№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ДИДЕНКО А.Н., ЩУКИН А.Ю., ДЕНИСОВ К.В.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ-ЛАМПЫ
Описано экспериментальное исследование СВЧ-лампы видимого света. Выполнены измерения электродинамических и световых характеристик источника. Проведено исследование теплового режима. Показана возможность работы СВЧ-лам-пы видимого света с малой мощностью питания.
Проблема создания высокоэффективных источников света является одной из старых, но не потерявших своей актуальности до последнего времени. Это объясняется тем, что коэффициент преобразования электрической энергии в световую в обычных лампах накаливания <3-5%, а в лампах дневного света - <15%, но со значительно худшими спектральными характеристиками.
В последнее время большой интерес вызвали источники так называемого микроволнового света, обусловленного свечением плазмы, образованной СВЧ-разрядом в различных средах [1-3].
Известен способ использования плазмы в лампах дневного света, где используется разряд в смеси, содержащей буферный газ и ртуть. Для смещения ультрафиолетового излучения ртути в область видимого света стенки ламп покрываются люминофором. В отличие от ламп дневного света в микроволновых источниках света используется безэлектродный разряд, а вместо ртути применяется сера, спектральные характеристики которой в полосе чувствительности глаза практически не отличаются от спектральных характеристик Солнца. Использование безэлектродного разряда и отсутствие люминофоров позволяет создать лампы с очень высоким коэффициентом преобразования электрической энергии в свет.
Таким образом, отсутствие ртути, люминофоров и электродов позволяет на основе СВЧ-разрядов в сере создать безопасный, практически вечный источник света, со значительно более высоким КПД и лучшими спектральными характеристиками.
Следует отметить, что попытки исследовать лампы с серным наполнением предпринимались и раньше, но были оценены как бесперспективные. Однако, сделанные выводы о бесперспективности таких ламп оказались справедливыми только для электродных разрядов. Переход к СВЧ-разрядам позволяет увеличить вероятность ионизации молекул серы и на этой основе создать высокоэффективные источники света.
Здесь были поставлены следующие задачи: определение связи между размерами колбы и давлением смеси в ней, формирование системы эффективного вывода света из СВЧ-резонатора и передача света по световодам с полупрозрачными стенками для создания уникальных осветительных систем длиной в несколько десятков метров.
Первые эксперименты, проведенные в США фирмой "Fusion Lighting", показали высокую эффективность и перспективу использования таких источников света. Так было заменено наружное освещение здания Департамента энергетики и Национального музея астронавтики в Вашингтоне. Оказалось, что для здания Департамента энергетики освещенность увеличилась в 3,65 раза, а расход электроэнергии уменьшился в 3,5 раза. Это значит, что коэффициент преобразования электрической энер-
Рис. 2. Синфазный вид колебаний с полем, направленным к торцевой стенке и к боковой стенке
гии в световую у этих источников света в ~13 раз больше, чем у обычных ламп накаливания.
Высокую эффективность микроволновых источников света подтвердили эксперименты, проведенные в России.
Важно отметить, что возможно существенное улучшение качества света.
Цель экспериментов - получить СВЧ-поля такой же напряженности при меньшей мощности СВЧ-генератора. Этого можно достичь только в резонаторах меньших размеров. Однако, известно, что с уменьшением размеров резонатора увеличивается его частота, поэтому получить резонатор малых размеров, работающий на той же частоте, сложно.
Сущность предлагаемого метода заключается в использовании цилиндрических резонаторов со штыревыми системами, особенностью которых является то, что они позволяют возбудить СВЧ-поля той же частоты в резонаторах значительно меньших размеров по сравнению с размерами цилиндрического резонатора, в котором на той же частоте возбуждается H111.
На первых этапах разработки СВЧ-лампы был использован вид резонатора, показанного на рис. 1, а. Он представляет собой цилиндрический резонатор радиуса R2 с вставкой из цилиндра радиусом R1 и высотой h.
Эксперименты показали, что в такой системе колба размещалась в пространстве между штырем и торцевой стенкой, образующаяся в колбе плазма шунтирует этот промежуток, и это не позволяет получить большую напряженность поля.
Более эффективна двухрядная штыревая структура в цилиндрическом резонаторе с прямоугольными штырями (рис. 1, б). Как следует из проведенных расчетов в такой системе могут возбуждаться четыре вида колебаний (два синфазных и два противофазных), из них представляют интерес только синфазные волны, у которых электрическое поле направлено или к торцевой стенке, или к боковой.
Подробные расчеты электродинамических параметров синфазной волны были проведены с использованием пакета программ CST Microwave Studio.
Как видно из рис. 2 в резонаторе в штыревой области возбуждается ТЕМ-волна, ее частота колебаний будет самой низкой. Длина волны будет более, чем в четыре раза
превышать длину штырей, и именно этот тип колебаний можно возбудить в резонаторе малых размеров.
В резонаторе для второго типа колебаний в области штырей не возбуждается ТЕМ-волна, и собственная частота будет примерно такая же, как и для резонатора без штырей, но добротность будет меньше.
