Продолжение цикла статей об устройстве и использовании ламп накачки лазеров. В данной статье рассотрены способы герметизации лампы и принципы выбора материала и формы электродов
Герметизация лампы
Сборка электродов и кварцевая трубка должны иметь надежную герметизацию, удерживая внутри лампы газ или вакуум. В производстве дуговых и импульсных ламп обычно используется 3 способа герметизации: ленточный способ, паянное соединение и ступенчатый способ.
В ленточном способе кварц непосредственно обжимает тонкую полоску молибденовой фольги. Тонкая фольга позволяет избежать образования трещин из-за различия в температурных коэффициентах расширения между кварцев и молибденом. При таком способе герметизации соединение получается жестким с минимальной зоной «мертвого объема», наилучшими температурными характеристиками. Однако тонкая фольга не позволяет пропускать большие токи, поэтому такие лампы не могут быть использованы в приложениях высокой и средней мощности.
Рис. 2. Ленточный способ герметизации.
Способ герметизации пайкой позволяет соединить кварцевую колбу с манжетой из инвара, т.е. сплава, обладающего очень малым коэффициентов температурного расширения с помощью паянного индием соединения. Лампы с такой герметизацией также обладают малой зоной «мертвого объема», помимо этого способны пропускать очень большие пиковые токи. Недостаток данного метода – низкая технологичность, низкая температура плавления индий не позволяет надлежащим образом выполнить все требуемые производственные вакуумные высокотемпературные операции. В процессе эксплуатации также не допускается превышение температуры 1000 С, что не позволяет использовать лампы в приложениях с высокими энергиями.
Рис. 3. Герметизация пайкой.
В ступенчатом способе, кварцевая колба расплавляется и обжимает декапированные электроды, изготовленные из вольфрама. Данный способ очень технологичен и позволяет получить отличные температурные свойства лампы. Однако обладает наибольшим значением зоны «мертвого объема». Возможен краткосрочный нагрев до 6000 C, однако при продолжительных периодах работы в высокотемпературных условиях – не более 3000 C. При температурах более 3000 C происходит оксидирование вольфрама (образуется ржавчина), что приводит к разгерметизации лампы.
Рис. 4. Ступенчатая герметизация.
Электроды
Наиболее важный компонент в дуговой или импульсной лампе – катод. Следует очень тщательно подходить к выбору материалов для электродов. Анод бомбардируется электронами дуги, катод же должен обеспечивать мощность потока электронов без повреждения напыление на поверхности.
Катод обычно изготовляют из вольфрама, имеющего пористую матричную структуру. Поры заполняются сплавом на основе бария. Технология изготовления катода, как правило, является интеллектуальной собственностью компании производителя. При неправильном проектировании катода дуга распыляет большое количество материала, что значительно снижает ресурс лампы.
Основные критерии проектирования и производства анода – масса и площадь поверхности, достаточные для выдерживания мощных нагрузок. Аноды обычно изготавливаются из чистого вольфрама или вольфрама с добавление лантана, что улучшает возможность механической обработки.
Рис. 5. Форма катода дугой лампы. Рис. 6. Форма катода импульсной лампы.
Форма электродов лампы накачки лазеров определяется условиями работы, электроды импульсной лампы и дуговой отличается. В случае дуговой лампы катод выполнен в виде конуса, что преследует выполнение двух целей, удаление крайней точки электрода от внутренней поверхности колбы (снижение температурных нагрузок на колбу) создание достаточной температуры для обеспечения термоэлектронной эмиссии. Катод импульсной лампы выполнен в виде сферы со сплющенным концом. Такая форма электрода позволяет избежать образования горячих точек, которые увеличивают распыление материала катода. Пиковые токи импульсных ламп могут достигать 1000А, ток дуговых ламп обычно в пределах 15-40А, значения токов – определяющие параметры условий работы ламп, от которых зависит форма электродов.
Средняя мощность также определяет конфигурацию электрода. При малых мощностях электрод нагревается совсем немного, поэтому электрод имеет малые габариты.При больших же средних мощностях температура очень высока, электрод имеет значительные габариты, чтобы облегчить отвод тепла. Это достигается обжатием кварцевой колбы (площадь которой, как правило, имеет принудительно охлаждение) вокруг электродов.
Если при производстве была обеспечена должная герметизация лампы, во время работы не важно, как сильно нагревается анод. Однако перегрев катода приводит к значительному снижению ресурса лампы.