СВЕТОИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК H01J61/80 H01J61/90 H01S3/92 

Изобретение позволяет проектировать газосветные лампы с повышенным ресурсом работы с пространственной и временной равномерностью поля облучения. При этом предлагаемые светоизлучатели /лампы/ могут быть применены там, где необходимо регулировать извне яркость облучения в широком диапазоне частот и длин волн. Объектами облучения могут быть и предметы удлиненной формы. Изобретение применимо для быстрого определения качества обработки механически изготовляемого листового материала, в рекламной области, в научно-технических приборах.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является бытовая цилиндрическая лампа /1/ дневного света, как наиболее близкая по возбуждению одной и той же рабочей среды газа. Однако у этой лампы есть следующие недостатки: неравномерность светоизлучения различных участков поверхностей баллона лампы из-за случайного, неаксиального расположения разрядного шнура межэлектродного тока от периода к периоду питающего напряжения и зависимость излучения от изменения /случайного/ частоты или амплитуды питающего напряжения, невозможность управлять яркостью излучения.

Прототипом заявляемого изобретения выбрана наиболее близкая по конструктивному подходу /колебательный контур/ трубчатая импульсная лампа, в которой организован ударный, импульсный, газовый разряд /2/, так называемый Z -линч, при котором за счет тока разряда лампы и возникающего вокруг нее магнитного поля происходит импульсная ионизация газа, сопровождаемая вспышкой света, а сам разряд осуществляется периодическим параллельным подключением заряженной емкости LC контура к электродам лампы, индуктивность которой навита на ее корпус и ее ток разряда является разрядным током лампы.

При несомненном достоинстве прототипа большой световой импульсной мощности лампы, она сохраняет первые два недостатка аналога: неравномерность светоизлучения баллона, сравнительно низкочастотна, также неуправляема, как аналог.

К этому следует добавить малый КПД такой лампы из-за дополнительного расхода энергии импульса магнитного поля, т.к. /практически/ вся энергия разрядного тока тратится в первом импульсе, начавшийся разряд ухудшает добротность колебательного контура. Большая часть энергии магнитного поля /практически/ одноимпульсного в широкой полосе частот рассеивается впустую, потому что для ионизации конкретного газа достаточно использовать только часть спектра. К тому же ресурс подобных ламп из-за напряженного режима электродов мал.

Изобретение ставит целью при сохранении импульсного питания:
увеличить ресурс работы излучателя,
увеличить его КПД,
повысить пространственную и временную равномерность его излучения,
сделать излучатель управляемым извне.

Светоизлучатель изображен /см. фиг. 1 и фиг. 2/ в двух возможных вариантах исполнения предлагаемого устройства.

На фиг. 1 схематически изображен излучатель, направляющий свет /F/ /показан стрелкой/ от осевой линии "0-0" к внешней стороне второй кольцевой полости баллона лампы /показано сечение вдоль осевой линии кольцевого цилиндра первой и второй полости устройства. На рисунке показаны Д внешн. и Д внутр.внешний и внутренний диаметр излучателя соответственно/.

На фиг. 2 излучатель направляющий свет Fк осевой линии "0-0" от внутренней стороны второй кольцевой полости / показано то же сечение в этом случае; Д внешн. и Д внутр. диаметры излучателя/. Нумерация одних и тех же элементов исполнения излучателя сохраняется общей и показаны две сообщающиеся в баллоне 1 полости: полость накопления объемного заряда 2 и полость ионизации 3, в которых находится выбранный газ 4. В первой полости размещены коаксиально расположенные друг относительно друг цилиндрические: анод 5 с выбранной степенью изоляции объемного заряда, сетка 6 и катод 7.

Во второй полости, начиная с выбранной неизлучающей цилиндрической поверхности, коаксиально расположены в заданной последовательности: металлический экран 8 и изолированная от него индуктивность 9 с импульсным вводом 10, навитая металлической фольгой выбранной толщины и числом витков, образующих разомкнутую длинную линию, управляющая сетка 11, материал и исполнение которой определяются с заданными условиями эксплуатации и прозрачностью /все элементы имеют ту же нумерацию, что и их выводы, кроме управляющей сетки 11/.

На фиг. 1, 2 для обоих вариантов светоизлучателя, в качестве примера выполнения наиболее жестких эксплуатационных требований, материалом выполнения сетки 11 выбрана прокачиваемая прозрачная жидкость, например, вода /показано стрелкой В/.

Работа излучателя идет в два цикла. В первом цикле накопления объемного заряда, в первой полости 2 баллона 1 светоизлучателя в отсутствие импульсов, подаваемых от основного импульсного источника напряжения, подключают частично изолированный от самой полости цилиндрический анод 5 к дополнительному положительному потенциалу и, снимая в то же время запирающий отрицательный потенциал сетки 6, образуют вблизи анода 5 объемный заряд электронов. Накапливают его в течение времени скважности между импульсами основного импульсного источника.

