СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2002 года по МПК H01J65/04 H05B41/16 

Изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысокочастот (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 участки 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 (ТЕМ_p, ТЕ_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, в том числе - вращение лампы, порождает неоднородное теплораспределение в оболочке лампы и определяет пространственную несимметричность и/или неравномерность светящего плазменного тела.

В этой ситуации, усугубляемой переотражениями светового потока от светонепрозрачных и частично прозрачных участков СВЧ-резонатора, получение требуемой формы диаграммы направленности излучения (кривой силы света - КСС) оказывается непростой задачей даже при использовании корректирующих линз, внешних рефлекторов с оптимизированными рельефом и кривизной отражающей поверхности, а также внутрирезонаторных контрзеркал (в том числе - дихроичных рефлекторов).

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, по кл. Н 05 В 41/16 (НКИ: 315/248) опубликов. 02.08.1994 (авторы M.G.Ury и др. - [1]) и являющееся в известной мере аналогом предлагаемого объекта.

Так, в [1] в светопрозрачном (сетчатом) СВЧ-резонаторе, имеющем цилиндрическую форму и работающем на ТЕ_11p-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 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 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 [I], схематично показан дихроичный рефлектор (позиция 21), светоотражающая поверхность которого, обращенная к лампе, выполнена вогнутой.

В конструкции по [1] крепление дихроичного рефлектора не показано. 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). Соосное с лампой 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) опубликов. 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) с тем же приоритетом, 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. 08.12.998 - [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 безлектродную СВЧ-газоразрядную лампу на диэлектрическом консольном стержне-держателе. При этом указанный консольный 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] устройство крепления этого рефлектора вообще не представлено, 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 консольным 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 консольный стержень-держатель, может монтироваться на посадочное место при одновременной стыковке (вручную) крепежного участка консольного стержня-держателя с приводным валом двигателя.

2. Высокая 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 результате 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 нестабилен 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.

Все рассмотренные аналоги [1-5] имеют СВЧ-резонаторы с рабочим видом колебаний ТЕ_11p (с азимутально неоднородной топографией поля) и безэлектродную лампу сферической формы, СВЧ разряд в которой, как упоминалось выше, авторы [1-5] стремились получить в качестве квазиточечного источника света, что с учетом постановки внутрирезонаторных рефлекторов позволило бы более или менее четко и эффективно собрать лучи (в т.ч. и хаотично переотраженные от стенок) в достаточно узкий "пучок" круглого поперечного сечения.

Однако далеко не всегда необходим "узкий луч" света и, соответственно, квазиточечное светящее тело. Для различных применений используются узкие, но с некруглым сечением пучки (например, "ленточные"), с "круглым" сечением, но не узкие, не узкие и с некруглым сечением. Поэтому на современном рынке светотехнической продукции широко представлены серийно выпускаемые светильники и облучатели с несферическими лампами (с неточечным светящим телом), а, например, с трубчатыми линейными и даже с кольцевыми лампами. Как правило, это не безэлектродные лампы. Есть, однако, примеры несферических безэлектродных ламп. Одним из таких примеров может служить ВЧ-газоразрядная лампа квазикольцевой трубчатой формы фирмы "Osram-Sylvania", известная под названием "Endura", и аналогичная ВЧ-газоразрядная безэлектродная лампа, защищенная отечественным патентом RU 2156007801 кл. Н 01 J 65/04 с приоритетом 08.02.1999, (опубл. 10.09.2000, бюл. 25), авторы: Уланов И.М. и др. [6].

Это ([6] ) весьма отдаленный аналог, общность которого с заявляемым объектом заключается в неточечности светящего тела.

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 детали конструкции, 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 консольный стержень-держатель сферической безэлектродной лампы. В непрозрачном цилиндрическом участке резонатора его торцевая стенка (дно) выполнена плоской и непрозрачной. 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 ТЕ₁₀. 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 осесимметричным зеркальным рефлектором, т.е. взаимное соосное 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.

Важно отметить, что используемые в [1] соосные цилиндрический СВЧ-резонатор, сферическая безэлектродная лампа, дихроичный и внешний зеркальный рефлекторы в совокупности формируют световой поток, направленный вдоль оси СВЧ-резонатора и, соответственно, вдоль оси симметрии внешнего рефлектора. Иными словами, формируют продольный световой "луч" круглого поперечного сечения, т.е. не обеспечена возможность формирования поперечного (радиально расходящегося), например, азимутально симметричного светового потока.

