Tubo de destello

La envoltura de vidrio suele ser un tubo delgado, a menudo hecho de cuarzo fundido , borosilicato o Pyrex , que puede ser recto o doblado en diversas formas, incluyendo helicoidal, en forma de "U" y circular (para rodear una lente de cámara para fotografía sin sombras — " flashes anulares "). En algunas aplicaciones, la emisión de luz ultravioleta es indeseable, ya sea por la producción de ozono , daños a las varillas láser, degradación de plásticos u otros efectos perjudiciales. En estos casos, se utiliza sílice fundida dopada. El dopaje con dióxido de titanio puede proporcionar diferentes longitudes de onda de corte en el lado ultravioleta, pero el material sufre solarización ; se usa a menudo en lámparas médicas y de rayos solares, y en algunas lámparas no láser. Una mejor alternativa es el cuarzo dopado con cerio ; no sufre solarización y tiene mayor eficiencia, ya que parte de la radiación ultravioleta absorbida se reemite como visible mediante fluorescencia . Su corte está alrededor de los 380  nm. Por el contrario, cuando se requiere radiación ultravioleta, se utiliza cuarzo sintético como envoltura; es el más caro de los materiales, pero no es susceptible a la solarización y su límite de absorción está en 160  nm. ^{[ 1 ]}

La potencia de las lámparas se expresa en vatios/área, que es la potencia eléctrica total de entrada dividida por la superficie de la pared interior de la lámpara. La refrigeración de los electrodos y la envoltura de la lámpara es fundamental a altos niveles de potencia. La refrigeración por aire es suficiente para niveles de potencia promedio más bajos. Las lámparas de alta potencia se refrigeran con un líquido, generalmente haciendo circular agua desionizada a través de un tubo que contiene la lámpara. En las lámparas refrigeradas por agua, el vidrio suele contraerse alrededor de los electrodos para proporcionar un conductor térmico directo entre estos y el agua de refrigeración. El medio refrigerante también debe circular a lo largo de toda la lámpara y los electrodos. En las lámparas de alta potencia promedio o de arco de onda continua, el agua debe circular por los extremos de la lámpara y también por los extremos expuestos de los electrodos, por lo que se utiliza agua desionizada para evitar cortocircuitos. Por encima de 15 W/cm² ^se requiere refrigeración por aire forzado; refrigeración líquida si se encuentra en un espacio confinado. La refrigeración líquida suele ser necesaria por encima de 30 W/ ^cm² .

Las paredes más delgadas pueden soportar cargas de potencia promedio más altas debido a una menor tensión mecánica a lo largo del espesor del material, causada por un gradiente de temperatura entre el plasma caliente y el agua de refrigeración (por ejemplo,  el cuarzo dopado de 1 mm de espesor tiene un límite de 160 W/cm² ^, mientras que uno de 0,5  mm de espesor tiene un límite de 320 W/cm² ⁾ . Por esta razón, el vidrio más delgado se usa a menudo para lámparas de arco de onda continua. Los materiales más gruesos generalmente pueden soportar más energía de impacto de la onda de choque que puede generar un arco de pulso corto, por lo que el cuarzo de hasta 1  mm de espesor se usa a menudo en la construcción de tubos de destello. El material de la envoltura proporciona otro límite para la potencia de salida;  el cuarzo fundido de 1 mm de espesor tiene un límite de 200 W/cm² ^, mientras que el cuarzo sintético del mismo espesor puede funcionar hasta 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 al aumento de la absorción de energía en el vidrio debido a la solarización y los depósitos de pulverización catódica. ^{[ 1 ]}

