Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Процессы светоизлучения аргон-серной смеси в СВЧ-разряде 10
1.1. Классификация источников света 10
1.2. Теоретические основы аргон-серных источников света 19
1.3. Полиморфизм серы 22
1.4. Физические явления, вызывающие световое излучение молекул серы 25
1.5. Оценка необходимой напряженности электрического поля 30
ГЛАВА II. Выбор типа резонатора для СВЧ - источника света 34
2.1. Анализ ЭДХ резонаторных камер для СВЧ - источника света 34
2.2. Выбор рабочего вида колебаний резонаторной камеры 40
2.3. Расчет ЭДХ резонаторных рабочих камер 42
2.4. Экспериментальное исследование СВЧ-источника света на основе резонатора с Е 0ю видом колебаний 46
ГЛАВА III. Разработка высокоэффективных СВЧ-истоников света с малой мощностью питания 49
3.1. Расчет ЭДХ резонаторных рабочих камер малых размеров 49
3.2. Конструирование основных элементов СВЧ-источника света 68
3.3. Экспериментальное исследование ЭДХ рабочей камеры 75
3.4. Измерение световых характеристик источника света 79
3.5. Измерение теплового режима 86
Заключение 87
Литература 89
- Физические явления, вызывающие световое излучение молекул серы
- Выбор рабочего вида колебаний резонаторной камеры
- Экспериментальное исследование СВЧ-источника света на основе резонатора с Е 0ю видом колебаний
- Конструирование основных элементов СВЧ-источника света
Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема создания эффективных источников света является одной из старых, но не потерявшей своей актуальности проблем и поэтому всегда привлекала ученых и инженеров [1]. Сущность этой проблемы сводится к следующему.
Фотосфера (слой, излучающий свет) образует видимую поверхность Солнца. Из фотосферы исходит основная часть оптического (видимого) излучения Солнца. Температура в фотосфере достигает в среднем 5800К и максимум излучения приходится на А,=600нм. При этом на диапазон чувствительности человеческого глаза приходится 31% излучаемой энергии. Это означает, что КПД Солнца как источника света равен 31%. К сожалению, ни один из элементов периодической таблицы нельзя нагреть до такой температуры и поэтому максимум излучения для всех ламп накаливания приходится на более длинные волны, поскольку для любого нагретого тела справедлив закон A/T=const (В.1). Именно поэтому лампы накаливания, имеют КПД порядка 3% (температура плавления вольфрама порядка 3680 К). Более высокий КПД (10-15%) имеют люминесцентные лампы, но их спектральные характеристики существенно отличаются от спектральных характеристик Солнца.
В принципе высокоэффективный СВЧ-источник света можно создать на основе плазмы, если некоторый объем, ограниченный плазмой, нагреть до температуры 5800К, т.е. если в лабораторных условиях создать искусственное солнце, которое имело бы КПД преобразования вложенной в него энергии в свет на уровне 31% [1]. 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.
Т j г
При Т«6000К радиус плазменного шара будет порядка 1см. Плазма будет излучать как абсолютно черное тело, если она будет достаточно плотной. Но не эта проблема будет главной.
^;400
" 0 500 1000 1500 2000
Х,нм
В.1. Зависимость спектральной плотности излучения тела и(Х) от температуры.
Дело в том, что плазменный шарик радиусом 1см, нагретый до 6000С, излучил бы, по закону Стефана-Больцмана, мощность W=oT4S=92kBt. Поэтому для создания такого источника потребовался бы СВЧ-генератор с мощностью более 100 кВт. Все вышесказанное побуждает время от времени возвращаться к вопросу о возможности повышения КПД источников света на основе новейших достижений в различных областях физики.
Большой интерес вызывают источники так называемого микроволнового света, возникающего под действием СВЧ-разряда в различных средах.
Прототипом микроволновых источников света являются люминесцентные лампы, в которых используется разряд в смеси содержащей буферный газ и ртуть. Для смещения ультрафиолетового излучения ртути в область видимого света стенки лампы покрываются
люминофором. В микроволновых источниках используются 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.всере создать безопасный и долговечный источник света со значительно более высоким КПД (—25%)' и лучшими спектральными характеристиками, т.е. с хорошим цветовым индексом. Сера имеет 9 модификаций, молекулярный спектр состоит из множества линий, создающих спектр, достаточно близкий к спектру излучения Солнца.
