Химическая лампа-вспышка Советский патент 1977 года по МПК F21K5/02 

(54) ХИМИЧЕСКАЯ ЛАМПА-ВСПЫШКА

1

Изобретение относится к .химическим вспышкам однократного действия, генерирующим оптическое в процессе экзотермической реакции горения большинства металлов, например лития, натрия, калия, бериллия, магния. aлюгvIиния, циркония, гафния, тория, в кислороде или другом подходящем окислителе.

Лампы предназначены для освещения объектов в любительской, промышленной и на г1ной фотографии, использования для оптической накачки лазеров, имитации светового излучения высокотемпературного взрыва, создания высоких уровней освещенности в спецтехнике и т.п.

Реакции горения некоторых из указанных металлов, например магния, алюминия и циркония, в кислороде благодаря удовлетворительной светоотдаче получили широкое распостранение и используются в современных лампах-вспышках. Последние выполняют в отпаянной стеклянной колбе с цоколем. Колба имеет форму, близкую к цилиндру или шару, и заполнена мелко размельченными полосками фольги или проволоки из указанных, металлов, а также газообразным окислителем.

В цоколе лампы монтируют средства для зажигания горючего материала в виде нити накала,

собранной на введенных в токоподводах; с нанесенной на нее поджигающей пастой или в виде детонирующего капсуля ударного действия, поджигающего лампу при механическом воздействии на него специального лларного устройства.

В качестве окислителя в лампах-вспыщках используют кпслород. заполняющий колбу под давлением тем больп1 м. чем меньше ее В1г тренний объем 1 .

Улучще п1е нз.чхчательньих н специально-временных параметров химических ламп-вспышек возможно при использовании некоторых горючих материалов, таких, например, как лптнй, калий, бериллий, кальций, гафшпТ, Topjm, а также более активных окислителей, таких как фтор и его соединения с кислородом 1 азотом 2.

Известны лa цlы-вспыщки с циркониевым горючим материалом, у которые в качестве окислителей использованы газообразные соединения фтора с кислородом и азотом (OF;, ЫРз, N2 р4 ) 13.

Это позволило увеличить цветову р тe шepaтypy и световую энергию соответствено на 20 и 40 % по сравнению с лампа ш, заполненными кислородом.

Наиболее близким техническим решением к данному изобретению является хи шческая лампа- вспь шка, содержащая оптически прозратаую колбу с цоколем, заполненную горючим материалом, газообразный окислитель и устройство для зажигания горючего материала в атмосфере указанного окислителя 4.

Расширение числа горючих материалов и применение более активных окислителей в лампах- вснышках связано в ряде случаев с неразрешимыми техническими трудностями. Наиболее существенm ie из }шх: самовоспламеняемость ламп-вспышек, заполненых многими мелко размельченными металлами, находяшимися в атмосфере активных окислителей, особено при повышенной температуре окружающей среды; токсичность активных окислителей, усложняюшая технологию наполнения ламп в условиях массового производства; агрессивность наиболее активных окислителей по отношению к конструкплонным материалам лампы; постепеное окисление больщинства горючих материалов в процессе хранения при повышенных температурах, что влечет за собой ухудшение световых параметров ламп.

По указанным причинам применение в качестве горючего материала щелочных металлов, а также наиболее активных окислителей, например фтора и его некоторых соединений, в известных лампахвспышках вообще не представляется возможным.

Однако при повышении энергии вспышки необходимо увеличение рабочего объема лампы и наполнение ее газообразным окислителем под высоким давлением, которое еще больше возрастает в момент вспышки. К тому же увеличение рабочего объема колбы при сохранении тошцины стеклянцых стенок связано со снижением ее прочностных характеристик.

Цель изобретения - создание химической лампы-вспышки, сохраняющей работоспособность при температурах окружающей среды, существенно превышающих температуру начала окисления и воспламеняемости горючего материала, с улучшенными излучательными и временными характеристиками и с более простой технологией изготовления ламп при использовании в них токсичных окислителей.

Это достигается тем, что в лампе-вспышке размещен по меньшей мере один герметичный отсек, заполненный окислителем под более высоким давлением по сравнению с остаточным давлением в колбе, а также приспособление для вскрытия указанного отсека и соединения его внутреннего объема с колбой в момент зажигания горючего материала в колбе лампы.

При этом герметичный отсек выполнен в виде цилиндрической ампулы, размещенной в центральной части колбы и, по крайней мере частично окруженной горючим материалом.

В лампе-вспышке герметичный отсек выполнен в виде шара и механически закреплен внутри колбы на токовводах устройства зажигания.

