№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2008
УДК 621.3
© 2008 г. ЛАЛАЯН М.В.
РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ВИДИМОГО СВЕТА НА ОСНОВЕ СВЧ-РАЗРЯДА В СРЕДЕ АРГОН-СЕРА СО СНИЖЕННОЙ МОЩНОСТЬЮ ПИТАНИЯ
Приведены результаты экспериментального исследования источника видимого света, основанного на безэлектродном СВЧ-разряде в среде аргон-сера. Рабочей камерой источника служил цилиндрический резонатор с видом колебаний E010 на частоте 2462 МГц с питанием от магнетрона. Отличительная особенность разработанного источника - высокая эффективность при сниженной мощности питания.
Введение. Источники видимого света, в которых используется безэлектродный СВЧ-разряд в среде аргон-сера, имеют ряд уникальных характеристик и во многих областях использования предпочтительны по сравнению с традиционными источниками [1, 2]. Внимание исследователей уделяется изучению процессов в плазме Ar-S и разработке пригодных для промышленного производства СВЧ-источников света [1, 3, 4]. Существует ряд задач, требующих решения, основная из них - повышение эффективности преобразования энергии электромагнитных полей в видимый свет. Кроме того, для внедрения источников света этого типа и замены традиционных ламп необходимо снижение мощности питания. Задача эффективной работы СВЧ-ламп при мощностях питания 700 Вт и более была решена, однако при снижении СВЧ мощности до 200250 Вт энергетические характеристики построенных по той же схеме источников резко ухудшаются.
Конструкция источника света
Был разработан и испытан образец эффективного источника света средней мощности, основанного на СВЧ-разряде в среде Ar-S, устройство которого приведено на рис. 1. Его основой является цилиндрический резонатор диаметром 89 мм и длиной 60 мм с видом колебаний E010 на частоте 2462 МГц. Вывод света из резонатора осуществляется через сетчатую стенку. Внутри резонатора размещена сферическая кварцевая колба диаметром 18 мм, содержащая 5 мг серы и заполненная аргоном под давлением несколько миллиметров ртутного столба. Расположенный вне резонатора мотор приводит колбу во вращение с частотой ~2000 об./мин для предотвращения ее перегрева и разрушения. При проведении исследований было установлено, что ось вращения колбы должна располагаться перпендикулярно направлению силовых линий электрического поля. Невыполнение этого требования приводит к локальному перегреву кварцевой оболочки колбы. Область диаметром ~ 4 мм за несколько секунд нагревается до значительной температуры, при которой кварцевая стенка размягчается и не может выдержать давление паров серы.
Резонатор связан с прямоугольным волноводом через емкостное окно размерами 17 х 42 мм2. Высота окна связи была постоянной, ширина варьировалась для получения наилучших параметров устройства.
с Ar-S; 4 - окно связи резонатора с волноводом
Рис. 2. Схема высокочастотного тракта тестовой установки
P, кВт 1,5
0,5
0
Рис. 3. Зависимость СВЧ-мощности в тракте от времени
Для подстройки размеров окна связи и согласования резонатора с трактом применялась измерительная установка, ее схема приведена на рис. 2. Величина коэффициента отражения равнялась 0,15.
Измерения основных ЭДХ разработанного источника света на высоком уровне мощности проводились с помощью установки, схема СВЧ-тракта которой приведена на рис. 2. Магнетрон 1 типа М242 с рабочей частотой 2462 МГц смонтирован на устройстве связи 2 с прямоугольным волноводом сечением 72 х 34 мм2. Подвижная ко-роткозамыкающая стенка устройства связи позволяла осуществлять его подстройку, при этом несколько изменялись условия работы магнетрона и параметры СВЧ-сигна-ла (в частности его частота и фаза). Размещенный в тракте ферритовый циркулятор 3 предотвращал попадание отраженной волны в магнетрон в процессе настройки резонатора. Средняя мощность измерялась с помощью прибора 5 типа Agilent N1911 A, включавшегося в каналы отраженной и падающей волн направленного ответвителя 4 с коэффициентом переходного ослабления -60 дБ.
Для питания магнетрона использовался импульсный преобразователь с высоким КПД. Однако зависимость генерируемой магнетроном СВЧ-мощности от времени имела достаточно сложный характер, что в некоторых случаях затрудняло запуск и выход лампы на рабочий режим. Зависимость мощности в волноводном тракте от времени, полученная с помощью анализатора Boonton Power Analyzer 4500B, приведена на рис. 3. Длительность импульсов равнялась 10,0 мкс, скважность - 5,46, а действующее значение мощности, при котором велись исследования - 220 Вт.
100 150 t, мкс
2 6 101, см
Рис. 4. Напряженность электрического поля на оси цилиндрического резонатора (Ео), работающего на колебаниях вида Еою и Нш при разной мощности питания (Р) в зависимости от длины резонатора (I)
Конструкция источника света
В качестве рабочей камеры источника света был выбран цилиндрический резонатор, в котором возбуждается вид колебаний Е010. Известные литературные данные свидетельствовали о непригодности подобного решения для создания функционирующего источника света, однако каких-либо аргументированных подтверждений этому не приводилось.
