ЛАМПОВАЯ КАССЕТА ЛАЗЕРНОГО КОМПЛЕКСА

Полезная модель относится к многоламповым лазерным системам с плоскими активными элементами (а.э.), поверхности которых облучаются одновременно включаемыми слоями импульеных прямых ксеноновых ламп с кварцевой оболочкой, размещаемых в шестиламповых (NJF, США) и в восьмиламповых (УФЛ-2М, Россия) кассетах. Полезное излучение лазерных комплексов реализуется в системах ЛТС (лазерного термоядерного синтеза) для получения высокотемпературной плазмы.
Достижения российских разработчиков лазерных комплексов воплощены в проектах "УМ4-35", "Мишень", "Микрон" /1/ и "Луч" /2/, в которых использованы, лампы с прямыми кварцевыми трубками, е одинаковым диаметром по всей длине и равной длиной выступающих в разрядный объем пар электродных узлов. При увеличении размеров а.э. и, соответственно, разрядных промежутков ламп возникает необходимость повышения напряжения поджига (пробоя) разрядного канала, что увеличивает вероятность аварийного пробоя между металлическими элементами соседних ламп.
В настоящее время комплекс проекта NJF, начало эксплуатации которого датировано 2009 г., является наивысшим достижением лазерной физики в мире. В комплексе одновременно срабатывают 7680 колпачковых ламп с разрядным каналом ⌀40×1800 мм и оболочками ⌀45 мм. В работе /3/ отражены результаты успешных испытаний (в рамках NJF проекта) трех экспериментальных ламп (в изготовлении которых активно участвовал автор заявки) с российским ("обечайковым") вариантом колпачкового токоввода /4/, использованным во всех упомянутых комплексах.
Лампы, с рекордно длинными разрядными промежутками, требуют десятки киловольт напряжения поджига. В лазерном комплексе NJF /5, стр. 148-155/ защита от аварийного пробоя между металлическими элементами соседних ламп обеспечивается уменьшением диаметра ножек колб (до 28 мм) и, соответственно, диаметров узлов герметизации до ~30 мм и усилением изоляции индивидуальной и междулампового пространства.
По данным, приведенным в /6/ высокотемпературные операции с кварцевыми трубами, (в данном примере, перетяжка труб ⌀45 на ⌀28 мм на их концах) приводят к появлению дополнительных дефектов в кварцевом стекле, что в 1,5-2 раза уменьшает механическую прочность оболочек ламп прототипа и существенно усложняет технологию их изготовления.
В работе /7, стр. 252/ приводятся факторы, уменьшающие динамическую прочность импульсных ламп. Ударные волны при расширении канала разряда вызывают акустические колебания оболочки ламп с частотой более 30 кГц, действующие более 1 мс по окончании разряда и приводящие к накоплению усталостных механических напряжений.
В работе /8/ продемонстрировано, что накопление усталостных дефектов, увеличение внутренних напряжений в оболочке и др., возникающих при эксплуатации кварцевых импульеных ламп, приводят к 2-3 кратному уменьшению прочности оболочки.
Дефекты ламп, подвергнутых термооперациям при формировании ножек колб, усиливаются при плотной упаковке ламп в кассетах за счет оптических и электродинамических взаимодействий.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении надежности при работе, как в номинальном, так и в форсированном режимах.
Ламповые кассеты лазерного комплекса NJF и заявляемой модели имеют общие черты.
В состав обоих входят прямые двухэлектродные импульсные кварцевые лампы, расстояние между оболочками которых составляет ~1/2 их диаметра.
Торцы оболочек упираются в основания колпачковых узлов герметизации, между вытянутыми стенками которых и цилиндрическими поверхностями оболочек заплавлены герметики на основе мягких (низкотемпературных) припоев, например, Sn, Jn или Рв.
В центре оснований металлических колпачковых узлов размещены электродные узлы, на концах которых, закреплены рабочие электроды, располагаемые в двух плоскостях, перпендикулярных облучаемым поверхностям активных элементов (а.э.).
В отличие от прототипа заявляемая модель имеет:
1. Дампы с двумя типоразмерами длины электродных узлов в каждой лампе;
2. Регулярно чередующиеся короткие и длинные электродные узлы соседних ламп;
3. Разницу длины между короткими и длинными электродными узлами, составляющею более двухкратной длины выступающих часто, колпачковых узлов.