Одним из вариантов исполнения лампы- вспыщки является размещение герметичного отсека с окислителем на ее цоколе. Указанный отсек изготовлен из металла или сплава с высокими прочностными характеристиками, например, из холодно прокатанной стали из сплава типа монельметалл. При использовании в качестве окислителей фтора или его летучих соединений с кислородом и азотом герметичный отсек изнутри покрывают слоем меди или никеля, устойчивыМк длительному воздействию упомянутых веществ. Кроме того, герметичный отсек снабжен по меньщей мере одним соединяющим его с колбой капиллярным каналом, герметизированным на одном конце и вскрываемым в момент зажигания лампы. Калиллярньш канал размещен тангенциально по отношению к стенкам колбы, обеспечивая распространение газообразного окислителя по касательной к стенкам колбы.

В качестве приспособления для вскрытия герметичного отсека лампы-вспышки использовано устройство зажигания горючего материала, выполненное в виде окружающей капиллярный канал спирали накаливания, в качестве горючего материала - мелко размельченный твердый материал и газообразное вещество из группы летучих предельных углеводородов, например бутан или пропан, с давлением 0,3-3 атм. В качестве окислителя использованы газообразные окислители из группы фтор , кислород , азот или их соединений между собой под давлением 10-100 атм. При использовании в качестве окислителя фтора в отсек вводят добавку осушенного фтористого водорода в количестве 4-8 вес. %. Во всех рассмотренных конструктивных вариантах лампа вьшолнена с рабочими объемами герметичного отсека и колбы, относящимися между собой, по крайней мере, как 1:10, а колба лампы снабжена, по меньшей мере, одним каналом, соединяющим ее внутренний объем с окружающим пространством, вьшолненным со стороны противоположной размещению герметичного отсека, с окислителем.

Вьшолненные в соответствии с изобретением химические лампы-вспыщки обладают сзш1ественными преимуществами; сохраняют работоспособность при тe шepaтype окружающей среды, существенно превышающей температуру начала окисления и воспламеняемости горючего материала, за счет устранения контакта последнего с окислителем в процессе хранения; заполненные циркониевым горючим материалом лампы, изготовленные из стекла С-93-1, работоспособны до температурт 400 °С, а лампы из кварцевого стекла сохраняют работоспособность при температурах, достигающих 800 ° С; имеют улучшенные излучательные характеристики, в частности увеличенную удельную энергию излучения и цветовую температуру при использовании более активных окислителей но сравнению с кислородом, таких как фтор и его соединения с кислородом и азотом; упрощается технология изготовления ламп и улучшаются условия труда при работе с токсичными окислителями за счет существующей возможности заполнения ампул или отсеков ламп-вспышек указанными окислителями в производстве, изолированном от линии механизированной сборки; обладают повышенной безопасностью эксплуатации за счет отраничения находящегося под высоКИМ давлением окислителя в герметичном отсеке, более прочном по сравнению с колбой лампы.

Некоторые возможные варианты использования химических ламп-вспышек в соответствии с изобретением иллюстрируются на следующих чертежах,

На фиг. изображена лампа-вспышка с заполненным окислителем цилиндрическим отсеком, окруженным горючим материалом; на фиг. 2 - миниатюрная лампа-вспышка со стеклянным в виде шара отсеком с окислителем на токовводах устройства зажигания; на фиг. 3 - лампа-вспышка с размещенным в цоколе отсеком с окислителем: на фиг. 4 - лампа-вспышка с открытой колбой и тангенциальным вводом газообразного окислителя в нее; на фиг.,5 - разрез А-А на фиг. 4.

Изображенные на фиг. 1 - 5 варианты конструкций химических ламп-вспышек содержат колбу из оптически прозрачного материала, npeRMjmeciBeHно из стекла типа С-93-1 или кварцевого стекла, заполненную горючим материалом, герметичный отсек с газообразным окислителем, приспособление для вскрытия упомянутого отсека, выполняюшие одновременно функции устройства для зажигаршя горючего материала в лампе, и доколь, пре.цназначенный для механического закрепления лампы в осветительной аппарат ре и подключения ее к источнику электрического тока.

