ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 1997 года по МПК H01J61/80 H01J61/90 

Изобретение относится к газоразрядным источникам света, а более конкретно, к конструкциям мощных импульсных источников света, предназначенных для получения многократных интенсивных вспышек короткой длительности.

Известна импульсная газоразрядная лампа, содержащая наполненную рабочим газом цилиндрическую колбу из оптически прозрачного материала, на противоположных конца которой установлены анодные и катодные узлы, последний из которых содержит цилиндрический катод с осевым отверстием, в котором плотно установлен токоведущий держатель, причем, материал катода имеет большую эмиссионную способность, чем материал держателя. С целью увеличения долговечности источника в частном режиме держатель выполнен составным в виде двух сопряженных цилиндров разного диаметра с общей осью, причем, в осевом отверстии катода установлен цилиндр меньшего диаметра, а цилиндр большего диаметра по боковой поверхности соприкасается с внутренней поверхностью колбы, отношение диаметров цилиндров составляет 2-5, а отношение площади поверхности соприкосновения катода и держателя S_c к площади рабочей поверхности катода S_p находится в следующих пределах:

При инициировании пробоя через лампу проходит разряд рабочей емкости. В частотном режиме тепловой баланс катода определяется поступлением энергии от разряда через рабочую поверхность (S_p) и отводом тепла через поверхность соприкосновения с держателем (S_c). Необходимое для достижения максимальной долговечности лампы температурное поле катода обеспечивается соотношением между S_p и S_c, полученных экспериментальным путем.

Известен газоразрядный источник света, содержащий наполненную рабочим газом трубчатую разрядную колбу с заключенным в ней элементом из оптически прозрачного материала, служащим вместе со стенками колбы для ограничения и стабилизации газоразрядной плазмы. Для увеличения предельной удельной энергии разряда и повышения механической прочности колбы элемент из оптически прозрачного материала выполнен в виде нескольких диэлектрических стержней, размещенных вблизи стенок колбы по всей длине ее излучающей части симметрично относительно продольной оси и механически соединенных на противоположных концах с помощью диэлектрических деталей.

Недостатком ламп является малая величина светящейся поверхности, ограничивающая область применения а также уменьшенное значение энергии разряда при данной площади сечения колбы, необходимой для достижения заданной плотности тока через лампу.

Известна конструкция коаксиальной импульсной лампы накачки оптического квантового генератора, состоящая из двух труб из оптического кварца и герметично вклеенных в полость между коаксиально расположенными трубами кольцевых электродов из нержавеющей стали посредством демпфирующих колец, разрядного промежутка между электродами, заполненного ксеноном, изолятора, обеспечивающего электрическую изоляцию высоковольтного электрода от кожуха, который выполняет функцию обратного токопровода, и покрытия, используемого для увеличения эффективности оптической накачки. Ввиду неразборности данной лампы исключено повторное использование кварцевых труб после их загрязнения распыленным металлом электродов в результате многократных сильноточных (≈ 10⁴A) разрядов через лампу.

Известна газоразрядная коаксиальная импульсная лампа, имеющая кольцевые электродные узлы, коаксиально размещенные на противоположных концах разрядного промежутка, заполненного ксеноном и разделенного на две части трубами из оптического кварцевого стекла со светоотражающим покрытием на внешней трубе и средством электрического соединения указанных разрядных частей. Кольцевые металлические электродные узлы имеют кольцевые вольфрамовые электродные наконечники.

В качестве прототипа выбрано последнее техническое решение как наиболее близкое по своей технической сущности.

Недостатком прототипа является низкий ресурс работы источника, связанный с невозможностью разборки ее конструкции после загрязнения распыленным металлом электродов в результате многократных сильноточных (≈10⁴A) разрядов через лампу.

Задачей изобретения является создание газоразрядного импульсного источника света с большой излучающей поверхностью при одновременном повышении его долговечности.

