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Xenon death flashってかっこいいよね

【はじめに】

こんにちは、最近は高田憂希さんの自撮りが多くて嬉しいです(公式LINE登録しような!)
今回はXenon death flashについて書いてみます。(かなり昔に発見された現象ではありますが...)
物理や化学にはあまり明るくないので完全に素人まとめです。

【Xenon death flashとは】

遊戯王の魔法カードでありそうな名前ですね
現象名としてdeathがOKなら自分が何か新しい現象見つけたら「激ヤバ死ぬ死ぬアタック」とかにします。

この現象は、ラズパイ2 にキセノンフラッシュを当てると勝手にクラッシュするというものです。(動画を見ると分かりやすいです)
WL-CSPの構造とか、光電効果とか色んなことが重なって起こっているので、一つ一つ調べてみます。

【キセノンフラッシュとは】

キセノンガス中の放電による発光を利用したランプで、キセノンランプというものがあります。ちなみに、キセノンランプはアークランプの一種で、アークランプは高圧、もしくは低圧のガス中でスパークを発生させることで電極間を光らせています。初期のアークランプは木炭が用いられていて、これは木炭の蒸気と空気がイオン化しやすいから、なのですが話題がそれてしまうのでアークランプにはあまり触れないことにします。

さて、キセノンランプに戻ります。キセノンランプはキセノンを高圧に充填したガラス内で電極に電圧をかけることによって放電を起こし、発光しています。(なんでキセノンなんでしょうか?)
電圧をかけると、気体中の原子が電気的な力を受けてプラスイオンとマイナスイオンに分裂します。するとプラスイオンは負の電極に、マイナスイオンは正の電極に進むため、ここで電流が形成されます。このとき、電子が中性子と衝突すると放電し、閃光のようなアークと呼ばれるエネルギーを放出します。

これがキセノンランプですが、今回使われているのはキセノンフラッシュランプです。カメラで使われているフラッシュは、一般的なランプのように長時間照光する必要がありません。なので、キセノンフラッシュランプは照光時間が短い代わりに、何倍もの明るさを得ることができます。
さて、一般的なキセノンランプは高電圧が必要なので、大型の電源が必要になりますが、カメラにそこまで大型の電源を実装することはあまり現実的ではありません。そこで、コンデンサが用いられます。カメラの電源から供給されるエネルギーをコンデンサに貯め続け、イオン化によって生成された電流をたどってコンデンサに貯まった電圧を一気に放出します。これによってフラッシュが焚かれる、という訳です。シャッターを切ってからフラッシュまでに時間があるのはコンデンサに蓄電しているからですね。(シャッター方式にはいくつかありますが、そのうちマグネシウムの閃光粉でもラグはあります。こっちは燃焼によるもので、粉が荒いほどラグが大きくなります。)

【WL-CSP】

ラズパイにはWL-CSP(シリコンウエハ)でパッケージされた実装部品がありますが、このXenon death flashはWL-CSPの構造に起因しています。

WL-CSPは裏側についたはんだボールを溶かして基板と接着していますが、接着できても基板との間に隙間ができてしまいます。この隙間に光が当たると光電効果が発生し、電圧が急激に落ちます。これによってラズパイがクラッシュします。

光電効果

光電効果は、金属に光を当てると電子(光電子)が飛び出してくる、という現象です。細かく分けると内部光電効果と外部光電効果がありますが、今回起こっているのは内部光電効果です。(たぶん)
内部光電効果の仕組みですが、半導体には、電子が存在する価電子帯、その上に電子が存在できない禁制帯、その上に電子が存在できるけど存在していない伝導体の3層があります。(あくまでイメージとしての話です)このときに、禁制帯を越えるだけのエネルギーをぶつけると、価電子帯に存在する電子が伝導体にジャンプします。これによって電子が移動します。

光電効果においては、ある一定以上のエネルギーを持つ光をあてないと、禁制帯を越えず、電子が飛び出てきません。フォトンのエネルギーは振動数に比例しますが、キセノンフラッシュが光電効果を起こすのは、その振動数を超えているからです。
ちなみに、スマホのフラッシュで試してみましたが、再現しませんでした。これは、スマホのフラッシュが限界振動数を超えていないからですね。

【最後に】

相当強い光を当てないと再現しないため、あまり脅威となる現象ではないらしいです。それもそのはずで、太陽の光や蛍光灯の光で再現するようなレベルなら使い物にならないような気がします。
WL-CSPの構造に依存した現象なので、対策も難しそう感があります。
光電効果が起こるのは分かるんですが、チップのどこで光電効果しているのかが気になりますね。調査中らしいですが

【参考文献】

Xenon death flash
光電効果
キセノンフラッシュ
アークランプ