饶双梅

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激光管的寿命试验的实践情况介绍

饶双梅 (复旦大学物理系)严忠正(上海埃波激光仪器有限公司)

The paratice of Life on He —Ne Laser, Yang Zhi chang, Rao Shuang mei, (Deparmant of Physics ,Fudan University ), Yang Zhongzheng, (Shanghai Aibo Laserument Limited Company)

关键词:寿命试验,加速寿命试验;寿命分布,长寿命试验平台。

摘要

对长寿命 激光管进行加速寿命试验是非常必要的。进行这项工作,不仅需要了解激光管的失效机理和寿命分布规律;要有较高的测试技术和水平;要求自己备长寿命的实验平台和参加试验人员有良好对素质,而且需要科研单位、高等院校和生产单位的密切合作。最近,我们多次检验20多年前经过加速寿命试验对样管,发现经过点燃几万小时对样管(特征寿命 万小时)性能仍然良好,这说明我国对 激光管产品已达到较高的水平。

一.概况:

随着我国科学技术的飞速发展,我国 激光管产品的寿命不断延长,不少生产单位的产品寿命已超过一万小时,我国从1981年起,由电子工业部标准化所和东南大学主持,全国分成三个片,①我们复旦大学是上海片片长单位,其他单位有江西740厂,上海玻璃仪器一厂,上海亚明灯泡厂等单位。探索对长寿命的 激光管进行加速寿命试验方法。主要选用740厂激光研究所研制的金属玻璃密封 激光管,经过八年的试验,取得了成功。测试该样管的特征寿命为3.9万小时。②最近从2004年开始连续三年对试验过对样品进行检验,发现它们的性能仍然良好,现将检验情况整理在表(一)(二)(三)(四)中。

表(一) 表(二)表(三)表(四)

氦氖激光器的加速寿命试验结果的记录整理情况表(一)

试验号	740=14	740=18	740=33	740=4	740=6	740=2	740=3
厂号	835106	835181	014	835036	835516	835080	835243
试验前的测试结果	着火电压Kv	6.2+0.2	6.5+0.2	6.16	5.6+0.2	5.9+0.3	5.9+0.3	5.9+0.2
	工作电流mA	4.8-13	4.0-15.0	4.4-11.4	3.6-13.0	3.4-9.8	3.2-12.5	3.8-13.5
	输出功率mW	2.06	1.96	2.65	2.54	2.42	2.18	2.80
	模式	单模	单模	单模	单模	单模	单模	单模
	应力有无	有	有	有	无	无	有	无
	应力的位置	毛细管口,玻壳	毛细管口。	玻壳			毛细管口	
	总气压-1τ	3.20	2.70	3.90	3.15	3.40	3.10	3.40
	氦氖气压比-1	大于9:1	大于9:1	大于10:1	9:1	5.4:1	6.5:1	6.9:1
	总气压-2τ	3.46		3.62				
	氦氖气压比-2	大于10:1		大于10:1				
	总气压-3τ	3.46		3.61	3.54	3.30		3.37
	氦氖气压比-3	大于9:1		大于10:1	大于10:1	7:1		10:1
	发散角marc	0.760	0.738		0.776	0.770	0.784	0.768
								
寿命试验	试验应力mA	7	7	7	7	7	5	7
	试验寿命h	11500	20900	23400	28200	57600	700	23000
	失效原因	功率下降	功率下降	着火电压上升	功率下降	功率下降	正负极接反	突降为另
								
	相当常规寿命h	18500	33400	37400	45100	57600	无效	无效
	试验记录本号	(二)26	(二)33	(三)27	(三)26	(三)30	(一)13	(三)31
								
目前情况	2004年10月	大于1mW	大于1mW	着火电压太高	大于1mW	接近1mW	大于1mW	大于1mW
	2005年9月	同上	同上	同上	同上	同上	同上	同上
	2006年4月	同上	同上	同上	同上	同上	同上	同上
								
备注							
 注:

