RU2236721C1 - Microwave exciter for electrodeless gas-discharge lamp - Google Patents
Microwave exciter for electrodeless gas-discharge lamp Download PDFInfo
- Publication number
- RU2236721C1 RU2236721C1 RU2003115678/09A RU2003115678A RU2236721C1 RU 2236721 C1 RU2236721 C1 RU 2236721C1 RU 2003115678/09 A RU2003115678/09 A RU 2003115678/09A RU 2003115678 A RU2003115678 A RU 2003115678A RU 2236721 C1 RU2236721 C1 RU 2236721C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- lamp
- conductor
- line
- electrodeless
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
- Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (СВЧ). В более узком приложении заявляемый объект относится к осветительным и облучательным устройствам, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или в ультрафиолетовой (УФ) частях спектра. В конкретном идеологическом и конструктивном построении заявляемый объект относится к безэлектродным СВЧ-газоразрядным лампам и оптическим излучателям на их основе, в частности к прожекторам и светильникам.The present invention relates to the field of lighting and microwave technology. In a narrower application, the claimed object relates to lighting and irradiation devices used to create flows of optical radiation in the visible or ultraviolet (UV) parts of the spectrum. In a specific ideological and constructive construction, the claimed object relates to electrodeless microwave gas discharge lamps and optical emitters based on them, in particular to searchlights and lamps.
Известны устройства светильников, в СВЧ-ламповых модулях которых СВЧ-газоразрядная безэлектродная лампа размещена в СВЧ-резонаторе со светопрозрачными ("сетчатыми") стенками, не позволяющими, однако, пропускать излучения СВЧ-энергии накачки в окружающее пространство сверх допустимого (нормируемого) уровня. Задача увеличения светопрозрачности резонатора, а следовательно, и результирующей световой отдачи устройства в целом остается актуальной, ибо непосредственно связана с решением проблемы энергосбережения в освещении. Однако "противоречие" между светопрозрачностью и СВЧ-непрозрачностью стенок СВЧ-резонатора требует поиска наиболее рациональных идеологических и конструкторских решений.There are known devices of luminaires in which microwave tube modules a microwave gas-discharge electrodeless lamp is placed in a microwave cavity with translucent ("mesh") walls, which, however, do not allow radiation of microwave pump energy to pass into the surrounding space beyond an acceptable (normalized) level. The task of increasing the translucency of the resonator, and hence the resulting light return of the device as a whole, remains relevant, because it is directly related to solving the problem of energy saving in lighting. However, the “contradiction” between translucency and microwave opacity of the walls of the microwave resonator requires the search for the most rational ideological and design solutions.
Возможность нахождения таких решений может базироваться, например, на выборе в качестве рабочих видов колебаний только таких, которым присущи структуры СВЧ-токов в стенках СВЧ-резонатора, характеризующиеся наличием единственной составляющей (например, только азимутальной во всех стенках - на TE01p-видах; только продольной в цилиндрической и только радиальной - в торцевых стенках - на ТЕМ видах и видах TM01p). При такой структуре СВЧ-токов ячейки светопрозрачной сетки могут быть выполнены с существенно увеличенным размером в направлении, совпадающем с "линиями" СВЧ-токов. Это означает увеличение светопрозрачности сетки не в ущерб СВЧ-непрозрачности.The possibility of finding such solutions can be based, for example, on choosing, as working modes of oscillation, only those that are characterized by the structure of microwave currents in the walls of the microwave cavity, characterized by the presence of a single component (for example, only azimuthal in all walls - on TE 01p views; only longitudinal in cylindrical and only radial - in end walls - on TEM types and types TM 01p ). With such a structure of microwave currents, cells of a translucent mesh can be made with a significantly increased size in the direction coinciding with the "lines" of microwave currents. This means an increase in the translucency of the grid, not to the detriment of microwave opacity.
Из числа других назревших проблем, вызывающих озабоченность разработчиков и "эксплуатационщиков" СВЧ-световых приборов, необходимо выделить обеспечение требуемой конфигурации плазменного светящего тела (его формы и размеров) и соответствующей формы собственно безэлектродной лампы.Among other pressing problems of concern to developers and "operators" of microwave light devices, it is necessary to highlight the required configuration of the plasma luminous body (its shape and size) and the corresponding shape of the electrodeless lamp itself.
Указанные проблемы имеют несколько взаимозависимых аспектов, хотя и различной значимости, но не допускающих их исключения из рассмотрения при создании всего комплексного устройства и его составляющих, в частности, при построении СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы. Одним из таких весомых аспектов является обеспечение определенного (требуемого, заданного, допустимого) распределения температур в вакуумноплотной оболочке безэлектродной лампы. Это распределение температур обусловлено прежде всего топографией СВЧ-электромагнитного поля (его электрической составляющей) в рабочем объеме лампы, располагаемой обычно в зоне пучности СВЧ-поля в резонаторе. Если топография СВЧ-поля такова, что носители заряда в плазменном "теле" под действием указанного поля преимущественно "бомбардируют" определенные участки колбы лампы, то возникают локальные перегревы, которые могут привести к ее гибели. Так, если рабочему виду колебаний в СВЧ-резонаторе присуща топография СВЧ-поля, характеризующаяся наличием вариаций, то и светящее тело, и теплораспределение в лампе окажутся пространственно неоднородными.These problems have several interdependent aspects, although of different importance, but not allowing them to be excluded from consideration when creating the entire complex device and its components, in particular, when constructing a microwave exciter of an electrodeless lamp. One of such significant aspects is the provision of a certain (required, given, permissible) temperature distribution in a vacuum-tight casing of an electrodeless lamp. This temperature distribution is primarily due to the topography of the microwave electromagnetic field (its electrical component) in the working volume of the lamp, usually located in the antinode of the microwave field in the resonator. If the topography of the microwave field is such that the charge carriers in the plasma “body” under the influence of the specified field predominantly “bombard” certain sections of the bulb, then local overheating occurs that can lead to its death. So, if the topography of the microwave field, characterized by the presence of variations, is inherent in the working form of oscillations in the microwave cavity, then the luminous body and the heat distribution in the lamp will be spatially inhomogeneous.
В традиционных конструкциях СВЧ-возбудителей безэлектродных газоразрядных ламп наиболее распространенными следует признать построения, использующие светопрозрачные сетчатые СВЧ-резонаторы цилиндрической формы, с рабочим видом колебаний ТЕ11р, где р=1, 2, ... , и в частности ТЕ111-вид. Топография СВЧ-электрического поля этого вида колебаний характеризуется отсутствием азимутальной симметрии. Соответственно и распределение СВЧ-токов в стенках резонатора является азимутально несимметричным. При этом СВЧ-токи в цилиндрической стенке имеют как продольные, так и азимутальные составляющие, а в торцевых стенках - радиальные и азимутальные составляющие. Обычно используемые в таких устройствах безэлектродные лампы сферической формы, помещаемые в зоне пучности СВЧ-электрического поля ТЕ111 вида колебаний, не обеспечивают однородного распределения светового потока и температуры баллона лампы (колбы) в экваториальном и меридиональном направлениях. Все это диктует необходимость осуществления вращения лампы, а то и ее принудительного обдува при вращении. Наличие же в сетчатых стенках резонатора как продольных, так и азимутальных СВЧ-токов, протекающих по проводящим перемычкам между ячейками сетки, делает предпочтительным использование квадратной или иной равносторонней (например, шестигранной) формы ячейки как равноискажающей "линии" обеих названных составляющих СВЧ-токов. Как отмечалось выше, такая форма ячейки сетки ограничивает возможности увеличения светопрозрачности, ибо увеличение размера любой из сторон ячейки влечет за собой увеличение "просачивающейся" СВЧ-мощности. Наряду с этим, относительно малые размеры ячейки обуславливают и высокое аэродинамическое сопротивление, т.е. низкую воздухопрозрачность сетки, что затрудняет охлаждение баллона (колбы) лампы (как естественное конвекционное, так и принудительное), ибо возникают отраженные горячие воздушные потоки и "застойные подушки". Это - еще один аспект проблемы создания СВЧ-возбудителей с наилучшим сочетанием энергетических, световых и эксплуатационных характеристик.In traditional designs of microwave exciters of electrodeless gas discharge lamps, the most common should be recognized as constructions using translucent mesh microwave resonators of a cylindrical shape, with a working form of oscillations TE 11p , where p = 1, 2, ..., and in particular TE 111 type . The topography of the microwave electric field of this type of oscillation is characterized by the absence of azimuthal symmetry. Accordingly, the distribution of microwave currents in the cavity walls is azimuthally asymmetric. In this case, microwave currents in the cylindrical wall have both longitudinal and azimuthal components, and in the end walls have radial and azimuthal components. Spherical electrodeless lamps commonly used in such devices, placed in the antinode zone of the microwave electric field TE 111 of the type of oscillation, do not provide a uniform distribution of the light flux and the temperature of the lamp bulb (bulb) in the equatorial and meridional directions. All this dictates the need for the rotation of the lamp, and even its forced airflow during rotation. The presence of both longitudinal and azimuthal microwave currents in the mesh walls of the resonator flowing through the conducting bridges between the grid cells makes it preferable to use a square or other equilateral (for example, hexagonal) cell shape as an equal-distorting "line" of both of these microwave current components. As noted above, this shape of the mesh cell limits the possibility of increasing translucency, since an increase in the size of either side of the cell entails an increase in the "leaking" microwave power. Along with this, the relatively small cell dimensions also determine the high aerodynamic drag, i.e. low air transparency of the grid, which makes it difficult to cool the bulb (bulb) of the lamp (both natural convection and forced), because there are reflected hot air flows and "stagnant pillows". This is another aspect of the problem of creating microwave exciters with the best combination of energy, light and operational characteristics.
