フラッシュチューブ

フラッシュチューブ(フラッシュランプ)は、非常に短時間、非常に強力で非干渉性のフルスペクトルの白色光を伴った静電放電を発生させます。フラッシュチューブは両端に電極が付いたガラス管で、内部にはガスが充填されており、トリガーされるとガスがイオン化して高電圧パルスを伝導し、光を生成します。フラッシュチューブは写真撮影で最も多く使用されていますが、科学、医療、産業、娯楽の分野でも使用されています。

ランプは、気密に密閉された ガラス管と、希ガス（通常はキセノン）と、ガスに電流を流す電極で構成されています。さらに、トリガー イベントとしてガスに通電するには、高電圧電源が必要です。充電されたコンデンサは通常、フラッシュのエネルギーを供給するために使用されます。これにより、ランプがトリガーされたときに 非常に高い電流を非常に迅速に供給できます。

ガラスエンベロープは、最も一般的には薄いチューブで、多くの場合、溶融石英、ホウケイ酸ガラス、またはパイレックスで作られ、まっすぐな場合もあれば、らせん状、U 字型、円形 (カメラのレンズを囲んで影のない写真を撮る「リングフラッシュ」) など、さまざまな形状に曲げられている場合もあります。一部の用途では、オゾンの生成、レーザーロッドの損傷、プラスチックの劣化、またはその他の有害な影響のために、紫外線の放出が望ましくない場合があります。このような場合は、ドープされた溶融シリカが使用されます。二酸化チタンをドー​​プすると、紫外線側の異なるカットオフ波長を提供できますが、この材料はソラリゼーションの影響を受けます。医療用ランプや太陽光線ランプ、一部の非レーザーランプでよく使用されます。より良い代替品は、セリウムをドープした石英です。これはソラリゼーションの影響を受けず、吸収された紫外線の一部が蛍光を介して可視光として再放射されるため、効率が高くなります。カットオフは約 380 nm です。逆に、紫外線が必要な場合、合成石英がエンベロープとして使用されます。合成石英は最も高価な材料ですが、ソラリゼーションの影響を受けにくく、カットオフは160 nmです。^[1]

ランプの電力レベルはワット/面積で評価され、総電気入力電力をランプの内壁面積で割った値です。高電力レベルでは、電極とランプエンベロープの冷却が非常に重要です。平均電力レベルが低い場合は、空冷で十分です。高電力ランプは液体で冷却され、通常はランプが収められているチューブに脱イオン水を流します。水冷式ランプでは、通常、電極の周囲のガラスが収縮しており、電極と冷却水の間に直接の熱伝導体を提供します。冷却媒体は、ランプと電極の全長にわたって流れる必要があります。平均電力が高いランプまたは連続波アークランプでは、ランプの両端だけでなく、露出した電極の端にも水が流れる必要があるため、脱イオン水を使用して短絡を防止します。15 W/cm ^{2を超える場合は強制空冷が必要で、密閉空間の場合は液体冷却が必要です。30 W/cm 2}を超える場合は、通常、液体冷却が必要です。

壁が薄いほど、高温プラズマと冷却水の温度勾配によって生じる材料の厚さ全体にわたる機械的ひずみが少なくなるため、平均電力負荷が高くても耐えることができます (たとえば、1 mm 厚のドープ石英の限界は 160 W/cm ^{2で、0.5 mm 厚のものは 320 W/cm 2}です)。このため、連続波アークランプには薄いガラスがよく使用されます。一般に、材料が厚いほど、短パルスアークが生成する衝撃波からの衝撃エネルギーをより多く処理できるため、フラッシュチューブの構造には 1 mm 厚もの石英がよく使用されます。エンベロープの材料によって、出力電力に別の制限が設けられます。1 mm 厚の溶融石英の限界は 200 W/cm ^{2ですが、同じ厚さの合成石英は最大 240 W/cm 2}まで出力できます。ホウケイ酸ガラスなどの他のガラスは、一般に石英の電力負荷容量の半分以下です。老朽化したランプは、太陽光による劣化やスパッタリングによる堆積物によりガラスのエネルギー吸収が増加するため、ある程度のディレーティングが必要になります。^[1]

電極はチューブの両端に突き出ており、いくつかの異なる方法でガラスに密封されています。「リボンシール」は、ガラスに直接接着された薄いモリブデン箔を使用します。これは非常に耐久性がありますが、通過できる電流量には制限があります。「はんだシール」は、非常に強力な機械的シールを実現するためにガラスをはんだで電極に接着しますが、低温での動作に制限があります。レーザーポンピングアプリケーションで最も一般的なのは「ロッドシール」で、電極のロッドを別の種類のガラスで濡らしてから石英チューブに直接接着します。このシールは非常に耐久性があり、非常に高い温度と電流に耐えることができます。^[1]シールとガラスの熱膨張係数は同じである必要があります。

