СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОГНОЗИРУЕМОГО СРОКА СЛУЖБЫ КОЛЬЦЕВОГО ГЕЛИЙ-НЕОНОВОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2004 года по МПК H01J17/22 

Изобретение относится к области газоразрядных приборов с холодным катодом, в частности к кольцевым гелий-неоновым лазерам, и может быть использовано для контроля их качества.

Одна из основных проблем, возникающих при производстве кольцевых гелий-неоновых лазеров и их использовании в лазерных гироскопах - обеспечение возможности экспрессного контроля качества и индивидуального прогнозирования сроков службы изготавливаемых приборов. Наличие соответствующих методик позволяет произвести отбраковку потенциально ненадежных изделий и оценить ресурс выпускаемой продукции.

Данная задача решается на основе выбора одного или нескольких информативных параметров, характеризующих качество приборов, и фиксации изменений этого или этих параметров за определенное время испытаний, по которым судят о сроке службы тестируемого лазера. Качество методики определяется чувствительностью выбранных информативных параметров к деградационным процессам в приборе, погрешностями их измерения и, как следствие, временем испытаний, обеспечивающим приемлемую точность прогноза. Кроме того, испытания не должны вызывать необратимых разрушений элементов кольцевого лазера, нетипичных для штатного режима эксплуатации.

Известен способ прогнозирования срока службы гелий-неонового лазера, основанный на возбуждении в нем разряда постоянного тока и регистрации оптическим методом давления газа в его активном элементе [1]. В этом случае срок службы прибора (7) определяется на основании зарегистрированного уменьшения давления наполнения активного элемента. При этом точность определения величины погрешности измерения давления газа в активном элементе оптическим способом составляет несколько процентов, в связи с чем объективный прогноз величины Т приборов может быть осуществлен при условии их испытаний в течение одной - двух тысяч часов, когда давление их наполнения изменится.

Известен способ прогнозирования срока службы гелий-неонового лазера путем возбуждения в нем разряда постоянного тока и регистрации его нестационарной составляющей [2]. При использовании известного способа, имеют место:

- значительная (не менее 1%) погрешность измерения напряжения шумового сигнала (контролируемый информативный параметр);

- сильно нелинейный характер зависимости напряжения шумового сигнала от времени наработки лазера, что снижает чувствительность способа и затрудняет построение прогнозирующего правила для оценки срока службы.

Наиболее близким к заявляемому объекту по совокупности признаков способом того же назначения является способ прогнозирования срока службы гелий-неонового лазера [3] путем возбуждения в нем разряда постоянного тока и регистрации порогового тока возникновения многомодовой генерации бегущих страт и его зависимости от времени испытаний. К недостаткам известного способа относится следующее:

1. Для кольцевых лазеров, в отличие от линейных гелий-неоновых лазеров, изменения парциальных давлений гелия и неона под действием электрического разряда в течение первых 500 часов работы незначительны. По этой причине любой параметр, непосредственно зависящий от концентраций гелия и неона в активной среде лазера, в том числе и ток возникновения многомодовой генерации бегущих страт, слабо чувствителен к скорости основного деградационного процесса - поглощению этих газов вследствие распыления холодного катода.

2. Пороговый ток возникновения многомодовой генерации бегущих страт на порядок и более превышает величину рабочего тока. Последнее обстоятельство затрудняет использование известного способа применительно к кольцевым лазерам, поскольку токовые перегрузки приводят к необратимой деградации поверхности холодного катода и к неконтролируемым изменениям условий поддержания разряда.

Задачей данного изобретения является уменьшение времени испытаний кольцевых лазеров при индивидуальной оценке их срока службы.

