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,如果燈內雜質氣體沒有排除干凈,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*排出,電極鎢材料就會和水蒸氣發(fā)生反應,形成 WO3 和氫原子。WO3 從電極頭上蒸發(fā),凝結在燈管上,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氣體污染了氙氣,使得氙燈的著火電壓升高,zui終導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表面產生應力,甚至會產生裂紋,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合材料,降低電極使用過程中的溫度,同時電極桿除氣務必*,而且封接中應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部氙氣的純度,如果封接質量不好,空氣直接進入氙燈內部,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,甚至會使氙燈出現(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,導致氙燈爆炸的直接因素是石英燈管表面的靜態(tài)拉應力、內表面的微缺陷。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生一定的撓度,從而產生機械應力,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致氙燈失效的主要因素。
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