Бесконтактный способ измерения давления газа в разрядном объеме Российский патент 2025 года по МПК H01S3/97 G01L23/06 

Предлагаемое изобретение относится к области лазерных технологий.

Одним из факторов, влияющих на излучательные характеристики разрядных ламп и камер, является изменение давления и состава наполняющего газа. Изменение давления и состава газа может происходить в процессе отпайки штенгеля от вакуумной системы, сорбции газа элементами конструкции, а также вследствие наличия дефектов на поверхности разрядного объема. Кроме того, изменение давления в разрядном объеме сказывается на величине напряжения зажигания электрического разряда или пороговой лазерной мощности при поддержании оптического разряда.

Известен способ-аналог определения давления газа с использованием мембранного манометра (Л.Н. Розанов, Вакуумная техника, Москва «Высшая школа», 2007, стр. 103), заключающийся в том, что давление определяется, используя градуировочную зависимость деформации мембраны от разности давлений газа в объемах, разделенных мембраной. Однако данный способ требует введения в конструкцию разрядного объема дополнительного конструктивного элемента - манометра. Недостатком способа является то, что введение в конструкцию разрядного объема манометра не всегда возможно (в запаянных лампах), а, кроме того, введение манометра отрицательно повлияет на работу разрядной камеры или лампы из-за появления дополнительной поверхности, выделяющей примесные газы в замкнутый объем камеры под действием излучения разряда.

Известны способы измерения давления, основанные на использовании внешних электродов и возбуждении разряда между ними. Наиболее близким по технической сущности является способ (RU 2199791, МПК H01J9/42, опубл. 27.02.2003), заключающийся в том, что на центральной части лампы размещают внешние электроды, возбуждают два поперечных разряда между ними, устанавливают токи разрядов, протекающих между этими электродами, увеличивают напряжение до зажигания продольного разряда в промежутке между электродами и определяют давление по графику зависимости напряжения зажигания разряда от давления газа. Приведенный способ хорошо приспособлен для контроля давления в разрядных трубках натриевых ламп.

К недостаткам данного способа можно отнести необходимость предварительной калибровки и получения калибровочной кривой для каждого типа ламп. Также при работе с компактными электродуговыми лампами высокого давления (эллипсоид диаметром 15 мм и длиной 20 мм) необходимо соблюдать высокие требования к изоляции между электродами, а методика, описанная в RU 2199791, подразумевает длину лампы не менее 3 см. Незначительные отклонения формы лампы, характерные для электродуговых ламп приведут к неточным результатам измерений.

Известно, что с ростом давления газа увеличивается коэффициент поглощения лазерного излучения в газе [1-3].

Задачей заявляемого способа является расширение арсенала технических средств, а именно измерение давления газа в прозрачном разрядном объеме произвольной формы без внедрения в конструкцию разрядного объема измерительных элементов.

Указанный результат достигается тем, что в бесконтактном способе измерения давления газа в разрядном объеме, заключающемся в фокусировке лазерного излучения внутри разрядного объема и поджиге оптического разряда, устанавливают измеритель мощности на выходе лазерного излучения из разрядного объема, измеряют мощность излучения лазера, прошедшую через разрядный объем до и после поджига оптического разряда, рассчитывают коэффициент поглощения лазерного излучения в оптическом разряде, давление газа в разрядном объеме определяют по рассчитанному коэффициенту поглощения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется примером его реализации и графическими материалами.

На фиг.1 представлена схема примера реализации заявляемого способа.

Изобретение работает следующим образом: излучение лазера 1 фокусируют линзой 2 внутри герметичной камеры 3, заполненной газом 4. За герметичной камерой 3 устанавливают измеритель лазерной мощности 5, таким образом, чтобы излучение лазера 1 после выхода из герметичной камеры 3 попадало в него. Лазер 1 включают на мощности выше пороговой, но ниже пробойной (например, в ксеноне при высоком давлении пороговая мощность поддержания оптического разряда составляет порядка 5*10⁵ Вт/см², а пробойная – порядка 10¹⁰-10¹¹ Вт/см²) и фиксируют мощность P_без, попадающую в измеритель лазерной мощности 5. В герметичной камере 3 осуществляют поджиг оптического разряда 6 с помощью штыревых электродов (на фиг. 1 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 6, между которыми прикладывают импульс пробойного напряжения либо с помощью внешнего импульсного лазера (на фиг. 1 не показан) излучение которого фокусируют в области поджигаемого оптического разряда 6. При этом в фокусе лазерного излучения лазера 1 образуется облако плазмы оптического разряда 6, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 6 поддерживают за счет только поглощения излучения лазера 1. Далее снова фиксируют мощность P_разряд, попадающую в измеритель лазерной мощности 5. Далее рассчитывают коэффициент поглощения лазерного излучения лазера 1 оптическим разрядом 6 по формуле: æ = (1-P_разряд/P_без). Давление газа 4 в камере 3 определяют по рассчитанному коэффициенту поглощения. Например, в работе [3] приведена формула связывающая коэффициент поглощения лазерного излучения в оптическом разряде с давлением газа.

Фокусировка излучения лазера 1 может осуществлять не обязательно линзой 2 (возможно использование внеосевых параболических зеркал или активных оптических элементов). Вместо герметичной камеры 3 давление газа может измеряться в электродуговых лампах или других разрядных объемах имеющих проницаемые для лазерного излучения и излучения плазмы оптического разряда окна или стенки.

Таким образом, достигается возможность измерить давление газа в широком диапазоне давлений в оптически прозрачном разрядном объеме произвольной формы без проведения предварительной калибровки для конкретной формы объема и без внедрения в конструкцию разрядного объема измерительных элементов.

Источники информации:

1. В.П. Зимаков, В.А. Кузнецов, Н.Г. Соловьев, А.Н. Шемякин, А.О. Шилов, М.Ю. Якимов. Взаимодействие лазерного излучения ближнего ик-диапазона с плазмой непрерывного оптического разряда. // Физика плазмы, 2016, том 42, № 1, с. 74–80.

2. Райзер Ю.П. // УФН. 1980. Т. 132. С. 549.

3. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. Долгопрудный, МО: Интеллект, 2009. Радел 8.5.3.

Изобретение относится к способам измерения давления газа в газоразрядных камерах или лампах. Бесконтактный способ измерения давления газа в разрядном объеме заключается в фокусировке лазерного излучения внутри разрядного объема и поджиге оптического разряда, при этом устанавливают измеритель мощности на выходе лазерного излучения из разрядного объема, измеряют мощность излучения лазера, прошедшую через разрядный объем до и после поджига оптического разряда, рассчитывают коэффициент поглощения лазерного излучения в оптическом разряде, давление газа в разрядном объеме определяют по рассчитанному коэффициенту поглощения. Технический результат - измерение давления газа в прозрачном разрядном объеме произвольной формы без внедрения в конструкцию разрядного объема измерительных элементов. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Бесконтактный способ измерения давления газа в разрядном объеме, заключающийся в фокусировке лазерного излучения внутри разрядного объема и поджиге оптического разряда, отличающийся тем, что устанавливают измеритель лазерной мощности на выходе лазерного излучения из разрядного объема, измеряют мощность излучения лазера, прошедшую через разрядный объем до и после поджига оптического разряда, рассчитывают коэффициент поглощения лазерного излучения в оптическом разряде, а давление газа в разрядном объеме определяют по рассчитанному коэффициенту поглощения.

2. Бесконтактный способ измерения давления газа в разрядном объеме по п.1, отличающийся тем, что лазер включают на мощность выше пороговой, но ниже пробойной.