高性能脈沖氙燈放電過程分析及實驗研究

趙友全　董鵬飛　苗佩亮　姜　楠　劉　瀟

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，天津 300072)

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高性能脈沖氙燈放電過程分析及實驗研究

趙友全董鵬飛苗佩亮姜楠劉瀟

(天津大學精密儀器與光電子工程學院，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，設計了放電測試系統，實驗測定了放電過程中的電壓、電流和光脈沖信號。結果表明：在預電離階段自由電子濃度較低，能量較低；氣體放電階段燈內形成電子崩，使得自由電子濃度的增大，放電電流迅速上升，電壓下降；離子復合時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合電子能量、氙氣復合能級有直接關系，當輸入能量與氙燈的能耗不一致的時候，將導致充電電容反復充放電而是電路產生阻尼振蕩。本文對于理解脈沖氙燈的閃爍光發射過程，優化放電回路設計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光強度大，紫外光譜強以及高壽命的優點，目前已經在固體激光器中廣泛應用。短弧球形脈沖氙燈由于具有體積小,易點燃，無需預熱等優點被越來越多的應用于水質監測、土壤分析以及醫療化工領域[1-3]。

脈沖氙燈在放電過程中存在明顯的振蕩情況，國內外眾多文獻對此展開過相關研究取得了一定的成果，但多數研究是針對于電路展開，利用傳統的電學知識進行現象解釋。本質上脈沖氙燈充放電是個極其復雜的過程，需要從電子量子形成與傳播來分析，已有的一些研究對此不夠深入，例如陳佳在研究脈沖氙燈放電電阻時并未對放電振蕩進行詳細解釋而僅僅提到未達到臨界阻尼狀態，王磊專門分析了脈沖氙燈放電過程中的振蕩現象但并未對振蕩產生的根本原因進行分析，國外如Dishington等人在研究過程中也都碰到了不同程度的振蕩現象[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生振蕩的原因對于研究其對氙燈發光的影響以及消除振蕩都具有重要意義，本文在電學回路分析的基礎之上，結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生的原因、影響因素以及由于振蕩產生的影響，并進行了放電實驗，驗證了理論分析結果。通過本文工作，可以更好的理解脈沖氙燈振蕩產生的原因，對于脈沖氙燈制造、驅動電源設計和工作性能評價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實物圖與結構示意圖，脈沖氙燈放電過程實質為燈管內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生自由電子與自由電子復合兩個過程，為了加速氣體電離，燈室內安置有紫外預電離Sparker探針，通過極間高壓電離產生初始始源電子，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中模型有兩個電極、一個電容組成，電極間距為d，電容兩端電壓為U，極板間電場強度為E。

脈沖氙燈放電是由預電離開始的，預電離產生的電子在電場E的作用下朝著陽極運動，由于電場強度很大，在極短的時間內由于碰撞電離以及光電離會在電極之間產生自由電子組成的“云團”即“電子崩”，如圖3中a所示，而存儲在電容上面的能量通過這種方式轉化為自由電子的動能，從而導致電容兩端的電壓下降，電極兩端的電場降低，氣體電離速率降低；由Townsend氣體放電理論可知，正離子質量遠大于自由電子質量，因此正離子對于放電的貢獻可以忽略[7]，表現在圖3中如圖3b，正離子在電場中幾乎沒有移動，隨著氣體電離速率的降低，正離子和電子的復合開始加速，在兩個電極的中部正離子與電子濃度比較大，復合迅速進行，同時能量以光子的形式釋放出去。在陽極區自由電子數量明顯大于正離子數量，而在陰極恰恰相反，因此會在陰極與陽極之間形成一個與電容產生電場方向相反的電場E1，如圖3c所示，該電場阻礙電子與正離子的復合引起放電震蕩；當儲存在電容上的能量完全釋放，電場E變為0時，由正離子與自由電子形成的電場E1開始起主導作用，此時脈沖氙燈可以等效成一個電源對儲能電容進行逆向充電，從而導致了脈沖氙燈的二次放電，這是放電產生震蕩的主要原因[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，因為振蕩使得一次放電不完全，造成光能量輸出減弱，逆向放電還造成閃光脈沖不穩定。

