Un tubo de flash ( lámpara de flash ) produce una descarga electrostática con una luz blanca extremadamente intensa, incoherente y de espectro completo durante un tiempo muy breve. Un tubo de flash 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 tubos de flash se utilizan principalmente en fotografía; también se utilizan en ciencia, medicina, industria y entretenimiento.
La lámpara consta de un tubo de vidrio herméticamente sellado que se llena con un gas noble , generalmente xenón , y electrodos para llevar la corriente eléctrica al gas. Además, se necesita una fuente de energía de alto voltaje para energizar el gas como evento de disparo. Por lo general, se utiliza un condensador cargado para suministrar energía para el destello, de modo de permitir una entrega muy rápida de una corriente eléctrica muy alta cuando se dispara 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 una lente de cámara para fotografías sin sombras - ' anillos de destello '). En algunas aplicaciones, la emisión de luz ultravioleta es indeseable, ya sea debido a la producción de ozono , daños a las varillas láser, degradación de plásticos u otros efectos perjudiciales. En estos casos, se utiliza una 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 de solarización ; a menudo se usa en lámparas médicas y de rayos solares y algunas lámparas no láser. Una mejor alternativa es un cuarzo dopado con cerio ; no sufre de solarización y tiene mayor eficiencia, ya que parte del ultravioleta absorbido se vuelve a irradiar como visible a través de fluorescencia . Su corte está en aproximadamente 380 nm. Por el contrario, cuando se necesita 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 a 160 nm. [1]
El nivel de potencia de las lámparas se mide en vatios/área, potencia eléctrica total de entrada dividida por la superficie de la pared interior de la lámpara. El enfriamiento de los electrodos y la envoltura de la lámpara es de gran importancia en niveles de potencia altos. El enfriamiento por aire es suficiente para niveles de potencia promedio más bajos. Las lámparas de alta potencia se enfrían con un líquido, generalmente haciendo fluir agua desionizada a través de un tubo en el que está envuelta 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 enfriamiento. El medio de enfriamiento también debe fluir a lo largo de toda la longitud de la lámpara y los electrodos. Las lámparas de arco de onda continua o de alta potencia promedio deben tener el flujo de agua a través de los extremos de la lámpara y también a través de los extremos expuestos de los electrodos, por lo que se utiliza agua desionizada para evitar un cortocircuito. Por encima de 15 W/cm 2 se requiere enfriamiento por aire forzado; enfriamiento por líquido si se encuentra en un espacio confinado. El enfriamiento por líquido generalmente es necesario por encima de 30 W/cm 2 .
Las paredes más delgadas pueden sobrevivir a 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/cm2 , uno de 0,5 mm de espesor tiene un límite de 320 W/cm2 ) . Por esta razón, a menudo se utiliza vidrio más delgado para lámparas de arco de onda continua. Los materiales más gruesos generalmente pueden manejar más energía de impacto de la onda de choque que la que puede generar un arco de pulso corto, por lo que a menudo se utiliza cuarzo de hasta 1 mm de espesor en la construcción de tubos de flash. 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/cm2 , el cuarzo sintético del mismo espesor puede alcanzar los 240 W/cm2 . Otros vidrios como el borosilicato generalmente tienen menos de la mitad de la capacidad de carga de potencia del cuarzo. Las lámparas envejecidas requieren cierta reducción de potencia, debido a la mayor absorción de energía en el vidrio debido a la solarización y los depósitos pulverizados. [1]
Los electrodos sobresalen en cada extremo del tubo y se sellan al vidrio utilizando algunos métodos diferentes. Los "sellos de cinta" utilizan tiras delgadas de papel de molibdeno adheridas directamente al vidrio, que son muy duraderas, pero están limitadas en la cantidad de corriente que puede pasar a través de ellas. Los "sellos de soldadura" unen el vidrio al electrodo con una soldadura para un sello mecánico muy fuerte, pero están limitados al funcionamiento a baja temperatura. El 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] El sello y el vidrio deben tener el mismo coeficiente de expansión térmica.
