КАТОДНЫЙ УЗЕЛ РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРНОГО ДАТЧИКА

Полезная модель относится к области квантовой электроники, в частности к конструкции катодного узла резонатора лазерного датчика.
Известна конструкция катодного узла газового лазера (Газовый лазер. А.с. СССР №1764482, заявка №4893637 от 25.12.1990, Поляков С.Ю., Яковлев Ю.М.), в которой внутри цилиндрической стеклянной оболочки установлен цилиндрический катод, имеющий куполообразное дно, переходящее в центре в трубчатый наконечник.
Стеклянная оболочка газового лазера по торцам спаяна с металлическими крышками. Расположенная со стороны катода крышка имеет бортик, с которым стеклянная оболочка соединена внешним охватывающим спаем. Крепление катода внутри оболочки и электрический контакт с крышкой осуществляют с помощью упирающейся в бортик пружины, установленной между внутренней поверхностью бортика крышки и трубчатым наконечником катода.
Недостатком приведенной конструкции катодного узла газового лазера является то, что такая конструкция крепления катода не гарантирует отсутствия перемещения катода при ускорениях лазера, особенно вдоль его оси, вследствие того, что открытый торец катода не закреплен относительно корпуса лазера. Из-за изменения геометрии газоразрядного промежутка невозможно получить требуемые точностные параметры для резонатора лазерного датчика. Цилиндрическая стеклянная оболочка не выдерживает механических нагрузок, включая вибрацию или удары, которым подвергается резонатор лазерного датчика. Таким образом, указанная конструкция не может быть использована в таких датчиках.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является катодный узел датчика лазерного гироскопа, состоящий из цилиндрического полого катода в полости корпуса резонатора и разрезной пружины вокруг катода. Напряжение на катод подают через лепесток, который припаян к втулке, расположенной на наружной поверхности электродной пластины резонатора (Бутягин О.Ф., Голяев Ю.Д., Кроваткин М.В., Савельев И.И., Скопин К.А. Усовершенствование конструкции упругих элементов датчиков лазерных гироскопов для повышения их надежности в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок // Сетевой электронный журнал «Системотехника». «Системные проблемы надежности, качества и информационных технологий». - 2012. - №10). Для поджатая катода к лепестку и обеспечения электрического контакта используют разрезную пружину. Корпус и электродную пластину резонатора изготавливают из ситалла и соединяют посредством оптического контакта.
Поскольку оптический контакт обладает относительно невысокой прочностью, к пружине предъявляются жесткие требования по величине усилия сжатия, передаваемого через полый катод на электродную пластину. Такая пружина должна также обеспечивать надежный механический контакт между катодом и лепестком при внешних механических воздействиях на катодный узел при эксплуатации резонатора лазерного датчика. Усилие пружины должно быть достаточным, чтобы механический контакт катода и лепестка сохранялся при всех внешних воздействиях (ударах и вибрациях) в процессе эксплуатации резонатора лазерного датчика. Однако вследствие того, что оптический контакт между электродной пластиной и корпусом датчика имеет относительно невысокую прочность, для их надежного вакуумно-плотного соединения необходимо соблюдать жесткие требования на ограничение величины усилия сжатия в определенных пределах, что требует точного предварительного расчета линейных размеров пружины в ненагруженном и в сжатом состоянии, а также точного измерения жесткости пружины. Также необходим точный подбор и согласование с учетом допусков линейных размеров пружины, лепестка и катода. Должны быть учтены допуски в величинах проточек корпуса и электродной пластины для крепления такой пружины. В датчике размеры минимального и максимального посадочного места для пружины определяются глубинами катодной полости и проточки в электродной пластине датчика, размерами катода и величиной перекрытия катода и пружины, толщиной лепестка и соответствующими допусками на эти величины. При заданном усилии сжатия пружины ее высота должна составлять определенную величину и находиться в диапазоне, определяемом крайними значениями размеров посадочного места.
Таким образом, существуют жесткие требования ко всем элементам катодного узла резонатора лазерного датчика, что увеличивает трудоемкость их изготовления. Имеется необходимость предварительного подбора и согласования определенных размеров отдельных элементов перед их сборкой в катодный узел.
