Blitzröhre - Flashtube
Eine Blitzröhre , auch Blitzlampe genannt , ist eine elektrische Bogenlampe , die für sehr kurze Zeiträume extrem intensives, inkohärentes Vollspektrum-Weißlicht erzeugt. Blitzröhren bestehen aus einer Glasröhre mit Elektroden an beiden Enden und sind mit einem Gas gefüllt, das beim Auslösen ionisiert und einen Hochspannungsimpuls leitet, um das Licht zu erzeugen. Blitzröhren werden hauptsächlich für fotografische Zwecke verwendet, werden aber auch in wissenschaftlichen, medizinischen, industriellen und Unterhaltungsanwendungen eingesetzt.
Konstruktion
Die Lampe besteht aus einem hermetisch verschlossenen Glasrohr , das mit einem Edelgas , meist Xenon , gefüllt ist , und Elektroden, um dem Gas elektrischen Strom zuzuführen. Außerdem ist eine Hochspannungsquelle erforderlich, um das Gas als Triggerereignis mit Energie zu versorgen. Zur Energieversorgung des Blitzes wird üblicherweise ein geladener Kondensator verwendet, um beim Auslösen der Lampe eine sehr schnelle Abgabe eines sehr hohen elektrischen Stroms zu ermöglichen .
Umschläge aus Glas
Die Glashülle ist am häufigsten ein dünnes Rohr, oft aus Quarzglas , Borosilikat oder Pyrex , das gerade oder in eine Reihe von verschiedenen Formen gebogen sein kann, einschließlich spiralförmig, "U" -Form und kreisförmig (um ein Kameraobjektiv zu umgeben). für schattenlose Fotografie — ‚ Ringblitze ‘). Bei einigen Anwendungen ist die Emission von ultraviolettem Licht unerwünscht, sei es aufgrund von Ozonbildung , Beschädigung von Laserstäben, Zersetzung von Kunststoffen oder anderen schädlichen Wirkungen. In diesen Fällen wird ein dotiertes Quarzglas verwendet. Die Dotierung mit Titandioxid kann auf der ultravioletten Seite unterschiedliche Grenzwellenlängen liefern, aber das Material leidet unter Solarisation ; es wird häufig in medizinischen und Sonnenstrahllampen und einigen Nicht-Laserlampen verwendet. Eine bessere Alternative ist ein Cer- dotierter Quarz; es leidet nicht unter Solarisation und einen höheren Wirkungsgrad hat, als Teil der absorbierten ultravioletten so sichtbar ist reradiated über Fluoreszenz . Sein Cutoff liegt bei etwa 380 nm. Umgekehrt, wenn Ultraviolett gefragt ist, wird ein synthetischer Quarz als Hülle verwendet; es ist das teuerste der Materialien, aber es ist nicht anfällig für Solarisation und sein Cutoff liegt bei 160 nm.
Der Leistungspegel der Lampen wird in Watt/Fläche angegeben, die gesamte elektrische Eingangsleistung geteilt durch die Innenwandfläche der Lampe. Die Kühlung der Elektroden und des Lampenkolbens ist bei hohen Leistungen von großer Bedeutung. Für niedrigere mittlere Leistungsstufen reicht die Luftkühlung aus. Hochleistungslampen werden mit einer Flüssigkeit gekühlt, typischerweise indem entmineralisiertes Wasser durch ein Rohr geleitet wird, in dem die Lampe eingeschlossen ist. Bei wassergekühlten Lampen wird das Glas im Allgemeinen um die Elektroden geschrumpft, um einen direkten Wärmeleiter zwischen ihnen und dem Kühlwasser bereitzustellen. Das Kühlmedium sollte auch über die gesamte Länge der Lampe und der Elektroden fließen. Bei Lampen mit hoher Durchschnittsleistung oder Dauerstrich-Bogen muss das Wasser über die Enden der Lampe und auch über die freiliegenden Enden der Elektroden fließen, so dass das entionisierte Wasser verwendet wird, um einen Kurzschluss zu vermeiden. Über 15 W/cm 2 ist eine forcierte Luftkühlung erforderlich; Flüssigkeitskühlung bei beengten Platzverhältnissen. Oberhalb von 30 W/cm 2 ist im Allgemeinen eine Flüssigkeitskühlung erforderlich .
Dünnere Wände können höhere mittlere Leistungsbelastungen aufgrund geringerer mechanischer Belastung über die Dicke des Materials aushalten, die durch einen Temperaturgradienten zwischen dem heißen Plasma und dem Kühlwasser verursacht wird (z. B. 1 mm dicker dotierter Quarz hat eine Grenze von 160 W/cm² 2 , 0,5 mm dick hat man eine Grenze von 320 W/cm 2 ). Aus diesem Grund wird für Dauerstrich-Bogenlampen häufig dünneres Glas verwendet. Dickere Materialien können im Allgemeinen mehr Aufprallenergie der Stoßwelle verarbeiten, als ein kurz gepulster Lichtbogen erzeugen kann, daher wird beim Bau von Blitzröhren oft Quarz mit einer Dicke von bis zu 1 mm verwendet. Das Material der Hülle bietet eine weitere Grenze für die Ausgangsleistung; 1 mm dicker Quarzglas hat eine Grenze von 200 W/cm 2 , synthetischer Quarz gleicher Dicke kann bis zu 240 W/cm 2 laufen . Andere Gläser wie Borosilikat haben im Allgemeinen weniger als die Hälfte der Strombelastbarkeit von Quarz. Alternde Lampen erfordern aufgrund der erhöhten Energieabsorption im Glas aufgrund von Solarisation und gesputterten Ablagerungen eine gewisse Leistungsreduzierung.
Elektroden und Dichtungen
Die Elektroden ragen in jedes Ende des Röhrchens und werden auf verschiedene Weise mit dem Glas versiegelt. "Ribbon Seals" verwenden dünne Streifen aus Molybdänfolie , die direkt auf das Glas geklebt werden, die sehr langlebig sind, aber in der Stromstärke begrenzt sind, die durchgelassen werden kann. "Lotdichtungen" verbinden das Glas mit einem Lot mit einem Lot für eine sehr starke mechanische Abdichtung, sind jedoch auf den Betrieb bei niedrigen Temperaturen beschränkt. Am gebräuchlichsten bei Laserpumpanwendungen ist die „Stabdichtung“, bei der der Stab der Elektrode mit einer anderen Glasart benetzt und dann direkt mit einem Quarzrohr verbunden wird. Diese Dichtung ist sehr langlebig und kann sehr hohen Temperaturen und Strömen standhalten. Dichtung und Glas müssen den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben.
