Импульсные ксеноновые лампы. Техника, эксперимент, расчет

Московский государственный технический университет
имени Н. Э. Баумана

А. С. Камруков, А. И. Кулебякина

Импульсные ксеноновые лампы

Техника, эксперимент, расчет

Под редакцией Н. П. Козлова

Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н. Э. Баумана в качестве учебного пособия по курсу
«Конструирование и расчет промышленных лазерных установок»

Москва
Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана
2011

УДК 537.52(075.8)
ББК 22.333
К18

Камруков А. С.
К18
Импульсные ксеноновые лампы. Техника, эксперимент, расчет :
учеб. пособие / А. С. Камруков, А. И. Кулебякина. — М. : Изд-во
МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. — 85, [3] с. : ил.
Рассмотрены основные области применения, конструктивные особенности и эксплуатационные характеристики импульсных ксеноновых ламп,
инженерные методы расчета параметров электротехнического контура ламп,
термодинамических, переносных и оптических свойств низкотемпературной неидеальной ксеноновой плазмы и спектрально-яркостных характеристик. Даны рекомендации по выбору оптимальных режимов работы
импульсных трубчатых ламп и примеры расчета параметров плазмы и рабочих характеристик ламп, применяемых для решения практических задач.
Для студентов специальности «Плазменные энергетические установки», может быть полезно при выполнении курсовых и дипломных проектов
по курсам «Экологические плазменные установки», «Плазменные медицинские аппараты», «Конструирование и расчет плазменных медицинских
и экологических установок», а также инженерам и аспирантам, специализирующимся в области разработок плазменных источников излучения
и плазменно-оптических технологий.

УДК 537.52(075.8)
ББК 22.333

c⃝ МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011

Предисловие

Импульсная лампа — это газоразрядный, как правило отпаянный, прибор, предназначенный для получения импульсов интенсивного оптического излучения с помощью сильноточного импульсного разряда в газах.
Исторически первые потребности в мощных световых вспышках малой длительности были связаны с появлением фотографии
(30-е годы XIX в.). Начало использованию электрического искрового разряда как импульсного источника света для скоростной
фотографии положил Фокс Тальбот (английский патент 1850 г.).
До 1930-х годов импульсные электроразрядные источники света
(на основе открытых искровых разрядов и разрядов в трубках,
наполненных парами ртути) не выходили за пределы научных лабораторий.
Первая импульсная лампа, в которой использовался сильноточный импульсный разряд в инертных газах, т. е. импульсная лампа
в ее современном представлении, была запатентована Г. Эджертоном в 1931 г. С тех пор во многих странах стали проводиться интенсивные научные исследования и конструкторско-технологческие
разработки таких ламп, а с конца 1940-х годов налажено их серийное производство. В СССР работы в области импульсных ламп
появились в начале 1940-х годов — С. Я. Богданов, К. С. Вульфсон
(1941 г.) и И. С. Маршак (1942 г.) [1].
Как уже указывалось, первые импульсные лампы предназначались для решения задач общей и специальной фотографии. В дальнейшем спектр их практического применения постоянно расширялся. В настоящее время их широко применяют в измерительной
технике (стробоскопы), световой сигнализации (импульсные маяки,
бортовые самолетные огни), локации и оптической связи, в устройствах автоматики и телемеханики, фотохимии (флэш-фотолиз),

3

полиграфии,
полупроводниковой
промышленности
(подготовка
и очистка поверхностей, фотолитография).
Сильнейшим фактором, повлиявшим на развитие техники и технологии импульсных ламп, стало создание в 1960 г. лазеров, для
накачки которых требовались мощные источники излучения видимого и ультрафиолетового диапазонов спектра.
В последние годы интерес к высокоинтенсивным импульсным
источникам излучения снова вырос в связи с возможностями реализации с их помощью принципиально новых оптических технологий в экологии (очистка и обеззараживание воды, воздуха, поверхностей), медицине (импульсная оптическая терапия), биологии
и др. [2].
Цель учебного пособия — дать будущим инженерам-физикам,
конструкторам и разработчикам, специализирующимся в области
исследований, разработок и применения плазменных источников
излучения и плазменно-оптических технологий, необходимый минимум сведений по основным физическим и инженерным принципам создания мощных импульсных ксеноновых ламп, обоснованному выбору рабочих режимов, расчету и оптимизации.
Пособие состоит из двух разделов. В первом рассмотрены конструктивные особенности, схемы включения и эксплуатационные
характеристики импульсных трубчатых ксеноновых ламп. Приведены экспериментальные данные по основным параметрам плазмы
и излучательным свойствам ламп.
Второй раздел посвящен инженерным методам расчета параметров электротехнического контура импульсных ламп, термодинамических, переносных и оптических свойств низкотемпературной
неидеальной ксеноновой плазмы и спектрально-яркостных характеристик лампы в целом. Приведены рекомендации по выбору оптимальных режимов работы импульсных трубчатых ламп.
В заключении перечислены актуальные задачи, решаемые с помощью импульсных ламп, особое внимание уделено прогрессивным плазменно-оптическим технологиям, также затронуты вопросы
дальнейшего
совершенствования
технического
исполнения
и теоретического описания перспективных источников излучения.

