МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК F21S4/00 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к устройствам получения высокояркостных источников излучения, находящих широкое применение в системах биологической и химической очистки воздуха, воды, в фотолитографии и др. областях техники.

Основными требованиями, предъявляемыми к таким устройствам, являются высокая плотность излучательной энергии на единицу поверхности при одновременно большой величине площади свечения. Разработка новых высокояркостных источников с увеличенной площадью свечения является актуальной задачей.

Известен высокояркостный импульсно-периодический источник излучения [С.Н.Бугримов, А.С.Камруков, Б.Н.Кашников и др. - "Квантовая электроника", 1986. - Т.13. - №1. - с.76], содержащий конденсатор, два электрода на поверхности плоского изолятора, между которыми по прямой в изолятор заподлицо с его поверхностью запрессованы молибдено-вольфрамовые стержни с шагом 0,5 см, общее количество которых 56 шт., половина которых соединена с делителем напряжения.

Основным недостатком такого устройства является низкая эффективность излучателя. Это вызвано тем, что канал разряда ограничен с одной стороны изолятором. В результате по мере роста тока и разогрева канала увеличивается его сечение, приводящее к уменьшению его сопротивления, вклада энергии конденсатора в канал и, как следствие, уменьшению излучения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является высокоинтенсивный излучатель, выбранный в качестве прототипа [М.И.Демидов, Н.Н.Огурцова, И.В.Подмошенский и др. - ЖПС, 1975, - т. 23, - вып.5, - с.931], содержащий емкостные накопители, коаксиальный кабель, два электрода, размещенные у капиллярного отверстия в плоском изоляторе, высоковольтный трансформатор поджига, вторичная обмотка которого включена последовательно между емкостным накопителем и электродами. Дополнительно в цепь включено малоиндуктивное активное согласующее сопротивление величиной 0,1 Ом. В исходном состоянии накопители формирующей линии заряжены до 5 кВ. При подаче импульса поджига на первичную обмотку на вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение амплитудой 50 кВ, которое вызывает инициирование пробоя в капилляре. После этого через капилляр происходит основной разряд накопителей, вызывающий излучение.

Основным недостатком этого устройства является малая площадь источника свечения, определяемая диаметром капилляра (доли - единицы мм). Кроме того, наличие согласующего резистора приводит к снижению запасенной энергии в формирующей линии, вкладываемой в канал капилляра, что приводит к снижению яркости излучения. Наличие высоковольтного трансформатора усложняет устройство, а его индуктивность рассеивания вторичной обмотки уменьшает амплитуду тока основного разряда, что также снижает яркость излучателя.

Предложен новый многоканальный излучатель, который при относительно низком напряжении просто и надежно позволяет получить высокояркостный источник света с увеличенной площадью свечения.

Такой технический результат получен, когда в многоканальном излучателе, включающем емкостной накопитель, плоский изолятор с капилляром, выполненным перпендикулярно поверхности изолятора, два основных электрода, примыкающие к выходным отверстиям капилляра, и управляемый разрядник с двумя коаксиальными кабелями, новым является то, что в него дополнительно введены промежуточные электроды, конденсаторы, пары резисторов со средней точкой, при этом изолятор выполнен протяженным, в теле которого перпендикулярно его поверхности выполнено четное количество капилляров, причем все капилляры равномерно размещены по длине изолятора между основными электродами, основные электроды размещены по краям изолятора, на одной из его поверхностей, а промежуточные электроды установлены между основными поочередно на разных сторонах изолятора, вплотную к выходным отверстиям капилляров, каждый промежуточный электрод соединен с парой резисторов и конденсатором, при этом промежуточный электрод соединен последовательно с парой резисторов, выполненных с возможностью замыкания токов в капиллярах на минусовую обкладку накопителя, средняя точка пары резисторов подсоединена к выводу конденсатора, а выходной конец - к противоположному выводу конденсатора, который, в свою очередь, соединен с такими же выводами аналогично соединенных конденсаторов и подключен к минусовой обкладке накопителя, а емкостной накопитель, управляемый разрядник с двумя коаксиальными кабелями и протяженный изолятор соединены последовательно, при этом коаксиальные кабели выполнены с возможностью прикладывать напряжение накопителя к основным электродам.

