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Experimentelle Untersuchung der Antiablationsleistung einer in Xenonlampen verwendeten Wolframkathod

2023-02-01

Impuls-Xenon-Lampe ist ein Gerät, das elektrische Energie in Form von Impulsentladung in Strahlungsenergie umwandelt. Die im Kondensator gespeicherte Energie wird in Form einer Gasentladung durch die Lampenröhre in kurzer Zeit freigesetzt und in der Lampenröhre entsteht ein Hochtemperaturplasma. , um Strahlung mit hoher Helligkeit zu erzeugen, die den Wirkstoff anregt, hat die gepulste Xenonlampe die Eigenschaften einer großen Lichtmenge, einer kurzen Blitzzeit und einer guten spektralen Leistung [1-2]. Es gibt viele Faktoren, die die Lebensdauer der Xenonlampe beeinflussen, wie z. B. die Kathode, die Quarzglasröhre, die Verpackungstechnologie, die Größe der Xenonlampe usw., und die meisten Lampenschäden werden durch Verschleiß und Ausfall verursacht der Kathode [3 -4 ]. Wolframelektroden können als Elektroden für Pumplampen im Bereich photoelektrischer Stromquellen verwendet werden. Die Elektroden bestimmen die Lebensdauer der Schweißnaht, die elektrischen Parameter und die StartleistungLampen und spielen eine entscheidende Rolle für deren Leistung (insbesondere Lebensdauer) [5].

Derzeit werden auf dem Markt häufig Thorium-Wolfram-, Barium-Wolfram- und Cer-Wolfram-Materialien mit hohem Schmelzpunkt, hoher Elektronenemissionsrate und schwierigem Sputtern verwendet. Die in den letzten Jahren entwickelten Seltenerd-Wolfram-Verbundelektroden mit mehreren Elementen haben die Vorteile einer guten Elektronenemissionsleistung und einer guten Ablationsbeständigkeit, und diese Elektroden sind am meisten E3 (W-La-Y-Zr). Dieser Artikel testet und analysiert die Antiablationsleistung verschiedener selbst entwickelter Mehrkomponenten-Seltenerd-Wolframelektroden und wählt die Wolframkathode mit der besten Leistung aus.

1 Test

Der Test misst mit einer gepulsten Xenonlampe das Leistungspaar E3, La-W 1, La -W2- und Er-Xenonlampen, die mit vier Arten von Mehrelement-Seltenerd-Wolframkathoden installiert waren, wurden für viele verwendetBeleuchtungstests. Die Testparameter waren: Spannung 3000 V, Frequenz 3 Hz, Kapazität 23 μF. Anschließend wurden eine Energiespektrumanalyse (EDS) und eine SEM-Beobachtung der Oberflächenmorphologie an den getesteten Elektroden durchgeführt und metallographische Proben wurden präpariert, um den Rekristallisationsstatus zu beobachten. Die im Test verwendete Xenonlampe wurde von Shanghai Yaopu Photoelectric Technology Co., Ltd. hergestellt. Die Testausrüstung umfasst ein PXTP-202A-Xenonlampen-Testnetzteil und eine PXTP-Xenonlampen-Testbox. Die Anzahl und Zusammensetzung der vier Proben sind in Tabelle 1 aufgeführt.

