Analyse von Faktoren, die die Lebensdauer einer Xenonlampe in einem Alterungsprüfgerät für Xenonlamp

Große Laser sind die Hauptgeräte für die Laserfusionsforschung, wie NOVA und die National Ignition Facility (NIF) im Livermore Laboratory in den Vereinigten Staaten, und leistungsstarke gepulste Xenonlampen sind wichtige optische Komponenten großer Laser. Verwendung von NIF-Geräten Die Ausfallrate von gepulsten Xenonlampen kann bis zu 10-6 betragen. Die Chip-Verstärkerbaugruppe eines großen Lasers besteht aus mehreren Chip-Verstärkermodulen, und jedes Modul besteht aus Dutzenden von gepulsten Xenon-Hochleistungslampen und Neodym-Glasplatten. Die Anzahl der für den gesamten Laser benötigten Xenonlampen ist enorm, zum Beispiel benötigt das NOVA-Gerät 5.000, das NIF-Gerät 7.680. Jede Fehlfunktion dieser Xenonlampen verhindert den normalen Betrieb des Lasers, und die Folgen der Explosion der Xenonlampe sind besonders schwerwiegend, da sie teure gepulste Xenonlampen, Neodym-Glasplatten und Kondensatoren direkt beschädigen und verbrennen können. Dortm viele Länder widmen den Faktoren, die den Ausfall von gepulsten Xenonlampen beeinflussen, mehr Aufmerksamkeit und versuchen, die Zuverlässigkeit von gepulsten Xenonlampen zu verbessern. Die Ursachenanalyse von Xenonlampenausfällen wurde weltweit durchgeführt, und die Vereinigten Staaten, Frankreich und Russland haben mehr berichtet; inländischen Chen Guangyu ua untersuchten den Ausfall von gepulsten Hochleistungs-Xenonlampen aus statistischer Sicht; Fang Qinghua ua haben die Ausfallfaktoren herkömmlicher Xenonlampen untersucht. Dieser Artikel analysiert das Ausfallverhalten von gepulsten Hochleistungs-Xenonlampen unter den Aspekten der Herstellung und Verwendung von Xenonlampen.

1. Prinzip der Zündlebensdauer und Anwendungsanforderungen der gepulsten Xenonlampe
Die in NOVA- und NIF-Laserchip-Verstärkern verwendete gepulste Xenonlampe ist eine dotierte Quarzglasröhre mit Wolframelektroden, die an beiden Enden verschlossen sind. Eine Schicht Isoliermaterialdt auf den Außentopf gelegt
dann durch Drähte herausgeführt, wie in Abbildung 1 gezeigt. Darunter beträgt der Innendurchmesser der im NOVA-Projekt verwendeten Xenonlampe 15 mm, die Bogenlänge 1 120 mm, die Wandstärke beträgt 2,5 mm und das Innere ist mit 3,99 × 10 4 Pa ​​Xenongas gefüllt; Die im NIF-Projekt verwendete Xenonlampe ist viel größer, und der Innendurchmesser beträgt 43 mm, die Bogenlänge 1800 mm, aber das Material und der Herstellungsprozess der Xenonlampe sind die gleichen wie bei der vorherigen. Die Energie dieser beiden Arten von Xenonlampen im Zündvorgang der ersten zwei Jahre wird auf 20 % ihrer jeweiligen Explosionsenergie geregelt, aber der Unterschied besteht darin, dass die NIF-Xenonlampe eine Vorionisierung verwendet, um die Pumpeffizienz zu verbessern und zu verlängern Lebensdauer der Xenonlampe. Der Spitzenstrom (25 kA) der im NIF-Projekt verwendeten Xenonlampenzündung ist also viel größer als der im NOVA-Projekt verwendete (6 kA).s Die äußere Isolationsfähigkeit der Elektrode sollte bei gleichzeitiger Vergrößerung des Durchmessers stark verbessert werden. Beim ersten Zündtest benötigt das Prototypgerät 20.000 erfolgreiche Zündungen, während die im NIF-Projekt verwendete Xenonlampe 39.000 erfolgreiche Zündungen für einen einzigen Lampentest benötigt. Sowohl NOVA- als auch NIF-Projekte erfordern eine Zündzuverlässigkeit der gepulsten Xenonlampe von 99,4 %. Wenn es 7,5 Mal pro Million Schuss aufgrund von Fehlzündungen gibt, 0,5 Mal aufgrund eines elektrischen Isolationsfehlers, 0,008 6. Der zweite ist auf die Explosion der Xenonlampe zurückzuführen, die Xenonlampe ist nicht qualifiziert.