Für einen geringen Elektrodenverschleiß bestehen die Elektroden normalerweise aus Wolfram , das den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle hat, um die thermionische Emission von Elektronen zu bewältigen . Kathoden werden oft aus porösem Wolfram hergestellt, das mit einer Bariumverbindung gefüllt ist , was eine niedrige Austrittsarbeit ergibt ; die Struktur der Kathode muss auf die Anwendung zugeschnitten sein. Anoden bestehen normalerweise aus reinem Wolfram oder, wenn eine gute Bearbeitbarkeit erforderlich ist, aus Lanthan- legiertem Wolfram und werden oft maschinell bearbeitet, um eine zusätzliche Oberfläche bereitzustellen, um die Strombelastung zu bewältigen. Gleichstrom- Bogenlampen haben oft eine Kathode mit einer scharfen Spitze, um den Lichtbogen vom Glas fernzuhalten und die Temperatur zu kontrollieren. Blitzröhren haben normalerweise eine Kathode mit abgeflachtem Radius, um das Auftreten von Hot Spots zu reduzieren und durch Spitzenströme verursachte Sputtern zu verringern , die 1000 Ampere überschreiten können. Das Elektrodendesign wird auch durch die durchschnittliche Leistung beeinflusst. Bei hohen mittleren Leistungen ist auf eine ausreichende Kühlung der Elektroden zu achten. Während die Anodentemperatur von geringerer Bedeutung ist, kann eine Überhitzung der Kathode die Lebensdauer der Lampe stark verkürzen.
Gase und Fülldruck
Je nach Größe, Typ und Anwendung der Blitzröhre können die Gasfülldrücke von einigen Kilopascal bis zu Hunderten von Kilopascal (0,01 bis 4,0 Atmosphären oder zehn bis tausend Torr ) reichen . Im Allgemeinen gilt: Je höher der Druck, desto größer die Leistungseffizienz. Xenon wird hauptsächlich wegen seiner guten Effizienz verwendet, da es fast 50% der elektrischen Energie in Licht umwandelt. Krypton hingegen ist nur etwa 40% effizient, passt aber bei niedrigen Strömen besser zum Absorptionsspektrum von Nd:YAG-Lasern . Ein wesentlicher Faktor, der die Effizienz beeinflusst, ist die Gasmenge hinter den Elektroden oder das "Totvolumen". Ein höheres Totvolumen führt im Betrieb zu einem geringeren Druckanstieg.
Betrieb
Die Elektroden der Lampe sind normalerweise mit einem Kondensator verbunden , der über einen Aufwärtstransformator und einen Gleichrichter auf eine relativ hohe Spannung (im Allgemeinen zwischen 250 und 5000 Volt) aufgeladen wird . Das Gas weist jedoch einen extrem hohen Widerstand auf , und die Lampe leitet keinen Strom, bis das Gas ionisiert ist . Nach der Ionisierung oder "Auslösung" bildet sich zwischen den Elektroden ein Funke , der es dem Kondensator ermöglicht, sich zu entladen. Der plötzliche Anstieg des elektrischen Stroms erwärmt sich schnell um das Gas zu einem Plasmazustand, in dem elektrische Widerstand sehr gering wird. Es gibt mehrere Methoden zum Auslösen.
Externe Triggerung
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Die externe Triggerung ist die gebräuchlichste Arbeitsweise, insbesondere für den fotografischen Einsatz. Die Elektroden werden auf eine Spannung aufgeladen, die hoch genug ist, um auf das Auslösen zu reagieren, jedoch unterhalb der Selbstblitzschwelle der Lampe. Ein extrem hoher Spannungsimpuls (normalerweise zwischen 2000 und 150.000 Volt), der "Triggerimpuls", wird entweder direkt an oder sehr nahe an die Glashülle angelegt. (Wassergekühlte Blitzröhren geben diesen Impuls manchmal direkt an das Kühlwasser und oft auch an das Gehäuse des Geräts an, daher ist bei dieser Art von System Vorsicht geboten.) Der kurze Hochspannungsimpuls erzeugt ein ansteigendes elektrostatisches Feld, die das Gas in der Röhre ionisiert. Die Kapazität des Glases koppelt den Triggerimpuls in die Hülle ein, wo er die Durchbruchspannung des Gases überschreitet, das eine oder beide Elektroden umgibt, wodurch Funkenschlangen gebildet werden. Die Streamer breiten sich über Kapazität entlang des Glases mit einer Geschwindigkeit von 1 Zentimeter in 60 Nanosekunden (170 km/s) aus. (Ein Triggerimpuls muss eine ausreichend lange Dauer haben, damit ein Streamer die gegenüberliegende Elektrode erreichen kann, oder es kommt zu einer unberechenbaren Triggerung.) Die Triggerung kann durch Anlegen des Triggerimpulses an eine "Referenzebene" verbessert werden, die in der Form aus einem am Glas befestigten Metallband oder Reflektor, einer leitfähigen Farbe oder einem dünnen Draht, der um die gesamte Länge der Lampe gewickelt ist. Wenn die Kondensatorspannung größer als der Spannungsabfall zwischen der Kathode und der Anode ist, entlädt sich der Kondensator, wenn die internen Funkenströme die Elektroden überbrücken, durch das ionisierte Gas, wodurch das Xenon auf eine ausreichend hohe Temperatur für das Emissionslicht erhitzt wird.
Serienauslösung
Serientriggerung kommt häufiger bei wassergekühlten Hochleistungsblitzröhren vor, wie sie in Lasern zu finden sind . Die Hochspannungsleitungen des Triggertransformators sind in Reihe mit der Blitzröhre verbunden (eine Leitung zu einer Elektrode und die andere zum Kondensator), so dass der Blitz sowohl durch den Transformator als auch durch die Lampe wandert. Der Triggerimpuls bildet einen Funken im Inneren der Lampe, ohne dass die Triggerspannung nach außen der Lampe ausgesetzt wird. Die Vorteile sind eine bessere Isolierung, eine sicherere Auslösung und ein Lichtbogen, der sich tendenziell weit entfernt vom Glas entwickelt, jedoch zu deutlich höheren Kosten. Der seriell auslösende Transformator wirkt auch als Induktivität . Dies hilft bei der Steuerung der Blitzdauer, verhindert jedoch, dass die Schaltung in Anwendungen mit sehr schneller Entladung verwendet wird. Die Ansteuerung kann generell mit einer geringeren Spannung am Kondensator erfolgen, als für eine externe Ansteuerung erforderlich ist. Der Triggertransformator wird jedoch Teil der Blitzschaltung und koppelt die Triggerschaltung an die Blitzenergie. Da der Triggertransformator eine sehr niedrige Impedanz hat, müssen daher der Transformator, die Triggerschaltung und der siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) in der Lage sein, sehr hohe Spitzenströme, oft über 1500 Ampere, zu handhaben.