Предлагаемое техническое решение имеет своей задачей обеспечить повышенную направленность потока оптического излучения избранной формы, в частности радиально-расходящегося азимутально симметричного потока, а также повышенную формоустойчивость, вибро- и ударопрочность СВЧ-резонатора и, соответственно, устройства в целом, не утрачивая при этом возможности эффективного охлаждения лампы.

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

1. Обеспечивается возможность повышения концентрации оптических излучений в избранных, например в радиальных, направлениях.

2. Обеспечивается возможность формирования КСС (т.е. потока оптического излучения) одновременно в радиальных и осевом направлениях.

3. Обеспечивается возможность управления углом наклона радиально расходящегося потока оптического излучения.

4. Обеспечивается возможность подстройки резонансной частоты рабочего (TE_01p) вида колебаний СВЧ-резонатора (как в производстве, так и в эксплуатации) без съема или замены боковой светопрозрачной стенки.

5. Достигается повышенная формоустойчивость СВЧ-резонатора в условиях термоциклических, вибрационных и ударных нагрузок.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в сверхвысокочастотном (СВЧ) возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем осесимметричный светопрозрачный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний TE_01p, где р=1, 2, 3,..., со светопрозрачной боковой стенкой и двумя торцевыми стенками, по меньшей мере одна из которых непрозрачна, безэлектродную лампу, соосно расположенную в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний, и имеющие общую с резонатором ось симметрии внутренний и внешний рефлекторы, внутренний рефлектор выполнен в виде центральной стойки с зеркально-отражающей боковой поверхностью, безэлектродная лампа выполнена в форме полого тора и охватывает стойку, кроме того внешний рефлектор сформирован двумя кольцевыми козырьками, которые размещены у противолежащих торцевых стенок СВЧ-резонатора.

Предусмотрено, что центральная стойка выполнена по меньшей мере с одним вогнутым и азимутально-замкнутым участком боковой поверхности.

Предусмотрено, что центры кривизны образующих вогнутых участков расположены на кольцевой оси лампы.

Предусмотрено, что отражающие поверхности внешнего рефлектора и вогнутого участка стойки имеют в радиальной плоскости сечения форму образующих в виде отрезков по крайней мере одной параболы, при этом фокусы парабол расположены на кольцевой оси лампы.

Предусмотрено, что стойка выполнена из электропроводного материала.

Предусмотрено, что стойка выполнена из диэлектрика с диэлектрическим светоотражающим СВЧ-прозрачным покрытием вогнутых участков боковой поверхности.

Предусмотрено, что по крайней мере часть стойки выполнена полой.

Предусмотрено, что со стороны по крайней мере одной торцевой стенки резонатора соосно со стойкой установлена с возможностью осевого перемещения подстроечная втулка.

Предусмотрено также, что в полой части стойки соосно с ней установлен с возможностью осевого перемещения подстроенный штырь из электропроводного материала.

Предусмотрено, что внутренняя поверхность по крайней мере непрозрачной торцевой стенки резонатора выполнена вогнутой, причем центры кривизны образующих вогнутой поверхности расположены на кольцевой оси 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.

На фиг.2 схематично показано устройство с полой диэлектрической центральной стойкой и подстроечным штырем в цилиндрическом СВЧ-резонаторе.

На фиг.3 показан фрагмент проводящей (металлической) центральной стойки с подстроечной втулкой в коаксиальном СВЧ-резонаторе.

На фиг. 4, 5 схематично показаны варианты исполнения диэлектрических стоек в виде внутреннего дихроичного параболического рефлектора в цилиндрическом резонаторе.

На фиг.6 схематично показан вариант исполнения устройства с коническими поверхностями внешнего рефлектора.

На фиг. 7 схематично показан вариант исполнения устройства с асимметричным внешним рефлектором и защитным стеклом.

На фиг.8 схематично показан вариант исполнения устройства, сопрягаемого с системой волоконных световодов.