Los electrodos sobresalen en cada extremo del tubo y se sellan al vidrio mediante diferentes métodos. Los "sellos de cinta" utilizan tiras delgadas de lámina de molibdeno adheridas directamente al vidrio, que son muy duraderas, pero tienen un límite en la cantidad de corriente que pueden atravesar. Los "sellos de soldadura" unen el vidrio al electrodo con una soldadura para un sellado mecánico muy fuerte, pero están limitados a operar a bajas temperaturas. 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 minimizar el desgaste de los electrodos, estos suelen estar hechos de tungsteno , que posee el punto de fusión más alto de todos los metales, para soportar la emisión termoiónica de electrones. Los cátodos suelen estar hechos de tungsteno poroso relleno con un compuesto de bario , lo que proporciona una baja función de trabajo ; la estructura del cátodo debe adaptarse a la aplicación. Los ánodos suelen estar hechos de tungsteno puro o, cuando se requiere una buena maquinabilidad, de tungsteno aleado con lantano , y a menudo se mecanizan para proporcionar una mayor superficie que permita soportar 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 controlar la temperatura. Los tubos de destello suelen tener un cátodo con un radio aplanado, para reducir la incidencia de puntos calientes y disminuir la pulverización catódica causada por corrientes pico, que pueden superar los 1000 amperios. El diseño de los electrodos también está influenciado por la potencia media. A altos niveles de potencia media, se debe tener cuidado para lograr una refrigeración suficiente de los electrodos. Si bien la temperatura del ánodo es de menor importancia, el sobrecalentamiento del cátodo puede reducir considerablemente 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 es la presión, mayor es 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 kriptón, por otro lado, tiene una eficiencia de solo alrededor del 40%, pero a bajas corrientes se ajusta mejor al espectro de absorción de los láseres Nd:YAG . Un factor importante que afecta la eficiencia es la cantidad de gas detrás de los electrodos, o el "volumen muerto". Un mayor volumen muerto conlleva un menor aumento de presión durante el funcionamiento. ^{[ 1 ]}

El disparo externo es el método de funcionamiento más común, especialmente para uso fotográfico. Los electrodos se cargan a un voltaje lo suficientemente alto como para responder al disparo, pero por debajo del umbral de autodestellos de la lámpara. Un pulso de voltaje extremadamente alto (generalmente entre 2000 y 150 000 voltios), el "pulso de disparo", se aplica directamente a la envoltura de vidrio o muy cerca de ella. (Los tubos de flash 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 y de alto voltaje crea un campo electrostático ascendente que ioniza el gas dentro del tubo. La capacitancia del vidrio acopla el pulso de disparo a la envoltura, donde supera el voltaje de ruptura del gas que rodea a uno o ambos electrodos, formando descargas de chispa. Estas descargas se propagan por capacitancia a lo largo del vidrio a una velocidad de 1 centímetro en 60 nanosegundos (170  km/s). (Un pulso de disparo debe tener una duración suficiente para permitir que una descarga alcance el electrodo opuesto; de lo contrario, se producirá un disparo errático). El disparo puede mejorarse aplicando el pulso de disparo a un "plano de referencia", que puede ser una banda metálica o un reflector adherido al vidrio, una pintura conductora o un alambre delgado enrollado alrededor de la lámpara. Si el voltaje del condensador es mayor que la caída de voltaje entre el cátodo y el ánodo, cuando las descargas internas conectan los electrodos, el condensador se descargará a través del gas ionizado, calentando el xenón a una temperatura suficientemente alta para la emisión de luz. ^{[ 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 alta tensión del transformador de disparo se conectan 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 la tensión de disparo al exterior. Las ventajas son un mejor aislamiento, un disparo más fiable y un arco que tiende a desarrollarse lejos del vidrio, pero a un coste mucho mayor. El transformador de disparo en serie también actúa como inductor . Esto ayuda a controlar la duración del destello, pero impide que el circuito se utilice en aplicaciones de descarga muy rápida. El disparo generalmente puede realizarse con una tensión en el condensador menor que la requerida para el disparo externo. Sin embargo, el transformador de disparo pasa a formar parte del circuito de destello y acopla el circuito de disparo a la energía del destello. Por lo tanto, debido a que el transformador de disparo tiene una impedancia muy baja, el transformador, el circuito de disparo y el rectificador controlado de silicio (SCR) deben ser capaces de manejar corrientes pico muy altas, a menudo superiores a 1500 amperios. ^{[ 1 ]}

