趙友全　董鵬飛　苗佩亮　姜　楠　劉　瀟

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

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高性能脈沖氙燈放電過程分析及實(shí)驗(yàn)研究

趙友全董鵬飛苗佩亮姜楠?jiǎng)t

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

脈沖氙燈是一種新型分析儀器光源，本文利用量子理論以及氣體放電理論分析了脈沖氙燈放電過程，設(shè)計(jì)了放電測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了放電過程中的電壓、電流和光脈沖信號(hào)。結(jié)果表明：在預(yù)電離階段自由電子濃度較低，能量較低；氣體放電階段燈內(nèi)形成電子崩，使得自由電子濃度的增大，放電電流迅速上升，電壓下降；離子復(fù)合時(shí)釋放出光子形成光脈沖。氙燈脈沖的光能量輸出和光譜特性與復(fù)合電子能量、氙氣復(fù)合能級(jí)有直接關(guān)系，當(dāng)輸入能量與氙燈的能耗不一致的時(shí)候，將導(dǎo)致充電電容反復(fù)充放電而是電路產(chǎn)生阻尼振蕩。本文對(duì)于理解脈沖氙燈的閃爍光發(fā)射過程，優(yōu)化放電回路設(shè)計(jì)和氙燈制造具有重要意義。

光源脈沖氙燈放電過程電子崩

脈沖氙燈是一種新型的光源，相比于其他光源具有發(fā)光強(qiáng)度大，紫外光譜強(qiáng)以及高壽命的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在固體激光器中廣泛應(yīng)用。短弧球形脈沖氙燈由于具有體積小,易點(diǎn)燃，無需預(yù)熱等優(yōu)點(diǎn)被越來越多的應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、土壤分析以及醫(yī)療化工領(lǐng)域[1-3]。

脈沖氙燈在放電過程中存在明顯的振蕩情況，國(guó)內(nèi)外眾多文獻(xiàn)對(duì)此展開過相關(guān)研究取得了一定的成果，但多數(shù)研究是針對(duì)于電路展開，利用傳統(tǒng)的電學(xué)知識(shí)進(jìn)行現(xiàn)象解釋。本質(zhì)上脈沖氙燈充放電是個(gè)極其復(fù)雜的過程，需要從電子量子形成與傳播來分析，已有的一些研究對(duì)此不夠深入，例如陳佳在研究脈沖氙燈放電電阻時(shí)并未對(duì)放電振蕩進(jìn)行詳細(xì)解釋而僅僅提到未達(dá)到臨界阻尼狀態(tài)，王磊專門分析了脈沖氙燈放電過程中的振蕩現(xiàn)象但并未對(duì)振蕩產(chǎn)生的根本原因進(jìn)行分析，國(guó)外如Dishington等人在研究過程中也都碰到了不同程度的振蕩現(xiàn)象[4-6]。因此，從脈沖氙燈充放電的微觀角度去研究脈沖氙燈產(chǎn)生振蕩的原因?qū)τ谘芯科鋵?duì)氙燈發(fā)光的影響以及消除振蕩都具有重要意義，本文在電學(xué)回路分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合氣體放電理論建立了脈沖氙燈放電振蕩模型，研究了脈沖氙燈振蕩產(chǎn)生的原因、影響因素以及由于振蕩產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。通過本文工作，可以更好的理解脈沖氙燈振蕩產(chǎn)生的原因，對(duì)于脈沖氙燈制造、驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)和工作性能評(píng)價(jià)等具有十分重要的意義。

1　脈沖氙燈放電振蕩的理論分析

圖1為日本濱松10W小型球形脈沖氙燈L2440實(shí)物圖與結(jié)構(gòu)示意圖，脈沖氙燈放電過程實(shí)質(zhì)為燈管內(nèi)部電子與離子相互作用的過程，可以將脈沖氙燈放電過程分為氣體電離產(chǎn)生自由電子與自由電子復(fù)合兩個(gè)過程，為了加速氣體電離，燈室內(nèi)安置有紫外預(yù)電離Sparker探針，通過極間高壓電離產(chǎn)生初始始源電子，脈沖氙燈充放電過程分析模型如圖2所示。

