CN1630019A - 大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯及其制备方法，该脉冲氙灯的特点在于它的灯管是由一层或多层纯石英玻璃层和一层或多层掺铈石英玻璃层密切熔合而成为复合功能石英玻璃灯管。该脉冲氙灯制备方法的工艺步骤：①采用分层制砣技术制备复合型石英玻璃砣料；②用中频炉拉管机把复合型石英玻璃砣料加温拉制成一体的复合功能石英玻璃管；③采用封接工艺把电极封装在复合功能石英玻璃管内；④抽真空后注入氙气制成大功率脉冲氙灯。本发明脉冲氙灯具有较好的机械性能，较高的能量负载、长的运转寿命，又具有较好的辐射光谱特性，能截除340nm以下的近紫外辐射，以满足脉冲氙灯在大型激光装置中应用的要求。

Description

大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯及其制备方法

技术领域：

本发明涉及大功率固体激光器，特别是一种大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯及其制备方法。

背景技术：

大功率脉冲氙灯是一种常用的激光器泵浦光源。大型固体激光器必须有兆焦耳的脉冲激光能量输出，对激光器脉冲氙灯的性能提出了更高的要求。脉冲氙灯必须具有高的运行可靠性和零爆炸率。大功率激光器运行时，一方面，强电流将产生巨大的磁场、等离子体冲击波和热冲击对脉冲氙灯石英玻璃管壁造成破坏；另一方面，氙等离子体产生的300nm附近的紫外辐射会使钕玻璃内部产生缺陷。因而，大功率激光器要求提高脉冲氙灯灯管的机械强度和抗冲击强度，提高脉冲氙灯的负载能量，同时要求改善脉冲氙灯的辐射光谱，使其能与钕玻璃的吸收光谱很好的匹配。在先技术的脉冲氙灯尚不能很好的满足以上要求。

脉冲氙灯的极限负载，即爆炸能量，可用下列国际通用的Goncz公式表述： $E_x=12\mathrm{LD}\sqrt{\mathrm{\τ}}\left(J\right),$

其中L(cm)为灯内放电间距，D(cm)为灯管内径，τ(μs)为放电脉宽。

同时，氙灯寿命也满足表达式： $L={(E_0/E_x)}^{\mathrm{\β}},$

其中，E₀为放电储能，E_x为极限负载能量，β与灯口径有关。经测试，φ37(壁厚3.0mm)×1430mm的掺铈石英玻璃管脉冲氙灯的极限负载为E_x＝124700J，根据公式 $L={(E_0/E_x)}^{\mathrm{\β}},$ 可以得出不同放电条件下掺铈石英玻璃管脉冲氙灯的寿命。

在先的大功率脉冲氙灯主要有两种：纯石英玻璃管脉冲氙灯和掺铈石英玻璃管脉冲氙灯。

纯石英玻璃管脉冲氙灯是使用高纯石英玻璃管作为管壁材料制备的脉冲氙灯，其特性是：具有较强的抗冲击波、耐热冲击性能、负载能量大等优点，但是，由于高纯石英玻璃管自身的性质，这种脉冲氙灯不能截除对激光工作物质有破坏作用的300nm附近的近紫外辐射。因此，当前国内外运行和在建的大型激光核聚变装置中已经放弃使用高纯石英玻璃灯管脉冲氙灯。另一种掺铈石英玻璃管脉冲氙灯是使用掺有微量氧化铈(CeO₂)、氧化铝(Al₂O₃)和氧化钛(TiO₂)的石英玻璃管作为管壁材料制备的脉冲氙灯。其特性是：具有良好的辐射光谱性能，能有效的截止340nm以下的近紫外辐射；但氧化铈等杂质的加入，一定程度上影响了石英玻璃较完整的网络结构，降低了掺铈石英玻璃管的机械强度，影响了掺铈石英玻璃管脉冲氙灯的使用寿命，掺铈石英玻璃管脉冲氙灯由于负载能量下降，经常出现炸灯的现象。

