ИМПУЛЬСНАЯ РАЗРЯДНАЯ ЛАМПА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к источникам инфракрасного излучения на основе электрического разряда в парах цезия, предназначенных для использования в качестве излучающего элемента в системах оптикоэлектронного противодействия для защиты летательных аппаратов от управляемых ракет с инфракрасными головками самонаведения.
Наиболее эффективным источником инфракрасного (ИК) излучения для бортовых систем оптикоэлектронного противодействия в настоящее время принято считать импульсные разрядные лампы (РЛ) с двумя оболочками из бесцветного лейкосапфира с разрядом в плазмообразующей среде на основе цезия. Такая РЛ должна отвечать всем требованиям аппаратурного применения и, в том числе, обеспечивать достаточно высокую (не менее 95%) глубину модуляции импульсного разряда. Интенсивность излучения РЛ в ИК диапазоне является функцией температуры плазмы, в которой происходит разряд, и, следовательно, увеличение пиковой силы излучения приводит к нагреванию ограничивающей разряд оболочки до весьма высоких температур. Для обеспечения нормального функционирования импульсной РЛ ИК излучения используется термостатирование оболочки горелки в условиях принудительного воздушного охлаждения.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой импульсной РЛ ИК излучения является РЛ, конструкция которой приведена в работе [1]. Указанная РЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с оболочкой из бесцветного лейкосапфира, установленную соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора во внешней прямой трубчатой оболочке из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой посредством цилиндрического спая с наружной поверхностью оболочки установлены герметизирующие элементы токоподводов РЛ.
Следует отметить, что глубина модуляции излучения РЛ ПК излучения определяется величиной немодулированной составляющей генерируемого излучения и тем выше, чем меньше доля немодулированной составляющей. Источниками немодулированной составляющей генерируемого РЛ ИК излучения являются нагретые в процессе функционирования РЛ ее конструктивные элементы, и в том числе, внешняя оболочка из бесцветного лейкосапфира. Как показала практика внешняя оболочка РЛ разогревается от горелки до температуры не более 600°С за счет теплопередачи через заполняющий кольцевой зазор неон и излучения, поступающего из межэлектродного пространства, и по существу, является объемным излучателем. Поскольку объем внешней оболочки не менее, чем в 2 раза, превышает объем оболочки разрядной горелки, то даже при существенно меньшей температуре, чем температура разрядной горелки, ее влияние на глубину модуляции достаточно существенно. Совершенно очевидно, что величина немодулированной составляющей ИК излучения от внешней оболочки тем меньше, чем меньше ее толщина на части боковой поверхности, соответствующей разрядному промежутку горелки. В конструкции импульсной РЛ, выбранной в качестве прототипа, внешняя оболочка выполнена в виде прямой цилиндрической трубы, т.е. ее наружняя поверхность по всей длине имеет одинаковый диаметр, а ее толщина определяется надежностью сочленения с оболочкой выполненных из металла герметизирующих элементов соответствующих токоподводов, которая, в свою очередь, зависит от термических напряжений в зонах спая.
Таким образом, недостаток конструкции импульсной РЛ, выбранной в качестве прототипа, состоит в практической невозможности уменьшения немодулированной составляющей ИК излучения от внешней оболочки РЛ, поскольку уменьшение толщины внешней оболочки неминуемо приведет к снижению надежности спаев с герметизирующими элементами.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в уменьшении величины немодулированной составляющей ИК излучения РЛ, источником которого является внешняя оболочка из бесцветного лейкосапфира, при сохранении надежности спаев кольцевых участков внешней оболочки с герметизирующими элементами соответствующих токоподводов.
Технический результат, соответственно, заключается в увеличении глубины модуляции генерируемого импульсной РЛ излучения при обеспечении необходимого уровня пиковой силы ПК излучения.
Заявляемая импульсная РЛ ИК излучения, как и РЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку, установленную соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора во внешней оболочки из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой посредством цилиндрического спая с наружной поверхностью оболочки установлены герметизирующие элемента токоподводов РЛ.
Отличие заявляемой РЛ от прототипа состоит в том, что толщина внешней оболочки на части боковой поверхности, соответствующей разрядному промежутку горелки, не превышает 1,2 мм, а концевые участки внешней оболочки выполнены с наружними осесимметричными утолщениями, величина каждого из которых в зоне цилиндрического спая с герметизирующим элементом соответствующего токоподвода составляет не менее 0,7 мм.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемой импульсной РЛ ИК излучения.
РЛ содержит заполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку 1, на противоположных концах которой установлены электродные узлы (на фиг.1 не обозначены). Горелка 1 установлена соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора 2 во внешней оболочке 3, выполненной из бесцветного лейкосапфира. На противоположных концах внешней оболочки 3 посредством цилиндрических спаев 4 с наружной поверхностью концевых участков оболочки установлены герметизирующие элементы 5 соответствующих токоподводов РЛ. В данном конкретном случае наружная поверхность внешней оболочки 3 ограничена со стороны концевых участков поверхностями, имеющими больший, чем на части боковой поверхности соответствующей разрядному промежутку горелки 1, диаметр, так называемого утолщения, а внутренняя поверхность внешней оболочки 3 имеет постоянный на всем протяжении оболочки диаметр. Таким образом, величина утолщения Δ концевых участков внешней оболочки 3 определяется разностью толщин оболочки в зонах спая 4 и толщиной δ внешней оболочки 3 по части боковой поверхности, соответствующей разрядному промежутку горелки 1.
