СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КПД ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ И УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОМ ЕЕ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК H01J65/04 

Изобретение относится к области светотехники, более конкретно к газоразрядным лампам, в частности к импульсным сверхвысокоэнергетическим лампам и лампам непрерывного действия высокой мощности, а именно – к способу значительного увеличения КПД газоразрядных ламп, которые могут быть использованы в качестве источника энергии при накачке лазеров, а также в промышленности и быту для непосредственного дистанционного воздействия на объект, в особенности в тех приложениях, которые требуют определенного спектрального состава света.

Классический способ генерации света можно рассматривать на примере работы газоразрядной лампы, представляющей из себя стеклянную цилиндрическую колбу с размещенными внутри электродами, внутри которой находится инертный газ, например, ксенон. Маломощным примером такой лампы служит лампа серии ИНП, например, серийно выпускаемая лампа ИНП 6/120.

Известен (RU 2319251, МПК H01J 65/00, опубликовано 10.03.2008) способ повышения КПД газоразрядной лампы посредством помещения ее в магнитное поле, с последующим приложением напряжения к электродам лампы, возбуждением газового разряда и обеспечением возникновения разрядного тока. Недостатком этого способа является усложнение конструкции газоразрядной лампы за счет использования вспомогательных приспособлений (магнитов). Такой способ применим с целью минимизации затрат на эксплуатацию в определенной степени для отдельно взятой лампы, но неприменим для ансамбля из сотен и тысяч ламп для синхронной их работы, тем более в компактной топологии использования ламп парой, включенных последовательно.

Известна (RU 2125322 C1, МПК H01J 61/38, H01J 61/12, H01J 65/04, опубликовано 20.01.1999) газоразрядная лампа видимой области спектра, обеспечивающая распределение спектральной мощности с максимумом на одной из нескольких возможных длин волн максимумов. Лампа при возбуждении формирует распределение спектральной мощности главным образом в видимой области спектра (необходимый глазу человека спектр свечения). Недостатком способа управления спектром излучения известной лампы является использование для этих целей добавок (заполнителя), которые при работе лампы постепенно неконтролируемо прогорают, и лампа деградирует.

Примером сверхвысокоэнергетической газоразрядной лампы, используемой в качестве источника энергии накачки лазера, служит газоразрядная лампа с наполнением ксеноном и с расстоянием между электродами около 1800 мм, диаметром колбы около 48 мм, при давлениях газа уровня 100 мм рт ст, напряжении срабатывания уровня 25 кВ, амплитудой тока уровня 25 кА, уровнем вкладываемой энергии 30-40 кДж (www.specoptics.com).

Известны (National Ignition Facility (NIF) в Лоуренсовской Ливерморской лаборатории (США), (см. сайт NIF https://lasers.llnl.gov/; а также Phys.Review Letters 120, 245003, published 14/06/2018) сверхмощные газоразрядные лампы, применимые в системе синхронного срабатывания тысяч сверхмощных ламп, накачивающих несколько сотен лазерных активных элементов для лазерного усиления и системе сведения всех лучей в микрокапсулу со специфической газовой смесью с изотопами водорода. Вкладываемая в лампу электрическая энергия уровня 20-30 кДж в импульсе (который определяется свойствами накачиваемого активного элемента (далее - АЭ) лазера и составляет, как правило, 300-400 мксек) обеспечивает разогрев плазмы разряда в лампе до температуры около 12000 К и спектр свечения, близкий к спектру черного тела с этой температурой. Ключевым недостатком использования такой лампы для накачки лазера является получение чрезмерно широкого спектра, который используется в АЭ лазера не весь, а только в узких спектральных диапазонах, при этом оставшаяся часть спектра не участвует в процессах лазерной генерации, вредным образом поглощается в АЭ, приводя к крайне нежелательным термо-оптическим эффектам в АЭ и в целом - в квантроне (функционально и конструктивно законченный узел лазера, включающий источники излучения накачки, оптические элементы и АЭ, в котором формируется необходимое распределение поглощенного излучения в активной среде, распределение коэффициента усиления, термо-оптических неоднородностей и т.д). В полезный для накачки АЭ свет в системе NIF вблизи 800нм переходит менее одного процента вкладываемой в лампу энергии.

В настоящее время прорабатываются различные варианты дополнительного подъема температуры плазмы путем закачивания в плазму разряда дополнительной энергии, например, через ВЧ стимулирование и другими методами. Это позволяет увеличить интенсивность свечения и на хвосте теплового распределения, далеко от максимума, например, вблизи длины волны 800нм. Интенсивность свечения и КПД здесь оценивается не как снижение потребления энергии, как было бы в бытовой светотехнике, а с точки зрения максимального повышения светимости.

