con las que se ven en los tubos de flash, lo que favorece las líneas espectrales de longitudes de onda más largas. Las densidades de corriente más altas tienden a favorecer longitudes de onda más cortas. [13] La luz de xenón, en un letrero de neón, también es más bien violeta.
El espectro emitido por los tubos de destello depende mucho más de la densidad de corriente que de la presión de llenado o del tipo de gas. Las bajas densidades de corriente producen una emisión de líneas espectrales estrechas, sobre un fondo tenue de radiación continua. El xenón tiene muchas líneas espectrales en las partes del espectro UV, azul, verde, rojo e IR. Las densidades de corriente bajas producen un destello azul verdoso, que indica la ausencia de líneas amarillas o naranjas significativas. A bajas densidades de corriente, la mayor parte de la producción de xenón se dirigirá hacia las líneas espectrales IR invisibles alrededor de 820, 900 y 1000 nm. [14] Las bajas densidades de corriente para los tubos de flash son generalmente inferiores a 1000 A/cm 2 .
Las densidades de corriente más altas comienzan a producir emisiones continuas . Las líneas espectrales se amplían y se vuelven menos dominantes a medida que la luz se produce en todo el espectro, generalmente alcanzando un máximo o "centrada" en una determinada longitud de onda. La eficiencia de salida óptima en el rango visual se obtiene con una densidad que favorece la "radiación de cuerpo gris" (un arco que produce principalmente emisión continua, pero sigue siendo mayoritariamente translúcido a su propia luz; un efecto similar a la luz solar cuando atraviesa una nube). . En el caso del xenón, la radiación del cuerpo gris se centra cerca del verde y produce la combinación adecuada para la luz blanca . [9] [11] La radiación de cuerpo gris se produce a densidades superiores a 2400 A/cm 2 .
Las densidades de corriente que son muy altas, cercanas a los 4.000 A/cm 2 , tienden a favorecer la radiación de cuerpo negro . Las líneas espectrales prácticamente desaparecen a medida que domina la radiación continua y el centro de salida se desplaza hacia el ultravioleta. A medida que las densidades de corriente aumentan aún más, visualmente, el espectro de salida del xenón comenzará a asentarse en el de un radiador de cuerpo negro con una temperatura de color de 9800 kelvin (un tono de blanco más bien azul cielo). [1] Excepto en los casos en los que se necesita luz ultravioleta intensa, como la descontaminación del agua, la radiación de cuerpo negro generalmente no es deseable porque el arco se vuelve opaco y gran parte de la radiación desde dentro del arco puede absorberse antes de llegar a la superficie, lo que afecta la eficiencia de salida. . [11] [14] [15]
Debido a su alta eficiencia y salida de blanco, el xenón se utiliza ampliamente para aplicaciones fotográficas, a pesar de su gran coste. En los láseres, normalmente se prefiere la emisión de líneas espectrales, ya que estas líneas tienden a coincidir mejor con las líneas de absorción del medio láser. Ocasionalmente también se utiliza criptón. A bajas densidades de corriente, la salida de la línea espectral del criptón en el rango del IR cercano se adapta mejor al perfil de absorción de los medios láser basados en neodimio que la emisión de xenón, y se asemeja mucho al estrecho perfil de absorción del Nd:YAG. [16] [17] Ninguna de las líneas espectrales del xenón coincide con las líneas de absorción del Nd:YAG, por lo que, al bombear Nd:YAG con xenón, se debe utilizar la radiación continua. [18]
Todos los gases producen líneas espectrales específicas del gas, superpuestas a un fondo de radiación continua. En todos los gases, las bajas densidades de corriente producen principalmente líneas espectrales, concentrándose la mayor producción en el IR cercano, entre 650 y 1000 nm. Los picos más fuertes de Krypton se encuentran alrededor de 760 y 810 nm. El argón tiene muchos picos fuertes a 670, 710, 760, 820, 860 y 920 nm. El neón tiene picos alrededor de 650, 700, 850 y 880 nm. [14] A medida que las densidades de corriente aumentan, la salida de radiación continua aumentará más que la radiación de la línea espectral a una tasa un 20% mayor, y el centro de salida se desplazará hacia el espectro visual. En las densidades de corriente de los cuerpos grises sólo hay una ligera diferencia en el espectro emitido por varios gases. A densidades de corriente muy altas, todos los gases comenzarán a funcionar como radiadores de cuerpo negro, con salidas espectrales que se asemejarán a una estrella gigante azul , centrada en el ultravioleta. [14]
