Химическая лампа-вспышка

 

Ъ| ( та) ф Рд„, (,.

О П И С А Н И Е )))) 547584

ИЗОБРЕТИ Н Ия

Союз Советских

Социалистических

Респубпик

К АВТОРСКОМУ СВИДЙТИ1ЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 01.10.74 (21) "077537 07 с присоединением заявки М— (23) Приоритет (43) Опубликовано "5.0 .77. Бюллетень X (45) Дата опубликования описания 3005.7 (51) У. Кл.- р 1 К () О2

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам иэооретений и открытий (53) УЙК б 1.З". 71.44 .-1

10ь . i > (?2) Авторы изобретения В. В. Сысун, Ю. В. Набойкин. А. С. Снурников и Е. T. Махров (71) Заявитель (54) ХИМИЧЕСКАЯ ЛАМПА — ВСП61ШКА

Изобретение относится к химическим лампам— вспышкам однократного действия, генерирующим оптическое излучение в процессе экзотермической реакции горения большинства металлов, например лития, натрия, калия, бериллия, магния, алюминия, циркония, гафния, тория, в кислороде или другом подходящем окислителе.

Лампы предназначены для освешения объектов в любительской, промышленной и научной фотографии, использования для оптической накачки лазеров, имитации светового излучения высокотемпературного взрыва, создания высоких уровней освешенности в спецтехнике и т.п.

Реакции горения некоторых из указанных металлов, например магния, алюминия и циркония, в кислороде благодаря удовлетворительной светоотдаче получили широкое распостранение и используются в современных лампах — вспышках. Последние выполняют в отпаянной стеклянной колбе с цоколем. Колба имеет форму, близкую к цилиндру или шару, и заполнена мелко размельченными полосками фольги или проволоки из указанных металлов, а также газообразным окислителем.

В цоколе лампы монтируют средства д."я зажигания горючего материала в виде нити накала, собранной на введенных в лампу токоподводах: с нанесенной на нее поджигающей пастой илп в виде детонируюшего капсуля ударного действия, поджигающего лампу лри ме. аническом воздействии на него специального у юрного устрой тва.

В качестве оки(:)птеля в лампах — вспышках используют кислорoë. заполнчюший колбу под давлением те. ) i30 ) ))»:(:, ) . (t 31(»bilk ее Bfb т1эе»ний ооъем, 1, .

10 Улучшеш е из.г чательньс и специально — временных параметров хихгических ламп — вспышек возможно при использовании некоторых горючих материалов, таких. например. как литий. калий. бериллий. кальций, гафний, тор ш, а также оолее

15 активных окислителей. таких как фтор и его со(ш» нения с кислородом и азотом 12).

Известны лампы — вспышки с циркониевым горючим материалом. у которых в качесгве окислителей использованы газообразные соединения фтора

gp с кислородом и азотом (OF-, NF;. N2 F„) 731.

Это позволило увеличить цветову р температуру и световую энергию соответствено на 0 и 40 % по сравнению с лампами, заполненными кислородом.

Наиболее близким техническим регцением к данному изооретению является хиьгическая лам547584 па--вспышка, содержащая оптически прозрачную колбу с цоколем, заполненную горючим материалом, газообразный окислитель и устройство для зажигания горючего материала в атмосфере указанного окислителя (4). 5

Расширение числа горючих материалов и применение более активных окислителей в лампах— вспышках связано в ряде случаев с неразрешимыми техническими трудностями. Наиболее существенные из них: самовоспламеняемость ламп — вспышек, заполненых многими мелко размельченными металлами, находящимися в атмосфере активных окислителей, особено при повышенной температуре окружающей среды; токсичность активных окислителей, усложняющая технологию наполнения ламп в условиях массового производства; агрессивность наиболее активных окислителей по отношению к конструкционным материалам лампы; постепеное окисление большинства горючих материалов в процессе хранения при повышенных тем- р0 пературах, что влечет за собой ухудшение световых параметров ламп.