Так, известно («Повышение КПД ввода энергии в плазму разряда и светоотдача люминесцентных ламп при ВЧ накачке», см. Краткие сообщения по физике ФИАН стр. 18 №8, 2017) повышение (на 25 % по сравнению с примерно такой же лампой с электродами) КПД ввода энергии в плазму разряда, где дополнительный нагрев плазмы происходит при определенных условиях резонанса за счет поглощения ВЧ мощности от индуктора. Основным недостатком данного способа повышения КПД является значительное усложнение конструкции установки вследствие применения для ВЧ накачки лазера внешнего индуктора.

Наиболее близким к заявленному изобретению (управлению спектром излучения лампы) является известный (RU 2125322 C1, МПК H01J 61/38, H01J 61/12, H01J 65/04, опубликовано 20.01.1999) вариант распределения спектральной мощности, при котором световые волны выбранной длины отражаются обратно в колбу, чтобы вызвать эмиссию спектра, который более эквивалентен спектру, излучаемому абсолютно черным телом, что осуществимо путем использования отражателей/фильтров либо находящихся отдельно, либо расположенных непосредственно на колбе в виде покрытия. Спектральный выход лампы при этом подбирается для конкретных случаев ее применения, отражая обратно в колбу волны выбранной длины. Отражатель при этом может состоять из чередующихся слоев материалов, имеющих различные показатели преломления: например, окиси циркония и двуокиси кремния. Толщину и количество слоев отражателя при этом можно варьировать для изменения отражаемой полосы спектра. К существенному недостатку известного способа следует отнести отсутствие предпосылок для дополнительного нагрева плазмы (и, соответственно, роста КПД свечения на выбранных заранее диапазонах) возвращенным светом вследствие отражения в плазму разряда лишь небольшой доли (1-2 линии спектра) от всего массива световой энергетики разряда, а именно, лишь нехарактерных для восприятия человеческим глазом пичков спектра с целью приближения его (спектра) к спектру свечения черного тела с температурой Солнца. Указанный недостаток является следствием применения дихроичного отражателя, что является достаточным для формирования наиболее комфортного для глаза человека спектра, но что не оказывает какого-либо качественного влияния на параметры плазмы.

Из вышеприведенного обзора существующего уровня техники следует, что в последние годы очень актуальны задачи (накачка лазеров, технологические и медицинские применения), где требуются источники света с определенным спектральным диапазоном: Классические же газоразрядные лампы излучают весьма широкий спектр света. Поэтому становится более востребованной другая группа оптоэлектронных приборов - матрицы полупроводниковых лазерных диодов, мощность светового потока которых в конкретной узкой спектральной полосе значительно превышает мощность светового потока от газоразрядных ламп в данной спектральной полосе. Однако, в ряде случаев необходим определенный диапазон спектра, а не линия. Кроме того, отсутствуют источники на некоторые длины волн из-за невозможности подобрать соответствующий материал кристаллов матриц.

Поэтому техническая проблема, которую решают авторы изобретения, исходя из уровня техники, является создание источника света, уровень излучаемой энергии которого в заданном узком спектральном диапазоне сопоставим с уровнем энергии, излучаемой матрицей, и реализация управления спектром его излучения.

Основной технический результат, который проявляется при осуществлении изобретения, заключается в повышении интенсивности свечения (КПД) газоразрядной лампы в заданном спектральном диапазоне в результате реализации «спектральной селекции» (выделение и усиление заранее заданных частей спектра).

Указанный технический результат достигается за счет того, что способ повышения КПД газоразрядной лампы в заданном спектральном диапазоне осуществляют посредством:

нанесения на излучающую свет и обращенную к подлежащему освещению объекту поверхность тела лампы или на наружную и/или внутреннюю поверхность вспомогательного прозрачного тела, имеющего форму, соответствующую топологии лампы, и расположенного между излучающей свет поверхностью тела лампы и подлежащим освещению объектом, оптического многослойного, по меньшей мере, двухслойного, интерференционного диэлектрического пленочного широкополосного отражающего покрытия с заранее заданными спектральными свойствами отражения и пропускания света из чередующихся слоев с различными коэффициентами преломления, содержащих каждый, по меньшей мере, одно вещество, выбираемое из группы, в состав которой входят: оксиды кремния и/или оксиды циркония и/или оксиды тантала и/или оксиды алюминия и/или оксиды титана и/или сульфиды цинка и/или сульфиды кадмия и/или фториды магния и/или фториды кальция и/или фториды бария и/или фториды лития и/или кремния и/или германия и/или теллурида свинца и/или селенида цинка, пропускающего для освещения объекта освещения спектральный диапазон света, определяемый свойствами выбранного покрытия, и отражающего в плазму разряда лампы оставшуюся часть спектра (возвращенный свет);