Так, на фиг. 1 осесимметричный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний ТЕ₀₁₁ (как частный, наиболее простой случай TE_01p-вида, где р=1, 2, 3,...) ограничен светопрозрачной боковой цилиндрической стенкой 2 и двумя торцевыми стенками 3 (верхняя на фиг.1) и 4 (нижняя). Стенки 3 и 4 закреплены на центральной стойке 5. В конкретном представлении устройства (фиг.1) эта стойка 5 выполнена в виде цельнометаллического несущего элемента конструкции, обеспечивающего жестко фиксируемое расположение элементов. При этом вся боковая поверхность 6 стойки 5 выполнена с высокой электропроводностью на СВЧ, а по крайней мере на вогнутом азимутально замкнутом (кольцевом) участке 7 - и с высокой светоотражательной способностью (например, зеркально полированной). В этом исполнении наличие проводящей центральной стойки 5 в СВЧ-резонаторе обуславливает выбор размеров СВЧ-резонатора 1 (его диаметров и высоты) из условия существования на рабочей частоте резонанса ТЕ₀₁₁-вида в коаксиальном резонаторе, а не в цилиндрическом.

Это, в частности, означает, что распределение (топография) электромагнитного СВЧ-поля в коаксиальном СВЧ-резонаторе 1 на TE₀₁₁ виде колебаний характеризуется схематично показанными на фиг.1 силовыми линиями электрической (Е) и магнитной (Н) составляющих. В зоне пучности Е-поля в СВЧ-резонаторе 1 размещена тороидальная (кольцевая) безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа 8. Азимутально замкнутая ось (далее "кольцевая ось") этой кольцевой лампы 8 расположена в плоскости, перпендикулярной продольной оси СВЧ-резонатора 1, или, что то же самое, в плоскости, параллельной кольцевым силовым линиям Е, и при этом и линии Е, и кольцевая ось лампы 8 соосны со стойкой 5 в СВЧ-резонаторе 1.

Иными словами, тороидальная лампа 8 соосно окружает (охватывает) центральную стойку 5.

Исполнение центральной стойки 5 из металла обеспечивает повышенные конструктивно-прочностные характеристики устройства. Не меняя существа, идеологии построения и, главное, размеров устройства, указанная центральная стойка 5 коаксиального СВЧ-резонатора 1 может быть выполнена из диэлектрика, боковая поверхность которого 6 и ее участок 7 в точности повторяет "геометрию" (форму, размеры) металлической стойки 5 и несет на себе электропроводное и одновременно светоотражающее покрытие. Это достигается использованием соответствующей технологии металлизации диэлектриков. За очевидностью такого исполнения оно отдельно здесь не проиллюстрировано. Центральная стойка 5 может быть выполнена диэлектрической с диэлектрическим же светоотражающим, но СВЧ-прозрачным покрытием, т.е. в виде дихроичного рефлектора, идеологически подобного тому, что использован в прототипе [1], но отличающегося формой, и наделенного дополнительно функциями, ради выполнения которых введены дополнительные элементы. Это построение отдельно показано на фиг.2 и 4, демонстрирующих как подобие, так и отличия в сравнении с устройством, представленным на фиг. 1. Это мы рассмотрим несколько позже. Возвращаясь к фиг.1, следует выделить еще ряд важных позиций. Так, на фиг.1 центральная стойка 5, как отмечалось, снабжена вогнутым зеркально-отражающим осесимметричным участком 7, расположенным с внутренней стороны тороидальной лампы 8. В общем случае кривизна (форма поверхности) вогнутого участка 7, который можно условно представить и как контрзеркало, и как кольцевой (азимутально замкнутый) желоб, может быть задана и/или описана различными математическими законами. Конкретизация формы поверхности упомянутого "желоба" (далее: "контрзеркала") может быть осуществлена с учетом оптического сопряжения этой формы с формой внешнего зеркального рефлектора 9, образованного торцевыми кольцевыми козырьками 10 (верхним) и 11 (нижним), азимутально охватывающими СВЧ-резонатор 1 по наружной цилиндрической стенке 2 на участке ее стыка с соответствующими торцевыми стенками 3 и 4. Крепление козырьков 10 и 11 к торцевым стенкам 3 и 4 лишь для конкретности осуществлено на болтах 12, 13, что не является принципиальным и может быть иным.

Торцевые стенки 3 и 4 в конструкции, показанной на фиг.1, жестко и соосно закреплены (например, на резьбовых сочленениях) на центральной стойке 5. На деталях крепления мы преднамеренно не акцентируем внимания, чтобы не загромождать описания возможным множеством вариантов, не ревизующих сути заявляемого объекта. Из прочих позиций, представленных на фиг.1 и требующих пояснений, укажем щель связи 14, выполненную в торцевой (непрозрачной) стенке 4, к которой примыкает припаянный или выполненный непосредственно в теле стенки 4 Н-образный трансформатор 15, являющийся, в свою очередь, выходным участком прямоугольного волновода 16, подводящего на ТЕ₁₀-волне СВЧ-энергию накачки от непоказанного генератора (например, от магнетрона). Позиция 17 весьма условно представляет фрагмент опорного кожуха, к которому монтируется заявляемый объект. Наконец, если необходимо кроме радиально расходящегося светового потока обеспечить выход части оптического излучения вдоль оси СВЧ-резонатора, то в торцевой стенке 3 могут быть сделаны светоизлучающие щели 18.