По указанным причинам применение в качестве горючего материала щелочных металлов, а также наиболее активных окислителей, например фтора и 5 его некоторых соединений, в известных лампах— вспышках вообще не представляется возможным, Однако при повышении энергии вспышки необходимо увеличение рабочего объема лампы и наполнение ее газообразным окислителем под высоким д> давлением, которое еще больше возрастает в момент вспышки. К тому же увеличение рабочего объема колбы при сохранении толщины стеклянных стенок связано со снижением ее прочностных характеристик. 15

Цель изобретения — создание химической лампы — вспышки, сохраняющей работоспособность при температурах окружающей среды, существенно превышающих температуру начала окисления и воспламеняемости горючего материала, с улучшенными излучателыгыми и временными характеристиками и с более простой технологией изготовления ламп при использовании в них токсичных окислителей.

Это достигается тем, что в лампе — вспышке размещен по меньшей мере один герметичный отсек, заполненный окислителем под более высоким давлением по сравнению с остаточным давлением в колбе, а также приспособление для вскрытия указанного отсека и соединения его внутреннего объема с колбой в момент зажигания горючего 50 материала в колбе лампы.

При этом герметичный отсек выполнен в виде цилиндрической ампулы, размещенной в центральной части колбы и, по крайней мере частично

t окруженной горючим материалом. 55

В лампе — вспышке герметичный отсек выполнен в виде шара и механически закреплен внутри колбы на токовводах устройства зажигания, Одним из вариантов исполнения лампы— вспышки является размещение герметичного отсе- 60 ка с окислителем на ее цоколе. Указанный отсек изготовлен из металла или сплава с высокими прочностными характеристиками, например, из холодно прокатанной стали из сплава типа монельметалл. При использовании в качестве окислителей фтора или его летучих соединений с кислородом и азотом герметичный отсек изнутри покрывают слоем меди или никеля, устойчивыйк длительному воздействию упомянутых веществ. Кроме того, герметичный отсек снабжен по меньшей мере, одним соединяющим его с колбой капиллярным каналом, герметизированным на одном конце и вскрываемым в момент зажигания лампы. Капиллярный канал размещен тангенциально по отношению к стенкам колбы, обеспечивая распространение газообразного окислителя по касательной к стенкам колбы.

В качестве приспособления для вскрытия †.ерметичного отсека лампы — вспышки использовано устройство зажигания горючего материала, выполненное в виде окружающей капиллярный канал спирали накаливания, в качестве горючего материала — мелко размельченный твердый материал и газообразное вещество из группы летучих предельных углеводородов, например бутан или пропан, с давлением 0,3 — 3 атм. В качестве окислителя использованы газообразные окислители из группы фтор, кислород, азот или их соединений между собой под давлением 10 — 100 атм. При использовании в качестве окислителя фтора в отсек вводят добавку осушенного фтористого водорода в количестве 4 — 8 вес. %. Во всех рассмотренных конструктивных вариантах лампа выполнена с рабочими объемами герметичного отсека и колбы, относящимися между собой, по крайней мере, как 1:10. а колба лампы снабжена,по меньшей мере, одним каналом, соединяющим ее внутренний объем с окружающим пространством, выполненным со стороны противоположной размещению герметичного отсека, с окислителем.

Выполненные в соответствии с изобретением химические лампы — вспышки обладают существенными преимуществами;; сохраняют работоспособность при температуре окружающей среды, существенно превышающей температуру начала окисления и воспламеняемости горючего материала, за счет устранения контакта последнего с окислителем в процессе хранения; заполненные циркониевым горючим материалом лампы, изготовленные из стекла С-93 — 1, работоспособны до температур 400 С, а лампы из кварцевого стекла сохраняют работоспособность при температурах, достигающих 800 C; имеют улучшенные излучательные характеристики, в частности увеличенную удельную энергию излучения и цветовую температуру при использовании более активных окислителей по сравнению с кислородом, таких как фтор и его соединения с кислородом и азотом; упрощается технология изготовления ламп и улучшаются условия труда при работе с токсичными окислителями за счет существующей возмож6 ности заполнения ампул или отсеков ламп — вспышек указанными окислителями в производстве, изолированном от линии механизированной сборки; обладают повышенной безопасностью экс«луатации за счет ограничения находящегося под высоким давлением окислителя в герметичном отсеке, более прочном по сравнению с колбой лампы.