формирования импульсного или постоянного напряжения на электродах лампы;

возбуждения газового разряда;

обеспечения возникновения разрядного тока;

излучения плазмой разряда света с широким спектром излучения, близким к спектру излучения черного тела;

пропускания покрытием заранее заданного диапазона спектра и отражения покрытием в плазму разряда лампы остальных диапазонов спектра излучения лампы;

дополнительного нагрева плазмы разряда возвращенным светом, что приводит к повышению температуры плазмы разряда и к увеличению интенсивности свечения лампы в заранее выбранных спектральных диапазонах ее фактического свечения

На величину КПД влияет количество отраженного света в плане его энергии. Однако, величина возрастания КПД напрямую зависит от выбора «полезной» излучаемой лампой части спектра, которая непосредственно участвует при засветке объекта в необходимых процессах. В лазерной накачке «полезная часть спектра» - это спектр поглощения, но не весь, а та его часть, которая создает в АЭ необходимую инверсную заселенность; в засветке при бактерицидных применениях - это определенный диапазон ультрафиолета, подавляющий развитие биоты; в засветке фоторезистов - это предусмотренный диапазон, изменяющий свойства фоторезиста для последующей литографической обработки и т.д.

Применительно к накачке лазеров с АЭ из фосфатного стекла с неодимом полезным является, в частности, спектральный диапазон 790нм…820нм и 550-590нм. Масштаб увеличения КПД в каждой части спектра при последующей селекции (управления спектром) таков, что в конкретных условиях эксперимента, описанных далее, на длине волны 600нм рост КПД реализован на 200%, на длине волны 700нм - на 100% и на 80% на длине волны 800нм.

Необходимая для увеличения КПД часть спектра задается выбором оптического покрытия.

Из уровня техники известно («Интерференционные покрытия для оптического приборостроения» И.С. Гайнутдинов, Е.А. Несмелов, И.Б. Хайбуллин; Акад. наук Респ. Татарстан. г. Казань: ФЭН, 2002 г.), что существуют многослойные оптические покрытия, способные обеспечить любое заранее заданное пропускание части спектра на любую длину волны в изначально прозрачных стеклянных образцах при отражении остального спектра (См. Фиг. 1-3).

С целью повышения КПД генерации линии спектра авторы предлагают использовать оптическое покрытие, пропускающее свет только в полосе вблизи определенной длины волны, например, 805нм+/- 10нм, при этом остальные части спектра от ультрафиолетового до инфракрасного отражаются в плазму разряда для усиления данной выбранной линии, что превращает спектр излучения лампы в узкую линию, а само устройство – в эффективный монохроматический источник света нелазерной природы;

Для повышения КПД генерации линий спектра авторы предлагают использовать оптическое покрытие, пропускающее свет в двух и более спектральных полосах вблизи определенных длин волн, например 805нм+/- 10нм и 580нм+/-15нм, при этом остальные части спектра от ультрафиолетового до инфракрасного отражаются в плазму разряда для усиления данных выбранных линий, что превращает спектр излучения лампы в две или более узкие линии, а само устройство – в эффективный двухцветный, трехцветный и т.д. источник света нелазерной природы;

Для повышения КПД генерации линии и диапазона спектра авторы предлагают использовать оптическое покрытие, пропускающее свет в полосе вблизи определенной длины волны, например, 805нм+/- 10нм, и определенном спектральном диапазоне, например, 500нм…595нм, при этом остальные части спектра от ультрафиолетового до инфракрасного отражаются в плазму разряда для усиления выбранных спектральных диапазонов, что превращает спектр лампы в две линии различной заданной спектральной ширины, а само устройство – в эффективный двухцветный газоразрядный источник света для накачки твердотельного лазера и других применений, требующих точного спектрального состава света;

Для повышения КПД генерации диапазонов спектра авторы предлагают использовать оптическое покрытие, пропускающее свет в двух и более спектральных диапазонах, например, 790нм-840нм и 550нм-590нм и 450нм-520нм, при этом остальные части спектра от ультрафиолетового до инфракрасного отражаются в плазму разряда для усиления выбранных диапазонов, что превращает спектр лампы в эффективный многоцветный газоразрядный источник света для накачки твердотельного лазера и иных применений, требующих точного спектрального состава света.

Используемое в Способе многослойное оптическое покрытие состоит, как правило, из нескольких десятков или сотен слоев субмикронных пленок, каждый (слой) из которых содержит по меньшей мере одно вещество из вышеуказанной группы. Эти вещества образуют пары с высоким и низким показателем преломления, например, двуокись циркония и двуокись кремния. Указанное чередование слоев обеспечивает заранее рассчитанное пропускание покрытием части спектра и заранее рассчитанное отражение остальной части спектра. Возвращенный свет дополнительно разогревает плазму разряда с повышением интенсивности свечения во всех диапазонах и в том числе в диапазонах, пропускаемых покрытием, что приводит к росту свечения на выбранных диапазонах за счет остальных, отражаемых в плазму, диапазонов.