При подаче положительного импульса от основного источника напряжения на импульсный ввод 10, расположенный в начале /на первом витке/ индуктивности 9 в экране 8 второй полости 3 начинается движение электронов в газе с той же скоростью, что и замедленное распространение электромагнитного поля импульса, благодаря известному свойству длинной линии, примененному в лампе бегущей волны для той же цели. Однако, в предложении длинная линия, в отличие от ЛБВ, разомкнута, что обеспечивает не только проход положительного импульса с начала и до конца длинной линии второй полости 3, но и отрицательных обратных импульсов в ней, обеспечивающих колебательное движение электронов в газе 4. Это их движение вызывает возбуждение и ионизацию атомов газа 4.

Управляют яркостью излучения частично прозрачной управляющей сеткой 11, которая служит для подачи управляющего напряжения и может изменять плотность тока электронов в широких пределах, благодаря своему отрицательному потенциалу, а следовательно, изменять сечение взаимодействия, и вместе с ним скорость возбуждения и ионизации атомов газа. Кроме того, ионизированные атомы газа 4, устремляясь к отрицательной управляющей сетке, образуют дополнительные фонтоны, увеличивая КПД излучателя.

Повышение ресурса газосветной лампы, в отличие от прототипа, достигается тем, что до подачи импульсного напряжения на нее, время между двумя его импульсами /скважность/ используется для того, чтобы образовать объемный заряд в первой полости баллона светоизлучателя. В отличие от прототипа, вместо импульса тока ударного возбуждения оно растягивается во времени на некоторое число прямых и обратных проходов электромагнитного поля вдоль разомкнутой линии.

Контур разомкнутой длинной линии нагружен небольшим током лампы, резко ухудшающим добротность колебательного контура, а затрачивает энергию колебаний только на возбуждение и ионизацию, которая затем вызывает переход электронов с внешней возбужденной орбиты на внутреннюю с излучением фотона. Избыточные электроны первой полости не участвуют в активной нагрузке контура. Контур на разомкнутой длинной линии энергетически более выгоден из-за многократного столкновения как бы одних и тех же электронов с атомами газа, что увеличивает сечение взаимодействия. Избыточные электроны при этом практически не увеличивают потери, отсутствуют также потери, связанные с неиспользованным импульсом магнитного поля.

Равномерное пространственное излучение от всей боковой цилиндрической поверхности второй полости достигается за счет того, что кольцеобразный поток электронов совершает возвратнопоступательное движение в одном и том же пространственном диапазоне вдоль оси полости. Квазистационарность излучения достигается за счет возбуждения и ионизации атомов газа при каждом осевом проходе электронов, при этом неравномерность светоизлучения возбужденных атомов сглаживается послесвечением веществ, включенных /нанесенных/ на элементы конструкции.

На работу светоизлучателя и его характеристик совместно влияют: физические параметры газа и выбранный режим работы, величина потенциалов всех электродов светоизлучателя, плотность тока, величина объемного заряда, конструктивные параметры элементов, физические константы газа, динамические процессы в нем при возбуждении его потоком электронов, ионизация и деионизация его, затухание длинной линии и послесвечение элементов.

Число управляемых параметров, определяющих работу светоизлучателя, достаточно для того, чтобы установить необходимое соотношение между интенсивностями упомянутых процессов, которые позволят оптимально преобразовать энергию источника питания в световой поток заданной интенсивности и спектрального состава.

Использование: в газосветных лампах с повышенным ресурсом работы с пространственной и временной равномерностью поля облучения. Излучатель выполнен в виде полого цилиндра, заполненного газом. Возбуждение атомов светоизлучающего газа проводят кольцевым потоком аксиально возвратно-поступательно перемещающихся электронов, приводимых в движение электромагнитным полем возбужденной длинной линии, находящейся в режиме свободных колебаний. Электроны предварительно образуются в виде объемного заряда. При этом обеспечивается изотропное излучение полого цилиндра. Для создания стационарного излучения некоторые детали излучателя выбраны с послесвечением. Для управления силой и спектральным составом излучения предусмотрена сетка, управляющая кольцевым потоком электронов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Светоизлучатель, содержащий баллон с цилиндрической полостью, заполненной газом, катод, анод и навитую на баллон катушку индуктивности, подсоединенную к импульсному источнику питания, отличающийся тем, что указанная полость выполнена кольцевой и снабжена кольцевой сеткой, установленной коаксиально с указанными катодом и анодом, также выполненными кольцевыми, баллон снабжен дополнительной кольцевой цилиндрической полостью, сообщающейся с основной и установленными в ней дополнительной сеткой и экраном, расположенным на одной из цилиндрических стенок дополнительной полости, а указанная катушка индуктивности установлена вдоль дополнительной полости и подсоединена к импульсному источнику питания в месте соединения указанных полостей. 2. Светоизлучатель по п.1, отличающийся тем, что катушка индуктивности и экран расположены внутри дополнительной полости. 3. Светоизлучатель по п.1, отличающийся тем, что катушка индуктивности и экран расположены снаружи дополнительной полости. 4. Светоизлучатель по пп.2 и 3, отличающийся тем, что одна из цилиндрических стенок дополнительной полости и экран совмещены.