2 Ergebnisse und Diskussion

2.1 Makroskopische Morphologie der Röhrenwand der Xenonlampe

Nachdem die gepulste Xenonlampe eine gewisse Zeit lang verwendet wurde, erscheint die Röhrenwand schwarz, weiß, rissig usw., Verringerung der Lichtleistung, Erhöhung der Zündspannung, springt nicht normal an und verliert dadurch seinen Gebrauchswertinstabile Arbeit. Manchmal kommt es sogar zu Explosionen [4, 6-7]. Der Hauptfaktor, der die Lebensdauer der Xenonlampe beeinflusst, ist, dass der Kathodenbereich aufgrund von Elektrodenzerstäubung oder verdampften Ablagerungen schwarz wird, was zu einem ernsthaften Verlust der Transparenz der Lampenröhre und einer Verringerung der Lichtleistung führt [8]. Abbildung 1 ist ein Foto nach 1.000.000 Belichtungen. Die Abbildung zeigt, dass die Röhrenwände verschiedener Xenonlampen unterschiedlich stark geschwärzt sind. Zweitens hat die La-W2-Xenonlampe die kürzeste schwarze Länge. Das Sputtern oder Verdampfen an der Rohrwand schwärzt nicht nur die Rohrwand und beeinträchtigt die Lichtausbeute der Xenonlampe, sondern absorbiert auch mehr ionisierende Strahlung, wodurch sich das Quarzglasrohr lokal aufheizt und das Quarzglasrohr nach dem Abkühlen unter Spannung steht auf der Innenfläche der Röhre entstehen und sogar Risse entstehen, die die mechanische Festigkeit der Quarzlampenröhre ernsthaft beeinträchtigenaufgehoben. Daraus lässt sich vorläufig ableiten, dass die Lebensdauer der La-W2-Xenonlampe höher ist als die anderer Xenonlampen, während die Lebensdauer der Er-W-Xenonlampe am kürzesten ist.

2.2 Analyse der Röhrenwandzusammensetzung

Abbildung 1 zeigt, dass nach dem Zünden der Xenonlampe eine Röhrenwand in der Nähe ist die Kathode haftet an Schichtablagerungen, je näher an der Kathode desto mehr Ablagerungen. Fang Qinghua [9] dachte, dass das Ausgasen der Elektrode während des Erhitzens die Hauptursache für das Sputtern ist, das Gas in der Elektrode seine Leistung ändert, die Austrittsarbeit zunimmt und die Wolframelektrode leicht oxidiert, so dass WO2 und WO3 leicht sputtern , wodurch die Röhrenwand schwarz wird, was letztendlich die Lebensdauer der Lampe verkürzt. Um die Zusammensetzung des gesputterten Materials an der Röhrenwand zu bestimmen, wurde eine Energiespektrumanalyse an der Röhrenwand der Xenonlampe durchgeführt, wie in Abbildung 2 gezeigtDer Graph zeigt, dass die Ablagerung tendenziell kugelförmig ist. , und es gibt viele Ablagerungen auf der Er-W-Elektrode. Reunion, andere Arten von Xenon-Röhrenwandablagerungen sind geringer. Die Analyse des Energiespektrums zeigt, dass die Ablagerungen auf der Oberfläche der Rohrwand hauptsächlich W, O und C enthalten und C das Verunreinigungselement darin ist. Durch Kombinieren der obigen Analyse kann festgestellt werden, dass die Ablagerungen hauptsächlich aus Wolfram und Wolframoxiden bestehen.

Um die Komponenten des gesputterten Materials an der Rohrwand weiter zu analysieren, wurde eine XPS-Analyse durchgeführt. Abbildung 3 ist die XPS-Analyse der Röhrenwand der Er-W-Xenonlampe. Aus dem vollständigen Spektrum in Abbildung 3(a) ist ersichtlich, dass die Hauptkomponenten der Röhrenwand W, O, C und Si sind, wobei Si die Zusammensetzung der Glasröhre ist und die Spitzenposition von C 284,8 eV beträgt. , das C auf diesem Peak wird als umweltschädlicher Kohlenstoff bezeichnet, der als Verunreinigungselement angesehen werden kann, daher sind die Ablagerungenund hauptsächlich W und O. Fig. 3(b) ist das 4d-Spitzenspektrum von Wolfram. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die 4d ​​5/2-Peakposition der Kurve a 243,4 eV beträgt und die 4d ​​3/2-Peakposition 256,1 eV beträgt, was zu dem für WO charakteristischen Peakspektrum gehört; Die Spitzenposition von 4d 5/2 ist 247,5 eV und die Spitzenposition von 4d 3/2 ist 260,3 eV, was nahe an der Spitzenspektrumcharakteristik von W6+ liegt. Daher kann festgestellt werden, dass die Ablagerungen an der Rohrwand der Xenonlampe aus Wolfram und WO3 bestehen. Da die Fläche des W6+-Peaks größer ist als die von WO, besteht das Sputtern der Rohrwand hauptsächlich aus viel WO3 und wenig Wolfram.