Некоторые возможные варианты использования химических ламп — вспышек в соответствии с изобретением иллюстрируются на следуюших чертежах.

На фиг. 1 изображена лампа — вспышка с заполненным окислителем цилиндрическим отсеком, окруженным горючим материалом: на фиг. миниатюрная лампа — вспьгшка со стеклянным в виде шара отсеком с окислителем на токовводах устройства зажигания; на фиг. 3 —,IBM«2 — BcJlbiIIIKB с размещенньям в цоколе отсеком с окислителем: на фиг. 4 — лампа — вспышка с открытой колоой и тангенциальным вводом газообразного окислителя в нее; на фиг.,5 — разрез Л вЂ” А на фиг. 4.

Изображенные на фиг. 1 — 5 варианты конструкций химических ламп — вспышек содержат колбу из оптически прозрачного материала, преимушественно из стекла типа С-93 — 1 или кварцевого стекла, заполненную горючим материалом, герметичный отсек с газообразным окислителем, приспособление для вскрытия упомянутого отсека, выполняющие одновременно функции устройства для зажигания горючего материала в лампе, и цоколь. «редназначенный для механического закрепления лампы в осветительной аппаратуре и подключения ее к источнику электрического тока.

В показанной на фиг. 1 лампе — вспышке с цилиндрической стеклянной колбой 1 герметичный отсек 2 выполнен в виде стеклянной ампулы цилиндрической формы и размещен в ее центральной части так, что его стенки параллельны стенкам колбы и образуют вместе с ней кольцево; «рос — ðàíство, откачанное до высокого вакуума (- 10 —

10 мм рт. ст.) и заполненное мелко размельченным твердым горючим материалом 3, например спутанным в клубочки тонкими полосками фольги алюминия, магния, циркония, гофния, тория, либо литием, натрием, калием, бериллием, магнием, кальцием. Отсек 2 заварен в колбе вблизи кольцевого буртика, сопрягаемого с цоколем 4 лампы. В нижней части отсека 2 имеется выведенный из колбы штенгель 5, предназначенный для заполнения его внутреннего объема в процессе производства ламп газообразным окислителем, например кислородом, под давлением 10 — 50 атм или соединениями кислорода и азота с фтором, такими как ОР,, NF,, К, F под давлением, достигающим 15 атм. С противоположной стороны отсека 2 имеется капиллярный канал 6, вскрываемый в момент зажигания лампы и соединяющий его внутренний объем с объемом колбы 1. Канал 6 герметизирован подходяшим стеклом или сплавом и окружен спиралью накаливания 7 из вольфрама или вольфрам — рениевого сплава, выполняющей при пропускании электрического тока по «сй фу«кци «риспособле«ия для вскрытия герметич«ого отсека и являюгцейся о:шовременно устройством зажига«ия горючего материала. Спираль накаливания 7 «а противополсж«ых концах электрически соединена «осре;ютвом проводников 8 из циркония или титана и токовводов 9. выполненных, например, из никелированного платинита с колпачком и установленным на изолятор 10 выводом 1! цоколя 4 лампы. соединенного с колбой 1 при помощи мастики. Проводники 8 могут быть на«есень! непосредственно на стенки отсека 2 в виде полосок и сварены с концами спирали накаливания и токо«водами.

Последовательность операций изготовления ламп состоит: B создании стеклянной цилиндрической ампулы — отсека" с капиллярным каналом 6 и штенгелем 5: в герметизации указанного канала. монтажа на нем спирали накаливания 7 с поджигаюшей пастой и проводников 8 с токовводами 9:

В созда«ии колбы с расширенным штенгелем в куно:!ь«ои части и открытой с против ополож«ой стороны: в размешении в ней и заварке в зоне кольцевого оуртика колбы упомянутого отсека с токовводами 9, выходяшими из лампы: в наполнении отсека " газообразным окислителем через штенгель 5 с применением, например, метода глуоокого вымораживания и заварке указанного штенге;!я: в подсоединении токовводов 9 и монтажа цоколя 4 лампы — вспышки; наполнении колбы 1 горюгим материалом через расширенный штетд ель в купольной части по известной технологии: в откачке колбы и заварке шгенгеля 1, покрытии колбы эластичной пленкой, например, на основе триацетатцеллюлозы, предотврашаюшей разлет осколков при разрушении лампы во время вспышки.

