RU2094899C1

RU2094899C1 - Radiation source

Info

Publication number: RU2094899C1
Application number: RU96106188A
Authority: RU
Inventors: И.С. Захаров; Е.А. Спирин
Original assignee: Курский государственный технический университет
Priority date: 1996-03-28
Filing date: 1996-03-28
Publication date: 1997-10-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: radiation source is provided, in addition, with element made of conducting material in the form of two rings joined together beyond interelectrode gap on lamp bulb surface and not connected to power supply and starting devices. It depends for operation on compensation for difference in stray capacitances of main electrodes which are of different dimensions as they operate on DC current. EFFECT: improved design. 2 dwg

Description

Изобретение относится к светотехнике и может найти применение в импульсных устройствах и проекционных оптических системах. The invention relates to lighting engineering and may find application in pulsed devices and projection optical systems.

Известны источники излучения с короткодуговыми лампами высокого давления, работающими в режиме модуляции дуги [1] и в непрерывном режиме [2] У таких ламп анод в зоне разряда выполнен во много раз массивнее катода, поскольку нагревается электронной бомбардировкой и конвекцией. Поджиг дуги инициируется зажигающим устройством в цепи катода. При этом большая часть мощности выделяется в прикатодной области, поскольку при малых межэлектродных расстояниях величина катодного падения напряжения значительно превышает падение напряжения на столбе дуги. Развитие стримера происходит в направлении от катода к аноду до пробоя и последующего поджига дуги. Known radiation sources with short-arc high-pressure lamps operating in arc modulation mode [1] and in continuous mode [2] For such lamps, the anode in the discharge zone is made many times more massive than the cathode, since it is heated by electron bombardment and convection. Arc ignition is initiated by an igniter in the cathode circuit. In this case, most of the power is allocated in the near-cathode region, since at small interelectrode distances the magnitude of the cathodic voltage drop significantly exceeds the voltage drop on the arc column. Streamer development occurs in the direction from the cathode to the anode to the breakdown and subsequent ignition of the arc.

На дестабилизацию искрового разряда при развитии стримера могут оказывать влияние ударные волны, возникающие при модуляции дуги. Введение параболического отражателя [1] с целью стабилизации разряда при его модуляции не эффективно, поскольку экранирование катодного пятна (зоны разряда, имеющей наибольшую яркость по сечению), с одной стороны, лишь частично устраняет воздействие на развивающийся стример ударных волн, а с другой стороны, значительно гасит его интенсивность при дальнейшем преобразовании излучения. Достижение направленного отражения ударных волн без экранирования катодного пятна возможно при изготовлении колбы лампы в виде эллипсоида [3] в первом фокусе которого находится острие катода, а второй фокус совмещен с плоскостью анода. The development of a streamer can be affected by shock waves arising from arc modulation. The introduction of a parabolic reflector [1] in order to stabilize the discharge during its modulation is not effective, since the screening of the cathode spot (the discharge zone having the highest brightness over the cross section), on the one hand, only partially eliminates the impact on the developing streamer of shock waves, and on the other hand, significantly dampens its intensity with further conversion of radiation. Achieving directional reflection of shock waves without screening the cathode spot is possible in the manufacture of a lamp bulb in the form of an ellipsoid [3] in the first focus of which is the tip of the cathode, and the second focus is aligned with the plane of the anode.

