Сверхвысокочастотный (свч)-возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы

Реферат

 

Изобретение относится к области светотехники и техники СВЧ, в частности к возбудителям безэлектродных СВЧ-газоразрядных ламп и оптическим излучателям на их основе, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Техническим результатом является повышение качества формирования светового потока и надежности работы устройства в условиях его эксплуатации, а также улучшение воспроизводимости и технологичности в условиях производства. Для этого в предлагаемом СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем сферическую лампу, размещенную в зоне пучности электрического СВЧ-поля осесимметричного СВЧ-резонатора, имеющего светопрозрачную цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки, по меньшей мере одна из которых выполнена светонепроницаемой, торцевые стенки выполнены в виде сегментов сферических поверхностей, центры кривизны которых совмещены с центром сферы безэлектродной лампы. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к области светотехники и техники СВЧ. В более узком приложении заявляемый объект относится к осветительным и облучательным устройствам, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или в ультрафиолетовой (УФ) частях спектра. В конкретном идеологическом и конструктивном построении заявляемый объект относится к возбудителям безэлектродных СВЧ-газоразрядных ламп и оптическим излучателям на их основе.

Известны устройства СВЧ возбудителей безэлектродных ламп и соответствующих светильников, в которых лампа размещена в осесимметричном СВЧ-резонаторе, имеющем светопрозрачные стенки, например, из металлической сетки.

При этом в известных устройствах безэлектродная лампа располагается в зоне пучности СВЧ-электрического поля, топография которого на выбранном рабочем виде колебаний заранее известна.

В зависимости от того, на каком виде работает резонатор (TEMp, TEmnp, TMmnp) топографии поля присущи азимутальные (при m0), радиальные (при n0), осевые (при р0) вариации поля.

Это, если не применять дополнительные меры, порождает неоднородное теплораспределение в оболочке лампы и определяет несферичность светящего плазменного тела в безэлектродном СВЧ-разряде даже в лампе сферической формы.

Исторически, наиболее распространенным техническим решением является использование сферической безэлектродной лампы в цилиндрическом резонаторе с рабочим видом колебаний ТЕ111 (ТЕ11р), т.е. с индексом m=1. Соответственно, в обеспечение равнояркой сферической формы плазменного светящего тела обычно применяется вращение лампы вокруг оси, в общем случае непараллельной вектору СВЧ-электрического поля.

Однако и при достижении сферической формы равнояркого светящего тела создание требуемого пространственного распределения потока излучения внешним по отношению к СВЧ-резонатору оптическим рефлектором оказывается непростой задачей. Трудность оптимального решения этой задачи заключается, в частности, в том, что значительная часть лучей, исходящих из светящего тела, хаотически переотражается от торцевых и боковой стенок СВЧ-резонатора и попадает на внешний рефлектор уже не из центра светящего тела, а с различных направлений. Это, естественно, проявляется в форме диаграммы направленности излучения (или, в принятой в светотехнике терминологии - в "кривой силы света" - КСС). Не во всех применениях источника оптического излучения к форме КСС предъявляются жесткие требования, но, например, для проекционных устройств или для оптимального оптического сопряжения источника света с полыми световодами эти требования диктуют определенные ограничения на выбор конструкций СВЧ-возбудителя, резонатора, самой безэлектродной лампы и внешнего рефлектора. В указанной ситуации для придания КСС требуемой формы приходится применять дополнительные средства, такие как, например, корректирующие линзы, контрзеркала, дихроичные рефлекторы, а то и использовать СВЧ-резонаторы нецилиндрической формы, а, скажем, сферической (или квазисферической), а также иные "ухищрения".

Все это привносит свои технические трудности и усложнение устройства. Поэтому не утрачивает актуальности нахождение технических решений (желательно, конструктивно простых и не влекущих за собой ухудшения прочих характеристик), если не устраняющих, то, по возможности, снижающих долю хаотически направленных лучей, переотражаемых в СВЧ-резонаторе и исходящих из него к внешнему рефлектору.

Из известных примеров применения дополнительных средств для улучшения формы светового потока, излучаемого плазменным телом безэлектродного СВЧ-разряда, следует упомянуть техническое решение, описанное, в частности, в Патенте США 5334913, кл. Н 05 В 41/16 (НКИ: 315/248), опубл. 02.08.1994 (авторы M. G. Ury и др. [1]) и являющееся ближайшим аналогом предлагаемого нами объекта.