Следует отметить, что попытки исследовать источники света с серным наполнением предпринимались а раньше, но были оценены как бесперспективные.
Считалось, что добавление электроотрицательной серы будет приводить к прекращению разряда. Как известно, при нормальной температуре сера находится в твердом состоянии, ее сублимация начинается-при 444,6С. Поэтому сначала необходимо получить разряд, используя какой-либо буферный газ, а затем поддерживать его»в* парах серы [1]. Выводы о бесперспективности таких источников света оказались справедливыми только для высокочастотных разрядов. Плодотворным оказалось обращение к СВЧ диапазону. Была установлена высокая эффективность преобразования энергии электромагнитных волн этого диапазона в кинетическую энергию частиц ионизированного газа и далее в энергию их излучения.
Наиболее продвинутое к настоящему времени приложение — мощный и эффективный источник света с высоким качеством спектра излучения.
Переход к СВЧ—разрядам! позволяет увеличить вероятность ионизации молекул серы, и тем самым на этой основе создать высокоэффективные
источники света. Эффект инициирования и поддержания газового разряда электромагнитными СВЧ полями без электродов и возникновения при этом оптического излучения давно известен специалистам, разрабатывающим и применяющим СВЧ-приборы в различных исследованиях и системах. Однако свечение СВЧ-разряда в этих, да и во многих других случаях, - лишь побочный эффект, широко не использовавшийся в осветительных целях.
На данный момент существует интерес к СВЧ-источникам малой мощности питания. Из-за уменьшения напряженности электрического поля в резонаторах, использующихся в этих устройствах, при уменьшении мощности питания, существует необходимость.изучения методов сохранения, световых и энергетических характеристик источников света при малых мощностях.
Цель данного исследования состоит в изучении возможности получения СВЧ-разряда в аргон-серной смеси в СВЧ источнике света при малой мощности питания, подаваемой в резонатор устройства, при сохранении его световых и энергетических характеристик, по сравнению с источниками с большей мощностью питания.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить теоретические основы СВЧ-разряда в аргон-серной смеси, полиморфизм серы и физические явления, вызывающие световое излучение молекул серы;
Оценить необходимую напряженность электрического поля, при которой происходит эффективное излучение молекулами серы;
Выбрать рабочий вид колебаний, для получения необходимой напряженности электрического поля при малой мощности питания;
Выполнить расчет ЭДХ резонаторной камеры и провести ее экспериментальное исследование;
Создать высокоэффективный источник света с мощностью питания от сети порядка 400Вт и светоотдачей порядка 80 лм/Вт.
Научная новизна.
Носителями научной новизны являются следующие позиции работы:
Разработка оригинальной конструкции цилиндрической резонаторной рабочей камеры со штырями;
Получение с помощью разработанной резонаторной камеры высокого значения напряженности электрического поля при низкой мощности питания;
Разработка и исследование оригинальной конструкции СВЧ-источника света с мощностью питания от сети порядка 400Вт.
Научная и практическая значимость работы.
1. Получена информация о методах достижения высокой напряженности
электрического поля в резонаторах малых размеров для возможного их
использования в источниках света на основе СВЧ-разряда в аргон-серной
смеси, что позволяет расширить область применения такого источника
света, в том числе и в бытовых целях;
2. Получен высокоэффективный СВЧ — источник света (со световой
отдачей "от сети" ~ 85 лм/Вт, "от СВЧ" -140 лм/Вт) с малой мощностью
питания, со спектральными характеристиками, близкими к
характеристикам Солнца.
Защищаемые положения.
С помощью штыревых систем в цилиндрических резонаторах малых размеров возможно получить высокую напряженность электрического поля при малой мощности питания;
Использование цилиндрических резонаторов малых размеров с штыревыми системами позволяет получить высокоэффективный источник света с малой мощностью питания при сохранении световых характеристик на уровне источников с большей мощностью питания;
Использование цилиндрических резонаторов малых размеров с штыревыми системами позволяет сократить габаритные размеры
устройства, что дает возможность при дальнейшем сокращении мощности питания-использовать устройство в бытовых целях.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты и выводы, включенные в диссертацию, многократно докладывались и обсуждались на научно-исследовательских конференциях: Научная сессия*МИФИ-2007, Научная сессия;МИФИ-2008.
