ТОКОВВОД В ГАЗОРАЗРЯДНУЮ ЛАМПУ С ЦЕЗИЕВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

Полезная модель относится к газоразрядным лампам (ГРЛ), предназначенным для использования в качестве излучающего элемента устройства формирования направленного некогерентного модулированного инфракрасного (ИК) излучения, в частности к конструкции токоввода в лейкосапфировую оболочку ГРЛ с цезиевым наполнением.
Известно, что при разработке любого оптического излучателя, характеристики входящего в его состав источника первичного оптического излучения определяются назначением и условиями эксплуатации этого излучателя. В настоящее время в качестве источника первичного оптического излучения используются, как правило, ГРЛ, представляющие собой устройство преобразования электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через так называемую плазмообразующую среду. Конструктивно ГРЛ представляет собой ограничивающую разряд оболочку, на противоположных концах которой установлены электродные узлы, содержащие находящиеся в электрическом контакте электрод и токоввод. Входящие в состав токоввода элементы выполняет функцию обеспечения электрического контакта с внешним источником электропитания и функцию герметизации рабочей полости ГРЛ, ограниченной оболочкой. Заданный спектральный диапазон генерируемого ГРЛ оптического излучения обеспечивается путем выбора соответствующего состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, и использованием ограничивающей разряд оболочки из прозрачного в заданной области оптического спектра материала.
Как следует из работы [1] ИК излучение обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среде на основе цезия, а оболочка, ограничивающая разряд в такой плазмообразующей среде, может быть выполнена исключительно из бесцветного лейкосапфира [2], поскольку этот материал обладает прозрачностью в ИК области оптического спектра и устойчив к химическому воздействию паров цезия. Для нормального функционирования ГРЛ с цезиевым наполнением элементы используемых в ней электродных узлов выполняются с учетом обеспечения надежного соединения с оболочкой из лейкосапфира и возможности их устойчивой работы в условиях электрического разряда в парах цезия. Установлено [3], что наиболее приемлемым конструктивным материалом для элементов токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением являются ниобий или его сплавы, поскольку длительный контакт ниобия с высокотемпературными парами и жидкой фазой цезия не приводят к нежелательным для нормального функционирования ГРЛ последствиям. Герметизация рабочей (разрядной) полости ГРЛ с цезиевым наполнением осуществляется по наружной боковой поверхности входящего в состав токоввода электродного узла герметизирующего элемента посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью прямой трубчатой разрядной оболочки из лейкосапфира. Известно [4], что напряжение в таком спае, который относится к категории несогласованных спаев, остается в безопасных для нормального функционирования ГРЛ пределах только в том случае, если герметизирующий элемент в зоне спая с разрядной оболочкой из лейкосапфира выполнен тонкостенным.
Известен токоввод в ГРЛ с плазмообразующей средой на основе паров щелочных металлов [5], содержащий соединенный посредством цилиндрического спая с оболочкой из лейкосапфира герметизирующий элемент в виде тонкостенного металлического колпачка, дно которого снабжено сквозным отверстием с установленным в нем с обеспечением электрического контакта металлическим штенгелем, который предназначен как для откачки, наполнения и герметизации ГРЛ, так и в качестве держателя электрода. В данной конструкции металлические детали токоввода (герметизирующий элемент и штенгель) выполняют одновременно две функции - функцию обеспечения электрического контакта электрода с внешним источником электропитания и функцию герметизации разрядного пространства ГРЛ, ограниченного лейкосапфировой оболочкой.
Интенсивность излучения ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия является функцией температуры плазмы [3], т.е. увеличение интенсивности излучения ГРЛ в ИК области оптического спектра, что крайне важно с учетом аппаратурного использования такой ГРЛ, можно обеспечить за счет увеличения электрической нагрузки на ГРЛ, т.е. за счет повышения ее электрической мощности. Однако, возможность повышения уровня допустимой электрической нагрузки на токоввод в ГРЛ согласно [5] ограничена особенностями его конструкции. Действительно, толщина стенки штенгеля, который в данном случае является держателем электрода и, следовательно, выполняет функцию токоведущего элемента составляет, как правило, не более 0,3 мм и ограничивает допустимую величину электрической нагрузки без риска нарушения работоспособности ГРЛ. Таким образом, недостаток конструкции токоввода ГРЛ в соответствии с [5] проявляется при аппаратурной эксплуатации в составе устройства интенсивного направленного некогерентного модулированного ИК излучения, т.к. указанная конструкция ограничивает допустимую величину электрической нагрузки на ГРЛ, необходимой для эффективного функционирования устройств специального назначения [2].
