СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ДЕГРАДАЦИИ АКТИВНОЙ СРЕДЫ В КОЛЬЦЕВОМ ГЕЛИЙ-НЕОНОВОМ ЛАЗЕРЕ
METHOD FOR DETECTION OF ACTIVE MEDIUM DEGRADATION SPEED IN RING HELIUM-NEON LASER

Изобретение относится к области газоразрядных приборов с холодным катодом, в частности к кольцевым гелий-неоновым лазерам с возбуждением активной среды симметричным двухплечевым разрядом постоянного тока, и может быть использовано для контроля их качества.
Кольцевой гелий-неоновый лазер является источником информационного сигнала в лазерном гироскопе, поэтому определение скорости деградации активной среды под действием газового разряда сразу же после изготовления лазера позволяет производить отбраковку потенциально ненадежных изделий и минимизировать производственные издержки, связанные со сборкой и изготовлением лазерных гироскопов. Деградация активной среды приводит к росту порогового тока появления лазерной генерации, скорость изменения которого с течением времени количественно характеризует этот процесс и определяет срок службы лазера.
Данная задача решается на основе выбора информативных параметров, характеризующих качество приборов, и фиксации изменений этого или этих параметров за определенное время испытаний, по которым судят о скорости деградационного процесса в тестируемом лазере. Качество методики определяется чувствительностью выбранных информативных параметров к изменениям в газовом наполнении лазера, степенью достоверности их регистрации, возможностью автоматизации процесса испытаний и, как следствие, временем испытаний, обеспечивающим обоснованный вывод о качестве тестируемого прибора. Кроме того, испытания не должны вызывать необратимых разрушений элементов кольцевого лазера, нетипичных для штатного режима эксплуатации.
Известен способ прогнозирования срока службы гелий-неонового лазера путем возбуждения в нем разряда постоянного тока и регистрации порогового тока возникновения многомодовой генерации бегущих страт и его зависимости от времени испытаний [1]. При использовании известного способа имеют место:
- слабая чувствительность в течение первых 500 часов работы кольцевого лазера тока возникновения многомодовой генерации бегущих страт к скорости основного деградационного процесса - поглощению этих газов вследствие распыления холодного катода;
- токовые перегрузки поверхности холодного катода, поскольку ток возникновения многомодовой генерации бегущих страт на порядок и более превышает величину рабочего тока в кольцевом лазере.
Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков способом того же назначения является способ прогнозирования срока службы кольцевого гелий-неонового лазера путем возбуждения в нем электрического разряда и регистрации среднего тока на катод при фиксированной основной частоте реактивных колебаний в электрической цепи разряда и его зависимость от времени испытаний, по которой затем находят относительную скорость изменения среднего тока, его исходное и установившееся значения, после чего определяют предполагаемый срок службы лазера с учетом предварительно установленных для исследуемого типа лазера взаимосвязей между относительными скоростями изменений среднего тока на катод и порогового тока появления лазерной генерации [2]. К недостаткам известного способа относится следующее.
1. Условия поддержания двухплечевого разряда, при которых в его электрической цепи существуют реактивные автоколебания, значительно отличаются от рабочего режима кольцевого лазера. Изменение параметров электрической цепи - выходного напряжения и выходного сопротивления источника питания при переключении от рабочего режима к режиму измерений может вызвать гашение разряда в одном из его плеч. По этой причине при выполнении измерений необходимо неоднократно перекоммутировать электрическую цепь, что создает препятствие для автоматизации испытаний.
2. Переключение от рабочего режима к режиму измерений сопровождается дрейфом регистрируемых характеристик нестационарной составляющей тока в течение некоторого времени после переключения, что является источником методической погрешности.
3. В процессе испытаний возможны выбросы посторонних примесей в активную среду из-за локального распыления загрязненных участков поверхности катода, игнорирование которых при обработке полученных данных приводит к ошибочным оценкам скорости деградации активной среды и прогнозируемого срока службы кольцевого лазера.
Совокупное действие описанных выше причин ограничивает снизу относительную погрешность, с которой определяется скорость роста порогового тока появления лазерной генерации из-за деградации активной среды, величиной около 10% при времени испытаний 150 часов [2].
Задачей данного изобретения является увеличение достоверности результатов испытаний кольцевых лазеров и снижение их трудоемкости за счет автоматизации измерительного процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что так же, как и в известном, в предлагаемом способе осуществляются возбуждение в кольцевом лазере электрического разряда и регистрация его параметров при фиксированной основной частоте реактивных колебаний и их зависимости от времени испытаний, по которой затем определяют скорость роста порогового тока появления лазерной генерации с учетом предварительно установленной для данного типа лазера взаимосвязи между относительными скоростями изменения параметров разряда и порогового тока появления лазерной генерации. При этом после возбуждения разряда его поддерживают не менее семи часов при рабочем токе лазера, потом гасят разряд и, увеличив выходное сопротивление источника питания лазера на 2÷4 МОм, повторно зажигают через интервал времени не менее пяти секунд после гашения, затем путем регулировки выходного напряжения источника устанавливают основную частоту реактивных колебаний, равную выбранному верхнему пределу, и, не менее чем через тридцати минут, уменьшая выходное напряжение, регистрируют его величины и соответствующие им значения основной частоты реактивных колебаний до достижения выбранного нижнего предела частоты, после чего возвращают источник питания в режим, соответствующий рабочему току, и периодически повторяют описанную выше последовательность до завершения испытаний, по результатам которых находят относительную скорость изменения выходного напряжения источника, соответствующую фиксированной основной частоте реактивных колебаний.