Los gases más pesados exhiben una mayor resistencia y, por lo tanto, tienen un valor más alto de K o . La impedancia, definida como la resistencia necesaria para convertir la energía en trabajo, es mayor para los gases más pesados y, como tal, los gases más pesados son mucho más eficientes que los más ligeros. El helio y el neón son demasiado ligeros para producir un destello eficiente. El criptón puede tener una eficiencia de hasta el 40%, pero requiere hasta un aumento de presión del 70% respecto al xenón para lograrlo. El argón puede tener una eficiencia de hasta un 30%, pero requiere un aumento de presión aún mayor. A presiones tan altas, la caída de voltaje entre los electrodos, formada por la chispa, puede ser mayor que el voltaje del capacitor. Estas lámparas a menudo necesitan un "voltaje de refuerzo" durante la fase de activación, para superar la impedancia de activación extremadamente alta. [14]
El nitrógeno , en forma de aire, se ha utilizado en los tubos de destello de los láseres de tinte caseros, pero el nitrógeno y el oxígeno presentes forman reacciones químicas con los electrodos y con ellos mismos, provocando un desgaste prematuro y la necesidad de ajustar la presión para cada destello. [19]
Se han realizado algunas investigaciones sobre la mezcla de gases para alterar la salida espectral. El efecto sobre el espectro de salida es insignificante, pero el efecto sobre la eficiencia es grande. Agregar un gas más liviano solo reducirá la eficiencia del más pesado. [14]
A medida que el pulso de corriente viaja a través del tubo, ioniza los átomos, provocando que salten a niveles de energía más altos. Dentro del plasma de arco se encuentran tres tipos de partículas, que consisten en electrones , átomos ionizados positivamente y átomos neutros . En cualquier momento dado durante el destello, los átomos ionizados constituyen menos del 1% del plasma y producen toda la luz emitida. A medida que se recombinan con los electrones perdidos, inmediatamente vuelven a un estado de energía más bajo, liberando fotones en el proceso. Los métodos de transferencia de energía ocurren de tres maneras distintas, llamadas transiciones "ligado-ligado", "libre-ligado" y "libre-libre". [20]
Dentro del plasma, los iones positivos aceleran hacia el cátodo mientras que los electrones aceleran hacia el ánodo. Los átomos neutros se mueven hacia el ánodo a un ritmo más lento, llenando un diferencial de presión localizado creado por los iones. A presiones normales este movimiento se produce en distancias muy cortas, porque las partículas interactúan y chocan entre sí y, al intercambiar electrones, invierten su dirección. Así, durante el pulso, los átomos neutros se ionizan y recombinan constantemente, emitiendo un fotón cada vez, transmitiendo electrones del cátodo al ánodo. Cuanto mayor sea el número de transiciones iónicas por cada electrón; mejor será la eficiencia de conversión , por lo que tubos más largos o presiones más altas ayudan a aumentar la eficiencia de la lámpara. Durante el pulso, el efecto piel hace que los electrones libres se acumulen cerca de la pared interna, creando una vaina de electrones alrededor del plasma. Esto hace que el área sea electronegativa y ayuda a mantenerla fresca. El efecto piel también aumenta la inductancia al inducir corrientes parásitas en el plasma central.
Las transiciones ligadas ocurren cuando los iones y los átomos neutros chocan, transfiriendo un electrón del átomo al ion. Este método predomina a bajas densidades de corriente y es responsable de producir la emisión de líneas espectrales. Las transiciones libres ocurren cuando un ion captura un electrón libre. Este método produce la emisión continua y es más prominente a densidades de corriente más altas. Parte del continuo también se produce cuando un electrón acelera hacia un ion, lo que se denomina transiciones libre-libre, lo que produce radiación de bremsstrahlung . La radiación Bremsstrahlung aumenta al aumentar la densidad de energía y provoca un cambio hacia el extremo azul y ultravioleta del espectro. [20]
El único límite eléctrico real a lo corto que puede ser un pulso es la inductancia total del sistema , incluida la del condensador, los cables y la propia lámpara. Los destellos de pulso corto requieren que se minimice toda la inductancia. Por lo general, esto se hace utilizando condensadores especiales, los cables más cortos disponibles o cables eléctricos con mucha superficie pero secciones transversales delgadas. Para sistemas extremadamente rápidos, se pueden usar cables axiales de baja inductancia, como tubos de cobre, alambres con núcleo de plástico o incluso electrodos huecos, para disminuir la inductancia total del sistema. Los láseres de tinte necesitan pulsos muy cortos y a veces usan tubos de destello axiales, que tienen una sección transversal anular con un diámetro exterior grande, electrodos en forma de anillo y un núcleo interno hueco, lo que permite colocar tanto la inductancia más baja como una celda de tinte como un eje a través. el centro de la lámpara.
