Справочная книга по светотехнике

ИМПУЛЬСНЫЕ ЛАМПЫ

Одним из видов преобразования электрической энергии в высокоиптснсивное оптическое излучение является мощный импульсный разряд в газе. Источни­ки света на основе такого разряда используются для па - качки различных типов лазеров. іия освещения при фотографировании, для оптической связи на неболь­ших расстояниях, для возбуждения спектров анализи­руемых веществ и т. п. [3.35—3.37[.

Импульсной лампой (ИЛ) называется РЛ, рассчи­танная на мощные импульсные электрические разряды, сопровождающиеся интенсивным ОИ f 3.1 Of. Лампы имеют герметичный баллон из стекла или кварца, на­полненный химически неактивным газом (чаше ксено­ном). Зажигание ИЛ осуществляется с помощью т ре тье­го, расположенного внутри или на внешней поверхнос­ти лампы, электрода при подаче па пего высоково­льтного импульса. В некоторых случаях ИЛ пе имеет управляющего электрода и зажигается кратковремен­ным увеличением напряжения на основных электродах.

Для получения микросекундных импульсов созданы специальные типы ламп с малыми емкостью и индук­тивностью [3.38] .

Питание ИЛ осуществляется от источника, способ­ного обеспечи ть в течение короткого времени большой ток, чаще всего от конденсатора, заряжаемого до рабо­чего напряжения ир. Особенность ИЛ заключается в возможности их эффективного использования при зна­чительном варьировании амплитуды тока, длительно­сти и частоты разрядов при небольших изменениях КПД и спектрального состава излучения. Для ИЛ с длительностью разряда в сотни мке это расширяет ас­сортимент доступных ламп [3.39| при ограниченном числе выпускаемых промышленностью типов. В насто­ящее время с ИЛ получены следующие наибольшие значения параметров: пиковая электрическая мощ­ность 2-Ю8 Вт, световой поток Ю10 лм. яркость 1011 кд/м2. Диапазон длительности вспышек ИЛ, выпу­скаемых промышленностью. — 10 7-НО-2 с.

Классификация ИЛ по конструктивным признакам позволяет выделить трубчатые и шаровые ИЛ. У первых разрядный объем ограничен степками трубки, у вторых разряд не ограничен в пространстве — расширяющаяся плазма за время разряда не достигает стенок колбы. Терминология, относящаяся к ИЛ. дана в |3.40|, а сис­тема условных обозначений отечественных ИЛ уста­новлена в [3.411.

Основные конструктивные и эксплуатационные особенности ИЛ определяются областью их примене­ния и характером оптической задачи. Прежде всего, де­лается выбор вида импульсного разряда (ИР) (ограни­ченного стенками или свободно расширяющегося), а затем конструкции лампы: трубчатой или шаровой. Когда основным требованием является получение ми­нимального светящегося объема с высокой пиковом яркостью и малой длительностью разряда, преимуще­ство имеют шаровые лампы, которые могут рассеять значительно большую мощность, чем капиллярные лампы с тем же расстоянием между электродами. Они предпочтительны также, когда требуется высокая час-
тога повторения вспышек при небольшой энергии од­ной вспышки.

Трубчатые лампы предпочт ительны при требовании строгой локализации светящего объема. Они более вы­годны. когда произведение радиуса капала па энергию разряда, отнесенную к 1 см-* канала, превосходит 2 Дж/см2. а длительность импульса составляет десятки и более мкс. При этом один из пространственных раз­меров светящего объема составляет’ десятки и более мм.

В зависимости от требований к пространственному распределению светового потока трубчатые ламны под­разделяются на лампы с прямой цилиндрической раз­рядной полостью и на лампы с полостью сложной кон­фигурации: спиральной. L’-образпой. панельной, коак­сиальной. Шаровые лампы моїуг существенно разли­чаться элементами конструктивного исполнения (чис­ло и расположение в разрядном промежутке электро­дов зажигания; конструкции токовводов, оболочки, цо­колей и др.).

Следующим признаком является режим работы лам­пы. на который она рассчитана: частотный (стробоско­пический) или одиночных импульсов. Хотя любые ИЛ работают в обоих режимах, этот признак важен, потому что для повышения экономичности и эффективности ламп в определенном режиме должны быть применены специальные материалы и конструкторские решения.

В качестве дополнительных классификационных признаков следует отметить индуктивность ламп, ин­тенсивность создаваемых ими магнитных полей, рабо­чие напряжения, материал — стекло или кварц.

Конструкции ламп, материал и технология изготов­ления. Основные конструктивные элементы ИЛ:

- баллон и газовое наполнение;

- электродные узлы: катодный (включающий в себя катод, газопоглотитель, ввод в стекло и внешний вывод); анодный (анод, ввод, внешний вывод), управ­ляющий электрод (электрод зажигания);

- элементы внешнего оформления: цоколь, защит­ный баллон, приспособления для принудительного ох­лаждения, блокировки и т. п.

