ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H01J61/10 H01J61/54 

Изобретение относится к светотехнике и может найти применение в импульсных устройствах и проекционных оптических системах.

Известны источники излучения с короткодуговыми лампами высокого давления, работающими в режиме модуляции дуги [1] и в непрерывном режиме [2] У таких ламп анод в зоне разряда выполнен во много раз массивнее катода, поскольку нагревается электронной бомбардировкой и конвекцией. Поджиг дуги инициируется зажигающим устройством в цепи катода. При этом большая часть мощности выделяется в прикатодной области, поскольку при малых межэлектродных расстояниях величина катодного падения напряжения значительно превышает падение напряжения на столбе дуги. Развитие стримера происходит в направлении от катода к аноду до пробоя и последующего поджига дуги.

На дестабилизацию искрового разряда при развитии стримера могут оказывать влияние ударные волны, возникающие при модуляции дуги. Введение параболического отражателя [1] с целью стабилизации разряда при его модуляции не эффективно, поскольку экранирование катодного пятна (зоны разряда, имеющей наибольшую яркость по сечению), с одной стороны, лишь частично устраняет воздействие на развивающийся стример ударных волн, а с другой стороны, значительно гасит его интенсивность при дальнейшем преобразовании излучения. Достижение направленного отражения ударных волн без экранирования катодного пятна возможно при изготовлении колбы лампы в виде эллипсоида [3] в первом фокусе которого находится острие катода, а второй фокус совмещен с плоскостью анода.

На механизм пробоя влияют конструкционные параметры разрядной колбы [4] в частности паразитные емкости, образованные высокопотенциальным катодом относительно стенки колбы C_k, а также емкость колбы относительно земли C₁. В случае развязки электродов от земли появляется паразитная емкость колбы относительно низкопотенциального анода C_a. Поскольку в таких лампах размеры анода превышают размеры катода, то их емкости (прианодная и прикатодная) различны. Приложенное к электродам в начальный момент напряжение распределяется обратно пропорционально емкостям C_k и C₁ (C_a). Поскольку C_k < C₁(C_a), а сопротивление канала R_i = ∞, то большая часть напряжения оказывается приложенной не к межэлектродному промежутку, а к промежутку между потенциальным электродом и близлежащим участком стенки трубки, при этом растут токи утечки. Это проявляется в появлении не одной, а нескольких инициированных лавин и их отклонения в стороны к стенкам колбы. Все это ухудшает условия развития разряда и требует более высоких зажигающих напряжений.

Основным недостатком данных устройств является нестабильность процесса пробоя и зажигания для однотипных дуговых ламп, т.к. при изготовлении практически невозможно обеспечить повторяемость микроэлектрофизических параметров как на макроконструктивы элементов лампы, так и на материал этих элементов. Из-за различия паразитных емкостей для стабильного поджига дуги схемы зажигания требуют изменения параметров под индивидуальную лампу либо заведомого увеличения зажигающих напряжений, до величины в несколько раз превышающей требуемую. В реальных условиях эксплуатации таких устройств изменение схемы зажигания под каждую лампу не представляется возможным и новые "не зажигающиеся" лампы отбраковываются.

Технической задачей изобретения является увеличение стабильности модулируемого стримерного пробоя и зажигания без увеличения зажигающих напряжений и без использования дополнительных электродов, связанных с устройством питания или поджига.

Это достигается за счет введения элемента, выполненного из электропроводящего материала с двух сторон в виде колец, соединенных между собой за пределами межэлектродного промежутка по поверхности колбы лампы и не связанного с устройствами питания и поджига. Благодаря вновь образуемым емкостям, с одной стороны, кольца относительно катода а, с другой стороны, кольца относительно анода происходит компенсация паразитных емкостей катода и анода относительно стенок колбы и самой колбы относительно земли. При этом вновь введенный элемент образует с индуктивностью импульсного автотрансформатора зажигающего устройства двухсторонний высокочастотный контур, способствующий развитию лавины ионизирорванных частиц по нормали к аноду.

На фиг. 1 и 2 представлен источник излучения и его схема включения с эквивалентной схемой замещения короткодуговой лампы высокого давления. На фиг. 1 обозначено: 1, 4 катод, 2 колба лампы, 5 дуговой разряд, 6, 8 анод, 3, 7, 9 электропроводящий элемент, изготовленный из единой тонкой нити вольфрама в виде колец 3, 7, состоящих из одного витка со скруткой на конце по поверхности цилиндрической и вблизи шаровой части колбы с двух сторон электродов и соединенных между собой. В зоне разряда катод 1 выполнен в виде конуса 4, анод 8 в виде цилиндра 6. Схема включения содержит источник питания (ИП), зажигающее устройство (ЗУ) и ксеноновую лампу (Л) типа ДКСШ [2] или ДКсЭл [3]
Устройство работает следующим образом. Напряжение питания 20 30 В подается на электроды (анод, катод) лампы Л при включении источника постоянного тока большой мощности ИП. Зажигание Л производится при подаче напряжения ≈U величиной 220 В на первичную обмотку I высоковольтного трансформатора T 1, на вторичной повышающей обмотке которого образуется высоковольтное напряжение -4500 В. Конденсатор C 1 заряжается до напряжения, необходимого для пробоя искрового разрядника P. Одновременно с этим в цепи ИП включается устройство подпитки (на схеме не показано), которое предназначено для получения повышенного напряжения 60-70 В (напряжение холостого хода) на электродах лампы в момент ее зажигания. После пробоя разрядника P конденсатор C 1 разряжается на часть обмотки I импульсного автотрансформатора T 2, включенного в цепь катода лампы. На обмотке T 2 появляется высокое импульсное напряжение 25 30 кВ, которое через конденсатор C 4 поступает на электроды лампы. Происходит пробой межэлектродного зазора, при котором образуется узкий плазменный канал, а затем разрядная дуга; лампа зажигается. После зажигания лампы резко увеличивается ток через разрядный канал, цепи подпитки и зажигания в ИП отключаются.