Para un desgaste bajo de los electrodos, estos suelen estar hechos de tungsteno , que tiene el punto de fusión más alto de todos los metales, para controlar la emisión termoiónica de electrones. Los cátodos suelen estar hechos de tungsteno poroso relleno con un compuesto de bario , 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 un área de superficie adicional para hacer frente a la carga de potencia. Las lámparas de arco de CC suelen tener un cátodo con una punta afilada, para ayudar a mantener el arco alejado del vidrio y para controlar la temperatura. Los tubos de destello suelen tener un cátodo con un radio aplanado, para reducir la incidencia de puntos calientes y disminuir el chisporroteo causado por las corrientes pico, que pueden superar 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 de lograr un enfriamiento suficiente de los electrodos. Si bien la temperatura del ánodo tiene menor importancia, el sobrecalentamiento del cátodo puede reducir en gran medida la vida útil 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 (0,01–4,0 atmósferas o decenas a miles de torr ). [1] Generalmente, cuanto mayor sea la presión, mayor será la eficiencia de salida. El xenón se utiliza principalmente debido a su buena eficiencia, convirtiendo casi el 50% de la energía eléctrica en luz. El criptón, por otro lado, solo tiene una eficiencia del 40%, pero a bajas corrientes 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 volumen muerto más alto 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 exhibe una resistencia extremadamente alta , y la lámpara no conducirá electricidad hasta que el gas se ionice . Una vez ionizado, o "activado", se formará una chispa entre los electrodos, lo que permitirá que el condensador se descargue. La repentina oleada de corriente eléctrica calienta rápidamente el gas a un estado de plasma , donde la resistencia eléctrica se vuelve muy baja. [2] Hay varios métodos de activación.
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El método de funcionamiento más común, especialmente para uso fotográfico, es el disparo externo. Los electrodos se cargan a un voltaje lo suficientemente alto como para responder al disparo, pero por debajo del umbral de destello propio de la lámpara. Se aplica un pulso de voltaje extremadamente alto (normalmente entre 2000 y 150.000 voltios), el "pulso de disparo", directamente a la envoltura de vidrio o muy cerca de ella. (Los tubos de flash refrigerados por agua a veces aplican este pulso 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 pulso corto de alto voltaje crea un campo electrostático ascendente que ioniza el gas dentro del tubo. La capacitancia del vidrio acopla el pulso de disparo a la envoltura, donde supera la tensión de ruptura del gas que rodea a uno o ambos electrodos, formando corrientes de chispas. Las corrientes se propagan a través de la 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 lo suficientemente larga para permitir que una de las chispas llegue al 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 un reflector fijado al vidrio, una pintura conductora o un alambre fino enrollado alrededor de la longitud 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 formen un puente entre los electrodos, el capacitor se descargará a través del gas ionizado, calentando el xenón a una temperatura lo suficientemente alta para la luz de emisión. [1]
El disparo en serie es más común en tubos de destello de alta potencia refrigerados por agua, como los que se encuentran en los láseres . Los cables de alto voltaje del transformador de disparo están conectados al tubo de destello en serie (un cable a un electrodo y el otro al condensador), de modo que el destello viaja a través del transformador y la lámpara. El pulso de disparo forma una chispa dentro de la lámpara, sin exponer el voltaje de disparo al exterior de la lámpara. Las ventajas son un mejor aislamiento, un disparo más confiable y un arco que tiende a desarrollarse bastante lejos del vidrio, pero a un costo mucho mayor. El transformador de disparo en serie también actúa como un inductor . Esto ayuda a controlar la duración del destello, pero evita que el circuito se use en aplicaciones de descarga muy rápida. El disparo generalmente puede tener lugar con un voltaje más bajo en el condensador que el requerido para el disparo externo. Sin embargo, el transformador de disparo se convierte en parte del circuito del destello y acopla el circuito de disparo a la energía del destello. Por lo tanto, debido a que el transformador de disparo tiene una impedancia muy baja, el transformador, el circuito de disparo y el rectificador controlado de silicio (SCR) deben poder manejar corrientes de pico muy altas, a menudo superiores a 1500 amperios. [1]
