СВЧ-ВОЗБУДИТЕЛЬ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2001 года по МПК H05B41/24 H01J65/04 

Настоящее изобретение относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ) и светотехники, в частности к устройствам источников оптического излучения, а в более узком приложении - к светильникам и облучателям, использующим в качестве горелки безэлектродные газоразрядные лампы с СВЧ-накачкой и применяемым в системах освещения, а также в установках оптического облучения.

Известны устройства светильников, в которых безэлектродная газоразрядная лампа размещена в СВЧ- резонаторе со светопрозрачными (сетчатыми) стенками, препятствующими излучению СВЧ-энергии накачки в окружающую среду. При этом обычно лампа, например, шаровидной формы, размещается в области максимума СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний СВЧ-резонатора.

В зависимости от того, какой вид колебаний выбран в качестве рабочего, топография (структура) СВЧ-электромагнитного поля в резонаторе и соответствующее распределение СВЧ-токов в его стенках могут существенно различаться. Поэтому для возбуждения рабочего вида колебаний конструкция устройства связи резонатора с подводящей СВЧ-энергию накачки входной линией передачи должна обеспечивать навязывание именно требуемой структуры полей и СВЧ-токов в резонаторе. Если в светильнике используется квазикоаксиальный СВЧ-резонатор, возбуждаемый ТЕМ-волной от коаксиальной линии передачи, то в качестве устройства связи (СВЧ-излучателя) служит выступающий из коаксиальной линии консольный участок центрального проводника.

Такое построение известно, например, из патента США N 4189661 от 19.02.1980 г. , автор P.O.Haugsjaa и др. [1]. Описанное в [1] устройство, являющееся аналогом предлагаемого нами технического решения, содержит коаксиальную линию передачи, канализирующую СВЧ-энергию накачки к безэлектродной газоразрядной лампе. При этом центральный проводник коаксиальной линии имеет консольный участок, выступающий в СВЧ-резонатор и являющийся СВЧ-излучателем. Из особенностей устройства, важных для сопоставления с предлагаемой нами конструкцией, следует отметить расположение консольного участка центрального проводника (т. е. собственно излучателя) вдоль оси СВЧ-резонатора. При этом в аналоге использовано и традиционное техническое решение (общее для известных источников оптического излучения на безэлектродных газоразрядных лампах с СВЧ-накачкой), а именно применение светопрозрачного сетчатого экрана, образующего стенки СВЧ-резонатора.

Недостатками аналога [1] являются:
во-первых, то, что осевое расположение излучателя обеспечивает возбуждение СВЧ-резонатора на ТЕМ-виде колебаний и лишь потенциально могло бы (но в аналоге [1] это не используется) обеспечить возбуждение E₀₁₀ или E_01p-видов колебаний. Это потребовало бы значительного увеличения размеров СВЧ-резонатора;
во-вторых, то, что построение устройства ограничивает выбор допустимых размеров и конфигураций собственно безэлектродной лампы, а следовательно, сужает возможности оптимизации геометрических параметров, тепловых режимов, характеристик оптического излучения, а также показателей надежности и долговечности.

Другим известным аналогом следует признать устройство по патенту США N 5448135 от 05.09.1995 г., автор J.E.Simpson [2]. Это устройство, как и [1], содержит выступающий в СВЧ-резонатор консольный участок центрального проводника коаксиальной линии передачи. Используется и светопрозрачный сетчатый СВЧ-экран, формирующий стенки СВЧ-резонатора. Особенностью [2], определяющей один из признаков сходства с предлагаемым нами устройством, является наличие воздуховодного канала в теле центрального проводника коаксиальной линии передачи и в том числе - в теле консольного участка. При этом конструкция аналога [2] содержит в конце консольного участка сопла обдува, направленные в сторону безэлектродной лампы, имеющей сферическую форму.

Аналог [2] тем самым полностью сохраняет первый из отмеченных выше недостатков аналога [1], но в некоторой степени освобожден от второго недостатка, по крайней мере в части возможности улучшения тепловых режимов и связанных с этим характеристик.

