СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ (СВЧ)-ВОЗБУДИТЕЛЬ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2002 года по МПК H01J65/04 

Настоящее изобретение относится к области светотехники и техники 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 возбудителям безэлектродных СВЧ-газоразрядных ламп и оптическим излучателям на их основе.

Известны устройства СВЧ возбудителей безэлектродных ламп и соответствующих светильников, в которых лампа размещена в осесимметричном СВЧ-резонаторе, имеющем светопрозрачные стенки, например, из металлической сетки.

При этом в известных устройствах безэлектродная лампа располагается в зоне пучности СВЧ-электрического поля, топография которого на выбранном рабочем виде колебаний заранее известна.

В зависимости от того, на каком виде работает резонатор (TEM_p, TE_mnp, TM_mnp) топографии поля присущи азимутальные (при m≠0), радиальные (при n≠0), осевые (при р≠0) вариации поля.

Это, если не применять дополнительные меры, порождает неоднородное теплораспределение в оболочке лампы и определяет несферичность светящего плазменного тела в безэлектродном СВЧ-разряде даже в лампе сферической формы.

Исторически, наиболее распространенным техническим решением является использование сферической безэлектродной лампы в цилиндрическом резонаторе с рабочим видом колебаний ТЕ₁₁₁ (ТЕ_11р), т.е. с индексом m=1. Соответственно, в обеспечение равнояркой сферической формы плазменного светящего тела обычно применяется вращение лампы вокруг оси, в общем случае непараллельной вектору СВЧ-электрического поля.

Однако и при достижении сферической формы равнояркого светящего тела создание требуемого пространственного распределения потока излучения внешним по отношению к СВЧ-резонатору оптическим рефлектором оказывается непростой задачей. Трудность оптимального решения этой задачи заключается, в частности, в том, что значительная часть лучей, исходящих из светящего тела, хаотически переотражается от торцевых и боковой стенок СВЧ-резонатора и попадает на внешний рефлектор уже не из центра светящего тела, а с различных направлений. Это, естественно, проявляется в форме диаграммы направленности излучения (или, в принятой в светотехнике терминологии - в "кривой силы света" - КСС). Не во всех применениях источника оптического излучения к форме КСС предъявляются жесткие требования, но, например, для проекционных устройств или для оптимального оптического сопряжения источника света с полыми световодами эти требования диктуют определенные ограничения на выбор конструкций СВЧ-возбудителя, резонатора, самой безэлектродной лампы и внешнего рефлектора. В указанной ситуации для придания КСС требуемой формы приходится применять дополнительные средства, такие как, например, корректирующие линзы, контрзеркала, дихроичные рефлекторы, а то и использовать СВЧ-резонаторы нецилиндрической формы, а, скажем, сферической (или квазисферической), а также иные "ухищрения".

Все это привносит свои технические трудности и усложнение устройства. Поэтому не утрачивает актуальности нахождение технических решений (желательно, конструктивно простых и не влекущих за собой ухудшения прочих характеристик), если не устраняющих, то, по возможности, снижающих долю хаотически направленных лучей, переотражаемых в СВЧ-резонаторе и исходящих из него к внешнему рефлектору.

Из известных примеров применения дополнительных средств для улучшения формы светового потока, излучаемого плазменным телом безэлектродного СВЧ-разряда, следует упомянуть техническое решение, описанное, в частности, в Патенте США 5334913, кл. Н 05 В 41/16 (НКИ: 315/248), опубл. 02.08.1994 (авторы M. G. Ury и др. [1]) и являющееся ближайшим аналогом предлагаемого нами объекта.

Так, в [1] в светопрозрачном (сетчатом) СВЧ-резонаторе, имеющем цилиндрическую форму и работающем на ТЕ_11р-виде колебаний (т.е. на виде, характеризующемся азимутально неоднородным СВЧ-электрическим полем) размещена сферическая безэлектродная лампа.