Указанный технический результат достигается тем, что так же, как и в известном, в предлагаемом способе определения прогнозируемого срока службы кольцевого гелий-неонового лазера возбуждают в нем электрический разряд и регистрируют параметры его нестационарной составляющей, по зависимости которой, в частности, от времени испытаний определяют предполагаемый срок службы прибора. При этом дополнительно контролируют средний ток на катод (<J>) при фиксированной основной частоте реактивных колебаний (f) и его временную зависимость, затем по полученной зависимости определяют относительную скорость изменения среднего тока (α), его исходное (J_i) и установившееся значения (J₀), после чего оценивают срок службы с учетом предварительно установленных для кольцевых лазеров данного типа взаимосвязей величины <J> с пороговыми токами развития неустойчивости разряда в кольцевом лазере и прямо пропорциональной зависимости от параметра α относительной скорости увеличения порогового тока появления лазерной генерации.

Вышеизложенный технический результат достигается за счет обеспечения высокой точности измерения основной частоты реактивных колебаний (погрешность не более 0,001%), соответствующего среднего значения тока на катод (информативный параметр; погрешность измерения не более 0,01%) и существования его экспоненциальной зависимости от времени наработки лазера. В режиме измерений воздействие разряда на холодный катод и стенки разрядного канала минимально, поскольку среднее значение тока на катод не превышает 30%, а амплитуда импульсов тока - 70% величины рабочего тока. В этом случае погрешность индивидуального прогнозирования срока службы приборов, равная 10%, может быть обеспечена за время испытаний не более 150 часов.

В процессе проведенного анализа уровня техники не выявлены технические решения, характеризующиеся признаками заявляемого изобретения, а сравнение предлагаемого решения с наиболее близким по совокупности признаков аналогом позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков для достижения технического результата. Анализ также показал, что заявляемое изобретение не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, так как не обнаружены технические решения, в которых индивидуальное прогнозирование срока службы кольцевых гелий-неоновых лазеров реализовано на основе регистрации среднего тока на катод, соответствующего фиксированному значению основной частоты реактивных колебаний, и его зависимости от времени испытаний прибора.

Таким образом, сопоставительный анализ предложенного технического решения и уровня техники позволил установить, что заявленное изобретение соответствует требованию “новизна” и “изобретательский уровень” по действующему законодательству.

Чертежи, иллюстрирующие особенности реализации предлагаемого способа, представлены на фиг.1-4.

На фиг.1 представлена функциональная схема испытательного стенда, с помощью которого осуществлена регистрация временной зависимости среднего тока на катод, соответствующего фиксированной частоте реактивных колебаний: 1 - испытательное место, 2 - кольцевой лазер, 3 - генератор питания виброподвеса, 4 - блок питания лазера, 5 - регулируемый источник постоянного напряжения, с помощью которого осуществляется правление величиной среднего тока на катод, 6 - осциллограф универсальный, 7 - делитель напряжения, 8, 9 - универсальные вольтметры, 10 - электронный частотомер.

На фиг.2 приведена схема испытательного места:

1 - кольцевой лазер, А - аноды, К - холодный катод, Д1, Д2 - емкостные датчики, сигналы с которых поступают на входы осциллографа и частотомера, R_б и R_к - балластные сопротивления и измерительное сопротивление в цепи катода, соответственно, 2 - блок питания, 3 - генератор

На фиг.3, 4 приведены данные, полученные при исследовании серийно выпущенного кольцевого лазера наиболее распространенной конструкции с холодным катодом из алюминия, двумя идентичными разрядными каналами диаметром 2,7 мм и длиной 63 мм каждый, катодным током нормальной эксплуатации 1,50 мА (по 0,75 мА в каждом разрядном канале), давление наполнения которого составляет 720 Па при соотношении парциальных давлений гелия и неона 16:1.

На фиг.3 приведена типичная экспериментальная зависимость среднего тока на катод <J>, соответствующего основной частоте реактивных колебаний 48,0000 кГц, от времени испытаний t, полученная для испытываемого кольцевого лазера: точки - результаты измерений, сплошная кривая - их аппроксимация экспоненциальной зависимостью вида:

где α - относительная скорость изменения среднего тока, J_i, J₀ - его исходное и установившееся значения, соответственно.