Самое высокое значение параметра напряженности электрического поля можно получить, если выбрать штыри в виде пластин толщиной 4 мм и длиной 20 мм. Параметр напряженности увеличивается, если расстояние между штырями уменьшать, но его нельзя делать меньше 20-22 мм. Направление вращения колбы должно быть перпендикулярно торцевой стенке, в противном случае колба расплавляется в своей верхней части. Резонатор должен возбуждаться через отверстие, расположенное там, где напряженность магнитного поля ТЕМ-волны имеет максимум.
Исследование электродинамических характеристик
Исследование резонаторной рабочей камеры проводились на штатной измерительной установке лаборатории "СВЧ-энергетики", функциональная схема которой представлена на рис. 3. Установка включает генератор Г4-79 с рабочим диапазоном частот (1,95-2,54) ГГц и выходной мощностью <40 мВт, тонкая перестройка частоты которого в полосе /о ± 2 МГц осуществляется подачей постоянного, регулируемого напряжения на отражатель клистрона. В качестве частотомера использовался электронно-счетный прибор Ч3-34А с переносчиком частоты Я34-51 и абсолютной погрешностью измерений <±1 кГц. СВЧ-тракт установки (см. рис. 3) состоит из коаксиального фер-ритового вентиля с обратным ослаблением сигнала =18 дБ, исследуемого резонатора, включенного по проходной схеме; анализатора спектра С4-34, используемого в качестве индикатора выходного сигнала по мощности и частоте. На установке проводились измерения резонансной частоты рабочей камеры, ее собственной и нагруженной добротностей. Погрешность измерений в основном определяется изображением сигнала на экране ЭЛТ-анализатора спектра (см. рис. 4), так как ошибка из-за нестабильности генератора и частотомера пренебрежимо мала.
При измерении частоты генератора Г4-79 вершина сигнального пика описывает линию (указана пунктиром)
р (/г) = [ 1 + (2 а (/г - / о) / / о)2 ]-1 р0, (1)
где /0 - резонансная частота камеры. Дифференцируя (1), получаем
Д/о//о = (1/22а ),ДРоР (2)
где ДР0 - ошибка положения вершины пика относительно центра амплитудной линии р0.
А, Дб 0
6 10
Р, отн. ед. 1,0
0,5
0
\
1
1
1 V
1
~г / -V \ Р(/г)
/ \
/ N
¡0/0 А/1/2
Р
5
/г
¡1 ¡2
Рис. 4. Изображение мощности выходного сигнала с резонатора на экране анализатора спектра
При высоте пика Р0 = 100 мм имеем погрешность измерения резонансной частоты А/о//о < 0,07 1/Q < 7 ■ 10-6 (при добротности исследуемого резонатора Q = 10000). При этом абсолютная ошибка измерения резонансной частоты /0 = 2462 МГц составит не более ±0,0172 МГц. Погрешность измерений добротности резонатора связана главным образом, как видно из рис. 2, с ошибкой установления пика сигнала по уровню 1/2Р0
(3)
АQ/Q < 2АРт1 Рт.
Если АРщ/Рщ < 2 ■ 10, то, согласно (3), АQ/Q < 4 ■ 10, т.е. точность измерений добротности на использованной установке достаточно высока. При включении объемного резонатора по проходной схеме его собственная добротность связана с нагруженной добротностью соотношениями
Qн( 1 + 10-А/2°);
Qo
Мв = Qo/(1+ К,
+ К св 2 ),
(4)
где А - затухание мощности, проходящей через резонатор, дБ; Ксв1 и Ксв2 - коэффициенты связи с резонатором линий ввода-вывода мощности. Если необходимо измерить Qo с погрешностью <3% = 1,031), то для симметричной связи (Ксв1 = Ксв2), со-
гласно (4), следует установить затухание А > 30 дБ, что соответствует Ксв1 = Ксв2 = = 0,0155.
Коэффициент связи коаксиального кабеля с резонатором регулируется глубиной погружения штыревого зонда в резонатор. Глубина погружения штыря связи, образованная внутренним проводником коаксиального кабеля диаметром 0,5 мм, регулировалась так, чтобы обеспечить в цепи резонатора ослабление сигнала А = 30^50 дБ.
С другой стороны резонатора выполнено индуктивное отверстие связи резонатора с прямоугольным волноводом 72 х 17 мм. Отрезок прямоугольного волновода 72 х 44 мм с переходом на 72 х 17 мм крепится к резонатору с помощью прижимного хомута, обеспечивающего необходимый гальванический контакт. Ширина индуктивного окна связи составляет 6 мм, что при толщине заглушки обеспечит Ксв1 < 0,0155, высота окна связи - Н < 6,0 мм. Окно связи выполнено путем вырезания в клейкой металлической ленте отверстия нужного размера. Эта лента наклеивается на резонатор на место основного окна связи размером 41 х 17 мм и прижимается к волноводу. Проводящая клеевая основа ленты обеспечивает гальванический контакт между волноводом и резонатором.
1
Результаты измерения светимости СВЧ-лампы
Внутренний диаметр, мм Объем колбы V, см3 Количество серы, мг Плот
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.