Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Безэлектродные микроволновые серные лампы
1.1. Высокоэффективные серные источники света 15
1.2. Физические процессы в двухкомпонентной СВЧ-плазме 22
1.3. Спектральные характеристики серных источников света 33
1.4. Теплофизические оценки теплового режима оболочки колб 40
ГЛАВА 2. Рабочие камеры свч-источников видимого света
2.1. Выбор типа рабочей камеры 49
2.2. Резонаторные рабочие камеры с аксиально-симметричным электромагнитным полем 53
2.3. Оптически-открытые резонаторные рабочие камеры 61
ГЛАВА 3. Рабочие камеры на основе цилиндрических резонаторов с колебаниями Hoi ,
3.1. Методика расчета геометрических размеров Hoц резонаторов 76
3.2. Анализ энергетических характеристик резонаторов 84
3.3. Оценка влияния элементов лампы на ЭДХ рабочей камеры 87
3.4. Электромагнитная совместимость световывода рабочей камеры...97
3.5. Основные принципы конструирования резонаторных
рабочих камер 102
3.6. Экспериментальная настройка и исследование
резонаторной рабочей камеры серной лампы 107
ГЛАВА 4. Общие вопросы конструирования и экспериментальное исследование опытных образцов свч-источников света
4.1. Стабилизация работы магнетрона на резонаторную рабочую камеру серного источника света , 114
4.2. Ввод мощности в резонаторную рабочую камеру серного источника света , 121
4.3. Согласование антенны магнетрона с волноводным СВЧ-трактом серного источника света 129
4.4. Экспериментальное исследование серного источника света 136
Заключение 142
Список литературы
- Спектральные характеристики серных источников света
- Резонаторные рабочие камеры с аксиально-симметричным электромагнитным полем
- Анализ энергетических характеристик резонаторов
- Ввод мощности в резонаторную рабочую камеру серного источника света
Спектральные характеристики серных источников света
Исследования, проводимые в области влияния света на физиологию и поведения человека [27, 28], свидетельствуют, что свет, излучаемый солнцем, является идеальным для жизнедеятельности человека по своему спектральному составу, и отклонения в спектральных характеристиках искусственных источниках света могут негативно влиять на человека. Так, например, проведенное в Западной Европе исследование по экологии света [28] обнаружило, что у людей, работающих под искусственно «холодно белым» освещением, происходит увеличение уровня стрессовых гормонов. По результатам этого исследования, в медицинских учреждениях Германии в палатах пациентов запрещено применять люминесцентные лампы «холодно белого» света [29].
В принципе высокоэффективный источник СВЧ света можно создать, если некоторый объем, ограниченный плазмой, нагреть до Т = Тк = = 5800 К, т.е. если в лабораторных условиях создать искусственное солнце. Такой источник имел 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 [30]
При Те = 5800 К радиус плазменного шара будет порядка 1 см, если ПІ = Пе З-Ю1 1/см3. Значит, 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 5800 К излучил бы мощность P = сгт Т4 -8 = 80,6 кВт. Ясно, что ни о каком источнике света на этой основе говорить не приходиться, и все вышеизложенное свидетельствует, что разработка источников света возможна только на основе использования атомных и молекулярных спектров излучения определенных элементов или их соединений. К сожалению, главные линии атомных спектров всех элементов лежат в более коротковолновом диапазоне. Кроме того, применение большинства элементов на практике ограничивается из-за молекулярного разрушения накаливаемых тел и электродов.
В последнее десятилетие большой интерес, как возможный высокоэффективный источник света, вызывает возбуждаемый СВЧ излучением безэлектродный разряд в газовых смесях, основным компонентом которых служит испаряемая в процессе разряда сера. Молекулярные спектры излучения серы, имеющей 6 модификаций, лежат в видимом диапазоне, и это позволяет получить не только высокоэффективный источник света ( 25%), но и источник света с высоким индексом цветопередачи ( 70 - 85) (рис. 1.З.). Первые результатьт полученные (Ьирмой Fussion Li?htin? подтвеюлили эти выводы [11] Однако сетэа является электроотг)ицательньтм элементом и поэтому в ней непросто поддерживать разряд что создает определенные проблемы Серный источник света на основе использования СВЧ-разрядов должен содержать следующие той основные части: прозтэачную колбу, наполненную смесью инертного газа Аг и серы; рабочую камеру со световыводом; СВЧ-генератор на мощность от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт.