El disparo por voltaje de combustión lenta es el método menos común. En esta técnica, el voltaje del capacitor no se aplica inicialmente a los electrodos, sino que, en su lugar, se mantiene una corriente de chispa de alto voltaje entre los electrodos. La alta corriente del capacitor se entrega a los electrodos utilizando un tiristor o un espacio de chispa . Este tipo de disparo se utiliza principalmente en sistemas de tiempo de subida muy rápido , típicamente aquellos que se descargan en el régimen de microsegundos, como los utilizados en la fotografía stop-motion de alta velocidad o los láseres de colorante . La corriente de chispa de combustión lenta hace que el arco se desarrolle en el centro exacto de la lámpara, lo que aumenta drásticamente la vida útil. [3] Si se utiliza el disparo externo para pulsos extremadamente cortos, las corrientes de chispa aún pueden estar en contacto con el vidrio cuando la carga de corriente completa pasa a través del tubo, lo que causa la ablación de la pared o, en casos extremos, el agrietamiento o incluso la explosión de la lámpara. Sin embargo, como 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 destello 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 un espacio de chispa. A menudo, se utiliza una combinación de voltaje de simmer y sobrevoltaje. [1]
Los tiempos de subida muy rápidos se consiguen a menudo utilizando una técnica de prepulso. Este método se lleva a cabo emitiendo un pequeño destello a través de la lámpara justo antes del destello principal. Este destello tiene una energía mucho menor que el destello principal (normalmente menos del 10%) y, dependiendo de la duración del pulso, se emite sólo unas milésimas o unas millonésimas de segundo antes del destello principal. El prepulso calienta el gas, lo que produce 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 destello principal se inicia antes de que estas partículas puedan recombinarse, esto proporciona una buena cantidad de partículas ionizadas para ser utilizadas por el destello principal. Esto disminuye en gran medida 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 utiliza muy a menudo con tensión de combustión lenta y, a veces, con disparo en serie, pero rara vez se utiliza con disparo externo. Las técnicas de prepulso son las más utilizadas en el bombeo de láseres de colorante, lo que aumenta en gran medida la eficiencia de conversión . Sin embargo, también se ha demostrado que aumenta la eficiencia de otros láseres con tiempos de vida de fluorescencia más largos (lo que permite pulsos más largos), como Nd:YAG o zafiro de titanio , al crear pulsos con formas de onda casi cuadradas . [4] [5] [6]
Los tubos de destello ablativos se activan mediante una presión insuficiente. Los tubos de destello ablativos suelen construirse 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, a continuación, 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 acelerarse hasta alcanzar velocidades suficientes para comenzar a expulsar electrones del cátodo cuando impactan contra su superficie, lo que da lugar a una avalancha de Townsend que hace que la lámpara emita destellos por sí sola. A presiones tan bajas, la eficiencia del destello 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 y bombardea el vidrio. El bombardeo elimina (vaporiza) grandes cantidades de cuarzo de la pared interior. Esta ablación crea un aumento repentino, violento y localizado de la presión interna de la lámpara, lo que aumenta la eficiencia del destello a niveles muy altos. Sin embargo, la ablación provoca un desgaste importante de la lámpara, lo que debilita el vidrio y, por lo general, es necesario reemplazarla después de una vida útil muy corta.