Чередования слоев оптического покрытия, имеющих различные коэффициенты преломления - это основа техники интерференционных многослойных диэлектрических покрытий, которые необходимы, чтобы обеспечить не только отражение, но и частичное пропускание нужного спектра.

Местом нанесения выбранного оптического покрытия служат:

(а) в случае лампы с односвязным сечением:

- наружная поверхность тела лампы (колба), например, цилиндрической (классическая топология лампы);

- наружная и/или внутренняя поверхность внешнего по отношению к телу лампы вспомогательного прозрачного тела, имеющего форму, соответствующую топологии лампы, например, цилиндрическую или сферическую, или элементов, составляющих указанное прозрачное тело (цилиндриков, которые нанизываются на тело лампы);

(б) в случае лампы с многосвязным сечением, например, коаксиальной лампы:

- внутренняя поверхность тела лампы, охватывающей подлежащий освещению объект;

- наружная и/или внутренняя поверхность вводимого в коаксиальную полость (между внутренней поверхностью лампы и подлежащим освещению объектом, расположенным в полости лампы) лампы вспомогательного прозрачного тела, охватывающего подлежащий освещению объект;

- наружная и /или внутренняя поверхность вводимого в коаксиальную полость вспомогательного прозрачного тела цилиндрической формы, охватывающего подлежащий освещению объект, или на наружную и/или внутреннюю поверхность семейства элементов, составляющих вводимое в коаксиальную полость вспомогательное прозрачное тело цилиндрической формы, охватывающее подлежащий освещению объект.

В любом случае место нанесения покрытия располагается между поверхностью, излучающей свет, и объектом (рабочей зоной), подлежащим освещению. Объект, подлежащий освещению – АЭ лазера; площадка с фоторезистом, обеззараживаемый образец и т.п.

Покрытие наносится напылением или иным способом в вакуумной камере.

Управление спектром излучения лампы в данном способе подразумевает выделение определенной, заранее заданной «полезной» спектральной части света из всего широкого спектра свечения лампы и отражение обратно в плазму разряда остальной, бОльшей части спектра излучения с целью усиления указанной «полезной» части.

Выделение части спектра предполагает создание за счет выбранного оптического покрытия «окна прозрачности» (спектральное окно в отражающем оптическом покрытии) для «полезной» части спектра. Возвращение в плазму всей остальной «вредной» (часть спектра, которая не принимает необходимого участия при засветке объекта в необходимых процессах, вредным образом поглощается в засвечиваемом объекте или в узлах инфраструктуры, приводя к нежелательному нагреву и связанных с отводом тепла проблемам, и, главное, в целом ухудшает энергетический баланс всего устройства) части спектра происходит в результате отражения его от выбранного оптического покрытия. Применительно к накачке лазера «вредная» часть спектра – та, которая не участвует в генерации лазерного излучения.

Для низкотемпературной плазмы (с температурой до нескольких десятков тысяч градусов, которая легко реализуема в импульсной лампе) дополнительный приток лучистой энергии (возвращенный свет) эффективно разогревает излучающие микрочастицы плазмы (ионы и электроны), поскольку справедлив закон Кирхгофа, устанавливающий идентичность спектра эффективного излучения и эффективного поглощения тела. В этом случае при разряде происходит дополнительное нарастание температуры Т(t) плазмы разряда во времени и, как следствие - значительное изменение спектра излучения светящегося столба плазмы в сторону увеличения интенсивности свечения (КПД лампы) на всех длинах волн (в частности, сообразно закону Планка для черного тела), в том числе, в любом заранее заданном диапазоне спектра.

Вот это изменение спектра излучения при организации возврата света (спектральная обратная связь с лампой) и есть тот полезный эффект, который авторы изобретения наблюдают и фиксируют как способ резкого увеличения (на десятки и сотни процентов) светового КПД лампы - мощности светового потока при неизменной электрической мощности лампы.

Таким образом, значительное увеличение интенсивности излучения (КПД) выделенной части спектра (увеличение выхода «полезной» части спектра) является следствием изменения спектра излучения плазмы в результате увеличения температуры (развивается во времени в пределах импульса или до определенных пределов) плазмы в соответствии с законом Планка.

Результат управления спектром лампы - значительное увеличение выделенной «полезной» части спектра.

