CC BY
24
УДК 621.373.8
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЁЖНОСТИ ВКЛЮЧЕНИЯ ЗЕЕМАНОВСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ДАТЧИКОВ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМ ГЕТТЕРОМ
Б.Г. Архипов, В.Н. Горшков, М.Е. Грушин, А.О. Синельников
Рассмотрены преимущества применения светодиодного модуля для повышения надежности включения датчиков угловой скорости на основе кольцевых Ие-Ые лазеров. Экспериментально исследовано влияние температуры окружающей среды, напряжения питания и места крепления светодиодного модуля на величину напряжения и время задержки пробоя газового разряда кольцевого лазера. Сформулированы требования к минимальной мощности излучения светодиодного модуля, обеспечивающие гарантированный пробой газоразрядных промежутков в кольцевом лазере.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, датчик угловой скорости, зеемановский кольцевой лазер, светодиодный модуль, пробой газовой среды, время задержки пробоя, надёжность включения.
Введение. Сегодня зеемановские лазерные датчики угловой скорости и гироскопы на их основе [1] находят широкое применение в бесплатформенных инерциальных навигационных системах (БИНС) различного назначения, обеспечивая последним малое время готовности, длительный срок службы, широкий диапазон измеряемых угловых скоростей, высокую точность, устойчивость к температурным и механическим воздействиям [2].
Надежность включения лазерных гироскопов - одно из основных требований, предъявляемых к трехосным лазерным гироскопам, а значит, и датчикам угловой скорости.
На рис. 1 представлен резонатор зеемановского кольцевого лазера [1], выполненный в ситалловом [3] моноблоке и образованный четырьмя зеркалами (1 - 4). Активной средой является (Не-№)-смесь. Возбуждение активной среды производится тлеющим разрядом [4] в двух газоразрядных промежутках(ГРП) между цилиндрическим катодом (К) и двумя анодами (А1, А2). Формирование разряда в рабочих промежутках начинается с пробоя ГРП между катодом и вспомогательными электродами (П1, П2) при подаче на них положительного относительно катода импульса высокого напряжения иП(1;) от 4 до 5 кВ.
Для увеличения надёжности формирования электрического разряда в зеемановских датчиках применяется подсветка резонатора лазера светодиодным модулемМС-331 с длиной волны излучения 450 - 470 нм. Воздействие оптического излучения на активную среду лазера приводит к её предварительной ионизации [5], что облегчает условия развития пробоя в ГРП резонатора.
Рис. 1. Резонатор зеемановского кольцевого лазера: К - цилиндрический катод; А1, А2 - аноды; П1, П2 - вспомогательные электроды поджига. Красным цветом отмечен тлеющий разряд
внутри резонатора
В связи с интересом разработчиков и создателей БИНС к уменьшению энергопотребления необходимо установить минимальные значения питающего напряжения и токи потребления светодиодного модуля МС-331, обеспечивающие надежное включение датчиков.
Открытым также остается вопрос о месте установки модуля. Традиционно светодиодный модуль располагают под катодной полостью. Однако такое расположение модуля накладывает определенные ограничения, как на габариты датчиков угловой скорости, так и на размещение нераспы-ляемых твердотельных геттеров [6], необходимых для увеличения срока службы датчиков, а значит, и БИНС.
В современной конструкции зеемановских датчиков увеличение срока хранения обеспечивается твердотельным геттером, расположенным в катодной полости резонатора (рис. 2). Геттер активно поглощает посторонние примеси в активной среде, что значительно продлевает срок службы датчика. Однако такое расположение геттера препятствует попаданию излучения светодиодного модуля в рабочую область катода, что может ухудшать условия пробоя и стать причиной нестабильного поджига датчиков.
Рис. 2. Схема установки твердотельного геттера и распространения света от светодиодного модуля в зеемановском датчике
Данная работа посвящена определению минимальной мощности излучения и влияния места установки светодиодного модуля на корпусе резонатора, обеспечивающих минимальное время электрического пробоя ГРП при включении зеемановских лазерных датчиков угловой скорости с твердотельным геттером во всем диапазоне рабочих температур.
Экспериментальная часть
Электрическая схема экспериментальной установки представлена на рис. 3.
Рис. 3. Схема поджига ГРП зеемановского лазерного датчика: К - катод; А - анод, П - поджиговый электрод. Я1 = 100 МОм, Я2 = 1Мом; иП (0 - импульс напряжения, подаваемый на поджиговый электрод; и0 - напряжение питания светодиодного модуля; ик - напряжение на катоде 106
На рис. 4 показаны значения тока потребления светодиодными модулями МС-331 в зависимости от температуры окружающей среды.