Но результатам- исследований, вошедших в диссертацию; имеется четыре публикаций; из которых две работы опубликованы в научных журналах:
1. Щукин А.Ю., Денисов К.В. Выбор резонатора для эффективноеGB4 —
лампы малой мощности Известия Академии Наук, серия;Энергетика,2008;
№.2, стр. 9-16; '
2. Диденко А.Н., Щукин А.Ю;, Денисов: К.В. Экспериментальное
исследование СВЧ - лампы; Известия Академии;Наук, серия Энергетика;
. 2008, №;2, стр. 17-21; ..';'
3; Диденко А.№, ' Щукин . А.К^, 'Денисов? К.В1 Экспериментальное исследование источника1 света на основе штыревой системы в цилиндрическом резонаторе, Научная; сессия МИФИ-2007: Сб: науч.тр. Т.8і.М: МИФИ, 2007, стр. 25;
4. Диденко А.Н, Прокопенко А.В:, Щукин А.Ю. Разработка СВЧ-лампы на основе цилиндрического резонатора с кольцевым штырем, Научная сессия МИФИ-2008: G6. науч.тр. Т.5; М: МИФИ; 2008, стр: 94.
Работа состоит из трех глав. В; первой; главе проведено сравнение различных существующих источников света. Описано развитие СВЧ1 источников света, теория процессов светоизлучения; аргон-серной смеси в СВЧ-разряде, полиморфизм серы, оценка необходимой; напряженности электрического поля, выбор оптимальных параметров аргон-серной смеси.,
Во второй; главе проведен' анализ и расчет электродинамических характеристик резонаторных рабочих камер для СВЧ-источника; света.
Выполнен выбор типа резонаторной камеры, рабочего вида колебаний и экспериментальное исследование источника.
В третьей главе описана разработка высокоэффективного источника с малой мощностью питания. Проведен расчет, конструирование и его экспериментальное исследование.
Физические явления, вызывающие световое излучение молекул серы
Основными характеристиками ламп традиционно считают светоотдачу и цветопередачу. Известно, чем сплошнее и равномернее спектр лампы, тем более различимы цвета предметов в ее свете.
Так, главный для нас естественный источник света — Солнце — имеет сплошной спектр излучения и наилучшую цветопередачу. Рассмотрим основные, используемые для освещения на данный момент, источники. 1. Лампа накаливания - самый распространенный вид ламп. Это обуславливается простотой конструкции и применения, универсальностью и невысокой стоимостью. Главным недостатком является низкая светоотдача порядка 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов. Они в большей степени нагревают, чем освещают (дают 95% тепла и лишь 5% света). 2. Галогенные лампы имеют яркий, насыщенный и ровный свет, спектральный состав которого приближен к спектру солнечного света при сроке службы до 4000 часов. Светоотдача таких ламп порядка 30 лм/Вт. 3. По соотношению "цена и качество" люминесцентные лампы являются наиболее эффективными и востребованными. Типичная светоотдача таких ламп порядка 75 лм/Вт. Люминесцентная лампа имеет широкий диапазон цветности; повышенный срок службы (до 15000 часов). Однако световой поток снижается со временем и при повышенных температурах; и лампы содержат ртуть (до 70 мг). Эта доза может причинить вред здоровью. Цвет предметов освещенных этим типом ламп воспринимаются не естественно. Они плохо приспособлены к работе при температуре ниже 10С. 4. Ртутные лампы имеют светоотдачу порядка 60 лм/Вт при небольших габаритах, длительный срок службы — 20000 часов, высокую надежность, хорошую цветопередачу. К недостаткам относится то, что ртутная лампа содержит пары ртути, парциальное давление которых во время работы достигает 105 Па; 40% излучения приходится на ультрафиолетовую область спектра; понижение температуры окружающей среды приводит к снижению мощности потока излучения. 5. Натриевые лампы принадлежат к числу наиболее эффективных источников. Их характеризует высокий уровень светоотдачи порядка 150 лм/Вт; длительный срок службы (до 25000 часов); энергетическая экономичность. Однако излучение натриевой лампы низкого давления является монохроматическим. Такие лампы применяются в основном для освещения улиц, и их применение для других целей затруднительно, поскольку невозможно различать цвета предметов освещенных такими лампами. Также присутствует глубокая пульсация излучения. Применение натриевых ламп низкого давления ограничено тем, что их эффективность зависит от температуры окружающей среды (во время холодной погоды они светят хуже), а в большинстве натриевых ламп высокого давления в качестве наполнителя применяется соединение натрия с ртутью. Это вызывает сомнения в их экологичности. 