ТОКОВВОД В ГАЗОРАЗРЯДНУЮ ЛАМПУ С ЦЕЗИЕВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

Полезная модель относится к газоразрядным лампам (ГРЛ), наполненным парами щелочных металлов, в частности к конструкции токоввода в лейкосапфировую оболочку горелки ГРЛ с цезиевым наполнением, используемых в качестве источника 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. Поэтому для нормального функционирования ГРЛ с цезиевым наполнением используемые в ней электродные узлы разрабатываются с учетом обеспечения их надежного соединения с оболочкой горелки, возможности откачки и наполнения 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 плазмообразующей средой на основе цезия является ниобий и его сплавы [1], поскольку длительный контакт ниобия с высокотемпературными парами и жидкой фазой цезия не приводят к нежелательным для нормального функционирования ГРЛ последствиям. С учетом этих особенностей электродные узлы ГРЛ с цезиевым наполнением снабжены вакуумно-плотно соединенными с обеспечением электрического контакта выполненными из ниобия откачным штенгелем и герметизирующим элементом, который, в свою очередь, соединен посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира [2]. Известно [3, 4], что напряжение в таком спае остается в безопасных для нормального функционирования ГРЛ пределах только при условии, что герметизирующий элемент в зоне спая с оболочкой выполнен тонкостенным, например, в виде тонкостенной гильзы или колпачка. Именно поэтому токоввод в соответствии с [2] содержит полый открытый с одного торца герметизирующий элемент, дно которого снабжено сквозным осевым отверстием с установленным в нем с обеспечением электрического контакта штенгелем, причем их соединение осуществлено одним из наиболее доступных на практике способом - посредством сварки плавлением.
Особенность известных конструкций токовводов данного типа состоит в том, что штенгель, как правило, выполняет не только функцию откачки, наполнения и герметизации горелки ГРЛ, но и функцию держателя керна электрода и, соответственно, обеспечения электрического контакта с внешним источником электропитания ГРЛ [5].
Следует отметить, что интенсивность генерируемого ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия ИК излучения зависит от давления паров цезия в разряде, а давление паров цезия, в свою очередь, однозначно определяется температурой наиболее холодной точки рабочей полости горелки ГРЛ, причем даже незначительное изменение пространственной фиксации наиболее холодной точки вне зоны разряда приводит к существенному изменению давления паров цезия в разряде и, следовательно, к изменению параметров генерируемого ГРЛ ИК излучения, т.е. к его амплитудной и временной нестабильности. Именно поэтому в известных конструкциях катодного узла ГРЛ с наполнением парами щелочных металлов осуществляется герметичное отделение полости откачного штенгеля от рабочей полости ГРЛ за счет заполнения штенгеля припоем, примыкающем к керну катода со стороны торца противоположной катоду [5, 6, 7].
В работе [8] показано, что с учетом аппаратурного применения ГРЛ с цезиевым наполнением ее важнейшим параметром является величина интенсивности излучения (т.н. пиковый поток излучения) в заданном интервале спектра (ИК диапазон). Как следует из работы [8] излучение ГРЛ с цезиевым наполнением в ИК диапазоне является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд, причем изменение средней температуры разряда в 2,0…2,5 раза приводит к изменению интенсивности (пиковой силы) ИК излучения в 30…40 раз и, следовательно, увеличение интенсивности ИК излучения ГРЛ можно обеспечить за счет увеличения электрической нагрузки (при сохранении геометрии рабочей полости) на лампу, т.е. за счет повышения ее электрической мощности. Однако, возможность повышения уровня электрической мощности ГРЛ в соответствии с [5, 6, 7] ограничена особенностями конструкции ее токоввода поскольку, как показано в работе [9], повышение электрической нагрузки на токоввод такой конструкции приводит к пластической деформации катодного узла, в состав которого он входит, и, соответственно, к нарушению работоспособности ГРЛ и даже ее разрушению.
Этот недостаток, согласно [9], устранен за счет специальной конструкции токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением. Указанный токоввод выбранный в качестве прототипа, содержит соединенный посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира герметизирующий элемент, снабженный внутренней замкнутой полостью, которая сообщается через выполненный в теле герметизирующего элемента канал с разрядным пространством ГРЛ. На внешней поверхности герметизирующего элемента обращенной к разрядному пространству установлен катод, а с противоположной стороны герметизирующий элемент снабжен сквозным осевым отверстием, в котором соосно с герметизирующим элементом с обеспечением с ним электрического контакта вакуумно-плотно установлен откачной штенгель, причем зона спая штенгеля размещена во внутренней полости герметизирующего элемента, т.е. фактически, внутренняя полость откачного штенгеля герметично отделена со стороны торца, обращенного в сторону разрядного промежутка ГРЛ, от рабочей полости ГРЛ. Таким образом, конструкция, выбранная в качестве прототипа, обеспечивает устранение непосредственного электрического контакта тонкостенного откачного штенгеля с керном катода, что позволяет существенно увеличить величину допустимой для нормального функционирования ГРЛ электрической нагрузки.