Таким образом, можно заключить, что основные ограничения в совершенствовании СВЧ-световых приборов и СВЧ-возбудителей, в частности, связаны с использованием рабочих видов колебаний, характеризующихся неоднородной (азимутально несимметричной) топографией СВЧ-поля. Это утверждение относится и к задачам повышения светопрозрачности СВЧ-резонатора, и к задаче недопущения локальных перегревов колбы без использования усложняющих конструкцию и снижающих ее надежность устройств вращения лампы. Современный уровень техники в рассматриваемой области характеризуется уже известными примерами, иллюстрирующими нацеленность проводимых работ на поиск технических решений, позволяющих реализовать идеологию использования в СВЧ-возбудителях осесимметричных азимутально однородных СВЧ-полей и невращаемых безэлектродных ламп.Thus, we can conclude that the main limitations in the improvement of microwave light devices and microwave exciters, in particular, are associated with the use of working modes of oscillations characterized by the inhomogeneous (azimuthally asymmetric) topography of the microwave field. This statement applies to the problems of increasing the translucency of the microwave cavity, and to the task of preventing local overheating of the bulb without the use of lamp rotation devices that complicate the design and reduce its reliability. The current state of the art in the field under consideration is characterized by already well-known examples illustrating the focus of the work carried out on the search for technical solutions allowing to implement the ideology of using axisymmetric azimuthally uniform microwave fields and non-rotatable electrodeless lamps in microwave exciters.
В частности, этой идеологии соответствует выбор ТЕ011-вида колебаний в качестве рабочего для цилиндрического или коаксиального СВЧ-резонатора. Топография СВЧ-электромагнитного поля, присущая этому виду колебаний, характеризуется наличием только азимутальной компоненты СВЧ-электрического поля и, соответственно, СВЧ-токи во всех стенках СВЧ-резонатора - только кольцевые. Конструкция устройства, которое по крайней мере по признаку использования осесимметричного без азимутальных вариаций СВЧ-поля можно рассматривать как аналог заявляемого объекта, представлена в статье Э.Д. Шлифер. "Безэлектродные СВЧ-разрядные источники света. Перспективы просматриваются". Электроника, наука, технология, бизнес. Изд. РНЦ "Техносфера", - М.: №3, 2002, с.52-55 [1], а также в патенте РФ №2185004 МКИ H 01 J 65/04, Н 01 P 7/06. Опубл. бюл. №19 10.07.2002, автор Шлифер Э.Д. [2].In particular, this ideology corresponds to the choice of TE 011 type of oscillations as the working one for a cylindrical or coaxial microwave resonator. The topography of the microwave electromagnetic field inherent in this type of oscillation is characterized by the presence of only the azimuthal component of the microwave electric field and, accordingly, the microwave currents in all walls of the microwave resonator are only circular. The design of the device, which, at least by the use of axisymmetric without azimuthal variations of the microwave field can be considered as an analogue of the claimed object, is presented in the article E.D. Schliefer. "Electrodeless microwave discharge light sources. Prospects are visible." Electronics, science, technology, business. Ed. RSC "Technosphere", - M .: No. 3, 2002, p.52-55 [1], as well as in RF patent No. 2185004 MKI H 01 J 65/04, H 01
Аналог (рис.1 а, б [1]) содержит цилиндрический или коаксиальный СВЧ-резонатор, рассчитанный на возбуждение в нем ТЕ011-вида колебаний. Соответствующая этому виду топография СВЧ-поля характеризуется кольцевой формой силовых линий электрического поля. В зоне максимальной концентрации этих силовых линий соосно закреплена безэлектродная лампа тороидальной формы. Фиксированное положение лампы, не предусматривающее ее вращения, обеспечено ее креплением на трех радиально расходящихся кварцевых стержнях-держателях, уложенных в направляющие, выполненные на разъемных участках боковой стенки СВЧ-резонатора.The analogue (Fig. 1 a, b [1]) contains a cylindrical or coaxial microwave resonator, designed to excite TE 011 oscillations in it. The topography of the microwave field corresponding to this type is characterized by the ring shape of the electric field lines. In the zone of maximum concentration of these field lines, an electrodeless toroidal lamp is coaxially fixed. The fixed position of the lamp, not providing for its rotation, is provided by its fastening on three radially diverging quartz rod-holders, laid in guides made on detachable sections of the side wall of the microwave resonator.
Светопрозрачные стенки СВЧ-резонатора выполнены в форме чередующихся кольцевых проводников и зазоров между ними, что выгодно отличает конструкцию от традиционных СВЧ-резонаторов с квадратной или иной равносторонней формой ячейки сетки. Кольцевые зазоры между проводниками "сетки" обеспечивают высокую светопрозрачность СВЧ-резонатора без утраты СВЧ-непрозрачности.The translucent walls of the microwave resonator are made in the form of alternating ring conductors and the gaps between them, which compares favorably with traditional microwave resonators with a square or other equilateral grid cell shape. The annular gaps between the conductors of the "mesh" provide high translucency of the microwave resonator without loss of microwave opacity.
Недостатком аналога [1, 2], связанным с выбором ТЕ011-вида в качестве рабочего, является то, что необходимые для существования ТЕ011 вида поперечные размеры СВЧ-резонатора допускают существование и других (низших) видов колебаний. Присущая этим низшим видам топография СВЧ-полей уже не является азимутально однородной и СВЧ-токи в стенках содержат не только азимутальную составляющую, но и продольную, пересекающую зазоры между кольцевыми проводниками. Это означает, что указанные зазоры оказываются СВЧ-излучающими. Если даже резонанс на низших видах колебаний при возбуждении резонатора на рабочей частоте СВЧ-накачки не существует, то поля распространяющихся низших типов волн могут "загрязнять" ТЕ011 вид. Это означает нарушение идеальной азимутальной симметрии в распределении СВЧ-поля рабочего вида колебаний. Поэтому при создании работоспособного устройства - аналога [1, 2] - необходимо изыскивать специальные средства подавления или устранения низших типов волн. Эта непростая задача, обычно называемая "подавлением паразитных колебаний", требует для своего решения тщательного выбора поперечных и продольных размеров СВЧ-резонатора, учета при этом влияния безэлектродной лампы и ее держателей на пространственное распределение полей рабочего и "паразитных" видов колебаний, на расстановку их резонансных частот и на межвидовую электромагнитную связь, которая, в свою очередь, влияет и на степень "загрязнения" рабочего вида полями паразитных колебаний, и на уровень просачивающейся в окружающее пространство СВЧ-мощности. Резюмируя отмеченные особенности, можно заключить, что главным недостатком аналога [1, 2] является то, что рабочий вид колебаний ТЕ011 не является низшим.The disadvantage of the analogue [1, 2] associated with the selection of the TE 011 type as a working one is that the transverse dimensions of the microwave resonator necessary for the existence of the TE 011 type allow other (lower) modes of vibration to exist. The topography of the microwave fields inherent in these lower species is no longer azimuthally homogeneous and the microwave currents in the walls contain not only the azimuthal component, but also a longitudinal one that intersects the gaps between the ring conductors. This means that these gaps turn out to be microwave-emitting. Even if resonance at the lower modes of vibration does not exist when the resonator is excited at the operating frequency of the microwave pump, then the fields of the propagating lower types of waves can “pollute” TE 011 . This means a violation of the ideal azimuthal symmetry in the distribution of the microwave field of the working form of oscillations. Therefore, when creating a workable device - analogue [1, 2] - it is necessary to find special means of suppressing or eliminating the lower types of waves. This difficult task, usually called "suppression of spurious oscillations", requires a careful selection of the transverse and longitudinal dimensions of the microwave resonator, taking into account the influence of the electrodeless lamp and its holders on the spatial distribution of the fields of the working and "spurious" modes of vibration, on their arrangement resonant frequencies and interspecific electromagnetic coupling, which, in turn, affects the degree of "contamination" of the working type by the fields of spurious oscillations, and the level of seeping into the surrounding space microwave power. Summarizing the noted features, we can conclude that the main disadvantage of the analogue [1, 2] is that the working form of TE 011 oscillations is not lower.