Новый технический результат выражается в упрощении и повышении надежности газоразрядного импульсного источника света, возможности очистки или замены одной из труб без разборки всего узла, а также повышении числа импульсов на лампе без разборки ею с целью очистки.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным газоразрядным импульсным источником света, содержащим две коаксиально расположенные диэлектрические трубы, по крайней мере, одна из которых выполнена из оптически прозрачного материала, а на другой нанесено отражающее покрытие, инертный газ, заполняющий полость между трубами, кольцевые электродные узлы, имеющие вольфрамовые наконечники, установленные на противоположных торцах труб, изолятор и обратный токопровод, новым является то, что кольцевые электродные узлы выполнены составными, электродные наконечники выполнены цилиндрическими из тугоплавкого металла или сплава со сферическими поверхностями на концах, выступающих в разрядную полость. При этом суммарная площадь сферических поверхностей всех наконечников, размещенных на торце электрода, не меньше площади поверхности торца электрода, суммарные площади свободных сферических и цилиндрических поверхностей наконечников в (1,1-2) раза больше этой площади, а зазоры между электродами и концами диэлектрических труб и не более 1/3 части объема полости между трубами и электродом от торцов труб заполнены материалом на основе кремнийорганического каучука и защищены металлической фольгой. Зазоры между электродами и трубами выполнены шириной не менее (1,2-2) х, где х максимальное изменение ширины зазора между электродами и трубами в результате изменения размеров электродов и труб при термическом расширении вследствие разогрева в условиях эксплуатации (до 100^oC) и действия динамических нагрузок, а также в результате колебаний труб при разряде через лампу.

Выполнение электродного узла составным в виде 3-х деталей внутреннего кольца, на которое опирается внутренняя диэлектрическая труба цилиндрической части электрода, в которую впрессованы электродные наконечники, и внешнего кольца, на которые опирается внешняя диэлектрическая труба обеспечивает простоту и надежность разборки лампы с целью очистки или замены одной из труб без разборки всего узла и тем самым повышает ресурс и экономичность источника.

Выполнение в заявляемом решении электродов ламп с равномерно размещенными на торцах выступающими в разрядную полость цилиндрическими наконечниками из тугоплавкого металла или сплава со сферическими поверхностями свободных концов с суммарной площадью поверхности сферических концов не меньше площади поверхности торца электрода и суммарной площадью поверхности свободной цилиндрической и сферической частей наконечников в (1,1-2) раза больше площади поверхности торца электрода обеспечивает меньшее распыление материала наконечников по сравнению со сплошными электродами тех же размеров и того же материала или с электродами с наконечниками с произвольным размещением и размерами, не обеспечивающими названные условия, поскольку суммарная площадь свободной цилиндрической и сферической частей больше площади торцов электродов, а следовательно, при одном и том же импульсном токе через лампу имеет меньшую температуру разогрева. Выделение признака "со сферическими поверхностями свободных концов не меньше площади поверхности торца электрода" необходимо для того, чтобы подчеркнуть, что наконечников должно быть много. Иначе можно набрать суммарную площадь свободных частей наконечников в (1,1-2) раза больше площади торца электрода и при малом их количестве за счет цилиндрических частей наконечников.

Помещение диэлектрических труб в пазы электродов в кремнийорганический герметик или компаунд обеспечивает их мягкую подвеску, а, следовательно, увеличивает прочность источника и его долговечность в работе.

Выполнение толщины слоя компаунда (герметика) в зазоре между трубами и электрода не менее (1,2-2)Δx, где Δx максимальное изменение зазора между электродами и трубами в результате изменения размеров электродов и труб и их смещения при разряде, включая и термическое расширение при допустимом в эксплуатации нагреве до 100^oС и колебания торцов труб при разряде через источник, обеспечивает компенсацию термического расширения, механической деформации и колебаний при разряде за счет деформации кремнийорганического герметика (компаунда) в области упругого расширения (сжатия) кремнийорганическго герметика (компаунда). Это смягчает режим работы источника, приводя к дополнительному увеличению надежности и ресурса работы.

В результате низкой обляции и высокой термостойкости кремнийорганических герметиков (компаундов) существенно снижается загрязнение рабочего газа лампы и повышается таким образом число импульсов при одном наполнении источника рабочим газом, а в целом и долговечность источника.

При поиске среди известных технических решений в данной области указанный технический эффект не выявлен.

