《XMZ7110C+XMZ780C型高平均功率脉冲氙灯》由会员分享，可在线阅读，更多相关《XMZ7110C+XMZ780C型高平均功率脉冲氙灯（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、X M Z 7 - 11 0 CX M Z 7 - 8 0 C 型高平均功率脉冲氙灯刘力李海兵王佩巨 ( 中国电子科技案团第十研究所北京1 0 0 0 1 5 )摘要：本文论速了高平均功率脉冲氙灯的研制目的技术途径及研幸4 结果由于采用了一系列具有田际一流水平的脉冲氙灯甜遣技术一一高温过渡封接工艺，储备或钡鸽阳极掺婶石英管壁等。使产 品具有工艺简单可靠性高，寿争长湾紫外辐射外形荚观、与固外产品互换性好等优点，从制造工艺上和产品性能上均逮到了田际上同类产品的先进水平关犍词：脉冲氙灯；高功率：敢光光泵1 引言X M Z 7 - 1 1 0 C 及X M Z 7 - 8 0 C 型高平均功率脉冲氟灯
2、是高平均功率固体激光器的泵浦光源按照 合同要求其使用平均功率应分别达到5 5 0 0 W 和4 0 0 0 W 计算表明，其发光区的平均功率密度均达 到了2 2 7 W c m 2 而按照国际上同类产品的先进水平1 1 ) ，这两种型号的灯的最大平均功率分别为 3 8 6 8 W 、2 8 1 3 W ，平均功率密度为1 6 0W c m 2 因此，合同的要求都远远超过了它们此外合同 还要求必须在上述平均功率和重复频率l O O I I z 下，寿命达到千万次以上以及滤除紫外辐射等 这些要求都是很严格的。但经过本课题组全体成员的努力。各项指标均已达到或超过。圆满完成了任务2 结构特点采用直管式
3、液体冷却结构这种结构的泵浦光源由于其强度高、制作工艺简单及易于安装 和冷却而被绝大部分激光器采用对螺旋式和同轴式灯。虽然在轴线方向单位长度上有较大的壁面积和弧长可以比直管式灯给出更大的能量和效率但因其结构复杂。安装、冷却困难，价格昂贵 等限制了它的广泛使用灯在放电时高温等离子体使管壁承受了除透射光以外的大部分能量负载，近5 0 的输入功率 需作为热量从管壁耗散，此外它还要承受高温、强辐照。放电冲击，热冲击等的综合作用，对大 能量、高功率灯尤其严重因此，灯的管壁一般均采用电学、光学及热性能良好的石英玻璃本课 题采用掺铈石英玻璃管壁它除具有普通石英玻璃一切良好性能之外，还能对脉冲氤灯性能的改善起到
4、如下作用o ，首先它吸收了等离子体发射的紫外线并转换为可见光辐射( 荧光转换) ，不 仅提高了泵浦效率，而且免除了紫外辐射对人体及聚光器的损害另外。掺铈石英玻璃在紫外线的 辐照下不会象普通石英玻璃那样产生可见色心，从而使灯的使用寿命延长了2 - , 3 倍灯的机械强度主要取决于灯的封接方式我们采用高温过渡封接工艺即只利用一道耐高温的 过渡玻璃将石英管壁与钨杆封接起来。这也是世界上发达田家制灯厂家所广泛采用的工艺比起目 前国内厂家采用的铝箔气泡封接工艺产品，其主要优点是能承受较大的功率和能量负荷因为直径 由3 2 n a n 钨杆导电体的截面积比卷成筒形的厚度O 0 3 m m 的铝箔导电体的截
5、面积大一十数量级以 上另外。还具有机械强度大制作工序少。产品外形美观一致性好，与国外产品互换性好可 为进口激光设备提供配套用灯等优点和多道过渡封接工艺产品比较，其主要优点是机械强度大。可靠性好这是因为多道过渡封接所用的过渡玻璃是由石英粉与钨组玻璃粉按不同比例混合后烧制 而成。不同比例具有不同的膨胀系数。然后将它们按膨胀系数递减或递增的顺序烧成过渡玻璃环， 再在其两端分别与石英和钨杆熔封由于过渡道数多，烧制时易产生应力，作出灯后在使用中极易在这里断裂，通称。脱环”另外，由于过渡玻璃环含有钨组玻璃成分使其熔点低，在制灯过程 中无法对管壁和电极进行高温除气，使灯内杂质气体多，可靠性极差。 阴极是灯内
