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影響脈沖氙燈壽命的因素

更新時間:2017-04-07點擊次數(shù):2396

大型激光器是開展激光聚變研究的主要裝置,如美國利弗莫爾實驗室的 NOVA 和國家點火裝置(NIF),而高功率脈沖氙燈是大型激光器的重要光學(xué)元器件,NIF裝置使用的脈沖氙燈的失效率可達到10-6量級。大型激光器的片狀放大器組件由若干個片狀放大器模塊組成,每個模塊則是由幾十支高功率脈沖氙燈和釹玻璃片構(gòu)成,整個激光器需要的氙燈數(shù)量是巨大的,如 NOVA 裝置需要5000支,NIF裝置需要7680支。這些氙燈的任何失效都會使激光器不能正常運行,其中氙燈爆炸帶來的后果尤為嚴重,可直接破壞和燒損昂貴的脈沖氙燈、釹玻璃片和電容器。下面上海千實介紹影響影響氙燈壽命的因素:


1、氙氣純度:
氙氣是氙燈點火過程中的*工作氣體,充入的氙氣不純則會顯著增加氙燈的著火電壓。在氙燈制作的過程中,如果燈內(nèi)雜質(zhì)氣體沒有排除干凈,則會對氙燈點火帶來很多不利的因素。其中對燈危害程度zui大的則是空氣中的水蒸氣。如果水蒸氣沒有從燈內(nèi)*排出,電極鎢材料就會和水蒸氣發(fā)生反應(yīng),形成 WO3 和氫原子。WO3 從電極頭上蒸發(fā),凝結(jié)在燈管上,這就是燈管管壁發(fā)黑的主要原因。在點火過程中,隨著氙燈使用次數(shù)的增多,電極、玻璃管壁等放出的雜質(zhì)氣體污染了氙氣,使得氙燈的著火電壓升高,zui終導(dǎo)致氙燈不能正常工作,縮短氙燈的壽命,所以要在氙燈的制作工藝中從源頭上避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。充入的氙氣純度要越高越好,如果再經(jīng)過一到兩次的氙氣凈化,效果則會更好。另外充入氙氣前的排氣工藝也非常重要,加熱溫度越高,排氣時間越長越有利于燈內(nèi)氙氣純度的保持。


2、電極濺射:
電極材料的蒸發(fā)對管壁的影響也很大,濺射到管壁上的氧化鎢不僅使管壁發(fā)黑,而且會吸收更多的電離輻射,使得石英玻璃管局部發(fā)熱,冷卻后會使石英管內(nèi)表面產(chǎn)生應(yīng)力,甚至?xí)a(chǎn)生裂紋,嚴重破壞石英燈管的機械強度。氙燈點火后電極濺射,可以看出,電極濺射嚴重,管壁發(fā)黑,主要原因則是由于電極桿在氙燈制作過程中氧化嚴重,燈內(nèi)氣體純度不夠造成的。因此,電極材料的選擇、電極桿熱處理以及封接中電極的保護尤為重要,要盡量選擇能夠降低鎢電子逸出功的復(fù)合材料,降低電極使用過程中的溫度,同時電極桿除氣務(wù)必*,而且封接中應(yīng)該使用惰性氣體對電極桿進行保護。


3、燈頭封接可靠性:
氙燈常用的封接方式有兩種:過渡玻璃封接和金屬釬焊封接。封接的可靠性直接影響到氙燈內(nèi)部氙氣的純度,如果封接質(zhì)量不好,空氣直接進入氙燈內(nèi)部,污染氙氣,則氙燈會出現(xiàn)點火失敗。


4、燈頭絕緣強度:
燈頭絕緣強度是脈沖氙燈制作過程中一項重要的技術(shù)指標,燈頭絕緣材料如不能承受氙燈點火時的高壓高電流的沖擊,會出現(xiàn)燈頭擊穿,甚至?xí)闺療舫霈F(xiàn)爆炸,影響片狀放大器的正常運行。絕緣灌封材料的絕緣指標應(yīng)該是選擇絕緣材料的首要選項,其次對絕緣灌封材料的機械強度也要有一定的要求,要能承受得住點火過程中巨大的沖擊力,一旦絕緣材料被沖擊力撕裂,絕緣強度再好的灌封材料都會失去它的絕緣作用。
在氙燈的實際使用中,氙燈失效的因素以觸發(fā)失敗、絕緣擊穿和氙燈爆炸為主,各自的置信區(qū)間要求分別為89%,63%和16%,即氙燈爆炸的可信度zui小,zui不可控。通過對氙燈的失效分析,導(dǎo)致氙燈爆炸的直接因素是石英燈管表面的靜態(tài)拉應(yīng)力、內(nèi)表面的微缺陷。周圍氙燈的電離輻射會使氙燈的額外負載能量增加,電流的相互作用對氙燈燈管產(chǎn)生一定的撓度,從而產(chǎn)生機械應(yīng)力,使得氙燈爆炸的概率也大大提高。在進燈能量相同的情況下,氙燈電極弧長越長、內(nèi)徑越大壽命越高。電極濺射、燈頭絕緣、氙氣純度以及封接可靠性等都是導(dǎo)致氙燈失效的主要因素。

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