2. Faktoren, die die Lebensdauer von Xenonlampen beeinflussen
1. Quarzglasspannung
Leistungs-Xenonlampen verwenden in der Regel volldotierte oder Compound-Cer-dotierte Quarzglasrohre. Die Spannungsverteilung wirkt sich direkt auf die Explosion der Xenonlampe aus.
Yoshida et al argumentierteneine detaillierte Untersuchung der Lampenröhrenspannung und der Explosion der Xenonlampe: Wenn die Lampenröhre lang ist, verteilt sich die Zugspannung hauptsächlich nahe der Mitte der Elektrode und der Lampenröhre. Sie diskutierten auch die Beziehung zwischen der Spannungsverteilung der Xenonlampe und der Explosion der Xenonlampe: Man ist eine qualifizierte Xenonlampe, das heißt, es gibt mehr Spannung auf der Oberfläche der Xenonlampe, nachdem sie das Werk verlassen hat; die andere ist eine qualifizierte Xenonlampe, und die Spannung an der Oberfläche ist sehr hoch. schwach. Die Zugspannung an der Oberfläche nicht qualifizierter Xenonlampen beträgt üblicherweise 1,4 bis 1,6 kg/mm2. Nachdem diese Art von Xenonlampe 1000 Mal im Jahr gezündet wurde, gibt es viele feine Risse auf der Oberfläche der Lampenröhre, mit ringförmigen, geneigten oder entlang der Achse der Röhre usw. Diese Lampen müssen nach einem Jahr ausgetauscht werden Zündung, und die Xenonlampe mit einer Zugspannung von weniger als 0,18 kg/mm2 ist 3 Jahre ohne Rissegebraucht. Das gleiche Phänomen trat auch bei der Xenonlampe auf, die in unserem Land in der ICF-Vorrichtung verwendet wird, so dass der Hauptfaktor, der zum Ausfall der Xenonlampe führt, die statische Zugspannung auf der Oberfläche ist. Aufgrund der Zugspannung nehmen auch die Mikrodefekte auf der Oberfläche der Lampenröhre allmählich zu. Dieser Prozess ist zwar relativ langsam und dauert im Allgemeinen mehrere Monate, bis er auftritt, aber wenn die Xenonlampe gezündet wird, beschleunigen die mechanischen Vibrationen und der Aufprall des Plasmas die Vergrößerung von Mikrodefekten. Bevor die Xenonlampe gezündet wird, ist die Spannung der Lampenröhre relativ groß, und der Spannungsmesser erkennt offensichtliche Spannungsstreifen, und bei der ersten herkömmlichen Zündung kommt es zu einer Explosion, und die späte Xenonlampenröhre wird verwendet, um die zu beseitigen Beanspruchung durch einen Glühofen, die Beanspruchung wird relativ gründlich beseitigt, nicht nur die Stückprüfung bestanden, sondern auch v bestandenfür den Explosionslebensdauertest, der indirekt auch beweist, dass Stress der direkte Faktor ist, der zur Explosion der Xenonlampe führt. Nachdem die qualifizierte Xenonlampe 340 Runden lang gezündet wurde (die Lebensdauer der Xenonlampe bei dieser Energie beträgt 1000 Runden), ist die Zugspannung an der Innenfläche der Quarzlampenröhre sehr stark und die Dicke der Zugspannungsschicht ist etwa 200 μm. beträgt die Druckspannung 0,29 kg/mm2, was weniger ist als der gefährliche Wert von 0,4 kg/mm2, der die Explosion der Xenonlampe verursacht. Daher ist der Grund für die Explosion der Xenonlampe in diesem Fall keiner und steht in einem signifikanten Zusammenhang mit der Verschlechterung der Oberfläche nach wiederholter Zündung der Xenonlampe. Daher ist die Spannungsentlastung von Quarzlampenröhren ein wichtiges Bindeglied im Herstellungsprozess von Xenonlampen. Die Oberflächenspannung sollte so weit wie möglich eliminiert werden, so dass der Oberflächenspannungswert kleiner als 0,2 kg/mm2 ist.
