СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСА СВЕТА И ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 2000 года по МПК H01J61/54 H01J61/90 F21K5/00 

Изобретение относится к технической физике, а более конкретно к областям техники, использующим короткие мощные световые импульсы широкого спектрального диапазона (например, при моделировании явлений, сопровождающихся яркой вспышкой, в высокоскоростном фотографировании и высокочастотной искровой кинематографии).

Аналоги и их критика.

Известен способ получения импульса света (И.С.Маршак. Импульсные источники света. М., Энергия, 1978), включающий применение рабочего газа, ограниченного прозрачной стенкой, электрический разряд в газе, создающий ударную волну (УВ), ионизирующую рабочий газ и тем самым вызывающую его свечение.

Способ реализуется с помощью газоразрядных ламп (И.С.Маршак. Импульсные источники света. М., Энергия, 1978), состоящих из двух основных токоведущих электродов, газового промежутка между ними и герметичного прозрачного баллона, заполненного химически неактивным газом.

Питание импульсного разряда в лампе осуществляется от какого-нибудь электрического источника, способного обеспечить в течение короткого времени большую силу тока.

Недостатками аналога является то, что максимальные яркостные температуры в ассортименте современных серийных импульсных ламп (И.С.Маршак. Импульсные источники света. М., Энергия, 1978) не превышают 15-17 кК при невозможности получения светового импульса длительностью τ ≤ 1 мкс. При достижении некоторого предела дальнейшее увеличение энергии разряда не приводит к увеличению яркости при увеличении общего светового импульса. Из-за быстрого уменьшения давления в расходящейся УВ в газе пиковая яркость в момент разряда ослабляется и в целом световой импульс оказывается недостаточным как по яркости, так и по длительности для решения большого класса задач высокоскоростного фотографирования.

Прототип и его критика.

Известен способ получения светового импульса (И.Ш.Модель. Измерения яркостных температур в ударных волнах. // ЖЭТФ, 1957. Т. 4, 32, 714), включающий создание слоя рабочего газа, ограничивая его массивным газодинамическим поршнем с одной стороны и массивной прозрачной преградой с другой стороны, и создание в рабочем газе плоской УВ, ионизирующей рабочий газ и вызывающей его свечение.

Способ реализуется с помощью устройства (И.Ш.Модель. Измерения яркостных температур в ударных волнах. // ЖЭТФ, 1957. Т. 4, 32, 714), состоящего из генератора УВ, включающего заряд взрывчатого вещества (ВВ) (выполняющего функцию газодинамического поршня); следующего за ним канала (камеры), полость которого заполнена рабочим газом и ограничена прозрачной заглушкой (преградой).

После подрыва ВВ расширяющиеся продукты детонации являются поршнем, который создает в рабочем газе сильную излучающую УВ.

Недостаток прототипа заключается в относительно низкой пиковой яркостной температуре, реализуемой в данном способе. Из-за относительно большой массы ВВ и, как следствие, большой массы продуктов взрыва длительность светового импульса является относительно большой (длительность светового импульса τ в данном способе определяется временем падения давления в продуктах ВВ вследствие разгрузки, и эти времена как минимум на порядок превосходят те, которые требуются в задачах высокоскоростного фотографирования).

Сущность изобретения.

Уменьшение длительности импульса света позволит расширить класс задач, решаемых методом высокоскоростного фотографирования. В частности, уменьшение длительности светового импульса при сохранении величины экспозиции позволит увеличить разрешение изображений на фотографиях и зафиксировать спектры обтекания протяженных тел, движущихся с высокими скоростями (например, на открытых баллистических трассах).

Технический результат состоит в том, что предлагаемые способ и устройство позволяют уменьшить длительность светового импульса при повышении пиковой яркостной температуры.

Технический результат достигается тем, что в способе получения импульса света, включающем создание слоя рабочего газа, ограниченного поршнем и прозрачной преградой, и генерацию в рабочем газе УВ, ионизирующей рабочий газ, осуществляется отсечка светового импульса путем перемешивания нагретого рабочего газа с продуктами деструкции прозрачной преграды и с материалом поршня.

При движении поршня в рабочем газе возбуждается ударная волна. По мере распространения слой ударно-сжатого газа увеличивается и вследствие ионизации рабочего газа увеличивается оптическая толщина излучателя. Фронт УВ в газе излучает как черное тело при данной температуре, начиная с оптической толщины, примерно равной трем. На расстоянии L от поршня, которое примерно соответствует для данной скорости поршня и данного типа газа и его начальных параметров набору оптической толщины ≈3, устанавливается прозрачная преграда. При достижении УВ преграды в ударно-сжатом газе возбуждается отраженная волна, за фронтом которой температура резко возрастает ( где T₂ - температура в отраженной УВ, T₁ - температура за фронтом исходной УВ, γ - показатель адиабаты), обеспечивая пик яркости излучателя. Происходит деструкция преграды, которая теряет прозрачность и перемешивается с горячим газом, и одновременно происходит перемешивание рабочего газа с материалом поршня, обеспечивая отсечку светового импульса.

Устройство для реализации этого способа (импульсный источник света) содержит камеру с замкнутой полостью с рабочим газом, граничащую с поршнем генератора ударной волны, ионизирующей рабочий газ, а с другой стороны, с прозрачной преградой.

