СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЁЖНОСТИ КОЛЬЦЕВЫХ ЛАЗЕРНЫХ ГИРОСКОПОВ Российский патент 2017 года по МПК H01J9/38 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерной техники, а именно к кольцевым моноблочным лазерным гироскопам, предназначенным для измерения угловой скорости вращения.

Известно уплотнение стекла или керамики с металлом, позволяющее создавать герметичное соединение между металлической поверхностью и поверхностью стекла или стеклокерамики [Патент США №4432660, кл. F19C 9/00, опубликованный 21.02.1984 г.]. Согласно изобретению герметичность данного соединения сохраняется при многократном циклическом изменении температуры в пределах от -50°C до +100°C.

Для достижения указанного результата поверхность соединяемого стекла или стеклокерамики должна быть максимально чистой. Для получения сверхчистой поверхности стекла или стеклокерамики она бомбардируется плазмой, или ионами в вакууме, или ультрафиолетовым светом.

Когда основным металлом является алюминий, поверхность алюминия вначале полируют, чтобы она соответствовала по качеству поверхности стекла или стеклокерамики. Затем применяется азотная кислота для травления алюминия, а ее избыток смывается, преимущественно в дистиллированной воде. Далее металл отжигают, и поверхность металла формуют, прижимая его к гладкой полированной поверхности. Для формовки предпочтительно использование стекла или стеклокерамической поверхности, поскольку алюминий не прилипает к данной поверхности и ее плоскостность сохраняется после повторных операций.

Затем наносят золото на поверхность алюминия, золото может быть нанесено гальванически, но обнаружено, что предпочтительным является напыление или нанесение расплавленного золота на формованную поверхность алюминия. Чистота золота должна составлять порядка 99,5%. Типовая толщина золота после напыления, нанесения расплавленного золота или гальванического покрытия составляет менее 100 микродюймов.

Заготовку индия размещают над поверхностью золота. Чистота индия, как правило, составляет 99,9%. Затем индий и золото нагревают, предпочтителен нагрев в вакууме, выше температуры плавления индия (155°C) примерно до 175°C, до тех пор, пока индий не сплавится с золотом на поверхности.

Поверхность индия далее максимально очищается, например, в плазме или ионной бомбардировкой, или ультрафиолетовым излучением. После очистки индий становится очень липким, и он имеет хорошую адгезию с любой контактирующей поверхностью. Сверхчистую поверхность индия затем прижимают к сверхчистой поверхности стекла или стеклокерамики с образованием герметичного вакуумного соединения.

Когда металл медь, медь не подвергают травлению азотной кислотой, а золото наносят гальванически. Поверхность не формуют, но подвергают шлифовке с помощью небольших (обычно 1200 мкм) частиц, перед тем как покрывать медь золотом.

Недостатком данного изобретения является низкая надежность, вследствие низкой герметичности соединения стекла или стеклокерамики с золотом, медью через индиевое уплотнение, при термоциклических воздействиях. С повышением температуры свыше 100°C между индием и золотом или медью начинают интенсивно формироваться интерметаллические соединения этих металлов. При многократном циклическом воздействии температуры от -50°C до +100°C хрупкие интерметаллиды индия разрушаются, вследствие этого нарушается герметичность индиевого соединения.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ вакуумной обработки малогабаритных моноблочных газоразрядных лазеров [Патент РФ №2155410, кл. H01J 9/38, опубликованный 27.08.2000 г.].

При этом согласно изобретению данный способ включает подсоединение лазера к вакуумному посту, откачку его до высокого вакуума, проверку конструкции на герметичность, очистку в разряде активного газа и проверку параметров лазера в смеси рабочих газов, откачку и прогрев при максимальной температуре, которую допускает конструкция лазера, наполнение лазера смесью рабочих газов и его герметизацию, в котором на лазер устанавливают устройство избирательного поглощения примесей, а в процессе прогрева лазер наполняют смесью рабочих газов давлением 13,3-50540 Па, выдерживают в течение 1-4 ч и затем лазер, вновь откачивают до высокого вакуума. Наполнение и откачку проводят не менее 2 раз, а во время последней откачки измеряют масс-спектр остаточных газов, причем откачку производят в течение времени, необходимого для совпадения масс-спектра остаточных газов с эталонным, который измерен на вакуумном посту при отсоединенном лазере и предельно высоком для данного вакуумного поста вакууме, но не хуже 1,33×10^-4 Па.

Недостатком прототипа является то, что в процессе прогрева при максимальной температуре, которую допускает конструкция лазера, достигается температура до 120°C. Данная температура не позволяет провести эффективное обезгаживание стеклокерамического корпуса, от примесных газов, сорбированных на внутренних поверхностях. Также при этой температуре начинают формироваться хрупкие интерметаллические соединения индия, которые приводят к нарушению герметичности индиевого уплотнения стеклокерамического корпуса с позолоченными анодами кольцевого лазерного гироскопа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности кольцевых лазерных гироскопов, за счет повышения герметичности индиевого соединения стеклокерамического корпуса с позолоченными анодами и повышения эффективности обезгаживания внутреннего объема кольцевого лазерного гироскопа от сорбированных примесных газов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Кольцевой лазерный гироскоп 1 через штенгель-электрод 2 устанавливают на вакуумный пост, откачивают до высокого вакуума, проверяют герметичность. Внутренний объем очищают трехкратным повторением последовательности операций: заполнение кислородом, прожиг в разряде кислорода, откачка. Затем трехкратно повторяют следующую последовательность операций: заполнение смесью кислорода с неоном, прожиг в разряде этих газов, откачка. Далее проводится обезгаживание установленных в гироскопе газопоглотителей 3.

