РАЗРАБОТКА БЕЗЭЛЕКТРОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВИДИМОГО СВЕТА НА ОСНОВЕ СВЧ-РАЗРЯДА

December 3, 2014 by admin Комментировать »

А. Н. Диденко Б. В. Зверев2, А. В. Прокопенко2

Отделение Физико-технических проблем энергетики РАН, Москва; Московский государственный инженерно-физический институт

Введение

В конце XX в. СВЧ-энергетика обогатилась новым направлением, которое связано с созданием высокоэффективных источников света на основе использования для этих целей СВЧ-разряда в серосодержащих средах [1-4]. Создание эффективных источников света является одной из давних, но не потерявших своей актуальности проблем, всегда привлекавших ученых и инженеров. Сущность ее сводится к следующему.

Спектральная плотность излучения тела, нагретого до температуры короны Солнца Тк = 5800°С, /ν изображена на рис. 1.

Здесь h – 6,62· 10"34 Джс – постоянная Планка, а =

= 1,38· 10"23 Дж/град – постоянная Больцмана. Из нее видно, что на диапазон человеческого глаза приходится 31% излучаемой энергии. Таким образом, КПД Солнца как источника естественного излучения равен 31%.

К сожалению, ни один из элементов периодической таблицы нельзя нагреть до такой температуры без его расплавления или перехода в газово-плазменное состояние, поэтому в земных условиях невозможно создание источника света с высоким КПД. У существующих источников света на основе тел накала максимум излучения приходится на более длинные волны, поскольку для любого нагретого тела справедливо соотношение · Т = const. Именно поэтому все лампы накаливания имеют КПД на уровне 2-3% (рис. 2).

Более высокий КПД (~ 10-15%) имеют лампы дневного света, но их спектральные характеристики существенно отличаются от спектральных характеристик Солнца, и поэтому они имеют низкий цветовой индекс ~ 40-50%.

В принципе, высокоэффективный источник СВЧ- света можно создать на основе плазмы, если некоторый объем, ограниченный плазмой, нагреть до Т= 7к= 5800°С, т. е. в лабораторных условиях получить искусственное Солнце, которое имело бы КПД преобразования вложенной в него энергии в свет на уровне 31%. К сожалению, эта, на первый взгляд, простая задача не имеет интересного для практического использования решения. На самом деле, плазма будет излучать как абсолютно черное тело, если для радиуса шара плазмы R выполняется следующее неравенство:

где пе и П[ – плотность электронной и ионной компонент плазмы. При Те = 6000°С радиус плазменного шара будет порядка 1 см, если η > 31018 1/см3. Это означает, что плазма будет излучать как абсолютно черное тело, если она будет достаточно плотной. Но не эта проблема будет главной. Дело в том, что плазменный шарик радиусом R = 1 см, нагретый до ~ 6000°С, излучил бы мощность W = gtT4S = 92,3 кВт. Ясно, что ни о каком источнике света на этой основе, пригодном для практического использования, говорить не приходится. Все вышеизложенное свидетельствует, что разработка источников света возможна только на основе использования атомных и молекулярных спектров излучения определенных элементов или их соединений. К сожалению, атомные спектры всех элементов лежат в коротковолновом диапазоне.

В настоящее время научная общественность уделяет значительное внимание безэлеродным разрядам с парами молекулярных соединений как перспективным источникам видимого света. СВЧ-разряды низкого давления с парами ртути уже более тридцати лет используются как высокоэффективные источники ультрафиолетового излучения. Впервые высокоэффективный источник видимого света на базе СВЧ-разряда с парами серы был представлен фирмой Fussion Lighting (США) в 1992 г. [3-4]. Лампа обладала спектральными характеристиками близкими к солнечным и высоким коэффициентом преобразования СВЧ-энергии в видимый свет (рис. 2). Первые промышленные образцы таких ламп SOLAR 1000™ уже использованы при современном внутреннем архитектурном освещении с помощью световодов зданий в США и Скандинавских странах [5]. Однако практическая реализация такого СВЧ-источника света, как показывает опыт Fusion Lighting, связана с рядом проблем, указанных ниже.