Из других известных технических решений, характеризующих современный уровень техники и, в частности, нацеленных на использование в СВЧ-возбудителях безэлектродных ламп осесимметричной топографии поля, т.е. идеологически близких к заявляемому объекту, следует упомянуть устройство СВЧ-возбудителя по Патенту РФ №2161844, кл. H 01 J 65/04, Н 01 P 5/103, опубл. Бюл. №1, 10.01.2001, автор Шлифер Э.Д. - [3], которое также можно отнести к числу аналогов. В аналоге по [3] СВЧ-поле накачки в цилиндрическом СВЧ-резонаторе возбуждается от коаксиальной линии передачи, на некоторой части длины резонатора. Для возбуждения резонатора центральный внутренний проводник коаксиальной линии передачи имеет вдоль оси линии большую длину, чем наружный проводник, и тем самым является консольным зондом-излучателем. По коаксиальной линии энергия СВЧ-накачки канализируется на ТЕМ волне и, соответственно, диаграмма направленности излучения является азимутально симметричной. Безэлектродная сферическая лампа размещена на консольном кварцевом держателе у консольного же конца зонда-излучателя и тем самым возбуждается СВЧ-полем излучения, характеризующимся азимутальной симметрией. Это означает, что в "экваториальном" направлении лампа находится в однородном СВЧ-поле, светящее плазменное тело азимутально симметрично и колба не имеет вдоль экватора локальных холодных и перегретых точек. Однако в осевом направлении СВЧ-поле неоднородно и характеризуется наличием не только радиальных, но и аксиальных электрических составляющих. Это означает, что в меридиональных направлениях распределение температуры колбы оказывается неоднородным, а в целом светящее плазменное тело - несферическим даже при вращении лампы, которое предусмотрено в конструкции аналога [3].Of the other known technical solutions characterizing the current level of technology and, in particular, aimed at using axisymmetric field topography in microwave exciters of electrodeless lamps, i.e. ideologically close to the claimed object, we should mention the device of the microwave pathogen according to the RF Patent No. 2161844, class. H 01 J 65/04, H 01 P 5/103, publ. Bull. No. 1, 01/10/2001, author Schlifer E.D. - [3], which can also be attributed to the number of analogues. In the analogue according to [3], the microwave pump field in a cylindrical microwave resonator is excited from a coaxial transmission line, on a certain part of the cavity length. To excite the resonator, the central inner conductor of the coaxial transmission line has a longer length along the axis of the line than the outer conductor, and thereby is a cantilever probe emitter. According to the coaxial line, the microwave pump energy is channelized on the TEM wave and, accordingly, the radiation pattern is azimuthally symmetric. An electrodeless spherical lamp is placed on a cantilever quartz holder at the cantilever end of the probe-emitter and is thereby excited by a microwave radiation field characterized by azimuthal symmetry. This means that in the "equatorial" direction the lamp is in a uniform microwave field, the luminous plasma body is azimuthally symmetrical, and the bulb does not have local cold and superheated points along the equator. However, in the axial direction, the microwave field is heterogeneous and is characterized by the presence of not only radial, but also axial electric components. This means that in the meridional directions the temperature distribution of the bulb is non-uniform, and in general the luminous plasma body is non-spherical even when the lamp is rotated, which is provided for in the analog design [3].
Итак, достоинствами аналога [3] является азимутальная симметрия поля и теплораспределения, использование низшего типа волны ТЕМ, не "загрязненной" полями паразитных колебаний.So, the advantages of the analogue [3] are the azimuthal symmetry of the field and heat distribution, the use of the lowest type of TEM wave, not “contaminated” by the fields of spurious oscillations.
Недостатки аналога состоят в следующем:The disadvantages of the analogue are as follows:
1. Не рассмотрены и не реализованы принципиальные возможности повышения светопрозрачности стенок СВЧ-резонатора, связанные с использованием СВЧ-накачки на ТЕМ волне.1. The fundamental possibilities of increasing the translucency of the walls of the microwave cavity associated with the use of microwave pumping on a TEM wave have not been considered and implemented.
2. Необходимость вращения безэлектродной лампы, закрепленной на относительно длинном консольном держателе. Отсюда - пониженная вибро- и ударопрочность конструкции, сложность СВЧ-возбудителя и СВЧ-лампового модуля в целом. Последнее обусловлено наличием ряда необходимых компонентов (двигатель и датчик вращения лампы, система управления и защиты и т.п.), что снижает эксплуатационную надежность устройства.2. The need to rotate an electrodeless lamp mounted on a relatively long cantilever holder. Hence the reduced vibration and shock resistance of the structure, the complexity of the microwave exciter and the microwave lamp module as a whole. The latter is due to the presence of a number of necessary components (engine and lamp rotation sensor, control and protection system, etc.), which reduces the operational reliability of the device.
Известен еще один аналог заявляемого объекта, использующий СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы, СВЧ-накачка которой осуществляется на волне ТЕМ с азимутально симметричной структурой электромагнитного поля. Этот аналог представлен в публикации Э.Д.Шлифер. "Некоторые особенности и проблемы в создании осветительных и облучательных устройств на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ-накачкой". - Светотехника, 1999, №1, стр.8-9 - [4]. Особенностями конструкции аналога [4] являются следующие:Another analog of the claimed object is known using a microwave exciter of an electrodeless lamp, the microwave pump of which is carried out on a TEM wave with an azimuthally symmetric structure of the electromagnetic field. This analogue is presented in the publication of E.D. Schlifer. "Some features and problems in the creation of lighting and irradiation devices based on electrodeless gas-discharge lamps with microwave pumping." - Lighting engineering, 1999, No. 1, pp. 8-9 - [4]. Design features of the analogue [4] are as follows:
1. В отличие от аналога [3] безэлектродная лампа, закрепленная на выходном конце коаксиальной линии передачи, установлена жестко (без возможности ее вращения).1. In contrast to the analogue [3], the electrodeless lamp mounted on the output end of the coaxial transmission line is rigidly installed (without the possibility of its rotation).
2. Безэлектродная лампа имеет осесимметричную, но не сферическую форму колбы в виде сосуда Дьюара, но со сквозной вневакуумной полостью, расположенной вдоль оси лампы. При этом сквозная полость ограничена внутренней цилиндрической СВЧ- и светопрозрачной стенкой колбы, а наружная цилиндрическая стенка (также СВЧ- и светопрозрачная), расположенная соосно с внутренней, имеет одинаковую с ней осевую протяженность. Торцы обеих стенок вакуумноплотно соединены между собой на каждом конце лампы, тем самым образован замкнутый объем лампы, откачанный и наполненный рабочим веществом, в котором под действием СВЧ-энергии накачки инициируется и поддерживается безэлектродный разряд - источник оптического излучения.2. The electrodeless lamp has an axisymmetric, but not spherical bulb shape in the form of a Dewar vessel, but with a through non-vacuum cavity located along the axis of the lamp. In this case, the through cavity is limited by the inner cylindrical microwave and translucent wall of the flask, and the outer cylindrical wall (also microwave and translucent), located coaxially with the inner one, has the same axial extent. The ends of both walls are vacuum tightly connected to each other at each end of the lamp, thereby forming a closed volume of the lamp pumped out and filled with a working substance, in which, under the influence of microwave pump energy, an electrodeless discharge is initiated and maintained - an optical radiation source.