Los tubos de destello ablativos deben rellenarse y aspirarse hasta alcanzar la presión adecuada para cada destello. Por lo tanto, no se pueden utilizar para aplicaciones con una repetición muy alta. Además, esto suele impedir el uso de gases muy caros como el criptón o el xenón. El gas más común que se utiliza en un tubo de destello ablativo es el aire , aunque a veces también se utiliza argón, que es más barato. El destello suele tener una duración muy corta para evitar que se transfiera demasiado calor al vidrio. Sin embargo, como casi todo el plasma se concentra en la superficie, las lámparas tienen una inductancia muy baja y los destellos suelen ser más cortos que los de una lámpara normal de tamaño comparable. 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 colorante. [7] [8]
Además, se puede conectar un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) en serie con el transformador de disparo y 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 promedio y puede producir pulsos que van desde 500 microsegundos hasta más de 20 milisegundos. Se puede utilizar con cualquiera de las técnicas de disparo, como externa y en serie, y puede producir pulsos de onda cuadrada. Incluso se puede utilizar con voltaje de combustión lenta para producir una salida de onda continua "modulada", con tasas de repetición superiores a 300 hercios. Con el tubo de destello adecuado de gran diámetro y refrigerado por agua, se pueden obtener varios kilovatios de salida de potencia promedio. [1]
Los requisitos eléctricos de un tubo de destello pueden variar, dependiendo de los resultados deseados. El método habitual es determinar primero la duración del pulso, la cantidad máxima de energía tolerable en esa duración (energía de explosión) y la cantidad segura de energía de funcionamiento. 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 producirlo. 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 conoce como impedancia . El símbolo más común utilizado para la impedancia de la lámpara es K o , que se expresa como ohmios por la raíz cuadrada de amperios (ohmios (amperios 0,5 ).
K o se utiliza para calcular la cantidad de voltaje de entrada y capacitancia necesaria para emitir un espectro deseado, controlando la densidad de corriente. K o se determina 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 destello no es constante, sino que 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 destello 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 interna. 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 para K o no tienen en cuenta el volumen muerto, lo que conduce a un menor aumento de la presión. Por lo tanto, cualquier cálculo de K o es simplemente una aproximación de la impedancia de la lámpara. [1] [11] [12]
Al igual que todos los gases ionizados, los tubos de destello de xenón emiten luz en varias líneas espectrales . Este es el mismo fenómeno que 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 destello, 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 del xenón, en un letrero de neón, también es bastante 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 densidades de corriente bajas producen una emisión de líneas espectrales estrechas, contra un fondo tenue de radiación continua. El xenón tiene muchas líneas espectrales en las porciones UV, azul, verde, roja e IR del espectro. Las densidades de corriente bajas producen un destello azul verdoso, lo que indica la ausencia de líneas amarillas o naranjas significativas. A bajas densidades de corriente, la mayor parte de la salida del xenón se dirigirá a las líneas espectrales IR invisibles alrededor de 820, 900 y 1000 nm. [14] Las densidades de corriente bajas para los tubos de destello son generalmente inferiores a 1000 A/cm 2 .
