Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ литературных данных и расчетные исследования импульсного разряда в парах цезия как источника ик излучения 11
1.1. Современное состояние работ в области ламп с разрядом в парах щелочных металлов 11
1.2. Математическое моделирование процессов в цезиевых источниках инфракрасного излучения 20
1.2.1. Математическая модель дуговых и импульсных разрядов в парах щелочных металлов 20
1.2.2. Методы реализации моделей и алгоритмы вычислений 35
1.2.3. Теплофизические и оптические характеристики плазмы 38
1.3. Расчетные исследования основных характеристик разрабатываемой
лампы 44
2. Экспериментальные исследования импульсных ламп с разрядом в парах цезия 57
2.1. Особенности зажигания цезиевых ламп с двумя сапфировыми оболочками 51
2.2. Изучение динамики процессов в лампе при выходе в номинальный режим работы 70
2.3, Разработка универсального экспериментального источника питания и методик исследования излучательных характеристик в ИК диапа зоне спектра 76
2.3.1. Экспериментальный источник питания лампы 76
2.3.2. Методики исследования излучательных характеристик импульсного разряда в парах щелочных металлов 80
2.4, Исследование зависимости характеристик излучения от конструк-
тивных параметров ламп 84
2.5. Особенности работы лампы с дежурной дугой 92
2.6. Экспериментальное определение влияния параметров разрядного контура на электрические и излучательные характеристики ламп с разрядом в парах цезия 100
2.7. Исследование зависимости характеристик излучения цезиевых ламп
от условий охлаждения 110
3. Разработка конструкции и технологии изготовления цезиевых ламп 118
3.1. Особенности конструкции и технологическая схема изготовления лампы 118
3.2. Разработка электродных узлов 124
3.3. Исследование физико-технических свойств сапфира и разработка требований к материалу оболочки 133
3.3.1. Механическая прочность сапфировых труб 133
3.3.2. Спектральное пропускание оболочек лампы 138
3.4. Расчет и изучение способов получения согласованных спаев
сапфир-металл 145
3.5. Выбор наполнения внешней колбы лампы 152
3.6. Исследование надежности разработанных ламп 156
4. Перспективы дальнейшего развития ламп с разрядом в парах цезия 160
4.1. Расчетное .изучение возможностей увеличения пиковой силы излучения в ИК и УФ спектральных диапазонах 160
4.2. Экспериментальное исследование способов повышения эффективности ламп в инфракрасном диапазоне спектра 168
4.3. Энергетический баланс цезиевого разряда высокого давления 170
Выводы 179
Список литературы
- Математическое моделирование процессов в цезиевых источниках инфракрасного излучения
- Изучение динамики процессов в лампе при выходе в номинальный режим работы
- Исследование физико-технических свойств сапфира и разработка требований к материалу оболочки
- Экспериментальное исследование способов повышения эффективности ламп в инфракрасном диапазоне спектра
Введение к работе
В настоящее время ИК источники излучения широко используются в научных исследованиях, медицине, промышленности и военном деле. [1]. Одним из важнейших применений является использование ИК источников в системах оптико - электронного противодействия головкам самонаведениям (ГСН) управляемых ракет для защиты летательных аппаратов (ЛА). Основной принцип работы таких систем заключается в создании излучательных помех в ИК диапазоне, призванных либо сорвать процесс обнаружения, либо создать существенную ошибку в блоке управления головки самонаведения. Для этого необходимо, чтобы источник работал в импульсном или в импульсно-периодическом режимах генерации некогерентного модулированного излучения [2]. В настоящее время для этих целей используют дешевые, и в тоже время, надежные нагревательные элементы с модуляцией непрерывного излучения механическими затворами. К недостаткам таких источников можно отнести неселективность излучения, следовательно низкий КПД, и невозможность создания импульсно-периодической структуры выходного потока. Данный изъян можно ликвидировать, используя в качестве ИК источника импульсные газоразрядные лампы высокого давления (далее лампы) [1], Варьируя конструктивные параметры и условия электрического питания лампы, можно добиться сложной структуры потока излучения. Большинство существующих сегодня импульсных ламп [3] в качестве излучающей среды используют инертный газ (ксенон, криптон и т.д.) и предназначены для решения задач в диапазоне длин волн до 1 мкм. При этом источник имеет спектр излучения близкий к непрерывному и ограничивается длинноволновой границей пропускания кварца (--4 мкм), используемого в качестве оболочки лампы.