В отличие от описанной лампы в миниатюрной лампе--вспьп!.ке. !!зображе««ой на фиг. ". предвар!!тель:Io изготовленный и заполненный газообразным окислителем. например кислородом под давлением, достигаюшим 100 атм. герметичный отсек 13 в виде шара, выполненный преимущественно из стекла типа à — 93 — 1, механически закрепляют внутри колбы 14 на токовводах 15 из никелированного платинита, выведенных наружу из колбы лампы. Окр, каюшая капиллярный канал 6 спираль накаливания ", электрически соединяется со свободными концами несущих шаровой отсек токовводов 15 перед тем, как последние заваривают в формованном из стекла цоколе 16 лампы. Нанесение поджигающей пасты на указаную спираль и заполнение лампы горючим материалом осуществляется одним из известных способов.

В показанной на фиг. 3 химической лампе— вспышке увеличенной мощности герметичный отсек 17 с окислителем смонтирован в ее цоколе 18.

Последний при этом герметизирует шаровую колбу 19 с горючим веществом и одновременно механически удерживает отсек в корпусе лампы. Отсек 17 выполнен из металла или сплава с высокими прочностнь!ми характеристиками, например из хо547584 лодно прокатанной стали или сплава типа монель— металл, что обеспечивает возможность сохранения газообразного окислителя под высоким давлением, достигающим 100 атм, в относительно большом объеме 2 — 3 см ) и при высоких температурах (400 С и выше).

При использовании в качестве окислителя фтора, а также некоторых его летучих соединений с кислородом и азотом, если лампа предназначена для эксплуатации при повышенных температурах 10 (до 400 С), целесообразно герметичный отсек покрывать изнутри слоем меди, никеля или алюминия, образующих в реакции с фтором устойчивые, не подверженные дальнейшему окислению поверхностные пленки фтористых соединений, защищаю- }5 щих стенки отсека от разъедания. Устойчивость стенок отсека к длительному воздействию фтора при повышенных температурах еще более повышается при введении в герметичныи отсек добавок осушенного фтористого водорода в количестве 20

4 — 8 вес. %.

Приспособление для вскрытия отсека 17 и зажигания описываемой лампы представляет собой (cM. фиг. 3) прямую нить накала 20, вставленную в капиллярный канал 21, герметизированную в нем Ы подходящим припоем с т.пл. 400 — 600 С или другим известным способом и электрически соединенную посредством циркониевой или титановой полости 22 с токоподводом 23, герметизированным в колбе 19 из кварцевого стекла. Корпус герметич- 80 ного отсека 17 электрически соединен с цоколем 18, что позволяет подводить электрический ток к нити накала 20, подключенной к токоподводу 23, при зажигании лампы.

Изображенная на фиг. 4 и 5 химическая лампа — вспышка в отличие от предыдущей снабжена двумя соединяющими отсек 24 с трубчатой колбой 25 капиллярными каналами 26 одинаковой конструкции, ориентированными тангенциально по отношению к стенкам колбы 25 и обеспечивающи- 4( ми распространение газообразного окислителя по касательной к ним.

Кроме того, лампа снабжена по крайне. мере одним каналом 27, диаметр которого не превышает обычно 1/4 диаметра колбы и который соеди- 45 няет ее внутренний объем с окружающим пространством.

Канал 27 выполняют со стороны, противоположной размещению герметичного отсека с окислителем, и после заполнения колбы размельченым го- 50 рючим материалом закрывают защитным колпачком 28 или защитной органической пленкой, вскрываемым при повышении давления в колбе в момент вспышки.