El disparo por tensión de reposo es el método menos común. En esta técnica, la tensión del condensador no se aplica inicialmente a los electrodos, sino que se mantiene una descarga de chispa de alta tensión entre ellos. La alta corriente del condensador se suministra a los electrodos mediante un tiristor o un descargador de chispa . Este tipo de disparo se utiliza principalmente en sistemas con tiempos de subida muy rápidos , típicamente aquellos que se descargan en el régimen de microsegundos, como los utilizados en fotografía de alta velocidad, stop-motion o láseres de colorante . La descarga de chispa de reposo hace que el arco se desarrolle en el centro exacto de la lámpara, aumentando drásticamente su vida útil. ^{[ 3 ]} Si se utiliza un disparo externo para pulsos extremadamente cortos, las descargas de chispa pueden seguir en contacto con el vidrio cuando la carga de corriente completa pasa a través del tubo, causando ablación de la pared o, en casos extremos, agrietamiento o incluso explosión de la lámpara. Sin embargo, debido a que los pulsos muy cortos suelen requerir 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 mediante una "sobretensión", es decir, aplicando a los electrodos un voltaje mucho mayor que el umbral de autodestellos de la lámpara, utilizando un espacio de chispa. A menudo, se utiliza una combinación de voltaje de reposo y sobretensión. ^{[ 1 ]}

A menudo se consiguen tiempos de subida muy rápidos mediante una técnica de prepulso. Este método consiste en emitir 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, según la duración del pulso, se emite entre unas milésimas y unas millonésimas de segundo antes del destello principal. El prepulso calienta el gas, produciendo un resplandor residual tenue y efímero que resulta de los electrones libres y las partículas ionizadas que quedan después de que el pulso se apague. Si el destello principal se inicia antes de que estas partículas puedan recombinarse, se proporciona una buena cantidad de partículas ionizadas para que las utilice el destello principal. Esto reduce considerablemente el tiempo de subida. También reduce la onda de choque y genera menos ruido durante el funcionamiento, aumentando enormemente la vida útil de la lámpara. Es especialmente eficaz en aplicaciones de descarga muy rápida, ya que permite que el arco se expanda más rápido y llene mejor el tubo. Se utiliza con frecuencia con tensión de reposo y, a veces, con disparo en serie, pero rara vez con disparo externo. Las técnicas de prepulso se utilizan con mayor frecuencia en el bombeo de láseres de colorante, aumentando considerablemente la eficiencia de conversión . Sin embargo, también se ha demostrado que aumentan la eficiencia de otros láseres con tiempos de vida de fluorescencia más largos (lo que permite pulsos más largos), como el Nd:YAG o el 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 negativa. Estos tubos 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 extrae el gas. Cuando el gas alcanza una presión suficientemente baja (a menudo de tan solo unos pocos torr), las partículas ionizadas aleatoriamente se aceleran hasta alcanzar velocidades suficientes para comenzar a expulsar electrones del cátodo al impactar contra su superficie, lo que produce una avalancha de Townsend que provoca el autoencendido de la lámpara. A presiones tan bajas, la eficiencia del destello sería normalmente 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 del plasma se concentra en la superficie, bombardeando el vidrio. El bombardeo ablaciona (vaporiza) grandes cantidades de cuarzo de la pared interior. Esta ablación genera un aumento repentino, violento y localizado de la presión interna de la lámpara, incrementando la eficiencia del flash a niveles muy altos. Sin embargo, la ablación provoca un desgaste considerable de la lámpara, debilitando el vidrio, por lo que generalmente es necesario reemplazarla tras una vida útil muy corta.

