氙燈持續(xù)時(shí)間

1、脈沖氙燈光學(xué)特性及對(duì)PbS探測(cè)器光飽和失效研究 杜志明 潘海燕 丁玉奎 (北京理工大學(xué)爆炸災(zāi)害預(yù)防、控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081) 摘 要：實(shí)際測(cè)試了某型高壓脈沖氙燈的光譜特性及其在可見(jiàn)光和近紅外波段的輻射強(qiáng)度，測(cè)得其閃光強(qiáng)度 可達(dá)cd71030.1´，閃光持續(xù)時(shí)間平均約0.2ms，在0.83.2m波段的紅外輻射強(qiáng)度達(dá)srW/1016.17 ´。 并以此脈沖氙燈作為模擬強(qiáng)閃光光源，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了PbS紅外探測(cè)器在強(qiáng)閃光作用下的行為，實(shí)測(cè)得 到了PbS探測(cè)器的光飽和閾值為。2 4/1079.6cmW-´還討論了PbS探測(cè)器在強(qiáng)閃光作用下的飽和失效時(shí) 間，

2、以及閃光光源對(duì)探測(cè)器的有效作用距離等。關(guān)鍵詞：脈沖氙燈；輻射光譜；發(fā)光強(qiáng)度；PbS探測(cè)器；光飽和閾值 中圖分類號(hào)：O43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Research on Radiation Characteristics of Pulse Xe-lamp and Saturated Behaviors of Photo-detector PbS Du Zhi-ming Pan Hai-yan Ding Yu-kui (State Key Laboratory of Prevention and Control of Explosion Disasters, Beijing Institute of T

3、echnology, Beijing 100081,China) Abstract: The spectrum and radiation intensity from visible to infrared light of a pulse Xe-lamp was measured in this paper. It showed that the flash intensity in the visible light spectrum of the Xe-lamp is above ,1030.17cd´the radiation intensity in the infrar

4、ed spectrum from 0.8m to 3.2m is SrW/1016.17´, and the average flash time is about 0.2ms. The behaviors of photo-detector PbS under intense flash were studied by taking the Xe-lamp as a simulated light source. It was found that the saturated threshold of photo-detector PbS under intense flash w

5、as about ./79.62mWThe invalid time of photo-detector PbS under intense flash, and the effective distance between the light source and the photo-detector were also discussed. Keywords: pulse Xe-lamp; spectrum; radiation intensity; photo-detector PbS; saturated threshold 高壓脈沖氙燈是一種亮度很高的物理光源，它屬于非穩(wěn)定的、類似于

6、火花放電的氣體放電光源，其閃光可以在瞬間完成。它的輻射光譜是連續(xù)的，與日光的光譜能量分布相近，有人造“小太陽(yáng)”之稱。氙燈的光譜范圍集中在可見(jiàn)光和紅外波段，在近紅外有峰值，其電弧亮度很高，陰極點(diǎn)的最大亮 度可達(dá)105 cd/m2 數(shù)量級(jí)，但電弧亮度在兩極之間分布很不均勻，隨著距電極距離的增 大，亮度迅速降低。據(jù)報(bào)道1 ，對(duì)于管狀脈沖氙燈，當(dāng)輸入功率達(dá)到40000kW時(shí)，亮 度可達(dá)1010cd/m2 。為了探索脈沖氙燈作為模擬光源在科學(xué)研究中的用途，有必要對(duì)其發(fā)射光譜，發(fā)光強(qiáng)度等光學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定和研究。 PbS探測(cè)器是目前國(guó)內(nèi)外廣泛采用的近紅外波段光探測(cè)器，在紅外探測(cè)、跟蹤、導(dǎo) 引等方面都有重