В показанной на фиг. 1 лампе-вспышке с цилиндрической стеклянной колбой 1 герметивдый отсек 2 вьшолнен в виде стеклянной ампулы цилиндрической формы и размешен в ее центральной части так, что его стенки параллельны стенкам колбы и образуют в.месте с ней кольцевое просгранство, откачанное до высокого вакуума ( - Ю - 10 мм рт. ст.) и заполненное мелко размельченным твердым горючим материалом 3, напри.мер спутанным в клубочки тонкими полосками фольги алюминия, магния, циркония, гофния, тория, ;тибо литием, натрием, калием, бериллием, магнием, кальцием. Отсек 2 заварен в колбе вблизи кольцевого буртика, сопрягаемого с цоколем 4 лампы. В нижней части отсека 2 имеется выведенный из колбы штенгель 5, предназначенный для заполнения его внутреннего объема в процессе производства ламп газообразным окислителем, например кислородом, под давлением 10-50 атм или соединениями кислорода и азота с фтором, такими как ОРз, NFj, Nj р4 под давлением, достигающим 15 атм. С противоположной стороны отсека 2 имеется капиллярный канал 6, вскрьшаемый в момент зажигания лампы и соединяющий его внутренний объем с объемом колбы I. Канал 6 герметизирован подходяшим стеклом или сплавом и окружен спиралью накаливания 7 из вольфрама или вольфрам-рениевого сплава, выполняющей при пропускашш электрического тока по ней функци приспособления ОЛя вскрытия герметичного отсека и являюшейся одновременно устройством зажигания горючею материала. Спираль накаливания 7 на противоположных концах электрически соединена посредством проводников 8 из Ц 1ркония или титана и токовволов 9. вьтолненных, HanpiiMep, из никелированного платинита с колпачком и установленным на изолятор 10 вьшо.вдм 11 цоколя 4 , сое.:шненного с колбой 1 при полтоши мастики. Прово.оники 8 могут быть нанесены непосредственно на стенки отсека 2 в виде полосок и сварены с конца.ми спирали накаливания и токоьводами.

После.аовательность операций изготовления ламп состоит: в создании стеклянной цилиндрической ампулы-отсека 2 с капиллярным каналом 6 и штенгелем 5; в герметизаш1и указанного канала, монтажа на нем спира.ли накаливания 7 с поджигаюшей пастой и проводников 8 с токоввода.ми 9: В создагии колбы с расширенным штешеле.м в кзтю.чьной части и открытой с противоположной стороны; в размешении в ней и заварке в зоне кольцевого буртика колбы упомянутого отсека с токовводами 9, выходяшими из лампы; в наполнении отсека 2 газообразным, окислителем через штенгель 5 с применением, например, метода глубокого вымораживания и заварке указанного штенгеля; в подсоединении токовводов 9 и монтажа цоколя 4 лампы-вспышки; наполнении колбы 1 горющм материалом через расгпиренный штеюель в купольной части по известной технологии; в откачке колбы и заварке иггенгеля 12, покрытии колбы эластичной пленкой, например, на основе триацетатцеллюлозы, предотврашаюшей разлет осколков при разрушении лампы во время вспышки.

В отличие от описанной в миниатюрной naNfflc -BcnbiujKC. изображенной на фиг. 2, предварительно изготовлеиньи и заполненный газообразным окислителем, например кислородом под давлением, достигаюшим 100 атм, герметтный отсек 13 в виде шара, выполненный преимущественно из стекла тгата С-93-1, механически закрепляют внутри колбы 14 на токовводах 15 из никелированного платинита, выведенных наруж} из колбы лампы. Окр жаюшая капил.лярньп канал 6 спираль накаливания 7 электрически соединяется со свободными конца ш несуших шаровой отсек токовводов 15 перед тем, как последние заваривают в формованном из стекла цоколе 16 лампы. Нанесение поджигающей пасты на указаную спираль и заполнение лампы горючим материалом осуществ.чяется одним из известных способов.