Устранение указанного недостатка и обеспечение возможности повышения интенсивности генерируемого ГРЛ с цезиевым наполнением ИК излучения за счет повышения уровня допустимой электрической нагрузки реализовано в конструкции токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением согласно [6], выбранного в качестве прототипа. Такая возможность в указанном решении реализуется за счет специальной конструкции герметизирующего элемента, который содержит разделенные по выполняемым функциям детали. Токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением [6], выбранной в качестве прототипа, содержит соединенный посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью разрядной оболочки из лейкосапфира герметизирующий элемент, в котором с обеспечением с ним электрического контакта вакуумплотно установлен штенгель, причем герметизирующий элемент выполнен в виде двух неразъемно соединенных коаксиальных между собой деталей с цилиндрическими переменного диаметра на части длины наружными поверхностями, обращенных торцами большего диаметра в сторону разрядного пространства ГРЛ. Одна из деталей - наружная-тонкостенная полая, а вторая - внутренняя- снабжена сквозным осевым отверстием, в котором установлен штенгель. Спай герметизирующего элемента с внутренней поверхностью разрядной оболочки из лейкосапфира выполнен на участке наружной поверхности большего диаметра первой детали. Неразъемное соединение образующих герметизирующий элемент деталей выполнено с образованием кольцевого зазора между первой и второй деталями в зоне спая первой детали с разрядной оболочкой из лейкосапфира посредством цилиндрического спая на участке меньшего диаметра наружной поверхности второй детали.
Данная конструкция обеспечивает исключение из непосредственного контакта с электродом штенгеля и тонкостенной детали герметизирующего элемента, т.е. они в данном случае не являются токоведущими элементами и, следовательно, не ограничивают допустимую величину электрической нагрузки на токоввод. Конструкция герметизирующего элемента токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением, выбранного в качестве прототипа, с точки зрения обеспечения энергопотребления ГРЛ совершенно оправдана, но с учетом аппаратурного применения не оптимальна, поскольку не обеспечивает устойчивости токоввода к воздействию виброударных нагрузок. Действительно, как было указано выше, напряжения в зоне спая герметизирующего элемента с оболочкой из лейкосапфира остаются в безопасных для нормального функционирования ГРЛ пределах только в том случае, если герметизирующий элемент в зоне спая выполнен тонкостенным, поскольку тонкостенный участок корпуса герметизирующего элемента следует за тепловой деформацией лейкосапфира, практически не оказывая сопротивления этой деформации. Однако, как следует из [4], это условие нарушается в местах резкого изменения геометрической формы герметизирующего элемента, которые обладают повышенной жесткостью, и в этих местах возникают значительные местные напряжения. Особенность токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением, выбранного в качестве прототипа, заключается в том, что входящая в состав герметизирующего элемента тонкостенная деталь, по наружной поверхности которой выполнен цилиндрический спай с внутренней поверхностью разрядной оболочки из лейкосапфира, обладает формообразующей поверхностью в виде-цилиндрической переменного диаметра на части длины наружной поверхности и, следовательно, обладает повышенной жесткостью в зоне перехода от участка с большим диаметром к участку с меньшим диаметром, что снижает, в соответствии с [4], сопротивляемость токоввода динамическим нагрузкам.
Таким образом, недостаток токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением, выбранного в качестве прототипа, заключается в возможности использования ГРЛ с таким токовводом только при условии, что вероятность возникновения виброударных нагрузок сведена к минимуму.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении механической прочности токоввода в зоне цилиндрического спая с внутренней поверхностью разрядной оболочки из лейкосапфира.