Por el contrario, los cambios en el voltaje o capacitancia de entrada no tienen efecto sobre el tiempo de descarga, aunque sí tienen efecto sobre la densidad de corriente. A medida que disminuye la duración del destello, la energía eléctrica se concentra en pulsos más cortos, por lo que la densidad de corriente aumentará. Para compensar esto generalmente es necesario reducir la capacitancia a medida que disminuye la duración del pulso y luego aumentar el voltaje proporcionalmente para mantener un nivel de energía suficientemente alto. Sin embargo, a medida que disminuye la duración del pulso, también lo hace el índice de "energía de explosión" de la lámpara, por lo que también se debe disminuir el nivel de energía para evitar destruir la lámpara.
La cantidad de carga de energía que el vidrio puede soportar es el principal límite mecánico. Incluso si la cantidad de energía ( julios ) que se utiliza permanece constante, la potencia eléctrica ( vataje ) aumentará en proporción inversa a una disminución en el tiempo de descarga. Por lo tanto, la energía debe disminuirse junto con la duración del pulso, para evitar que los niveles de potencia del pulso aumenten demasiado. El vidrio de cuarzo (de 1 milímetro de espesor por cada segundo de descarga) normalmente puede soportar un máximo de 160 vatios por centímetro cuadrado de superficie interna. Otros vasos tienen un umbral mucho más bajo. Los sistemas extremadamente rápidos, con una inductancia por debajo de la amortiguación crítica (0,8 microhenrios), generalmente requieren un diodo en derivación a través del capacitor para evitar que la inversión de corriente (timbre) destruya la lámpara. Si se permite que el pulso suene a través de la lámpara, el destello se alargará, de modo que el diodo atrapa el timbre, permitiendo que la lámpara se apague en el momento correcto.
Los límites de los pulsos de larga duración son el número de electrones transferidos al ánodo, el chisporroteo causado por el bombardeo de iones en el cátodo y los gradientes de temperatura del vidrio. Los pulsos demasiado largos pueden vaporizar grandes cantidades de metal del cátodo, mientras que el sobrecalentamiento del vidrio provocará que se agriete a lo largo. Para un funcionamiento continuo, la refrigeración es el límite. La duración de la descarga de los tubos de flash comunes oscila entre 0,1 microsegundos y decenas de milisegundos y puede tener velocidades de repetición de cientos de hercios . La duración del destello se puede controlar cuidadosamente con el uso de un inductor . [1] [11]
El destello que emana de un tubo de xenón puede ser tan intenso que puede encender materiales inflamables a corta distancia del tubo. Los nanotubos de carbono son particularmente susceptibles a esta ignición espontánea cuando se exponen a la luz de un tubo de flash. [21] Se pueden aprovechar efectos similares para su uso en procedimientos médicos o estéticos conocidos como tratamientos con luz pulsada intensa (IPL). La IPL se puede utilizar para tratamientos como la depilación y la destrucción de lesiones o lunares .