Баллоны светосигнальных и фотоосветительных ламп изготавливаются из стеклянных или кварцевых трубок разных размеров.

Баллон из стекла предпочтителен для фотоосвети - тельных и сигнальных ламп, если при этом обеспечива­ются необходимые размеры светящего объема и напря­жения зажигания. Только специфические требования малых размеров светящего объема, обусловливающих высокие энергетические нагрузки па стенку трубки или высокую среднюю мощность, делают обоснованным использование кварцевой разрядной трубки.

Выбор материала баллона шаровых импульсных ламп, в основном работающих в частотном режиме, основывается на допустимой средней мощности, отне­сенной к 1 см2 внутренней поверхности баллона как. тля режимов в установившемся тепловом равновесии, так и для работы короткими сериями, когда в лампе не успевает устанавливаться стационарный тепловой ре­жим. Конструкции шаровых ламп показаны на рис. 3.104.

Лампы с повышенным УФ-ихтучением имеют бал­лон из специальных сортов кварца или стекла. Кроме того, в них моїут впаиваться окна с хорошим пропус­канием УФ-излучепия.

Шаровые ИЛ обычно наполняются Хе иди смесью Хе с Аг или молекулярными газами (Н2, N2, реже 02 и др.) до давления 0,09 МПа. Недостаток ксенонового наполнения — увеличение длительности светового им­пульса, особенно в условиях колебательного разряда.

Электродные узлы являются одними из важнейших элементов ламп. Для трубчатых стеклянных ламп при­меняются металлические стсржнсвыс вводы из пругков W, Мо или специальных сплавов. В шаровых стеклян­ных лампах с торцевым выходом ихіучепия применя­ются дисковые вводы или многостсржневыс, выпол­ненные в виде плоских или гребешковых пожек.

В промышленных типах кварцевых импульсных ламп применяют следующие токовводы: плоские фоль­говые, цилиндрические фольговые, стержневые на пе­реходных стеклах, колпачковые с уплотнением мягки­ми припоями. В экспериментальных лампах применя­ют клееные вводы колпачкового или стержневого вида с уплотнением полимерными компаундами, а также разборные вводы из специальных резин или мягких ме­таллов — свиїша, меди и др. Каждый тип гоковвола имеет преимущества и недостатки. Достоинствами фольговых токовводов являются: вакуумная надеж­ность; теплостойкость, позволяющая производить вы­сокотемпературный нагрев деталей ламп для их очист­ки от газов: механическая прочность электродного узла. Одпако фольговый ввод оіраничиваст пропускае­мый ток, весьма трудоемок в изготовлении и имеет низкую коррозионную устойчивость. Другие типы то­ковводов пропускают большие токи при сравнительно
меньшей длине. Однако токоввод на переходных стек­лах чувствителен к резким перепадам температур и об­ладает меньшей механической прочностью по сравне­нию с фольговым вводом. Для механизированного про­изводства наиболее удобными являются колпачковые вводы, основанные па припаивапии к металлизирован­ной поверхности кварцевой трубки металлическою колпачка или диска припоем олово-титан.

Таким образом, фольговые цилиндрические вводы целесообразно применять в импульсных частотных лампах с высокой средней мощностью, а плоские — в маломощных частотных лампах. Лампы с колпачковы­ми токовводами и на переходных стеклах предпочтите­льны для режимов работы с одиночными импульсами. Если эксплуатировать такие лампы в частотных режи­мах, то их нужно интенсивно охлаждать.

Коаксиальные импульсные лампы были созданы для исследований импульсного фотолиза газов и жид­костей. а затем они стали применяться и для накачки лазеров: химических, фогодиссоциопных и па красите­лях. Варианты конструкций коаксильпых импульсных ламп показаны на рис. 3.105. Они выполняются с коль­цевыми (рис. 3.105. а—в, д) и стержневыми электро­дными узлами (рис. 3.105, г), у которых герметичное соединение металла с кварцем осуществляется с помо­щью металлических припоев (a. G), органических ком­паундов («). через переходные стекла (г) и ввариванием тонкой молибденовой фольги между двумя кварцевыми трубками (d).

При использовании стержневых токовводов две ко­аксиальные трубки спариваются между собой на кон­цах. Вольфрамовые прутки впаиваются через переход­ные стекла во внешнюю кварцевую трубку перпендику­лярно осевой линии лампы и направлены в одну сторо­ну (рис. 3.105, г). В разные стороны направлены элект­родные стержневые узлы с фольговыми вводами в лам­пах типа ИФПП7000, предназначенных для работы с импульсами длительностью соши мкс.

Усовершенствование кольцевых электродных узлов в колпачковых токовводах привело к созданию в них балластных объемов, расположенных за рабочей ча­стью электродов.

В качестве диффузных отражателей используются порошки из MgO, BaS04 или аморфная двуокись крем­ния, впекаемая в поверхность внешней трубки (рис. 3.105, б). Зеркальные отражатели в виде трубок или фольги из ссрсбра. алюминия или мели одновре­менно служат обратным токопроводом, уменьшающим индуктивность разрядною контура.