6. Металлогалогенные лампы имеют высокую светоотдачу порядка 85 лм/Вт; большой срок службы (до 15000 часов); компактные размеры. Разброс по цвету между отдельными лампами; сильная зависимость цветовых характеристик от положения горения, напряжения сети, окружающей температуры являются ее недостатками. Эксплуатация таких ламп разрешена только в специальных закрытых корпусах, что обусловлено ультрафиолетовым излучением, способным вызвать ослепление светом и избыточным рабочим давлением. 7. Ксеноновые лампы имеют спектр близкий к солнечному, обеспечивают высококачественную цветопередачу. Срок службы ламп от 800 до 1500 часов. Светоотдача составляет порядка 45 лм/Вт. Ее недостатки: высокое напряжение зажигания, требует сложной схемы высоковольтного поджига; большой разрядный ток; подверженность разряда действию конвекции внешних магнитных полей; давление не менее 0,3-0,5 МПа, т.е. взрывоопасны даже в нерабочем состоянии. 8. Светодиодные лампы потребляют очень мало электроэнергии. Они имеют срок службы теоретически до 100000 часов. Светоотдача составляет порядка 25 лм/Вт. К недостаткам можно отнести необходимость уделять повышенное внимание отводу тепла от корпуса светодиода; высокую стоимость; малую единичную мощность; проблемы с надежностью при совместной работе большого количества светодиодов; узкий монохроматический спектр.
Как видно из выше изложенного, на данный момент не существует источника света, который бы полностью удовлетворял всем требованиям. У каждого есть свои достоинства и недостатки. Поэтому ведется работа по улучшению существующих типов источников, разработке принципиально новых или ранее считавшихся бесперспективными. К ним относятся и СВЧ-источники света. Полученные на данный момент результаты позволяют говорить о перспективности использования данных источников света из-за их спектра, высокой эффективности и цветопередачи.
Разработка и создание микроволновых источников света предполагает использование практически всех сведений о неравновесной низкотемпературной плазме — определение минимальной СВЧ — мощности для инициирования пробоя буферного газа с учетом его давления; параметрического воздействия СВЧ - поля на плазму; его роли в процессе усиления СВЧ - разряда в сере; поддержание СВЧ - разряда при импульсном режиме работы СВЧ - генератора; изучение спектральных характеристик серы с учетом ее полиморфности; устойчивости плотной СВЧ - плазмы.
Основными узлами СВЧ-источника (рис. 1.2) являются - СВЧ-генератор, резонатор, кварцевая колба с аргон-серной смесью (рис. 1.3), система вывода и транспортировки света из СВЧ резонатора, система вращения или принудительного охлаждения колбы.
Выбор рабочего вида колебаний резонаторной камеры
Прямой механизм возбуждения колебательных уровней молекулы электронным ударом неэффективен.
Поэтому в реальных условиях механизм колебательного возбуждения связан с образованием автораспадного состояния, которое представляет собой квазисвязанное состояние молекулы и электрона, энергия которого находится над границей непрерывного спектра. Система взаимодействующих электрона и молекулы может быть представлена как система из взаимодействующих электронов и ядер. В силу большого различия масс электронов и ядер эта система разделяется на быструю электронную и медленную ядерную подсистему. Это означает, что электроны быстро реагируют на изменение конфигурации ядер, т.е. каждой конфигурации ядер соответствует определенный спектр электронной энергии. Эти зависимости называются электронными термами и являются удобным способом описания процессов взаимодействия электрона с молекулой [24].