La vida útil de un tubo de destello depende tanto del nivel de energía utilizado por la lámpara en proporción a su energía de explosión como de la duración del pulso de la lámpara. Las fallas pueden ser catastróficas y hacer que la lámpara se rompa, o pueden ser graduales y reducir el rendimiento de la lámpara por debajo de un valor nominal utilizable. [1]
Las fallas catastróficas pueden ocurrir por dos mecanismos separados: energía y calor . Cuando se utiliza demasiada energía durante la duración del pulso, puede ocurrir una falla estructural de la envoltura de vidrio. Los Flashtubes producen un arco eléctrico contenido en un tubo de vidrio. A medida que se desarrolla el arco, se forma una onda de choque supersónica que viaja radialmente desde el centro del arco e impacta la pared interior del tubo. Si el nivel de energía es lo suficientemente bajo, todo lo que se oirá será un golpe contra el cristal. Sin embargo, si el nivel de energía utilizado es igual a la clasificación de "energía de explosión" de la lámpara, la onda de choque que impacta fracturará el vidrio y romperá el tubo. La explosión resultante crea una fuerte onda de choque sónica y puede arrojar cristales rotos a varios metros de distancia. La energía de explosión se calcula multiplicando la superficie interna de la lámpara, entre los electrodos, por la capacidad de carga de energía del vidrio. La carga de energía está determinada por el tipo y espesor del vidrio y el método de enfriamiento que se utiliza. La carga de energía se mide en vatios por centímetro cuadrado. Sin embargo, debido a que el nivel de potencia pulsada aumenta a medida que disminuye la duración del destello, la energía de la explosión debe disminuir en proporción directa a la raíz cuadrada del tiempo de descarga. [12]
Las fallas por calor generalmente son causadas por duraciones de pulso excesivamente largas, niveles de potencia promedio altos o un tamaño de electrodo inadecuado. Cuanto más largo sea el pulso; más calor intenso se transferirá al vidrio. Cuando la pared interior del tubo se calienta demasiado mientras la pared exterior todavía está fría, este gradiente de temperatura puede provocar que la lámpara se agriete. De manera similar, si los electrodos no tienen un diámetro suficiente para manejar las corrientes máximas, pueden producir demasiada resistencia, calentándose y expandiéndose térmicamente rápidamente . Si los electrodos se calientan mucho más rápido que el vidrio, la lámpara puede agrietarse o incluso romperse en los extremos. [12]
Cuanto más cerca opera un tubo de destello de su energía de explosión, mayor es el riesgo de falla catastrófica. Al 50% de la energía de explosión, la lámpara puede producir varios miles de destellos antes de explotar. Con el 60% de la energía de explosión, la lámpara normalmente fallará en menos de cien. Si la lámpara funciona por debajo del 30% de la energía de explosión, el riesgo de fallo catastrófico se vuelve muy bajo. Los métodos de falla se convierten entonces en aquellos que reducen la eficiencia de salida y afectan la capacidad de activar la lámpara. Los procesos que afectan a estos son la pulverización y la ablación de la pared interior. [12]
El chisporroteo ocurre cuando el nivel de energía es muy bajo, por debajo del 15% de la energía de la explosión, o cuando la duración del pulso es muy larga. La pulverización es la vaporización del metal del cátodo, que se vuelve a depositar en las paredes de la lámpara, bloqueando la salida de luz. Debido a que el cátodo es más emisivo que el ánodo , el tubo de flash está polarizado y conectar incorrectamente la lámpara a la fuente de alimentación lo arruinará rápidamente. Sin embargo, incluso si se conecta correctamente, el grado de chisporroteo puede variar considerablemente de una lámpara a otra. Por lo tanto, es imposible predecir la vida útil con precisión a niveles de energía bajos. [1]
A niveles de energía más altos, la ablación de la pared se convierte en el principal proceso de desgaste. El arco eléctrico erosiona lentamente la pared interior del tubo, formando grietas microscópicas que dan al vidrio un aspecto esmerilado. La ablación libera oxígeno del vidrio, aumentando la presión más allá de un nivel operable. Esto provoca problemas desencadenantes, conocidos como " jitter ". Por encima del 30%, la ablación puede provocar un desgaste suficiente como para romper la lámpara. Sin embargo, a niveles de energía superiores al 15%, la vida útil se puede calcular con bastante precisión. [1]
Cuando se opera por debajo del 30% de la energía de la explosión, la vida útil del tubo de destello generalmente oscila entre unos pocos millones y decenas de millones de destellos. [12]
Como la duración del flash que emite un tubo de flash de xenón se puede controlar con precisión y debido a la alta intensidad de la luz, los tubos de flash de xenón se utilizan comúnmente como luces estroboscópicas fotográficas . Los tubos de flash de xenón también se utilizan en fotografía de muy alta velocidad o "stop-motion" , en la que Harold Edgerton fue pionero en la década de 1930. Debido a que pueden generar destellos brillantes que llaman la atención con una entrada relativamente pequeña y continua de energía eléctrica, también se utilizan en luces de advertencia de aviones , iluminación de vehículos de emergencia , aparatos de notificación de alarmas de incendio ( bocinas estroboscópicas ), balizas anticolisión de aviones y otros similares. aplicaciones.