Los tubos de destello ablativos necesitan ser rellenados y sometidos a vacío hasta alcanzar la presión adecuada para cada destello. Por lo tanto, no pueden utilizarse en aplicaciones de muy alta repetición. Además, esto suele impedir el uso de gases muy costosos como el criptón o el xenón. El gas más común en un tubo de destello ablativo es el aire , aunque a veces también se utiliza argón, que es más económico. El destello generalmente debe ser muy corto para evitar una transferencia excesiva de calor al vidrio. Sin embargo, debido a que casi todo el plasma se concentra en la superficie, las lámparas tienen una inductancia muy baja y los destellos 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 estas lámparas es para el bombeo de láseres de colorante. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Además, se puede conectar un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) en serie tanto con el transformador de disparo como con la lámpara, lo que permite ajustar la duración del destello. ^{[ 1 ] [ 9 ] [ 10 ]} Un IGBT utilizado para este propósito debe estar clasificado para una corriente pulsada alta, para evitar daños por sobrecorriente en la unión del semiconductor. ^{[ 9 ]} Este tipo de sistema se utiliza frecuentemente 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 la externa y la en serie, y puede producir pulsos de onda cuadrada. Incluso se puede utilizar con voltaje de alimentación constante para producir una salida de onda continua "modulada", con frecuencias 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 potencia promedio de salida. ^{[ 1 ]}

Los requisitos eléctricos para 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 operación. Luego, se elige una densidad de corriente que emitirá el espectro deseado y se deja 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 denomina 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 necesarios para emitir un espectro deseado, controlando la densidad de corriente. K _o está determinado por el diámetro interno, la longitud del arco y el tipo de gas de la lámpara y, en menor medida, por la presión de llenado. La resistencia en los tubos de destello no es constante, sino que disminuye 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 provoca 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 estabiliza durante el resto del destello. Este valor es el que se define como K _o . Sin embargo, a medida que se desarrolla el arco, el gas se expande, y los cálculos de K _o no tienen en cuenta el volumen muerto, lo que conduce a un menor aumento de presión. Por lo tanto, cualquier cálculo de K _o es simplemente una aproximación de la impedancia de la lámpara. ^{[ 1 ] [ 11 ] [ 12 ]}

Como ocurre con todos los gases ionizados, los tubos de destello de xenón emiten luz en diversas 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 observan 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 las 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 el tipo de gas. Las bajas densidades de corriente producen una emisión de líneas espectrales estrechas, sobre un fondo tenue de radiación continua. El xenón tiene muchas líneas espectrales en las porciones UV, azul, verde, roja e IR del espectro. Las bajas densidades de corriente 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 hacia las líneas espectrales IR invisibles alrededor de 820, 900 y 1000  nm. ^{[ 14 ]} Las bajas densidades de corriente para los tubos de destello son generalmente menores de 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 se produce luz en todo el espectro, generalmente alcanzando su máximo, o "centrándose", en una determinada longitud de onda. La eficiencia de salida óptima en el rango visible se obtiene a una densidad que favorece la "radiación de cuerpo gris" (un arco que produce principalmente emisión continua, pero que aún es mayormente 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 correcta 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 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 aumentan aún más, visualmente, el espectro de salida del xenón comenzará a asentarse en el de un radiador de cuerpo negro con una temperatura de color de 9800 kelvin (un tono blanco azulado). ^{[ 1 ]} Excepto en los casos en que se necesita luz UV intensa, como en 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 dentro del arco puede ser absorbida antes de llegar a la superficie, lo que perjudica la eficiencia de salida. ^{[ 11 ] [ 14 ] [ 15 ]}

