高功率脈沖氙燈燈管的性能

陳 佳,邵若燕,崔新強(qiáng),郭向朝,劉建軍,李海兵

(中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高功率單元技術(shù)研發(fā)中心，上海 201800)

高功率脈沖氙燈燈管的性能

陳 佳*,邵若燕,崔新強(qiáng),郭向朝,劉建軍,李海兵

(中國科學(xué)院 上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 高功率單元技術(shù)研發(fā)中心，上海 201800)

研究了慣性約束聚變高功率激光驅(qū)動器使用的脈沖氙燈燈管(復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管)的光譜性能和抗沖擊性能。分別對新復(fù)合石英燈管、新?lián)解嬍艄?、放?4 000發(fā)次的復(fù)合石英燈管、放電14 000發(fā)次的摻鈰石英燈管進(jìn)行了光譜透過率測試和實驗對比。結(jié)果顯示：復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管光譜性能都達(dá)到了高功率脈沖氙燈燈管的光譜指標(biāo)，但摻鈰石英燈管光譜透過率比復(fù)合石英燈管高約1%。對復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管進(jìn)行了成分測試以驗證其光譜性能。結(jié)果表明：除鈰以外，摻鈰石英燈管的其他金屬雜質(zhì)含量均低于復(fù)合石英燈管，認(rèn)為其是摻鈰石英燈管光譜性能優(yōu)于復(fù)合石英燈管的一個原因。模擬了氙燈的放電運(yùn)行，分別對復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管進(jìn)行了動態(tài)抗沖擊性能測試。結(jié)果表明，復(fù)合石英燈管的抗沖擊性能較摻鈰石英燈管高約6%。

慣性約束聚變；高功率脈沖氙燈 ； 復(fù)合石英燈管；摻鈰石英燈管 ；透過率；抗沖擊性能

1 引 言

高功率激光驅(qū)動器作為慣性約束的驅(qū)動器的一種，獲得了廣泛地研究且進(jìn)展較快。高功率脈沖氙燈是高功率激光驅(qū)動器的主要光學(xué)元器件。當(dāng)高功率激光驅(qū)動器觸發(fā)時，數(shù)千支高功率脈沖氙燈同時閃亮，輸出多束高能激光，任何一支高功率脈沖氙燈失效都會嚴(yán)重影響激光的輸出。高功率脈沖氙燈的高效穩(wěn)定工作保證了多束組激光輸出的穩(wěn)定，并且它的光譜透光率在很大程度上能影響到激光器系統(tǒng)的增益[1-3]。高功率脈沖氙燈的光譜透過率主要取決于燈管的光譜性能。在高功率脈沖氙燈點燃時，氙燈燈管作為高功率脈沖氙燈的重要部分，承受著燈內(nèi)氣體放電引發(fā)的強(qiáng)光輻射、放電沖擊波與熱沖擊，當(dāng)燈管管壁承受的沖擊超過臨界時，燈管將會爆裂[4-6]。脈沖氙燈燈管必須具有優(yōu)良的抗沖擊性能。目前，高功率脈沖氙燈燈管主要有兩步法工藝生產(chǎn)的復(fù)合石英燈管和連續(xù)熔制工藝生產(chǎn)的摻鈰石英燈管。兩步法工藝采用高頻等離子體作熱源，石英粉料在等離子火焰下均勻熔化、沉積在旋轉(zhuǎn)且勻速平移的基礎(chǔ)管上，一層一層沉積，使基礎(chǔ)管的外徑逐漸增大，最終形成一定尺寸規(guī)格的石英砣坯。將石英砣毛坯經(jīng)過機(jī)械冷加工后，石英砣在熔爐的加熱區(qū)域內(nèi)熔化后，通過牽引使石英柱體縮小，調(diào)節(jié)牽引速度，拉制成所需尺寸的石英玻璃管。兩步法生產(chǎn)的復(fù)合石英燈管為雙層石英玻璃，內(nèi)層為石英玻璃，外層為摻鈰石英玻璃。連續(xù)熔制工藝是采用機(jī)械自動投料，石英粉料從上爐口進(jìn)料，在爐內(nèi)熔化后，在下料口處連續(xù)拉出石英玻璃[7]。兩種生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的石英燈管在光譜透過率和抗沖擊性能上存在一定差異，所以有必要對復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管的性能進(jìn)一步研究。