Процесс захвата электрона, приводящего к возбуждению колебательных уровней молекулы, определяется поведением электронных термов. Во-первых, захват электрона на автораспадный электронный терм возможен только в некотором интервале энергий электрона и носит резонансный характер. Во-вторых, если распад данного состояния на электрон и молекулу произойдет раньше, чем молекула распадется на фрагменты, то результатом захвата электрона может стать колебательное возбуждение молекулы. В этом случае сечение возбуждения колебательных состояний будет большим, порядка сечения захвата электрона молекулой на автораспадный терм. Отсюда следует, что возбуждение колебательных уровней молекул через автораспадные состояния происходит при определенных энергиях налетающих электронов, соответствующих разности энергий основного и автораспадных электронных термов системы. Если этот процесс происходит эффективно, то его сечение на несколько порядков превышает сечение прямого возбуждения колебательных уровней молекулы электронным ударом. Указанные особенности определяют характер зависимости сечения колебательного возбуждения от энергии налетающих электронов.
Итак, неупругие взаимодействия играют главную роль в возбуждении молекул серы. При неупругом соударении атомных частиц происходит изменение одного из внутренних состояний этих частиц. Некоторые процессы при столкновении электронов и молекул проходят через образование промежуточных связанных состояний электронов и молекул. При этом характер процесса определяется взаимным расположением термов молекулы и отрицательного иона. Один из упомянутых процессов является возбуждением колебательных уровней молекулы [24].
Отрицательный ион появляется как результат электронного захвата. Это состояние называется автораспадным, потому что оно существует в течение некоторого времени, и после этого распадается на молекулу и электрон более низкой энергии. Поэтому столкновение молекулы и электрона приводит к образованию автораспадного состояния отрицательного иона согласно следующей схеме:
Расстояние между ядрами при столкновении электрона и молекулы равно R](CM. рис. 1.7). Поскольку времена электронных процессов значительно меньше, чем время относительного движения ядер, то время прохождения электроном этого расстояния остается тем же самым.
Поэтому захват электрона молекулой происходит, если энергия налетающего электрона близка к энергии отрицательного иона и к энергии молекулы при неизменившемся расстоянии между ядрами. Так как энергия изменяется с изменением межъядерного расстояния, то разброс энергий электронов, при котором происходит процесс захвата и образование отрицательного иона, равен нескольким десятым долям электрон-вольта. Захват электрона носит резонансный характер, с шириной резонанса того же порядка. В случае полиморфизма ширина резонанса будет больше.
Широкий спектр излучения при существовании только молекул S2 объясняется переходом электронов из различных колебательно-вращательных уровней возбужденного состояния В3 Y.U на различные колебательно-вращательные уровни v" основного состояния X3 Y,g На рис. 1.8 представлена схема переходов S2 - молекул для различных колебательно-вращательных уровней v и v". BV\ г.2.1 На рис. 1.9 представлена зависимость сечения колебательного возбуждения молекулы от энергии для молекул азота. Видно, что зависимость ст(єе) достигает максимума при єе» 2,5 эВ.
Необходимо отметить, что вид ст(єе) (см. рис. 1.9) зависит от сродства молекуле данного сорта к электрону. Поскольку молекулы серы имеют достаточно большое сродство к электрону, то автораспадное состояние серы не всегда может приводить к колебательному возбуждению молекул серы и поэтому этот вопрос нужно исследовать отдельно и более подробно.
Если зависимость ст(єе) для серы будет аналогична приведенной на рис. 1.9, то при определенных условиях светоотдача может уменьшаться с увеличением вводимой СВЧ - мощности. Это очень необычное и важное с практическое точки зрения явление.
Известно, что для молекулы серы S2 энергия диссоциации Ed 4,4 эВ, в то время как для других молекул S3 - S9 она меньше (от 3,1 до 2,8 эВ). Это означает, что энергия электронов не должна превышать 2,5 эВ, чтобы иметь квазинепрерывный спектр излучения полиморфной серы. Если электроны имеют достаточно энергии, чтобы вызвать диссоциацию молекул серы, тогда спектр излучения станет линейным (единственная частота), типичным для атомов серы.
Экспериментальное исследование СВЧ-источника света на основе резонатора с Е 0ю видом колебаний
Был спроектирован и изготовлен образец СВЧ-источника света на основе цилиндрического резонатора с Е 0ю видом колебаний [3].