電極の磨耗を抑えるため、電極は通常、電子の熱電子放出を処理するために、あらゆる金属の中で最も融点が高いタングステンで作られています。陰極は、仕事関数が低いバリウム化合物を充填した多孔質タングステンで作られることが多く、陰極の構造は用途に合わせて調整する必要があります。陽極は通常、純粋なタングステンで作られていますが、機械加工性が求められる場合はランタン合金タングステンで作られ、電力負荷に対処するために余分な表面積を提供するように機械加工されることがよくあります。DCアークランプには、アークをガラスから遠ざけ、温度を制御するために、先端が鋭い陰極が付いていることがよくあります。閃光管には、ホットスポットの発生を減らし、1000 アンペアを超えることもあるピーク電流によって引き起こされるスパッタを減らすために、半径が平らな陰極が通常付いています。電極の設計は平均電力によっても左右されます。平均電力が高いレベルでは、電極を十分に冷却するように注意する必要があります。陽極温度はそれほど重要ではありませんが、陰極が過熱するとランプの寿命が大幅に短くなる可能性があります。^[1]

フラッシュチューブのサイズ、タイプ、用途に応じて、ガス充填圧力は数キロパスカルから数百キロパスカル（0.01～4.0気圧、または数十～数千トル）の範囲になります。^[1]一般に、圧力が高いほど出力効率が高くなります。キセノンは主に効率が良いため使用され、電気エネルギーの約50％を光に変換します。一方、クリプトンは効率が約40％しかありませんが、低電流ではNd：YAGレーザーの吸収スペクトルとよりよく一致します。効率に影響を与える主な要因は、電極の後ろのガスの量、つまり「デッドボリューム」です。デッドボリュームが大きいほど、動作中の圧力上昇が低くなります。^[1]

ランプの電極は通常コンデンサに接続されており、昇圧トランスと整流器を使用して比較的高い電圧（通常 250 ～ 5000 ボルト）に充電されます。しかし、ガスは非常に高い抵抗を示し、ガスがイオン化されるまでランプは電気を伝導しません。イオン化、つまり「トリガー」されると、電極間に火花が形成され、コンデンサが放電します。突然の電流の急増により、ガスは急速に加熱されてプラズマ状態になり、電気抵抗が非常に低くなります。^[2]トリガーにはいくつかの方法があります。

外部トリガーは、特に写真撮影用途で最も一般的な操作方法です。電極は、トリガーに反応するのに十分な電圧に充電されますが、ランプの自己フラッシュしきい値を下回ります。非常に高い電圧パルス (通常 2,000 ～ 150,000 ボルト) である「トリガー パルス」が、ガラス エンベロープに直接または非常に近くに適用されます。(水冷式フラッシュ チューブでは、このパルスが冷却水に直接適用される場合があり、ユニットのハウジングにも適用されることが多いため、このタイプのシステムでは注意が必要です。) 短い高電圧パルスによって上昇する静電場が生成され、チューブ内のガスがイオン化されます。ガラスの静電容量によってトリガー パルスがエンベロープに結合され、そこで 1 つまたは両方の電極を囲むガスのブレークダウン電圧を超え、スパーク ストリーマが形成されます。ストリーマは、静電容量によってガラスに沿って 60 ナノ秒 (170 km/s) で 1 センチメートルの速度で伝播します。 (トリガーパルスは、1 つのストリーマーが反対側の電極に到達するのに十分な長さでなければなりません。そうでないと、トリガーが不安定になります。) トリガーパルスを「基準面」に適用することでトリガーを強化できます。基準面は、ガラスに貼り付けられた金属バンドまたは反射板、導電性塗料、またはランプ全体に巻き付けられた細いワイヤの形をとることができます。コンデンサの電圧がカソードとアノード間の電圧降下よりも大きい場合、内部のスパークストリーマーが電極を橋渡しすると、コンデンサはイオン化ガスを通じて放電し、キセノンを放射光に十分な温度まで加熱します。^[1]

直列トリガーは、レーザーに見られるような高出力の水冷式フラッシュチューブでより一般的です。トリガートランスの高電圧リードはフラッシュチューブに直列に接続され (1 つのリードは電極に、もう 1 つはコンデンサに接続)、フラッシュはトランスとランプの両方を通過します。トリガー パルスはランプ内部で火花を形成しますが、トリガー電圧はランプの外部に露出しません。利点は、絶縁性が向上し、トリガーの信頼性が高まり、アークがガラスから離れた場所で発生する傾向がありますが、コストがはるかに高くなります。直列トリガー トランスはインダクタとしても機能します。これはフラッシュ持続時間を制御するのに役立ちますが、回路を非常に高速な放電アプリケーションで使用することはできません。トリガーは、通常、外部トリガーに必要な電圧よりも低いコンデンサ電圧で発生します。ただし、トリガー トランスはフラッシュ回路の一部となり、トリガー回路をフラッシュ エネルギーに結合します。したがって、トリガートランスのインピーダンスは非常に低いため、トランス、トリガー回路、およびシリコン制御整流器（SCR）は、1500アンペアを超える非常に高いピーク電流を処理できなければなりません。^[1]