2. Geometriekalische Abmessungen von Xenonlampen
Wenn dieselbe Charge von gepulsten Xenonlampen das Werk verlässt, weisen die geometrischen Abmessungen verschiedener Xenonlampen bestimmte geometrische Fehler auf. Nehmen Sie als Beispiel die Xenonlampe, die in NIF-Geräten verwendet wird, und nehmen Sie an, dass die Lichtbogenlänge (1 8) ist. Die Lebensdauer der Xenonlampe, die der Xenonlampe mit einem Durchmesser von 43,3 mm entspricht, ist N0, die Bogenlänge ist 1798 mm, und die Lebensdauer der Xenonlampe mit einem Innendurchmesser von 42,7 mm ist Ni, also N0/Ni ≈ 1 .15. Es ist ersichtlich, dass die Lebensdauer der gleichen Charge von Xenonlampen aufgrund kleiner Abweichungen in Bogenlänge und Innendurchmesser bis zu 1,15-mal betragen kann. Dies ist ein maximaler theoretischer Lebensdauerunterschied von 3 in Bezug auf die NIF-erforderliche Lebensdauer von 23.000 Runden. 450 Runden, der Abstand ist erheblich. Je größer der Innendurchmesser der Xenonlampe, desto länger die Lichtbogenlänge und desto länger die Lebensdauer.
3. Mikrodefekte Quarzglas
TimesWährend des Zündvorgangs der Hochleistungs-Puls-Xenonlampe bricht das Gas in der Lampe üblicherweise nahe der Achse des Lampenrohrs zusammen und bildet einen wendelartigen leitenden Kanal. Wenn Energie in diesen Kanal freigesetzt wird, bewirkt die Temperatur des umgebenden Gases, dass sich der fadenförmige leitende Kanal schnell ausdehnt und eine zylindrische Stoßwelle bildet, die sich entlang der Achse zur Wand der Lampenröhre ausbreitet. Mit zunehmender Energie und Zündzeit wird die Verschlechterung der Rohrwand beschleunigt [8, 15]. Der Grund kann auf die verschiedenen Mikrodefekte im Material der Quarzlampe, wie Mikrolöcher, Mikrorisse usw., zurückgeführt werden. Chen Jun et al verwendeten die Mehrskalenmethode, um das dynamische Verhalten von gelochten metallischen Materialien unter Stoßbelastung zu untersuchen. Das Spannungsfeld in der Nähe des fehlerhaften Lochs ist am stärksten und die Stoßwelle löst sich allmählich auf, wenn sie sich vom Loch wegbewegt. Wenn der Schockolf von der Außenfläche des Materials nach unten kollidiert und sich der Mikrodefekt auf der Außenfläche des Materials befindet, nimmt das Spannungsfeld um den Mikrodefekt mit zunehmender Aufprallgeschwindigkeit zu, und in der Nähe des Mikrodefekts treten hohe Temperaturen auf Bereich . Wenn sich die Mikrodefekte auf der Unterseite des Materials befinden, gibt es keine lokale hohe Temperatur um die Mikrodefekte herum. Daher sollte der Materialauswahl der Puls-Xenon-Lampenröhre besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. An der Innenfläche der Lampenröhre sollten keine offenen Luftblasen oder Gasleitungen vorhanden sein, und die Mikrodefekte an der Außenfläche der Lampenröhre und im Körper sollten so gering wie möglich sein. Auch die Oberfläche des Lampenrohres sollte Kratzer möglichst vermeiden.
4. Elektrodenzerstäubung
Auch die Verdampfung des Elektrodenmaterials hat einen großen Einfluss auf die Rohrwandung. Das auf die Rohrwand gesputterte Wolframoxid schwärzt nicht nur die Rohrwand,absorbiert aber auch mehr ionisierende Strahlung. , lassen Sie das Quarzglasrohr lokal aufheizen, und nach dem Abkühlen führt dies zu Spannungen an der Innenfläche des Quarzrohrs und sogar zu Rissen, die die mechanische Festigkeit des Quarzrohrs ernsthaft beeinträchtigen [15]. Abbildung 3 ist das physische Bild der Elektrodenzerstäubung nach dem Einschalten der Xenonlampe. Es ist ersichtlich, dass das Sputtern der Elektrode schwerwiegend ist und die Rohrwand aufgrund unzureichender Reinheit schwarz ist. Daher sind die Wahl des Elektrodenmaterials, die Wärmebehandlung des Elektrodenstabs und der Schutz der Elektrode beim Versiegeln besonders wichtig. Es ist notwendig, ein Verbundmaterial zu wählen, das die Austrittsarbeit von Wolframelektronen so weit wie möglich reduzieren und die Temperatur der Elektrode während des Gebrauchs reduzieren kann. Gleichzeitig muss der Elektrodenstab gründlich entgast werden. Außerdem muss Inertgas verwendet werden, um den Elektrodenstab während des Versiegelns zu schützenermen.