Так как поле азимутально неоднородно, то для придания светящему "телу" равнояркой сферической формы и во избежание локальных перегревов кварцевой оболочки предусмотрено вращение лампы и принудительное ее охлаждение. Это обеспечивает практически сферическую форму плазменного светящего тела, которое можно рассматривать как квазиточечный источник света. Этот источник может быть геометрически совмещен с оптическим фокусом внешнего по отношению к СВЧ-резонатору рефлектора (в частности, параболоида). Однако световые лучи, радиально исходящие из указанного квазиточечного источника в направлении торцевых да и боковой стенок резонатора, переотражаясь, не сходятся в фокусе, и это снижает качество формирования результирующего светового потока. Поэтому в [1] кроме внешнего по отношению к СВЧ-резонатору рефлектора (позиция 8) предусмотрена постановка непосредственно в СВЧ-резонаторе дополнительного отражателя - дихроичного рефлектора, отражающего световой поток, но пропускающего СВЧ-энергию. На фигуре, приведенной в описании устройства по патенту [1] , схематично показан дихроичный рефлектор (позиция 21), светоотражающая поверхность которого, обращенная к лампе, выполнена вогнутой.

В конструкции по [1] крепление дихроичного рефлектора не показано, но из описания следует, что материал рефлектора - диэлектрик с малыми СВЧ-потерями и относительно малой диэлектрической постоянной, в частности, кварц. На вогнутой поверхности этого диэлектрика имеются тонкие (четвертьволновые) диэлектрические же чередующиеся слои (с низким и высоким коэффициентами преломления). Крепление такого дихроичного рефлектора в требуемой позиции по отношению к лампе и резонатору с учетом недопустимости повреждения поверхности и кромок рефлектора, а также деформации стенок СВЧ-резонатора и поломки лампы сопряжено с рядом трудностей. Если же при постановке дихроичного рефлектора и/или в рабочем режиме возникнут его радиальные или аксиальные смещения либо перекосы, то следствием этого окажутся нежелательные искажения в направлениях переотраженных и исходящих из резонатора лучей.

Радиальные смещения дихроичного рефлектора, естественно, будут менее опасными, если его отражающая поверхность будет плоской и перпендикулярной к продольной оси резонатора. Такая (плоская) форма дихроичного рефлектора и его перпендикулярное закрепление в СВЧ-резонаторе предусмотрены, например, в Патенте США 5841233, кл. Н 01 J 65/04 (НКИ: 315/39) опубл. 24.11.1998, авторы M. G.Ury и др. - [2], а также в Патентах США 5811936, кл. Н 01 J 65/04 (НКИ: 315/39), опубл. 22.09.1998, авторы B.Turner и др. - [3]; 5866990, кл. Н 05 В 37/00 (НКИ: 315/248), опубликов. 02.02.1999 - [4]; 5847517, кл. Н 05 В 41/16 (НКИ: 315/248), опубликов. 08.12.1998 - [5] и др. Все перечисленные устройства, которые также можно отнести к числу аналогов заявляемого нами объекта, имеют осесимметричный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний ТЕ₁₁₁, вращаемую сферическую безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу на диэлектрическом стержне-держателе. При этом указанный стержень-держатель расположен на продольной оси СВЧ-резонатора и простирается в светонепрозрачный участок резонатора сквозь центральное отверстие в дихроичном рефлекторе и далее, сквозь центральное же отверстие в светонепрозрачной торцевой стенке СВЧ-резонатора - к устройству сочленения с приводным валом двигателя. Упомянутая светонепрозрачная торцевая стенка СВЧ-резонатора во всех аналогах [1-5] выполнена плоской, поскольку не призвана выполнять функции рефлектора. Эти функции выполняет дихроичный рефлектор (он расположен между лампой и светонепрозрачной стенкой СВЧ-резонатора). Общим для всех аналогов признаком, находящимся в русле технических решений, предлагаемых в заявляемом объекте, является введение внутрь СВЧ-резонатора средств переотражения светового потока. Под эту общую характеристику "средств" подпадают дихроичные рефлекторы любых форм и местоположений.

В аналогах [1; 4-5], имеющих плоскую светонепрозрачную торцевую стенку резонатора, вторая (светопрозрачная) торцевая стенка СВЧ-резонатора показана выпуклой. При этом форма выпуклости светопрозрачной торцевой стенки в описаниях специально не оговаривается, но можно полагать, что она выбирается из соображений придания жесткости и формоустойчивости СВЧ-резонатору и минимизации "хаотических" переотражений лучей, испускаемых светящим телом лампы.

Возвращаясь к проблемам, связанным с позиционированием дихроичного рефлектора, подчеркнем, что если в [1] устройства крепления этого рефлектора вообще не представлены, то в [2] именно эта задача решается применительно к плоскому рефлектору. В частности, для фиксации дихроичного рефлектора в тонкостенном металлическом теле светонепрозрачной части цилиндрического резонатора выполнены U-образные просечки, образующие "язычки", загибаемые внутрь резонатора под и над дихроичным рефлектором. Таким образом, нижней плоской поверхностью рефлектор покоится на одной группе язычков, а к верхней плоской поверхности прижаты язычки другой группы. При кажущейся простоте и изящности такого технического решения оно имеет существенные недостатки, проявляющиеся как в производстве (изготовлении) устройства, так и в эксплуатации.

