РАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к высокоинтенсивным источникам оптического (инфракрасного) излучения на основе электрического разряда в парах щелочных металлов с модуляцией потока излучения за счет модуляции разрядного тока, предназначенных для использования в системах оптико-электронного противодействия инфракрасным головкам самонаведения управляемых ракет.
Известны, используемые для этой цели газоразрядные лампы, которые конструктивно представляют собой прямую трубчатую оболочку из лейкосапфира с герметично установленными на ее концах электродами (анодом и катодом), наполненную парами цезия и размещенную в наружной лейкосапфировой оболочке, заполненной газом-теплоносителем [1].
Интенсивность излучения импульсной цезиевой лампы в инфракрасном (ИК) диапазоне является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд, т.е. увеличение мощности лампы и, соответственно, пиковой силы излучения в ИК диапазоне приводит к нагреванию оболочки лампы до весьма высокой температуры. Таким образом, излучение импульсной цезиевой лампы содержит как переменную (модулированную), так и постоянную (немодулированную) составляющие, причем источником переменной составляющей ИК излучения является разряд в парах цезия, а источником постоянной составляющей суммарное тепловое излучение электродов и оболочек лампы. Очевидно, что увеличение пиковой силы излучения за счет увеличения электрической нагрузки на лампу сопровождается пропорциональным возрастанием постоянной составляющей излучения, что совершенно недопустимо применительно к указанному выше аппаратурному использованию цезиевой лампы, т.к. приводит к уменьшению глубины модуляции излучения.
Таким образом, эксплуатация импульсных цезиевых ламп в составе систем оптико-электронного противодействия (СОЭП) ИК головкам самонаведения управляемых ракет возможна только при их принудительном охлаждении. Локальное охлаждение межэлектродного участка внешней оболочки импульсной цезиевой лампы в составе источника ИК излучения светооптической системы СОЭП осуществляется исключительно путем продольного обдува атмосферным воздухом, поскольку такой обдув обеспечивает меньшую турбулентность охлаждающего воздушного потока и, следовательно, не приводит к появлению значительных градиентов температуры вдоль поверхности наружной лейкосапфировой оболочки, к которым крайне чувствителен лейкосапфир.
Известна, выбранная в качестве прототипа, конструкция источника излучения в составе двухэлектродной газоразрядной лампы с излучающими добавками щелочных металлов и устройства принудительного воздушного охлаждения межэлектродного участка оболочки лампы, содержащего блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки лампы [2]. Блок формирования воздушного потока в указанной конструкции выполнен в виде так называемого конфузора, т.е. прямого усеченного конуса, который установлен соосно с лампой в зоне одного из ее электродных узлов так, что между внутренней поверхности усеченного конуса и наружной поверхностью оболочки лампы в зоне электродного узла образуется зазор, причем конус ориентирован вершиной по ходу воздушного потока, т.е. от электродного узла к межэлектродному участку оболочки лампы. В описании конструкции прототипа не конкретизирован материал и конструкция оболочки лампы (одинарная или двойная) и вид наполнения лампы. Однако, поскольку известно, что при использовании в качестве наполнения лампы паров щелочных металлов (и в том числе паров цезия) оболочка лампы может быть выполнена только из лейкосапфира, то можно утверждать, что данное техническое решение распространяется и на источник ИК излучения в составе импульсной цезиевой лампы с двойной лейкосапфировой оболочкой и
устройства принудительного воздушного охлаждения межэлектродного участка оболочки лампы, содержащего блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки лампы.
Указанная конструкция обеспечивает равномерное истечение охлаждающего воздуха из выходного сечения конфузора параллельно наружной поверхности оболочки лампы, причем скорость воздуха на выходе конфузора при неизменном расходе нагнетательной системы тем выше, чем меньше площадь проходного сечения конфузора в плоскости его среза [3] и, следовательно, тем эффективнее теплосъем с оболочки лампы. Поток охлаждающего воздуха истекает из конфузора в свободное пространство, воздушная среда в котором неподвижна, и испытывает при контакте с ней аэродинамическое сопротивление, которое тем выше, чем больше скорость потока. Это приводит к расширению потока охлаждающего воздуха по мере движения вдоль наружной поверхности оболочки лампы, ламинарный характер течения может преобразоваться в турбулентный, а эффективность теплосъема уменьшится. Кроме того, чем меньше площадь проходного сечения конфузора в плоскости его среза, тем струя охлаждающего воздуха тоньше и расстояние от среза конфузора, на котором ламинарный поток преобразуется в турбулентный меньше.
В приведенной в качестве прототипа конструкции обеспечение эффективного теплосъема с оболочки лампы за счет высокой скорости продольного обдува оболочки при одновременном сохранении ламинарности той части охлаждающего потока, которая прилегает к наружной поверхности оболочки лампы, возможно только за счет увеличения расхода охлаждающего воздуха при фиксированной площади проходного сечения конфузора в плоскости его среза, что неминуемо ведет при ее использовании в источнике ИК излучения СОЭП к увеличению весогабаритных показателей светооптического устройства СОЭП и, как правило, энергопотребления.
Таким образом, недостаток конструкции разрядного источника ИК излучения, выбранного в качестве прототипа, заключается в невозможности
обеспечения большой глубины модуляции при высокой пиковой силе излучения за счет уменьшения постоянной составляющей ИК излучения от оболочки цезиевой лампы, поскольку увеличение энергопотребления и весогабаритных характеристик светооптического устройства СОЭП недопустимо.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в достижении большой глубины модуляции при высокой пиковой силе излучения разрядного источника ПК излучения, предназначенного для использования в СОЭП.
