СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ВОЗБУДИТЕЛЬ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2004 года по МПК H01J65/04 

Настоящее изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (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 безэлектродным СВЧ-газоразрядным лампам и оптическим излучателям на их основе, в частности к прожекторам и светильникам.

Известны устройства светильников, в СВЧ-ламповых модулях которых СВЧ-газоразрядная безэлектродная лампа размещена в СВЧ-резонаторе со светопрозрачными ("сетчатыми") стенками, не позволяющими, однако, пропускать излучения СВЧ-энергии накачки в окружающее пространство сверх допустимого (нормируемого) уровня. Задача увеличения светопрозрачности резонатора, а следовательно, и результирующей световой отдачи устройства в целом остается актуальной, ибо непосредственно связана с решением проблемы энергосбережения в освещении. Однако "противоречие" между светопрозрачностью и СВЧ-непрозрачностью стенок СВЧ-резонатора требует поиска наиболее рациональных идеологических и конструкторских решений.

Возможность нахождения таких решений может базироваться, например, на выборе в качестве рабочих видов колебаний только таких, которым присущи структуры СВЧ-токов в стенках СВЧ-резонатора, характеризующиеся наличием единственной составляющей (например, только азимутальной во всех стенках - на TE_01p-видах; только продольной в цилиндрической и только радиальной - в торцевых стенках - на ТЕМ видах и видах TM_01p). При такой структуре СВЧ-токов ячейки светопрозрачной сетки могут быть выполнены с существенно увеличенным размером в направлении, совпадающем с "линиями" СВЧ-токов. Это означает увеличение светопрозрачности сетки не в ущерб СВЧ-непрозрачности.

Из числа других назревших проблем, вызывающих озабоченность разработчиков и "эксплуатационщиков" СВЧ-световых приборов, необходимо выделить обеспечение требуемой конфигурации плазменного светящего тела (его формы и размеров) и соответствующей формы собственно безэлектродной лампы.

Указанные проблемы имеют несколько взаимозависимых аспектов, хотя и различной значимости, но не допускающих их исключения из рассмотрения при создании всего комплексного устройства и его составляющих, в частности, при построении СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы. Одним из таких весомых аспектов является обеспечение определенного (требуемого, заданного, допустимого) распределения температур в вакуумноплотной оболочке безэлектродной лампы. Это распределение температур обусловлено прежде всего топографией СВЧ-электромагнитного поля (его электрической составляющей) в рабочем объеме лампы, располагаемой обычно в зоне пучности СВЧ-поля в резонаторе. Если топография СВЧ-поля такова, что носители заряда в плазменном "теле" под действием указанного поля преимущественно "бомбардируют" определенные участки колбы лампы, то возникают локальные перегревы, которые могут привести к ее гибели. Так, если рабочему виду колебаний в СВЧ-резонаторе присуща топография СВЧ-поля, характеризующаяся наличием вариаций, то и светящее тело, и теплораспределение в лампе окажутся пространственно неоднородными.

В традиционных конструкциях СВЧ-возбудителей безэлектродных газоразрядных ламп наиболее распространенными следует признать построения, использующие светопрозрачные сетчатые СВЧ-резонаторы цилиндрической формы, с рабочим видом колебаний ТЕ_11р, где р=1, 2, ... , и в частности ТЕ₁₁₁-вид. Топография СВЧ-электрического поля этого вида колебаний характеризуется отсутствием азимутальной симметрии. Соответственно и распределение СВЧ-токов в стенках резонатора является азимутально несимметричным. При этом СВЧ-токи в цилиндрической стенке имеют как продольные, так и азимутальные составляющие, а в торцевых стенках - радиальные и азимутальные составляющие. Обычно используемые в таких устройствах безэлектродные лампы сферической формы, помещаемые в зоне пучности СВЧ-электрического поля ТЕ₁₁₁ вида колебаний, не обеспечивают однородного распределения светового потока и температуры баллона лампы (колбы) в экваториальном и меридиональном направлениях. Все это диктует необходимость осуществления вращения лампы, а то и ее принудительного обдува при вращении. Наличие же в сетчатых стенках резонатора как продольных, так и азимутальных СВЧ-токов, протекающих по проводящим перемычкам между ячейками сетки, делает предпочтительным использование квадратной или иной равносторонней (например, шестигранной) формы ячейки как равноискажающей "линии" обеих названных составляющих СВЧ-токов. Как отмечалось выше, такая форма ячейки сетки ограничивает возможности увеличения светопрозрачности, ибо увеличение размера любой из сторон ячейки влечет за собой увеличение "просачивающейся" СВЧ-мощности. Наряду с этим, относительно малые размеры ячейки обуславливают и высокое аэродинамическое сопротивление, т.е. низкую воздухопрозрачность сетки, что затрудняет охлаждение баллона (колбы) лампы (как естественное конвекционное, так и принудительное), ибо возникают отраженные горячие воздушные потоки и "застойные подушки". Это - еще один аспект проблемы создания СВЧ-возбудителей с наилучшим сочетанием энергетических, световых и эксплуатационных характеристик.