3. Соединение лампы с коаксиальной линией выполнено разъемным (резьбовым), для чего лампа снабжена короткой трубчатой металлической втулкой, соосно вклеенной на одном торце лампы в ее сквозную полость. При этом трубчатая втулка выполнена с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру наружного проводника коаксиальной линии, и в сочлененном с ней положении является продолжением этого проводника внутри сквозной полости на некоторой ее длине. Центральный (внутренний) проводник коаксиальной линии в СВЧ-возбудителе-аналоге [4] не является принадлежностью лампы. Он выполнен консольно выступающим вдоль оси коаксиальной линии, при сочленении ее с лампой соосно входит в трубчатую втулку и простирается за ее пределы вдоль оси в сквозную полость колбы на некоторую длину, меньшую, чем длина лампы. Таким образом, консольная часть центрального проводника играет роль антенны, формирующей азимутально симметричное СВЧ-поле в зоне излучателя, который, подчеркнем, занимает лишь некоторую часть (по длине) сквозной полости лампы. Это означает, что по длине лампы амплитуды СВЧ-полей непостоянны и рассчитывать на формирование однородного по длине лампы светящего тела СВЧ-разряда, как и равномерного распределения температуры колбы, не приходится без принятия специальных мер, которые в [4] не предусмотрены, т.к. лампа и возбудитель в целом помещены в многовидовый резонатор (в рабочую камеру бактерицидной установки), распределение СВЧ-поля в котором заведомо неоднородно.3. The connection of the lamp with the coaxial line is detachable (threaded), for which the lamp is equipped with a short tubular metal sleeve coaxially glued at one end of the lamp into its through cavity. In this case, the tubular sleeve is made with an inner diameter equal to the inner diameter of the outer conductor of the coaxial line, and in the articulated position with it is a continuation of this conductor inside the through cavity over a certain length thereof. The central (inner) conductor of the coaxial line in the microwave exciter analog [4] is not a lamp accessory. It is made cantilever protruding along the axis of the coaxial line, when articulating it with the lamp, it coaxially enters the tubular sleeve and extends beyond its limits along the axis into the through cavity of the bulb for a length shorter than the length of the lamp. Thus, the cantilever part of the central conductor plays the role of an antenna forming an azimuthally symmetric microwave field in the emitter zone, which, we emphasize, occupies only a certain part (along the length) of the through cavity of the lamp. This means that the amplitudes of the microwave fields are not constant along the length of the lamp, and it is not necessary to count on the formation of a luminous body of a microwave discharge that is uniform along the length of the lamp, as well as a uniform distribution of the bulb temperature, without taking special measures that are not provided in [4], t. to. the lamp and the pathogen as a whole are placed in a multi-species resonator (in the working chamber of the bactericidal unit), the distribution of the microwave field in which is obviously heterogeneous.
В числе известных (опубликованных) устройств, имеющих общие с заявляемым объектом признаки, следует отметить еще один аналог: Патент РФ №2173561, кл. A 61 L 2/08; 2/12. Автор Шлифер Э.Д. Опубл. Бюл. №26 от 20.09.2001 - [5]. В устройстве [5] использована такая же форма колбы (баллона) безэлектродной лампы, как и в аналоге [4], но СВЧ-тракт, канализирующий СВЧ-энергию накачки для возбуждения разряда, пронизывает цилиндрическую вневакуумную полость лампы насквозь, т.е. на всю ее длину. В качестве СВЧ-тракта применен круглый волновод с рабочим типом волны TE01. Этому типу волны присущи только кольцевые СВЧ-токи в цилиндрической стенке волновода и, соответственно, для излучения СВЧ-энергии в направлении безэлектродной лампы в цилиндрической стенке волновода выполнена система продольных (т.е. пересекаемых СВЧ-токами) щелей. Причем щели или их группы могут быть по усмотрению разработчика устройства распределены по длине лампы по определенному закону для инициирования и поддержания достаточно однородного по длине и по азимуту СВЧ-разряда. Недостатки аналога [5] заключаются в следующем:Among the known (published) devices that have common features with the claimed object, one more analogue should be noted: RF Patent No. 2173561, cl. A 61
1. Для распространения волны типа TE01 круглый волновод должен иметь значительный диаметр 
2. TE01-тип волны не является низшим, что, как отмечалось выше, может приводить к "загрязнению" СВЧ-поля паразитными волнами и, соответственно, к пространственной неоднородности светоизлучающего СВЧ-разряда. Опять-таки, для бактерицидного УФ-облучателя этот недостаток не столь существенен, как для осветительного устройства.2. The TE 01 wave type is not inferior, which, as noted above, can lead to “pollution” of the microwave field by spurious waves and, accordingly, to spatial inhomogeneity of the light-emitting microwave discharge. Again, for a bactericidal UV irradiator, this drawback is not as significant as for a lighting device.
3. В описании аналога [5] не предусмотрена возможность построения устройства для случая его использования в осветительных, а не в облучательных целях, т.е. не предусмотрена постановка СВЧ-непрозрачного, например, сетчатого экрана. И никаких технических решений проблемы компромиссного выбора конструкции с позиций светопрозрачности и СВЧ-непрозрачности не предложено.3. The description of the analogue [5] does not provide for the possibility of constructing a device for the case of its use for lighting, and not for irradiation purposes, i.e. The setting of a microwave-opaque, for example, mesh screen is not provided. And no technical solutions to the problem of compromise design choice from the standpoint of translucency and microwave opacity have not been proposed.
Подытоживая рассмотрение известных технических решений, по тем или иным признакам являющихся аналогами заявляемого объекта, можно заключить, что по большинству совпадающих признаков аналог [4] следует признать прототипом. Поэтому рассмотрим более детально конструктивные особенности и недостатки [4], которые было бы важным избежать в заявляемом объекте. Так, из еще не отмеченных особенностей конструкции [4], связанных с тем, что рассматриваемый СВЧ-возбудитель предназначен для использования в замкнутом объеме рабочей камеры бактерицидной установки комбинированного воздействия (СВЧ-УФ-озон) на обрабатываемый объект, выделим следующие:Summing up the consideration of well-known technical solutions, which for one reason or another are analogues of the claimed object, we can conclude that for most of the matching features, the analogue [4] should be recognized as a prototype. Therefore, we consider in more detail the design features and disadvantages [4], which would be important to avoid in the claimed object. So, from the construction features that have not yet been noted [4], related to the fact that the microwave exciter in question is intended for use in a closed volume of the working chamber of a bactericidal installation of combined effect (microwave-UV ozone) on the treated object, we distinguish the following:
1. СВЧ-возбудитель безэлектродной лампы по [4] применительно к осветительным устройствам, т.е. к использованию вне замкнутой камеры, не пригоден, поскольку не содержит средств, препятствующих излучению СВЧ-энергии в окружающее лампу пространство.1. The microwave exciter of an electrodeless lamp according to [4] as applied to lighting devices, i.e. It is not suitable for use outside a closed chamber, since it does not contain any means that impede the emission of microwave energy into the space surrounding the lamp.
2. Металлическая втулка, являющаяся продолжением наружного проводника коаксиальной линии, укреплена в лампе посредством клеевого соединения и имеет хотя и не непосредственный, но развитый тепловой контакт с лампой. Если в безэлектродной бактерицидной лампе используется УФ-излучающий разряд низкого давления (например, при аргонно-ртутном наполнении), то в нем поглощается лишь небольшая доля (~10%) СВЧ-энергии накачки. Рабочую температуру колбы при этом удается и следует удерживать относительно невысокой (~60-70° С). Этому способствует и отвод тепла от колбы к втулке через упомянутый термоконтакт. При указанных низких температурах не возникает проблем с выбором клеящего втулку вещества и с его долговременной термомеханической стойкостью, да и с выбором материала самой втулки.2. The metal sleeve, which is a continuation of the outer conductor of the coaxial line, is fixed in the lamp by means of an adhesive joint and has, although not direct, but developed thermal contact with the lamp. If a low-pressure UV-emitting discharge is used in an electrodeless bactericidal lamp (for example, during argon-mercury filling), then only a small fraction (~ 10%) of the microwave pump energy is absorbed in it. In this case, the working temperature of the flask succeeds and should be kept relatively low (~ 60-70 ° C). This is facilitated by the removal of heat from the bulb to the sleeve through the aforementioned thermal contact. At the indicated low temperatures, there are no problems with the choice of a substance that glues the sleeve and with its long-term thermomechanical resistance, and with the choice of material for the sleeve itself.