Источник света на основе СВЧ-разряда в парах серы

В кварцевой колбе, заполненной аргоном давлением ~ 150 Па (что соответствует минимуму кривой Пашена на частоте 2450 МГц – рис. 3), находится полиморфная сера в твердом состоянии. Если облучать колбу ВЧ- или СВЧ-излучением от какого-нибудь ВЧ- или СВЧ- генератора, то в ней образуется плазма, которая может быть источником светового излучения. Начинающийся в атмосфере Аг разряд приводит к повышению температуры на стенках колбы и образованию паров серы с парциальным давлением ~ (0,5 – 1)106 Па. При высоких давлениях паров серы существенное влияние на спектральные характеристики разряда и на поток излучения оказывает явление реабсорбции, когда УФ-излучение от резонансных линий атомов серы не выходит из разряда, а переизлучается молекулами серы в видимой области спектра. Аргоновое свечение в разряде по мере нагрева оболочки заменяется на свечение молекул полиморфной серы, спектральные характеристики излучения которой близки к спектральным характеристикам Солнца (рис. 4). Давление паров серы в ампуле определяется главным образом ее количеством ~ 3-5 мг/см3 и температурой оболочки колбы ~ 700°С.

Одним из наиболее важных вопросов является выбор частоты ВЧ-поля. Как известно, высокочастотные разряды возможны при выборе частот килогерцевого (индукционный разряд), мегагерцевого (ВЧ-разряд) и гигагерцевого (СВЧ-разряд) диапазонов. Проведем сравнение этих диапазонов с целью определения тех частот, при которых для получения разряда требуется минимальная мощность. При индукционном разряде под действием изменяющегося магнитного поля внутри катушки индуцируется вихревое электрическое поле Е ~ со. В когерцевом диапазоне оно мало и его недостаточно для пробоя.

Для определения рабочей частоты необходимо сравнить 3 величины: диаметр колбы D, длину свободного пробега / и амплитуду колебаний электронов А. При I» D электроны, естественно, не испытывают столкновений внутри камеры, а значит, не могут вызывать ионизацию. При D ~ 1-2 см это имеет место при давлении р ~ 10′2 мм рт. ст. Значит, для эффективной ионизации необходимо использовать давление буферного газа больше этой величины. Что касается соотношений между амплитудами колебаний электронов А и диаметром колбы D, то разряд в парах серы, являющейся электроотрицательным элементом, возможен тогда, когда электроны будут совершать в колбе осцилляторные колебания, т. е. когда А < D/2. Только в этом случае ионизация будет настолько интенсивной, что может компенсировать захват части электронов молекулами серы.

Рис. 4. Спектральное распределение излучения: 1 – солнечного света; 2 – серного СВЧ-источника света при высоком давлении Ps* Ю6 Па; 3 – глаза при дневном зрении; 4 – глаза при ночном зрении.

Рис. 3. Пороги СВЧ-пробоя аргона: при f= 2,8 ГГц λ = 0,15 см; при f= 0,99 ГГц λ = 0,63 см.

Как известно, если электрон движется в ВЧ-поле напряженностью Е<> с частотой ω, то для амплитуды колебаний имеет место следующее соотношение:

I где vc – частота столкновений. Еслии при Е0 ~ 200 В/см это неравенство выполняется при λ < 2 м. При ν0» ω должно выполняться следующее неравенство. Это означает, что граничная частота, при которой необходимая для пробоя напряженность высокочастотной компоненты электрического поля возрастает, зависит от диаметра колбы, давления газа внутри колбы и напряженности СВЧ-поля.

Важным вопросом является определение мощности СВЧ-генератора, необходимой для получения разряда в буферном газе и поддержания разряда в плазме после испарения и ионизации серы.

Если в качестве буферного газа использовать аргон, то, как видно из рис. 3, при/~ 3,0 ГГц минимальное пробивное напряжение (~200-300 В/см) будет при давлении в несколько миллиметров ртутного столба. Такую напряженность можно получить, если поместить колбу в резонатор с одной прозрачной для света стенкой. Тогда, поскольку, при

добротности Q = 100 мощность СВЧ-генератора должна быть примерно 10 Вт. На самом деле эффективная напряженность переменного поля £eff меньше Eq и поэтому для возбуждения разряда должно выполняться условие:

Поэтому для возбуждения плазмы необходимо использовать генератор с мощностью 100 Вт.