1. Общие сведения об импульсных
газоразрядных лампах

1.1. Особенности разряда, классификация и обозначение

В импульсных газоразрядных лампах создается сильноточный
дуговой разряд. При этом электрическая энергия вводится в среду
в течение короткого промежутка времени (10−5 ...10−3 с), в результате чего достигается чрезвычайно высокая удельная мощность
энерговклада, позволяющая реализовать широкий диапазон термодинамических параметров и состояний электроразрядной плазмы
и обеспечить высокоинтенсивный характер генерируемого излучения. Плотность потоков импульсного излучения может достигать
нескольких десятков киловатт с квадратного сантиметра излучающей площади при полной импульсной мощности на уровне десятков — сотен мегаватт. При этом средние потребляемые такими
лампами электрические мощности (мощности «от розетки»), определяющие размеры и стоимость источника питания, составляют
всего лишь десятки — сотни ватт.
Конструктивно импульсные газоразрядные лампы делят на трубчатые и шаровые.
У трубчатых ламп расширение плазмы ограничивается стенками колбы. Форма колбы лампы может быть прямая цилиндрическая,
спиральная, U-образная, кольцевая (Ω-образная), коаксиальная и др.
У шаровых ламп колбы не обязательно имеют форму шара;
для них характерны малый объем области разряда (короткая —
несколько миллиметров — дуга) и стабилизация дуги электродами,
а не стенкой. Ограничение расширения плазмы в шаровых лампах обеспечивается высоким начальным давлением газа (3...7 атм)
и короткой длительностью разряда (10−7 ...10−5 с). Разработанные
на сегодняшний день шаровые лампы в основном предназначе
5

ны для работы в стробоскопических режимах — режимах с малой
энергией отдельных вспышек (0,01...0,1 Дж) и большой частотой
следования импульсов (400...6000 Гц).
Внешний вид некоторых импульсных ламп показан на рис. 1.1.
По назначению импульсные лампы подразделяют на фотоосветительные, накачки и стробоскопические (строботроны), что
обусловлено предельными режимами эксплуатации. В большинстве
случаев лампы взаимозаменяемы.
Фотоосветительный режим характеризуется большой энергией одиночной вспышки, ограниченной возможностью пропускания
электродами лампы больших разрядных токов и прочностью колбы.
Для ламп накачки существенны как энергия вспышки, так и возможность работы с высокой частотой повторения импульсов (десятки герц), поэтому они отличаются, как правило, высокой средней
электрической мощностью.
Особенностью стробоскопических ламп по сравнению с фотоосветительными и накачки является сравнительно небольшая мощность, рассеиваемая без перегрева при непрерывной работе, и малые потребляемые токи. В стробоскопическом режиме импульсные
лампы дают большое число вспышек за секунду (до нескольких килогерц).
Тип лампы, конструкция и основное назначение находят свое отражение в специфическом обозначении ламп, например: ИФП-800,
ИНП-7/120, ИСШ-100-3 и т. п.
Первая буква в обозначении И — импульсная — общая для всех
ламп.
Вторая буква указывает назначение лампы:
Ф — фотоосветительная (одиночные вспышки);
С — стробоскопическая;
Н — лампы для накачки лазеров.
Третья обозначает конструкцию лампы:
П — прямая;
К — компактная (обычно U-образная);
Ш — шаровая.
Число после букв характеризует предельно допустимый режим,
при котором гарантируется определенный срок службы. Для фото
6

а

б

в

г

Рис. 1.1. Трубчатые импульсные лампы:

а — ИСП-5000; б — ИНП-16/120 (16/250; 16/580; 16/850); в — конфигурации импульсных трубчатых ламп (кольцевая, U-образная, спиральная); г — U-образная
трубчатая лампа с намотанной проволочкой — электродом поджига

7

осветительных ламп это число соответствует энергии одиночной
вспышки (ИФП-800 — 800 Дж), для стробоскопических — средней
мощности, рассеиваемой в лампе (ИСШ-120 — 120 Вт). Дополнительные цифры, входящие в обозначение некоторых ламп, показывают номер конструктивного варианта.
Для ламп, предназначенных для накачки лазеров (типа ИНП),
числа после буквенных символов указывают внутренний диаметр
колбы ламп и длину межэлектродного промежутка в миллиметрах
(например, ИНП-7/80 — внутренний диаметр колбы лампы 7 мм,
межэлектродное расстояние 80 мм).

1.2. Конструктивные особенности
трубчатых импульсных ламп

Трубчатая импульсная лампа представляет собой, как правило, цилиндрическую трубку из прозрачного оптического материала
(внутренний диаметр d = 3...20 мм, длина межэлектродного промежутка l = 50...1000 мм) с запаянными по концам вольфрамовыми
электродами (см. рис. 1.1)1. Толщина стенки колбы обычно составляет ∼ 1 мм, для ламп с d > 12 — 1,25...1,5 мм. Увеличение толщины
стенки более 2 мм не желательно, так как при этом прочностные
свойства лампы изменяются несущественно, а температурные градиенты при ее работе резко возрастают, что приводит к появлению
термических трещин и ускоренному износу колбы.
Оболочки ламп изготавливают из боросиликатного или кварцевого стекла.
Боросиликатное стекло отличается невысокой термической
стойкостью (предельная рабочая температура 200 ◦C) и непрозрачно в ультрафиолетовой области, поэтому используется в лампах
с малой средней электрической мощностью, предназначенных в основном для осветительных (фотовспышки) и сигнальных целей.