En odontología se utiliza en dispositivos de "caja de luz" para activar con luz el endurecimiento de diversas resinas fotopolimerizables auxiliares y restauradoras (por ejemplo: Megaflash mini, Uni XS y otros dispositivos). [23]
Debido a su alta intensidad y brillo relativo en longitudes de onda cortas (que se extienden hasta el ultravioleta ) y anchos de pulso cortos, los tubos de flash también son ideales como fuentes de luz para bombear átomos en un láser a estados excitados donde pueden ser estimulados para emitir luz monocromática coherente . . La selección adecuada tanto del gas de relleno como de la densidad de corriente es crucial, de modo que la energía de salida radiada máxima se concentre en las bandas que son mejor absorbidas por el medio láser ; por ejemplo, los tubos de flash de criptón son más adecuados que los tubos de flash de xenón para bombear láseres Nd:YAG , ya que la emisión de criptón en el infrarrojo cercano se adapta mejor al espectro de absorción de Nd:YAG.
Se han utilizado tubos de flash de xenón para producir un intenso destello de luz blanca, parte del cual es absorbido por Nd:vidrio que produce la potencia del láser para la fusión por confinamiento inercial . En total, aproximadamente entre el 1 y el 1,5% de la energía eléctrica alimentada a los tubos de destello se convierte en luz láser útil para esta aplicación.
La luz pulsada (PL) es una técnica para descontaminar superficies matando microorganismos mediante pulsos de amplio espectro intenso, ricos en luz UV-C. UV-C es la porción del espectro electromagnético correspondiente a la banda entre 200 y 280 nm . La luz pulsada funciona con lámparas de xenón que pueden producir destellos varias veces por segundo. Los robots de desinfección utilizan luz ultravioleta pulsada. [24]
Una aplicación reciente de las lámparas de destellos es el curado fotónico .
El tubo de flash fue inventado por Harold Edgerton en la década de 1930 como un medio para tomar fotografías nítidas de objetos en movimiento. Los tubos de flash se utilizaron principalmente para luces estroboscópicas en estudios científicos, pero eventualmente comenzaron a reemplazar a los flashes químicos y de polvo y a las lámparas de flash en la fotografía convencional. [25]
Debido a que se podían crear arcos eléctricos que eran mucho más rápidos que las velocidades de obturación mecánica, las primeras fotografías de alta velocidad se tomaron con una descarga de arco eléctrico al aire libre, llamada fotografía por chispa, que ayudaba a eliminar la borrosidad de los objetos en movimiento. Por lo general, esto se hacía con el obturador abierto mientras se estaba en una habitación oscura o con poca luz, para evitar la sobreexposición de la película, y era un método para sincronizar el flash con el evento que se iba a fotografiar. El primer uso conocido de la fotografía con chispas comenzó con Henry Fox Talbot alrededor de 1850. [25] En 1886, Ernst Mach utilizó una chispa al aire libre para fotografiar una bala a gran velocidad, revelando las ondas de choque que producía a velocidades supersónicas. [26] Los sistemas de chispas al aire libre eran bastante fáciles de construir, pero eran voluminosos, muy limitados en emisión de luz y producían ruidos fuertes comparables al de un disparo. [25]
En 1927, Harold Edgerton construyó su primera unidad de flash mientras estaba en el Instituto de Tecnología de Massachusetts . Queriendo fotografiar el movimiento de un motor con detalles vívidos y sin desenfoque, Edgerton decidió mejorar el proceso de fotografía de chispas utilizando un rectificador de arco de mercurio , en lugar de una descarga al aire libre, para producir la luz. Pudo alcanzar una duración del flash de 10 microsegundos y pudo fotografiar el motor en movimiento como si estuviera "congelado en el tiempo". [25]
El interés de su colega por el nuevo aparato flash pronto provocó que Edgerton mejorara el diseño. La eficiencia de la lámpara de mercurio estaba limitada por la parte más fría de la lámpara, lo que hacía que funcionaran mejor cuando estaban muy calientes pero mal cuando estaban frías. Edgerton decidió probar con un gas noble , sintiendo que no dependería tanto de la temperatura como el mercurio y, en 1930, contrató a la compañía General Electric para construir algunas lámparas usando argón . Los tubos de argón eran mucho más eficientes, mucho más pequeños y podían montarse cerca de un reflector, concentrando su salida. Poco a poco, los diseñadores de cámaras empezaron a darse cuenta de la nueva tecnología y empezaron a aceptarla. Edgerton recibió su primer pedido importante de luces estroboscópicas de la compañía Kodak en 1940. Posteriormente, descubrió que el xenón era el más eficiente de los gases nobles, produciendo un espectro muy cercano al de la luz del día, y los tubos de flash de xenón se convirtieron en estándar en la mayoría de las fotografías de gran tamaño. conjuntos. No fue hasta la década de 1970 que las unidades estroboscópicas se volvieron lo suficientemente portátiles como para usarse en cámaras comunes. [25]