Острая потребность в лампах, удовлетворяющих указанным требованиям, привела к созданию нового класса селективных источников излучения, а именно, ламп с разрядом в парах щелочных металлов [4]. Как следует из зарубежной печати, наиболее перспективным при создании ИК источника является импульсный разряд высокого давления в парах цезия. В настоящее
5 время за рубежом для защиты ЛА от ракет нового поколения разработаны
станции AN/ALQ-123 и AN/AAQ-4, использующие импульсную цезиевую лампу с сапфировой оболочкой [5;6]. В созданной фирмой Elektro-Optical Systems системе AN/ALQ-123 цезиевые лампы дают одиночные высокоэнергетические импульсы, а изделия AN/AAQ-4 фирмы Hallicrafters работают в режиме с большой частотой следования среднеэнергетических импульсов излучения. Указанные системы противодействия можно отнести к одной категории, так как принцип создания помех ГСН у них одинаков [6]. В таких системах модуляция разрядного тока лампы позволяет получить практически любую, требуемую для подавления ИК ГСН, последовательность импульсов ИК излучения. Из рекламно-информационных материалов фирмы Elektro-Optical Systems видно, что ИК источник представляет собой разрядную трубку из монокристаллического сапфира, наполненную парами цезия и расположенную в наружной термостатирующей сапфировой оболочке, которая заполнена газом-теплоносителем. Данная конструкция лампы обеспечивает высокие удельные электрические нагрузки за счет тегоюсъема потоком воздуха, направленным на наружную оболочку.
Основными излучательными характеристиками таких ламп являются пиковая сила А, постоянная составляющая Ап, длительность импульса излучения по уровню 0,5 от максимального значения f0.s и глубина модуляции, рассчитываемая по формуле: т = [А - Л„)Л4]*100%. По экспертным оценкам цезиевая лампа, входящая в систему противодействия, должна обеспечивать максимальную амплитуду импульса ИК сигнала более 50 Вт/ср и глубину модуляции не менее 95% в спектральных диапазонах от 3,5 мкм до 5,5 мкм (ИК приёмники ГСН на базе PbS, диодные матрицы и др.).
Вместе с тем отечественных разработок, посвященных созданию аналогичных ламп, в настоящее время не существует, а характеристики, особенности конструкции и технология изготовления таких ИК источников не известны. Поэтому изучение процессов, происходящих в лампах, включая разрядную
плазму цезия, во взаимосвязи с электрической схемой питания и элементами конструкции, является актуальной задачей.
Целью данной диссертации является разработка и исследование импульсного источника ИК излучения на основе разряда в парах цезия для систем оптико-электронного противодействия ГСН управляемых ракет. Для создания высокоинтенсивных модулируемых источников ИК излучения необходимо последовательное выполнение следующих задач:
формирование технических требований к источнику излучения и выявления конструктивных и технологических предпосылок создания нового типа импульсных ламп с двумя оболочками и цезиевой плазмообразующей средой;
расчетные исследования импульсного разряда в парах цезия, направленные на формирование детальной картины физических процессов в плазме и стабилизирующих разряд оболочках, а также выявление основных факторов, определяющих характеристики ИК излучения ламп;
установление факторов, определяющих омическое сопротивление лампы в процессе остывания, и изучение способов надежного зажигания разряда в различных температурных условиях;
экспериментальное изучение зависимости характеристик ИК излучения импульсного разряда в парах цезия от конструктивных характеристик, параметров электрической схемы питания и условий эксплуатации лампы;
проведение конструкторско-технологических проработок импульсных ламп с двумя сапфировыми оболочками с в принудительным воздушным охлаждением;
- изучение вопросов дальнейшего совершенствования данного класса
ламп.
Структура данной работы отражает поставленные задачи. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения.
В первой главе проведен анализ литературных и патентных источников, выявлены конструктивные аналоги и показана техническая возможность созда-
7 ния источника ИК излучения на базе отечественных разработок. Предложена
математическая модель разряда в совокупности системы двух поглощающе -излучающих оболочек, приведены методики расчетных исследований, дополненные теплофизическими и оптическими свойствами цезиевой плазмы. В результате расчетного эксперимента получены температурные поля в системе двух оболочек, выявлена совокупность параметров, определяющих постоянную составляющую и пиковую мощность излучения, сформулированы рекомендации по оптимизации характеристик разрабатываемого ИК источника.