Вышеизложенный технический результат достигается за счет полной автоматизации испытаний, которую делает возможной гарантированное обеспечение повторного зажигания разряда в обоих плечах, исключения методической погрешности, вызванной дрейфом характеристик реактивных колебаний после перехода от рабочего режима к режиму измерений, уменьшения случайной погрешности и возможности надежной идентификации выбросов посторонних примесей в активную среду, что обеспечивается использованием в качестве информативных параметров напряжений на выходе источника питания лазера, каждое из которых соответствует определенной основной частоте реактивных колебаний. В режиме измерений воздействие разряда на холодный катод и стенки разрядного канала минимально, поскольку среднее значение тока не превышает 30%, а амплитуда импульсов тока - 70% величины рабочего тока. В результате погрешность определения относительной скорости изменения параметров разряда, отражающей скорость деградации газового наполнения кольцевого лазера, не превышающая 1%, может быть обеспечена за время испытаний 150 часов.
В процессе проведенного анализа уровня техники не выявлены технические решения, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения, а сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков для достижения технического результата. Анализ также показал, что заявляемое изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, так как не обнаружены технические решения, в которых повышение достоверности результатов испытаний кольцевых гелий-неоновых лазеров и их полная автоматизация достигнуты путем реализации описанной выше последовательности перевода двухплечевого разряда из рабочего режима в режим измерений.
Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» и «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Чертежи, иллюстрирующие особенности реализации предлагаемого способа, представлены на фиг.1-3. Фиг.2, 3 получены при исследовании серийно выпущенного кольцевого лазера наиболее распространенной конструкции с холодным катодом из алюминия, двумя идентичными разрядными каналами диаметром 2,7 мм и длиной 63 мм каждый, катодным током нормальной эксплуатации 1,50 мА (по 0,75 мА в каждом разрядном канале), давление наполнения которого составляет 750 Па при соотношении парциальных давлений гелия и неона 16:1.
На фиг.1 представлена функциональная схема автоматизированного стенда, с помощью которого осуществлена регистрация временной зависимости среднего тока на катод и напряжения на выходе источника питания лазера, соответствующих фиксированной частоте реактивных колебаний: 1 - испытательное место, 2 - измерительный блок, 3 - компьютер, 4 - кольцевой лазер, 5 - генератор питания виброподвеса, 6 - источник питания лазера, 7 - аналого-цифровой преобразователь, управляющий выходным напряжением источника питания, 8 - реле, управляющее выходным сопротивлением источника питания, 9 - делитель напряжения, 10 - усилитель, на вход которого поступает сигнал с емкостного датчика, вмонтированного в корпус кольцевого лазера, а на выходе формируется последовательность импульсов, частота повторения которых совпадает с основной частотой реактивных колебаний в электрической цепи двухплечевого разряда, 11 - счетчик-частотомер, 12 - цифроаналоговый преобразователь, на вход которого поступают сигналы, пропорциональные среднему току, текущему на катод кольцевого лазера, и напряжению на выходе источника питания лазера, 13 - модуль согласования интерфейса. Существенными отличительными признаками нового устройства данный автоматизированный стенд от стенда, описанного в [2], не обладает.
На фиг.2 приведены типичные экспериментальные зависимости напряжения на выходе источника питания лазера U, соответствующего фиксированной основной частоте реактивных колебаний, от времени испытаний t, полученные для испытываемых кольцевых лазеров: точки - результаты измерений, сплошная кривая - их аппроксимация экспоненциальной зависимостью
-1
0
0
в которой параметр τ прямо пропорционален скорости деградации активной среды лазера, U, U+ΔU - начальное и конечное значения напряжения. Параметры (1) найдены путем минимизации суммы квадратов отклонений экспериментальных данных от аппроксимирующей их кривой.
На фиг.3 приведена аналогичная зависимость, зарегистрированная в условиях, когда после 120 часов испытаний произошел выброс посторонних примесей в активную среду лазера. Как видно из сопоставления найденных значений параметра τ до и после выброса, этот эффект увеличивает скорость деградации активной среды на 10%.
Верхний и нижний пределы основной частоты реактивных колебаний выбираются в диапазоне 40-100 кГц и зависят от типа испытываемого кольцевого лазера.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предложенного изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем. Кольцевые гелий-неоновые лазеры изготавливаются по общепринятой технологии и на основании результатов измерений величины напряжения на выходе источника питания лазера, соответствующего фиксированной основной частоте реактивных колебаний, и его изменений в процессе испытаний приборов в нормальном режиме эксплуатации осуществляется индивидуальная оценка скорости деградации активной среды. Погрешность определения для скорости роста порогового тока появления лазерной генерации не превышает 0,5% при времени испытаний приборов 150 часов.
Источники информации
1. Заявка РФ №93038976/07 «Способ прогнозирования срока службы гелий-неонового лазера» от 06.08.1993 г., 6H01J 17/22; опубл. В БИ №18 от 27.06.1996 г., стр.75.
2. Патент РФ №2231858 «Способ определения прогнозируемого срока службы кольцевого гелий-неонового лазера» от 27.06.2004 г. H01J 17/22; опубл. в БИ №18 от 27.06.2004 г.