Технический результат достигается за счет того, что масса прозрачной преграды выбрана порядка массы рабочего газа; благодаря такому выбору соотношений между массами преграды и рабочего газа достигаются эффективное перемешивание и охлаждение рабочего газа (и тушение его излучения) и вместе с тем предотвращается возникновение фоновых подсветок (за счет свечения окружающего газа). Фоновая подсветка, образующаяся при радиальном или осевом расширении элементов поршня вне замкнутого объема, отсекается либо за счет использования относительно малой массы поршня (когда уменьшение давления в элементах поршня вне замкнутой камеры сразу приводит к получению амплитуд УВ в окружающей среде, при которых ионизация не реализуется), либо за счет использования в качестве окружающего газа среды с высоким первым потенциалом ионизации, например CO₂.

Перемешивание тонкого слоя преграды с рабочим газом возникает вследствие неустойчивости тонкого слоя более тяжелого материала, находящегося в более легком газе и движущемся с ускорением (E.Ott. Nonlinear Evolution of the Rayleigh-Taylor Instability of a Thin Layer. Phys. Rev. Lett. v. 29, 1972, p. 1429).

В качестве поршня может быть, например, выбран тонкий слой ВВ или взрываемый электрическим способом тонкий слой металла (В.А.Бурцев, И.В.Калошин, А. В. Лучинский. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М. , Энергоатомиздат, 1990). В качестве прозрачной преграды может быть использована, например, полимерная пленка либо тонкий слой стекла.

Малая длительность нарастания импульса и быстрая отсечка пиковой интенсивности осуществляются при сравнимых массах (порядка) прозрачной преграды и рабочего газа (здесь термин "порядок" определяется в соответствии с источником (Политехнический словарь, М., Советская Энциклопедия, 1989, с. 406)).

На чертеже изображено устройство, с помощью которого экспериментально показана осуществимость способа, где 1 - генератор УВ; 2 - поршень; 3 - камера; 4 - рабочий газ; 5 - прозрачная преграда. Стрелками показано направление излучения света.

Сведения, подтверждающие возможность достижения технического результата.

Устройство включает поршень 2 генератора УВ 1, например слой ВВ, который в начальный момент времени взрывается, возбуждая в рабочем газе 4, например аргоне, заключенном в замкнутой полости камеры 3, одномерную излучающую УВ. Рабочий газ 4 с другой стороны ограничен прозрачной преградой 5, например полимерной пленкой, масса которой сопоставима с массой рабочего газа.

Способ реализуется следующим образом.

Движение поршня 2 в начальный момент времени возбуждает одномерную излучающую УВ в созданном слое рабочего газа 4, заключенного в полости камеры 3 между поршнем 2 и преградой 5. При взаимодействии падающей УВ с прозрачной преградой 5 образуется интенсивно излучающая отраженная УВ; в результате возникает мощный импульс света, проходящий через прозрачную преграду 5 и освещающий исследуемый объект. Под действием давления в отраженной УВ тонкая прозрачная преграда (более плотная по сравнению с рабочим газом) движется с ускорением и вследствие неустойчивости Рэлея-Тейлора перемешивается с рабочим газом. Перемешивание продуктов деструкции преграды 5 и материала поршня 2 с горячим рабочим газом 4 приводит к резкому уменьшению его температуры и отсечке излучения.

Реализация способа с помощью поршня - тонкого слоя ВВ, инициируемого по поверхности, показала его эффективность.

При помощи заявляемого способа и устройства на его базе была достигнута яркость T≈17 Мкд/см² источника света при длительности t≈1 мкс; для сравнения можно указать аналогичные показатели для стандартного источника: 0.7 Мкд/см², t≈25 мкс. Сопоставление качества фотоснимков, полученных с помощью стандартных газоразрядных ИФК ламп и устройства, реализующего данный способ, показало, что предлагаемый способ позволяет значительно повысить разрешение, а следовательно, и информативность.

Таким образом, предложенный способ позволяет получать те же экспозиции, что и в случае стандартных источников, но за более короткие времена ( τ ≤ 1 мкс), при которых не наблюдается смазывание изображения регистрируемых тел, движущихся со сверхзвуковыми скоростями.

Изобретение относится к технической физике, конкретно к областям техники, использующим короткие мощные световые сигналы широкого спектрального диапазона: высокоскоростной фотографии, фотометрии. Сущность изобретения: прозрачная преграда на пути излучающей ударной волны в газе одновременно используется для увеличения яркостной температуры в отраженной волне и для отсечки излучения за счет быстрого перемешивания нагретого ударной волной газа с холодными продуктами деструкции преграды. Технический результат состоит в уменьшении длительности светового импульса при повышении пиковой яркостной температуры. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения импульса света, заключающийся в том, что в слое рабочего газа, ограниченном с одной стороны прозрачной преградой, а с другой стороны - тонким слоем взрывчатого вещества или взрываемым электрическим способом тонким слоем металла, создают ударную волну, ионизирующую рабочий газ, отличающийся тем, что осуществляют отсечку светового импульса путем деструкции прозрачной преграды с потерей ее прозрачности и перемешивания нагретого рабочего газа с продуктами деструкции прозрачной преграды и продуктами взрыва слоя взрывчатого вещества или тонкого слоя металла. 2. Импульсный источник света, включающий камеру с замкнутой полостью с рабочим газом, граничащую с одной стороны с генератором ударной волны, ионизирующей рабочий газ, а с другой стороны - с прозрачной преградой, отличающийся тем, что масса прозрачной преграды порядка массы рабочего газа.