Las densidades de corriente más altas comienzan a producir emisión continua . Las líneas espectrales se ensanchan y se vuelven menos dominantes a medida que la luz se produce a lo largo del espectro, generalmente alcanzando un pico o "centrándose" en una determinada longitud de onda. La eficiencia de salida óptima en el rango visual se obtiene a una densidad que favorece la "radiación de cuerpo gris" (un arco que produce principalmente emisión continua, pero que sigue siendo mayoritariamente translúcido a su propia luz; un efecto similar a la luz solar cuando pasa a través de una nube). Para el xenón, la radiación de cuerpo gris está centrada 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 muy altas, cercanas a los 4000 A/cm2 , tienden a favorecer la radiación de cuerpo negro . Las líneas espectrales prácticamente desaparecen a medida que predomina la radiación continua y el centro de salida se desplaza hacia el ultravioleta. A medida que las densidades de corriente se vuelven aún más altas, visualmente, el espectro de salida del xenón comenzará a establecerse en el de un radiador de cuerpo negro con una temperatura de color de 9800 kelvin (un tono de blanco bastante azul celeste). [1] Excepto en los casos en que se necesita una 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 perjudica la eficiencia de salida. [11] [14] [15]
Debido a su alta eficiencia y salida blanca, el xenón se utiliza ampliamente para aplicaciones fotográficas, a pesar de su gran costo. En los láseres, la emisión de línea espectral suele ser la preferida, ya que estas líneas tienden a coincidir mejor con las líneas de absorción de los medios láser. El criptón también se utiliza ocasionalmente. A bajas densidades de corriente, la salida de línea espectral del criptón en el rango cercano al infrarrojo se adapta mejor al perfil de absorción de los medios láser basados en neodimio que la emisión de xenón, y coincide muy de cerca con el estrecho perfil de absorción de Nd:YAG. [16] [17] Ninguna de las líneas espectrales del xenón coincide con las líneas de absorción de Nd:YAG, por lo que, al bombear Nd:YAG con xenón, se debe utilizar la radiación continua. [18]
Todos los gases producen líneas espectrales que son específicas del gas, superpuestas sobre un fondo de radiación continua. En todos los gases, las densidades de corriente bajas producen principalmente líneas espectrales, con la salida más alta concentrada en el infrarrojo cercano entre 650 y 1000 nm. Los picos más fuertes del criptón están 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 se vuelven más altas, la salida de radiación continua aumentará más que la radiación de 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 cuerpo gris solo 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 asemejan a una estrella gigante azul , centrada en el ultravioleta. [14]
Los gases más pesados presentan una resistencia mayor y, por lo tanto, tienen un valor más alto para K o . La impedancia, que se define 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 un aumento de presión de hasta el 70% con respecto al xenón para lograrlo. El argón puede tener una eficiencia de hasta el 30%, pero requiere un aumento de presión aún mayor. A presiones tan altas, la caída de voltaje entre los electrodos, formada por el generador de chispas, puede ser mayor que el voltaje del capacitor. Estas lámparas a menudo necesitan un "voltaje de refuerzo" durante la fase de disparo, para superar la impedancia de disparo extremadamente alta. [14]
El nitrógeno , en forma de aire, se ha utilizado en tubos de destello en láseres de colorante fabricados en casa, pero el nitrógeno y el oxígeno presentes forman reacciones químicas con los electrodos y ellos mismos, causando 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 en el espectro de salida es insignificante, pero el efecto en la eficiencia es grande. Agregar un gas más ligero solo reducirá la eficiencia del más pesado. [14]
A medida que el pulso de corriente viaja a través del tubo, ioniza los átomos, lo que hace que salten a niveles de energía más altos. Se encuentran tres tipos de partículas dentro del plasma del arco, 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 sus electrones perdidos, caen inmediatamente a un estado de energía más bajo, liberando fotones en el proceso. Los métodos de transferencia de energía ocurren de tres formas diferentes, llamadas transiciones "ligado-ligado", "libre-ligado" y "libre-libre". [20]
Dentro del plasma, los iones positivos se aceleran hacia el cátodo mientras que los electrones se 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 la dirección. Por lo tanto, durante el pulso, los átomos neutros se ionizan y recombinan constantemente, emitiendo un fotón cada vez, retransmitiendo electrones del cátodo al ánodo. Cuanto mayor sea el número de transiciones iónicas para cada electrón, mejor será la eficiencia de conversión , por lo que los tubos más largos o las presiones más altas ayudan a aumentar la eficiencia de la lámpara. Durante el pulso, el efecto pelicular hace que los electrones libres se reúnan cerca de la pared interna, creando una vaina de electrones alrededor del plasma. Esto hace que el área sea electronegativa y ayuda a mantenerla fría. El efecto pelicular también aumenta la inductancia al inducir corrientes parásitas en el plasma central.
