сверхвысокочастотный (свч) возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы (варианты)

Формула изобретения

1. Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий осесимметричный СВЧ-резонатор в виде двух расположенных вдоль общей продольной оси и состыкованных торцами секций, по меньшей мере одна из которых выполнена светопрозрачной, и безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, которая размещена в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний резонатора, отличающийся тем, что в СВЧ-резонаторе в качестве рабочего вида колебаний использован ТЕ_01р-вид, где р= 1,2,3, . . . , а секции резонатора состыкованы разъемно, при этом стыковочные торцы каждой из секций снабжены по меньшей мере тремя радиальными направляющими, а безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа выполнена в форме полого тора, ось азимутальной симметрии которого совпадает с продольной осью СВЧ-резонатора и с внешней стороны тора снабжена радиально-расходящимися диэлектрическими держателями, свободный конец каждого из которых расположен между и охвачен направляющими обеих секций резонатора с возможностью возвратно-поступательного перемещения в радиальном направлении, при этом число и азимутальное положение держателей и направляющих совпадают.

2. СВЧ-возбудитель по п. 1, отличающийся тем, что в СВЧ-резонаторе вдоль его оси установлен с возможностью вращения консольный стержень, снабженный воздуховодным каналом и соплами, по крайней мере часть из которых направлена на лампу.

3. СВЧ-возбудитель по п. 2, отличающийся тем, что по меньшей мере два сопла, сформированных на консольном стержне, выполнены в виде патрубков, имеющих радиальные и азимутальные участки, причем все азимутальные участки патрубков направлены в одну и ту же сторону - по или против часовой стрелки.

4. СВЧ-возбудитель по п. 2 или 3, отличающийся тем, что на конце консольного стержня закреплена дополнительная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа.

5. СВЧ-возбудитель по п. 1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что СВЧ-резонатор выполнен в виде двух полусфер, состыкованных в экваториальной плоскости.

6. СВЧ-возбудитель по п. 1, или 2, или 3, или 4, или 5, отличающийся тем, что светопрозрачные стенки осесимметричного СВЧ-резонатора образованы группой проводников, выполненных в форме замкнутых колец, которые соосно размещены с зазорами в плоскостях, перпендикулярных продольной оси СВЧ-резонатора, и жестко закреплены на каркасе.

7. Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий светопрозрачный осесимметричный СВЧ-резонатор и безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, которая размещена в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний, отличающийся тем, что в СВЧ-резонаторе в качестве рабочего вида колебаний использован ТЕ_01р-вид, где р= 1,2,3. . . , а безэлектродная лампа выполнена в форме полого тора, ось азимутальной симметрии которого совпадает с продольной осью СВЧ-резонатора, и с внутренней стороны тора снабжена по меньшей мере двумя радиально сходящимися диэлектрическими стержнями, которые жестко соединены с диэлектрическим консольным стержнем, установленным вдоль продольной оси резонатора.

8. СВЧ-возбудитель по п. 7, отличающийся тем, что консольный стержень установлен с возможностью вращения и снабжен воздуховодным каналом и соплами, по крайней мере часть из которых направлена на лампу.

9. СВЧ-возбудитель по п. 8, отличающийся тем, что по меньшей мере два сопла, сформированных на консольном стержне, выполнены в виде патрубков, имеющих радиальные и азимутальные участки, причем все азимутальные участки патрубков направлены в одну и ту же сторону - по или против часовой стрелки.

10. СВЧ-возбудитель по п. 8 или 9, отличающийся тем, что на конце консольного стержня закреплена дополнительная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа.

11. СВЧ-возбудитель по п. 7, или 8, или 9, или 10, отличающийся тем, что СВЧ-резонатор выполнен в виде двух полусфер, состыкованных в экваториальной плоскости.

12. СВЧ-возбудитель по п. 7, или 8, или 9, или 10, или 11, отличающийся тем, что светопрозрачные стенки осесимметричного СВЧ-резонатора образованы группой проводников, выполненных в форме замкнутых колец, которые соосно размещены с зазорами в плоскостях, перпендикулярных продольной оси СВЧ-резонатора, и жестко закреплены на каркасе.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области светотехники и техники сверхвысоких частот (СВЧ). В более узком приложении заявляемый объект относится к осветительным и облучательным устройствам, используемым для создания потоков оптического излучения в видимой или в ультрафиолетовой (УФ) части спектра. В конкретном идеологическом и конструктивном построении заявляемый объект относится к возбудителям безэлектродных СВЧ-газоразрядных ламп и оптическим излучателям на их основе.

Известны устройства светильников, в которых безэлектродная газоразрядная лампа размещена в СВЧ-резонаторе со светопрозрачными (сетчатыми) стенками, препятствующими излучению СВЧ-энергии накачки в окружающую среду. При этом обычно для устойчивого зажигания разряда и его поддержания безэлектродная лампа располагается вблизи максимума (в зоне пучности) электрического СВЧ-поля, пространственное распределение (топография) которого в зависимости от того, какой вид колебаний выбран в качестве рабочего, может существенно различаться. Соответственно и распределение СВЧ-токов в стенках СВЧ-резонатора будет различным. Если топография СВЧ-электрического поля оказывает влияние на форму плазменного светящего тела в безэлектродной лампе и на распределение температуры в ее оболочке, то распределение СВЧ-токов в стенках резонатора влияет на форму диаграммы направленности и уровень СВЧ-излучений, "просачивающихся" в окружающее пространство, а также на распределение термомеханических напряжений в стенках этого резонатора и, соответственно, на сохраняемость его геометрической формы.

