Устройство для измерения оптической прозрачности в инфракрасной области спектра трубчатой оболочки из лейкосапфира газоразрядных ламп с цезиевым наполнением
Полезная модель относится к техническим средствам, предназначенным для определения коэффициента пропускания в инфракрасной области спектра трубчатых оболочек из лейкосапфира, которые применяются при производстве газоразрядных ламп с цезиевым наполнением.
Особенность конструкции предлагаемого устройства состоит в том, что оно снабжено установленным в интегрирующем шаре элементом, обеспечивающим пространственное распределение по внутренней поверхности исследуемой оболочки излучения, генерируемого установленным вне интегрирующего шара блоком формирования некогерентного оптического излучения инфракрасной области спектра. Указанный элемент выполнен с возможностью диффузного отражения излучения в инфракрасной области спектра, причем его отражающей поверхности придана форма прямого усеченного конуса, высота которого равна протяженности исследуемой оболочки в зоне, соответствующей разрядному промежутку лампы, в составе которой эта оболочка используется, а диаметр основания равен внутреннему диаметру исследуемой оболочки.
Полезная модель относится к области технических средств для определения коэффициента пропускания исследуемого материала и может найти применение при измерении оптической прозрачности в инфракрасной (ИК) области спектра оболочек из бесцветного лейкосапфира, применяемых при производстве газоразрядных источников модулированного ИК излучения. Указанные источники ИК излучения используются в качестве излучающего элемента в устройствах оптико-электронного противодействия, предназначенных для формирования имитирующей активной помехи с целью индивидуальной защиты летательных аппаратов от поражающего воздействия управляемых ракет, оснащенных ИК головками самонаведения (ГСН). Основной задачей, стоящей перед разработчиками эффективных источников ИК излучения с учетом их аппаратурного применения, является обеспечение необходимого уровня интенсивности излучения в спектральном диапазоне, соответствующем диапазону спектральной чувствительности ИК ГСН (3,5-5,0 мкм). Указанная задача решается, во-первых, путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется электрический разряд, и, во-вторых, использованием ограничивающей разряд оболочки из прозрачного в заданной области спектра излучения разряда материала, с учетом того, что интенсивность генерируемого разрядом излучения ограничивается степенью прозрачности материала оболочки.
Известно, что ИК излучение в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среде на основе цезия [1] и, следовательно, оболочка газоразрядных ламп с цезиевым наполнением может быть выполнена исключительно из бесцветного лейкосапфира, поскольку этот материал обладает прозрачностью в ИК области спектра оптического излучения и устойчив к воздействию паров щелочных металлов, в частности паров цезия [2]. Оболочка из бесцветного лейкосапфира представляет собой изготовленный из расплава по методу А.В.Степанова профилированный монокристалл окиси алюминия в виде прямой цилиндрической трубки [3]. На оптической пропускание трубок из бесцветного лейкосапфира влияют различные неоднородности, обуславливающие их рассеивающие свойства. Такими неоднородностями в теле трубки являются газовые и твердые включения диаметром свыше 2,0 мкм. Следует отметить, что использование в качестве оболочки газоразрядных ламп трубок из профилированного бесцветного лейкосапфира существенно увеличивают стоимость ламп. Поэтому в процессе серийного производства газоразрядных ламп с цезиевым наполнением крайне актуальной является предварительная оценка оптического пропускания в заданном спектральном диапазоне лейкосапфировых труб, используемых в качестве оболочек ламп.
Литературные данные по оптическим характеристикам лейкосапфира крайне ограничены. Попытка обобщить результаты исследований оптической прозрачности лейкосапфира в спектральном диапазоне 0,5-6,0 мкм сделана в работе [4]. Однако, все приведенные в указанной работе результаты относятся к плоскопараллельным пластинам и, следовательно, к исследуемым образцам в виде прямых труб с цилиндрической поверхностью практически не применимы. Таким образом контроль интегральной прозрачности лейкосапфировых оболочек газоразрядных ламп в виде труб с цилиндрической поверхностью, с учетом присущего им направленно-диффузного пропускания, необходимо проводить по прозрачности боковой поверхности исследуемой оболочки с использованием интегрирующего шара (т.н. шара Ульбрихта), который позволяет производить измерение как относительным методом, те сравнением с эталоном, коэффициент пропускания (оптическая прозрачность) которого известен, так и абсолютным методом. Важность и необходимость такого контроля не вызывает сомнения. Именно поэтому возникла необходимость разработки устройства для осуществления входного контроля труб из бесцветного лейкосапфира на предмет оптической прозрачности после их выращивания с целью оценки их пригодности для использования в качестве оболочки газоразрядных ламп с цезиевым наполнением в составе устройств оптикоэлектронного противодействия. Совершенно очевидно, что коэффициент пропускания оптического излучения, характеризующий оптическую прозрачность оболочки из бесцветного лейкосапфира, является важнейшей фотометрической характеристикой объекта исследования. С помощью этого показателя удается охарактеризовать качество изделия в целом.