Примечание: Конкретные размеры пар электродных узлов определяются возможностями дополнительных мер изоляции между соседними лампами и металлическими элементами лазерного комплекса.
4. Увеличенные расстояния между аварийно опасными участками за счет сдвига металлических элементов соседних ламп по осям ординат (у прототипа - в направлении оси абцисс за счет уменьшения диаметра токовводов).
Следствием признаков п.п. 1-4 является возможность использования прямых кварцевых труб с исходным (одинаковым) диаметром оболочки по всей ее длине.
На фиг. 1 представлены фрагменты конкретного исполнения многоламповой кассеты лазерного комплекса, включающей прямые А, Б и др. импульсные лампы, рабочие электроды которых (1) располагаются в двух плоскостях П-П и Р-Р, перпендикулярных облучаемым поверхностям а.э. шириной ℓ м.э. Торцы кварцевых оболочек (2) упираются в основания колпачковых узлов герметизации (Ка, Да и Кб, Дб), между вытянутыми стенками которых (длиной h=11-13 мм российских ламп) и цилиндрическими наружными поверхностями оболочек заплавленугерметики (припои), в данном примере, на основе Sn/4/.
Примечания:
В центре основания колпачковых узлов герметизации закреплены короткие (3} и длинные (4) электродные узлы близрасположенных соседних ламп, регулярно чередуются в каждом из слоев, что (совместно с дополнительными мерами изоляции) уменьшает вероятность аварийного пробоя между металлическими элементами пар узлов Ка и Дб, а также Да и Кб. Разницу длины пар электродных узлов можно выразить формулой ℓд-ℓк=(2-5)h. Минимальная разница (2b) обеспечивает ощутимый эффект, т.е. уменьшение вероятности аварийного пробоя. Другая крайность (5h) ограничевается технической целесообразностью. С одной стороны это существенное увеличение габаритов кассет с лампами, с другой - значительные размеры ℓд.
Оценим предложенное на примере прототипа, лампы которого имеют длину электродных узлов ℓ=3,5”(~90 мм). При межосевом расстоянии между лампами 75 мм узлы герметизации соседних ламп удалены на расстояние ~40 мм. В предложенном (5h≅65 мм) удаление опасных участков составляет ~45 мм, что может быть обеспечено условием ℓк=60 мм и ℓд=125 мм. фи этом условии максимальное удлинение кассеты составляет ~35 мм с каждой стороны. Учитывая возможность размещения штенгелей откачки на коротких узлах, удлинение по сравнению с прототипом составит не более 20 мм с каждой стороны касееты.
Примечания: 1. На фиг. 1 не показаны вывода и штенгеля (которые не относятся к сути предложения), располагаемые вдоль осей ламп и определяющие их габариты.
2. Длина оболочек ℓоб. всех ламп одинакова и определяется суммой элементов ℓоб=ℓк+ℓд+ℓм.э.
Положительный эффект полезной модели достигается за счет использования в лампах комплекса кварцевых труб постоянного диаметра по всей длине, что позволяет согласно приведенным доводам:
1. Существенно повысить надежность лазерного комплекса в номинальном режиме эксплуатации.
4
А. Надежность лазерных комплексов - возможность безотказной наработки 10 имп. при максимально возможной, электрической нагрузке на каждую лампу. Разрушение отдельных элементов комплекса приводит к значительным экономическим потерям, несопоставимых с ценой лампы. В последнее десятилетие обеспечение достаточной надежности известных лазерных систем ["Луч", NJF, LMj (Франция)] и проектируемой УФЛ-2М номинальную электрическую нагрузку на лампы ограничивают 20% от предельной энергии. В реальных условиях (из-за взаимодействий в оптической системе) нагрузка достигает 40%.
Б. В работе /9/ продемонстрирована возможность надежной работы прямых ламп с разрядным каналом ⌀24 и ℓм.э.=590 мм при 25% факторе электрической нагрузки. Показана возможность эффективтивного использования ламп после наработки 12 тыс. имп..
2. Производить безаварийные исследовательские работы при повышенных (по крайней мере, до 35%) факторах нагрузки.
Примечания:
А. В работе /9/ показано, что при номинальной 20-25% электрической нагрузке (в естественных условиях испытании) имеет место неполное заполнение плазмой межэлектродного пространства. Увеличение фактора нагрузки до 35% уровня позволяет существенно повысить эффективность лазерного комплекса.
