Третья часть цикла статей о лампах накачки твердотельных лазеров. На этот раз рассмотрены вопросы охлаждения ламп, типы газовов, использумых для наполнения колбы, понятия "мертвая зона" и импеданс. В следующей статье будут рассмотрены физические принципы свечения лампы сверхвысокого давления и их спектры излучения ксеноновых и криптоных ламп.

Охлаждение

При малых мощностях и низких частотах повторения достаточно естественного охлаждения лампы. В противном случае используется принудительно воздушное или водяное охлаждение. В мощных лазерах обычно применяется водяное охлаждение с потоком порядка 4-10 л/мин.

Материал колбы характеризуется предельно допустимым потоком мощности, выражаемым в Вт/см². Это значение, а также рабочие мощности и частоты, определяют требуемый вид охлаждения. При водяном охлаждении предпочтительно деионизированная вода. Обычная вода, обладает высокой проводимостью и может привести к КЗ электрической цепи лампы, также приводит к разрушению контактов лампы из-за электролиза. Сопротивление воды должно быть 200кОм или больше. Допускается контакт с охлаждаемой водой только нержавеющей стали и пластиков.

При принудительном воздушном охлаждении поток воздуха должен проходить пылеулавливающий фильтр и обдувать лампу целиком, включая контакты.

Для определения требуемого типа охлаждения, необходимо разделить значение подводимой средней мощности на значение внутренней поверхности колбы, ограниченной длиной дуги. Результат в Вт/см² определяет тип охлаждения:

• 0-15 Вт/см² – конвекционное воздушное;
• 15-30 Вт/см² – принудительное воздушное, либо водяное при использовании отражателя;
• 30-320 Вт/см² – принудительное водяное. Указанные значения представлены для ламп с ксеноновым наполнением.

Из-за более высоких внутренних температур значения повышаются на 10% для ламп с заполнением криптоном. Значения предельных плотностей мощности для различных материалов колбы:

• 160 Вт/см² – легированный кварц, толщина 1мм;
• 200 Вт/см² – чистый кварц, толщина 1мм;
• 240 Вт/см² – синтетический кварц, толщина 1мм;
• 320 Вт/см² – синтетический кварц, толщина 0,5мм.

Неправильное охлаждение приводит к ненадежному функционированию и значительному снижению сроку службы лампы.

Используемые газы и их давление

Для дуговых ламп чаше всего используется криптон, а для импульсных – ксенон. Ксенон обладает большей эффективностью преобразования электрической энергии в оптическую, особенно в импульсных режимах. Однако криптон обладает спектральной характеристикой лучше падающей в спектр поглощения граната. Существуют импульсные криптоновые лампы, применяющиеся в приложениях с небольшими средними мощностями.

Обычно, чем выше давление газа внутри колбы, тем выше эффективность накачки. Для импульсных ламп наибольшее практически применяемое давление – 3000торр. При больших значениях очень тяжело поджечь лампу. Большие давления (>760торр) используются в малогабаритных лампах (диаметром 3-5мм), работающих в ограниченных режимах. Давление влияет на электрические параметры лампы – напряжение пробоя, импеданс. Снижая давление, снижается напряжения пробоя лампы, однако при давлении меньше 100торр, рассеяние материала катода становится очень сильным. Типичные значения давления:

• импульсные ксеноновые общего назначения – 450торр;
• дуговые криптоновые – 4 атм.; импульсные криптоновые – 700торр;
• малогабаритные импульсные ксеноновые – 1-3 атм.

«Мертвая зона»

Данное понятие определяет пространство лампы, не участвующее в преобразовании электрической Давление внутри лампы возрастает пропорционально плотности тока. Давление в лампах с большой «мертвой зоной» будет меньше, чем в лампах с малой. Чем выше давление, тем выше эффективность лампы, таким образом, КПД ламп с малой «мертвой зоной» выше. «Мертва зона» захватывает пространство, занимаемое электродом, при проектировании высокомощных лап приходится идти на компромисс между охлаждением катода и уменьшением «мертвой зоны».

Импеданс – К₀

Существует множество способов выразить импеданс лампы К₀, наиболее распространенный – Ом/А^0.5. К₀ зависит от геометрии лампы, давления, типа инертного газа, «мертвой зоны».

В рабочих условиях импеданс лампы с большой «мертвой зоной» при равной длине дуги, внутреннем диаметре и давлении, меньше, так как рабочее давление такой лампы выше. Теоретический расчет импеданса учитывает только значение тока дуги, а на практике зависит от множества прочих параметров, например от объема «мертвой зоны», как описано выше. Значение К₀ обратно пропорционально внутреннему диаметру, прямо пропорционально длине дуги, является слабой функций внутреннего давления. Разница в импедансе двух одинаковых ламп с разным наполнением всего 12% при одинаковом давлении. Однако, чтобы получить одинаковый импеданс для криптоновой лампы из ксеноновой, требуется увеличение давления криптона на 70% по сравнению с ксеноном. Ниже будут даны приближенные формулы для вычисления импеданса по известным геометрическим параметрам лампы. Точно определить импеданс лампы можно только экспериментально.