Приспособление 29 для вскрытия отсека и за- 55 жигания лампы практически не отличается от описанного приспособления для лампы, изображенной на фиг. 3, и представляет собой две нити накала (для каждого капиллярного канала 26), выведенные из колбы и электрически соединеные с кол- 60 начком цоколя 30. При этом металлический отсек 24 изолирован от упомянутого посредством стенок ножки колбы и кремнийорганической смолы или слоя 31 термостойкого цемента. Одновременно он электрически соединен с посаженным на изолятор 32 выводом 33 цоколя лампы, обеспечивая подключение нитей накала приспособления 29 к источнику электрического тока.

При использовании в описанных лампах в качестве горючего материала мелко измельченного циркония или гафния, а в качестве окислителя фтора и его соединений с кислородом и азотом целесообразно вводить в колбу лампы газообразное горючее вещество, выбранное из летучих предельных углеводородов, например бутана или пропана, в количестве 0,3-3 атм, Благодаря восстановительным свойствам углеводородов и отсутствию окислителя в колбе лампы работоспособны вплоть до температур, достигающих 800 С. Одновремено обеспечиваются известные преимущества, связанные с увеличением скорости горения упомянутых металлов, сохранением длительности вспышки и возрастанием световой энергии.

Герметичный отсек всех вариантов конструкций ламп-вспышек заполняют газообразным окислителем, выбранным из фтора, кислорода, азота или их соединений, под давлением 10-100 атм, значительно перевышающим давление окислителя в известных лампах, что существенно улучшает излучательные и временные параметры реакции горения.

Принцип действия предложенных ламп-вспышек состоит в следующем.

При подключении ламп в маломощную электрическую цепь нить накала разогревается и вскрывает капиллярный канал отсека с газообразным окислителем, находящимся под высоким давлением, обеспечивая быстрое поступление его в колбу с более низким начальным давлением. Одновременно или с некоторой задержкой во времени происходит воспламенение горючего материала в колбе, инициируемое в ряде случаев (при использовании менее активных окислителей и при низких температурах) с помощью поджигающей пасты, наносимой на нить накала и разбрызгивающейся в колбе в момент контакта с окислителем и зажигания.

Принцип действия ламп, показанных на фиг. 1, 4 и 5, практически не отличается от описанного, за исключением того, что газообразный окислитель после вскрытия отсека и зажигания горючего материала поступает в колбу по касательной к ее стенкам, Таким образом создается пограничный (пристеночный) слой более холодного газа, уменьшающий тепловое воздействие реакции горения на колбу. Повышение давления в колбе и тепловое воздействие в момент вспышки способствуют разрушению защитного колпачка, герметизирующего канал лампы, соединяющей ее внутренний объем с окружающим пространством. При этом газообразные продукты горения частично удаляются из колбы через указанный канал, благодаря чему умень547584

15

20 шается давление и исключается разрушение колбы.

Эта лампа предпочтительна для эксплуатации в условиях высокого вакуума, например в космическом пространстве.

Химические лампы-вспышки, изготовленные в соответствии с изобретением, имеюшие рабочий объем колбы 12 см, наполненный цирконием в количестве 160 мг, и объем размешенного в колбе герметичного отсека -2 см с кислородом под з давлением 40 атм, генерируют вспышки с энергией 1,0 кДж и длительностью 30 мс на уровне 0,5 от пиковой силы света. Лампа-вспышка работоспособна при окружаюшей температуре в пределах от

-60 до +400 С, Формула изобретения

1. Химическая лампа-вспышка, содержащая оптически прозрачную колбу с цоколем, заполненную горючим материалом, газообразный окислитель и устройство для зажигания горючего материала в атмосфере указанного окислителя, о т л ич а ю щ а я с я тем, что, с целью обеспечения работоспособности лампы при температуре окружающей среды, превышающей температуру начала окисления и воспламеняемости горючего материала, улучшения излучательных и временных характеристик лампы, а также упрошения технологии ее изготовления при использовании токсичных окислителей, внутри лампы размещены, по меньшей мере один герметичный отсек, заполненный окислителем под более высоким давлением по сравнению с остаточным давлением в колбе, и приспособление для вскрытия указанного отсека и соединения его внутреннего объема с колбой в момент зажигания горючего материала в колбе лампы.