Таким образом, можно заключить, что основные ограничения в совершенствовании СВЧ-световых приборов и СВЧ-возбудителей, в частности, связаны с использованием рабочих видов колебаний, характеризующихся неоднородной (азимутально несимметричной) топографией СВЧ-поля. Это утверждение относится и к задачам повышения светопрозрачности СВЧ-резонатора, и к задаче недопущения локальных перегревов колбы без использования усложняющих конструкцию и снижающих ее надежность устройств вращения лампы. Современный уровень техники в рассматриваемой области характеризуется уже известными примерами, иллюстрирующими нацеленность проводимых работ на поиск технических решений, позволяющих реализовать идеологию использования в СВЧ-возбудителях осесимметричных азимутально однородных СВЧ-полей и невращаемых безэлектродных ламп.

В частности, этой идеологии соответствует выбор ТЕ₀₁₁-вида колебаний в качестве рабочего для цилиндрического или коаксиального СВЧ-резонатора. Топография СВЧ-электромагнитного поля, присущая этому виду колебаний, характеризуется наличием только азимутальной компоненты СВЧ-электрического поля и, соответственно, СВЧ-токи во всех стенках СВЧ-резонатора - только кольцевые. Конструкция устройства, которое по крайней мере по признаку использования осесимметричного без азимутальных вариаций СВЧ-поля можно рассматривать как аналог заявляемого объекта, представлена в статье Э.Д. Шлифер. "Безэлектродные СВЧ-разрядные источники света. Перспективы просматриваются". Электроника, наука, технология, бизнес. Изд. РНЦ "Техносфера", - М.: №3, 2002, с.52-55 [1], а также в патенте РФ №2185004 МКИ H 01 J 65/04, Н 01 P 7/06. Опубл. бюл. №19 10.07.2002, автор Шлифер Э.Д. [2].

Аналог (рис.1 а, б [1]) содержит цилиндрический или коаксиальный СВЧ-резонатор, рассчитанный на возбуждение в нем ТЕ₀₁₁-вида колебаний. Соответствующая этому виду топография СВЧ-поля характеризуется кольцевой формой силовых линий электрического поля. В зоне максимальной концентрации этих силовых линий соосно закреплена безэлектродная лампа тороидальной формы. Фиксированное положение лампы, не предусматривающее ее вращения, обеспечено ее креплением на трех радиально расходящихся кварцевых стержнях-держателях, уложенных в направляющие, выполненные на разъемных участках боковой стенки СВЧ-резонатора.

Светопрозрачные стенки СВЧ-резонатора выполнены в форме чередующихся кольцевых проводников и зазоров между ними, что выгодно отличает конструкцию от традиционных СВЧ-резонаторов с квадратной или иной равносторонней формой ячейки сетки. Кольцевые зазоры между проводниками "сетки" обеспечивают высокую светопрозрачность СВЧ-резонатора без утраты СВЧ-непрозрачности.

Недостатком аналога [1, 2], связанным с выбором ТЕ₀₁₁-вида в качестве рабочего, является то, что необходимые для существования ТЕ₀₁₁ вида поперечные размеры СВЧ-резонатора допускают существование и других (низших) видов колебаний. Присущая этим низшим видам топография СВЧ-полей уже не является азимутально однородной и СВЧ-токи в стенках содержат не только азимутальную составляющую, но и продольную, пересекающую зазоры между кольцевыми проводниками. Это означает, что указанные зазоры оказываются СВЧ-излучающими. Если даже резонанс на низших видах колебаний при возбуждении резонатора на рабочей частоте СВЧ-накачки не существует, то поля распространяющихся низших типов волн могут "загрязнять" ТЕ₀₁₁ вид. Это означает нарушение идеальной азимутальной симметрии в распределении СВЧ-поля рабочего вида колебаний. Поэтому при создании работоспособного устройства - аналога [1, 2] - необходимо изыскивать специальные средства подавления или устранения низших типов волн. Эта непростая задача, обычно называемая "подавлением паразитных колебаний", требует для своего решения тщательного выбора поперечных и продольных размеров СВЧ-резонатора, учета при этом влияния безэлектродной лампы и ее держателей на пространственное распределение полей рабочего и "паразитных" видов колебаний, на расстановку их резонансных частот и на межвидовую электромагнитную связь, которая, в свою очередь, влияет и на степень "загрязнения" рабочего вида полями паразитных колебаний, и на уровень просачивающейся в окружающее пространство СВЧ-мощности. Резюмируя отмеченные особенности, можно заключить, что главным недостатком аналога [1, 2] является то, что рабочий вид колебаний ТЕ₀₁₁ не является низшим.

