小型球形脈沖氙燈光譜分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)定

翟瑞偉， 趙友全， 苗佩亮， 姜 楠， 江 磊， 劉 瀟， 徐巧艷

天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院， 天津 300072

小型球形脈沖氙燈光譜分析與實(shí)驗(yàn)測(cè)定

翟瑞偉， 趙友全*， 苗佩亮， 姜 楠， 江 磊， 劉 瀟， 徐巧艷

天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院， 天津 300072

作為分析儀器和醫(yī)療儀器光源， 脈沖氙燈的光譜特性直接影響著儀器的整體性能。 為了研究脈沖氙燈放電回路參數(shù)及幾何參數(shù)對(duì)其光譜特性的影響， 利用氣體放電理論分析了脈沖氙燈發(fā)光過程， 設(shè)計(jì)了光譜檢測(cè)系統(tǒng)， 實(shí)驗(yàn)測(cè)定了脈沖氙燈在不同放電參數(shù)下的光譜特性。 結(jié)果表明： 脈沖氙燈光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成， 連續(xù)譜有離子復(fù)合和韌致輻射產(chǎn)生， 線狀譜由電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生。 相對(duì)光譜輻射能量隨著放電電壓升高呈近似線性增長(zhǎng)、 并隨著儲(chǔ)能電容的變大而變大。 在放電電壓較低時(shí)， 弧長(zhǎng)較短時(shí)相對(duì)光譜輻射能量較大； 在放電電壓較大時(shí)， 弧長(zhǎng)越長(zhǎng)相對(duì)光譜輻射能量越大。 對(duì)于脈沖氙燈工作參數(shù)選取以及應(yīng)用生產(chǎn)具有重要的意義。

光源； 脈沖氙燈； 光譜特性； 相對(duì)光譜輻射能量； 放電回路參數(shù)

引 言

小型短弧球形脈沖氙燈由于其瞬時(shí)功率大， 光譜范圍寬、 紫外特性好， 尺寸小、 產(chǎn)熱低， 易操作等特點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、 醫(yī)療器械以及多種分析儀器中[1]。 脈沖氙燈光譜強(qiáng)度分布是反映脈沖氙燈性能的關(guān)鍵指標(biāo)。 不同的應(yīng)用對(duì)脈沖氙燈的光譜特性有著不同的要求。 在土壤養(yǎng)分測(cè)定分析儀里， 主要應(yīng)用了脈沖氙燈紫外可見光譜[2]； 在水質(zhì)分析以及油污顆粒檢測(cè)領(lǐng)域， 則希望增強(qiáng)脈沖氙燈紫外光譜占比[3-4]； 而在汽車光源以及攝影燈領(lǐng)域， 則希望增強(qiáng)可見區(qū)能量， 并削減紫外輻射以減少對(duì)人體和環(huán)境的影響[5-6]。 研究脈沖氙燈發(fā)光機(jī)理， 以及其光譜特性與放電回路電路參量、 氙燈幾何參量間的關(guān)系， 對(duì)于提高脈沖氙燈發(fā)光效率， 擴(kuò)大應(yīng)用范圍非常重要。

國(guó)內(nèi)外對(duì)氙燈的放電光譜已經(jīng)有了很多研究， 但是主要集中在長(zhǎng)弧大功率脈沖氙燈以及連續(xù)氙燈的研究上。 Gonzc研究了連續(xù)氙燈和脈沖氙燈發(fā)光效率與電流密度之間的關(guān)系， 指出電流密度在一定程度上控制著氙弧的光譜特性[7]； Gusinow主要研究了激光泵浦用大功率脈沖氙燈紫外波段極限發(fā)光效率問題[8]， 并說明在脈沖氙燈里增加某些雜質(zhì)可以導(dǎo)致250～300 nm光譜范圍內(nèi)的輻射增加； Baksht等研究了大電流脈沖氙燈的光譜特性以及發(fā)光機(jī)理[9]； 而對(duì)短弧球形脈沖氙燈同放電電路參數(shù)以及燈的幾何參數(shù)之間關(guān)系的研究較少， 且現(xiàn)有文獻(xiàn)缺乏對(duì)脈沖氙燈發(fā)光機(jī)理及光譜特性深入的分析。

