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氙燈用鎢陰極抗燒蝕性能試驗探究

作者:標準集團 添加時間:2019-10-21
脈沖氙燈是一種通過脈沖放電形式將電能轉化成輻射能的器件,儲存在電容器上的能量在很短的時間內通過燈管以氣體放電的形式釋放,建立燈管內地高溫等離子體,產生高亮度的輻射,從而激勵工作物質,脈沖氙燈具有發光量大、閃光時間短、光譜性能良好等特點[1-2]。影響氙燈壽命的因素有很多,比如陰極、石英玻璃管、封裝技術、氙燈尺寸等,而大多數燈的損壞都是因陰極性能變劣和失效而引起的[3-4]。鎢電極可作為光電源領域的泵浦燈用電極,電極決定著激光燈的壽命、電參數和啟動性能等,對其性能(特別是壽命)起著決定性影響[5]。
 
目前市場上常采用高熔點、高電子發射率、不易濺射的釷鎢、鋇鎢和鈰鎢材料制成。近年來發展起來的多元復合稀土鎢電極具有電子發射性能好、抗燒蝕性能好的優點,而這些電極又以E3(W-La-Y-Zr)為最。本文對幾種自主設計的多元稀土鎢電極的抗燒蝕性能進行測試分析,優選出性能最優的鎢陰極。
 
1 試驗
試驗采用脈沖氙燈測試電源對E3、La-W 1、La-W2和Er-W四種多元稀土鎢陰極所裝氙燈進行點燈測試,測試參數為:電壓為3 000 V,頻率為3Hz,電容為23μF。然后對測試后的電極進行能譜分析(EDS)、SEM表面形貌觀察并制取金相試樣觀察再結晶狀況。試驗用氙燈由上海耀普光電技術有限公司生產。試驗設備有PXTP-202A氙燈測試電源、PXTP氙燈測試箱。4種試樣編號及成分見表1。
 
2 結果與討論
2.1 氙燈管壁宏觀形貌
脈沖氙燈使用一段時間后,管壁會出現發黑、發白、龜裂等現象,這使它的光輸出下降,著火電壓升高,不能正常啟動,工作不穩定而喪失使用價值,有時甚至發生爆炸[4,6-7]。影響氙燈使用壽命的主要因素是電極濺射物或蒸發的沉積物使陰極區發黑,造成燈管嚴重喪失透明性,發光效率下降[8]。圖1為點燈100萬發次之后的照片,由圖中可以看到幾種氙燈管壁均出現了不同程度的發黑狀況,Er-W氙燈管壁發黑長度較長,E3、La-W1次之,La-W2氙燈發黑長度最短。管壁上的濺射物或蒸發物不僅使管壁發黑,影響氙燈的發光效率,而且會吸收更多的電離輻射,使得石英玻璃管局部發熱,冷卻后會使石英管內表面產生應力,甚至會產生裂紋,嚴重破壞石英燈管的機械強度。由此,可以初步推斷La-W2氙燈的壽命要高于其他氙燈,而Er-W氙燈的壽命最短。
 
2.2 管壁成分分析
圖1可以看出氙燈點燈后,靠近陰極的管壁附著了一層沉積物,越靠近陰極沉積物越多。方慶華[9]等認為加溫時電極放氣是濺射的主要原因,電極中氣體改變性能,逸出功升高,且鎢電極很易氧化,造成WO2、WO3易濺射,使管壁發黑,最終縮短燈的壽命。為了確定管壁濺射物成分,對氙燈管壁進行了能譜分析,如圖2所示,由形貌圖可以看出,沉積物趨于圓球形,Er-W電極沉積物較多,發生團聚,其他氙燈管壁幾種沉積物較少。由能譜分析可知,管壁表面的沉積物主要包含W、O和C,C為其中的雜質元素,結合上述分析可知沉積物主要由鎢和鎢的氧化物。
為了進一步分析管壁的濺射物成分,進行了XPS分析。圖3為Er-W氙燈管壁的XPS分析,由全譜圖3(a)可以看出管壁主要成分為W,O,C和Si,其中Si為玻璃管的成分,C的峰位為284.8 eV,該峰位的C被稱為污染碳,可將其視為雜質元素,因此,沉積物主要是W和O。圖3(b)為鎢的4d峰分譜,由圖中可知曲線a的4d 5/2峰位為243.4 eV,4d 3/2峰位為256.1 eV,屬W0的峰譜特性;曲線b的4d 5/2峰位為247.5 eV,4d 3/2峰位為260.3 eV,屬W6+的峰譜特性,因此,可以確定氙燈管壁的沉積物由鎢和WO3構成,由于W6+峰的面積大于W0,所以管壁濺射物主要由大量的WO3和少量的鎢組成。
 