2.3 Mikroskopische Analyse der Stirnfläche der Kathode

Vor und nach der Entladung erfährt das Elektrodenmaterial eine thermische Ausdehnung während die Lichtbogenentladung und kühlt dann auf die Erstarrungstemperatur ab und kühlt dann weiter ab, um unter dem Einfluss von eine starke innere Spannung zu erzeugender Wärmeausdehnung und -kontraktion, was zur Bildung von Rissen führt, die den Materialabtrag beschleunigen können. Fig. 4 ist eine Scan-Photographie der Endfläche der Kathode bei geringer Vergrößerung. In Abbildung 4(a) ist zu sehen, dass es eine große Anzahl von Rissen und einige kugelförmige Partikel gibt. Die Risse werden durch die Eigenspannung des Materials verursacht, und die sphärischen Teilchen entstehen hauptsächlich, nachdem die Kathodenrisse bei hoher Temperatur geschmolzen sind. bilden. Sowohl Fig. 4(b) als auch Fig. 4(d) haben kugelförmige Partikel, und Fig. 4(d) hat die meisten kugelförmigen Partikel, was zeigt, dass die Hochtemperaturleistung der Er-W-Xenonlampe schlecht ist. Eine kleine Menge an Rissen und eine kleine Menge an kugelförmigen Partikeln erscheinen in 4(c), was zeigt, dass La-W 2 eine bessere Ablationsbeständigkeit hat.

Während des Entladungsprozesses wird die hohe Temperatur, die durch den Entladungsbogen erzeugt wird, wenn das Xenongas istt eingeschaltet, wodurch das lokale Elektrodenmaterial verflüssigt und schmilzt, wirkt die Lichtbogenkraft (hauptsächlich einschließlich des Plasmadrucks) auf die Oberfläche der geschmolzenen Elektrode, um sie zu beschädigen, was zum Sputtern von geschmolzenen Tröpfchen und zum Verlust einer bestimmten Menge an Elektrodenmaterial führt . Gleichzeitig wirkt die Oberflächenspannung auf die beschädigte Oberfläche, um sie zu glätten. Wenn der Plasmadruck und die Oberflächenspannung ein Gleichgewicht erreichen und im Mikrometermaßstab zirkulieren, werden große Vertiefungen gebildet, und ein Teil der Spritzer wird von der Elektrodenoberfläche entfernt und auf die gegenüberliegende Elektrodenoberfläche, Seite, Rohrwand und andere Bereiche verteilt; der andere Teil der Spritzer ist Die geschmolzene Form befindet sich am Rand des Ablationskraters und kühlt ab, um einen umgedrehten abgerundeten Rand zu bilden [10]. Fig. 5 ist eine Photographie des mikroskopisch ausgebrannten Aussehens der Endfläche der Kathode. Glücklich von der Figurkt, dass unterschiedliche Materialien durch Sputtern Ablationsgrübchen gebildet haben und dass sich die Grübchen durch Mehrfachentladungen überlappen. Darunter ist die Dochtgröße in Fig. 5(d) die größte, gefolgt von der Dochtgröße in Fig. 5(a), 5(b), und die Dochtgröße in Fig. 5(c) ist die kleinste. Je größer die Ablationsmulde ist, desto mehr Material wird durch Sputtern während des Kathodenablationsprozesses verloren und desto schlechter ist der Ablationswiderstand der Kathode, woraus abgeleitet werden kann, dass die Arbeitstemperatursequenz der Elektrode ist: Er- W > E3 > La - W1 > La - W2.

