ТОКОВВОД В ГАЗОРАЗРЯДНУЮ ЛАМПУ С ЦЕЗИЕВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

Полезная модель относится к газоразрядным лампам (ГРЛ) с цезиевым наполнением, в частности к конструкции токоввода в лейкосапфировую оболочку горелки ГРЛ с цезиевым наполнением, предназначенных для использования в качестве излучающего элемента в устройствах формирования направленного некогерентного модулированного инфракрасного (ИК) излучения.
В самом общем случае ГРЛ представляет собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду. Горелка ГРЛ с плазмообразующей средой на основе щелочного металла цезия представляет собой прямую трубчатую оболочку из лейкосапфира, на противоположных концах которой установлены электродные узлы (анодный и катодный), содержащие находящиеся в электрическом контакте электрод и токоввод, элементы которого выполняют функцию обеспечения электрического контакта с внешним источником электропитания и функцию герметизации рабочей полости ГРЛ, ограниченной оболочкой горелки. Для нормального функционирования ГРЛ с цезиевым наполнением используемые в ней электродные узлы выполняются с учетом обеспечения их надежного соединения с оболочкой горелки, возможности откачки и наполнения внутренней полости горелки рабочим веществом и возможности их устойчивой работы в условиях электрического разряда в парах цезия. Известно, что наиболее приемлемым конструктивным материалом для элементов электродных узлов с учетом особенностей функционирования ГРЛ с цезиевым наполнением является ниобий и его сплавы [1], поскольку длительный контакт ниобия с высокотемпературными парами и жидкой фазой цезия не приводит к нежелательным для нормального функционирования ГРЛ последствиям. С учетом этих особенностей катодный узел ГРЛ с цезиевым наполнением снабжен вакуумно-плотно соединенными выполненными из ниобия откачным штенгелем и герметизирующим элементом, который, в свою очередь, соединен посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью оболочки горелки [2]. Известно [3, 4], что напряжение в таком спае остается в безопасных для нормального функционирования ГРЛ пределах только в том случае, если герметизирующий элемент в зоне спая с оболочкой из лейкосапфира выполнен тонкостенным, а откачной штенгель установлен в снабженном сквозным осевым отверстием торце герметизирующего элемента, обращенном к торцу оболочки горелки.
Следует отметить, что электрический разряд в ГРЛ с цезиевым наполнением имеет ряд особенностей. В частности, интенсивность генерируемого ГРЛ ИК излучения зависит от давления паров цезия в разряде, а давление паров цезия в разряде однозначно определяется температурой наиболее холодной точки (НХТ) разрядного пространства. В случае работы ГРЛ в режиме однополярных импульсов (модулированное ИК излучение) НХТ, как следует из работы [5], находится у катода и фиксация величины давления паров цезия в разряде на заданном уровне осуществляется за счет пространственной фиксации НХТ вне зоны разряда - в закатодной области. Эта особенность функционирования ГРЛ с цезиевым наполнением с необходимостью требует герметичного отделения полости откачного штенгеля от рабочей полости ГРЛ.
Известен токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением [6], выбранный в качестве прототипа, который содержит соединенный посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью разрядной оболочки из лейкосапфира герметизирующий элемент снабженный замкнутой внутренней полостью, которая сообщается через выполненный в теле герметизирующего элемента канал с разрядным пространством ГРЛ, причем объем внутренней полости соответствует объему цезиевой составляющей плазмообразующей среды. На внешней поверхности герметизирующего элемента со стороны разрядного пространства ГРЛ установлен катод, а с противоположной стороны герметизирующий элемент снабжен сквозным осевым отверстием, в котором вакуумно плотно установлен откачной штенгель. Герметизация откачного штенгеля осуществлена со стороны торца, обращенного в сторону разрядного пространства ГРЛ, т.е., внутренняя полость откачного штенгеля герметично отделена со стороны торца, обращенного в сторону разрядного пространства ГРЛ от внутренней замкнутой полости герметизирующего элемента. Указанная конструкция токоввода ГРЛ с цезиевым наполнением, выбранная в качестве прототипа, обеспечивает необходимую для конкретного типоразмера ГРЛ пространственную фиксация НХТ и, следовательно, сводит к минимуму амплитудную и временную нестабильность генерируемого ГРЛ с цезиевым наполнением ИК излучения, что крайне важно при ее аппаратурном использовании.