Наиболее распространенные промышленные ИЛ показаны па рис. 3.106 и 3.107. Кроме представленных, имеется также более трех десятков типов трубчатых

Схемы включения и питания ИЛ с разрядом длитель­ностью в сотни мке содержат накопитель, заряжаемый от источника постоянного тока, и устройства управле­ния. синхронизации и зашиты, регулирующие работу зарядного устройства, генератора зажигающих импуль­сов и разрядного контура (рис. 3.108). Приближенно ИЛ можно рассматривать как ключ с односторонним управлением: прохождение тока через лампу прекраща­ется. когда энергия накопителя lVp почти полностью иссякает, или срабатывает выключатель в разрядном контуре, или гасящее устройство уменьшает напряже­ние на ИЛ до напряжения погасания.

Диапазон напряжений между основными электро­дами. в пределах которого возможно управляемое за­жигание ламп, ограничивается напряжениями зажига-

ния и самопробоя. Методы измерения напряжений за­жигания и самопробоя стандартизованы [3.42, 3.43].

Самым распространенным и простым способом пи­тания ИЛ является подключение ее к накопительному конденсатору, при разряде которого генерируется им­пульс тока (см. рис. 3.108). Накопитель заряжается че­рез зарядное устройство от первичного источника по­стоянного тока.

Несколько иначе питаются «микросекундныс» ИЛ (рис. 3.109). Поскольку напряжение, до которого заря­жают разрядный контур, всегда выше напряжения са­мопробоя лампы, то используют управляемый разряд - пик, который разрывает электрическую цепь. В нуж­ный момент на управляющий электрод разрядника по­дается напряжение, происходит разряд сначала между ним и одним из основных электродов, а затем и между двумя основными электродами. При этом на электроды лампы подается высоковольтное напряжение, межэ - лектродный промежуток пробивается, и вся энергия выделяется в газовом объеме. Управляемость ИЛ зави­сит от условий разряда в лампе, которые характеризу­ются несколькими параметрами. Эго диапазон управ­ляемости (напряжение между рабочими электродами лампы, в пределах которого обеспечивается надежное зажигание разряда), мощность и энергия в канале за­жигающего (вспомогательного) разряда, время запаз­дывания импульса излучения относительно импульса зажигания. Время запаздывания имеет важное значе­ние в световой сигнализации. Например, в космиче-

*1

ских маяках, используемых к геодезических целях, им­пульсная вспышка света должна следовать в строго за­данное время (когда спутник пролетает над измери­тельной станцией). Разброс времени запаздывания све­тового импульса относительно управляющего сигнала, предназначенною для инициирования вспышки, при­водит к ошибкам в измерении координат местности. В связи с л им рассмогрим подробно процессы, проис­ходящие в лампе при зажигании разряда.

Электрический пробой газовых промежутков харак­теризуется процессом создания высокой проводимости между электродами с помощью двух основных меха­низмов: механизма образования большого числа элект­ронных лавин (таунсепдовский) и сгримерного. или канального, механизма, когда уже первая лавина при­водит к образованию токовой перемычки. В реальных условиях существуют переходные формы, являющиеся комбинацией этих двух механизмов с разным статисти­ческим весом.

В случае электрического пробоя в длинных газовых промежутках ориентировочно выделяют три стадии развития разряда, качественно отличающиеся друг от друга и характеризующиеся временами: 7СТ — статисти­ческого запаздывания; /р — рабочего времени развития разряда; — формирования разряда, по времени соот­ветствующего росгу тока до максимальною значения. Время запаздывания разряда л, определяется от момен­та подачи напряжения на трубку до начала резкого на­растания тока и складывается из Гст и Гр. Время Гс| зави­сит от случайных событий, хотя на его среднее значе­ние влияет ряд факторов (длина промежутка, геомет­рия и напряженность поля, внешние условия). Для им­пульсных ламп, использующих вспомогательный раз­ряд для зажигания основного, гст = 0 и г3 = ?р.

Вспомогательный разряд образует в газе сравни­тельно узкий токопроводящий слой с высокой темпе­ратурой, хотя мощность его мма, а действие кратко­временно. С течением времени токопроводящий слой может либо деионизоваться, либо начать расширяться. В первом случае выделяемая мощность разряда недос­таточна для компенсации тепловых потерь, а во вто­ром — значительно их превосходит.