Из других известных технических решений, характеризующих современный уровень техники и, в частности, нацеленных на использование в СВЧ-возбудителях безэлектродных ламп осесимметричной топографии поля, т.е. идеологически близких к заявляемому объекту, следует упомянуть устройство СВЧ-возбудителя по Патенту РФ №2161844, кл. H 01 J 65/04, Н 01 P 5/103, опубл. Бюл. №1, 10.01.2001, автор Шлифер Э.Д. - [3], которое также можно отнести к числу аналогов. В аналоге по [3] СВЧ-поле накачки в цилиндрическом СВЧ-резонаторе возбуждается от коаксиальной линии передачи, на некоторой части длины резонатора. Для возбуждения резонатора центральный внутренний проводник коаксиальной линии передачи имеет вдоль оси линии большую длину, чем наружный проводник, и тем самым является консольным зондом-излучателем. По коаксиальной линии энергия СВЧ-накачки канализируется на ТЕМ волне и, соответственно, диаграмма направленности излучения является азимутально симметричной. Безэлектродная сферическая лампа размещена на консольном кварцевом держателе у консольного же конца зонда-излучателя и тем самым возбуждается СВЧ-полем излучения, характеризующимся азимутальной симметрией. Это означает, что в "экваториальном" направлении лампа находится в однородном СВЧ-поле, светящее плазменное тело азимутально симметрично и колба не имеет вдоль экватора локальных холодных и перегретых точек. Однако в осевом направлении СВЧ-поле неоднородно и характеризуется наличием не только радиальных, но и аксиальных электрических составляющих. Это означает, что в меридиональных направлениях распределение температуры колбы оказывается неоднородным, а в целом светящее плазменное тело - несферическим даже при вращении лампы, которое предусмотрено в конструкции аналога [3].

Итак, достоинствами аналога [3] является азимутальная симметрия поля и теплораспределения, использование низшего типа волны ТЕМ, не "загрязненной" полями паразитных колебаний.

Недостатки аналога состоят в следующем:

1. Не рассмотрены и не реализованы принципиальные возможности повышения светопрозрачности стенок СВЧ-резонатора, связанные с использованием СВЧ-накачки на ТЕМ волне.

2. Необходимость вращения безэлектродной лампы, закрепленной на относительно длинном консольном держателе. Отсюда - пониженная вибро- и ударопрочность конструкции, сложность СВЧ-возбудителя и СВЧ-лампового модуля в целом. Последнее обусловлено наличием ряда необходимых компонентов (двигатель и датчик вращения лампы, система управления и защиты и т.п.), что снижает эксплуатационную надежность устройства.

Известен еще один аналог заявляемого объекта, использующий СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы, СВЧ-накачка которой осуществляется на волне ТЕМ с азимутально симметричной структурой электромагнитного поля. Этот аналог представлен в публикации Э.Д.Шлифер. "Некоторые особенности и проблемы в создании осветительных и облучательных устройств на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ-накачкой". - Светотехника, 1999, №1, стр.8-9 - [4]. Особенностями конструкции аналога [4] являются следующие:

1. В отличие от аналога [3] безэлектродная лампа, закрепленная на выходном конце коаксиальной линии передачи, установлена жестко (без возможности ее вращения).

2. Безэлектродная лампа имеет осесимметричную, но не сферическую форму колбы в виде сосуда Дьюара, но со сквозной вневакуумной полостью, расположенной вдоль оси лампы. При этом сквозная полость ограничена внутренней цилиндрической СВЧ- и светопрозрачной стенкой колбы, а наружная цилиндрическая стенка (также СВЧ- и светопрозрачная), расположенная соосно с внутренней, имеет одинаковую с ней осевую протяженность. Торцы обеих стенок вакуумноплотно соединены между собой на каждом конце лампы, тем самым образован замкнутый объем лампы, откачанный и наполненный рабочим веществом, в котором под действием СВЧ-энергии накачки инициируется и поддерживается безэлектродный разряд - источник оптического излучения.

3. Соединение лампы с коаксиальной линией выполнено разъемным (резьбовым), для чего лампа снабжена короткой трубчатой металлической втулкой, соосно вклеенной на одном торце лампы в ее сквозную полость. При этом трубчатая втулка выполнена с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру наружного проводника коаксиальной линии, и в сочлененном с ней положении является продолжением этого проводника внутри сквозной полости на некоторой ее длине. Центральный (внутренний) проводник коаксиальной линии в СВЧ-возбудителе-аналоге [4] не является принадлежностью лампы. Он выполнен консольно выступающим вдоль оси коаксиальной линии, при сочленении ее с лампой соосно входит в трубчатую втулку и простирается за ее пределы вдоль оси в сквозную полость колбы на некоторую длину, меньшую, чем длина лампы. Таким образом, консольная часть центрального проводника играет роль антенны, формирующей азимутально симметричное СВЧ-поле в зоне излучателя, который, подчеркнем, занимает лишь некоторую часть (по длине) сквозной полости лампы. Это означает, что по длине лампы амплитуды СВЧ-полей непостоянны и рассчитывать на формирование однородного по длине лампы светящего тела СВЧ-разряда, как и равномерного распределения температуры колбы, не приходится без принятия специальных мер, которые в [4] не предусмотрены, т.к. лампа и возбудитель в целом помещены в многовидовый резонатор (в рабочую камеру бактерицидной установки), распределение СВЧ-поля в котором заведомо неоднородно.

