高功率脈沖氙燈燈管的性能

陳 佳,邵若燕,崔新強,郭向朝,劉建軍,李海兵

(中國科學院 上海光學精密機械研究所 高功率單元技術研發中心，上海 201800)

高功率脈沖氙燈燈管的性能

陳 佳*,邵若燕,崔新強,郭向朝,劉建軍,李海兵

(中國科學院 上海光學精密機械研究所 高功率單元技術研發中心，上海 201800)

研究了慣性約束聚變高功率激光驅動器使用的脈沖氙燈燈管(復合石英燈管和摻鈰石英燈管)的光譜性能和抗沖擊性能。分別對新復合石英燈管、新摻鈰石英燈管、放電14 000發次的復合石英燈管、放電14 000發次的摻鈰石英燈管進行了光譜透過率測試和實驗對比。結果顯示：復合石英燈管和摻鈰石英燈管光譜性能都達到了高功率脈沖氙燈燈管的光譜指標，但摻鈰石英燈管光譜透過率比復合石英燈管高約1%。對復合石英燈管和摻鈰石英燈管進行了成分測試以驗證其光譜性能。結果表明：除鈰以外，摻鈰石英燈管的其他金屬雜質含量均低于復合石英燈管，認為其是摻鈰石英燈管光譜性能優于復合石英燈管的一個原因。模擬了氙燈的放電運行，分別對復合石英燈管和摻鈰石英燈管進行了動態抗沖擊性能測試。結果表明，復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

高功率激光驅動器作為慣性約束的驅動器的一種，獲得了廣泛地研究且進展較快。高功率脈沖氙燈是高功率激光驅動器的主要光學元器件。當高功率激光驅動器觸發時，數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重影響激光的輸出。高功率脈沖氙燈的高效穩定工作保證了多束組激光輸出的穩定，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，承受著燈內氣體放電引發的強光輻射、放電沖擊波與熱沖擊，當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的復合石英燈管和連續熔制工藝生產的摻鈰石英燈管。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、沉積在旋轉且勻速平移的基礎管上，一層一層沉積，使基礎管的外徑逐漸增大，最終形成一定尺寸規格的石英砣坯。將石英砣毛坯經過機械冷加工后，石英砣在熔爐的加熱區域內熔化后，通過牽引使石英柱體縮小，調節牽引速度，拉制成所需尺寸的石英玻璃管。兩步法生產的復合石英燈管為雙層石英玻璃，內層為石英玻璃，外層為摻鈰石英玻璃。連續熔制工藝是采用機械自動投料，石英粉料從上爐口進料，在爐內熔化后，在下料口處連續拉出石英玻璃[7]。兩種生產工藝生產的石英燈管在光譜透過率和抗沖擊性能上存在一定差異，所以有必要對復合石英燈管和摻鈰石英燈管的性能進一步研究。

2 實驗與結果

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 新復合石英燈管和新摻鈰石英燈管的透過率曲線Fig.1 Spectral transmittance curve of new composite quartz tube and the new cerium doped quartz lamp

從圖1可以看出，新的復合石英管和新的摻鈰石英管均達到燈管透過率指標，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合石英管，摻鈰石英管的光譜性能優于復合石英管。

2.1.2 放電實驗后高功率脈沖氙燈燈管光譜的測試

進行放電考核試驗的復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參數：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，進燈能量/路為45 KJ，放電時間間隔約為5 min 。復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發次放電考核實驗。

分別選取一支經過14 000發次放電實驗的復合石英燈管和摻鈰石英燈管解剖，得到壁厚2.5 mm的復合石英燈管樣片、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發次復合石英燈管和14 000發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，復合石英燈管和摻鈰石英燈管在放電14 000發次后，摻鈰石英燈管可見光區域光譜透過率略高于復合石英燈管。綜合圖1可以看出，在波長≥450 nm時，復合石英燈管和摻鈰石英燈管光譜透過率均有明顯下降。復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——發射光譜測試(ICP ) 對新復合石英燈管1#、新摻鈰石英燈管2#、14000發次復合石英燈管3#、14000發次摻鈰石英燈管4#，進行元素分析，得到Al、Ca、Ce、Ba、Fe、Ti在1#、2#、3#、4#樣品中的含量。

表1 新復合管、新摻鈰管、14 000發次復合管、14 000發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，說明復合石英管除Ce以外的金屬雜質含量高于摻鈰石英管，復合石英管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+轉變率更高，所以復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TiO2含量增高時，截紫波長向長波方向移動[8,9]。復合石英燈管中TiO2含量高于摻鈰石英燈管，復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。鈰含量高于復合石英管，除鈰以外的金屬雜質含量低于復合石英燈管，是摻鈰石英燈管光譜性能優于復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發次放電考核，證明復合石英燈管和摻鈰石英燈管抗沖擊性能都能達到氙燈燈管的技術指標。為更確切的比較復合石英燈管和摻鈰石英燈管抗沖擊性能，需要對燈管進一步的研究。

2.2.1 模擬氙燈放電運行

高功率脈沖氙燈放電時，燈內氣體產生的徑向沖擊波超過燈管抗沖擊臨界值時能導致燈管壁炸裂。模擬氙燈放電運行：脈沖大電流放電會引起金屬絲在水中爆炸。當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生類似氣體放電燈在大功率脈沖驅動下瞬間導通形成放電溝道并立即快速擴大的現象[10-13]。將金屬絲置于密閉的石英管中，管內充滿水，在高峰值脈沖電流通過時金屬絲汽化并產生沖擊波，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度，燈管將發生爆裂。通過動態實驗,改變放電電壓，得出摻鈰石英管和復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的復合石英燈管和摻鈰石英燈管各3段,進行抗沖擊性能實驗。通過改變電壓得到以下數據，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,燈管能承受放電產生的沖擊波；復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,燈管能承受放電產生的沖擊波。當電壓為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；當電壓為3.6 KV時，復合石英燈管爆裂，可知復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，復合石英燈管抗沖擊性能優于摻鈰石英燈管。

3 結 論

通過比對新復合石英燈管、新摻鈰石英燈管、放電14 000發次的復合石英燈管、放電14 000發次的摻鈰石英燈管的光譜透過率，發現復合石英燈管、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。在波長≥450 nm時，新的摻鈰石英管透過率略高于新的復合石英管，放電14 000發次的摻鈰石英燈管光譜透過率比放電14 000發次的復合石英管高約1%。摻鈰石英管的光譜性能優于復合石英管。鈰含量高于復合石英管，除鈰以外的金屬雜質含量低于復合石英燈管，是摻鈰石英燈管光譜性能優于復合石英燈管的一個原因。 模擬氙燈放電運行，得到了動態石英燈管抗沖擊性能的數據，發現復合石英燈管抗沖擊性能較摻鈰石英燈管高約6%。

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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年于中國科學院上海光學精密機械研究所獲得碩士學位，主要從事高功率脈沖氙燈制作工藝的研究。E-mail:occassional28@sina.com