18 16 й 14 со*
о 12
<
х
<и>
ю <и>
Э
о
с
«
о Н
ю-| 8 6 4 2' 0 -2-
—■— 20
—•— -55
—А— 75
2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Напряжение питания И, В
Рис. 4. Зависимость токов потребления светодиодного модуля МС-331 при разных температурах окружающей среды
Из рис. 4 видно, что ток потребления светодиодными модулями уменьшается в случае при снижения температуры при фиксированном напряжении питания.
Критерием надежного включения зеемановских лазерных датчиков служит время задержки пробоя 1:пр, проходящее от момента подачи импульсов высокого напряжения на поджиговые электроды для пробоя каждого ГРП до момента установления устойчивого горения разряда. При этом также необходимо учесть величину приложенного напряжения, при котором произошел пробой ГРП, равную сумме напряжения подаваемого на катод Ики на вспомогательные поджиговые электроды Ид:
ипр = ип + ик, (1)
На рис. 5 показана типичная осциллограмма изменения напряжения на поджиговом электроде, записанная с использованием делителя напряжения (1:1000).
Для исследования было отобрано 10 зеемановских лазерных датчиков угловой скорости типа ЭК-104С и К-5 [1] с установленным твердотельным геттером в катодной полости, так и без геттера.
Датчики с закрепленными на корпусе резонатора светодиодными модулями МС-331 были помещены в камеру тепла и холода. В ходе исследований измерялись время задержки Ц и напряжение пробоя ипр ГРП датчиков в зависимости от тока 1св, протекающего через светодиодные моду-
107
ли, при варьировании напряжения питания и0 (см. рис. 4), питающего светодиодные модули. Эксперименты проводились при трех температурных воздействиях: -55 0С, НКУ и 75 0С. Пробой ГРП датчиков осуществлялся с периодом не менее 15 мин.
[
и II -к—
\—
-5. о Время, мс э 10
Рис. 5. Осциллограмма изменения напряжения на поджиговом электроде, записанная с использованием делителя напряжения (1:1000)
Экспериментальная работа была проведена в два этапа. На первом этапе светодиодные модули были установлены под катодной полостью согласно рис. 2, на втором этапе МС-331 крепился сбоку корпуса резонатора так, чтобы излучение от него не попадало в катодную полость.
В приведённой ниже таблице и на рис. 6 показаны типичные значения времени задержки зажигания и напряжений пробоя датчиков ЭК-104С и К-5 как с установленным твердотельным геттером в катодной полости, так и без геттера при разных напряжениях питания и токов светодиодных модулей, установленных под катодной полостью.
Время задержки пробоя (п) и напряжение пробоя (ипр) при -55 0С и разных напряжениях питания модулей МС-331 С
датчика ЭК-104С
Ц), В 1св, мА -пр / Цпр
0-3.1 0-0.05 Пробивается нерегулярно
3.2 0.1 31мс/4.4кВ
3.25 0.2 15мс / 4кВ
3.33 0.5 12мс / 3.7кВ
«
о ю о
<и а т
—■— 20
—•— -55
—Л— 75
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Напряжение питания Ц0, В
а
4.0
^ 3.5 &
5 3.0 «
о
ю 2.5 о
и 2.0 63
и
ё 1.5
1.0
-■- 20 -55
-А- 75
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Напряжение питания Ц , В
б
Рис. 6. Время задержки (а) и напряжение пробоя (б) ГРП датчиков при различных температурных воздействиях
Результаты измерений времени задержки и напряжения пробоя ГРП при закреплении МС-331 под катодной полостью (см. рис. 3) показали:
1. При выключенных светодиодах или напряжении питания менее 3В и полном затемнении корпуса пробой ГРП в датчиках в НКУ и при -55 °С был нерегулярным. Напряжение пробоя при этом превышало 4.2 кВ.
2. Наличие твердотельного геттера, установленного между катодной полостью и излучателями, не снижает вероятность устойчивого зажигания датчиков при типовых напряжениях питания 5В в существующей конструкции светодиодных модулей МС-331 С. Надежное зажигание происходило при ипр< 4кВ и Ц < 20мс.
3. При включении и увеличении напряжения питания модулей до 3.2...3.5 В уже при малых токах, проходящих через светодиодные модули (I ~ 0.2 мА) наблюдается надежное зажигание всех датчиков с твердотельными геттерами.Этому току потребления отвечает суммарная мощность излучения 7мВт.