Для поддержания разряда в плазме требуется существенно меньшая напряженность поля. Эта напряженность Ed и электронная температура плазмы связаны между собой соотношениями [6]: где /- потенциал ионизации; R – радиус канала, в котором идет разряд; М- атомарная масса газа. Постоянная ст зависит от газа и, например, для аргона ст = 410"2. Зависимость между электронной температурой и ст, р, R изображена на рис. 5. Как видно из этого рисунка, при р~ 1-5 мм рт. ст. и радиусе 7?~ 1 см электронная температура Ге«2103/, т. е. для Аг она примерно равна 3-104 К и уменьшается с увеличением давления. Подставляя это значение для TQ в выражение для Ed нетрудно определить, что на начальной стадии (когда vc« со)

Рис. 5. Универсальная кривая для вычисления Т/Те в положительном столбе в зависимости от стрЯ

и для молекулярной серы (М · с2 = 50 ГэВ) Ed~ 0,4 В/см. Эта величина увеличивается до 1,,0 В/см с увеличением vc (когда vc>> со), однако это увеличение незначительно, поскольку с увеличением vc уменьшается Те. Строго говоря, формула (5) справедлива для упругих столкновений. Если существенную роль играют неупругие столкновения, то для поддержания разряда значение Ed необходимо увеличить примерно на порядок.

Вопрос об устойчивости образовавшейся плазмы приобретает особое значение в связи с непрерывным характером работы таких плазменных систем. Особое внимание заслуживают параметрические неустойчивости при ω « ωρ, которые могут возникать даже при незначительных напряженностях СВЧ-поля и приводить к нестабильному горению разряда. Проведенный анализ позволяет выбрать общий вариант СВЧ- лампы, работающей на стандартной частоте 2450 МГц с D ~ 2 см, заполнением серой примерно 5 мг/см3 объема колбы и мощностью питания не менее 100 Вт.

Прогресс в разработке безэлектродных серных ламп

При исследовании и практической реализации серных ламп возникают проблемы: а) обеспечения приемлемого теплового режима кварцевой оболочки колбы с газовой (Ar-S) смесью, при которой она не разрушается; б) вывода световой энергии из рабочей камеры при экологической безопасности по СВЧ-излучению; в) устойчивой работы питающего магнетрона на резонаторную нагрузку с переменным входным сопротивлением.

Для решения первой проблемы возможно использование в качестве рабочих камер резонаторов с аксиально-симметричным электромагнитным полем. Тепловой режим кварцевой колбы, размещенной в цилиндрическом резонаторе с колебаниями ТЕ0ц, существенно облегчается в случае ее размещения соосно резонатору. Электрическое поле тангенциально поверхности колбы, что позволяет уменьшить потоки электронов на стенки и обеспечить приемлемый тепловой режим без вращения оболочки колбы и ее обдува, как это выполнено в SOLAR 1000™. Особенно хорошие результаты были получены в случае применения тороидальной кварцевой колбы.

При разработке серной лампы рассматриваются разные Типы резонаторов и их возможные области применения. Как уже отмечалось ранее, предпочтение отдано резонаторам с аксиально-симметричным электрическим полем с колебаниями ТЕ0ц, среди которых можно выделить цилиндрический резонатор, световывод из которого осуществляется множеством мелких отверстий в корпусе резонатора (рис. 6). В этом резонаторе возможно использовать сферические и тороидальные колбы.

где Р – мощность питания, Q – собственная добротность, Ζ0 = = 377 Ом – сопротивление свободного пространства, R и L – радиус и длина резонатора, Jo, J\ – функции Бесселя; μοι = 3,832.

Рис. 6. Расположение ампул в цилиндрическом резонаторе с колебаниями ТЕ0ц.

Параметр напряженности электрического поля в таком ре зонаторе записывается как

Рис. 7. Рабочие камеры серных СВЧ-ламп

Для рабочих камер серных ламп можно использовать резонатор в виде параболоида вращения, раскрыв зеркала которого перекрыт мелкой проводящей сеткой. Сферическая колбочка с Ar-S-смесью помещена в фокусе параболоида, а световой поток из него направлен пучком и не требует дополнительной фокусировки (рис. 7, а). В качестве резонатора с аксиальносимметричным электрическим полем может использоваться сферический резонатор с колебаниями ΤΕιοι (рис. 7, б). Перспективным представляется диэлектрический резонатор (выполненный из полуволнового отрезка круглого диэлектрического волновода, ограниченного металлическими кругами). Ненаправленный световывод возможно осуществить с боковой поверхности (рис. 7, в).

Экспериментальные исследования СВЧ-ламп [2, 7-9], резонаторная рабочая камера которых возбуждается на колебаниях ΤΕοΐρ-типа с единственной составляющей электрического поля £φ, показали, что в практических конструкциях передача СВЧ-энергии корпусу ампулы может быть снижена, по крайней мере в 5 раз по сравнению с облучением прямым is-полем. Работа испытанных СВЧ-ламп при вводимой в резонатор мощности порядка 600 Вт и охлаждении ампулы свободной конвекцией воздуха сопровождалась в худшем случае (при неточном совпадении осей симметрии ампулы и корпуса резонатора) нагреванием ампулы до еле видного темно-красного свечения. Соответствующая температура ампул не превышала 570°С и была недостаточна для разрушения ее корпуса.

