Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы

 

Изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к безэлектродным СВЧ-газоразрядным лампам и оптическим излучателям на их основе, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или в ультрафиолетовой частях спектра. Технический результат заключается в увеличении выходного светового потока (т.е. полного КПД) без повышения мощности СВЧ-накачки при одновременном непревышении допустимых уровней СВЧ-излучений в окружающую среду, а также в обеспечении надежного зажигания и высокой скорости установления стационарного режима разряда и оптимального распределения температур в баллоне без использования вращения лампы. СВЧ-возбудитель содержит коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии. Лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и коротко замкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью. Лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью. Также предусмотрено, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполняются с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом, а поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполняется зеркально отражающей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (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 безэлектродным СВЧ-газоразрядным лампам и оптическим излучателям на их основе, в частности к прожекторам и светильникам.

Известны устройства светильников, в СВЧ-ламповых модулях которых СВЧ-газоразрядная безэлектродная лампа размещена в СВЧ-резонаторе со светопрозрачными ("сетчатыми") стенками, не позволяющими, однако, пропускать излучения СВЧ-энергии накачки в окружающее пространство сверх допустимого (нормируемого) уровня. Задача увеличения светопрозрачности резонатора, а следовательно, и результирующей световой отдачи устройства в целом остается актуальной, ибо непосредственно связана с решением проблемы энергосбережения в освещении. Однако "противоречие" между светопрозрачностью и СВЧ-непрозрачностью стенок СВЧ-резонатора требует поиска наиболее рациональных идеологических и конструкторских решений.

Возможность нахождения таких решений может базироваться, например, на выборе в качестве рабочих видов колебаний только таких, которым присущи структуры СВЧ-токов в стенках СВЧ-резонатора, характеризующиеся наличием единственной составляющей (например, только азимутальной во всех стенках - на TE_01p-видах; только продольной в цилиндрической и только радиальной - в торцевых стенках - на ТЕМ видах и видах TM_01p). При такой структуре СВЧ-токов ячейки светопрозрачной сетки могут быть выполнены с существенно увеличенным размером в направлении, совпадающем с "линиями" СВЧ-токов. Это означает увеличение светопрозрачности сетки не в ущерб СВЧ-непрозрачности.

Из числа других назревших проблем, вызывающих озабоченность разработчиков и "эксплуатационщиков" СВЧ-световых приборов, необходимо выделить обеспечение требуемой конфигурации плазменного светящего тела (его формы и размеров) и соответствующей формы собственно безэлектродной лампы.

Указанные проблемы имеют несколько взаимозависимых аспектов, хотя и различной значимости, но не допускающих их исключения из рассмотрения при создании всего комплексного устройства и его составляющих, в частности, при построении СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы. Одним из таких весомых аспектов является обеспечение определенного (требуемого, заданного, допустимого) распределения температур в вакуумноплотной оболочке безэлектродной лампы. Это распределение температур обусловлено прежде всего топографией СВЧ-электромагнитного поля (его электрической составляющей) в рабочем объеме лампы, располагаемой обычно в зоне пучности СВЧ-поля в резонаторе. Если топография СВЧ-поля такова, что носители заряда в плазменном "теле" под действием указанного поля преимущественно "бомбардируют" определенные участки колбы лампы, то возникают локальные перегревы, которые могут привести к ее гибели. Так, если рабочему виду колебаний в СВЧ-резонаторе присуща топография СВЧ-поля, характеризующаяся наличием вариаций, то и светящее тело, и теплораспределение в лампе окажутся пространственно неоднородными.

В традиционных конструкциях СВЧ-возбудителей безэлектродных газоразрядных ламп наиболее распространенными следует признать построения, использующие светопрозрачные сетчатые СВЧ-резонаторы цилиндрической формы, с рабочим видом колебаний ТЕ_11р, где р=1, 2, ... , и в частности ТЕ₁₁₁-вид. Топография СВЧ-электрического поля этого вида колебаний характеризуется отсутствием азимутальной симметрии. Соответственно и распределение СВЧ-токов в стенках резонатора является азимутально несимметричным. При этом СВЧ-токи в цилиндрической стенке имеют как продольные, так и азимутальные составляющие, а в торцевых стенках - радиальные и азимутальные составляющие. Обычно используемые в таких устройствах безэлектродные лампы сферической формы, помещаемые в зоне пучности СВЧ-электрического поля ТЕ₁₁₁ вида колебаний, не обеспечивают однородного распределения светового потока и температуры баллона лампы (колбы) в экваториальном и меридиональном направлениях. Все это диктует необходимость осуществления вращения лампы, а то и ее принудительного обдува при вращении. Наличие же в сетчатых стенках резонатора как продольных, так и азимутальных СВЧ-токов, протекающих по проводящим перемычкам между ячейками сетки, делает предпочтительным использование квадратной или иной равносторонней (например, шестигранной) формы ячейки как равноискажающей "линии" обеих названных составляющих СВЧ-токов. Как отмечалось выше, такая форма ячейки сетки ограничивает возможности увеличения светопрозрачности, ибо увеличение размера любой из сторон ячейки влечет за собой увеличение "просачивающейся" СВЧ-мощности. Наряду с этим, относительно малые размеры ячейки обуславливают и высокое аэродинамическое сопротивление, т.е. низкую воздухопрозрачность сетки, что затрудняет охлаждение баллона (колбы) лампы (как естественное конвекционное, так и принудительное), ибо возникают отраженные горячие воздушные потоки и "застойные подушки". Это - еще один аспект проблемы создания СВЧ-возбудителей с наилучшим сочетанием энергетических, световых и эксплуатационных характеристик.