Simmerspannungsauslösung
Die Simmerspannungstriggerung ist die am wenigsten verbreitete Methode. Bei dieser Technik wird die Kondensatorspannung anfänglich nicht an die Elektroden angelegt, sondern stattdessen wird ein Hochspannungs-Funkenstrahler zwischen den Elektroden aufrechterhalten. Der hohe Strom des Kondensators wird über einen Thyristor oder eine Funkenstrecke an die Elektroden geleitet . Diese Art der Triggerung wird hauptsächlich in Systemen mit sehr schneller Anstiegszeit verwendet, typischerweise solchen, die sich im Mikrosekundenbereich entladen, wie sie beispielsweise in der Hochgeschwindigkeits-Stop-Motion-Fotografie oder in Farbstofflasern verwendet werden . Der simmernde Spark-Streamer bewirkt, dass sich der Lichtbogen genau in der Mitte der Lampe entwickelt, was die Lebensdauer drastisch erhöht. Bei externer Triggerung für extrem kurze Pulse können die Funkenstrahler beim Durchgang der vollen Strombelastung durch das Rohr noch Kontakt mit dem Glas haben, was zu einem Wandabtrag oder im Extremfall zum Reißen oder sogar zur Explosion der Lampe führen kann. Da jedoch sehr kurze Pulse oft eine sehr hohe Spannung und geringe Kapazität erfordern, um die Stromdichte nicht zu hoch ansteigen zu lassen, werden einige Mikrosekunden-Blitzröhren einfach durch "Überspannung" ausgelöst, d.h. durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden, die ist bei Verwendung einer Funkenstrecke viel höher als die Selbstzündschwelle der Lampe. Oft wird eine Kombination aus Simmerspannung und Überspannung verwendet.
Prepuls-Techniken
Sehr schnelle Anstiegszeiten werden oft unter Verwendung einer Prepulse-Technik erreicht. Dieses Verfahren wird durchgeführt, indem kurz vor dem Hauptblitz ein kleiner Blitz durch die Lampe abgegeben wird. Dieser Blitz hat eine viel geringere Energie als der Hauptblitz (typischerweise weniger als 10%) und wird je nach Pulsdauer nur wenige Tausendstel bis einige Millionstel Sekunden vor dem Hauptblitz abgegeben. Der Vorpuls erhitzt das Gas und erzeugt ein schwaches, kurzlebiges Nachglühen, das aus freien Elektronen und ionisierten Partikeln resultiert, die nach dem Abschalten des Pulses zurückbleiben. Wenn der Hauptblitz eingeleitet wird, bevor diese Partikel rekombinieren können, liefert dies eine gute Menge ionisierter Partikel, die vom Hauptblitz verwendet werden können. Dadurch wird die Anstiegszeit stark verkürzt. Es reduziert auch die Stoßwelle und macht während des Betriebs weniger Geräusche, wodurch die Lebensdauer der Lampe erheblich verlängert wird. Es ist besonders effektiv bei Anwendungen mit sehr schneller Entladung, wodurch sich der Lichtbogen schneller ausdehnt und das Rohr besser ausfüllt. Es wird sehr oft mit Simmerspannung und manchmal mit Serientriggerung verwendet, aber selten mit externer Triggerung. Prepuls-Techniken werden am häufigsten beim Pumpen von Farbstofflasern verwendet, wodurch die Umwandlungseffizienz stark erhöht wird . Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass es die Effizienz anderer Laser mit längerer Fluoreszenzlebensdauer (die längere Pulse ermöglichen) wie Nd:YAG oder Titan-Saphir durch die Erzeugung von Pulsen mit nahezu rechteckigen Wellenformen erhöht .
Ablative Blitzröhren
Ablative Blitzröhren werden durch Unterdruck ausgelöst. Ablative Blitzröhren werden typischerweise unter Verwendung von Quarzrohren hergestellt und eine oder beide Elektroden sind ausgehöhlt, so dass eine Vakuumpumpe angeschlossen werden kann, um den Gasdruck zu steuern. Die Elektroden der Lampe werden mit einem geladenen Kondensator verbunden und dann wird das Gas aus der Lampe abgesaugt. Wenn das Gas einen ausreichend niedrigen Druck erreicht (oft nur ein paar Torr), können sich zufällig ionisierte Partikel auf Geschwindigkeiten beschleunigen, die ausreichen, um Elektronen aus der Kathode auszustoßen, wenn sie auf ihre Oberfläche auftreffen, was zu einer Townsend-Lawine führt , die die Lampe selbsttätig werden lässt -Blitz. Bei solch niedrigen Drücken wäre die Effizienz des Flashs normalerweise sehr gering. Aufgrund des niedrigen Drucks haben die Partikel jedoch Raum, um auf sehr hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen, und die magnetischen Kräfte dehnen den Lichtbogen aus, so dass sich der Großteil seines Plasmas an der Oberfläche konzentriert und das Glas bombardiert . Durch den Beschuss werden große Mengen Quarz von der Innenwand abgetragen (verdampft). Diese Ablation erzeugt einen plötzlichen, heftigen, lokalisierten Anstieg des Innendrucks der Lampe, wodurch die Effizienz des Blitzes auf ein sehr hohes Niveau erhöht wird. Die Ablation verursacht jedoch einen starken Verschleiß der Lampe, wodurch das Glas geschwächt wird und sie typischerweise nach einer sehr kurzen Lebensdauer ersetzt werden müssen.
Ablative Blitzröhren müssen für jeden Blitz nachgefüllt und auf den richtigen Druck abgesaugt werden. Daher können sie nicht für Anwendungen mit sehr hoher Wiederholung verwendet werden. Dies schließt auch die Verwendung von sehr teuren Gasen wie Krypton oder Xenon in der Regel aus. Das am häufigsten in einer ablativen Blitzröhre verwendete Gas ist Luft , obwohl manchmal auch billiges Argon verwendet wird. Der Blitz muss normalerweise sehr kurz sein, um zu verhindern, dass zu viel Wärme auf das Glas übertragen wird, aber die Blitze können oft kürzer sein als eine normale Lampe vergleichbarer Größe. Der Blitz einer einzelnen ablativen Blitzröhre kann auch intensiver sein als mehrere Lampen. Aus diesen Gründen werden die Lampen am häufigsten zum Pumpen von Farbstofflasern verwendet.
Variable Pulsweitensteuerung
Zusätzlich kann ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) sowohl zum Triggertransformator als auch zur Lampe in Reihe geschaltet werden, wodurch einstellbare Blitzdauern möglich sind. Ein zu diesem Zweck verwendeter IGBT muss für einen hohen Pulsstrom ausgelegt sein, um Überstromschäden am Halbleiterübergang zu vermeiden. Dieser Systemtyp wird häufig in Lasersystemen mit hoher Durchschnittsleistung verwendet und kann Pulse im Bereich von 500 Mikrosekunden bis über 20 Millisekunden erzeugen. Es kann mit allen Triggertechniken wie extern und seriell verwendet werden und kann Rechteckimpulse erzeugen. Es kann sogar mit Simmerspannung verwendet werden, um einen "modulierten" Dauerstrichausgang mit Wiederholungsraten über 300 Hertz zu erzeugen. Mit der richtigen wassergekühlten Blitzröhre mit großer Bohrung können mehrere Kilowatt durchschnittliche Ausgangsleistung erzielt werden.
