翟瑞伟， 赵友全， 苗佩亮， 姜 楠， 江 磊， 刘 潇， 徐巧艳

天津大学精密仪器与光电子工程学院， 天津 300072

小型球形脉冲氙灯光谱分析与实验测定

翟瑞伟， 赵友全*， 苗佩亮， 姜 楠， 江 磊， 刘 潇， 徐巧艳

天津大学精密仪器与光电子工程学院， 天津 300072

作为分析仪器和医疗仪器光源， 脉冲氙灯的光谱特性直接影响着仪器的整体性能。 为了研究脉冲氙灯放电回路参数及几何参数对其光谱特性的影响， 利用气体放电理论分析了脉冲氙灯发光过程， 设计了光谱检测系统， 实验测定了脉冲氙灯在不同放电参数下的光谱特性。 结果表明： 脉冲氙灯光谱由连续谱和线状谱组成， 连续谱有离子复合和韧致辐射产生， 线状谱由电子能级跃迁产生。 相对光谱辐射能量随着放电电压升高呈近似线性增长、 并随着储能电容的变大而变大。 在放电电压较低时， 弧长较短时相对光谱辐射能量较大； 在放电电压较大时， 弧长越长相对光谱辐射能量越大。 对于脉冲氙灯工作参数选取以及应用生产具有重要的意义。

光源； 脉冲氙灯； 光谱特性； 相对光谱辐射能量； 放电回路参数

引 言

小型短弧球形脉冲氙灯由于其瞬时功率大， 光谱范围宽、 紫外特性好， 尺寸小、 产热低， 易操作等特点， 被广泛应用于工业生产、 医疗器械以及多种分析仪器中[1]。 脉冲氙灯光谱强度分布是反映脉冲氙灯性能的关键指标。 不同的应用对脉冲氙灯的光谱特性有着不同的要求。 在土壤养分测定分析仪里， 主要应用了脉冲氙灯紫外可见光谱[2]； 在水质分析以及油污颗粒检测领域， 则希望增强脉冲氙灯紫外光谱占比[3-4]； 而在汽车光源以及摄影灯领域， 则希望增强可见区能量， 并削减紫外辐射以减少对人体和环境的影响[5-6]。 研究脉冲氙灯发光机理， 以及其光谱特性与放电回路电路参量、 氙灯几何参量间的关系， 对于提高脉冲氙灯发光效率， 扩大应用范围非常重要。

国内外对氙灯的放电光谱已经有了很多研究， 但是主要集中在长弧大功率脉冲氙灯以及连续氙灯的研究上。 Gonzc研究了连续氙灯和脉冲氙灯发光效率与电流密度之间的关系， 指出电流密度在一定程度上控制着氙弧的光谱特性[7]； Gusinow主要研究了激光泵浦用大功率脉冲氙灯紫外波段极限发光效率问题[8]， 并说明在脉冲氙灯里增加某些杂质可以导致250～300 nm光谱范围内的辐射增加； Baksht等研究了大电流脉冲氙灯的光谱特性以及发光机理[9]； 而对短弧球形脉冲氙灯同放电电路参数以及灯的几何参数之间关系的研究较少， 且现有文献缺乏对脉冲氙灯发光机理及光谱特性深入的分析。

结合气体放电理论对脉冲氙灯发光过程以及光谱分布特性进行了深入分析。 设计脉冲氙灯控制装置， 利用积分球和光谱仪搭建脉冲氙灯光谱检测系统。 通过改变放电回路参数， 检测得到了不同型号脉冲氙灯光谱特性， 并对实验结果进行了分析和讨论。

1 发光过程与光谱特点

脉冲氙灯发光是伴随着放电过程产生的。 脉冲氙灯放电可分为预电离和主放电两个过程[10]。 在预电离过程中， 触发回路产生高压脉冲， 电火花线圈首先放电产生紫外线， 各电极由于场致发射和光电效应产生光电子， 在阴极和阳极之间逐渐形成一个非常细小的由自由电子和氙正离子组成的放电沟道。 随之， 脉冲氙灯进入主放电过程。 在主放电电容的高压作用下， 氙正离子和自由电子分别朝向阴极和阳极运动。 自由电子在运动过程中会和氙原子发生碰撞电离， 逐步形成电子崩[11]。 产生电子的数目为

(1)

其中n0为阴极发射出来的初始电子数，α为碰撞电离系数， 即沿电场方向， 单位长度内产生的电子数。α和电场E有关， 关系见式(2)[12]

(2)