Во второй главе рассмотрена универсальная экспериментальная установка и методики исследования излучения в ИК диапазоне импульсного разряда в парах щелочных металлов. Изучены особенности зажигания разряда и выхода в номинальный режим работы лампы, влияния основных параметров разрядного контура, характеристик дежурной дуги, конструктивных особенностей и условий охлаждения ИК источника на излучательные характеристики,
В третьей главе приводятся результаты конструктивно-технологических исследований, направленных на обеспечение требуемого срока службы лампы. Определены конструктивное исполнение электродных узлов, приведены методики расчета напряжений в спае сапфир — металл, предложены технологические способы соединения сапфировых баллонов с металлическими деталями, изучены механические и оптические свойства сапфировых труб, выбран тип наполнения внешней колбы лампы и его давление.
В четвёртой главе на основании расчетных и экспериментальных исследований конструктивных характеристик и условий электрического питания ламп рассмотрены перспективы дальнейшего совершенствования данного класса ИК источников. Изучены спектральное распределение излучения и энергетический баланс цезиевого разряда.
Новые научные результаты, полученные в ходе работы:
1. Впервые разработана математическая модель разряда, учитывающая влияние на выходное излучение лампы системы оболочек в области
8 полупрозрачности. Рассчитан состав Cs - Hg — Хе плазмы, температурное
распределение в разряде и оболочках, структура баланса мощности,
сбрасываемой оболочками, спектральное распределение глубины модуляции и
ее зависимость от удельной мощности разряда.
2. Предложен новый способ зажигания лампы путем испарения пленки
щелочного металла с поверхности разрядной трубки при подключении источ
ников напряжения, характеристики которых в зависимости от сопротивления
пленки Rn имеют следующие значения:
-^=300В,/^=1,5А(Дл<1кОм);
итах=\600В, W=0,4 А(1кОм<#п<150 кОм)
LU,=8 - 10 кВ, t =0.25 мкс,/= 10 Гц. (Д„>150 кОм)
3. Установлено, что при удельных мощностях 270 Вт/см из всех типов
импульсных разрядов в парах щелочных металлов в качестве ИК источника
наиболее эффективен цезий - ртуть - ксеноновый разряд, позволяющий
получать в спектральном диапазоне 3,5 — 5,5 мкм пиковую силу излучения не
менее 50 Вт/ср, глубину модуляции 95% при уровнях энергий 4-5 Дж в
разрядном контуре С= 40 мкФ, L = 50 мкГн и дежурной дуге / =1,0 А.
4. На основании проведенного комплекса исследований впервые
достигнута предельно-допустимая рабочая нагрузка на сапфировую оболочку,
равная 350 Вт/см2 для безблочных сапфировых труб и 250 Вт/см2, имеющих 5 -
7 блоков. Получена корреляция между механической прочностью и предельной
удельной электрической нагрузкой.
5. Разработан принципиально новый отечественный конструктивно -
технологический вариант ИК источника, на котором достигнута долговечность
150 часов при удельной нагрузке 250 Вт/см , устойчивость к механо — клима
тическим воздействиям по группе исполнения 2У ГОСТ РВ 20.39.414.1.
На защиту выносятся;
1. Методика вычислительного эксперимента, включающая математическую модель разряда в системе поглощающе — излучающих оболочек, материальные функции и коэффициенты поглощения плазмы цезия
для широкого диапазона температур и давлений, а также результаты расчета
радиальных распределений температуры в плазме и оболочках для ряда удельных мощностей, состава плазмы, теплового баланса разрядной трубки, характеристик излучения с учетом которых исследуются факторы, определяющих постоянную составляющую и пиковую силу излучения.
2. Экспериментальные результаты исследований факторов,
определяющих омическое сопротивление лампы после выключения, условий
надежного зажигания и выхода в номинальный режим работы.
3. Комплекс данных по оптимизации конструкции лампы (наполнение,
диаметр и межэлектродное расстояние, толщина стенки разрядной трубки, и
т.д.) и условий ее работы (параметры разрядного контура и дежурной дуги, ре
жимы охлаждения) с целью получения пиковой силы излучения не менее 50
Вт/ср и глубины модуляции излучения более 95%.
4. Совокупность методик для определения свойств используемых
материалов и расчета напряжений , возникающих в зоне соединения деталей, а
также результаты конструктивно - технологических исследований ламп с
двумя сапфировыми оболочками, обеспечивающих долговечность до 150 часов
при работе в условиях принудительного воздушного охлаждения.
4. Результаты расчетных и экспериментальных исследований способов повышения эффективности источников в диапазонах длин волн 0,28-0,4 и 3,5-5,5 мкм, а также спектрального распределения излучения цезиевого разряда и энергетического баланса для различных конструктивных вариантов ламп и параметров разрядного контура..