Las transiciones ligadas-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 línea espectral. Las transiciones ligadas-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 de la emisión continua también se produce cuando un electrón se acelera hacia un ion, llamadas transiciones libre-libre, produciendo radiación de frenado . La radiación de frenado aumenta con el aumento de la densidad de energía y causa un desplazamiento hacia el extremo azul y ultravioleta del espectro. [20]
El único límite eléctrico real a la duración de 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. Esto se hace normalmente utilizando condensadores especiales, los cables más cortos disponibles o cables eléctricos con una gran superficie pero secciones transversales delgadas. Para sistemas extremadamente rápidos, se pueden utilizar cables axiales de baja inductancia, como tubos de cobre, cables con núcleo de plástico o incluso electrodos huecos, para reducir la inductancia total del sistema. Los láseres de colorante necesitan pulsos muy cortos y, a veces, utilizan tubos de destello axiales, que tienen una sección transversal anular con un gran diámetro exterior, electrodos en forma de anillo y un núcleo interior hueco, lo que permite colocar una inductancia más baja y una celda de colorante como un eje a través del centro de la lámpara.
Por el contrario, los cambios en el voltaje de entrada o la capacitancia no tienen efecto en el tiempo de descarga, aunque sí tienen un efecto en 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 lo suficientemente alto. Sin embargo, a medida que disminuye la duración del pulso, también lo hace la clasificación de "energía de explosión" de la lámpara, por lo que el nivel de energía también debe reducirse 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 ( vatios ) 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 pulsada aumenten demasiado. El vidrio de cuarzo (1 milímetro de espesor por 1 segundo de descarga) generalmente puede soportar un máximo de 160 vatios por centímetro cuadrado de área de superficie interna. Otros vidrios tienen un umbral mucho más bajo. Los sistemas extremadamente rápidos, con inductancia por debajo de la amortiguación crítica (0,8 microhenrios), generalmente requieren un diodo de derivación a través del condensador, para evitar que la inversión de corriente (resonancia) destruya la lámpara. Si se permite que el pulso suene a través de la lámpara, alargará el destello, por lo que el diodo atrapa la resonancia, lo que permite que la lámpara se apague en el momento correcto.
Los límites para las duraciones de pulso largas son la cantidad 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 hará que se agriete longitudinalmente. Para el funcionamiento continuo, el enfriamiento es el límite. Las duraciones de descarga de los tubos de destello comunes varían de 0,1 microsegundos a decenas de milisegundos y pueden tener tasas 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 destello de xenón puede ser tan intenso que puede encender materiales inflamables a poca distancia del tubo. Los nanotubos de carbono son particularmente susceptibles a esta ignición espontánea cuando se exponen a la luz de un tubo de destello. [21] Se pueden aprovechar efectos similares para su uso en procedimientos estéticos o médicos conocidos como tratamientos de 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 para la lámpara en proporción a su energía de explosión como de la duración del pulso de la lámpara. Las fallas pueden ser catastróficas, haciendo que la lámpara se rompa, o pueden ser graduales, reduciendo el rendimiento de la lámpara por debajo de un valor nominal utilizable. [1]
Un fallo catastrófico puede producirse por dos mecanismos distintos: energía y calor . Cuando se utiliza demasiada energía para la duración del pulso, puede producirse un fallo estructural de la envoltura de vidrio. Los tubos de destello 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, lo único que se oirá será un golpe contra el vidrio. 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 onda de choque sónica fuerte y puede lanzar el vidrio roto varios pies. La energía de la explosión se calcula multiplicando el área de 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 el grosor 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 entonces disminuirse en proporción directa a la raíz cuadrada del tiempo de descarga. [12]