В известной практике создания мощных источников света на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ-накачкой стали уже традиционными построения возбудителей, использующие светопрозрачные сетчатые СВЧ-резонаторы цилиндрической формы, работающие на ТЕ₁₁₁ (ТЕ_11p)-виде колебаний.

Топография СВЧ-электрического поля этого вида колебаний характеризуется отсутствием азимутальной симметрии. Соответственно и распределение СВЧ-токов в стенке СВЧ-резонатора является азимутально несимметричным. При этом СВЧ-токи в цилиндрической стенке имеют как продольные, так и азимутальные составляющие, а в торцевой стенке - радиальные и азимутальные составляющие. Менее распространенным является использование осесимметричных СВЧ-резонаторов с нецилиндрической формой стенки, например с квазипараболоидной или сферической формой. Однако и в таких СВЧ-резонаторах структура поля, присущая рабочему виду колебаний (будь то ТЕ_11p или ТМ_11p), азимутально несимметрична. Из сказанного вытекает следующее. Во-первых, в безэлектродной лампе, размещенной в пучности СВЧ-электрического поля такого вида колебаний, плазменное светящее тело оказывается не сферическим, а "вытянутым" вдоль силовых линий электрического поля в форме чечевицы. Соответственно даже наиболее распространенная (сферическая) форма колбы безэлектродной лампы не обеспечивает однородного распределения светового потока и температуры оболочки лампы в экваториальном и меридиональном направлениях. Все это диктует необходимость осуществления вращения лампы, а то и ее принудительного обдува. Особенно когда речь идет о мощных источниках света и/или относительно малых диаметрах сферической колбы лампы. Во-вторых, наличие в сетчатых стенках светопрозрачного СВЧ-резонатора как продольных, так и азимутальных СВЧ-токов, протекающих по проводящим перемычкам между ячейками сетки, делает предпочтительным использование квадратной формы ячейки, как минимально (и в равной степени) искажающей "линии" обеих указанных составляющих СВЧ-токов. Однако эта форма ячейки сетки ограничивает возможности увеличения ее светопрозрачности, ибо увеличение размера ячейки (каждой стороны квадрата) влечет за собой и увеличение "просачивающейся" СВЧ-мощности. Наряду с этим относительно малый размер ячейки сетки обуславливает высокое аэродинамическое сопротивление, т. е. низкую воздухопрозрачность ее, что затрудняет охлаждение колбы лампы (как естественное конвекционное, так и принудительное), ибо возникают отраженные воздушные потоки и "застойные подушки".

С потребительской точки зрения ограничение светопрозрачности сетчатого резонатора означает снижение результирующей световой отдачи светильника в целом, что противоречит идее и задаче энергосбережения.

Если бы удалось создать возбудитель лампы и источник оптического излучения в целом, устройство которого позволяло бы отодвинуть на более далекую ступень ограничения, связанные с неоднородностью светящего тела и температуры в колбе безэлектродной лампы, а также с противоречиями между СВЧ-непрозрачностью, с одной стороны, и свето- и воздухопрозрачностью СВЧ-резонатора - с другой, то актуальная задача получения и использования мощных световых потоков от энергосберегающих источников с повышенной световой отдачей была бы решена. По крайней мере, на этапе до возникновения новой совокупности ограничений и новых идей по их преодолению.

Рассмотрим, какие устройства возбудителей и источников оптического излучения с безэлектродными СВЧ-газоразрядными лампами, известные на современном этапе, находятся в русле упомянутой задачи и характеризуют уровень техники.

Известно устройство источника оптического излучения с безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампой, защищенное патентом США 4673846 от 16.06.1987 г. МКИ: Н 05 В 41/16, НКИ: 315/248, авторы Kenju Yoshizawa и др. - [1], которое следует отнести к числу аналогов предлагаемых вариантов технического решения.

Это устройство содержит, в частности, цилиндрический СВЧ-резонатор, работающий на ТЕ₁₁₁-виде колебаний. В зоне пучности СВЧ-электрического поля размещена безэлектродная лампа со сферической колбой, снабженной диэлектрическим стержнем-держателем. Этот стержень-держатель закреплен в торцевом основании СВЧ-резонатора без возможности вращения лампы. В аналоге [1] использовано и традиционное техническое решение (общее для известных источников оптического излучения на безэлектродных лампах с СВЧ-накачкой), а именно применение светопрозрачного сетчатого СВЧ-экрана, образующего стенки СВЧ-резонатора.