Для получения широкоформатного (матричного типа) многоканального излучателя к аноду и катоду управляемого разрядника дополнительно подключены М-1 пар коаксиальных кабелей (где М - число пар коаксиальных кабелей), оплетки каждой пары которых соединены между собой и изолированы от других пар, к другим концам каждой пары кабелей, образуя цепочки, подсоединены емкостной накопитель и плоский протяженный изолятор, на одной из поверхностей которого по краям установлены основные электроды, а также промежуточные электроды в каждой цепочке, включающей емкостной накопитель-коаксиальный кабель-разрядник-коаксиальный кабель-плоский протяженный изолятор, в изоляторе, перпендикулярно его поверхности выполнены N капилляров (где N - четное число), равномерно размещенных по длине изолятора между основными электродами, промежуточные электроды установлены между основными поочередно на разных сторонах изолятора, вплотную к выходным отверстиям капилляров, каждый промежуточный электрод дополнительно соединен с парой резисторов и конденсатором, при этом промежуточный электрод соединен последовательно с парой резисторов, выполненных с возможностью замыкания токов в капиллярах на минусовую обкладку накопителя, средняя точка пары резисторов подсоединена к выводу конденсатора, а выходной конец - к противоположному выводу конденсатора, который, в свою очередь, соединен с такими же выводами аналогично соединенных конденсаторов и подключен к минусовой обкладке накопителя, при этом коаксиальные кабели выполнены с возможностью прикладывать напряжение накопителя к основным электродам (см. п.2 формулы).

Для увеличения яркости излучения отверстия капилляров, расположенные на противоположной относительно расположения основных электродов стороне изолятора, выполнены с электропроводными заглушками, соединенными с промежуточными электродами (см. п.3 формулы).

Для упрощения конструкции многоканального излучателя при использовании его в замкнутом объеме, изолятор, конденсаторы и резисторы расположены в вакуумной камере (см. п.4 формулы).

Для уменьшения диаграммы направленности излучения в нем по меньшей мере с одной стороны изолятора размещен дополнительный плоский изолятор с конусообразными сквозными отверстиями со светоотражающим покрытием, установленный так, что его отверстия соосны капиллярам изолятора, а меньшие из оснований конуса имеют диаметр капилляра изолятора и прилегают к его выходам (см. п.5 формулы).

Новое конструктивное и схемное решение позволило просто и надежно при относительно низком напряжении первоначально инициировать все капиллярные каналы, а затем осуществить синхронный основной разряд по всем капиллярам и соответственно получить высокояркостный источник света с увеличенной площадью свечения.

На Фиг.1 представлена электрическая и конструктивная схема многоканального излучателя (линейный вариант), где емкостной накопитель 1, управляемый разрядник 2, пара коаксиальных кабелей 3а и 3б, плоский изолятор 4, основные электроды 5а и 5б, промежуточные электроды 6', 6'', 6''' конденсаторы 7', 7'', 7''' капилляры 8', 8'', 8''', 8'^V резисторы 9', 9'', 9''' и 10 (см. п.1 формулы).

На Фиг.2 представлена электрическая схема многоканального излучателя (широкоформатный вариант), где емкостной накопитель 1, управляемый разрядник 2, пара коаксиальных кабелей 3а и 3б, плоский изолятор 4; N - число капилляров 8, М - число пар коаксиальных кабелей с емкостными накопителями 1 и плоскими изоляторами 4 (см. п.2 формулы).

На Фиг.3 представлены эпюры напряжений и токов при последовательном инициировании N капилляров и основном разряде, где

U, I - напряжение и ток;

U₀ - напряжение на накопителе 1 в исходном состоянии;

U₁...U_N - напряжение на капиллярах к моменту их инициирования;

i₁...i_N - токи в капиллярах в момент их инициирования;

t₁...t_N - время запаздывания инициирования каждого из капилляров;

I₀ - ток основного разряда во всех N капиллярах.

На Фиг.4 представлена электрическая схема и конструкция предлагаемого излучателя с проводящими заглушками капилляров, где емкостной накопитель 1, управляемый разрядник 2, пара коаксиальных кабелей 3а и 3б, плоский изолятор 4, основные электроды 5а и 5б, промежуточные электроды 6', 6'', 6''', конденсаторы 7', 7'', 7''' капилляры 8', 8'', 8''', 8'^V резисторы 9', 9'', 9''', 10 и заглушки 11 (см. п.3 формулы).

На Фиг.5 представлена конструкция плоского изолятора с двумя дополнительными плоскими изоляторами с конусообразньми сквозными светоотражающими отверстиями, где плоский изолятор 4, промежуточные электроды 6', 6'', 6''', капилляры 8', 8'', 8''', 8'^V, дополнительный светоотражающий изолятор 12, конусообразное отверстие 13 (см. п.5 формулы, фиг.5).

