RU2198450C2

RU2198450C2 - Gas-discharge light source

Info

Publication number: RU2198450C2
Application number: RU2000119569A
Authority: RU
Inventors: С.И. Герасимов; С.А. Холин
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 2000-07-24
Filing date: 2000-07-24
Publication date: 2003-02-10

Abstract

FIELD: lighting engineering; photogrammetric analyses. SUBSTANCE: electrical discharge takes place in discharge gap between high-voltage and grounded electrodes (cathode and anode) with gap width corresponding to original transversal dimensions of 0.05-0.2 mm. Discharge occurs in gas between two insulating walls spaced apart from this gap to ensure fast expansion of emitting area followed by fast cooling down of plasma. Working gas is pre-ionized in discharge gap by means of additional electrode electrically coupled with pulsed power supply and disposed on external surface of wall opposing light-emitting wall. Wall or walls are covered on side facing the gap with optically transparent material to augment plasma cooling upon completion of current growth. EFFECT: enhanced luminous intensity at minimal total length of light pulse. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к газоразрядным осветительным лампам, а именно к газоразрядным импульсным источникам света, и, в частности, имеет целью улучшить искровые разрядники, применяемые для высокоскоростной фотографии и фотограмметрических измерений. The invention relates to gas-discharge lighting lamps, namely to gas-discharge pulsed light sources, and, in particular, aims to improve spark gaps used for high-speed photography and photogrammetric measurements.

Известен открытый разряд в воздухе, исторически явившийся первым вариантом подсветки при осуществлении скоростного фотографирования (Импульсные источники света под ред. И.С. Маршака, М. "Энергия", 1978, с.9). An open discharge in the air is known, which historically was the first variant of illumination during high-speed photography (Pulse light sources, edited by I. S. Marshak, M. "Energy", 1978, p. 9).

Однако получаемая в устройствах, реализующих этот принцип, яркость достаточно мала. Для увеличения яркости (и повышения плотности энергии) распространение разряда ограничивают в радиальном направлении - реализуют схему капиллярного разряда (К. Фольрат. Искровые источники света и высокочастотная кинематография. В сб. "Физика быстропротекающих процессов". М. "Мир", т.1, стр. 138). При этом, однако, увеличивается длительность свечения (низкая теплопроводность стенок и само их наличие препятствуют быстрому охлаждению расширяющейся плазмы), а также уменьшается сила света, которая зависит от площади излучателя. However, the brightness obtained in devices implementing this principle is quite low. To increase the brightness (and increase the energy density), the distribution of the discharge is limited in the radial direction — a capillary discharge scheme is implemented (K. Folrath. Spark light sources and high-frequency cinematography. In the collection "Physics of fast processes". M. Mir, vol. 1 , p. 138). In this case, however, the luminescence duration increases (low thermal conductivity of the walls and their very presence prevent the rapid cooling of the expanding plasma), and the light intensity, which depends on the area of the emitter, also decreases.

Поэтому для ряда приложений используют промежуточную (между открытым и капиллярным разрядами) схему, реализуемую с помощью импульсных ламп (Импульсные источники света под ред. И.С. Маршака, М. "Энергия", 1978, с. 50-150). Замкнутый объем, в котором осуществляется разряд, заполняется определенным рабочим газом в определенном начальном состоянии, а сам объем ограничивается оптически прозрачными стенками, образующими зазор. Световой импульс выводится через открытый зазор. За счет того, что пробойные расстояния для многих газов превышают при тех же условиях соответствующие расстояния для воздуха, в импульсных лампах увеличивается объем рабочего газа, а следовательно, и площадь излучателя и его сила света. Тем не менее импульсные лампы не устраняют недостатков, связанных с необходимостью уменьшения длительности свечения, а относительно низкая яркость не позволяет уменьшать размеры тела свечения, поэтому сила света этих источников относительно мала. Therefore, for a number of applications, an intermediate circuit (between open and capillary discharges) is used that is implemented using flash lamps (Pulsed light sources edited by I. S. Marshak, M. Energia, 1978, pp. 50-150). The enclosed volume in which the discharge is carried out is filled with a certain working gas in a certain initial state, and the volume itself is limited by optically transparent walls that form a gap. The light pulse is output through an open gap. Due to the fact that the breakdown distances for many gases exceed, under the same conditions, the corresponding distances for air, the volume of the working gas increases in flash lamps, and consequently, the area of the emitter and its luminous intensity. Nevertheless, flash lamps do not eliminate the disadvantages associated with the need to reduce the duration of the glow, and the relatively low brightness does not allow to reduce the size of the body of the glow, therefore, the light intensity of these sources is relatively small.