В числе известных (опубликованных) устройств, имеющих общие с заявляемым объектом признаки, следует отметить еще один аналог: Патент РФ №2173561, кл. A 61 L 2/08; 2/12. Автор Шлифер Э.Д. Опубл. Бюл. №26 от 20.09.2001 - [5]. В устройстве [5] использована такая же форма колбы (баллона) безэлектродной лампы, как и в аналоге [4], но СВЧ-тракт, канализирующий СВЧ-энергию накачки для возбуждения разряда, пронизывает цилиндрическую вневакуумную полость лампы насквозь, т.е. на всю ее длину. В качестве СВЧ-тракта применен круглый волновод с рабочим типом волны TE₀₁. Этому типу волны присущи только кольцевые СВЧ-токи в цилиндрической стенке волновода и, соответственно, для излучения СВЧ-энергии в направлении безэлектродной лампы в цилиндрической стенке волновода выполнена система продольных (т.е. пересекаемых СВЧ-токами) щелей. Причем щели или их группы могут быть по усмотрению разработчика устройства распределены по длине лампы по определенному закону для инициирования и поддержания достаточно однородного по длине и по азимуту СВЧ-разряда. Недостатки аналога [5] заключаются в следующем:

1. Для распространения волны типа TE₀₁ круглый волновод должен иметь значительный диаметр , что делает лампу, а при создании светильника и весь прибор, весьма громоздкими объектами. Если для промышленной бактерицидной установки [5] большой производительности эта особенность отнюдь не является недостатком, то для осветительной установки громоздкость весьма нежелательна.

2. TE₀₁-тип волны не является низшим, что, как отмечалось выше, может приводить к "загрязнению" СВЧ-поля паразитными волнами и, соответственно, к пространственной неоднородности светоизлучающего СВЧ-разряда. Опять-таки, для бактерицидного УФ-облучателя этот недостаток не столь существенен, как для осветительного устройства.

3. В описании аналога [5] не предусмотрена возможность построения устройства для случая его использования в осветительных, а не в облучательных целях, т.е. не предусмотрена постановка СВЧ-непрозрачного, например, сетчатого экрана. И никаких технических решений проблемы компромиссного выбора конструкции с позиций светопрозрачности и СВЧ-непрозрачности не предложено.

Подытоживая рассмотрение известных технических решений, по тем или иным признакам являющихся аналогами заявляемого объекта, можно заключить, что по большинству совпадающих признаков аналог [4] следует признать прототипом. Поэтому рассмотрим более детально конструктивные особенности и недостатки [4], которые было бы важным избежать в заявляемом объекте. Так, из еще не отмеченных особенностей конструкции [4], связанных с тем, что рассматриваемый СВЧ-возбудитель предназначен для использования в замкнутом объеме рабочей камеры бактерицидной установки комбинированного воздействия (СВЧ-УФ-озон) на обрабатываемый объект, выделим следующие:

1. СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы по [4] применительно к осветительным устройствам, т.е. к использованию вне замкнутой камеры, не пригоден, поскольку не содержит средств, препятствующих излучению СВЧ-энергии в окружающее лампу пространство.

2. Металлическая втулка, являющаяся продолжением наружного проводника коаксиальной линии, укреплена в лампе посредством клеевого соединения и имеет хотя и не непосредственный, но развитый тепловой контакт с лампой. Если в безэлектродной бактерицидной лампе используется УФ-излучающий разряд низкого давления (например, при аргонно-ртутном наполнении), то в нем поглощается лишь небольшая доля (~10%) СВЧ-энергии накачки. Рабочую температуру колбы при этом удается и следует удерживать относительно невысокой (~60-70° С). Этому способствует и отвод тепла от колбы к втулке через упомянутый термоконтакт. При указанных низких температурах не возникает проблем с выбором клеящего втулку вещества и с его долговременной термомеханической стойкостью, да и с выбором материала самой втулки.

Совершенно иная ситуация возникает в случае использования разряда высокого давления. Так, в безэлектродных лампах с квазисолнечным спектром оптического излучения (так называемых серных лампах, в том числе и в аналогах [1-3]) рабочая температура колбы превышает 700° С (на поддержание безэлектродного разряда расходуется ~90% СВЧ-энергии накачки). Важным условием стационарной работы такой лампы является полное испарение рабочего наполнителя, т.е. недопущение ни в одной точке внутренней поверхности колбы температуры более низкой, чем температура кипения рабочего вещества. Если рабочее вещество-наполнитель представляет собой специально подобранную композицию (двух- или многокомпонентную смесь) для получения требуемой "цветности" оптического излучения, то указанная поверхность колбы должна в любой ее точке иметь температуру, более высокую, чем температура полного испарения самой "труднокипящей" компоненты в указанной композиции. Поэтому наличие теплоотводящего элемента, находящегося в термоконтакте с колбой лампы, может оказаться противоречащим указанному условию. Это означает, что температура колбы в зоне контакта с теплоотводящим элементом должна быть весьма высокой (те же 700° С для серной лампы). Тогда в "отдаленных" от контакта точках колбы температура может оказаться чрезмерно высокой. Но, пожалуй, главной технической проблемой может оказаться практическое обеспечение согласованных коэффициентов термического расширения (КТР) разнородных контактирующих материалов. Применительно к прототипу [4] - это материалы колбы (кварц), соединителя (клей, мастика, цемент и т.п.) и втулки (металл). Поскольку прототип [4] изначально не рассчитан на использование высокотемпературных ламп, постольку и никаких средств решения этой проблемы или ее "обхода", например, путем использования неких элементов, работоспособных при высоких температурах, минимально отводящих тепло от колбы и позволяющих избежать термомеханических (возможно, разрушающих) нагрузок лампы и тем самым обеспечить прочность и надежность устройства в целом, в конструкции [4] не предусмотрено. Заметим, что в традиционных построениях СВЧ-возбудителей со сферической кварцевой лампой на кварцевом же стержне-держателе (как в аналоге [3]), а также в нетрадиционных, с кварцевой тороидальной лампой на радиальных кварцевых же держателях (как в аналоге [1, 2]), подобных проблем, связанных с теплоотводом, КТР, выбором материалов, либо не возникает, либо они не столь остры.