Во второй части эксперимента было проведено исследование влияния места установки светодиодного модуля МС-331 на корпусе резонатора на надежность включения зеемановских лазерных датчиков вращения.
Для решения поставленной задачи был выбран датчик К-5 без твердотельного геттера.
На рис. 7 представлены три крепления светодиодного модуля на корпусе резонатора датчика:
- стандартный способ (рис. 7, а);
- альтернативные варианты (рис. 7, б, в).
В случае закрепления светодиодного модуля на зеркале 2 (рис. 7, б) обеспечивалась подсветка части каждого из двух ГРП между катодом и электродами поджига, без прямого попадания излучения на рабочую по-
верхность катода. При установке светодиодного модуля на боковой грани-корпуса резонатора (рис. 7, в) большая часть излучения попадала только в один ГРП между катодом и анодом и, как в предыдущем варианте, не достигала рабочей поверхности катода.
Полученные результаты согласуются с результатами первой части эксперимента: стабильный поджиг разряда в ГРП датчика наблюдается при напряжении питания светодиодного модуля от 4 В вне зависимости от места его крепления на корпусе резонатора во всем диапазоне рабочих температур.
а б в
Рис. 7. Подсветка резонатора зееманоеского датчика светодиодным модулем в зависимости от места его установки
Было обнаружено влияние места закрепления МС-331 при напряжении питания менее 4В.
На рис. 8 представлены зависимости времени задержки (а) и напряжения пробоя (б) ГРП датчика при -55 °С от места установки светодиодного модуля.
«
о ю о
Л
га
120 100 80 60 40 20 0
- 2 ГРП 1 ГРП
3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 5.0 5.2 Напряжение питания и В
4.6-
13 4.4-&
Р 4.2-
| 40-&
3.8
3.6-
о К К
и *
Л
и 34-Й 34
к
- 2 ГРП 1 ГРП
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 Напряжение питания И В
а б
Рис. 8. Зависимость времени задержки (а) и напряжения пробоя (б) ГРП датчика при -55 °С от места установки светодиодного модуля: двух ГРП со стороны сферического зеркала; одного ГРП на боковой грани резонатора датчика со стороны поджигового электрода
Как видно из рис. 8, при напряжении питания модуля менее 3,25 В напряжение ипр и время задержки пробоя Ц оказываются ниже при подсветке одного ГРП в случае установки светодиодного модуля на боковой грани резонатора датчика (см. рис. 7, в) вблизи поджигового электрода.
Анализ полученных результатов
Для успешного пробоя газовой среды и поддержания газового разряда необходимо наличие затравочных электронов, появление которых возможно в результате эффектов фотоионизации или фотоэмиссии [7].
Наиболее вероятным способом создания затравочных электронов посредством излучения светодиодного модуля является фотоэмиссия как с поверхности катода, так и с поверхности стенок рабочих каналов кольцевого лазера. Фотоионизация газов в активной среде может происходить, если энергия облучающего излучения больше работы ионизации газов, входящих в её состав. Работа ионизации активной (Не-№)-смеси составляет 21.5 эВ для № и 24.5эВ для Не [7], что почти на порядок больше энергии излучения светодиодного модуля 2.75 эВ, используемого в эксперименте.
Результаты представленных в работе экспериментов показали отсутствие негативного воздействия твердотельного геттера, установленного в катодной полости, на развитие пробоя в ГРП датчика. Также было показано, что пробой ГРП осуществляется и при полном исключении попадания света от МСС-331 в катодную полость. Отсюда можно сделать вывод о том, что преимущественным источником затравочных электронов являются именно ситалловые стенки ГРП. Корпуса резонаторов зеемановских лазерных датчиков изготавливаются из ситалла марки СО-115М [3], представляющего собой сложную по своему составу химическую систему. Так, в большом количестве в состав ситалла СО-115М входят 8Ю2 (67 %), А1203 (21 %) и другие оксиды металлов.
В заключительной части эксперимента было показано, что при подсветке одного ГРП в случае установки светодиодного модуля на боковой грани резонатора датчика (см. рис. 7, в) со стороны поджигового электро-даболее эффективно облегчаются условия развития пробоя при малых значениях напряжения питания светодиодного модуля (см. рис. 8). Отсюда можно сделать предположение, что пробой в узких и длинных каналах зеемановских лазерных датчиков связан с формированием и распространением быстрой волны ионизации от анода к катоду.