Известно устройство, применяемое для увеличения энергии и мощности разряда импульсного газоразрядного источника излучения (Павловский А.И., Попков Н. Ф. , Пикарь А.С., Каргин В.И., Ряслов Е.А. Авторское свидетельство СССР 1166630, H 01 J 61/90, 27.09.95, бюл. 27). Источник излучения содержит газоразрядную камеру, заполненную рабочим газом, с оптически прозрачной частью (окном) для вывода излучения и электродами (катодом и анодом). Камера выполнена составной из двух противоположных частей (стенок), расположенных с зазором, одна из которых выполнена из оптически прозрачного материала и служит окном для вывода излучения, а другая - из взрывчатого вещества (ВВ). ВВ инициируется с помощью детонаторов. Электроды установлены между частями на концах разрядного промежутка. К электродам камеры через разрядник подключен импульсный источник питания. A device is known that is used to increase the energy and discharge power of a pulsed gas-discharge radiation source (Pavlovsky A.I., Popkov N.F., Pikar A.S., Kargin V.I., Ryaslov E.A. Copyright certificate of the USSR 1166630, H 01 J 61/90, 09/27/95, bull. 27). The radiation source contains a gas discharge chamber filled with a working gas, with an optically transparent part (window) for outputting radiation and electrodes (cathode and anode). The chamber is made up of two opposite parts (walls) located with a gap, one of which is made of optically transparent material and serves as a window for radiation output, and the other of explosive. An explosive is initiated using detonators. Electrodes are installed between the parts at the ends of the discharge gap. A pulsed power supply is connected to the electrodes of the camera through a spark gap.

Как и в аналоге, зазор, определяющий поперечный размер газоразрядной камеры, относительно велик. В противном случае "полезный" сигнал (от момента выхода детонации в газ до удара по окну) по экспозиции окажется меньше фонового, связанного со свечением при разлете продуктов детонации в окружающем воздухе. Прототип невозможно использовать в штатных схемах подсветки на фотопостах в аэробаллистических комплексах для фотограмметрических измерений из-за наличия ВВ, что помимо требований безопасности, наличия систем инициирования и т.д. приводит к увеличению длительности импульса света из-за долгих фоновых подсветок, связанных с разлетом продуктов детонации в окружающем воздухе. Увеличение силы света в этой схеме возможно лишь за счет увеличения излучающей площади, что в свою очередь требует увеличения массы ВВ и, следовательно, является практически невозможным. Поэтому в настоящее время подсветка осуществляется с помощью газоразрядных источников, содержащих штатные импульсные лампы, например, ИФК-500, ИФК-2000. As in the analogue, the gap defining the transverse size of the gas discharge chamber is relatively large. Otherwise, the “useful” signal (from the moment the detonation enters the gas to the impact on the window) by exposure will turn out to be less than the background one associated with the glow when the detonation products expand in ambient air. The prototype cannot be used in standard illumination schemes at photo posts in aeroballistic complexes for photogrammetric measurements due to the presence of explosives, which, in addition to safety requirements, the presence of initiation systems, etc. leads to an increase in the duration of the light pulse due to the long background illumination associated with the expansion of the detonation products in the ambient air. An increase in light intensity in this scheme is possible only due to an increase in the emitting area, which in turn requires an increase in the mass of the explosive and, therefore, is practically impossible. Therefore, at present, backlighting is carried out using gas-discharge sources containing standard flash lamps, for example, IFK-500, IFK-2000.