Таким образом, можно заключить, что основные ограничения в совершенствовании СВЧ-световых приборов и СВЧ-возбудителей, в частности, связаны с использованием рабочих видов колебаний, характеризующихся неоднородной (азимутально несимметричной) топографией СВЧ-поля. Это утверждение относится и к задачам повышения светопрозрачности СВЧ-резонатора, и к задаче недопущения локальных перегревов колбы без использования усложняющих конструкцию и снижающих ее надежность устройств вращения лампы. Современный уровень техники в рассматриваемой области характеризуется уже известными примерами, иллюстрирующими нацеленность проводимых работ на поиск технических решений, позволяющих реализовать идеологию использования в СВЧ-возбудителях осесимметричных азимутально однородных СВЧ-полей и невращаемых безэлектродных ламп.

В частности, этой идеологии соответствует выбор ТЕ₀₁₁-вида колебаний в качестве рабочего для цилиндрического или коаксиального СВЧ-резонатора. Топография СВЧ-электромагнитного поля, присущая этому виду колебаний, характеризуется наличием только азимутальной компоненты СВЧ-электрического поля и, соответственно, СВЧ-токи во всех стенках СВЧ-резонатора - только кольцевые. Конструкция устройства, которое по крайней мере по признаку использования осесимметричного без азимутальных вариаций СВЧ-поля можно рассматривать как аналог заявляемого объекта, представлена в статье Э.Д. Шлифер. "Безэлектродные СВЧ-разрядные источники света. Перспективы просматриваются". Электроника, наука, технология, бизнес. Изд. РНЦ "Техносфера", - М.: №3, 2002, с.52-55 [1], а также в патенте РФ №2185004 МКИ H 01 J 65/04, Н 01 P 7/06. Опубл. бюл. №19 10.07.2002, автор Шлифер Э.Д. [2].

Аналог (рис.1 а, б [1]) содержит цилиндрический или коаксиальный СВЧ-резонатор, рассчитанный на возбуждение в нем ТЕ₀₁₁-вида колебаний. Соответствующая этому виду топография СВЧ-поля характеризуется кольцевой формой силовых линий электрического поля. В зоне максимальной концентрации этих силовых линий соосно закреплена безэлектродная лампа тороидальной формы. Фиксированное положение лампы, не предусматривающее ее вращения, обеспечено ее креплением на трех радиально расходящихся кварцевых стержнях-держателях, уложенных в направляющие, выполненные на разъемных участках боковой стенки СВЧ-резонатора.

Светопрозрачные стенки СВЧ-резонатора выполнены в форме чередующихся кольцевых проводников и зазоров между ними, что выгодно отличает конструкцию от традиционных СВЧ-резонаторов с квадратной или иной равносторонней формой ячейки сетки. Кольцевые зазоры между проводниками "сетки" обеспечивают высокую светопрозрачность СВЧ-резонатора без утраты СВЧ-непрозрачности.

Недостатком аналога [1, 2], связанным с выбором ТЕ₀₁₁-вида в качестве рабочего, является то, что необходимые для существования ТЕ₀₁₁ вида поперечные размеры СВЧ-резонатора допускают существование и других (низших) видов колебаний. Присущая этим низшим видам топография СВЧ-полей уже не является азимутально однородной и СВЧ-токи в стенках содержат не только азимутальную составляющую, но и продольную, пересекающую зазоры между кольцевыми проводниками. Это означает, что указанные зазоры оказываются СВЧ-излучающими. Если даже резонанс на низших видах колебаний при возбуждении резонатора на рабочей частоте СВЧ-накачки не существует, то поля распространяющихся низших типов волн могут "загрязнять" ТЕ₀₁₁ вид. Это означает нарушение идеальной азимутальной симметрии в распределении СВЧ-поля рабочего вида колебаний. Поэтому при создании работоспособного устройства - аналога [1, 2] - необходимо изыскивать специальные средства подавления или устранения низших типов волн. Эта непростая задача, обычно называемая "подавлением паразитных колебаний", требует для своего решения тщательного выбора поперечных и продольных размеров СВЧ-резонатора, учета при этом влияния безэлектродной лампы и ее держателей на пространственное распределение полей рабочего и "паразитных" видов колебаний, на расстановку их резонансных частот и на межвидовую электромагнитную связь, которая, в свою очередь, влияет и на степень "загрязнения" рабочего вида полями паразитных колебаний, и на уровень просачивающейся в окружающее пространство СВЧ-мощности. Резюмируя отмеченные особенности, можно заключить, что главным недостатком аналога [1, 2] является то, что рабочий вид колебаний ТЕ₀₁₁ не является низшим.