Совершенно иная ситуация возникает в случае использования разряда высокого давления. Так, в безэлектродных лампах с квазисолнечным спектром оптического излучения (так называемых серных лампах, в том числе и в аналогах [1-3]) рабочая температура колбы превышает 700° С (на поддержание безэлектродного разряда расходуется ~90% СВЧ-энергии накачки). Важным условием стационарной работы такой лампы является полное испарение рабочего наполнителя, т.е. недопущение ни в одной точке внутренней поверхности колбы температуры более низкой, чем температура кипения рабочего вещества. Если рабочее вещество-наполнитель представляет собой специально подобранную композицию (двух- или многокомпонентную смесь) для получения требуемой "цветности" оптического излучения, то указанная поверхность колбы должна в любой ее точке иметь температуру, более высокую, чем температура полного испарения самой "труднокипящей" компоненты в указанной композиции. Поэтому наличие теплоотводящего элемента, находящегося в термоконтакте с колбой лампы, может оказаться противоречащим указанному условию. Это означает, что температура колбы в зоне контакта с теплоотводящим элементом должна быть весьма высокой (те же 700° С для серной лампы). Тогда в "отдаленных" от контакта точках колбы температура может оказаться чрезмерно высокой. Но, пожалуй, главной технической проблемой может оказаться практическое обеспечение согласованных коэффициентов термического расширения (КТР) разнородных контактирующих материалов. Применительно к прототипу [4] - это материалы колбы (кварц), соединителя (клей, мастика, цемент и т.п.) и втулки (металл). Поскольку прототип [4] изначально не рассчитан на использование высокотемпературных ламп, постольку и никаких средств решения этой проблемы или ее "обхода", например, путем использования неких элементов, работоспособных при высоких температурах, минимально отводящих тепло от колбы и позволяющих избежать термомеханических (возможно, разрушающих) нагрузок лампы и тем самым обеспечить прочность и надежность устройства в целом, в конструкции [4] не предусмотрено. Заметим, что в традиционных построениях СВЧ-возбудителей со сферической кварцевой лампой на кварцевом же стержне-держателе (как в аналоге [3]), а также в нетрадиционных, с кварцевой тороидальной лампой на радиальных кварцевых же держателях (как в аналоге [1, 2]), подобных проблем, связанных с теплоотводом, КТР, выбором материалов, либо не возникает, либо они не столь остры.A completely different situation arises when using a high pressure discharge. So, in electrodeless lamps with a quasi-solar spectrum of optical radiation (the so-called sulfur lamps, including analogues [1-3]), the working temperature of the bulb exceeds 700 ° C (~ 90% of the microwave pump energy is consumed to maintain an electrodeless discharge). An important condition for the stationary operation of such a lamp is the complete evaporation of the working filler, i.e. preventing at any point on the inner surface of the flask a temperature lower than the boiling point of the working substance. If the working substance-filler is a specially selected composition (two- or multicomponent mixture) to obtain the desired “color” of optical radiation, then the indicated surface of the flask should at any point have a temperature higher than the temperature of complete evaporation of the “hardly boiling” component in the specified composition. Therefore, the presence of a heat sink element in thermal contact with the bulb of the lamp may be contrary to this condition. This means that the temperature of the bulb in the zone of contact with the heat sink element must be very high (the same 700 ° C for a sulfur lamp). Then, at the “distant” points of the bulb, the temperature may turn out to be excessively high. But perhaps the main technical problem may be the practical provision of coordinated coefficients of thermal expansion (CTE) of heterogeneous contacting materials. With reference to the prototype [4], these are materials of a flask (quartz), a connector (glue, mastic, cement, etc.) and a sleeve (metal). Since the prototype [4] was not originally designed for the use of high-temperature lamps, so far there is no way to solve this problem or to "bypass" it, for example, by using certain elements that are operable at high temperatures, minimally removing heat from the bulb and avoiding thermomechanical (possibly destructive) loads of the lamp and thereby ensure the strength and reliability of the device as a whole, in the design [4] is not provided. Note that in traditional designs of microwave exciters with a spherical quartz lamp on a quartz holder rod (as in the analogue of [3]), as well as in non-traditional ones with a quartz toroidal lamp on radial quartz holders (as in the analogue of [1, 2 ]), similar problems associated with heat removal, KTR, the choice of materials, either do not arise, or they are not so acute.
Таким образом, конструкция сочленения собственно безэлектродной лампы с коаксиальной линией, будучи рациональной для построения СВЧ-возбудителя [4] (и бактерицидной УФ-облучательной установки в целом) на базе безэлектродной низкотемпературной лампы низкого давления, является совершенно неприемлемой для построения осветительного устройства на базе безэлектродной высокотемпературной лампы с разрядом высокого давления. Однако именно такие лампы (например, серные) являются наиболее перспективными для построения осветительных устройств.Thus, the design of the articulation of the electrodeless lamp itself with the coaxial line, being rational for constructing a microwave exciter [4] (and a bactericidal UV irradiation unit as a whole) on the basis of an electrodeless low-temperature low-pressure lamp, is completely unacceptable for constructing a lighting device based on an electrodeless high temperature lamp with high pressure discharge. However, precisely such lamps (for example, sulfur) are the most promising for the construction of lighting devices.
Поэтому было бы весьма желательно, сохраняя достоинства прототипа [4], связанные с использованием в СВЧ-возбудителе азимутально симметричного поля, присущего ТЕМ-волне, и "незагрязненность" этого поля паразитными волнами, обеспечить одновременно высокую световую отдачу, СВЧ-непрозрачность устройства и оптимальный температурный режим лампы, а также высокие показатели надежности и малогабаритность.Therefore, it would be highly desirable, while preserving the advantages of the prototype [4], associated with the use of an azimuthally symmetric field inherent in the TEM wave in the microwave exciter and the "non-contamination" of this field by parasitic waves, to provide both high light output, microwave opacity of the device and optimal the temperature regime of the lamp, as well as high reliability and small size.
В целом это позволило бы создавать эффективные осветительные средства в различных модификациях и тем самым расширить арсенал перспективных светотехнических изделий и сферу их практического использования.On the whole, this would make it possible to create efficient lighting products in various modifications and thereby expand the arsenal of promising lighting products and the scope of their practical use.
Итак, конкретной задачей изобретения является создание устройства СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы, обеспечивающего:So, a specific object of the invention is to provide a device for a microwave exciter of an electrodeless lamp, providing:
- повышенную полную световую отдачу в видимой области спектра оптического излучения при одновременном непревышении допустимых уровней СВЧ-излучений в окружающее пространство;- increased total light output in the visible region of the spectrum of optical radiation while simultaneously not exceeding the permissible levels of microwave radiation in the surrounding space;
- оптимальный температурный режим безэлектродной лампы, не требующий вращения последней и соответствующий выбранному составу рабочего наполнителя.- the optimum temperature regime of an electrodeless lamp, not requiring rotation of the latter and corresponding to the selected composition of the working filler.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого устройства, отвечающего указанной задаче, состоит в следующем.The technical result that can be obtained by implementing the proposed device that meets the specified task is as follows.
Во-первых, обеспечивается возможность увеличения выходного светового потока без повышения подводимой мощности СВЧ-накачки и, следовательно, мощности, потребляемой от питающей сети. Это означает увеличение световой отдачи или полного КПД устройства. При этом за достигаемый положительный эффект не приходится платить увеличением мощности СВЧ-излучений, просачивающихся в окружающее пространство, создающих помехи в радиоэфире и ухудшающих экологическую обстановку в среде обитания.Firstly, it is possible to increase the output light flux without increasing the input power of the microwave pump and, therefore, the power consumed from the mains. This means an increase in light output or full efficiency of the device. At the same time, one does not have to pay for the achieved positive effect by increasing the power of microwave radiation seeping into the surrounding space, creating interference in the radio air and worsening the environmental situation in the environment.
Во-вторых, обеспечиваются азимутальная симметрия в топографии СВЧ-поля накачки и высокий уровень амплитуд СВЧ-электрической составляющей в зоне расположения лампы. Это в целом обуславливает надежное зажигание и высокую скорость установления стационарного режима разряда и оптимального распределения температур в баллоне. При этом указанный технический результат достигается без использования вращения лампы.Secondly, azimuthal symmetry in the topography of the microwave pump field and a high level of amplitudes of the microwave electric component in the zone where the lamp is located are ensured. On the whole, this leads to reliable ignition and a high rate of establishment of a stationary discharge regime and optimal temperature distribution in the cylinder. Moreover, the specified technical result is achieved without using lamp rotation.
