А. Н. Діденко Б. В. Звєрєв2, А. В. Прокопенко2

Відділення Фізико-технічних проблем енергетики РАН, Москва; Московський державний інженерно-фізичний інститут

Введення

Наприкінці XX в. СВЧ-енергетика збагатилася новим напрямком, яке пов’язане зі створенням високоефективних джерел світла на основі використання для цих цілей СВЧ-розряду в сірковмісних середовищах [1-4]. Створення ефективних джерел світла є однією з давніх, але не втратили своєї актуальності проблем, завжди привертали вчених та інженерів. Сутність її зводиться до наступного.

Спектральна щільність випромінювання тіла, нагрітого до температури корони Сонця Тдо = 5800 ° С, /ν зображена на рис. 1.

Тут h – 6,62 · 10 “34 ДБС – постійна Планка, а =

= 1,38· 10"23 Дж / град – постійна Больцмана. З неї видно, що на діапазон людського ока припадає 31% випромінюваної енергії. Таким чином, ККД Сонця як джерела природного випромінювання дорівнює 31%.

На жаль, жоден з елементів періодичної таблиці не можна нагріти до такої температури без його розплавлення або переходу в газово-плазменное стан, тому в земних умовах неможливе створення джерела світла з високим ККД. У існуючих джерел світла на основі тел напруження максимум випромінювання припадає на більш довгі хвилі, оскільки для будь-якого нагрітого тіла справедливе співвідношення · Т = Const. Саме тому всі лампи розжарювання мають ККД на рівні 2-3% (рис. 2).

Більш високий ККД (~ 10-15%) мають лампи денного світла, але їх спектральні характеристики суттєво відрізняються від спектральних характеристик Сонця, і тому вони мають низький колірний індекс ~ 40-50%.

В принципі, високоефективний джерело СВЧ- світла можна створити на основі плазми, якщо деякий обсяг, обмежений плазмою, нагріти до Т = 7к = 5800 ° С, т. Е. В лабораторних умовах отримати штучне Сонце, яке мало б ККД перетворення вкладеною в нього енергії в світ на рівні 31%. На жаль, ця, на перший погляд, проста задача не має цікавого для практичного використання рішення. Насправді, плазма буде випромінювати як абсолютно чорне тіло, якщо для радіуса кулі плазми R виконується наступна нерівність:

де пе і П [- щільність електронної та іонної компонент плазми. При Те = 6000 ° С радіус плазмового кулі буде близько 1 см, якщо η> 31018 1 / см3. Це означає, що плазма буде випромінювати як абсолютно чорне тіло, якщо вона буде досить щільною. Але не ця проблема буде головною. Справа в тому, що плазмовий кулька радіусом R = 1 см, нагрітий до ~ 6000 ° С, випромінюючи б потужність W = gtT4S = 92,3 кВт. Ясно, що ні про яке джерелі світла на цій основі, придатному для практичного використання, говорити не доводиться. Все вищевикладене свідчить, що розробка джерел світла можлива тільки на основі використання атомних і молекулярних спектрів випромінювання певних елементів або їхніх сполук. На жаль, атомні спектри всіх елементів лежать в короткохвильовому діапазоні.

В даний час наукова громадськість приділяє значну увагу безелеродним розрядами з парами молекулярних сполук як перспективним джерел видимого світла. СВЧ-розряди низького тиску з парами ртуті вже більше тридцяти років використовуються як високоефективні джерела ультрафіолетового випромінювання. Вперше високоефективний джерело видимого світла на базі СВЧ-розряду з парами сірки був представлений фірмою Fussion Lighting (США) в 1992 р [3-4]. Лампа володіла спектральними характеристиками близькими до сонячних і високим коефіцієнтом перетворення НВЧ-енергії у видиме світло (рис. 2). Перші промислові зразки таких ламп SOLAR 1000 ™ вже використані при сучасному внутрішньому архітектурному освітленні за допомогою світловодів будівель в США та Скандинавських країнах [5]. Проте практична реалізація такого СВЧ-джерела світла, як показує досвід Fusion Lighting, пов’язана з низкою проблем, зазначених нижче.