Из других известных технических решений, характеризующих современный уровень техники и, в частности, нацеленных на использование в СВЧ-возбудителях безэлектродных ламп осесимметричной топографии поля, т.е. идеологически близких к заявляемому объекту, следует упомянуть устройство СВЧ-возбудителя по Патенту РФ №2161844, кл. H 01 J 65/04, Н 01 P 5/103, опубл. Бюл. №1, 10.01.2001, автор Шлифер Э.Д. - [3], которое также можно отнести к числу аналогов. В аналоге по [3] СВЧ-поле накачки в цилиндрическом СВЧ-резонаторе возбуждается от коаксиальной линии передачи, на некоторой части длины резонатора. Для возбуждения резонатора центральный внутренний проводник коаксиальной линии передачи имеет вдоль оси линии большую длину, чем наружный проводник, и тем самым является консольным зондом-излучателем. По коаксиальной линии энергия СВЧ-накачки канализируется на ТЕМ волне и, соответственно, диаграмма направленности излучения является азимутально симметричной. Безэлектродная сферическая лампа размещена на консольном кварцевом держателе у консольного же конца зонда-излучателя и тем самым возбуждается СВЧ-полем излучения, характеризующимся азимутальной симметрией. Это означает, что в "экваториальном" направлении лампа находится в однородном СВЧ-поле, светящее плазменное тело азимутально симметрично и колба не имеет вдоль экватора локальных холодных и перегретых точек. Однако в осевом направлении СВЧ-поле неоднородно и характеризуется наличием не только радиальных, но и аксиальных электрических составляющих. Это означает, что в меридиональных направлениях распределение температуры колбы оказывается неоднородным, а в целом светящее плазменное тело - несферическим даже при вращении лампы, которое предусмотрено в конструкции аналога [3].

Итак, достоинствами аналога [3] является азимутальная симметрия поля и теплораспределения, использование низшего типа волны ТЕМ, не "загрязненной" полями паразитных колебаний.

Недостатки аналога состоят в следующем:

1. Не рассмотрены и не реализованы принципиальные возможности повышения светопрозрачности стенок СВЧ-резонатора, связанные с использованием СВЧ-накачки на ТЕМ волне.

2. Необходимость вращения безэлектродной лампы, закрепленной на относительно длинном консольном держателе. Отсюда - пониженная вибро- и ударопрочность конструкции, сложность СВЧ-возбудителя и СВЧ-лампового модуля в целом. Последнее обусловлено наличием ряда необходимых компонентов (двигатель и датчик вращения лампы, система управления и защиты и т.п.), что снижает эксплуатационную надежность устройства.

Известен еще один аналог заявляемого объекта, использующий СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы, СВЧ-накачка которой осуществляется на волне ТЕМ с азимутально симметричной структурой электромагнитного поля. Этот аналог представлен в публикации Э.Д.Шлифер. "Некоторые особенности и проблемы в создании осветительных и облучательных устройств на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ-накачкой". - Светотехника, 1999, №1, стр.8-9 - [4]. Особенностями конструкции аналога [4] являются следующие:

1. В отличие от аналога [3] безэлектродная лампа, закрепленная на выходном конце коаксиальной линии передачи, установлена жестко (без возможности ее вращения).

2. Безэлектродная лампа имеет осесимметричную, но не сферическую форму колбы в виде сосуда Дьюара, но со сквозной вневакуумной полостью, расположенной вдоль оси лампы. При этом сквозная полость ограничена внутренней цилиндрической СВЧ- и светопрозрачной стенкой колбы, а наружная цилиндрическая стенка (также СВЧ- и светопрозрачная), расположенная соосно с внутренней, имеет одинаковую с ней осевую протяженность. Торцы обеих стенок вакуумноплотно соединены между собой на каждом конце лампы, тем самым образован замкнутый объем лампы, откачанный и наполненный рабочим веществом, в котором под действием СВЧ-энергии накачки инициируется и поддерживается безэлектродный разряд - источник оптического излучения.

3. Соединение лампы с коаксиальной линией выполнено разъемным (резьбовым), для чего лампа снабжена короткой трубчатой металлической втулкой, соосно вклеенной на одном торце лампы в ее сквозную полость. При этом трубчатая втулка выполнена с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру наружного проводника коаксиальной линии, и в сочлененном с ней положении является продолжением этого проводника внутри сквозной полости на некоторой ее длине. Центральный (внутренний) проводник коаксиальной линии в СВЧ-возбудителе-аналоге [4] не является принадлежностью лампы. Он выполнен консольно выступающим вдоль оси коаксиальной линии, при сочленении ее с лампой соосно входит в трубчатую втулку и простирается за ее пределы вдоль оси в сквозную полость колбы на некоторую длину, меньшую, чем длина лампы. Таким образом, консольная часть центрального проводника играет роль антенны, формирующей азимутально симметричное СВЧ-поле в зоне излучателя, который, подчеркнем, занимает лишь некоторую часть (по длине) сквозной полости лампы. Это означает, что по длине лампы амплитуды СВЧ-полей непостоянны и рассчитывать на формирование однородного по длине лампы светящего тела СВЧ-разряда, как и равномерного распределения температуры колбы, не приходится без принятия специальных мер, которые в [4] не предусмотрены, т.к. лампа и возбудитель в целом помещены в многовидовый резонатор (в рабочую камеру бактерицидной установки), распределение СВЧ-поля в котором заведомо неоднородно.

