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 H01J 9/42, 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 С2, 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], а соответственно снижается минимальная мощность (пороговая) лазерного излучения, необходимая для поддержания оптического разряда.

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 способе измерения давления газа в разрядном объеме, заключающемся в фокусировке лазерного излучения внутри разрядного объема и поджиге оптического разряда, отличающемся тем, что после поджига оптического разряда мощность излучения лазера снижают до момента погасания плазмы оптического разряда, в момент погасания оптического разряда фиксируют мощность излучения лазера - пороговую мощность, давление газа в камере определяют по зафиксированной пороговой мощности.

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, давление которого измеряется. В герметичной камере 3 осуществляют поджиг оптического разряда 5 с помощью штыревых электродов (на фиг. 1 не показаны), расположенных вблизи оптического разряда 5, 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 5, либо с помощью увеличения мощности используемого для поддержания оптического разряда 5 лазера 1. При этом в фокусе лазерного излучения лазера 1 образуется облако плазмы оптического разряда 5, интенсивно поглощающей лазерное излучение. Далее плазму оптического разряда 5 поддерживают за счет только поглощения излучения лазера 1. Далее мощность излучения лазера 1 снижают до момента погасания плазмы оптического разряда 5. В момент погасания оптического разряда 5 определяют излучаемую лазером 1 мощность и пороговую мощность поддержания оптического разряда 5. Мощность лазера 1 в момент погасания оптического разряда 5 можно определить несколькими способами: по показаниям системы управления лазера в случае использования лазера с цифровым управлением, по калибровочным зависимостям мощности излучения от тока при использовании лазера с аналоговой системой управления либо установив измеритель мощности лазерного излучения на оси луча между лазером и разрядным объемом (на фиг. 1 не показан). При этом пороговая мощность поддержания оптического разряда 5 составляет 93% (в случае стенок разрядной камеры из кварцевого стекла при излучении лазера на длине волны 400-1200 нм) от излучаемой лазером 1 мощности за счет отражения на внутренней и внешней поверхности стенки разрядного объема.

Давление газа 4 в камере 3 определяют по определенной пороговой мощности, при которой оптический разряд 5 погас. Например, в работе [1] авторами настоящего изобретения были проведены экспериментальные исследования и получены зависимости пороговой мощности поддержания оптического разряда от давления газов (Ксенон и Аргон) при поддержании разряда непрерывными и импульсными лазерами с различными параметрами фокусировки (пороговая мощность слабо зависит от параметра фокусировки) в широком диапазоне давлений.

Фокусировка излучения лазера 1 может осуществляться не обязательно линзой 2 (возможно использование внеосевых параболических зеркал или активных оптических элементов). Момент погасания оптического разряда 5 можно фиксировать как визуально, так и при помощи фотодиода или других регистрирующих оптическое излучение плазмы систем (на Фиг. 1 не показаны). Камера 3 должна пропускать как лазерное излучение для поджига и поддержания плазмы оптического разряда 5, так и излучение самого оптического разряда 5. Вместо 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.

Изобретение относится к способам измерения давления газа в газоразрядных камерах или лампах. Способ измерения давления газа в разрядном объеме заключается в фокусировке лазерного излучения внутри разрядного объема и поджиге оптического разряда, после поджига оптического разряда мощность излучения лазера снижают до момента погасания плазмы оптического разряда, в момент погасания оптического разряда фиксируют мощность излучения лазера, установив измеритель мощности лазерного излучения на оси луча между лазером и разрядным объемом, и определяют пороговую мощность, вычитая потери при отражении лазерного излучения от поверхностей стенки разрядного объема, а давление газа в камере определяют по определённой пороговой мощности. Технический результат - измерение давления газа в прозрачном разрядном объеме произвольной формы без внедрения в конструкцию разрядного объема измерительных элементов. 1 ил.

Способ измерения давления газа в разрядном объеме, заключающийся в фокусировке лазерного излучения внутри разрядного объема и поджиге оптического разряда, отличающийся тем, что после поджига оптического разряда мощность излучения лазера снижают до момента погасания плазмы оптического разряда, в момент погасания оптического разряда фиксируют мощность излучения лазера, установив измеритель мощности лазерного излучения на оси луча между лазером и разрядным объемом, и определяют пороговую мощность, вычитая потери при отражении лазерного излучения от поверхностей стенки разрядного объема, а давление газа в камере определяют по определённой пороговой мощности.