シマー電圧トリガは、最も一般的でない方法です。この技術では、コンデンサ電圧は最初に電極に印加されませんが、代わりに高電圧スパークストリーマが電極間に維持されます。コンデンサからの高電流は、サイリスタまたはスパークギャップを使用して電極に供給されます。このタイプのトリガは、主に立ち上がり時間が非常に速いシステム、通常は高速ストップモーション写真や色素レーザーで使用されるマイクロ秒単位で放電するシステムで使用されます。シマースパークストリーマにより、ランプのちょうど中心にアークが発生するため、寿命が劇的に長くなります。^{[3]非常に短いパルスに外部トリガを使用すると、全電流負荷が管を通過したときにスパークストリーマがガラスに接触したままになる可能性があり、壁の}アブレーションを引き起こしたり、極端な場合にはランプにひびが入ったり、爆発したりすることがあります。しかし、非常に短いパルスでは、電流密度が高くなりすぎないようにするために、非常に高い電圧と低い静電容量が必要になることが多いため、一部のマイクロ秒フラッシュチューブは、単に「過電圧」、つまりスパークギャップを使用してランプの自己フラッシュしきい値よりもはるかに高い電圧を電極に印加することによってトリガーされます。多くの場合、シマー電圧と過電圧の組み合わせが使用されます。^[1]

非常に急速な立ち上がり時間は、多くの場合、プレパルス技術を使用して実現されます。この方法は、メイン フラッシュの直前にランプに小さなフラッシュを照射することによって実行されます。このフラッシュは、メイン フラッシュよりもはるかに低いエネルギー (通常 10% 未満) で、パルス持続時間に応じて、メイン フラッシュのわずか数千分の 1 秒から数百万分の 1 秒前に照射されます。プレパルスはガスを加熱し、パルスが停止した後に残る自由電子とイオン化粒子によって生じる薄暗い短命の残光を生成します。これらの粒子が再結合する前にメイン フラッシュが開始されると、メイン フラッシュで使用される十分な量のイオン化粒子が提供されます。これにより、立ち上がり時間が大幅に短縮されます。また、衝撃波が軽減され、動作中のノイズが減るため、ランプの寿命が大幅に長くなります。これは、非常に高速な放電アプリケーションで特に効果的で、アークがより速く拡大し、管をよりよく満たすことができます。これは、シマー電圧でよく使用され、直列トリガーで使用されることもありますが、外部トリガーで使用されることはほとんどありません。プレパルス技術は色素レーザーのポンピングに最も一般的に使用されており、変換効率を大幅に向上させます。しかし、ほぼ矩形の波形のパルスを生成することで、Nd:YAGやチタンサファイアなどの蛍光寿命が長い（より長いパルスを可能にする）他のレーザーの効率も向上することが示されています。^{[4] [5] [6]}

アブレイティブ フラッシュ チューブは、圧力不足によって作動します。アブレイティブ フラッシュ チューブは通常、石英管と、くり抜かれた電極の 1 つまたは両方を使用して構築され、真空ポンプを接続してガス圧を制御できます。ランプの電極は充電されたコンデンサに接続され、次にガスがランプから吸引されます。ガスが十分に低い圧力 (多くの場合、わずか数トル) に達すると、ランダムにイオン化された粒子が十分な速度まで加速し、表面に衝突して陰極から電子を放出し始めることができます。その結果、タウンゼント雪崩が発生し、ランプが自己フラッシュします。このような低圧力では、フラッシュの効率は通常非常に低くなります。ただし、圧力が低いため、粒子は非常に高速に加速する余地があり、磁力によってアークが拡大し、そのプラズマの大部分が表面に集中してガラスに衝突します。衝突により、内壁から大量の石英がアブレーション (蒸発) されます。このアブレーションにより、ランプの内部圧力が突然、激しく、局所的に上昇し、フラッシュの効率が非常に高くなります。しかし、アブレーションによりランプは大きく摩耗し、ガラスが弱くなるため、通常、寿命が非常に短いと交換が必要になります。

アブレイティブ フラッシュチューブは、フラッシュごとに適切な圧力まで充填および真空引きする必要がある。そのため、非常に高頻度の繰り返し用途には使用できない。また、通常、クリプトンやキセノンなどの非常に高価なガスは使用できない。アブレイティブ フラッシュチューブで使用される最も一般的なガスは空気であるが、安価なアルゴンも使用されることがある。ガラスに熱が伝わりすぎないようにするため、フラッシュは通常非常に短くする必要がある。しかし、プラズマのほぼすべてが表面に集中するため、ランプのインダクタンスは非常に低く、フラッシュは同サイズの通常のランプよりも短くなることが多い。また、1 本のアブレイティブ フラッシュチューブからのフラッシュは、複数のランプよりも強力になることがある。これらの理由から、ランプの最も一般的な用途は、色素レーザーのポンピングである。^{[7] [8]}

さらに、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）をトリガートランスとランプの両方に直列に接続して、フラッシュ持続時間を調整することができます。^{[1] [9] [10]}この目的で使用されるIGBTは、半導体接合部への過電流による損傷を避けるために、高パルス電流定格でなければなりません。^[9]このタイプのシステムは、高平均出力レーザーシステムで頻繁に使用され、500マイクロ秒から20ミリ秒を超えるパルスを生成できます。外部や直列などのトリガー技術のいずれかで使用でき、方形波パルスを生成できます。シマー電圧を使用して、繰り返し率が300ヘルツを超える「変調」連続波出力を生成することもできます。適切な大口径の水冷式フラッシュチューブを使用すると、数キロワットの平均出力が得られます。^[1]