Заявляемый разрядный источник ИК излучения, как и разрядный источник ИК излучения, выбранный в качестве прототипа, выполнен в составе импульсной цезиевой лампы с лейкосапфировой оболочкой и устройства принудительного воздушного охлаждения межэлектродного участка оболочки лампы, содержащего блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки лампы.
В отличии от прототипа у заявленного разрядного источника ИК излучения блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки лампы выполнен в виде двух коаксиальных между собой конфузоров, установленных соосно с цезиевой лампой в зоне ее катода, причем проходное сечение между внутренней поверхностью второго конфузора и наружной поверхностью первого конфузора в плоскости среза второго конфузора равно проходному сечению между внутренней поверхностью первого конфузора и наружной поверхностью оболочки цезиевой лампы, в плоскости среза первого конфузора.
На фиг.1 приведено схематичное изображение варианта конкретного исполнения заявляемого разрядного источника ИК излучения, а на фиг.2 - сечение по АА на фиг.1.
Заявляемый разрядный источник ИК излучения выполнен в виде функционально и конструктивно связанных импульсной цезиевой лампы и устройства принудительного воздушного охлаждения межэлектродного участка оболочки лампы, содержащего блок формирования воздушного потока
вдоль наружной поверхности оболочки цезиевой лампы. Импульсная цезиевая лампа содержит оболочку 1 в виде двух коаксиальных трубчатых колб из лейкосапфира (на фиг.1 показана только наружная колба оболочки 1). На противоположных концах внутренней колбы герметично установлены электроды - анод и катод 2, а на противоположных концах внешней колбы герметично установлены электрически связанные с электродами токоподводы - анодный и катодный 3. Внутренняя колба заполнена парами цезия, а полость между колбами - неоном. Устройство принудительного воздушного охлаждения оснащена электровентиляторами 4 и блоком формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки 1 в виде двух конфузоров 5 и 6. Конфузоры 5 и 6 коаксиальны между собой и установлены соосно с импульсной цезиевой лампой (или с оболочкой 1, что в данном случае одно и то же) в зоне катода 2 с образованием зазоров между внутренней поверхностью конфузора 5 и наружной поверхностью оболочки 1 и между внутренней поверхностью конфузора 6 и наружной поверхностью конфузора 5. Конфузоры 5 и 6 выполнены и установлены так, что проходное сечение между внутренней поверхностью конфузора 6 и наружной поверхностью конфузора 5 в плоскости среза конфузора 6 равно проходному сечению между внутренней поверхностью оболочки 1 в плоскости среза конфузора 5. В данном конкретном случае плоскости среза конфузоров 5 и 6 лежат в одной плоскости и конфузоры 5 и 6 жестко связаны между собой и с элементом электроарматуры 7 токоподвода лампы 3 посредством обтекаемых ребер 8 и 9, причем по крайней мере ребра 8 выполнены с отсутствием электрического контакта с элементом электроарматуры 7.
Предлагаемая конструкция разрядного ИК источника позволяет снизить постоянную (немодулированную) составляющую излучения при сохранении высокой пиковой силы излучения разрядного источника ИК излучения и обеспечивает тем самым повышение глубины модуляции излучения, что, как было указано выше, является определяющим фактором успешного
аппаратурного применения ИК источника в СОЭП, без изменения его энергопотребления и весогабаритных показателей.
Для охлаждения оболочки 1 импульсной цезиевой лампы во время ее работы к конфузорам 5 и 6 подается воздух от вентиляторов 4. Конфузоры 5 и 6 формируют две «кольцевые» воздушные струи. Струя воздуха из конфузора 5 обтекает цилиндрическую поверхность оболочки 1 цезиевой лампы и осуществляет с нее теплосъем. Струя воздуха из конфузора 6 движется попутно струе воздуха из конфузора 5 со скоростью равной скорости последней, в результате чего струя охлаждающего оболочку 1 воздуха из конфузора 5 практически не испытывает аэродинамического сопротивления, как в случае движения в свободном пространстве. Вследствие этого, не смотря на то, что проходное сечение конфузора 5 в зоне его среза невелико, охлаждающий оболочку 1 воздушный поток сохраняет ламинарность по всей длине межэлектродного участка оболочки 1 при фиксированном расходе воздуха от вентиляторов 4.
Кроме того, кольцевая струя воздуха из конфузора 6 за счет естественного расширения обеспечивает обжимание охлаждающей струи воздуха из конфузора 5, повышая ее компактность, что дополнительно способствует сохранению ламинарности при неизменной скорости течения. При этом кольцевая струя из конфузора 6 испытывает аэродинамическое трение о неподвижный воздух свободного пространства, но на состояние охлаждающего воздушного потока из конфузора 5 это практически не сказывается.
Испытания опытных образцов разрядных источников ИК излучения на базе цезиевых ламп с разрядным промежутком 7×90 мм и с использованием штатных электровентиляторов типа 2ДВО-07.60 показали, что предлагаемая конструкция обеспечивает глубину модуляции излучения не менее 95% и следовательно может эксплуатироваться в составе СОЭП.
Промышленная применимость заявляемого решения определяется возможностью его многократного воспроизведения в процессе изготовления
в условиях промышленного производства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий.
ЛИТЕРАТУРА.
1. Гавриш С.В., Цогоев И.Т. Сапфировые источники ИК излучения с разрядом в парах щелочных металлов // Тез. докл. IV Международ. светотехн. конф. - Вологда, 2000. - С.54.
2. А.с. СССР №1353220 по заявке №4050890/24-07 от 29.12.85
3. Семидуберский М.С. Насосы, компрессоры, вентиляторы. - М.: Высшая школа, 1974. - 232 с.