Elektrische Anforderungen
Die elektrischen Anforderungen an eine Blitzröhre können je nach gewünschtem Ergebnis variieren. Die übliche Methode besteht darin, zuerst die Pulsdauer, die maximal tolerierbare Energiemenge bei dieser Dauer (Explosionsenergie) und die sichere Menge an Betriebsenergie zu bestimmen. Wählen Sie dann eine Stromdichte , die das gewünschte Spektrum emittiert, und lassen Sie den Widerstand der Lampe die erforderliche Kombination aus Spannung und Kapazität bestimmen, um es zu erzeugen. Der Widerstand in Blitzröhren variiert stark in Abhängigkeit von Druck, Form, Totvolumen, Stromdichte, Zeit und Blitzdauer und wird daher üblicherweise als Impedanz bezeichnet . Das am häufigsten verwendete Symbol für die Lampenimpedanz ist K o , das als Ohm pro Quadratwurzel von Ampere (Ohm (Ampere 0,5 ) ausgedrückt wird .
K o wird verwendet, um die Menge an Eingangsspannung und Kapazität zu berechnen, die benötigt wird, um ein gewünschtes Spektrum zu emittieren, indem die Stromdichte gesteuert wird. K o wird durch den Innendurchmesser, die Bogenlänge und die Gasart der Lampe und in geringerem Maße durch den Fülldruck bestimmt. Der Widerstand in Blitzröhren ist nicht konstant, sondern fällt mit zunehmender Stromdichte schnell ab. 1965 zeigte H. John Goncz daß der Plasmawiderstand in Blitzröhren zur Quadratwurzel der Stromdichte umgekehrt proportional ist. Während sich der Lichtbogen entwickelt, erfährt die Lampe eine Periode mit negativem Widerstand , wodurch sowohl der Widerstand als auch die Spannung mit steigendem Strom sinken. Dies geschieht, bis das Plasma mit der Innenwand in Kontakt kommt. Wenn dies geschieht, wird die Spannung proportional zur Quadratwurzel des Stroms und der Widerstand im Plasma wird für den Rest des Blitzes stabil. Dieser Wert ist als K o definiert . Mit der Lichtbogenentwicklung dehnt sich das Gas jedoch aus und die Berechnungen für K o berücksichtigen das Totvolumen nicht, was zu einem geringeren Druckanstieg führt. Daher ist jede Berechnung von K o lediglich eine Annäherung an die Lampenimpedanz.
Ausgangsspektrum
Xenon
Wie alle ionisierten Gase emittieren Xenon-Blitzröhren Licht in verschiedenen Spektrallinien . Dies ist das gleiche Phänomen, das Leuchtreklamen ihre charakteristische Farbe verleiht . Neonreklamen emittieren jedoch rotes Licht aufgrund der extrem niedrigen Stromdichten im Vergleich zu denen in Blitzröhren, was Spektrallinien längerer Wellenlängen begünstigt. Höhere Stromdichten begünstigen tendenziell kürzere Wellenlängen. Das Licht von Xenon, in einer Neonreklame, ist ebenfalls eher violett. Das von Blitzröhren emittierte Spektrum ist viel stärker von der Stromdichte als vom Fülldruck oder der Gasart abhängig. Niedrige Stromdichten erzeugen eine schmale Spektrallinienemission vor einem schwachen Hintergrund kontinuierlicher Strahlung. Xenon hat viele Spektrallinien im UV-, Blau-, Grün-, Rot- und IR-Bereich des Spektrums. Niedrige Stromdichten erzeugen einen grünlich-blauen Blitz, der das Fehlen signifikanter gelber oder oranger Linien anzeigt. Bei niedrigen Stromdichten wird der größte Teil der Xenon-Ausgabe in die unsichtbaren IR-Spektrallinien um 820, 900 und 1000 nm geleitet. Niedrige Stromdichten für Blitzröhren liegen im Allgemeinen unter 1000 A/cm 2 .
Höhere Stromdichten beginnen, Kontinuumsemissionen zu erzeugen . Spektrallinien verbreitern sich und werden weniger dominant, wenn Licht über das Spektrum hinweg erzeugt wird, normalerweise mit einem Spitzenwert oder "zentriert" auf einer bestimmten Wellenlänge. Optimale Leistungseffizienz im visuellen Bereich wird bei einer Dichte erreicht, die "Graukörperstrahlung" begünstigt (ein Lichtbogen, der hauptsächlich Kontinuumsemission erzeugt, aber für sein eigenes Licht immer noch größtenteils durchscheinend ist; ein ähnlicher Effekt wie Sonnenlicht, wenn es durch eine Wolke tritt) . Bei Xenon ist die Graukörperstrahlung in der Nähe von Grün zentriert und erzeugt die richtige Kombination für weißes Licht. Graukörperstrahlung wird bei Dichten über 2400 A/cm 2 erzeugt .
Sehr hohe Stromdichten von bis zu 4000 A/cm 2 begünstigen tendenziell die Schwarzkörperstrahlung . Spektrallinien verschwinden so gut wie, wenn die Kontinuumsstrahlung dominiert und sich das Ausgangszentrum in Richtung Ultraviolett verschiebt. Wenn die Stromdichten optisch noch höher werden, wird sich das Ausgangsspektrum von Xenon auf dem eines Schwarzkörperstrahlers mit einer Farbtemperatur von 9800 Kelvin (einem eher himmelblauen Weißton) einpendeln. Außer in Fällen, in denen intensives UV-Licht benötigt wird, wie z. B. bei der Dekontaminierung von Wasser, ist Schwarzkörperstrahlung normalerweise nicht erwünscht, da der Lichtbogen undurchsichtig wird und ein Großteil der Strahlung aus dem Lichtbogen absorbiert werden kann, bevor er die Oberfläche erreicht, was die Ausgangsleistung beeinträchtigt.
Aufgrund seiner hocheffizienten Weißausgabe wird Xenon trotz seines hohen Aufwands häufig für fotografische Anwendungen verwendet. Bei Lasern wird normalerweise die Emission von Spektrallinien bevorzugt, da diese Linien dazu neigen, den Absorptionslinien des Lasermediums besser zu entsprechen . Krypton wird auch gelegentlich verwendet, obwohl es noch teurer ist. Bei niedrigen Stromdichten ist die Spektrallinienausgabe von Krypton im nahen IR-Bereich besser an das Absorptionsprofil von Neodym- basierten Lasermedien als die Xenon-Emission angepasst und entspricht sehr genau dem schmalen Absorptionsprofil von Nd:YAG. Keine der Spektrallinien von Xenon stimmt mit den Absorptionslinien von Nd:YAG überein, so dass beim Pumpen von Nd:YAG mit Xenon die Kontinuumsstrahlung verwendet werden muss.