При разработке малогабаритных серных ламп для массового использования возникает ряд физико-технических и конструктивных проблем. Некоторые из указанных проблем были выявлены при экспериментальном исследовании первых СВЧ-ламп, созданных Fussion Lighting INC [11, 12, 31]. Функциональная схема лампы приведена на рис. 1.4.
Рабочая камера 1 выполнена в виде объемного резонатора с колебаниями Hцч - типа, имеющими радиальную компоненту электрического поля на частоте 2,45 ГГц. Камера питается двумя магнетронами мощностью 1,7 кВт каждый через волноводы 3. На оси цилиндрического резонатора с колебаниями типа Нщ расположена сферическая кварцевая колба 4 с Ar-S газовой смесью диаметром 28 мм. Принудительное охлаждение колбы осуществляется потоком воздуха, давление которого в трубчатых каналах 5 составляет « 0,35 атм., причем быстрое вращение колбы электродвигателем 2 существенно улучшает эффективность системы охлаждения и равномерность нагревания колбы СВЧ-энергией. Световое излучение плазмы, образованной в колбе при горении СВЧ-разряда, выходит через сетчатую поверхность 7 нижней части корпуса резонатора, запредельную для СВЧ-излучения. Рефлектор 6 служит для концентрации светового потока из колбы преимущественно в одном направлении. Раскрыв рефлектора может быть совмещен со световодг м 8 соответствующего диаметра для равномерного освещения больших помещений. Специально для таких источников света были разработаны и созданы световоды с призматическим внутренним покрытием, обладающим сравнительно малым коэффициентом рассеяния, что позволяет транспортировать свет с помощью таких систем на расстояния в несколько десятков метров [32].
Энергетический баланс СВЧ-лампы по рис. 1.4 был определен экспериментально [12], и он, если суммарную мощность, потребляемую устройством "от розетки", принять за 100 процентов, включает: мощность систем охлаждения магнетрона и колбы - 8%; мощность потерь в системе питания и управления магнетроном - 8%; потери в магнегроке - 25%. Оставщиеся 59% входной мощности преобразуются в энергию СВЧ-колебаний мощностью Рсвч= П00 - 1750 Вт, Дальнейший энергетический баланс состоит из 20% потерь на нагревание охлаждаемой колбы, 7% потерь в корпусе и сетчатом экране рабочей камеры, а также 7% потерь на генерацию колбой ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Таким образом, 25% мощности питания лампы "от розетки" преобразуются в видимый свет. При мощности СВЧ-питания а 3400 Вт эффективность преобразования СВЧ-мощности в видимый свет составляла, согласно измерениям, 120 Лм/Вт, что соответствует 70 Лм/Вт "от розетки". Фирмой Fussion Lighting INC под маркой SOLAR 100O разработан вариант серной лампы для коммерческого использования. Лампа выполнена по подобной рис. 1.4. схеме на основе резонатора с колебаниями Нт, питается от магнетрона с СВЧ-мощностью 800 Вт, имеет световую отдачу 165 лм/Вт по отнощению к СВЧ мощности и время бесперебойной работы более 18000 часов, которое ограничивается сроком службы магнетрона. Эксплуатация этой лампы показала, что после 50000 часов работы ее энергетические и спектральные характеристики изменили л менее чем на 2%. На основе этой лампы в США, Германии, Швеции и др. уже освещено ряд административных и общественных зданий. Применение этих ламп позволяет существенно улучшить освещенность помещений и экономить электроэнергию [33].
Резонаторные рабочие камеры с аксиально-симметричным электромагнитным полем
Одна из серьезных проблем для источников света на основе СВЧ-разряда в парах серы является необходимость поддержание приемлемого теплового режима колбы, содержащей буферный газ аргон и серу. Как уже было показано выше, увеличение размеров оболочки не является радикальным способом снижения тепловой нагрузки кварцевой оболочки колбы. Перегрев колбы является следствием движения электронов в сторону поверхности колбы под действием СВЧ-полей, содержащих нормальную к оболочке колбы компонент)- электрического поля. С этой точки зрения представляет интерес рассмотреть такие СВЧ-резонаторы, в которых проблема охлаждения не была бы столь серьезной и, используя которые, можно было бы в принципе исключить такие нежелательные факторы, как обдув и вращение колбы. Экспериментальные исследования СВЧ-ламп [1, 22, 34] показали, что передачу энергии разряда корпусу можно существенно снизить, если использовать резонаторные камеры с аксиально-симметричным полем, имеющим только одну Еф компоненту электрического поля. Рассмотрим это явление для случая симметричных цилиндрических и сферических резонаторов.
