石英玻璃应力影响氙灯寿命原理

    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1000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。