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影响脉冲氙灯寿命的因素有哪些?

来源: /  作者:   时间: 2015/11/11 9:51:21

    大型激光器是开展激光聚变研究的主要装置,如美国利弗莫尔实验室的 NOVA 和国家点火装置(NIF),而高功率脉冲氙灯是大型激光器的重要光学元器件,NIF装置使用的脉冲氙灯的失效率可达到10-6量级。大型激光器的片状放大器组件由若干个片状放大器模块组成,每个模块则是由几十支高功率脉冲氙灯和钕玻璃片构成,整个激光器需要的氙灯数量是巨大的,如 NOVA 装置需要5000支,NIF装置需要7680支。这些氙灯的任何失效都会使激光器不能正常运行,其中氙灯爆炸带来的后果尤为严重,可直接破坏和烧损昂贵的脉冲氙灯、钕玻璃片和电容器。

1.影响氙灯寿命的因素

1.1氙气纯度

    氙气是氙灯点火过程中的唯一工作气体,充入的氙气不纯则会显著增加氙灯的着火电压。在氙灯制作的过程中,如果灯内杂质气体没有排除干净,则会对氙灯点火带来很多不利的因素。其中对灯危害程度最大的则是空气中的水蒸气。如果水蒸气没有从灯内完全排出,电极钨材料就会和水蒸气发生反应,形成 WO3 和氢原子。WO3 从电极头上蒸发,凝结在灯管上,这就是灯管管壁发黑的主要原因。在点火过程中,随着氙灯使用次数的增多,电极、玻璃管壁等放出的杂质气体污染了氙气,使得氙灯的着火电压升高,最终导致氙灯不能正常工作,缩短氙灯的寿命,所以要在氙灯的制作工艺中从源头上避免上述现象的发生。充入的氙气纯度要越高越好,如果再经过一到两次的氙气净化,效果则会更好。另外充入氙气前的排气工艺也非常重要,加热温度越高,排气时间越长越有利于灯内氙气纯度的保持。

1.2电极溅射

    电极材料的蒸发对管壁的影响也很大,溅射到管壁上的氧化钨不仅使管壁发黑,而且会吸收更多的电离辐射,使得石英玻璃管局部发热,冷却后会使石英管内表面产生应力,甚至会产生裂纹,严重破坏石英灯管的机械强度。氙灯点火后电极溅射,可以看出,电极溅射严重,管壁发黑,主要原因则是由于电极杆在氙灯制作过程中氧化严重,灯内气体纯度不够造成的。因此,电极材料的选择、电极杆热处理以及封接中电极的保护尤为重要,要尽量选择能够降低钨电子逸出功的复合材料,降低电极使用过程中的温度,同时电极杆除气务必彻底,而且封接中应该使用惰性气体对电极杆进行保护。

1.3灯头封接可靠性

    氙灯常用的封接方式有两种:过渡玻璃封接和金属钎焊封接。封接的可靠性直接影响到氙灯内部氙气的纯度,如果封接质量不好,空气直接进入氙灯内部,污染氙气,则氙灯会出现点火失败。

1.4灯头绝缘强度

    灯头绝缘强度是脉冲氙灯制作过程中一项重要的技术指标,灯头绝缘材料如不能承受氙灯点火时的高压高电流的冲击,会出现灯头击穿,甚至会使氙灯出现爆炸,影响片状放大器的正常运行。绝缘灌封材料的绝缘指标应该是选择绝缘材料的首要选项,其次对绝缘灌封材料的机械强度也要有一定的要求,要能承受得住点火过程中巨大的冲击力,一旦绝缘材料被冲击力撕裂,绝缘强度再好的灌封材料都会失去它的绝缘作用。

    在氙灯的实际使用中,氙灯失效的因素以触发失败、绝缘击穿和氙灯爆炸为主,各自的置信区间要求分别为89%,63%和16%,即氙灯爆炸的可信度最小,最不可控。通过对氙灯的失效分析,导致氙灯爆炸的直接因素是石英灯管表面的静态拉应力、内表面的微缺陷。周围氙灯的电离辐射会使氙灯的额外负载能量增加,电流的相互作用对氙灯灯管产生一定的挠度,从而产生机械应力,使得氙灯爆炸的概率也大大提高。在进灯能量相同的情况下,氙灯电极弧长越长、内径越大寿命越高。电极溅射、灯头绝缘、氙气纯度以及封接可靠性等都是导致氙灯失效的主要因素。


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