結(jié)合氣體放電理論對(duì)脈沖氙燈發(fā)光過程以及光譜分布特性進(jìn)行了深入分析。 設(shè)計(jì)脈沖氙燈控制裝置， 利用積分球和光譜儀搭建脈沖氙燈光譜檢測(cè)系統(tǒng)。 通過改變放電回路參數(shù)， 檢測(cè)得到了不同型號(hào)脈沖氙燈光譜特性， 并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和討論。

1 發(fā)光過程與光譜特點(diǎn)

脈沖氙燈發(fā)光是伴隨著放電過程產(chǎn)生的。 脈沖氙燈放電可分為預(yù)電離和主放電兩個(gè)過程[10]。 在預(yù)電離過程中， 觸發(fā)回路產(chǎn)生高壓脈沖， 電火花線圈首先放電產(chǎn)生紫外線， 各電極由于場(chǎng)致發(fā)射和光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子， 在陰極和陽(yáng)極之間逐漸形成一個(gè)非常細(xì)小的由自由電子和氙正離子組成的放電溝道。 隨之， 脈沖氙燈進(jìn)入主放電過程。 在主放電電容的高壓作用下， 氙正離子和自由電子分別朝向陰極和陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。 自由電子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)和氙原子發(fā)生碰撞電離， 逐步形成電子崩[11]。 產(chǎn)生電子的數(shù)目為

(1)

其中n0為陰極發(fā)射出來的初始電子數(shù)，α為碰撞電離系數(shù)， 即沿電場(chǎng)方向， 單位長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生的電子數(shù)。α和電場(chǎng)E有關(guān)， 關(guān)系見式(2)[12]

(2)

其中λ是指電子的平均自由程，Ui為氣體分子的電離單位。

在氙原子電離的過程中伴隨著自由電子和正離子的復(fù)合。 復(fù)合過程發(fā)射光子形成連續(xù)譜， 同時(shí)能級(jí)躍遷形成線狀譜。

(3)

由于自由電子的動(dòng)能可以為任意值， 因此復(fù)合光譜為連續(xù)譜。 韌致輻射是指等離子體中自由電子動(dòng)能發(fā)生變化時(shí)也能輻射光子， 發(fā)射光子的能量為

(4)

復(fù)合釋放的功率有如下關(guān)系[13]

(5)

其中，Z為原子序數(shù)，ne為電子濃度，Te為電子溫度。 此種情況下電子由自由態(tài)變?yōu)槭`態(tài)， 被稱為f-b過程。

韌致輻射的功率的關(guān)系為[13]

(6)

此種情況下電子是從自由態(tài)到另一個(gè)自由態(tài)， 被稱為f-f過程。

將式(5)和式(6)進(jìn)行比較可得

(7)

在脈沖氙燈放電過程中， 氣體同時(shí)存在電離和復(fù)合過程， 平衡狀態(tài)下， 電離數(shù)目和復(fù)合數(shù)目相等， 這種狀態(tài)的電離度可由Saha方程表示[15]

(8)

其中α為電離度， 即α=ni/n，n為粒子數(shù)，ni為電離粒子數(shù)，p是氣壓，T是溫度，Wi為電離能，K是玻爾茲曼常數(shù)。

從式(7)可知， 原子序數(shù)越大， 電子溫度越低，f-p對(duì)連續(xù)譜的貢獻(xiàn)越大。 而電子溫度可由式(8)進(jìn)行估算。 對(duì)于脈沖氙燈，f-p過程占連續(xù)譜的主要部分。

線狀光譜是由電子的能級(jí)躍遷產(chǎn)生的， 復(fù)合后的電子并未直接回到基態(tài)， 而是在激發(fā)態(tài)能級(jí)停留一段時(shí)間。 對(duì)于氙原子來說， 其激發(fā)態(tài)能級(jí)有很多個(gè)， 相應(yīng)能級(jí)躍遷的路徑也有很多個(gè)， 表現(xiàn)在光譜上， 線狀譜也有很多個(gè)。 但是對(duì)于Xe的所有線狀譜而言， 其強(qiáng)度差別很大， 原因在于電子在有些激發(fā)態(tài)能級(jí)停留的時(shí)間比較長(zhǎng)， 而有的比較短， 所以發(fā)生躍遷的電子數(shù)目會(huì)有很大差別， 發(fā)射出不同頻率的光子的數(shù)目差別也比較大。

