太陽(yáng)模擬器大功率短弧氙燈水平點(diǎn)燃的穩(wěn)弧研究

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1、第27卷第3期航天器環(huán)境工程2010年6月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING357太陽(yáng)模擬器大功率短弧氙燈水平點(diǎn)燃的穩(wěn)弧研究張容,蔣山平,向艷紅,李弦松(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京100094)摘要:大功率短弧氙燈的穩(wěn)弧是氙燈水平點(diǎn)燃太陽(yáng)模擬器研制中的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章介紹了太陽(yáng)模擬器大功率短弧氙燈水平點(diǎn)燃的穩(wěn)弧研究方法、研究試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)數(shù)據(jù),分析并給出了相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)論。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)模擬器;氙燈;穩(wěn)??;均勻性中圖分類號(hào):V524.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:^文章編號(hào):1673-1379(2010)03-0357-04DO

2、I:10.3969/j.issn.1673-1379.2010.03.018O前言大功率短弧氙燈在水平點(diǎn)燃時(shí)會(huì)發(fā)生弧飄而導(dǎo)致氙燈光源的成像出現(xiàn)問(wèn)題,例如電影放映時(shí),由于電弧出現(xiàn)上飄現(xiàn)象,會(huì)造成銀幕上的光影晃動(dòng),影響放映效果。另外,電弧卜飄嚴(yán)重時(shí),還會(huì)使氙燈玻殼上部過(guò)熱,甚至造成氙燈炸裂,因此必須進(jìn)行穩(wěn)弧。對(duì)于太陽(yáng)模擬器水平點(diǎn)燃氙燈光源,其弧飄情況以及弧飄對(duì)輸出光束的均勻性影響,在國(guó)內(nèi)沒(méi)見(jiàn)到相關(guān)專題研究報(bào)道。由北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研發(fā)并建立的離軸準(zhǔn)直型太陽(yáng)模擬器(KFTA)首次采用氙燈水平放置點(diǎn)燃設(shè)計(jì)方案。在該太陽(yáng)模擬器的研制過(guò)程中,重點(diǎn)

3、進(jìn)行了水平點(diǎn)燃氙燈的穩(wěn)弧試驗(yàn)研究,取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論為太陽(yáng)模擬器氙燈關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了重要依據(jù)。l氙燈的發(fā)光機(jī)理及其弧飄現(xiàn)象氙燈由鎢材料陽(yáng)極、鈰鎢或釷鎢材料陰極和石英泡殼組成。陽(yáng)極和陰極分別封接于石英泡殼的兩端,殼內(nèi)抽真空后充入一定壓力的純氙氣。當(dāng)氙燈陽(yáng)極、陰極之間加上直流電壓后,在高頻、高壓電場(chǎng)激發(fā)下,陰極發(fā)射的熱電子被電場(chǎng)加速后撞擊氙原子,使之激發(fā)電離,產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光放電Ll,2J。氙燈的放電物質(zhì)是氙氣,它不同于其他汞及金屬鹵化物,因?yàn)闅怏w原子輕,而原子越輕,放電時(shí)對(duì)流現(xiàn)象越劇烈。氙燈的電弧位置和形狀主要由對(duì)流的氣流決定,這種電弧稱為

4、對(duì)流穩(wěn)定型電弧。當(dāng)電弧偏離垂直位置時(shí),其狀態(tài)會(huì)改變,例如氙燈水平點(diǎn)燃時(shí),電弧向上彎曲。電弧形狀的改變可引起光電參數(shù)的變化,當(dāng)對(duì)流過(guò)分強(qiáng)烈時(shí),電弧上飄嚴(yán)重,甚至?xí)?。所以,?duì)流穩(wěn)定型氙燈的正常工作位置應(yīng)該是垂直位置pJ。對(duì)于極間距很小的電弧屬于過(guò)渡穩(wěn)定型的氙燈(一般為小功率氙燈),允許在任意位置上點(diǎn)燃。因此,通常小功率短弧氙燈在水平點(diǎn)燃時(shí)不需要穩(wěn)弧,而大功率短弧氙燈在水平點(diǎn)燃時(shí)則需要采取穩(wěn)弧裝置進(jìn)行穩(wěn)弧。2氙燈的穩(wěn)弧方法目前,氙燈穩(wěn)弧主要有垂直磁場(chǎng)穩(wěn)弧和軸向磁場(chǎng)穩(wěn)弧兩種方法。2.1垂直磁場(chǎng)穩(wěn)弧在氙燈的下方安裝永久磁鐵或電磁鐵,通過(guò)磁鐵產(chǎn)生的磁

