ИМПУЛЬСНАЯ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЛАМПА

Полезная модель относится к многоламповым комплексам, которые являются инструментом для исследования высокотемпературной плазмы, получаемой путем лазерного воздействия на изотопы водорода (дейтерия и трития).
Проблемы лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) решают использованием в комплексах нескольких тысяч крупногабаритных высокоэнергетических импульсных ксеноновых ламп с оболочкой из кварцевого стекла. В эксплуатируемом с 2010 г. комплексе NIF (США) и в разрабатываемых LMj(Франция), SG-III (Китай)и УФП-2М [1] запланирована загрузка более 7 тысяч лампе габаритами разрядного канала ⌀43X1800 мм (толщина стенки оболочки ~3 мм), в котором диссипируют электрическую энергию более 38 кДж с длительностью импульса ~350 микросекунду Эти лампы можно характеризовать, как высокоэнергетические (номинальная электрическая нагрузка которых-~20% от предельной энергии)или крупногабаритные, диаметр разрядного канала которых более, чем на порядок превышает толщину стенки кварцевой оболочки.
В отечественном комплексе предполагается использование колпачковых (“обечайковых” [2])кварцевых ламп, апробированных в многоламповых лазерных комплексах “Мишень”, “УМИ-35” и “Микрон” [3] при 50% факторе электрической нагрузки и в комплексе “Луч” [4], успешно эксплуатируемом в настоящее время.
Прототипом данного технического решения (фиг. 1) является один из первых вариантов ламп комплекса NIF, три экземпляра которых изготовлено с активным участием автора и успешно испытано на американском комплексе [5]. Лампа на фиг. 1 содержит два электродных узла А и Б, которые загерметизированы с кварцевой оболочкой герметиком - оловяно-титановым сплавом. Электродные узлы А и Б содержат основания I и 2, на которых установлены удлиненные держатели 3 и 4, а на них закреплены плоские молибденовые электроды 5 и 6. Они (А и Б) загерметизированы с кварцевой оболочкой 7 Sn-Ti сплавом 8, заполняемым в зазорах между тонкими колпачками 9 (“обечайками”) и оболочкой. Основания электродных узлов снабжены выводами 10 и II, с помощью которых лампы подсоединяют к электрической схеме. По крайней мере, один из электродных узлов имеет каналы 12 для откачки объема ламп на вакуум и последующего наполнения его ксеноном.
Лампы комплексов собирают в кассеты по 6 шт. (NIF) и 8 шт. (УФЛ-2М) в каждой. Межосевое расстояние между лампами ~75 мм; В кассетах их соединяют попарно в последовательные цепочки. Пробой длинных разрядных промежутков осуществляют высоковольтными импульсами, амплитуда которых достигает 60 кВ между близрасположеиными электродными узлами.
Лампы прототипа (фиг. 1) изготавливают с зауженными ножками колб (оболочек 7), что позволяет удлинить (условно, по линии абцисс) аварийно-опасные участки между металлическими элементами соседних ламп кассеты. Электродные держатели 3 и 4 удлиняют, чтобы уменьшить облучение плазмой разряда легкоплавкие узлы герметизации и установить рабочие поверхности электродов в цилиндрической части оболочки 7a. Электроды 5 и 6 составляют менее 1/3 поперечного сечения разрядного канала, а остальная часть приходится на кольцевые зазоры 13 и 14.
На первой фазе развития разряда стримера (тонкие плазменные проводники)перемещаются по поверхности оболочки и, если не предпринять защитных мер, может произойти заэлектродное зажигание, распыление материала электродного держателя и перенос продуктов эрозии на рабочую поверхность оболочки с преждевременной деградацией лампы. Описанный процесс деградации начинается с электродного узла, выполняющего функцию катода.
Второй вариант прототипа предполагает [6] иcпользование в кассетах: а) ламп с прямой оболочкой (фиг. 2), обладающих повышенными механическими и энергетическими параметрами, б) с двумя типоразмерами длины электродных узлов и в) с регулярно чередующимися короткими и длинными электродными узлами соседних ламп, что позволяет удлинить аварийно-опасные - опасные участки по линиям ординат.
Оболочки ламп (фиг. 1-3) и электродов 5 и 6 отделяют пространством кольцевых зазоров 13 и 14 с поперечными сечениями более 20% от сечения разрядного канала, которые затрудняют процесс переноса продуктов эрозии электродов на оболочку. Проникновение стримеров на электродные держатели катодных узлов и, как следствие, развитие силового (рабочего) разряда с держателей и краев электродов приводит к преждевременной деградации оболочки.
Задача предлагаемых технических решений состоит в защите катодных держателей от проникновения на них стримеров импульсов поджига и обеспечении благоприятных условий развития рабочих разрядов с центральных частей катодов.