На Фиг.6 представлен фотоснимок широкоформатного излучателя с 12 капиллярами (М=3, N=4).

Многоканальный излучатель работает следующим образом.

Линейный вариант (п.1 формулы). В исходном состоянии емкостной накопитель 1 заряжен (зарядное устройство не показано). При подаче импульса поджига на управляемый разрядник 2 он срабатывает, и высоковольтное напряжение накопителя 1 посредством коаксиальных кабелей 3а и 3б прикладывается к основным электродам 5а и 5б. Под действием высокого напряжения пробивается первый капилляр 8', расположенный в непосредственной близости от высоковольтного электрода 5а. Ток пробоя первого капилляра 8' идет по цепи: высоковольтная обкладка накопителя 1, жила коаксиального кабеля 3а, управляемый разрядник 2, жила коаксиального кабеля 3б, электрод 5а, сверху вниз по капилляру 8', промежуточный электрод 6', резистор 9', конденсатор 7', оплетка кабеля 3б, оплетка кабеля 3а и минусовая обкладка накопителя 1. Под действием этого тока конденсатор 7' заряжается до напряжения, примерно равного напряжению накопителя 1. Благодаря резистору 9' это напряжение прикладывается ко второму капилляру 8'', и он пробивается. Резисторы 9'-9''' в каждой цепочке увеличивают крутизну напряжения на капиллярах к моменту инициирования пробоя, что уменьшает как время запаздывания пробоя, так и его разброс.

Ток пробоя во втором капилляре 8'' содержит две составляющие: первая - от накопителя 1 (путь тока рассмотрен выше), вторая - от заряженного конденсатора 7' через резистор 9', промежуточный электрод 6', вверх по капилляру 8'', промежуточный электрод 6'', расположенный вверху на изоляторе 4 и примыкающий к отверстиям второго и третьего капилляров, далее по второй RC-цепочке.

Ток пробоя во втором капилляре приводит к росту напряжения на конденсаторе 7'' второй RC-цепочки и с помощью электрода 6'' прикладывается к третьему капилляру, который пробивается. Ток пробоя идет сверху вниз, замыкается через третью RC-цепочку и содержит три составляющие тока: одна - от накопителя 1, две другие - от конденсаторов 7' и 7'' двух предыдущих RC-цепочек.

Таким образом, пробой каждого из предыдущих капилляров приводит к возникновению необходимого для пробоя напряжения у отверстия последующего капилляра и его пробою. По мере пробоя каждого последующего капилляра проводимость в предыдущих поддерживается за счет последовательно соединенных резисторов 9 и 10, замыкающих токи в капиллярах на минусовую обкладку накопителя 1.

После инициирования пробоя последнего капилляра напряжение накопителя 1 прикладывается к N последовательно соединенным проводящим капиллярам и происходит основной разряд (принимая во внимание, что промежуточные электроды размещены между основными и поочередно на разных сторонах изолятора, то N - всегда четное число). Во время основного разряда ток во всех капиллярах синхронно возрастает до величины единицы - десятки кА. Этот ток разогревает и ионизирует среду в области разряда, в результате чего происходит синхронное высокояркостное излучение света всех N капилляров, образующее линейный излучатель.

Таким образом, новый принцип инициирования пробоя за счет создания напряжения на всех капиллярах позволяет получить синхронный излучатель с увеличенной площадью свечения.

Установка дополнительных резисторов 9, 10 и соединение их с конденсатором 7 не позволяет зарядиться конденсаторам 7 в момент пробоя капилляров до удвоенного значения напряжения накопителя 1, что позволяет уменьшить габариты и вес конденсатора 7 и упростить конструкцию наружной изоляции. Резистор 10 нейтрализует напряжение на конденсаторах 7 между импульсами тока I₀ основного разряда, что позволяет использовать устройство в частотном режиме работы при периодическом заряде накопителя 1.

Широкоформатный вариант (матричная форма) (п.2 формулы).

В исходном состоянии все М емкостных накопителей 1 заряжены до одинакового напряжения (см. фиг.2). При подаче импульса поджига на разрядник 2 он срабатывает, и напряжение всех М емкостных накопителей 1 посредством каждой пары кабелей 3а и 3б прикладывается одновременно ко всем М изоляторам 4 с N капиллярами. Под действием этого напряжения происходит инициирование пробоя в капиллярах и основной синхронный независимый разряд каждого из М накопителей 1 на N капилляров в соответствии с описанным выше.