Более детально рассмотрим особенности элементов устройства, ответственных за эффективное формирование светового потока, излучаемого безэлектродной лампой 8. В конкретном построении, как отмечалось выше и видно из фиг. 1, внешний рефлектор 9 образован двумя съемными кольцевыми зеркальными козырьками 10, 11, которые в общем случае могут быть неодинаковыми как по профилю (форме), так и по внешним диаметрам d_к1 и D_к2. Это означает, что в зависимости от желаемой формы кривой силы света (КСС) выбор профиля и диаметров D_к1 и D_к2 зеркальных козырьков 10, 11 может быть сделан с известной степенью свободы - по усмотрению разработчика (дизайнера). Кроме того, указанная съемность и возможность замены зеркальных козырьков 10, 11 (разных форм, наклонов к оси резонатора 1 и диаметров) на одном и том же СВЧ-возбудителе может быть использована в ходе эксплуатации неоднократно, причем без вмешательства во внутреннее устройство СВЧ-резонатора 1 и его элементов (позиции 2-8). В этой ситуации наиболее простым средством, обеспечивающим достаточную универсальность устройства и приемлемую эффективность "собирания" переотраженных (в т.ч. хаотически) в резонаторе 1 лучей, является выполнение по крайней мере зеркально-отражающего вогнутого участка поверхности 7 стойки 5 в форме, геометрически подобной форме лампы 8, т.е. придание участку 7 тороидальной формы. Это означает, что радиус дуги контрзеркала R, т. е. радиус образующей тороидальную поверхность 7 на стойке 5, должен исходить из того же центра, что и радиус R_л, относящийся к профилю сечения собственно лампы 8.

Аналогичные условия подобия, как показано на фиг.1, выполнены для зеркально отражающих поверхностей торцевых стенок 3 и 4 СВЧ-резонатора 1. Очевидно (но это уже не показано на фиг.1), что и на боковой стенке 2 СВЧ-резонатора 1 может быть при необходимости выполнен светопрозрачный участок (поясок), окружающий лампу 8 и геометрически ей подобный.

Если в предложенном устройстве стойка 5 выполнена из диэлектрика с металлопокрытием, т.е. СВЧ-непрозрачной, то все приведенные соображения остаются в силе и этот случай не требует отдельной иллюстрации. СВЧ-резонатор 1 остается при этом коаксиальным с присущей ему расстановкой резонансных частот рабочего и других видов колебаний.

Если же стойка 5 выполнена из диэлектрика без металлопокрытия, а светоотражающий вогнутый участок 7 снабжен диэлектрическим "дихроичным покрытием", то диэлектрическая (например, кварцевая) стойка 5, будучи СВЧ-прозрачной, вносит лишь относительно небольшие СВЧ-потери в резонатор 1 и в большей или меньшей степени влияет на расстановку резонансных частот рабочего (ТЕ₀₁₁) и других TE_mnp, TM_mnp видов колебаний, присущих цилиндрическому резонатору. Это смещение частот и степень искажения топографии поля зависят от величины диэлектрической проницаемости ε, используемого диэлектрика и от конфигурации и размеров стойки 5. Естественно, при проектировании СВЧ-резонатора 1, выборе размеров и положения лампы 8 эти особенности должны быть учтены, с тем чтобы рабочий вид колебаний ТЕ₀₁₁, возбуждался именно на заданной частоте СВЧ-накачки. Эта же задача может быть решена введением элемента подстройки СВЧ-резонатора 1, как это показано на фиг.2 и 4. На фиг.2 схематично представлена конструкция заявляемого объекта, использующая цилиндрический СВЧ-резонатор 1 с диэлектрической (например, кварцевой) центральной стойкой 5, имеющей (аналогично фиг. 1) светоотражающий (но СВЧ-прозрачный) вогнутый участок 7, как упоминалось выше, играющий роль дихроичного рефлектора. Указанная диэлектрическая стойка 5 в конкретном исполнении по фиг.2 изготовлена из относительно тонкостенной (например, кварцевой) трубки с "перетяжкой" на участке 7, по форме геометрически подобной тороидальной лампе 8. Выполнение центральной стойки 5 полой, в виде тонкостенной трубки, не является принципиальным, но позволяет уменьшить искажения диэлектриком структуры СВЧ-электромагнитного поля в СВЧ-резонаторе 1. Тем не менее, поскольку введение диэлектрической стойки 5 (как сплошной, так и полой) в СВЧ-резонатор 1 несколько меняет "расстановку" резонансных частот TE_mnp, ТМ_mnp видов колебаний, присущую невозмущенному цилиндрическому резонатору, для подстройки резонансной частоты, в частности, рабочего вида колебаний, на заданную рабочую частоту СВЧ-накачки, в устройстве цилиндрического СВЧ-резонатора с трубчатой (полой) центральной стойкой 5 из диэлектрика предусмотрен подстроечный элемент - проводящий штырь 19. Этот штырь 19 на фиг.2 схематично показан установленным со стороны торцевой стенки 3 с возможностью осевого перемещения во внутренней полости трубчатой диэлектрической стойки 5. В трубчатой стойке 5 со стороны торцевой стенки 4 укреплен входной патрубок 20 не показанной на фиг.2 системы принудительного охлаждения. Для охлаждения лампы 8 в стенке трубчатой стойки 5 выполнены сквозные радиальные отверстия 22, выполняющие функцию сопел, направляющих радиальные воздушные потоки на поверхность лампы 8.