На фиг. 1,2 представлены конструкции импульсного коаксиального источника света: на фиг. 1 с отражающим покрытием на внутренней трубе, а на фиг. 2 с отражающим покрытием на внешней трубе. Источник света (фиг. 1,2) содержит две коаксиально расположенные диэлектрические трубы 1, 2 одна из них выполнена из оптически прозрачного материала ( 1, фиг. 1; 2, фиг. 2, а на другой 2, фиг. 1; 1, фиг. 2), нанесено отражающее покрытие 3; инертный газ, заполняющий полость между трубами 8; кольцевые электродные узлы 4,5,10,11, установленные на противоположных торцах труб 1, 2; изолятор 6 и обратный токопровод 7. Кольцевые электродные узлы выполнены составными. Они включают в себя внешнюю часть электродного узла в виде кругового кольца 10; электрод, выступающий в разрядную полость 8, в виде цилиндрической трубы 4, на торцевой части которого равномерно размещены цилиндрические наконечники 5 со сферической поверхностью на конце, и внутреннюю часть электродного узла в виде кольца 11. Зазоры между электродами, герметизирующими узлами и концами диэлектрических труб, а также не более 1/3 объема части полости между трубами и электродами от торцов труб заполнены материалом на основе кремнийорганического каучука 9 и защищены со стороны разрядной полости металлической фольгой 12.

В процессе работы описанного источника импульсный электрический разряд осуществляется между кольцевыми электродами 4 с электродными наконечниками 5 в коаксиальных полостях, образованных трубами 1,2 и заполненных рабочим газом (например ксеноном) 8. Импульс тока от импульсного накопителя энергии подается на левый электрод 4 и возбуждает электрический разряд между электродными наконечниками 5 обоих электродов в среде рабочего газа 8. Вследствие лавинной ионизации рабочего газа формируется мощная световая вспышка, свет от которой выходит через прозрачную диэлектрическую трубу и может быть использован. Другая часть света, падающая на трубу с отражающим покрытием 3, отражается от него и также выходит через прозрачную трубу для потребления. Электрический ток проходит разрядную полость, правый электрод, обратный токопровод 7 и через подводящие провода или кабели замыкает цепь импульсного накопителя энергии.

Промышленная применимость подтверждена следующими примерами конкретной реализации выполнения. Источник по описанному техническому решению представлен на фиг. 12. Источник содержит две кварцевые трубы с номинальными диаметрами 200 и 150 мм, длиной 1000 мм и толщиной стенки 5 мм. Выпускаемые промышленностью кварцевые трубы этих номиналов имеют отклонения диаметра от номинала ± 5 мм и толщины стенки ± 1 мм, вследствие чего зазор между трубами может колебаться от 14 до 26 мм при среднем диаметре зазора 170 мм. Средний диаметр электрода также примем 170 мм. Внешний и внутренний диаметр электрода (его цилиндрической части) выберем исходя из минимального зазора между трубами 14 мм. Примем приближенно внешний и внутренний диаметр электродов 180 и 160 мм, соответственно (толщина стенки цилиндра δ 10 мм).

С учетом необходимости соблюдения расстояния от поверхности герметика до электродных наконечников не менее 30 мм и достижения хорошей герметичности (при высоте столба герметика в зазоре не менее 20 мм) выбираем высоту цилиндрической части электродов не менее 60 мм.