На механизм пробоя влияют конструкционные параметры разрядной колбы [4] в частности паразитные емкости, образованные высокопотенциальным катодом относительно стенки колбы C_k, а также емкость колбы относительно земли C₁. В случае развязки электродов от земли появляется паразитная емкость колбы относительно низкопотенциального анода C_a. Поскольку в таких лампах размеры анода превышают размеры катода, то их емкости (прианодная и прикатодная) различны. Приложенное к электродам в начальный момент напряжение распределяется обратно пропорционально емкостям C_k и C₁ (C_a). Поскольку C_k < C₁(C_a), а сопротивление канала R_i = ∞, то большая часть напряжения оказывается приложенной не к межэлектродному промежутку, а к промежутку между потенциальным электродом и близлежащим участком стенки трубки, при этом растут токи утечки. Это проявляется в появлении не одной, а нескольких инициированных лавин и их отклонения в стороны к стенкам колбы. Все это ухудшает условия развития разряда и требует более высоких зажигающих напряжений.The breakdown mechanism is affected by the design parameters of the discharge bulb [4], in particular, stray capacitances formed by a high-potential cathode relative to the bulb wall C _k , as well as the bulb capacity relative to the ground C ₁ . In the case of decoupling of the electrodes from the ground, the parasitic capacitance of the flask with respect to the low-potential anode C _a appears. Since in such lamps the dimensions of the anode exceed the dimensions of the cathode, their capacities (anode and cathode) are different. The voltage applied to the electrodes at the initial moment is distributed inversely with the capacitances C _k and C ₁ (C _a ). Since C _k <C ₁ (C _a ), and the channel resistance is R _i = ∞, most of the voltage is applied not to the interelectrode gap, but to the gap between the potential electrode and the adjacent portion of the tube wall, and leakage currents increase. This is manifested in the appearance of not one, but several initiated avalanches and their deviations to the sides of the flask walls. All this worsens the conditions for the development of the discharge and requires higher ignition voltages.

Основным недостатком данных устройств является нестабильность процесса пробоя и зажигания для однотипных дуговых ламп, т.к. при изготовлении практически невозможно обеспечить повторяемость микроэлектрофизических параметров как на макроконструктивы элементов лампы, так и на материал этих элементов. Из-за различия паразитных емкостей для стабильного поджига дуги схемы зажигания требуют изменения параметров под индивидуальную лампу либо заведомого увеличения зажигающих напряжений, до величины в несколько раз превышающей требуемую. В реальных условиях эксплуатации таких устройств изменение схемы зажигания под каждую лампу не представляется возможным и новые "не зажигающиеся" лампы отбраковываются. The main disadvantage of these devices is the instability of the process of breakdown and ignition for the same arc lamps, because during manufacture, it is practically impossible to ensure repeatability of microelectrophysical parameters both on the macroconstructs of lamp elements and on the material of these elements. Due to the difference in parasitic capacitances, for stable ignition of the arc, the ignition schemes require changing parameters for an individual lamp or a known increase in ignition voltages, up to several times higher than required. In the actual operating conditions of such devices, changing the ignition scheme for each lamp is not possible and new "non-igniting" lamps are rejected.

Технической задачей изобретения является увеличение стабильности модулируемого стримерного пробоя и зажигания без увеличения зажигающих напряжений и без использования дополнительных электродов, связанных с устройством питания или поджига. An object of the invention is to increase the stability of a modulated streamer breakdown and ignition without increasing ignition voltages and without the use of additional electrodes associated with a power or ignition device.

Это достигается за счет введения элемента, выполненного из электропроводящего материала с двух сторон в виде колец, соединенных между собой за пределами межэлектродного промежутка по поверхности колбы лампы и не связанного с устройствами питания и поджига. Благодаря вновь образуемым емкостям, с одной стороны, кольца относительно катода а, с другой стороны, кольца относительно анода происходит компенсация паразитных емкостей катода и анода относительно стенок колбы и самой колбы относительно земли. При этом вновь введенный элемент образует с индуктивностью импульсного автотрансформатора зажигающего устройства двухсторонний высокочастотный контур, способствующий развитию лавины ионизирорванных частиц по нормали к аноду. This is achieved by introducing an element made of electrically conductive material on both sides in the form of rings interconnected outside the interelectrode gap along the surface of the lamp bulb and not connected to power and ignition devices. Due to the newly formed capacitances, on the one hand, the rings relative to the cathode a, and, on the other hand, the rings relative to the anode, parasitic capacitances of the cathode and anode are compensated relative to the walls of the flask and the flask itself relative to the ground. In this case, the newly introduced element forms, with the inductance of the pulsed autotransformer of the igniter, a two-sided high-frequency circuit, which contributes to the development of an avalanche of ionized particles along the normal to the anode.