Практическая ценность работы:
Результаты проведенных исследований позволили впервые в России разработать и внедрить в опытное производство серию импульсных ламп с двумя оболочками из искусственного сапфира с разрядом в парах цезия, предназначенных для систем оптического противодействия и имеющих долговечность 150 часов при сохранении пиковой силы излучения не менее 50 Вт/ср и глубины модуляции не менее 95%. В диссертационной работе
10 использованы данные, полученные автором в рамках НИР и ОКР по
исследованию и разработке импульсных ламп с разрядом в парах щелочных
металлов. Основные результаты доложены и обсуждены на четырех
Международных конференциях [19,36,37,52,63,64,86,88,98,119,132],
Международном семинаре [61], опубликованы в трех статьях [62,95,142] и
защищены тремя патентами РФ [126,128,140].
Математическое моделирование процессов в цезиевых источниках инфракрасного излучения
Во многом эффективность накачки достигается за счёт уменьшения длительности светового импульса. Поэтому в работе [37] изучены причины, влияющие на время затухания импульса излучения, и рассмотрены способы его уменьшения. Основными факторами, определяющими время затухания импульса излучения, являются: форма импульса тока (прямоугольная, треугольная), давление буферного газа (ксенона) и вводимая мощность. Показано, что время затухания импульса возрастает в 2,1 раза при переходе от близкой к прямоугольной формы импульса тока к треугольной, в 1,9 раза при увеличении давления инертного газа (ксенона) от 6,65 кПа до 20 кПа и в 1,3 раза при уменьшении мощности на лампе в 2 раза. Исследование влияния наполнения лампы подтвердило результаты работы [29] о более крутом спаде импульса излучения цезиевого разряда в сравнении с К, Rb, Na, который является одним из факторов определяющим глубину модуляции.
Таким образом, на основании изложенного выше, можно выделить следующие особенности разрабатываемого ИК источника: - лампа представляет собой разрядную трубку, расположенную во внешней термостатирующей оболочке, заполненной газом-теплоносителем, например гелием или неоном [7-9,35-37]; - в качестве материала обеих оболочек предпочтительнее использование безблочных сапфировых (корундовых) труб [27, 28], обеспечивающих высокое пропускание [11] и удельную электрическую нагрузку [28]; - для повышения рабочих мощностей на лампе необходимо применять принудительное воздушное охлаждение внешней колбы; - наибольшую эффективность в ИК диапазоне обеспечивает излучение разряда в парах цезия[9].
В пользу выбора цезия в качестве излучающей добавки модулируемого ИК источника можно привести следующие аргументы: - наличие в диаграмме энергетических уровней [38] переходов 6n2p— 5n2d с длинами волн 3,613 и 3,01 мкм; - увеличение выхода ИК излучения за счёт появления молекулярного спектра Cs-Xe [9] при оптимальном сочетании давлений пара металла и инертного газа; - создание ИК источника с глубиной модуляции выше 95% [30] за счёт более низкой теплоёмкости цезия, чем у других щелочных металлов [39, 40].
Для проверки сделанных выше предположений была исследована цезие-вая лампа для накачки лазеров на AHr-Nd3+, имеющая конструкцию, аналогичную описанной в работах [35-37]. Лампа с размерами разрядного промежутка 7/60 и наполнением 6 мг Cs и 200 мм рт. ст. Хе работала в разрядном контуре (С=30 мкФ и L= 55 мкГн) источника питания импульсных ламп «Спардек» при частоте следования токовых импульсов 500 Гц и средней мощности 1,5 кВт (Wu=3 Дж). По описанной в разделе 2.2 методике измерений были получены следующие результаты исследования излучательных характеристик: - пиковая сила излучения А=30 -35 Вт/ср; - глубина модуляции т=88 - 90% - длительность импульса излучения по уровню 0,5 to.s 170-190 мкс. По полученным результатам можно сделать приближенные оценки КПД Р A05-Q-f излучения в спектральном диапазоне 3,5-5,5 мкм: // = — = ; , где П л л - эквивалентный телесный угол, который для трубчатых ламп равен 10 ср.
В результате расчета по приведенному выше выражению имеем rf=\,6%. Для получения требуемой пиковой силы излучения 50 Вт/ср при сохранении tf,to.s„/необходимо поднять мощность на лампе до 2,6 кВт. Наработка исследованной лампы составила 250 часов при удельной нагрузке на оболочку Руд \20 Вт/см . Следовательно, для обеспечения аналогичной наработки лампы мощностью Рл 2,6 квт при неизменных РУд и диаметре разрядного промежутка d необходимо увеличить межэлектродное расстояние / до 1=Ря!(ж-Руд-с$)=9,Ъ см. Поэтому при дальнейших исследованиях в качестве базового варианта принята цезиевая лампа с размерами разрядного промежутка 7/90, которая не является оптимальной. Таким образом, возникает необходимость проведения дополнительных расчетных и экспериментальных исследований конструкции ИК источника (диаметр, межэлектродное расстояние, наполнение горелки и внешней колбы и т.д.), разработки технологии изготовления лампы (способов наполнения, согласованного соединения оболочек с токовводами с учетом свойств используемых материалов и т.д.), изучения эксплутационных характеристик (условий зажигания и электрического питания, охлаждения, стойкости к внешним механо-климатическим и температурным воздействиям и т.д.).