Ниже описано экспериментальное исследование источника. Рабочей камерой источника служит цилиндрический резонатор с Е0ю видом колебаний на частоте 2462 МГц с питанием от магнетрона. Основой изображенного на рис. 2.8 устройства является цилиндрический резонатор диаметром 89 мм и длиной 60 мм с Е0ю видом колебаний на частоте 2462 МГц. Вывод света из резонатора осуществляется через сетчатую торцевую стенку. Внутри резонатора размещена заполненная аргон-серной смесью сферическая кварцевая колба диаметром 18 мм, содержащая 5 мг серы. Резонатор связан с прямоугольным волноводом через индуктивное окно размерами 17 42мм . Для подстройки размеров окна связи и согласования резонатора с трактом была использована измерительная установка, схема которой приведена на рис. 3.9. Величина коэффициента отражения равнялась 0,15. Проведение измерений основных ЭДХ разработанного источника проводилось с помощью установки, схема СВЧ-тракта которой приведена на рис. 2.15. Магнетрон(І) смонтирован на устройстве связи(2) с прямоугольным волноводом сечением 72x34 мм . Размещенный в тракте ферритовый циркулятор(З), предотвращал попадание отраженной волны в магнетрон в процессе настройки резонатора(б). Измерение средней СВЧ мощности осуществлялось с помощью прибора(5) типа Agilent N1911 А, включавшегося в каналы отраженной и падающей волн направленного ответвителя(4) с коэффициентом переходного ослабления 60 дБ. Для питания магнетрона использовался импульсный преобразователь с весьма высоким КПД. Длительность импульсов равнялась 10 мкс, частота следования импульсов 20 кГц, действующее значение СВЧ мощности, при которой велись исследования, 220 Вт. Измерения интенсивности светового потока проводились с помощью прибора Minolta Chroma Meter CL200. Интенсивность составила 25000 лм. Принимая во внимание отражения света и неизотропность источника, можно говорить о достигнутой эффективности 65 лм/Вт. 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 температуры, при которой стенка размягчается и не может выдержать давление паров серы. Схема источника света приведена на рис. 2.10.
При уменьшении длины резонатора, колба занимает гораздо больший объем пространства внутри резонатора. При экспериментальном исследовании цилиндрического резонатора на Е 0ю - виде колебаний было установлено, что увеличение величины светового потока при уменьшении высоты цилиндрического резонатора происходит лишь до определенного предела. Прогнозируемое увеличение напряженности электрического поля, имеет место при длине резонатора 40 мм и более. Дальнейшее сокращение длины резонатора не приводит к росту светоотдачи. Причиной этого явленяется шунтирование плазмой части объема резонатора в приосевой области. Вследствие этого падает напряженность электрического поля и световые характеристики снижаются.
В связи с этим, научным руководителем было предложено использовать штыревую систему в резонаторе [7]. Сущность идеи заключается в использовании цилиндрического резонатора со штыревой системой, особенностью которой является то, что она позволяет возбудить СВЧ - поле той же частоты в резонаторе значительно меньших размеров. Уменьшение размеров резонатора позволяет получить высокую напряженность СВЧ - поля. Штыревые системы были изучены достаточно подробно применительно к разработке замедляющих систем для некоторых типов СВЧ-приборов [28] и применительно к разработке ускоряющих систем циклических ускорителей [29].
Приведем сначала некоторые сведения об электродинамических характеристиках волноводов прямоугольного сечения, нагруженных однорядными и двухрядными штыревыми структурами [29].
Пространство волновода разобьем на две области. Область ниже плоскости у=0 можно рассматривать как отрезок многопроводной линии, и, соответственно, поле в нем можно представить в виде разложения по собственным волнам многопроводной линии. Поле над штырями (у 0) будем искать в виде разложения по пространственным гармоникам.
Однорядная система (рис.3.1) симметрична относительно плоскости z=0, и полный спектр волн в ней распадается на волны с симметричным и антисимметричным распределением Ех относительно этой плоскости. Независимость этих двух групп волн очевидна.