На фиг. 1 и 2 представлен источник излучения и его схема включения с эквивалентной схемой замещения короткодуговой лампы высокого давления. На фиг. 1 обозначено: 1, 4 катод, 2 колба лампы, 5 дуговой разряд, 6, 8 анод, 3, 7, 9 электропроводящий элемент, изготовленный из единой тонкой нити вольфрама в виде колец 3, 7, состоящих из одного витка со скруткой на конце по поверхности цилиндрической и вблизи шаровой части колбы с двух сторон электродов и соединенных между собой. В зоне разряда катод 1 выполнен в виде конуса 4, анод 8 в виде цилиндра 6. Схема включения содержит источник питания (ИП), зажигающее устройство (ЗУ) и ксеноновую лампу (Л) типа ДКСШ [2] или ДКсЭл [3]
Устройство работает следующим образом. Напряжение питания 20 30 В подается на электроды (анод, катод) лампы Л при включении источника постоянного тока большой мощности ИП. Зажигание Л производится при подаче напряжения ≈U величиной 220 В на первичную обмотку I высоковольтного трансформатора T 1, на вторичной повышающей обмотке которого образуется высоковольтное напряжение -4500 В. Конденсатор C 1 заряжается до напряжения, необходимого для пробоя искрового разрядника P. Одновременно с этим в цепи ИП включается устройство подпитки (на схеме не показано), которое предназначено для получения повышенного напряжения 60-70 В (напряжение холостого хода) на электродах лампы в момент ее зажигания. После пробоя разрядника P конденсатор C 1 разряжается на часть обмотки I импульсного автотрансформатора T 2, включенного в цепь катода лампы. На обмотке T 2 появляется высокое импульсное напряжение 25 30 кВ, которое через конденсатор C 4 поступает на электроды лампы. Происходит пробой межэлектродного зазора, при котором образуется узкий плазменный канал, а затем разрядная дуга; лампа зажигается. После зажигания лампы резко увеличивается ток через разрядный канал, цепи подпитки и зажигания в ИП отключаются.In FIG. Figures 1 and 2 show the radiation source and its switching circuit with an equivalent circuit for replacing a high-pressure short-arc lamp. In FIG. 1 is indicated: 1, 4 cathode, 2 bulb, 5 arc discharge, 6, 8 anode, 3, 7, 9 electrically conductive element made of a single thin tungsten filament in the form of rings 3, 7, consisting of one turn with a twist at the end on the surface of the cylindrical and near the spherical part of the bulb on both sides of the electrodes and interconnected. In the discharge zone, the cathode 1 is made in the form of a cone 4, the anode 8 is in the form of a cylinder 6. The switching circuit includes a power source (IP), an ignition device (ZU) and a xenon lamp (L) of the type DKSSh [2] or DKSel [3]
The device operates as follows. The supply voltage of 20-30 V is supplied to the electrodes (anode, cathode) of the lamp L when the direct current source of high power IP is turned on. Ignition A is performed when a voltage ≈U of 220 V is applied to the primary winding I of the high-voltage transformer T 1, on the secondary raising winding of which a high-voltage voltage of -4500 V is generated. The capacitor C 1 is charged to the voltage necessary for the breakdown of spark gap P. At the same time, IP circuit includes a make-up device (not shown in the diagram), which is designed to obtain an increased voltage of 60-70 V (open circuit voltage) on the electrodes of the lamp at the time of its ignition. After the breakdown of the spark gap P, the capacitor C 1 is discharged to a part of the winding I of the pulse autotransformer T 2 included in the lamp cathode circuit. A high pulse voltage of 25-30 kV appears on the T 2 winding, which is supplied to the lamp electrodes through a capacitor C 4. A breakdown of the interelectrode gap occurs, at which a narrow plasma channel is formed, and then a discharge arc; the lamp lights up. After the lamp is ignited, the current through the discharge channel sharply increases, the make-up and ignition circuits in the switchgear are switched off.

