CC BY
22
УДК 628.94:681.782.473:620.1
ИСТОЧНИКИ СВЕТА ДЛЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ МАТЕРИАЛОВ
Александр Петрович Гурьев
Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения, 188540, Россия, Ленинградская область, г. Сосновый Бор, ул. Ленинградская, 29 Т, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (813)696-84-47, e-mail: [email protected]
Александр Геннадьевич Бедрин
Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения, 188540, Россия, Ленинградская область, г. Сосновый Бор, ул. Ленинградская, 29 Т, кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории, тел. (813)696-84-13, e-mail: [email protected]
Иван Сергеевич Миронов
Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения, 188540, Россия, Ленинградская область, г. Сосновый Бор, ул. Ленинградская, 29 Т, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (813)696-88-18, e-mail: [email protected]
Приведен обзор технических характеристик ряда источников света на основе газоразрядных излучателей, позволяющих облучать объекты площадью до 1 м2. Для генерации световых импульсов миллисекундной длительности используются емкостные накопители, секундной длительности - система сетевого тиристорного энергопитания мощностью 3 МВт. Требуемые амплитудно-временные характеристики светимости излучателей во втором случае формируются посредством компьютерного профилирования импульсов тока. Источники света предназначены для теплофизических исследований оптических и конструкционных материалов, а также для проведения световых испытаний оптико-электронной аппаратуры.
Ключевые слова: физическое моделирование, световые импульсы, мощное некогерентное излучение, ксеноновые лампы, магнитоприжатый разряд.
LIGHT SOURCES FOR THERMOPHYSICAL RESEARCH OF MATERIALS
Aleksandr P. Guriev
Scientific Research Institute for Optoelectronic Instrument Engineering, 188540, Russia, Leningrad region, Sosnovy Bor, 29 T Leningradskaya St., Ph. D., lead researcher, tel. (813)696-84-47, e-mail: [email protected]
Aleksandr G. Bedrin
Scientific Research Institute for Optoelectronic Instrument Engineering, 188540, Russia, Leningrad region, Sosnovy Bor, 29 T Leningradskaya St., Ph. D., Head of Laboratory, tel.(813)696-84-13, e-mail: [email protected]
Ivan S. Mironov
Scientific Research Institute for Optoelectronic Instrument Engineering, 188540, Russia, Leningrad region, Sosnovy Bor, 29 T Leningradskaya St., Ph. D., lead researcher, tel. (813)696-88-18, e-mail: [email protected]
A review of technical data for a number of light sources based on gas-discharge sources of optical radiation permitting to irradiate objects over an area of up to 1 m2 is given. To generate light pulses of millisecond duration the capacitive storages of second duration, namely, a system of thyristor energy supply 3 MW power are used. The required amplitude-time characteristics of optical
radiation brightness are formed in the latter case by computer profiling of the current pulse. The light sources are intended for thermophysical research of optical and structural materials as well as for light tests of optoelectronic equipment.
Key words: physical simulation, light pulses, intense incoherent radiation, xenon lamp, magnet-pressed discharge.
Для целей физического моделирования силового и функционального воздействия мощного оптического некогерентного излучения природных и техногенных вспышек на материалы и оптико-электронную аппаратуру в НИИ ОЭП разработан и построен ряд установок на основе газоразрядных излучателей, позволяющих облучать объекты площадью до 1 м2. Ниже приведены описания конструкций и технические характеристики источников света, предназначенных для теплофизических исследований оптических и конструкционных материалов, а также проведения световых испытаний оптико-электронной аппаратуры.
1. Сетевой широкоформатный излучатель
Формирование излучения осуществляется с помощью широкоформатной ламповой панели на основе 15 импульсных трубчатых ксеноновых ламп ИНП 16/530 (рис. 1), работающих в импульсном и квазидуговом режимах милли-секундной и секундной длительности [1]. В импульсном режиме амплитудно-временные параметры регулируются напряжением заряда и изменением емкости конденсаторного накопителя с запасаемой энергией до 55 кДж. Для обеспечения квазистационарного дугового режима работы ламп применяется специализированный сетевой энергокомплекс на основе тиристорного агрегата электрической мощностью 3 МВт (рис. 2), при этом формирование импульсов излучения осуществляется посредством компьютерного управления разрядным током каждой лампы. Такая схема комбинированного электропитания лампового излучателя позволяет охватить широкий диапазон длительностей формируемых световых импульсов и моделировать двухимпульсные вспышки света [2] различной природы.