Регулирование параметров импульса света позволит расширить класс решаемых задач методом высокоскоростного фотографирования. В частности, уменьшение длительности светового импульса при сохранении величины экспозиции позволит увеличить разрешение изображений на фотографиях, что повысит точность их обработки и, соответственно, точность определения аэродинамических параметров. The regulation of the parameters of the light pulse will allow us to expand the class of tasks to be solved by high-speed photography. In particular, reducing the duration of the light pulse while maintaining the exposure value will increase the resolution of images in photographs, which will increase the accuracy of their processing and, accordingly, the accuracy of determining aerodynamic parameters.

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет в относительно безопасных условиях уменьшить длительность светового импульса при повышении силы света. The technical result consists in the fact that the proposed device allows in relatively safe conditions to reduce the duration of the light pulse with increasing light intensity.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного газоразрядного импульсного источника света, включающего наполненную рабочим газом газоразрядную камеру, образованную двумя стенками, установленными с зазором относительно друг друга, между которыми на противоположных концах разрядного промежутка размещены катод и анод, электрически связанные с импульсным источником питания, причем одна из стенок выполнена из оптически прозрачного материала и служит окном для вывода излучения, а также инициатор разряда, в предлагаемом источнике света разряд осуществляется при ширине зазора 0,05-0,2 мм, инициатором разряда служит дополнительный электрод, расположенный на наружной стороне стенки, противоположной окну для вывода излучения, и электрически связанный с импульсным источником питания, причем стенка, противоположная окну для вывода излучения, выполнена из материала с высокой электрической прочностью, не способного к взрывчатому превращению. Кроме того, на по крайней мере одной из обращенных к зазору стенок, образующих газоразрядную камеру, размещен слой оптически прозрачного материала. The technical result is achieved in that, in contrast to the known gas-discharge pulsed light source, including a gas-discharge chamber filled with working gas, formed by two walls installed with a gap relative to each other, between which at the opposite ends of the discharge gap there is a cathode and anode electrically connected to the pulsed source power, and one of the walls is made of optically transparent material and serves as a window for outputting radiation, as well as a discharge initiator, in the proposed The light source is discharged with a gap width of 0.05-0.2 mm, the initiator of the discharge is an additional electrode located on the outer side of the wall opposite the window for outputting radiation, and electrically connected with a pulsed power source, the wall opposite the window for outputting radiation, made of a material with high electric strength, not capable of explosive transformation. In addition, a layer of optically transparent material is placed on at least one of the walls facing the gap, forming a gas discharge chamber.

Выбор зазора в интервале 0,05-0,2 мм обусловлен тем, что этот интервал соответствует начальным размерам стримера. При этом пиковые яркости для данной напряженности максимальны, поскольку окно, через которое выводится излучение, контактирует с зоной, имеющей максимальную температуру. При данной скорости нарастания тока в таком устройстве происходит наиболее быстрое нарастание площади излучения и, следовательно, силы света, поскольку скорость одномерного расширения максимальна. Вместе с тем минимальный рабочий объем газа и быстрое охлаждение после прекращения нарастания тока приводят к резкому уменьшению длительности свечения после достижения пиковой силы света. The choice of a gap in the range of 0.05-0.2 mm is due to the fact that this interval corresponds to the initial dimensions of the streamer. In this case, the peak brightness for a given intensity is maximum, since the window through which the radiation is output is in contact with the zone with the maximum temperature. At a given current rise rate in such a device, the most rapid increase in the radiation area and, consequently, light intensity occurs, since the one-dimensional expansion speed is maximum. At the same time, the minimum working volume of the gas and rapid cooling after the cessation of the increase in current lead to a sharp decrease in the duration of the glow after reaching the peak light intensity.

Установка дополнительного электрода, являющегося инициатором разряда, при выборе зазора в заявляемом интервале позволяет увеличить силу света источника, т. к. осуществляемая им предварительная до инициирования разряда ионизация (предыонизация) газа в зазоре между катодом и анодом позволяет увеличить пробойное расстояния между электродами при любом выборе рабочего газа. При этом согласуются параметры разрядного контура и плазмы, благодаря чему осуществляется апериодический характер разряда. The installation of an additional electrode, which initiates the discharge, when choosing a gap in the claimed interval allows you to increase the luminous intensity of the source, because it carries out prior to the initiation of the discharge ionization (preionization) of the gas in the gap between the cathode and anode allows to increase the breakdown distance between the electrodes for any choice working gas. In this case, the parameters of the discharge circuit and plasma are consistent, due to which the aperiodic nature of the discharge is realized.