氦氖激光器的气体成分分析请激光教研组协助测量,1-试验前的测量结果; 2-点燃7000小时后的测量结果; 3-点燃8000小时后的测量结果。(合同有效期一年。)

氦氖激光器的加速寿命试验结果的记录整理情况表(二)

试验号	740=36	740=41	740=26	740=43	740=23	740=25	740=5
厂号	024	063	065	070	023	050	835068
试验前的测试结果	着火电压Kv	6.05	6.0	5.1	5.39	4.8	5.55	6.3+0.1
	工作电流mA	4.0-14.8	4.5-10.0	5.0-10.0	4.3-10.2	5.0-9.0	4.0-13.5	6.0-11.0
	输出功率mW	2.65	2.42	2.25	2.00	2.77	2.40	2.22
	模式	单模	单模	单模	单模	单模	单模	单模
	应力有无	有	有	无	无	有	有	有
	应力的位置	毛细管口;玻壳	玻壳			玻壳	毛细管口;	毛细管口;玻壳
	总气压-1τ	4.4	4.5	3.1	4.1	3.8	3.4	2.9
	氦氖气压比-1	大于10:1	10:1	9.2:1	9.3:1	9:1	12:1	7.6:1
	总气压-2τ	3.98		3.31		3.62	3.24	3.61
	氦氖气压比-2	大于10:1		9:1		9.1:1	大于10:1	10.6:1
	总气压-3τ	3.82		3.62		3.58		
	氦氖气压比-3	大于10:1		大于10:1		9.1:1		
	发散角marc							0.788
								
寿命试验	试验应力mA	11	11	11	11	11	15	15
	试验寿命h	7300	11000	14100	17500	20300	5700	7600
	失效原因	功率下降	功率下降	功率下降	功率下降	着火电压上升	着火电压上升	功率下降
								
	相当常规寿命h	18300	27500	35200	43800	50800	20000	26600
	试验记录本号	(二)35	(二)10	(三)28	(三)24	(二)38	(二)13	(一)38
								
目前情况	2004年10月	不能激励	不能激励	接近1 mW	不能激励	大于1mW 	接近1 mW	接近1 mW
	2005年9月	同上	同上	同上	同上	同上	同上	同上
	2006年4月	同上	同上	同上	同上	同上	同上	同上

备注							
   氦氖激光器的气体成分分析请激光教研组协助测量,1-试验前的测量结果; 2-点燃7000小时后的测量结果; 3-点燃8000小时后的测量结果。(合同有效期一年。)

氦氖激光器的加速寿命试验结果的记录整理情况表(三)

试验号	740=24	740=10	740=17	740=27	740=32	740=11	740=20
厂号	037	835019	835511	094	003	835022	835050
试验前的测试结果	着火电压Kv	5.55	6.3+0.5	6.5+0.2	5.4	5.91	6.5+0.2	6.6+0.3
								
	工作电流mA	5.0-13.5	3.8-11.0	4.2-10.5	5.0-13.0	3.8-11.6	3.2-11.5	3.6-12.5
	输出功率mW	2.3	2.50					
	模式	单模	单模	多模	单模	单模	模式不定	单模
	应力有无	有	有	有	有	无	有	有
	应力的位置	毛细管口	毛细管口	毛细管口	毛细管口		毛细管口;玻壳。	毛细管口;玻壳口。
	总气压-1τ	3.4	3.2	3.45	3.7	3.7	3.45	3.15
	氦氖气压比-1	10:1	6.4:1	8.5:1	大于9:1	10:1	6.5:1	7.3:1
	总气压-2τ	3.38	3.60			2.8	3.07	3.5
	氦氖气压比-2	大于10:1	11.2:1			大于10:1	大于10:1	10.5:1
	总气压-3τ	3.07	3.38				3.70	3.35
	氦氖气压比-3	大于10:1	大于10:1				大于10:1	大于10:1
	发散角marc		0.766	0.736			0.754	0.750
寿命试验	试验应力mA	15	15	20	20	20	20	20
	试验寿命h	8500	14000	3400	5400	7300	10400	12800
	失效原因	功率下降	功率下降	着火电压上升	着火电压上升	着火电压上升	功率下降	功率下降
								
