ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1997 года по МПК H01J61/00 H01J61/34 H01J61/35 

Изобретение относится к светотехнике, а именно к осветительным устройствам, использующим газоразрядную трубчатую, либо полостную лампу с отражателем, и может быть применено в лазерной технике для возбуждения активных сред, в навигационных и осветительных установках.

Известны осветительные устройства, содержащие газоразрядную трубчатую либо полостную лампу с герметично установленными электродами, помещенными внутри отражателя [1, 2] имеющего полированную или шероховатую отражающую поверхность, чаще всего цилиндрической либо эллиптической формы.

В этих устройствах значительная часть излучения лампы теряется из-за того, что плазма газоразрядной лампы объемно излучающий цилиндр имеет индикатрису светимости шириной до 180^o в плоскости, проходящей через ось лампы, и часть лучей с небольшими углами наклона к оси трубки /менее 20^o - 30^o/ может проходить мимо активных элементов лазера. Поэтому отражатели делают максимально компактными, стараясь выполнить отражающую поверхность ближе к активной среде.

Однако, как показывает геометрическое построение хода лучей накачки, часть наклонных лучей, отразившись от отражателя, концентрируется на поверхности электродов, поглощается в скин-слое толщиной 0,01 0,001 микрона и сильно разогревает этот скин-слой. Если энергия таких лучей составляет хотя бы 1% от энергии разряда, то дополнительный лучевой нагрев скин-слоя электродов достигает сотен градусов, что ограничивает предельные мощности разряда и вызывает разрушение поверхности электродов, способствуя образованию кратеров, т. е. уменьшает срок службы ламп. Это отрицательное воздействие дополнительного лучевого нагрева поверхности электродов тем сильнее, чем компактнее отражатель и чем больше коэффициент отражения его поверхности.

Наиболее близким по технической сущности является осветительное устройство, содержащее оптически прозрачную заполненную рабочим веществом газоразрядную трубчатую колбу, на концах которой герметически установлены электроды, и коаксиальную с колбой внешнюю оптически прозрачную оболочку, на наружной поверхности которой выполнены треугольные призматические элементы, параллельные оси колбы [3]
В этом устройстве выходящее наружу излучение имеет индикатрису светимости в плоскости оси трубки шириной до 180^o, т.е. имеется значительная часть лучей с небольшими углами наклона (менее 20 30^o) к оси трубки. Поэтому устройство- прототип имеет все перечисленные выше недостатки: прохождение части лучей мимо активной среды и дополнительный лучевой нагрев поверхности электродов, вызванный лучами с небольшими углами наклона, отраженными от оболочки. Этот нагрев в прототипе больше, чем лучевой нагрев электродов лампы без оболочки.

Задачей изобретения является увеличение силы света осветительного устройства в направлении нормали к оси газоразрядной трубки, уменьшение разогрева поверхности электродов отраженным от оболочки излучением и, тем самым, повышение вложенных мощностей разряда и срока службы лампы.

Для решения поставленной задачи в известном осветительном устройстве, содержащем заполненную рабочим веществом колбу с разрядным промежутком, образованным по меньшей мере одной оптически прозрачной трубкой, на концах которого герметично установлены электроды, и коаксильную с трубкой внешнюю оболочку, имеющую по крайней мере на части поверхности призматические элементы, в соответствии с изобретением, внешняя коаксиальная оболочка выполнена с поверхностью, отражающей излучение газоразрядной колбы, и призматические элементы выполнены на этой отражающей поверхности в виде n-гранных отражателей, где n≥2, так, что нормаль к любому ее элементу проходит не далее, чем на расстоянии r от оси колбы, где r радиус колбы, причем габаритный размер а призматического элемента удовлетворяет соотношению
20λ≅a≅6r,
где λ - длина волны излучения газоразрядной колбы,
угол между любой гранью уголкового отражателя и осью колбы α≥2^° а шероховатость поверхности граней отражателей R_a ≅ λ. Во внешней коаксиальной оболочке может быть выполнены окна либо щели для вывода излучения, причем их площадь (относительная) не превышает 95% боковой поверхности оболочки.

Отражатели могут быть выполнены двугранными, например, в виде нарезанных на обращенной к газоразрядной трубке внутренней поверхности коаксиальной оболочки канавок треугольного профиля, причем направления ребер двугранных уголковых отражателей составляют с осью трубки угол . Окна внешней оболочки могут быть закрыты светофильтрами, отражающими часть излучения газоразрядной трубки в ее внутренний объем.

