ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК H01S3/03 

Изобретение относится к газоразрядным источникам оптического излучения, конкретно к конструкциям мощных импульсных источников оптического излучения, предназначенных для получения многократных периодических интенсивных импульсов оптического излучения короткой длительности для экспериментального и промышленного применения.

Известна конструкция оптического квантового генератора (Фиг.1) на основе коаксиальной импульсной лампы накачки, состоящая из полностью отражающего зеркала 2, двух труб из оптического кварца и герметично вклеенных эпоксидным клеем с наполнителями в полости между коаксиально расположенными трубами кольцевых электродов 3 посредством демпфирующих колец 9, медных сильфонов 4, обеспечивающих эластичное закрепление электродного узла, активного элемента 5, разрядного промежутка между электродами, заполненного ксеноном, изолятора 1, обеспечивающего электрическую изоляцию высоковольтного электрода от металлического кожуха 6, который выполняет функцию обратного токопровода, нанесенного на внешнюю кварцевую трубу покрытия 8, используемого для увеличения эффективности оптической накачки, и выходного зеркала 10 [1].

Ввиду неразборности этой лампы исключено повторное использование кварцевых труб после их загрязнения распыленным металлом электродов в результате многократных сильноточных (порядка 10⁴ А) электрических разрядов через лампу. Кроме того, вследствие низкой температуры разложения эпоксидного клея лампа не может работать при температурах выше 100°С.

Известен газоразрядный импульсный источник света, который содержит две коаксиально расположенные диэлектрические трубы 1 и 2 (Фиг.2 - для внешнего облучения с отражающим покрытием на внутренней трубе и Фиг.3 - для внутреннего облучения с отражающим покрытием на внешней трубе). По крайней мере, одна из них выполнена из оптически прозрачного материала, а на другой нанесено отражающее покрытие. Инертный газ заполняет разрядную полость между трубами 8, кольцевые электродные узлы 4 установлены на противоположных концах труб. Источник света имеет изолятор 6 и обратный токопровод 7. Кольцевые электродные узлы выполнены составными, состоящими из внешнего 9 и внутреннего 10 колец. Цилиндрические электродные наконечники 5, равномерно размещенные на торцевых частях электродов, обращенных 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 12 и защищены металлическими фольгами 11. Цилиндрические зазоры между электродом и трубами выполнены не менее (1,1-2)Δх, где Δх - расчетное максимальное изменение ширины цилиндрического зазора между электродами и трубами при эксплуатации. Рассмотренный источник ремонтопригоден, т.е. допускает возможность разборки, чистки и повторного монтажа для дальнейшего использования.

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

Недостатком прототипа является низкая надежность и прочность источника в условиях длительной эксплуатации, в частности при повышенных температурах (до 250°С). Кроме того, в результате разогрева после серии вспышек герметизирующий материал интенсивно выделяет летучие органические вещества, которые под действием мощного облучения при отсутствии воздуха разлагаются и в условиях квазистатического состояния рабочего газа между вспышками оседают на внутренних поверхностях разрядного объема источника в виде плотного слоя сажи, значительно снижающего прозрачность кварцевых труб. Далее, в результате недостаточной герметичности зазоров между трубами и электродными узлами, заполненных герметиком, происходит натекание в разрядный объем воздуха, повышающего электропрочность разрядного промежутка между электродами источника, в результате чего в определенный момент времени концентрация воздуха становится такой значительной, что при рабочих режимах установки электрический разряд в источнике не возбуждается. Это снижает число выдаваемых источником импульсов на одном наполнении его разрядного объема рабочим газом. Для возобновления работы установки снова требуется вакуумная откачка и наполнение разрядного объема свежим рабочим газом.

Задачей изобретения является создание газоразрядного импульсного источника оптического излучения с повышенным ресурсом работы на одном наполнении разрядного объема рабочим газом при одновременном повышении прочности и долговечности, в том числе и при повышенных температурах (до 250°С).

Новый технический результат выражается в повышении прочности, надежности и долговечности, а также расширении температурного диапазона работы газоразрядного импульсного источника оптического излучения при повышенном ресурсе источника на одном наполнении рабочим газом.