Решение вышеназванной задачи и соответствующий технический результат достигаются тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии и осесимметричную безэлектродную лампу со сформированной вдоль оси симметрии сквозной вневакуумной полостью, в которой соосно размещен центральный проводник коаксиальной линии, лампа размещена в линии между ее центральным и наружным проводниками, при этом центральный проводник расположен в сквозной полости по всей длине лампы и короткозамкнут на конце линии с наружным проводником, который в зоне расположения лампы выполнен, по меньшей мере, с одной сквозной продольной щелью, кроме того, лампа установлена в линии на центрирующей опоре из термостойкого диэлектрического материала с низкой теплопроводностью.The solution of the above problem and the corresponding technical result are achieved by the fact that in the proposed device containing a coaxial microwave energy transmission line and an axisymmetric electrodeless lamp with a through extravacuum cavity formed along the axis of symmetry, in which the central conductor of the coaxial line is coaxially placed, the lamp is placed in the line between it central and outer conductors, while the central conductor is located in the through cavity along the entire length of the lamp and is short-circuited at the end of the line with the outer the second conductor, which in the zone of the lamp is made with at least one through longitudinal slit, in addition, the lamp is installed in line on a centering support made of heat-resistant dielectric material with low thermal conductivity.
Предусмотрено, что наружный проводник со сквозными продольными щелями выполнен из электропроводных стержней, которые размещены по образующим проводника с азимутальными зазорами между соседними стержнями.It is envisaged that the outer conductor with through longitudinal slots is made of conductive rods that are placed along the generatrix of the conductor with azimuthal gaps between adjacent rods.
Предусмотрено также, что сквозные продольные щели в наружном проводнике выполнены с равными и/или различными по азимуту шириной и шагом.It is also envisaged that the through longitudinal slots in the outer conductor are made with equal and / or different in azimuth width and pitch.
Предусмотрено, что центрирующая опора контактирует с лампой в локальных точках.It is envisaged that the centering support contacts the lamp at local points.
Предусмотрено также, что поверхность центрального проводника во вневакуумной полости лампы выполнена зеркально отражающей.It is also envisaged that the surface of the central conductor in the extra-vacuum cavity of the lamp is made mirror-like.
Дополнительными достоинствами предложенного устройства являются следующие.Additional advantages of the proposed device are as follows.
Во-первых, обеспечивается механическая и термомеханическая стойкость устройства, в том числе при многократных включениях-выключениях и в условиях вибрационных и ударных нагрузок.Firstly, the mechanical and thermomechanical resistance of the device is ensured, including during repeated on-off and under vibration and shock loads.
Во-вторых, обеспечивается возможность формирования ленточных световых потоков, например, путем использования цилиндропараболических внешних рефлекторов, а также потока иных форм, включая комбинированные с использованием сторонних несимметричных и симметричных отражателей.Secondly, it is possible to form tape light fluxes, for example, by using cylindrical-parabolic external reflectors, as well as a stream of other shapes, including combined ones using third-party asymmetric and symmetric reflectors.
В-третьих, обеспечивается возможность создания компактных световых приборов повышенной надежности, в частности, за счет минимизации числа входящих в прибор элементов, имеющих низкие значения такого показателя как наработка на отказ (это: двигатели вращения лампы, датчики информации о вращении лампы и т.п.).Thirdly, it is possible to create compact lighting devices of increased reliability, in particular, by minimizing the number of elements included in the device that have low values of such an indicator as MTBF (these are: lamp rotation motors, lamp rotation information sensors, etc. .).
Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".A comparative analysis of the proposed design of the microwave exciter of an electrodeless lamp with the prior art and the lack of a description of a similar technical solution in known sources of information allows us to conclude that the proposed device meets the criterion of "novelty." The claimed device is characterized by a combination of features exhibiting new qualities, which allows us to conclude that the criterion of "inventive step".
На фиг.1 и 2 схематично показан СВЧ-возбудитель в продольном и поперечном по А-А сечениях соответственно.Figure 1 and 2 schematically shows the microwave exciter in the longitudinal and transverse along AA sections, respectively.
На фиг.3 показано сечение по А-А для варианта СВЧ-возбудителя с прорезными продольными светоизлучающими щелями в наружном проводнике коаксиальной линии.Figure 3 shows a section along aa for a variant of the microwave exciter with slotted longitudinal light emitting slots in the outer conductor of the coaxial line.
На фиг.4 показан вариант исполнения наружного проводника коаксиальной линии в зоне расположения лампы в виде азимутально дистанцированных стержней.Figure 4 shows a variant of the outer conductor of the coaxial line in the zone of the lamp in the form of azimuthally spaced rods.
На фиг.5 показан вариант исполнения наружного проводника в зоне расположения лампы с единственной светоизлучающей щелью.Figure 5 shows a variant of the outer conductor in the area of the lamp with a single light-emitting slit.
На фиг.1 представлена конструкция предлагаемого СВЧ-возбудителя, хотя и схематично, но достаточно конкретно отражающая сущность изобретения и его концептуальную основу, т.е. общую идеологию построения устройства для осветительных целей.Figure 1 shows the design of the proposed microwave pathogen, although schematically, but rather specifically reflects the essence of the invention and its conceptual basis, i.e. general ideology of building a device for lighting purposes.
Так, на фиг.1, 2 показан фрагмент коаксиальной линии передачи СВЧ 1, канализирующей от непоказанного на фиг.1 СВЧ-генератора электромагнитных колебаний энергию накачки (Рсвч) к безэлектродной лампе 2.So, in Fig.1, 2 shows a fragment of a coaxial microwave transmission line 1, channeling from the microwave energy generator, not shown in Fig.1, the pump energy (P microwave ) to an
Лампа 2 выполнена в форме сосуда Дьюара. Вакуумноплотный откачанный и наполненный рабочим веществом (например, серой, металлогалогенным композитом и т.п.) баллон имеет термостойкие СВЧ- и светопрозрачные (например, кварцевые) стенки: боковые наружную 3 и внутреннюю 4 и торцевые 5, 6, вакуумноплотно соединяющие между собой боковые стенки 3, 4. На фиг.1 стенки 3 и 4 выполнены цилиндрическими по всей длине лампы 2. При таком исполнении в лампе 2 образована ограниченная внутренней стенкой 4 сквозная вневакуумная полость 7 (см. фиг.2), как это имеет место и в прототипе [4]. Вдоль оси лампы 2 в полости 7 соосно с внутренней стенкой 4 расположен центральный (внутренний) проводник 8, являющийся участком и продолжением внутреннего проводника 9 коаксиальной линии 1, канализирующей энергию СВЧ-накачки на волне типа ТЕМ.