5、場(chǎng)力對(duì)弧飄進(jìn)行抑制。當(dāng)氙燈電流穩(wěn)定時(shí),如果電弧所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度選擇得適當(dāng),那么電弧所受的向下的作用力與氣流向上的作用力大小相等且方向相反,故可抵消,使電弧穩(wěn)定在原來(lái)的位置不變【4】。2.2軸向磁場(chǎng)穩(wěn)弧在氙燈陰極的尾部套一個(gè)磁環(huán),磁環(huán)的磁場(chǎng)與氙燈軸線平行,成為同軸磁場(chǎng)。當(dāng)氙燈點(diǎn)燃并且電弧向上飄動(dòng)時(shí),電荷的運(yùn)動(dòng)速度將分解成為平行于磁場(chǎng)和垂直于磁場(chǎng)兩個(gè)分速度,平行于磁場(chǎng)的分速收稿日期:2009.09.02;修回15t期:2010.04一01基金項(xiàng)目:航天科技基金項(xiàng)目資助作者簡(jiǎn)介:張容(1955一),女,高級(jí)工程師,主要從事太陽(yáng)模擬器、多光譜定標(biāo)

6、設(shè)備研制工作。E-mail:zron9511@yahoo.com.ol。358航天器環(huán)境工程第27卷度,使電荷不受洛倫茲力的作用而向前運(yùn)動(dòng);垂直于磁場(chǎng)的分速度,使電荷受到洛倫茲力的作用而作圓周運(yùn)動(dòng)。以上兩種運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果是電荷作螺旋運(yùn)動(dòng),只要有足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度,電荷便會(huì)被約束在離氙燈發(fā)光點(diǎn)很近的一個(gè)小范圍內(nèi)作螺旋運(yùn)動(dòng),從而有效地抑制電弧的飄動(dòng)【41。3氙燈的穩(wěn)弧研究方案采用德國(guó)OSRAM10kW短弧風(fēng)冷氙燈作為光源,并就該氙燈在水平點(diǎn)燃時(shí)需要進(jìn)行穩(wěn)弧的問(wèn)題對(duì)德國(guó)OSRAM公司、常州玉宇電光器件有限公司、北京環(huán)境特性研究所以及電影放映公司等單位

7、進(jìn)行了調(diào)研,結(jié)果發(fā)現(xiàn),這些單位對(duì)于水平點(diǎn)燃大功率氙燈均采取永久磁鐵進(jìn)行穩(wěn)?。涣硗?,考慮到氙燈在水平點(diǎn)燃調(diào)試試驗(yàn)中以及在后續(xù)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行等因素,應(yīng)盡量采取簡(jiǎn)單、可靠的穩(wěn)弧方法。基于以上兩點(diǎn),最終確定采取垂直磁場(chǎng)穩(wěn)弧的設(shè)計(jì)方案。在穩(wěn)弧研究方案中,規(guī)定了幾種形式的磁鐵,其中包括馬蹄形、矩形和圓環(huán)形,尺寸大約為50mmx50mm.x10mln,將其放置在氙燈陰極的下方,剛好是在燈架的Z型底板上。在氙燈點(diǎn)燃后,根據(jù)電弧的飄移位置來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)磁鐵,直到電弧穩(wěn)定時(shí)將磁鐵固定。圖1為經(jīng)多方研究而最終確定的穩(wěn)弧磁鐵的放置位置。圖1穩(wěn)弧磁鐵放置位置Fig.1Po

8、sitionofthemagnet4氙燈的穩(wěn)弧研究試驗(yàn)4.1氙燈的弧飄與穩(wěn)弧4.1.1氙燈運(yùn)行在800W功率的穩(wěn)弧試驗(yàn)1)觀察氙燈點(diǎn)燃后的弧飄現(xiàn)象在最初的水平點(diǎn)燃調(diào)

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