При отсутствии электропроводящего элемента в начальный момент времени высоковольтное высокочастотное напряжение U_пр распределяется обратно пропорционально емкостям C_k, C_a и C_l, образованным, соответственно, катодом 4 и анодом 6 относительно стенки колбы лампы 2, и емкостью самой лампы относительно земли. Из-за разницы в размерах катода и анода в зоне разряда прикатодная емкость меньше прианодной: C_k < C_a. Поскольку C_k < C_l, C_a, то образующийся под воздействием высоковольтного напряжения поток заряженных частиц при движении к электродам испытывает отклоняющее влияние стенок колбы лампы, тем большее, чем больше разница между этими емкостями. Равномерному и прямолинейному движению лавины по кратчайшему пути к аноду препятствует неравномерно изменяющееся сопротивление R_i узкого плазменного канала и его изменяющаяся емкость C_i относительно колбы лампы и земли. При отклонении лавины от нормали на некоторый угол α теряется мощность в объеме и на стенках колбы лампы, напряжение пробоя необходимо повысить на величину U_пр(α) = U_пр/cos(α). Полагая, например, изменение угла α в пределах рабочей плоскости анода диаметром d 5 мм и межэлектродным расстоянием a 4 мм a arctg (d/2a) ≈30^o, тогда при U_пр 25 кВ U_пр( U_пр(α) ) ≈29 кВ. Следовательно, необходимым условием зажигания является повышение мощности, выделяемой в плазменном канале лавины, над теряемой мощностью. Другим необходимым условием является наличие микроучастков на поверхности электродов, разогретых до температуры термоэмиссии. Поскольку любая однотипная лампа имеет разброс микроэлектрофизических параметров при технологических допусках как на макроконструктивы элементов лампы, так и на материал этих элементов, то различны величины паразитных емкостей, следовательно, различны и величины напряжения пробоя U_j _пр каждой лампы. При U_пр U_j _пр высокочастотный разряд фиксирован на определенных участках электродов, а при U_пр > U_j _пр перемещается по их поверхности [4] В первом случае условие нагрева микроучастков более благоприятно, чем во втором. Таким образом, увеличение U_пр для повышения стабильности неэффективно.In the absence of an electrically conductive element at the initial moment of time, the high-voltage high-frequency voltage U _{pr is} distributed inversely proportional to the capacitances C _k , C _a and C _l formed, respectively, by the cathode 4 and anode 6 relative to the wall of the bulb 2 and the capacity of the lamp itself relative to the ground. Due to the difference in the sizes of the cathode and anode in the discharge zone, the near-cathode capacitance is less than the near-anode one: C _k <C _a . Since C _k <C _l , C _a , the flow of charged particles formed under the influence of high-voltage voltage when moving towards the electrodes experiences a deflecting effect of the walls of the lamp bulb, the greater the greater the difference between these capacities. The uniform and rectilinear movement of the avalanche along the shortest path to the anode is prevented by the unevenly varying resistance R _{i of the} narrow plasma channel and its varying capacitance C _i relative to the lamp bulb and the ground. When the avalanche deviates from the normal by a certain angle α, power is lost in the volume and on the walls of the lamp bulb, the breakdown voltage must be increased by U _pr (α) = U _pr / cos (α). Assuming, for example, a change in the angle α within the working plane of the anode with a diameter d 5 mm and an interelectrode distance a 4 mm a arctan (d / 2a) ≈30 ^o , then at U _pr 25 kV U _pr (U _pr (α)) ≈29 kV Consequently, a necessary condition for ignition is to increase the power released in the plasma channel of the avalanche over the lost power. Another necessary condition is the presence of microregions on the surface of the electrodes, heated to the temperature of thermionic emission. Since any lamp of the same type has a dispersion of microelectrophysical parameters with technological tolerances both on the macrostructures of the lamp elements and on the material of these elements, the values of stray capacitances are different, therefore, the breakdown voltage U _j _{pr of} each lamp is also different. When U _pr U _j _pr high-frequency discharge is fixed on certain sections of the electrodes, and when U _pr > U _j _pr moves along their surface [4] In the first case, the heating condition of the micro-sections is more favorable than in the second. Thus, an increase in U _ol to increase stability is inefficient.