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 них выполнена из оптически прозрачного материала, а на другой нанесено отражающее покрытие, инертный газ, заполняющий полость между трубами, обратный токопровод, кольцевые электродные узлы, содержащие цилиндрические электродные кольца и имеющие цилиндрические электродные наконечники, выполненные из тугоплавкого металла или сплава со сферической поверхностью на концах, установленные на противоположных торцах электродных колец и выступающие в разрядную полость, причем суммарная площадь сферических поверхностей всех наконечников, размещенных на торце электродного кольца, не меньше площади поверхности торца электродного кольца, площадь цилиндрической и сферической поверхностей наконечников в 1,1-2 раза больше этой площади, новым является то, что кольцевые электродные узлы выполнены с не менее чем тремя резьбовыми отверстиями в электродных кольцах от внешних торцов на расстоянии, не меньшем радиусов этих резьбовых отверстий. Электродные узлы установлены на противоположных концах труб так, чтобы они выступали не менее чем на диаметр резьбовых отверстий от торцов внешней диэлектрической трубы. Зазоры между электродными кольцами и концами диэлектрических труб выполнены толщиной не менее 3 мм и полностью заполнены не менее чем двумя слоями термостойких герметиков и защищены металлическими фольгами со сторон, обращенных в разрядную полость, причем слои, прилегающие к фольгам, выполнены из более жидкого и эластичного герметика, следующие за ним слои выполнены из более густых и прочных герметиков, а на концах источника внутри внутренней трубы установлены вводной и выводной узлы, при этом за слоями герметика в зазорах помещены слои мелкодисперсного порошка из окиси кремния, на которые затем нанесены тонкие защитные слои из термостойкого материала, например из термостойкого герметика, при этом на концах внешней трубы герметично к ним и электродам размещены фланцы из диэлектрического материала со штуцерами для подачи снаружи (относительно разрядного объема) к зазорам рабочего инертного газа под давлением выше атмосферного, а между концами внутренней трубы и электродами за резьбовыми отверстиями на электродных кольцах ближе к их торцам в зазоры герметично помещены кольца из термостойкого диэлектрика, например из фторопласта.

Выполнение электродных колец с не менее чем тремя резьбовыми отверстиями с осями, отстоящими от внешних торцов электродных колец на расстоянии не менее радиусов резьбовых отверстий, позволяет производить удобный монтаж источника, а также подвод рабочего инертного газа к зазорам между внутренней трубой и электродными кольцами.

Эластичное и герметичное сопряжение источника оптического излучения с вводными и выводными узлами позволяет осуществлять подачу в источник и вывод из него облучаемого вещества, которое может быть сыпучим, жидким или в виде суспензии.

Установление электродных узлов на противоположных концах труб так, чтобы они выступали не менее чем на диаметр резьбовых отверстий от торцов внешней диэлектрической трубы, исключает повреждение диэлектрических труб при монтаже и эксплуатации источника, а также увеличивает его электропрочность.

Заполнение зазора термостойкими герметиками увеличивает температурный диапазон работы источника оптического излучения.

Выполнение зазора между электродными кольцами и концами диэлектрических труб толщиной не менее 3 мм обеспечивает минимально необходимое расстояние диэлектрических труб от электродных колец для защиты этих труб от струй плазмы, образующихся при сильноточных электрических разрядах в процессе работы источника.

Выполнение слоя, заполняющего зазор герметика в части, прилегающей к фольгам, из более жидкого и эластичного термостойкого герметика, позволяет добиться более качественной герметизации источника.

Выполнение последующих слоев из более прочных термостойких герметиков повышает прочность, надежность и долговечность источника.

Помещение в зазорах мелкодисперсного порошка из окиси кремния обеспечивает постепенное заполнение им пор, образующихся в слоях герметиков при выделении из них в процессе изготовления и длительной эксплуатации источников при повышенных температурах летучих органических веществ, например паров уксусной кислоты при использовании в качестве герметика кремниийорганического компаунда КЛТ 30.

Размещение на концах внешней диэлектрической трубы герметично к ним и электродным кольцам фланцев из диэлектрического материала для подачи к зазорам между диэлектрическими трубой и электродами под давлением выше атмосферного давления рабочего инертного газа, а также помещение между концами внутренней трубы и электродными кольцами колец из термостойкого диэлектрика обеспечивает изоляцию разрядного объема источника от атмосферного воздуха, что повышает ресурс работы источника на одном наполнении его разрядного объема инертным рабочим газом, а также увеличивает скорость заполнения пор в слоях герметиков нанопорошком из окиси кремния.

Предлагаемый источник в силу своих конструктивных особенностей (герметизация относительно непрочными герметиками) так же ремонтопригоден, как и прототип.

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

На фиг.4, 5 представлены конструкции импульсного коаксиального источника оптического излучения: на фиг.4 - с отражающим покрытием на внутренней трубе, на фиг.5 - с отражающим покрытием на внешней трубе.