Во всех вариантах исполнения элементов устройства [1] сетчатый экран имеет квадратную форму ячеек сетки, а структура СВЧ-полей (топография) характеризуется отсутствием азимутальной симметрии, типичным для ТЕ_11p-видов колебаний. Соответственно и распределение СВЧ-токов в стенках азимутально асимметрично. Вытекающие из этого основные недостатки аналога, как отмечалось выше, можно просуммировать следующим образом.

1. Неоднородность (несферичность) светящего тела.

2. Неоднородность распределения температуры в колбе лампы и в стенках СВЧ-резонатора.

3. Необходимость обеспечения надежных гальванических контактов в узлах ячеек сетки и на всех стыках в боковой и торцевых стенках СВЧ-резонатора.

4. Ограниченные возможности увеличения светопрозрачности стенок СВЧ-резонатора без утраты СВЧ-непрозрачности их, что означает ограничение достижимой результирующей световой отдачи устройства в целом.

5. Ограниченные возможности увеличения мощности СВЧ-накачки и мощности оптического излучения (светового потока), связанные со вторым, отмеченным выше, недостатком и отсутствием средств вращения лампы в условиях асимметричного СВЧ-поля.

Известен другой аналог предлагаемых вариантов технического решения. Это устройство по патенту США 4954755 от 04.09.1990 г., МКИ: Н 05 В 41/16, НКИ: 315/248, авторы D. Lynch и др. - [2].

Устройство содержит цилиндрический СВЧ-резонатор с рабочим видом колебаний ТЕ_11p, размещенную на оси резонатора сферическую безэлектродную лампу со стержневым держателем, приводимую во вращение двигателем. Общим признаком этого устройства с одним из вариантов предлагаемого технического решения является то, что СВЧ-резонатор состоит из двух контактирующих торцами соосных участков (секций). При этом один участок - светопрозрачный сетчатый, а другой - цельнометаллический, в цилиндрической стенке которого выполнены вдоль образующих цилиндра щели связи с внешними СВЧ-трактами (волноводами), подводящими к СВЧ-резонатору энергию СВЧ-накачки от автономных магнетронов. Светопрозрачный участок выполнен несекционированным. Особенностью конструкции является то, что щели связи, расположенные в цилиндрической стенке непрозрачного участка СВЧ-резонатора, разнесены по азимуту на 90^o. Этим, по замыслу авторов устройства, достигается навязывание резонатору двух ортогональных распределений СВЧ-поля на ТЕ_11p-виде колебаний, поскольку ТЕ_11p-волна характеризуется возможностью поляризационного вырождения. Соответственно, ожидается электродинамическая "развязка" магнетронов накачки, с одной стороны, и более сглаженное азимутальное распределение температуры колбы, а также более однородная структура светящего тела, с другой стороны.

Однако и в этом случае азимутальная асимметрия СВЧ-поля и токов не устраняется. Поэтому авторы [2] предусматривают устройство вращения лампы.

Недостатки аналога [2], связанные с использованием в качестве рабочего вида колебаний ТЕ_11p в СВЧ-резонаторе, по существу те же, что перечислены выше в п.п.1-4, а отчасти в п.5 применительно к аналогу [1].

Особо следует подчеркнуть необходимость обеспечения надежного гальванического контакта между светопрозрачной (сетчатой) и цельнометаллической (непрозрачной) секциями СВЧ-резонатора, так как СВЧ-токи пересекают стык секций, что порождает возможность возникновения искрений и прогораний, с одной стороны, и заметных СВЧ-излучений - с другой.

Известен еще один аналог: патент США 5227698 от 13.06.1993 г., МКИ: Н 05 В 41/16; НКИ: 315/248, авторы J.E. Sympson и др. - [3]. Устройство содержит безэлектродную лампу со сферической колбой, размещенную в цилиндрическом СВЧ-резонаторе, работающем на ТЕ_11p-виде колебаний. Резонатор имеет светопрозрачную (сетчатую) секцию и цельнометаллическую секцию. В последней выполнены две продольные щели связи аналогично тому, как это сделано в [2], но их возбуждение осуществлено от одного СВЧ-генератора накачки со сдвигом по фазе. Этот сдвиг, по замыслу авторов [3], должен создать в резонаторе вращающееся СВЧ-поле, что призвано заменить вращение лампы.

Для достижения азимутального фазового сдвига волноводный СВЧ-тракт, канализирующий в СВЧ-резонатор энергию накачки от одного генератора, выполнен разветвленным: одна ветвь волновода сделана геометрически (а следовательно, электрически) более длинной, чем другая. Заложенная идеология устройства отвечает поставленной задаче, однако имеет существенные недостатки.

Во-первых, в нем не обеспечивается равенство амплитуд полей на обеих щелях связи, возбуждающих СВЧ-резонатор, так как не предусмотрено никаких средств достижения равенства "сигналов" (мощностей) СВЧ-накачки, поступающих по "короткой" и "длинной" ветвям СВЧ-тракта от единого генератора.

Во-вторых, даже в отсутствие указанных средств устройство в целом громоздко, а если в какую-либо ветвь тракта ввести общеизвестные волноводные аттенюаторы и фазосдвигатели (которые также понадобятся для подстройки требуемого фазового сдвига на щелях связи), то громоздкость и сложность тракта и всего устройства дополнительно возрастут. Это слишком дорогая плата за устранение вращения лампы.