Б. В упомянутых выше комплексах "Микрон", "УМИ-35" и "Мишень" основным элементом накачки использованы, разработанные автором заявки, лампы ИФП 8.000-1 с габаритами разрядного канала ⌀16××250 мм с прямыми кварцевыми трубками толщиной 1,5-2,1 мм. Перед передачей этих ламп в серийное производство 3. экз. успешно испытаны (до 10 тыс. имп.) в режиме ~70% от предельной электрической нагрузки (копии протоколов могут быть представлены). Эти и множество других испытаний подтвердили надежность эксплуатации ламп с российским вариантом колпачкового токоввода /4/, характеристики которых не уступают лучшим мировым образцам.
Резюме:
Надежность работы многолампового комплекса определяют три основных фактора:
1. Механическая прочность ламп, которая, в значительной мере, зависит от технологии обработки кварцевых оболочек /6, 7, 8/;
2. Фактор электрической нагрузки ламп;
3. Степень защитных мер от аварийного пробоя между металлическими элементами узлов герметизации соседних ламп, находящихся под электрическим потенциалом в несколько десятков кВ.
В предлагаемой полезной модели надежность комплекса обеспечивается исходной (наивысшей) прочностью прямых кварцевых труб, что гарантирует высокую степень безотказной работы, как в номинальном (при 20% факторе нагрузки от предельного), так и в форсированном (по крайней мере, до 35%) режимах.
Защита комплекса от аварийного пробоя осуществляется удалением металлических элементов ламп вдоль их осей за счет чередования коротких и длинных электродных узлов соседних ламп в кассетах, выполненных из изоляционных материалов.
Промышленная применимость технических решений полезной модели подтверждается:
1. Возможностью ее многократного воспроизводства с использованием стандартного оборудования, современных материалов и технологий.
2. Опытом разработчиков и изготовителей ламп и конструктивных элементов комплекса "Луч".
3. Опытом создания экспериментальных ламп с узлами герметизации до 100 мм /4/, в частности, изготовлении ~100 оригинальных ламп с габаритами кварцевых оболочек ⌀36 мм /10/.
Литература:
1. Ершов Б.В., Спиридонов В.А., Федоров В.Б. Исследование предельных режимов работы лампового модуля накачки в лазерной установке "Микрон". Квантовая электроника, т.6, №12, 2606, 1379.
2. Гаранин С.Г., Зарецкий А.И., Илькаев Р.И. и др. Канал мощной установки "Луч" для ЛТС с энергией импульса 3,3 кДж и длительностью 4 нс. Квантовая электроника, 35. №4, 2005.
3. Erladson A.C, Gerasimov V.A, Nikiforov V.G., Nikolaevskii V.G. anf Zapata L.E. Flashlamp for NIF:Russian variant. The report Lawrence Livermore National Laborotory, 1997.
4. Скворцов Б.В., Смирнов А.Н., Сысун В.В. Герметичный токоввод в кварцевую колбу. Авт. св. 292567. МКИ H01j 61/50., 1973 г. Бюлл. №6. Запатентовано в Японии, Франции, ГДР и ЧССР.
5. Камруков А.С, Кулебякина А.И. Инженерные методы расчета импульсных ксеноновых ламп. Учебное пособие МГТУ им. Н.Э. Баумана, стр. 148-155. Москва, 2010 г.
6. Андреев Ю.П., Браиловская Р.В., Воскресенская Н.А. Физико-технические свойства кварцевых стекол для оболочек ИБИС. Сборник "Обзоры по электронной технике", вып.8 (407), М., 1976 г. ЦНИИ "Электроника".
7. Маршак И.О. и др. Импульсные источники света. Москва, "Энергия", 1978 г., 472 с.
8. Веревка В.Г., Нозик Л.В., Борзилова В.Д. и др. Исследование изменений структуры и свойств оболочек из кварцевого стекла импульсных ксеноновых ламп. "Электронная техника", сер. 6, "Материалы", 1973 г., вып. 8. стр. 82.
9. Nikolaevskii V.G., Putilin V.M., Gerasimov V.A. and Mnuskin V.E. Development and testing of advanced flashlamps for the large-aperture optical amplifiers ”Luch” facility. Plasma Devices and Operations, 2002, vol. 10, pp. 135-139.
10. Бабарицкий А.И., Балагуров А.Я., Быстрова Т.Б., Калачев Б.В., Смирнов А.Н, Безмагнитная импульсная коаксиальная лампа. ЖПС., 1973 г., том XIX, вып. 2.