氙閃光燈光電性能評價

1999年第11

CHINALIGHT&LIGHTIN 氙閃光燈光電性楊海峰(華東電子管廠 介紹氙閃光燈光電性能評價的模型和測試方法,對于設(shè)計生產(chǎn)及用戶選擇、使用該燈,提高氙閃光燈激光泵引來越多。由于所用工作物質(zhì)吸收帶波長與寬度不同,

上的電阻系數(shù)K0K0=1.28(1

)0.2l (對于泵浦光源——氙閃光燈的要求不盡相同。近年來新材料、新工藝的不斷采用,特別是以鈧酸鹽陰極和石英鎢高溫擴散封接為代表的高效率、長和高可3%以上,達到1107次,重復(fù)率達到200Hz點的研究提供了可靠。根據(jù)作者多年從事氙閃光氙閃光燈主要電學(xué)特性有:電阻系數(shù)、能量常數(shù)、最大峰值電流、最大平均功率、著火電壓等等。氙閃光燈在放電過程中,其伏安特性如圖1

式中K0·AP——氙閃光,torr;l——氙閃光燈弧長,mm;dmm。是非線性變化,根據(jù)經(jīng)驗公式(1),圖K0是由氙閃光燈的幾何尺寸、充氣種類和壓強所決定的常數(shù),實際上陰極發(fā)射性能對K0也有影響。對于一只給定的氙閃光燈在類穩(wěn)放電過程中K0值如圖2所示基本是固定的。因此,規(guī)定對應(yīng)IpK0為氙閃光燈的電阻系數(shù)。在整個脈沖持續(xù)時間內(nèi)可以通過測量燈管電壓、管流波形,由2)K0。測試電d=10～12mm,Q==根據(jù)出現(xiàn)超負載時氙閃光燈輸入能量Ex和放電持續(xù)時間T按經(jīng)驗公式(4)可以計算出氙閃光燈的實際能量常數(shù)Ke:Ke= 式中:Ex——氙閃光燈單次脈沖能量,T——13電流脈沖寬度s圖 1.3最大峰值電流

(的瞬時最大電流,其值主要同氙閃光燈內(nèi)徑d和放T有關(guān)。研究結(jié)果表明IpmD3/2/T,會造成氙閃光燈超負載現(xiàn)象,引起電極大量濺射,縮當(dāng)放電電流處于臨界阻尼振蕩時,峰值電公式(5)來估計3所示

圖1

Ip=(U0/Z0)/ (Z0=(L/C)0. (:由公式(6)給出的峰值電流計算結(jié)果時常超過實測的峰值電流,這是因為未考慮氙閃光燈電阻。氙閃光燈電阻可由公式(7)計算:Rt=l (式中:Rt——氙閃光燈電阻,A——氙閃光燈電弧橫截面積,cmK0=U/I式中:U——對應(yīng)峰值電流的氙閃光燈管壓,Ip——峰值電流,1.2能量常

(

—=0.015當(dāng)T≤=0.02100<T0025T>1000μs當(dāng)氙閃光燈負載能量超過某極限時,單次閃光燈會出現(xiàn)一系列超負載現(xiàn)象,如:電極大量濺射,電極氧化,管壁出現(xiàn)裂紋或等。通過經(jīng)驗公式(3)可以估算出理論上的能量常數(shù)Ke。Ke= (式中:Ke——能量常數(shù),w·s1/2L——弧長d——內(nèi)徑,Q——石英d8mm時Q=

當(dāng)燈管放電電流是精確的臨界阻尼振蕩時,由公式8)可以估算出較精確的峰值電流:Ip=U/(Z0+Rt (最大峰值電流測試電路如圖2所示。當(dāng)氙閃光燈R上峰值電壓與無感電阻R阻值之比大于額定最大峰值電流而氙閃光燈無超負載現(xiàn)象即可認為合格。作為制造商來說應(yīng)通過材料與工藝研究盡量提高額定最大峰值電流。作為用戶來說應(yīng)避免氙燈工作在額定最大峰值電流的極限條件輸入氙閃光燈的功率P通常以平均功率表示,C供給氙閃光燈的每個脈沖輸入能E0fPm能力。氙閃光燈在自然冷卻、強迫風(fēng)冷和液冷條件下15Wcm230Wcm2200Wcm2。穿放電所需的最小工作電壓稱為著火電壓。氙閃光燈的著火電壓與燈的充氣壓p0、弧長l、玻管內(nèi)徑d皆有關(guān)系。在一定的觸發(fā)電壓和觸發(fā)能量下Uz=常數(shù)lp0 式中:常數(shù)同觸發(fā)電壓和觸發(fā)能量、電極質(zhì)量及管徑粗細有關(guān)。氙閃光燈著火電壓與觸發(fā)電壓的關(guān)系如圖

Ti、放電能量E0和氙閃光燈電阻系數(shù)K0,電容C、電感L和工作U值是一定的振蕩系a通常脈沖形態(tài),并且一般選取0.8。1.6.1LC氙閃光單LC脈沖形態(tài)網(wǎng)絡(luò)序由J.P.Makecz和J.L.Emmet創(chuàng)立。這一放電電路設(shè)計的基礎(chǔ)氙閃光燈伏安特性,可用公式(10)描述為:U K0(i)1 (式中:i—氙閃光燈放電電流,A500A/cm2以上近似正確。K0是電阻系數(shù),并且僅僅由氙閃光燈弧長l、內(nèi)徑d、氣體種類和充氣壓P決定,由公式(1)可估算在低損耗電路條件下電容C、電感L和管壓由公式(11)(12)(13)(14)估算出24所示 C3=2E0a