Таким образом, конструкция сочленения собственно безэлектродной лампы с коаксиальной линией, будучи рациональной для построения СВЧ-возбудителя [4] (и бактерицидной УФ-облучательной установки в целом) на базе безэлектродной низкотемпературной лампы низкого давления, является совершенно неприемлемой для построения осветительного устройства на базе безэлектродной высокотемпературной лампы с разрядом высокого давления. Однако именно такие лампы (например, серные) являются наиболее перспективными для построения осветительных устройств.

Поэтому было бы весьма желательно, сохраняя достоинства прототипа [4], связанные с использованием в СВЧ-возбудителе азимутально симметричного поля, присущего ТЕМ-волне, и "незагрязненность" этого поля паразитными волнами, обеспечить одновременно высокую световую отдачу, СВЧ-непрозрачность устройства и оптимальный температурный режим лампы, а также высокие показатели надежности и малогабаритность.

В целом это позволило бы создавать эффективные осветительные средства в различных модификациях и тем самым расширить арсенал перспективных светотехнических изделий и сферу их практического использования.

Итак, конкретной задачей изобретения является создание устройства СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы, обеспечивающего:

- повышенную полную световую отдачу в видимой области спектра оптического излучения при одновременном непревышении допустимых уровней СВЧ-излучений в окружающее пространство;

- оптимальный температурный режим безэлектродной лампы, не требующий вращения последней и соответствующий выбранному составу рабочего наполнителя.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого устройства, отвечающего указанной задаче, состоит в следующем.

Во-первых, обеспечивается возможность увеличения выходного светового потока без повышения подводимой мощности СВЧ-накачки и, следовательно, мощности, потребляемой от питающей сети. Это означает увеличение световой отдачи или полного КПД устройства. При этом за достигаемый положительный эффект не приходится платить увеличением мощности СВЧ-излучений, просачивающихся в окружающее пространство, создающих помехи в радиоэфире и ухудшающих экологическую обстановку в среде обитания.

Во-вторых, обеспечиваются азимутальная симметрия в топографии СВЧ-поля накачки и высокий уровень амплитуд СВЧ-электрической составляющей в зоне расположения лампы. Это в целом обуславливает надежное зажигание и высокую скорость установления стационарного режима разряда и оптимального распределения температур в баллоне. При этом указанный технический результат достигается без использования вращения лампы.

Решение вышеназванной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии, лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и короткозамкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью, кроме того, лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью.

Предусмотрено, что наружный проводник со сквозными продольными щелями выполнен из электропроводных стержней, которые размещены по образующим проводника с азимутальными зазорами между соседними стержнями.

Предусмотрено также, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполнены с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом.

Предусмотрено, что центрирующая опора контактирует с лампой в локальных точках.

Предусмотрено также, что поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполнена зеркально отражающей.

Дополнительными достоинствами предложенного устройства являются следующие.

Во-первых, обеспечивается механическая и термомеханическая стойкость устройства, в том числе при многократных включениях-выключениях и в условиях вибрационных и ударных нагрузок.

Во-вторых, обеспечивается возможность формирования ленточных световых потоков, например, путем использования цилиндропараболических внешних рефлекторов, а также потока иных форм, включая комбинированные с использованием сторонних несимметричных и симметричных отражателей.

В-третьих, обеспечивается возможность создания компактных световых приборов повышенной надежности, в частности, за счет минимизации числа входящих в прибор элементов, имеющих низкие значения такого показателя как наработка на отказ (это: двигатели вращения лампы, датчики информации о вращении лампы и т.п.).

Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя безэлектродной 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 и 2 схематично показан СВЧ-возбудитель в продольном и поперечном по А-А сечениях соответственно.

На фиг.3 показано сечение по А-А для варианта СВЧ-возбудителя с прорезными продольными светоизлучающими щелями в наружном проводнике коаксиальной линии.

На фиг.4 показан вариант исполнения наружного проводника коаксиальной линии в зоне расположения лампы в виде азимутально дистанцированных стержней.