2 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)裝置包括脈沖氙燈控制盒， 氙燈電源， 脈沖氙燈， 積分球， 光纖， 光譜儀以及上位機(jī)等部分組成。 氙燈經(jīng)電源驅(qū)動(dòng)閃光后， 經(jīng)積分球勻光， 通過光纖傳至光譜儀。 光譜儀在計(jì)算機(jī)的控制下將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析和處理。 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 脈沖氙燈實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖

脈沖氙燈控制器為自行研制， 控制著脈沖氙燈的關(guān)停， 放電電壓的調(diào)整， 并同步光譜儀的工作。 氙燈采用濱松C5728電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 積分球?yàn)榻饘僮龀傻膬?nèi)部空心的球， 球的內(nèi)表面均勻噴涂一層具有郎伯漫射特性的材料， 氙燈在積分球內(nèi)閃光后， 光線經(jīng)多次漫反射就形成了一個(gè)理想的漫射源， 可以消除光源發(fā)光的不均勻性所帶來的影響， 使球內(nèi)任意點(diǎn)的照度只是球的幾何尺寸、 涂層的漫反射比、 氙燈輻射通量的函數(shù)， 而與幾何位置無(wú)關(guān)[15]。 積分球作為脈沖氙燈容器也起到自然光隔離的作用。 光譜儀采用高靈敏度、 高UV響應(yīng)以及高動(dòng)態(tài)范圍的Maya2000 Pro， 通過上位機(jī)控制， 使其在外觸發(fā)模式下工作， 和脈沖氙燈的閃光保持同步。

檢測(cè)的脈沖氙燈為濱松小功率球形脈沖氙燈。 其特性如表1所示。 HQ和SQ的區(qū)別在于電極材料和充氣氣壓不同。

分別對(duì)四種脈沖氙燈進(jìn)行光譜采集， 并剔除背景噪聲。 儲(chǔ)能電容分別設(shè)置為0.033， 0.063和0.1 μF。 放電電壓為450～975 V， 每隔25 V采集一次。

表1 實(shí)驗(yàn)用脈沖氙燈性制參數(shù)

3 結(jié)果與討論

圖2為L(zhǎng)2440氙燈在儲(chǔ)能電容C=0.063 μF， 放電電壓U為700 V時(shí)的光譜曲線。 觀察可知， 脈沖氙燈光譜由連續(xù)譜和線狀譜組成， 各個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的相對(duì)光譜值相差比較大， 線狀譜有很多個(gè)。 其他三種燈的光譜曲線和L2440類似。

圖2 L2440在C=0.1 μF， U=700 V時(shí)的相對(duì)光譜分布曲線

下面具體分析放電電壓、 儲(chǔ)能電容以及電極間距等參數(shù)對(duì)脈沖氙燈光譜的影響。

由于實(shí)際采集的光譜數(shù)據(jù)無(wú)法直觀的反映光譜的變化趨勢(shì)， 現(xiàn)采用以下參數(shù)對(duì)光譜進(jìn)行評(píng)價(jià)。

相對(duì)光譜輻射能量： 由于脈沖氙燈總能量等于各種波長(zhǎng)光子能量的總和， 由光譜儀CCD工作原理可知， 某一波長(zhǎng)的光譜數(shù)據(jù)Rλ和該波長(zhǎng)光強(qiáng)成正比。 則脈沖氙燈在200～1 200 nm范圍內(nèi)， 光譜輻射總能量Q和Rλ關(guān)系為

(9)

由于光譜儀采集到的光譜數(shù)據(jù)為離散的， 因而

(11)

對(duì)Q進(jìn)行歸一化， 使其以式(2)表示， 此時(shí)Q為一個(gè)相對(duì)值， 稱之為相對(duì)光譜輻射能量。

(12)

