氙灯持续时间

脉冲氙灯光学特性及对PbS探测器光饱和失效研究杜志明潘海燕丁玉奎(北京理工大学爆炸灾害预防、控制国家重点实验室北京100081)摘要：实际测试了某型高压脉冲氙灯的光谱特性及其在可见光和近红外波段的辐射强度，测得其闪光强度可达cd71030.1，闪光持续时间平均约0.2ms，在0.8～3.2μm波段的红外辐射强度达srW/1016.17。并以此脉冲氙灯作为模拟强闪光光源，在实验室内研究了PbS红外探测器在强闪光作用下的行为，实测得到了PbS探测器的光饱和阈值为。24/1079.6cmW还讨论了PbS探测器在强闪光作用下的饱和失效时间，以及闪光光源对探测器的有效作用距离等。关键词：脉冲氙灯；辐射光谱；发光强度；PbS探测器；光饱和阈值中图分类号：O43文献标识码：AResearchonRadiationCharacteristicsofPulseXe-lampandSaturatedBehaviorsofPhoto-detectorPbSDuZhi-mingPanHai-yanDingYu-kui(StateKeyLaboratoryofPreventionandControlofExplosionDisasters,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China)Abstract:ThespectrumandradiationintensityfromvisibletoinfraredlightofapulseXe-lampwasmeasuredinthispaper.ItshowedthattheflashintensityinthevisiblelightspectrumoftheXe-lampisabove,1030.17cdtimeisabout0.2ms.Thebehaviorsofphoto-detectorPbSunderintenseflashwerestudiedbytakingtheXe-lampasasimulatedlightsource.Itwasfoundthatthesaturatedthresholdofphoto-detectorPbSunderintenseflashwasabout./79.62mWTheinvalidtimeofphoto-detectorPbSunderintenseflash,andtheeffectivedistancebetweenthelightsourceandthephoto-detectorwerealsodiscussed.Keywords:pulseXe-lamp;spectrum;radiationintensity;photo-detectorPbS;saturatedthreshold高压脉冲氙灯是一种亮度很高的物理光源，它属于非稳定的、类似于火花放电的气体放电光源，其闪光可以在瞬间完成。它的辐射光谱是连续的，与日光的光谱能量分布相近，有人造“小太阳”之称。氙灯的光谱范围集中在可见光和红外波段，在近红外有峰值，其电弧亮度很高，阴极点的最大亮度可达105cd/m2数量级，但电弧亮度在两极之间分布很不均匀，随着距电极距离的增大，亮度迅速降低。据报道[1]，对于管状脉冲氙灯，当输入功率达到40000kW时，亮度可达1010cd/m2。为了探索脉冲氙灯作为模拟光源在科学研究中的用途，有必要对其发射光谱，发光强度等光学特性参数进行测定和研究。PbS探测器是目前国内外广泛采用的近红外波段光探测器，在红外探测、跟踪、导引等方面都有重要用途[2，3]。因此，研究闪光强度对PbS探测器的影响和作用规律具有重要的应用价值。1.脉冲氙灯的光学特性1.1脉冲氙灯辐射光谱的测量实验所用高压脉冲氙灯由北京金派尔电子技术开发有限公司制造，其配套脉冲电源型号为GP10-1，最大充电电压1100V，单次最大注入能量150J，闪光瞬间通过电流可达200A，可通过调节充电电压和注入能量控制输出光强。实验中利用采样速率300kHz的1024线阵CCD闪光光谱仪对高压脉冲氙灯的辐射光谱进行测量，测量时分为0.34～0.64μm和0.64～0.95μm两个波段进行采样。测得高压脉冲氙灯光谱特性曲线如图1所示。从图1中可以看出，氙灯在可见光和近红外波段均有较强的辐射。其中，在波长0.85μm附近的红外辐射最强，在0.35～0.45μm、0.52μm和0.68μm附近都有较强的可见光辐射。由于整个辐射是连续光谱，肉眼观察近似于白光，蓝紫色偏强一些。