Так, в [1] в светопрозрачном (сетчатом) СВЧ-резонаторе, имеющем цилиндрическую форму и работающем на ТЕ11р-виде колебаний (т.е. на виде, характеризующемся азимутально неоднородным СВЧ-электрическим полем) размещена сферическая безэлектродная лампа.

Так как поле азимутально неоднородно, то для придания светящему "телу" равнояркой сферической формы и во избежание локальных перегревов кварцевой оболочки предусмотрено вращение лампы и принудительное ее охлаждение. Это обеспечивает практически сферическую форму плазменного светящего тела, которое можно рассматривать как квазиточечный источник света. Этот источник может быть геометрически совмещен с оптическим фокусом внешнего по отношению к СВЧ-резонатору рефлектора (в частности, параболоида). Однако световые лучи, радиально исходящие из указанного квазиточечного источника в направлении торцевых да и боковой стенок резонатора, переотражаясь, не сходятся в фокусе, и это снижает качество формирования результирующего светового потока. Поэтому в [1] кроме внешнего по отношению к СВЧ-резонатору рефлектора (позиция 8) предусмотрена постановка непосредственно в СВЧ-резонаторе дополнительного отражателя - дихроичного рефлектора, отражающего световой поток, но пропускающего СВЧ-энергию. На фигуре, приведенной в описании устройства по патенту [1] , схематично показан дихроичный рефлектор (позиция 21), светоотражающая поверхность которого, обращенная к лампе, выполнена вогнутой.

В конструкции по [1] крепление дихроичного рефлектора не показано, но из описания следует, что материал рефлектора - диэлектрик с малыми СВЧ-потерями и относительно малой диэлектрической постоянной, в частности, кварц. На вогнутой поверхности этого диэлектрика имеются тонкие (четвертьволновые) диэлектрические же чередующиеся слои (с низким и высоким коэффициентами преломления). Крепление такого дихроичного рефлектора в требуемой позиции по отношению к лампе и резонатору с учетом недопустимости повреждения поверхности и кромок рефлектора, а также деформации стенок СВЧ-резонатора и поломки лампы сопряжено с рядом трудностей. Если же при постановке дихроичного рефлектора и/или в рабочем режиме возникнут его радиальные или аксиальные смещения либо перекосы, то следствием этого окажутся нежелательные искажения в направлениях переотраженных и исходящих из резонатора лучей.

Радиальные смещения дихроичного рефлектора, естественно, будут менее опасными, если его отражающая поверхность будет плоской и перпендикулярной к продольной оси резонатора. Такая (плоская) форма дихроичного рефлектора и его перпендикулярное закрепление в СВЧ-резонаторе предусмотрены, например, в Патенте США 5841233, кл. Н 01 J 65/04 (НКИ: 315/39) опубл. 24.11.1998, авторы M. G.Ury и др. - [2], а также в Патентах США 5811936, кл. Н 01 J 65/04 (НКИ: 315/39), опубл. 22.09.1998, авторы B.Turner и др. - [3]; 5866990, кл. Н 05 В 37/00 (НКИ: 315/248), опубликов. 02.02.1999 - [4]; 5847517, кл. Н 05 В 41/16 (НКИ: 315/248), опубликов. 08.12.1998 - [5] и др. Все перечисленные устройства, которые также можно отнести к числу аналогов заявляемого нами объекта, имеют осесимметричный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний ТЕ111, вращаемую сферическую безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу на диэлектрическом стержне-держателе. При этом указанный стержень-держатель расположен на продольной оси СВЧ-резонатора и простирается в светонепрозрачный участок резонатора сквозь центральное отверстие в дихроичном рефлекторе и далее, сквозь центральное же отверстие в светонепрозрачной торцевой стенке СВЧ-резонатора - к устройству сочленения с приводным валом двигателя. Упомянутая светонепрозрачная торцевая стенка СВЧ-резонатора во всех аналогах [1-5] выполнена плоской, поскольку не призвана выполнять функции рефлектора. Эти функции выполняет дихроичный рефлектор (он расположен между лампой и светонепрозрачной стенкой СВЧ-резонатора). Общим для всех аналогов признаком, находящимся в русле технических решений, предлагаемых в заявляемом объекте, является введение внутрь СВЧ-резонатора средств переотражения светового потока. Под эту общую характеристику "средств" подпадают дихроичные рефлекторы любых форм и местоположений.

В аналогах [1; 4-5], имеющих плоскую светонепрозрачную торцевую стенку резонатора, вторая (светопрозрачная) торцевая стенка СВЧ-резонатора показана выпуклой. При этом форма выпуклости светопрозрачной торцевой стенки в описаниях специально не оговаривается, но можно полагать, что она выбирается из соображений придания жесткости и формоустойчивости СВЧ-резонатору и минимизации "хаотических" переотражений лучей, испускаемых светящим телом лампы.

Возвращаясь к проблемам, связанным с позиционированием дихроичного рефлектора, подчеркнем, что если в [1] устройства крепления этого рефлектора вообще не представлены, то в [2] именно эта задача решается применительно к плоскому рефлектору. В частности, для фиксации дихроичного рефлектора в тонкостенном металлическом теле светонепрозрачной части цилиндрического резонатора выполнены U-образные просечки, образующие "язычки", загибаемые внутрь резонатора под и над дихроичным рефлектором. Таким образом, нижней плоской поверхностью рефлектор покоится на одной группе язычков, а к верхней плоской поверхности прижаты язычки другой группы. При кажущейся простоте и изящности такого технического решения оно имеет существенные недостатки, проявляющиеся как в производстве (изготовлении) устройства, так и в эксплуатации.

К производственным недостаткам относятся следующие.

1. Невозможность осуществления автономной (без лампы) сборки СВЧ-резонатора с дихроичным рефлектором, так как центральное отверстие в последнем должно быть относительно малого диаметра (значительно меньшего, чем диаметр сферической колбы лампы, иначе рефлектор становится функционально почти бессмысленным). Это означает, что лампа перед закреплением рефлектора в СВЧ-резонаторе должна быть заранее вставлена стержнем-держателем в центральное отверстие рефлектора и в таком же состоянии рефлектор должен быть зажат в язычках. Лишь после этого резонатор, из которого навесу удерживается выступающий стержень-держатель, может монтироваться на посадочное место при одновременной стыковке (вручную) крепежного участка стержня-держателя с приводным валом двигателя.

2. Высокую вероятность поломки дихроичного рефлектора и лампы, деформации стенки СВЧ-резонатора, а при обжатии язычков - неодинаковости их прижима к плоскостям дихроичного рефлектора, при "сильном" обжатии язычков - образования сколов его кромок, а то и растрескивания, а при "слабом" - появления люфтов, перекосов.

К потребительским (эксплуатационным) недостаткам следует отнести: а) Несколько пониженное качество "собирания" переотраженных лучей из-за отказа от сферичности дихроичного рефлектора и в силу возможных перекосов.

б) Пониженную вибро- и ударопрочность, особенно в рабочем режиме, если имеются изначальные или возникшие люфты дихроичного рефлектора в "язычках". В условиях воздействия вибрационных и/или ударных нагрузок наличие указанных люфтов приводит к прогрессирующему выкрашиванию кромок дихроичного рефлектора.

в) Плохой теплоотвод от дихроичного рефлектора, тепловой контакт которого с зажимающими язычками осуществляется по малой поверхности, и этот контакт не стабилен в эксплуатации при многократных термоциклах включения-выключения лампы, сопровождающихся "усталостью" язычков, утратой их пружинящих свойств и, соответственно, появлением люфтов, о роли которых уже говорилось выше.

Из представленных аналогов все же по большинству существенных признаков устройство по патенту [1] наиболее близко к заявляемому нами объекту и, соответственно, может быть принято в качестве прототипа.

Основные конструктивные признаки и недостатки прототипа [1] рассмотрены выше. Следует подробнее выделить некоторые конструктивные детали устройства, отраженные в описании и/или на фигуре из [1]. В частности, в [1] СВЧ-резонатор имеет светопрозрачный и непрозрачный цилиндрические участки, расположенные на общей продольной оси, вдоль которой размещен и диэлектрический стержень-держатель сферической безэлектродной лампы. В непрозрачном цилиндрическом участке резонатора его торцевая стенка (дно) выполнена плоской. В боковой цилиндрической стенке этого участка выполнена вдоль образующей цилиндра щель связи с СВЧ-волноводным трактом, обеспечивающая возбуждение резонатора на волне типа ТЕ11, когда в СВЧ-тракте канализируется волна типа TE10. В светопрозрачном участке СВЧ-резонатора размещены сопла системы принудительного воздушного охлаждения лампы. Эти сопла в некоторой степени переотражают (и "возмущают") световой поток, исходящий из плазменного светящего тела лампы. Часть светового потока излучается лампой в сторону непрозрачного цилиндрического участка СВЧ-резонатора и его дна (торцевой стенки). Этот непрозрачный участок резонатора "отгорожен" дихроичным рефлектором вогнутой формы, возвращающим световой поток, идущий от лампы в сторону дна резонатора, обратно к центру лампы. Центр же лампы оптически сопряжен с внешним зеркальным рефлектором, т.е. взаимное позиционирование внешнего рефлектора, СВЧ-резонатора, лампы и дихроичного рефлектора внутри резонатора выбраны из соображений получения приемлемого уровня и формы светового потока, излучающегося устройством в целом.

Эти соображения следовало бы учитывать и при выборе формы и конкретного радиуса кривизны светопрозрачной торцевой стенки СВЧ-резонатора. В [1] в тексте это обстоятельство не отражено и, судя по фигуре, центр кривизны светопрозрачной торцевой стенки резонатора не совпадает с центром сферы безэлектродной лампы. Это, наряду с уже отмечавшимися недостатками производственного и потребительского характера, также является недостатком прототипа. Устранение отмеченной совокупности недостатков является обобщенной целью нахождения новых путей в построении СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы.

Предлагаемое техническое решение ставит своей задачей в некоей компромиссной степени обеспечить повышение качества формирования светового потока и надежности работы устройства в условиях его эксплуатации при термоциклических, вибрационных и ударных нагрузках, а также улучшение воспроизводимости и технологичности в условиях производства.

Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении предлагаемого устройства, заключаются в следующем.

1. Достигается уменьшение разброса направлений лучей, переотраженных внутри резонатора, и лучей, исходящих сквозь его светопрозрачные стенки.

2. Достигается повышенная повторяемость световых характеристик от прибора к прибору в производстве и сохранение этих характеристик в последующей эксплуатации, в том числе в условиях виброударных нагрузок.

3. Достигаются простота сборки и повышенный "выход годных" приборов в производстве, и, соответственно, снижается себестоимость продукции.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в сверхвысокочастотном (СВЧ) возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем сферическую лампу в зоне пучности электрического СВЧ-поля осесимметричного цилиндрического СВЧ-резонатора, имеющего светопрозрачную цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки, по меньшей мере одна из которых выполнена светонепроницаемой, торцевые стенки выполнены в виде сегментов сферических поверхностей, центры кривизны которых совмещены с центром сферы безэлектродной лампы.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна".

Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 схематично показано в продольном разрезе устройство СВЧ-возбудителя с СВЧ-резонатором, работающим на ТЕ111 - виде колебаний.

На фиг. 2 схематично показано в продольном разрезе устройство СВЧ-возбудителя с СВЧ-резонатором, работающим на TE112 виде колебаний.

На фиг. 1 безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа 1 сферической формы установлена в СВЧ-резонаторе 2 на его продольной оси, как и в известных конструкциях, в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего ТЕ111 - вида колебаний.

Крепление лампы 1 осуществлено с возможностью вращения (двигатель и его приводной вал на фиг.1 не показаны) посредством центрального стержня-держателя 3 из диэлектрического материала (кварца). СВЧ-резонатор 2 в конкретном изображении на фиг.1 имеет цилиндрическую боковую стенку 4, состоящую из сетчатого (светопрозрачного) участка 5 и непрозрачного участка 6. Сквозь указанный непрозрачный участок 6 боковой стенки 4 в СВЧ-резонатор 2 введен СВЧ-излучатель 7, являющийся элементом электродинамической связи резонатора 2 с внешним СВЧ-трактом 8, канализирующим СВЧ-энергию накачки от непоказанного СВЧ-генератора.

В данном исполнении (фиг.1) СВЧ-тракт 8 показан в виде коаксиальной линии передачи, что не является принципиальным в заявляемом объекте. Для иллюстрации иного исполнения на фиг.2 показан волноводный СВЧ-тракт.

Что же касается особенностей построения и реализуемости устройства СВЧ-возбудителя с излучателем, "питаемым" от коаксиальной линии передачи 8, то они отражены в Патенте RU 2161815 по кл. Н 05 В 41/24, H 01 J 65/04, опубл. в Бюл. 1 от 10.01.2001, автор Шлифер Э.Д. - [6].

На фиг. 1 непосредственно с цилиндрическим участком 6 стыкуется светонепрозрачная торцевая стенка 9, светоотражающая сферическая поверхность 10 которой, обращенная к лампе 1, отполирована и образует контрзеркало.

Радиус этой сферической поверхности R1 выбран из условия схождения переотраженных лучей в центре светящего тела лампы 1. Иными словами, центр кривизны поверхности 10 совмещен с центром сферы безэлектродной лампы 1. Этим достигается уменьшение доли "хаотичных" переотражений светового потока в СВЧ-резонаторе 2 и, соответственно, повышается "выход" световых лучей требуемого направления сквозь светопрозрачный участок 5 боковой стенки 4 к внешнему рефлектору 11. Этот рефлектор 11 показан условно. Если это параболоид вращения, то его фокус должен быть совмещен с центром сферы лампы 1. Аналогичная идеология распространяется и на конфигурацию второй торцевой стенки 12 - светопрозрачной (что, впрочем, не всегда обязательно, т.к. могут быть востребованы построения СВЧ-возбудителя, в которых торцевая стенка 12 светонепрозрачна). Так или иначе, согласно идее настоящего изобретения торцевая стенка 12 также выполнена в форме сферического контрзеркала, отражающая поверхность которого 13 имеет в общем случае другой радиус R2, но тот же центр кривизны, что и поверхность 10 стенки 9, т.е. центры кривизны всех переотражающих зеркал (10 и 13) соответственно стенок 9 и 12 совмещены с центром сферы лампы.

На фиг. 2 схематично представлено исполнение заявляемого объекта для случая использования ТЕ112 вида колебаний в СВЧ-резонаторе 2. Сходные позиции обозначены теми же номерами, что и на фиг.1. В этом исполнении (фиг.2) так же, как и на фиг.1, можно использовать СВЧ-излучатель 7 и коаксиальный СВЧ тракт 8. Но для демонстрации неединственности такого построения на фиг.2 СВЧ-излучатель 14 выполнен в виде щели в боковой стенке 4 (в непрозрачном ее участке 6) резонатора 2, а в качестве СВЧ-тракта 15 СВЧ-накачки использован волновод.

Работу заявленного устройства рассмотрим на примере его исполнения, представленного на фиг.1.

При подаче СВЧ-энергии накачки по тракту 8 излучатель 7 возбуждает на рабочей частоте ТЕ111-вид колебаний в СВЧ-резонаторе 2, в котором размещена безэлектродная лампа 1, приводимая во вращение перед подачей СВЧ-энергии. Поскольку в показанном на фиг.1 положении лампа расположена в зоне пучности СВЧ-электрического поля (на рабочем виде колебаний) в стартовом газе-наполнителе лампы (например, в аргоне) и насыщенных парах рабочего вещества (например, серы) возникает и быстро развивается безэлектродный СВЧ-разряд, который благодаря вращению лампы приобретает симметричную (сферическую) форму и, соответственно, светящее плазменное тело в установившемся режиме становится как бы квазиточечным источником света в центре сферы лампы 1. Исходящие лучи частично выходят сквозь светопрозрачные стенки 5 и 12 СВЧ-резонатора 2 к внешнему рефлектору 11 и в пространство, а частично многократно переотражаются внутри резонатора 2. Благодаря введению (согласно реализуемого построения заявляемого объекта) контрзеркал 9, 12 со сферической отражающей поверхностью 10, 13 часть переотраженных лучей возвращается к центру светящего тела, что приводит к снижению "хаотичности" в переотражениях и пополнению исходящего (полезного) светового потока "правильно" направленными лучами.

При работе заявляемого устройства в условиях виброударных нагрузок контрзеркала 9, 12, как не имеющие свободы перемещения, остаются в позиции, оптимизированной при проектировании и сохраняемой при изготовлении. Конечно, ограничения по вибро- и ударопрочности существуют и определяются прочностью диэлектрического стержня-держателя поз. 3, консольно удерживающего безэлектродную лампу. Но эти ограничения не связаны с введением контрзеркала. Иными словами, введение улучшений в формировании светового потока не сопровождается утратой полезных качеств.

Формула изобретения

Сверхвысокочастотный (СВЧ)-возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий сферическую лампу, размещенную в зоне пучности электрического СВЧ-поля осесимметричного СВЧ-резонатора, имеющего светопрозрачную цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки, по меньшей мере одна из которых выполнена светонепроницаемой, отличающийся тем, что торцевые стенки выполнены в виде сегментов сферических поверхностей, центры кривизны которых совмещены с центром сферы безэлектродной лампы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2