РАЗРЯДНАЯ ЛАМПА С ЦЕЗИЕВЫМ НАПОЛНЕНИЕМ

Полезная модель относится к источникам некогерентного оптического излучения на основе разряда в парах щелочных металлов, в частности к конструкции разрядной лампы (РЛ) с цезиевым наполнением, которая предназначена для использования в качестве излучающего элемента в составе размещенного на борту летательного аппарата устройства оптико-электронного противодействия (ОЭП) для защиты от поражающего воздействия управляемых ракет с инфракрасными головками самонаведения.
Излучающий элемент бортового устройства ОЭП является основным функциональным элементом этого устройства поскольку именно он определяет спектральный диапазон и структуру формируемого устройством ОЭП помехового излучения. Наиболее эффективным источником излучения такого назначения в настоящее время принято считать РЛ с цезиевым наполнением [1].
В самом общем случае РЛ представляет собой устройство преобразования электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы или пары (т.н. плазмообразующую среду), причем заданный спектральный диапазон генерируемого РЛ оптического излучения обеспечивается за счет выбора оптимального 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 [2] инфракрасное (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, поскольку этот материал, как следует из работы [3], обладает прозрачностью в ИК области оптического спектра и устойчив к химическому воздействию паров цезия.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой РЛ с цезиевым наполнением является лампа, конструкция которой приведена в [4]. Указанная РЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, установленную соосно с образованием заполненного неоном зазора в защитной (внешней) оболочке, которая также выполнена из лейкосапфира. Герметизация рабочего объема разрядной горелки РЛ с цезиевым наполнением, выбранной в качестве прототипа, осуществлена за счет вакуумно-плотного соединения внутренней поверхности оболочки разрядной горелки с наружной боковой поверхностью входящего в состав каждого из электродных узлов разрядной горелки герметизирующего элемента. Совершенно очевидно, что для нормального функционирования РЛ, выбранной в качестве прототипа, каждый из указанных герметизирующих элементов должен быть выполнен с учетом обеспечения неразъемного соединения с оболочкой разрядной горелки и возможности устойчивой работы в условиях электрического разряда в парах цезия. В работе [1] указано, что наиболее приемлемым конструктивным материалом для герметизирующих элементов РЛ с цезиевым наполнением является ниобий или его сплавы, поскольку длительный контакт ниобия с высокотемпературными парами и жидкой фазой цезия не приводит к нежелательным для нормального функционирования РЛ последствиям.
Одним из самых простых, доступных и, следовательно, широко применяемых на практике приемов по обеспечению неразъемного соединения выполненного из металла (в частности из ниобия) герметизирующего элемента электродного узла с лейкосапфировой оболочкой разрядной горелки РЛ с цезиевым наполнением является пайка. Пайкой называется процесс неразъемного соединения находящихся в твердом состоянии деталей (в данном конкретном случае - оболочка из лейкосапфира и герметизирующий элемент из ниобия) путем введения в зазор между ними промежуточного материала - припоя, который плавится при более низкой температуре, чем материалы, из которых выполнены соединяемые детали [6]. В состоянии расплава припой заполняет зазор между поверхностями соединяемых деталей, образуя жидкую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паянного шва. Совершенно очевидно, что выполненное посредством спая неразъемное соединение оболочки разрядной горелки с герметизирующим элементом должно обладать, во-первых, достаточной механической прочностью, а, во-вторых, высокой вакуумной плотностью.
Реализованный в разрядной горелке РЛ с цезиевым наполнением, выбранной в качестве прототипа, спай лейкосапфира с ниобием относится к категории несогласованных спаев, т.к. указанные материалы обладают различными коэффициентами теплового расширения [7]. Именно поэтому механическая прочность такого спая, как это следует из работы [5], может быть обеспечена только в том случае, если герметизирующий элемент на участке его боковой поверхности, которая соответствует зоне спая, выполнен тонкостенным. Как следует из работы [6] при пайке формирование шва определяется, главным образом, процессами смачивания и ламинарного течения припоя в состоянии расплава на границе «поверхность детали - расплав припоя». Соответственно, величина зазора между соединяемыми посредством спая деталями должна быть неизменной, т.к. при превышении величины зазора на отдельных участках зоны спая заданной величины действие капиллярных сил уменьшается и расплав припоя оказывается не в состоянии заполнить такой зазор. Таким образом, вакуумная плотность спая лейкосапфировой оболочки разрядной горелки с герметизирующим элементом, боковая поверхность которого в зоне спая выполнена цилиндрической, может быть обеспечена только при условии сохранения заданной ширины зазора между спаиваемыми деталями, т.е. одним из основных требований, предъявляемых к материалу оболочки разрядной горелки РЛ, является геометрическое совершенство ее внутренней поверхности, поскольку профиль внутренней поверхности оболочки должен соответствовать профилю герметизирующего элемента в зоне спая.