В-третьих, если даже смириться с громоздкостью и сложностью устройства и сомнительностью сохранения оптимальных фазовых и амплитудных соотношений в "сигналах СВЧ-накачки" на обеих щелях связи в различных рабочих режимах, то в рассматриваемом устройстве остаются неустраненными недостатки, связанные с проблемой контактов и ограничением возможностей увеличения размеров ячеек сетки, а следовательно, светопрозрачности стенок СВЧ-резонатора.

Из представленных аналогов устройство [2] по большинству существенных признаков можно принять в качестве прототипа первого из вариантов предлагаемых технических решений, а устройство [1] - прототипом второго варианта. Основные конструктивные признаки и недостатки устройства [1] рассмотрены выше. Следует подробнее выделить конструктивные детали устройства [1], отраженные в описании патента [1] (в тексте и на сопровождающих его фигурах).

Так, в частности, в этом устройстве светопрозрачные стенки СВЧ-резонатора, работающего на ТЕ₁₁₁-виде колебаний, выполнены из сетки с квадратной ячейкой. При этом показаны 2 варианта выполнения собственно сетки:

- в виде полотна из листового материала с квадратными отверстиями, разделенными перемычками (фиг.4 из описания устройства [1]);

- в виде пересекающихся проволочных нитей (фиг.5 из описания устройства [1] ), наложенных "крест-накрест". В этом варианте отмечена важность контактов нитей в точках пересечения (в узлах ячеек).

В устройстве предусмотрено крепление безэлектродной лампы без возможности ее вращения. Для фиксации сферической колбы лампы вблизи пучности СВЧ-поля предусмотрен диэлектрический стержень-держатель, являющийся элементом лампы. Расположение этого стержня-держателя выбрано несовпадающим с продольной осью СВЧ-резонатора. В частности, на фиг.2, 13, 29, 34 упомянутого описания стержень-держатель укреплен на торцевой стенке СВЧ-резонатора наклонно к оси резонатора, а на фиг.16, 26, 28 - поперек оси (т.е. радиально). При этом на фиг.16 представлено закрепление сферической колбы лампы посредством двух диаметрально противоположных радиальных стержней-держателей. В этом случае указанные стержни своими периферийными (свободными) концами крепятся к боковой стенке СВЧ-резонатора, являющейся одновременно рефлектором-формирователем потока оптического излучения. Если рефлектор выполнен в форме параболоида, то центр сферической колбы лампы должен находиться на его оси в оптическом фокусе этого рефлектора. Для этого колба перед фиксацией стержней должна быть радиально отъюстирована.

Недостатками, присущими этому прототипу (кроме основных, уже отмеченных по п.п. 1-5) в вышеперечисленных конструктивных вариантах исполнения, являются, в частности, еще и следующие:

Во-первых, применительно к креплению лампы на стержне, расположенном поперек оси СВЧ-резонатора (как на одном стержне-держателе, так и на двух), не обеспечено сохранение изначального положения (центровки) лампы при ее разогреве и, соответственно, при разогреве стержней. Следствия: появление дополнительной асимметрии в свето- и теплораспределении, нарушение фокусировки потока.

Во-вторых, применительно к закреплению лампы без вращения (в условиях работы в неоднородном поле ТЕ_11p-вида колебаний и без принудительного обдува лампы), не обеспечивается одинаковое "поведение" лампы при горизонтальном и вертикальном рабочих положениях СВЧ-резонатора. Это связано с различными направлениями движения естественного конвекционного воздушного потока относительно горячих зон колбы лампы.

Если при этом учесть ограниченную воздухопрозрачность сетки СВЧ-резонатора, то образование "подушек" горячего воздуха может усугубить неоднородность теплораспределения по колбе (да и по стержням-держателям, по стенкам СВЧ-резонатора), а следовательно, и неоднородность в форме светящего тела и светоизлучении лампы.

Значимость того или иного из отмеченных основных и частных недостатков зависит от предназначения осветительной или облучательной установки, в которой предусматривается использование собственно источника оптического излучения. Например, не всегда необходимо иметь "квазиточечное" (сферическое) равномерное светящее тело, не всегда (хотя и часто) требуются мощные световые потоки с наперед заданной строго сформированной диаграммой направленности излучения. Однако всегда желательно иметь высокую световую отдачу при ограниченном просачивании СВЧ-энергии в окружающую среду (если только речь не идет о прямом полезном применении СВЧ-облучения наряду с оптическим).

Тем не менее стремление к компромиссно возможному устранению существенных недостатков и имеющихся ограничений, а также к расширению арсенала полезных средств освещения и облучения диктует необходимость в создании и новой идеологии и ее нового конструктивного воплощения.

Обобщенной целью предлагаемого технического решения во всех его вариантах является обеспечение повышенной световой отдачи с возможностью наращивания мощности СВЧ-накачки и, соответственно, потока оптического излучения при одновременном непревышении допустимых уровней СВЧ-излучений в окружающую среду и допустимых температур оболочки безэлектродной лампы, т.е. без утраты экологической безопасности и долговечности источника оптического излучения.