Las fallas por calor suelen deberse a duraciones de pulso excesivamente largas, niveles altos de potencia promedio o un tamaño inadecuado de los electrodos. Cuanto más largo sea el pulso, más calor intenso se transferirá al vidrio. Cuando la pared interna del tubo se calienta demasiado mientras la pared externa todavía está fría, este gradiente de temperatura puede hacer que la lámpara se agriete. De manera similar, si los electrodos no tienen un diámetro suficiente para soportar las corrientes pico, pueden producir demasiada resistencia, calentándose rápidamente y expandiéndose térmicamente . 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 de la energía de explosión funcione un tubo de destello, mayor será el riesgo de que se produzca una falla catastrófica. Con el 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 falla catastrófica se vuelve muy bajo. Los métodos de falla entonces son aquellos que reducen la eficiencia de salida y afectan la capacidad de disparar la lámpara. Los procesos que los afectan son la pulverización catódica y la ablación de la pared interna. [12]
El chisporroteo ocurre cuando el nivel de energía es muy bajo, por debajo del 15% de la energía de explosión, o cuando la duración del pulso es muy larga. El chisporroteo 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 destello está polarizado y conectar la lámpara a la fuente de energía de manera incorrecta 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]
En 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 causa problemas de activación, conocidos como " vibración ". Por encima del 30%, la ablación puede causar un desgaste suficiente para romper la lámpara. Sin embargo, en niveles de energía superiores al 15%, la vida útil se puede calcular con un grado considerable de precisión. [1]
Cuando se opera por debajo del 30% de la energía de la explosión, la vida útil del tubo de destello generalmente es de entre unos pocos millones y decenas de millones de destellos. [12]
Como la duración del destello 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" , que fue iniciada por Harold Edgerton en la década de 1930. Debido a que pueden generar destellos brillantes y llamativos con una entrada relativamente pequeña y continua de energía eléctrica, también se utilizan en luces de advertencia de aeronaves , iluminación de vehículos de emergencia , dispositivos de notificación de alarmas de incendio ( luces estroboscópicas de bocina ), balizas anticolisión de aeronaves y otras aplicaciones similares.
En odontología se utiliza en dispositivos de “caja de luz” para activar mediante luz el endurecimiento de diversas resinas fotopolimerizables restauradoras y auxiliares (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 destello también son ideales como fuentes de luz para bombear átomos en un láser a estados excitados donde pueden ser estimulados para emitir luz coherente y monocromática . La selección adecuada tanto del gas de relleno como de la densidad de corriente es crucial, de modo que la máxima energía de salida radiada se concentre en las bandas que son mejor absorbidas por el medio láser ; por ejemplo, los tubos de destello de criptón son más adecuados que los tubos de destello 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.
Los tubos de destello de xenón se han utilizado para producir un destello intenso de luz blanca, parte de la cual es absorbida por el vidrio Nd que produce la potencia láser para la fusión por confinamiento inercial . En total, entre el 1 y el 1,5 % de la potencia eléctrica que se alimenta 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 un espectro amplio e intenso, rico en luz UV-C. La 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 UV pulsada. [24]
Una aplicación reciente de las lámparas de destello 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 usaban principalmente como luces estroboscópicas en estudios científicos, pero con el tiempo comenzaron a reemplazar a las lámparas de flash químicas y en polvo en la fotografía convencional. [25]
Como se podían crear arcos eléctricos mucho más rápidos que las velocidades de obturación mecánicas, las primeras fotografías de alta velocidad se tomaban con una descarga de arco eléctrico al aire libre, llamada fotografía de chispa, que ayudaba a eliminar el desenfoque de los objetos en movimiento. Esto se hacía normalmente con el obturador bloqueado 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 de chispa comenzó con Henry Fox Talbot alrededor de 1850. [25] En 1886, Ernst Mach utilizó una chispa al aire libre para fotografiar una bala a toda velocidad, revelando las ondas de choque que producía a velocidades supersónicas. [26] Los sistemas de chispa al aire libre eran bastante fáciles de construir, pero eran voluminosos, tenían una salida de luz muy limitada y producían ruidos fuertes comparables a los de un disparo. [25]