5. Durchschlagsfestigkeit des Lampensockels
Die Durchschlagsfestigkeit des Lampensockels ist eine wichtige technische Kennzahl im Produktionsprozess der gepulsten Xenonlampe. Wenn das Isolationsmaterial des Lampensockels beim Zünden der Xenonlampe der Einwirkung von Hochspannung und Hochstrom nicht standhalten kann, wird der Lampensockel brechen und sogar die Xenonlampe explodieren, was den normalen Betrieb des Chip-Verstärkers beeinträchtigt. Der Isolationsindex des isolierenden Topfmaterials sollte die primäre Wahl für die Auswahl des Isolationsmaterials sein. Zum anderen sind bestimmte Anforderungen an die mechanische Festigkeit des isolierenden Topfmaterials zu stellen. Es muss der enormen Aufprallkraft beim Zündvorgang standhalten. Sobald das Isolationsmaterial getroffen wird Wird es gewaltsam zerrissen, verliert das Vergussmaterial mit der besten Isolationskraft seine isolierende Wirkung.
6. Xenon Reinheit
Xenon ist das einzige Arbeitsgas darinDer Zündvorgang der Xenonlampe und die Verunreinigung des geladenen Xenons erhöhen die Zündspannung der Xenonlampe stark [5]. Wenn bei der Herstellung der Xenonlampe das Verunreinigungsgas in der Lampe nicht vollständig entfernt wird, bringt dies viele ungünstige Faktoren für die Zündung der Xenonlampe mit sich. Unter ihnen ist der Wasserdampf in der Luft der schädlichste für die Lampe. Wenn der Wasserdampf nicht vollständig aus der Lampe abgeführt wird, reagiert das Wolframmaterial der Elektrode mit dem Wasserdampf unter Bildung von WO3 und Wasserstoffatomen.WO3 verdampft aus dem Elektrodenkopf und kondensiert auf dem Lampenrohr, was der Hauptgrund dafür ist die Schwärzung der Wand der Lampenröhre. Während des Zündvorgangs wird das Xenongas mit zunehmender Verwendungshäufigkeit der Xenonlampe durch das von den Elektroden und Glasröhrenwänden freigesetzte Verunreinigungsgas verunreinigt, was die Zündspannung der Xenonlampe erhöht, was zu einer Erhöhung der Zündspannung führtSchließlich funktioniert die Xenonlampe nicht normal und verkürzt die Lebensdauer der Xenonlampe. Der Herstellungsprozess der Xenonlampe vermeidet das Auftreten des oben erwähnten Quellphänomens. Je höher die Reinheit des geladenen Xenongases, desto besser. Wenn es ein- oder zweimal mit Xenongas gereinigt wird, ist die Wirkung noch besser. Darüber hinaus ist auch der Abgasprozess zum Einfüllen des Xenongases sehr wichtig. Je höher die Heiztemperatur und je länger die Abgaszeit, desto vorteilhafter für die Aufrechterhaltung der Reinheit des Xenongases in der Lampe.
7. Zuverlässigkeit der Lampensockeldichtung
Es gibt zwei häufig verwendete Dichtungsmethoden für Xenonlampen: Übergangsglasdichtung und Metalllötdichtung. Die Zuverlässigkeit der Dichtung wirkt sich direkt auf die Reinheit des Xenongases in der Xenonlampe aus. Wenn die Dichtungsqualität nicht gut ist, dringt die Luft direkt in das Innere der Xenonlampe ein und verunreinigt das Xenongas und dieXenonlampe zündet nicht.
8. Xenon-Lampenentladung in der Umgebung
Die Umgebung für das Zünden einer einzelnen Lampe und das Zünden einer Gruppe von Lampen ist unterschiedlich, und die Ausfallwahrscheinlichkeit ist unterschiedlich[3]. Die Hauptgründe sind die folgenden drei Aspekte.