Посредством управления спектром излучения лампы изменяется заданным образом (выбором конструкции покрытия) чрезмерно широкий спектр свечения газоразрядной лампы, который в ряде светотехнических применений используется не весь, а только в узких спектральных диапазонах. Как отмечалось выше, для накачки лазеров интересна не общая интенсивность света во всем спектре, а интенсивность в определенном диапазоне спектра (например, в полосе 790нм…820нм).

Увеличение выхода «полезной» части спектра применительно к накачке лазеров достигается за счет увеличения интенсивности излучения в полезном спектральном диапазоне, например, 750нм…850нм. А именно, в конкретных условиях эксперимента, на каждый джоуль энергии, выделенного из спектра в окне 750нм…850нм нм, при обеспечении возврата остальной части спектра, этот возвращенный спектр в плазме дополнительно греет плазму, что дает увеличение интенсивности свечения, и в выбранном спектральном окне излучается дополнительно 0.8 Дж энергии. Результат – значительное увеличение выделенной части спектра КПД лампы, в выбранном диапазоне увеличение составило 80 %. Рассматриваемый способ позволяет единовременно сформировать сразу несколько линий (диапазонов), наиболее эффективных для накачки конкретного АЭ, например, три линии: вблизи 600нм, 800нм и 900нм.

Следует также отметить, что при лазерной накачке большая часть спектра не участвует в процессах генерации лазерного излучения и вредным образом поглощается в активном элементе (далее-АЭ) лазера, приводит к крайне нежелательным термо-оптическим эффектам в АЭ (и в целом в квантроне), искажая пространственную структуру луча и затрудняя его фокусировку вплоть до невозможности какого-либо его полезного использования. С помощью «спектральной селекции» возможно подавление «вредной» части спектра (дополнительный технический результат) путем ее выделения и отражения обратно в плазму разряда. То есть, снижение термо-оптических эффектов достигается за счет снижения интенсивности излучения в заданном «вредном» спектральном диапазоне, которое применяемое оптическое покрытие не пропускает для освещения рабочей зоны объекта освещения.

Повышение КПД газоразрядной лампы в результате реализации «спектральной селекции» (управления спектром лампы) в ламповой технике не только позволяет достичь уровня энергетики лампы в заданном спектральном диапазоне, сопоставимого с современными полупроводниковыми оптоэлектронными источниками света, но и открывает новые перспективные возможности для приборостроения на основе предлагаемого технического решения.

Стоит также отметить, что заявленный способ увеличения КПД газоразрядной лампы не приводит к усложнению ее конструкции.

Для пояснения сущности изобретения представлены следующие графические материалы:

На фиг. 1 показана кривая зависимости коэффициента пропускания (по оси Y) детали из оптического стекла К8 толщиной 10мм с нанесенным покрытием на две длины волны от длины волны падающего на деталь света (по оси Х). Покрытием обеспечивается пропускание 50%  света на длинах волн 1315нм и 532нм.

На Фиг. 2 показана кривая зависимости коэффициента пропускания (по оси Y) детали из оптического стекла К8 толщиной 10мм с нанесенным покрытием на две длины волны, от длины волны (по оси Х) падающего на деталь света. Покрытием обеспечивается пропускание >99%  света на длинах волн 1315нм и 532 нм.

На фиг. 3 показана кривая зависимости коэффициента пропускания (по оси Y) детали с нанесенным узкополосным покрытием, в зависимости от длины волны (по оси Х) падающего на деталь света. Покрытием обеспечивается пропускание 75% света на длине волны 656+/-14нм.

На фиг. 4 дана схема эксперимента без оптического покрытия (конденсаторы и другое оборудование не показано), где:

1 - подводящие высоковольтные кабели;

2 - измерительная петля пояса Роговского;

3 - колба лампы с характеристиками: межэлектродное расстояние 1500мм; диаметр 50мм; вкладываемая электрическая энергия 20-30кДж;

4 - блок формирования сигнала пояса Роговского;

5 - оптоволоконный кабель апертурой 150х150мкм²

6 - германиевый фотодиод ФД-9;

7 - кабели связи;

8 - цифровой осциллограф.

На фиг. 5 показана кривая спектра отражения широкополосного отражающего покрытия, нанесенного на цилиндрическую подложку, охватывающую лампу в нижеописанном эксперименте для возврата излученного света в плазму разряда. Диаметр цилиндра 60мм, длина 300мм.

На фиг. 6 дана схема эксперимента с оптическим покрытием (конденсаторы, разрядники и другое оборудование не показано), где:

1 - подводящие высоковольтные кабели;

2 - измерительная петля пояса Роговского;

3 - колба лампы с характеристиками: межэлектродное расстояние 1500мм; диаметр 50мм; вкладываемая электрическая энергия 20-30кДж;

4 - блок формирования сигнала пояса Роговского;

5 - оптоволоконный кабель апертурой 150х150мкм²

6 - германиевый фотодиод ФД-9;

7 - кабели связи;

8 - цифровой осциллограф;

9 - цилиндрическая подложка с отражающим покрытием согласно Фиг. 5, охватывающая лампу для возврата излученного света в плазму разряда. Диаметр цилиндра 60мм, длина 300мм.