Герметизация внутренней полости откачного штенгеля осуществляется посредством отпая, т.е. концевой участок откачного штенгеля, обращенный в сторону внутренней замкнутой полости герметизирующего элемента, заполнен припоем.
Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между спаиваемыми деталями промежуточного металла - припоя, который плавится при более низкой температуре, чем соединяемые металлы [7]. В состоянии расплава припой заполняет зазор между поверхностями соединяемых деталей, образуя жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. При пайке формирование шва определяется, главным образом, процессами смачивания и капиллярного течения на границе «поверхность детали - расплав припоя». Экспериментально установлено, что наибольшая прочность паяных соединений достигается при зазоре между спаиваемыми деталями (в данном конкретном случае между противолежащими участками внутренней поверхности откачного штенгеля в зоне отпая) в пределах 0,02-0,1 мм [8]. Следует отметить, что существующая технология откачки и наполнения ГРЛ ограничивает внутренний диаметр откачного штенгеля величиной порядка 2,5 мм и, поэтому, для обеспечения надежной герметизации откачной штенгель в зоне отпая снабжен, как правило, плоским пережимом, ширина которого по внутренней поверхности составляет не менее 0,02, но не более 0,2 внутреннего диаметра откачного штенгеля вне зоны пережима [9]. Нижняя граница ширины пережима откачного штенгеля обусловлена необходимостью обеспечения эффективности откачки и наполнения ГРЛ через зону пережима откачного штенгеля, а верхняя граница обусловлена эффектом прекращения действия капиллярных сил, обеспечивающих заполнение откачного штенгеля в зоне пережима припоем в состоянии расплава.
Конструкция токоввода, выбранного в качестве прототипа, обеспечивает вакуумно-плотный отпай откачного штенгеля, но не исключает возможность проникновения расплава припоя во внутреннюю замкнутую полость герметизирующего элемента, что приводит к частичному вытеснению цезия в рабочую полость ГРЛ, поскольку, как это было указано выше, объем внутренней замкнутой полости герметизирующего элемента соответствует объему цезиевой составляющей плазмообразующей среды ГРЛ, и, соответственно, приводит к отклонению величин параметров генерируемого ГРЛ с цезиевым наполнением ИК излучения от их номинальной величины, что абсолютно недопустимо с учетом аппаратурного использования ГРЛ. Следует отметить, что указанный процесс не поддается непосредственному контролю в процессе изготовления ГРЛ и проявляется только на этапе выходного контроля при проведении определенных испытаний.
Таким образом, недостаток конструкции, выбранной в качестве прототипа, состоит в невозможности обеспечить гарантированно высокий уровень воспроизводимости заданных параметров ГРЛ с цезиевым наполнением при их серийном производстве.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в формировании отпая откачного штенгеля, обеспечивающего надежную герметизацию внутренней полости откачного штенгеля и исключающего возможность проникновения расплава припоя во внутреннюю замкнутую полость герметизирующего элемента.
Технический результат, соответственно, заключается в обеспечении гарантированно высокого процента выхода годных цезиевых ГРЛ с заданными параметрами при их серийном производстве.
Заявляемый токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением, как и токоввод, выбранный в качестве прототипа, содержит неразъемно соединенные герметизирующий элемент и откачной штенгель, герметизация внутренней полости которого осуществлена со стороны торца, обращенного в сторону разрядного пространства.
Отличие заявляемого токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением от прототипа состоит в том, что герметизация внутренней полости откачного штенгеля осуществлена посредством спая обращенных один к другому участков внутренней поверхности откачного штенгеля и боковой поверхности размещенного в откачном штенгеле в непосредственной близости от его торца, обращенного в сторону разрядного пространства, цилиндрического вкладыша, изготовленного из устойчивого к химическому воздействию цезия материала, причем превышение величины внутреннего диаметра откачного штенгеля в зоне спая величины диаметра цилиндрического вкладыша составляет от 0,02 до 0,1 мм, а длина вкладыша составляет не менее , где σ и ρ коэффициент поверхностного натяжения припоя в состоянии расплава и плотность припоя в состоянии расплава, соответственно.
На фигуре 1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемого токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением.