Источник света (фиг.4, 5) содержит две коаксиально расположенные диэлектрические трубы 1 и 2, по крайней мере одна из которых выполнена из оптически прозрачного материала (1, фиг.4, 2, фиг.5), а на другой трубе (2, фиг.4, 1, фиг.5) нанесено отражающее покрытие 3; инертный рабочий газ, заполняющий полость между трубами 8; кольцевые электродные узлы 4, 5, установленные на противоположных концах труб 1, 2; вводной и выводной узлы 6 и обратный токопровод 7. Кольцевые электродные узлы включают в себя электродные цилиндрические кольца 4 с резьбовыми отверстиями 12, на торцевых частях которых, обращенных в разрядную полость, равномерно размещены цилиндрические наконечники 5 со сферической поверхностью на конце, а на противоположных торцах симметрично по окружности выполнены не менее 2-х резьбовых отверстий для подсоединения электрических проводов или кабелей и герметично закреплен по крайней мере один штуцер 16 для вакуумной откачки и заполнения рабочим газом разрядной полости 8. Зазоры между электродными кольцами и концами диэлектрических труб заполнены по крайней мере двумя термостойкими герметиками: более жидким и эластичным 9 и более густым и прочным 10 и защищены со стороны разрядной полости металлическими фольгами 11. В зазорах со стороны торцов труб в контакте с внешними слоями герметиков размещены слои мелкодисперсных порошков 13 с нанесенными на них тонкими защитными слоями из термостойкого герметика 14. На концах внешней диэлектрической трубы герметично размещены фланцы из диэлектрического материала 15 со штуцерами 16, а между концами внутренней трубы и электродными кольцами за резьбовыми отверстиями на них ближе к их торцам герметично помещены кольца из термостойкого диэлектрика 17.

Для предотвращения осаждения копоти при сильноточных электрических разрядах в коаксиальной полости источника его предварительно не менее 10 часов прогревают при температуре до 250°С при одновременной вакуумной откачке разрядной полости и подаче к зазорам рабочего инертного газа под давлением, превышающем атмосферное давление воздуха. При этом значительная часть органических составляющих герметиков улетучивается и откачивается из разрядного объема без осаждения на его внутренних поверхностях. Образующиеся в результате испарения органики поры в герметиках частично заполняется мелкодисперсным порошком под давлением рабочего инертного газа снаружи в сторону вакуума в разрядной полости источника.

В процессе работы описанного источника производят вакуумную откачку его разрядного объема до 10^-3 мм рт.ст.и последующее его заполнение рабочим газом (например, аргоном марки ВЧ или СВЧ) до давления 10-100 мм рт.ст. Одновременно откачивают газовый тракт от баллона с рабочим газом к фланцам 15 на кварцевых трубах через штуцеры 16 и заполняют его тем же рабочим газом до давления выше атмосферного давления воздуха, причем к зазорам между внутренней трубой и электродными кольцами рабочий инертный газ поступает через резьбовые отверстия 12 в электродах. Фланцы 15 и кольца 17 предотвращают утечку рабочего газа наружу. Импульсный электрический разряд осуществляют между электродными кольцами 4 с электродными наконечниками 5 в коаксиальной полости 8, образованной трубами 1, 2 и заполненной рабочим инертным газом. Импульс тока от импульсного накопителя энергии подается на одно из электродных колец 4 и возбуждает электрический разряд между электродными наконечниками 5 обоих электродов в среде инертного рабочего газа в полости 8. Вследствие лавинной ионизации рабочего газа формируется мощная световая вспышка, свет от которой выходит через прозрачную кварцевую трубу. Другая часть света, падающая на трубу с отражающим покрытием 3, отражается от него и также выходит через прозрачную трубу для использования. Электрический ток проходит через разрядную полость, другой электрод, обратный токопровод 7 и через отводящие провода или кабели замыкает цепь импульсного накопителя энергии на землю. Избыточное по сравнению с атмосферным давлением воздуха давление рабочего инертного газа на слои мелкодисперсного порошка 13 и герметиков 10 и 9 в зазорах предотвращает протечку в разрядный объем воздуха, содержащего более электропрочные составляющие (например, азот), в результате чего значительно повышается число разрядов на одном наполнении разрядного объема рабочим газом. Кроме того, под давлением инертного рабочего газа интенсифицируется заполнение пор мелкодисперсным порошком после испарения из герметиков в результате нагрева при разрядах органических веществ.

Промышленная применимость изобретения подтверждена следующими примерами конкретной реализации выполнения.