Krypton und andere Gase
Alle Gase erzeugen gasspezifische Spektrallinien, die einem Hintergrund aus Kontinuumsstrahlung überlagert sind. Bei allen Gasen erzeugen niedrige Stromdichten meist Spektrallinien, wobei die höchste Leistung im nahen IR zwischen 650 und 1000 nm konzentriert ist. Die stärksten Peaks von Krypton liegen bei 760 und 810 nm. Argon hat viele starke Peaks bei 670, 710, 760, 820, 860 und 920 nm. Neon hat Spitzen bei 650, 700, 850 und 880 nm. Wenn die Stromdichten höher werden, wird die Ausgabe der Kontinuumsstrahlung mit einer um 20 % höheren Rate stärker als die der Spektrallinienstrahlung ansteigen, und das Ausgabezentrum verschiebt sich in Richtung des visuellen Spektrums. Bei Graukörper-Stromdichten gibt es nur einen geringen Unterschied im Spektrum, das von verschiedenen Gasen emittiert wird. Bei sehr hohen Stromdichten beginnen alle Gase als Schwarzkörperstrahler zu arbeiten, deren spektrale Leistungen einem blauen Riesenstern ähneln , der im UV zentriert ist.
Schwerere Gase weisen einen höheren Widerstand auf und haben daher einen höheren Wert für K o . Die Impedanz, definiert als der Widerstand, der erforderlich ist, um Energie in Arbeit umzuwandeln, ist bei schwereren Gasen höher, und daher sind die schwereren Gase viel effizienter als die leichteren. Helium und Neon sind viel zu leicht, um einen effizienten Blitz zu erzeugen. Krypton kann bis zu 40% effizient sein, erfordert jedoch eine Druckerhöhung von bis zu 70% gegenüber Xenon, um dies zu erreichen. Argon kann bis zu 30% effizient sein, erfordert jedoch eine noch stärkere Druckerhöhung. Bei solch hohen Drücken kann der Spannungsabfall zwischen den Elektroden, gebildet durch den Funkenstrahler, größer sein als die Kondensatorspannung. Diese Lampen benötigen während der Triggerphase oft eine "Boost-Spannung", um die extrem hohe Triggerimpedanz zu überwinden.
Stickstoff in Form von Luft wurde in Blitzröhren in selbstgebauten Farbstofflasern verwendet, aber der vorhandene Stickstoff und Sauerstoff gehen chemische Reaktionen mit den Elektroden und sich selbst ein, was zu vorzeitigem Verschleiß und der Notwendigkeit führt, den Druck für jeden Blitz anzupassen.
Es wurden einige Untersuchungen zum Mischen von Gasen durchgeführt, um die spektrale Ausgabe zu verändern. Der Effekt auf das Ausgangsspektrum ist vernachlässigbar, aber der Effekt auf die Effizienz ist groß. Das Hinzufügen eines leichteren Gases verringert nur die Effizienz des schwereren.
Lichtproduktion
Während der Stromimpuls durch die Röhre wandert, ionisiert er die Atome, wodurch sie auf höhere Energieniveaus springen. Innerhalb des Lichtbogenplasmas finden sich drei Arten von Teilchen, bestehend aus Elektronen , positiv ionisierten Atomen und neutralen Atomen . Zu jedem Zeitpunkt während des Blitzes machen die ionisierten Atome weniger als 1% des Plasmas aus und erzeugen das gesamte emittierte Licht. Wenn sie sich mit ihren verlorenen Elektronen rekombinieren, fallen sie sofort in einen niedrigeren Energiezustand zurück und setzen dabei Photonen frei. Die Methoden der Energieübertragung treten auf drei verschiedene Arten auf, die als "gebundene", "frei gebundene" und "frei-freie" Übergänge bezeichnet werden.
Innerhalb des Plasmas beschleunigen positive Ionen zur Kathode, während Elektronen zur Anode hin beschleunigen. Neutrale Atome bewegen sich langsamer in Richtung der Anode und füllen einen gewissen lokalisierten Druckunterschied, der von den Ionen erzeugt wird. Bei Normaldruck findet diese Bewegung in sehr kurzen Abständen statt, weil die Teilchen wechselwirken und aneinander stoßen, und indem sie Elektronen austauschen, kehren sie die Richtung um. So ionisieren und rekombinieren neutrale Atome während des Pulses ständig, emittieren jedes Mal ein Photon und übertragen Elektronen von der Kathode zur Anode. Je größer die Zahl der Ionenübergänge für jedes Elektron ist; desto besser ist der Umwandlungswirkungsgrad , daher tragen längere Röhren oder höhere Drücke dazu bei, den Wirkungsgrad der Lampe zu erhöhen. Während des Pulses bewirkt der Skin-Effekt, dass sich freie Elektronen in der Nähe der Innenwand ansammeln, wodurch eine Elektronenhülle um das Plasma herum entsteht. Dies macht den Bereich elektronegativ und hilft, ihn kühl zu halten. Der Skin-Effekt erhöht auch die Induktivität, indem er Wirbelströme im zentralen Plasma induziert .
Gebundene Übergänge treten auf, wenn die Ionen und neutrale Atome kollidieren und ein Elektron vom Atom auf das Ion übertragen. Dieses Verfahren überwiegt bei niedrigen Stromdichten und ist für die Erzeugung der Spektrallinienemission verantwortlich. Frei gebundene Übergänge treten auf, wenn ein Ion ein freies Elektron einfängt. Dieses Verfahren erzeugt die Kontinuumsemission und ist bei höheren Stromdichten stärker ausgeprägt. Ein Teil des Kontinuums wird auch erzeugt, wenn ein Elektron in Richtung eines Ions beschleunigt wird, was als freie Übergänge bezeichnet wird und Bremsstrahlung erzeugt. Die Bremsstrahlung nimmt mit zunehmender Energiedichte zu und bewirkt eine Verschiebung in Richtung des blauen und ultravioletten Endes des Spektrums.