При отсутствии электропроводящего элемента в начальный момент времени высоковольтное высокочастотное напряжение U_пр распределяется обратно пропорционально емкостям C_k, C_a и C_l, образованным, соответственно, катодом 4 и анодом 6 относительно стенки колбы лампы 2, и емкостью самой лампы относительно земли. Из-за разницы в размерах катода и анода в зоне разряда прикатодная емкость меньше прианодной: C_k < C_a. Поскольку C_k < C_l, C_a, то образующийся под воздействием высоковольтного напряжения поток заряженных частиц при движении к электродам испытывает отклоняющее влияние стенок колбы лампы, тем большее, чем больше разница между этими емкостями. Равномерному и прямолинейному движению лавины по кратчайшему пути к аноду препятствует неравномерно изменяющееся сопротивление R_i узкого плазменного канала и его изменяющаяся емкость C_i относительно колбы лампы и земли. При отклонении лавины от нормали на некоторый угол α теряется мощность в объеме и на стенках колбы лампы, напряжение пробоя необходимо повысить на величину U_пр(α) = U_пр/cos(α). Полагая, например, изменение угла α в пределах рабочей плоскости анода диаметром d 5 мм и межэлектродным расстоянием a 4 мм a arctg (d/2a) ≈30^o, тогда при U_пр 25 кВ U_пр( U_пр(α) ) ≈29 кВ. Следовательно, необходимым условием зажигания является повышение мощности, выделяемой в плазменном канале лавины, над теряемой мощностью. Другим необходимым условием является наличие микроучастков на поверхности электродов, разогретых до температуры термоэмиссии. Поскольку любая однотипная лампа имеет разброс микроэлектрофизических параметров при технологических допусках как на макроконструктивы элементов лампы, так и на материал этих элементов, то различны величины паразитных емкостей, следовательно, различны и величины напряжения пробоя U_jпр каждой лампы. При U_пр U_jпр высокочастотный разряд фиксирован на определенных участках электродов, а при U_пр > U_jпр перемещается по их поверхности [4] В первом случае условие нагрева микроучастков более благоприятно, чем во втором. Таким образом, увеличение U_пр для повышения стабильности неэффективно.

Электроприводящий элемент компенсирует влияние емкостного различия прикатодной и прианодной областей. Поскольку вновь образованные емкости между катодом и кольцом 3 анодом и кольцом 7 больше приэлектродных емкостей C_k и C_a, то их суммы равны, т.е. В этом случае сопротивление R_i будет уменьшаться при росте узкого плазменного канала и распространении его по нормали, а емкость C_i оставаться постоянной. При этом высокий потенциал катода благодаря вновь образуемой емкости посредством элемента 9 препятствует отклонению лавины зарядов в стороны колбы лампы. Образование посредством электропроводящих колец 3 и 7 элемента 9 дополнительных емкостей , связанных между собой и гальванически не связанных с катодом и анодом, увеличивает U_пр на межэлектродном промежутке лампы, т.к.
Введение отличительных признаков заявленной совокупности позволяет обеспечить стабильный механизм пробоя и зажигания благодаря компенсации паразитных емкостей катода и анода относительно стенок колбы и самой колбы относительно земли. При этом дополнительные компенсационные емкости, соединенные между собой, образуют с инструктивностью импульсного автотрансформатора зажигающего устройства двухсторонний высокочастотный контур, способствующий лавинному развитию ионизированных частиц по нормали.

Преимущество заявляемого источника излучения по сравнению с прототипом заключается в реализации стабильного модулируемого стримерного пробоя и зажигания всех ранее "не зажигающихся" новых ламп без электродов поджига и без увеличения зажигающих напряжений.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 458900. кл. H 01 J 61/10, 1975.

2. Лампа ксеноновая высокой интенсивности безозонная типа ДКСШ3000-6. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации, схема включения.

3. Лампы разрядные ксеноновые сверхвысокого давления типа ДКсЭл. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации.

4. А. Л. Вассерман, Б.В. Скворцов. О зажигании ламп типа ДКсТ. - Светотехника, 1977, N 8.

Сущность изобретения: в источник излучения введен элемент из электропроводящего материала, который выполнен с двух сторон в виде колец, соединенных между собой за пределами межэлектродного промежутка по поверхности колбы лампы, и не связан с устройствами питания и поджига. Принцип основан на компенсации разности паразитных емкостей основных электродов, имеющих разные размеры из-за условий эксплуатации на постоянном токе. 2 ил.

Источник излучения, содержащий короткодуговую лампу высокого давления, устройство питания и поджига, отличающийся тем, что введен элемент из электропроводящего материала, выполненный с двух сторон в виде колец, соединенных между собой за пределами межэлектродного промежутка по поверхности колбы лампы.