Как было указано выше одним из самых простых, доступных и, соответственно, широко применяемых на практике приемов по обеспечению вакуумно-плотного соединения герметизирующего элемента с откачным штенгелем является сварка плавлением. В соответствии с [10] сваркой плавлением называется технологический процесс получения неразъемного соединения между деталями, основанный на локальном расплавлении кромок соединяемых деталей с последующей кристаллизацией металла шва. Под воздействием мощного концентрированного потока тепловой энергии кромки свариваемых деталей расплавляются с образованием физического контакта посредством т.н. «сварной ванны». Поскольку сварной шов имеет протяженность, превышающей размеры «сварной ванны», сварку плавлением ведут непрерывно перемещая источник теплоты относительно кромок свариваемых деталей. В результате кромки плавятся непрерывно. Охлаждение зоны сварки происходит за счет передачи теплоты вглубь свариваемых деталей и в окружающую среду и, соответственно, кристаллизации металла «сварной ванны». Поскольку свариваемые детали представляют собой в зоне сварки тонкостенные колпачок и штенгель из ниобиевого сплава типа ЭЛН-1 или НЦ-1 (содержание ниобия порядка 95%), а температура плавления ниобия составляет 2500°С [11], местный (сосредоточенный) высокотемпературный нагрев этих деталей при сварке плавлением вызывает возникновение напряжений и остаточных деформаций в сварном соединении, что снижает его сопротивляемость динамическим нагрузкам [10] и, соответственно, нарушению герметизации токоввода и выходу ГРЛ из строя.
Таким образом, указанная конструкция токоввода допускает использование ГРЛ с таким токовводом только при ее эксплуатации в стационарной аппаратуре, когда вероятность возникновения виброударных нагрузок сведена к минимуму.
Недостаток конструкции токоввода в ГРЛ, выбранного в качестве прототипа, состоит в невозможности его использования в составе ГРЛ, аппаратурное применение которой предполагает возникновение виброударных нагрузок из-за возможности нарушения герметичности в зоне соединения герметизирующего элемента и штенгеля.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в обеспечении устойчивости к виброударным нагрузкам токоввода ГРЛ с цезиевым наполнением в зоне соединения герметизирующего элемента и откачного штенгеля.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого решения заключается, соответственно, в повышении надежности ГРЛ при ее аппаратурной эксплуатации в условиях повышенных виброударных нагрузок.
Заявляемый токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением, как и токоввод ГРЛ, выбранный в качестве прототипа, содержит соединенный посредством цилиндрического спая с внутренней поверхностью прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира герметизирующий элемент, снабженный сквозным осевым отверстием, в котором соосно с герметизирующим элементом с обеспечением с ним электрического контакта вакуумно - плотно установлен откачной штенгель, внутренняя полость которого отделена со стороны торца, обращенного в сторону разрядного промежутка, от рабочей полости лампы.
Заявляемый токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением отличается от прототипа тем, что поверхность сквозного осевого отверстия в герметизирующем элементе снабжена кольцевой ступенью, примыкающей к торцу откачного штенгеля, установка откачного штенгеля в герметизирующем элементе выполнена посредством спая обращенных один к другому участков наружной боковой поверхности откачного штенгеля и поверхности сквозного осевого отверстия в герметизирующем элементе вне зоны кольцевой ступени, а в зоне кольцевой ступени сквозное осевое отверстие в герметизирующем элементе заполнено припоем, причем величина внутреннего диаметра откачного штенгеля превышает величину диаметра сквозного осевого отверстия в зоне кольцевой ступени и высота кольцевой ступени составляет не менее  мм, где σ и ρ коэффициент натяжения и плотность припоя в состоянии расплава, соответственно.
На фигуре 1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением.
Герметизирующий элемент 1 соединен посредством цилиндрического спая 2 с внутренней поверхностью прямой трубчатой оболочки 3 разрядной горелки. Герметизирующий элемент 1 снабжен внутренней полостью 4, сообщающейся через сквозной канал 5 с рабочей полостью разрядной горелки ГРЛ. Катод 6 установлен на керне (держателе), который в данном конкретном случае образует с герметизирующим элементом 1 цельную деталь. В теле герметизирующего элемента 1 выполнено сквозное отверстие, в котором установлен откачной штенгель 7. Сквозное осевое отверстие в герметизирующем элементе 1 снабжено кольцевой ступенью 8. Штенгель 7, как и герметизирующий элемент 1, выполнен из ниобия и установлен в сквозном осевом отверстии так, что его торец примыкает к кольцевой ступени 8. Штенгель 7 соединен с герметизирующим элементом 1 посредством цилиндрического спая 9 на основе титанового припоя с поверхностью сквозного осевого отверстия в герметизирующем элементе 1 вне зоны кольцевой ступени 8. Сквозное осевое отверстие в герметизирующем элементе 1 в зоне кольцевой ступени 8 заполнено припоем 10, который в данном конкретном случае представляет собой сплав титана и никеля.
Пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между спаиваемыми деталями промежуточного металлаприпоя, который плавится при более низкой температуре, чем соединяемые металлы [12]. При расплавлении 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 «поверхности детали - расплав припоя». Пайку осуществляют при температуре ниже точки плавления металла соединяемых деталей, что позволяет получить непрерывный контакт без нарушения формы и размеров конструкции, а самое главное без изменения структуры металла соединяемых деталей. Таким образом, устраняется причина возникновения в сплавляемых деталях напряжений, которые могут привести к разгерметизации токоввода и выходу ГРЛ из строя при воздействии на нее виброударных нагрузок.
Для образования надежного спая необходимо, чтобы расплав припоя смачивал металл спаиваемых деталей и растекался по поверхности спаиваемых деталей [12]. Экспериментально установлено, что наибольшая прочность паяных соединений достигается при зазорах между спаиваемыми деталями (в данном конкретном случае - между герметизирующим элементом 1 и штенгелем 7) в пределах 0,02…0,1 мм [13].
Количество припоя, форма его навески (до расплава) и пространственное размещение играет существенную роль в получении качественного шва. Именно поэтому, в данном конкретном случае, при заполнении припоем сквозного осевого отверстия в герметизирующем элементе в зоне кольцевой ступени 8 использован припой сплава титана с никелем, навеска которого в форме таблетки первоначально (до откачки и заполнения горелки ГРЛ) размещена в откачном штенгеле и выше кольцевой ступени 8. После откачки и заполнения горелки ГРЛ рабочим веществом осуществляется расплав припоя 10, температура плавления которого ниже температуры плавления припоя в зонах спая 2 и 10. При пайке используется верхняя граница интервала температуры плавления припоя, которая характеризует точку растекания. В данном конкретном случае для заполнения сквозного осевого отверстия герметизирующего элемента 1 в зоне кольцевой ступени 8 используется припой из сплава титана с никелем, поскольку его температура плавления составляет 955°С [8]. При расплавлении припой 10 под действием силы тяжести и за счет действия капиллярных сил заполняет сквозное кольцевое отверстие в герметизирующем элементе 1 в зоне кольцевой ступени 8, причем в процессе заполнения отверстия в зоне кольцевой ступени 8 происходит взаимодействие припоя 10 с ниобием, из которого изготовлен герметизирующий элемент 1, что приводит к увеличению вязкости расплава и препятствует его дальнейшему проникновению в отверстие в зоне кольцевой ступени 8. Высота (h) кольцевой ступени 8 выбирается с учетом максимальной длины затягивания припоя 10 в отверстие в зоне кольцевой ступени 8 и в соответствие с [12] составляет:
где σ - коэффициент поверхностного натяжения припоя 10 в состоянии расплава;
ρ - плотность припоя 10 в состоянии расплава; g - ускорение силы тяжести; d -величина диаметра сквозного осевого отверстия в герметизирующем элементе 1 в зоне кольцевой ступени 8.
Таким образом, с учетом того, что величина диаметра откачного штенгеля 7 не превышает, как правило, 3 мм при толщине стенки 0,3 мм, высота кольцевой ступени 8 должна составлять не менее  мм.
Предлагаемая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность токоввода в ГРЛ с цезиевым наполнением и, соответственно, повышает надежность ГРЛ при ее эксплуатации в условиях повышенных виброударных нагрузок. Следует также отметить, что предлагаемая конструкция обеспечивает строгую повторяемость при изготовлении ламп пространственную фиксацию получения наиболее холодной точки и, соответственно, обеспечивает стабильность параметров генерируемого ГРЛ ИК излучения.
Токоввод в ГРЛ с цезиевым наполнением в соответствии с заявляемым решением разработок 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, с.16.
5. А.С. СССР №1085435, H01J 61/36.
6. А.С. СССР №1056305, H01J 9/24, 23.11.83. Бюл.№43.
7. А.С. СССР №1380514, H01J 9/00.
8. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника ИК излучения с разрядом в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
9. Патент РФ на ПМ №95430, H01J 61/02, 27.06.2010. Бюл.№18.
10. Бадьянов Б.Н., Давыдов В.А. Сварочные процессы в электронной технике, М.: Высшая школа, 1988.
11. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами, М.: Энергия, 1973.
12. Петрунин И.Е. Физико-химические процессы при пайке, М.: высшая школа, 1972.
13. Кавалевский Р.Е., Чекмарев А.А. Конструирование и технология вакуумплотных паяных соединений, М.: Энергия, 1968.