高性能脉冲氙灯放电过程分析及实验研究

赵友全　董鹏飞　苗佩亮　姜　楠　刘　潇

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072)



高性能脉冲氙灯放电过程分析及实验研究

赵友全董鹏飞苗佩亮姜楠刘潇

(天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072)

脉冲氙灯是一种新型分析仪器光源，本文利用量子理论以及气体放电理论分析了脉冲氙灯放电过程，设计了放电测试系统，实验测定了放电过程中的电压、电流和光脉冲信号。结果表明：在预电离阶段自由电子浓度较低，能量较低；气体放电阶段灯内形成电子崩，使得自由电子浓度的增大，放电电流迅速上升，电压下降；离子复合时释放出光子形成光脉冲。氙灯脉冲的光能量输出和光谱特性与复合电子能量、氙气复合能级有直接关系，当输入能量与氙灯的能耗不一致的时候，将导致充电电容反复充放电而是电路产生阻尼振荡。本文对于理解脉冲氙灯的闪烁光发射过程，优化放电回路设计和氙灯制造具有重要意义。

光源脉冲氙灯放电过程电子崩

脉冲氙灯是一种新型的光源，相比于其他光源具有发光强度大，紫外光谱强以及高寿命的优点，目前已经在固体激光器中广泛应用。短弧球形脉冲氙灯由于具有体积小,易点燃，无需预热等优点被越来越多的应用于水质监测、土壤分析以及医疗化工领域[1-3]。

脉冲氙灯在放电过程中存在明显的振荡情况，国内外众多文献对此展开过相关研究取得了一定的成果，但多数研究是针对于电路展开，利用传统的电学知识进行现象解释。本质上脉冲氙灯充放电是个极其复杂的过程，需要从电子量子形成与传播来分析，已有的一些研究对此不够深入，例如陈佳在研究脉冲氙灯放电电阻时并未对放电振荡进行详细解释而仅仅提到未达到临界阻尼状态，王磊专门分析了脉冲氙灯放电过程中的振荡现象但并未对振荡产生的根本原因进行分析，国外如Dishington等人在研究过程中也都碰到了不同程度的振荡现象[4-6]。因此，从脉冲氙灯充放电的微观角度去研究脉冲氙灯产生振荡的原因对于研究其对氙灯发光的影响以及消除振荡都具有重要意义，本文在电学回路分析的基础之上，结合气体放电理论建立了脉冲氙灯放电振荡模型，研究了脉冲氙灯振荡产生的原因、影响因素以及由于振荡产生的影响，并进行了放电实验，验证了理论分析结果。通过本文工作，可以更好的理解脉冲氙灯振荡产生的原因，对于脉冲氙灯制造、驱动电源设计和工作性能评价等具有十分重要的意义。

1　脉冲氙灯放电振荡的理论分析

图1为日本滨松10W小型球形脉冲氙灯L2440实物图与结构示意图，脉冲氙灯放电过程实质为灯管内部电子与离子相互作用的过程，可以将脉冲氙灯放电过程分为气体电离产生自由电子与自由电子复合两个过程，为了加速气体电离，灯室内安置有紫外预电离Sparker探针，通过极间高压电离产生初始始源电子，脉冲氙灯充放电过程分析模型如图2所示。

图1　微型脉冲氙灯

图2　氙灯放电模型示意图

图2中模型有两个电极、一个电容组成，电极间距为d，电容两端电压为U，极板间电场强度为E。

脉冲氙灯放电是由预电离开始的，预电离产生的电子在电场E的作用下朝着阳极运动，由于电场强度很大，在极短的时间内由于碰撞电离以及光电离会在电极之间产生自由电子组成的“云团”即“电子崩”，如图3中a所示，而存储在电容上面的能量通过这种方式转化为自由电子的动能，从而导致电容两端的电压下降，电极两端的电场降低，气体电离速率降低；由Townsend气体放电理论可知，正离子质量远大于自由电子质量，因此正离子对于放电的贡献可以忽略[7]，表现在图3中如图3b，正离子在电场中几乎没有移动，随着气体电离速率的降低，正离子和电子的复合开始加速，在两个电极的中部正离子与电子浓度比较大，复合迅速进行，同时能量以光子的形式释放出去。在阳极区自由电子数量明显大于正离子数量，而在阴极恰恰相反，因此会在阴极与阳极之间形成一个与电容产生电场方向相反的电场E1，如图3c所示，该电场阻碍电子与正离子的复合引起放电震荡；当储存在电容上的能量完全释放，电场E变为0时，由正离子与自由电子形成的电场E1开始起主导作用，此时脉冲氙灯可以等效成一个电源对储能电容进行逆向充电，从而导致了脉冲氙灯的二次放电，这是放电产生震荡的主要原因[8-10]。