Поскольку соединенные оплетки каждой пары коаксиальных кабелей изолированы от оплеток других кабелей, то каждый из емкостных накопителей 1 разряжается на N капилляров независимо друг от друга.

Таким образом, новое схемное решение позволило одним разрядником при относительно низком напряжении независимо поочередно инициировать N капилляров в каждом из М изоляторов и просто и надежно получить М синхронных сильноточных токов основных разрядов, являющихся источниками М линейных высокояркостных излучателей, и тем самым создать широкоформатный матричный излучатель.

При выполнении на отверстиях капилляров, расположенных на противоположной относительно расположения основных электродов стороне изолятора, электропроводных заглушек, соединенных с промежуточными электродами, ограничивается выдув плазмы из капилляра. В результате в капилляре увеличивается давление, ведущее к росту сопротивления капилляра и, как следствие, увеличению вкладываемой энергии и яркости излучения.

Если излучатель использовать в ограниченном объеме, например в вакуумной камере, то в нее необходимо поместить только изолятор, конденсаторы и резисторы. Это упрощает исполнение герметичной вакуумной камеры, т.к. требует выполнения всего одного высоковольтного ввода, а не N-1 по числу дополнительных RC-цепочек.

При выполнении на изоляторе по меньшей мере одного дополнительного изолятора с конусообразными сквозными отверстиями и со светоотражающим покрытием и разместить так, что его отверстия будут сооны отверстиям капилляров, а меньшие из оснований конуса будут равны диаметру капилляра и прилегать к его выходам, то это позволит увеличить световую отдачу и направленность излучателя.

Пример конкретного исполнения.

Емкостной накопитель типа КМК-50-0,7 мкФ коаксиальным кабелем РК-50-13 подключался к управляемому разряднику типа воздушный тригатрон (напряжение 50 кВ, ток 30 кА), который, в свою очередь, соединялся коаксиальным кабелем с основными электродами из стали 20 на плоском протяженном изоляторе. Плоский изолятор был выполнен из оргстекла (ОС 20) размером 100×100 мм, толщиной 5,0 мм, в котором вдоль линии между основными электродами сделаны четыре отверстия диаметром 2 мм с шагом 15 мм. Напряжение и ток регистрировались двухлучевым осциллографом Tektronix-TDS1201. Излучение регистрировалось скоростным фоторегистратором СФР-2М.

Линейный излучатель (п.3 формулы изобретения).

С одной стороны капилляры перекрывались электропроводящими заглушками из стали марки 20, которые соединялись с промежуточными электродами в виде цилиндра ⊘2 мм из вольфрама. Промежуточные электроды с помощью RC-цепочек подключались к минусовой обкладке накопителя электроду. В качестве резисторов 9, 10 были выбраны ТВО-5-51 Ом и КЭВ-2-22 МОм соответственно, а в качестве конденсаторов 7 - конденсаторы К15-4-2200 пФ.

При напряжении 15 кВ на емкостном накопителе после подачи импульса поджига 3 кВ на воздушный тригатрон наблюдался стабильный по амплитуде от разряда к разряду ток основного разряда величиной ≈10 кА с разбросом по времени возникновения не более 1 мкс, сопровождавшийся яркой вспышкой света. Время измерялось по экрану осциллографа, а интенсивность излучения - по эталону яркости ЭВ-45.

Широкоформатный излучатель (п.2 формулы изобретения).

К аноду и катоду разрядника коаксиальными кабелями дополнительно были подключены два емкостных накопителя и два плоских изолятора. На поверхности изолятора был размещен изолятор с конусообразными отверстиями из светоотражающего материала - капролона размером 100×100 мм и толщиной 10 мм.

При напряжении 15 кВ на всех трех накопителях и после подачи импульса поджига 3 кВ на тригатрон наблюдались стабильные и равные по амплитуде три тока основных разрядов амплитудой ≈10 кА.

Испытания широкоформатного излучателя с числом капилляров 12 (М=3, N=4) при основном разряде без светоотражающего изолятора и со светоотражающим изолятором показали, что светоотражающий изолятор более чем на порядок увеличивает интенсивность свечения.

Предложенный излучатель может быть эффективно использован для обеззараживания воздуха, воды, хирургического, стоматологического инструмента и т.д.

