RU2159021C2

RU2159021C2 - Method and device for generation of optical radiation

Info

Publication number: RU2159021C2
Application number: RU98112169A
Authority: RU
Inventors: С.Г. Ашурков; О.В. Геращенко; В.Е. Гинзбург; Г.В. Лысов; Г.С. Сарычев
Original assignee: ТОО "Научно-производственный центр "Фототехнология"
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2000-11-10

Abstract

FIELD: lighting engineering and light sources, in particular, highly intensive sources of optical radiation. SUBSTANCE: the method is based on transformation of energy of microwave radiation to energy of plasma in a closed volume and provides for transfer of microwave radiation in pulsed operation at a pulse length of 20 to 100 μs and pulse-to-pulse duration ratio within 3 to 8. The density of input power of microwave radiation makes up 1 to 4 kW per cu.cm of the mentioned closed volume. The high-intensity electrodeless microwave tube has a burner with a bulb of optically transparent material filled with a plasma- forming compound of substances, DC voltage source, microwave oscillator, for example, a magnetron, and a microwave electrodynamic system, for example, a resonator with a translucent section in the area of location of the mentioned bulb, it is featured by introduction in a circuit containing a DC voltage source and a microwave oscillator, and a pulse-network modulator. EFFECT: enhanced economic efficiency, operate reliability, intensity indices, as well as improved ecology and universality of employment of the device for generation of optical radiation. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области светотехники и источников света, в частности к высокоинтенсивным источникам оптического (ультрафиолетового, видимого и инфракрасного) излучения. The invention relates to the field of lighting engineering and light sources, in particular to high-intensity sources of optical (ultraviolet, visible and infrared) radiation.

Известны источники оптического излучения высокой интенсивности на основе электродного дугового разряда высокой интенсивности (высокого и сверхвысокого давления) с колбой из оптически прозрачного материала, например кварцевого стекла [1] . Их недостатками являются низкий срок службы вследствие быстрого уменьшения прозрачности колбы горелок и ухудшение зажигаемости ламп из-за распыляемости материала электродов - и малые возможности по оптимизации спектров излучения для различных применений. Последнее связано с большими ограничениями в выборе составов плазмообразующих наполнений колбы горелок по причине высокой химической активности электродных материалов (нагретых до температур 1300 - 2000^oC) по отношению к большинству потенциально важных компонентов наполнения (вроде хлоридов металлов, например).Known sources of optical radiation of high intensity based on an electrode arc discharge of high intensity (high and ultrahigh pressure) with a bulb of optically transparent material, such as silica glass [1]. Their disadvantages are low service life due to a rapid decrease in the transparency of the bulb of the burner and deterioration of the ignition of the lamps due to atomization of the electrode material - and little opportunity to optimize the emission spectra for various applications. The latter is associated with great limitations in the choice of compositions of plasma-forming fillings of the burner flask due to the high chemical activity of electrode materials (heated to temperatures of 1300 - 2000 ^° C) with respect to most potentially important filling components (such as metal chlorides, for example).

Известен принимаемый за прототип способ генерации оптического излучения высокой интенсивности, основанный на том, что энергию СВЧ-излучения превращают в энергию плазмы (микроволновой) в закрытом объеме (в колбе горелки) [2] . Соответственно, известна принимаемая за прототип конструкция СВЧ безэлектродной лампы высокой интенсивности, содержащая горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненной рабочим плазмообразующим веществом, источник постоянного напряжения, СВЧ-генератор (магнетрон, например) и СВЧ электродинамическую систему (например, резонатор) с достаточно светопрозрачной частью в зоне расположения колбы горелки. При этом нередко в конструкцию лампы включают и некоторый светоперераспределительный элемент (например, отражатель). Кроме того, и это относится к его недостаткам, прототип содержит систему вращения горелки вокруг оси симметрии (например, со скоростью 300 об/мин) и систему принудительного воздушного охлаждения горелки струями сжатого воздуха. A known adopted as a prototype method for generating high-intensity optical radiation, based on the fact that the energy of microwave radiation is converted into plasma energy (microwave) in a closed volume (in the bulb of the burner) [2]. Accordingly, there is a known design of a high-intensity microwave electrodeless lamp adopted as a prototype, containing a burner with a bulb of optically transparent material filled with a working plasma-forming substance, a constant voltage source, a microwave generator (magnetron, for example) and a microwave electrodynamic system (for example, a resonator) with enough translucent part in the area of the location of the bulb of the burner. In this case, some light-distributing element (for example, a reflector) is often included in the lamp design. In addition, and this relates to its shortcomings, the prototype contains a system for rotating the burner around the axis of symmetry (for example, at a speed of 300 rpm) and a forced air cooling system for the burner with compressed air jets.