Стойка 5 может быть выполнена в виде трубки и в случае ее изготовления из электропроводного материала (или из диэлектрика с металлопокрытием). В этом случае СВЧ-резонатор 1 становится "коаксиальным", с присущей ему расстановкой резонансных частот, отличной от их расстановки в цилиндрическом резонаторе. Подстроечному элементу в этом случае должна быть придана, например, форма втулки 21, охватывающей снаружи трубчатую стойку 5 (см. фрагмент на фиг. 3), вместо формы штыря 19, входящего внутрь трубчатой стойки 5. Наиболее эффективными, хотя и частными вариантами построения заявляемого объекта, находящимися в русле заложенной в него идеологии, являются исполнения конструкции, показанные на фиг.4 и 5.

На фиг.4 схематично показана диэлектрическая стойка 5, выполненная в виде тела вращения, вогнутая боковая поверхность 7 которого образована воображаемым вращением параболы вокруг продольной оси СВЧ-резонатора 1. Причем фокус этой параболы совмещен с центром поперечного сечения тороидальной лампы 8. Это означает, что геометрическим местом точек фокуса "параболоида" является кольцевая ось тороидальной лампы 8, совпадающая в свою очередь с кольцевой силовой линией электрического СВЧ-поля ТЕ₀₁₁-вида колебаний.

Такое построение обеспечивает выход радиально расходящегося пучка переотраженных от поверхности 7 стойки 5 лучей через светопрозрачную боковую стенку 2 СВЧ-резонатора 1. Козырьки 10 и 11, образующие в паре внешний рефлектор 9, в представленном на фиг.4 исполнении выполнены по тому же параболическому закону, что и поверхность 7 стойки 5, т.е. козырьки 10, 11 являются "продолжением" параболической поверхности 7 стойки 5.

В обеспечение "собираемости" устройства при его изготовлении диэлектрическая стойка 5 выполнена составной из двух частей 23 (верхней) и 24 (нижней), состыкованных между собой по поперечной плоскости разъема 25. Чтобы не загромождать чертеж, ранее (на фиг.1, 2, 3) отмеченные позиции мы не детализируем, сохраняя их порядковые номера. Не рассматриваем и возможные технические решения и приемы, используемые в конструкции на фиг.4 для крепления деталей 23 и 24 между собой и с торцевыми стенками 3 и 4 СВЧ-резонатора 1, а также приводные элементы для перемещения и фиксации подстроечного штыря 19.

На фиг.5 так же без детализации и подробностей представлено исполнение, подобное фиг. 4, но реализующее конструкцию стойки 5 с той же формой светоотражающего вогнутого участка поверхности 7, но в виде полого ("тонкостенного"), а не массивного элемента.