圖1　微型脈沖氙燈

圖2　氙燈放電模型示意圖

圖2中模型有兩個(gè)電極、一個(gè)電容組成，電極間距為d，電容兩端電壓為U，極板間電場(chǎng)強(qiáng)度為E。

脈沖氙燈放電是由預(yù)電離開始的，預(yù)電離產(chǎn)生的電子在電場(chǎng)E的作用下朝著陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，由于電場(chǎng)強(qiáng)度很大，在極短的時(shí)間內(nèi)由于碰撞電離以及光電離會(huì)在電極之間產(chǎn)生自由電子組成的“云團(tuán)”即“電子崩”，如圖3中a所示，而存儲(chǔ)在電容上面的能量通過這種方式轉(zhuǎn)化為自由電子的動(dòng)能，從而導(dǎo)致電容兩端的電壓下降，電極兩端的電場(chǎng)降低，氣體電離速率降低；由Townsend氣體放電理論可知，正離子質(zhì)量遠(yuǎn)大于自由電子質(zhì)量，因此正離子對(duì)于放電的貢獻(xiàn)可以忽略[7]，表現(xiàn)在圖3中如圖3b，正離子在電場(chǎng)中幾乎沒有移動(dòng)，隨著氣體電離速率的降低，正離子和電子的復(fù)合開始加速，在兩個(gè)電極的中部正離子與電子濃度比較大，復(fù)合迅速進(jìn)行，同時(shí)能量以光子的形式釋放出去。在陽(yáng)極區(qū)自由電子數(shù)量明顯大于正離子數(shù)量，而在陰極恰恰相反，因此會(huì)在陰極與陽(yáng)極之間形成一個(gè)與電容產(chǎn)生電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)E1，如圖3c所示，該電場(chǎng)阻礙電子與正離子的復(fù)合引起放電震蕩；當(dāng)儲(chǔ)存在電容上的能量完全釋放，電場(chǎng)E變?yōu)?時(shí)，由正離子與自由電子形成的電場(chǎng)E1開始起主導(dǎo)作用，此時(shí)脈沖氙燈可以等效成一個(gè)電源對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行逆向充電，從而導(dǎo)致了脈沖氙燈的二次放電，這是放電產(chǎn)生震蕩的主要原因[8-10]。

圖3　放電過程分析

脈沖氙燈放電振蕩會(huì)影響燈的壽命以及放電的光效率；完全放電則光輸出能量最大，因?yàn)檎袷幨沟靡淮畏烹姴煌耆?，造成光能量輸出減弱，逆向放電還造成閃光脈沖不穩(wěn)定。

2　脈沖氙燈放電的實(shí)驗(yàn)測(cè)定

2.1實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過程

脈沖氙燈的充放電過程可以用示波器跟蹤測(cè)量，本文建立了如圖4所示的脈沖氙燈電特性分析系統(tǒng)。

圖4　放電檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)包括有脈沖氙燈、驅(qū)動(dòng)電源(自制)、示波器(Agilient 3000)、積分球和高速數(shù)據(jù)處理軟件，利用光學(xué)積分球測(cè)量脈沖氙燈的光脈沖，利用羅氏線圈采集脈沖電流信號(hào)，示波器得到的脈沖電壓、電流和光脈沖信號(hào)，通過USB連接到上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)同步脈沖觸發(fā)與信號(hào)采集。實(shí)驗(yàn)放電電容C=0.1μF，測(cè)試脈沖氙燈為Hamamatsu-L2440型10W球形燈，該燈弧長(zhǎng)為1.5mm，驅(qū)動(dòng)電源為自行設(shè)計(jì)，脈沖電壓500～1200V可調(diào)，脈沖頻率1～1000Hz可調(diào)。分別測(cè)試脈沖充電電壓在700V、800V、900V、1000V時(shí)電流、電壓以及光脈沖信號(hào)，得到放電特性曲線，實(shí)驗(yàn)觀察脈沖氙燈放電的整個(gè)過程。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.2.1脈沖電流測(cè)定

圖5為脈沖放電電流曲線，O點(diǎn)時(shí)高壓點(diǎn)火脈沖作用于電極使得電極發(fā)射電子和輻射出光電子，由于點(diǎn)火電壓高達(dá)7kV，此時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的干擾脈沖疊加在電流曲線上。OA段為脈沖氙燈預(yù)電離階段，這個(gè)階段電子被加速向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生光電離和碰撞電離，變現(xiàn)在電流信號(hào)尚有若干短脈沖。AB為氙氣電離、電子崩形成增大并到達(dá)峰值B。隨著電子濃度增大，電流迅速變大，儲(chǔ)存電能的快速消耗，電離的正離子與電子快速?gòu)?fù)合，腔室內(nèi)離子濃度急劇減小，電流由最大值B點(diǎn)快速下降，達(dá)到最低值C點(diǎn)。這個(gè)過程中電子與離子復(fù)合占主導(dǎo)，整個(gè)過程不到2μs。與理想放電不同的是，放電電流存在明顯的阻尼振蕩，振蕩產(chǎn)生的原因主要是放電過程中，電離的電子未能完全復(fù)合，儲(chǔ)能電容在一次放電過程中不能把所有能量全部釋放出去，造成對(duì)電容進(jìn)行二次充電。