6、的重要零件，因为灯的关键参数一寿命主要取决于阴极质量的好坏，而且，着火电压、工作稳定性等也与它有很大关系目前，固外主要采用浸渍式钡钨阴极。国内其它厂家主 要采用薄膜阴极( 以铈钨阴极为主) 我们采用前者它是将铝酸盐涂敷在多孔钨上，加热到其熔 化温度后靠毛细管作用浸渍到多孔钨的孔隙中。再经过激活制成的这种阴极电子逸出功1 6 e V 具有发射能力大寿命长，耐离子轰击等特点而铈钨阴极的电子逸出功为2 4 e V ，因而其性能远 不如钡钨阴极好试验表明，这两种不同的阴极导致灯的寿命相差一倍以上阳极要求耐高温、蒸 发小，选用纯钨制造灯内填充气体可用氤气或氖气，依使用条件而定3 光电特性 3 1 电阻系
7、数五灯放电时。灯内电流，与电压，的关系满足。删。 其中。系数j 黾即为电阻系数它的大小不仅表征了灯的伏安特性和阻抗特性， 电路中的电容储能转换到灯内的效率，它也是设计放电电路时必不可少的参数 电阻系数的大小与灯的尺寸、充气种类和压强有关。经验公式如下： j 舻1 2 S 砌g ) ”( 1 ) 而且也表征了放电式中lL 为弧长( 锄) Id 为内径( 啪) ；P 为充气压强( T 舸) l 譬为4 5 0 ( ) ( c ) l( 1 0 ) ( 2 ) 或8 5 0试验证明，具有同样尺寸的脉冲氤灯和脉冲氪灯，前者的电阻系数比后者高1 5 左右，为了弥 补这方面的缺陷，田外一般将脉冲氪灯的气压
8、提高刭7 0 0 T o r t 我们亦选择这一方案，即脉冲氤灯 充4 5 0 T o r r 。脉冲氪灯充7 0 0 T o r t 测试结果：X t l 2 7 - 1 1 0 C , G - - 2 0 1 - t - 2 0 ”1 ；X M Z T - 8 0 C 。j 萨1 4 6 2o A 出现的分散，主要是由于石英管直径容许1 0 2 m 的公差所致3 2 最大平均功率 如本文开头所述由于合同要求的使用功率( 两种型号分别为5 5 0 0 W 和4 0 0 0 W ) 已大大超过 了这两种型号灯按惯例的最大平均功率( 分别为3 8 6 8 W 和2 8 1 3 W ) “，因此，
9、将合同要求的功率 值定为本项目要求的最大平均功率值为了在如此苛刻的使用条件下能正常工作，除要求压封良好外，尚需有严格的冷却条件，即水的流量1 0 I , m i n ，灯表面水的流速I 3 m s ，这时，可以算得灯 表面的水层厚度为2 r a m 左右。表明聚光器内必须使用水冷套，不得使用全腔水冷结构试验证 明，在如上条件下。当注入能量分别为5 5 J 和4 0 J 。重复频率为1 0 0 H z 时( 此时。注入功率分别为 5 5 0 0 W 和4 0 0 0 W ) ，灯可以长期正常工作3 3 爆炸能量常数五 爆炸能量晟又称灯的极限负载能量，在此能量下，单次闪光后就会发生电极大量溅射。管
10、壁 材料大量蒸发电极氧化，封接处炸裂等现象。爆炸能量可由经验公式估算； F 。= 1 2 L d P 4、( 3 ) 其中，最为爆炸能量( J ) t 工为弧长( 锄) lD 为内径( c m ) lT 为放电脉宽( p S ) 由于爆炸能量最与放电脉宽r 有关，使用不方便，故常以爆炸能量常数墨来表征灯的极限负载特性，令K i E 。“m ，其中卢- 7 ( 工c ) 1 2 j 为放电电路时间常数测试墨前，应在给定的条件 下计算放电电路的工、c 值，使放电处于临界阻尼状态在此，算得：c = = 3 3 0 0 p F ( 取3 2 0 01 I ) ，L - - - 2 1 6 l I H
11、( 取2 7 5 “t I ) 然后。从爆炸能量最相应电压值的9 0 开始放电，并以5 0 V 的间隔递增。算出每次放电后的能量及相应的疋值，直至某次放电后，灯出现超负载现象时为止。实测结果如下：V - - - - 1 4 9 0 V ，E x = 3 5 5 2 J ，K - = I 1 6 l o S w S ”( X M Z 7 8 0 c ) tF = 1 7 4 9 V 。n o c ) 3 A 相对发射光谱 相对发射光谱是以T S P - 2 0 0 型瞬态光谱测试仪测得的，结果如图1 3 所示图l ，图2 给出了X M Z 7 - 1 1 0 C 型脉冲氙灯在不同注入能量下的相对
