ЦЕЗИЕВАЯ ЛАМПА С ДВУМЯ ЛЕЙКОСАПФИРОВЫМИ ОБОЛОЧКАМИ

Полезная модель относится к газоразрядным лампам (ГРЛ) с плазмообразующей средой на основе цезия, которые предназначены для использования в качестве излучающего элемента в устройствах формирования направленного некогерентного модулированного инфракрасного (ИК) излучения.
Хорошо известно, что при разработке любого оптического излучателя характеристики входящего в его состав источника первичного оптического излучения определяются назначением и условиями функционирования (эксплуатации) этого излучателя. В настоящее время в качестве такого источника оптического излучения используются, как правило, 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 формировать необходимую (с учетом конкретного аппаратурного применения ГРЛ) последовательность импульсов излучения в заданном спектральном диапазоне. Как следует из работы [1] в ряде случаев основное требование, предъявляемое к ГРЛ, состоит в обеспечении глубины модуляции генерируемого ею ИК излучения порядка 95% при заданном уровне пиковой силы излучения. Указанная задача может быть реализована при использовании определенного типа ГРЛ, т.н. цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками [2]. Принципиальная особенность такой ГРЛ состоит в том, что генерируемое ГРЛ ИК излучение содержит как модулированную, так и немодулированную составляющие, причем источником модулированной составляющей ИК излучения является разряд в парах цезия, а немодулированная составляющая является суммой тепловых излучений входящих в состав ГРЛ элементов - электродов, разрядной и защитной оболочек. Совершенно очевидно, что чем выше величина немодулированной составляющей ИК излучения при фиксированной величине модулированной составляющей, тем меньше глубина модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения, и, следовательно, ниже эффективность функционирования цезиевой ГРЛ при ее аппаратурном использовании.
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 разрядной и защитной оболочками, принудительного воздушного охлаждения защитной оболочки и перекрытия зоны размещения электродов, входящих в состав соответствующих электродных узлов, металлическими экранами, которые жестко соединены с токовводами электродных узлов. В указанной ГРЛ [3], выбранной в качестве прототипа, 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 электродных узлов электродов. Конструкция цезиевой ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, функционирование которой возможно только в условиях принудительного воздушного охлаждения, позволяет обеспечить достаточно высокую глубину модуляции генерируемого ИК излучения при ее использовании в составе излучателя, который предназначен для функционирования в режиме непрерывной генерации модулированного ИК излучения в течение заданного временного интервала.
Следует отметить, что с учетом особенностей аппаратурного использования цезиевой ГРЛ возникает необходимость ее эксплуатации в одном из двух режимов - либо в режиме непрерывной генерации модулированного ИК излучения в течение заданного временного интервала, либо в режиме генерации в заданном временном интервале последовательности нерегулярных серий (пачек) импульсов ИК излучения (модулированного ИК излучения), временной интервал между которыми (сериями) значительно превосходит временной интервал между импульсами в серии. Для простоты изложения будем в дальнейшем называть эти режимы эксплуатации цезиевой ГРЛ - непрерывным режимом и циклическим режимом. Следует также отметить, что в период рабочего функционирования как в непрерывном, так и в циклическом режимах цезиевая ГРЛ охлаждается принудительно в течение всего рабочего периода, а при завершении рабочего периода ее охлаждение осуществляется естественным путем. Известно [4], что одновременно со снижением температуры плазмы при отключении цезиевой ГРЛ происходит конденсация паров цезия либо на разрядную оболочку в случае сохранения принудительного теплосъема, либо в закатодной области, где расположена наиболее холодная точка цезиевой ГРЛ, при естественном охлаждении. Поэтому, при включении цезиевой ГРЛ, предназначенной для функционирования в непрерывном режиме, разряд между катодом и анодом первоначально формируется по ксенону, входящему в состав плазмообразующей среды ГРЛ, а затем межэлектродный объем заполняется компонентами плазмообразующей среды - парами цезия, который первоначально в виде пленки находится в закатодной области, причем время, в течение которого происходит окончательное формирование разряда в парах цезия, составляет не менее 2-3 мин. Особенность функционирования цезиевой ГРЛ в циклическом режиме состоит в том, что ГРЛ эпизодически отключается от электропитания на время, соответствующее временному интервалу между следующими друг за другом серий (пачек) импульсов излучения, при сохранении принудительного воздушного охлаждения защитной оболочки ГРЛ. При этом конденсация паров цезия происходит преимущественно на внутренней поверхности разрядной оболочки ГРЛ и рабочих поверхностях электродов, причем присутствие ксенона в качестве неконденсируемой примеси способствует формированию конденсатного образования в виде пленки, т.е. препятствует капельной конденсации паров цезия [5]. Образовавшийся проводящий слой удерживается на внутренней разрядной оболочке цезиевой ГРЛ до последующей подачи импульса зажигания, т.е. при включении ГРЛ возникает т.н. «эффект замыкания». Таким образом, при повторной подаче импульса зажигания в циклическом режиме функционирования ГРЛ сопротивление межэлектродного промежутка существенно превышает сопротивление газа - теплоносителя (неона) между разрядной и защитной оболочками ГРЛ, а поскольку расстояние между торцами металлических экранов равно межэлектродному промежутку и экраны находятся в электрическом контакте с токовводами электродных узлов ГРЛ, то после подачи на ГРЛ повторного импульса зажигания вероятность первичного разряда между торцами экранов в полости между оболочками ГРЛ очень велика. Температура торцевой части экранов при этом достигает величины температуры расплава материала, из которого изготовлены экраны, и расплав материала экрана попадает на поверхности лейкосапфировых оболочек, создает в них критические напряжения, что с большой долей вероятности может привести к разрушению ГРЛ.