Intensität und Dauer des Blitzes
Der einzige wirkliche elektrische-Grenze, wie ein kurzer Impuls sein kann , ist die Gesamtsystem - Induktivität , einschließlich die des Kondensators, Drähte, und die Lampe selbst. Kurzpulsige Blitze erfordern, dass alle Induktivitäten minimiert werden. Dies geschieht typischerweise mit speziellen Kondensatoren, kürzesten verfügbaren Drähten oder elektrischen Leitungen mit viel Oberfläche, aber dünnem Querschnitt. Bei extrem schnellen Systemen können axiale Leitungen mit niedriger Induktivität wie Kupferrohre, Kunststoffkerndrähte oder sogar hohle Elektroden verwendet werden, um die Gesamtinduktivität des Systems zu verringern. Farbstofflaser benötigen sehr kurze Pulse und verwenden manchmal axiale Blitzröhren, die einen ringförmigen Querschnitt mit großem Außendurchmesser, ringförmige Elektroden und einen hohlen Innenkern haben, wodurch sowohl eine niedrigere Induktivität als auch eine Farbstoffzelle wie eine Achse hindurch platziert werden können die Mitte der Lampe.
Im Gegensatz dazu haben Änderungen der Eingangsspannung oder der Kapazität keinen Einfluss auf die Entladezeit, wohl aber auf die Stromdichte. Mit abnehmender Blitzdauer wird die elektrische Energie in kürzeren Pulsen konzentriert, sodass die Stromdichte zunimmt. Um dies zu kompensieren, ist es normalerweise erforderlich, die Kapazität mit abnehmender Impulsdauer zu verringern und dann die Spannung proportional zu erhöhen, um ein ausreichend hohes Energieniveau aufrechtzuerhalten. Mit abnehmender Impulsdauer nimmt jedoch auch die "Explosionsenergie"-Bewertung der Lampe ab, daher muss auch das Energieniveau verringert werden, um eine Zerstörung der Lampe zu vermeiden.
Die Stärke der Strombelastung, die das Glas bewältigen kann, ist die größte mechanische Grenze. Selbst wenn die verbrauchte Energiemenge ( Joule ) konstant bleibt, nimmt die elektrische Leistung ( Watt ) umgekehrt proportional zur Verringerung der Entladezeit zu. Daher muss die Energie zusammen mit der Pulsdauer verringert werden, um zu verhindern, dass die gepulsten Leistungspegel zu hoch ansteigen. Quarzglas (1 Millimeter dick pro 1 Sekunde Entladung) kann normalerweise maximal 160 Watt pro Quadratzentimeter Innenfläche standhalten. Andere Gläser haben eine viel niedrigere Schwelle. Extrem schnelle Systeme mit einer Induktivität unterhalb der kritischen Dämpfung (0,8 Mikrohenry) erfordern normalerweise eine Shunt-Diode über dem Kondensator, um zu verhindern, dass Stromumkehr (Überschwingen) die Lampe zerstört. Wenn es dem Impuls erlaubt ist, durch die Lampe zu klingeln, wird der Blitz verlängert, sodass die Diode das Klingeln einfängt und die Lampe zum richtigen Zeitpunkt abschaltet.
Die Grenzen für lange Pulsdauern sind die Anzahl der zur Anode übertragenen Elektronen, Sputtern durch Ionenbeschuss an der Kathode und die Temperaturgradienten des Glases. Zu lange Pulse können große Metallmengen von der Kathode verdampfen, während eine Überhitzung des Glases zu Längsrissen führt. Für den Dauerbetrieb ist die Kühlung die Grenze. Entladungsdauern für gewöhnliche Blitzröhren reichen von 0,1 Mikrosekunden bis zu mehreren zehn Millisekunden und können Wiederholungsraten von Hunderten von Hertz aufweisen . Die Blitzdauer kann mit einem Induktor sorgfältig gesteuert werden .
Der Blitz, der von einer Xenon-Blitzröhre ausgeht, kann so intensiv sein, dass er brennbare Materialien in kurzer Entfernung von der Röhre entzünden kann. Kohlenstoffnanoröhren sind besonders anfällig für diese Selbstentzündung, wenn sie dem Licht einer Blitzröhre ausgesetzt werden. Ähnliche Effekte können zur Verwendung bei ästhetischen oder medizinischen Verfahren genutzt werden, die als Behandlungen mit intensivem gepulstem Licht (IPL) bekannt sind. IPL kann für Behandlungen wie Haarentfernung und Zerstörung von Läsionen oder Muttermalen verwendet werden .
Lebenszeit
Die Lebensdauer einer Blitzröhre hängt sowohl vom Energieniveau der Lampe im Verhältnis zu ihrer Explosionsenergie als auch von der Pulsdauer der Lampe ab. Ausfälle können katastrophal sein und zum Zerbrechen der Lampe führen, oder sie können allmählich auftreten, wodurch die Leistung der Lampe unter eine nutzbare Nennleistung sinkt.
Katastrophaler Ausfall
Ein katastrophaler Ausfall kann durch zwei verschiedene Mechanismen auftreten: Energie und Wärme . Wenn für die Pulsdauer zu viel Energie verwendet wird, kann es zu einem strukturellen Versagen der Glashülle kommen. Blitzröhren erzeugen einen elektrischen Lichtbogen , der in einer Glasröhre enthalten ist. Während sich der Lichtbogen entwickelt, bildet sich eine Überschall- Stoßwelle , die sich radial von der Mitte des Lichtbogens ausbreitet und auf die Innenwand des Rohres auftrifft. Wenn die Energie niedrig genug ist, ist nur ein Klopfen gegen das Glas zu hören. Wenn das verwendete Energieniveau jedoch der "Explosionsenergie"-Bewertung der Lampe entspricht, wird die auftreffende Stoßwelle das Glas brechen und die Röhre zerbrechen. Die resultierende Explosion erzeugt eine laute Schallstoßwelle und kann zerbrochenes Glas mehrere Meter weit schleudern. Die Explosionsenergie wird berechnet, indem die innere Oberfläche der Lampe zwischen den Elektroden mit der Strombelastbarkeit des Glases multipliziert wird. Die Strombelastung wird durch die Art und Dicke des Glases und die verwendete Kühlmethode bestimmt. Die Leistungsbelastung wird in Watt pro Quadratzentimeter gemessen. Da jedoch der Pulsleistungspegel mit abnehmender Blitzdauer zunimmt, muss die Explosionsenergie dann direkt proportional zur Quadratwurzel der Entladungszeit verringert werden.
Ein Ausfall durch Hitze wird normalerweise durch zu lange Pulsdauern, hohe Durchschnittsleistungspegel oder eine unzureichende Elektrodengröße verursacht. Je länger der Puls; desto mehr von seiner intensiven Hitze wird auf das Glas übertragen. Wenn die Innenwand der Röhre zu heiß wird, während die Außenwand noch kalt ist, kann dieser Temperaturgradient zu Rissen in der Lampe führen. In ähnlicher Weise können die Elektroden, wenn sie keinen ausreichenden Durchmesser haben, um die Spitzenströme zu bewältigen, einen zu großen Widerstand erzeugen, sich schnell erhitzen und sich thermisch ausdehnen . Wenn sich die Elektroden viel schneller erwärmen als das Glas, kann die Lampe an den Enden reißen oder sogar zerspringen.