На фиг.5 показан вариант исполнения наружного проводника в зоне расположения лампы с единственной светоизлучающей щелью.

На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ-возбудителя, хотя и схематично, но достаточно конкретно отражающая сущность изобретения и его концептуальную основу, т.е. общую идеологию построения устройства для осветительных целей.

Так, на фиг.1, 2 показан фрагмент коаксиальной линии передачи СВЧ 1, канализирующей от непоказанного на фиг.1 СВЧ-генератора электромагнитных колебаний энергию накачки (Р_свч) к безэлектродной лампе 2.

Лампа 2 выполнена в форме сосуда Дьюара. Вакуумноплотный откачанный и наполненный рабочим веществом (например, серой, металлогалогенным композитом и т.п.) баллон имеет термостойкие СВЧ- и светопрозрачные (например, кварцевые) стенки: боковые наружную 3 и внутреннюю 4 и торцевые 5, 6, вакуумноплотно соединяющие между собой боковые стенки 3, 4. На фиг.1 стенки 3 и 4 выполнены цилиндрическими по всей длине лампы 2. При таком исполнении в лампе 2 образована ограниченная внутренней стенкой 4 сквозная вневакуумная полость 7 (см. фиг.2), как это имеет место и в прототипе [4]. Вдоль оси лампы 2 в полости 7 соосно с внутренней стенкой 4 расположен центральный (внутренний) проводник 8, являющийся участком и продолжением внутреннего проводника 9 коаксиальной линии 1, канализирующей энергию СВЧ-накачки на волне типа ТЕМ.

В отличие от прототипа [4], в котором и наружный, и центральный (внутренний) проводники коаксиальной линии расположены в сквозной полости баллона лампы и простираются вдоль ее оси только на некоторой части длины лампы, в устройстве, показанном на фиг.1, только центральный проводник 8 расположен в сквозной полости 7 и простирается в ней вдоль оси лампы 2 на всю ее длину. Более того, этот центральный проводник 8 выступает за торец 6 лампы 2, что, как будет показано ниже, может быть использовано для присоединения других элементов конструкции. Лампа 2 зафиксирована относительно центрального проводника 8 без непосредственного соприкосновения с ним (по крайней мере на "горячей" части длины лампы 2). Эта фиксация в конкретном исполнении по фиг.1 осуществлена посредством посадочных центрирующих опор 10, 11, выполненных в виде втулок из термостойкого диэлектрика (того же кварца), обладающего малой теплопроводностью и тем же КТР, что и материал баллона лампы 2. В таком построении длина посадочных частей и толщина (в том числе - переменная по длине) стенок центрирующих кварцевых втулок-опор 10, 11 выбирается из условий обеспечения требуемого низкого теплоотвода от лампы 2 и достижения оптимального распределения температуры по длине лампы 2. Не ревизуя сути изобретения, указанные центрирующие и теплорегулирующие втулки-опоры 10, 11 могут быть выполнены зацело с баллоном лампы 2, а также съемными, контактирующими с внутренней стенкой 4 лампы 2 только на локальных точках ее поверхности, могут быть снабжены отверстиями для выхода воздуха и регулирования теплоотвода. Эти варианты на фигурах мы не иллюстрируем за очевидностью возможных очертаний.

Центрирующие втулки-опоры 10, 11 закреплены соответственно в посадочных проточках 12, 13. При этом посадочное место 12 выполнено в теле наружного проводника 14 коаксиальной линии передачи 1, подводящей мощность СВЧ-накачки Р_свч. Посадочное место 13 выполнено в короткозамыкателе 15. На фиг.1 посадочные места 12, 13 показаны схематично без каких-либо амортизаторов или теплорегулирующих прокладок. В конкретных исполнениях предложенного устройства такие общеизвестные элементы, естественно, могут быть установлены, в частности, в обеспечение виброударопрочности. Наружный проводник 14 линии 1 снабжен соосным светопрозрачным участком 16. На фиг.1 и 2 этот участок 16 показан в форме тонкостенной электропроводной трубы, окружающей без соприкосновения наружную стенку 3 лампы 2 и являющейся продолжением наружного проводника 14 коаксиальной линии 1 вплоть до короткозамыкателя 15. Светопрозрачность участка 16 обеспечена за счет выполнения в нем продольных сквозных щелей 17, дистанцированных одна от другой по азимуту. Таким образом, между соседними щелями остается непрозрачный электропроводный простенок 18, а в целом участок 16 приобретает форму "беличьего колеса".