图3　放电过程分析

脉冲氙灯放电振荡会影响灯的寿命以及放电的光效率；完全放电则光输出能量最大，因为振荡使得一次放电不完全，造成光能量输出减弱，逆向放电还造成闪光脉冲不稳定。

2　脉冲氙灯放电的实验测定

2.1实验装置与实验过程

脉冲氙灯的充放电过程可以用示波器跟踪测量，本文建立了如图4所示的脉冲氙灯电特性分析系统。

图4　放电检测系统示意图

系统包括有脉冲氙灯、驱动电源(自制)、示波器(Agilient 3000)、积分球和高速数据处理软件，利用光学积分球测量脉冲氙灯的光脉冲，利用罗氏线圈采集脉冲电流信号，示波器得到的脉冲电压、电流和光脉冲信号，通过USB连接到上位计算机进行数据处理，整个系统由计算机控制实现同步脉冲触发与信号采集。实验放电电容C=0.1μF，测试脉冲氙灯为Hamamatsu-L2440型10W球形灯，该灯弧长为1.5mm，驱动电源为自行设计，脉冲电压500～1200V可调，脉冲频率1～1000Hz可调。分别测试脉冲充电电压在700V、800V、900V、1000V时电流、电压以及光脉冲信号，得到放电特性曲线，实验观察脉冲氙灯放电的整个过程。

2.2实验结果与讨论

2.2.1脉冲电流测定

图5为脉冲放电电流曲线，O点时高压点火脉冲作用于电极使得电极发射电子和辐射出光电子，由于点火电压高达7kV，此时将产生一个很强的干扰脉冲叠加在电流曲线上。OA段为脉冲氙灯预电离阶段，这个阶段电子被加速向阳极运动，产生光电离和碰撞电离，变现在电流信号尚有若干短脉冲。AB为氙气电离、电子崩形成增大并到达峰值B。随着电子浓度增大，电流迅速变大，储存电能的快速消耗，电离的正离子与电子快速复合，腔室内离子浓度急剧减小，电流由最大值B点快速下降，达到最低值C点。这个过程中电子与离子复合占主导，整个过程不到2μs。与理想放电不同的是，放电电流存在明显的阻尼振荡，振荡产生的原因主要是放电过程中，电离的电子未能完全复合，储能电容在一次放电过程中不能把所有能量全部释放出去，造成对电容进行二次充电。

图5　放电电流曲线

由图5中结果还可以发现，充电电压U越大，B、C两点的电流也随之增大，峰谷差越大，但是二者的比例变化不大，都在70%左右，说明放电电流的与充电电压成比例的相应变化，对氙灯负载来说，不同电压条件下其电流振荡过程基本是一致的。

2.2.2脉冲电压的测定

图6为脉冲氙灯放电电压曲线，O点为预电离开始时的高压脉冲干扰，OA为预电离光电子加速阶段，由于电子数量有限，电场变化小，电压基本没变化，预电离发射的电子在高压电场作用下向阳极运动；AB段的气体放电阶段，电子崩形成并增大，当电子复合占主导时，能量急剧消耗，电压值迅速降低，电流达到极大值。与脉冲电流一样，电压也出现了阻尼振荡，不同放电电压曲线形状基本一致，不同的电压值改变的是振荡的幅度以及预电离时间的长短。

图6　放电电压曲线

2.2.3光脉冲信号测定

图7　氙灯发光光脉冲信号

图7为脉冲氙灯光脉冲曲线，O点时光脉冲叠加高压脉冲干扰为Sparker高压触发所致，在OA段预电离时，只有微弱光脉冲信号，以高能量的紫外光为主，高能电子在向阳极运动过程中发生碰撞电离，直到B点时到达阳极的电子与正电子复合辐射出光子，产生光脉冲，到达C点时，电流最大，电压最小，辐射光能量最高，消耗后的只有少量电子复合和少量光子发射，光信号也快速减小，光电检测器上产生的光电信号也随之降到最低。从图7中可以发现，在C点之后又有一个次峰震荡出现，对应与电流中的二次震荡，可以推断，逆向充放电造成光信号的震荡，使得光脉冲加宽，二次发光和阻尼震荡必然使得光脉冲不稳定，所以在氙灯驱动系统设计中应当尽量避免。

3　结论

利用量子理论与气体放电理论采用简明的、半经典的方法对脉冲氙灯放电过程进行了理论研究，研究表明脉冲氙灯放电特性与灯内自由电子的浓度、自由电子的动能等有密切的关系；因此在实际设计脉冲氙灯驱动电路时必须考虑输入能量、电路参数对脉冲氙灯内自由电子浓度及动能的影响，选取表面电子发射率高的阴极，增大预电离时的电子浓度，提升发光能量。实验测定了脉冲放电过程中电流、电压和光输出脉冲的信号，分析了在放电各个阶段各个信号的响应过程，特别是给出了放电过程中阻尼振荡，分析了其产生原因及对光信号的影响，振荡会引起氙灯二次放电，加宽输出光脉冲宽度，引起发光的不稳定，同时离子反复冲击电极会造成阴极溅射，影响灯的寿命，因此在实际应用中，应该采取必要措施减少和消除振荡。

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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

赵友全，1970年出生，2002年毕业于天津大学精密仪器与光电子工程学院生物医学工程专业，从事现代光学分析技术及仪器和环境在线分析仪器的研究，E-mail:zhaoyouquan@tju.deu.cn。

10.3936/j.issn.1001-232x.2016.04.010

2015-11-11