Рис. 1. Общий вид широкоформат- Рис. 2. Сетевой энергокомплекс
ной ламповой панели
С целью повышения облученности в рабочем пятне применялись концентрирующие оптические системы фоконного типа. Программно-аппаратный диагностический комплекс стенда позволяет измерять спектрально-энергетические и амплитудно-временные параметры излучения с выводом информации на любой цифровой носитель. Излучатель, технические характеристики которого представлены в табл. 1, удобен при теплофизических исследованиях материалов, обеспечивает достаточно большое пятно облучения и чистые условия для проведения испытаний современных образцов оптико-электронной аппаратуры на световую стойкость.
Таблица 1
Технические характеристики излучателя в квазистационарном режиме
Максимальное значение облученности, Вт/см2 280± 20
Длительность импульса света, сек до 10
Площадь облучения, м2 до 1
Неравномерность распределения энергии излучения по пятну, % не более 20
Спектральный состав излучения, % / АХ, нм АХ = 220-400 11±1
АХ = 400-700 22±2
АХ= 700-1300 67±6
2. Имитатор солнечного излучения (стенд Ксенон-Солнце)
Прогнозирование изменений характеристик материалов и приборов при импульсном, длительном постоянном или циклическом воздействии излучения невозможно без проведения испытаний на световое воздействие с помощью стендов, имитирующих излучение реальных источников света. Назначение излучателя Ксенон-Солнце на основе дуговых ксеноновых ламп высокого давления (ДКсШР-3, 5 или 10 кВт) - проведение исследований материалов, элементов, узлов и приборов при воздействии солнечного излучения. Источник света представляет собой оптическую систему из шаровой лампы, эллипсоидного отражателя и сферического контротражателя. На рис. 3 приведена конструкция излучателя, а на рис. 4 - спектр излучения дуговой ксеноновой лампы. С целью изучения светового старения изделий в процессе их эксплуатации нормальный режим, соответствующий требованиям ТЗ (ТУ) на изделие, заменяют форсированным, в котором длительное время т воздействия излучения заменяется повышенным значением облученности в при сохранении соотношения sт=const Применение ускоренных испытаний материалов в форсированном по облученности режиме позволяет сократить длительность экспозиции, дает существенный экономический эффект и возможность многократного повторения испытаний.
Рис. 3. Конструкция излучателя Рис. 4. Спектр излучения лампы
ДКсШР 10 кВт
Таблица 2
Технические характеристики стенда Ксенон-Солнце
Плотность потока излучения на образце, Вт/м2 1120...4600
Площадь облучаемой поверхности, см2 до 1300
Облученность в пятне облучения до 5 см2, Вт/см2 до 300
Спектральное распределение потока излучения в диапазонах, % / АХ, нм АХ = 220-400 7 ± 0,5
АХ = 400-700 36 ± 2
АХ= 700-1300 57 ± 3
3. Источник света на основе плазменного излучателя
Плазменные излучатели, созданные по принципу разрядов с испаряемой стенкой, могут работать как в импульсном, так и в длительном квазинепрерывном режиме. К числу таких разрядов относится магнитоприжатый разряд (МПР), прижатый магнитным полем к ограничивающей непроводящей стенке [3]. На основе МПР разработаны импульсный и квазинепрерывный плазменные излучатели [4], параметры которых приведены в табл. 3.
Таблица 3
Параметры плазменных излучателей на основе МПР
Импульс- Квазинепре- Комбиниро-
Параметр ный излу- рывный излу- ванный излу-
чатель чатель чатель
Габариты, см 20 х 6.5 х 2 8 х 2.5 х 2 8 х 2 х 2
Ток разряда, А до 3 х 105 до 5 х 103 8 х 104 -5 х 103
Яркостная температура, К до 3 х 104 до 6 х 103 1,6 х 104 -7 х 103
Энергетическая светимость, Вт/см2 до 106 до 5 х 103 2х 105-104
Длительность свечения, сек до 3 х 10-3 до 1 до 1
Питание импульсного излучателя осуществляется от емкостного накопителя с запасаемой энергией 2 МДж, зарядным напряжением до 10 кВ, полной емкостью 0,0357 Ф. Такой накопитель позволяет реализовать указанные в табл. 3 характеристики плазменного излучателя с площадью излучающей поверхности 130 см2. Питание квазинепрерывного излучателя осуществляется от сетевого тиристорного выпрямителя мощностью 3 МВт.