圖3是儲(chǔ)能電容為0.1 μF時(shí)， 四種脈沖氙燈相對(duì)光譜輻射能量Q隨電壓變化的曲線圖。 以L4644為例，Q隨著放電電壓U的升高而增大， 并與放電電壓U有著嚴(yán)格的線性關(guān)系。 當(dāng)電壓升高時(shí)， 電場(chǎng)強(qiáng)度E變大， 在自由電子運(yùn)動(dòng)距離不變的情況下， 自由電子能量升高， 由式(2)可知， 碰撞電離系數(shù)α變大， 則產(chǎn)生的自由電子數(shù)n變大， 參與復(fù)合的離子數(shù)目增多， 相對(duì)光譜輻射能量增強(qiáng)。 其他三種燈與電壓的關(guān)系為二次關(guān)系， 但二次項(xiàng)系數(shù)比較小， 光譜能量隨電壓變化趨勢(shì)接近直線。 對(duì)L4644同樣可以進(jìn)行二次擬合， 擬合系

圖3 光譜能量與電壓的關(guān)系(C=0.1 μF)

數(shù)依然很大， 達(dá)到0.999 3， 二次系數(shù)較小。 因此， 脈沖氙燈的光譜輸出能量與電壓呈二次關(guān)系。 在儲(chǔ)能電容C為0.033 μF時(shí)具有相同結(jié)果如圖4所示。

圖4 光譜能量與電壓的關(guān)系(C=0.033 μF)

圖5、 圖6和圖7分別是L2440， L4640以及L4644在不同電容下的相對(duì)光譜輻射能量。 對(duì)比三張圖可知， 隨著放電電容的增大相對(duì)光譜輻射能量變大。 由于脈沖氙燈放電回路可近似為RLC放電過程， 其中R為動(dòng)態(tài)值， 在放電開始時(shí)R為無(wú)窮大， 等離子體形成后R值趨于0。 當(dāng)C增大時(shí)， 放電時(shí)間即電離持續(xù)的時(shí)間變長(zhǎng)， 因而產(chǎn)生的自由電子數(shù)變多， 相對(duì)光譜輻射能量也會(huì)隨之變大。

圖5 L2440脈沖氙燈輻射能量與電容的關(guān)系

圖6 L4640脈沖氙燈輻射能量與電容的關(guān)系

圖7 L4644脈沖氙燈輻射能量與電容的關(guān)系

圖8 L4640/L4644輻射能量與弧長(zhǎng)的關(guān)系(C=0.063 μF)

圖9 L2440/L2359輻射能量與弧長(zhǎng)的關(guān)系(C=0.063 μF)

圖8為L(zhǎng)4640和L4644隨電壓的增長(zhǎng)關(guān)系對(duì)比圖。 圖9為L(zhǎng)2359和L2440隨電壓的增長(zhǎng)關(guān)系對(duì)比圖。 L4640和L4644的區(qū)別和L2440與L2359的區(qū)別一樣， 都在于電極間距即弧長(zhǎng)不同。

由圖可知， 圖中兩條曲線有交點(diǎn)(圖8中兩條曲線延長(zhǎng)的話也會(huì)有交點(diǎn))， 在放電電壓較小時(shí)， 弧長(zhǎng)短的燈相對(duì)光譜輻射能量較大， 在放電電壓較大時(shí)， 弧長(zhǎng)長(zhǎng)的燈的相對(duì)光譜輻射能量較大。 弧長(zhǎng)變長(zhǎng)會(huì)引起兩方面的變化： 一是電壓不變， 電場(chǎng)強(qiáng)度變小； 二是等離子體電阻R會(huì)變大， 造成放電時(shí)間變長(zhǎng)。 由式(2)可知， 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度變小時(shí)， 碰撞電離系數(shù)變小， 根據(jù)式(1)， 電離產(chǎn)生的自由電子變小， 從而導(dǎo)致參與復(fù)合發(fā)光和韌致輻射發(fā)光的自由電子變小， 相對(duì)光譜輻射能量變小。 如果放電時(shí)間變長(zhǎng)， 產(chǎn)生的自由電子變多， 相對(duì)光譜輻射能量變大。 相對(duì)光譜輻射能量隨弧長(zhǎng)的變化便是二者相互作用的結(jié)果。 由式(2)可知， 隨著放電電壓的增大， 電場(chǎng)強(qiáng)度E增大ΔE， 而ΔE隨著E的增大對(duì)碰撞電離系數(shù)α的影響變小， 放電時(shí)間對(duì)相對(duì)光譜輻射能量的影響占優(yōu)， 從而放電電壓較大時(shí)， 弧長(zhǎng)長(zhǎng)的燈的相對(duì)光譜輻射能量較大。 由于充氣氣壓的不同， 造成兩種燈內(nèi)自由電子的平均自由程不同， 因而兩幅圖中交點(diǎn)的位置不同。

