РАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК МОДУЛИРОВАННОГО ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к высокоинтенсивным источникам оптического излучения, которые предназначены для использования в качестве излучающего элемента в устройствах формирования направленного некогерентного модулированного инфракрасного (ИК) излучения.
Известно, что при разработке любого оптического излучателя, характеристики входящего в его состав источника первичного оптического излучения определяются назначением и условиями эксплуатации этого излучателя. В настоящее время в качестве такого источника оптического излучения преимущественно используются разрядные источники (РИ), которые в самом общем случае представляют собой устройство преобразования электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы или пары (т.н. плазмообразующую среду), причем заданный спектральный диапазон генерируемого РИ оптического излучения обеспечивается путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, и использованием ограничивающей разряд оболочки из прозрачного в заданной области спектра материала. Модуляция потока генерируемого РИ оптического излучения осуществляется за счет модуляции разрядного тока, что позволяет получить необходимую с учетом аппаратурного использования РИ, последовательность импульсов излучения в заданном спектральном диапазоне. Как следует из работы [1] ИК излучение обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среде на основе цезия, а как следует из работы [2] оболочка, ограничивающая разряд в такой плазмообразующей среде, может быть выполнена исключительно из бесцветного лейкосапфира, поскольку этот материал обладает прозрачностью в ИК области спектра и устойчив к химическому воздействию паров цезия.
Такие РИ представляют собой особый тип газоразрядных приборов - цезиевые лампы с двумя лейкосапфировыми оболочками. Конструктивно такой РИ представляет собой размещенную в заполненной газом-теплоносителем защитной оболочке из лейкосапфира и наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, на противоположных концах которой герметично установлены электроды - анод и катод.
Интенсивность излучения РИ ИК излучения с плазмообразующей средой на основе цезия является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд [3], т.е. увеличение интенсивности генерируемого РИ ИК излучения, что крайне важно с учетом аппаратурного использования такого источника, можно обеспечить за счет увеличения электрической нагрузки на РИ, т.е. за счет повышения ее электрической мощности. Следует отметить, что в ряде случаев, как это указано в работе [2], одним из существенных требований, предъявляемых к РИ ИК излучения с учетом его аппаратурного использования, является необходимость обеспечения максимально возможной глубины модуляции генерируемого РИ ИК излучения при заданном уровне пиковой силы ИК излучения. Как следует из работы [3] глубина модуляции ИК излучения генерируемого РИ с плазмообразующей средой на основе цезия определяется соотношением величин модулированной составляющей излучения, источником которой является плазмообразующая среда, и немодулированной составляющей излучения, источником которого является тепловое излучение нагретых в процессе функционирования РИ его конструктивных элементов, обеспечивающих формирование разряда в плазмообразующей среде - анода, катода, разрядной оболочки горелки, причем глубина модуляции ИК излучения тем выше, чем ниже величина его немодулированной составляющей при фиксированной величине модулированной составляющей.
Совершенно очевидно, что снижение немодулированной составляющей генерируемого РИ ИК излучения, источником которой являются электроды (анод и катод), возможна, в первую очередь, за счет их особого конструктивного исполнения, чтобы наряду с выполнением основной функции (обеспечения разряда в плазмообразующей среде), они имели определенную рабочую температуру для обеспечения функционирования РИ в заданном режиме, т.е. обеспечивали необходимый уровень глубины модуляции генерируемого РИ ИК излучения. Следует отметить, что в первую очередь это относится к аноду РИ, поскольку, как это следует из работы [4] в дуговом разряде мощность нагрева анода существенно (примерно вдвое) больше мощности нагрева катода.
Подбор необходимых рабочих температур анода при заданных условиях разряда (тип наполнения, давление, ток) может быть достигнут в основном за счет изменения геометрии поверхности его рабочей части.
Известен РИ модулированного ИК излучения [3], выбранный в качестве прототипа, содержащий наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку из лейкосапфира, на противоположных концах которой расположены катод и анод, рабочая часть которого, обращенная в сторону разрядного пространства, имеет осесимметричную форму в виде полусферы. Такая геометрия поверхности рабочей части анода обеспечивает, в определенной мере, снижение немодулированной составляющей генерируемого РИ ИК излучения. Следует, однако, отметить, что геометрия рабочей части анода РИ модулированного ИК излучения не является оптимальной, поскольку температура нагрева рабочей части анода в процессе функционирования РИ и, следовательно, величина немодулированной составляющей генерируемого РИ ИК излучения определяется величиной разрядного тока и площадью привязки разряда (рабочей части анода), причем чем больше площадь рабочей части анода, тем температура анода ниже.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в минимизации немодулированной составляющей ИК излучения РИ ИК излучения, источником которой является анод РИ, при сохранении заданной величины интенсивности модулированной составляющей излучения.
Технический результат, соответственно, заключается в повышении глубины модуляции генерируемого РИ ИК излучения.
Заявляемый РИ модулированного ИК излучения, как и РИ, выбранный в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку из лейкосапфира, на противоположных концах которой герметично установлены катод и анод, рабочая часть которого, обращенная в сторону разрядного пространства, имеет осесимметричную форму.
Отличие заявляемого РИ модулированного ИК излучения от прототипа состоит в том, что поверхность рабочей части анода выполнена в виде двух примыкающих поверхностей, одна из которых представляет собой боковую поверхность прямого усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону разрядного пространства, а другая - часть сферической поверхности, причем примыкание формообразующих рабочую часть анода поверхностей выполнено так, что образующая конической поверхности является касательной к сферической поверхности, а больший (R) и меньший (r) радиусы конической поверхности и угол (α) между осью и образующей конической поверхности связаны соотношением .
На фиг.1 приведено профильное сечение анода заявляемого РИ модулированного ИК излучения.
Анод РИ модулированного ИК излучения в данном конкретном случае представляет собой цилиндр с рабочей частью, которая представляет собой боковую поверхность прямого усеченного конуса 1 и части сферической поверхности 2, примыкающих в точках 3 так, что образующая 4 конусной поверхности 1 является касательной к сферической поверхности 2 в точке примыкания 3.
Увеличение суммарной площади поверхностей 1 и 2 рабочей части анода приводит к уменьшению термической нагрузки на анод. При этом снижается температура рабочей части анода, что, соответственно приводит к уменьшению немодулированной составляющей ИК излучения РИ, источником которого является анод, и увеличивается глубина модуляции генерируемого РИ ИК излучения.
1
2
2
1
Для простоты рассуждений сопоставим площадь поверхности полусферы (S) и площадь боковой поверхности прямого усеченного конуса (S). Будем считать, что радиус полусферы и радиус большего основания прямого усеченного конуса равны. Совершенно очевидно, что если S>S, то площадь поверхности рабочей части анода, в соответствии с заявляемым решением, больше площади рабочей поверхности анода у прототипа.
На основании вышеизложенного путем несложных вычислений можно получить соотношение, позволяющее оптимизировать геометрию рабочей части анода РИ модулированного ИК излучения в отношении увеличения площади рабочей поверхности анода:
,
где R - радиус большего основания конической поверхности 1 рабочей части анода; r - радиус меньшего основания конической поверхности 1 рабочей части анода; α - угол между образующей 4 и осью конической поверхности 1 рабочей части анода.
Предлагаемый РИ модулированного ИК излучения в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Прикладная физика, 2009. №1, с.53.
2. Светотехника, 1998, №3, с.22
3. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
4. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света, М.: Энергия, 1966.