其中λ是指电子的平均自由程，Ui为气体分子的电离单位。

在氙原子电离的过程中伴随着自由电子和正离子的复合。 复合过程发射光子形成连续谱， 同时能级跃迁形成线状谱。

(3)

由于自由电子的动能可以为任意值， 因此复合光谱为连续谱。 韧致辐射是指等离子体中自由电子动能发生变化时也能辐射光子， 发射光子的能量为

(4)

复合释放的功率有如下关系[13]

(5)

其中，Z为原子序数，ne为电子浓度，Te为电子温度。 此种情况下电子由自由态变为束缚态， 被称为f-b过程。

韧致辐射的功率的关系为[13]

(6)

此种情况下电子是从自由态到另一个自由态， 被称为f-f过程。

将式(5)和式(6)进行比较可得

(7)

在脉冲氙灯放电过程中， 气体同时存在电离和复合过程， 平衡状态下， 电离数目和复合数目相等， 这种状态的电离度可由Saha方程表示[15]

(8)

其中α为电离度， 即α=ni/n，n为粒子数，ni为电离粒子数，p是气压，T是温度，Wi为电离能，K是玻尔兹曼常数。

从式(7)可知， 原子序数越大， 电子温度越低，f-p对连续谱的贡献越大。 而电子温度可由式(8)进行估算。 对于脉冲氙灯，f-p过程占连续谱的主要部分。

线状光谱是由电子的能级跃迁产生的， 复合后的电子并未直接回到基态， 而是在激发态能级停留一段时间。 对于氙原子来说， 其激发态能级有很多个， 相应能级跃迁的路径也有很多个， 表现在光谱上， 线状谱也有很多个。 但是对于Xe的所有线状谱而言， 其强度差别很大， 原因在于电子在有些激发态能级停留的时间比较长， 而有的比较短， 所以发生跃迁的电子数目会有很大差别， 发射出不同频率的光子的数目差别也比较大。

2 实验部分

实验装置包括脉冲氙灯控制盒， 氙灯电源， 脉冲氙灯， 积分球， 光纤， 光谱仪以及上位机等部分组成。 氙灯经电源驱动闪光后， 经积分球匀光， 通过光纤传至光谱仪。 光谱仪在计算机的控制下将数据传至计算机进行分析和处理。 实验装置如图1所示。

图1 脉冲氙灯实验系统框图

脉冲氙灯控制器为自行研制， 控制着脉冲氙灯的关停， 放电电压的调整， 并同步光谱仪的工作。 氙灯采用滨松C5728电源进行驱动。 积分球为金属做成的内部空心的球， 球的内表面均匀喷涂一层具有郎伯漫射特性的材料， 氙灯在积分球内闪光后， 光线经多次漫反射就形成了一个理想的漫射源， 可以消除光源发光的不均匀性所带来的影响， 使球内任意点的照度只是球的几何尺寸、 涂层的漫反射比、 氙灯辐射通量的函数， 而与几何位置无关[15]。 积分球作为脉冲氙灯容器也起到自然光隔离的作用。 光谱仪采用高灵敏度、 高UV响应以及高动态范围的Maya2000 Pro， 通过上位机控制， 使其在外触发模式下工作， 和脉冲氙灯的闪光保持同步。

检测的脉冲氙灯为滨松小功率球形脉冲氙灯。 其特性如表1所示。 HQ和SQ的区别在于电极材料和充气气压不同。

分别对四种脉冲氙灯进行光谱采集， 并剔除背景噪声。 储能电容分别设置为0.033， 0.063和0.1 μF。 放电电压为450～975 V， 每隔25 V采集一次。

表1 实验用脉冲氙灯性制参数

3 结果与讨论

图2为L2440氙灯在储能电容C=0.063 μF， 放电电压U为700 V时的光谱曲线。 观察可知， 脉冲氙灯光谱由连续谱和线状谱组成， 各个波长点的相对光谱值相差比较大， 线状谱有很多个。 其他三种灯的光谱曲线和L2440类似。

图2 L2440在C=0.1 μF， U=700 V时的相对光谱分布曲线

下面具体分析放电电压、 储能电容以及电极间距等参数对脉冲氙灯光谱的影响。

由于实际采集的光谱数据无法直观的反映光谱的变化趋势， 现采用以下参数对光谱进行评价。

相对光谱辐射能量： 由于脉冲氙灯总能量等于各种波长光子能量的总和， 由光谱仪CCD工作原理可知， 某一波长的光谱数据Rλ和该波长光强成正比。 则脉冲氙灯在200～1 200 nm范围内， 光谱辐射总能量Q和Rλ关系为