Все отмеченное (и в части сходных признаков, и в части недостатков) в характеристике аналога [2] полностью относится и к еще одному из известных устройств- аналогов по патенту США N 5525865 от 11.06.1996 г., автор J.E. Simpson [3].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому нами устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство по патенту США N 4673846 от 16.06.1987 г. , авторы K.Joshizawa и др. [4], которое содержит СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний H₁₁₁, выполненный из светопрозрачной сетки, образующей стенки СВЧ-резонатора, имеющего либо форму цилиндра, либо форму прямоугольного параллелепипеда. В резонаторе в фиксированном положении (неподвижно) размещена безэлектродная лампа сферической формы, причем центр сферы расположен на продольной оси резонатора. В качестве СВЧ-возбудителя H₁₁₁-вида колебаний использована волноводная линия передачи с волной H₁₀, снабженная на выходном конце щелевой диафрагмой, разграничивающей эту волноводную линию передачи и СВЧ-резонатор. При этом щелевая диафрагма является одновременно торцевой стенкой СВЧ-резонатора и элементом связи, обеспечивающим навязывание СВЧ-резонатору топографию электромагнитного поля, присущую H₁₁₁-виду колебаний цилиндрического СВЧ-резонатора или H₁₀₁-виду колебаний прямоугольного СВЧ-резонатора. Конструкция прототипа [4] характеризуется тремя недостатками.

1. Фиксированное (без вращения) относительно картины электромагнитного поля размещение безэлектродной лампы в СВЧ-резонаторе обуславливает существенно неоднородное распределение температуры сферической колбы, неоднородную конфигурацию светящего тела (несферичность СВЧ- газоразрядной плазмы), что снижает долговечность горелки и достижимую световую отдачу.

2. Использование варианта СВЧ- резонатора прямоугольной формы в условиях фиксированного (без вращения) положения лампы усугубляет первый недостаток, так как создает азимутальную асимметрию конвекционного охлаждения колбы. Кроме того светопрозрачность плоских стенок СВЧ-резонатора за счет косого падения лучей сферической лампы не только меньше, чем у симметричной цилиндрической стенки, но и азимутально неоднородней.

3. Применение волноводной входной линии передачи для канализации СВЧ-энергии накачки обуславливает значительные габариты светильника (облучателя) в целом.

Оценивая достоинства и недостатки аналогов и прототипа в целом, можно утверждать, что на сегодня имеются существенные ограничения возможностей конструктора в достижении оптимизированных характеристик осветительного или облучательного устройства.

Если бы, даже оставаясь в рамках использования рабочих видов колебаний с азимутально несимметричной топографией СВЧ-поля в СВЧ-резонаторе, удалось обеспечить равномерное "экваториальное" и "меридиональное" распределение температуры оболочки безэлектродной лампы и при этом избежать чрезмерной несферичности светящего тела, а также использования громоздких СВЧ-волноводных элементов и устройств, затрудняющих монтаж и юстировку СВЧ-возбудителя, собственно лампы и оптического формирователя потока излучения, то задача создания компактного осветительного или облучательного устройства с высокими показателями надежности и долговечности и с требуемым сочетанием световых и энергетических параметров оказалось бы вполне разрешимой.

Целью настоящего изобретения является создание компактного устройства СВЧ-возбудителя безэлектродной газоразрядной лампы для светильников и оптических облучателей, обеспечивающего высокую световую отдачу, а также долговечность и надежность последних.

Техническими результатами осуществления предлагаемого изобретения являются: повышенная однородность распределения температуры по поверхности колбы лампы и, соответственно, симметрия светящего тела, а также повышенные световая отдача и долговечность светильника.

Вышеуказанная цель и, соответственно, технический результат достигаются тем, что в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем светопрозрачный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний H_11p, безэлектродную лампу, размещенную на продольной оси СВЧ-резонатора, и входную коаксиальную линию передачи с СВЧ-излучателем в виде выступающего в СВЧ-резонатор консольного участка ее центрального проводника, консольный участок центрального проводника снабжен разветвителем СВЧ-тока, при этом оси ветвей разветвителя и центрального проводника расположены в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси СВЧ-резонатора.

