ИМПУЛЬСНАЯ ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА

Импульсная газоразрядная лампа
Полезная модель относится к импульсным газоразрядным источникам света с ограничением канала разряда в газах, например в ксеноне, светопропускающей прямой трубчатой оболочкой и может быть использована при конструировании ламп оптической накачки лазеров, которые в процессе работы подвержены внешним циклическим температурным воздействиям от 233° до 353°К и воздействию токовых нагрузок более ЮкА.
Конструктивно импульсная газоразрядная лампа (ГРЛ) представляет собой оболочку в виде прямой трубки из кварцевого стекла, на торцевых частях которой установлены электродные узлы, содержащие находящиеся в электрическом контакте электрод и ввод. Элементы ввода выполняют две основные функции - обеспечение электрического контакта с внешним источником электропитания и герметизация рабочей полости ГРЛ , ограниченной оболочкой. В ряде конструкций ГРЛ функции герметизации и обеспечения электрического контакта, так или иначе, разделены между соответствующими элементами ввода электродного узла, а в других конструкциях - эти функции выполняются одним элементом одновременно.
Для нормального функционирования ГРЛ ввод должен быть герметичным (вакуумноплотным) во всем диапазоне рабочих температур лампы, иметь малое электрическое сопротивление, достаточную механическую прочность и изоляционную стойкость в процессе работы в составе аппаратуры.
Обеспечение герметичности ГРЛ, как правило, осуществляется путем спая ввода с оболочкой, но спаивание кварцевого стекла с металлом весьма затруднительно, поскольку предотвращение возникающих опасных внутренних напряжений в несогласованном спае стекло-металл требует такого конструктивного выполнения, при котором силы сцепления металла со стеклом в спае были бы больше разрывающих напряжений в стекле,, возникающих за счет различия в коэффициентах температурного расширения (КТР) пары стекло-металл.
200010Т430
МПК: HO1J61/36 всех западных фирм основано на стержневых вводах, спаянных с кварцевой
оболочкой через стекла с промежуточными значениями КТР, а большинство ГРЛ, выпускаемых в России, основано на цилиндрических фольговых вводах и меньшая часть - на колпачковых вводах.
Принципиальным недостатком фольговых вводов является то, что тонкая молибденовая фольга (не более ЮОмкм) не только является токоведущим элементом электродного узла, но и выполняет функцию герметизирующего элемента и, таким образом, ограничивает значение допустимого тока, в то время как лампы оптической накачки лазеров больших энергий должны обеспечивать пропускание токов большой величины 1.
Указанных недостатков лишены импульсные ГРЛ, электродные узлы которых содержат разделенные по выполняемым функциям конструктивные элементы - герметизирующий элемент и элемент обеспечения электрического контакта с электродом. Такая конструкция позволяет лампе выдерживать большие токовые нагрузки, поскольку герметизирующий элемент хотя и соединен неразъемно с элементом обеспечения электрического контакта с электродом, но не является токоведущей частью ввода и поэтому не ограничивает ток. Один из таких вводов - ввод на переходных стеклах - весьма чувствителен к перепадам температур и обладает меньшей механической прочностью и надежностью по сравнению с фольговым вводом. Другой вариант ГРЛ с разделенными по выполняемым функциям конструктивными элементами ввода - ГРЛ, известная в отечественной литературе под названием ГРЛ на колпачковых вводах 2.. Главным достоинством этих ГРЛ является их механическая прочность (в зоне электродного узла), позволяющая применять простейшие конструкции узлов крепления лампы в осветителе.
Отличительная особенность конструкции этого типа ламп состоит в том, что герметизирующий элемент представляет собой металлическую тонкостенную деталь в виде полого тела вращения с дном, у которой длина превышает половину ее наибольшего диаметра. В дне допускается центральное отверстие для неразъемного соединения с элементом обеспечения электрического контакта с электродом, диаметр которого меньше половины ее внутреннего диаметра. Неразъемное соединение элементов ввода между собой осуществляется одним из известных способов - пайка, сварка, запрессовка. Герметизация рабочей полости ГРЛ осуществляется по
-2боковой стенке герметизирующего элемента аксиально боковой стенке
оболочки в зоне ее торцевой части путем их спая, который, в зависимости от конструкции, может быть как охватывающим (герметизация по наружней поверхности оболочки), так и охватываемым (герметизация по внутренней поверхности оболочки) 3.