Пример 1. Применение заявляемого источника в металлургии и для обеззараживания жидких сред.

Спроектированные, изготовленные и испытанные источники по описанному техническому решению схематично представлены на фиг.4, 5. Источники содержат две кварцевые трубы каждый с номинальными диаметрами 200 и 150 мм, длиной 1000 мм и толщиной стенки 5 мм. В качестве рабочего газа использовался аргон марок ВЧ и СВЧ. Проведены 10 серий импульсов при среднем числе импульсов на одном наполнении аргоном N=250. При этом импульсы имели следующие параметры: энергия в импульсе до 40 кДж, длительность импульса 350 мкс, плотность энергии 7 Дж/см², мощность излучения до 10⁸ Вт, плотность мощности 15·10³ Вт/см², объемная плотность мощности в разрядном промежутке источника 15·10³ Вт/см³. Источник согласно фиг.4 испытан в окружении водной среды на устройстве согласно патента [3]. Для закрепления источника в облучательной камере на нем герметично закреплены установочные кольца 19 из диэлектрика. Источник согласно фиг.5 испытан для облучения трех сред: жидкой (электролит, вода), суспензии и сыпучей (песок). Для ограничения слоя облучаемой среды и повышения эффективности воздействующего излучения в источник (Фиг.5) вставлен отражатель 18. Проведены 10 серий импульсов для каждого случая при среднем числе импульсов на одном наполнении аргоном N=250. Плотность энергии на 1 см² внутренней полости составляло 10 Дж/см². Контрольные опыты без поддува аргона в зазоры с внешней стороны труб обеспечили в среднем только 120 импульсов на одном наполнении аргоном разрядного объема при том же давлении.

В результате этих испытаний источники не потеряли работоспособность. Визуальный осмотр разобранных источников не выявил повреждений и значительного количества распыленного материала (металла и герметика) на поверхностях кварцевых труб.

Смонтирован и испытан также облучательный комплекс на основе двух предлагаемых излучателей разного диаметра, один из которых выполнен для внешнего облучения (Фиг.4), другой для внутреннего облучения (Фиг.5). Схематично этот комплекс представлен на Фиг.6. Как видно из чертежа, облучаемый объект проходит через зазор между внешним и внутренним источниками. Он предназначен для обработки «упорного» (т.е. требующего повышенной концентрации энергии импульсного оптического излучения) металлургического сырья, т.к. при стандартных режимах работы излучателей на единицу объема сырья, находящегося в полости между излучателями, приходится практически удвоенная концентрация энергии оптического излучения. Этот комплекс может быть использован в ряде других областей техники и технологии.

Пример 2. Применение предлагаемого источника в лазерной технике. Как показали результаты испытаний лазерного устройства, опубликованного в [1], коаксиальная конструкция лампы оптической накачки обеспечивает значительные преимущества по сравнению с лазерными устройствами, в которых для оптической накачки аналогичных активных элементов из неодимового стекла используются трубчатые импульсные ксеноновые лампы (выпускавшийся ранее серийно ОКГ ГОС 1000М). Однако лазерное устройство по [1] не допускает частотный режим работы лазера. Даже если создать вместо водяного стационарного фильтра между активным элементом и внутренней кварцевой трубой коаксиальной лампы проточное водяное охлаждение, частотный режим работы будет весьма ограничен низкой температурой разложения эпоксидного клея, используемого для герметизации лампы (до 100°С).

Предложенный источник импульсного оптического излучения выгодно отличается от аналога и прототипа. Его конструкция и выбранные материалы для герметизации позволяют не только работать при температурах выше 100°С, но и использовать комбинированные варианты (Фиг.7):

1. вместо водяного стационарного фильтра - проточная фильтрация (и одновременно охлаждение) дистиллированной водой;

2. фильтрация (и охлаждение) проточной иммерсионной жидкостью, отфильтровывающую не только УФ-излучение, но и значительную часть излучения накачки, находящуюся за пределами полосы накачки неодимового стекла;

3. использование вместо иммерсионной жидкости набора коаксиально располагаемых между активным элементом и внутренней кварцевой трубой труб из цветного стекла стандартных марок, пропускающих только излучение в полосе накачки неодимового стекла, и проточное охлаждение этих труб дистиллированной водой.