На фиг. 1, 2 изображено осветительное устройство с трубчатой лампой, на фиг.3 то же, с полостной лампой. Фиг.4 иллюстрирует ход лучей внутри предлагаемого осветительного устройства; на фиг. 5 8 показаны индикатрисы лучей.

На фиг. 1: внутри газоразрядной трубки 1 помещены рабочее вещество 2 и электроды 3, снаружи показана внешняя коаксиальная оболочка 4 с отражающей поверхностью, обращенной к трубке, на которой выполнены отражатели 5.

На фиг. 2 показан разрез устройства по сечению А-А. В оболочке выполнены продольные щелевые окна 6 для вывода излучения. На фиг. 2 показано, что одно из них закрыто светофильтром 7.

Устройство на фиг. 3 аналогично, лишь лампа полостная, из трубок 1 и 8.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 1, 2, 3 показано, что отражающая поверхность оболочки, обращенная к газоразрядной трубке, выполнена так, что нормаль к любому элементу этой поверхности проходит не далее, чем на расстоянии радиуса газоразрядной трубки от ее оси. Поэтому излучение газового разряда, отраженное от указанной поверхности, подогревает плазму согласно принципу "светового котла".

Целесообразно эту поверхность выполнять с отражением ≈ 100% во всем спектральном диапазоне излучения трубки. Целесообразно также выполнять поверхность вплотную к газоразрядной трубке, а нормаль к ней направлять на ось в пределах (0,5 0,74)r от оси трубки. Однако конструктивные отклонения в пределах не далее r возможны и не нарушают работу "светового котла". Из этих же соображений выбран и наибольший размер a≅6r.

Наружу излучение трубки выходит через окна 6 в оболочке 4. Если использовать не весь спектральный диапазон излучения трубки, обычно 0,16≅λ≅4 мкм а его часть, то целесообразно окна 6 закрывать отражающими светофильтрами 7, пропускающими нужную часть спектра и отражающими остальную часть спектра излучения обратно в объем трубки. Это может быть, например, полосовой интерференционный многослойный светофильтр, либо металлический слой, напыленный на прозрачную подложку. Отраженная фильтром часть излучения будет работать в трубке по принципу "светового котла".

Существенные отличия в работе заявляемого устройства по сравнению с аналогами и прототипом видны на фиг.4, 5, 6, 7 и 8.

Обозначения 1 8 те же, показана поверхность 11 известных устройств, не имеющая уголковых отражателей на обращенной к газоразрядной трубке стороне; 9 и 10 лучи газоразрядной трубки, падающие на отражающую поверхность оболочки, 9б и 10б отраженные от заявляемой оболочки лучи. Эти лучи благодаря наличию уголковых отражателей распространяются обратно в объем газоразрядной плазмы, подогревая ее, и не попадают на электрод 3, т.е. работают как "световой котел", а не на разогрев скин-слоя электродов.

Отражательная поверхность 11 имеет прямолинейную образующую, параллельную оси трубки 1 (т.е. плоскую, цилиндрическую и т.д.). Поэтому отраженные от нее лучи, если они излучены из объема трубки, прилегающего к электроду, попадают на поверхность электрода 9а и 10а и разогревают скин-слой.

Указанное различие между заявляемым устройством и известными тем больше, чем ближе отражающая поверхность к трубке 1.

В компактном отражателе с поверхностью 11 на электрод попадает значительная часть лучей из приэлектродного объема трубки длиной до 10r, что видно из геометрического построения. Это отличие иллюстрируется фиг. 5, 6, 7.

Фиг. 5 индикатриса излучения из приэлектродного объема, падающего на оболочку 4 или 11; фиг.6 индикатриса лучей, отраженных от поверхности 11 - веер лучей направлен на электрод; фиг.7 индикатриса лучей, отраженных заявленной оболочкой веер лучей направлен от электрода. Для обеспечения нужной индикатрисы фиг.7 необходим и уголковый отражатель и зеркальность отражения от него, т.е. шероховатость R_a ≅ λ при габарите a≥20λ В результате по сравнению с известными устройствами обеспечивается значительный перебаланс энергетики излучения в системе газоразрядная трубка - отражающая поверхность. Обычно заводская газоразрядная лампа имеет длину 8 - 100 r, 2,5 мм ≅r≅ 15 мм, с 1 см³ плазмы излучается энергия 10 100 дж. В известных устройствах с поверхностью типа 11 (фиг.4) на дополнительный разогрев электрода расходуется энергия до сотен джоулей, излученных приэлектродным объемом плазмы, что и вызывает сильный разогрев электрода и вынуждает снижать энерговклад в лампу в несколько раз.

