ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 2003 года по МПК H01J61/90 H05B41/19 

Изобретение относится к газоразрядным осветительным лампам, а именно к газоразрядным импульсным источникам света, и, в частности, имеет целью улучшить искровые разрядники, применяемые для высокоскоростной фотографии и фотограмметрических измерений.

Известен открытый разряд в воздухе, исторически явившийся первым вариантом подсветки при осуществлении скоростного фотографирования (Импульсные источники света под ред. И.С. Маршака, М. "Энергия", 1978, с.9).

Однако получаемая в устройствах, реализующих этот принцип, яркость достаточно мала. Для увеличения яркости (и повышения плотности энергии) распространение разряда ограничивают в радиальном направлении - реализуют схему капиллярного разряда (К. Фольрат. Искровые источники света и высокочастотная кинематография. В сб. "Физика быстропротекающих процессов". М. "Мир", т.1, стр. 138). При этом, однако, увеличивается длительность свечения (низкая теплопроводность стенок и само их наличие препятствуют быстрому охлаждению расширяющейся плазмы), а также уменьшается сила света, которая зависит от площади излучателя.

Поэтому для ряда приложений используют промежуточную (между открытым и капиллярным разрядами) схему, реализуемую с помощью импульсных ламп (Импульсные источники света под ред. И.С. Маршака, М. "Энергия", 1978, с. 50-150). Замкнутый объем, в котором осуществляется разряд, заполняется определенным рабочим газом в определенном начальном состоянии, а сам объем ограничивается оптически прозрачными стенками, образующими зазор. Световой импульс выводится через открытый зазор. За счет того, что пробойные расстояния для многих газов превышают при тех же условиях соответствующие расстояния для воздуха, в импульсных лампах увеличивается объем рабочего газа, а следовательно, и площадь излучателя и его сила света. Тем не менее импульсные лампы не устраняют недостатков, связанных с необходимостью уменьшения длительности свечения, а относительно низкая яркость не позволяет уменьшать размеры тела свечения, поэтому сила света этих источников относительно мала.

Известно устройство, применяемое для увеличения энергии и мощности разряда импульсного газоразрядного источника излучения (Павловский А.И., Попков Н. Ф. , Пикарь А.С., Каргин В.И., Ряслов Е.А. Авторское свидетельство СССР 1166630, H 01 J 61/90, 27.09.95, бюл. 27). Источник излучения содержит газоразрядную камеру, заполненную рабочим газом, с оптически прозрачной частью (окном) для вывода излучения и электродами (катодом и анодом). Камера выполнена составной из двух противоположных частей (стенок), расположенных с зазором, одна из которых выполнена из оптически прозрачного материала и служит окном для вывода излучения, а другая - из взрывчатого вещества (ВВ). ВВ инициируется с помощью детонаторов. Электроды установлены между частями на концах разрядного промежутка. К электродам камеры через разрядник подключен импульсный источник питания.

Как и в аналоге, зазор, определяющий поперечный размер газоразрядной камеры, относительно велик. В противном случае "полезный" сигнал (от момента выхода детонации в газ до удара по окну) по экспозиции окажется меньше фонового, связанного со свечением при разлете продуктов детонации в окружающем воздухе. Прототип невозможно использовать в штатных схемах подсветки на фотопостах в аэробаллистических комплексах для фотограмметрических измерений из-за наличия ВВ, что помимо требований безопасности, наличия систем инициирования и т.д. приводит к увеличению длительности импульса света из-за долгих фоновых подсветок, связанных с разлетом продуктов детонации в окружающем воздухе. Увеличение силы света в этой схеме возможно лишь за счет увеличения излучающей площади, что в свою очередь требует увеличения массы ВВ и, следовательно, является практически невозможным. Поэтому в настоящее время подсветка осуществляется с помощью газоразрядных источников, содержащих штатные импульсные лампы, например, ИФК-500, ИФК-2000.

Регулирование параметров импульса света позволит расширить класс решаемых задач методом высокоскоростного фотографирования. В частности, уменьшение длительности светового импульса при сохранении величины экспозиции позволит увеличить разрешение изображений на фотографиях, что повысит точность их обработки и, соответственно, точность определения аэродинамических параметров.