4 結(jié) 論

以氣體放電理論為基礎(chǔ)， 從微觀的角度分析了脈沖氙燈的發(fā)光過程以及光譜特點(diǎn)。 脈沖氙燈發(fā)光主要發(fā)生在主放電階段， 在預(yù)電離階段只有微弱的電火花。 脈沖氙燈光譜主要包括連續(xù)譜和線狀譜。 連續(xù)譜主要由自由電子和離子的復(fù)合， 以及韌致輻射產(chǎn)生， 二者所占的比重和電子濃度以及電子溫度相關(guān)。 線狀譜是由處于不同能級(jí)的電子躍遷產(chǎn)生， 且線狀譜有很多個(gè)， 強(qiáng)度差別很大。 設(shè)計(jì)了脈沖氙燈光譜特性檢測(cè)系統(tǒng)， 詳細(xì)測(cè)定了不同型號(hào)的脈沖氙燈在不同放電電壓、 儲(chǔ)能電容下的光譜曲線， 并分析了相對(duì)光譜能量隨放電電壓、 儲(chǔ)能電容以及電極間距的變化關(guān)系。 結(jié)果表明： 相對(duì)光譜輻射能量隨著放電電壓升高呈近似線性增長(zhǎng)、 并隨著儲(chǔ)能電容的變大而變大。 并且在放電電壓較低時(shí)， 弧長(zhǎng)較短時(shí)相對(duì)光譜輻射能量較大； 在放電電壓較大時(shí)， 弧長(zhǎng)越長(zhǎng)相對(duì)光譜輻射能量越大。

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*Corresponding author

Study on the Spectral Characteristics of Xeon Flash Lamp and Experimental Measurement

ZHAI Rui-wei， ZHAO You-quan*， MIAO Pei-liang， JIANG Nan， JIANG Lei， LIU Xiao， XU Qiao-yan

College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Xenon flash lamp is used by most analytical instruments and medical equipments as light sources whose spectral characteristics exert a tremendous influence on the property of instruments and medical equipments. In order to study the effects of pulsed Xenon discharge circuit parameters and geometric parameters on the spectral characteristics, theoretical analysis has been conducted to Xenon lamp emitting process with the gas discharge theory. The spectroscopic detection system has been designed to conduct experimental detection to the spectral characteristics of pulsed Xenon lamp with different parameters. The experimental results show that the emission spectra of Xenon flash lamp contain both line and continuous radiation. The line spectrum results from the electron energy gap transition, while the cw radiation related to ionic recombination and bremsstrahlung. The relative spectral intensity increases linearly with the discharge voltage, and has a positive correlation with storage capacitor. When low discharge voltage, the shorter the arc length, the higher the relative spectral intensity .while the discharge voltage becomes higher, the result is reversed. The work in this paper has great significance for xenon flashlamp on the parameters selection and industrial application.

Light source; Xeon flash lamp; Spectral characteristic; The relative spectral intensity; Discharge loop parameters

Aug. 26, 2014; accepted Jan. 28, 2015)

2014-08-26，

2015-01-28

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11074134)， 國(guó)家重大科學(xué)儀器項(xiàng)目(2011YQ15004008)， 天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(10ZCKFSH02200)資助

翟瑞偉， 1990年生， 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院研究生 e-mail: zrw6352187@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: zhaoyouquan@tju.edu.cn

TH744.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2674-05