2 實驗與結(jié)果

2.1 脈沖氙燈燈管的光譜性能

2.1.1 新的脈沖氙燈燈管光譜的測試

本文分別選取了新的復(fù)合石英燈管樣片和摻鈰石英燈管樣片(厚度均為2.5 mm)，采用PerkinElmer Lambda 900 UV Spectrometer 光譜儀進(jìn)行200～1 000 nm的透過率測試。得到光譜透過率曲線如圖1所示。

圖1 新復(fù)合石英燈管和新?lián)解嬍艄艿耐高^率曲線Fig.1 Spectral transmittance curve of new composite quartz tube and the new cerium doped quartz lamp

從圖1可以看出，新的復(fù)合石英管和新的摻鈰石英管均達(dá)到燈管透過率指標(biāo)，在300 nm≥波長≥200 nm,透過率<3%；波長≥450 nm時，透過率均>92%。在波長≥450 nm時，摻鈰石英管透過率略高于復(fù)合石英管，摻鈰石英管的光譜性能優(yōu)于復(fù)合石英管。

2.1.2 放電實驗后高功率脈沖氙燈燈管光譜的測試

進(jìn)行放電考核試驗的復(fù)合石英燈管脈沖氙燈和摻鈰石英燈管脈沖氙燈尺寸均為：直徑48 mm，壁厚2.5 mm，電極間距1 850 mm 。脈沖氙燈放電實驗電學(xué)參數(shù)：工作電壓為22.8 KV,峰值電流平均值為23.4 KA,峰值功率平均值為306 MW,峰值功率底寬平均值為459 μs，進(jìn)燈能量/路為45 KJ，放電時間間隔約為5 min 。復(fù)合石英燈管脈沖氙燈和摻鈰石英燈管脈沖氙燈各一組通過了14 000發(fā)次放電考核實驗。

分別選取一支經(jīng)過14 000發(fā)次放電實驗的復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管解剖，得到壁厚2.5 mm的復(fù)合石英燈管樣片、摻鈰石英燈管樣片，采用PerkinElmer Lambda 900 UV Spectrometer 光譜儀分別進(jìn)行200～1 000 nm的透過率測試，得到光譜透過率曲線如圖2所示。

圖2 14 000發(fā)次復(fù)合石英燈管和14 000發(fā)次摻鈰石英燈管的透過率曲線Fig.2 Spectral transmittance curve of 14 000 shots composite quartz tube and 14 000 shots cerium doped quartz lamp tube

從圖2可以看出，復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管在放電14 000發(fā)次后，摻鈰石英燈管可見光區(qū)域光譜透過率略高于復(fù)合石英燈管。綜合圖1可以看出，在波長≥450 nm時，復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管光譜透過率均有明顯下降。復(fù)合石英燈管光譜透過率從92%左右下降到90%左右，摻鈰石英燈管光譜透過率從93%下降到91%左右。

2.1.3 復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管摻雜微量元素含量的測試

使用電感耦合等離子體——發(fā)射光譜測試(ICP ) 對新復(fù)合石英燈管1#、新?lián)解嬍艄?#、14000發(fā)次復(fù)合石英燈管3#、14000發(fā)次摻鈰石英燈管4#，進(jìn)行元素分析，得到Al、Ca、Ce、Ba、Fe、Ti在1#、2#、3#、4#樣品中的含量。

表1 新復(fù)合管、新?lián)解嫻堋?4 000發(fā)次復(fù)合管、14 000發(fā)次摻鈰管微量元素的含量Tab.1 Content of trace elements in the new composite quartz tube, the new cerium doped quartz tube, 14 000 shots composite quartz tube and 14 000 shots cerium doped quartz lamp tube