圖5　放電電流曲線

由圖5中結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，充電電壓U越大，B、C兩點(diǎn)的電流也隨之增大，峰谷差越大，但是二者的比例變化不大，都在70%左右，說明放電電流的與充電電壓成比例的相應(yīng)變化，對(duì)氙燈負(fù)載來說，不同電壓條件下其電流振蕩過程基本是一致的。

2.2.2脈沖電壓的測(cè)定

圖6為脈沖氙燈放電電壓曲線，O點(diǎn)為預(yù)電離開始時(shí)的高壓脈沖干擾，OA為預(yù)電離光電子加速階段，由于電子數(shù)量有限，電場(chǎng)變化小，電壓基本沒變化，預(yù)電離發(fā)射的電子在高壓電場(chǎng)作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)；AB段的氣體放電階段，電子崩形成并增大，當(dāng)電子復(fù)合占主導(dǎo)時(shí)，能量急劇消耗，電壓值迅速降低，電流達(dá)到極大值。與脈沖電流一樣，電壓也出現(xiàn)了阻尼振蕩，不同放電電壓曲線形狀基本一致，不同的電壓值改變的是振蕩的幅度以及預(yù)電離時(shí)間的長(zhǎng)短。

圖6　放電電壓曲線

2.2.3光脈沖信號(hào)測(cè)定

圖7　氙燈發(fā)光光脈沖信號(hào)

圖7為脈沖氙燈光脈沖曲線，O點(diǎn)時(shí)光脈沖疊加高壓脈沖干擾為Sparker高壓觸發(fā)所致，在OA段預(yù)電離時(shí)，只有微弱光脈沖信號(hào)，以高能量的紫外光為主，高能電子在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生碰撞電離，直到B點(diǎn)時(shí)到達(dá)陽(yáng)極的電子與正電子復(fù)合輻射出光子，產(chǎn)生光脈沖，到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，電流最大，電壓最小，輻射光能量最高，消耗后的只有少量電子復(fù)合和少量光子發(fā)射，光信號(hào)也快速減小，光電檢測(cè)器上產(chǎn)生的光電信號(hào)也隨之降到最低。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，在C點(diǎn)之后又有一個(gè)次峰震蕩出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)與電流中的二次震蕩，可以推斷，逆向充放電造成光信號(hào)的震蕩，使得光脈沖加寬，二次發(fā)光和阻尼震蕩必然使得光脈沖不穩(wěn)定，所以在氙燈驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)盡量避免。

3　結(jié)論

利用量子理論與氣體放電理論采用簡(jiǎn)明的、半經(jīng)典的方法對(duì)脈沖氙燈放電過程進(jìn)行了理論研究，研究表明脈沖氙燈放電特性與燈內(nèi)自由電子的濃度、自由電子的動(dòng)能等有密切的關(guān)系；因此在實(shí)際設(shè)計(jì)脈沖氙燈驅(qū)動(dòng)電路時(shí)必須考慮輸入能量、電路參數(shù)對(duì)脈沖氙燈內(nèi)自由電子濃度及動(dòng)能的影響，選取表面電子發(fā)射率高的陰極，增大預(yù)電離時(shí)的電子濃度，提升發(fā)光能量。實(shí)驗(yàn)測(cè)定了脈沖放電過程中電流、電壓和光輸出脈沖的信號(hào)，分析了在放電各個(gè)階段各個(gè)信號(hào)的響應(yīng)過程，特別是給出了放電過程中阻尼振蕩，分析了其產(chǎn)生原因及對(duì)光信號(hào)的影響，振蕩會(huì)引起氙燈二次放電，加寬輸出光脈沖寬度，引起發(fā)光的不穩(wěn)定，同時(shí)離子反復(fù)沖擊電極會(huì)造成陰極濺射，影響燈的壽命，因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該采取必要措施減少和消除振蕩。

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Study on discharge process of high performance xeon flash lamp.

Zhao Youquan，Dong Pengfei,Miao Peiliang，Jiang Nan，Liu Xiao

(College of Precision Instrument and Optoeltctronics Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

The xeon flash lamp is a new type of light source for analytical instrument,this paper analyzed the discharge process of xenon flash lamp,presented the discharge test system,and developed an experimental measurement setup for the voltage,current and optical pulse signal.

light source；xeon flash lamp;discharge process;electron avalanche

趙友全，1970年出生，2002年畢業(yè)于天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，從事現(xiàn)代光學(xué)分析技術(shù)及儀器和環(huán)境在線分析儀器的研究，E-mail:zhaoyouquan@tju.deu.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.010

2015-11-11