閃光管の電気要件は、望ましい結果に応じて異なります。通常の方法は、まずパルス持続時間、その持続時間で許容できる最大エネルギー量 (爆発エネルギー)、および安全な動作エネルギー量を決定することです。次に、望ましいスペクトルを放出する電流密度を選択し、ランプの抵抗によって、それを生成するのに必要な電圧と静電容量の組み合わせを決定します。閃光管の抵抗は、圧力、形状、デッドボリューム、電流密度、時間、および閃光持続時間によって大きく異なるため、通常はインピーダンスと呼ばれます。ランプのインピーダンスに使用される最も一般的な記号はK _o^{で、アンペアの平方根あたりのオーム (オーム(アンペア0.5} )として表されます。

K _{o は}、電流密度を制御して、目的のスペクトルを放出するために必要な入力電圧と静電容量を計算するために使用されます。K _oは、ランプの内径、アーク長、ガスの種類によって決まり、程度は低いものの、充填圧力によっても決まります。閃光管の抵抗は一定ではなく、電流密度が増加すると急速に低下します。1965 年に、John H. Goncz は閃光管のプラズマ抵抗が電流密度の平方根に反比例することを示しました。アークが発生すると、ランプは負の抵抗の期間を経験し、電流が増加すると抵抗と電圧の両方が減少します。これは、プラズマが内壁に接触するまで発生します。これが発生すると、電圧は電流の平方根に比例し、プラズマの抵抗はフラッシュの残りの間安定します。この値が K _oとして定義されます。ただし、アークが発生するとガスが膨張し、K _oの計算ではデッドボリュームが考慮されないため、圧力の上昇が低くなります。したがって、 _Koの計算はランプインピーダンスの近似値に過ぎません。^{[1] [11] [12]}

すべてのイオン化ガスと同様に、キセノンフラッシュチューブはさまざまなスペクトル線の光を発します。これは、ネオンサインに特徴的な色を与えるのと同じ現象です。しかし、ネオンサインは、フラッシュチューブに比べて電流密度が非常に低いため、より長い波長のスペクトル線を好むため、赤い光を発します。電流密度が高いほど、より短い波長を好む傾向があります。^[13]ネオンサインのキセノンからの光も同様に、むしろ紫色です。

閃光管から放射されるスペクトルは、充填圧力やガスの種類よりも電流密度に大きく依存します。低電流密度では、連続放射のかすかな背景に対して、狭いスペクトル線放射が生成されます。キセノンは、スペクトルの紫外線、青、緑、赤、および赤外線部分に多くのスペクトル線を持っています。低電流密度では、緑がかった青の閃光が生成され、顕著な黄色またはオレンジ色の線がないことを示します。低電流密度では、キセノンの出力のほとんどが、820、900、および1000 nm付近の目に見えない赤外線スペクトル線に向けられます。^{[14]閃光管の低電流密度は、通常1000 A/cm 2}未満です。

電流密度が高くなると、連続光放射が生じ始める。スペクトル線はスペクトル全体にわたって光が生成されるにつれて広がり、優勢ではなくなる。通常、特定の波長でピークに達するか「中心」となる。可視範囲での最適な出力効率は、「灰体放射」（主に連続光を放射するが、自身の光に対しては依然としてほとんど半透明であるアーク。雲を通過する太陽光に似た効果）に適した密度で得られる。キセノンの場合、灰体放射は緑付近に集中し、白色光に適した組み合わせを生成する。^{[9] [11]灰体放射は 2400 A/cm 2 を}超える密度で生成される。

電流密度が非常に高く、4000 A/cm ^{2に近づくと、}黒体放射が有利になる傾向があります。連続放射が優勢になるとスペクトル線はほとんど消え、出力中心は紫外線の方へシフトします。電流密度がさらに高くなると、視覚的には、キセノンの出力スペクトルは、色温度9800 ケルビン (むしろ空色に近い白) の黒体放射体のスペクトルに落ち着き始めます。^[1]水の浄化など、強力な紫外線が必要な場合を除き、黒体放射は通常望ましくありません。アークが不透明になり、アーク内部からの放射の多くが表面に到達する前に吸収され、出力効率が低下するためです。^{[11] [14] [15]}

キセノンは高効率で白色光を出力できるため、高価であるにもかかわらず、写真用途に広く使用されている。レーザーでは、スペクトル線発光が好まれることが多い。これは、これらの線がレーザー媒体の吸収線とよりよく一致する傾向があるためである。クリプトンも時々使用される。低電流密度では、近赤外域でのクリプトンのスペクトル線出力は、キセノン発光よりもネオジムベースのレーザー媒体の吸収プロファイルとよりよく一致し、Nd:YAGの狭い吸収プロファイルと非常によく一致する。^{[16] [17]}キセノンのスペクトル線はどれもNd:YAGの吸収線と一致しないため、Nd:YAGをキセノンでポンピングする場合は、連続放射を使用する必要があります。^[18]