	相当常规寿命h	29000	49000	16500	26200	35400	50500	62200
	试验记录本号	(二)16	(二)25	(一)42	(二)12	(二)14	(一)44	(一)47
								
目前情况	2004年10月	大于1mW	大于1mW	送东南大学	剖析	不能激励	大于1mW	送东南大学
	2005、2006年检验结果同上。							
备注							
  氦氖激光器的气体成分分析请激光教研组协助测量,1-试验前的测量结果; 2-点燃7000小时后的测量结果; 3-点燃8000小时后的测量结果。(合同有效期一年。)

氦氖激光器的加速寿命试验结果的记录整理情况表(四)

试验号	740=31	740=22	740=21	740=8	740=38	740=15	740=
厂号	412	015	006	835087	038	835234	
试验前的测试结果	着火电压Kv	5.4	5.25	5.94	6.3+0.2	5.56	6.0+0.2	
								
	工作电流mA	5.0-13.0	5.0-10.5		3.8-11.5	3.2-12.0	4.0-13.5	
	输出功率mW	2.6	2.2	2.3	2.48	2.15	2.75	
	模式	单模	单模	单模	单模	单模	单模	
	应力有无	无	有	无	无	有	有	
	应力的位置		毛细管口			毛细管口	毛细管口,玻壳	
	总气压-1τ	3.8	3.6	3.9	3.5	3.9	2.8	
	氦氖气压比-1	4.9:1	7.7:1	8.7:1	大于9:1	大于10:1	6.0:1	
	总气压-2τ							
	氦氖气压比-2							
	总气压-3τ							
	氦氖气压比-3							
	发散角marc							
								
寿命试验	试验应力mA	25	25	25	25	25	25	
	试验寿命h	270	540	1080	1100	2000	3740	
	失效原因	功率下降	功率下降	功率下降	着火电压上升	着火电压上升	功率下降	
								
	相当常规寿命h							
	试验记录本号	(一)48	(一)47	(一)46	(一)44	(二)15	(一)45	
								
目前情况		送东南大学分析	送东南大学分析	电子显微镜分析		送东南大学分析	质子x荧光分析	
	2004年10月				大于1mW			
备注							

注:

  1. 氦氖激光器的气体成分分析请激光教研组协助测量,1-试验前的测量结果; 2-点燃7000小时后的测量结果; 3-点燃8000小时后的测量结果。(合同有效期一年。)
  2. 寿命试验的记录本共三册。
  3. 应力25mA的试验结果,说明应力太大,失学机理已经改变。
  4. 参加试验的六支样品中,有三支送东南大学分析,二支由复旦大学进行解剖分析,只有一支保存了二十多年仍有激光输出。

我们试验小组对740厂激光研究所研制的 激光管进行了八年的试验,现将试验的结果整理在表(五)中,其中威布尔分布的图估计法和最小线性无偏估计法,可参考资料(3)利用表(五)中的数据作 的曲线,并求得有线的斜率C=1.07。

实验应力I(mA)	7	11	15	20	25
形状参数	图形估计法m	2.28	2.4	1.92	2.04	0.97
	最小线性无偏估计法求m	2.25	2.25	1.97	2.00	0.95
特征寿命 (h)	2.80×104	1.60×104	1.10×104	8.35×103	不参与加速寿命试验
lgI	0.845	1.041	1.176	1.301	
lg 	4.447	4.204	4.401	3.922	
相当于常规寿命(h)	4.01×104	3.94	3.85×104	4.05×104	
表五
利用 激光管对寿命分布是威布尔分布,可以从上表得到如下结论:
①	应力I=25mA的试验结果表明,形状参数m已经改变,说明不能用I=25mA进行加速寿命试验,因为m=1威布尔分布转化为指数分布,是早期失效的分布规律.这时失效机理已不同于常规点燃的失效机理。
②	其他应力试验的结果,形状参数基本不变。
             =2.14 0.06
说明 激光管的失效机理基本不变。利用这些应力做加速寿命试验是可行的。
③	这种型号的 激光管的特征寿命是3.96万小时。在置信几率为68.3%时,平均特征寿命为      =(3.96 0.04)×103小时。
④	从表(一)到表(二)来看,这种型号的 激光管的存放寿命在二十年以上。