В числе известных (опубликованных) устройств, имеющих общие с заявляемым объектом признаки, следует отметить еще один аналог: Патент РФ №2173561, кл. A 61 L 2/08; 2/12. Автор Шлифер Э.Д. Опубл. Бюл. №26 от 20.09.2001 - [5]. В устройстве [5] использована такая же форма колбы (баллона) безэлектродной лампы, как и в аналоге [4], но СВЧ-тракт, канализирующий СВЧ-энергию накачки для возбуждения разряда, пронизывает цилиндрическую вневакуумную полость лампы насквозь, т.е. на всю ее длину. В качестве СВЧ-тракта применен круглый волновод с рабочим типом волны TE₀₁. Этому типу волны присущи только кольцевые СВЧ-токи в цилиндрической стенке волновода и, соответственно, для излучения СВЧ-энергии в направлении безэлектродной лампы в цилиндрической стенке волновода выполнена система продольных (т.е. пересекаемых СВЧ-токами) щелей. Причем щели или их группы могут быть по усмотрению разработчика устройства распределены по длине лампы по определенному закону для инициирования и поддержания достаточно однородного по длине и по азимуту СВЧ-разряда. Недостатки аналога [5] заключаются в следующем:

1. Для распространения волны типа TE₀₁ круглый волновод должен иметь значительный диаметр , что делает лампу, а при создании светильника и весь прибор, весьма громоздкими объектами. Если для промышленной бактерицидной установки [5] большой производительности эта особенность отнюдь не является недостатком, то для осветительной установки громоздкость весьма нежелательна.

2. TE₀₁-тип волны не является низшим, что, как отмечалось выше, может приводить к "загрязнению" СВЧ-поля паразитными волнами и, соответственно, к пространственной неоднородности светоизлучающего СВЧ-разряда. Опять-таки, для бактерицидного УФ-облучателя этот недостаток не столь существенен, как для осветительного устройства.

3. В описании аналога [5] не предусмотрена возможность построения устройства для случая его использования в осветительных, а не в облучательных целях, т.е. не предусмотрена постановка СВЧ-непрозрачного, например, сетчатого экрана. И никаких технических решений проблемы компромиссного выбора конструкции с позиций светопрозрачности и СВЧ-непрозрачности не предложено.

Подытоживая рассмотрение известных технических решений, по тем или иным признакам являющихся аналогами заявляемого объекта, можно заключить, что по большинству совпадающих признаков аналог [4] следует признать прототипом. Поэтому рассмотрим более детально конструктивные особенности и недостатки [4], которые было бы важным избежать в заявляемом объекте. Так, из еще не отмеченных особенностей конструкции [4], связанных с тем, что рассматриваемый СВЧ-возбудитель предназначен для использования в замкнутом объеме рабочей камеры бактерицидной установки комбинированного воздействия (СВЧ-УФ-озон) на обрабатываемый объект, выделим следующие:

1. СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы по [4] применительно к осветительным устройствам, т.е. к использованию вне замкнутой камеры, не пригоден, поскольку не содержит средств, препятствующих излучению СВЧ-энергии в окружающее лампу пространство.

2. Металлическая втулка, являющаяся продолжением наружного проводника коаксиальной линии, укреплена в лампе посредством клеевого соединения и имеет хотя и не непосредственный, но развитый тепловой контакт с лампой. Если в безэлектродной бактерицидной лампе используется УФ-излучающий разряд низкого давления (например, при аргонно-ртутном наполнении), то в нем поглощается лишь небольшая доля (~10%) СВЧ-энергии накачки. Рабочую температуру колбы при этом удается и следует удерживать относительно невысокой (~60-70° С). Этому способствует и отвод тепла от колбы к втулке через упомянутый термоконтакт. При указанных низких температурах не возникает проблем с выбором клеящего втулку вещества и с его долговременной термомеханической стойкостью, да и с выбором материала самой втулки.