Поскольку в обоих исполнениях (фиг.4 и 5) за "фокусировку" переотраженных лучей отвечает вогнутая поверхность 7 стойки 5, форма поверхностей торцевых стенок 3 и 4 СВЧ-резонатора 1 на "светораспределение" никак не влияет. Поэтому на фиг.4, 5 формы поверхностей боковой стенки 2 и торцевых стенок 3, 4 СВЧ-резонатора 1 в отличие от фиг.1 показаны без каких бы то ни было вогнутостей, т.е. конкретные размеры (диаметр, высота) СВЧ-резонатора 1 выбираются с учетом влияния диэлектрика (стойки 5) на расстановку частот и топографию СВЧ-электромагнитного поля рабочего (TE₀₁₁) и соседних (например, ТМ₁₁₁) видов колебаний. В заключение еще раз подчеркнем, что во всех вариантах исполнения устройства, использующих в СВЧ-резонаторе 1 центральную диэлектрическую стойку 5, последняя выполняет функции дихроичного рефлектора, не препятствующего "прохождению" СВЧ-мощности накачки (Р_СВЧ) в СВЧ-резонатор 1 и к безэлектродной лампе 8, т.е. СВЧ-прозрачного, но отражающего ее оптическое излучение, и формирование светового потока определяется профилем поверхности 7 диэлектрической стойки 5. На всех представленных фигурах 1-8 центральная стойка 5 (как металлическая, так и диэлектрическая) представляет собой тело вращения, ось которого совпадает с осью СВЧ-резонатора 4. При этом профиль боковой поверхности и, в частности, вогнутого участка 7, естественно, определяется формой образующей указанного тела вращения. Поэтому, не уклоняясь от существа изобретения, следует подчеркнуть, что эта образующая и, соответственно, боковая поверхность центральной стойки 5, в том числе и участка 7, может быть выполнена кусочно-гладкой по высоте стойки 5. Иными словами, стойка 5 в общем случае может содержать несколько участков 7 с различной кривизной образующей, например, в виде ряда поясков или ступеней, подобно тому, как это реализуется в линзе Френеля.

Чтобы не загромождать описание вариантами исполнения заявленного объекта, вышеупомянутые кусочно-гладкие (ступенчатые) формы вогнутого участка 7 стойки 5 мы графически не иллюстрируем.

В исполнениях, использующих металлическую стойку 5, равно как и диэлектрическую с проводящим покрытием, последняя является и СВЧ-, и светонепрозрачной, т.е. вкупе со стенками 2, 3, 4 СВЧ-резонатора 1 определяет и топографию СВЧ-поля, и направленность переотраженных оптических излучений.

Из прочих частных исполнений устройства на фиг.6, 7 показаны варианты форм кольцевых козырьков 10, 11, образующих внешний рефлектор 9. Так, на фиг.6 козырьки 10 и 11 выполнены в форме усеченных конусов с одинаковыми наружными диаметрами и углами наклона образующих, а на фиг.7 козырьки 10 и 11 показаны и не плоскопараллельными, и, заодно (в чисто демонстрационных целях) - с разными диаметрами и с защитным (или рассеивающим, или цветным, или герметизирующим) светопрозрачным стеклом 26. На фиг.8 - с параболическими дихроичным 5 и внешним 9 рефлекторами и с кожухом 27, азимутально охватывающим козырьки 10, 11 и несущим порты 28, служащие для присоединения множества волоконных световодов 29. В русле предложенного в заявляемом объекте технического решения может быть осуществлено еще множество конкретных исполнений.

Не иллюстрируя эти возможности, отметим лишь для примера, что отражающие поверхности козырьков 10 и 11 внешнего рефлектора 9 могут быть выполнены кусочно-гладкими, то есть с реализацией подхода, о котором сказано выше применительно к форме боковой поверхности стойки 5 и ее вогнутого участка 7.