Дополнительный электрод во избежание пробоя устанавливается на наружной поверхности стенки, противоположной окну для вывода излучения, выполненной из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью, не способного к взрывчатому превращению, что обеспечит наряду с иными преимуществами возможность безопасной работы. An additional electrode is installed on the outer surface of the wall opposite the window for radiation emission, made of a dielectric material with high electric strength, not capable of explosive transformation, to avoid breakdown, which, along with other advantages, will ensure the safe operation.

При этом, если стенка, противоположная окну для вывода излучения, выполнена из материала, удовлетворяющего вышеназванным свойствам, в частности из оптически прозрачного материала, дополнительный электрод, расположенный на ее наружной стороне, становится отражателем, увеличивая силу света источника. Moreover, if the wall opposite the window for outputting radiation is made of a material that satisfies the above properties, in particular of an optically transparent material, an additional electrode located on its outer side becomes a reflector, increasing the light intensity of the source.

Дополнительное уменьшение длительности светового импульса может достигаться покрытием по крайней мере одной из обращенных к зазору поверхностей стенок, образующих газоразрядную камеру, слоем оптически прозрачного материала. Частично деструктурирующий в процессе расширения разряда материал приводит к интенсификации теплообмена с плазмой и приводит к более быстрому ее охлаждению. An additional reduction in the duration of the light pulse can be achieved by coating at least one of the surfaces of the walls facing the gap, forming a gas discharge chamber, with a layer of optically transparent material. Partially destructive during the expansion of the discharge, the material leads to intensification of heat transfer with the plasma and leads to its more rapid cooling.

Таким образом, выбор величины зазора в интервале 0,05-0,2 мм в сочетании с использованием в качестве инициатора разряда дополнительного электрода, расположенного на наружной поверхности стенки, противоположной окну для вывода излучения, и электрически связанного с импульсным источником питания, а также подбором материала стенки, противоположной окну для вывода излучения (высокая прочность, неспособность к взрывчатому превращению) позволяют в безопасных условиях уменьшить длительность генерируемого импульса света при повышении силы света. Thus, the choice of the gap in the range of 0.05-0.2 mm in combination with the use of an additional electrode as a discharge initiator located on the outer surface of the wall opposite the window for outputting radiation and electrically connected to a switching power supply, as well as selection the material of the wall opposite to the window for radiation output (high strength, inability to explosive transformation) under safe conditions allows to reduce the duration of the generated light pulse with increasing light intensity a.

На чертеже представлено схематичное изображение предлагаемого устройства. The drawing shows a schematic representation of the proposed device.

Устройство представляет собой газоразрядную камеру, ограниченную противоположно установленными диэлектрической стенкой 1 и стенкой 2 из оптически прозрачного материала (окно для вывода излучения), например из стекла. Зазор 3, образуемый стенками, лежит в пределах 0,05-0,2 мм, в нашем случае он равен 0,1-0,15 мм. The device is a gas discharge chamber limited by oppositely mounted dielectric wall 1 and wall 2 of an optically transparent material (a window for outputting radiation), for example, of glass. The gap 3 formed by the walls lies within 0.05-0.2 mm, in our case it is 0.1-0.15 mm.

Между стенками 1 и 2 расположены формирующие разрядный промежуток катод 4 и анод 5. Зазор 3 заполнен рабочим газом, например воздухом атмосферного давления. На наружной поверхности стенки 1 расположен дополнительный электрод 6, служащий инициатором (а также предыонизотором) разряда и электрически связанный с импульсным источником питания 7. Он представляет собой, например, металлическую пластину. Для интенсификации охлаждения плазмы разряда на обращенные к зазору поверхности стенок 1 и/или 2 нанесен тонкий слой оптически прозрачного материала 8, например тонкой органической пленки. При этом стенка 1 выполнена из диэлектрического материала с высокой электрической прочностью, не способного к взрывчатому превращению, например из оргстекла (электрическая прочность не менее 10 кВ/мм). Between the walls 1 and 2 are located the cathode 4 and the anode 5 that form the discharge gap. The gap 3 is filled with a working gas, for example atmospheric pressure air. An additional electrode 6 is located on the outer surface of the wall 1, which serves as the initiator (as well as the preionizer) of the discharge and is electrically connected to the switching power supply 7. It is, for example, a metal plate. To intensify the cooling of the discharge plasma, a thin layer of optically transparent material 8, for example, a thin organic film, is applied to the surface of the walls 1 and / or 2 facing the gap. In this case, wall 1 is made of a dielectric material with high electric strength, not capable of explosive transformation, for example, of plexiglass (electric strength of at least 10 kV / mm).