Совершенно иная ситуация возникает в случае использования разряда высокого давления. Так, в безэлектродных лампах с квазисолнечным спектром оптического излучения (так называемых серных лампах, в том числе и в аналогах [1-3]) рабочая температура колбы превышает 700° С (на поддержание безэлектродного разряда расходуется ~90% СВЧ-энергии накачки). Важным условием стационарной работы такой лампы является полное испарение рабочего наполнителя, т.е. недопущение ни в одной точке внутренней поверхности колбы температуры более низкой, чем температура кипения рабочего вещества. Если рабочее вещество-наполнитель представляет собой специально подобранную композицию (двух- или многокомпонентную смесь) для получения требуемой "цветности" оптического излучения, то указанная поверхность колбы должна в любой ее точке иметь температуру, более высокую, чем температура полного испарения самой "труднокипящей" компоненты в указанной композиции. Поэтому наличие теплоотводящего элемента, находящегося в термоконтакте с колбой лампы, может оказаться противоречащим указанному условию. Это означает, что температура колбы в зоне контакта с теплоотводящим элементом должна быть весьма высокой (те же 700° С для серной лампы). Тогда в "отдаленных" от контакта точках колбы температура может оказаться чрезмерно высокой. Но, пожалуй, главной технической проблемой может оказаться практическое обеспечение согласованных коэффициентов термического расширения (КТР) разнородных контактирующих материалов. Применительно к прототипу [4] - это материалы колбы (кварц), соединителя (клей, мастика, цемент и т.п.) и втулки (металл). Поскольку прототип [4] изначально не рассчитан на использование высокотемпературных ламп, постольку и никаких средств решения этой проблемы или ее "обхода", например, путем использования неких элементов, работоспособных при высоких температурах, минимально отводящих тепло от колбы и позволяющих избежать термомеханических (возможно, разрушающих) нагрузок лампы и тем самым обеспечить прочность и надежность устройства в целом, в конструкции [4] не предусмотрено. Заметим, что в традиционных построениях СВЧ-возбудителей со сферической кварцевой лампой на кварцевом же стержне-держателе (как в аналоге [3]), а также в нетрадиционных, с кварцевой тороидальной лампой на радиальных кварцевых же держателях (как в аналоге [1, 2]), подобных проблем, связанных с теплоотводом, КТР, выбором материалов, либо не возникает, либо они не столь остры.

Таким образом, конструкция сочленения собственно безэлектродной лампы с коаксиальной линией, будучи рациональной для построения СВЧ-возбудителя [4] (и бактерицидной УФ-облучательной установки в целом) на базе безэлектродной низкотемпературной лампы низкого давления, является совершенно неприемлемой для построения осветительного устройства на базе безэлектродной высокотемпературной лампы с разрядом высокого давления. Однако именно такие лампы (например, серные) являются наиболее перспективными для построения осветительных устройств.

Поэтому было бы весьма желательно, сохраняя достоинства прототипа [4], связанные с использованием в СВЧ-возбудителе азимутально симметричного поля, присущего ТЕМ-волне, и "незагрязненность" этого поля паразитными волнами, обеспечить одновременно высокую световую отдачу, СВЧ-непрозрачность устройства и оптимальный температурный режим лампы, а также высокие показатели надежности и малогабаритность.

В целом это позволило бы создавать эффективные осветительные средства в различных модификациях и тем самым расширить арсенал перспективных светотехнических изделий и сферу их практического использования.

Итак, конкретной задачей изобретения является создание устройства СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы, обеспечивающего:

- повышенную полную световую отдачу в видимой области спектра оптического излучения при одновременном непревышении допустимых уровней СВЧ-излучений в окружающее пространство;

- оптимальный температурный режим безэлектродной лампы, не требующий вращения последней и соответствующий выбранному составу рабочего наполнителя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого устройства, отвечающего указанной задаче, состоит в следующем.

Во-первых, обеспечивается возможность увеличения выходного светового потока без повышения подводимой мощности СВЧ-накачки и, следовательно, мощности, потребляемой от питающей сети. Это означает увеличение световой отдачи или полного КПД устройства. При этом за достигаемый положительный эффект не приходится платить увеличением мощности СВЧ-излучений, просачивающихся в окружающее пространство, создающих помехи в радиоэфире и ухудшающих экологическую обстановку в среде обитания.

Во-вторых, обеспечиваются азимутальная симметрия в топографии СВЧ-поля накачки и высокий уровень амплитуд СВЧ-электрической составляющей в зоне расположения лампы. Это в целом обуславливает надежное зажигание и высокую скорость установления стационарного режима разряда и оптимального распределения температур в баллоне. При этом указанный технический результат достигается без использования вращения лампы.

Решение вышеназванной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии, лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и короткозамкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью, кроме того, лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью.

Предусмотрено, что наружный проводник со сквозными продольными щелями выполнен из электропроводных стержней, которые размещены по образующим проводника с азимутальными зазорами между соседними стержнями.

Предусмотрено также, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполнены с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом.

Предусмотрено, что центрирующая опора контактирует с лампой в локальных точках.

Предусмотрено также, что поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполнена зеркально отражающей.

Дополнительными достоинствами предложенного устройства являются следующие.

Во-первых, обеспечивается механическая и термомеханическая стойкость устройства, в том числе при многократных включениях-выключениях и в условиях вибрационных и ударных нагрузок.

Во-вторых, обеспечивается возможность формирования ленточных световых потоков, например, путем использования цилиндропараболических внешних рефлекторов, а также потока иных форм, включая комбинированные с использованием сторонних несимметричных и симметричных отражателей.