すべてのガスは、連続放射の背景に重ね合わされた、ガスに特有のスペクトル線を生成します。すべてのガスにおいて、低電流密度では主にスペクトル線が生成され、最も高い出力は 650 ～ 1000 nm の近赤外線に集中します。クリプトンの最も強いピークは 760 ～ 810 nm 付近です。アルゴンは 670、710、760、820、860、920 nm に多くの強いピークがあります。ネオンは 650、700、850、880 nm 付近にピークがあります。^[14]電流密度が高くなると、連続放射の出力はスペクトル線放射よりも 20% 大きい割合で増加し、出力の中心は可視スペクトルの方へシフトします。灰体電流密度では、さまざまなガスから放出されるスペクトルにわずかな違いしかありません。非常に高い電流密度では、すべてのガスは黒体放射体として動作し始め、スペクトル出力は紫外線を中心とした青色巨星に似たものになります。 ^[14]

重いガスは抵抗が高く、したがってK _oの値も高くなります。インピーダンスは、エネルギーを仕事に変えるために必要な抵抗として定義され、重いガスほど高いため、重いガスは軽いガスよりもはるかに効率的です。ヘリウムとネオンは、効率的な閃光を発生させるには軽すぎます。クリプトンは40% の効率を達成できますが、これを達成するにはキセノンよりも最大 70% の圧力増加が必要です。アルゴンは最大 30% の効率を達成できますが、さらに大きな圧力増加が必要です。このような高圧では、スパーク ストリーマによって形成される電極間の電圧降下がコンデンサ電圧よりも大きくなる場合があります。これらのランプは、非常に高いトリガー インピーダンスを克服するために、トリガー フェーズ中に「ブースト電圧」を必要とすることがよくあります。^[14]

空気中の窒素は自家製色素レーザーのフラッシュチューブに使用されていますが、窒素と酸素が電極やそれ自体と化学反応を起こし、早期の摩耗を引き起こし、フラッシュごとに圧力を調整する必要が生じます。^[19]

ガスを混合してスペクトル出力を変える研究がいくつか行われています。出力スペクトルへの影響はごくわずかですが、効率への影響は大きいです。軽いガスを追加しても、重いガスの効率が低下するだけです。^[14]

電流パルスがチューブを通過すると、原子がイオン化され、より高いエネルギーレベルにジャンプします。アークプラズマ内には、電子、正イオン化原子、中性原子の3種類の粒子があります。フラッシュ中の任意の時点で、イオン化原子はプラズマの1％未満を占め、放出された光をすべて生成します。イオン化原子は失われた電子と再結合すると、すぐに低いエネルギー状態に戻り、その過程で光子を放出します。エネルギーを転送する方法は、「結合-結合」、「自由-結合」、「自由-自由」遷移と呼ばれる3つの異なる方法で発生します。^[20]

プラズマ内では、陽イオンは陰極に向かって加速し、電子は陽極に向かって加速します。中性原子はより遅い速度で陽極に向かって移動し、イオンによって生じた局所的な圧力差を埋めます。通常の圧力では、この動きは非常に短い距離です。これは、粒子が相互作用して互いに衝突し、電子を交換して方向を反転するためです。したがって、パルス中、中性原子は常にイオン化と再結合を繰り返し、そのたびに光子を放出して、陰極から陽極に電子を中継します。電子ごとのイオン遷移の数が多いほど、変換効率は向上するため、長いチューブまたは高い圧力はどちらもランプの効率を高めるのに役立ちます。パルス中、表皮効果により自由電子が内壁近くに集まり、プラズマの周りに電子シースが形成されます。これにより、その領域は電気的に負になり、冷却に役立ちます。表皮効果は、中央のプラズマに 渦電流を誘導してインダクタンスも増加させます。

束縛-束縛遷移は、イオンと中性原子が衝突し、電子が原子からイオンに移動する時に発生します。この方法は低電流密度で優勢であり、スペクトル線放射を生成する原因となります。自由束縛遷移は、イオンが自由電子を捕獲するときに発生します。この方法は連続放射を生成し、高電流密度でより顕著になります。連続放射の一部は、電子がイオンに向かって加速するときにも生成され、自由-自由遷移と呼ばれ、制動放射線を生成します。制動放射線はエネルギー密度の増加とともに増加し、スペクトルの青と紫外線の端へのシフトを引き起こします。^[20]

パルスをどれだけ短くできるかについての唯一の実際の電気的制限は、コンデンサ、ワイヤ、およびランプ自体のインダクタンスを含むシステム全体のインダクタンスです。短パルスフラッシュでは、すべてのインダクタンスを最小限に抑える必要があります。これは通常、特殊なコンデンサ、入手可能な最短のワイヤ、または表面積は大きいが断面積が薄い電気リードを使用して行われます。非常に高速なシステムの場合、銅管、プラスチック芯線、または中空電極などの低インダクタンスの軸方向リードを使用して、システム全体のインダクタンスを減らすことができます。色素レーザーは非常に短いパルスを必要とし、軸方向フラッシュチューブを使用する場合があります。これは、大きな外径の環状断面、リング状の電極、および中空の内部コアを備えており、インダクタンスが低く、色素セルをランプの中心を通る車軸のように配置できます。