Работа устройства осуществляется следующим образом. После подачи импульса напряжения от источника питания 7 на дополнительный электрод 6 и импульса напряжения от источника питания 7 на катод 4 происходит предварительная ионизация рабочего газа в зазоре 3 между стенками 1 и 2, а затем между катодом 4 и анодом 5 и далее развивается искровой разряд. Технологическое обеспечение зазора 0,05-0,2 мм приводит к быстрому плоскому расширению светящейся области и росту силы света. По мере достижения пикового значения происходит резкий дальнейший спад силы света за счет быстрого охлаждения расширяющейся плазмы. При этом органическая пленка 8 на поверхности одной из стенок, обращенной к зазору, в процессе разряда создает условия, интенсифицирующие происходящие при разряде процессы. The operation of the device is as follows. After applying a voltage pulse from the power source 7 to the additional electrode 6 and a voltage pulse from the power source 7 to the cathode 4, the working gas is pre-ionized in the gap 3 between walls 1 and 2, and then between the cathode 4 and the anode 5, a spark discharge develops. Technological support of the gap of 0.05-0.2 mm leads to a rapid flat expansion of the luminous region and an increase in luminous intensity. As the peak value is reached, a sharp further decrease in light intensity occurs due to the rapid cooling of the expanding plasma. In this case, the organic film 8 on the surface of one of the walls facing the gap during the discharge creates conditions that intensify the processes occurring during the discharge.

Сравнение световых параметров данного устройства и штатных источников, выполненных на базе стандартных ИФК-ламп, показывает, что предлагаемое устройство, используя ту же электрическую схему включения и воздух атмосферного давления в качестве рабочего газа, позволяет более чем вдвое уменьшить длительность светового импульса при соответствующем увеличении силы света. При нанесении тонкого слоя оптически прозрачного материала на обращенные к зазору поверхности стенок длительность сигнала дополнительно снижается в 1,5 раза. A comparison of the light parameters of this device and standard sources, based on standard IFK lamps, shows that the proposed device, using the same electrical circuit and atmospheric pressure air as the working gas, can more than halve the light pulse duration with a corresponding increase in power Sveta. When a thin layer of optically transparent material is applied to the wall surfaces facing the gap, the signal duration is further reduced by 1.5 times.

Таким образом, в предлагаемом источнике света в силу его конструктивных особенностей получен в относительно безопасных условиях импульс света, характеризующийся малой длительностью и большой силой света. Thus, in the proposed light source, due to its design features, a light pulse is obtained under relatively safe conditions, characterized by a short duration and a large light intensity.

Claims

1. A gas-discharge light source, including a gas-discharge chamber filled with working gas, formed by two walls installed with a gap relative to each other, between which at the opposite ends of the discharge gap there is a cathode and anode electrically connected to a pulsed power source, at least one of the walls made of optically transparent material and serves as a window for radiation output, as well as a discharge initiator, characterized in that the gap width is selected in the range of 0.05-0.2 mm, and the wall opolozhnaya window for outputting radiation, made of a material not capable of explosive transformation.

2. The gas-discharge light source according to claim 1, characterized in that a layer of optically transparent material is placed on at least one of the walls facing the gap, forming a gas-discharge chamber.

3. The gas-discharge light source according to claim 1, characterized in that the working gas is atmospheric pressure air, and an additional electrode is selected as the initiator of the discharge, located on the outer side of the wall opposite the window for outputting radiation, electrically connected to a pulsed power source, the wall opposite the window for outputting radiation is made of a material with high electrical strength.