Импульс зажигания подастся па лампу двумя спосо­бами. При первом из них, называемом последователь­ным или внутренним, вторичная обмотка импульсного трансформатора вводится в цепь разряда, а при втором, называемом параллельным или внешним, импульс по­дается на вспомогательный электрод в виде проволоки, навитой на колбу лампы. При внутреннем зажигании, которое образует вспомогательный капал разряда по осевой линии лампы, развитие основного разряда про­исходит симметрично и однородно. В случае внешнего зажигания геометрия вспомогательного разряда повто­ряет геометрию внешнею электрода, а основной разряд вследствие лого в течение некоторого времени разви­вается несимметрично. Это ухудшает излучатсльные ха­рактеристики ламп. При внутреннем зажигании излу­чение распределено более равномерно по всему сече­нию трубки. В то же время введение обмотки транс­форматора в цепь разряда увеличивает сс индуктив­ность и затягивает импульс излучения. В течение вре­мени. соответствующею 1а, существуют предпробойпые токи (примерно 10-2+1 А), а излучение у электродов более слабое, чем в середине разрядной трубки. Такое распределение излучения напоминает аномальный тле­ющий разряд. Зависимость времени запаздывания от начального давления наполняющего газа имеет U-образный вид: с ростом р0 вначале наблюдается уме­ньшение Г,, а затем ею роет. Время запаздывания су­щественно сказывается на синхронной работе ИС в многоламповых системах.

После образования капала вспомогательного разряда в нем происходит выделение энергии основного разряда. Для разрядного контура, создающего основной разряд.

LdJj + Ri + ^jidt=U0, (3.22)

где £/() — начальное напряжение; / — ток: R — активное сопротивление; L — индуктивность контура: С — ем­кость конденсатора.

При напряжении, равном напряжению зажигания (которое обычно определяется с 95%-пой вероятностью осуществления основного разряда), Uq = (/г мощность, выделяемая в канале вспомогательного разряда, равна энергетическим потерям. Она полностью расходуется на поддержание стационарною состояния. При лом время запаздывания стремится к бесконечности (?3 —>?“). Для стационарного режима di / dl = 0, а Ri «it /С. Тогда из (3.22) имеем

t~=U£/I. (3.23)

При и$>иъ выделяемая мощность больше потерь, и f3 уменьшается. Его снижение пропорционально раз­ности выделяемой и теряемой мощностей. В (3.23) это выразится заменой і на /о -/3, где /ц — ток в канале вспомогательного разряда при напряжении і/0. а іі — при Uy

Время запаздывания

и>К=_К_ и0-и1 и0/и^-

Здесь величина Uq/U3 принимается по аналогии i/o /Uc, где Uc — напряжение самопробоя при отсутст­вии вспомогательного разряда, она называется перена­пряжением. Соотношение (3.24) позволяет выяснить физический смысл влияния на различных факторов.

Поскольку RC =consi, из (3.24) дифференцировани­ем можно получить

Дг/г = Д(/0/(/3:((70/(/,-1). (3.25)

Соотношение (3.25) говорит о том, что относитель­ный разброс времени запаздывания увеличивается при

Uo/U; *1-

На рис. 3.110 показаны зависимост и Л, от i/() и пере­напряжения. Из рис. 3.110, б. в видно, что с ростом от­ношения Uq /И3, когда вкладываемая по вспомогатель­ный разряд мощность значительно превышает мощ­ность тепловых и излучательных потерь, время запазды­вания быстро уменьшается. Увеличение емкости кон­денсатора ведет к задержке развития основного разряда.

На время запаздывания rs оказывает влияние на­чальная ионизация газа во вспомогательном разряде, зависящая от формы и амплигуды импульса зажигаю­щего напряжения.

Импульсные лампы с длительностью разряда в сот­ни мке моїуг работать в широком диапазоне частот по­вторения импульсов. Возникающие при этом сбои ре - іулярной работы ламп бывают грех видов — переход п стационарный режим горения, самопробои межэлект - родного промежутка и пропуски вспышек. В лампах с разрядами длительностью порядка нескольких мке та­ких сбоев нет.

Характеристики излучения трубчатых ИЛ определя­ются параметрами лампы и разрядного контура.

Импульсы силы света 1(1) характеризуются освечи - вапием

0 = }/(/)*,

амплитудой силы света /п и длительностью вспышки т. Варьируя форму и длительность импульса выделяю­щейся II ИЛ электрической мощности, можно изменять форму и параметры импульсов излучения, получать импульсы силы света, близкие к прямоугольным. Од­нако при питапии от конденсатора кривая /(t) имеет характерную форму (рис. 3.111). Длительность вспыш-

/,%

ки т при заданном внутреннем диаметре dt разрядной трубки определяете» произведением С/ (С — емкость конденсатора, / — длина разрядной грубки). При срав­нительно больших длительностях разряда, когда плазма практически равномерно заполняет все внутреннее се­чение разрядной трубки, можно рассчитать амплитуд­ную габаритную яркость и интеграл яркости

J/.„(f)<ft = 0/(Wi)

(для ламп с изогнутыми трубками Ц заменяется на со­ответствующую площадь проекции светящего объема).