対照的に、入力電圧または静電容量の変化は放電時間には影響しませんが、電流密度には影響します。フラッシュ持続時間が短くなると、電気エネルギーはより短いパルスに集中するため、電流密度が増加します。これを補正するには、通常、パルス持続時間が短くなるにつれて静電容量を下げ、その後、十分に高いエネルギー レベルを維持するために電圧を比例して上げる必要があります。ただし、パルス持続時間が短くなると、ランプの「爆発エネルギー」定格も低下するため、ランプの破壊を避けるためにエネルギー レベルも下げる必要があります。

ガラスが処理できる電力負荷の量は、主な機械的制限です。使用されるエネルギー量 (ジュール) が一定であっても、電力 (ワット数) は放電時間の減少に反比例して増加します。したがって、パルス電力レベルが高くなりすぎないようにするには、パルス持続時間とともにエネルギーを減らす必要があります。石英ガラス (1 秒の放電あたり 1 ミリメートルの厚さ) は通常、内部表面積 1 平方センチメートルあたり最大 160 ワットに耐えることができます。他のガラスのしきい値ははるかに低くなります。臨界減衰(0.8 マイクロヘンリー) 未満のインダクタンスを持つ非常に高速なシステムでは通常、コンデンサの両端にシャント ダイオードを配置して、電流の反転(リンギング) によるランプの破損を防ぐ必要があります。パルスがランプをリンギングするとフラッシュが長くなるため、ダイオードがリンギングをトラップし、ランプが適切なタイミングでシャットダウンできるようにします。

長いパルス持続時間の制限は、陽極に転送される電子の数、陰極でのイオン衝撃によって生じるスパッタ、およびガラスの温度勾配である。パルスが長すぎると、陰極から大量の金属が蒸発する可能性があり、ガラスが過熱すると縦方向に割れる。連続動作の場合、冷却が制限となる。一般的な閃光管の放電持続時間は 0.1マイクロ秒から数十ミリ秒の範囲で、数百ヘルツの繰り返し率を持つことができる。閃光持続時間はインダクタを使用して慎重に制御できる。^{[1] [11]}

キセノンフラッシュチューブから発せられる閃光は非常に強いため、チューブから近い距離にある可燃性物質に引火する可能性があります。カーボンナノチューブは、フラッシュチューブからの光にさらされると、特に自然発火しやすくなります。^{[21]同様の効果は、}強烈なパルス光（IPL）治療として知られる美容または医療処置に利用される可能性があります。IPLは、脱毛や病変やほくろの破壊などの治療に使用できます。

閃光管の寿命は、爆発エネルギーに比例したランプに使用されるエネルギーレベルと、ランプのパルス持続時間の両方に依存します。故障は壊滅的なもので、ランプが粉々になることもありますが、徐々に故障してランプの性能が使用可能な定格以下に低下することもあります。^[1]

壊滅的な故障は、エネルギーと熱という2 つの異なるメカニズムから発生する可能性があります。パルス持続時間に対してエネルギーが多すぎると、ガラス エンベロープの構造的破損が発生する可能性があります。フラッシュ チューブは、ガラス チューブ内に電気アーク フラッシュを生成します。アークが発生すると、超音速の 衝撃波が形成され、アークの中心から放射状に伝わり、チューブの内壁に衝突します。エネルギー レベルが十分に低い場合、聞こえるのはガラスを叩く音だけです。ただし、使用されるエネルギー レベルがランプの「爆発エネルギー」定格に等しい場合、衝撃波がガラスを破壊し、チューブを破裂させます。その結果生じる爆発により、大きな音波の衝撃波が発生し、粉々になったガラスが数フィートも飛び散ることがあります。爆発エネルギーは、電極間のランプの内部表面積とガラスの電力負荷容量を掛けて計算されます。電力負荷は、ガラスの種類と厚さ、および使用される冷却方法によって決まります。電力負荷は、平方センチメートルあたりのワット数で測定されます。しかし、閃光持続時間が短くなるにつれてパルス電力レベルが増加するため、爆発エネルギーは放電時間の平方根に比例して減少する必要がある。^[12]

熱による故障は、通常、パルス持続時間が長すぎる、平均電力レベルが高い、または電極サイズが適切でないことが原因です。パルスが長いほど、その強烈な熱がより多くガラスに伝わります。管の内壁が熱くなりすぎて外壁が冷たい場合、この温度勾配によりランプが割れることがあります。同様に、電極の直径がピーク電流を処理するのに十分でない場合、抵抗が大きくなりすぎて急速に加熱され、熱膨張する可能性があります。電極がガラスよりもはるかに速く加熱されると、ランプが割れたり、端が砕けたりすることがあります。^[12]

閃光管が爆発エネルギーに近い状態で作動するほど、破滅的な故障のリスクが高まります。爆発エネルギーの 50% では、ランプは爆発する前に数千回の閃光を発する可能性があります。爆発エネルギーの 60% では、ランプは通常 100 回未満で故障します。ランプが爆発エネルギーの 30% 未満で作動すると、破滅的な故障のリスクは非常に低くなります。故障の原因は、出力効率を低下させ、ランプを点火する能力に影響を与えるものになります。これらに影響を与えるプロセスは、内壁のスパッタとアブレーションです。 ^[12]