До настоящего времени при конструировании импульсных трубчатых ксеноновых ламп оптической накачки лазеров применялись исключительно охватывающие спаи. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является импульсная ГРЛ промышленного исполнения типа ИНП 18/250 4, которая выбрана в качестве прототипа. ГРЛ содержит герметизирующий элемент, выполненный в виде коварового тонкостенного колпачка, охватывающего снаружи боковую поверхность оболочки в зоне ее торца так, что между оболочкой и внутренней поверхностью герметизирующего элемента образуется кольцевой зазор, вакуумноплотно заполненный неорганическим припоем. Оболочка своим торцом упирается в дно колпачка, с которым посредством сварки соединен держатель электрода.
Недостаток конструкции ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, проявляется при ее аппаратурной эксплуатации, преимущественно в многоламповых системах оптической накачки лазеров, поскольку указанная конструкция не исключает возможность высоковольтного пробоя между металлическим колпачком (который хотя и не является токоведущим элементом, но находится с токоведущим элементом в электрическом контакте) и металлической арматурой системы (устройство фиксации положения ГРЛ, отражатель, корпус осветителя), что приводит к необходимости усиленной изоляции места контакта ввода лампы и наконечника токоподвода. Обычно для усиления электроизоляции место контакта ввода ГРЛ (при ее аппаратурном использовании) и цанги токоподвода охватывается фторопластовым цилиндром, полностью перекрывающим боковую поверхность колпачка ввода, а фторопластовый цилиндр в свою очередь помещается в оболочку из кварцевого стекла. Такой способ монтажа ГРЛ в арматуре системы оптической накачки позволяет избежать электрического пробоя на металлические элементы арматуры (в первую очередь на корпус), но приводит, при прочих равных условиях, к уменьшению КПД оптической накачки, поскольку высокоэффективная накачка
-3активного элемента наилучшим способом осуществляется при максимальном
заполнении газоразрядной плазмой пространства вокруг активного элемента. Так, в случае накачки посредством многоламповой системы, желательна плотная компоновка ГРЛ накачки вокруг активного элемента. Но в приведенном выше случае плотную компоновку ГРЛ в многоламповом осветителе осуществить практически невозможно, т.к. электроизоляционный блок на торцевых частях лампы не позволяет минимизировать расстояние между оболочками соседних ламп до необходимой для эффективной накачки величины. Таким образом, известная ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, в силу особенностей своей конструкции обеспечивает достижение высокоинтенсивного светового потока (за счет пропускания токов большой величины), но не обеспечивает достаточно высокого КПД оптической накачки при работе в многоламповой системе оптической накачки, т.к. не допускает плотную компоновку ГРЛ вокруг активного элемента.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в исключении вероятности высоковольтного пробоя между выводом ГРЛ и металлической арматурой системы оптической накачки при одновременном улучшении излучательных характеристик многоламповой системы оптической накачки за счет увеличения плотности размещения ламп в системе оптической накачки и сохранения их надежности.
Указанная задача реализуется за счет специальной конструкции герметизирующего элемента ввода электродного узла импульсной газоразрядной лампы. Как и ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, заявляемая лампа содержит трубчатую оболочку из кварцевого стекла и электродные узлы, герметично установленные в оболочке, каждый из которых содержит неразъемно соединенные элементы обеспечения электрического контакта с электродом и металлический герметизирующий элемент. Герметизирующий элемент выполнен полым и открытым с одного торца. Герметизация обеспечена за счет цилиндрического спая боковой поверхности герметизирующего элемента с боковой поверхностью оболочки лампы.
В отличие от прототипа заявляемая ГРЛ снабжена герметизирующим элементом, конструкция которого такова, что цилиндрический слой герметизирующего элемента с оболочкой выполнен охватываемым (т.е. по внутренней поверхности оболочки, а не по наружней, как у прототипа). Герметизирующий элемент установлен в оболочке так, что его открытый
-4торец обращен к ближайшему открытому торцу трубчатой оболочки лампы,
причем торец оболочки выступает над открытым торцом герметизирующего элемента. Цилиндрический охватываемый спай герметизирующего элемента с трубчатой оболочкой выполнен (в отличие от прототипа) по части его боковой поверхности. Ширина зоны спая (А) и расстояние от торца оболочки до ближайшего к нему участку зоны спая (/) связаны соотношениями:
,,,-r/, 0, 0,05,
,,
где, Г1, Г2 и Ri, R2 - наружний и внутренний радиусы герметизирующего элемента в зоне спая и оболочки лампы, соответственно.
На фиг.1 представлено схематичное изображение варианта конкретного исполнения заявляемой ГРЛ.