В отличие от прототипа [4], в котором и наружный, и центральный (внутренний) проводники коаксиальной линии расположены в сквозной полости баллона лампы и простираются вдоль ее оси только на некоторой части длины лампы, в устройстве, показанном на фиг.1, только центральный проводник 8 расположен в сквозной полости 7 и простирается в ней вдоль оси лампы 2 на всю ее длину. Более того, этот центральный проводник 8 выступает за торец 6 лампы 2, что, как будет показано ниже, может быть использовано для присоединения других элементов конструкции. Лампа 2 зафиксирована относительно центрального проводника 8 без непосредственного соприкосновения с ним (по крайней мере на "горячей" части длины лампы 2). Эта фиксация в конкретном исполнении по фиг.1 осуществлена посредством посадочных центрирующих опор 10, 11, выполненных в виде втулок из термостойкого диэлектрика (того же кварца), обладающего малой теплопроводностью и тем же КТР, что и материал баллона лампы 2. В таком построении длина посадочных частей и толщина (в том числе - переменная по длине) стенок центрирующих кварцевых втулок-опор 10, 11 выбирается из условий обеспечения требуемого низкого теплоотвода от лампы 2 и достижения оптимального распределения температуры по длине лампы 2. Не ревизуя сути изобретения, указанные центрирующие и теплорегулирующие втулки-опоры 10, 11 могут быть выполнены зацело с баллоном лампы 2, а также съемными, контактирующими с внутренней стенкой 4 лампы 2 только на локальных точках ее поверхности, могут быть снабжены отверстиями для выхода воздуха и регулирования теплоотвода. Эти варианты на фигурах мы не иллюстрируем за очевидностью возможных очертаний.In contrast to the prototype [4], in which both the outer and central (inner) conductors of the coaxial line are located in the through cavity of the lamp balloon and extend along its axis only on some part of the lamp length, in the device shown in FIG. 1, only the central the
Центрирующие втулки-опоры 10, 11 закреплены соответственно в посадочных проточках 12, 13. При этом посадочное место 12 выполнено в теле наружного проводника 14 коаксиальной линии передачи 1, подводящей мощность СВЧ-накачки Рсвч. Посадочное место 13 выполнено в короткозамыкателе 15. На фиг.1 посадочные места 12, 13 показаны схематично без каких-либо амортизаторов или теплорегулирующих прокладок. В конкретных исполнениях предложенного устройства такие общеизвестные элементы, естественно, могут быть установлены, в частности, в обеспечение виброударопрочности. Наружный проводник 14 линии 1 снабжен соосным светопрозрачным участком 16. На фиг.1 и 2 этот участок 16 показан в форме тонкостенной электропроводной трубы, окружающей без соприкосновения наружную стенку 3 лампы 2 и являющейся продолжением наружного проводника 14 коаксиальной линии 1 вплоть до короткозамыкателя 15. Светопрозрачность участка 16 обеспечена за счет выполнения в нем продольных сквозных щелей 17, дистанцированных одна от другой по азимуту. Таким образом, между соседними щелями остается непрозрачный электропроводный простенок 18, а в целом участок 16 приобретает форму "беличьего колеса".The centering bushings bearings 10, 11 are fixed respectively in the mounting grooves 12, 13. In this case, the seat 12 is made in the body of the outer conductor 14 of the coaxial transmission line 1 supplying microwave power P microwave . The seat 13 is made in the short-circuit breaker 15. In figure 1, the seats 12, 13 are shown schematically without any shock absorbers or heat-regulating gaskets. In specific versions of the proposed device, such well-known elements, of course, can be installed, in particular, to ensure vibration resistance. The outer conductor 14 of line 1 is provided with a coaxial
Угловая (азимутальная) ширина φ i (i=1, 2, 3 ... ) щелей 17 на фиг.2 показана одинаковой для всех щелей (как и на фиг.4, где она не обозначена). Одинаковыми показаны и азимутальные расстояния-шаги τ i (т.е. непрозрачные для света простенки 18) между соседними щелями 17. Это не является обязательным условием исполнения светопрозрачного участка 16 наружного проводника 14. В общем случае φ ≠ φ 2≠ φ 3 ... и τ 1≠ τ 2≠ τ 3 ... (см. фиг.3). Общее число щелей 17 в рамках идеи изобретения не лимитируется. В предельном случае может быть выполнена единственная щель с азимутальной шириной (раскрывом) φ 1 (фиг.5), что, однако, может понадобиться лишь в ограниченном числе специальных применений СВЧ-возбудителя со специальными же внешними формирователями светового потока. Принципиально важным в конструкции участка 16 и СВЧ-возбудителя в целом является обеспечение его СВЧ-непрозрачности при высокой светопрозрачности. В конкретном исполнении устройства на фиг.1, 2 СВЧ-непрозрачность участка 16 ("беличьего колеса") обеспечена тем, что размеры поперечного сечения этого участка коаксиальной линии допускают существование только ТЕМ волны (низшей из возможных) и соответственно как в центральном (внутреннем) проводнике 8, так и в электропроводных простенках 18 участка 16 протекают только продольные СВЧ-токи, не пересекающие щели 17.The angular (azimuthal) width φ i (i = 1, 2, 3 ...) of the
Как показано на фиг.1, короткозамыкатель 15 расположен на расстоянии от середины лампы 2, равном нечетному числу четвертей длины волны (λ раб) рабочих колебаний СВЧ-накачки. Это означает, что "центр" лампы 2 оказывается в зоне пучности электрической составляющей СВЧ-поля стоячей волны ТЕМ, что облегчает зажигание и последующее поддержание безэлектродного разряда с симметричной относительно середины лампы 2 формой светящего тела. Указанное положение короткозамыкателя относительно средней поперечной плоскости симметрии лампы 2, выбираемое для "приведения" пучности поля стоячей волны в наперед заданную координату на оси СВЧ-возбудителя, не относится к отличительным признакам предлагаемой конструкции, ибо общеизвестно в технике СВЧ.As shown in figure 1, the short circuit 15 is located at a distance from the middle of the
На фиг.3 укрупненно показан вид поперечного сечения светопрозрачного, но СВЧ-непрозрачного участка 16 с прорезными продольными светоизлучающими щелями 17, а на фиг.4 - аналогичный вид участка 16 ("беличьего колеса"), образованного осесимметричной группой азимутально дистанцированных электропроводных стержней или струн 19 (в общем случае - с неравными угловыми расстояниями друг от друга: Ψ 1≠ Ψ 2≠ Ψ 3 ... ). При этом угловые (азимутальные) зазоры φ i между этими стержнями 19 образуют те же светоизлучающие СВЧ-непрозрачные щели 17, что и на фиг.3. Стержни (струны) 19 присоединены к наружному проводнику 14 коаксиальной линии 1 и к короткозамыкателю 15 с обеспечением электрического контакта (например, приварены лазерной сваркой).Figure 3 shows an enlarged cross-sectional view of a translucent but microwave
Из прочих особенностей предлагаемой конструкции (фиг.1) необходимо отметить следующие. Так, для получения возможно большего светового потока, направляемого на освещаемый объект, поверхность центрального (внутреннего) проводника 8 выполнена зеркально отражающей, например, полированной. Это способствует отражению и инфракрасных (ИК) излучений обратно в лампу 2, и, соответственно, снижает температуру центрального проводника 8 и уровень СВЧ-потерь в нем. На фиг.1 центральный проводник 8 показан в наиболее упрощенном исполнении. Не ревизуя конструкции заявляемого объекта, легко видеть, что центральный проводник 8 может быть выполнен полым, например, с каналом для пропускания охлаждающего агента (например, воздуха). При необходимости увеличения теплосъема с центрального проводника 8, нагреваемого СВЧ-токами и ИК-излучениями высокотемпературной лампы 2, конец центрального проводника 8 (показанный на фиг.1 выступающим за пределы короткозамыкателя 15 и оборванным) может быть оребрен или снабжен съемным радиатором, который из-за многообразия возможных форм вообще не показан. Ребра непоказанных радиаторов могут быть также выполнены в теле наружного проводника 14 и короткозамыкателя 15.Of the other features of the proposed design (figure 1) it should be noted the following. So, to obtain the largest possible luminous flux directed to the illuminated object, the surface of the central (inner)
Далее, не уклоняясь от сущности изобретения, конструкция, показанная на фиг.1-5, предусматривает возможность выполнения участка 16 (например, стержней или струн 19) и центрального проводника 8 из материалов с различными КТР с учетом различий в рабочих температурах этих элементов и требований по недопущению их деформаций (особенно при использовании тонких стержней и струн 19).Further, without departing from the essence of the invention, the construction shown in FIGS. 1-5 provides for the possibility of making section 16 (for example, rods or strings 19) and a
Для сохранения достаточного (не зависящего от теплового режима лампы 2) натяжения струн (стержней) 19 кроме выбора материалов с различными КТР для струн 19 и центрального проводника 8, конструкция (фиг.1) подразумевает возможность выполнения короткозамыкателя 15 в виде термокомпенсатора с термобиметаллическим элементом. На фиг.1 это устройство не детализируется как выходящее за рамки настоящего изобретения по ряду признаков, которые не предлагаются здесь к патентной защите.To maintain a sufficient (independent of the thermal condition of the lamp 2) tension of the strings (rods) 19, in addition to choosing materials with different KTPs for
Наконец, заметим, что выполнение центрального проводника 8 с длиной, превышающей длину лампы 2 (в частности, на фиг.1 центральный проводник показан выступающим за короткозамыкатель 15), предусматривает возможность не только упомянутой выше постановки на центральный проводник 8 радиатора, но и постановки элементов крепления внешнего рефлектора, что также не показано на фигурах.Finally, we note that the implementation of the
Работа предложенного СВЧ-возбудителя осуществляется следующим образом.The work of the proposed microwave pathogen is as follows.