На электроды 4 кольцевого лазерного гироскопа 1 устанавливают охлаждаемые экраны 5 и подключают их к системе подачи охлаждающей жидкости (газа) 6. На фиг. 1 представлена схема размещения охлаждаемых экранов 5 на электродах 4 кольцевого лазерного гироскопа КЛ-3.

Корпус гироскопа с установленными экранами 5 нагревают до температуры 260°C при постоянной подаче охлаждающей жидкости или газа, осуществляют обезгаживание в течение 48 часов и после остывания до температуры 50-60°C проводят трехкратные наполнения рабочей гелий-неоновой смесью, наработку и откачку. Далее проводится активация газопоглотителей 3, наполнение гелий-неоновой смесью до рабочего давления, измерение электрических параметров и герметизация.

Установка на электроды охлаждаемых экранов 5 позволяет повысить температуру обезгаживания со 120°C до 260°C, при этом соединение электродов 4 с корпусом через индиевую прокладку 7 сохраняет герметичность и надежность. Температура электродов при этом находится в интервале температур от 50°C до 60°C в зависимости от типа охлаждающей жидкости(газа) и скорости ее(его) протока. При такой температуре интерметаллические соединения индия с золотом образуются крайне медленно, что в дальнейшем не приводит к нарушению герметичности индиевого уплотнения при термоциклических воздействиях.

Повышение температуры способствует эффективному обезгаживанию внутренних объемов корпуса кольцевого лазерного гироскопа и десорбции примесных газов, находящихся на поверхностях корпуса. На фиг. 2 представлен спектр излучения кольцевого гелий-неонового лазера КЛ-3 после проведения обезгаживания при температуре 120°C. На фиг. 3 представлен спектр излучения кольцевого гелий-неонового лазера КЛ-3 после проведения обезгаживания при температуре 260°C. При этом в спектре излучения на фиг. 3 отсутствуют представленные на фиг. 2 спектральные линии примесных газов: азота (N) - 391,4 нм, кислорода (О) - 394,7 нм, оксида углерода (СО) - 395,3 нм и водорода (Н) - 410,1 нм, что свидетельствует об эффективном удалении примесных газов с внутренних поверхностей корпуса при повышении температуры обезгаживания.

Таким образом, в предлагаемом способе установка охлаждаемых экранов, охлаждение электродов и повышение температуры обезгаживания, по сравнению с прототипом, позволяет повысить надежность кольцевого лазерного гироскопа за счет обеспечения неизменности состава рабочей гелий-неоновой смеси в процессе эксплуатации и хранения.

Изобретение относится к области лазерной техники, а именно к кольцевым моноблочным лазерным гироскопам, предназначенным для измерения угловой скорости вращения. Технический результат - повышение надежности кольцевых лазерных гироскопов за счет повышения герметичности индиевого соединения стеклокерамического корпуса с позолоченными анодами и повышения эффективности обезгаживания внутреннего объема кольцевого лазерного гироскопа от сорбированных примесных газов. Кольцевой лазерный гироскоп устанавливают на вакуумный пост, откачивают до высокого вакуума, проверяют герметичность. Внутренний объем резонатора очищают трехкратным повторением последовательности операций: заполнение кислородом, прожиг в разряде кислорода, откачка. Затем трехкратно повторяют следующую последовательность операций: заполнение резонатора смесью кислорода с неоном, прожиг в разряде этих газов, откачка, затем обезгаживание установленных в гироскопе газопоглотителей. На электроды кольцевого лазерного гироскопа устанавливают охлаждаемые экраны и подключают их к системе подачи охлаждающей жидкости или газа. Корпус гироскопа с установленными экранами нагревают до температуры 260°C, при постоянной подаче охлаждающей жидкости или газа, осуществляют обезгаживание в течение 48 часов и после охлаждения до температуры 50-60°C проводят трехкратные наполнения рабочей гелий-неоновой смесью, наработку и откачку. Далее проводится активация газопоглотителей, наполнение гелий-неоновой смесью до рабочего давления, измерение электрических параметров и герметизация. 3 ил.

Способ повышения надежности кольцевых лазерных гироскопов, заключающийся в том, что кольцевой лазерный гироскоп устанавливают на вакуумный пост, откачивают до высокого вакуума, проверяют герметичность, внутренний объем резонатора очищают трехкратным повторением последовательности операций: заполнение кислородом, прожиг в разряде кислорода, откачка, затем трехкратно повторяют последовательность операций: заполнение резонатора смесью кислорода с неоном, прожиг в разряде этих газов, откачка, далее выполняется обезгаживание установленных в гироскопе газопоглотителей, отличающийся тем, что на электроды кольцевого лазерного гироскопа устанавливают охлаждаемые экраны и подключают их к системе подачи охлаждающей жидкости или газа, корпус гироскопа с установленными экранами нагревают до температуры 260°C при постоянной подаче охлаждающей жидкости или газа, осуществляют обезгаживание в течение 48 часов и после охлаждения до температуры 50-60°C проводят трехкратные наполнения рабочей гелий-неоновой смесью, наработку и откачку, далее проводится активация газопоглотителей, наполнение гелий-неоновой смесью до рабочего давления, измерение электрических параметров и герметизация.