В целом, недостатками прототипа являются:
а) низкая экономичность, обусловленная как повышенной стоимостью (соответственно ценой) в связи с наличием систем вращения и принудительного охлаждения горелки, так и повышенными эксплуатационными издержками на электроэнергию (из-за наличия двух указанных систем), на техобслуживание, текущий ремонт и периодическую смену двух этих как бы дополнительных систем;
б) низкая эксплуатационная надежность, обусловленная наличием повышенного числа функциональных блоков, отказ любого из которых выводит лампу из строя;
в) низкие яркостные показатели (ниже чем у ламп-аналогов) типа яркость или энергетическая яркость габаритные, по причине того, что микроволновая плазма локализуется в пристеночной зоне колбы горелки, как бы размазываясь по внутренней стенке колбы, площадь которой относительно велика (такие яркостные показатели либо часто исключают возможность эффективного использования лампы, либо же существенно усложняют и удорожают световые приборы с этими лампами);
г) низкая экологичность (гигиеничность) и эргономичность лампы по критерию "акустический шум" из-за громко шипящих струй сжатого воздуха и соответственно реально низкая универсальность применения.In General, the disadvantages of the prototype are:
a) low efficiency, due to both the increased cost (respectively the price) due to the presence of rotation systems and forced cooling of the burner, as well as increased operating costs for electricity (due to the presence of two of these systems), maintenance, repair and periodic replacement of two these seemingly additional systems;
b) low operational reliability due to the presence of an increased number of functional units, the failure of any of which incapacitates the lamp;
c) low brightness indicators (lower than that of analog lamps) such as brightness or energy brightness overall, due to the fact that the microwave plasma is localized in the wall zone of the burner bulb, as if smearing along the inner wall of the bulb, the area of which is relatively large (such brightness indicators either often exclude the possibility of efficient use of the lamp, or they significantly complicate and increase the cost of lighting devices with these lamps);
d) low environmental friendliness (hygiene) and ergonomics of the lamp according to the criterion of "acoustic noise" due to loud hissing jets of compressed air and, accordingly, a really low universality of use.

Задача изобретения - повысить экономическую эффективность, эксплуатационную надежность, яркостные показатели, а также экологичность, эргономичность и универсальность применения. The objective of the invention is to increase economic efficiency, operational reliability, brightness indicators, as well as environmental friendliness, ergonomics and versatility of use.

По п. 1 формулы изобретения-способа технический результат достигается посредством того, что энергию СВЧ-излучения подают в импульсном режиме с длительностью импульсов 20 - 100 мкс и скважностью 3 - 8. According to p. 1 of the claims of the method, the technical result is achieved by the fact that the microwave energy is supplied in a pulsed mode with a pulse duration of 20 - 100 μs and a duty cycle of 3 to 8.