复旦大学试验小组的 激光管加速寿命试验,说明我国江西740厂激光研究所研制的金属玻璃密封的 激光管的寿命以达到比较高的水平。它的技术性能在全国质量评比中均获得第一名。

二.失效机理的研究和寿命分布

失效机理的研究主要由项目的主持单位,东南大学电子工程系(南京片片长单位)在杨正名教授(也使该项目的总负责人)领导下做了许多工作,另外北方片片长单位南开大学在白鹤翔教授领导下,做了协作研究,都取得了一定成果。基本结论是在排除早期失效的因素以后激光管的气体成分改变(包括氦渗透)不是激光管失效的主要因素,长寿命的激光管失效原因是:

  1. 阴极溅射引起着火电压(又称起辉电压)上升。
  2. 反射镜对污染引起激光管的输出功率下降。\\关于 激光管的寿命分布,因为寿命试验是一次对激光管破坏性的试验,要得到它的分布规律,需要大量的人力,物力和财力,我们是根据1973年12月罗姆空军发展中心与瑪丁·瑪丽爱塔公司签订的合同“激光可靠性预计。
  3. 根据他们的调查研究的结论,我们作了二个基本假设
    1. 激光管的寿命是符合威布尔分布。即寿命的密度分布函数 ×××× 式中m是形状参数,r是位置参数,t 是尺度参数。
    2. 我们用激光管的工作电流工作加速寿命试验的应力并假设,激光管的特征寿命 与应力I的关系是符合的。逆冥率 即 ×××× 式中 K.C是常数 由试验结果确定。
请输入上面遗漏的2个公式 — YuXi 2007/05/21 13:47

三.加速寿命试验中的几个关键问题

我们复旦试验小组在八年中共进行了三期的试验,前二期没有成功,但是为第三期试验成功打下了基础,为此,我们也参与起草了电子工业部标准⑤,便于各单位进行定项工作。除此之外,我们认为还应注意以下几个关键问题.

1.严格执行项目组制定的三项判断激光管失效标准。

我们在作了两个基本假定的基础上,结合失效机理的研究,在杨正名教授的领导下,制定了判断激光管失效(寿命终止)的标准。

  1. 当激光管的输出功率下降到初始功率的一半时,即失效。
  2. 当激光管的着火电压上升到8.5KV时,即失效。
  3. 以上两项中,激光管有一项达到标准,即判断失效。

由于我们小组严格执行标准,在第三期试验的29支样管,除3支由于正负接反后失效退出试验,一支点燃到二万小时以上,输出功率实降为另而失效外。其他样管都能试验到寿终,全部记录在案.在国内其他单位的试验,出现以输出功率降为另作为失效标准。只以另一项来判断激光管是否失效,这是不正确的.这也是否定了寿命分布是威布尔分布。

2.如何挑选试验的样管

我们在前二期试验中,由各生产单位自己提供样管,我们上海片的协作,除740厂以外,其他单位联络员都是上海激光学会“He-Ne激光管质量攻关小组”的成员,原来已有10多年的协作联系,相互配合一直很好,但是送来的试验样管或多或少有废品或次品,使试验出现曲折,我们曾在一次全国误差短训班中,请教北京大学虞福春教授(全国综合性大学物理实验教材编审委员会主任委员)他明确回答“要有权到生产单位在同一批产品中随机抽取样品”我们经过和740厂联络员反复协商,最后同意我们以成本价(每支100元)订购样管45支,并订购电流12台(约一万元占我们的科研经费一半以上)他们同意我们三人在三批成品库中 随机挑选样管,这样才保证以后的试验取得成功。