通過表可以看出，1#樣品Al、Ca、Ba、Ti的含量較2#樣品都高，3#樣品Al、Ca、Ba、Ti的含量較4#樣品都高，可以看出1#樣品Ce的含量較2#樣品低，3#樣品Ce的含量較4#樣品低，說明復(fù)合石英管除Ce以外的金屬雜質(zhì)含量高于摻鈰石英管，復(fù)合石英管Ce含量低于摻鈰石英管。Ti和Ce在石英管中主要以TiO2、CeO2形式存在。含鈰離子的石英管在200～400 nm波段對紫外有吸收，在320 nm處存在一個很強(qiáng)的吸收峰。摻鈰石英管是在H2下熔制的，在800～1 100 ℃時，有Ce4+Ce3+，Ce4+向Ce3+轉(zhuǎn)變，吸收峰向長波方向移動，Ce4+濾紫外的效果比Ce3+更為顯著[8,9]。復(fù)合石英燈管中Ce元素含量低于摻鈰石英燈管，且摻鈰石英燈管Ce4+向Ce3+轉(zhuǎn)變率更高，所以復(fù)合石英燈管吸收率更高，透過率低于摻鈰石英燈管。TiO2在石英管的含量能影響截紫波長范圍，當(dāng)TiO2含量增高時，截紫波長向長波方向移動[8,9]。復(fù)合石英燈管中TiO2含量高于摻鈰石英燈管，復(fù)合石英燈管截紫波長相對于摻鈰石英燈管向長波方向移動，則復(fù)合石英燈管長波方向透過率會低于摻鈰石英燈管。鈰含量高于復(fù)合石英管，除鈰以外的金屬雜質(zhì)含量低于復(fù)合石英燈管，是摻鈰石英燈管光譜性能優(yōu)于復(fù)合石英燈管的一個原因。

2.2 脈沖氙燈燈管的抗沖擊性能

復(fù)合石英燈管脈沖氙燈和摻鈰石英燈管脈沖氙燈均通過了14 000發(fā)次放電考核，證明復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管抗沖擊性能都能達(dá)到氙燈燈管的技術(shù)指標(biāo)。為更確切的比較復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管抗沖擊性能，需要對燈管進(jìn)一步的研究。

2.2.1 模擬氙燈放電運(yùn)行

高功率脈沖氙燈放電時，燈內(nèi)氣體產(chǎn)生的徑向沖擊波超過燈管抗沖擊臨界值時能導(dǎo)致燈管壁炸裂。模擬氙燈放電運(yùn)行：脈沖大電流放電會引起金屬絲在水中爆炸。當(dāng)長的金屬絲瞬間通以高峰值脈沖電流時會迅速汽化，其蒸汽體積劇烈膨脹產(chǎn)生類似氣體放電燈在大功率脈沖驅(qū)動下瞬間導(dǎo)通形成放電溝道并立即快速擴(kuò)大的現(xiàn)象[10-13]。將金屬絲置于密閉的石英管中，管內(nèi)充滿水，在高峰值脈沖電流通過時金屬絲汽化并產(chǎn)生沖擊波，利用水的不可壓縮性，此放電沖擊波從金屬絲位置快速傳遞至石英管。當(dāng)放電的電壓超過臨界值時，燈管抗沖擊波性能也超過極限強(qiáng)度，燈管將發(fā)生爆裂。通過動態(tài)實驗,改變放電電壓，得出摻鈰石英管和復(fù)合石英管的抗沖擊性能。模擬氙燈放電實驗裝置圖原理如圖3所示。

圖3 模擬氙燈放電實驗裝置圖原理圖Fig.3 Simulation of xenon lamp discharge experiment device principle diagram

2.2.2 氙燈燈管抗沖擊性能測試

選取直徑為48 mm，壁厚2.5 mm，長200 mm的復(fù)合石英燈管和摻鈰石英燈管各3段,進(jìn)行抗沖擊性能實驗。通過改變電壓得到以下數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 不同電壓下燈管損壞情況Tab.2 Lamp tube damage under different voltage