По п. 2 формулы изобретения-способа технический результат достигается посредством того, что энергию СВЧ-излучения преобразуют в энергию микроволновой неравновесной плазмы при плотности вводимой СВЧ-энергии 1 - 4 кВт на 1 см³ внутреннего объема колбы горелки.According to claim 2 of the claims of the method, the technical result is achieved by converting microwave energy into microwave nonequilibrium plasma energy at a density of introduced microwave energy of 1-4 kW per 1 cm ^{3 of the} internal volume of the burner bulb.

По формуле изобретения-устройства технический результат достигается посредством того, что в цепь, содержащую источник постоянного напряжения и СВЧ-генератор, введен импульсный модулятор. According to the claims of the device, the technical result is achieved by the fact that a pulse modulator is introduced into the circuit containing the constant voltage source and the microwave generator.

Изобретение поясняется чертежами, где показаны: на фиг. 1 - общая, а на фиг. 2 - более частная (раскрывающая возможность реализации) конструктивные схемы устройства по данному изобретению. The invention is illustrated by drawings, where shown: in FIG. 1 - general, and in FIG. 2 - more private (revealing the possibility of implementation) structural diagrams of the device according to this invention.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - источник постоянного напряжения; 2 - СВЧ электродинамическая система со светопрозрачной частью в зоне расположения колбы горелки; 3 - указанная светопрозрачная часть; 4 - СВЧ-генератор; 5 - горелка с колбой из оптически прозрачного материала, наполненной рабочим плазмообразующим веществом; 6 - импульсный модулятор; 7 - титрон; 8 - коллектор титрона; 10 - первый анод титрона; 11 - модулятор управляющего электрода титрона; 12 - управляющий электрод титрона; 13 - блок питания первого анода титрона; 14 - блок управления. Positions in the drawings indicate: 1 - constant voltage source; 2 - microwave electrodynamic system with a translucent part in the area of the burner bulb; 3 - the specified translucent part; 4 - microwave generator; 5 - burner with a flask of optically transparent material filled with a working plasma-forming substance; 6 - pulse modulator; 7 - titron; 8 - titron collector; 10 - the first anode of the titron; 11 - modulator of the control electrode of the titron; 12 - control electrode of the titron; 13 - power supply unit of the first anode of the titron; 14 - control unit.