Работу предложенного устройства рассмотрим главным образом на примере построения, показанного на фиг.1. От не показанного на фиг.1 СВЧ-генератора мощность накачки Р_СВЧ по прямоугольному волноводу 16 (с рабочей ТЕ₁₀ волной) поступает через Н-образный трансформатор сопротивлений 15 и щель связи 14 в СВЧ-резонатор 1 и возбуждает в нем на рабочей частоте накачки TE₀₁₁ вид колебаний, характеризующийся отсутствием азимутальных вариаций электромагнитного поля. При этом конфигурация силовых линий магнитной (Н) составляющей СВЧ-поля, представленная штриховой линией Н на фиг.1 в "сглаженном" виде, повторяет очертания границ электропроводных стенок СВЧ-резонатора 1 и, в частности, боковой стенки 2, торцевых стенок 3 и 4 и боковой поверхности центральной стойки 5, в т.ч. ее вогнутого участка 7. Силовые линии электрической (Е) составляющей СВЧ-поля представляют собой замкнутые кольца, расположенные в плоскостях, перпендикулярных продольной оси СВЧ-резонатора 1. Максимальная напряженность Е поля (пучность) возникает вблизи кольцевой оси безэлектродной лампы 8, поскольку при проектировании устройства размеры резонатора 1, лампы 8 и ее местоположение в коаксиальном СВЧ-резонаторе 1 именно на такую ситуацию были сориентированы. Под действием амплитуд Е-составлющей СВЧ-поля в стартовом газе в лампе 8 возникает безэлектродный СВЧ-разряд, поддерживаемый поступающей мощностью накачки и вызывающий повышение температуры лампы 8 и давления паров рабочего вещества. В результате устанавливается стационарный режим "горения", характеризующийся кольцевой формой светящего тела и максимальным уровнем мощности оптического излучения. Лучи, исходящие из светящего тела - кольцевого плазменного шнура, сквозь светопрозрачную стенку 2 и, если сделаны светоизлучающие щели 18 в стенке 3, то и сквозь эту стенку 3, выходят в окружающее пространство и к козырькам 10, 11 внешнего рефлектора, лишь частично отражаясь от этих стенок. Часть лучей, исходящая из лампы 8 в сторону стенок 3, 4 и стойки 5, благодаря введенным вогнутым светоотражающим участкам поверхностей стенок 3, 4 и стойки 5 (участок 7) переотражается и возвращается в лампу 8 (на кольцевую ось плазменного светящего тела). Тем самым существенно снижается хаотичность отражений и повышается однородность светоизлучения сквозь боковую стенку 2. Результирующая же КСС определяется выбором формы и размеров козырьков 10, 11, формирующих границы внешнего рефлектора 9, создающего радиально расходящийся азимутально однородный поток оптического излучения.

В основных чертах работа устройств в их исполнениях, показанных на фиг. 2, 4, 5, аналогична описанной применительно к фиг.1. В исполнении по фиг.2, использующем полую стойку 5, при работе устройства на повышенных мощностях СВЧ-накачки предусмотрено принудительное охлаждение лампы 8 за счет подачи воздуха (например, от компрессора) через патрубок 20 в полость стойки 5 и далее через сопла 22 на поверхность лампы 8.

Если полая стойка 5 выполнена из диэлектрика с "дихроичным" участком 7, то для некоторой подстройки резонансной частоты на рабочем виде колебаний и/или для отстройки мешающего вида колебаний предусмотрено перемещение штыря 19, в том числе в рабочем эксплуатационном режиме или в производстве. При этом такая подстройка возможна только в случае использования диэлектрической стойки 5 (без металлопокрытия). Для металлической стойки (по фиг.3) подстройка возможна (фиг. 3) уже не с помощью штыря 19, а с помощью охватывающей проводящей втулки 20.

Конструкции в исполнениях по фиг.4 и 5 работают аналогично рассмотренным выше. Особенностью работы является то, что от формы проводящих деталей (позиции 3, 4, 19) в резонаторе 1 характер КСС не зависит, поскольку все переотражения определяются формой поверхности 7 дихроичного рефлектора, коим является диэлектрическая стойка 5. Совмещение в резонаторе 1 "координат" пучности Е-поля, кольцевой оси безэлектродной лампы 8 и фокуса параболы (единой для внутреннего и внешнего рефлекторов) обеспечивает равномерный по азимуту радиально расходящийся горизонтальный ("дисковый") поток оптического излучения.

Спектральный состав излучения определяется прежде всего видом рабочего вещества-наполнителя лампы 8 и параметрами (температура, концентрация частиц, мощность СВЧ-накачки) безэлектродного разряда в ней, а форма КСС в вертикальной плоскости может быть управляемой путем постановки на один и тот же СВЧ-световой прибор различных по форме и размерам козырьков 10, 11, не говоря уже о возможности постановки корректирующих линз и т.п., окружающих устройство, как, например, показано на фиг.6, 7.

Особенностью функционирования устройства в исполнении, показанном на фиг. 8, является только то, что световой поток, сформированный внешним рефлектором 9, направляется к "потребителям" по многим волоконным световодам, а не по "лучу". В этом случае кожух (с множеством разъемов) выполняет и дополнительные функции: защиту устройства от воздействий неблагоприятных климатических факторов и повышение механической прочности устройства в целом.