Первая часть задачи выполняется за счет использования трубчатых изоляторов 15, препятствующих проникновению стримеров на катодные держатели и развитию силовых разрядов с них.
Вторая проблема решается размещением в центральной части плоских катодов дополнительных (рабочих) электродов 16, выступающих в разрядную часть ламп, формирующих конфигурацию электрического поля и стимулирующих развитие разряда с рабочих площадок катодов 16, размеры которых (диаметр и высоту) выбирают в пределах от 1/4 до 3/4 диаметров плоских электродов 5 и 6.
При подаче импульсов поджига плазменные шнуры под углом ~45° перемещаются с выступающих частей катодов на оболочку, образуя объемный конус с вершиной ~90°, располагаемый на центральных у часках катодов. Работа катодов характеризуется микровзрывами с высокой плотностью тока в импульсах с переносом продуктов эрозии на прикатодные участки оболочек. Процессы, происходящие на анодах ламп прототипов(фиг. 1 и 2), менее разрушительны. Интенсивность напыления на оболочку ламп в приэлектродных областях отличается более, чем на порядок. В заявляемой ПМ(фиг. 3), представленной, как униполярное устройство с двумя катодными узлами предлагаемой модификации, поочередно эксплуатируемых половину срока службы, полноценно реализуются потенциальные характеристики ламп.
Процесс разрушения (эрозии) электродов менее интенсивен при использовании вольфрама, легированного двуокисями тория или иттрия, уменьшающими работу выхода электронов.
Заявляемая полезная модель представлена двумя вариантами исполнения [6, фиг. 2] и [3, 5, фиг. 3], отличающимися описанными выше способами удлинения аварийно-опасных внешних участков соседних ламп в кассетах. Суть предлагаемых усовершенствований конструкций прототипа заключается в совершенствовании внутренних элементов ламп.
Заявляемая полезная модель и прототип имеют общие функциональные, технологические и конструктивные черты, в частности, элементы с 1 по 14 позиции фиг. 1, 2 и 3.
1. Импульсные лампы прототипа и заявляемой ПМ относятся к высокоэнергетическим крупногабаритным устройствам, в которых:
- диаметр разрядного канала (d=4,3 см)более, чем на порядок превышает толщину стенки оболочки (δ=0,25-0,3 см);
- длина разрядного канала l=180 см;
- номинальная электрическая энергия Wэл - 38,5 кДж:
- фактор электрической нагрузки Wэл/Wпр - 0,22;
- предельная энергия Wпp~175кДж .
Кроме того, они эксплуатируются при длительности импульсов тока τ=360 мкс, частоте повторения импульсов f≤1/300 Гц, обеспечивая долговечность ~10.000 имп., реализуемых при накачке многоламповых лазерных комплексов.
2. Электродные узлы А и Б униполярных устройств фиг. 1 поочередно выполняют функцию катодов с ограниченной наработкой и удовлетворительно - функцию анодов. Усовершенствованный катодный узел А ламп с фиксированной полярностью фиг. 2 способен обеспечить заданную наработку. Э.у. А и Б униполярного устройства фиг. 3, поочередно выполняя функции катода и анода, способны обеспечить заданную наработку с замедленной деградацией световых и электрических параметров.
3. Герметизацию оболочек 7 ламп фиг. 1-3 и "обечаек" 9 осуществляют сплавом на основе Sn. Возможно также использовать сплавы на основе Jn и Sn с Jn, легированных титаном и Рв с 13% Jn.
4. Лампы фиг. 1-3 содержат основания 1 и 2, на которых установлены удлиненные держатели 3 и 4 с закрепленными на; них плоскими электродами 5 и 6 соосно с внутренней поверхностью оболочки 7, образуя с ней кольцевые каналы (зазоры) 13 и 14 с поперечными сечениями более 20% сечения разрядного канала.
Примечания: А. Рабочие поверхности электродов 5 и 6 ламп фиг. 1-3 располагают в цилиндрической части оболочки 7а, составляющей элемент разрядного канала с постоянным сечением по всей его длине.
Б. Размеры кольцевых каналов 13 и 14 фиг. 1 и 3 лимитируют проходные сечения зауженных ножек 7б. В конкретных примерах сечения кольцевых каналов составляют ~3/4 сечения разрядного канала.
5. Элементы ламп фиг. 1-3 позиции 1-4, 10 и 11 изготавливают из ковара или инвара, "обечайки"8 из титановой ленты толщиной 0,1 мм, а электроды 5 и 6 из молибдена или вольфрама.
6. Подключения ламп к электрической схеме осуществляют через вывода 10 и 11 фиг. 1-3. Откачку ламп на вакуум и наполнение ксеноном производят через каналы 12 одного из электродных узлов.