Идеология построения возбудителя и источника оптического излучения с СВЧ-газоразрядной безэлектродной лампой, отвечающего сформулированной цели, предусматривает введение в предлагаемое устройство совокупности конструктивно, электродинамически, термодинамически и оптически совместимых и во многом взаимозависимых элементов, сочетание которых определяет достижение наибольшего эффекта, базирующегося на принципе формирования и сохранения азимутально-симметричной структуры СВЧ-токов, СВЧ- и тепловых полей и формы собственно СВЧ-безэлектродного светоизлучающего разряда.

Технические результаты, которые могут быть получены при осуществлении предлагаемых вариантов устройства, заключаются:

а) в достижении равномерного азимутального свето- и теплораспределения и непревышения допустимых температур в оболочке СВЧ-газоразрядной лампы даже без вращения последней и принудительного охлаждения, а при использовании вращения и/или обдува лампы - в достижении повышенных мощностей оптического излучения;

б) в достижении увеличенной светопрозрачности и воздухопроницаемости стенок СВЧ-резонатора при достаточной СВЧ-непрозрачности, что позволяет получить больший световой поток при той же мощности СВЧ накачки и еще больший при увеличенной СВЧ-мощности.

Итоговый технико-экономический эффект заключается в достижении повышенных энергетических характеристик источника в целом.

Указанные технические результаты и общая цель изобретения достигаются по первому варианту тем, что в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем осесимметричный СВЧ-резонатор в виде двух расположенных вдоль общей продольной оси и состыкованных торцами секций, по меньшей мере одна из которых выполнена светопрозрачной, и безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, которая размещена в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний, в СВЧ-резонаторе в качестве рабочего вида колебаний использован TE₀₁₁ (TE_01p)-вид, а секции резонатора состыкованы разъемно, при этом стыковочные торцы каждой из секций снабжены по меньшей мере тремя радиальными направляющими, а безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа выполнена в форме полого тора, ось азимутальной симметрии которого совпадает с продольной осью СВЧ-резонатора, и с внешней стороны тора снабжена радиально-расходящимися диэлектрическими держателями, свободный конец каждого из которых расположен между и охвачен направляющими обеих секций резонатора с возможностью возвратно-поступательного перемещения в радиальном направлении, при этом число и азимутальное положение держателей и направляющих совпадают.

Дополнительно предусмотрено, что в СВЧ-резонаторе вдоль его оси установлен с возможностью вращения консольный стержень, снабженный воздуховодным каналом и соплами, по крайней мере часть из которых направлена на лампу.

По второму варианту устройства, обеспечивающему указанную выше цель, в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем светопрозрачный осесимметричный СВЧ-резонатор и безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу, которая размещена в зоне пучности СВЧ-электрического поля рабочего вида колебаний, в СВЧ-резонаторе в качестве рабочего вида колебаний использован ТЕ₀₁₁ (ТЕ_01p)-вид, а безэлектродная лампа выполнена в форме полого тора, ось азимутальной симметрии которого совпадает с продольной осью СВЧ-резонатора, и с внутренней стороны тора снабжена по меньшей мере двумя радиально сходящимися диэлектрическими стержнями, которые жестко соединены с диэлектрическим консольным стержнем, установленным вдоль продольной оси резонатора.

Дополнительно предусмотрено, что консольный стержень установлен с возможностью вращения и снабжен воздуховодным каналом и соплами, по крайней мере часть из которых направлена на лампу.

Кроме того, оба варианта устройств предусматривают, что по меньшей мере два сопла, сформированных на консольном стержне, выполнены в виде патрубков, имеющих радиальные и азимутальные участки, причем все азимутальные участки патрубков направлены в одну и ту же сторону - по или против часовой стрелки.

Предусмотрено, что на конце консольного стержня закреплена дополнительная безэлектродная СВЧ-газоразрядная лампа.

Предусмотрено, что СВЧ-резонатор выполнен в виде двух полусфер, состыкованных в экваториальной плоскости.

Предусмотрено также, что светопрозрачные стенки осесимметричного СВЧ-резонатора образованы группой проводников, выполненных в форме замкнутых колец, которые соосно размещены с зазорами в плоскостях, перпендикулярных продольной оси СВЧ-резонатора, и жестко закреплены на каркасе.

Сопоставительный анализ предлагаемых вариантов конструкции СВЧ-возбудителя с уровнем техники и отсутствие описания аналогичных технических решений в известных источниках информации позволяют сделать вывод о соответствии предлагаемых устройств критерию "новизна".

Заявленные устройства характеризуются совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показано в продольном разрезе устройство СВЧ-возбудителя по первому варианту.

На фиг.2 показан вид устройства по первому варианту в плане.

На фиг.3 показана структура СВЧ-поля и СВЧ-токов в цилиндрическом резонаторе на рабочем ТЕ₀₁₁-виде колебаний.

На фиг.4 показано устройство по фиг.1 с полым консольным стержнем.