Площадь торца цилиндрической электрической части при выбранных диаметрах ⊘_2внешн.= 180 мм и ⊘_внутр.= 160 мм составляет S₁ ≈ 53,3 см². Вследствие этого, согласно предлагаемому решению, общую площадь сферических поверхностей электродных наконечников выбираем не менее 53,3 см², а именно: 54 см². С учетом цилиндрических участков не менее 80 см². Диаметр электронных наконечников выбираем 10 мм, что соответствует площади сферической части одного наконечника S 1,6 см². Тогда число наконечников для одного электрода будет равно: S/S 54/1,6 34 шт. Высоту электродного наконечника определим из следующих соображений. Для исключения нагрева в месте контакта с электродным наконечником выберем площадь цилиндрической части электродного наконечника, приводимого в механический контакт с электродом путем, например, горячей запрессовки, S_ц1 2S 3,2 см². Отсюда длина цилиндрической части в контакте с электродом будет равна 10 мм, а общая длина цилиндрической части наконечника 18 мм. Это соответствует режиму, когда температура разогрева цилиндрической части электрода приблизительно в 4 раза ниже температуры разогрева сферической части, что следует из линейности закона теплопроводности (без учета изменения теплопроводности материала электродных наконечников с температурой, которые при соответствующем выборе режима работы источника, например, обеспечивающего разогрев поверхности сферической части электродного наконечника из вольфрама ниже 2000^oC, невелико 0,31 кал/см.сек.град. при 20^oC и 0,24 кал./см.сек.град. при 1727^oС. (Лебединский М.А. Электровакуумные материалы. М. Энергия, 1966). Например, при работе электродных наконечников (их сферической части) до 2000^oC, когда распыление металла (вольфрама) незначительно, температура разогрева поверхности цилиндрической части не превысит 500^oC в импульсе. Необходимо также учесть, что за время импульса ≈ 10^-3с тепло распространится в наконечнике на глубину не более 1 мм. Поэтому, несмотря на относительно большой разогрев сферической поверхности, общий разогрев электродного наконечника в одном импульсе будет не менее, чем на порядок меньше. Общая длина одного наконечника составляет 23 мм. Остальные размеры источника определим произвольно с учетом допустимого разогрева источника до 100^o C, необходимой длины его и условий работы.

За счет выбора высоты слоя герметика в разрядной полости не более 1/3 высоты электрода от торцов труб из диэлектрика и защиты этого слоя металлической фольгой создают условия, при которых слой герметика предохраняется от воздействия плазмы при разpяде, что повышает ресурс работы источника на одном наполнении рабочим газом и в целом ресурс источника.

Рассмотрим изменения диаметров деталей концов источника в результате термического расширения при допустимом нагреве до 100^oC (Δx_т), динамической деформации при возведении импульсной нагрузки во время разряда P ≈ 100 атм. 10⁷ H/м² (Р≈100 атм. характерное импульсное давление, развиваемое в импульсных ксеноновых источниках при разряде (см. например, под. ред. Маршака И.С. Импульсные источники света. М. Энергия, 1977), (Δx_∂) и смещения торцов кварцевых труб в пазах в результате колебаний вследствие действия импульсных нагрузок и их неравномерности во времени и по площади с учетом полученного эмпирического соотношения (это приближенное соотношение справедливо для источников с диаметрами труб от 100 до 200 мм), где L_тp и ⊘_тр соответственно длина и диаметр диэлектрической трубы. Величина суммарного изменения диаметра трубы и смещения торца определяется суммой:
Δx=Δx_т+Δx_∂+Δx_k (2),
где Δx_т складывается из деформации в результате разогрева электрода и кварцевой трубы

δ₁ и δ₂, α₁ и α₂ и толщины и коэффициенты термического расширения медного электрода и кварца, соответственно;
Δx_∂ складывается из деформаций медных электродов (Δx_∂1) и кварцевых труб (Δx_∂2), которые рассчитываются по соотношениям:
.

В результате вычислений получаем:

где δ₁ и δ₂, E₁ и E₂ -толщины и модули упругости материалов электрода (медь) и труб (кварц), соответственно. (Знак минус учитывает сжимающий характер динамических напряжений). Смещения торцов трубы согласно соотношению (1) равны:

Таким образом, максимальное изменение размера электрода согласно (2) равно: Δx₁=Δx_т1+Δx_∂1= 0,017-0,002 0,015 мм; максимальное изменение положения кварцевой трубки согласно (2) равно: Δx₂=Δx_т2+Δx_∂2± Δx_k,
Δxmax2

Знаки ± учитывают знакопеременный характер деформаций при колебаниях. Из последнего соотношения видно, что Δx определяется, в основном, изменением положения трубы при колебаниях, вызываемых импульсным характером нагрузки, и ее неравномерностью приложения к трубе. Таким образом, согласно заявляемому техническому решению допустимый зазор между электродом и трубой равен:

для внутренней трубы. Разница между внутренним диаметром внешней диэлектрической трубы и внешним диаметром цилиндрической части электрода и между внешним диаметром внутренней диэлектрической трубы и внутренним диаметром названной части электрода равна 4 мм, или разница на радиусе 2 мм, что совпадает или больше 2•Δx. Таким образом, диаметральные размеры цилиндрической части электрода ⊘_внешн.= 180 мм и ⊘_внутр.= 160 мм. для комплекта труб номинальных внешних диаметров ⊘₁=200 мм и ⊘₂=150 мм и номинальной толщиной стенки δ 5 мм выбраны правильно.