В-третьих, обеспечивается возможность создания компактных световых приборов повышенной надежности, в частности, за счет минимизации числа входящих в прибор элементов, имеющих низкие значения такого показателя как наработка на отказ (это: двигатели вращения лампы, датчики информации о вращении лампы и т.п.).

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения 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 и 2 схематично показан СВЧ-возбудитель в продольном и поперечном по А-А сечениях соответственно.

На фиг.3 показано сечение по А-А для варианта СВЧ-возбудителя с прорезными продольными светоизлучающими щелями в наружном проводнике коаксиальной линии.

На фиг.4 показан вариант исполнения наружного проводника коаксиальной линии в зоне расположения лампы в виде азимутально дистанцированных стержней.

На фиг.5 показан вариант исполнения наружного проводника в зоне расположения лампы с единственной светоизлучающей щелью.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ-возбудителя, хотя и схематично, но достаточно конкретно отражающая сущность изобретения и его концептуальную основу, т.е. общую идеологию построения устройства для осветительных целей.

Так, на фиг.1, 2 показан фрагмент коаксиальной линии передачи СВЧ 1, канализирующей от непоказанного на фиг.1 СВЧ-генератора электромагнитных колебаний энергию накачки (Р_свч) к безэлектродной лампе 2.

Лампа 2 выполнена в форме сосуда Дьюара. Вакуумноплотный откачанный и наполненный рабочим веществом (например, серой, металлогалогенным композитом и т.п.) баллон имеет термостойкие СВЧ- и светопрозрачные (например, кварцевые) стенки: боковые наружную 3 и внутреннюю 4 и торцевые 5, 6, вакуумноплотно соединяющие между собой боковые стенки 3, 4. На фиг.1 стенки 3 и 4 выполнены цилиндрическими по всей длине лампы 2. При таком исполнении в лампе 2 образована ограниченная внутренней стенкой 4 сквозная вневакуумная полость 7 (см. фиг.2), как это имеет место и в прототипе [4]. Вдоль оси лампы 2 в полости 7 соосно с внутренней стенкой 4 расположен центральный (внутренний) проводник 8, являющийся участком и продолжением внутреннего проводника 9 коаксиальной линии 1, канализирующей энергию СВЧ-накачки на волне типа ТЕМ.

В отличие от прототипа [4], в котором и наружный, и центральный (внутренний) проводники коаксиальной линии расположены в сквозной полости баллона лампы и простираются вдоль ее оси только на некоторой части длины лампы, в устройстве, показанном на фиг.1, только центральный проводник 8 расположен в сквозной полости 7 и простирается в ней вдоль оси лампы 2 на всю ее длину. Более того, этот центральный проводник 8 выступает за торец 6 лампы 2, что, как будет показано ниже, может быть использовано для присоединения других элементов конструкции. Лампа 2 зафиксирована относительно центрального проводника 8 без непосредственного соприкосновения с ним (по крайней мере на "горячей" части длины лампы 2). Эта фиксация в конкретном исполнении по фиг.1 осуществлена посредством посадочных центрирующих опор 10, 11, выполненных в виде втулок из термостойкого диэлектрика (того же кварца), обладающего малой теплопроводностью и тем же КТР, что и материал баллона лампы 2. В таком построении длина посадочных частей и толщина (в том числе - переменная по длине) стенок центрирующих кварцевых втулок-опор 10, 11 выбирается из условий обеспечения требуемого низкого теплоотвода от лампы 2 и достижения оптимального распределения температуры по длине лампы 2. Не ревизуя сути изобретения, указанные центрирующие и теплорегулирующие втулки-опоры 10, 11 могут быть выполнены зацело с баллоном лампы 2, а также съемными, контактирующими с внутренней стенкой 4 лампы 2 только на локальных точках ее поверхности, могут быть снабжены отверстиями для выхода воздуха и регулирования теплоотвода. Эти варианты на фигурах мы не иллюстрируем за очевидностью возможных очертаний.

Центрирующие втулки-опоры 10, 11 закреплены соответственно в посадочных проточках 12, 13. При этом посадочное место 12 выполнено в теле наружного проводника 14 коаксиальной линии передачи 1, подводящей мощность СВЧ-накачки Р_свч. Посадочное место 13 выполнено в короткозамыкателе 15. На фиг.1 посадочные места 12, 13 показаны схематично без каких-либо амортизаторов или теплорегулирующих прокладок. В конкретных исполнениях предложенного устройства такие общеизвестные элементы, естественно, могут быть установлены, в частности, в обеспечение виброударопрочности. Наружный проводник 14 линии 1 снабжен соосным светопрозрачным участком 16. На фиг.1 и 2 этот участок 16 показан в форме тонкостенной электропроводной трубы, окружающей без соприкосновения наружную стенку 3 лампы 2 и являющейся продолжением наружного проводника 14 коаксиальной линии 1 вплоть до короткозамыкателя 15. Светопрозрачность участка 16 обеспечена за счет выполнения в нем продольных сквозных щелей 17, дистанцированных одна от другой по азимуту. Таким образом, между соседними щелями остается непрозрачный электропроводный простенок 18, а в целом участок 16 приобретает форму "беличьего колеса".