На фиг. 7 показаны типовые кривые без обратной связи в экспериментах согласно Фиг. 4, верхняя кривая - электрический импульс разрядного тока (в условных единицах); нижняя кривая - световой импульс (в условных единицах), по оси Х – время (5 мксек/клетку), по оси Y – временная динамика соответствующей величины.

На фиг. 8 показаны типовые кривые с обратной связью, в экспериментах согласно Фиг. 6, верхняя кривая - электрический импульс разрядного тока (в условных единицах), нижняя кривая – световой импульс (в условных единицах), по оси Х – время (5 мксек/клетку), по оси Y – временная динамика соответствующей величины.

Ниже описаны иллюстрирующие заявленный Способ эксперименты, даны физические оценки основных процессов заявленного способа, на основании полученных данных сформулированы выводы относительно возможности осуществления изобретения с достижением указанного технического результата.

Для проведения экспериментов использовалась мощная газоразрядная лампа (изготовитель ООО «Спецоптопродукция»), заполненная ксеноном при давлении 80 мм рт ст, диаметром 50 мм, длиной разрядного промежутка 1500 мм, с вкладываемой электрической энергией уровня 20-30кДж и более.

Испытательный стенд состоял (фиг. 4, 6) из одиночной указанной разрядной лампы, разрядных конденсаторов, разрядников, измерительного и другого оборудования. В базовых экспериментах реализовывалась небольшая энергия импульса Е~1,1 кДж, напряжение разряда ~27 кВ, длительность импульса уровня ~20 мкс, разрядный конденсатор емкостью 3 мкФ.

Импульс тока через лампу фиксировался с помощью пояса Роговского, сигнал от которого передавался на осциллограф.

Световой импульс через оптоволоконный кабель пропускался к площадке германиевого фотодиода ФД-9, интегральный отклик фиксировался схемой с осциллографом, и далее пересчитывался через светимость черного тела и известную спектральную характеристику фотодиода в значение температуры. Общая погрешность оценивалась в несколько процентов, но не более 10%. В итоге стенд стабильно генерировал световые импульсы, а схема фото-отклика устойчиво регистрировала световой импульс без влияния помех, механических перемещений волокна и других случайных факторов.

Без оптического покрытия оценка величин энергетических характеристик плазмы составила:

- энергия, электрически вложенная в газоразрядную лампу Е~1,1 кДж;

- полная энергия излучения Еизл~685 Дж;

- температура плазмы Т~7000К;

- средняя теплоемкость плазмы (см. фиг. 4) Со~43 Дж/моль*К, т.е. около 5.1 R (где R=8.3 Дж/моль*К - газовая постоянная).

Далее в испытательную схему вводили широкополосное отражающее оптическое покрытие (возвращающее свет в плазму), близкое по спектру к спектру отражения алюминия, в центральной части лампы на длине 30 см (фиг. 6), причем отношение диаметра к длине потенциально горячей зоны выбрано ~1:6, для исключения краевых эффектов. Спектр отражения примененного покрытия представлен на фиг. 5, коэффициент отражения К составил в среднем около 90% во всем диапазоне спектра.

При прочих равных условиях электрический импульс не изменяется (верхняя кривая), а световой (нижняя кривая) возрастает в амплитуде в 1.6 раза, с 1.7 у.е. (фиг. 4) до 2.8 у.е. (фиг. 6).

С оптическим покрытием, возвращающим свет, оценка величин энергетических характеристик плазмы составила:

- температура плазмы Т~8450К;

- средняя теплоемкость плазмы С2~780 Дж/моль*К, т.е. около 90 R (где R=8.3 Дж/моль*К - газовая постоянная).

В результате эксперимента доказано, что применение отражающего оптического покрытия привело к возрастанию температуры плазмы с 7000К до 8450К в охваченной покрытием центральной части лампы (см. фиг. 6), т.е. Т₂/Т₁=1.2.

Далее приводится краткое качественно феноменологическое описание процессов, происходящих в плазме с учетом спектральной обратной связи с коэффициентом K (т.е. при возврате в плазму K°% энергии всего спектра излучения).

С помощью приведенной ниже качественной модели процессов в плазме и представленного выше предлагаемого способа постановки эксперимента с обратной связью возможно определить важные энергетические характеристики плазмы, например, теплоемкость, трудно поддающуюся непосредственным измерениям.

В представленной выше схеме эксперимента теплоемкость столба плазмы С естественным образом определяется, как восприимчивость к «лучистой энергии света».