Световая отдача трубчатых ксепоновых ИЛ достига­ет 60 лм/Вт. Пространственное распределение световой энергии характеризуется индикатрисами освсчивапия (рис. 3.112 ). Связанной с пространственным распреде­лением излучения величиной является эквивалентный телесный угол £2Э, равный отношению световой энер­гии к освечиванию 0 в направлении ихтучения, приня­том за основное. Для прямых грубчатых ИЛ — это па - правление нормали к оси лампы. Эквивалентные те­лесные углы прямых трубчатых ИЛ лежат в пределах 10,4—11,6 ср. Теоретические крайние значения рав­ны 9,6 и 11,7 ср. Для ламп типа ИФК = 10,1 —12,1 ср.

Спектры излучения трубчатых ИЛ с разрядом дли­тельностью н сотни мке (температура плазмы 8000- 12000 К) охватывает диапазон длин води 155—4500 нм при кварцевой колбе и 290-3000 нм при стеклянной. Спектры излучения состоят из спектральных линий и сплошного фона. В обобщенном и схематизированном виде (без подробного изображения множества спек­тральных линий излучения ксенона) спектральные ха­рактеристики для различных значений пиковой элек­трической мощности Рп. рассеиваемой и 1 см3 плазмы, представлены на рис. 3.113. При увеличении Рп темпе­ратура плазмы возрастает, доля УФ увеличивается, а И К уменьшается. Спектры ИЛ практ ически не меня­ются при изменении частоты следования разрядов.

В оптимальном режиме при Рп =0,510° МВт/м3 об­щий КПД несколько возрастает с увеличением диаметра разрядной трубки (примерно до d, =7 мм), а при даль­нейшем увеличении dj остается практически неизмен­ным. достигая 80%. У грубчагых ИЛ КПД в ИК-области (700-2700 нм) достигает 40% в режимах, близких к дуго­вым. 20% при увеличении Ри до (0.5— 1)-Ю6 МВт/м3 и около 10% при (2-10) 106 МВт/м3.

Основная доля излучения импульсных ламп с разря­дом длительностью порядка нескольких мке, как это видно из рис. 3.113, соответствует УФ-области. Поэтому такие лампы применяются для импульсного фотолиза жидкостей и газов, накачке различного типа лазеров и моїут быть использованы как УФ бактерицидные излу­чатели (3.411. При этом варьированием удельной мощ­ности разряда можно менять положение максимума спектрального распределения излучеиия и выход УФ.

За счет увеличенной мощности импульсные разря­ды в кварцевых трубках с инертным газом характеризу­ются интенсивным испарением материала оболочки, диссоциацией двуокиси кремния и появлением линий излучения кремния в УФ-области спектра 185—245 нм.

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Я, нм

Рис. 3.113. Спектральные распределения КПД в единич­ном телесном угле в направлении, перпендикулярном оси трубки, для трубчатых ксеноновых ламп. (Объемная плот­ность мощности 104 МВт/м-*: / — 5: 2 — 1; 3 — 0,2; 4 - 0,04). Графики пересчитаны для ламп большой длины с пренебрежимо малыми приэлектролными потерями

Мощными источниками, даюшими вклад в УФ-из - лучение ИЛ, являются радиальные ударные волны, об­разованные быстрым расширением канала разряда по­сле пробоя межэлекгролного промежутка, интенсивно излучающие во все фазы импульса.

Характеристики иыучеиия шаровых ИЛ имеют осо­бенности, обусловленные существенно меньшей про­должительностью и меняющейся от импульса к им­пульсу формой светящего канала разряда в пе ограни­ченном стенками разрядном промежутке малой длины. Из-за низкого сопротивления капала такие разряды чаще всего бывают колебательными. Непрерывное из­менение диаметра канала разряда, плотности газа, электрического сопротивления и мощности, расходуе­мой на расширение канала, обусловливает большое различие временных зависимостей силы света Iv(t) и яркости l. v(t) (рис. 3.114).

Отношение выделяющейся в шаровой ИЛ электри­ческой энергии fV:I к энергии, запасаемой в конденса­торе,

Wp=CUp / 2 , (3.28)

называемое КПД разрядного копгура г|к, изменяется в более широких пределах, чем у трубчатых ИЛ, и сильно зависит от свойств контура. При неизменном балласт­ном сопротивлении Г|к существенно зависит ОТ И'р. определяющей диаметр и эффективное сопротивление канала разряда. Невоспроизводимость формы канала разряда, вызывающая повышенный разброс световых параметров от импульса к импульсу, особенно сильно проявляется, начиная с некоторой зависящей от fVp ча­стоты повторения вспышек.

Световая отдача шаровых ИЛ обычно не превышает 15 лм/Вт. Увеличение расстояния между электродами сопровождается приблизительно линейным ростом световой отдачи. Амплитудная сила спета /П в широком диапазоне изменения параметров слабо зависит от Up и С при постоянной энергии разряда Wp и растет при­мерно пропорционально /.

Длительность импульса силы света х определяется продолжительностью процессов выделения электриче­ской энергии в канале разряда и временем высвечива­ния нагретого газа; т примерно пропорционально

независимо от изменения Up и С. Включение в разряд­ный контур небольшого балластного сопротивления сокращает т приблизительно в 2 раза.