Механизм работы следующий. В СВЧ электродинамической системе 2, которая представляет собой металлическую камеру со светопрозрачной частью 3, в зоне расположения колбы 5 локализуется микроволновая плазма в объеме колбы 5, имеющей характерный размер L. Энергия СВЧ-излучения в плазму подается от СВЧ-генератора, импульсный модулятор 6 работает в шкале времени, определяемой временем, τ, характеризующим продолжительность движения микроволновой плазмы от места образования в объеме колбы к стенкам колбы 5. Как бы убегающая плазма вновь создается на прежнем месте новым импульсом и не "размазывается" по внутренней стенке колбы 5 (реализуется как бы "постоянно действующая катастрофа"). При этом, если Q есть скважность импульсного режима СВЧ-накачки микроволновой плазмы, то мощность в импульсе в Q раз больше средней мощности, вводимой в плазму. Поэтому и по причине компактности плазменного образования повышаются яркостные показатели горелки лампы, уменьшается температура стенки колбы 5 и, зачастую, вообще отпадает необходимость вращения колбы и ее принудительного воздушного охлаждения. В соответствии с данным изобретением реализуются весьма сложные для работы СВЧ-генератора 4 электрических режима, и поэтому его устойчивая работа в импульсном режиме возможна лишь при питании именно от источника тока, причем импульсного тока. Элементом с высоким (более 1 кОм) значением динамического внутреннего сопротивления при малом статическом, реализующим подходящий источник импульсного тока может быть, например, высокочастотный или импульсный повышающий трансформатор с повышенным потоком рассеяния. Скорость распространения микроволновой плазмы в плазмообразующем, внутреннем объеме колбы 5, V, является экспериментально определяемым параметром и имеет порядок значений мм/мкс. Это соответствует параметрам, определяющим способ, при котором СВЧ-энергию подают в импульсном режиме с длительностью импульсов 20 - 100 мкс и скважностью 3 - 8, причем энергию СВЧ-излучения преобразуют в энергию микроволновой неравновесной плазмы при плотности вводимого СВЧ-излучения 1 - 4 кВт на 1 см³ внутреннего объема колбы 5. Существенно соотношение τ < L/V.
В качестве СВЧ-генератора 4 может быть использован (как и показано на фиг. 1 и 2) магнетрон, а в качестве импульсного модулятора 6 может быть использована, в частности, система титрон 7 - модулятор 11 управляющего электрода 9 титрона 7 - блок питания 13 первого анода 10 титрона 7 - блок управления 14. При этом титрон 7 [3] - не имеющий зарубежных аналогов прибор, превращающий источник напряжения 1 в полностью и практически безынерционно (с разрешением τ) управляемый источник импульсного тока, пиковое значение которого определяется модулятором 11, управляющим электродом 9 титрона 7. В колбу 5 вводится также постоянная составляющая СВЧ-энергии излучения, что целесообразно для поддержания средней температуры в объеме колбы 5 на должном уровне, увеличения скважности 0 и соответственно повышения импульсной мощности. Регулирование осуществляет блок питания 13 первого анода 10 титрона 7, а согласованное управление блоками 11 и 13 осуществляет блок управления 14.The mechanism of work is as follows. In the microwave electrodynamic system 2, which is a metal chamber with a translucent part 3, microwave plasma is localized in the flask area 5 in the volume of the flask 5, which has a characteristic size L. The microwave radiation energy is supplied to the plasma from the microwave generator, the pulse modulator 6 operates in a time scale determined by time, τ, characterizing the duration of the microwave plasma from the place of formation in the volume of the flask to the walls of the flask 5. As if a runaway plasma is re-created in the same place with new impulses water and does not "smear" on the inner wall of the flask 5 (it is realized as if a "permanent catastrophe"). Moreover, if Q is the duty cycle of the pulsed microwave pumping of a microwave plasma, then the pulse power is Q times greater than the average power introduced into the plasma. Therefore, due to the compactness of the plasma formation, the brightness indicators of the lamp burner increase, the temperature of the bulb wall 5 decreases, and, often, the need for rotation of the bulb and its forced air cooling generally disappears. In accordance with this invention, electric modes 4 that are very complicated for operation of the microwave generator are realized, and therefore, its stable operation in the pulsed mode is possible only when it is powered from the current source, and the pulsed current. An element with a high (more than 1 kOhm) value of dynamic internal resistance with a small static one that implements a suitable pulse current source can be, for example, a high-frequency or pulsed step-up transformer with an increased scattering flux. The propagation velocity of the microwave plasma in the plasma-forming, internal volume of the flask 5, V, is an experimentally determined parameter and is of the order of mm / μs. This corresponds to the parameters that determine the method in which microwave energy is supplied in a pulsed mode with a pulse duration of 20-100 μs and a duty cycle of 3-8, moreover, the energy of microwave radiation is converted into microwave nonequilibrium plasma energy at an input microwave density of 1 to 4 kW per 1 cm ^{3 of the} internal volume of the flask 5. The ratio τ <L / V is significant.
As a microwave generator 4 can be used (as shown in Fig. 1 and 2) a magnetron, and as a pulse modulator 6 can be used, in particular, the system titron 7 - modulator 11 of the control electrode 9 of the titron 7 - power supply 13 the first anode 10 of the titron 7 is the control unit 14. Moreover, the titron 7 [3] is a device that does not have foreign analogues and converts the voltage source 1 into a completely and practically inertialess (with a resolution of τ) controlled source of pulsed current, the peak value of which is determined by the modulator 11, driving it has an electrode 9 of titron 7. A constant component of the microwave radiation energy is also introduced into the flask 5, which is advisable to maintain the average temperature in the volume of the flask 5 at the proper level, increase the duty cycle 0 and, accordingly, increase the pulse power. The regulation is carried out by the power supply 13 of the first anode 10 of the titron 7, and the coordinated control of the blocks 11 and 13 is carried out by the control unit 14.

