氙闪光灯光电性能评价

1999年第11

CHINALIGHT&LIGHTIN 氙闪光灯光电性杨海峰(华东电子管厂 介绍氙闪光灯光电性能评价的模型和测试方法,对于设计生产及用户选择、使用该灯,提高氙闪光灯激光泵引来越多。由于所用工作物质吸收带波长与宽度不同,

上的电阻系数K0K0=1.28(1

)0.2l (对于泵浦光源——氙闪光灯的要求不尽相同。近年来新材料、新工艺的不断采用,特别是以钪酸盐阴极和石英钨高温扩散封接为代表的高效率、长和高可3%以上,达到1107次,重复率达到200Hz点的研究提供了可靠。根据作者多年从事氙闪光氙闪光灯主要电学特性有:电阻系数、能量常数、最大峰值电流、最大平均功率、着火电压等等。氙闪光灯在放电过程中,其伏安特性如图1

式中K0·AP——氙闪光,torr;l——氙闪光灯弧长,mm;dmm。是非线性变化,根据经验公式(1),图K0是由氙闪光灯的几何尺寸、充气种类和压强所决定的常数,实际上阴极发射性能对K0也有影响。对于一只给定的氙闪光灯在类稳放电过程中K0值如图2所示基本是固定的。因此,规定对应IpK0为氙闪光灯的电阻系数。在整个脉冲持续时间内可以通过测量灯管电压、管流波形,由2)K0。测试电d=10～12mm,Q==根据出现超负载时氙闪光灯输入能量Ex和放电持续时间T按经验公式(4)可以计算出氙闪光灯的实际能量常数Ke:Ke= 式中:Ex——氙闪光灯单次脉冲能量,T——13电流脉冲宽度s图 1.3最大峰值电流

(的瞬时最大电流,其值主要同氙闪光灯内径d和放T有关。研究结果表明IpmD3/2/T,会造成氙闪光灯超负载现象,引起电极大量溅射,缩当放电电流处于临界阻尼振荡时,峰值电公式(5)来估计3所示

图1

Ip=(U0/Z0)/ (Z0=(L/C)0. (:由公式(6)给出的峰值电流计算结果时常超过实测的峰值电流,这是因为未考虑氙闪光灯电阻。氙闪光灯电阻可由公式(7)计算:Rt=l (式中:Rt——氙闪光灯电阻,A——氙闪光灯电弧横截面积,cmK0=U/I式中:U——对应峰值电流的氙闪光灯管压,Ip——峰值电流,1.2能量常

(

—=0.015当T≤=0.02100<T0025T>1000μs当氙闪光灯负载能量超过某极限时,单次闪光灯会出现一系列超负载现象,如:电极大量溅射,电极氧化,管壁出现裂纹或等。通过经验公式(3)可以估算出理论上的能量常数Ke。Ke= (式中:Ke——能量常数,w·s1/2L——弧长d——内径,Q——石英d8mm时Q=

当灯管放电电流是精确的临界阻尼振荡时,由公式8)可以估算出较精确的峰值电流:Ip=U/(Z0+Rt (最大峰值电流测试电路如图2所示。当氙闪光灯R上峰值电压与无感电阻R阻值之比大于额定最大峰值电流而氙闪光灯无超负载现象即可认为合格。作为制造商来说应通过材料与工艺研究尽量提高额定最大峰值电流。作为用户来说应避免氙灯工作在额定最大峰值电流的极限条件输入氙闪光灯的功率P通常以平均功率表示,C供给氙闪光灯的每个脉冲输入能E0fPm能力。氙闪光灯在自然冷却、强迫风冷和液冷条件下15Wcm230Wcm2200Wcm2。穿放电所需的最小工作电压称为着火电压。氙闪光灯的着火电压与灯的充气压p0、弧长l、玻管内径d皆有关系。在一定的触发电压和触发能量下Uz=常数lp0 式中:常数同触发电压和触发能量、电极质量及管径粗细有关。氙闪光灯着火电压与触发电压的关系如图

Ti、放电能量E0和氙闪光灯电阻系数K0,电容C、电感L和工作U值是一定的振荡系a通常脉冲形态,并且一般选取0.8。1.6.1LC氙闪光单LC脉冲形态网络序由J.P.Makecz和J.L.Emmet创立。这一放电电路设计的基础氙闪光灯伏安特性,可用公式(10)描述为:U K0(i)1 (式中:i—氙闪光灯放电电流,A500A/cm2以上近似正确。K0是电阻系数,并且仅仅由氙闪光灯弧长l、内径d、气体种类和充气压P决定,由公式(1)可估算在低损耗电路条件下电容C、电感L和管压由公式(11)(12)(13)(14)估算出24所示 C3=2E0a