2.3 陰極端面微觀分析
放電前后,電弧放電處電極材料經歷受熱膨脹,接著冷卻至固化溫度,再進一步冷卻使其在熱脹冷縮效應下產生很強的內應力,導致裂紋的產生,裂紋的產生可以加快材料的燒蝕。圖4為低倍下陰極端面的掃描照片,可以看出圖4(a)出現大量裂紋和一些球狀顆粒,裂紋是由材料內應力造成的,球狀顆粒主要是陰極裂紋處在高溫狀態下熔融后形成的。圖4(b)和圖4(d)均出現球狀顆粒,其中圖4(d)球狀顆粒最多,可知Er-W氙燈高溫性能較差。圖4(c)中出現少量的裂紋和少量的球狀顆粒,可知La-W 2耐燒蝕性能較好。
在放電過程中,氙氣導通時放電電弧產生的高溫使局部電極材料液化熔融,電弧作用力(主要包括等離子體壓力)作用于熔融電極表面使其受到損壞,致使熔融液滴產生濺射,損失一定電極材料,同時表面張力作用于受損表面,使之平坦化,當等離子體壓力與表面張力達到平衡時,形成微米級的圓形凹坑,一部分噴濺物被帶離電極表面,散布于對面電極表面、側面、管壁以及其他區域;另一部分噴濺物以熔融態形式滯留于燒蝕坑邊緣,冷卻形成升起的圓形邊緣[10]。圖5為陰極端面微觀燒損形貌照片,由圖中可知幾種材料都因噴濺形成了燒蝕凹坑,凹坑因多次放電而相互重疊。其中,圖5(d)中的凹坑尺寸最大,圖5(a),5(b)凹坑尺寸次之,圖5(c)中凹坑尺寸最小。燒蝕凹坑尺寸越大,說明陰極燒蝕過程中噴濺損失的材料越多,陰極的抗燒蝕性能越差,由此可以推斷電極的工作溫度排序:Er-W>E3>La-W1>La-W2。
 
其中:W表征不同金屬的逸出功,eV;kh為玻爾茲曼常數,J/K;A為熱發射常數,A/cm2;I為電流,A;T為工作溫度,℃。由式(1)可以看出在溫度較高工作電流不變時,材料的溢出功越小,對應的發射溫度越低。由于電極的工作溫度Er-W>E3>La-W1>La-W 2,由示波器測得的電極工作時的峰值電流穩定為1 000 A,可以推斷Er-W陰極的逸出功高,La-W2陰極逸出功低。添加金屬錸可以降低材料的逸出功,從而降低材料表面的溫度,減輕材料的燒蝕。
 
2.4 陰極截面組織分析
圖6、圖7為燒蝕前后4種陰極縱截面的50倍金相照片。從圖6可以看出,圖6(c)所示陰極晶粒明顯要小于其他幾種陰極,由于幾種陰極采用了相同的加工工藝,因此陰極材料的成分是造成差別的主因,說明金屬錸可以起到細化材料晶粒的作用。而在每道次的旋鍛加工后,材料都會進行再結晶退火,所以添加金屬錸可以細化材料的再結晶晶粒。圖7可以看出4種陰極工作后均發生了不同程度的再結晶。由圖7中可以看出,圖7(d)陰極晶粒較為粗大,圖7(a)晶粒次之,然后是圖7(b),這三種陰極燒蝕后晶粒均出現了不同程度的長大,而圖7(c)再結晶晶粒較小,處于再結晶晶粒長大期。這種細小的晶粒為第二相的擴散提供了更多通道,有利于稀土氧化物向陰極尖端的擴散,避免因氧化物遷移不足而造成的鎢基體的燒蝕。
 
3 結論
(1)在電壓3000V,頻率3Hz,電容23μF的條件下點燈100萬發次,Er-W氙燈發黑最為嚴重,La-W2(加Re)氙燈發黑程度最輕。管壁黑色物質是由陰極發生濺射形成的,成分由大量的量的WO3和少量的W組成。
(2)燒損后陰極端面的掃描照片顯示,Er-W陰極端面燒蝕凹坑最大,La-W2陰極的燒蝕坑最小。說明Er-W陰極工作溫度較高,噴濺損失的材料較多,而La-W2陰極的工作溫度較低,材料的穩定性較好,從側面說明了La-W2的電子發射性能好。
(3)燒損后陰極縱截面金相組織顯示,Er-W再結晶晶粒粗大,La-W2再結晶晶粒小,細小的晶粒為第二相的擴散提供了更多通道,減輕材料的燒蝕。因此,La-W2陰極的抗燒蝕性能較好。