En 1960, después de que Theodore Maiman inventara el láser de rubí , comenzó una nueva demanda de tubos de flash para su uso en láseres y se despertó un nuevo interés en el estudio de las lámparas. [14]
Los flashtubes funcionan a altos voltajes , con corrientes lo suficientemente altas como para ser mortales. En determinadas condiciones, se ha informado que descargas de tan solo 1 julio son letales. La energía almacenada en un condensador puede permanecer sorprendentemente mucho tiempo después de que se haya desconectado la energía. Un tubo de destello generalmente se apaga antes de que el capacitor se haya drenado por completo y puede recuperar parte de su carga mediante un proceso llamado " absorción dieléctrica ". Además, algunos tipos de sistemas de carga pueden ser igualmente mortales. El voltaje del disparador puede producir una descarga dolorosa, generalmente no suficiente para matar, pero que a menudo puede asustar a una persona y hacer que choque o toque algo más peligroso. Cuando una persona se carga con altos voltajes, puede saltar una chispa , entregando la alta corriente del capacitor sin tocar nada.
Los tubos de destello funcionan a altas presiones y se sabe que explotan, produciendo violentas ondas de choque. La "energía de explosión" de un tubo de destello (la cantidad de energía que lo destruirá en unos pocos destellos) está bien definida y, para evitar fallas catastróficas, se recomienda que no se use más del 30% de la energía de explosión. [11] Los tubos de flash deben estar protegidos detrás de un vidrio o en una cavidad reflectora. En caso contrario, se debe utilizar protección para los ojos y los oídos.
Los tubos de flash producen destellos muy intensos, a menudo más rápidos de lo que el ojo puede registrar, y es posible que no parezcan tan brillantes como son. El vidrio de cuarzo transmitirá casi todos los rayos UV de onda larga y corta, incluidas las longitudes de onda germicidas, y puede representar un peligro grave para los ojos y la piel. Esta radiación ultravioleta también puede producir grandes cantidades de ozono , que puede ser perjudicial para personas, animales y equipos. [27]
Muchas cámaras compactas cargan el condensador del flash inmediatamente después del encendido y algunas incluso simplemente insertando las baterías. Simplemente insertar la batería en la cámara puede hacer que el condensador se vuelva peligroso o al menos desagradable durante varios días. La energía involucrada también es bastante significativa; un condensador de 330 microfaradios cargado a 300 voltios (valores aproximados comunes que se encuentran en las cámaras) almacena casi 15 julios de energía.
En el libro de 1969 The Andromeda Strain y la película de 1971 , se utilizó la exposición especializada a un aparato de flash de xenón para quemar las capas epiteliales externas de la piel humana como medida antiséptica para eliminar todo posible acceso bacteriano para las personas que trabajan en un ambiente extremo y ultralimpio. ambiente. (El libro utilizó el término "ultraflash"; la película identificó el aparato como un "flash de xenón").
Cuadro 1: El tubo está oscuro.
Cuadro 2: El pulso del disparador ioniza el gas, que brilla con una tenue luz azul. De cada electrodo se forman chispas que se acercan entre sí a lo largo de la superficie interior del tubo de vidrio.
Cuadro 3: Las serpentinas de chispas se conectan y se alejan del vidrio, y se forma un túnel de plasma que permite que la corriente aumente.
Cuadro 4: La corriente del condensador comienza a escaparse, calentando el xenón circundante.
Cuadro 5: A medida que la resistencia disminuye, el voltaje cae y la corriente llena el tubo, calentando el xenón a un estado de plasma.
Cuadro 6: Completamente calentado, la resistencia y el voltaje se estabilizan en un arco y la carga de corriente completa corre a través del tubo, lo que hace que el xenón emita un estallido de luz.
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