Таким образом, недостаток конструкции ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, состоит в том, что подобная конструкция практически непригодна при эксплуатации цезиевой ГРЛ в циклическом режиме, т.к. входящие в состав ГРЛ экраны фактически являются токоведущими элементами.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в исключении вероятности возникновения разряда между установленными в полости между оболочками ГРЛ металлическими экранами при ее эксплуатации в циклическом режиме, а технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками, заключается, соответственно, в обеспечении возможности эксплуатации ГРЛ в циклическом режиме при сохранении ее надежности и ресурса.
Заявляемая цезиевая лампа с двумя лейкосапфировыми оболочками, как и ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, снабжена установленными в заполненной неоном полости между разрядной и защитной оболочками равноудаленными от них и охватывающими разрядную оболочку на части ее длины, соответствующей зонам размещения электродных узлов, металлическими экранами, которые жестко соединены с токовводами соответствующих электродных узлов.
В отличие от прототипа у заявляемой цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками, по крайней мере, один экран выполнен с отсутствием электрического контакта с токовводом соответствующего электродного узла.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что, по крайней мере, один экран выполнен составным из примыкающих через изоляционный элемент соосных между собой деталей, одна из которых выполнена в виде полого металлического цилиндра, внутренняя поверхность которого снабжена кольцевой ступенью, примыкающей к торцу разрядной оболочки, другая выполнена в виде металлического диска со сквозным осевым отверстием, в котором жестко закреплен токов-вод электродного узла, а изоляционный элемент выполнен в виде кольца из твердого диэлектрического материала с высоким коэффициентом теплопроводности, ширина которого превышает зону примыкания к нему торцевой поверхности металлической детали, выполненной в виде полого цилиндра.
Необходимость наличия высокого коэффициента теплопроводности у диэлектрического материала, из которого выполнен изоляционный элемент, обусловлена потребностью сброса тепла с металлического цилиндра на металлический диск. В противном случае металлический цилиндр будет нагреваться и станет источником немодулированной составляющей излучения лампы.
На фиг.1 приведено схематической изображение варианта конкретного исполнения цезиевой лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками. Лампа содержит разрядную оболочку 1 из лейкосапфира, на противоположных концах которой установлены электродные узлы 2 (на фиг.1 показан только один из них). Разрядная оболочка 1 установлена в защитной оболочке 3 из лейкосапфира. В кольцевой полости между оболочками 1 и 3 установлены равноудаленные от них экраны, охватывающие оболочку 1 в зоне размещения электродных узлов (на фиг.1 показан только один из них). Один из них (показан на фиг.1) выполнен составным в виде примыкающих через изоляционный элемент 4 соосных между собой деталей 5 и 6. Изоляционный элемент 4 выполнен в виде кольца из твердого диэлектрического материала с высоким коэффициентом теплопроводности. В данном конкретном случае изоляционный элемент 4 выполнен из алюмооксидной керамики, например, А-995 [6]. Внутренний диаметр кольца 4 выполнен равным диаметру токоввода 7 электродного узла 1 в зоне их примыкания. Деталь 5 выполнена в виде полого металлического цилиндра, внутренняя поверхность которого снабжена кольцевой ступенью 8, примыкающей к торцу оболочки 2. Деталь 6 выполнена в виде металлического диска со сквозным осевым отверстием, в котором жестко установлен токоввод 7 электродного узла 1. Жесткое соединение деталей 6 с токовводом 7 может быть выполнено одним из известных способов - обжим, пайка, сварка. На противоположных концах защитной оболочки 3 установлены сопряженные с герметизирующими элементами токоподводы (на фиг.1 не обозначены), которые находятся в электрическом контакте с токовводами электродных узлов. В данной конструкции выполненный в виде кольца изоляционный элемент 4 выполняет следующие функции - обеспечивает пространственную фиксацию детали 5 в кольцевой полости между оболочками 1 и 3, изолирует деталь 5 от электрического контакта с токовводом 7 и обеспечивает теплосъем с детали 5.
Предлагаемая конструкция цезиевой ГРЛ за счет электроизоляции одного из экранов (деталь 5) полностью исключает возможность разряда в кольцевой полости между оболочками 1 и 3 при любых режимах эксплуатации ГРЛ. Поэтому при функционировании ГРЛ в циклическом режиме поступающая к электродным узлам ГРЛ электрическая энергия идет исключительно на преобразование проводящей пленки цезия на межэлектродном участке оболочки 1 в газообразную фазу и разряд происходит исключительно в межэлектродном пространстве в плазмообразующей среде на основе цезия.
Предлагаемое решение отличается простотой и технологичностью осуществления, а его промышленная применимость определяется возможностью многократного воспроизведения в процессе изготовления в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий.
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. Светотехника, 1989, №11, с.5.
5. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации. М.: Энергия, 1977.
6. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами. М.: Энергия, 1973.