(1) Der Einfluss der ionisierenden Strahlung von der umgebenden Xenonlampe wird die Lastenergie der Xenonlampe erhöhen, und die zusätzliche Wärmelast E th der Xenonlampe ist
ΔE thEth= 1 -( 1 - ε)( 1 -ψ)1 -(1 -ε)(1 -ψη)
In der Formel: ε, ψ, η sind jeweils die Neodym-Glasplatte und die innere Entladung einer einzelnen Xenonlampe

Der Prozentsatz der Strahlungsenergie einer Xenonlampe, die von einer Plasma- bzw. einer einzelnen Xenonlampen-Quarzlampe absorbiert wird. Die Ladeenergie der Quarzlampe hängt mit dem Design des Mehrlampenverstärkers zusammen. Die maximale Belastung kann bis zum 1,5-fachen betragenEnergie einer einzelnen Lampe, die einer der Faktoren ist, die die Verkürzung der Lebensdauer der Xenon-Lampe beeinflussen.
(2) Die qualitative Kraft bewirkt, dass die Wechselwirkung benachbarter Ströme eine bestimmte Ablenkung zwischen den Xenon-Lampenröhren verursacht, wodurch a gewisse mechanische Belastungen entstehen. Nikolaevskii ua stellten fest, dass die mechanische Spannung 100 kg/cm 2 erreichen kann. Wenn j l' ≤ 3,5 × 10 4 A/cm (wobei j die Stromdichte der Xenonlampenentladung ist, ist l' die Länge des Elektrodenabstands). Dann wird die durch die qualitative Leistung verursachte mechanische Belastung die Xenonlampe nicht zerstören und umgekehrt. Wenn die Periode des Entladungspulses viel kürzer ist als die Periode der Lampenschwingung, muss die Formel jl′ At ≤2×104 A/cm erfüllt werden.
(3) Die Lebensdauer der Xenonlampe hat viel zu bedeuten mit der Montagemethode des Chipverstärkers zu tun. Vor allem muss sie erfüllt sein: Die Isolationsfestigkeit des Kabels muss standhaltenund der Einfluss der Trigger-Entladespannung; es sollte ein weiches Puffermedium vorhanden sein, um die beim Zünden der Xenonlampe erzeugte starke Aufprallkraft abzubauen, und gleichzeitig sollte die axiale Aufprallkraft so klein wie möglich gesteuert werden, damit die Xenonlampe nicht leicht nach links wandern kann und genau um die Achse. Nach dem Zünden der Xenonlampe ist auch die interne Wärmeableitung des Chipverstärkers, in dem die Xenonlampe eingebaut ist, einer der wichtigsten Faktoren. Das rechtzeitige Abführen der Wärme kann die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Xenonlampe und anderer Komponenten des Chipverstärkers verringern.

3. Schlussfolgerungen
Bei der tatsächlichen Verwendung von Xenonlampen sind die Ausfallfaktoren von Xenonlampen hauptsächlich das Versagen der Zündung, der Isolationsbruch und die Explosion von Xenonlampen, und die entsprechenden Anforderungen an das Vertrauen iIntervall betragen 89 %, 63 % und 16 % , das heißt, die Zuverlässigkeit der Xenonlampenexplosion ist am geringsten und damit verbundenst unkontrollierbar. Durch die Fehleranalyse der Xenonlampe sind die direkten Faktoren, die zur Explosion der Xenonlampe führen, die statische Zugspannung auf der Oberfläche der Quarzlampenröhre und die Mikrodefekte auf der inneren Oberfläche. Die ionisierende Strahlung der umgebenden Xenonlampe erhöht die zusätzliche Lastenergie der Xenonlampe, und die Wechselwirkung des Stroms bewirkt eine gewisse Durchbiegung der Xenonlampenröhre, wodurch mechanische Spannungen erzeugt werden, die die Wahrscheinlichkeit einer Explosion der Xenonlampe stark erhöhen . Bei gleicher Energie in der Lampe gilt: je länger die Bogenlänge der Elektrode der Xenonlampe, je größer der Innendurchmesser, desto höher die Lebensdauer. Das Sputtern der Elektrode, die Isolierung des Lampenkopfes, die Reinheit des Xenongases und die Zuverlässigkeit der Abdichtung sind die Hauptfaktoren, die zum Ausfall von Xenonlampen führen.

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