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影響脈沖氙燈壽命的因素

2017-4-7  閱讀(2458)

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大型激光器是開(kāi)展激光聚變研究的主要裝置,如美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的 NOVA 和國(guó)家點(diǎn)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(dá)到10-6量級(jí)。大型激光器的片狀放大器組件由若干個(gè)片狀放大器模塊組成,每個(gè)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(gè)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(huì)使激光器不能正常運(yùn)行,其中氙燈爆炸帶來(lái)的后果尤為嚴(yán)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(shí)介紹影響影響氙燈壽命的因素:


1、氙氣純度:
氙氣是氙燈點(diǎn)火過(guò)程中的*工作氣體,充入的氙氣不純則會(huì)顯著增加氙燈的著火電壓。在氙燈制作的過(guò)程中,如果燈內(nèi)雜質(zhì)氣體沒(méi)有排除干凈,則會(huì)對(duì)氙燈點(diǎn)火帶來(lái)很多不利的因素。其中對(duì)燈危害程度zui大的則是空氣中的水蒸氣。如果水蒸氣沒(méi)有從燈內(nèi)*排出,電極鎢材料就會(huì)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(diǎn)火過(guò)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(guò)一到兩次的氙氣凈化,效果則會(huì)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(shí)間越長(zhǎng)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(duì)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(huì)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(huì)使石英管內(nèi)表面產(chǎn)生應(yīng)力,甚至?xí)a(chǎn)生裂紋,嚴(yán)重破壞石英燈管的機(jī)械強(qiáng)度。氙燈點(diǎn)火后電極濺射,可以看出,電極濺射嚴(yán)重,管壁發(fā)黑,主要原因則是由于電極桿在氙燈制作過(guò)程中氧化嚴(yán)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(hù)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(guò)程中的溫度,同時(shí)電極桿除氣務(wù)必*,而且封接中應(yīng)該使用惰性氣體對(duì)電極桿進(jìn)行保護(hù)。


3、燈頭封接可靠性:
氙燈常用的封接方式有兩種:過(guò)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(jìn)入氙燈內(nèi)部,污染氙氣,則氙燈會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)火失敗。


4、燈頭絕緣強(qiáng)度:
燈頭絕緣強(qiáng)度是脈沖氙燈制作過(guò)程中一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo),燈頭絕緣材料如不能承受氙燈點(diǎn)火時(shí)的高壓高電流的沖擊,會(huì)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(yùn)行。絕緣灌封材料的絕緣指標(biāo)應(yīng)該是選擇絕緣材料的首要選項(xiàng),其次對(duì)絕緣灌封材料的機(jī)械強(qiáng)度也要有一定的要求,要能承受得住點(diǎn)火過(guò)程中巨大的沖擊力,一旦絕緣材料被沖擊力撕裂,絕緣強(qiáng)度再好的灌封材料都會(huì)失去它的絕緣作用。
在氙燈的實(shí)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(guò)對(duì)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(huì)使氙燈的額外負(fù)載能量增加,電流的相互作用對(duì)氙燈燈管產(chǎn)生一定的撓度,從而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,使得氙燈爆炸的概率也大大提高。在進(jìn)燈能量相同的情況下,氙燈電極弧長(zhǎng)越長(zhǎng)、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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