Джерело світла на основі НВЧ-розряду в парах сірки

У кварцовою колбі, заповненої аргоном тиском ~ 150 Па (що відповідає мінімуму кривої Пашена на частоті 2450 МГц – рис. 3), знаходиться поліморфна сірка в твердому стані. Якщо опромінювати колбу ВЧ або СВЧ-випромінюванням від якого-небудь ВЧ або СВЧ- генератора, то в ній утворюється плазма, яка може бути джерелом світлового випромінювання. Що починається в атмосфері Аг розряд призводить до підвищення температури на стінках колби і утворення парів сірки з парціальним тиском ~ (0,5 – 1) 106 Па. При високих тисках парів сірки істотний вплив на спектральні характеристики розряду і на потік випромінювання надає явище реабсорбції, коли УФ-випромінювання від резонансних ліній атомів сірки не виходить з розряду, а переизлучается молекулами сірки у видимій області спектра. Аргонове світіння в розряді в міру нагріву оболонки замінюється на світіння молекул полиморфной сірки, спектральні характеристики випромінювання якої близькі до спектральним характеристикам Сонця (рис. 4). Тиск пари сірки в ампулі визначається головним чином її кількістю ~ 3-5 мг / см3 і температурою оболонки колби ~ 700 ° С.

Одним з найбільш важливих питань є вибір частоти ВЧ-поля. Як відомо, високочастотні розряди можливі при виборі частот кілогерцевого (індукційний розряд), мегагерцевого (ВЧ-розряд) і гігагерцевого (НВЧ-розряд) діапазонів. Проведемо порівняння цих діапазонів з метою визначення тих частот, при яких для отримання розряду потрібна мінімальна потужність. При індукційному розряді під дією змінюється магнітного поля всередині котушки індукується вихровий електричне поле Е ~ зі. У когерцевом діапазоні воно мало і його недостатньо для пробою.

Для визначення робочої частоти необхідно порівняти 3 величини: діаметр колби D, довжину вільного пробігу / і амплітуду коливань електронів А. При I »D електрони, природно, не відчувають зіткнень усередині камери, а значить, не можуть викликати іонізацію. При D ~ 1-2 см це має місце при тиску р ~ 10 ‘2 мм рт. ст. Значить, для ефективної іонізації необхідно використовувати тиск буферного газу більше цієї величини. Що стосується співвідношень між амплітудами коливань електронів А і діаметром колби D, то розряд в парах сірки, що є електронегативним елементом, можливий тоді, коли електрони будуть здійснювати в колбі осциляторні коливання, т. е. коли А

Рис. 4. Спектральний розподіл випромінювання: 1 – сонячного світла; 2 – сірчаного СВЧ-джерела світла при високому тиску Ps* Ю6 Па; 3 – очі при денному зорі; 4 – очі при нічному зорі.

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

Як відомо, якщо електрон рухається в ВЧ-поле напруженістю Е <> з частотою ω, то для амплітуди коливань має місце наступне співвідношення:

I де vc – Частота зіткнень. Якщоі при Е0 ~ 200 В / см це нерівність виконується при λ <2 м. При ν0»Ω повинно виконуватися наступне нерівність. Це означає, що гранична частота, при якій необхідна для пробою напруженість високочастотної компоненти електричного поля зростає, залежить від діаметру колби, тиску газу всередині колби і напруженості НВЧ-поля.

Важливим питанням є визначення потужності СВЧ-генератора, необхідної для отримання розряду в буферному газі і підтримки розряду в плазмі після випаровування та іонізації сірки.

Якщо в якості буферного газу використовувати аргон, то, як видно з рис. 3, при / ~ 3,0 ГГц мінімальне пробивна напруга (~ 200-300 В / см) буде при тиску в кілька міліметрів ртутного стовпа. Таку напруженість можна отримати, якщо помістити колбу в резонатор з одного прозорою для світла стінкою. Тоді, оскільки, При

добротності Q = 100 потужність СВЧ-генератора повинна бути приблизно 10 Вт Насправді ефективна напруженість змінного поля £eff менше Eq і тому для порушення розряду повинна виконуватися умова:

Тому для порушення плазми необхідно використовувати генератор з потужністю 100 Вт.