En 1927, Harold Edgerton construyó su primera unidad de flash mientras estaba en el Instituto Tecnológico de Massachusetts . Con el deseo de fotografiar el movimiento de un motor con gran detalle y sin borrosidad, Edgerton decidió mejorar el proceso de fotografía por chispa utilizando un rectificador de arco de mercurio , en lugar de una descarga al aire libre, para producir la luz. Pudo lograr 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 de 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 un gas noble en su lugar, pensando que no dependería tanto de la temperatura como el mercurio, y, en 1930, contrató a la empresa General Electric para construir algunas lámparas que usaran argón en su lugar. Los tubos de argón eran mucho más eficientes, eran mucho más pequeños y se podían montar cerca de un reflector, concentrando su salida. Poco a poco, los diseñadores de cámaras comenzaron a tomar nota de la nueva tecnología y a aceptarla. Edgerton recibió su primer pedido importante de flashes de la empresa Kodak en 1940. Después, 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 los equipos de fotografía de gran tamaño. No fue hasta la década de 1970 que las unidades de flash se volvieron lo suficientemente portátiles como para usarlas en cámaras comunes. [25]
En 1960, después de que Theodore Maiman inventara el láser rubí , comenzó una nueva demanda de tubos de flash para su uso en láseres y surgió un nuevo interés en el estudio de las lámparas. [14]
Los tubos de destello funcionan a altos voltajes , con corrientes lo suficientemente altas como para ser mortales. En determinadas condiciones, se ha informado de que descargas de hasta 1 julio han resultado 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 apagará antes de que el condensador se haya descargado por completo, y puede recuperar parte de su carga a través de un proceso llamado " absorción dieléctrica ". Además, algunos tipos de sistemas de carga pueden ser igualmente mortales. El voltaje de activación puede producir una descarga dolorosa, generalmente no lo suficiente como para matar, pero que a menudo puede asustar a una persona y hacer que se golpee o toque algo más peligroso. Cuando una persona se carga a altos voltajes, puede saltar una chispa , que libera la alta corriente del condensador sin tocar nada.
Los tubos de destellos funcionan a altas presiones y se sabe que explotan, produciendo ondas de choque violentas. La "energía de explosión" de un tubo de destellos (la cantidad de energía que lo destruirá en tan solo unos pocos destellos) está bien definida y, para evitar una falla catastrófica, se recomienda que no se utilice más del 30% de la energía de la explosión. [11] Los tubos de destellos deben estar protegidos detrás de un vidrio o en una cavidad reflectora. De lo contrario, se debe usar protección para los ojos y los oídos.
Los tubos de destello producen destellos muy intensos, a menudo más rápidos de lo que el ojo puede registrar, y pueden no parecer tan brillantes como son. El vidrio de cuarzo transmite casi todas las ondas ultravioleta largas y cortas, incluidas las longitudes de onda germicidas, y puede ser un grave peligro para los ojos y la piel. Esta radiación ultravioleta también puede producir grandes cantidades de ozono , que puede ser perjudicial para las personas, los animales y los equipos. [27]
Muchas cámaras compactas cargan el condensador del flash inmediatamente después de encenderlas, y algunas incluso lo hacen simplemente insertando las baterías. El simple hecho de 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 The Andromeda Strain de 1969 y en la película de 1971 The Andromeda Strain , se utilizó la exposición especializada a un aparato de destello 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 trabajaban en un entorno extremadamente limpio. (El libro utilizó el término "ultradestello"; la película identificó el aparato como un "destello de xenón").
Cuadro 1: El tubo está oscuro.
Fotograma 2: El pulso de activación ioniza el gas, que brilla con una luz azul tenue. Se forman chispas de cada electrodo que se mueven unas hacia otras a lo largo de la superficie interna del tubo de vidrio.
Cuadro 3: Las chispas se conectan y se alejan del vidrio, y se forma un túnel de plasma que permite que la corriente surja.
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 se precipita a través del tubo, lo que hace que el xenón emita una ráfaga de luz.
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