为了使石英玻璃灯管在不降低可见光透过率的前提下将紫外线全部截去，日本专利JP昭63-313253提供了一种方法：在石英玻璃制成的灯管的外壁或内壁涂抹Ce和Si的溶液后烧结形成一层Ce-Si薄膜，利用膜层中的CeO₂截除340nm以下的紫外线。这种方法得到的膜层的厚度太薄(厚度是微米量级)、膜层与石英玻璃的结合疏松(烧结温度为500℃～800℃)，强度低，易破坏，不能满足制备灯时火焰加工的技术要求，因而不能用于制作大功率脉冲氙灯的灯管。

为了使普通石英玻璃灯管在不降低可见光透过率的前提下将紫外线全部截去，日本专利JP昭63-1961273提供了一种方法：在纯石英玻璃放电管外面加一个可以截去紫外线的掺铈石英玻璃外管，把放电管和截去紫外线的掺铈石英玻璃管分开。这种方法制作的灯结构不紧凑、强度低、体积大，容易被破坏。因此这种方法也不能用来制作大功率脉冲氙灯。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于有效地克服上述在先技术的缺点，提供一种大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯及其制备方法。该脉冲氙灯应具有较好的机械性能，较高的能量负载、长的运转寿命，又具有较好的辐射光谱特性，能截除340nm以下的近紫外辐射，以满足脉冲氙灯在大型激光装置中应用的要求。

本发明的技术解决方案如下：

一种大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，包括一灯管，该灯管的两端管径收缩成为灯头封接区，将阳极和阴极的电极杆和电极帽密封在灯管内，灯头封接区向外有灯头引出导线，其特征在于所述的灯管为复合功能石英玻璃灯管，该复合功能石英玻璃灯管是由一层或多层纯石英玻璃层和一层或多层掺铈石英玻璃层密切熔合而成。

所述的复合功能石英玻璃管的纯石英玻璃层和掺铈石英玻璃层交叉排列。

所述的每一层掺铈石英玻璃层的铈离子浓度相同，或不同。

所述的复合功能石英玻璃管由两层组成，内层是高纯石英玻璃层，外层是掺铈石英玻璃层，或者外层是高纯石英玻璃层，内层是掺铈石英玻璃层。

所述的复合功能石英玻璃管由多层组成，内层是高纯石英玻璃层，其它掺铈石英玻璃层根据铈离子浓度由少到多由内向外排列，或由外向内排列。

所述的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯的制备方法，包括下列步骤：

①采用分层制砣技术制备复合型石英玻璃砣料：使用温度2000℃或2000℃以上的氢氧火焰或等离子体火焰按复合型石英玻璃层结构把纯石英原料和掺铈石英原料依次熔合而成复合型石英玻璃砣料；

②用中频炉拉管机把复合型石英玻璃砣料加温拉制成一体的复合功能石英玻璃管；

③采用封接工艺把电极封装在复合功能石英玻璃管内；

④抽真空后注入氙气制成大功率脉冲氙灯。

所述的封接工艺为软金属封接工艺、或过渡玻璃封接工艺、或石英玻璃金属化封接工艺、或玻璃陶瓷化封接工艺。

本发明的技术效果如下：

与在先技术相比，本发明的关键是采用复合功能石英玻璃管作为脉冲氙灯的管壁材料，由于使用温度高达2000℃或2000℃以上的氢氧火焰或等离子体火焰制备复合型石英玻璃砣料，可以充分熔化原料，使纯石英玻璃层与掺铈石英玻璃层的界面非常紧密地熔合成一体，使得复合功能石英玻璃管具有高纯石英玻璃的机械强度，同时又具有掺铈石英玻璃相似的光谱性能。因而，复合功能石英玻璃管脉冲氙灯具有较强的抗冲击波性能、负载能量大等优点，同时具有良好的辐射光谱性能，能有效截除波长340nm以下的近紫外辐射，使脉冲氙灯的辐射光谱能与钕玻璃的吸收光谱匹配。