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет в относительно безопасных условиях уменьшить длительность светового импульса при повышении силы света.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного газоразрядного импульсного источника света, включающего наполненную рабочим газом газоразрядную камеру, образованную двумя стенками, установленными с зазором относительно друг друга, между которыми на противоположных концах разрядного промежутка размещены катод и анод, электрически связанные с импульсным источником питания, причем одна из стенок выполнена из оптически прозрачного материала и служит окном для вывода излучения, а также инициатор разряда, в предлагаемом источнике света разряд осуществляется при ширине зазора 0,05-0,2 мм, инициатором разряда служит дополнительный электрод, расположенный на наружной стороне стенки, противоположной окну для вывода излучения, и электрически связанный с импульсным источником питания, причем стенка, противоположная окну для вывода излучения, выполнена из материала с высокой электрической прочностью, не способного к взрывчатому превращению. Кроме того, на по крайней мере одной из обращенных к зазору стенок, образующих газоразрядную камеру, размещен слой оптически прозрачного материала.

Выбор зазора в интервале 0,05-0,2 мм обусловлен тем, что этот интервал соответствует начальным размерам стримера. При этом пиковые яркости для данной напряженности максимальны, поскольку окно, через которое выводится излучение, контактирует с зоной, имеющей максимальную температуру. При данной скорости нарастания тока в таком устройстве происходит наиболее быстрое нарастание площади излучения и, следовательно, силы света, поскольку скорость одномерного расширения максимальна. Вместе с тем минимальный рабочий объем газа и быстрое охлаждение после прекращения нарастания тока приводят к резкому уменьшению длительности свечения после достижения пиковой силы света.

Установка дополнительного электрода, являющегося инициатором разряда, при выборе зазора в заявляемом интервале позволяет увеличить силу света источника, т. к. осуществляемая им предварительная до инициирования разряда ионизация (предыонизация) газа в зазоре между катодом и анодом позволяет увеличить пробойное расстояния между электродами при любом выборе рабочего газа. При этом согласуются параметры разрядного контура и плазмы, благодаря чему осуществляется апериодический характер разряда.

Дополнительный электрод во избежание пробоя устанавливается на наружной поверхности стенки, противоположной окну для вывода излучения, выполненной из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью, не способного к взрывчатому превращению, что обеспечит наряду с иными преимуществами возможность безопасной работы.

При этом, если стенка, противоположная окну для вывода излучения, выполнена из материала, удовлетворяющего вышеназванным свойствам, в частности из оптически прозрачного материала, дополнительный электрод, расположенный на ее наружной стороне, становится отражателем, увеличивая силу света источника.

Дополнительное уменьшение длительности светового импульса может достигаться покрытием по крайней мере одной из обращенных к зазору поверхностей стенок, образующих газоразрядную камеру, слоем оптически прозрачного материала. Частично деструктурирующий в процессе расширения разряда материал приводит к интенсификации теплообмена с плазмой и приводит к более быстрому ее охлаждению.

Таким образом, выбор величины зазора в интервале 0,05-0,2 мм в сочетании с использованием в качестве инициатора разряда дополнительного электрода, расположенного на наружной поверхности стенки, противоположной окну для вывода излучения, и электрически связанного с импульсным источником питания, а также подбором материала стенки, противоположной окну для вывода излучения (высокая прочность, неспособность к взрывчатому превращению) позволяют в безопасных условиях уменьшить длительность генерируемого импульса света при повышении силы света.

На чертеже представлено схематичное изображение предлагаемого устройства.

Устройство представляет собой газоразрядную камеру, ограниченную противоположно установленными диэлектрической стенкой 1 и стенкой 2 из оптически прозрачного материала (окно для вывода излучения), например из стекла. Зазор 3, образуемый стенками, лежит в пределах 0,05-0,2 мм, в нашем случае он равен 0,1-0,15 мм.