Из теории интегрирующего (фотометрического) шара [5] следует, что поток излучения, рассеиваемый его внутренней стенкой, распространяется по ней совершенно равномерно. Поэтому, если внутри полой сферы, стенка которой имеет во всех точках одинаковый коэффициент отражения 
поместить генерирующий поток излучения Ф источник, то отраженный от стенки шара поток излучения Ф создает во всех точках одну и туже плотность поля пропускания 
, где r - радиус шаровой поверхности. Вторично отраженное излучение 2Ф снова равномерно распределяется по стенке шара и дополнительная плотность поля излучения окажется 
и т.д. до бесконечности, а величины суммарной плотности поля излучения в произвольной точке на внутренней поверхности шара составляет
где E0 - плотность излучения, которую источник излучения создает в указанной произвольной точке при непосредственном падении излучения на поверхности шара. Поэтому, как указано [5], если испытуемый источник излучения с неизвестным потоком излучения Ф поместить в интегральном шаре на место источника с известным потоком излучения Ф0, то 
. Установив тем или иным способом отношение величин 
, можно определить интенсивность излучения неизвестного источника. На основании вышеизложенного следует, что размещенная в шаре исследуемая оболочка делит окружающее пространство на два полупространства, причем одно из них расположено внутри исследуемой оболочки, а другое - вне оболочки. Из первого полупространства излучение падет на внутреннюю поверхность боковой стенки исследуемой оболочки и частично проходит через нее во второе полупространство. Отношение потоков излучения, прошедшего через исследуемую оболочку, к потоку излучения, падающего на внутреннюю поверхность боковой стенки исследуемой оболочки, определяет величину коэффициента пропускания исследуемой оболочки, характеризующего степень ее оптической прозрачности.
Известно устройство для измерения оптической прозрачности трубчатой оболочки из лейкосапфира [6], содержащее оптически связанные блок формирования некогерентного оптического излучения в виде лампы накаливания, интегрирующий шар, в котором установлен держатель исследуемой оболочки, и блок фотометрирования в составе приемника излучения и регистрирующего прибора, причем лампа накаливания размещена в центре интегрирующего шара так, что генерируемое ее излучение осуществляет засветку внутренней поверхности исследуемой оболочки. Световой поток от лампы накаливания проходит через боковую стенку исследуемой оболочки и поступает на вход блока фотометрирования, установленного на стенке интегрирующего шара. Измерение осуществляется методом замещения, т.е. первоначально осуществляется регистрация светового потока от лампы накаливания (первичного источника излучения), а затем на лампу накаливания (путем установки на держателе) одевается исследуемая оболочка из бесцветного лейкосапфира и вновь регистрируется световой поток. Отношение величин указанных световых потоков при первичной и вторичной регистрации дает коэффициент пропускания боковой поверхности исследуемой оболочки, который характеризует степень ее оптической прозрачности.
Недостаток устройства, выбранного в качестве прототипа, состоит в недостаточной точности измерения оптической прозрачности исследуемой оболочки, поскольку блок формирования некогерентного оптического излучения (лампа накаливания) не обеспечивает пространственного распределения излучения, соответствующего пространственному распределению излучения в рабочем режиме функционирования газоразрядного источника излучения с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в обеспечении пространственного распределения излучения от блока формирования некогерентного оптического излучения по внутренней поверхности исследуемой оболочки из бесцветного лейкосапфира максимально приближенному к пространственному распределению ИК излучения разряда в плазмообразующей среде газоразрядной лампы с цезиевым наполнением.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого решения, заключается, соответственно, в повышении точности измерения оптической прозрачности исследуемой оболочки в ИК области спектра (3,5-5,0 мкм).
Заявляемой устройство для измерения оптической прозрачности в ИК области спектра трубчатой оболочки из лейкосапфира газоразрядных ламп с цезиевым наполнением, как и устройство, выбранное в качестве прототипа, содержит оптически связанные блок формирования некогерентного оптического излучения, интегрирующий шар, в котором установлен держатель исследуемой оболочки, и блок фотометрирования.
Отличие заявляемого устройства от прототипа состоит в том, что устройство дополнительно содержит элемент, обеспечивающий пространственное распределение излучения от блока формирования некогерентного оптического излучения по внутренне поверхности исследуемой оболочки, причем блок формирования некогерентного оптического излучения выполнен с возможностью генерации излучения, соответствующего по спектральному составу излучению разряда в плазмообразующей среде на основе цезия в ИК области спектра, элемент, обеспечивающий пространственное распределение излучения от блока формирования некогерентного оптического излучения по внутренней поверхности исследуемой оболочки, выполнен с возможностью диффузного отражения излучения в инфракрасной области спектра, генерируемого блоком формирования некогерентного оптического излучения, и его отражающей поверхности придана форма прямого круглого конуса, обращенного основанием к держателю исследуемой оболочки, высота конуса выбирается из условия равенства протяженности исследуемой оболочки в зоне соответствующей разрядному промежутку лампы, а диаметр основания конуса выбирается из условия равенства внутреннему диаметру исследуемой оболочки.