В данном разделе рассматривается вопрос о состоянии плазмы сильно-излучающих разрядов высокого давления в парах щелочных металлов, разрабатывается математическая модель неоднородных импульсных разрядов со сложными спектрами с учетом специфики двухоболочечных сапфировых источников ИК излучения, решаются задачи моделирования процессов в непрерывных и импульсных разрядах в условиях, когда реализуется локальное термодинамическое равновесие.
Математическая модель дуговых и импульсных разрядов в парах щелочных металлов В общем случае процессы в разрядах являются нестационарными, плазма источников излучения неоднородна по объему и в ней возможно проявление эффектов неравновесности и неидеальности. Разрядные процессы могут быть охарактеризованы как плазма высокого давления с уровнем температур порядка (3-10)-103 К и давлениями (0.01- 0.5) МПа. Длительность прохождения тока в импульсных режимах составляет около сотни микросекунд.
Физические процессы в большей части объема разряда протекают в условиях, близких к локальному термодинамическому равновесию (ЛТР). В этом случае для описания состояния плазмы в каждой точке объема можно использовать равновесные функции распределения тяжелых частиц по уровням энергии (распределение Больцмана), электронов и тяжелых частиц - по скоростям поступательного движения (распределение Максвелла), а ионизационный состав определять из соотношений равновесной термодинамики с учетом эффектов неидеальности (применительно к заряженным компонентам-уравнение Саха). Вопросы состояния плазмы разрядов высокого давления в источниках селективного излучения с щелочным наполнением рассматривались во многих работах, в том числе в [14, 41-44]. Принимались во внимание различные эффекты неравновесности, была проведена оценка их влияния на точность моделирования важнейших характеристик источников излучения. Общие выводы о поведении неравновесной плазмы в разнообразных условиях и различные критерии неравновесности содержатся в [45, 46].
Изучение динамики процессов в лампе при выходе в номинальный режим работы
При разработке и эксплуатации ламп на основе Cs - Hg - Хе разряда важно понимание особенностей переходного процесса, длящегося с момента зажигания до выхода в рабочий режим. Эти особенности, как и в разделе 2.1, связаны с наличием пленки цезия на поверхности разрядной трубки и в закатодной области, где расположена холодная точка лампы. Как отмечалось в разделе 2.1, сразу после зажигания лампы поддержание проводящего разрядного канала осуществляется блоком дежурной дуги. В начале несколько секунд работы разряд осуществляется в инертном газе и напряжение на лампе определяется давлением последнего, током дежурной дуги, длиной и диаметром разрядного промежутка. Следует отметить, что температура ксенонового разряда при работе лампы значительно выше температуры плазмы щелочных металлов. Поэтому если сразу после зажигания лампы подавать на нее номинальную электрическую мощность от разрядного конденсатора, то происходит значительный перегрев внутренней сапфировой оболочки, что часто приводит к разрушению лампы. В то же время источник излучения специального назначения должен обеспечивать минимальное время выхода в рабочий режим работы. Следовательно, с одной стороны, необходимо обеспечить плавное повышение температуры разрядной трубки, а с другой стороны, выбрать такой режим повышения мощности, чтобы при сохранении срока службы, излучатель-ные характеристики достигли номинальных значений в течение 5 мин. (необходимое время готовности лампы). В ходе исследований был выбран способ включения лампы со ступенчатым увеличением подаваемой мощности за счет ступенчатого наращивания частоты следования рабочих импульсов по мере роста давления паров металла в горелке. Такой способ выхода в номинальный режим прост для аппаратурной реализации, но для исследований не удобен при определении мощности в фиксированные моменты времени. Поэтому в дальнейших экспериментальным работах ступенчатый реяшм повышения мощности условно принимался равномерным со средней скоростью 6,5 Вт/сек.