表2中放電能量通過E=1/2CV2[6]計算所得，其中C為儲能電容46 μF，V為放電電壓。從表2中可以得出，摻鈰石英燈管在放電電壓為3.35 kV時，燈管承受的能量為258 J,燈管能承受放電產(chǎn)生的沖擊波；復(fù)合石英燈管在放電電壓為3.5 kV時，燈管承受的能量為282 J,燈管能承受放電產(chǎn)生的沖擊波。當(dāng)電壓為3.5 KV時，摻鈰石英燈管爆裂，可知摻鈰石英燈管爆裂的臨界電壓約為3.5 KV,承受的能量約為282 J；當(dāng)電壓為3.6 KV時，復(fù)合石英燈管爆裂，可知復(fù)合石英燈管爆裂的臨界電壓約為3.6 KV,承受的能量約為298 J。通過比較，復(fù)合石英燈管抗沖擊性能優(yōu)于摻鈰石英燈管。

3 結(jié) 論

通過比對新復(fù)合石英燈管、新?lián)解嬍艄?、放?4 000發(fā)次的復(fù)合石英燈管、放電14 000發(fā)次的摻鈰石英燈管的光譜透過率，發(fā)現(xiàn)復(fù)合石英燈管、摻鈰石英燈管都滿足(300 nm≥波長≥200 nm,透過率<3%；波長≥450 nm時，透過率均>92%)的氙燈燈管光譜指標(biāo)。在波長≥450 nm時，新的摻鈰石英管透過率略高于新的復(fù)合石英管，放電14 000發(fā)次的摻鈰石英燈管光譜透過率比放電14 000發(fā)次的復(fù)合石英管高約1%。摻鈰石英管的光譜性能優(yōu)于復(fù)合石英管。鈰含量高于復(fù)合石英管，除鈰以外的金屬雜質(zhì)含量低于復(fù)合石英燈管，是摻鈰石英燈管光譜性能優(yōu)于復(fù)合石英燈管的一個原因。 模擬氙燈放電運(yùn)行，得到了動態(tài)石英燈管抗沖擊性能的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合石英燈管抗沖擊性能較摻鈰石英燈管高約6%。

[1] POWELL H T, EELANDSON A C, JANCAITIST K S. Characterization of high power flashlamps and application to Nd: Glass laser pumping[J].Proc.SPIE, 1986, 609: 78-94.

[2] POWELL H T, ERLANDSON A C, JANCAITISAT K S,etal.. Flashlamp pumping of Nd: glass disk amplifers [J].SPIE, 1990, 1277: 103-120.

[3] NIKOLAEVSKII V G, GERASIMOV V A. Flashlamp exploitation in high-powered Nd: glass laser for ICF[J].Proc.SPIE, 1995, 2633: 583-586.

[4] 李海兵 胡麗麗，林文正，等.脈沖氙燈用截紫外石英玻璃管性能的研究[J]. 中國激光,2004,31(6). LI H B,HU L L,LIN W ZH,etal..Study on properties of cerium-doped silica glass tube for xenon flash lamp[J].ChineseJournalofLasers,2004,31(6).(inChinese)

[5] REHMET M.Xenon lamps.[J].IEEPROC,1980,127(3).

[6] 《脈沖氙燈》編寫組，脈沖氙燈[D].上海人民出版社，1975:115-141. 《 Xenon flash lamp》Editors,Xenonflashlamp[D]. Shanghai:Shanghai People's Publishing House, 1975:115-141.(in Chinese)

[7] 王玉芬，劉連城.石英玻璃[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. WANG Y F,LIU L CH.SilicaGlasses[M]. Beijing: Chemical Industry Press,2008.(in Chinese)

[8] 顧真安 摻鈰石英玻璃的光譜吸收和發(fā)光性能[J]. 硅酸鹽學(xué)報 ，1983,11 (4). GU ZH A.Spectrum absorption and luminescence properties of cerium dopded silica glass. [J] .JournaloftheChineseCeramicSociety，1983,11 (4).(inChinese)