Пространственное распределение излучения шаро­вых ИЛ обычно близко к изотропному п области про­странства, пе затененного электродами. Эквивалент­ные телесные углы £Xj для ламп типа ИСШ равны 10,2—10,8 ср. Для приближенных расчетов можно реко­мендовать £1-, = 11 ср.

Спектральные характеристики плазмы шаровых ИЛ (сс температура составляет десятки тысяч К) имеют максимум спектральной плотности излучения в облас­ти вакуумного УФ (100—200 нм). Ультрафиолетовое из­лучение плазмы частично поглощается наполняющим колбу газом и стеклом колбы (рис. 3.115). При прозрач­ной для УФ колбе наблюдается резкое возрастание спектрального КПД при Х<250 пм, обусловленное не только сплошным фоном, но и пакетом мощных линий ксенона. В ИК области излучение зарегистрировано до 1700 им.

Так же как световая отдача, КПД шаровых ИЛ в не­сколько раз меньше, чем трубчатых, и в видимой обла­сти составляет несколько процентов. Общий КПД лам­пы типа ИСШ7 равен только 9% из-за поглощения УФ-излучепия колбой. Так, КПД разряда в интервале 220—250 нм составляет половину КГ1Д в интервале 220-1050 пм. С учетом вакуумного УФ-излучения об­ший КПД мощных неограниченных разрядов, вероят­но, может достигать 0,5.

Интервал напряжений между основными электро­дами, в пределах которою возможно управляемое за­жигание ламп, ограничивается напряжениями зажига­ния и самопробоя. Методы измерения напряжения за­жигания и напряжения самопробоя стандартизованы

13.42, 3.43].

Нагрузочные характеристики. К основным наїру - зочным параметрам ИЛ относятся наибольшая допус­тимая энергия одного импульса, рассеиваемая и лампе в режиме редких импульсов, а в режиме часто повторя­ющихся импульсов — наибольшая допустимая средняя мощность. Под предельной энергией Wnp ИЛ понима­ется наименьшее значение электрической энергии раз­ряда, при которой лампа выходит из строя на первом импульсе (чаще всего из-за разрушении оболочки), либо в серии импульсов. Предельная энергия является одним из важнейших параметров ИЛ, так как характе­ризует диапазон сс энергетической нагрузки и служит для оценки ресурсной наработки.

На W влияет форма импульса тока. При одинако­вой длительности импульса для RC-разряда, характери­зующегося крутым фронтом импульса тока и экспонен­циальным спадом, IV на 35-40% больше, чем для LC-разряда, форма импульса тока которою близка к синусоидальной, и на 60% выше, чем для импульса разряда прямоугольной формы.

Физический механизм разрушения ИЛ рассмотрен в (3.38]. За разрушение ответственны давление разряда, меняющее свое значение в зависимости от условий, при которых происходит разрушение, и термические растягивающие напряжения на внешней поверхности оболочки. Не равномерный по толщине стенки ламны паїрев подтверждается измерениями температуры и эффектом окрашивания кварцевого стекла. Кроме того, непосредственно наличие разрушающих термиче­ских напряжений экспериментально показано в [3.38].

Термические напряжения зависят от длительности разряда в лампе. При разряде длительностью в несколь­ко мке термические напряжения, вероятно, отсутству­ют, и разрывное давление в лампе, например, с разме­рами трубки 7 х 120 мм и толщиной стенки 1,5 мм дос­тигает 18 МПа. С увеличением длительности разряда и появлением термических напряжений разрушающее давление уменьшается. Термические напряжения исче­зают при нагреве лампы (например, в печи), и тогда разрывное давление снова увеличивается до 18 МПа.

Предельной мощностью ИЛ, работающих в частот­ном режиме, считается наименьшая мощность, которая приводит к выходу лампы из строя в течение первой минуты ее функционирования.

Долговечность. На процесс износа ИЛ влияет много факторов и, в частности, распыление электродов, кото­рое однозначно связано с изменением освечивания (рис. 3.116). Чем интенсивней эрозия электродов, зави-

сящая от материала и средней температуры нагрева, тем быстрее снижается освечивапие (рис. 3.117). Пол влиянием интенсивного теплового потока на стенку ламп наблюдается испарение кварцевою стекла и унос ею в наиболее холодные места лампы. В плазме разряда SiCh диссоциирует на оксид кремния и кисло­род. Последний способствует окислению материала электродов. Оксиды достаточно легко покидают повер­хность электродов и практически полностью разлага­ются п нлазмс разряда с восстановлением металлов. Эрозия оболочки лампы уменьшает ее механическую прочность. Затенение оболочки, покрытой эрозионны­ми металлическими частицами, увеличивает энергию, поглощаемую стенкой лампы.