Угловая (азимутальная) ширина ϕ _i (i=1, 2, 3 ... ) щелей 17 на фиг.2 показана одинаковой для всех щелей (как и на фиг.4, где она не обозначена). Одинаковыми показаны и азимутальные расстояния-шаги τ _i (т.е. непрозрачные для света простенки 18) между соседними щелями 17. Это не является обязательным условием исполнения светопрозрачного участка 16 наружного проводника 14. В общем случае ϕ ≠ ϕ ₂≠_{ϕ 3 ...и τ 1≠τ 2≠τ 3 ...(см. фиг.3). Общее число щелей 17 в рамках идеи изобретения не лимитируется. В предельном случае может быть выполнена единственная щель с азимутальной шириной (раскрывом) ϕ 1 (фиг.5), что, однако, может понадобиться лишь в ограниченном числе специальных применений СВЧ-возбудителя со специальными же внешними формирователями светового потока. Принципиально важным в конструкции участка 16 и СВЧ-возбудителя в целом является обеспечение его СВЧ-непрозрачности при высокой светопрозрачности. В конкретном исполнении устройства на фиг.1, 2 СВЧ-непрозрачность участка 16 ("беличьего колеса") обеспечена тем, что размеры поперечного сечения этого участка коаксиальной линии допускают существование только ТЕМ волны (низшей из возможных) и соответственно как в центральном (внутреннем) проводнике 8, так и в электропроводных простенках 18 участка 16 протекают только продольные СВЧ-токи, не пересекающие щели 17.}

Как показано на фиг.1, короткозамыкатель 15 расположен на расстоянии от середины лампы 2, равном нечетному числу четвертей длины волны (λ _раб) рабочих колебаний СВЧ-накачки. Это означает, что "центр" лампы 2 оказывается в зоне пучности электрической составляющей СВЧ-поля стоячей волны ТЕМ, что облегчает зажигание и последующее поддержание безэлектродного разряда с симметричной относительно середины лампы 2 формой светящего тела. Указанное положение короткозамыкателя относительно средней поперечной плоскости симметрии лампы 2, выбираемое для "приведения" пучности поля стоячей волны в наперед заданную координату на оси СВЧ-возбудителя, не относится к отличительным признакам предлагаемой конструкции, ибо общеизвестно в технике СВЧ.

На фиг.3 укрупненно показан вид поперечного сечения светопрозрачного, но СВЧ-непрозрачного участка 16 с прорезными продольными светоизлучающими щелями 17, а на фиг.4 - аналогичный вид участка 16 ("беличьего колеса"), образованного осесимметричной группой азимутально дистанцированных электропроводных стержней или струн 19 (в общем случае - с неравными угловыми расстояниями друг от друга: Ψ ₁≠_{Ψ 2≠Ψ 3 ...). При этом угловые (азимутальные) зазоры ϕ i между этими стержнями 19 образуют те же светоизлучающие СВЧ-непрозрачные щели 17, что и на фиг.3. Стержни (струны) 19 присоединены к наружному проводнику 14 коаксиальной линии 1 и к короткозамыкателю 15 с обеспечением электрического контакта (например, приварены лазерной сваркой).}

Из прочих особенностей предлагаемой конструкции (фиг.1) необходимо отметить следующие. Так, для получения возможно большего светового потока, направляемого на освещаемый объект, поверхность центрального (внутреннего) проводника 8 выполнена зеркально отражающей, например, полированной. Это способствует отражению и инфракрасных (ИК) излучений обратно в лампу 2, и, соответственно, снижает температуру центрального проводника 8 и уровень СВЧ-потерь в нем. На фиг.1 центральный проводник 8 показан в наиболее упрощенном исполнении. Не ревизуя конструкции заявляемого объекта, легко видеть, что центральный проводник 8 может быть выполнен полым, например, с каналом для пропускания охлаждающего агента (например, воздуха). При необходимости увеличения теплосъема с центрального проводника 8, нагреваемого СВЧ-токами и ИК-излучениями высокотемпературной лампы 2, конец центрального проводника 8 (показанный на фиг.1 выступающим за пределы короткозамыкателя 15 и оборванным) может быть оребрен или снабжен съемным радиатором, который из-за многообразия возможных форм вообще не показан. Ребра непоказанных радиаторов могут быть также выполнены в теле наружного проводника 14 и короткозамыкателя 15.

Далее, не уклоняясь от сущности изобретения, конструкция, показанная на фиг.1-5, предусматривает возможность выполнения участка 16 (например, стержней или струн 19) и центрального проводника 8 из материалов с различными КТР с учетом различий в рабочих температурах этих элементов и требований по недопущению их деформаций (особенно при использовании тонких стержней и струн 19).

Для сохранения достаточного (не зависящего от теплового режима лампы 2) натяжения струн (стержней) 19 кроме выбора материалов с различными КТР для струн 19 и центрального проводника 8, конструкция (фиг.1) подразумевает возможность выполнения короткозамыкателя 15 в виде термокомпенсатора с термобиметаллическим элементом. На фиг.1 это устройство не детализируется как выходящее за рамки настоящего изобретения по ряду признаков, которые не предлагаются здесь к патентной защите.

Наконец, заметим, что выполнение центрального проводника 8 с длиной, превышающей длину лампы 2 (в частности, на фиг.1 центральный проводник показан выступающим за короткозамыкатель 15), предусматривает возможность не только упомянутой выше постановки на центральный проводник 8 радиатора, но и постановки элементов крепления внешнего рефлектора, что также не показано на фигурах.

Работа предложенного СВЧ-возбудителя осуществляется следующим образом.