[9] 錢志真，宋國偉.電光源用摻鈰-鈦電熔無臭氧石英玻璃管的研制[J].玻璃與搪瓷；1992,04. QIAN ZH ZH,SONG G W. Electromelted Quartz Glass Tubes Doped with Ce-Ti for Making Non-Ozone Light [J].Glass&Enamel,1992,04.(inChinese)

[10] 周慶，張俊，譚向宇,等. 銅絲水中電爆炸的實驗[C].中國核科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報告，2009. ZHOU Q,ZHANG J, TAN X Y,etal..Wire electrical explosion experiments in water[C].ReportontheprogressofnuclearscienceandtechnologyinChina,2009.(inChinese)

[11] 張標(biāo)，張興權(quán)，王海榮,等. 管材無凹模激光沖擊波沖孔數(shù)值模擬[J].模具工業(yè)，2011，37(11)，30-32. ZHANG B,ZHANG X Q,WANG H R,etal..Numerical simulation of Piercing free of die on pipevia laser shock wave[J].Mouldindustry，2011，37(11)，30-32. (inChinese)

[12] 賀紅亮，經(jīng)福謙，金孝剛,等. 沖擊波極端條件下玻璃的細(xì)觀結(jié)構(gòu)破壞[J].高壓物理學(xué)報，1998，12(4)：241-249. HE H L,JING F Q,JIN X G,etal..Microstructure damage of glasses under shock wave compression[J].Chinesejournalofhighpressurephysics,1998，12(4)：241-249.(inChinese)

[13] 寧心，李曉炎，楊志煥,等. 水下沖擊波和空氣沖擊波傳播速度及物理參數(shù)的對比研究[J].解放軍醫(yī)學(xué)雜志，2004，29(2)，97-99. NING X,LI X Y,YANG ZH H,etal.. A comparative study propagation speed and physical parameters of underwater blast wave and air blast wave[J].MedJChinPLA,Vol 29(2)，2004,97-99.(in Chinese)

Spectra of high power pulsed xenon lamp tubes and their impact resistances

CHEN Jia*,SHAO Ruo-yan,CUI Xin-qiang,GUO Xiang-chao,LIU Jian-jun,LI Hai-bing

(ShanghaiInstitueofOpticsandFineMechanics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai,201800,China) *Correspondingauthor,E-mail:occassional28@sina.com

This paper focuses on the spectral properties and the impact resistances of composite quartz tubes and cerium doped quartz tubes used in the driving optical components of Inertial Confinement Fusion (ICF) laser facility. The spectral transmittances were tested on the selected samples, new composite quartz tube, new cerium doped quartz tube, 14 000 shot composite quartz tube and 14 000 shot cerium doped quartz lamp tube and their spectral properties were compared. It show that the spectral properties of the composite quartz tube and cerium doped quartz tube have all reached spectral index of the high power pulse xenon lamp，and the spectral propeprty of cerium doped quartz tube is about 1% higher than that of composite quartz tube. A composition test of composite quartz tube and cerium doped quartz tube was carried out to verify the tested results.It indicates that the content of metal impurities in cerium doped quartz tube is lower than that of composite quartz tube, which is one of the reasons to explain the phenomenon mentioned above. Finally, the xenon lamp discharge operation was simulated, the impact resistance tests for the composite quartz tube and the cerium doped quartz tube were carried out. The experimental result demonstrates that the shock resistance of the composite quartz tube is about 6% higher than that of cerium doped quartz tube.

Inertial confinement fusion; high power pulsed xenon lamp; composite quartz tube;cerium doped quartz tude; transmissivity; Shock resistance

2016-10-11；

2016-11-12.

國家重大科技專項資助項目(No.1429071A00)

1004-924X(2016)12-2988-05

TM923.323

:Adoi:10.3788/OPE.20162412.2988

陳 佳(1982-)，男，江西上饒人，碩士，助理研究員，2009年于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所獲得碩士學(xué)位，主要從事高功率脈沖氙燈制作工藝的研究。E-mail:occassional28@sina.com