На фиг. 5 показано в продольном разрезе устройство СВЧ-возбудителя по второму варианту.

На фиг.6 показан вид лампы по фиг.5 в плане.

На фиг.7, 8 схематично показаны конструкции тороидальных ламп и сопел в модификациях использования полых аксиально-консольных стержней.

На фиг.9а, б, в схематично показаны модификации форм поперечного сечения радиально сходящихся стрежней на вращаемой тороидальной лампе по сечению А-А фиг.5.

На фиг.10 схематично показан продольный разрез СВЧ-возбудителя с состыкованной волноводной линией передачи.

На фиг.11, 12 показаны модификации устройств с дополнительной безэлектродной лампой на конце консольного стержня.

На фиг.13 и 14 схематично показаны конструкции сопел с радиальными и азимутальными участками, применительно к лампам по фиг.1 и 5.

На фиг.15 показана модификация сочленения сферического СВЧ-резонатора с СВЧ-трактом.

На фиг.16 показан вид устройства по фиг.15 в плане.

На фиг.1, 2 показана конструкция устройства по первому варианту, воплощающая сформулированную выше идеологию его построения. Устройство содержит осесимметричный СВЧ-резонатор 1, безэлектродную СВЧ-газоразрядную лампу (горелку) 2, СВЧ-возбудитель 3 рабочего вида колебаний, являющийся элементом электромагнитной связи резонатора 1 с передающей линией 4, канализирующей энергию СВЧ-накачки (Р_свч) от непоказанного на фиг.1 генератора (магнетрона). В конкретном графическом представлении на фиг.1 продольная ось СВЧ-резонатора 1 расположена вертикально. Это сделано не из принципиальных соображений, а лишь для удобства описания, ибо рабочее положение устройства может быть иным.

СВЧ-резонатор 1 имеет боковую цилиндрическую стенку 5 и две торцевые стенки 6, 7 (соответственно верхнюю 6 и нижнюю 7 на фиг.1). Указанный резонатор 1 можно рассматривать как короткозамкнутый по концам отрезок круглого волновода с внутренним диаметром D и длиной L.

В СВЧ-резонаторе 1 предлагаемого устройства в качестве рабочего вида колебаний выбран и используется ТЕ₀₁₁ (ТЕ_01p)-вид, характеризующийся азимутально симметричной структурой электромагнитного поля (см. фиг.3). Такой выбор является принципиальным для воплощения предложенной идеологии. Условием распространения TE₀₁-волны в круглом волноводе на рабочей длине волны _раб является выбор диаметра D такой величины, при которой критическая длина волны типа TE₀₁: Так как то необходимый диаметр D должен быть выбран: D>_раб/0.82. Если, например, СВЧ-накачка осуществляется на традиционной (разрешенной) рабочей частоте f= 2.45 ГГц (_раб = 12.24 см), то диаметр резонатора D должен превышать величину 12.24/0.82=14.926 см.

Для работы на ТЕ₀₁₁-виде колебаний длина L резонатора 1 должна составить половину волноводной длины волны: _в/2, т.е.

Соответственно, для работы на ТЕ₀₁₂-виде колебаний длина L резонатора 1 при том же диаметре D должна быть выбрана вдвое большей.

Лампа 2 выполнена в форме тора, например, из кварцевой трубки (с внутренним диаметром d), замкнутой в кольцо, имеющее средний диаметр d₁, соответствующий радиальному положению максимума эпюры электрического СВЧ-поля. Как видно из фиг.1 и фиг.2, ось азимутальной симметрии лампы 2 совпадает с продольной осью резонатора 1. Осевое положение l₁ тора, отсчитываемое от торцевой стенки 6 СВЧ-резонатора, также выбрано соответствующим максимуму эпюры аксиального распределения электрического СВЧ-поля. Для иллюстрации описанных особенностей на фиг.3 показаны распределения СВЧ-полей и токов в резонаторе 1 на ТЕ₀₁₁-виде колебаний.

Для фиксации лампы 2 в выбранном положении ее тороидальная светопрозрачная оболочка снабжена тремя диэлектрическими радиально расходящимися держателями 8, размещенными на равных угловых расстояниях (120^o) друг от друга. На фиг.1 эти держатели (стержни) 8 изображены со свободными концами, имеющими строго радиальные участки 9, но в целом непрямолинейными (общий случай), что дает возможность выполнить механическое крепление лампы 2 на расстоянии l₂ от торцевой стенки 6, не совпадающем с расстоянием l₁, соответствующим осевому положению самой горелки (тора) в зоне пучности электрического СВЧ-поля.

Технологически и конструктивно наиболее простым в изготовлении собственно лампы 2 (и в части обеспечения точности сборки устройства в целом) является исполнение, при котором все держатели 8 выполнены в виде стержней, прямолинейных и круглых в поперечном сечении, причем собственные оси этих стержней расположены в одной плоскости, перпендикулярной общей оси резонатора 1 и тороидальной лампы 2. Хотя такое исполнение в силу очевидности отдельно не показано, фиг.2 пригодна и для его иллюстрации.

