ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к источникам инфракрасного (ИК) излучения, предназначенным для использования в качестве источника первичного оптического излучения в ИК прожекторах для осуществления дистанционного наблюдения низкотемпературных объектов в условиях, когда визуальная видимость ограничена недостаточным уровнем освещенности, в частности в системах ночного видения.
Очевидно, что при проектировании любого светового прибора спектральный состав формируемого прибором оптического излучения является одной из основных характеристик с учетом назначения и условий функционирования этого светового прибора. Следует отметить, что с учетом указанного выше назначения ИК прожектора спектральный диапазон формируемого им оптического излучения должен составлять 3,5-5,0 мкм, поскольку этот диапазон ИК излучения соответствует «окну прозрачности» земной атмосферы и, следовательно, формируемое ИК прожектором оптическое излучение характеризуется меньшим затуханием в атмосфере.
Основными функциональными элементами ИК прожектора являются первичный источник оптического излучения и устройство, предназначенное для избирательного пропускания оптического излучения, генерируемого первичным источником излучения, т.н. ИК фильтр, который обладает высоким пропусканием (оптически прозрачен) в ИК области спектра и большим поглощением в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
Таким образом, основной задачей, стоящей перед разработчиком эффективного источника оптического излучения с учетом его аппаратурного применения, является обеспечение необходимого уровня интенсивности излучения в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм. Указанная задача может быть реализована при использовании в качестве первичного источника оптического излучения газоразрядной лампы (ГРЛ), которая в самом общем случае представляет собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду, причем заданный спектральный диапазон генерируемого ГРЛ оптического излучения обеспечивается, во-первых, путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, а, во-вторых, использованием ограничивающей разряд оболочки из прозрачного в заданной области спектра излучения разряда материала. Известно, что ИК излучение в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среды на основе цезия [1] и, следовательно, оболочка ГРЛ с таким наполнением может быть выполнена исключительно из бесцветного лейкосапфира, поскольку этот материал обладает прозрачностью в указанной области спектра оптического излучения и устойчив к химическому воздействию паров цезия [2].
Интенсивность излучения ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия (т.н. цезиевая ГРЛ) в ИК диапазоне является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд, т.е. увеличение мощности лампы, что крайне важно с учетом ее аппаратурного использовании, приводит к нагреванию лейкосапфировой оболочки цезиевой ГРЛ до весьма высокой температуры. В работе [3] показано, что обеспечение нормального функционирования цезиевой ГРЛ возможно только при ее принудительном охлаждении путем формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки ГРЛ, поскольку такой обдув препятствует появлению значительных градиентов температуры вдоль наружной поверхности оболочки ГРЛ, к которым крайне чувствителен лейкосапфир, из которого эта оболочка выполнена.
Следует отметить, что как указано в работе [4], в спектре излучения цезиевой лампы имеется значительное количество интенсивных линий в диапазоне длин волн 0,38-0,78 мкм, т.е. определенная часть оптического излучения, генерируемого ГРЛ, приходится на видимый диапазон оптического спектра. Именно поэтому в составе ИК прожектора используется ИК фильтр, функциональное назначение которого заключается в выделении из генерируемого цезиевой ГРЛ излучения только той составляющей, которая приходится на ИК диапазон. В работе [5] приведен обзор выпускаемых отечественной промышленностью ИК прожекторов, конструктивная особенность которых состоит в том, что применяемые в них ИК фильтры выполнены в виде пластины, перекрывающей выходное отверстие прожектора. Применяемые в этих прожекторах ИК фильтры, как правило, являются абсорбционными и изготавливаются из стекла, в состав которого обычно вводят красители [6]. К этой группе относятся следующие группы стекол: КС (красное стекло), ИКС (инфракрасное темное стекло), ПС (пурпурное стекло). За счет поглощения ИК фильтром видимого излучения происходит его нагрев, причем из-за неравномерной облученности поверхности ИК фильтра (минимум в зоне, соответствующей «слепому отверстию» отражателя ИК прожектора) наблюдается значительный перепад между минимальным и максимальным значениями температур поверхности ИК фильтра, что создает в образующем фильтр стекле температурные напряжения и, соответственно, повышает его чувствительность к виброударным нагрузкам. Именно поэтому обеспечение надежного функционирования фильтра в составе ИК прожектора возможно только при его принудительном охлаждении, что в известных конструкциях не предусмотрено [6, 7].
Известен источник ИК излучения [8] в составе излучающего элемента в виде цезиевой ГРЛ с прямой трубчатой оболочкой из бесцветного лейкосапфира и устройства принудительного воздушного охлаждения ГРЛ, содержащего блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки ГРЛ в виде двух установленных соосно с ГРЛ в зоне ее катодного узла коаксиальных между собой конфузоров - наружного и внутреннего. Указанная конструкция, выбранная в качестве прототипа, выполнена в виде функционально и конструктивно связанных элементов, что является определяющим фактором обеспечения работоспособности цезиевой ГРЛ, а недостаток этой конструкции проявляется при ее аппаратной эксплуатации в составе ИК прожектора и состоит в принципиальной невозможности обеспечения совместного принудительного воздушного охлаждения наиболее ответственных за функционирование ИК прожектора и теплонапряженных элементов его конструкции - цезиевой ГРЛ и ИК фильтра.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в исключении вероятности возникновения температурных напряжений в материале, из которого изготовлен ИК фильтр, за счет его принудительного воздушного охлаждения совместно с оболочкой цезиевой ГРЛ.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции источника ИК излучения в составе ИК прожектора, заключается в повышении его эксплуатационной надежности в условиях виброударных нагрузок.