1В современных фотокамерах применяют импульсные ксеноновые лампы
с внутренним диаметром 1,5...2 мм и длиной межэлектродного промежутка
несколько миллиметров. Наиболее распространенные прямые импульсные лампы
имеют внутренний диаметр 5...9 мм и световую длину 100...300 мм. Стоимость
таких ламп (с кварцевой оболочкой) варьируется от 80 до 300 долл. США.

8

Кварцевое стекло обладает целым рядом уникальных свойств.
Его коэффициент термического расширения исключительно мал
(в 20 раз меньше, чем у боросиликатного стекла и многих металлов). Низкий коэффициент термического расширения кварца
обусловливает его необычайно высокую термостойкость2 — допустимые рабочие температуры ламп с оболочками из кварцевого
стекла составляют ∼ 800 ◦C3. Температура размягчения кварца также весьма высока: ∼ 1700 ◦C. Это потенциально позволяет эксплуатировать кварцевые импульсные лампы на высоком уровне средней
электрической мощности (киловаттный диапазон).
В отличие от обычного стекла, состоящего из смеси разных
компонентов, кварцевое состоит только из оксида кремния (SiO2)
в аморфной форме, а количество примесей других химических элементов чрезвычайно мало. Поэтому кварцевое стекло обладает широким спектром пропускания, простирающимся от вакуумного ультрафиолета до средней инфракрасной области.
Оптические свойства различных сортов кварца определяются
исходным сырьем и технологией изготовления. Различают обычный плавленый кварц, получаемый путем плавления природных
разновидностей кремнезема — кварцевых песков, жильного кварца
и горного хрусталя, синтетический кварц и легированный кварц.
Обычное кварцевое стекло из кварцевого песка имеет коротковолновую границу пропускания ∼ 190...210 нм. Синтетический кварц
(зарубежные марки типа Suprasil) и кварцевое стекло отечественных марок КУ-1, КУВИ и КС-4В пропускают ультрафиолетовое
излучение вплоть до длины волны 155 нм.
Легированное кварцевое стекло применяют в импульсных лампах для отсечки ультрафиолетового излучения, которое нежелательно для ряда применений. В частности, ультрафиолетовое излучение
с длинами волн короче 350...380 нм приводит к быстрой деградации активных сред неодимовых лазеров, ускоренному старению полимерных конструкционных материалов и резиновых уплотнений,

2Нагретая до красного свечения кварцевая трубка не разрушается при быстром
погружении в воду.
3При более высоких температурах начинается процесс рекристаллизации кварца, и его прочностные характеристики резко снижаются.

9

а излучение с
l < 220 нм — к образованию в воздухе высокотоксичного газа — озона.
Легирование кварцевого стекла проводят оксидами титана (коротковолновая граница пропускания 220 нм) и оксидами церия (отсечка излучения с
l < 350...380 нм).
В инфракрасной части спектра прозрачность кварца так же высока, как и в ультрафиолетовой. Для излучений с длиной волны менее
3,6 мкм кварц почти совершенно прозрачен. При больших длинах
волн прозрачность уменьшается, а при 5 мкм она уже очень мала.
На рис. 1.2 показаны кривые пропускания синтетического кварца и боросиликатного стекла, а для сравнения спектры пропускания
воздуха и дистиллированной воды [1].
Газовое наполнение лампы. Большинство импульсных ламп
заполняется спектрально чистым ксеноном, обеспечивающим максимальную эффективность преобразования электрической энергии
в излучение практически во всем диапазоне длин волн (из-за большой атомной массы и низкого потенциала ионизации), а также наибольшую долговечность (при равных давлениях скорость распыления материала электродов в ксеноне наименьшая).
В лампах для накачки неодимовых лазеров часто используют
вместо ксенона криптон из-за лучшего согласования линейчатого
спектра криптона со спектром поглощения лазерного материала.
Выбор давления ксенона обычно основывается на компромиссе
между стремлением обеспечить наибольшую световую эффективность лампы и наименьшее напряжение ее зажигания (обычные
трубчатые лампы) или наименьшую вероятность взрыва колбы (шаровые лампы и высоковольтные трубчатые лампы для фотохимии
с ультракороткой длительностью вспышки).
Для большинства трубчатых фотоосветительных, сигнальных
ламп и ламп накачки с внутренним диаметром колбы 5...20 мм начальное давление газа составляет 300...600 мм рт. ст.4 (стандартное
∼ 400 мм рт. ст.). При давлении выше 300 мм рт. ст. световая отдача
ламп практически не увеличивается, долговечность несколько по
4Как правило, меньшие давления выбирают для б´ольших диаметров и длин
межэлектродного промежутка.

10