Технический результат, соответственно, заключается в повышении надежности ГРЛ с таким токовводом при ее аппаратурной эксплуатации в условиях повышенных виброударных нагрузок.
Заявляемый токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением как и токоввод, выбранный в качестве прототипа, содержит токоведущий элемент и полый тонкостенный переменного диаметра на части длины наружной поверхности герметизирующий элемент, обращенный торцом большого диаметра в сторону разрядного пространства ГРЛ, соединение которого с разрядной оболочкой из лейкосапфира выполнено посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью разрядной оболочки на участке большего диаметра, а неразъемное соединение с токоведущим элементом выполнено на участке меньшего диаметра.
Отличие заявляемого токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением от прототипа состоит в том, что наружная поверхность герметизирующего элемента выполнена в виде комбинации примыкающих поверхностей, одна из которых представляет собой боковую поверхность прямого кругового усеченного конуса, угол между осью и образующей которого составляет от 45°° до 60°, а две другие - цилиндрические поверхности, примыкающие к конической поверхности со стороны большего и меньшего оснований.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением.
Входящий в состав токоввода в ГРЛ герметизирующий элемент 1 в данном конкретном случае представляет собой полую тонкостенную деталь, наружная поверхность которой представляет собой боковую поверхность прямого кругового усеченного конуса 2 и цилиндрических поверхностей 3 и 4, примыкающих к конической поверхности 2 со стороны большего и меньшего оснований. Тонкостенный герметизирующий элемент 1 вакуумплотно соединен посредством спая 5 с внутренней поверхностью лейкосапфировой разрядной оболочки 6 в зоне цилиндрического участка 5 его формообразующей поверхности. Токоведущий элемент 7 установлен посредством спая в зоне цилиндрического участка 4 формообразующей поверхности герметизирующего элемента 1. Токоведущий элемент 7 снабжен сквозным осевым отверстием, в котором вакуумплотно посредством спая (на фиг.1 не показан) установлен штенгель 9.
Принцип работы предлагаемой конструкции токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением заключается в том, то функции герметизации рабочей полости ГРЛ и обеспечения электрического контакта электрода (на фиг.1 не показан) с внешним источником электропитания разделены между элементами 1 и 7 токоввода. Тонкостенный элемент 1 хотя и соединен наразъемно с обеспечением электрического контакта с элементом 2, но не является токоведущей частью токоввода и, поэтому, не ограничивает допустимую величину электрической нагрузки на токоввод. Для уменьшения жесткости герметизирующего элемента 1 в зоне перехода от большего диаметра формообразующей поверхности (участок 3) к меньшему (участок 4) он снабжен участком 2 формообразующей поверхности (конусная поверхность). Такое выполнение формообразующей поверхности герметизирующего элемента 1 устраняет резкое изменение ее геометрии и, следовательно, напряжение в зоне спая 5 уменьшается, что значительно увеличивает надежность токоввода в отношении виброударных нагрузок. Угол а между осью и образующей конической поверхности участка 2 формообразующей поверхности герметизирующего элемента 1 выбран из соображений обеспечения минимальных напряжений в зоне перехода от участка 3 к участку 4 формообразующей поверхности, с одной стороны, и обеспечения надежности доставки припоя в состоянии расплава в зону спая 5. Если угол а больше 60°, то вероятность образования формообразующей поверхности повышенной жесткости возрастает, а это, как следует из вышесказанного, недопустимо. Угол а меньше 45° приводит к возможности формирования спая вне зоны 5, что приводит к уменьшению его герметичности, а это недопустимо.
Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает повышение механической прочности токоввода, что обеспечивает возможность эксплуатации ГРЛ с таким токовводом в условиях виброударных нагрузок.
Предлагаемый токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Прикладная физика, 2009. №1, с.53.
2. Светотехника, 1998, №3, с.22.
3. Гавриш С. В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
4. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом, М.: Энергия, 1968.
5. Авторское свидетельство СССР №1043764, 23.09.83, Бюл. №35.
6. Патент РФ на полезную модель №97213, 27.08.2010, Бюл. №24.