スパッタは、エネルギーレベルが非常に低い場合、つまり爆発エネルギーの 15% 未満の場合、またはパルス持続時間が非常に長い場合に発生します。スパッタは陰極からの金属の蒸発であり、ランプの壁に再堆積して光出力をブロックします。陰極は陽極よりも放射性が高いため、フラッシュチューブは分極し、ランプを電源に誤って接続するとすぐに破損します。ただし、正しく接続されていても、スパッタの程度はランプごとに大きく異なる場合があります。したがって、低エネルギーレベルでの寿命を正確に予測することは不可能です。^[1]

エネルギーレベルが高い場合、壁のアブレーションが主な摩耗プロセスになります。電気アークがゆっくりと管の内壁を侵食し、ガラスにつや消しのような外観を与える微細な亀裂を形成します。アブレーションによりガラスから酸素が放出され、圧力が動作レベルを超えて増加します。これにより、「ジッター」と呼ばれるトリガー問題が発生します。30%を超えると、アブレーションによりランプが破裂するほどの摩耗が発生する可能性があります。ただし、エネルギーレベルが15%を超えると、寿命をかなりの精度で計算できます。^[1]

爆発エネルギーの30％以下で動作する場合、閃光管の寿命は通常数百万回から数千万回の閃光の間です。^[12]

キセノン フラッシュ チューブから発せられるフラッシュの持続時間を正確に制御でき、光の強度が高いため、キセノン フラッシュ チューブは写真用 ストロボ ライトとしてよく使用されます。キセノン フラッシュ チューブは、 1930 年代にハロルド エドガートンが開発した超高速または「ストップ モーション」写真にも使用されます。キセノン フラッシュ チューブは、比較的少量の連続した電力入力で、明るく注目を集めるフラッシュを生成できるため、航空機の警告灯、緊急車両の照明、火災警報通知装置(ホーン ストロボ)、航空機の衝突防止ビーコン、およびその他の同様の用途にも使用されます。

歯科では、様々な修復用および補助用光硬化樹脂の硬化を光活性化するための「ライトボックス」装置で使用されています（例：メガフラッシュミニ、ユニXSおよびその他の装置）。^[23]

フラッシュチューブは、短波長（紫外線まで広がる）および短いパルス幅で強度と相対的な明るさが高いため、レーザー内の原子を励起状態にポンピングしてコヒーレントな単色光を放出するための光源としても最適です。充填ガスと電流密度の両方を適切に選択することが重要です。これにより、最大放射出力エネルギーがレーザー媒体によって最もよく吸収される帯域に集中します。たとえば、近赤外線でのクリプトン放出は Nd:YAG の吸収スペクトルとよりよく一致するため、 Nd:YAG レーザーのポンピングにはキセノン フラッシュチューブよりもクリプトン フラッシュチューブの方が適しています。

キセノン フラッシュ チューブは強力な白色光のフラッシュを生成するために使用され、その一部はNd:ガラスによって吸収され、慣性閉じ込め核融合用のレーザー出力を生成します。フラッシュ チューブに供給される電力の約 1 ～ 1.5% が、この用途に有効なレーザー光に変換されます。

パルス光（PL）は、UV-C光を多く含む強力で広範囲のスペクトルのパルスを使用して微生物を殺し、表面を除染する技術です。UV-Cは、200〜280nmの帯域に対応する電磁スペクトルの部分です。パルス光は、1秒間に数回のフラッシュを生成できるキセノンランプで機能します。消毒ロボットはパルスUV光を使用します。^[24]

フラッシュランプの最近の応用は光硬化です。

フラッシュチューブは、 1930年代にハロルド・エドガートンによって、動く物体の鮮明な写真を撮る手段として発明されました。フラッシュチューブは主に科学研究のストロボライトとして使われていましたが、最終的には化学フラッシュバルブや粉末フラッシュバルブ、フラッシュランプに代わって主流の写真撮影に使われるようになりました。^[25]

電気アークは機械式シャッターの速度よりもはるかに速く作れるため、初期の高速写真はオープンエアの電気アーク放電で撮影され、スパーク写真と呼ばれ、動く物体のぼやけを取り除くのに役立ちました。これは通常、暗い部屋や薄暗い部屋でシャッターを開いたままにして、フィルムの露出オーバーを避け、撮影するイベントに合わせてフラッシュのタイミングを合わせる方法で行われました。スパーク写真の最も古い使用は、1850年頃のヘンリー・フォックス・タルボットによって始まりました。 ^[25] 1886年、エルンスト・マッハはオープンエアのスパークを使用して高速で飛ぶ弾丸を撮影し、超音速で発生する衝撃波を明らかにしました。^[26]オープンエアのスパークシステムは構築がかなり簡単でしたが、かさばり、光出力が非常に限られており、銃声に匹敵する大きな音を出しました。^[25]