Внутри трубчатой оболочки лампы 1, выполненной из кварцевого стекла, у ее торца установлен полый открытый с одного торца цилиндрический герметизирующий элемент 2, выполненный из ковара. Открытый торец герметизирующего элемента 2 обращен к соответствующему торцу оболочки 1. На наружней поверхности герметизирующего элемента 2 со стороны его закрытого торца установлен электрод 3, неразъемно с ним соединенный (в данном случае сваркой). В данном конкретном случае герметизация ГРЛ выполнена в виде охватываемого цилиндрического спая у открытого торца герметизирующего элемента 2 посредством неорганического припоя 4. Для этого на наружней поверхности герметизирующего элемента 2 непосредственно у его открытого торца выполнена кольцевая отбортовка 5. Кольцевая полость между внутренней поверхностью оболочки лампы 1 и наружней поверхностью герметизирующего элемента 2 в зоне отбортовки 5 заполнена неорганическим припоем 4, в данном случае олово-титан в соотношении 98,5:1,5.
Принцип работы предлагаемой конструкции ГРЛ заключается в том, что поскольку ослабленный в отношении электроизоляции элемент лампы металлический герметизирующий элемент - переносится с наружней поверхности оболочки на ее внутреннюю поверхность, то высоковольтный
-5пробой между выводом лампы и элею-ропроводящими элементами арматуры при рабочих напряжениях исключен.
В предлагаемой ГРЛ предотвращение возникновения опасных остаточных температурных напряжений в несогласованном спае достигнуто за счет специальной конструкции спая. При сборке лампы герметизирующий элемент 2 устанавливается в кварцевой оболочке 1, в соответствующем месте помещается припой 4 и нагревается до температуры пайки. Пренебрегая посадочными допусками можно считать, что при комнатной температуре внутренний диаметр оболочки 1 и наружний диаметр герметизирующего элемента 2 равны. При повыщении температуры в процессе пойки собранные детали 1 и 2 расширяются согласно своим КТР. Поскольку КТР металла превосходит КТР кварца при нагреве, в процессе пайки вне зоны спая образуется натяг, а величина кольцевого зазора в зоне спайки уменьшается незначительно, причем расплавленный припой 4 остается только в зоне спая. Оптимальный зазор в зоне спая (отбортовка 5) выбирается в зависимости от типа неорганического припоя и металла, из которого изготовлен герметизирующий элемент 2. Опыт применения неорганического припоя типа Ti-Su для спая кварца с коваром позволяет установить, что зазор не должен превышать величину 0,7 мм.
В процессе эксплуатации при периодическом нагреве ГРЛ в зоне спая возникают временные напряжения обратные остаточным по знаку, что приводит к разгрузке спая, что обеспечивает высокую надежность лампы. Кроме того, поскольку торец оболочки лампы не находится в тепловом контакте с герметизирующим элементом ввода, электродный узел не испытывает дополнительные тепловые нагрузки за счет поглощения части энергии вспышки, распространяющейся по стенке оболочки (полное внутреннее отражение между поверхностями боковых стенок), как у прототипа.
Нижняя граница допустимых значений расстояния от торца оболочки
лампы до ближайшего к нему участку зоны спая I  1,4- 2, - R,
установлена экспериментально и обусловлена необходимостью устранения концентрации сжимающих усилий на крайних частях трубчатой оболочки, чем обеспечивается механическая и электрическая прочность всей собранной конструкции ГРЛ.
Как следует из расчетных данных, сжимающие напряжения в спае достаточно безопасны, если Г1/Г2 не превышает 0,05. Нижняя граница Г1/Г2 0,01 обусловлена необходимостью сохранения достаточной механической прочности герметизирующего элемента выбранной конфигурации. Осевая протяженность зоны спая (его ширина)
А  1,4-г2,,, также получена экспериментально и определяется
необходимостью обеспечения наименьшей величины растягивающих усилий в оболочке.
Расстояние от рабочего нагретого торца электрода до зоны спая
ограничено сверху величиной L  10 VA, для стационарного температурного градиента вдоль электродного узла.
/pf у
Литература:
1.А.А. Мак, Л.Н. Соме и др., Лазеры на неодимовом стекле, М., Наука, 1990.
2.Г.Н. Рохлин, Разрядные источники света, М., Энергоиздат,1991.
3.М.А. Рубашев, Г.И. Бердов и др., Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике, М., Атомиздат, 1980.
4.Лампа ИНП 18/250, Документация ЮЩЗ.374.154.
Заявитель:
Директор ОАО НИИ Зен
А.И. Кобзарь