При поступлении СВЧ-мощности Рсвч от СВЧ-генератора в коаксиальную линию 1 в ней распространяется низший тип волны - ТЕМ. Эта волна проходит в зону, где соосно с наружным 16 и центральным 8 проводниками посредством диэлектрических (кварцевых) втулок 10, 11 зафиксирована безэлектродная лампа 2. ТЕМ-волна проходит к короткозамыкателю 15 и, отражаясь от него обратно к лампе 2, образует стоячую волну. Ближайшая к короткозамыкателю 15 пучность стоячей волны располагается на расстоянии четверти длины волны от короткозамыкателя 15. Структура (топография) СВЧ-поля при этом азимутально симметрична и характеризуется радиально направленными силовыми линиями электрического СВЧ-поля (с достаточно большими амплитудами), вызывающего радиальное же перемещение носителей заряда в безэлектродной лампе 2. Если напряженность СВЧ электрического поля по крайней мере в пучности стоячей волны достигает потенциала зажигания парогазовой смеси, находящейся в лампе 2 при предстартовых температуре и давлении, то в лампе возникает безэлектродный СВЧ-разряд.Upon receipt of the microwave power P microwave from the microwave generator to the coaxial line 1, the lowest type of wave — TEM — propagates in it. This wave passes into the zone where the
По мере развития разряда от стартового до стационарного состояния происходит достаточно быстрый нагрев лампы 2 (чему способствуют отражения ИК-излучений от зеркальной поверхности центрального проводника 8), сопровождающийся испарением всех компонентов рабочего вещества-наполнителя и соответствующим ростом давления в лампе. Стационарное состояние безэлектродного разряда характеризуется установлением равновесного режима (давления в лампе 2, температуры и ее распределения в стенках 3 и 4 и втулках 10, 11, уровня поддерживающей СВЧ-разряд и поглощаемой им СВЧ-мощности накачки, постоянства величин светового потока и его спектрального состава).As the discharge develops from the starting to the stationary state, the
В стационарном состоянии СВЧ-разряда "светящее тело" обладает азимутальной симметрией и приобретает трубчатую форму, как бы охватывая центральный проводник 8. Стационарному режиму светоизлучающего безэлектродного разряда соответствует и минимальный уровень СВЧ-излучений, просачивающихся в окружающее СВЧ-возбудитель пространство сквозь достаточно широкие светоизлучающие щели 17 участка 16, являющегося продолжением наружного проводника 14 коаксиальной линии передачи 1. Низкий уровень СВЧ-излучений, определенный в описании как "СВЧ-непрозрачность" участка 16, обусловлен двумя обстоятельствами.In the stationary state of the microwave discharge, the “luminous body” has azimuthal symmetry and takes on a tubular shape, as if covering the
Во-первых, тем, что ТЕМ типу волны, "незагрязненной" паразитными волнами, присущи только продольные СВЧ-токи в проводниках 8, 18, 19, не пересекающие светоизлучающие щели 17, несмотря на то, что последние в обеспечение высокого "выхода" светового потока выполнены достаточно широкими. Это особенно важно на стадии "разгорания" СВЧ-разряда, когда в нем поглощается относительно меньшая доля СВЧ-энергии накачки.Firstly, because the TEM type of wave, “unpolluted” by parasitic waves, is characterized by only longitudinal microwave currents in
Во-вторых, тем, что в стационарном режиме на поддержание светоизлучающего СВЧ-разряда высокого давления полезно расходуется почти вся мощность СВЧ-накачки (оценочно: 90%).Secondly, in the fact that in the stationary mode, almost the entire microwave pump power is useful to maintain a high-pressure light-emitting microwave discharge (estimated: 90%).
В результате оптимизируется конструкция устройства с позиций достижения высокой светопрозрачности (а значит, и повышенной результирующей световой отдачи) при одновременном обеспечении пониженных уровней СВЧ-излучений.As a result, the design of the device is optimized from the standpoint of achieving high translucency (and, therefore, increased resulting light output) while ensuring reduced levels of microwave radiation.
Кроме того, устройство работает, не требуя применения вращения лампы, а следовательно, и использования приводов, консольных держателей и т.п. элементов, увеличивающих массу и габариты, но, главное, ограничивающих время безотказной работы и стойкость устройства в отношении виброударных нагрузок. Тем самым повышаются долговечность и надежность СВЧ-возбудителя и осветительного прибора в целом. Таким образом, работа устройства иллюстрирует решенность поставленной задачи.In addition, the device operates without requiring the use of lamp rotation, and consequently, the use of drives, cantilever holders, etc. elements that increase mass and dimensions, but, most importantly, limit the uptime and device resistance to vibration shock loads. This increases the durability and reliability of the microwave exciter and the lighting device as a whole. Thus, the operation of the device illustrates the solution of the problem.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003115678/09A RU2236721C1 (en) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Microwave exciter for electrodeless gas-discharge lamp |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003115678/09A RU2236721C1 (en) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Microwave exciter for electrodeless gas-discharge lamp |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2236721C1 true RU2236721C1 (en) | 2004-09-20 |
| RU2003115678A RU2003115678A (en) | 2004-11-20 |
Family
ID=33433935
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003115678/09A RU2236721C1 (en) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Microwave exciter for electrodeless gas-discharge lamp |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2236721C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2604643C2 (en) * | 2010-12-27 | 2016-12-10 | Карлсруэр Институт Фюр Технологи | Lighting means and method for operating same |
| RU2653057C2 (en) * | 2015-09-02 | 2018-05-07 | Сергей Владимирович Жильников | Device for functioning of the artificial source of light (two versions) |
| CN115978785A (en) * | 2022-12-19 | 2023-04-18 | 四川大学 | Coaxial slotted radiator, continuous flow liquid heating system and heating method |
-
2003
- 2003-05-26 RU RU2003115678/09A patent/RU2236721C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ж. "Светотехника". 1999, №1, с.8-9. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2604643C2 (en) * | 2010-12-27 | 2016-12-10 | Карлсруэр Институт Фюр Технологи | Lighting means and method for operating same |
| RU2653057C2 (en) * | 2015-09-02 | 2018-05-07 | Сергей Владимирович Жильников | Device for functioning of the artificial source of light (two versions) |
| CN115978785A (en) * | 2022-12-19 | 2023-04-18 | 四川大学 | Coaxial slotted radiator, continuous flow liquid heating system and heating method |
| CN115978785B (en) * | 2022-12-19 | 2024-03-19 | 四川大学 | Coaxial slotting radiator, continuous flow liquid heating system and heating method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7830092B2 (en) | Electrodeless lamps with externally-grounded probes and improved bulb assemblies | |
| KR100446154B1 (en) | High frequency discharge energy supply means and high frequency induction discharge lamp device | |
| US8169152B2 (en) | Plasma lamp with field-concentrating antenna | |
| US3942058A (en) | Electrodeless light source having improved arc shaping capability | |
| US9281176B2 (en) | Microwave plasma lamp with rotating field | |
| JP2008504651A (en) | Plasma lamp with light transmissive waveguide | |
| US8629616B2 (en) | Arc tube device and stem structure for electrodeless plasma lamp | |
| US3942068A (en) | Electrodeless light source with a termination fixture having an improved center conductor for arc shaping capability | |
| US6979952B2 (en) | Electrodeless lamp system with orthogonally disposed resonance units | |
| Offermanns | Electrodeless high‐pressure microwave discharges | |
| RU2236721C1 (en) | Microwave exciter for electrodeless gas-discharge lamp | |
| JP3217001B2 (en) | Electrodeless discharge lamp | |
| JP6873152B2 (en) | Adapter that forms an electromagnetic field that heats toroidal plasma discharges at microwave frequencies | |
| CN100356504C (en) | Electrodeless lighting system | |
| US9177779B1 (en) | Low profile electrodeless lamps with an externally-grounded probe | |
| US9099291B2 (en) | Impedance tuning of an electrode-less plasma lamp | |
| KR101736364B1 (en) | Electrodeless lighting system including reflector | |
| RU2191443C1 (en) | Electrodeless gas-discharge lamp | |
| Gilliard et al. | Longitudinally mounted light emitting plasma in a dielectric resonator | |
| RU2185004C2 (en) | Microwave exciter of electrodeless gas-discharge lamp (alternatives) | |
| RU2161875C1 (en) | Shf driver of electrode-free gaseous-discharge lamp | |
| RU2223615C2 (en) | Superhigh-frequency exciter of electrodeless gas-discharge lamp | |
| KR19990058470A (en) | Microwave light fixtures | |
| US8247988B2 (en) | Compact delay line structures for field applicators for operation of electrodeless gas discharge lamps | |
| JP2023524507A (en) | tubular electrodeless lamp |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080527 |