Выводы
В результате проведенного исследования было установлено, что использование светодиодного модуля с минимальной мощностью излучения 7мВт является эффективным способом повышения надежности включения зеемановских лазерных датчиков угловой скорости за счет облегче-
ния условий развития пробоя активной газовой среды в ГРП. В частности, при использовании светодиодного модуля МС-331 это отвечает току потребления 0,2мА при напряжении питания 3,5В.
Изменение места крепления светодиодного модуля на корпусе резонатора зеемановского датчика не снижает вероятность устойчивого зажигания разряда.
Пробой в узких и длинных каналах зеемановских лазерных датчиков связан с формированием и распространением быстрой волны ионизации от анода к катоду.
Исследование особенностей газового пробоя в длинных промежутках является сложной научной задачей, изучением которой в настоящее время занимаются ведущие специалисты АО «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» под руководством проф. Ю.С. Акишева.
Список литературы
1. Азарова В. В., Голяев Ю. Д., Савельев И. И. Кольцевые лазеры с магнитооптическим управлением в лазерной гироскопии // Квантовая электроника. 2015. №2.
2. Матвеев В. В. Основы построения бесплатформенных инерци-альных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.
3. Исследование свойств ситаллов системы Ы20-А1203-Р205-8Ю2 / Бужинский И.М., Жуковец Ж.Г., Арефьева К.И., Дмитриева З.П. // Оптико-механическая промышленность. 1980. № 9. С. 26.
4. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992.
356 с.
5. Петров О. А., Демиденков Ю. В., Горбунов И. С. Поджиг газового разряда в многоканальных газовых лазерах // Электронная техника. Сер. «Лазерная техника и оптоэлектроника». 1989. № 4. С. 49.
6. Горелик С. С., Дашевский М. Я. Материаловедение полупроводников и диэлектриков. М.: Металлургия, 1988. 574 с.
7. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1976. 256 с.
Архипов Борис Григорьевич, инженер, arhipborisov@,gmail.сот, Россия, Москва, АО «НИИ «Полюс» им. М.Ф. Стельмаха»,
Горшков Владимир Николаевич, младший научный сотрудник, \ov4ik818к\'аатаИги, Россия, Москва, АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельмаха»,
Грушин Михаил Евгеньевич, канд. физ.-мат. наук, начальник отдела, miha.il.grushin1968@,gmail.сот,Россия, Москва, АО «НИИ «Полюс» им. М. Ф. Стельма-ха»,
Синельников Антон Олегович, канд. техн. наук, начальник участка, mr.sinelnikov.a@,mail.ru, Россия, Москва, АО ««НИИ ««Полюс» им. М. Ф. Стельмаха»
RESEARCH OF THE ACTIVATION RELIABILITY IN ZEEMAN LASER ANGULAR SPEED
SENSORS WITH A SOLID GETTER
B.G. Arkhipov, V.N. Gorshkov, M.E. Gryshin, A.O. Sinelnikov
The advantages of using a light-emitting diode module for increasing the activation reliability of angular speed sensors, based on ring He-Ne lasers, are resulted. An experiment, researching the influence of the environmental temperature, supply voltage and placement of a light-emitting diode upon voltage and breakdown time delay of an electric discharge of the ring laser, is conducted. The requirements for voltage of the light-emitting diode module, needed to guarantee an electrical breakdown and a stable electric discharge in the ring laser, are formulated.
Key words: laser gyro, angular speed sensor, Zeeman's ring laser, light-emitting diode module, electrical breakdown in gasses, breakdown time delay, activation reliability.
Arkhipov Boris Grigorevich, engineer, arhipborisov@,gmail. com, Russia, Moscow, POLYUS Research Institute of M.F. Stelmakh Joint Stock Company,
Gorshkov Vladimir Nikolaevich, junior researcher, vov4ik818kva@mail. ru, Russia, Moscow, POLYUS Research Institute of M.F. Stelmakh Joint Stock Company,
Gryshin Mikhail Evgenievich, candidate of physico-mathematical sciences, sector chief, mihail. grushin1968@,gmail. com, Russia, Moscow, POLYUS Research Institute of M.F. Stelmakh Joint Stock Company,
Sinelnikov Anton Olegovich, candidate of technical sciences, lab site chief, mr.sinelnikov.a@,mail.ru, Russia, Moscow, POLYUS Research Institute of M.F. Stelmakh Joint Stock Company