12、发射光谱从中看出，在 灯内注入能量较小时。相对发射光谱以线谱为主随着灯内注入能量的增加，相对发射光谱以短波 连续谱为主，线谱则很少。这种现象称为。蓝移。图3 给出了4 0 0 r i m 以下短波部分相对发射光谱曲线，还给出了结构尺寸与其相同的普通石英 管壁( 无紫外吸收特性) 的灯的曲线，对照两条曲线可以看出灯的紫外吸收特性 勉一I 图1 低能量( 1 s J ) 注入时的相对发射光谱 特性曲线图2 高能量( 5 0 J ) 注入时的相对发射光谱 特性曲线图3 高能量( 5 0 J ) 注入时紫井相对发射光谱特性曲线3 5 泵浦效率由于用户使用的是Y A G 激光器，所以只探讨对此类激光器的
13、泵浦效率 X M Z 7 - 1 1 0 CX M Z 7 - 8 0 C 型高平均功率脉冲氙灯虽然具有最大平均功率高的特点。但因为使用的重复频率高达1 0 0 H z 所以每个脉冲的注入能量并不大，两种型号分别为5 5 J 和4 0 J 泵浦效率 对灯本身而言，主要取决于两点。一是光电转换效率。二是光谱匹配在0 2 - 1 0 l l _ 波段范围内， 脉冲氖灯与脉冲氪灯的光电转换效率分别为4 0 籼和2 5 - - 3 0 ，前者明显优于后者但脉冲氪 灯的发射光谱与Y A G 的吸收谱( 0 7 3 , - - 0 7 6I tm o 7 8 2pm ) 的匹配程度却好于脉冲氙灯两种 因素
14、何者起主要作用，又取决于灯内电流密度的大小在高电流密度下灯的发射光谱发生。蓝移”，短波成份居多。且以连续谱占优势时。发射光 谱与Y A G 的吸收谱的匹配程度较差泵浦效率主要依靠光电转换效率此时。应采用脉冲氙灯 反之，在低电流密度下。灯的发射光谱以长波成份居多，且以线谱占优势时，泵浦效率主要依靠发 射光谱与Y A G 的吸收谱的匹配，此时应采用脉冲氪灯很明显，定量地给出这个判据对选择灯的种类是很重要的这个判据的表达式如下，此时两种灯有相同的泵浦效率哪，E T A f l 6 0 0 0 W c m 2( 4 ) 其中，E 为单次注入能量( DIT 为放电时间( s ) lA 为放电区管壁内表面
15、积( c m 2 ) 按( 4 ) 式。对内径7 m m ，弧长1 1 0 m m 的灯，当b - 2 0 0 p S 时，算得E = 7 7 J 表明在T = 2 0 0 pS 时，凡注入 能量小于7 7 J 的运用，当选脉冲氪灯为好反之。凡注入能量大于7 7 J 的运用，当选脉冲氙灯为 好表l 给出了两种灯的泵浦效率测试结果从表l 看出，输入能量越小，氖灯的泵浦效率越高输入能量越大。二者越接近。3 6 寿命寿命试验是在积分球中进行的首先，将灯置于水冷套内，水流量1 0 L r a i n ，并有二次水 冷然后按规定的试验条件进行寿命试验，同时在积分球窗口用硅光电二极管采样测量，当输出降 至
16、初始值的7 0 或者中途损坏时，中止试验此时。总的闲光次数卸为其寿命试验结果为： X M Z 7 - 8 0 C 型脉冲氤灯，灯号0 1 0 7 8 0 6 和0 1 0 7 8 0 9 注入能量E - - - 4 0 J ( P 哟4 8 V ) ，重复频率 1 0 0 H z ，经过1 0 7 次闪光，辐射效率分剐下降6 1 和7 3 ，表明灯的寿命大于1 0 次表1氤灯与氮灯泵浦效率比较单次注入能量单坎激光输出( 叮)氟灯比氖灯高( J )氙灯氪灯( )1 8 O4 98 77 82 4 51 8 02 5 94 43 2 O3 9 94 5 81 84 0 56 4 07 1 51 25 0