Debido a su alta eficiencia y emisión de luz blanca, el xenón se utiliza ampliamente en aplicaciones fotográficas, a pesar de su elevado coste. En los láseres, se suele preferir la emisión de líneas espectrales, ya que estas tienden a coincidir mejor con las líneas de absorción del medio láser. El kriptón también se utiliza ocasionalmente. A bajas densidades de corriente, la emisión de líneas espectrales del kriptón en el rango del infrarrojo cercano se ajusta mejor al perfil de absorción de los medios láser basados ​​en neodimio que la emisión del xenón, y coincide muy de cerca con el estrecho perfil de absorción del Nd:YAG. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Ninguna de las líneas espectrales del xenón coincide con las líneas de absorción del Nd:YAG, por lo que, al bombear Nd:YAG con xenón, debe utilizarse la radiación continua. ^{[ 18 ]}

Todos los gases producen líneas espectrales específicas, superpuestas a un fondo de radiación continua. En todos los gases, las bajas densidades de corriente producen principalmente líneas espectrales, con la mayor emisión concentrada en el infrarrojo cercano entre 650 y 1000  nm. Los picos más fuertes del criptón se encuentran alrededor de 760 y 810  nm. El argón tiene muchos picos fuertes en 670, 710, 760, 820, 860 y 920  nm. El neón tiene picos alrededor de 650, 700, 850 y 880  nm. ^{[ 14 ]} A medida que las densidades de corriente aumentan, la emisión de radiación continua se incrementará más que la radiación de líneas espectrales a una tasa un 20 % mayor, y el centro de emisión se desplazará hacia el espectro visible. A densidades de corriente de cuerpo gris, solo hay una ligera diferencia en el espectro emitido por los distintos 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 UV. ^{[ 14 ]}

Los gases más pesados ​​presentan mayor resistencia y, por lo tanto, tienen un valor más alto de K _o . La impedancia, definida como la resistencia necesaria para transformar la energía en trabajo, es mayor para los gases más pesados, y por ello, estos son mucho más eficientes que los más ligeros. El helio y el neón son demasiado ligeros para producir un destello eficiente. El kriptón puede alcanzar 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 alcanzar una eficiencia de hasta el 30%, pero requiere un aumento de presión aún mayor. A presiones tan elevadas, la caída de tensión entre los electrodos, formada por la descarga de chispa, puede ser mayor que la tensión del condensador. Estas lámparas suelen necesitar una tensión 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 caseros, pero el nitrógeno y el oxígeno presentes forman reacciones químicas con los electrodos y entre sí, 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 modificar la salida espectral. El efecto sobre el espectro de salida es insignificante, pero el efecto sobre la eficiencia es considerable. Añadir 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, provocando que salten a niveles de energía superiores. Dentro del plasma del arco se encuentran tres tipos de partículas: electrones , átomos ionizados positivamente y átomos neutros . En cualquier momento durante el destello, los átomos ionizados constituyen menos del 1 % del plasma y producen toda la luz emitida. Al recombinarse con sus electrones perdidos, regresan inmediatamente a un estado de energía inferior, liberando fotones en el proceso. Los métodos de transferencia de energía ocurren de tres maneras distintas, denominadas transiciones "ligadas-ligadas", "libres-ligadas" y "libres-libres". ^{[ 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 menor velocidad, compensando la diferencia de presión localizada creada por los iones. A presiones normales, este movimiento se produce en distancias muy cortas, ya que las partículas interactúan y chocan entre sí, e intercambian electrones, invirtiendo su dirección. De este modo, durante el pulso, los átomos neutros se ionizan y recombinan constantemente, emitiendo un fotón cada vez y transfiriendo electrones del cátodo al ánodo. Cuanto mayor sea el número de transiciones iónicas por cada electrón, mayor será la eficiencia de conversión ; por lo tanto, tubos más largos o presiones más altas contribuyen a aumentar la eficiencia de la lámpara. Durante el pulso, el efecto pelicular provoca que los electrones libres se acumulen cerca de la pared interior, creando una capa de electrones alrededor del plasma. Esto hace que la zona 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 colisionan, transfiriendo un electrón del átomo al ion. Este método predomina a bajas densidades de corriente y es responsable de la emisión de líneas espectrales. Las transiciones libres-ligadas ocurren cuando un ion captura un electrón libre. Este método produce la emisión continua y es más prominente a densidades de corriente más altas. Parte del continuo también se produce cuando un electrón se acelera hacia un ion, en lo que se denomina transiciones libres-libres, produciendo radiación de frenado . La radiación de frenado aumenta con la densidad de energía y provoca un desplazamiento hacia el extremo azul y ultravioleta del espectro. ^{[ 20 ]}