Электроприводящий элемент компенсирует влияние емкостного различия прикатодной и прианодной областей. Поскольку вновь образованные емкости между катодом и кольцом 3

анодом и кольцом 7

больше приэлектродных емкостей C_k и C_a, то их суммы равны, т.е.

В этом случае сопротивление R_i будет уменьшаться при росте узкого плазменного канала и распространении его по нормали, а емкость C_i оставаться постоянной. При этом высокий потенциал катода благодаря вновь образуемой емкости

посредством элемента 9 препятствует отклонению лавины зарядов в стороны колбы лампы. Образование посредством электропроводящих колец 3 и 7 элемента 9 дополнительных емкостей

, связанных между собой и гальванически не связанных с катодом и анодом, увеличивает U_пр на межэлектродном промежутке лампы, т.к.

Введение отличительных признаков заявленной совокупности позволяет обеспечить стабильный механизм пробоя и зажигания благодаря компенсации паразитных емкостей катода и анода относительно стенок колбы и самой колбы относительно земли. При этом дополнительные компенсационные емкости, соединенные между собой, образуют с инструктивностью импульсного автотрансформатора зажигающего устройства двухсторонний высокочастотный контур, способствующий лавинному развитию ионизированных частиц по нормали.The electric drive element compensates for the effect of the capacitive difference between the cathode and anode regions. Since the newly formed capacitance between the cathode and the ring 3

anode and ring 7

more electrode capacitances C _k and C _a , then their sums are equal, i.e.

In this case, the resistance R _i will decrease with the growth of a narrow plasma channel and its normal distribution, and the capacitance C _{i will} remain constant. At the same time, the high cathode potential due to the newly formed capacitance

through element 9 prevents the deviation of an avalanche of charges in the direction of the bulb of the lamp. Formation of additional containers by means of electrically conductive rings 3 and 7 of element 9

, interconnected and not galvanically connected to the cathode and anode, increases U _pr at the interelectrode gap of the lamp, because

The introduction of the distinguishing features of the claimed combination allows for a stable breakdown and ignition mechanism due to compensation of parasitic capacitances of the cathode and anode relative to the walls of the bulb and the bulb itself relative to the ground. At the same time, additional compensation capacitances interconnected form, with the instructive nature of the pulse autotransformer of the igniter, a two-sided high-frequency circuit that contributes to the normal development of the ionized particles.

Преимущество заявляемого источника излучения по сравнению с прототипом заключается в реализации стабильного модулируемого стримерного пробоя и зажигания всех ранее "не зажигающихся" новых ламп без электродов поджига и без увеличения зажигающих напряжений. The advantage of the claimed radiation source compared with the prototype is the implementation of a stable modulated streamer breakdown and ignition of all previously "not ignited" new lamps without ignition electrodes and without increasing ignition voltages.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 458900. кл. H 01 J 61/10, 1975.Sources of information
1. USSR author's certificate N 458900. cl. H 01 J 61/10, 1975.

2. Лампа ксеноновая высокой интенсивности безозонная типа ДКСШ3000-6. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации, схема включения. 2. Xenon lamp of high intensity, ozoneless type DKSSh3000-6. Passport, technical description and user manual, circuit diagram.

3. Лампы разрядные ксеноновые сверхвысокого давления типа ДКсЭл. Паспорт, техническое описание и инструкция по эксплуатации. 3. Xenon discharge lamps of ultrahigh pressure like DKsEl. Passport, technical description and instruction manual.

4. А. Л. Вассерман, Б.В. Скворцов. О зажигании ламп типа ДКсТ. - Светотехника, 1977, N 8. 4. A. L. Wasserman, B.V. Starlings. On the ignition of lamps type DKsT. - Lighting engineering, 1977, N 8.

Claims

A radiation source comprising a short-arc high-pressure lamp, a power and ignition device, characterized in that an element is made of an electrically conductive material, made on both sides in the form of rings interconnected outside the interelectrode gap on the surface of the lamp bulb.