Сначала рассмотрим визуально наблюдаемые процессы в лампе при выходе в рабочий режим. В случае лампы 7/90 с наполнением 9 мг Cs, 6 мг Hg, 50мм рт. ст. Хе напряжение дежурной дуги идд сразу после зажигания составляет 20В при токе 7 =1,0А. При этом мощность, выделяемая в лампе, не обеспечивает испарения цезия и ртути. После зажигания в горелке наблюдается разрядный канал диаметром 3 мм белого цвета, соединяющий анод и закатод-ную область, где находится цезиевая пленка. Разряд равномерно охватывает сферическую головку анода, в то время как в закатодной области наблюдается блуждающая привязка к поверхности пленки цезия. Так как работа выхода у цезия на вольфраме )=1,63 эВ ниже, чем у торированного вольфрама =2,64 эВ, то привязка разряда происходит именно в закатодной области.
По мере повышения мощности на лампе до 300 Вт (-45 сек) разрядный канал изменяет цвет на сине — голубой и наблюдается появление запаха озона, что свидетельствует о выходе ртути в разряд. Напряжение дежурной дуги возрастает на 10 - 20В. Так как лампа при исследованиях располагалась вертикально, то при мощности -600 Вт (-90 сек) происходит скатывание капель цезия за катод с поверхности разрядной трубки в приэлектродной зоне. В области катода наблюдается появление сиреневого ореола паров цезия, который заполняет весь разрядный промежуток при возрастании мощности до Рл -1,0 кВт (-150 сек). При этом в закатодной области наблюдается кипение и всплески капель цезия, которые при мощности 1,3 кВт (-200 сек) полностью исчезают. Как следует из [31] напряжение дежурной дуги пропорционально давлению паров щелочных металлов, поэтому с этого момента наблюдается рост Udd. согласно рис. 2.7. Исследование процесса выхода лампы в номинальный режим работы показали, что ход кривых пиковой силы излучения и напряжения дежурной дуги (см. рис.2.7) качественно совпадают при мощности на лампе выше 1,3 кВт. При этом наблюдается стабилизация U и А после достижения мощности -1,9 - 2,0 кВт (-300 сек), что соответствует переходу к разряду в насыщенных парах. Данный факт позволяет сделать заключение, что момент стабилизации напряжения дежурной дуги соответствует времени готовности лампы, что важно при конструировании электронной схемы управления системой противодействия.
В процессе выхода в рабочий режим происходит изменение спектральных характеристик излучения лампы. Для сопоставления трансформации спектра с визуально наблюдаемыми процессами в лампе при повышении мощности необходимо рассмотреть область длин волн, в которой расположена резонансная линия ртути (Я=0,2536 мкм), самообращение которой позволяет судить о
Изменение интенсивности излучения в диапазоне 0,28-0,4 мкм в процессе выхода в рабочий режим лампы, отработавшей 10 (1) и 180 (2) часов росте давления паров Hg. В качестве регистрирующего прибора был использован спектрограф ИСП-30, предназначенный для качественного и количественного анализа материалов и обеспечивающий исследования в спектральном диапазоне 200-600 нм. Прибор на входе имеет диафрагму со ступенчатыми вырезами. Устанавливая различные ступени перед входной щелью спектрографа, можно получить на фотопластинке девять соприкасающихся спектров одинаковой высоты, характерных определенному моменту времени. Экспонирование излучения на фотопластинку производилось в течение 20 сек. через каждые 30 сек. На этой же фотопластинке для расшифровки спектральных линий в работе были сняты спектры излучения шаровых безэлектродных ламп с Fe, Cs и Hg наполнением.
Исследования описанной выше лампы проводились в два этапа. Сначала для определения общей картины спектрального распределения в УФ диапазоне изучалось излучение лампы при мощности Рл=1,5 кВт в разрядном контуре С=30 мкф и L= 55 мкГн. Согласно визуальным наблюдениям можно предположить, что при этой мощности наблюдается максимальное число линий Cs и Hg. В результате исследований обнаружено, наличие в данном УФ спектральном интервале линий, принадлежащих следующим элементам: - цезию:0,3611(200R), 0,3876 (300R) мкм; - ртути: 0,2536(2000R), 0,2652(100R), 0,2967(100R) мкм; - ксенона:0,2979 (200R).
Исследование физико-технических свойств сапфира и разработка требований к материалу оболочки
При совершенствовании конструкции лампы и повышении требований к надежности (срок службы, механо — климатические воздействия) возникла необходимость изучения физико-технических свойств (механическая прочность, светопропускание) сапфировых труб в зависимости от технологических дефектов выращивания: блоки и их разориентация, пузыри, дислокации, инородные включения, внутренние напряжения [141].