К производственным недостаткам относятся следующие.

1. Невозможность осуществления автономной (без лампы) сборки СВЧ-резонатора с дихроичным рефлектором, так как центральное отверстие в последнем должно быть относительно малого диаметра (значительно меньшего, чем диаметр сферической колбы лампы, иначе рефлектор становится функционально почти бессмысленным). Это означает, что лампа перед закреплением рефлектора в СВЧ-резонаторе должна быть заранее вставлена стержнем-держателем в центральное отверстие рефлектора и в таком же состоянии рефлектор должен быть зажат в язычках. Лишь после этого резонатор, из которого навесу удерживается выступающий стержень-держатель, может монтироваться на посадочное место при одновременной стыковке (вручную) крепежного участка стержня-держателя с приводным валом двигателя.

2. Высокую вероятность поломки дихроичного рефлектора и лампы, деформации стенки СВЧ-резонатора, а при обжатии язычков - неодинаковости их прижима к плоскостям дихроичного рефлектора, при "сильном" обжатии язычков - образования сколов его кромок, а то и растрескивания, а при "слабом" - появления люфтов, перекосов.

К потребительским (эксплуатационным) недостаткам следует отнести:
а) Несколько пониженное качество "собирания" переотраженных лучей из-за отказа от сферичности дихроичного рефлектора и в силу возможных перекосов.

б) Пониженную вибро- и ударопрочность, особенно в рабочем режиме, если имеются изначальные или возникшие люфты дихроичного рефлектора в "язычках". В условиях воздействия вибрационных и/или ударных нагрузок наличие указанных люфтов приводит к прогрессирующему выкрашиванию кромок дихроичного рефлектора.

в) Плохой теплоотвод от дихроичного рефлектора, тепловой контакт которого с зажимающими язычками осуществляется по малой поверхности, и этот контакт не стабилен в эксплуатации при многократных термоциклах включения-выключения лампы, сопровождающихся "усталостью" язычков, утратой их пружинящих свойств и, соответственно, появлением люфтов, о роли которых уже говорилось выше.

Из представленных аналогов все же по большинству существенных признаков устройство по патенту [1] наиболее близко к заявляемому нами объекту и, соответственно, может быть принято в качестве прототипа.

Основные конструктивные признаки и недостатки прототипа [1] рассмотрены выше. Следует подробнее выделить некоторые конструктивные детали устройства, отраженные в описании и/или на фигуре из [1]. В частности, в [1] СВЧ-резонатор имеет светопрозрачный и непрозрачный цилиндрические участки, расположенные на общей продольной оси, вдоль которой размещен и диэлектрический стержень-держатель сферической безэлектродной лампы. В непрозрачном цилиндрическом участке резонатора его торцевая стенка (дно) выполнена плоской. В боковой цилиндрической стенке этого участка выполнена вдоль образующей цилиндра щель связи с СВЧ-волноводным трактом, обеспечивающая возбуждение резонатора на волне типа ТЕ₁₁, когда в СВЧ-тракте канализируется волна типа TE₁₀. В светопрозрачном участке СВЧ-резонатора размещены сопла системы принудительного воздушного охлаждения лампы. Эти сопла в некоторой степени переотражают (и "возмущают") световой поток, исходящий из плазменного светящего тела лампы. Часть светового потока излучается лампой в сторону непрозрачного цилиндрического участка СВЧ-резонатора и его дна (торцевой стенки). Этот непрозрачный участок резонатора "отгорожен" дихроичным рефлектором вогнутой формы, возвращающим световой поток, идущий от лампы в сторону дна резонатора, обратно к центру лампы. Центр же лампы оптически сопряжен с внешним зеркальным рефлектором, т.е. взаимное позиционирование внешнего рефлектора, СВЧ-резонатора, лампы и дихроичного рефлектора внутри резонатора выбраны из соображений получения приемлемого уровня и формы светового потока, излучающегося устройством в целом.