2. Лампа-вспышка по п. 1, о т л и ч а ю ш а я с я тем, что герметичный отсек выполнен в виде цилиндрической ампулы, размещенной в центральной части колбы и,по крайней мере, частично окруженной горючим материалом.

3. Лампа-вспышка по и. 1, о т л и ч а ю ш а я с я тем, что герметичный отсек выполнен в виде шара и механически закреплен внутри колбы на токовводах устройства зажигания.

4. Лампа-вспышка по и. 1, о т л и ч а ю ш а яс я тем, что герметичный отсек смонтирован на цоколе лампы.

5. Лампа вспышка поп 1-4,от лича юшаяся тем, что герметичный отсек изготовлен из металла или сплава с высокими прочностными характеристиками, например из холодно прокатанной стали или сплава типа монель-металл.

6. Лампа-вспышка по п 1-5, о т л и ч а ю ш а я с я тем, что герметичный отсек внутри покрыт слоем меди или никеля, устойчивых к длительному воздействию фтора и его летучих соединений.

7.. 1алша-вспышка I!(llil. 1- < . > i . и :i в> Ill i яс я тем, что !ермо! и Иный 01 v . 1. сл;! бжеi f I!(I хн пыл!ей мере одним сослинякгпня Io с колбой капиллярным каналом, гермегизированлььм lia о,шом конце и вскрываемым в момен важи али я . а ля па.

8. Лампа-вспышка по пп. 1-7. o;i и ч а ю ш а я с я тем, что, с целью обеспечения распространения газообразного окислителя по касательной к стенкам колбы, капиллярный канал раэмешен таш енциально по отношению к стенкам колбы, обеспечивая распространение газообразного окислителя по касательной к стенкам колбы.

9. Лампа-вспышка по пп. 1-8, о т л и ч а и ш а яс я тем, что в качестве приспособления для вскрытия герметичного отсека использовано устройство зажигания горючего материала, выполненное в виде окружаюшей капиллярный канал спирали накаливания.

10. Лампа-вспышка по пп. 1-9. о т:> и «;i го ш а я с я тем, что в качестве горючего материала использован мелко размельченный твердый материал и газообразное вешество из группы летучих предельных углеводородов, например бутан. с давлением 0,3-3 атм.

11. Лампа-вспышка по пп. 1-10, о тл ича юша яс я тем, что в качестве окислителя использованы газообразные окислители из группы фтор, кислород . азот или их соединений между собой под давлением 10-100 атм.

1 . Лампа-вспышка по пп. 1- 10, о т л и ч а ю щ а яс я тем, что в качестве окислителя использован фтор с добавкой осушенного фтористого водорода в количестве 4-8 вес. Я.

13. Лампа-вспышка по пп. 1-1", о т л и ч а ю ш а яс я тем, что лампа выполнена с рабочими объемами герметичного отсека и колбы. относящимися по меньшей мере как 1:10.

14. Лампа-вспышка по и. 1, от л ич а ю ш а яс я тем, что колба лампы снабжена по меньшей мере, одним каналом, соединяющим ее внутренний объем с окружающим пространством, выполненым со стороны, противоположной размещению герметичного отсека с окислителем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1, М. La Toison Techni gue et carateri sti gues des

lamp "flash" Revue Generale de lulecticite 77, N 9, 880 — 885, 1968.

2. (. М. Nijland, I. Schroder. Generation of light

by fluorine reactions in flash lamps Phi li ps Res, Repts, 21, 304 — 321, 1966.

3. L. М. Nij land. The generation of li ght by

chemical reactions in flash lamp "12th Sympos (Internat), Combust, Pointiers 1968. е. 224 — 26.

4. Патент США N 3301021, кл. 67 -31. опубл. 31.01.67 (прототип) .

547584

1б

26

Составитель С. Рорбачева

Техред А. Богдан

Корректор А, Алатырев

Редактор Т. Загребельная

Заказ 619/94

2О

Тираж 762 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР до делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб,, 4/5

Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4