Цилиндрический резонатор с колебаниями типа Еою обладает аксиально-симметричным электромагнитным полем, однако, как видно из рис. 2.1, торцы цилиндрической ампулы, соосной корпусу резонатора, подвергаются бомбардировке электронами, и проблема принудительного воздушного охлаждения СВЧ-лампы здесь не снимается. Следует отметить, что собственная частота Е010-резонатора не зависит от его объема и он, по сравнению с резонаторами других типов, имеет наибольшую энергетическую эффективность поджига и горения СВЧ-разряда [1]. Однако, в таком резонаторе, как и в цилиндрическом У
Цилиндрическая резонаторная рабочая камера с колебаниями Н0п (сферическая и тороидальная колбы). резонаторе с колебаниями Н щ (используемом в SOLAR 1000), горение разряда в течение времени 2-х минут без принудительного охлаждения было невозможным из-за разрушения оболочки колб [22].
Таким образом, необходимо использовать резонаторы, электрическое поле которых тангенциально поверхности колбы, когда бомбардировка электронами стенок теоретически исключается. В реальных устройствах бомбардировка стенок колбы обусловленная их шероховатостью и технологическим допуском на радиус кривизны, не сводится к нулю, однако она существенно уменьшается. Уменьшение энергии, переданной колбе электронной бомбардировкой, позволяет исключить ее принудительное охлаждение и врашение. Полученные в [1, 17, 22, 34, 51] результаты полностью подтвердили перспективность использования рабочих камер в виде цилиндрического и сферического резонаторов с колебаниями Но,, и Н101 соответственно.
Аналитические выражения для составляющих электромагнитного поля и других необходимых электродинамических характеристик цилиндрических резонаторов могут быть получены на основе решения волнового уравнения в соответствующих координатах. Рабочая камера серной СВЧ-лампы на основе цилиндрического резонатора с колебаниями НоII имеет лишь три составляющие электромагнитного поля: Еф, Hz и Нг. где В - амплитуда поля; цоі - перрый корень ьуавнения я 0(x) = 0О Z0 =337 Ом; Акр=(2яR)//у0i; /tB =Л0 / (яо / X f Jn(x) - функции Бесселя n-го порядка (n = О, 1); L = XJ2. Конфигурация рабочей камеры СВЧ-лампы приведена на рис. 2.2. Инженерному расчету и конструированию рабочих камер на основе цилиндрических резонаторов с колебаниями Нои посвящена глава 3, там же приведены соотношения для расчета электродинамических характеристик Ноn резонаторов [22,24].
Кварцевая колба с держателем размещается соосно корпусу резонатора с помощью держателя, что позволяет уменьшить бомбардировку электронами стенки колбы, снижая тепловую нагрузку. В данной резонаторной рабочей камере наряду со сферической и цилиндрическими колбами, традиционными для светоизлучающих устройств, можно использовать тороидальные колбы [1, 51], размещенные соосно резонатору вблизи максимума напряженности тангенциального электрического поля Еф при r/R = 0,48 (см. рис. 2.2). Такое размещение колбы при соответствующем выборе размеров позволяет поддерживать требуемый тепловой режим без принудительного охлаждения и гарантировать устойчивый поджиг разряда. Перспективность применения тороидальных колб в цилиндрических резонаторах с колебаниями типа Нои подтверждена экспериментальными данными [24, 51].
Сферический резонатор с колебаниями Н101 также может использоваться для рабочей камеры серной СВЧ-лампы, будучи энергетически эффективным и обеспечивая работу лампы без принудительного охлаждения колбы [17]. Аналитические выражения для составляющих электромагнитного поля и другие необходимые электродинамические характеристики такого резонатора могут быть получены на основе решения волнового уравнения в сферических координатах.
Анализ энергетических характеристик резонаторов
Существенное влияние на собственную резонансную частоту рабочей камеры оказывают кварцевая колба с устройством ее крепления и отверстия световывода, размещенные на корпусе резонатора и запредельные для СВЧ-колебаний. Для корректного технического проектирования рабочей камеры лампы необходимо выполнение хотя бы нижней оценки влияния этих устройств на ЭДХ резонатора.
