Импульсные ксеноновые лампы. Техника, эксперимент, расчет
Покупка
Новинка
Тематика:
Усилительные и импульсные устройства
Год издания: 2011
Кол-во страниц: 88
Дополнительно
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- ВО - Специалитет
- 11.05.01: Радиоэлектронные системы и комплексы
- 11.05.02: Специальные радиотехнические системы
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
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