Allmähliches Versagen
Je näher eine Blitzröhre an ihrer Explosionsenergie arbeitet, desto größer wird das Risiko eines katastrophalen Ausfalls. Bei 50% der Explosionsenergie kann die Lampe mehrere tausend Blitze erzeugen, bevor sie explodiert. Bei 60 % der Explosionsenergie fällt die Lampe normalerweise in weniger als hundert aus. Wird die Lampe unter 30% der Explosionsenergie betrieben, wird das Risiko eines katastrophalen Ausfalls sehr gering. Die Fehlermethoden werden dann diejenigen, die die Ausgangsleistung verringern und die Fähigkeit zum Auslösen der Lampe beeinträchtigen. Die darauf wirkenden Prozesse sind Sputtern und Abtragen der Innenwand.
Sputtern tritt auf, wenn das Energieniveau sehr niedrig ist, unter 15% der Explosionsenergie, oder wenn die Pulsdauer sehr lang ist. Sputter ist die Verdampfung von Metall von der Kathode, das sich an den Wänden der Lampe wieder ablagert und die Lichtleistung blockiert. Da die Kathode stärker emittiert als die Anode , ist die Blitzröhre polarisiert, und ein falsches Anschließen der Lampe an die Stromquelle führt zu einer schnellen Zerstörung. Selbst bei ordnungsgemäßem Anschluss kann der Sputtergrad jedoch von Lampe zu Lampe erheblich variieren. Daher ist es unmöglich, die Lebensdauer bei niedrigen Energieniveaus genau vorherzusagen.
Bei höheren Energieniveaus wird die Wandablation zum Hauptverschleißprozess. Der Lichtbogen erodiert langsam die Innenwand der Röhre und bildet mikroskopisch kleine Risse, die dem Glas ein mattiertes Aussehen verleihen. Durch die Ablation wird Sauerstoff aus dem Glas freigesetzt, wodurch der Druck über ein betriebsfähiges Niveau hinaus erhöht wird. Dies führt zu Auslöseproblemen, bekannt als " Jitter ". Bei mehr als 30 % kann die Ablation ausreichenden Verschleiß verursachen, um die Lampe zum Bersten zu bringen. Bei Energieniveaus von mehr als 15 % kann die Lebensdauer jedoch mit ziemlicher Genauigkeit berechnet werden.
Bei Betrieb unter 30 % der Explosionsenergie beträgt die Lebensdauer der Blitzröhre im Allgemeinen einige Millionen bis mehrere zehn Millionen Blitze.
Anwendungen
Da die Dauer des von einer Xenon-Blitzröhre abgegebenen Blitzes genau gesteuert werden kann und aufgrund der hohen Lichtintensität werden Xenon-Blitzröhren häufig als fotografische Blitzlichter verwendet . Xenon-Blitzröhren werden auch in der Hochgeschwindigkeits- oder "Stop-Motion"-Fotografie verwendet , die in den 1930er Jahren von Harold Edgerton entwickelt wurde. Weil sie hell erzeugen kann,-Aufmerksamkeit bekommen blinkt mit einer relativ kleinen, kontinuierlichen Eingabe von elektrischer Energie, werden sie auch in verwendet Flugzeug - Warnleuchten , Rundumkennleuchte , Feueralarmmeldung Geräten ( Horn Stroboskope ), Flugzeug Anti - Kollisions - Beacons und andere ähnliche Anwendungen.
In der Zahnheilkunde wird es in Lightbox-Geräten verwendet, um die Aushärtung verschiedener restaurativer und lichthärtender Hilfskunststoffe (zB Megaflash mini, Uni XS und andere Geräte) durch Licht zu aktivieren.
Aufgrund ihrer hohen Intensität und relativen Helligkeit bei kurzen Wellenlängen (bis ins Ultraviolett ) und kurzen Pulsbreiten eignen sich Blitzröhren auch hervorragend als Lichtquellen, um Atome in einem Laser in angeregte Zustände zu pumpen , wo sie zur Emission von kohärentem , monochromatischem Licht angeregt werden können . Die richtige Auswahl sowohl des Füllgases als auch der Stromdichte ist entscheidend, damit sich die maximal abgestrahlte Ausgangsenergie in den Bändern konzentriert, die vom Lasermedium am besten absorbiert werden ; zB sind Krypton-Blitzröhren zum Pumpen von Nd:YAG-Lasern besser geeignet als Xenon-Blitzröhren , da Krypton-Emission im nahen Infrarot besser an das Absorptionsspektrum von Nd:YAG angepasst ist.
Xenon-Blitzröhren wurden verwendet, um einen intensiven weißen Lichtblitz zu erzeugen, von dem ein Teil von Nd:Glas absorbiert wird , das die Laserleistung für die Trägheitsfusion erzeugt . Insgesamt werden etwa 1 bis 1,5 % der in die Blitzröhren eingespeisten elektrischen Leistung für diese Anwendung in nutzbares Laserlicht umgewandelt.
Pulsed Light (PL) ist eine Technik zur Dekontamination von Oberflächen durch Abtöten von Mikroorganismen mit Pulsen mit einem intensiven breiten Spektrum, das reich an UV-C-Licht ist. UV-C ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der dem Band zwischen 200 und 280 nm entspricht . Gepulstes Licht arbeitet mit Xenon-Lampen, die mehrmals pro Sekunde Blitze erzeugen können. Desinfektionsroboter verwenden gepulstes UV-Licht.
Eine neuere Anwendung von Blitzlampen ist die photonische Härtung .
Geschichte
Die Blitzröhre wurde in den 1930er Jahren von Harold Edgerton erfunden , um scharfe Fotos von sich bewegenden Objekten zu machen. Blitzröhren wurden in erster Linie für Stroboskoplicht in wissenschaftlichen Studien verwendet, aber schließlich begannen die Stelle der chemischen und Pulver zu nehmen flashbulbs und Blitzlampen in der Mainstream - Fotografie.
Da Lichtbögen erzeugt werden konnten, die viel schneller waren als mechanische Verschlusszeiten, wurden frühe Hochgeschwindigkeitsfotos mit einer Lichtbogenentladung im Freien, der sogenannten Funkenfotografie, aufgenommen, die dabei half, Unschärfe von sich bewegenden Objekten zu entfernen. Dies geschah normalerweise bei geöffnetem Verschluss in einem dunklen oder schwach beleuchteten Raum, um eine Überbelichtung des Films zu vermeiden, und eine Methode zur zeitlichen Abstimmung des Blitzes auf das zu fotografierende Ereignis. Die früheste bekannte Anwendung der Funkenfotografie begann um 1850 mit Henry Fox Talbot. 1886 verwendete Ernst Mach einen Funken unter freiem Himmel, um eine rasende Kugel zu fotografieren und die Stoßwellen zu enthüllen, die sie bei Überschallgeschwindigkeit erzeugte. Open-Air-Funkensysteme waren ziemlich einfach zu bauen, waren aber sperrig, sehr begrenzt in der Lichtleistung und erzeugten laute Geräusche, die mit denen eines Schusses vergleichbar waren.