Механическая прочность сапфировых труб Ранее были получены результаты исследования механической прочности труб из сапфира с различной степенью блочности на единичных образцах, где уже была видна определенная закономерность влияния блоков на прочностные характеристики материала [28]. В данной работе, как и в авторской работе [142], на каждом этапе исследований изучались по 60-80 образцов корундовых труб с внутренним диаметром 6,7-7,0 мм наружным диаметром 9,6-9,9 мм, высота образцов составляла 20 мм. Все образцы исследовались предварительно на поляриметре с целью определения ориентации межблочных границ (ф) по отношению к напряжению действия разрушающих напряжений, разброс угла 7=5-20.
Подробно методика исследования свойств кристалла рассмотрена в работах [143, 144]. Количество блоков в трубе рассчитывалось при исследовании торца образца-свидетеля посредством поляризационного микроскопа МПСУ-1. Вращение поворотного столика с образцом вокруг оси трубы позволяет наблюдать в окуляре микроскопа чередование черных (погасание блоков) и светлых участков на поверхности. Количество черных участков дает информацию о числе блоков, а угол поворота столика от одного блока к другому о их разориентации. Для изучения механической прочности были изготовлены трубы с разной степенью дефектности: -от безблочных до 30 блоков -с внутренними напряжениями от 5 до 25 кг/мм -с разориентацией блоков 3-25
Принцип действия устройства для разрушения трубчатых образцов, которое предложено в [28] и показано на рис. 3.7, заключается в том, что используется составная среда, позволяющая надежно и просто герметизировать определенный объем образца, обеспечивая при этом равномерное и всестороннее нагружение внутренних стенок его при исключении краевого эффекта. Составная среда передающая нагрузку внутренним стенкам образца, состоит из вязкой жидкости (пластилина, герметика), помещенной в центральной его части, и слоя мелкодисперсного пластически деформируемого порошка, отделяющего вязкую жидкость снизу от опоры, на которой устанавливается образец, а сверху от плунжера, с помощью которого вводится усилие. Так как при испытании образцов на данном устройстве, нагрузка приложена на внутреннюю поверхность трубки равномерно в радиальном направлении в средней части 1/3 длины образца, краевым эффектом можно пренебречь. Это дает возможность исключить трудоемкую операция шлифовки и полировки торцов образцов, что очень важно при подготовке для испытания большого числа образцов. Торцы испытуемых труб были немного подшлифованы для обеспечения прямолинейности.
Величину прочности, т.е. тангенциальное напряжение разрыва стенок трубчатого образца сгр рассчитывали по формуле: тв гх , (3.6) где F - усилие; Rj - внутренний диаметр; R2 - наружный диаметр. Точность измерения, обеспечиваемая методикой, 5кг/мм2.
При разрушении образцы вели себя по-разному в зависимости от характера блоков. ТМБК в случае безблочной структуры или с блочной, ко представляющих собой блочную мозаику, разрушаются, в основном, на многочисленные мелкие кусочки. Если же образцы имели несколько блоков, граница между которыми проходит через всю стенку трубки, то разрушение происходит вдоль этой границы и наблюдается закономерность в поведении разрушающего напряжения от угла ориентации межблочной границы. Получено, что если угол межблочной спайности мал, т. е. граница проходит вдоль радиуса, то напряжение разрушения максимально, и, наоборот, если граница ориентирована перпендикулярно радиусу образца, то напряжение минимально. По-видимому, это можно связать с действием прикладываемых растягивающих трубчатый образец напряжений, которые при угле ориентации межблочной границы у=0 действует по нормали к границе, а при у=90 действие их вызывает сдвиговые процессы, что требует меньших энергетических затрат.
На рис. 3.8 представлена зависимость механической прочности от количества блоков. Как видно из рисунка, на кривых 1-3 механическая прочность с уменьшением числа блоков повышается и у безблочных труб она достигает максимума. Приведенные зависимости разрушающих напряжений получены при комнатной температуре.
Повышение температуры вносит коррективы в происходящие процессы. Температурные испытания механической прочности ТМБК проводились на образцах труб, выращенных по кристаллографической оси [0001].Повышение температуры производилось со скоростью 10 град/мин и контролировалась термопарой.