Возвращаясь к фиг. 1 и не останавливаясь пока на обосновании выбора именно трех радиально расходящихся держателей 8, отметим, что СВЧ-резонатор 1 выполнен составным из двух секций (нижней 10 и верхней 11 на фиг.1). При этом, по крайней мере, верхняя секция 11 имеет светопрозрачные стенки 5 и 6. Секции 10 и 11 имеют общую продольную ось. Лампа 2 своими держателями 8 установлена ("уложена") со стороны секции 10 в радиальные направляющие 12, жестко укрепленные (например, приваренные) на боковой стенке 5 резонатора 1. Направляющая 12 выполнена в форме полуцилиндрического ложа, внутренняя цилиндрическая поверхность которого повторяет наружную цилиндрическую поверхность прямолинейного радиального участка 9 держателя 8. Иными словами, стержни-держатели оказываются каждый в своем желобе. Аналогичные направляющие 13 выполнены на верхней секции 11 со стороны ее торца, противоположного торцевой стенке 6. Секция 11 своими направляющими 13 установлена на те же стержни-держатели 8 и в силу этого оказывается "привязанной" по осевому, угловому и радиальному расположению и к нижней секции 10, и к лампе 2. Каждая пара направляющих 12, 13 с находящимся между ними стержнем-держателем 8 скреплена охватывающим пружинным разрезным кольцом 14. Таким образом, весь сборочный узел оказывается позиционно состыкованным. При этом в силу отсутствия на TE_01p-виде колебаний продольных СВЧ-токов в резонаторе 1 не обязательным является обеспечение гальванического контакта на стыке секций 10 и 11. Не обязательно и даже нежелательно обеспечивать гальванический контакт (взаимное прилегание) полуцилиндрических направляющих 12, 13 по их образующим, так как в пределах полей допусков на диаметры стержней-держателей 8 и на диаметры полуцилиндрических направляющих 12, 13 возможен люфт лампы 2. Во избежание люфта и в обеспечение взаимного прилегания поверхностей стержней-держателей 8 и направляющих 12, 13 между последними оставлен зазор 15.

Указанные размещения и крепления стержней-держателей 8 в направляющих 12, 13 выполнены с одной стороны безлюфтовыми, а с другой - с возможностью скольжения (радиального возвратно-поступательного перемещения) свободных концов стержней 8 в направляющих 12, 13. Это предусматривает "автоматическое" сохранение соосного положения лампы 2 в резонаторе 1 при всех тепловых расширениях (в том числе циклических).

Особо следует рассмотреть конструкцию светопрозрачных стенок 5, 6 СВЧ-резонатора 1. В конкретном представлении на фиг.1, 2 это относится к его верхней секции 11. Так, боковая стенка 5 выполнена в виде группы проводников 16, имеющих форму замкнутых колец одинакового диаметра, расположенных соосно друг над другом с зазорами 17, обеспечивающими повышенную по сравнению с традиционной сеткой светопрозрачность стенки 5 СВЧ-резонатора 1. Аналогичным образом сформирована и торцевая стенка 6 верхней секции 11 резонатора 1. Кольцевые проводники 18 размещены концентрично с зазорами 19, имеют разные диаметры, но охватывают общую ось, совпадающую с продольной осью резонатора 1.

Для фиксации колец 16, 18 в выбранном положении конструкция содержит радиально-аксиальный каркас из металлических нервюр 20, 21 (соответственно радиальных и аксиальных), к которым кольца 16, 18 приварены (например, лазерной сваркой). При изготовлении СВЧ-резонатора 1 строгое позиционирование всех элементов 5, 6, 12, 13, 16, 18, 20, 21 осуществляется с помощью специальной оснастки.

В показанном на фиг.1, 2 исполнении каркасообразующие радиальные 20 и аксиальные 21 нервюры расположены на тех же угловых расстояниях (120^o), что и направляющие 13, т.е. число нервюр 21 выбрано равным числу направляющих 13. Это, однако, не обязательно. Число каркасообразующих нервюр 20 и 21 может быть выбрано неравным между собой и неравным числу направляющих 12, 13.

В показанном на фиг.1, 2 случае выбор числа нервюр продиктован удобством изготовления, намерением обеспечить наиболее высокую светопрозрачность стенок 5, 6 и при этом получить компромиссно приемлемую жесткость и прочность конструкции в целом.

Идеологии построения предложенного устройства не противоречит и использование в качестве "каркаса", например, цельного или составного кварцевого цилиндра, а также иных (стержневых, пластинчатых и т.п.) стоек. Важно лишь использовать особенность TE_01p-вида колебаний, позволяющую из-за отсутствия СВЧ-токов, пересекающих зазоры 15, 17, 19, применять кольцевые проводники 16, 18, расположение которых совпадает с направлением указанных СВЧ-токов (см. фиг.3).