В показанной на фиг. 3 хилшческой лампе- вспьцпке увеличенной мошности герметичный отсек 17 с окислителем смонтирован в ее цоколе 18. Последний при этом герметизирует шаровую колбу 19с горючим веществом и одновременно механически удерживает отсек в корпусе . Отсек 17 вьшолнен из металла или сплава с высокими прошостными характеристиками, например из хо-,54 лодно прокатанной стали или сплава типа монель- металл, что обеспечивает возможность сохранения газообразного окислителя под высоким давлением, достигающим 100 атм, в относительно большом объеме ( см) и при высоких температурах (400° С и выше). При использовании в качестве окислителя фтора, а также некоторых его летучих соединений с кислородом и азотом, если лампа предназначена для эксплуатации при повышенных температурах (до 400 ° С), целесообразно герметичный отсек покрывать изнутри слоем меди, никеля или алюминия, образующих в реакции с фтором устойчивые, не подверженные дальнейшему окислению поверхностные пленки фтористых соединений, зашищающих стенки отсека от разъедания. Устойчивость стенок отсека к длительному воздействию фтора при повышенных температурах еще более повышается при введении в герметичный отсек добавок осушенного фтористого водорода в количестве 4-8 вес. %. Приспособление для вскрытия отсека 17 и зажигания описываемой лампы представляет собой (см. фиг. 3) прямую нить накала 20, вставленную в капиллярный канал 21, герметизированную в нем подходящим припоем с т.пл. 400-600° С или другим известным способом и электрически соединенную посредством циркониевой или титановой полости 22 с токоподводом 23, герметизированным в колбе 19 из кварцевого стекла. Корпус герметичного отсека 17 электрически соединен с цоколем 18, что позволяет подводить электрический ток к нити накала 20, подключенной к токоподводу 23, при зажигашш лампы. Изображенная на фиг. 4 и 5 химическая лампа-вспышка в отличие от предыдущей снабжена двумя соединяюшими отсек 24 с трубчатой колбой 25 капиллярными каналами 26 одинаковой конструкции, ориентированными тангенциально по отношению к стенкам колбы 25 и обеспечиваюшими распространение газообразного окислителя по касательной к ним. Кроме того, лампа снабжена по крайней мере одним каналом 27, диаметр которого не превышает обычно 1/4 диаметра колбы и который соединяет ее внутренний объем с окружающим пространством. Канал 27 выполняют со стороны, противоположной размещению герметичного отсека с окислителем, и после заполнения колбы размельченым горючим материалом закрывают защитным колпачком 28 или защитной органической пленкой, вскрываемым при повыщении давления в колбе в момент вспышки. Приспособление 29 для вскрытия отсека и зажигания лампы практически не отличается от описанного приспособления для лампы, изображенной на фиг. 3, и представляет собой две нити накала (для каждого капиллярного канала 26), выведенные из колбы и электрически соединеные с колпачком цоколя 30. При этом металлический отсек 24 изолирован от упомянутого посредством стенок ножки колбы и кремнийорганической смолы или слоя 31 термостойкого цемента. Одновременно он электрически соединен с посаженным на изолятор 32 выводом 33 цоколя лампы, обеспечивая подключение нитей накала приспособления 29 к источнику электрического тока. При использовании в описанных лампах в качестве горючего материала мелко измельченного циркония или гафния, а в качестве окислителя фтора и его соединений с кислородом и азотом целесообразно вводить в колбу лампы газообразное горючее вещество, выбранное из летучих предельных углеводородов, например бутана или пропана, в количестве 0,3-3 атм. Благодаря восстановительным свойствам углеводородов и отсутствию окислителя в колбе лампы работоспособны вплоть до температур, достигающих °С. Одновремено обеспечиваются известные преимущества, связанные с увеличением скорости горения упомянутых металлов, сохранением длительности вспышки и возрастанием световой энергии. Герметичный отсек всех вариантов конструкций лалш-вспыщек заполняют газообразным окислителем, выбранным из фтора, кислорода, азота или их соединений, под давлением 10-100 атм, значительно перевышаюидам давление окислителя в известных лампах, что существенно улучшает излучательные и временные параметры реакции горения. Принцип действия предложенных ламп-вспышек состоит в следующем. При подключении ламп в маломощную электрическую цепь нить накала разогревается и вскрывает капиллярный канал отсека с газообразным окислителем, находящимся под высоким давлением, обеспечивая быстрое поступление его в колбу с более низким начальным давлением. Одновременно или с некоторой задержкой во времени происходит воспламенение горючего материала в колбе, инициируемое в ряде случаев (при использовании менее активных окислителей и при низких температурах) с помощью поджигающей пасты, наносимой на нить накала и разбрызгивающейся в колбе в момент контакта с окислителем и зажигания. Принцип действия ламп, показанных на фиг. 1, 4 и 5, практически не отличается от описанного, за исключе1шем того, что газообразный окислитель после вскрытия отсека и зажигания горючего материала поступает в колбу по касательной к ее стенкам. Таким