Una falla catastrófica puede ocurrir por dos mecanismos distintos: energía y calor . Cuando se utiliza demasiada energía para la duración del pulso, puede producirse una falla 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 suficientemente bajo, solo se escuchará un golpe contra el vidrio. Sin embargo, si el nivel de energía utilizado es igual a la "energía de explosión" nominal de la lámpara, la onda de choque impactante fracturará el vidrio, rompiendo el tubo. La explosión resultante crea una fuerte onda de choque sónica y puede lanzar fragmentos de vidrio a varios metros de distancia. La energía de explosión se calcula multiplicando el área de la superficie interna de la lámpara, entre los electrodos, por la capacidad de carga de potencia del vidrio. La carga de potencia está determinada por el tipo y el grosor del vidrio, y el método de enfriamiento utilizado. La carga de potencia 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 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, altos niveles de potencia promedio o un tamaño de electrodo inadecuado. Cuanto más largo sea el pulso, mayor será la cantidad de calor intenso que se transferirá al vidrio. Cuando la pared interior del tubo se calienta demasiado mientras la exterior aún está fría, este gradiente de temperatura puede provocar que la lámpara se agriete. De manera similar, si los electrodos no tienen un diámetro suficiente para soportar las corrientes pico, pueden generar 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 su energía de explosión funcione un tubo de destello, mayor será el riesgo de fallo catastrófico. Al 50 % de la energía de explosión, la lámpara puede producir varios miles de destellos antes de explotar. Al 60 % de la energía de explosión, la lámpara suele fallar en menos de cien. Si la lámpara funciona por debajo del 30 % de la energía de explosión, el riesgo de fallo catastrófico es muy bajo. Los métodos de fallo entonces son aquellos que reducen la eficiencia de salida y afectan la capacidad de activación de la lámpara. Los procesos que afectan a esto son la pulverización catódica y la ablación de la pared interna. ^{[ 12 ]}

La pulverización catódica se produce cuando el nivel de energía es muy bajo, inferior al 15 % de la energía de la explosión, o cuando la duración del pulso es muy larga. La pulverización catódica consiste en la vaporización del metal del cátodo, que se redeposita en las paredes de la lámpara, bloqueando la emisión de luz. Debido a que el cátodo es más emisivo que el ánodo , el tubo de destello está polarizado, y una conexión incorrecta de la lámpara a la fuente de alimentación la dañará rápidamente. Sin embargo, incluso con una conexión adecuada, el grado de pulverización catódica puede variar considerablemente de una lámpara a otra. Por lo tanto, es imposible predecir con precisión la vida útil a bajos niveles de energía. ^{[ 1 ]}

A niveles de energía más altos, la ablación de la pared se convierte en el principal proceso de desgaste. El arco eléctrico erosiona lentamente la pared interna del tubo, formando microfisuras que le dan al vidrio una apariencia esmerilada. La ablación libera oxígeno del vidrio, aumentando la presión por encima de un nivel operativo. Esto causa problemas de activación, conocidos como " jitter ". Por encima del 30%, la ablación puede causar suficiente desgaste como para romper la lámpara. Sin embargo, a niveles de energía superiores al 15%, la vida útil se puede calcular con bastante precisión. ^{[ 1 ]}

Cuando se opera por debajo del 30% de la energía de la explosión, la vida útil del tubo de destello es generalmente entre unos pocos millones y decenas de millones de destellos. ^{[ 12 ]}