Эти соображения следовало бы учитывать и при выборе формы и конкретного радиуса кривизны светопрозрачной торцевой стенки СВЧ-резонатора. В [1] в тексте это обстоятельство не отражено и, судя по фигуре, центр кривизны светопрозрачной торцевой стенки резонатора не совпадает с центром сферы безэлектродной лампы. Это, наряду с уже отмечавшимися недостатками производственного и потребительского характера, также является недостатком прототипа. Устранение отмеченной совокупности недостатков является обобщенной целью нахождения новых путей в построении СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы.

Предлагаемое техническое решение ставит своей задачей в некоей компромиссной степени обеспечить повышение качества формирования светового потока и надежности работы устройства в условиях его эксплуатации при термоциклических, вибрационных и ударных нагрузках, а также улучшение воспроизводимости и технологичности в условиях производства.

Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении предлагаемого устройства, заключаются в следующем.

1. Достигается уменьшение разброса направлений лучей, переотраженных внутри резонатора, и лучей, исходящих сквозь его светопрозрачные стенки.

2. Достигается повышенная повторяемость световых характеристик от прибора к прибору в производстве и сохранение этих характеристик в последующей эксплуатации, в том числе в условиях виброударных нагрузок.

3. Достигаются простота сборки и повышенный "выход годных" приборов в производстве, и, соответственно, снижается себестоимость продукции.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в сверхвысокочастотном (СВЧ) возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем сферическую лампу в зоне пучности электрического СВЧ-поля осесимметричного цилиндрического СВЧ-резонатора, имеющего светопрозрачную цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки, по меньшей мере одна из которых выполнена светонепроницаемой, торцевые стенки выполнены в виде сегментов сферических поверхностей, центры кривизны которых совмещены с центром сферы безэлектродной лампы.

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений 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 схематично показано в продольном разрезе устройство СВЧ-возбудителя с СВЧ-резонатором, работающим на ТЕ₁₁₁ - виде колебаний.

На фиг. 2 схематично показано в продольном разрезе устройство СВЧ-возбудителя с СВЧ-резонатором, работающим на TE₁₁₂ виде колебаний.

На фиг. 1 безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа 1 сферической формы установлена в СВЧ-резонаторе 2 на его продольной оси, как и в известных конструкциях, в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего ТЕ₁₁₁ - вида колебаний.

Крепление лампы 1 осуществлено с возможностью вращения (двигатель и его приводной вал на фиг.1 не показаны) посредством центрального стержня-держателя 3 из диэлектрического материала (кварца). СВЧ-резонатор 2 в конкретном изображении на фиг.1 имеет цилиндрическую боковую стенку 4, состоящую из сетчатого (светопрозрачного) участка 5 и непрозрачного участка 6. Сквозь указанный непрозрачный участок 6 боковой стенки 4 в СВЧ-резонатор 2 введен СВЧ-излучатель 7, являющийся элементом электродинамической связи резонатора 2 с внешним СВЧ-трактом 8, канализирующим СВЧ-энергию накачки от непоказанного СВЧ-генератора.

В данном исполнении (фиг.1) СВЧ-тракт 8 показан в виде коаксиальной линии передачи, что не является принципиальным в заявляемом объекте. Для иллюстрации иного исполнения на фиг.2 показан волноводный СВЧ-тракт.

Что же касается особенностей построения и реализуемости устройства СВЧ-возбудителя с излучателем, "питаемым" от коаксиальной линии передачи 8, то они отражены в Патенте RU 2161815 по кл. Н 05 В 41/24, H 01 J 65/04, опубл. в Бюл. 1 от 10.01.2001, автор Шлифер Э.Д. - [6].

На фиг. 1 непосредственно с цилиндрическим участком 6 стыкуется светонепрозрачная торцевая стенка 9, светоотражающая сферическая поверхность 10 которой, обращенная к лампе 1, отполирована и образует контрзеркало.

Радиус этой сферической поверхности R₁ выбран из условия схождения переотраженных лучей в центре светящего тела лампы 1. Иными словами, центр кривизны поверхности 10 совмещен с центром сферы безэлектродной лампы 1. Этим достигается уменьшение доли "хаотичных" переотражений светового потока в СВЧ-резонаторе 2 и, соответственно, повышается "выход" световых лучей требуемого направления сквозь светопрозрачный участок 5 боковой стенки 4 к внешнему рефлектору 11. Этот рефлектор 11 показан условно. Если это параболоид вращения, то его фокус должен быть совмещен с центром сферы лампы 1. Аналогичная идеология распространяется и на конфигурацию второй торцевой стенки 12 - светопрозрачной (что, впрочем, не всегда обязательно, т.к. могут быть востребованы построения СВЧ-возбудителя, в которых торцевая стенка 12 светонепрозрачна). Так или иначе, согласно идее настоящего изобретения торцевая стенка 12 также выполнена в форме сферического контрзеркала, отражающая поверхность которого 13 имеет в общем случае другой радиус R₂, но тот же центр кривизны, что и поверхность 10 стенки 9, т.е. центры кривизны всех переотражающих зеркал (10 и 13) соответственно стенок 9 и 12 совмещены с центром сферы лампы.