附图说明

图1是本发明大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯实施例结构剖视图

图2本发明复合功能石英玻璃管结构实施例之一的结构示意图

图3高纯石英玻璃、掺铈石英玻璃管、复合功能石英玻璃管透过率曲线图

图4φ37×1430mm脉冲氙灯的辐射光谱分布图

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯实施例结构示意图，由图可见，本发明大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，包括一灯管1，该灯管1的两端管径收缩成为灯头封接区4，将阳极和阴极的电极杆2和电极帽3密封在灯管1内，灯头封接区4向外有灯头引出导线5，其特点是所述的灯管1为复合功能石英玻璃灯管，该复合功能石英玻璃灯管1由内层高纯石英玻璃层1 1和外层掺铈石英玻璃层12构成，如图2所示。

所述的灯头封接区4可以采用过渡玻璃封接工艺、低温金属封接工艺或高温金属化封接工艺等，5为灯头引出导线。复合功能石英玻璃管内充入一定压力的高纯氙气，气压为50托-300托。

本发明使用一种复合功能石英玻璃管作为脉冲氙灯的管壁材料，这种复合功能石英玻璃既具有高纯石英玻璃的机械强度，又能大大改善其光谱性能。使用不同管径和壁厚的复合功能石英玻璃管可以制备不同规格的复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，这种氙灯既具有好的抗冲击性能和高的负载能量，其辐射光谱也可以与激光工作物质钕玻璃(Nd：glass)很好的匹配。

本发明复合功能石英玻璃管脉冲氙灯经使用证明，具有好的抗冲击波性能、高的负载能量、与钕玻璃吸收光谱匹配的辐射光谱和高的光谱效率，有利于激光器长时间正常运行，实现激光器运转过程中的零爆炸。

下列表1列出了本发明使用的三种不同规格的复合功能石英玻璃管制作的大功率脉冲氙灯。

实施例1：

本实施例中所用的本发明高功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯管壁材料采用圆柱形复合功能石英玻璃管，弧长1430mm，外径为37mm，管壁厚度为3mm。灯管内充有高纯氙气，电极杆2和电极帽3都使用铈钨材料。灯头4采用过渡玻璃封接工艺。5为灯头引出电缆线。氙灯的总长约为1670mm。

脉冲氙灯灯管——复合功能石英玻璃管采用表1中的1#玻璃管，其厚度为3mm，内层高纯石英玻璃层11和外层掺铈石英玻璃层12厚度的比为2∶1。采用UV/VIS/NIR SPECTROMETER光谱仪测试了高纯石英玻璃、掺铈石英玻璃和复合功能石英玻璃200nm-800nm的透过曲线，样品厚度均为3mm，见图3。图中，1-高纯石英玻璃透过曲线；2-掺铈石英玻璃透过曲线；3-复合功能石英玻璃透过曲线。由图可知，本实施例的复合功能石英玻璃在200nm-800nm范围内透过曲线与掺铈石英玻璃的相似，在200-340nm的近紫外透过率低于5％。

图4是采用传统的放电模块测试获得的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯的辐射光谱分布图。由图4中可以发现本发明的复合功能石英玻璃灯管可吸收氙等离子体的紫外辐射，使掺铈石英玻璃脉冲氙灯的辐射光谱短波限接近400nm，使脉冲氙灯的辐射光谱与钕玻璃的吸收光谱相匹配，消除了氙等离子体300nm附近的紫外辐射对钕玻璃的破坏作用。

本发明大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯进行了极限负载(爆炸能量)测试，其极限负载能量E_x＝141600J。由结果可知，相同规格的本发明大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯的极限负载能量E_x比掺铈石英玻璃管脉冲氙灯极限负载能量E_x＝124700J有明显提高，由寿命公式 $L={(E_0/E_x)}^{\mathrm{\&beta;}}(\mathrm{\&beta;}<0)$ 可以判断，本发明的脉冲氙灯的运转寿命将大大延长。