Согласно приведенного расчета спроектирован, изготовлен и испытан в среде жидкого электролита (водный раствор кальцинированной соды с концентрацией ≈ 180 г/л) источник, соответствующий схеме фиг. 1. Подряд проведено 12 серий импульсов при среднем числе импульсов в серии на одном наполнении ксеноном N 100. При этом импульсы имели следующие параметры: энергия в импульсе от 30 до 60 кДж, длительность импульса 400 мк.сек. плотность энергии (с 1 см² светящейся части источника) 10 Дж/см², мощность излучения до 10⁸ Вт, плотность мощности (с 1 см² светящейся поверхности источника) 15•10³ Вт/см², объемная плотность мощности в разрядном промежутке источника 15•10³ Вт/cм³.

В результате этих испытаний источник не потерял работоспособность. Визуальный осмотр разобранного источника не выявил повреждений и распыленного металла (и герметика) на трубах.

Проведенные испытания показали промышленную применимость газоразрядного импульсного источника света с указанными выше параметрами во всех устройствах, где необходимо использование больших потоков импульсного светового излучения в спектральном диапазоне 0,2-4,5 мкм.

Использование: в мощных импульсных источниках света, предназначенных для получения многократных интенсивных вспышек короткой длительности. Сущность изобретения: газоразрядный импульсный источник света содержит две коаксиально расположенные диэлектрические трубы. По крайней мере, одна из них выполнена из оптически прозрачного материала, а на другой нанесено отражающее покрытие. Инертный газ заполняет полость между трубами, кольцевые электродные узлы установлены на противоположных торцах труб. Источник света имеет изолятор и обратный токопровод. Кольцевые электродные узлы выполнены составными. Цилиндрические электродные наконечники, равномерно размещенные на торцевой части электрода, выступающего в разрядную полость, выполнены из тугоплавкого металла или сплава со сферической поверхностью на конце. Суммарная площадь сферических концов не меньше площади поверхности торца электрода, суммарная площадь свободной цилиндрической и сферической поверхностей в (1,1-2) раза больше площади торца электрода, выступающего в разрядную полость. Зазоры между электродами и концами диэлектрических труб, а также не более 1/3 части объема полости между трубами и электродом от торцов труб заполнены материалом на основе кремнийорганического каучука и защищены металлическими фольгами. Цилиндрические зазоры между электродом и трубами выполнены не менее (1,2-2) Δx, где Δx - расчетное максимальное изменение ширины цилиндрического зазора между электродами и трубами при эксплуатации. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газоразрядный импульсный источник света, содержащий две коаксиальные диэлектрические трубы, по крайней мере одна из которых выполнена из оптически прозрачного материала, а на другой нанесено отражающее покрытие, инертный газ, заполняющий полость между трубами, кольцевые электродные узлы, установленные на противоположных торцах труб, изолятор и обратный токопровод, отличающийся тем, что кольцевые электродные узлы выполнены составными и содержат равномерно размещенные на торцевой части электрода цилиндрические наконечники со сферической поверхностью на конце, выступающие в разрядную полость, выполненные из тугоплавкого металла или сплава, суммарная площадь поверхности сферических концов составляет не менее площади поверхности торца электрода, суммарная площадь свободной цилиндрической и сферической частей электродного наконечника в 1,1 2,0 раза превышает площадь торца электрода, выступающего в разрядную полость, зазоры между трубами и электродом, а также не более 1/3 части объема полости между трубами и электродом от торцов труб заполнена материалом на основе кремнийорганического каучука и защищена металлическими фольгами. 2. Источник по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические зазоры между электродом и трубами выполнены не менее 1,2 2,0 расчетных максимальных изменений ширины цилиндрического зазора между электродами и трубами при эксплуатации источника.