(9)

由于光谱仪采集到的光谱数据为离散的， 因而

(11)

对Q进行归一化， 使其以式(2)表示， 此时Q为一个相对值， 称之为相对光谱辐射能量。

(12)

图3是储能电容为0.1 μF时， 四种脉冲氙灯相对光谱辐射能量Q随电压变化的曲线图。 以L4644为例，Q随着放电电压U的升高而增大， 并与放电电压U有着严格的线性关系。 当电压升高时， 电场强度E变大， 在自由电子运动距离不变的情况下， 自由电子能量升高， 由式(2)可知， 碰撞电离系数α变大， 则产生的自由电子数n变大， 参与复合的离子数目增多， 相对光谱辐射能量增强。 其他三种灯与电压的关系为二次关系， 但二次项系数比较小， 光谱能量随电压变化趋势接近直线。 对L4644同样可以进行二次拟合， 拟合系

图3 光谱能量与电压的关系(C=0.1 μF)

数依然很大， 达到0.999 3， 二次系数较小。 因此， 脉冲氙灯的光谱输出能量与电压呈二次关系。 在储能电容C为0.033 μF时具有相同结果如图4所示。

图4 光谱能量与电压的关系(C=0.033 μF)

图5、 图6和图7分别是L2440， L4640以及L4644在不同电容下的相对光谱辐射能量。 对比三张图可知， 随着放电电容的增大相对光谱辐射能量变大。 由于脉冲氙灯放电回路可近似为RLC放电过程， 其中R为动态值， 在放电开始时R为无穷大， 等离子体形成后R值趋于0。 当C增大时， 放电时间即电离持续的时间变长， 因而产生的自由电子数变多， 相对光谱辐射能量也会随之变大。

图5 L2440脉冲氙灯辐射能量与电容的关系

图6 L4640脉冲氙灯辐射能量与电容的关系

图7 L4644脉冲氙灯辐射能量与电容的关系

图8 L4640/L4644辐射能量与弧长的关系(C=0.063 μF)

图9 L2440/L2359辐射能量与弧长的关系(C=0.063 μF)

图8为L4640和L4644随电压的增长关系对比图。 图9为L2359和L2440随电压的增长关系对比图。 L4640和L4644的区别和L2440与L2359的区别一样， 都在于电极间距即弧长不同。

由图可知， 图中两条曲线有交点(图8中两条曲线延长的话也会有交点)， 在放电电压较小时， 弧长短的灯相对光谱辐射能量较大， 在放电电压较大时， 弧长长的灯的相对光谱辐射能量较大。 弧长变长会引起两方面的变化： 一是电压不变， 电场强度变小； 二是等离子体电阻R会变大， 造成放电时间变长。 由式(2)可知， 当电场强度变小时， 碰撞电离系数变小， 根据式(1)， 电离产生的自由电子变小， 从而导致参与复合发光和韧致辐射发光的自由电子变小， 相对光谱辐射能量变小。 如果放电时间变长， 产生的自由电子变多， 相对光谱辐射能量变大。 相对光谱辐射能量随弧长的变化便是二者相互作用的结果。 由式(2)可知， 随着放电电压的增大， 电场强度E增大ΔE， 而ΔE随着E的增大对碰撞电离系数α的影响变小， 放电时间对相对光谱辐射能量的影响占优， 从而放电电压较大时， 弧长长的灯的相对光谱辐射能量较大。 由于充气气压的不同， 造成两种灯内自由电子的平均自由程不同， 因而两幅图中交点的位置不同。

4 结 论

以气体放电理论为基础， 从微观的角度分析了脉冲氙灯的发光过程以及光谱特点。 脉冲氙灯发光主要发生在主放电阶段， 在预电离阶段只有微弱的电火花。 脉冲氙灯光谱主要包括连续谱和线状谱。 连续谱主要由自由电子和离子的复合， 以及韧致辐射产生， 二者所占的比重和电子浓度以及电子温度相关。 线状谱是由处于不同能级的电子跃迁产生， 且线状谱有很多个， 强度差别很大。 设计了脉冲氙灯光谱特性检测系统， 详细测定了不同型号的脉冲氙灯在不同放电电压、 储能电容下的光谱曲线， 并分析了相对光谱能量随放电电压、 储能电容以及电极间距的变化关系。 结果表明： 相对光谱辐射能量随着放电电压升高呈近似线性增长、 并随着储能电容的变大而变大。 并且在放电电压较低时， 弧长较短时相对光谱辐射能量较大； 在放电电压较大时， 弧长越长相对光谱辐射能量越大。

[1] Campo J C, Perez M A, Mezquita J M. in Proceedings of APEC 97-Applied Power Electronics Conference, 1997, 2: 1057.