Угловая (азимутальная) ширина ϕ _i (i=1, 2, 3 ... ) щелей 17 на фиг.2 показана одинаковой для всех щелей (как и на фиг.4, где она не обозначена). Одинаковыми показаны и азимутальные расстояния-шаги τ _i (т.е. непрозрачные для света простенки 18) между соседними щелями 17. Это не является обязательным условием исполнения светопрозрачного участка 16 наружного проводника 14. В общем случае ϕ ≠ ϕ ₂≠ ϕ ₃ ... и τ ₁≠ τ ₂≠ τ ₃ ... (см. фиг.3). Общее число щелей 17 в рамках идеи изобретения не лимитируется. В предельном случае может быть выполнена единственная щель с азимутальной шириной (раскрывом) ϕ ₁ (фиг.5), что, однако, может понадобиться лишь в ограниченном числе специальных применений СВЧ-возбудителя со специальными же внешними формирователями светового потока. Принципиально важным в конструкции участка 16 и СВЧ-возбудителя в целом является обеспечение его СВЧ-непрозрачности при высокой светопрозрачности. В конкретном исполнении устройства на фиг.1, 2 СВЧ-непрозрачность участка 16 ("беличьего колеса") обеспечена тем, что размеры поперечного сечения этого участка коаксиальной линии допускают существование только ТЕМ волны (низшей из возможных) и соответственно как в центральном (внутреннем) проводнике 8, так и в электропроводных простенках 18 участка 16 протекают только продольные СВЧ-токи, не пересекающие щели 17.

Как показано на фиг.1, короткозамыкатель 15 расположен на расстоянии от середины лампы 2, равном нечетному числу четвертей длины волны (λ _раб) рабочих колебаний СВЧ-накачки. Это означает, что "центр" лампы 2 оказывается в зоне пучности электрической составляющей СВЧ-поля стоячей волны ТЕМ, что облегчает зажигание и последующее поддержание безэлектродного разряда с симметричной относительно середины лампы 2 формой светящего тела. Указанное положение короткозамыкателя относительно средней поперечной плоскости симметрии лампы 2, выбираемое для "приведения" пучности поля стоячей волны в наперед заданную координату на оси СВЧ-возбудителя, не относится к отличительным признакам предлагаемой конструкции, ибо общеизвестно в технике СВЧ.

На фиг.3 укрупненно показан вид поперечного сечения светопрозрачного, но СВЧ-непрозрачного участка 16 с прорезными продольными светоизлучающими щелями 17, а на фиг.4 - аналогичный вид участка 16 ("беличьего колеса"), образованного осесимметричной группой азимутально дистанцированных электропроводных стержней или струн 19 (в общем случае - с неравными угловыми расстояниями друг от друга: Ψ ₁≠ Ψ ₂≠ Ψ ₃ ... ). При этом угловые (азимутальные) зазоры ϕ _i между этими стержнями 19 образуют те же светоизлучающие СВЧ-непрозрачные щели 17, что и на фиг.3. Стержни (струны) 19 присоединены к наружному проводнику 14 коаксиальной линии 1 и к короткозамыкателю 15 с обеспечением электрического контакта (например, приварены лазерной сваркой).

Из прочих особенностей предлагаемой конструкции (фиг.1) необходимо отметить следующие. Так, для получения возможно большего светового потока, направляемого на освещаемый объект, поверхность центрального (внутреннего) проводника 8 выполнена зеркально отражающей, например, полированной. Это способствует отражению и инфракрасных (ИК) излучений обратно в лампу 2, и, соответственно, снижает температуру центрального проводника 8 и уровень СВЧ-потерь в нем. На фиг.1 центральный проводник 8 показан в наиболее упрощенном исполнении. Не ревизуя конструкции заявляемого объекта, легко видеть, что центральный проводник 8 может быть выполнен полым, например, с каналом для пропускания охлаждающего агента (например, воздуха). При необходимости увеличения теплосъема с центрального проводника 8, нагреваемого СВЧ-токами и ИК-излучениями высокотемпературной лампы 2, конец центрального проводника 8 (показанный на фиг.1 выступающим за пределы короткозамыкателя 15 и оборванным) может быть оребрен или снабжен съемным радиатором, который из-за многообразия возможных форм вообще не показан. Ребра непоказанных радиаторов могут быть также выполнены в теле наружного проводника 14 и короткозамыкателя 15.

Далее, не уклоняясь от сущности изобретения, конструкция, показанная на фиг.1-5, предусматривает возможность выполнения участка 16 (например, стержней или струн 19) и центрального проводника 8 из материалов с различными КТР с учетом различий в рабочих температурах этих элементов и требований по недопущению их деформаций (особенно при использовании тонких стержней и струн 19).