На фиг.1 представлено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемого устройства. Устройство для измерения оптической прозрачности в ИК области спектра трубчатой оболочки из лейкосапфира газоразрядных ламп с цезиевым наполнителем содержит размещенный за пределами интегрирующего шара 1 блок формирования ИК излучения (3,5-5,0 мкм) 2, в составе первичного источника излучения, светоформирующей оптической системы и ИК фильтра (на рис.1 не показаны), установленный в интегрирующем шаре 1 держатель 3 исследуемой оболочки из бесцветного лейкосапфира 4, на котором установлен элемент 5, обеспечивающий пространственное распределение излучения от блока 2 по внутренней поверхности исследуемой оболочки 4, и блок фотометрирования в составе приемника излучения 6 и регистрирующего прибора 7. Диффузно отражающей поверхности элемента 5, выполненного из алюминия, придана форма конуса, высота которого (h) соответствует протяженности исследуемой оболочки 4 в зоне разрядного промежутка лампы, в составе которой она используется, а диаметр основания (d) соответствует внутреннему диаметру оболочки 4. Элемент 5 установлен так, что его основание примыкает к держателю 3, а вершина формообразующей поверхности (конуса) в данном конкретном случае ориентирована по направлению к блоку 2.
Принцип функционирования и варианты технического осуществления блока 2, приемника ИК излучения 6, регистрирующего прибора 7 и интегрирующего шара 1 достаточно хорошо известны и поэтому в данном конкретном случае подробного пояснения не требуют.
Заявляемое устройство работает следующим образом. ИК излучение от блока 2, сформированное в виде параллельного с диаметром равным внутреннему диаметру оболочки пучка, через входное отверстие в интегрирующем шаре 1 подается на диффузно отражающую поверхность элемента 5. Отраженное от элемента 5 ИК излучение формирует поле излучения, пространственная структура которого аналогична полю излучения, которое реализуется у внутренне поверхности оболочки 4 при ее функционировании в составе газоразрядной лампы с цезиевым наполнением. Блок фотометрирования (в составе приемника 6 и регистрирующего прибора 7) регистрирует величину интенсивности потока излучения, отраженного от стенки шара 1. Измерение производится последовательно при установке в шаре 1 на держателе 3 эталонной оболочки, данные о прозрачности в области ИК спектра которой известны, и исследуемой оболочки 4 - так называемый метод замещения. Полученные данные сравниваются.
Промышленная применимость заявляемого решения подтверждается возможностью его многократного воспроизведения в процессе производства. Заявляемое устройство разработано с использованием современных технологий и комплектации для эксплуатации в составе контрольно измерительного оборудования для оценки качества оболочек из бесцветного лейкосапфира при серийном производстве газоразрядных ламп с цезиевым наполнением.
Литература:
1. Прикладная физика, 2009, 
1, с.53-58.
2. Светотехника, 2008, 2, с 12-18.
3. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костылев А.С. Получение профилированных кристаллов и изделий методом Степанова, Л.: Наука, 1971.
4. Теплофизика высоких температур, 1982, Т.29, 5, с.872-880.
5. Гуревич М.М. Фотометрия - теория, методы, приборы, Л.: Энергоатомиздат, 1983.
6. Светотехника, 1987, 12, с.14-15.
Устройство для измерения оптической прозрачности в инфракрасной области спектра трубчатой оболочки из лейкосапфира газоразрядных ламп с цезиевым наполнением, содержащее оптически связанные блок формирования некогерентного оптического излучения, интегрирующий шар, в котором установлен держатель исследуемой оболочки, и блок фотометрирования, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит элемент, обеспечивающий пространственное распределение излучения от блока формирования некогерентного оптического излучения по внутренней поверхности исследуемой оболочки, причем блок формирования некогерентного оптического излучения выполнен с возможностью генерации излучения в виде пучка с диаметром, равным внутреннему диаметру исследуемой оболочки, соответствующего по спектральному составу излучению разряда в плазмообразующей среде на основе цезия в инфракрасной области спектра, элемент, обеспечивающий пространственное распределение излучения от блока формирования некогерентного оптического излучения по внутренней поверхности исследуемой оболочки, выполнен с возможностью диффузного отражения излучения в инфракрасной области спектра, генерируемого блоком формирования некогерентного оптического излучения, и его диффузно отражающей поверхности придана форма прямого круглого конуса, обращенного основанием к держателю исследуемой оболочки, высота конуса выбирается из условия равенства протяженности исследуемой оболочки в зоне, соответствующей разрядному промежутку лампы, а диаметр основания конуса выбирается из условия равенства внутреннему диаметру исследуемой оболочки.