При поступлении СВЧ-мощности Р_свч от СВЧ-генератора в коаксиальную линию 1 в ней распространяется низший тип волны - ТЕМ. Эта волна проходит в зону, где соосно с наружным 16 и центральным 8 проводниками посредством диэлектрических (кварцевых) втулок 10, 11 зафиксирована безэлектродная лампа 2. ТЕМ-волна проходит к короткозамыкателю 15 и, отражаясь от него обратно к лампе 2, образует стоячую волну. Ближайшая к короткозамыкателю 15 пучность стоячей волны располагается на расстоянии четверти длины волны от короткозамыкателя 15. Структура (топография) СВЧ-поля при этом азимутально симметрична и характеризуется радиально направленными силовыми линиями электрического СВЧ-поля (с достаточно большими амплитудами), вызывающего радиальное же перемещение носителей заряда в безэлектродной лампе 2. Если напряженность СВЧ электрического поля по крайней мере в пучности стоячей волны достигает потенциала зажигания парогазовой смеси, находящейся в лампе 2 при предстартовых температуре и давлении, то в лампе возникает безэлектродный СВЧ-разряд.

По мере развития разряда от стартового до стационарного состояния происходит достаточно быстрый нагрев лампы 2 (чему способствуют отражения ИК-излучений от зеркальной поверхности центрального проводника 8), сопровождающийся испарением всех компонентов рабочего вещества-наполнителя и соответствующим ростом давления в лампе. Стационарное состояние безэлектродного разряда характеризуется установлением равновесного режима (давления в лампе 2, температуры и ее распределения в стенках 3 и 4 и втулках 10, 11, уровня поддерживающей СВЧ-разряд и поглощаемой им СВЧ-мощности накачки, постоянства величин светового потока и его спектрального состава).

В стационарном состоянии СВЧ-разряда "светящее тело" обладает азимутальной симметрией и приобретает трубчатую форму, как бы охватывая центральный проводник 8. Стационарному режиму светоизлучающего безэлектродного разряда соответствует и минимальный уровень СВЧ-излучений, просачивающихся в окружающее СВЧ-возбудитель пространство сквозь достаточно широкие светоизлучающие щели 17 участка 16, являющегося продолжением наружного проводника 14 коаксиальной линии передачи 1. Низкий уровень СВЧ-излучений, определенный в описании как "СВЧ-непрозрачность" участка 16, обусловлен двумя обстоятельствами.

Во-первых, тем, что ТЕМ типу волны, "незагрязненной" паразитными волнами, присущи только продольные СВЧ-токи в проводниках 8, 18, 19, не пересекающие светоизлучающие щели 17, несмотря на то, что последние в обеспечение высокого "выхода" светового потока выполнены достаточно широкими. Это особенно важно на стадии "разгорания" СВЧ-разряда, когда в нем поглощается относительно меньшая доля СВЧ-энергии накачки.

Во-вторых, тем, что в стационарном режиме на поддержание светоизлучающего СВЧ-разряда высокого давления полезно расходуется почти вся мощность СВЧ-накачки (оценочно: 90%).

В результате оптимизируется конструкция устройства с позиций достижения высокой светопрозрачности (а значит, и повышенной результирующей световой отдачи) при одновременном обеспечении пониженных уровней СВЧ-излучений.

Кроме того, устройство работает, не требуя применения вращения лампы, а следовательно, и использования приводов, консольных держателей и т.п. элементов, увеличивающих массу и габариты, но, главное, ограничивающих время безотказной работы и стойкость устройства в отношении виброударных нагрузок. Тем самым повышаются долговечность и надежность СВЧ-возбудителя и осветительного прибора в целом. Таким образом, работа устройства иллюстрирует решенность поставленной задачи.

Изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (СВЧ), в частности к безэлектродным СВЧ-газоразрядным лампам и оптическим излучателям на их основе, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или в ультрафиолетовой частях спектра. Технический результат заключается в увеличении выходного светового потока (т.е. полного КПД) без повышения мощности СВЧ-накачки при одновременном непревышении допустимых уровней СВЧ-излучений в окружающую среду, а также в обеспечении надежного зажигания и высокой скорости установления стационарного режима разряда и оптимального распределения температур в баллоне без использования вращения лампы. СВЧ-возбудитель содержит коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии. Лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и коротко замкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью. Лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью. Также предусмотрено, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполняются с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом, а поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполняется зеркально отражающей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии, отличающийся тем, что лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и короткозамкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью, кроме того, лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью.2. Сверхвысокочастотный возбудитель по п.1, отличающийся тем, что центрирующая опора контактирует с лампой в локальных точках.3. Сверхвысокочастотный возбудитель по п.1, отличающийся тем, что поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполнена зеркально отражающей.4. Сверхвысокочастотный возбудитель по п.1, отличающийся тем, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполнены с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом.5. Сверхвысокочастотный возбудитель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что наружный проводник со сквозными продольными щелями выполнен из электропроводных стержней, которые размещены по образующим проводника с азимутальными зазорами между соседними стержнями.