Влияние оболочки 4 на перебаланс энергетики заметно при ее относительной площади 5% т.е. когда площадь окон не больше 1,9πrl (95% боковой поверхности трубки). Уголковые отражатели, расположенные напротив приэлектродных объемов, целесообразно выполнять с углом 90^o при вершине для эффективного световозвращения, причем для наилучшего отбрасывания лучей от электродов их можно выполнять несимметричными (см. фиг.4), с наклоном одной из граней полого к оси трубки 2^°≅α≅45^°. У середины трубки уголковые отражатели можно выполнять с тупым углом при вершине. Сужение индикатрисы выходящего из окон 6 излучения в плоскости оси трубки заметно при наклоне граней α ≥2^o к оси трубки. Если уголковые отражатели выполнены двугранными, то для сужения указанной индикатрисы ребро угла должно иметь поперечную составляющую к оси трубки так, чтобы угол между направлением ребра и осью Численные эксперименты (расчет осветительного устройства на ЭВМ по методу Монте-Карло) подтвердили все эти соотношения.

Заявленное устройство позволяет сузить индикатрису излучения по сравнению с известными. Если уголковые отражатели выполнены с углами 90^o при вершинах, то ширина индикатрисы близка к 90^o, что в 2 раза уже, чем в известных устройствах.

На фиг. 8 показана индикатриса силы света в известном устройстве I₁ и в заявленном устройстве I₂. За счет сужения индикатрисы энергия из заштрихованных боковых частей I₁ перераспределяется в осевую часть и в направлении нормали к оси трубки сила света возрастает. Кроме того, в лазере это позволяет накачивать активное тело с меньшими потерями света накачки через торцовые части осветителя, т.е. увеличивать КПД системы накачки.

Но основное преимущество изобретения в том, что возникает возможность перераспределять энергию излучения в системе: плазма газоразрядной трубки - внешняя оболочка электрод так, что лучевой нагрев электрода сильно уменьшается. Это позволяет в несколько раз повысить силу света выходного излучения за счет повышения энерговклада в газоразрядную трубку, помещенную внутрь отражателя. При этом можно выбрать такой режим, чтобы температура электродов была существенно меньше, чем в известных устройствах, несмотря на многократный рост силы света излучения, т.е. увеличить срок службы ламп.

Использование: в области светотехники и может быть применено в лазерной технике, в навигационных и осветительных установках. Существо изобретения заключается в том, что осветительное устройство содержит газоразрядную трубчатую либо полостную лампу, заполненную рабочим веществом, и с герметично установленными электродами на концах и коаксиальную с лампой внешнюю оболочку с внутренней обращенной к лампе отражающей поверхностью. На ней выполнены уголковые отражатели с зеркальными гранями. На оболочке выполнены окна для вывода излучения, которые могут быть закрыты отражающими светофильтрами. В устройстве обеспечено повышение силы света излучения в направлении нормали к оси лампы с одновременным увеличением срока службы лампы. 2 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Осветительное устройство, содержащее заполненную рабочим веществом колбу, с разрядным промежутком, образованным по меньшей мере одной оптически прозрачной трубкой, на концах которого герметично установлены электроды, и коаксиальную с трубкой внешнюю оболочку, имеющую по крайней мере на части поверхности призматические элементы, отличающееся тем, что внешняя коаксиальная оболочка выполнена с поверхностью, отражающей излучение газоразрядной колбы, и призматические элементы, выполненные на этой отражающей поверхности в виде n-гранных отражателей, где n ≥ 2, так что нормаль к любому элементу проходит не далее чем на расстоянии r от оси колбы, где r - радиус колбы, причем габаритный размер a призматического элемента-отражателя удовлетворяет соотношению 20λ ≲ a ≅ 6r, где λ - длина волны излучения газоразрядной колбы, угол между осью колбы и какой-либо гранью призматического элемента отражателя α ≳ 2^°, а шероховатость поверхности граней отражателей R_a≅ λ.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что во внешней коаксиальной оболочке выполнено хотя бы одно средство вывода излучения газоразрядной колбы: пространственное окно (щель) с относительной площадью не более 95% либо спектральное светофильтр, отражающий часть излучения газоразрядной колбы в ее внутренний объем. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполненные на отражающей поверхности призматические элементы-отражатели образуют двугранные углы, ребра которых составляют с осью колбы угол где l длина межэлектродного промежутка.