大型激光器是开展激光聚变研究的主要装置, 如美国利弗莫尔实验室的 NOVA 和国家点火装置(NIF),而高功率脉冲氙灯是大型激光器的重要光学元器件, NIF 装置使用的脉冲氙灯的失效率可达到 10-6量级。大型激光器的片状放大器组件由若干个片状放大器模块组成 ,每个模块则是由几十支高功率脉冲氙灯和钕玻璃片构成 ,整个激光器需要的氙灯数量是巨大的, 如 NOVA 装置需要 5 000 支, NIF 装置需要 7 680 支。这些氙灯的任何失效都会使激光器不能正常运行,其中氙灯爆炸带来的后果尤为严重 ,可直接破坏和烧损昂贵的脉冲氙灯 、钕玻璃片和电容器 。因此许多国家都比较关注影响脉冲氙灯失效的因素 ,想方设法提高脉冲氙灯的可靠性。国际上相继开展了氙灯失效的原因分析 ,以美国、法国和俄罗斯报道较多;国内陈光宇等从统计学方面对高功率脉冲氙灯失效进行了研究;方庆华等研究了常规氙灯的失效因素。本文从氙灯的制作及使用层面对高功率脉冲氙灯的失效行为进行分析。

一、脉冲氙灯的点火寿命原理及使用要求
NOVA 和 NIF 激光片状放大器使用的脉冲氙灯是一根掺杂石英玻璃管, 两头密封上钨电极, 电极外灌封
上一层绝缘材料,再由导线引出, 如图 1 所示 。其中NOVA 项目使用的氙灯内径为 15 mm ,弧长 1 120 mm , 壁
厚 2 .5 mm , 内充 3 .99 ×104Pa 氙气 ;NIF 项目使用的氙灯要大很多,其内径为 43 mm , 弧长为 1 800 mm ,但是氙灯制作材料和制作工艺和前者是相同的。这两种氙灯在前两年点火过程中的进灯能量都控制为各自爆炸能量的 20 %,但不同的是 N IF 氙灯使用预电离来提高它的泵浦效率和延长氙灯的点火寿命 。NIF 项目使用的氙灯点火的峰值电流(25 kA)要比 NOVA 项目使用的峰值电流(6 kA)大得多, 因此在直径增大的同时要求电极外部绝缘能力有很大地提高。在初期点火检测中 ,原型装置要求成功点火 20 000 发次 , 而 NIF 项目使用的氙灯要求单灯检测成功点火 39 000 发次 。NOVA 和 NIF 项目对脉冲氙灯的点火可靠性都要求为 99 .4 %, 如果每百万发中有 7.5 次是由于触发失败, 0 .5 次由于电绝缘失败 , 0 .008 6 次是由于氙灯爆炸 ,则该氙灯是不合格的 。

二、影响氙灯寿命的因素
1、石英玻璃应力
高功率脉冲氙灯一般采用的是全掺杂或复合掺铈石英玻璃管,该管的应力分布对氙灯爆炸有直接的影响 。
Yoshida 等人对灯管应力和氙灯爆炸进行了比较详细的研究 :当灯管较长时, 拉应力主要分布在靠近电极和灯管中间的部位。他们同时还对氙灯应力分布和氙灯爆炸之间的关系进行了讨论:一种是不合格的氙灯 ,即出厂后氙灯表面存在较多的应力 ;另一种则是合格的氙灯 ,表面的应力很微弱 。不合格氙灯表面的拉应力多数为 1 .4 ～ 1 .6 kg/mm2, 这种氙灯在经过 1 年 1 000 发次的点火后 ,灯管表面的细裂纹比较多 ,有环状的、倾斜的或沿着管子轴向的等等 ,这些灯经过一年的点火后必须进行更换,而拉应力小于 0 .18 kg/mm2 的氙灯用了 3 年也没有裂纹出现。在我国 ICF 装置使用的氙灯上也出现了同样的现象 ,因此导致氙灯失效的主要因素是表面的静态拉应力 。拉应力还会使灯管表面的微缺陷慢慢变大, 虽然这一过程速度比较慢,一般需要好几个月后才会出现, 但是在氙灯点火的时候, 机械振动和等离子体的冲击会加速微缺陷的变大。
氙灯在点火前, 灯管应力比较大, 用应力仪检测有明显的应力条纹 , 在第一发次的常规点火中就出现爆炸, 而后期的氙灯灯管通过退火烘箱来消除应力 ,应力消除得都比较彻底, 不仅通过了常规检测,更是通过了爆炸寿命检测 ,这也间接证明了应力是导致氙灯爆炸的直接因素。