Известные причины, приводящие к износу ИЛ, можно разделить на следующие группы:

— возрастание тепловых потерь на стенках;

— уменьшение прочности материала оболочки;

— уменьшение толщины стенки лампы из-за посто­янной эрозии кпарца в разряде:

— возрастание давления газа за счет испарения Si02 в предыдущих импульсах;

— снижение температуры кипения кварцевою стекла.

Модель износа ИЛ [3.38] состоит в том. что под действием плазмы из оболочки лампы происходит ис­парение и диссоциация Si02- Продукты сс диссоциа­ции О2 и О взаимодействуют с электродами и снижают их эрозионную стойкость. Кремний и сю оксиды п ре­акциях с примесными в ксеноне молекулярными газа­ми образуют непрозрачные соединения, которые вмес­те с эрозионными электродными частицами уменьша­ют прозрачность оболочки и снижают прочность квар­цевого стекла из-за появления дефектов в местах оседа­ния налетов. Коэффициент пропускания излучения уменьшается и из-за объемного радиационного окра­шивания кварцевого стекла. Все эт и эффекты действу­ют одновременно. Снижение прочности оболочки и предельной энергии ИЛ происходит до тех пор, пока fVnp не сравняется с энергией разряда, при которой лампа эксплуатируется. Тогда и происходит се разру­шение.

Вопросам долговечности ИЛ посвящено много ис­следований, обобщенных п [3.10, 3.35]. Предложено не­сколько формул для расчета их ресурса. Одной из пер­вых формул является выражение

lg/V=o(l-v), (3.29)

где а — коэффициент пропорциональности, а

v = fV / fVnp — фактор нагрузки, т. е. отношение энер­

гии разряда, при которой эксплуатируется лампа, к ее предельной энергии. Например, для ламп с фольговы­ми токовводами, эксплуатируемыми в режиме редких импульсов, формула справедлива при v = 0,4—0,7. Дру­гие формулы также основаны на зависимости N от v. Например,

N = exp[m(STy -1)], (3.30)

где т — эмпирический коэффициент. 5.w — сопротив­ление тепловому удару, которое определяется отноше­нием а0/а. Здесьо — термическое напряжение, возни­кающее нри воздействии на образец тепловых уларов постоянной интенсивности, ад — предельное значение этою напряжения для конкретного материала. Величи­ну 51у, по-видимому, можно отождествлять с величи­ной. обратной фактору паїрузки.

Эмпирическая зависимость в виде

yV=(l/v)8.58 (ззі)

использована для расчетов ИЛ накачки твердотельных лазеров.

Для разрядов длительностью в несколько мке пред­ложена формула расчета числа импульсов наработки в виде

Д/=[3/(1 +2v)5v]/1. (3.32)

На рис. 3.118 кривая / построена по этому соотно­шению для одиночных импульсов: кривая 2 — при /= 3 Гц и Л = 3.86: кривая 3 нри /= 10 Гц и А =4,3. Эм­пирический коэффициент А зависит от частоты повто­рения импульсов (для т = 2-5 мке) в диапазоне / = 0.1-25 Гц:

/1 = 3+ 0,5//.

Экстуатационные свойства. Конструкции ИЛ явля­ются весьма жесткими и выдерживают значительные механические нагрузки (вибрации, удары, постоянное ускорение). У кварцевых ламп имеются существенные преимущества в отношении механической прочности цилиндрических фольговых токовводов по сравнению с колпачковыми или вводами на переходных стеклах.

Температура окружающей среды влияет па нагру­зочную характеристику и диапазон управляемости лам­пы. Низкая температура вплоть до точки кипения на­полняющего газа (—1()8°С для Хе) сказывается мало. При эксплуатации ламп в закрытых камерах с оірани- ченным объемом следует учитывать суммарное воздей­ствие на лампу температуры окружающей среды и тем­пературы, создаваемой рассеиваемой в лампе мощно­стью.

Понижение давления окружающею воздуха сказы­вается на зажигании ламп: при давлении ниже 4 кПа (но выше 0,001 Па) управляющий импульс высокого напряжения внешнего зажигания шунтируется разря­дом по поверхности, и лампа может потерять способ­ность к управлению. В этом случае применяют внут­реннее зажигание. В глубоком вакууме (например, в космосе) достаточно надежное зажигание осуществля­ют и с помощью внешнего электрода. При этом снижа­ется допустимая средняя нагрузка ламны, так как рас­сеяние энергии происходит лишь за счет излучения. Для кварцевых ламн с допустимой температурой до 850°С максимальную среднюю рассеиваемую мощность оценивают, исходя из мощности серого излучателя (с интегральным коэффициентом излучения около 0,5) мри доле тепловых потерь разряда 0.2—0.9. Эксплуата­ция ламп в жидких средах меняет их нагрузку и напря­жения зажигания и самопробоя.

При повышенной влажности внешняя часть токо - вводов и цоколи ржавеют. Наиболее подвержены этому фольговые токовводы. Имеются различные способы за­шиты этих узлов от влаги с применением герметиков, нанесением коррозионно-стойкого покрытия па токо - ввод или использованием специальных конструкций.