Доля световой энергии dE, которую испускает тело лампы с температурой Т за временной промежуток dt, с площади поверхности S равно:

dE=S⋅σ⋅T^4⋅dt (1)

где σ=5,67⋅10^-8⋅Дж/м²⋅сек⋅К⁴ – постоянная Стефана-Больцмана.

С другой стороны, поскольку с помощью покрытий организован возврат света в плазму, и если С - теплоемкость столба плазмы, то dE=C⋅dT, где dT – приращение его температуры. Организация обратной связи через спектр лампы с коэффициентом возврата K (коэффициентом обратной связи K) означает, что: K⋅S⋅σ⋅T⁴⋅dt= C⋅dT, или

dT(t)/T⁴(t)=dt⋅K⋅S⋅σ/C (2)

Интегрируя по времени о 0 до τ (длительность импульса в импульсном режиме, время окончания переходных процессов в непрерывном режиме), а по температуре - от начальной температуры свечения Т₁ до конечной температуры Т₂ получаем важное соотношение :

T₂ /T₁ = (3)

Используем данные эксперимента: осуществлен 90% возврат света (К=0.9), экспериментально полученное значение T₂ /T₁ =1.2. Из соотношения (3) можно определить значение теплоемкости плазмы уже не как среднее по диапазону температур, от комнатной до 7000К, а при конкретной температуре Т~7000К. И для данного эксперимента оказалось, что величина молярной теплоемкости составила С=780 Дж/моль*К, т.е. около 90 R. Известно, что в сравнении с моделью идеального газа, в энергетических процессах в плазме участвует бОльшее количество микрочастиц за счет ионизации, а также существуют эффекты коллективной потенциальной энергии заряженных частиц в плазме, так что конкретное значение теплоемкости значительно превосходит 1.5 R, являющееся ориентиром для одноатомных газов.

Отметим также, что в зависимости от задач, можно применять любое отражение света от К=0 до К=100%, и это важный ресурс, применимый как для исследования процессов в плазме, так и непосредственно в технических применениях.

Расходимость в знаменателе означает, что при увеличении длительности импульса значительно возрастает фактическая температура плазмы разряда, что, однако, физически имеет естественные пределы в связи с соответствующим ростом теплоемкости, очевидно, не остающейся неизменной величиной при рассмотренном энергообмене. Эти аспекты еще требуют дальнейших уточнений, тем не менее, техническое применение рассматриваемого в данном изобретении Способа обеспечивает рост температуры плазмы разряда (и соответствующее кратное нарастание интенсивности свечения в любом заранее выбранном спектральном диапазоне) по функции с расходимостью вида при х->1. Это дает перспективную инженерную возможность влияния на параметры плазмы разряда через спектральную обратную связь, а не непосредственные параметры возбуждения разряда, как-то: напряжение, энергия разряда, длительность импульса (в случае импульсного режима).

Проведенные эксперименты и оценка процессов, происходящих при управлении спектром излучения разрядной лампы, позволяют считать, что:

1) возврат света в разрядную лампу технически осуществим, т.е. возможна организация обратной связи по спектру;

2) обратная связь по спектру приводит к росту температуры плазмы и, главное – к росту интенсивности излучения в полосе вблизи любой заданной длины волны, что открывает перспективы для практически важной сферы накачки твердотельных лазеров (длин волн 500, 600 и 800 нм), а равно и для других применений, таких как создание квазимонохроматических источников излучения нелазерной природы, либо нескольких полос единовременно, наиболее эффективных для накачки конкретного АЭ, например, трех полос вблизи длин волн 600нм, 800нм и 900нм;

3) масштаб «дополнительного» нагрева плазмы в результате реализации обратной связи по спектру легко достигает уровня отношения температур T₂ /T_{1 ~} 1.2, что является значительным эффектом;

4) световой КПД лампы, при использовании данного Способа заметно

возрастает, в разной степени для каждой длины волны, например, вблизи 800нм,

700нм и 600нм, возрастание составляет, соответственно, 80%, 100% и 200%;

5) дополнительным полезным эффектом оказывается попутное исключение

ненужных диапазонов света, которые в случае высокоэнергетической накачки

лазеров, вредным образом поглощаются в активном элементе и создают

нежелательные термооптические эффекты;

6) заявленный Способ организации обратной связи по спектру применим

для непосредственного измерения параметров плазмы, которые трудно

поддаются измерениям прямыми способами.