合格的氙灯经过 340 发次(该能量下氙灯的寿命为 1 000发次)的点火过后, 石英灯管内表面的拉应力很强 , 产生拉应力的厚度层厚度为 200 μm 左右, 压应力为 0 .29 kg/mm2, 小于导致氙灯爆炸的危险数值 0 .4 kg/mm2。所以这种情况下导致氙灯爆炸的原因不是单一的 ,和氙灯重复点火后表面的恶化还有相当大的关系 。因此在氙灯制作的过程中石英灯管的应力消除是一个关键环节 ,要尽可能地消除表面的应力 ,使得表面应力值小于 0 .2 kg/mm2。
2、氙灯几何尺寸
当同等批次的脉冲氙灯出厂后 ,不同的氙灯几何尺寸有一定的几何误差, 以 NIF 装置用的氙灯为例 ,假设其弧长为(1 800 ±0 .2 )mm , 内径为(43 ±0 .3)mm ,则由式(1),(2)可知:当 E0 , L ,C , α相同时, 设弧长为 1802 mm , 内径为 43 .3 mm 的氙灯对应的氙灯寿命为 N0 , 弧长为 1 798 mm , 内径为 42 .7 mm 的氙灯对应的氙灯寿命为 Ni ,则 N0/ Ni ≈1 .15 。由此可知 ,同一批氙灯由于弧长和内径的微小偏差导致氙灯寿命的差距最大可达到 1 .15 倍 ,这对 NIF 要求腔内 23 000 发次的寿命上来看, 最大理论寿命差距可达 3 450 发次 ,这一差距是相当可观的。氙灯的内径越大, 弧长越长其寿命越长 。
3、石英玻璃微缺陷
高功率脉冲氙灯在点火过程中 ,灯内气体通常会在灯管轴线附近击穿并形成丝状导电通道 。当能量释放到此通道时,周围气体的升温使丝状导电通道迅速扩张,形成圆柱形冲击波 ,沿着轴线传播到灯管管壁上。随着能量的增大和点火次数的增多, 管壁的恶化程度会加速[ 8 , 15] 。其原因可归结为石英灯管材料内部存在的各种微缺陷 ,如微孔洞 、微裂纹等 ,在冲击作用下将不断地成核长大 、产生位错 、形成材料的局部热点。陈军等人利用多元尺度方法研究了包含孔洞金属材料在冲击加载条件下的动力学行为 ,其中缺陷孔洞附近的应力场最强 ,而随着远离孔洞 ,冲击波逐渐消失。当冲击波从材料外表面向下冲击时, 如果微缺陷处在材料外表面,则随着冲击速度的增大,微缺陷周围的应力场会增大,而且微缺陷区域附近将会出现高温。如果微缺陷处在材料下表面时 ,在微缺陷周围并没有出现局部高温。因此在脉冲氙灯灯管的选材上要特别注意,灯管内表面不能有敞开式气泡或气线出现,灯管外表面及体材内部的微缺陷要尽可能的少, 另外氙灯制作的过程中灯管表面也应该尽量避免划伤 。
4、电极溅射
电极材料的蒸发对管壁的影响也很大,溅射到管壁上的氧化钨不仅使管壁发黑, 而且会吸收更多的电离辐射, 使得石英玻璃管局部发热,冷却后会使石英管内表面产生应力, 甚至会产生裂纹,严重破坏石英灯管的机械强度[ 15] 。图 3 为氙灯点火后电极溅射的实物图, 可以看出 ,电极溅射严重, 管壁发黑 , 主要原因则是由于电极杆在氙灯制作过程中氧化严重,灯内气体纯度不够造成的 。因此,电极材料的选择、电极杆热处理以及封接中电极的保护尤为重要, 要尽量选择能够降低钨电子逸出功的复合材料,降低电极使用过程中的温度 , 同时电极杆除气务必彻底 ,而且封接中应该使用惰性气体对电极杆进行保护。
5、灯头绝缘强度
灯头绝缘强度是脉冲氙灯制作过程中一项重要的技术指标, 灯头绝缘材料如不能承受氙灯点火时的高压高电流的冲击, 会出现灯头击穿,甚至会使氙灯出现爆炸, 影响片状放大器的正常运行 。绝缘灌封材料的绝缘指标应该是选择绝缘材料的首要选项, 其次对绝缘灌封材料的机械强度也要有一定的要求,要能承受得住点火过程中巨大的冲击力 ,一旦绝缘材料被冲击力撕裂 ,绝缘强度再好的灌封材料都会失去它的绝缘作用。