Области применения. В настоящее время ИЛ приме­няются в приборах, относящихся к разнообразным от­раслям науки и техники, а импульсный разряд помога­ет изучать явления, связанные с кратковременными посылками излучения оптического диапазона длин волн. Кроме того, в связи с широким развитием кван­товой электроники большое распространение получили источники возбуждения лазерных сред различных ти­пов. Для каждого типа лазеров существует оптималь­ный диапазон длительностей импульсов накачки. В ка­честве источников возбуждения микросекундных лазе­ров применяю! устройства па основе сильноточных разрядов и ИЛ с длительностями вспышек порядка мке. Физические и эксплуатационные характеристики последних в значительной степени отличаются от ламп і: длительностью разряда в сотни мке, используемых для накачки твердотельных лазеров. Эти отличия за­ключаются в разной динамичности плазменных про­цессов. сильном испарении оболочки лампы, измене­нии развития и протекания ИР и т. д. Такие лампы применяются для накачки лазеров на красителях, хи­мических и фотодиссоциоппых лазеров.

Для накачки твердотельных лазеров созданы и се­рийно выпускаются сотни типов ИЛ с гоковводами па основе металлической фольги, колпачков и переходных стекол. Проведено также много работ по определению (зная параметры внешней электрической цепи и свой­ства разрядного промежутка) временного хода мощно­сти излучения в определенном спектральном интерва­ле. Решены многие варианты обратной задачи: выбор параметров цепи и разрядною промежутка лампы в со­ответствии с данными ИС.

Преимущества ИЛ проявляются в тех случаях пере­дачи информации, когда используется малоинерциоп - ная регистрирующая аппаратура, либо когда сам про­цесс продолжается короткое время. Именно этим объ­ясняется тенденция использования импульсных посы­лок излучения как способа улучшения параметров оп­тической системы с целью увеличения скорости, повы­шения точности, расширения диапазона и автоматиза­ции процессов в новейшей технике.

Существуют ИЛ, основанные на использовании хи­мической реакции горения (лампы одноразового дейст­вия). Эти лампы-вспышки заполнены металлической фольгой, сгорающей в атмосфере кислорода или фтора. В магниевых фотовспышках или фотобомбах металли­ческий порошок мгновенно сгорает благодаря выделе­нию кислорода из смешанной с ним богатой кислоро­дом соли.

Во всех развитых странах в больших количествах выпускаются ИЛ с энергиями импульсов от долей Дж (для внутриполостной медицинской фотографии и пор­тативных электронных фотовспышек) до сотен тысяч Дж для ночных аэросъемок и накачки лазеров. В стро­боскопах ИЛ работают с частотой повторения импуль­сов в несколько кГц, так же, как и в осветителях для скоростной киносъемки. Они используются в медицин­ской, биологической и других специальных видах фото­графии. Устройства с ИЛ применяются в автоматике и телемеханике — приборах со световыми каналами управления и передачи информации. Это — оптические дистанционные контактирующие устройства, датчики «угол — число» ЭВМ, аппаратура световою огражде­ния, управление преобразователями на высоковоль­тных линиях постоянною тока, толщиномеры и т. п. Они находят также применение в оптической локации и связи (измерители высоты облачности, другие даль­номеры, оптическая телефония). Создается много све­тосигнальных приборов: световые трассеры, маяки, бортовые огни самолетов, огни других транспортных средств. ИЛ используются для получения отметок вре­мени. фоторегистрации, микрофильмирования, съем­ки, полиграфии, фотолитографии, фотометрии и т. н. Разрабатываются ИЛ для технологических применений.

Нели ИЛ помешена в какое-либо светооптичсское устройство, содержащее отражающие поверхности, часть собственного излучения может возвратиться в столб разряда и частично поглотиться плазмой. Погло­щенное излучение эквивалентно дополнительной под­водимой к разряду мощности, вызывающей повыше - ниє температуры плазмы, возрастание яркости столба плазмы, а также перегрев конструкции лампы, из-за которого снижаются сс предельно допустимая энергия и долговечность. Наибольшее прояшіепие этого эффек­та происходит в предельно малом отражателе, плотно окружающем колбу лампы. Амплитуда разрядного тока в трубчатой лампе возрастает при этом на 20%. Дли­тельность импульса разрядною тока несколько умень­шается. Прирост спектральной яркости (420 пм) в тес­ном отражателе достигает 60%. В отражателе лампа имеет длительность фронта импульса на 15—20% мень­шую, а длительность импульса па уровне 0,35 пикового значения на 15% большую, чем у этой же лампы в от­крытом пространстве. При уменьшении энергии разря­да и давления газа различия во временном ходе ихіуче - пия открытых ламп и ламп, помещенных в отражатель, уменьшаются.

У шаровых ИЛ такою действия отраженного излу­чения не наблюдается, т. к. отражатель практически пе концентрирует ею на канале разряда лампы.

О современных светодиодных лампах можно почитать здесь