образом создается пограничный (пристеночный) слой более холодного газа, уменьщающий тепловое воздействие реакции горения на колбу. Повыщение давления в колбе и тепловое воздействие в момент вспьтцгки способствуют разрушению защигного колпачка, герметизирующего канал лампы, соединяющей ее внутренний объем с окружающим пространством. При этом газообразные продукты горения частично удаляются из колбы через указанный канал, благодаря чему уменьшается давление и исключается разрушение колбы. Эта лампа предпочтительна для эксплуатации в условиях высокого вакуума, например в космическом пространстве. Химические лампы-вспышки, изготовленные в соответствии с изобретением, имеющие рабочий объем колбы 12 см, наполненный дирконием в количестве 160 мг, и объем размещенного в колбе герметичного отсека -- 2 см с кислородом под давлением 40 атм, генерируют вспышки с энергией 1,0 кДж и длительностью 30 мс на уровне 0,5 от пиковой силы света. Лампа-вспышка работоспособна при окружающей температуре в пределах от -60 до+400° С. Формула изобретения 1.Химическая лампа-вспышка, содержащая оптически прозрачную колбу с цоколем, заполненную горючим материалом, газообразный окислитель и устройство для зажигания горючего материала в атмосфере указанного окислителя, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения работоспособности лампы при температуре окружающей среды, превышаюшей температуру начала окисления и воспламеняемости горючего материала, улучшения излучательных и временных характеристик лампы, а также упрошения технологии ее изготовления при использовании токсичных окислителей, внутри лампы размешены, по меньшей мере один герметичный отсек, заполненный окислителем под более высоким давлением по сравнению с остаточным давлением в колбе, и приспособление для вскрытия указанного отсека и соединения его внутреннего объема с колбой в момент зажигания горючего материала в колбе лампы. 2.Лампа-вспышка по п. 1, отличающаяся тем, что герметичный отсек вьщолнен в виде цилиндрической ампулы, размещенной в центральной части колбы и,по крайней мере, частично окруженной горюшм материалом. 3.Лампа-вспышка по п. 1, отличающаяся тем, что герметичный отсек выполнен в виде щара и механически закреплен внутри колбы на токовводах устройства зажигания. 4.Лампа-вспышка по п. 1, отличающаяс я тем, что герметичный отсек смонтирован на доколе лампы. 5.Лампа-Еспыщка по о 1-4, отличающаяс тем, что герметичный отсек изготовлен из металла или сплава с высокими прочностными характеристиками, например из холодно прокатанной стали или сплава типа монель-металл. 6.Лампа-вспышка поп 1-5, отличающаяс тем, что герметичный отсек внутри покрыт слоем меди или никеля, устойчивых к длительному воздействию фтора и его летучих соединений. 7.Лампа-всг11 1111ка ii(Mi;i. 1- п. о i л и :u() in а я с я тем, что гермс1ичи1)1Й огсск oiiiiuvKcii iin Mciibiiieii мере одним сое.чиняюшнм ein с колбой капиллярным каналом, герметизирс ваиным на одном колпе и вскрьгааемым в MOMCHI зажш :1ния лампы. 8.Лампа-вспышка по пп. 1-7, от л ича юша я ся тем, что, с целью обеспечения распространения газообразного окислителя по касательной к стенкам колбы, капиллярный канал размешен тат енциально по отношению к стенкам колбы, обеспечивая распространение газообразного окислителя по касательной к стенкам колбы. 9.Лампа-вспышка по гш. 1-8, о т л и ч а ю uz а яс я тем, что в качестве приспособления для вскрытия герметичного отсека использовано устройство зажигания горючего материала, выполненное в виде окружаюшей капиллярный канал спирали накаливания. 10.Лампа-вспышка по пп. 1-9, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что в качестве горючего .материала использован мелко размельченный твердьп материал и газообразное вещество из группы летучи.х предельных углеводородов, например бутан, с давлением 0,3-3 атм. 11 Лампа-вспышка по пп. 1-10, о т л и ч а ю ш а яс я тем, что в качестве окислителя использованы газообразные окислители из группы фтор , кислород , азот или их соединений между собой под давлением 10-100 атм. 12. Лампа-вспышка по пп. 1-Ю,от личаюш аяс я тем, что в качестве окислителя использован фтор с добавкой осушенного фтористого водорода в количестве 4-8 вес. 7(. 13.Лампа-вспышка по пп. 1-12, отличаюшаяс я тем, что лампа вьшолнена с рабочими объемами герметичного отсека и колбы, относящимися по меньшей мере как 1:10. 14.Лампа-вспышка по п. 1, отличающаяся тем, что колба лампы снабжена по меньшей мере, одним каналом, соединяющим ее внутренний объем с окружающим пространством, выполненым со стороны, противоположной размещению герметичного отсека с окислителем. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1.М. La Toison Technigue et carateristigues des lamp flash Revue Generale de lulecticite 77, №9, 880-885, 1968. 2.L. M. Nijiand, I. Schroder. Generation of light by fluorine reactions in flash lamps Philips Res, Repts, 21,304-321, 1966. 3.L.M. Nijiand. The generation of light by chemical reactions in flash lamp 12th Sympos (Internat), Combust, Pointiers 1968, e. 224-226. 4. Патент США № 3301021, кл. 67-31, опубл. 31.01.67 (прототип).

Фиг.-/

22

17

18

Фиг.2

Фиг.З

/2.5

ФигЛ

К-А

Фиг.5