Wiere: W steht für Austrittsarbeit verschiedener Metalle, ekh ist die Boltzmann-Konstante J/K; A die thermische Emissionskonstante, A/cm2; Ich bin aktuell, A; T ist die Arbeitstemperatur, ℃. Aus Formel (1) ist ersichtlich, dass bei höherer Temperatur und konstantem Arbeitsstrom die entsprechende Emissionstemperatur umso niedriger ist, je kleiner die Überlaufarbeit des Materials ist. Seit dem wirrk Temperatur der Elektrode ist Er-W>E3>La-W1>La-W2, der vom Oszilloskop gemessene Spitzenstrom der Elektrode ist stabil bei 1 000 A, und es kann gefolgert werden, dass die Austrittsarbeit der Er- Die W-Kathode ist hoch, die Austrittsarbeit der La-W2-Kathode ist niedrig. Das Hinzufügen von metallischem Rhenium kann die Austrittsarbeit des Materials verringern, die Temperatur der Materialoberfläche senken und die Ablation des Materials verringern.

2.4 Analyse der Struktur des Querschnitts der Kathode

Abbildung 6 und Abbildung 7 sind 50 mal die Längsschnitte der vier Kathodentypen vor und nach der Ablation Metallographische Aufnahmen. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, dass die Korngröße der in Fig. 6(c) gezeigten Kathode deutlich kleiner ist als die anderer Kathoden. Da verschiedene Kathoden die gleiche Verarbeitungstechnologie verwenden, ist die Zusammensetzung des Kathodenmaterials der Hauptgrund für den Unterschied, was darauf hinweist, dass mitAl-Rhenium Es kann die Rolle der Veredelung von Materialkörnern spielen. Nach jedem Schmiededurchgang wird das Material einem Rekristallisationsglühen unterzogen, so dass die Zugabe von metallischem Rhenium die Rekristallisationskörner des Materials verfeinern kann. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass unterschiedliche Rekristallisationsgrade auftraten, nachdem die vier Arten von Kathoden betrieben wurden. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass die Kathodenkörner in Fig. 7(d) relativ grob sind, gefolgt von den Körnern in Fig. 7(a) und dann in Fig. 7(b). Die Körner dieser drei Kathoden sehen nach der Ablation alle unterschiedlich aus. Während die Rekristallisationskörner in Fig. 7(c) klein sind, ist die Wachstumsrate in der Periode des Rekristallisationskornwachstums gering. Die feinen Körner bieten mehr Kanäle für die Diffusion der zweiten Stufe

Lab

, was für die Sauerstoffdiffusion seltener Erden von Vorteil ist Oxide an der Kathodenspitze verhindert bereits eine Ablation der Wolframmatrixs aufgrund unzureichender Oxidmigration.

3 Schlussfolgerungen

(1) Bei einer Spannung von 3000 V, einer Frequenz von 3 Hz und einer Kapazität von 23 μF. Unter der Bedingung einer 1.000.000-fachen Beleuchtung ist die Schwärzung der Er-W-Xenonlampe am stärksten und der Schwärzungsgrad der La-W2 (plus Re)-Xenonlampe am leichtesten. Die schwarze Substanz an der Rohrwand wird durch das Sputtern der Kathode gebildet und besteht aus einer großen Menge WO3 und einer kleinen Menge W.

(2) Die Scan-Fotos der Kathodenendfläche Nach dem Ausbrennen sehen Sie, dass die Ablationsgrübchen auf der Endfläche der Er-W-Kathode am größten und die Ablationsgrübchen auf der La-W2-Kathode am kleinsten sind. Es zeigt, dass die Arbeitstemperatur der Er-W-Kathode höher ist und mehr Materialien durch Sputtern verloren gehen, während die Arbeitstemperatur der La-W2-Kathode niedriger und die Stabilität des Materials besser ist, was zeigt, dass La -W2 gut ist eElektronenemissionsleistung von der Seite.

(3) Die metallographische Struktur des Längsschnitts der Kathode nach der Verbrennung zeigt, dass die rekristallisierten Er-W-Körner grob und die rekristallisierten La-W2-Körner klein sind und die feinen Körner für die Diffusion sorgen der zweiten Phase. Es werden mehr Kanäle geschaffen, um den Materialabtrag zu reduzieren. Daher ist die Antiablationsleistung der La-W2-Kathode besser.

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