Во 2-ом и 3-ом вариантах излучение со спектром, находящимся за пределами полосы поглощения неодимового стекла, превращается в тепло при поглощении в иммерсионной жидкости или цветных стеклах и уносится жидкостью за пределы лампы накачки. В активном элементе будут возбуждены в основном лишь оптические переходы с энергетических уровней полосы генерации неодимового стекла, обеспечивая генерацию мощных лазерных импульсов, без возбуждения тепловых переходов, вызывающих нагрев активных элементов из неодимового стекла. В результате этого активные элементы будут разогреваться значительно меньше, что позволит существенно увеличить частоту подачи импульсов выходного излучения стеклянного неодимового лазера.

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

Источники информации

1. Е.Ф.Жолобов, Д.И.Зенков, А.И.Павловский, Н.В.Романенко, Л.В.Суханов, А.И.Тихонов. Квантовая электроника, 4, №1, 1977.

2. Газоразрядный импульсный источник света. Патент РФ №2072583 по заявке №93027802 от 18.05.93 г.

3. Устройство для переработки металлосодержащих концентратов. Патент РФ №2082779 по заявке №94007856 от 27.06.94 г.

Источник содержит две коаксиально расположенные диэлектрические трубы, обратный токопровод и кольцевые электродные узлы. Одна из труб выполнена из оптически прозрачного материала, на другой нанесено отражающее покрытие. Электродные узлы имеют цилиндрические электродные кольца и наконечники, выполненные из тугоплавкого металла со сферической поверхностью на концах. Кольца выполнены с тремя резьбовыми отверстиями с осями, отстоящими от внешних торцов электродных колец на расстоянии, не меньшем радиусов резьбовых отверстий. Электродные узлы установлены на противоположных концах труб так, чтобы они выступали не менее, чем на диаметр резьбовых отверстий от торцов внешней трубы. Зазоры между электродными кольцами и концами труб выполнены толщиной не менее 3 мм, заполнены слоями термостойких герметиков и защищены металлическими фольгами со сторон, обращенных в разрядную полость. Слои, прилегающие к фольгам, выполнены из более жидкого и эластичного герметика, а следующие слои выполнены из более густых и прочных герметиков. На концах источника внутри внутренней трубы установлены вводной и выводной узлы, при этом за слоями герметика в зазорах помещены слои нанопорошка из окиси кремния, на которые затем нанесены защитные слои из термостойкого материала. На концах внешней трубы размещены фланцы из диэлектрического материала со штуцерами для подачи к зазорам рабочего инертного газа. Между концами внутренних труб и электродными кольцами за резьбовыми отверстиями на них ближе к их торцам в зазоры герметично помещены кольца из термостойкого диэлектрика. Технический результат заключается в расширении температурного диапазона работы источника при повышенном ресурсе на одном наполнении рабочим газом. 7 ил.

Газоразрядный импульсный источник оптического излучения, содержащий 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, обратный токопровод, кольцевые электродные узлы, имеющие цилиндрические электродные кольца и цилиндрические электродные наконечники, выполненные из тугоплавкого металла или сплава со сферической поверхностью на концах, установленные на противоположных концах труб и выступающие в разрядную полость, причем суммарная площадь сферических поверхностей всех наконечников, размещенных на торце электродного кольца, не меньше площади поверхности этого торца, суммарная площадь свободной цилиндрической и сферической поверхностей наконечников в 1,1-2 раза больше этой площади, отличающийся тем, что электродные кольца выполнены с не менее чем тремя резьбовыми отверстиями с осями, отстоящими от внешних торцов электродных колец на расстоянии, не меньшем радиусов резьбовых отверстий, причем электродные узлы установлены на противоположных концах труб так, чтобы они выступали не менее чем на диаметр резьбовых отверстий от торцов внешней трубы, зазоры между электродными кольцами и концами диэлектрических труб выполнены толщиной не менее 3 мм и полностью заполнены не менее чем двумя слоями термостойких герметиков и защищены металлическими фольгами со сторон, обращенных в разрядную полость, при этом слои, прилегающие к фольгам, выполнены из более жидкого и эластичного герметика, а следующие за ним слои выполнены из более густых и прочных герметиков, а на концах источника внутри внутренней трубы установлены вводной и выводной узлы, при этом за слоями герметика в зазорах помещены слои нанопорошка из окиси кремния, на которые затем нанесены тонкие защитные слои из термостойкого материала, например из термостойкого герметика или фторопласта, при этом на концах внешней трубы герметично к ним и электродным кольцам размещены фланцы из диэлектрического материала со штуцерами для подачи снаружи (относительно разрядного объема) к зазорам рабочего инертного газа под давлением выше атмосферного, а между концами внутренней трубы и электродными кольцами за резьбовыми отверстиями на них ближе к их торцам в зазоры герметично помещены кольца из термостойкого диэлектрика, например из фторопласта.