(L=T2 (1U=(2E0/C1图氙闪光灯工作电路对于灯的、可靠性和光电性能评价至关重要。脉冲氙闪光灯工作电路通常设计为电感、电容组成的简单脉冲形成网络。一般在设计之间最大的能量转换,也即氙闪光灯最大。通过给定氙闪光灯的电阻K0,L、电容C和U能计算出所要求的脉冲持续时间和放电能量下的精确临界阻尼振荡。在临界阻尼振荡条件下电流脉冲形态近似分布。对于给定的脉冲宽

Ti=3T=(LC)1 (式中C储能电容,L—成形电感,E0—储能电容的储能,a—阻尼振荡系数Ti—放电脉冲宽度对应峰值电流1/3处相应的放电时间间隔s。虽然公式11)12)(13)14)未考虑等离子体电阻率,但是它们对于放电电流脉冲形态上是临界阻尼电路设计步骤是(a)知道输入能量E0、放电脉冲宽Ti、阻尼系aK0后,C由公式(11)求(b)L由公式(12)计算(c)最后U由公式(13)计算阻尼系aK0U/Z012求出。在低损耗临界阻尼电路中阻尼系数a0.8,a应用的有效范围是7～1.1。低于0.7时电流可能倒流(电流振荡)。当使用低阻抗灯并且()电流振荡不可避免,在储能6.2RC氙闪光灯在大量应用中并不完全使用LC脉冲成形网络,而是使用最简单的RC脉冲放电电路,例如:照相闪光灯、频闪测速仪。计算RC电路脉冲宽度和峰值电流通常是必要的。电路脉冲宽度T和峰值电路Ip可由公式(15)和(16)计算:T= (Ip=U (光器的总体效率。因此,在设计固体激光器时,光源的光学特性是首先要考虑的问题之一。作为泵浦光源必作物质吸收带相匹配的辐射光谱能量分布;第二它必源必须具有一定的亮度或光强。氙闪光灯在一定的工作条件下可以同时满足以上两个条件。这里着重介绍是以连续谱为特征。从近紫外(200nm)、可见光区、一直扩展到红外区(几个微米),并且在连续谱上迭加加氙闪光灯辐射光谱能量分布受峰值电流影响很谱峰值波长向短波方向移动反之辐射光谱峰值波长特性阻抗发生变化,使电路密度变化,进而使氙闪光为50J,1400V,储能电容51μF,形成电感为0;虚线所示的工作条件为:输入能量与激光工作物质匹配的氙闪光灯辐射光谱能量分布。此外,我们通过采取某些特殊的制灯方法,改变灯的电流密度,不但研制出辐射光谱能量分布与图所示Nd3+:YAG激光晶体吸收谱线相匹配的长脉冲氙闪光灯,7AlO钛宝石激光晶体吸收谱线相匹配的短脉冲氙闪光灯,

图(970nm)相匹配的气压氙闪光灯。图图7TAl2O3的吸收光谱和荧光(a)吸收光谱;(b)荧光光谱;(c)激光可调谐范氙闪光灯发光强度随时间变化的典型曲8所示。等效发光强度是由Blondel和Rey在1911→3光硅光二极管进行的早期研究的基础上。实验发现:氙闪光强比稳态灯的光强大→3光硅光二极管图氙闪光系统测量同步启动氙闪光系统测量同步启动A

的,则由图9可求出积分光通Υ=0It·dt,=0CU22)lm/w)。电流电压转计算计算显示Ie

t2 0.2+(t-t2

(式中IeIt—闪光期内随时间变化的瞬时光强,t-t2s等效发光强度测试系统原理如图9所示。通过计算机同步触发氙闪光灯闪光,硅光二极管光信号并转变成光电流,经过模数转换,标准光源定标,计算机自动计算打印。除以上介绍的两种光参数和测试方法外,氙闪光灯光参数还有积分光通量。如果氙闪光灯是各向同性

结束数测试有很大不同。我们根据氙闪光灯光电性能评价模型,通过一系列试验和研究,确定了氙闪光灯光电参数测试方法,并且建立了相应的微机辅助测量设备。经过多年不懈地努力,无论