Как было сказано выше, основными параметрами ИК излучения РЛ с учетом ее аппаратурного применения являются пиковая сила и глубина модуляции, величина которой, при прочих равных условиях, тем выше, чем меньше постоянная составляющая излучения от внешней оболочки 3, которая тем меньше, чем меньше толщина δ внешней оболочки в зоне разрядного промежутка горелки 1. Работоспособность РЛ зависит от сохранения целостности внешней оболочки 3 в процессе эксплуатации, которая, в свою очередь, зависит как от величины термических напряжений в зоне спая 4, так и от механической прочности при воздействии избыточного давления заполняющего зазор 2 неона.
Из работы [2] следует, что разрушающее давление разогретого неона и предельное разрушающее оболочку 3 напряжение связаны соотношением:
где Р - разрушающее давление;
σ - предельное разрушающее напряжение;
R - внутренний радиус внешней оболочки 3;
δ - толщина внешней оболочки 3 в зоне разрядного промежутка горелки 1.
Давление неона, заполняющего зазор 2 в холодном состоянии (комнатная температура порядка 25°С), как правило, не превосходит 700 мм рт.ст. [3], а так как объем заполненного неоном зазора 2 постоянен, то в соответствии с законом Шарля:
0
где Т и Т - температура внешней оболочки 3 при комнатной температуре и в рабочем режиме, соответственно;
0
P и Р - давление неона при комнатной температуре и в процессе эксплуатации РЛ, соответственно.
Таким образом:
0
0
Поскольку Р=700 мм рт.ст., T=25°С и T=600°С [3], то Р=18200 мм рт.ст. или 136,8 Па.
Известно, что при температуре 600°С предельное разрушающее напряжение бесцветного лейкосапфира составляет 100 МПа [3]. Следовательно:
или
Таким образом с достаточной степенью точности можно утверждать, что величина δ, определяющая толщину внешней оболочки 3 в зоне разрядного промежутка горелки 1 (вне зависимости от величины наружного диаметра внешней оболочки 3) может быть достаточно мала (в пределе стремиться к нулю).
Следует отметить, что в настоящее время технология выращивания и механической обработки бесцветного лейкосапфира позволяет изготавливать прямые трубчатые оболочки с толщиной стенки не менее 0,8÷0,85 мм [4]. Аппаратурная эксплуатация РЛ с внешней оболочкой из бесцветного лейкосапфира предполагает воздействие на нее различных вибрационных и ударных нагрузок, а поэтому для обеспечения необходимого запаса прочности внешняя оболочка 3 должна обладать толщиной, величина которой не менее, чем на 30% превосходит расчетную и, следовательно, толщина внешней оболочки 3 на части боковой поверхности соответствующей разрядному промежутку горелки 3, не превышает 1,2 мм.
Надежность импульсной РЛ в зонах сочленения с металлическими деталями внешней оболочки определяется прежде всего устойчивостью бесцветного лейкосапфира к напряжениям, возникающих в спаях при их охлаждении в процессе пайки. Следует отметить, что бесцветный лейкосапфир имеет термомеханические свойства идентичные широко применяемым при производстве электронных приборов корундовым керамическим материалам, способных образовывать вакуумно-плотные высокотемпературные соединения с металлом. Так в работе [5] представлены рекомендации по соотношению толщины и диаметра оболочки из вакуумно-плотных керамических материалов при изготовлении охватывающих цилиндрических спаев (металл охватывает наружную поверхность керамической детали). В соответствии с представленными рекомендациями внешняя оболочка РЛ, наружный диаметр которой составляет от 6 до 45 мм, должна обладать толщиной стенки от 1,5 до 6,0 мм, соответственно. Таким образом применительно к заявляемой конструкции импульсной РЛ ИК излучения величина Δ утолщения внешней оболочки 3 в зоне спая 4 с герметизирующим элементом 5 должна составлять не менее 0,7 мм и не более 4,8 мм в зависимости от величины наружного диаметра внешней оболочки 3 в зоне спая 4.
Промышленная применимость заявляемого решения подтверждается возможностью его многократного воспроизведения в процессе производственного изготовления. Заявляемая импульсная РЛ ИК излучения разработана для серийного изготовления с использованием стандартного оборудования, современных технологий и комплектации.
Литература:
1. Светотехника, №2, 2008, с.12.
2. Тимошенко С.П. Теория упругости, М.: Наука, 1974.
3. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсных источников инфракрасного излучения с разрядом в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
4. Антонов П.Н., Затуйловский Л.М., Костылев А.С. Получение профилированных монокристаллов и изделий методом Степанова, Л.: Наука, 1971.
5. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами, М.: Энергия, 1973.