Использование: для получения высокояркостных источников излучения. Сущность: заключается в том, что в многоканальный излучатель дополнительно введены промежуточные электроды, конденсаторы, резисторы, при этом изолятор выполнен протяженным, в теле которого перпендикулярно его поверхности выполнены дополнительные капилляры, причем все капилляры равномерно размещены по длине изолятора между электродами, промежуточные электроды установлены между основными поочередно на разных сторонах изолятора, вплотную к выходным отверстиям капилляров, каждый промежуточный электрод дополнительно соединен с парой резисторов и конденсатором, при этом промежуточный электрод соединен последовательно с парой резисторов, средняя точка которых подсоединена к выводу конденсатора, а выходной конец - к противоположному выводу конденсатора, который, в свою очередь, соединен с такими же выводами аналогично соединенных конденсаторов и подключен к минусовому электроду, а емкостной накопитель, управляемый разрядник с двумя коаксиальными кабелями и протяженный изолятор соединены последовательно. Технический результат: простое и надежное получение высокояркостного источника света с увеличенной площадью свечения. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Многоканальный излучатель, включающий емкостный накопитель, плоский изолятор с капилляром, выполненным перпендикулярно поверхности изолятора, два основных электрода, примыкающих к выходным отверстиям капилляра, и управляемый разрядник с двумя коаксиальными кабелями, отличающийся тем, что в него дополнительно введены промежуточные электроды, конденсаторы, пары резисторов со средней точкой, при этом изолятор выполнен протяженным, в теле которого перпендикулярно его поверхности выполнено четное количество капилляров, причем все капилляры равномерно размещены по длине изолятора между основными электродами, основные электроды размещены по краям изолятора на одной из его поверхностей, а промежуточные электроды установлены между основными поочередно на разных сторонах изолятора вплотную к выходным отверстиям капилляров, каждый промежуточный электрод соединен с парой резисторов и конденсатором, при этом промежуточный электрод соединен последовательно с парой резисторов, выполненных с возможностью замыкания токов в капиллярах на минусовую обкладку накопителя, средняя точка пары резисторов подсоединена к выводу конденсатора, а выходной конец - к противоположному выводу конденсатора, который, в свою очередь, соединен с такими же выводами аналогично соединенных конденсаторов и подключен к минусовой обкладке накопителя, а емкостный накопитель, управляемый разрядник с двумя коаксиальными кабелями и протяженный изолятор соединены последовательно, при этом коаксиальные кабели выполнены с возможностью прикладывать напряжение накопителя к основным электродам.2. Многоканальный излучатель по п.1, отличающийся тем, что к аноду и катоду управляемого разрядника дополнительно подключены М-1 пар коаксиальных кабелей (где М - число пар коаксиальных кабелей), оплетки каждой пары которых соединены между собой и изолированы от других пар, к другим концам каждой пары кабелей, образуя цепочки, подсоединены емкостный накопитель и плоский протяженный изолятор, на одной из поверхностей которого по краям установлены основные электроды, а также промежуточные электроды в каждой цепочке, включающей емкостный накопитель - коаксиальный кабель - разрядник - коаксиальный кабель - плоский протяженный изолятор, в изоляторе перпендикулярно его поверхности выполнено N капилляров (где N - четное число), равномерно размещенных по длине изолятора между основными электродами, промежуточные электроды установлены между основными поочередно на разных сторонах изолятора вплотную к выходным отверстиям капилляров, каждый промежуточный электрод дополнительно соединен с парой резисторов и конденсатором, при этом промежуточный электрод соединен последовательно с парой резисторов, выполненных с возможностью замыкания токов в капиллярах на минусовую обкладку накопителя, средняя точка пары резисторов подсоединена к выводу конденсатора, а выходной конец - к противоположному выводу конденсатора, который, в свою очередь, соединен с такими же выводами аналогично соединенных конденсаторов и подключен к минусовой обкладке накопителя, при этом коаксиальные кабели выполнены с возможностью прикладывать напряжение накопителя к основным электродам.3. Многоканальный излучатель по п.1, отличающийся тем, что отверстия капилляров, расположенные на противоположной относительно расположения основных электродов стороне изолятора, выполнены с электропроводными заглушками, соединенными промежуточными электродами.4. Многоканальный излучатель по п.1, отличающийся тем, что изолятор, конденсаторы и резисторы расположены в вакуумной камере.5. Многоканальный излучатель по п.1, отличающийся тем, что в нем по меньшей мере с одной стороны изолятора размещен дополнительный плоский изолятор с конусообразными сквозными отверстиями со светоотражающим покрытием, установленный так, что его отверстия соосны с капиллярами изолятора, а меньшие из оснований конуса имеют диаметр капилляра изолятора и прилегают к его выходам.