При использовании резонаторной рабочей камеры возникает проблема обеспечения устойчивой работы питающего магнетрона на нагрузку с переменным входным сопротивлением, так как при поджиге и горении разряда изменяется собственная добротность камеры, ее коэффициент связи с СВЧ-трактом и резонансная частота. Для решения этой проблемы предложено использование системы стабилизации частоты питающего генератора самой резонаторной нагрузкой, хорошо зарекомендовавшей себя в ускорительной технике (рис. 8).

Подробное рассмотрение системы приводится в [2, 10]. Возможность стабильной и устойчивой работы СВЧ-лампы со схемой стабилизации частоты магнетрона Ml05-1 без ферритового вентиля с коэффициентом передачи мощности η > 0,9η 0 была доказана экспериментально для всех рабочих камер.

Рис. 8. Схема системы стабилизации частоты магнетрона резонаторной нагрузкой.

Световывод в таких резонаторах осуществляется с помощью множества мелких отверстий в корпусе резонатора, запредельных для СВЧ-поля и занимающих не менее половины поверхности корпуса. Экологическая безопасность использованных световыводов из рабочих камер по СВЧ-излучению была экспериментально подтверждена.

Полученные результаты позволяют надеяться, что СВЧ-источники видимого света получат признание и будут серийно изготовляться после некоторых конструкторских доработок.

По результатам работы можно сделать следующие выводы:

1.            На базе СВЧ-разряда возможно создать высокоэффективные источники видимого света с оптимальными энергетическими характеристиками.

2.            Устойчивая работа лампы достигается использованием системы стабилизации частоты магнетрона резонаторной нагрузкой.

3.            Практически полный световывод возможно осуществить с помощью запредельных для СВЧ-поля отверстий в корпусе резонатора или при использовании светопрозрачных резонаторов и световодов.

4.            Тепловой режим оболочки кварцевой ампулы существенно улучшается, когда электрическое поле тангенциально ее поверхности. Предлагается использовать резонаторные рабочие камеры с аксиально-симметричными электромагнитными полями. Такие системы позволяют обеспечить приемлемый тепловой режим кварцевой оболочки без вращения и принудительного охлаждения.

Данная работа выполняется при поддержке РФФИ в рамках проекта № 00-02-16170.

Литература

1.        Диденко А. К, Виноградов Е. А., Ляхов ГА., Шипилов К. Ф. Высокоэффективный безэлектродный источник света с квазисолнечным спектром на основе тлеющего СВЧ-разряда // ДАН. 1995. Т. 344, № 2. С. 182-183.

2.        Диденко А. Н., Зверев Б. В. СВЧ-энергетика. М.: Наука, 2000. 262 с.

3.        MacLenan D. A., Doland J. Т., Ury М. G. New long-lived stable light source for projection-display applications // Soc. Inform. Display Intern. Symp. Digest Techn. Pap. 1992. V. 23. 460-463.

4.        Doland J\ T., Ury M. G., MacLennan D. A. A novel light efficacy microwave powered light source // Prec. VI Intern, simp, on science and technology of light sources. Budapest, 1992. 301-311.

5.        Шлифер Э. Д. Безэлектродные сверхчастотные газоразрядные лампы / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. М.: Дом света, 1999. Вып. 2(14). 24 с.

6.        Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 460 с.

7.        Диденко А. Н., Зверев Б. В. и др. Эффективные источники видимого света на основе диэлектрических резонаторов // Известия РАН. Сер. Энергетика. 1997, № 6. С. 134-139.

8.        Диденко А. Н., Зверев Б. В. и др. Малогабаритный СВЧ-источник видимого света на основе сферического резонатора // Известия РАН. Сер. Энергетика. 1997, № 6. С. 129-132.

9.        Диденко А. Н., Зверев Б. В., Прокопенко А. В. СВЧ-источник видимого света прожекторного типа // НТЖ Инженерная физика. 1999, №2. С. 34-37.

10.     Диденко А. Н., Зверев Б. В. и др. Высокоэффективная система питания СВЧ-источника видимого света от стабилизированного генератора//Известия РАН. Сер. Энергетика, 1998, № 1. С. 147-152.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты