Способ генерации оптического излучения и соответствующее устройство

 

Изобретение относится к области светотехники и источников света, в частности к высокоинтенсивным источникам оптического излучения. Техническим результатом является повышение экономической эффективности, эксплуатационной надежности, яркостных показателей, а также экологичность, энергоэкономичность и универсальность применения устройства. Способ генерации оптического излучения основан на превращении энергии СВЧ-излучения в энергию плазмы в замкнутом объеме и предусматривает подачу СВЧ-излучения в импульсном режиме с длительностью импульсов 20-100 мкс и скважностью 3-8. Плотность вводимой мощности СВЧ-излучения составляет 1-4 кВт на 1 см³ указанного замкнутого объема. СВЧ безэлектродная лампа высокой интенсивности содержит горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом веществ, источник постоянного напряжения, СВЧ-генератор, например магнетрон, и СВЧ электродинамическую систему, например резонатор, со светопрозрачной частью в зоне расположения указанной колбы и отличается введением в цепь, содержащую источник постоянного напряжения и СВЧ-генератор, импульсного модулятора. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области светотехники и источников света, в частности к высокоинтенсивным источникам оптического (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного) излучения.

Известны источники оптического излучения высокой интенсивности на основе электродного дугового разряда высокой интенсивности (высокого и сверхвысокого давления) с колбой из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла [1] . Их недостатками являются низкий срок службы вследствие быстрого уменьшения прозрачности колбы горелок и ухудшение зажигаемости ламп из-за распыляемости материала электродов - и малые возможности по оптимизации спектров излучения для различных применений. Последнее связано с большими ограничениями в выборе составов плазмообразующих наполнений колбы горелок по причине высокой химической активности электродных материалов (нагретых до температур 1300 - 2000^oC) по отношению к большинству потенциально важных компонентов наполнения (вроде хлоридов металлов, например).

Известен принимаемый за прототип способ генерации оптического излучения высокой интенсивности, основанный на том, что энергию СВЧ-излучения превращают в энергию плазмы (микроволновой) в закрытом объеме (в колбе горелки) [2] . Соответственно, известна принимаемая за прототип конструкция СВЧ безэлектродной лампы высокой интенсивности, содержащая горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненной рабочим плазмообразующим веществом, источник постоянного напряжения, СВЧ-генератор (магнетрон, например) и СВЧ электродинамическую систему (например, резонатор) с достаточно светопрозрачной частью в зоне расположения колбы горелки. При этом нередко в конструкцию лампы включают и некоторый светоперераспределительный элемент (например, отражатель). Кроме того, и это относится к его недостаткам, прототип содержит систему вращения горелки вокруг оси симметрии (например, со скоростью 300 об/мин) и систему принудительного воздушного охлаждения горелки струями сжатого воздуха.

В целом, недостатками прототипа являются: а) низкая экономичность, обусловленная как повышенной стоимостью (соответственно ценой) в связи с наличием систем вращения и принудительного охлаждения горелки, так и повышенными эксплуатационными издержками на электроэнергию (из-за наличия двух указанных систем), на техобслуживание, текущий ремонт и периодическую смену двух этих как бы дополнительных систем; б) низкая эксплуатационная надежность, обусловленная наличием повышенного числа функциональных блоков, отказ любого из которых выводит лампу из строя; в) низкие яркостные показатели (ниже чем у ламп-аналогов) типа яркость или энергетическая яркость габаритные, по причине того, что микроволновая плазма локализуется в пристеночной зоне колбы горелки, как бы размазываясь по внутренней стенке колбы, площадь которой относительно велика (такие яркостные показатели либо часто исключают возможность эффективного использования лампы, либо же существенно усложняют и удорожают световые приборы с этими лампами); г) низкая экологичность (гигиеничность) и эргономичность лампы по критерию "акустический шум" из-за громко шипящих струй сжатого воздуха и соответственно реально низкая универсальность применения.

Задача изобретения - повысить экономическую эффективность, эксплуатационную надежность, яркостные показатели, а также экологичность, эргономичность и универсальность применения.

По п. 1 формулы изобретения-способа технический результат достигается посредством того, что энергию СВЧ-излучения подают в импульсном режиме с длительностью импульсов 20 - 100 мкс и скважностью 3 - 8.

По п. 2 формулы изобретения-способа технический результат достигается посредством того, что энергию СВЧ-излучения преобразуют в энергию микроволновой неравновесной плазмы при плотности вводимой СВЧ-энергии 1 - 4 кВт на 1 см³ внутреннего объема колбы горелки.

По формуле изобретения-устройства технический результат достигается посредством того, что в цепь, содержащую источник постоянного напряжения и СВЧ-генератор, введен импульсный модулятор.

Изобретение поясняется чертежами, где показаны: на фиг. 1 - общая, а на фиг. 2 - более частная (раскрывающая возможность реализации) конструктивные схемы устройства по данному изобретению.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - СВЧ электродинамическая система со светопрозрачной частью в зоне расположения колбы горелки; 3 - указанная светопрозрачная часть; 4 - СВЧ-генератор; 5 - горелка с колбой из оптически прозрачного материала, наполненной рабочим плазмообразующим веществом; 6 - импульсный модулятор; 7 - титрон; 8 - коллектор титрона; 10 - первый анод титрона; 11 - модулятор управляющего электрода титрона; 12 - управляющий электрод титрона; 13 - блок питания первого анода титрона; 14 - блок управления.

Механизм работы следующий. В СВЧ электродинамической системе 2, которая представляет собой металлическую камеру со светопрозрачной частью 3, в зоне расположения колбы 5 локализуется микроволновая плазма в объеме колбы 5, имеющей характерный размер L. Энергия СВЧ-излучения в плазму подается от СВЧ-генератора, импульсный модулятор 6 работает в шкале времени, определяемой временем, τ, характеризующим продолжительность движения микроволновой плазмы от места образования в объеме колбы к стенкам колбы 5. Как бы убегающая плазма вновь создается на прежнем месте новым импульсом и не "размазывается" по внутренней стенке колбы 5 (реализуется как бы "постоянно действующая катастрофа"). При этом, если Q есть скважность импульсного режима СВЧ-накачки микроволновой плазмы, то мощность в импульсе в Q раз больше средней мощности, вводимой в плазму. Поэтому и по причине компактности плазменного образования повышаются яркостные показатели горелки лампы, уменьшается температура стенки колбы 5 и, зачастую, вообще отпадает необходимость вращения колбы и ее принудительного воздушного охлаждения. В соответствии с данным изобретением реализуются весьма сложные для работы СВЧ-генератора 4 электрических режима, и поэтому его устойчивая работа в импульсном режиме возможна лишь при питании именно от источника тока, причем импульсного тока. Элементом с высоким (более 1 кОм) значением динамического внутреннего сопротивления при малом статическом, реализующим подходящий источник импульсного тока может быть, например, высокочастотный или импульсный повышающий трансформатор с повышенным потоком рассеяния. Скорость распространения микроволновой плазмы в плазмообразующем, внутреннем объеме колбы 5, V, является экспериментально определяемым параметром и имеет порядок значений мм/мкс. Это соответствует параметрам, определяющим способ, при котором СВЧ-энергию подают в импульсном режиме с длительностью импульсов 20 - 100 мкс и скважностью 3 - 8, причем энергию СВЧ-излучения преобразуют в энергию микроволновой неравновесной плазмы при плотности вводимого СВЧ-излучения 1 - 4 кВт на 1 см³ внутреннего объема колбы 5. Существенно соотношение τ < L/V. В качестве СВЧ-генератора 4 может быть использован (как и показано на фиг. 1 и 2) магнетрон, а в качестве импульсного модулятора 6 может быть использована, в частности, система титрон 7 - модулятор 11 управляющего электрода 9 титрона 7 - блок питания 13 первого анода 10 титрона 7 - блок управления 14. При этом титрон 7 [3] - не имеющий зарубежных аналогов прибор, превращающий источник напряжения 1 в полностью и практически безынерционно (с разрешением τ) управляемый источник импульсного тока, пиковое значение которого определяется модулятором 11, управляющим электродом 9 титрона 7. В колбу 5 вводится также постоянная составляющая СВЧ-энергии излучения, что целесообразно для поддержания средней температуры в объеме колбы 5 на должном уровне, увеличения скважности 0 и соответственно повышения импульсной мощности. Регулирование осуществляет блок питания 13 первого анода 10 титрона 7, а согласованное управление блоками 11 и 13 осуществляет блок управления 14.

В соответствии с данным пунктом изобретения реализация сложных электрических режимов работы магнетрона обеспечивается титроном 7 со значением динамического внутреннего сопротивления в десятки кОм при статическом сопротивлении в сотню Ом. Соблюдение п. 2 изобретения обеспечивает при данной схеме создание в объеме колбы неравновесной плазмы с низкой температурой по газовой составляющей.

Вследствие компактного динамического состояния плазменного образования, т. е. при отсутствии, как в прототипе [2], "размазывания" святящего тела с практически неизменным количеством элементарных излучателей оптического диапазона волн (сохранение лучистого потока) гарантирует в нашем случае повышенную, доходящую до привычных значений (характерных для дуговых разрядных ламп высокой интенсивности) яркость или энергетическую яркость.

При меньших значениях нижних границ (указанных, заявляемых нами) интервалов величин энергий импульсов недостаточно для получения эффектов превышения показателей прототипа (задача изобретения не достигается), при больших - мощности импульсов возрастают настолько, что эффективность ввода СВЧ-энергии в плазму резко падает из-за роста коэффициента отражения ее от плазменного образования.

Источники информации 1. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат. 1991.

2. Пат. США NN 4954755 и 5334913.

3. Титрон /Гинзбург В.Е.// Электроника: Энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия. 1991, - с. 550 - 551.

Формула изобретения

1. Способ генерации оптического излучения, основанный на том, что энергию СВЧ излучения превращают в энергию плазмы в замкнутом объеме, отличающийся тем, что энергию СВЧ излучения подают в импульсном режиме с длительностью импульсов 20 - 100 мкс и скважностью 3 - 8.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что энергию СВЧ излучения преобразуют в энергию неравновесной плазмы при плотности вводимой мощности СВЧ излучения 1 - 4 кВт на 1 см³ указанного замкнутого объема.

3. СВЧ безэлектродная лампа высокой интенсивности, содержащая горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом веществ, источник постоянного напряжения, СВЧ генератор и СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения указанной колбы, отличающаяся тем, что в цепь, содержащую источник постоянного напряжения и СВЧ генератор, введен импульсный модулятор на основе титрона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2