Для сохранения достаточного (не зависящего от теплового режима лампы 2) натяжения струн (стержней) 19 кроме выбора материалов с различными КТР для струн 19 и центрального проводника 8, конструкция (фиг.1) подразумевает возможность выполнения короткозамыкателя 15 в виде термокомпенсатора с термобиметаллическим элементом. На фиг.1 это устройство не детализируется как выходящее за рамки настоящего изобретения по ряду признаков, которые не предлагаются здесь к патентной защите.

Наконец, заметим, что выполнение центрального проводника 8 с длиной, превышающей длину лампы 2 (в частности, на фиг.1 центральный проводник показан выступающим за короткозамыкатель 15), предусматривает возможность не только упомянутой выше постановки на центральный проводник 8 радиатора, но и постановки элементов крепления внешнего рефлектора, что также не показано на фигурах.

Работа предложенного СВЧ-возбудителя осуществляется следующим образом.

При поступлении СВЧ-мощности Р_свч от СВЧ-генератора в коаксиальную линию 1 в ней распространяется низший тип волны - ТЕМ. Эта волна проходит в зону, где соосно с наружным 16 и центральным 8 проводниками посредством диэлектрических (кварцевых) втулок 10, 11 зафиксирована безэлектродная лампа 2. ТЕМ-волна проходит к короткозамыкателю 15 и, отражаясь от него обратно к лампе 2, образует стоячую волну. Ближайшая к короткозамыкателю 15 пучность стоячей волны располагается на расстоянии четверти длины волны от короткозамыкателя 15. Структура (топография) СВЧ-поля при этом азимутально симметрична и характеризуется радиально направленными силовыми линиями электрического СВЧ-поля (с достаточно большими амплитудами), вызывающего радиальное же перемещение носителей заряда в безэлектродной лампе 2. Если напряженность СВЧ электрического поля по крайней мере в пучности стоячей волны достигает потенциала зажигания парогазовой смеси, находящейся в лампе 2 при предстартовых температуре и давлении, то в лампе возникает безэлектродный СВЧ-разряд.

По мере развития разряда от стартового до стационарного состояния происходит достаточно быстрый нагрев лампы 2 (чему способствуют отражения ИК-излучений от зеркальной поверхности центрального проводника 8), сопровождающийся испарением всех компонентов рабочего вещества-наполнителя и соответствующим ростом давления в лампе. Стационарное состояние безэлектродного разряда характеризуется установлением равновесного режима (давления в лампе 2, температуры и ее распределения в стенках 3 и 4 и втулках 10, 11, уровня поддерживающей СВЧ-разряд и поглощаемой им СВЧ-мощности накачки, постоянства величин светового потока и его спектрального состава).

В стационарном состоянии СВЧ-разряда "светящее тело" обладает азимутальной симметрией и приобретает трубчатую форму, как бы охватывая центральный проводник 8. Стационарному режиму светоизлучающего безэлектродного разряда соответствует и минимальный уровень СВЧ-излучений, просачивающихся в окружающее СВЧ-возбудитель пространство сквозь достаточно широкие светоизлучающие щели 17 участка 16, являющегося продолжением наружного проводника 14 коаксиальной линии передачи 1. Низкий уровень СВЧ-излучений, определенный в описании как "СВЧ-непрозрачность" участка 16, обусловлен двумя обстоятельствами.

Во-первых, тем, что ТЕМ типу волны, "незагрязненной" паразитными волнами, присущи только продольные СВЧ-токи в проводниках 8, 18, 19, не пересекающие светоизлучающие щели 17, несмотря на то, что последние в обеспечение высокого "выхода" светового потока выполнены достаточно широкими. Это особенно важно на стадии "разгорания" СВЧ-разряда, когда в нем поглощается относительно меньшая доля СВЧ-энергии накачки.

Во-вторых, тем, что в стационарном режиме на поддержание светоизлучающего СВЧ-разряда высокого давления полезно расходуется почти вся мощность СВЧ-накачки (оценочно: 90%).

В результате оптимизируется конструкция устройства с позиций достижения высокой светопрозрачности (а значит, и повышенной результирующей световой отдачи) при одновременном обеспечении пониженных уровней СВЧ-излучений.

Кроме того, устройство работает, не требуя применения вращения лампы, а следовательно, и использования приводов, консольных держателей и т.п. элементов, увеличивающих массу и габариты, но, главное, ограничивающих время безотказной работы и стойкость устройства в отношении виброударных нагрузок. Тем самым повышаются долговечность и надежность СВЧ-возбудителя и осветительного прибора в целом. Таким образом, работа устройства иллюстрирует решенность поставленной задачи.

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии, отличающийся тем, что лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и короткозамкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью, кроме того, лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью.

2. Сверхвысокочастотный возбудитель по п.1, отличающийся тем, что центрирующая опора контактирует с лампой в локальных точках.

3. Сверхвысокочастотный возбудитель по п.1, отличающийся тем, что поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполнена зеркально отражающей.

4. Сверхвысокочастотный возбудитель по п.1, отличающийся тем, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполнены с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом.

5. Сверхвысокочастотный возбудитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что наружный проводник со сквозными продольными щелями выполнен из электропроводных стержней, которые размещены по образующим проводника с азимутальными зазорами между соседними стержнями.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5