[2] HE Dong-xian, LU Shao-kun, HU Juan-xiu(贺冬仙， 鲁绍坤， 胡娟秀). Chinese Journal of Scientific Instrument(仪器仪表学报)， 2011， 32(3): 527.

[3] CHEN Qing-qing, LIU Jun-hua, HU Hai-zhu(陈清清， 刘君华， 胡海珠). Electronic Measurement Technology(电子测量技术), 2011, (2): 6.

[4] SHANG Li-ping, XU Xiao-xuan, XU Jing-jun(尚丽平， 徐晓轩， 许京军). Acta Metrologica Sinica(计量学报), 2005, 26(1): 81.

[5] HOU Gu-yi, CHEN Da-hua, CHEN You-su(候谷一， 陈大华， 陈友苏). China Light & Lighting(中国照明电器), 2003， 8： 1.

[6] YAN Zeng-zhuo, CHENG Yu(严增濯， 程 宇). China Light & Lighting(中国照明电器), 1997， (1): 14.

[7] Goncz J H, Newell P B. JOSA, 1966, 56(1): 87.

[8] Gusinow M. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1975, 11(12): 929.

[9] Baksht E K, Boichenko A M, Galakhov I V, et al. Laser Physics, 2007, 17(6): 782.

[10] ZHAO You-quan, MIAO Pei-liang, HE Feng(赵友全， 苗佩亮， 何 峰). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2014, 34(7): 1978.

[11] WANG Hui-juan(王慧娟). Journal of Baoding Teachers College(保定师范专科学校学报), 2007, 20(2): 53.

[12] GUAN Gen-zhi(关根志). High Voltage Engineering Foundation(高电压工程基础). Beijing: China Electric Power Press(北京： 中国电力出版社), 2003. 16.

[13] ZHOU Tai-ming, ZHOU Xiang， CAI Wei-xin(周太明， 周 详， 蔡伟新). Principle & Design of Light Sources(光源原理与设计). Shanghai: Fudan University Press(上海： 复旦大学出版社), 2006. 97.

[14] PENG Guo-xian(彭国贤). Gas Discharge & Application of Plasma Physics(气体放电&等离子体物理的应用). Beijing: Knowledge Publishing House(北京： 知识出版社), 1988. 15.

[15] TANG Shun-qing, ZHU Zheng-fang(汤顺青， 朱正芳). Measurement Technique(计量技术), 2005, 12: 30.

*Corresponding author

Study on the Spectral Characteristics of Xeon Flash Lamp and Experimental Measurement

ZHAI Rui-wei， ZHAO You-quan*， MIAO Pei-liang， JIANG Nan， JIANG Lei， LIU Xiao， XU Qiao-yan

College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

Xenon flash lamp is used by most analytical instruments and medical equipments as light sources whose spectral characteristics exert a tremendous influence on the property of instruments and medical equipments. In order to study the effects of pulsed Xenon discharge circuit parameters and geometric parameters on the spectral characteristics, theoretical analysis has been conducted to Xenon lamp emitting process with the gas discharge theory. The spectroscopic detection system has been designed to conduct experimental detection to the spectral characteristics of pulsed Xenon lamp with different parameters. The experimental results show that the emission spectra of Xenon flash lamp contain both line and continuous radiation. The line spectrum results from the electron energy gap transition, while the cw radiation related to ionic recombination and bremsstrahlung. The relative spectral intensity increases linearly with the discharge voltage, and has a positive correlation with storage capacitor. When low discharge voltage, the shorter the arc length, the higher the relative spectral intensity .while the discharge voltage becomes higher, the result is reversed. The work in this paper has great significance for xenon flashlamp on the parameters selection and industrial application.

Light source; Xeon flash lamp; Spectral characteristic; The relative spectral intensity; Discharge loop parameters

Aug. 26, 2014; accepted Jan. 28, 2015)

2014-08-26，

2015-01-28

国家自然科学基金项目(11074134)， 国家重大科学仪器项目(2011YQ15004008)， 天津市科技支撑计划项目(10ZCKFSH02200)资助

翟瑞伟， 1990年生， 天津大学精密仪器与光电子工程学院研究生 e-mail: zrw6352187@163.com *通讯联系人 e-mail: zhaoyouquan@tju.edu.cn

TH744.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2674-05