Комбинированный излучатель с электромагнитом на основе МПР, общий вид которого приведен на рис. 5, может работать как в импульсном, так и в квазинепрерывном режиме. Электроды, подложка и боковые стенки образуют разрядный промежуток, в котором формируется излучающий плазменный канал разряда.
На рис. 6 представлен временной ход тока разряда при питании плазменного излучателя от емкостного накопителя и сетевого тиристорного агрегата. Амплитуда тока в импульсном режиме достигает 75 кА, в квазинепрерывном -6 кА. Измеренные в видимой и ближней ИК областях (ДА, = 400 - 1100 нм) яр-костные температуры Т плазмы МПР и энергетическая светимость Ж комбинированного излучателя приведены на рис. 7.
80000
60000 I \
40000 1
20000 1
0-5 -4 -3 -2 -1 0
г
Рис. 6. Временной ход тока разряда
Рис. 5. Плазменный излучатель с электромагнитом
Т,К
12000
-5 -4 -3 -2 -1 0
г
80000
W, Вт/см 2
20000
-5 -4 -3 -2 -1 0
г
а) б)
Рис. 7. Временной ход яркостной температуры (а) и энергетической светимости разряда (б)
0
4. Источник света на основе дуговых ксеноновых ламп ДКсРМ-55 кВт
Назначение стенда Дуга, фотографии которого приведены на рис. 8, а технические характеристики представлены в табл. 4, - проведение исследований воздействия мощного некогерентного излучения на оптические, конструкционные материалы и приборы. Стенд имеет два режима работы - импульсный и непрерывный. Измерительно-управляющий комплекс на базе компьютера позволяет регулировать форму и длительность импульса тока дуговой лампы и производить диагностику процесса облучения материалов.
Рис. 8. Общий вид стенда излучателя (а) и лампы ДКсРМ-55 кВт (б)
Таблица 4
Технические характеристики стенда Дуга
Максимальный лучистый поток, кВт - при формировании импульсов - в непрерывном режиме 22 15 40-750 20 52 ± 0,5° 1300±130
Пределы регулирования тока, А
Минимальная длительность фронта при токе от 100 до 600 А, мс
Угол схождения крайних лучей
Максимальная облученность, Вт/см2
Спектральное распределение потока излучения в диапазонах, % / АХ, нм АХ = 220-400 АХ = 400-700 АХ= 700-1300 10 ± 0,2 35 ± 2 55 ± 3
Заключение
Созданные источники света являются метрологически аттестованными излучателями для физического моделирования световых импульсов миллисе-кундной и секундной длительности. С помощью данных излучателей проведены исследования теплофизических свойств более 600 наименований оптических, конструкционных материалов и приборов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бедрин А. Г., Гурьев А. П., Дашук С. П. Мощный широкоформатный квазистационарный излучатель на трубчатых ксеноновых лампах. // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76, № 9. - С. 59-66.
2. Формирование двухпикового режима светового импульса широкоформатной ламповой панели / А. Г. Бедрин, А. П. Гурьев, В. М. Громовенко, В. Г. Докучаев // Прикладная оптика : сб. материалов IX Международной конференции. - СПб. : ГОИ им. С. И. Вавилова, 2010. - С. 141-145.
3. Экспериментальное исследование сильноточного магнитоприжатого разряда / Г. Г. Ворыпаев, И. С. Миронов, И. В. Подмошенский, П.Н. Роговцев // Сборник материалов I Всесоюзного семинара по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле. -Новосибирск : Ин-т теплофизики СО АН СССР, 1990. - С. 140-145.
4. Бедрин А. Г., Дашук С. П., Миронов И. С. Квазинепрерывный источник излучения на основе магнитоприжатого разряда // ТВТ. - 2007. - Т. 45, № 2. - С. 182-186.
©А. П. Гурьев, А. Г. Бедрин, И. С. Миронов, 2017