Предусмотрено, что центральный проводник коаксиальной линии, его консольный участок и по крайней мере часть разветвителя СВЧ-тока выполнены полыми, причем стенка полой части разветвителя, обращенная к безэлектродной лампе, снабжена по меньшей мере одним отверстием.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя безэлектродной газоразрядной 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 представлено в продольном разрезе предлагаемое устройство СВЧ-возбудителя.

На фиг. 2 показано поперечное сечение по А-А устройства, представленного на фиг. 1.

На фиг. 3 а, б, в, г схематично показаны варианты исполнения разветвителя СВЧ-тока.

На фиг. 4 а, б, в показаны структуры электромагнитных полей в СВЧ-резонаторе.

В соответствии с идеей построения СВЧ- возбудителя, являющегося предметом изобретения, на фиг. 1 показана входная коаксиальная линия передачи 1, содержащая наружный проводник 2 и центральный проводник 3, имеющий консольный участок 4, выступающий в качестве СВЧ-излучателя в СВЧ-резонатор 5 с рабочим видом колебаний H₁₁₁ (или в более общем случае - H_11p). В конкретном исполнении на фиг. 1 (а также фиг. 2 и фиг. 4) СВЧ-резонатор 5 имеет цилиндрическую форму. При этом боковая стенка 6 СВЧ-резонатора 5 состыкована (например, посредством пайки) с наружным проводником 2 входной коаксиальной линии передачи 1, а ее центральный проводник 3 своим консольным участком 4 выступает в СВЧ-резонатор 5 перпендикулярно его продольной оси. Указанная боковая стенка 6 СВЧ-резонатора 5 снабжена светопрозрачным участком 7 и гальванически сочленена с торцевыми стенками 8, 9. При этом в стенке 8 выполнено отверстие 10, а стенка 9 выполнена как и участок 7 светопрозрачной (сетчатой). К СВЧ-резонатору 5 снаружи присоединен съемный рефлектор 11, формирующий поток оптического излучения. Внутри СВЧ-резонатора 5 размещена безэлектродная газоразрядная лампа 12 сферической формы. В общем случае форма лампы может быть выбрана и иной, что не меняет сущности изобретения. Лампа 12 снабжена диэлектрическим, например кварцевым, держателем 13, расположенным вдоль продольной оси СВЧ-резонатора 5 и соединенным с двигателем 14, который изображен схематично, а детали крепления не показаны вовсе, как не имеющие особенностей, связанных с предметом изобретения. Следует лишь отметить, что длина держателя 13 и местоположение рефлектора 11 выбраны из условий нахождения лампы 12 в области пучности электрического СВЧ- поля рабочего вида колебаний H₁₁₁ (H_11p), что видно из фиг. 4, например, в оптическом фокусе рефлектора 11. Двигатель 14, вращающий лампу 12, посредством держателя 13, проходящего сквозь отверстие 10 в стенке 8 резонатора 5, может быть закреплен непосредственно на этой стенке 8 или иным образом, что также не показано на фиг. 1. Более детально на фиг. 1, а также на фиг. 2 и 3, показаны существенные элементы предлагаемого устройства. Так, консольный СВЧ-излучатель 4 снабжен на конце разветвителем СВЧ- тока 15. В конкретном случае на фиг. 1, 2 он представлен в виде рожка, а на фиг. 3 а, б, в, г показаны разновидности этой формы, включая и чисто кольцевую форму (фиг. 3г).

На фиг. 2, представляющей сечение по А-А устройства, показанного на фиг. 1, разветвитель 15 (рожок) имеет несоприкасающиеся ветви 16 и 17, зазор 18 между которыми обеспечивает возможность монтажа и демонтажа устройства при уже установленной лампе 12 или без изъятия ее, не встречая помех со стороны держателя 13 и не повреждая его. Как видно на фиг. 1 и 2, оси ветвей 16 и 17 разветвителя (рожка) 15 расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси СВЧ-резонатора 5. При этом оси ветвей 16, 17 оказываются равноудаленными от безэлектродной лампы 12, чем обеспечивается требуемая симметрия электромагнитного и теплового полей в зоне размещения лампы 12.

