ЦЕЗИЕВАЯ ЛАМПА ЛЕЙКОСАПФИРОВЫМИ ОБОЛОЧКАМИ

Полезная модель относится к газоразрядным лампам (ГРЛ) с плазмообразующей средой на основе цезия, предназначенным для использования в качестве источника первичного оптического излучения в излучателях модулированного инфракрасного (ИК) излучения.
Хорошо известно, что при разработке любого оптического излучателя характеристики входящего в его состав источника первичного оптического излучения определяются с учетом назначения и условий функционирования этого излучателя. В настоящее время в качестве первичного источника оптического излучения преимущественно используются ГРЛ, которые в самом общем случае представляют собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду с модуляцией потока излучения за счет модуляции разрядного тока, что позволяет получить необходимую (с учетом аппаратурного применения ГРЛ) последовательность импульсов излучения в заданном спектральном диапазоне.
Как следует из работы [1] в ряде случаев основное требование, предъявляемое к ГРЛ с цезиевым наполнением, состоит в обеспечении необходимой величины глубины модуляции генерируемого ей ИК излучения при заданном уровне пиковой силы излучения.
Указанная задача может быть реализована при использовании определенного типа ГРЛ, т.н. цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками, которая обеспечивает генерацию ИК излучения с глубиной модуляции порядка 95% [2]. Принципиальная особенность такой ГРЛ состоит в том, что ее излучение содержит как модулированную, так и немодулированную составляющие, причем источником модулированного излучения является разряд в парах цезия, а немодулированная составляющая является суммой тепловых излучений электродов, входящих в состав электродных узлов ГРЛ (анодного и катодного), разрядной и защитной оболочек ГРЛ. Совершенно очевидно, что чем выше величина немодулированной составляющей генерируемого ГРЛ ИК излучения при фиксированной величине модулированной составляющей, тем меньше глубина модуляции генерируемого ГРЛ излучения, и, следовательно, ниже эффективность функционирования ГРЛ при ее аппаратурном использовании.
Интенсивность излучения ГРЛ с цезиевым наполнением является функцией температуры [2] и поэтому снижение немодулированной составляющей генерируемого ГРЛ излучения при фиксированной величине модулированной составляющей возможно за счет снижения температуры тех конструктивных элементов ГРЛ, которые являются источниками этой составляющей излучения.
Известна цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками, в которой снижение немодулированной составляющей ИК излучения обеспечивается за счет теплосъема с разрядной оболочки через имеющий высокий коэффициент теплопроводности газ (неон), заполняющий полость между защитной и разрядной оболочками, принудительного воздушного охлаждения защитной оболочки и перекрытия зоны размещений электродов, входящими в состав соответствующих электродных узлов, металлическими экранами. В указанной ГРЛ, выбранной в качестве прототипа [3], металлические экраны установлены в заполненной неоном кольцевой полости между разрядной и защитной оболочками, равноудалены от них и охватывают разрядную оболочку на части ее длины, соответствующей размещению входящих в состав соответствующих электродных узлов электродов (анода и катода). Данная конструкция цезиевой ГРЛ, функционирование которой осуществляется в условиях принудительного воздушного охлаждения, позволяет увеличить глубину модуляции генерируемого ГРЛ излучения за счет снижения немодулированной составляющей излучения от оболочек и электродов ГРЛ.
Следует, однако, отметить, что отличительная особенность ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия состоит в том, что ее электрические характеристики и, следовательно, параметры генерируемого излучения зависят от давления паров цезия в разряде, а давление паров цезия, в свою очередь, однозначно определяется температурой наиболее холодной точки (НХТ) разрядного пространства ГРЛ, причем даже незначительное изменение температуры НХТ приводит к существенному изменению давления паров цезия и, следовательно, к изменению параметров импульса ИК излучения, т.е. к амплитудной и временной нестабильности генерируемого цезиевой ГРЛ излучения. В случае работы ГРЛ в режиме однополярных импульсов НХТ находится у катода и фиксация величины давления паров цезия в разряде на заданном уровне, как это следует из [2], может быть осуществлена за счет пространственной фиксации НХТ вне зоны разряда. Таким образом, недостаток конструкции цезиевой ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, заключается в практической невозможности минимизации временной и амплитудной нестабильности генерируемого ГРЛ излучения, поскольку возможность пространственной фиксации НХТ в данной конструкции не предусмотрена.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в обеспечении пространственной фиксации НХТ вне зоны разряда, а технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции заключается, соответственно, в минимизации амплитудной и временной нестабильности генерируемого цезиевой ГРЛ модулированного ИК излучения при сохранении необходимых величин пиковой силы и глубины модуляции ИК излучения, что обеспечивает повышение надежности функционирования аппаратуры, в составе которой используется ГРЛ.
Заявляемая цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками, как и ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, снабжена установленными в полости между разрядной и защитной оболочками равноудаленными от них и охватывающими разрядную оболочку на части ее длины, соответствующей зонам размещения электродных узлов - анодного и катодного, металлическими экранами.