Заявляемый вариант ПМ фиг. 3 отличается от прототипа фиг. 1 сочетанием двух признаков: наличием трубчатых изоляторов 15 на электродных узлах А и Б, внутри которых размещены электродные держатели 3 и 4, а также наличием выступов 16, располагаемых в центральных зонах плоских электродов 5 и 6 выполняющих функции рабочих электродов, обеспечивающих развитие силового разряда по оси разрядного канала.
Габариты рабочих электродов 16(диаметр и высота) составляют от 1/4 до 3/4 диаметров плоских электродов 5 и 6. Для уменьшения эрозии рабочих электродов 16 их изготавливают из W, легированного двуокисями тория или иттрия, имеющими меньшую (по сравнению с чистым вольфрамом)работу выхода электронов.
Примечание: Представленные на фиг. 1 и 2 варианты прототипа являются устройствами с фиксированной полярностью (катод-, анод+). Деградация ламп характеризуется потерями прозрачности из-за эрозии катодов на значительной поверхности оболочки, в т.ч. из-за истощения легирующих присадок модернизированных катодов (фиг. 2). Долговечность ламп фиг. 1 ограничена несколькими сотнями имп., а лампы фиг. 2 могут обеспечить условно наработку до 5 тысяч имп. Замедлить деградацию ламп можно путем использования их как униполярных устройств.
В заявляемом объекте фиг. 3 устанавливают два одинаковых катодных узла. Первую половину срока службы лампа работает с полярностями А- и Б+, а далее - наоборот: А+ и Б-.
Конкретный вариант исполнения ПМ (фиг. 3) предполагается использовать в 8-ми ламповых кассетах лазерного комплекса УФЛ-2М[1].
Лампы ПМ фиг. 3 содержат да два колпачковых "обечайковых"узла А и Б, загерметизированных с оболочками 7 сплавом 8 на основе олова [2], заполненным в зазорах между ножками оболочек 7б и обечайками" 9. Узлы герметизации монтируют на основаниях 1 и 2, на которых устанавливают удлиненные держатели 3 и 4 с закрепленными на них плоскими молибденовыми электродами 5 и 6, симметрично внутренним поверхностям оболочек 7, образуя с ними кольцевые зазоры 13 и 14, поперечные сечения которых составляют более 20% сечения разрядного канала.
Трубчатые кварцевые изоляторы 15, прикрывающие коваровые держатели от проникновения на них стримеров с последующим разрушительным (силовым)разрядом, устанавливают на промежуточном этапе сборки электродных узлов:
1. На электродных держателях 3 и 4 укрепляют элементы 5, 6 и 16 и фиксируют их с помощью аргоновой или лазерной сварки.
2. На держателях 3 и 4 закрепляют по две пружины 17 и устанавливают изоляторы до упора с плоскими электродами 5 и 6.
3. Закрепляют собранные держатели на основаниях 1 и 2.
-5
Сборка электродных узлов А и Б завершается установкой элементов узлов герметизации, включая "обечаек" 9. Подготовка каждой лампы к пайке включает установку обоих электродных узлов вплотную к торцам оболочки и размещение между ножками 7б и "обечайками "полосок Sn-Ti сплава 8. Затем сборку (электродные узлы А и Б с оболочкой 7) размещают в вертикальном положении под кварцевым колпаком откачного поста пайки и в течение 3-5 минут производят откачку до ~5·10 тор и в. ч.нагрев узла А до 800°C. Затем следуют: выдержка сборки под вакуумом в течение ~40 мин; перезагрузка сборки с установкой узла Б в нижнем положении; откачка, в.ч.нагрев узла Б и 40 мин. выдержка под вакуумом. Таким образом, ~ через 1,5 часа лампа готова к откачке и наполнению ксеноном, которые осуществляются через медный штенгель, подсоединяемый к выводу 10 электродного узла А.
Положительный эффект заявляемой полезной модели - в обеспечении наработки 10 тысяч имп. с заданными световыми и электрическими параметрами. Он достигается за счет:
1. Изоляции катодных держателей от проникновения на них стримеров и создании препятствий разрушительного (заэлектродного) зажигания силового разряда с переносом продуктов эрозии на оболочку.
2. Создания условий, стимулирующих развитие силового разряда с центральных (рабочих) частей катодов.
3. Использования в униполярных устройствах двух катодных узлов, каждый из которых поочередно работает в катодном режиме по 50% заданной наработки ламп.
Промышленная применимость заявляемой полезной модели подтверждается почти 40 летним опытом создания импульсных и дуговых ламп [3, 4, 7, 8] с использованием "обечайкового" токоввода [2].
Положительные результаты испытания трех ламп прототипа [5] являются веским аргументом использования в 2015-20 г. г. заявляемой полезной модели для комплектации УФЛ-2М [1, стр. 18] с применением стандартного оборудования, современных материалов и технологий.