1927 baute Harold Edgerton am Massachusetts Institute of Technology sein erstes Blitzgerät . Um die Bewegung eines Motors in lebendigen Details und ohne Unschärfe zu fotografieren, beschloss Edgerton, den Prozess der Funkenfotografie zu verbessern, indem ein Quecksilberbogengleichrichter anstelle einer Freiluftentladung verwendet wurde, um das Licht zu erzeugen. Er erreichte eine Blitzdauer von 10 Mikrosekunden und konnte den sich bewegenden Motor wie "in der Zeit eingefroren" fotografieren.
Das Interesse seines Kollegen an dem neuen Blitzgerät veranlasste Edgerton bald, das Design zu verbessern. Die Effizienz der Quecksilberlampe wurde durch den kühlsten Teil der Lampe begrenzt, was dazu führte, dass sie bei großer Hitze besser, bei Kälte jedoch schlechter funktionierten. Edgerton entschied sich stattdessen für ein Edelgas , da er der Meinung war, dass es nicht so temperaturabhängig wie Quecksilber sein würde, und beauftragte 1930 die Firma General Electric , einige Lampen stattdessen mit Argon zu bauen. Die Argonröhren waren viel effizienter, waren viel kleiner und konnten in der Nähe eines Reflektors montiert werden, um ihre Leistung zu konzentrieren. Langsam wurden Kameradesigner auf die neue Technologie aufmerksam und begannen, sie zu akzeptieren. Edgerton erhielt 1940 seinen ersten Großauftrag für die Blitze von der Firma Kodak . Danach entdeckte er, dass Xenon das effizienteste Edelgas ist und ein Spektrum erzeugt, das dem des Tageslichts sehr nahe kommt, und Xenon-Blitzröhren wurden in den meisten großen Fotografien zum Standard setzt. Erst in den 1970er Jahren wurden Blitzgeräte so tragbar, dass sie in gängigen Kameras verwendet werden konnten.
Im Jahr 1960, nachdem Theodore Maiman den Rubinlaser erfunden hatte , begann eine neue Nachfrage nach Blitzröhren für den Einsatz in Lasern, und neues Interesse wurde auf das Studium der Lampen gelenkt.
Sicherheit
Blitzröhren arbeiten mit hohen Spannungen , mit Strömen, die hoch genug sind, um tödlich zu sein. Es wurde berichtet, dass unter bestimmten Bedingungen Schocks von nur 1 Joule tödlich sind. Die in einem Kondensator gespeicherte Energie kann überraschend lange nach dem Trennen der Stromversorgung bestehen bleiben. Eine Blitzröhre schaltet sich normalerweise aus, bevor der Kondensator vollständig entladen ist, und kann einen Teil ihrer Ladung durch einen Prozess namens " dielektrische Absorption " wiedergewinnen. Darüber hinaus können einige Arten von Ladesystemen selbst ebenso tödlich sein. Die Auslösespannung kann einen schmerzhaften Schock auslösen, der normalerweise nicht zum Töten ausreicht, aber eine Person oft dazu bringen kann, etwas Gefährlicheres zu stoßen oder zu berühren. Wenn eine Person auf hohe Spannungen aufgeladen wird, kann ein Funke überspringen , der den hohen Kondensatorstrom liefert, ohne etwas zu berühren.
Blitzröhren arbeiten mit hohem Druck und explodieren bekanntlich und erzeugen heftige Stoßwellen. Die "Explosionsenergie" einer Blitzröhre (die Energiemenge, die sie in wenigen Blitzen zerstört) ist genau definiert, und um einen katastrophalen Ausfall zu vermeiden, wird empfohlen, nicht mehr als 30% der Explosionsenergie zu verwenden. Blitzröhren sollten hinter Glas oder in einem Reflektorhohlraum abgeschirmt werden. Wenn nicht, sollten Augen- und Gehörschutz getragen werden.
Blitzröhren erzeugen sehr intensive Blitze, oft schneller, als das Auge wahrnehmen kann, und erscheinen möglicherweise nicht so hell wie sie sind. Quarzglas überträgt fast das gesamte lang- und kurzwellige UV, einschließlich der keimtötenden Wellenlängen, und kann eine ernsthafte Gefahr für Augen und Haut darstellen. Diese ultraviolette Strahlung kann auch große Mengen Ozon erzeugen , die für Menschen, Tiere und Geräte schädlich sein können.
Viele Kompaktkameras laden den Blitzkondensator direkt nach dem Einschalten auf, manche sogar schon durch das Einlegen der Batterien. Allein durch das Einlegen des Akkus in die Kamera kann der Kondensator bis zu mehreren Tagen gefährlich oder zumindest unangenehm werden. Die damit verbundene Energie ist ebenfalls ziemlich bedeutend; ein 330-Mikrofarad-Kondensator, der auf 300 Volt geladen ist (übliche Standardwerte für Kameras), speichert fast 15 Joule Energie.
Popkultur
In dem Buch The Andromeda Strain von 1969 und dem Film von 1971 wurde eine spezielle Belichtung mit einem Xenon-Blitzgerät verwendet, um die äußeren Epithelschichten der menschlichen Haut als antiseptische Maßnahme abzubrennen, um jeden möglichen Bakterienzugang für Personen zu verhindern, die in extremer, ultrareiner Form arbeiten Umgebung. (Das Buch verwendete den Begriff „Ultraflash“; der Film identifizierte den Apparat als „Xenon-Blitz“.)
Animation
Bild 1: Die Röhre ist dunkel.
Bild 2: Der Triggerimpuls ionisiert das Gas und leuchtet in einem schwachen blauen Licht. Von jeder Elektrode bilden sich Funkenstrahlen, die sich entlang der Innenfläche des Glasrohrs aufeinander zu bewegen.
Bild 3: Funkenstrahler verbinden sich und entfernen sich von dem Glas, und es bildet sich ein Plasmatunnel, der Ampere ansteigen lässt.
Bild 4: Der Kondensatorstrom beginnt zu durchgehen und erwärmt das umgebende Xenon.
Bild 5: Wenn der Widerstand abnimmt, sinkt die Spannung und der Strom füllt die Röhre, wodurch das Xenon in einen Plasmazustand erhitzt wird.
Bild 6: Voll aufgeheizt stabilisieren sich Widerstand und Spannung zu einem Lichtbogen und die volle Strombelastung strömt durch die Röhre, wodurch das Xenon einen Lichtblitz aussendet.