Следует отметить, что изготовление источников излучения с разрядом в парах щелочных металлов стало возможным только благодаря использованию технологии изготовления профилированных монокристаллов лейкосапфира в виде прямой трубки на основе кристаллизации непосредственно из расплава, предложенного А.В. Степановым [8]. Как было указано выше одним из основных требований, предъявляемых к материалу оболочки разрядной горелки РЛ с цезиевым наполнением, является геометрическое совершенство внутренней поверхности монокристаллической лейкосапфировой трубы, используемой в качестве оболочки, т.е. степень ее соответствия боковой поверхности прямого кругового цилиндра. Однако, в действительности имеет место отклонение геометрии внутренней поверхности выращенной по методу Степанова монокристаллической лейкосапфировой трубы от идеального цилиндра. Такое отклонение выращиваемой по методу Степанова трубы от идеального цилиндра связано с волнистостью и огранкой наружной и внутренней поверхностей, причем волнистость обусловлена колебаниями затравки, возникающими вследствие вибрации установки выращивания монокристаллов лейкосапфира, а появление огранки кристалла связано с анизотропией его роста [9]. Экспериментально установлено, что такое отклонение внутренней поверхности монокристаллической лейкосапфировой трубы от идеального цилиндра характерно для приповерхностного слоя толщиной 0,2-0,25 мм [10].
Таким образом, недостаток конструкции РЛ с цезиевым наполнением, выбранной в качестве прототипа, заключается в отклонении геометрии внутренней поверхности лейкосапфировой оболочки разрядной горелки, в качестве которой использована монокристаллическая лейкосапфировая труба, изготовленная по методу Степанова, от поверхности в виде боковой поверхности прямого кругового цилиндра, что является причиной практической невозможности постоянного по ширине зазора между оболочкой и герметизирующим элементом в зоне спая, а, следовательно, в невозможности обеспечения гарантированно высокого уровня вакуумной плотности спая.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в увеличении вакуумной плотности спая лейкосапфировой оболочки с герметизирующим элементом каждого из электродных узлов разрядной горелки при обеспечении высокой степени воспроизводимости в процессе серийного производства РЛ с цезиевым наполнением.
Технический результат, соответственно, заключается в увеличении эксплуатационной надежности РЛ с цезиевым наполнением.
Заявляемая РЛ с цезиевым наполнением, как и РЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, герметизация рабочего объема которой осуществлена посредством спая обращенных один к другому участков внутренней поверхности трубчатой оболочки из лейкосапфира и наружней боковой поверхности входящего в состав каждого из электродных узлов разрядной горелки герметизирующего элемента, выполненного из устойчивого к химическому воздействию паров цезия металла.
Отличие заявляемой РЛ с цезиевым наполнением от прототипа состоит в том, что прямая трубчатая лейкосапфировая оболочка разрядной горелки на части длины ее внутренней поверхности вне зоны, соответствующей рабочему объему разрядной горелки, со стороны каждого из ее торцов выполнена в виде симметричной относительно продольной оси лейкосапфировой оболочки цилиндрической поверхности постоянного радиуса, ступенчато углубленной в материал оболочки разрядной горелки, причем величина ступенчатого углубления в материал лейкосапфировой оболочки разрядной горелки составляет от 0,2 до 0,25 мм.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения разрядной горелки заявляемой РЛ с цезиевым наполнением.
Разрядная горелка содержит оболочку 1 (т.н. разрядную оболочку) из лейкосапфира, в качестве которой использована монокристаллическая лейкосапфировая труба, изготовленная по методу Степанова. Со стороны каждого из торцов оболочки 1 (на фиг. 1 показан только один из них) установлены электродные узлы 2. Неразъемное соединение электродного узла 2 с оболочкой 1 обеспечено посредством спая входящего в состав электродного узла 2 герметизирующего элемента 3 с оболочкой 1. Спай выполнен на основе устойчивого к парам цезия припоя 4, который заполняет зазор между наружной поверхностью герметизирующего элемента 3 и внутренней поверхностью лейкосапфировой оболочки 1. Герметизирующий элемент 3 представляет собой полую тонкостенную деталь, наружная поверхность которой в зоне спая 4 выполнена цилиндрической. Именно поэтому внутренняя поверхность разрядной оболочки 1 в зоне спая 4 выполнена цилиндрической за счет устранения неоднородностей ее формообразующей поверхности путем механической обработки материала оболочки (шлифовки и полировки), при которой устраняется поверхностный слой лейкосапфира Δ, глубина которого составляет 0,2-0,25 мм. Такая обработка лейкосапфировой оболочки 1 обеспечивает конгруэнтность ее внутренней поверхности и наружной поверхности герметизирующего элемента 3 в зоне спая 4, что обеспечивает постоянный по величине зазор между элементами 1 и 3 в зоне спая 4. Таким образом, предлагаемая конструкция устраняет причину, препятствующую обеспечению гарантированно высокого уровня вакуумной плотности спая 4 оболочки 1 и герметизирующего элемента 3 и обеспечивает, соответственно, высокую эксплуатационную надежность РЛ с цезиевым наполнением.
Промышленная применяемость заявляемого решения подтверждается возможностью его многократного воспроизведения в процессе производства. Заявляемая РЛ с цезиевым наполнением разработана для серийного изготовления с использованием стандартного оборудования, современных технологий и комплектации.
Литература:
1. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
2. Прикладная физика, 2009, №1, с. 53.
3. Светотехника, 1998, №3, с. 22.
4. Патент РФ на ПМ №32321, 10.09.2003 Бюл. №25.
5. Любимов М.Л. Спаи металла со стеклом, М.: Энергия, 1968.
6. Петрушин И.Е. Физико-технические процессы при пайке, М.: Высшая школа, 1972.
7. Рубашев М.А. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике, М.: Атомиздат, 1980.
8. Антонов П.И., Затуловский Л.Н.. Костылев А.С. Получение профилированных монокристаллов и изделий методом Степанова, Л.: Наука, 1971.
9. Контроль. Диагностика, 2007, №2, с. 49.
10. Технология машиностроения, 2008, №6, с. 56