Проведенный анализ параметров резонансных систем установил большое число достоинств этого выбора, таких как независимость резонансной частоты от высоты резонатора, равномерности поля по высоте. Важен значительный рост напряженности электрического поля на оси цилиндра с уменьшением его высоты при неизменной мощности СВЧ-питания, что показывает рис. 4. На этом графике приводятся аналитически полученные результаты для двух различных видов колебаний - Н111, который часто используется в источниках света большой мощности, и предлагаемый Е010.
Согласно этим данным можно ожидать равную или даже превосходящую величину напряженности поля для волны Е-типа при меньшей мощности питания (несмотря на более низкую добротность резонатора с электрическим видом колебаний) [3].
Для регулировки резонансной частоты в конструкции предусмотрен цилиндрический настроечный элемент, вводимый в резонатор вдоль оси через его основание. Полученные экспериментально зависимости резонансной частоты от положения настроечного элемента даны на рис. 5.
Конструкция устройства ввода мощности - связь подводящего прямоугольного волновода с резонатором через емкостное окно - была выбрана самой простой. Окно связи расположено в нижней части резонатора, что в дальнейшем делает возможным уменьшение высоты резонатора. Величина коэффициента связи подбиралась экспериментально изменением ширины окна связи.
Настройка устройства связи осложнялась тем, что коэффициент связи резонатора с волноводом при малом уровне сигнала (когда плазма в колбе не образуется) должен быть весьма большим. Попытки настройки резонансной системы при проведении "холодных" измерений не приводили к нужным результатам, это иллюстрирует рис. 6. На нем приведены графики зависимости модуля коэффициента отражения от резонатора от частоты. Резонатор настраивался на частоту 2460 МГц (кривая 1), а затем согласовывался с трактом (кривая 2). После подачи СВЧ-мощности от магнетрона согласование ухудшалось настолько, что необходимо было вновь проводить эту операцию. После охлаждения колбы резонансная кривая кардинально отличалась от исходной (кривая 3).
I ■ 103 Лм
28
20 16 12 8
щ л
12 16 I, мм
¡0, МГц 2600
2500 2400 2300
12 16 20 I, мм
Рис. 5. Зависимости светового потока (а) и резонансной частоты (б) от глубины погружения настроечного элемента внутрь резонатора: 1 - резонатор без колбы; 2 - с колбой
|Г|
0,8
0,4 0
2440 2460 2480 ¡, МГц
Рис. 6. Зависимость коэффициента отражения от частоты
-ч 1 " %
• 1
2
Рис. 7. Схема источника света: 1 - корпус резонатора; 2 - прямоугольный волновод; 3 - кварцевая колба; 4 -электромотор системы вращения колбы; 5 - магнетрон
После настройки окна связи резонатора с прямоугольным волноводом были проведены измерения величины интенсивности светового потока. Измерения проводились для источника света, СВЧ-тракт которого соответствовал конечному варианту конструкции и не содержал каких-либо дополнительных элементов (циркулятора и пр.). Схема конструкции источника света приведена на рис. 7.
Процесс зажигания лампы от момента включения магнетрона до стабилизации светового потока от аргон-сернистой плазмы проходит в несколько этапов. Между ними существуют качественные различия по электродинамическим параметрам резонатора с колбой и по характеристикам светового потока.
После подачи питания на магнетрон в течение нескольких секунд (от единиц до десятков) происходит нагрев кварцевой колбы и заполняющей ее смеси. Так как поглощение СВЧ-мощности в этих материалах слабое, то коэффициент отражения от резонатора совпадает с его величиной при "холодных" измерениях на малом уровне мощности и практически равен единице. Этой стадии соответствует горизонтальный участок приведенной на рис. 8 экспериментально полученной зависимости величины отраженной от резонатора мощности от времени.
Вторая фаза процесса характеризуется излучением голубого света (весьма вероятно с большой долей коротковолнового излучения) низкой интенсивности. При этом
а —
P,
отр
200
100
0 20 40 60 80
t, с
Рис. S. Зависимость величины отраженной от резонатора мощности от времени
зажигается безэлектродный CBó-разряд в аргоне, и начинается интенсивный разогрев, плавление и испарение серы. При этом плазмой поглощается некоторая часть ОТЧ-мощности, и коэффициент отражения уменьшается. По мере перехода все большего количества серы в газообразное состояние цветовая температура уменьшается, доля ультрафиолета падает, и спектр излучаемого плазмой светового потока приближается к требуемому [5]. Этот процесс характеризуется вторым резким уменьшением уровня отраженной мощности. Далее, в течение ~1 мин по мере разогрева колбы и выхода ее в стабильный температурный режим наблюдается незначительное плавное увеличение интенсивности светового потока, сопровождающееся слабым ростом величины отраженной мощности.
^едует отметить, что увеличение величины светового потока при у
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.