Изобретение относится к способу увеличения КПД газоразрядных ламп, которые могут быть использованы в качестве источника энергии при накачке лазеров для дистанционного воздействия на объект. Технический результат - повышение интенсивности свечения (КПД) газоразрядной лампы в заданном спектральном диапазоне. На излучающую свет и обращенную к подлежащему освещению объекту поверхность тела лампы или на наружную и/или внутреннюю поверхность вспомогательного прозрачного тела, имеющего форму, соответствующую топологии лампы, и расположенного между излучающей свет поверхностью тела лампы и подлежащим освещению объектом, наносят оптическое многослойное, по меньшей мере двухслойное, интерференционное диэлектрическое пленочное широкополосное отражающее покрытие с заранее заданными спектральными свойствами отражения и пропускания света из чередующихся слоев с различными коэффициентами преломления. На электродах лампы формируют импульсное или постоянное напряжение; возбуждают газовый разряд; обеспечивают возникновение разрядного тока; излучение плазмой разряда света с широким спектром излучения, близким к спектру излучения черного тела; пропускание покрытием заранее заданного диапазона спектра и отражение покрытием в плазму разряда лампы остальных диапазонов спектра излучения лампы. При этом происходит дополнительный нагрев плазмы разряда возвращенным светом, что приводит к повышению температуры плазмы разряда и к увеличению интенсивности свечения газоразрядной лампы в заранее выбранных спектральных диапазонах ее фактического свечения. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ повышения КПД газоразрядной лампы в заданном спектральном диапазоне посредством

нанесения на излучающую свет и обращенную к подлежащему освещению объекту поверхность тела лампы или на наружную и/или внутреннюю поверхность вспомогательного прозрачного тела, имеющего форму, соответствующую топологии лампы, и расположенного между излучающей свет поверхностью тела лампы и подлежащим освещению объектом, оптического многослойного интерференционного диэлектрического пленочного широкополосного отражающего покрытия с заранее заданными спектральными свойствами отражения и пропускания света из чередующихся слоев с различными коэффициентами преломления, содержащих каждый по меньшей мере одно вещество, выбираемое из группы, в состав которой входят: оксиды кремния, и/или оксиды циркония, и/или оксиды тантала, и/или оксиды алюминия, и/или оксиды титана, и/или сульфиды цинка, и/или сульфиды кадмия, и/или фториды магния, и/или фториды кальция, и/или фториды бария, и/или фториды лития, и/или кремния, и/или германия, и/или теллурида свинца, и/или селенида цинка, пропускающего для освещения объекта освещения спектральный диапазон света, определяемый свойствами выбранного покрытия, и отражающего в плазму разряда лампы оставшуюся часть спектра (возвращенный свет);

формирования импульсного или постоянного напряжения на электродах лампы;

возбуждения газового разряда;

обеспечения возникновения разрядного тока;

излучения плазмой разряда света с широким спектром излучения, близким к спектру излучения черного тела;

пропускания покрытием заранее заданного диапазона спектра и отражения покрытием в плазму разряда лампы остальных диапазонов спектра излучения лампы;

дополнительного нагрева плазмы разряда возвращенным светом, что приводит к повышению температуры плазмы разряда и к увеличению интенсивности свечения лампы в заранее выбранных спектральных диапазонах ее фактического свечения

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят на наружную поверхность тела лампы с односвязным сечением.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят на наружную и/или внутреннюю поверхность внешнего по отношению к телу лампы с односвязным сечением вспомогательного прозрачного тела.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят на наружную и/или внутреннюю поверхность внешнего по отношению к телу лампы с односвязным сечением вспомогательного прозрачного тела цилиндрической или сферической формы или составляющих его элементов.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят на внутреннюю поверхность тела лампы с многосвязным сечением, охватывающей подлежащий освещению объект.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят на наружную и/или внутреннюю поверхность вводимого в коаксиальную полость лампы с многосвязным сечением вспомогательного прозрачного тела, охватывающего подлежащий освещению объект.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят на наружную и/или внутреннюю поверхность вводимого в коаксиальную полость лампы с многосвязным сечением вспомогательного прозрачного тела цилиндрической формы, охватывающего подлежащий освещению объект, или на наружную и/или внутреннюю поверхность семейства элементов, составляющих вводимое в коаксиальную полость вспомогательное прозрачное тело цилиндрической формы, охватывающее подлежащий освещению объект.

8. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что наносят оптическое покрытие, пропускающее свет только в полосе вблизи определенной длины волны.

9. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что наносят оптическое покрытие, пропускающее свет в двух и более спектральных полосах вблизи определенных длин волн.

10. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что наносят оптическое покрытие, пропускающее свет в полосе вблизи определенной длины волны и в определенном спектральном диапазоне,

11. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что наносят оптическое покрытие, пропускающее свет в одном определенном спектральном диапазоне.

12. Способ по любому из пп. 1-7, отличающийся тем, что наносят оптическое покрытие, пропускающее свет в двух и более спектральных диапазонах.