В отличие от прототипа у заявляемой цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками экран, охватывающий катодный узел, выполнен с возможностью примыкания с образованием теплового контакта к токовводу катодного узла, а токоввод катодного узла в зоне теплового контакта с экраном снабжен внутренней полостью, сообщающейся через сквозной канал, выполненный в теле катодного узла, с разрядным пространством лампы.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что экран, охватывающий катодный узел, выполнен в виде тонкостенного полого цилиндра переменного диаметра на части длины его боковой поверхности, обращенного торцом большего диаметра в сторону разрядного пространства лампы и примыкающего к токовводу катодного узла на участке боковой поверхности меньшего диаметра.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками. Лампа содержит разрядную оболочку 1 из лейкосапфира, на противоположных концах которой установлены электродные узлы - катодный 2 и анодный (на фиг.1 не показан). Разрядная оболочка 1 установлена в защитной оболочке 3 из лейкосапфира. В кольцевой полости между оболочками 1 и 3 установлены равноудаленные от них металлические экраны, один из которых - 4 охватывает оболочку 1 в зоне размещения катодного узла 2. На противоположных концах защитной оболочки 3 установлены совмещенные с герметизирующими элементами токоподводы, один из которых соединен с токовводом катодного узла 2 через контактный элемент (на фиг.1 не обозначен). Экран 4, в данном конкретном случае, выполнен в виде тонкостенного полого цилиндра переменного диаметра на части длины его боковой поверхности, обращенного торцом большего диаметра в сторону разрядного пространства цезиевой ГРЛ, ограниченного оболочкой 1. Экран 4 на участке боковой поверхности меньшего диаметра примыкает с образованием теплового контакта в зоне 5 к токовводу катодного узла 2. В данном конкретном случае тепловой контакт в зоне 5 между экраном 4 и токовводом катодного узла 2 обеспечен за счет плотного их примыкания, хотя, в принципе, возможны и другие хорошо известные варианты обеспечения такого контакта. Токоввод катодного узла 2 снабжен внутренней полостью 6, которая соединяется через сквозной канал 7, выполненный в теле катодного узла 2, с разрядным пространством ГРЛ, ограниченным оболочкой 1. Внутренняя полость 6 в токовводе катодного узла 2 выполнена так, что по крайней мере на части своей длины перекрывает зону примыкания 5 экрана 4 и наружной поверхности токоввода катодного узла 2.
Минимизация амплитудной и временной нестабильности генерируемого ГРЛ с цезиевым наполнением ИК излучения за счет фиксации величины давления паров цезия в разрядном пространстве ГРЛ на заданном уровне осуществляется путем пространственной фиксации НХТ вне зоны разряда и регулировки ее температуры в процессе функционирования ГРЛ. Следует отметить, что сам принцип пространственной фиксации НХТ за счет теплового воздействия на закатодную зону разрядной горелки ГРЛ с наполнением парами щелочных металлов достаточно хорошо известен [4, 5]. Однако, в известных конструкциях тепловое воздействие осуществляется за счет использования дополнительных источников тепла в виде внешних резистивных нагревателей, что приводит к существенному усложнению конструкции ГРЛ и увеличению энергозатрат, необходимых для обеспечения ее нормального функционирования.
к
к
к
В заявляемой конструкции экран 4 обеспечивает выполнение двух функций, во первых, он обеспечивает снижение немодулированной составляющей излучения от катода ГРЛ с цезиевым наполнением, а во вторых, осуществляет тепловое воздействие на закатодную зону ГРЛ. В момент зажигания ГРЛ плазменный канал охватывает катод и, поскольку, в момент зажигания ГРЛ пусковые токи велики, катод разогревается быстрее, чем плазменный канал. Температура катода T определяется тепловым потоком из плазмы и джоулевым нагревом проходящего через электрод тока [6], т.е. по мере увеличения энергопотребления T возрастает. Известно [7], что плотность излучения H вольфрама, из которого изготовлен катод, связана с T соотношением , где C, n - постоянные, характерные для той или иной марки вольфрама. Таким образом, с увеличением энергопотребления будет возрастать излучательная способность катода. Излучение от нагретого катода катодного узла 2 поступает на экран 4 и разогревает его, а, поскольку, экран 4 находится в тепловом контакте с токовводом катодного узла 2 в зоне размещения внутренней полости 6, то тепловая энергия путем теплопроводности с экрана 4 передается в зону НХТ во внутренней полости 6 токоввода катодного узла 2 и повышает температуру НХТ.
Известно [8], что давление насыщенных паров в замкнутом объеме в первом приближении определяется уравнением состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона):
,
a
где V - суммарный объем разрядного пространства и закатодной полости, m - масса наполняющего лампу цезия, µ - молярная масса цезия, R - молярная газовая постоянная, T - температура НХТ. Учитывая. Что для конкретного конструктивного исполнения лампы величины V, m, µ, и R имеют постоянное значение, то уравнение состояния газа можно представить в упрощенном виде P=T, где  - константа.
Как следует из вышеуказанной формулы с ростом температуры НХТ давление паров цезия возрастает, и они заполняют разрядное пространство ГРЛ, ограниченное оболочкой 1. В процессе функционирования ГРЛ тепло, передаваемое с катода катодного узла 2 на экран 4, а с экрана 4 во внутреннюю полость 6 в зону размещения НХТ по мере повышения энергопотребления ГРЛ увеличивается пропорционально потребляемой мощности, что обеспечивает поддержание давления паров цезия на заданном уровне.
Таким образом, предлагаемая конструкция обеспечивает местоположение НХТ на строго фиксированном (для каждой модификации ГРЛ) от торца рабочей поверхности катода расстоянии во внутренней полости 6 катодного узла 2, и, соответственно, обеспечивает минимизацию амплитудной и временной нестабильности излучения цезиевой ГРЛ в процессе ее функционирования.
Цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Светотехника, 1998, №3, с.22.
2. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
3. Патент РФ на ПМ №32321, 10.09.2009 Бюл. №25.
4. Гайдуков Е.Н. Создание ламп накачки твердотельных неодимовых лазеров на основе дугового разряда в парах щелочных металлов: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1984.
5. Патент РФ на ПМ №72578, 20.04.2008, Бюл. №11.
6. Светотехника, 1983, №6, с.9.
7. М.М.Гуторов Основы светотехники и источники света. М.: Энергия, 1968.
8. Н.И.Кошкин, Е.Н.Васильчикова. Элементарная физика. Справочник. М.: АО «Столетие», 1996.