根据过去的经验和教训,试验小组决定对45支样管(加上上海玻璃仪器一厂的十六支样管)在试验之前先进行可靠性筛选,对样管进行光电参数、气体成分、残余应力等项测试,然后在存放一个月后,进行重复测试,凡测试结果有变化的样管就退出试验(被筛选掉。这样即可以避免一些早期失效的激光管混入试验,又可以合理地把样管分配在各个应力点上。

3.

因为我们选取740厂的样管作寿命试验,经过前二期试验和740厂联络员提供的信息,估计寿命在2万小时以上,要求我们在设计寿命试验的平台时测量仪器和装置都应适合长寿命试验的要求,根据以前试验的经验,一支样管换电源,数据就不一样.电流表、电压表坏了换新的,数据就不连续,所有我们采用的激光电源都是大功率。工作电流0~30mA可调,测量仪器都建立室标准仪表,平时试验不用它,而是在仪表维修或换新的仪表时,用它来校正,保证测试数据的延续性。我组建立了能够同时点燃25支样管的试验平台能维持几万到十万小时的使用寿命。

测试仪表要适应长时间保持一致是相当困难的。例如气体成分的测试,我们和激光教研组签定了一年合同,规定可靠性筛选测二次,其他点燃到7000小时,8000小时,9000小时分别抽样测试一次,就发现总气压和氮氦氖气压比的测量数据就不能延续有定向的漂移,经过千方百计地修正也很难进行前后比对。

4.参与测试工作的成员要有良好的素质.

在长时间的寿命试验的过程中,开始我们集中六位教师和二名技术人员,轮流测试,发现有的教师把样管放到自己实验室中,而且经常用在其他科研和教学中,这样很难进行测量数据的比对,经常多次劝说也不能介决,只能进行改组,留下的二位教师和另二位文化程度在高中毕业的技术人员实行组长(上海片片长)负责制,对试验小组成员进行严格培训,规定在连续点燃的试验样管每周测试一次,要一位教师和一位技术人员轮流值班,最后要签名负责.出现事故要及时指出,接受教训保证尽快完成任务,要求尽快缩短测试的时间,保证每季度点燃时间在2100小时,这样在节假,寒暑假和春节期间都要安排值班,整个实验做了八年.测试人员没有良好的素质是不行的.

5.测试数据处理

对长寿命的He-Ne激光器进行寿命试验。由于试验的时间长每次每支测量数据有近20个(输出功率测五次取平均,着火电压测七次取平均),试验平台上最初有20多支样管在点燃,每测试一次就有五,六百个数据,每次记录的原始数据由组长登入记录本上,发现问题及时指正,最后进行处理时有几十万个数据,每支样管点燃的应力不相同,寿命也不一样,最后我们以每支样管的寿命作为一个基数,分成十二个档次取平均的办法这样便于样管之间进行比对,试验小组研究决定,只要我们有能力测量的数据都要记录下来,除了输出功率、着火电压以外,如工作电压有激光输出的工作电流的范围,预热时间,功率稳定性等等.因为要了解某一参数随点燃时间的变化,做一次要化几年的时间,我们利用寿命试验尽量多的记录下来。为了使全国试验数据有统一的处理方法,该项目负责人委托复旦试验小组进行处理,了解了国内兄弟单位的试验情况,也感到有必要把我们的经验和教训总结出来,供同行参考,欢迎大家指正。

参考资料:

  1. 杨之昌等《光通讯技术》21.1.1997.9
  2. 杨之昌等《中国激光》16.7.1989.410
  3. Maitin Maritta Aeronace Laser Reliability Predirction AD-A016437
  4. GB2689(1-4)-81寿命试验和加速寿命试验方法
  5. SJ2664-86 He-Ne激光器加速寿命试验方法.
 
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