Изменение резонансной частоты рабочей камеры целесообразно определить методом малых возмущений, с учетом непрерывности составляющей Еф при переходе через касательную к нему поверхность диэлектрика [60]: Af/f0 = AWE/(2W), где AWE - изменение запасенной энергии за счет введения диэлектрика, W - запасенная в резонаторе энергия. Энергия, запасенная диэлектриком W = jE dv, а в серных источниках видимого света используются колбы сферической или тороидальной формы. Материалом колб служит кварцевое стекло с диэлектрической постоянной Si = 4,0 ± 0,1 и tg6 = (2,0 ± ± 0,1)-Ю"4 на частоте 2450 МГц. Держатели изготавливаются из кварцевого стекла или фторопласта (є, = 2,05 ± 0,05 и tg6 = (4,5 ± 0,1 10"4 на частоте 2450 МГц) с учетом устойчивости материала к высокой температуре. Для кварцевых колб и держателей, расположенных сооско резонатору (рис. 3.3), и состоящих из цилиндрических сегментов, изменение резонансной частоты запишется:
Конструкции осесимметричных держателей сферической и тороидальной колб, позволяющие произвести их разбиение на сегменты интегрирования с сохранением граничных условий, представлены на рис. 3.3. Оценку возмущения резонансной частоты держателями численно проводят по формуле (3.17). Для цилиндрической Но0ii резонаторной рабочей камеры с размерами 2R = 172 мм, L = 122,9 мм на рабочей частоте 2450 МГц (табл. 3.1 для соотношения R/L = 0,7) возмущение резонансной частоты при вариации размеров фторопластовых держателей тороидальных колб представлены в табл. 3.3. В случае держателя из кварцевого стекла Af/fo и Af в табл. 3.3. необходимо умножить на 3. Изменение резонансной частоты от держателя сферической колбы, состоящего из фторопластового цилиндра с осевым отверстием для кварцевой цилиндрической ножки колбы также приведены в табл. 3.3.
Держатель с тороидальной колбой (Рис. 3.3.б) R/L=0,7; 2R=172 мм; L= 122,9 мм; R =0,48R Держатель со сферической колбой (Рис. З.З.а) R/L=0,7; 2R=172 мм; L=122,9MM.
По соотношению (3.17) можно рассчитать смещение резонансной частоты камеры из-за влияния сферических и тороидальных кварцевых колб, стенки которых в плоскости z-r образуют кольцо толщиной 1 мм (см. рис.3.3). В этом случае оценку Af/fo проще проводить, представив кольцо с внещним диаметром 2Ra квадратным кольцом той же толщины с внешней стороной 21 . Точность вычисления Af/f„ при такой замене в случае слабого изменении электрического поля в области интегрирования составит 10%, что является вполне приемлемым для проведения конструкторских работ, т.к. после изготовления рабочей камеры в любом случае требуется ее подстройка на резонансную частоту коррекцией размеров согласно (3.4). Результаты вычислений сдвигов резонансной частоты кварцевыми колбами, размеры которых соответствуют держателям (см. рис. 3.3), приведены в табл. 3.3.
Таким образом, по (3.17) можно оценить смещение частоты резонаторной рабочей камеры конструктивными элементами. Такая оценка необходима при техническом проектировании рабочей камеры.
Рассмотрим влияние отверстий световывода на собственную резонансную частоту рабочей камеры [63]. Отверстия световывода на корпусе резонаторной рабочей камеры возбуждаются тангенциальной составляющей Нх магнитного поля рабочего вида колебаний Hoц. В отверстиях возбуждается волна гтипа с магнитными составляющими: условие на поверхности торцевой стенки корпуса резонатора Н2Ф=0 = Н = = Нг, где Нг - радиальная составляющая магнитного поля Hoи - типа колебаний. Используя записанный в виде (3.12) yz HГ = M MX/PQ, гДе r = Vа rГ соответствует радиусу n-ого круга, на котором, как показано на рис.3.4, расположены центры отверстий световывода. Для используемого в работе резонатора (к0 = 122,36 мм; R/L = 0,70; R = 86,04 мм) параметр м(г;0) = 0,332[ом"1/2 -м ! -г Последнее соотношение позволяет определить постоянную В выражениях (3.18):
Ввод мощности в резонаторную рабочую камеру серного источника света
Конструирование опытного образца СВЧ-источника света выполнялось в условиях лаборатории "СВЧ-энергетики" каф. 14. МИФИ с учетом имеющегося оборудования, технологии производства, требований ГОСТа [57, 72, 73] и доступных материалов. Расчет внутренних размеров цилиндрической рабочей камеры, необходимых для конструирования, представлен в параграфе 3.1. этой главы. Для медного резонатора с резонансной длиной волны 12,236 см параметр напряженности электрического поля согласно табл. 3.2. обладает "мягким" максимумом при R/L = 0,7. Таким образом, для конструирования Нои резонаторных рабочих камер серных ламп целесообразно принять отношение размеров 0,9 R/L 0,5, где энергетические характеристики устройства хуже оптимальных не более, чем на 10%. При этом пределы изменения внутренних размеров составляют: 161,3 мм 2R 185,5 мм; 103,1 мм L 161,3 мм.