1927年、マサチューセッツ工科大学在学中にハロルド・エドガートンが最初のフラッシュ装置を製作した。モーターの動きを鮮明に、かつぼやけることなく撮影したいと考えたエドガートンは、光を生成するために、開放放電の代わりに水銀アーク整流器を使用することで、スパーク写真のプロセスを改善することを決めた。彼は10マイクロ秒の閃光時間を達成することができ、動いているモーターを「時間の中で凍結した」かのように撮影することができた。^[25]

同僚がこの新しいフラッシュ装置に興味を示したことで、エドガートンはすぐに設計を改良するようになりました。水銀ランプの効率はランプの最も冷たい部分によって制限され、非常に高温のときには性能が向上しますが、低温のときには性能が低下します。エドガートンは、水銀ほど温度に依存しないと思われる希ガスを試すことに決め、1930 年にゼネラル エレクトリック社に依頼してアルゴンを使用したランプをいくつか製造してもらいました。アルゴン管ははるかに効率が良く、はるかに小型で、反射鏡の近くに取り付けて出力を集中させることができました。徐々に、カメラの設計者たちがこの新しい技術に注目し、受け入れるようになりました。エドガートンは 1940年にコダック社からストロボの最初の大口注文を受けました。その後、彼は希ガスの中で最も効率が良く、日光に非常に近いスペクトルを生成するキセノンフラッシュ管を発見し、キセノン フラッシュ管がほとんどの大型写真セットの標準となりました。ストロボユニットが一般的なカメラで使用できるほどポータブルになったのは1970年代になってからでした。^[25]

1960年にセオドア・メイマンがルビーレーザーを発明した後、レーザーに使用するためのフラッシュチューブの需要が高まり、ランプの研究に新たな関心が寄せられました。^[14]

閃光管は高電圧で作動し、電流は致命的になるほど高い。特定の状況下では、1ジュールの低電圧でも致命的になると報告されている。コンデンサに蓄えられたエネルギーは、電源を切った後も驚くほど長く残ることがある。閃光管は通常、コンデンサが完全に放電する前に停止し、「誘電吸収」と呼ばれるプロセスによって電荷の一部を回復することがある。さらに、充電システムの種類によっては、それ自体が同様に致命的になることがある。トリガー電圧は、通常は死に至るほどではないが、人を驚かせてより危険なものにぶつかったり触れたりするほどの痛みを伴うショックを与えることがある。人が高電圧に充電されると、火花が飛び、実際に何かに触れることなく コンデンサの高電流が流れることがある。

閃光管は高圧で作動し、爆発して激しい衝撃波を発生することが知られています。閃光管の「爆発エネルギー」（数回の閃光で破壊されるエネルギー量）は明確に定義されており、壊滅的な故障を避けるために、爆発エネルギーの30％以下を使用することが推奨されています。^[11]閃光管はガラスの裏側または反射鏡の空洞内にシールドする必要があります。そうでない場合は、目と耳を保護する保護具を着用する必要があります。

フラッシュチューブは非常に強い閃光を発し、その速さは目で認識できるよりも速いことが多く、実際の明るさほど明るく見えないこともあります。石英ガラスは殺菌波長を含む長波と短波の紫外線のほぼすべてを透過するため、目や皮膚に深刻な危険をもたらす可能性があります。この紫外線は大量のオゾンを発生させる可能性があり、人、動物、機器に有害となる可能性があります。^[27]

多くのコンパクト カメラは、電源投入後すぐにフラッシュ コンデンサを充電します。中には、バッテリーを挿入するだけで充電するものもあります。バッテリーをカメラに挿入するだけで、コンデンサが数日間危険な状態、または少なくとも不快な状態になる可能性があります。また、使用されるエネルギーもかなり大きく、330 マイクロファラッドのコンデンサは、300 ボルト (カメラでよく見られる大まかな値) に充電すると、ほぼ 15 ジュールのエネルギーを蓄えます。

1969 年の書籍『アンドロメダ病原体』と1971 年の映画『アンドロメダ病原体』では、極めて清潔な環境で働く人々が細菌に侵入するのを防ぐための消毒手段として、キセノンフラッシュ装置に特殊照射して人間の皮膚の外側の表皮層を焼き切るという手法が使われました。(書籍では「ウルトラフラッシュ」という用語が使われ、映画ではその装置が「キセノンフラッシュ」と説明されていました。)

フレーム 1: チューブは暗いです。

フレーム 2: トリガー パルスによってガスがイオン化され、かすかな青い光が輝きます。各電極から火花の線が形成され、ガラス管の内面に沿って互いに向かって移動します。

フレーム 3: スパーク ストリーマが接続してガラスから離れ、プラズマ トンネルが形成されて電流が急増します。

フレーム 4: コンデンサの電流が流れ始め、周囲のキセノンが加熱されます。

フレーム 5: 抵抗が減少すると電圧が低下し、電流がチューブに流れ込み、キセノンがプラズマ状態に加熱されます。

フレーム 6: 完全に加熱され、抵抗と電圧がアークに安定し、全電流負荷がチューブを流れ、キセノンが光のバーストを発します。

• エアギャップフラッシュ
• フラッシュ（写真撮影）
• 光源一覧
• ストロボビーコン
• ストロボライト
• キセノンアークランプ

• さまざまなフラッシュランプの発光スペクトル 2009-05-20 にWayback Machineでアーカイブ