Задачей полезной модели является упрощение конструкции и расчетов параметров катодного узла резонатора лазерного датчика, а также устранение жестких требований к геометрическим характеристикам при подборе его элементов.
Поставленная задача решается тем, что в известной конструкции катодного узла резонатора лазерного датчика, включающей электродную пластину из диэлектрика, расположенную на внешней поверхности диэлектрического корпуса резонатора и соединенную с ним посредством оптического контакта, катодную полость во внутреннем объеме резонатора, цилиндрический полый холодный катод, установленный в катодной полости осью симметрии перпендикулярно электродной пластине, токопроводящий лепесток, катодный электрический вывод, выполненный в виде втулки и расположенный на внешней поверхности электродной пластины, цилиндрический полый холодный катод ограничен со стороны электродной пластины цилиндрическим наконечником с куполообразным глухим дном и размещен внутри катодной полости таким образом, что его выходное отверстие расположено на противоположной относительно электродной пластины стороне, при этом в резонаторе лазерного датчика дополнительно выполнена цилиндрическая выемка с диаметром меньше внутреннего диаметра катода, являющаяся продолжением катодной полости и соединенная не менее чем с одним газоразрядным каналом резонатора, причем край цилиндрического полого холодного катода с выходным отверстием частично входит во внутреннюю кольцевую выточку, выполненную вокруг цилиндрической выемки, плоский токопроводящий лепесток со сквозными пазами выполнен из материала с пружинящими свойствами, установлен соосно вокруг примыкающего к электродной пластине куполообразного глухого дна и центрирован сквозными пазами по оси симметрии полого катода, к втулке катодного электрического вывода присоединен токопроводящий проводник, соединенный с выводом токопроводящего лепестка и расположенный в кольцевой выточке на внутренней поверхности электродной пластины.
На фиг. 1 представлен внешний вид цилиндрического полого холодного катода в сборке с токопроводящим лепестком, на фиг. 2 представлена конструкция катодного узла резонатора лазерного датчика, на фиг. 3 показано расположение катодного узла внутри резонатора лазерного датчика.
Полый холодный катод выполнен в виде цилиндра 1 (фиг. 1), соосно переходящего в цилиндрический наконечник с куполообразным глухим дном 2 (фиг. 1). Холодный катод устанавливают внутри катодной полости, выполненной во внутреннем объеме резонатора, таким образом, чтобы выходное отверстие части его конструкции в виде цилиндра было расположено на противоположной стороне относительно электродной пластины 3 (фиг. 3). В диэлектрическом корпусе резонатора выполнена цилиндрическая выемка 4 (фиг. 3), являющаяся продолжением катодной полости и соединенная не менее чем с одним газоразрядным каналом резонатора 5 (фиг. 3). При этом цилиндрическая выемка имеет диаметр меньше внутреннего диаметра катода, является продолжением катодной полости и соединена не менее чем с одним газоразрядным каналом резонатора.
Для защиты края цилиндрического полого холодного катода от распыления при работе в тлеющем разряде и надежной фиксации в резонаторе со стороны выходного отверстия он своим выходным отверстием частично входит во внутреннюю кольцевую выточку, выполненную в материале резонатора вокруг цилиндрической выемки. Глубина выточки находится в пределах 1-1,5 мм, ширина - не менее толщины стенки катода с учетом допуска. Нижнюю поверхность электродной пластины 3 (фиг. 3), выполненную из диэлектрика с низким коэффициентом термического расширения, например, из ситалла, предварительно полируют до получения качества поверхности, достаточного для установки электродной пластины методом оптического контакта на аналогичным образом подготовленную поверхность корпуса диэлектрического резонатора.