Цельнотянутые медные трубы указанного диаметра являются " дорогостоящей заготовкой, и корпуса Н0п резонаторов следует изготавливать из медных листов толщиной 2 мм t 6 мм, которые в нагретом состоянии (500 -г 600 С) сворачиваются на стальной болванке соответствующего диаметра и свариваются продольным швом. Если для корпуса использовать тонкий медный лист (t = 0,5 мм), то он может быть выполнен методом пайки "в нахлест" и без нагревания листа при его сворачивании на болванке. Коэффициент технологического качества резонаторов, изготовленных методом сварки или пайки, примерно одинаков, однако корпуса, изготовленные из тонкого листа t 1,5 мм, легко деформируются от радиальных усилий в процессе эксплуатации, вызывая изменение ЭДХ резонатора. Промышленные резонаторные рабочие камеры следует изготавливать из штампованных сеток толщиной 2 мм. Для опытного образца рабочей камеры, изготовленного в рамках настоящей работы, была использована сварная медная труба Ml с толщиной стенки t = 3+0 05 мм и внутренним диаметром 2R = 172+0 2 мм, что соответствует отношению R/L = 0,7 й длине резонатора L 122,9 мм.
Торцевые заглушки трубчатого корпуса резонатора с колебаниями Нои в принципе могут не иметь гальванического контакта с корпусом по. окружностям с координатами r = R; z = O H r = R; z = L, так как поверхностные токи іф, i , if, наведенные магнитными составляющими Н2и Нг, здесь отсутствуют. Данный конструктивный прием является стандартным для предотвращения возбуждения в резонаторе колебаний, типа Е,,ь которые являются вырожденными по отношению к колебаниям Н оп- Поэтому дисковые заглушки, вырезанные из медного листа, могут быть закреплены на корпусе относительно небольшим количеством винтовых соединений с резьбой от МЗ до М5. Здесь возможны два конструктивных варианта. Если толщина стенки корпуса t - 4 мм, то диски заглушек вырезаются диаметром 2(R+t) и закрепляются на корпусе шестью винтами МЗ расположенными через 60 на окружности диаметром 2(R+t/2). При этом глубина резьбы в стенках трубы, учитывая мягкость меди должна быть не менее 8 мм. При использовании трубы с толщиной стенки t 4 мм когда выполнение продольных каналов с резьбой МЗ затруднено диски заглушек целесообразно вырезать из медного листа толщиной t 5 мм а их диаметр поверхности трубы. При использовании сетчатого корпуса закрепление заглушек осуществляется методом пайки.
Для экспериментальной настройки ЭДХ опытного образца рабочей камеры лампы одну из торцевых заглушек следует выполнить подвижной, что позволяет легко изменять длину L резонатора и его собственную частоту, подстраивая ее при исследовании колб с разными размерами и формой. В этом случае подвижную заглушку целесообразно изготовить из фольгированного стекловолокна толшиной 3 мм, а ее диаметр 2R"0 2 должен обеспечивать кольцевой зазор с внутренней поверхностью трубы шириной (0,1 - 0,2) мм. Медное напыление стекловолокна при этом обрашается внутрь резонатора, а подвижной диск закрепляется винтовыми соединениями на неподвижной торцевой заглушке, которая в этом случае, для облегчения массы устройства, может быть выполнена из дюралевой пластины соответствующей толщины.
Фрагмент чертежа закрепления подвижной заглушки приведен на рис.3.6. Здесь обозначено: 1 - медная труба корпуса, 2 - диск из дюралюминия, 3 - подвижная заглушка, 4 - винт М4. Один из вариантов закрепления подвижной заглушки обеспечивается винтом М5 поз. 5, который удерживает диск 3 с помощью гайки 6 через набор шайб 7. Здесь длина L резонатора регулируется количеством шайб в наборе, для чего необходим демонтаж заглушки 2. Мобильное перемещение подвижной заглушки 3 обеспечивается вторым вариантом крепления, который собирается из винта 9 и пружины 8. Здесь винт 9 пропущен через проходные отверстия в диске 3 и резьбовые отверстия в заглушке 2, имеет шлиц для отвертки на левом конце, а заглушка 3 перемещается при вращении винта. Количество закреплений, указанных на рис. 3.6, для обеспечения параллельности поверхностей дисков 2 и 3 должно быть не менее трех при расположении через 12 по координате (р.