На фиг. 2 схематично представлено исполнение заявляемого объекта для случая использования ТЕ₁₁₂ вида колебаний в СВЧ-резонаторе 2. Сходные позиции обозначены теми же номерами, что и на фиг.1. В этом исполнении (фиг.2) так же, как и на фиг.1, можно использовать СВЧ-излучатель 7 и коаксиальный СВЧ тракт 8. Но для демонстрации неединственности такого построения на фиг.2 СВЧ-излучатель 14 выполнен в виде щели в боковой стенке 4 (в непрозрачном ее участке 6) резонатора 2, а в качестве СВЧ-тракта 15 СВЧ-накачки использован волновод.

Работу заявленного устройства рассмотрим на примере его исполнения, представленного на фиг.1.

При подаче СВЧ-энергии накачки по тракту 8 излучатель 7 возбуждает на рабочей частоте ТЕ₁₁₁-вид колебаний в СВЧ-резонаторе 2, в котором размещена безэлектродная лампа 1, приводимая во вращение перед подачей СВЧ-энергии. Поскольку в показанном на фиг.1 положении лампа расположена в зоне пучности СВЧ-электрического поля (на рабочем виде колебаний) в стартовом газе-наполнителе лампы (например, в аргоне) и насыщенных парах рабочего вещества (например, серы) возникает и быстро развивается безэлектродный СВЧ-разряд, который благодаря вращению лампы приобретает симметричную (сферическую) форму и, соответственно, светящее плазменное тело в установившемся режиме становится как бы квазиточечным источником света в центре сферы лампы 1. Исходящие лучи частично выходят сквозь светопрозрачные стенки 5 и 12 СВЧ-резонатора 2 к внешнему рефлектору 11 и в пространство, а частично многократно переотражаются внутри резонатора 2. Благодаря введению (согласно реализуемого построения заявляемого объекта) контрзеркал 9, 12 со сферической отражающей поверхностью 10, 13 часть переотраженных лучей возвращается к центру светящего тела, что приводит к снижению "хаотичности" в переотражениях и пополнению исходящего (полезного) светового потока "правильно" направленными лучами.

При работе заявляемого устройства в условиях виброударных нагрузок контрзеркала 9, 12, как не имеющие свободы перемещения, остаются в позиции, оптимизированной при проектировании и сохраняемой при изготовлении. Конечно, ограничения по вибро- и ударопрочности существуют и определяются прочностью диэлектрического стержня-держателя поз. 3, консольно удерживающего безэлектродную лампу. Но эти ограничения не связаны с введением контрзеркала. Иными словами, введение улучшений в формировании светового потока не сопровождается утратой полезных качеств.

Изобретение относится к области светотехники и техники СВЧ, в частности к возбудителям безэлектродных СВЧ-газоразрядных ламп и оптическим излучателям на их основе, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Техническим результатом является повышение качества формирования светового потока и надежности работы устройства в условиях его эксплуатации, а также улучшение воспроизводимости и технологичности в условиях производства. Для этого в предлагаемом СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем сферическую лампу, размещенную в зоне пучности электрического СВЧ-поля осесимметричного СВЧ-резонатора, имеющего светопрозрачную цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки, по меньшей мере одна из которых выполнена светонепроницаемой, торцевые стенки выполнены в виде сегментов сферических поверхностей, центры кривизны которых совмещены с центром сферы безэлектродной лампы. 2 ил.

Сверхвысокочастотный (СВЧ)-возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий сферическую лампу, размещенную в зоне пучности электрического СВЧ-поля осесимметричного СВЧ-резонатора, имеющего светопрозрачную цилиндрическую боковую стенку и две торцевые стенки, по меньшей мере одна из которых выполнена светонепроницаемой, отличающийся тем, что торцевые стенки выполнены в виде сегментов сферических поверхностей, центры кривизны которых совмещены с центром сферы безэлектродной лампы.