Для подвода электрического напряжения к катоду служит выполненная из титана втулка 6 (фиг. 3) катодного электрического вывода, расположенная на внешней поверхности электродной пластины 3. Токопроводящий провод 7 (фиг. 3), выполненный из титана, укрепляют внутри втулки 6 катодного электрического вывода, расположенной на электродной пластине 3, и сваривают с токопроводящим выводом 8 при помощи микроплазменной сварки. Выполненные из однородного материала, например, бронзы марки БрБ2, вывод 8 (фиг. 2) и обладающий пружинящими свойствами токопроводящий лепесток 9 (фиг. 2) перед сборкой катодного узла сваривают независимо от электродной пластины 3 внахлест с помощью контактной сварки,. При этом общая толщина свариваемых элементов не должна превышать глубину выточки на внутренней поверхности электродной пластины, так как при дальнейшей сборке электродная пластина закрепляется на корпусе резонатора посредством оптического контакта, причем для любых элементов конструкции не допускается выход за пределы плоскости электродной пластины. На практике общая толщина свариваемых элементов не превышает 0,5 мм.
Токопроводящий вывод 8 от токопроводящего лепестка 9 длиной не менее 5 мм необходим для придания упругости соединению лепестка с токопроводящим проводом 7 при воздействии разного рода колебаний и ускорений, действующих во время эксплуатации на катодный узел резонатора лазерного датчика. Таким образом достигается сохраняемость сварного соединения, обеспечивающего электрический контакт между втулкой 6 катодного электрического вывода и полым холодным катодом через токопроводящий лепесток 9 первоначально плоской формы, который устанавливают на примыкающий к электродной пластине цилиндрический наконечник 2 с глухим дном. Затем центрируют лепесток 9 его сквозными пазами по оси симметрии катода соосно вокруг оси симметрии цилиндрического наконечника 2.
Первоначально плоская форма лепестка из пружинящего материала после его установки на цилиндрический наконечник приобретает выгнутую краями форму, что гарантирует надежное и постоянное поджатие полого холодного катода к лепестку для обеспечения электрического контакта между ними при ударных или других механических воздействиях на резонатор. Условием работы резонатора датчика, в том числе стабильного поджига газового разряда и его поддержания, в данной полезной модели является надежное соединение между собой втулки 6 катодного электрического вывода, токопроводящего провода 7, вывода 8 токопроводящего лепестка и токопроводящего лепестка 9.
Полезная модель работает следующим образом.
После сборки катодного узла и закрепления электродной пластины на оптическом контакте на корпусе резонатора последний устанавливают на откачной пост, проверяют на герметичность, проводят термовакуумную обработку и наполняют газовой лазерной смесью, например, гелий-неоновой. Подсоединяют источник накачки к выводам на электродной пластине, при этом отрицательный вывод источника накачки - к втулке катодного электрического вывода. Подают напряжение постоянного тока на электроды резонатора, после чего полый холодный катод начинает поставлять электроны в газоразрядный промежуток «катод-анод» и между электродами возникает газовый разряд, являющийся источником для получения лазерного излучения в резонаторе лазерного датчика.
Испытания на ударо- и виброустойчивость показали надежность электрического контакта между полым холодным катодом и электрическим выводом. Во время испытаний резонаторов лазерных датчиков с предложенным катодным узлом установлено, что в диапазонах, заданных требованиями на стойкость к внешним механическим воздействиям, все датчики были устойчивы к ударам и вибрации.
Техническим результатом является упрощение конструкции и расчета параметров катодного узла резонатора лазерного датчика за счет удаления разрезной пружины и замены ее на пружинящий лепесток со сквозными пазами, одновременно выполняющий прижатие катода к лепестку с требуемым усилием и создание надежного электрического контакта полого катода с его электрическим выводом, а также снижение жестких требований к геометрическим характеристикам элементов катодного узла.
Источники информации
1. Газовый лазер. А.с. СССР №1764482, заявка №4893637 от 25.12.1990. Поляков С.Ю., Яковлев Ю.М.
2. Бутягин О.Ф., Голяев Ю.Д., Кроваткин М.В., Савельев И.И., Скопин К.А. Усовершенствование конструкции упругих элементов датчиков лазерных гироскопов для повышения их надежности в условиях воздействия вибрационных и ударных нагрузок // Сетевой электронный журнал «Системотехника». «Системные проблемы надежности, качества и информационных технологий». - 2012. - №10 - прототип.