Заявляемый источник ИК излучения, как и источник ИК излучения, выбранный в качестве прототипа, содержит излучающий элемент в виде цезиевой ГРЛ с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира и устройство принудительного воздушного охлаждения ГРЛ, содержащее блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки ГРЛ в виде двух установленных соосно с ГРЛ в зоне ее катодного узла коаксиальных между собой конфузоров - наружного и внутреннего.
Заявляемый источник ИК излучения отличается от прототипа тем, что соосно с ГРЛ с образованием кольцевого зазора с внешней поверхностью оболочки ГРЛ на части ее длины, соответствующей разрядному промежутку лампы, установлен полый цилиндр, торец которого примыкает к внутреннему конфузору в плотности его среза. Указанный полый цилиндр выполнен с возможностью избирательного пропускания ИК составляющей генерируемого ГРЛ оптического излучения, а толщина стенки внутреннего конфузора в зоне примыкания к полому цилиндру выполнена равной толщине стенки полого цилиндра.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемого источника ИК излучения.
Заявляемый источник ИК излучения выполнен в виде функционально и конструктивно связанных блоков - источника первичного оптического излучения в виде цезиевой ГРЛ, оптического элемента, обеспечивающего избирательное пропускание генерируемого ГРЛ оптического излучения, и устройства совместного принудительного воздушного охлаждения ГРЛ и оптического элемента.
Цезиевая ГРЛ содержит прямую трубчатую оболочку 1 из лейкосапфира, на противоположных концах которой установлены электродные узлы - анодный (на фиг.1 не обозначен) и катодный 2, электрически связанный с элементом электроаарматуры 3 блока питания ГРЛ. Устройство принудительного воздушного охлаждения оснащено электровентиляторами 4 и блоком формирования воздушного потока в составе внутреннего конфузора 5, полого цилиндра 6 и внешнего конфузора 7. Полый цилиндр 6 выполнен с возможностью избирательного пропускания ИК составляющей прошедшего через оболочку 1 оптического излучения, генерируемого плазмообразующей средой ГРЛ. Полый цилиндр установлен так, что его внутренняя поверхность образует с внешней поверхностью оболочки 1 ГРЛ кольцевой зазор на части длины оболочки 1, соответствующей разрядному промежутку ГРЛ. Торец полого цилиндра 6, обращенный в сторону катода 2 ГРЛ, примыкает к торцу установленного соосно с ГРЛ в зоне ее катода внутреннему конфузору 5 в плоскости его среза. Толщина стенки конфузора 5 в зоне примыкания к полому цилиндру 6 выполнена равной толщине стенки полого цилиндра 6. Наружный конфузор 7 установлен коаксиально с внутренним конфузором 5 с образованием зазора между внутренней поверхностью конфузора 7 и наружной поверхностью конфузора 5. В данном конкретном случае конфузоры 5 и 7 жестко связаны между собой и элементами арматуры блока формирования воздушного потока посредством обтекаемых ребер (на фиг.1 не показаны) так, что плоскости их срезов лежат в одной плоскости. В данной конструкции полый цилиндр 6 выполняет двойную функцию - обеспечивает оптическую фильтрацию излучения, генерируемого ГРЛ, и, одновременно, формирует канал, по которому распространяется охлаждающий оболочку 1 ГРЛ воздушный поток. Оптический фильтр в виде полого цилиндра 6 выполнен, в данном конкретном случае, в виде абсорбционного фильтра из кремния. Свойства указанного материала и возможность изготовления из него полого цилиндра с заданной толщиной стенки достаточно известны [9-10].
Предлагаемая конструкция позволяет обеспечить совместное принудительное воздушное охлаждение функциональных элементов источника ИК излучения, ответственных за формирование излучения в заданном диапазоне оптического спектра.
Для охлаждения оболочки ГРЛ 1 и полого цилиндра 6 к конфузорам 5 и 7 подается воздушный поток, формируемый вентиляторами 4. Конфузоры 5 и 7 формируют две «кольцевые» воздушные струи. Струя воздуха из конфузора 5 поступает в кольцевой зазор между наружной поверхностью оболочки 1 цезиевой ГРЛ и внутренней поверхностью полого цилиндра 6 и сохраняет ламинарность на участке длины оболочки 1, который соответствует разрядному промежутку ГРЛ. Струя воздуха из конфузора 7 движется вдоль наружной поверхности полого цилиндра 6. Таким образом, принудительное воздушное охлаждение ИК фильтра, выполненного в виде полого цилиндра 6, осуществляется со стороны наружной и внутренней поверхностей, что препятствует возникновению температурных напряжений в материале, из которого он изготовлен, и, соответственно, повышает эксплутационную надежность источника ИК излучения в целом при его аппаратурном использовании в условиях виброударных нагрузок.
Следует также отметить, что предлагаемая конструкция обеспечивает равномерное облучение поверхности полого цилиндра 6, что существенно снижает величину температурных напряжений при его функционировании в качестве ИК фильтра.
Источник ИК излучения в соответствии с заявляемым решением разработок для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Прикладная физика, 2009, №1, с.53
2. Светотехника, 2008, №2, с.12
3. Гавриш С.В. Разработка и использование импульсного источника ИК излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005
4. Светотехника, 2009, №1, с.27
5. Ю.Г.Басов, А.Г.Раквиашвили, В.В.Сысун. Специальная светотехника, Минск, Издательский центр БГУ, 2008
6. Светотехника, 2004, №3, с.31
7. Светотехника, 2002, №6, с.14
8. Патент РФ на ПМ №56718, 10.09.2006 Бюл. №25
9. Оптические материалы для инфракрасной техники / Е.М.Воронкова, Б.Н.Гречушников, Г.И.Дистлер, И.П.Петров - М.: Наука, 1965.
10. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костылев А.С. Получение профилированных монокристаллов и изделий методом Степанова. - Л.: Наука, 1971.