Экспериментальное исследование способов повышения эффективности ламп в инфракрасном диапазоне спектра
Знание спектральных характеристик и энергетического баланса лампы в зависимости от условий электрического питания и эксплуатации позволяет расширить сферу применения источника излучения. В отличие от разряда в инертных газах излучение плазмы щелочного металла зависит от теплового режима горелки, давления добавок, влияния на излучение основного металла, буферного наполнения и т. д. Изучению спектрального распределения излучения и энергетического баланса цезиевой плазмы, в отличие от других щелочных металлов: Na, К, Rb [12-14, 47, 53], посвящено ограниченное число работ [31, 90, 162]. При этом они посвящены либо цезиевому разряду постоянного тока [90], либо импульсному режиму питания при низких давлениях и малых токах [31. 162], либо в видимом спектральном диапазоне [31, 162]. Изучение спектральных характеристик цезия при потребляемой мощности 2 2,5 кВт и пиковых значениях тока до 300 А в спектральном диапазоне до 3,5 мкм ранее не проводилось, поэтому данная работа является актуальной.
Исследование спектральных характеристик импульсной цезиевой лампы проводилось стандартным методом по ГОСТ 23198-78 путем сравнения излучения образцовой и испытуемой ламп в требуемом спектральном диапазоне. Измерительная установка состояла из спектрометра СДЛ-І, фотоумножителей ФЭУ-39А, ФЭУ-62, фотосопротивления PbS и Ge-Au, блоков питания фотоприемников, регистрирующего самопишущего прибора (милливольтметра).
Определение спектральной чувствительности установки производилось по двум лампам накаливания ТРШ-2850-3000 (ТЦВ=2850К; 1=7,87А) и СИ-8-200 (Тца=2850К; 1=20,7А), на которые подавалось напряжение питания от источника тока МИТ-47. Контроль тока образцового источника осуществлялся амперметром М 1108 класса точности 0,2.
Определение коэффициента перехода от относительных единиц к абсолютным осуществлялось путем измерения пикового значения энергетической силы света їх исследуемой лампы в узких спектральных интервалах, выделяемых интерференционными фильтрами с Лтах=619, 672 и 697 нм. Источниками сравнения являлись лампы накаливания ТРШ-2850-3000 и СИ-8-200 (Г 2850К), энергетическая сила которых в данных спектральных диапазонах известна [163]. Полученные для этих фильтров значения абсолютного масштаба различались не более чем на 10%.
Электрическое питание лампы осуществлялось от многофункционального стенда «Спардек» с напряжением на накопительном конденсаторе (С=50 мкФ) 283 В при частоте следования импульсов 600 Гц Во всех экспериментах шаг прохождения спектрального диапазона 0,3-6,0 мкм составлял 2 нм. Результаты исследования распределения спектральной плотности силы излучения импульсной цезиевой лампы 7/90 приведены на рис. 4.7.
Расчетные оценки приведенных результатов дает следующие значения силы излучения в спектральном диапазоне 0,3-1 мкм —96 вт/ср, а для длин волн 1,0-3,5 мкм—4 вт/ср.
Анализируя спектральное распределение излучения плазмы при помощи диаграммы энергетических уровней цезия [164] можно сделать следующие заключения: - давление паров щелочного металла в лампе составляет порядка 200 мм.рт.ст. Методика определения давления по расстоянию между максимумами крыльев самообращенной резонансной линии 852,1 нм была рассмотрена в разделе 3.2; - излучение резонансных линий 6s-6p при достижении давления 200 мм.рт.ст. существенно самопоглощается, снижается его эффективность и растет непрерывный фон; - ярко выражены узкие линии серии переходов 5d-4f, которые согласно [30] при дальнейшем повышении давления пара уширяются в ИК-область.
Таким образом, при всей наглядности процессов, происходящих в плазме цезия, полученной методикой спектральных исследований, сложность измерений и расчетов не позволяет быстро оценить изменения энергетического баланса при варьировании режимов питания и эксплуатации лампы.
Спектральная плотность силы излучения лампа 7/90 с цезий -ртуть -ксе но новым наполнением при Р3 =2,5 кВт 173 Для этой цели пригоден метод, предложенный в работе [165], суть которого заключается в измерении калориметрическим приемником энергии излучения, спектральный интервал которого выделен при помощи различных фильтров. В этом случае для определения спектральной мощности цезиевой лампы необходимо знать эквивалентный телесный угол (индикатрису), энергию излучения лампы по нормали в различных интервалах длин волн и коэффициенты пропускания используемых фильтров. Измерение индикатрисы в относительных единицах проводилось при помощи горизонтального поворотного стола через 10. В качестве приемника ИК излучения использовался фотодиод ФД119 с корригирующим фильтром на диапазон 3,5-5,5 мкм, для видимого диапазона был применен фотометр Ф005. Каждая точка индикатрисы (рис. 4.8) получалась путем усреднения не менее трех измерений пиковой силы излучения или освещенности. Эквивалентные телесные углы рассчитывались по индикатрисам методом зональных телесных углов [166] с шагом линейного угла 10.