6、氙气纯度
氙气是氙灯点火过程中的唯一工作气体 ,充入的氙气不纯则会显著增加氙灯的着火电压[ 5] 。在氙灯制作的过程中 ,如果灯内杂质气体没有排除干净, 则会对氙灯点火带来很多不利的因素。其中对灯危害程度最大的则是空气中的水蒸气 。如果水蒸气没有从灯内完全排出, 电极钨材料就会和水蒸气发生反应 ,形成 WO3 和氢原子 。WO3 从电极头上蒸发,凝结在灯管上,这就是灯管管壁发黑的主要原因。在点火过程中 ,随着氙灯使用次数的增多,电极、玻璃管壁等放出的杂质气体污染了氙气 ,使得氙灯的着火电压升高,最终导致氙灯不能正常工作 ,缩短氙灯的寿命,所以要在氙灯的制作工艺中从源头上避免上述现象的发生。充入的氙气纯度要越高越好,如果再经过一到两次的氙气净化,效果则会更好。另外充入氙气前的排气工艺也非常重要 ,加热温度越高 ,排气时间越长越有利于灯内氙气纯度的保持 。
7、灯头封接可靠性
氙灯常用的封接方式有两种:过渡玻璃封接和金属钎焊封接 。封接的可靠性直接影响到氙灯内部氙气的纯度 ,如果封接质量不好 ,空气直接进入氙灯内部 ,污染氙气 ,则氙灯会出现点火失败 。
8、周围氙灯放电
单灯点火和一组灯点火的环境不同 ,失效几率则会不同[ 3] 。其中主要的原因有下述 3 个方面。
(1)周围氙灯电离辐射的影响会使得氙灯负载能量上升 ,氙灯额外热载荷 E th 为
为ΔE thEth= 1 -(1 -ε)(1 -ψ)1 -(1 -ε)(1 -ψη)
式中 :ε, ψ,η分别为钕玻璃片 、单支氙灯内放电等离子体和单支氙灯石英灯管分别吸收氙灯辐射能量的百分比。石英灯管负载能量和多灯放大器的设计有关 ,负载最大能够达到单灯进灯能量的 1 .5 倍 ,是影响氙灯寿命缩短的因素之一 。
(2)有质动力导致相邻电流的相互作用对氙灯灯管之间产生一定的挠度 ,从而产生一定的机械应力 。Nikolaevskii 等人测定了其机械应力可达到 100 kg/ cm2。如果 j l′≤3 .5 ×104A/ cm(其中, j 是氙灯放电的电流密度, l′是电极间距的长度)。则由有质动力引起的机械应力不会使氙灯破坏 ,反之则然。如果放电脉冲的周期比灯管震荡的周期短的多的情况下 ,需满足公式 jl′≤2 ×104 A/ cm 。
(3)氙灯寿命和片状放大器的组装方式还有很大的关系, 主要是需要满足:电缆线的绝缘强度要能承受触发放电电压的冲击;要有一个软的缓冲介质来释放氙灯点火时产生的强的冲击力,同时轴向的冲击力也应该控制得越小越好, 使得氙灯不易围绕轴线左右动。当氙灯点火过后, 安装氙灯的片状放大器内部散热也是比较关键的因素之一 ,及时把热量排放出去能够减小氙灯和片状放大器其它组件的破坏几率 。

三、结 论
在氙灯的实际使用中 ,氙灯失效的因素以触发失败 、绝缘击穿和氙灯爆炸为主 ,各自的置信区间要求分别为 89 %, 63 %和 16 %,即氙灯爆炸的可信度最小 ,最不可控 。通过对氙灯的失效分析 ,导致氙灯爆炸的直接因素是石英灯管表面的静态拉应力 、内表面的微缺陷。周围氙灯的电离辐射会使氙灯的额外负载能量增加, 电流的相互作用对氙灯灯管产生一定的挠度,从而产生机械应力, 使得氙灯爆炸的概率也大大提高。在进灯能量相同的情况下, 氙灯电极弧长越长 、内径越大寿命越高 。电极溅射、灯头绝缘、氙气纯度以及封接可靠性等都是导致氙灯失效的主要因素 。

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