Между стенками 1 и 2 расположены формирующие разрядный промежуток катод 4 и анод 5. Зазор 3 заполнен рабочим газом, например воздухом атмосферного давления. На наружной поверхности стенки 1 расположен дополнительный электрод 6, служащий инициатором (а также предыонизотором) разряда и электрически связанный с импульсным источником питания 7. Он представляет собой, например, металлическую пластину. Для интенсификации охлаждения плазмы разряда на обращенные к зазору поверхности стенок 1 и/или 2 нанесен тонкий слой оптически прозрачного материала 8, например тонкой органической пленки. При этом стенка 1 выполнена из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью, не способного к взрывчатому превращению, например из оргстекла (электрическая прочность не менее 10 кВ/мм).

Работа устройства осуществляется следующим образом. После подачи импульса напряжения от источника питания 7 на дополнительный электрод 6 и импульса напряжения от источника питания 7 на катод 4 происходит предварительная ионизация рабочего газа в зазоре 3 между стенками 1 и 2, а затем между катодом 4 и анодом 5 и далее развивается искровой разряд. Технологическое обеспечение зазора 0,05-0,2 мм приводит к быстрому плоскому расширению светящейся области и росту силы света. По мере достижения пикового значения происходит резкий дальнейший спад силы света за счет быстрого охлаждения расширяющейся плазмы. При этом органическая пленка 8 на поверхности одной из стенок, обращенной к зазору, в процессе разряда создает условия, интенсифицирующие происходящие при разряде процессы.

Сравнение световых параметров данного устройства и штатных источников, выполненных на базе стандартных ИФК-ламп, показывает, что предлагаемое устройство, используя ту же электрическую схему включения и воздух атмосферного давления в качестве рабочего газа, позволяет более чем вдвое уменьшить длительность светового импульса при соответствующем увеличении силы света. При нанесении тонкого слоя оптически прозрачного материала на обращенные к зазору поверхности стенок длительность сигнала дополнительно снижается в 1,5 раза.

Таким образом, в предлагаемом источнике света в силу его конструктивных особенностей получен в относительно безопасных условиях импульс света, характеризующийся малой длительностью и большой силой света.

Изобретение предназначено для использования в области светотехники и может быть использовано для фотограмметрических исследований. Техническим результатом является увеличение силы света и достижение минимальной общей длительности светового импульса. Электрический разряд осуществляется в разрядном промежутке между высоковольтным и заземленным электродами (катодом и анодом) при ширине зазора, соответствующей начальным поперечным размерам стримера, 0,05-0,2 мм. Разряд осуществляется в газе между двумя диэлектрическими стенками, расположенными на расстоянии данного зазора, что обеспечивает быстрое расширение излучающей области и быстрое последующее охлаждение плазмы. Предыонизация рабочего газа в разрядном промежутке осуществляется с помощью дополнительного электрода, электрически связанного с импульсным источником питания и расположенного на наружной поверхности стенки, расположенной напротив стенки-кона для вывода света. Для интенсификации процесса охлаждения плазмы после завершения нарастания тока на стенку (стенки) со стороны, обращенной к зазору, наносится тонкий слой оптически прозрачного материала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Газоразрядный источник света, включающий заполненную рабочим газом газоразрядную камеру, образованную двумя стенками, установленными с зазором относительно друг друга, между которыми на противоположных концах разрядного промежутка размещены катод и анод, электрически связанные с импульсным источником питания, причем по крайней мере одна из стенок выполнена из оптически прозрачного материала и служит окном для вывода излучения, а также инициатор разряда, отличающийся тем, что ширина зазора выбрана в интервале 0,05-0,2 мм, а стенка, противоположная окну для вывода излучения, выполнена из материала, не способного к взрывчатому превращению. 2. Газоразрядный источник света по п.1, отличающийся тем, что на по крайней мере одной из обращенных к зазору стенок, образующих газоразрядную камеру, размещен слой оптически прозрачного материала. 3. Газоразрядный источник света по п.1, отличающийся тем, что рабочим газом служит воздух атмосферного давления, а в качестве инициатора разряда выбран дополнительный электрод, расположенный на наружной стороне стенки, противоположной окну для вывода излучения, электрически связанный с импульсным источником питания, причем стенка, противоположная окну для вывода излучения, выполнена из материала с высокой электрической прочностью.