1.2脉冲氙灯在可见光波段的发光强度根据辐射度学原理[4]，面辐射源在dm处产生的照度E的公式为1.3脉冲氙灯在近红外波段的辐射强度脉冲氙灯在近红外波段（0.8～3.2μm）的辐射强度测量，采用了实验和理论计算相结合的方法。在实验中采用对比测量的方法，即用氙灯和黑体辐照PbS光探测器，分别使其达到临界饱和状态。然后利用普朗克定律计算出黑体的辐射出射度及其在探测器光敏面的辐射功率，然后利用等效方法计算出氙灯在近红外的辐射强度。1.3.1实验测量测试的主要仪器有：MG9107型PbS红外探测器、QL-1型PbS前置放大器、SR20锥腔中温黑体、氙灯及其配用电源、不同衰减倍数的衰减片、300K数据采集卡等。测试条件：黑体辐射孔径1.27cm；采集卡采样率为300Hz；室温21℃；湿度67％；大气能见度23km。实验测试步骤如下：①将黑体加热到800℃，调整黑体与PbS红外探测器之间的距离，用采集卡采样。当辐照距离为40.5cm时，显示的波形峰顶刚刚出现平台，即探测器恰好达到光信号饱和时，记录此刻的波形。②用氙灯辐照PbS红外探测器，改变辐照距离并变换衰减片倍数，同样用采集卡采样，观察计算机显示器上输出波形的变化。实验发现，当辐射距离为3.7m、衰减片倍率为502500时，输出波形与黑体40.5cm辐射时相符，达到临界光信号饱和。1.3.2理论计算根据黑体辐射的普朗克公式1.4脉冲氙灯发光的时域特性除了辐射光谱和发光强度外，脉冲氙灯的光脉冲宽度，即发光强度随时间变化的曲线显然也是其重要的特性参数。因为辐射强度越大，作用时间越长，输出的总光能越高，对照射目标的作用力也就越强。在距离10m处采用红外探测器系统对脉冲氙灯闪光时域特性进行了实际测试，测试时使用了1000倍的光强衰减片。测试结果如图2所示。从图2中可以看出，实验所用脉冲氙灯单次闪光曲线的半高宽约为0.2ms，即平均光脉冲宽度约0.2ms。图3表示随着探测器接收到的光照越来越强，探测波形从正常状态到临界饱和状态再到深度饱和而无法正常工作的状态。在40mm处经1000倍衰减（相当于去掉衰减片后1.2m处）的条件下，实际测得的PbS探测器在脉冲氙灯单次闪光作用下饱和深度曲线如图4所示。由图4可知，PbS深度饱和持续时间为2.56ms，探测器光饱和后延时恢复时间约为16ms，即探测器无法正常探测目标的时间约为18ms。则探测器总失效时间是其饱和时间的7.04倍。经过多次测试，这一结果相同具有很好的重复性。上述现象说明光探测器与人眼的特性相类似，强光消失后，仍有一段时间不能正常观察目标，处于“闪光盲”阶段。这也为光学武器干扰PbS探测器的正常工作提供了重要依据。比如，普通烟火型闪光弹的强闪光平均时间为80ms[5],是脉冲氙灯的400倍。若假定其与氙灯光强相同，在同等情况下它将使PbS探测器饱和深度达到400，则PbS探测器在大约1024ms≈7.2s的时间内将处于饱和失效状态，不能准确探测到真实的目标信号。因为饱和深度越深，探测器恢复正常探测能力所需时间就越长，加之烟火闪光弹的光强比氙灯强得多，所以，以上估计是偏保守的估计。虽然探测器在饱和恢复期探测能力也逐步恢复，但只有完全恢复后，才可以重新探测到清晰的目标信号。对于光学武器而言，增大发光强度和延长闪光时间都可以加深光探测器的饱和深度，延长其饱和失效时间。2.3脉冲氙灯对PbS红外探测器有效作用距离计算从以上测试过程可知，氙灯脉冲闪光在经过2500×50倍的衰减后，在3.7m距离处可使PbS探测器达到临界光信号饱和。因为探测器接收光功率与光源到探测器距离的平方成反比，因此，不难推算去掉衰减片后氙灯使探测器饱和的距离即氙灯脉冲闪光在1km以外正面照射到PbS探测器时，可影响其正常工作。若考虑当时温度、湿度和大气能见度等因素影响，有效作用距离折算后约850m。显然，光源功率越大，有效作用距离也越大。只要已知光源在相应波段的辐射功率（或强度），利用本文得到的饱和临界条件，很容易推算该光源对PbS探测器的有效作用距离（能够使其饱和失效的距离）。对于烟火闪光弹而言，其对PbS探测器的有效作用距离显然在数km之外。③PbS探测器被强光深度饱和后，需有一定的恢复时间才能正常探测。饱和深度2.56ms时，恢复时间约为16ms,饱和度越深，恢复时间也相应地越长。④光电探测系统除探测器本身外，一般还装备有光学聚焦系统[6]，它可以使入射光汇聚到探测器光敏面上，以提高探测灵敏度，这常常使光探测器实际接收到的光强比入射光强高很多倍。这说明对于实际光学探测仪器，当其受到强光照射时，更容易饱和失效，甚至产生物理损伤。