Конструирование основных элементов СВЧ-источника света
Если как ранее считать —— 2-10 2, то, согласно (3.41), —— 4-10 3 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: где А - затухание мощности, проходящей через резонатор, в дБ, Ксві и КСВ2 - коэффициенты связи с резонатором линий ввода-вывода мощности. Если необходимо измерить Qo с погрешностью не более 3%, то для симметричной связи (Ксв1 = Ксв2), следует установить затухание А 30дБ, что соответствует Ксві = 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 72x17 мм. Отрезок прямоугольного волновода 72x44 мм с переходом на 72x17 мм крепится к резонатору с помощью прижимного хомута, обеспечивающего необходимый гальванический контакт. Ширина индуктивного окна связи составляет 6мм, что при толщине заглушки обеспечит іГсв/ 0,0155,вьісотаі окна связи h 6,0 мм. Необходимое окно связи выполнено путем вырезания в клейкой металлической ленте отверстия нужного размера. Эта лента наклеивается на резонатор на место основного окна связи размером 41x17 мм и прижимается к волноводу. Металлическая лента выполнена на проводящей клеевой основе, что обеспечивает гальванический контакт между волноводом и резонатором.
Измеренная собственная добротность резонатора с прямоугольными штырями составила Q0=12000 на частоте 2616МГц. Значение нагруженной добротности QH=1400 на частоте =2462МГц. Как было описано выше, для оценки действия излучения на глаз используют понятие светового потока, которое характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека. Световой поток — количество излучаемой энергии, протекающей через единицу площади за единицу времени. Световой поток характеризует мощность источника света. За единицу светового потока принят 1 люмен [лм].
Освещённость — физическая величина, численно равная световому потоку, падающему на единицу поверхности. Единицей измерения освещенности служит люкс (1 люкс = 1 люмен/м2). Диапазон уровней освещённости составляет при искусственном освещении от 1 до 20 лк на улице и от 20 до 5000 лк в помещении. В природных условиях освещённость 0,2 лк в полнолуние, 5000 - 10000 лк днём при сплошной облачности и до 100000 лк в ясный солнечный день.
Для характеристики самосветящихся источников света, а также поверхностей, которые пропускают или отражают падающий на них световой поток, используется поверхностная плотность излучаемого светового потока - светимость. Светимость — плотность потока световой энергии в данном направлении. За единицу светимости принимают светимость такой поверхности, которая излучает световой поток равный 1 лм с 1 м2.
Измерение световой характеристики лампы заключается в определении ее светимости. Измерение светового потока от источника света производится при помощи специальных приборов — сферических фотометров. Трудность измерения заключается і в том, что необходимо измерить поток, который испускается во всех направлениях — в телесный угол 4тс.
Для этого можно использовать сферический фотометр — прибор, представляющий собой сферу с внутренним покрытием, имеющим коэффициент отражения близкий к 1. Исследуемый источник света помещается в центр сферы и при помощи фотоэлемента, вмонтированного в стенку сферы и покрытого фильтром с кривой пропускания, равной кривой спектральной чувствительности глаза, измеряется сигнал, пропорциональный освещенности фотоэлемента, которая, в свою очередь, в данном устройстве пропорциональна световому потоку от источника света (фотоэлемент измеряет только рассеяный свет, так как заслонён от прямого излучения источника.специальным экраном). Путём, сравнения полученного сигнала с сигналом от эталонного источника света можно измерить абсолютный световой поток источника света.
Другая возможность состоит в применении люксметра. В этом случае производится измерение освещённости, создаваемой исследуемым источником, на воображаемой сферической поверхности. Измерения проходят последовательно по всем позициям на сфере. Интегрируя измеренные освещённости по площади сферы (м?), получим абсолютный световой поток источника света (в люменах).
При проведении измерений был использован прибор Chroma-Meter Minolta CL200. Chroma-Meter Minolta CL-200 может выполнять измерения цветности цветового контраста, коррелированной цветовой температуры и освещенности. Данный прибор производит измерение освещенность в диапазоне от 0,1 до 99990 лк. Чтобы измеренные значения соответствовали единицам измерения в люменах, измерения проводились на расстоянии 28см от источника света, так как в этом случае сфера с радиусом в 28см будет иметь площадь в 1м2. Тогда полученные значения в люксах равны этим же значениям, но уже в люменах.