Для підтримки розряду в плазмі потрібно істотно менша напруженість поля. Ця напруженість Ed та електронна температура плазми зв’язані між собою співвідношеннями [6]: де / – потенціал іонізації; R – радіус каналу, в якому йде розряд; М- атомарна маса газу. Постійна зт залежить від газу і, наприклад, для аргону зт = 410"2. Залежність між електронною температурою і зт, Р, R зображена на рис. 5. Як видно з цього малюнка, при р ~ 1-5 мм рт. ст. і радіусі 7? ~ 1 см електронна температура Ге«2103/, Т. Е. Для Аг вона приблизно дорівнює 3-104 До і зменшується зі збільшенням тиску. Підставляючи це значення для TQ у вираз для Ed неважко визначити, що на початковій стадії (коли vc«Зі)

Рис. 5. Універсальна крива для обчислення Т / Те в позитивному стовпі в залежності від стря

і для молекулярної сірки (М · з2 = 50 ГеВ) Ed~ 0,4 В / см. Ця величина збільшується до 1,, 0 В / см із збільшенням vc (Коли vc>> Зі), проте це збільшення незначно, оскільки із збільшенням vc зменшується Те. Строго кажучи, формула (5) справедлива для пружних зіткнень. Якщо істотну роль відіграють непружні зіткнення, то для підтримки розряду значення Ed необхідно збільшити приблизно на порядок.

Питання про стійкість утворилася плазми набуває особливого значення у зв’язку з безперервним характером роботи таких плазмових систем. Особливу увагу заслуговують параметричні нестійкості при ω « ωρ, Які можуть виникати навіть при незначних напруженостях СВЧ-поля і приводити до нестабільного горіння розряду. Проведений аналіз дозволяє вибрати загальний варіант СВЧ- лампи, що працює на стандартній частоті 2450 МГц з D ~ 2 см, заповненням сірої приблизно 5 мг / см3 обсягу колби і потужністю живлення не менше 100 Вт.

Прогрес у розробці безелектродних сірчаних ламп

При дослідженні та практичної реалізації сірчаних ламп виникають проблеми: а) забезпечення прийнятного теплового режиму кварцовою оболонки колби з газової (Ar-S) сумішшю, при якій вона не руйнується; б) виведення світлової енергії з робочої камери при екологічної безпеки по СВЧ-випромінювання; в) стійкої роботи живлячої магнетрона на резонаторних навантаження зі змінним вхідним опором.

Для вирішення першої проблеми можливе використання в якості робочих камер резонаторів з аксіально-симетричним електромагнітним полем. Тепловий режим кварцовою колби, розміщеної в циліндричному резонаторі з коливаннями ТІ0ц, істотно полегшується у випадку її розміщення співвісно резонатору. Електричне поле тангенциально поверхні колби, що дозволяє зменшити потоки електронів на стінки і забезпечити прийнятний теплової режим без обертання оболонки колби і її обдування, як це виконано в SOLAR 1000 ™. Особливо гарні результати були отримані у разі застосування тороідального кварцовою колби.

При розробці сірчаної лампи розглядаються різні Типи резонаторів та їх можливі області застосування. Як вже зазначалося раніше, перевагу віддано резонаторам з аксіально-симетричним електричним полем з коливаннями ТІ0ц, серед яких можна виділити циліндричний резонатор, световивод з якого здійснюється безліччю дрібних отворів в корпусі резонатора (рис. 6). У цьому резонаторі можливо використовувати сферичні і тороїдальні колби.

де Р – потужність харчування, Q – власна добротність, Ζ0 = = 377 Ом – опір вільного простору, R і L – радіус і довжина резонатора, Jo, J \ – функції Бесселя; μοι = 3,832.

Рис. 6. Розташування ампул в циліндричному резонаторі з коливаннями ТІ0ц.

Параметр напруженості електричного поля в такому ре зонаторе записується як

Рис. 7. Робочі камери сірчаних СВЧ-ламп

Для робочих камер сірчаних ламп можна використовувати резонатор у вигляді параболоїда обертання, розкривши дзеркала якого перекритий дрібної провідної сіткою. Сферична колбочка з Ar-S-сумішшю поміщена у фокусі параболоїда, а світловий потік з нього спрямований пучком і не вимагає додаткової фокусування (рис. 7, а). В якості резонатора з аксіальносімметрічним електричним полем може використовуватися сферичний резонатор з коливаннями ΤΕιοι (рис. 7, б). Перспективним видається діелектричний резонатор (виконаний з півхвильового відрізка круглого діелектричного хвилеводу, обмеженого металевими кругами). Ненаправлений световивод можливо здійснити за бокової поверхні (рис. 7, в).