2　脈沖氙燈放電的實驗測定

2.1實驗裝置與實驗過程

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

圖4　放電檢測系統示意圖

系統包括有脈沖氙燈、驅動電源(自制)、示波器(Agilient 3000)、積分球和高速數據處理軟件，利用光學積分球測量脈沖氙燈的光脈沖，利用羅氏線圈采集脈沖電流信號，示波器得到的脈沖電壓、電流和光脈沖信號，通過USB連接到上位計算機進行數據處理，整個系統由計算機控制實現同步脈沖觸發與信號采集。實驗放電電容C=0.1μF，測試脈沖氙燈為Hamamatsu-L2440型10W球形燈，該燈弧長為1.5mm，驅動電源為自行設計，脈沖電壓500～1200V可調，脈沖頻率1～1000Hz可調。分別測試脈沖充電電壓在700V、800V、900V、1000V時電流、電壓以及光脈沖信號，得到放電特性曲線，實驗觀察脈沖氙燈放電的整個過程。

2.2實驗結果與討論

2.2.1脈沖電流測定

圖5為脈沖放電電流曲線，O點時高壓點火脈沖作用于電極使得電極發射電子和輻射出光電子，由于點火電壓高達7kV，此時將產生一個很強的干擾脈沖疊加在電流曲線上。OA段為脈沖氙燈預電離階段，這個階段電子被加速向陽極運動，產生光電離和碰撞電離，變現在電流信號尚有若干短脈沖。AB為氙氣電離、電子崩形成增大并到達峰值B。隨著電子濃度增大，電流迅速變大，儲存電能的快速消耗，電離的正離子與電子快速復合，腔室內離子濃度急劇減小，電流由最大值B點快速下降，達到最低值C點。這個過程中電子與離子復合占主導，整個過程不到2μs。與理想放電不同的是，放電電流存在明顯的阻尼振蕩，振蕩產生的原因主要是放電過程中，電離的電子未能完全復合，儲能電容在一次放電過程中不能把所有能量全部釋放出去，造成對電容進行二次充電。

圖5　放電電流曲線

由圖5中結果還可以發現，充電電壓U越大，B、C兩點的電流也隨之增大，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變化，對氙燈負載來說，不同電壓條件下其電流振蕩過程基本是一致的。

2.2.2脈沖電壓的測定

圖6為脈沖氙燈放電電壓曲線，O點為預電離開始時的高壓脈沖干擾，OA為預電離光電子加速階段，由于電子數量有限，電場變化小，電壓基本沒變化，預電離發射的電子在高壓電場作用下向陽極運動；AB段的氣體放電階段，電子崩形成并增大，當電子復合占主導時，能量急劇消耗，電壓值迅速降低，電流達到極大值。與脈沖電流一樣，電壓也出現了阻尼振蕩，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電離時間的長短。

圖6　放電電壓曲線

2.2.3光脈沖信號測定

圖7　氙燈發光光脈沖信號

圖7為脈沖氙燈光脈沖曲線，O點時光脈沖疊加高壓脈沖干擾為Sparker高壓觸發所致，在OA段預電離時，只有微弱光脈沖信號，以高能量的紫外光為主，高能電子在向陽極運動過程中發生碰撞電離，直到B點時到達陽極的電子與正電子復合輻射出光子，產生光脈沖，到達C點時，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合和少量光子發射，光信號也快速減小，光電檢測器上產生的光電信號也隨之降到最低。從圖7中可以發現，在C點之后又有一個次峰震蕩出現，對應與電流中的二次震蕩，可以推斷，逆向充放電造成光信號的震蕩，使得光脈沖加寬，二次發光和阻尼震蕩必然使得光脈沖不穩定，所以在氙燈驅動系統設計中應當盡量避免。

3　結論

利用量子理論與氣體放電理論采用簡明的、半經典的方法對脈沖氙燈放電過程進行了理論研究，研究表明脈沖氙燈放電特性與燈內自由電子的濃度、自由電子的動能等有密切的關系；因此在實際設計脈沖氙燈驅動電路時必須考慮輸入能量、電路參數對脈沖氙燈內自由電子濃度及動能的影響，選取表面電子發射率高的陰極，增大預電離時的電子濃度，提升發光能量。實驗測定了脈沖放電過程中電流、電壓和光輸出脈沖的信號，分析了在放電各個階段各個信號的響應過程，特別是給出了放電過程中阻尼振蕩，分析了其產生原因及對光信號的影響，振蕩會引起氙燈二次放電，加寬輸出光脈沖寬度，引起發光的不穩定，同時離子反復沖擊電極會造成陰極濺射，影響燈的壽命，因此在實際應用中，應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年畢業于天津大學精密儀器與光電子工程學院生物醫學工程專業，從事現代光學分析技術及儀器和環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