Резюмируя отмеченные конструктивные и эксплуатационные особенности заявленного объекта, можно констатировать, что:
- производственные и эксплуатационные недостатки, присущие прототипу [1] , детально рассмотренные в начале описания заявляемого объекта, в значительной мере устранены;
- обеспечены повышенные механические характеристики и новые качества устройства в целом, такие как формирование радиально расходящегося светового потока с управляемой КСС;
- обеспечена определенная свобода для разработчика (дизайнера) в выборе вариантов исполнения осветительного или облучательного устройств на базе заявленного объекта;
- обеспечено достижение требуемых технических результатов. В целом поставленная задача решена.

Изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (СВЧ) и, в частности, к осветительным и облучательным устройствам, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или в ультрафиолетовой (УФ) частях спектра. Техническим результатом является создание конструкции СВЧ-возбудителя, обеспечивающей повышенную направленность радиально расходящегося азимутально-симметричного потока оптического излучения, формоустойчивость, вибро- и ударопрочность с возможностью эффективного охлаждения лампы. Для этого в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем осесимметричный СВЧ- резонатор с рабочим видом колебаний TE_01p, где р=1, 2, 3,..., со светопрозрачной боковой стенкой и двумя торцевыми стенками, по меньшей мере одна из которых непрозрачна, безэлектродную лампу, соосно расположенную в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний, и имеющие общую с резонатором ось симметрии внутренний и внешний рефлекторы, внутренний рефлектор выполнен в виде центральной стойки с зеркально отражающей боковой поверхностью, безэлектродная лампа выполнена в форме полого тора и охватывает стойку, кроме того внешний рефлектор сформирован двумя кольцевыми козырьками, которые размещены у противолежащих торцевых стенок СВЧ-резонатора. Предусмотрено, что центральная стойка выполнена по меньшей мере с одним вогнутым и азимутально замкнутым участком боковой поверхности. Кроме того, предусмотрено, что центры кривизны образующих вогнутых участков расположены на кольцевой оси лампы. Также предусмотрено, что отражающие поверхности внешнего рефлектора и вогнутого участка стойки имеют в радиальной плоскости сечения форму образующих в виде отрезков по крайней мере одной параболы, при этом фокусы парабол расположены на кольцевой оси лампы. 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий осесимметричный СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний TE_01p, где р=1, 2, 3,..., со светопрозрачной боковой стенкой и двумя торцевыми стенками, по меньшей мере одна из которых непрозрачна, безэлектродную лампу, соосно расположенную в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний, и имеющие общую с резонатором ось симметрии, внутренний и внешний рефлекторы, отличающийся тем, что внутренний рефлектор выполнен в виде центральной стойки с зеркально-отражающей боковой поверхностью, безэлектродная лампа выполнена в форме полого тора и охватывает стойку, кроме того, внешний рефлектор сформирован двумя кольцевыми козырьками, которые размещены у противолежащих торцевых стенок СВЧ-резонатора. 2. СВЧ-возбудитель по п.1, отличающийся тем, что центральная стойка выполнена по меньшей мере с одним вогнутым и азимутально-замкнутым участком боковой поверхности. 3. СВЧ-возбудитель по п.2, отличающийся тем, что центры кривизны образующих вогнутых участков расположены на кольцевой оси лампы. 4. СВЧ-возбудитель по п.2, отличающийся тем, что отражающие поверхности внешнего рефлектора и вогнутого участка стойки имеют в радиальной плоскости сечения форму образующих в виде отрезков по крайней мере одной параболы, при этом фокусы парабол расположены на кольцевой оси лампы. 5. СВЧ-возбудитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что стойка выполнена из электропроводного материала. 6. СВЧ-возбудитель по любому из пп.2-4, отличающийся тем, что стойка выполнена из диэлектрика с диэлектрическим светоотражающим СВЧ-прозрачным покрытием вогнутых участков боковой поверхности. 7. СВЧ-возбудитель по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что по крайней мере часть стойки выполнена полой. 8. СВЧ-возбудитель по любому из пп.2-7, отличающийся тем, что со стороны по крайней мере одной торцевой стенки резонатора соосно со стойкой установлена с возможностью осевого перемещения подстроечная втулка. 9. СВЧ-возбудитель по п.7, отличающийся тем, что в полой части стойки соосно с ней установлен с возможностью осевого перемещения подстроечный штырь из электропроводного материала. 10. СВЧ-возбудитель по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что внутренняя поверхность по крайней мере непрозрачной торцевой стенки резонатора выполнена вогнутой, причем центры кривизны образующих вогнутой поверхности расположены на кольцевой оси лампы.