В экспериментах, выполненных для различных приборов J_i составляет 350-450 мкА, J₀ - 570-650 мкА, α - 250-400 час^-1. Предварительно установленные значения среднего тока на катод, для которого реактивные колебания возбуждаются при рабочем токе, среднего тока на катод, для которого при рабочем токе возбуждаются бегущие страты, составляют 1350 мкА и 200 мкА, соответственно.

Основная частота реактивных колебаний выбирается из диапазона 40-100 кГц и зависит от типа испытываемого кольцевого лазера.

На фиг.4 представлены зависимости от времени испытаний t порогового тока появления реактивных колебаний (кривая 1) и порогового тока появления лазерной генерации (кривая 2) при возбуждении разряда в одном из плеч кольцевого лазера. Относительная скорость увеличения порогового тока появления реактивных колебаний совпадает с относительной скоростью изменения среднего тока на катод, соответствующего фиксированной частоте реактивных колебаний на фиг.3. Через 700 часов после начала испытаний пороговый ток появления лазерной генерации становится монотонно возрастающей функцией времени. Относительная скорость роста порогового тока лазерной генерации прямо пропорциональна относительной скорости увеличения среднего тока на катод α при фиксированной частоте реактивных колебаний, что позволяет, зная величину параметра α, определить прогнозируемый срок службы кольцевого лазера.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления предложенного изобретения с получением вышеуказанного технического результата заключаются в следующем. Кольцевые гелий-неоновые лазеры изготавливаются по общепринятой технологии и на основании результатов измерений величины среднего тока на катод, соответствующего фиксированной основной частоте реактивных колебаний, и ее изменений в процессе испытаний приборов в нормальном режиме эксплуатации осуществляется индивидуальное прогнозирование срока их службы. Погрешность определения Т не превышает 10% при времени испытаний приборов не более 150 час. Указанные метрологические характеристики достигаются за счет контроля значений среднего тока на катод (информативный параметр) с погрешностью 0,01%. Наличие при этом экспериментально установленной экспоненциальной зависимости (1) величины среднего тока от времени эксплуатации позволяет определить прогнозируемый срок службы кольцевого лазера Т.

Источники информации

1. Л.Чиллаг, М.Яноши, К.Роже. Об определении давления газа и состава смеси в отпаянных гелий-неоновых лазерных трубках // Квантовая электроника. - 1974. - Т.1, №3. - С.671-673.

2. Патент США №3566304, H 01 S 3/00, 1971 г.

3. Заявка РФ №93038976/07 “Способ прогнозирования срока службы гелий-неонового лазера” от 06.08.1993 г., 6 Н 01 J 17/22; опубл. в БИ №18 от 27.06.1996 г., с. 75

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к технике контроля качества газоразрядных приборов с холодным катодом. Технический результат - прогнозирование срока службы кольцевого лазера, обеспечивается на основе следующей совокупности действий. В гелий-неоновом лазере возбуждают электрический разряд, контролируют ток на его катоде и регистрируют параметры его нестационарной составляющей. На основе обработки данных зависимостей в функции от времени испытаний определяют предполагаемый срок службы прибора. При этом контролируют средний ток на катоде при фиксированной основной частоте реактивных колебаний в электрической цепи разряда. в функции от времени испытаний. 4 ил.

Способ определения прогнозируемого срока службы кольцевого гелий-неонового лазера путем возбуждения в нем электрического разряда и регистрации параметров его нестационарной составляющей, по зависимости которых, в частности, от времени испытаний определяют предполагаемый срок службы прибора, отличающийся тем, что контролируют средний ток на катод при фиксированной основной частоте реактивных колебаний в электрической цепи разряда и его зависимость от времени испытаний, по которой затем находят относительную скорость изменения среднего тока, его исходное и установившееся значения, после чего определяют предполагаемый срок службы прибора с учетом предварительно установленных для исследуемого типа лазера взаимосвязей между относительными скоростями изменений среднего тока на катод и порогового тока появления лазерной генерации, а также между пороговыми токами развития неустойчивости разряда в кольцевом лазере и величиной среднего тока на катод.