Герметизирующий элемент 1 соединен посредством цилиндрического спая (на фиг.1 не показан) с внутренней поверхностью выполненной из лейкосапфира прямой трубчатой оболочки 2 разрядной горелки. Герметизирующий элемент 1 снабжен внутренней замкнутой полостью 3, сообщающейся через сквозной канал 4 в теле герметизирующего элемента 1 с рабочей полостью разрядной горелки, ограниченной оболочкой 2. Катод 5 установлен на керне (держателе), который, в данном конкретном случае, образует с герметизирующим элементом 1 единое целое. В герметизирующем элементе 1 со стороны его торца, обращенного в сторону торца разрядной оболочки 2, установлен откачной штенгель 6. Герметизирующий элемент 1 выполнен из ниобиевого сплава и соединен с штенгелем 6, выполненным из ниобиевого сплава, посредством цилиндрического спая (на фиг.1 не показан) с помощью титанового припоя. Во внутренней полости откачного штенгеля 6 в непосредственной близости от его торца, обращенного в сторону полости 3 в герметизирующем элементе 1, установлен цилиндрический вкладыш 7, который, в данном конкретном случае, выполнен из молибдена. Зазор между наружной поверхностью вкладыша 7 и внутренней поверхностью откачного штенгеля 6, в данном конкретном случае, составляет не менее 0,02 мм (но не более 0,1 мм) и заполнен припоем, который представляет собой сплав титана с никелем. Количество припоя, форма его навески (до расплава) и пространственное размещение играют существенную роль в получении качественного шва (отпая). Припой желательно располагать над паяемым швом для проникновения расплава припоя в зазор между откачным штенгелем 6 и вкладышем 7 не только за счет эффекта капиллярности, но и за счет действия силы тяжести. Именно поэтому, в данном конкретном случае, используется вертикальное расположение оси цилиндрического паяного шва (спая) 8 между откачным штенгелем 6 и цилиндрическим вкладышем 7.
Навеска припоя в форме таблетки первоначально (до откачки и заполнения горелки ГРЛ) размещена в откачном штенгеле 6 со стороны торца вкладыша 7, обращенного в сторону торца оболочки 2. Фиксация пространственного положения вкладыша 7 в откачном штенгеле 6 может быть осуществлена, например, за счет местной деформации откачного штенгеля 6 в зоне его торца со стороны внутренней замкнутой полости герметизирующего элемента 1 вне зоны спая 8 без прорыва или с прорывом (прорезной) материала откачного штенгеля 6. В данном конкретном случае, для пространственной фиксации вкладыша 7 в откачном штенгеле 6 на его торце выполнена т.н. надрезка [10] с двух диаметрально противоположных сторон с последующим отгибом (на фиг.1 не показана). После откачки и заполнения горелки ГРЛ рабочим веществом осуществляют расплав навески припоя, который будучи в состоянии расплава заполняет зазор между вкладышем 7 и внутренней поверхностью откачного штенгеля 6 и образует цилиндрический спай 8. Максимальная длина (l) спая 8 в соответствии с [7] составляет:
,
где σ - коэффициент поверхностного натяжения припоя в состоянии расплава;
ρ - плотность припоя в состоянии расплава;
g - ускорение силы тяжести;
Δ - величина зазора между вкладышем 7 и откачным штенгелем 6.
Таким образом, длина спая 8 должна составлять не менее , а, следовательно, такой должна быть длина (l) цилиндрического вкладыша 7.
Заявляемая конструкция исключает возможность проникновения припоя в состоянии расплава из зоны спая 8 во внутреннюю замкнутую полость 3 герметизирующего элемента 1 и обеспечивает, тем самым, гарантированно высокий уровень воспроизводимости ГРЛ с цезиевым наполнением при их серийном производстве.
Токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Гайдуков Е.Н. Создание ламп накачки твердотельных лазеров на основе дугового разряда в парах щелочных металлов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М.: 1984.
2. А.С. СССР №1043764, H01J 61/36, 23.09.83, Бюл. №35
3. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом, М.: Энергия, 1968.
4. Светотехника, 1998, №3, c.l6.
5. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
6. Патент РФ на ПМ №95430, H01J 61/02, 27.06.2010, Бюл. №18.
7. Петрушин И.Е. Физико-технические процессы при пайке, М.: Высшая школа, 1972.
8. Ковалевский Р.Е., Чекмарев А.А. Конструирование и технология вакуумно-плотных паяных соединений, М.: Энергия, 1968.
9. Патент РФ на изобретение №2087984, 20.08.1997.
10. Классификатор ЕСКД. Приложение: алфавитно-предметный указатель, термины и толкование, М.: Государственный комитет СССР по стандартам 1980.