7、要用途2，3 。因此，研究閃光強(qiáng)度對(duì)PbS探測(cè)器的影響和作用規(guī)律具有重要的應(yīng)用價(jià)值。 1. 脈沖氙燈的光學(xué)特性 1.1脈沖氙燈輻射光譜的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)所用高壓脈沖氙燈由北京金派爾電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司制造，其配套脈沖電源型號(hào)為GP10-1，最大充電電壓1100V，單次最大注入能量150J，閃光瞬間通過(guò)電流可達(dá)200A，可通過(guò)調(diào)節(jié)充電電壓和注入能量控制輸出光強(qiáng)。 實(shí)驗(yàn)中利用采樣速率300kHz的1024線陣CCD閃光光譜儀對(duì)高壓脈沖氙燈的輻射光譜進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)分為0.340.64m和0.640.95m兩個(gè)波段進(jìn)行采樣。測(cè)得高壓脈沖氙燈光譜特性曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，氙燈在可見(jiàn)光和近紅外波段

8、均有較強(qiáng)的輻射。其中，在波長(zhǎng)0.85m附近的紅外輻射最強(qiáng)，在0.350.45m、0.52m和0.68m附近都有較強(qiáng)的可見(jiàn)光輻射。由于整個(gè)輻射是連續(xù)光譜，肉眼觀察近似于白光，藍(lán)紫色偏強(qiáng)一些。1.2脈沖氙燈在可見(jiàn)光波段的發(fā)光強(qiáng)度 根據(jù)輻射度學(xué)原理4，面輻射源在d m處產(chǎn)生的照度E的公式為1.3脈沖氙燈在近紅外波段的輻射強(qiáng)度脈沖氙燈在近紅外波段（0.83.2m）的輻射強(qiáng)度測(cè)量，采用了實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法。在實(shí)驗(yàn)中采用對(duì)比測(cè)量的方法，即用氙燈和黑體輻照PbS光探測(cè)器，分別使其達(dá)到臨界飽和狀態(tài)。然后利用普朗克定律計(jì)算出黑體的輻射出射度及其在探測(cè)器光敏面的輻射功率，然后利用等效方法計(jì)算出氙燈在近紅外

9、的輻射強(qiáng)度。1.3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量測(cè)試的主要儀器有： MG9107型PbS紅外探測(cè)器、QL-1型PbS前置放大器、SR20錐腔中溫黑體、氙燈及其配用電源、不同衰減倍數(shù)的衰減片、300K數(shù)據(jù)采集卡等。 測(cè)試條件：黑體輻射孔徑1.27cm；采集卡采樣率為300Hz；室溫21；濕度67；大氣能見(jiàn)度23km。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試步驟如下： 將黑體加熱到800，調(diào)整黑體與PbS紅外探測(cè)器之間的距離，用采集卡采樣。當(dāng)輻照距離為40.5cm時(shí)，顯示的波形峰頂剛剛出現(xiàn)平臺(tái)，即探測(cè)器恰好達(dá)到光信號(hào)飽和時(shí)，記錄此刻的波形。 用氙燈輻照PbS紅外探測(cè)器，改變輻照距離并變換衰減片倍數(shù)，同樣用采集卡采樣，觀察計(jì)算機(jī)顯示器上輸出波形

10、的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輻射距離為3.7m、衰減片倍率為502500時(shí)，輸出波形與黑體40.5cm輻射時(shí)相符，達(dá)到臨界光信號(hào)飽和。1.3.2理論計(jì)算根據(jù)黑體輻射的普朗克公式1.4 脈沖氙燈發(fā)光的時(shí)域特性除了輻射光譜和發(fā)光強(qiáng)度外，脈沖氙燈的光脈沖寬度，即發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線顯然也是其重要的特性參數(shù)。因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度越大，作用時(shí)間越長(zhǎng)，輸出的總光能越高，對(duì)照射目標(biāo)的作用力也就越強(qiáng)。在距離10m處采用紅外探測(cè)器系統(tǒng)對(duì)脈沖氙燈閃光時(shí)域特性進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，測(cè)試時(shí)使用了1000倍的光強(qiáng)衰減片。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，實(shí)驗(yàn)所用脈沖氙燈單次閃光曲線的半高寬約為0.2ms，即平均光脈沖寬度約0.2ms