В обеспечение возможности принудительного охлаждения лампы 12 в центральном проводнике 3, консольном участке 4 входной коаксиальной линии передачи 1 и разветвителе (рожке) СВЧ-тока 15, в частности, в обеих его ветвях 16 и 17 выполнен воздуховодный канал 19. В любом варианте показанного исполнения разветвителя СВЧ-тока 15 (фиг. 3а, б, в, г) канал 19 выполнен сообщающимся с пространством, окружающим разветвитель 15, посредством выходных отверстий 20. В стенке разветвителя 15, обращенной к лампе 12, играющих роль сопел, формирующих струйные воздушные потоки, направленные на лампу 12. Протяженность канала 19 в ветвях 16 и 17, форма, число и размеры отверстий 20 в одной или обеих ветвях 16, 17 разветвителя 15 могут быть различными, что, не меняя сущности изобретения, должно выбираться с учетом размеров лампы 12, аэродинамического сопротивления отверстий обдува 20, скорости вращения лампы 12, обратных (отраженных) воздушных потоков, мощности лампы 12 и СВЧ-накачки и ряда других факторов. В устройстве, представленном на фиг. 1, 2, 3, отверстия обдува 20 показаны симметрично расположенными относительно оси лампы 12, причем собственные оси отверстий 20 (а следовательно, струи воздушного потока) направлены параллельно оси вращения (она же - продольная ось СВЧ-резонатора 5). В иных вариантах исполнения оси отверстий 20 могут быть, например, веерообразно расходящимися или, наоборот, сходящимися.

Предложенное устройство работает следующим образом. При поступлении СВЧ-мощности накачки во входную коаксиальную линию передачи 1 (например, от не показанного на фиг. 1 магнетрона) консольный СВЧ-излучатель 4 возбуждают в СВЧ-резонаторе 5 рабочий вид колебаний H₁₁₁. СВЧ-ток (проводимости), протекающий по центральному проводнику 3 и, соответственно, по консольному СВЧ- излучателю 4, раздваиваясь в СВЧ-разветвителе 15, "замыкается" на боковую стенку 6 СВЧ-резонатора 5 током смещения. Это происходит единым образом для любых форм СВЧ-разветвителя 15, показанных на фиг. 3а, б, в, г. В результате СВЧ-резонатору 5, размеры которого выбраны так, чтобы на частоте СВЧ-накачки возникал резонанс на H₁₁₁-виде колебаний, навязывается структура электромагнитного поля, соответствующая именно этому виду колебаний. Для иллюстрации этого и работы устройства в целом обратимся к схематичному изображению фиг. 4а, б, в. На фиг. 4а, б, в показано распределение электрических (E) и магнитных (H) СВЧ-полей в продольном (фиг. 4а, 4б) и поперечном (фиг. 4в) сечениях СВЧ-резонатора. Кроме силовых линий E и H показаны эпюры, обрисовывающие распределение E полей вдоль и поперек оси СВЧ-резонатора 5.

Из фиг. 4 видно, что безэлектродная лампа 12 оказывается в области максимальной напряженности электрического СВЧ-поля E. Тем самым обеспечены благоприятные стартовые условия для "зажигания" лампы. При вращении лампы 12 от двигателя 14 происходит азимутальное выравнивание температуры на поверхности лампы, несмотря на то, что вектора E остаются направленными поперек оси лампы 12.

Таким образом, в СВЧ- резонаторе возбуждается и поддерживается H₁₁₁-вид колебаний. Требуемая же для этого электромагнитная связь СВЧ-резонатора 5 с питающей его коаксиальной линией 1 обеспечивается выбором суммарной длины консольного участка 4 и ветвей 16, 17, оси которых располагаются в плоскости, перпендикулярной продольной оси резонатора 5. Именно наличие ветвей 16, 17 в разветвителе 15 позволяет при подборе длины "обойти" держатель 13 лампы 12, не встречая ограничений со стороны последней. Оптимальная же связь в сочетании с равномерным распределением температуры в лампе 12 обуславливают одновременно высокую световую отдачу и неискаженную форму светящего тела, надежность зажигания и перезажигания лампы 12.

В стационарном режиме "горения" лампы 12 установившаяся температура ее оболочки (например, кварцевой) может быть по усмотрению разработчика устройства отрегулирована путем введения воздушного охлаждения с той или иной интенсивностью. В этом случае воздушный поток вводится в канал 19 в центральном проводнике 3 входной коаксиальной линии передачи 1; по этому каналу воздух проходит в разветвитель СВЧ-тока 15 и через отверстия 20 в обеих его ветвях 16, 17 в виде струй, направленных на лампу 12, охлаждает ее. Выход воздуха из объема СВЧ-резонатора 5 осуществляется через его сетчатые стенки (на участке 7 боковой стенки 6 и торцевой стенки 9), а также через отверстие 10 в торцевой стенке 8. При этом часть выходного потока воздуха отражается от стенок и других элементов устройства и в конце концов устанавливается результирующее тепловое поле. Все это позволяет создать условия, обеспечивающие высокую долговечность лампы 12 и устройства в целом.

При включении лампы 12 последовательность операций, задаваемая схемой управления (не показана на фиг. 1-4), может быть, например, такая:
1. включение двигателя 14 вращения лампы 12;
2. подача охлаждающего воздуха;
3. подача энергии СВЧ-накачки.

Это не исключает и иных вариантов, например, одновременного включения по п.п. 1, 2, 3.

Таким образом, устройство выполняет необходимые функции и обладает достоинствами в соответствии с целью изобретения.

ЛИТЕРАТУРА.

1. Патент США N 4189661 от 19.02.1980 г., автор P.O.Haugsjaa и др.

2. Патент США N 5448135 от 05.09.1995 г., автор J.E.Simpson.

3. Патент США N 5525865, кл. 315-39 (H 01 J 65/04) от 11.06.1996 г., автор J.E.Simpson.

4. Патент США N 4673846, кл. 315-248 (H 05 B 41/16, H 05 B 41/24) от 16.06.1987 г., автор K.Joshizawa и др.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и светотехники, в частности к устройствам оптического излучения. Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем светопрозрачный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний Н_11р, безэлектродную лампу, размещенную на продольной оси СВЧ-резонатора, и входную коаксиальную линию передачи с СВЧ-излучателем в виде выступающего в СВЧ-резонатор консольного участка ее центрального проводника, консольный участок центрального проводника снабжен разветвителем СВЧ-тока, при этом оси ветвей разветвителя и центрального проводника расположены в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси СВЧ-резонатора. Данная конструкция обеспечивает повышение однородности распределения температуры по поверхности лампы, а также повышенную световую отдачу, надежность и долговечность светильника, что является техническим результатом изобретения. Дополнительно для обеспечения принудительного охлаждения лампы центральный проводник коаксиальной линии, его консольный участок и, по крайней мере, часть разветвителя СВЧ-тока выполнены полыми, а стенка полой части разветвителя, обращенная к безэлектродной лампе, снабжена по меньшей мере одним отверстием. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. СВЧ-возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий светопрозрачный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний Н_11р, с безэлектродной лампой, размещенной на продольной оси СВЧ-резонатора и входную линию передачи с СВЧ-излучателем, отличающийся тем, что входная линия передачи выполнена коаксиальной, а консольный участок ее центрального проводника, выступающего в СВЧ-резонатор, снабжен разветвителем СВЧ-тока, при этом оси ветвей разветвителя и центрального проводника расположены в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси СВЧ-резонатора. 2. СВЧ-возбудитель по п.1, отличающийся тем, что центральный проводник коаксиальной линии, его консольный участок и, по крайней мере, часть разветвителя СВЧ-тока выполнены полыми, а стенка полой части разветвителя, обращенная к безэлектродной лампе, снабжена, по меньшей мере, одним отверстием.