Експериментальні дослідження НВЧ-ламп [2, 7-9], резонаторна робоча камера яких порушується на коливаннях ΤΕοΐρ-типу з єдиною складовою електричного поля £φ, Показали, що в практичних конструкціях передача СВЧ-енергії корпусу ампули може бути знижена, принаймні в 5 разів у порівнянні з опроміненням прямим is-полем. Робота випробуваних СВЧ-ламп при вводиться в резонатор потужності порядку 600 Вт і охолодженні ампули вільної конвекцією повітря супроводжувалася в гіршому випадку (при неточному збігу осей симетрії ампули і корпусу резонатора) нагріванням ампули до ледве видного темно-червоного світіння. Відповідна температура ампул не перевищувала 570 ° С і була недостатня для руйнування її корпусу.

При використанні резонаторної робочої камери виникає проблема забезпечення стійкої роботи живлячої магнетрона на навантаження зі змінним вхідним опором, так як при підпал і горінні розряду змінюється власна добротність камери, її коефіцієнт зв’язку з СВЧ-трактом і резонансна частота. Для вирішення цієї проблеми запропоновано використання системи стабілізації частоти живлячої генератора самої резонаторної навантаженням, добре зарекомендувала себе в прискорювальної техніці (рис. 8).

Детальний розгляд системи наводиться в [2, 10]. Можливість стабільною і стійкою роботи СВЧ-лампи зі схемою стабілізації частоти магнетрона Ml05-1 без феритового вентиля з коефіцієнтом передачі потужності η> 0,9η 0 була доведена експериментально для всіх робочих камер.

Рис. 8. Схема системи стабілізації частоти магнетрона резонаторної навантаженням.

Световивод в таких резонаторах здійснюється за допомогою безлічі дрібних отворів в корпусі резонатора, позамежних для СВЧ-поля і займають не менше половини поверхні корпусу. Екологічна безпека використаних световиводов з робочих камер по СВЧ-випромінювання була експериментально підтверджена.

Отримані результати дозволяють сподіватися, що СВЧ-джерела видимого світла отримають визнання і будуть серійно виготовлятися після деяких конструкторських доробок.

За результатами роботи можна зробити наступні висновки:

1.            На базі СВЧ-розряду можливо створити високоефективні джерела видимого світла з оптимальними енергетичними характеристиками.

2.            Стійка робота лампи досягається використанням системи стабілізації частоти магнетрона резонаторної навантаженням.

3.            Практично повний световивод можливо здійснити за допомогою позамежних для СВЧ-поля отворів в корпусі резонатора або при використанні світлопрозорих резонаторів і світловодів.

4.            Тепловий режим оболонки кварцовою ампули істотно поліпшується, коли електричне поле тангенциально її поверхні. Пропонується використовувати резонаторні робочі камери з аксіально-симетричними електромагнітними полями. Такі системи дозволяють забезпечити прийнятний тепловий режим кварцовою оболонки без обертання і примусового охолодження.

Дана робота виконується за підтримки РФФД в рамках проекту № 00-02-16170.

Література

1.        Діденко А. К, Виноградов Є. А., Ляхов ГА., Шипілов К. Ф. Високоефективний безелектродний джерело світла з квазісолнечним спектром на основі тліючого СВЧ-розряду // ДАН. 1995. Т. 344, № 2. С. 182-183.

2.        Діденко А. Н., Звєрєв Б. В. СВЧ-енергетика. 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.        Шліфер Е. Д. Безелектродні надчастотних газорозрядні лампи / Под ред. Ю. Б. Айзенберга. М .: Будинок світла, 1999. Вип. 2 (14). 24 с.

6.        Райзер Ю. П. Фізика газового розряду. М .: Наука, 1992. 460 с.

7.        Діденко А. Н., Звєрєв Б. В. та ін. Ефективні джерела видимого світла на основі діелектричних резонаторів // Известия РАН. Сер. Енергетика. 1997, № 6. С. 134-139.

8.        Діденко А. Н., Звєрєв Б. В. та ін. Малогабаритний СВЧ-джерело видимого світла на основі сферичного резонатора // Вісті РАН. Сер. Енергетика. 1997, № 6. С. 129-132.

9.        Діденко А. Н., Звєрєв Б. В., Прокопенко А. В. СВЧ-джерело видимого світла прожекторного типу // НТЖ Інженерна фізика. 1999, №2. С. 34-37.

10.     Діденко А. Н., Звєрєв Б. В. та ін. Високоефективна система харчування СВЧ-джерела видимого світла від стабілізованого генератора // Известия РАН. Сер. Енергетика, 1998, № 1. С. 147-152.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.