本发明复合功能石英玻璃管脉冲氙灯的可靠性和光效的考核证明：在20kV预电离23kV主放电的情况下长期运转，没有出现爆炸，光效也没有明显的下降。

从测试和考核结果可知，本发明的脉冲氙灯具有优良的抗冲击性能、高的负载能量和与钕玻璃匹配的辐射光谱，能很好地满足大型激光器对脉冲氙灯的要求。

实施例2：

本实施例中所用的本发明高功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯管壁材料采用圆柱形复合功能石英玻璃管，弧长1270mm，外径为22mm。灯管内充入高纯氙气，电极杆2和电极帽3都使用铈钨材料。灯头4采用过渡玻璃封接工艺。复合功能石英玻璃采用表1中3#玻璃管，其厚度为2.5mm，内层掺铈石英玻璃层、中间层高纯石英玻璃层和外层掺铈石英玻璃层12厚度的比为0.5∶1.0∶0.5。由于这种脉冲氙灯是细长形的，而且管内氙气气压高，对氙灯的管壁材料的机械强度和抗冲击性能有很高的要求。一批本实施例的氙灯在大功率激光装置上使用，目前已经正常运行数百发，没有出现爆炸，光效也没有明显的下降。同时，本发明的脉冲氙灯能有效截止波长340nm以下的近紫外辐射，没有对激光工作物质钕玻璃(Nd：glass)产生破坏作用。

实施例3采用表1中的4#玻璃管，具体情况相似，不再赘述。

总之，本发明的脉冲氙灯具有优良的抗冲击性能、高的负载能量和与钕玻璃(Nd：glass)吸收匹配的辐射光谱。

表1三种复合功能石英玻璃管的规格

复合功能石英玻璃管	壁厚(mm)	层数	排列方式	管外径(mm)
					1#	3	2	内层为纯石英玻璃层，外层为掺铈石英玻璃层	37
2#	3	3	内层为纯石英玻璃层，外两层为掺铈浓度不同的掺铈石英玻璃层	37
					3#	2.5	3	内层为掺铈石英玻璃层，中间层为纯石英玻璃层，外层为掺铈石英玻璃层	22
4#	3	4	纯石英玻璃层、掺铈石英玻璃层、纯石英玻璃层、掺铈石英玻璃层由内向外交叉排列	37

Claims (7)

1、一种大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，包括一灯管(1)，该灯管(1)的两端管径收缩成为灯头封接区(4)，将阳极和阴极的电极杆(2)和电极帽(3)密封在灯管(1)内，灯头封接区(4)向外有灯头引出导线(5)，其特征在于所述的灯管(1)为复合功能石英玻璃灯管，该复合功能石英玻璃灯管(1)由一层或多层纯石英玻璃层和一层或多层掺铈石英玻璃层密切熔合而成。

2、根据权利要求1所述的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，其特征在于所述的复合功能石英玻璃管的纯石英玻璃层和掺铈石英玻璃层交叉排列。

3、根据权利要求2所述的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，其特征在于所述的每一层掺铈石英玻璃层的铈离子浓度相同，或不同。

4、根据权利要求1所述的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，其特征在于所述的复合功能石英玻璃管由两层组成，内层是高纯石英玻璃层，外层是掺铈石英玻璃层，或者外层是高纯石英玻璃层，内层是掺铈石英玻璃层。

5、根据权利要求1所述的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯，其特征在于所述的复合功能石英玻璃管由多层组成，内层是高纯石英玻璃层，其它掺铈石英玻璃层根据铈离子浓度由少到多由内向外排列或由外向内排列。

6、权利要求1所述的大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯的制备方法，其特征在于包括下列步骤：

①采用分层制砣技术制备复合型石英玻璃砣料：使用温度2000℃或2000℃以上的氢氧火焰或等离子体火焰按复合型石英玻璃层结构把纯石英原料和掺铈石英原料依次熔合而成复合型石英玻璃砣料；

②然后用中频炉拉管机把复合型石英玻璃砣料加温拉制成一体的复合功能石英玻璃管；

③采用封接工艺把电极封装在复合功能石英玻璃管内；

④抽真空后注入氙气制成大功率脉冲氙灯。

7、根据权利要求6大功率复合功能石英玻璃管脉冲氙灯的制备方法，其特征在于所述的封接工艺为软金属封接工艺、或过渡玻璃封接工艺、或石英玻璃金属化封接工艺、或玻璃陶瓷化封接工艺。

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