В соответствии с данным пунктом изобретения реализация сложных электрических режимов работы магнетрона обеспечивается титроном 7 со значением динамического внутреннего сопротивления в десятки кОм при статическом сопротивлении в сотню Ом. Соблюдение п. 2 изобретения обеспечивает при данной схеме создание в объеме колбы неравновесной плазмы с низкой температурой по газовой составляющей. In accordance with this paragraph of the invention, the implementation of the complex electrical modes of operation of the magnetron is provided by a titron 7 with a value of dynamic internal resistance of tens of ohms with a static resistance of hundreds of ohms. Compliance with paragraph 2 of the invention provides for this scheme to create in the volume of the flask a nonequilibrium plasma with a low temperature in the gas component.

Вследствие компактного динамического состояния плазменного образования, т. е. при отсутствии, как в прототипе [2], "размазывания" святящего тела с практически неизменным количеством элементарных излучателей оптического диапазона волн (сохранение лучистого потока) гарантирует в нашем случае повышенную, доходящую до привычных значений (характерных для дуговых разрядных ламп высокой интенсивности) яркость или энергетическую яркость. Due to the compact dynamic state of the plasma formation, that is, in the absence, as in the prototype [2], of the “smearing” of the holy body with an almost unchanged number of elementary emitters of the optical wavelength range (preservation of the radiant flux), in our case it guarantees an increased, reaching the usual values (characteristic of high-intensity arc discharge lamps) brightness or energy brightness.

При меньших значениях нижних границ (указанных, заявляемых нами) интервалов величин энергий импульсов недостаточно для получения эффектов превышения показателей прототипа (задача изобретения не достигается), при больших - мощности импульсов возрастают настолько, что эффективность ввода СВЧ-энергии в плазму резко падает из-за роста коэффициента отражения ее от плазменного образования. For lower values of the lower boundaries (indicated, claimed by us), the intervals of the pulse energy values are not enough to obtain the effects of exceeding the prototype indicators (the objective of the invention is not achieved), for large ones, the pulse powers increase so much that the efficiency of introducing microwave energy into the plasma drops sharply due to growth of its reflection coefficient from plasma formation.

Источники информации
1. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. М.: Энергоатомиздат. 1991.Sources of information
1. Rokhlin G.N. Discharge light sources. M .: Energoatomizdat. 1991.

2. Пат. США NN 4954755 и 5334913. 2. Pat. U.S. Nos. 4,954,755 and 5,334,913.

3. Титрон /Гинзбург В.Е.// Электроника: Энциклопедический словарь. - М.: Сов. энциклопедия. 1991, - с. 550 - 551. 3. Titron / Ginzburg V.E.// Electronics: Encyclopedic Dictionary. - M .: Owls. encyclopedia. 1991, p. 550 - 551.

Claims

1. A method of generating optical radiation, based on the fact that the energy of microwave radiation is converted into plasma energy in a closed volume, characterized in that the energy of microwave radiation is supplied in a pulsed mode with a pulse duration of 20 to 100 μs and a duty cycle of 3 to 8.

2. The method according to claim 1, characterized in that the energy of the microwave radiation is converted into energy of a nonequilibrium plasma at a density of the input power of microwave radiation of 1 to 4 kW per 1 cm ^{3 of the} specified closed volume.

3. Microwave electrodeless lamp of high intensity, containing a burner with a bulb made of optically transparent material, filled with a working plasma-forming composition of substances, a constant voltage source, microwave generator and microwave electrodynamic system with a translucent part in the location of the bulb, characterized in that in the circuit containing a constant voltage source and a microwave generator; a pulsed modulator based on a titron is introduced.