幾種氙燈用鎢陰極抗燒蝕性能的研究

李 鵬，楊建參，李 巖

（北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124）

幾種氙燈用鎢陰極抗燒蝕性能的研究

李 鵬，楊建參，李 巖

（北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124）

采用E3、Er-W、La-W1和La-W2四種材料作為氙燈的陰極材料，研究氙燈點燈一段時間后陰極的燒蝕形貌，分析陰極的燒蝕特征。結果表明：在電壓3 000V，頻率3 Hz，電容23μF的條件下點燈100萬發(fā)次，Er-W氙燈發(fā)黑最為嚴重，La-W2氙燈發(fā)黑程度最輕，管壁黑色物質是由陰極發(fā)生濺射形成的，成分由大量的WO3和少量的W組成；燒損后陰極端面的微觀組織顯示，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，La-W2陰極的工作溫度較低，材料的穩(wěn)定性較好，從側面說明La-W2的電子發(fā)射性能好；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再結晶晶粒細小，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，Er-W陰極的抗燒損性能較差，La-W2陰極的抗燒損性能較好。

氙燈陰極；陰極燒蝕；微觀形貌；陰極濺射

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(fā)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(shù)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(shù)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(fā)射率、不易濺射的釷鎢、鋇鎢和鈰鎢材料制成。近年來發(fā)展起來的多元復合稀土鎢電極具有電子發(fā)射性能好、抗燒蝕性能好的優(yōu)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(yōu)選出性能最優(yōu)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(shù)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。

表1 鎢極編號及成分Tab.1 Electrodesnum bering and com positions

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(xiàn)發(fā)黑、發(fā)白、龜裂等現(xiàn)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(wěn)定而喪失使用價值，有時甚至發(fā)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(fā)的沉積物使陰極區(qū)發(fā)黑，造成燈管嚴重喪失透明性，發(fā)光效率下降[8]。圖1為點燈100萬發(fā)次之后的照片，由圖中可以看到幾種氙燈管壁均出現(xiàn)了不同程度的發(fā)黑狀況，Er-W氙燈管壁發(fā)黑長度較長，E3、La-W1次之，La-W2氙燈發(fā)黑長度最短。管壁上的濺射物或蒸發(fā)物不僅使管壁發(fā)黑，影響氙燈的發(fā)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(fā)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。

圖1 氙燈點燈100萬發(fā)次后的照片F(xiàn)ig.1 Im ageof xenon lampsafter 1m illion tim esof lighting

圖2 氙燈管壁成分的EDS分析Fig.2 EDSanalysisofxenon lamp wallcomposition

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(fā)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(fā)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。

圖3 Er-W氙燈管壁的XPS分析Fig.3 XPSanalysisof Er-W xenon tubewall

圖4 陰極端面宏觀燒損形貌Fig.4 M acroscopic ablationm orphology of cathodehead face

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(xiàn)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(tài)下熔融后形成的。圖4（b）和圖4（d）均出現(xiàn)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(xiàn)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?shù)入x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(qū)域；另一部分噴濺物以熔融態(tài)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。

圖5 陰極端面微觀燒損形貌Fig.5 M icroscopic ablationmorphology of cathodehead face

陰極工作過程也是電子從金屬表面熱發(fā)射的過程，Richardson和Max vonLaue（勞厄）總結的電子熱發(fā)射方程[11-12]：

其中：W表征不同金屬的逸出功，eV；kh為玻爾茲曼常數(shù)，J/K；A為熱發(fā)射常數(shù)，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(fā)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(wěn)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。

圖6 陰極燒蝕前縱截面金相照片F(xiàn)ig.6 M etallographic photographsof longitudinalsection before cathodeablation

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(fā)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(xiàn)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。

圖7 陰極燒蝕后縱截面金相照片F(xiàn)ig.7 Metallographicphotographsoflongitudinalsectionaftercathodeablation

3 結論

（1）在電壓3000V，頻率3Hz，電容23μF的條件下點燈100萬發(fā)次，Er-W氙燈發(fā)黑最為嚴重，La-W2（加Re）氙燈發(fā)黑程度最輕。管壁黑色物質是由陰極發(fā)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(wěn)定性較好，從側面說明了La-W2的電子發(fā)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。

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Ablative Performance of Several Xenon Lam p Tungsten Cathode

LIPeng,YANGJiancan,LIYan
(CollegeofMaterialsScienceand Engineering,BeijingUniversityof Technology,Beijing 100124,China)

This paper uses four kinds ofmaterials(E3,Er-W,La-W1 and La-W2)as cathodematerials of xenon lamp.Ablationmorphology of xenon lamp cathode after lighting a period of time is studied.Ablation characteristics of cathode is analyzed.The results show thatblackening degree of Er-W xenon lamp ismostserious and blackening degree of Er-W xenon lamp is lightest under the condition of 3 000 V,3Hz and 23μF after lighting onemillion times.Black substance is formed by the cathode sputtering and the composition is composed of a large amount of WO3and a smallamountofW.Themicrostructure of the cathode surface after ablation shows that the ablation pits size of the Er-W cathode is largestand the ablation pits size of the La-W2 cathode is smallest.This shows that the working temperature of Er-W cathode is higher and the working temperature of La-W2 cathode is lower.The electron emission property of La-W2 cathode is good.Themicrostructure of the cathode longitudinal section after ablation shows that the recrystallization grain size of Er-W cathode is large and the recrystallization grain size of La-W 2 cathode is small.Fine grains providemore channels for the diffusion of the second phase and reduce the ablation of thematerial.Therefore,the antiablation property of Er-W cathode is poor and the antiablation property of La-W 2 cathode isbetter.

xenon cathode;cathodeablation;microstructure;cathode sputtering

TG115；TG146.8

A

（編輯：劉新敏）

10.3969/j.issn.1009－0622.2017.03.011

2016-09-12

國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目（51621003）

李 鵬（1990-），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事稀土鎢電極的研究。

楊建參（1976-），男，河北辛集人，博士，副研究員，主要從事鎢鉬難熔金屬材料研究。