(L=T2 (1U=(2E0/C1圖氙閃光燈工作電路對于燈的、可靠性和光電性能評價至關(guān)重要。脈沖氙閃光燈工作電路通常設(shè)計為電感、電容組成的簡單脈沖形成網(wǎng)絡(luò)。一般在設(shè)計之間最大的能量轉(zhuǎn)換,也即氙閃光燈最大。通過給定氙閃光燈的電阻K0,L、電容C和U能計算出所要求的脈沖持續(xù)時間和放電能量下的精確臨界阻尼振蕩。在臨界阻尼振蕩條件下電流脈沖形態(tài)近似分布。對于給定的脈沖寬

Ti=3T=(LC)1 (式中C儲能電容,L—成形電感,E0—儲能電容的儲能,a—阻尼振蕩系數(shù)Ti—放電脈沖寬度對應(yīng)峰值電流1/3處相應(yīng)的放電時間間隔s。雖然公式11)12)(13)14)未考慮等離子體電阻率,但是它們對于放電電流脈沖形態(tài)上是臨界阻尼電路設(shè)計步驟是(a)知道輸入能量E0、放電脈沖寬Ti、阻尼系aK0后,C由公式(11)求(b)L由公式(12)計算(c)最后U由公式(13)計算阻尼系aK0U/Z012求出。在低損耗臨界阻尼電路中阻尼系數(shù)a0.8,a應(yīng)用的有效范圍是7～1.1。低于0.7時電流可能倒流(電流振蕩)。當(dāng)使用低阻抗燈并且()電流振蕩不可避免,在儲能6.2RC氙閃光燈在大量應(yīng)用中并不完全使用LC脈沖成形網(wǎng)絡(luò),而是使用最簡單的RC脈沖放電電路,例如:照相閃光燈、頻閃測速儀。計算RC電路脈沖寬度和峰值電流通常是必要的。電路脈沖寬度T和峰值電路Ip可由公式(15)和(16)計算:T= (Ip=U (光器的總體效率。因此,在設(shè)計固體激光器時,光源的光學(xué)特性是首先要考慮的問題之一。作為泵浦光源必作物質(zhì)吸收帶相匹配的輻射光譜能量分布;第二它必源必須具有一定的亮度或光強。氙閃光燈在一定的工作條件下可以同時滿足以上兩個條件。這里著重介紹是以連續(xù)譜為特征。從近紫外(200nm)、可見光區(qū)、一直擴展到紅外區(qū)(幾個微米),并且在連續(xù)譜上迭加加氙閃光燈輻射光譜能量分布受峰值電流影響很譜峰值波長向短波方向移動反之輻射光譜峰值波長特性阻抗發(fā)生變化,使電路密度變化,進而使氙閃光為50J,1400V,儲能電容51μF,形成電感為0;虛線所示的工作條件為:輸入能量與激光工作物質(zhì)匹配的氙閃光燈輻射光譜能量分布。此外,我們通過采取某些特殊的制燈方法,改變燈的電流密度,不但研制出輻射光譜能量分布與圖所示Nd3+:YAG激光晶體吸收譜線相匹配的長脈沖氙閃光燈,7AlO鈦寶石激光晶體吸收譜線相匹配的短脈沖氙閃光燈,

圖(970nm)相匹配的氣壓氙閃光燈。圖圖7TAl2O3的吸收光譜和熒光(a)吸收光譜;(b)熒光光譜;(c)激光可調(diào)諧范氙閃光燈發(fā)光強度隨時間變化的典型曲8所示。等效發(fā)光強度是由Blondel和Rey在1911→3光硅光二極管進行的早期研究的基礎(chǔ)上。實驗發(fā)現(xiàn):氙閃光強比穩(wěn)態(tài)燈的光強大→3光硅光二極管圖氙閃光系統(tǒng)測量同步啟動氙閃光系統(tǒng)測量同步啟動A

的,則由圖9可求出積分光通Υ=0It·dt,=0CU22)lm/w)。電流電壓轉(zhuǎn)計算計算顯示Ie

t2 0.2+(t-t2

(式中IeIt—閃光期內(nèi)隨時間變化的瞬時光強,t-t2s等效發(fā)光強度測試系統(tǒng)原理如圖9所示。通過計算機同步觸發(fā)氙閃光燈閃光,硅光二極管光信號并轉(zhuǎn)變成光電流,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換,標(biāo)準(zhǔn)光源定標(biāo),計算機自動計算打印。除以上介紹的兩種光參數(shù)和測試方法外,氙閃光燈光參數(shù)還有積分光通量。如果氙閃光燈是各向同性

結(jié)束數(shù)測試有很大不同。我們根據(jù)氙閃光燈光電性能評價模型,通過一系列試驗和研究,確定了氙閃光燈光電參數(shù)測試方法,并且建立了相應(yīng)的微機輔助測量設(shè)備。經(jīng)過多年不懈地努力,無論