11、。圖3表示隨著探測(cè)器接收到的光照越來(lái)越強(qiáng)，探測(cè)波形從正常狀態(tài)到臨界飽和狀態(tài)再到深度飽和而無(wú)法正常工作的狀態(tài)。在40mm處經(jīng)1000倍衰減（相當(dāng)于去掉衰減片后1.2m處）的條件下，實(shí)際測(cè)得的PbS探測(cè)器在脈沖氙燈單次閃光作用下飽和深度曲線如圖4所示。由圖4可知，PbS深度飽和持續(xù)時(shí)間為2.56ms，探測(cè)器光飽和后延時(shí)恢復(fù)時(shí)間約為16ms，即探測(cè)器無(wú)法正常探測(cè)目標(biāo)的時(shí)間約為18 ms。則探測(cè)器總失效時(shí)間是其飽和時(shí)間的7.04倍。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，這一結(jié)果相同具有很好的重復(fù)性。 上述現(xiàn)象說(shuō)明光探測(cè)器與人眼的特性相類似，強(qiáng)光消失后，仍有一段時(shí)間不能正常觀察目標(biāo)，處于“閃光盲”階段。這也為光學(xué)武器干擾PbS

12、探測(cè)器的正常工作提供了重要依據(jù)。比如，普通煙火型閃光彈的強(qiáng)閃光平均時(shí)間為80ms5, 是脈沖氙燈的400倍。若假定其與氙燈光強(qiáng)相同，在同等情況下它將使PbS探測(cè)器飽和深度達(dá)到400´2.56 ms =1024ms，則PbS探測(cè)器在大約1024ms ´7.047.2s的時(shí)間內(nèi)將處于飽和失效狀態(tài)，不能準(zhǔn)確探測(cè)到真實(shí)的目標(biāo)信號(hào)。因?yàn)轱柡蜕疃仍缴睿綔y(cè)器恢復(fù)正常探測(cè)能力所需時(shí)間就越長(zhǎng)，加之煙火閃光彈的光強(qiáng)比氙燈強(qiáng)得多，所以，以上估計(jì)是偏保守的估計(jì)。雖然探測(cè)器在飽和恢復(fù)期探測(cè)能力也逐步恢復(fù)，但只有完全恢復(fù)后，才可以重新探測(cè)到清晰的目標(biāo)信號(hào)。對(duì)于光學(xué)武器而言，增大發(fā)光強(qiáng)度和延長(zhǎng)閃光時(shí)間

13、都可以加深光探測(cè)器的飽和深度，延長(zhǎng)其飽和失效時(shí)間。2.3 脈沖氙燈對(duì)PbS紅外探測(cè)器有效作用距離計(jì)算從以上測(cè)試過(guò)程可知，氙燈脈沖閃光在經(jīng)過(guò)2500×50倍的衰減后，在3.7m距離處可使PbS探測(cè)器達(dá)到臨界光信號(hào)飽和。因?yàn)樘綔y(cè)器接收光功率與光源到探測(cè)器距離的平方成反比，因此，不難推算去掉衰減片后氙燈使探測(cè)器飽和的距離即氙燈脈沖閃光在1km以外正面照射到PbS探測(cè)器時(shí)，可影響其正常工作。若考慮當(dāng)時(shí)溫度、濕度和大氣能見(jiàn)度等因素影響，有效作用距離折算后約850m。 顯然，光源功率越大，有效作用距離也越大。只要已知光源在相應(yīng)波段的輻射功率（或強(qiáng)度），利用本文得到的飽和臨界條件，很容易推算該光源對(duì)PbS探測(cè)器的有效作用距離（能夠使其飽和失效的距離）。對(duì)于煙火閃光彈而言，其對(duì)PbS探測(cè)器的有效作用距