В конструкции согласно фиг.1, 2 лампа 2, как отмечено выше, зафиксирована, т. е. вращение ее не предусмотрено, как не предусмотрен и принудительный обдув. Если от предложенного источника оптического излучения потребовалось бы получить существенно больший световой поток, подводя, например, большую мощность СВЧ-накачки, то при том же построении СВЧ-резонатора на TE_01p-виде колебаний, при той же предложенной тороидальной форме лампы-горелки 2 и при сохранении всех прочих конструктивных особенностей эта задача могла бы быть решена введением в СВЧ-резонатор 1 дополнительного элемента, обеспечивающего принудительное охлаждение лампы. Устройство, выполняющее эту функцию схематично показано на фиг.4. Оно отличается от описанного выше наличием в резонаторе 1 диэлектрического консольного стержня 22 с длиной консоли l_конс. В стержне 22 выполнен воздуховодный канал 23. Стержень 22 установлен по продольной оси резонатора 1 с возможностью вращения, например, либо от непоказанного на фиг.4 двигателя, либо от "реактивного привода" типа сегнерова колеса, что будет рассмотрено и проиллюстрировано ниже на фиг.13. На фиг. 4 полый консольный стержень 22 снабжен соплами 24, сообщающимися с воздуховодным каналом, т.е. с полостью 23. Сопла 24 показаны в виде патрубков (длиной l_сопл., что при l_сопл.=0 превращает сопло в отверстие), направленных на лампу 2, причем соплам 24, выполненным в виде патрубков, может быть придана различная форма. Не меняя сущности предлагаемого устройства, это могут быть прямолинейные или криволинейные отрезки (или комбинация этих форм), это могут быть комбинации отверстий и патрубков и т.д.

Возвращаясь к фиг. 4, отметим, что консольный стержень 22 имеет длину l_конс., которая в предлагаемом устройстве может выбираться по усмотрению разработчика конкретного устройства, что допускается формой лампы 2.

Это означает, что свободный конец консольного стержня 22 может выступать за экваториальную плоскость тороидальной лампы 2, не доходить до нее, оканчиваться именно в экваториальной плоскости. Соответственно и направление собственных осей сопел 24, будь то патрубки или отверстия, могут быть как перпендикулярными оси консольного стержня 22, так и наклонными по отношению к ней. Эта возможность "заложена" в предлагаемую конструкцию для обеспечения свободы конструктора в выборе направлений воздушных потоков.

Кроме этой "свободы выбора" само наличие консольного стержня 22, установленного с возможностью вращения, обеспечивает и свободу построения ряда родственных по идеологии конструктивных вариантов и модификаций СВЧ-возбудителя в целом и его отдельных элементов. Рассмотрим второй вариант предлагаемого устройства, в котором тороидальная лампа 2 выполнена в отличие от фиг.1 и 2 с радиально сходящимися стержнями-держателями, жестко закрепленными на консольном стержне как на вращающемся валу. При этом охлаждение тороидальной лампы может быть улучшено уже из-за перемешивания воздуха радиально сходящимися держателями. Это не исключает использования описанного выше исполнения консольного стержня с воздуховодным каналом и соплами, направленными на лампу.

На фиг. 5, представляющей конструкцию устройства по второму варианту и сохраняющей нумерацию позиций, совпадающих с уже показанными на фиг.1-4, схематично представлена тороидальная лампа 2, жестко укрепленная посредством радиально сходящихся диэлектрических стержней-держателей 25 на установленном (в частности, с возможностью вращения) диэлектрическом стержне 22, ось которого совпадает с продольной осью СВЧ-резонатора. В конкретном представлении на фиг.5 и 6 показаны три радиально сходящихся стержня 25, но их может быть иное число, например 2, 4, ..., n, лишь бы конструкция была прочной и сбалансированной и, соответственно, не ломалась и не перекашивалась при изготовлении, монтаже и вращении. Оси стержней-держателей 25 на фиг.5 и 6 показаны расположенными перпендикулярно оси консольного стержня 22 (оси вращения). Это не является принципиально необходимым. Так, на фиг.7, 8 оси радиально сходящихся стержней 25 расположены наклонно к оси продольного консольного стержня 22, т.е. к оси вращения лампы.

В диэлектрическом стержне 22 выполнен воздуховодный канал 23, который сообщается с соплами 24. Сопла 24 показаны в виде патрубков длиной l_сопл., направленных на лампу 2. Длина сопла 24 l_сопл. в частном случае может быть l_сопл.=0, т.е. сопло 24 превращается в отверстие. Это для наглядности показано на фиг.8. Направления (наклон) радиально сходящихся стержней-держателей 25 и сопел 24 (см. фиг.7, 8), как и их количество выбираются проектировщиком лампы 2 с учетом обеспечения наиболее приемлемого распределения температур оболочки лампы 2, минимизации модуляции (мерцания) светового потока при вращении лампы и технологических возможностей изготовления.

Во всех исполнениях ламп 2, показанных на фиг.5, 6, 7, 8, радиальносходящиеся стержни 25 могут быть выполнены непрямолинейными. Они также могут быть выполнены некруглыми в поперечном сечении (например, в форме лопастей турбины (см. фиг. 9а, б, в)). Все это не противоречит заявленной формуле изобретения и может выбираться по усмотрению конструктора в обеспечение наиболее эффективного охлаждения лампы при ее вращении.

На фиг.1 возбудитель 3 TE_01p-вида колебаний в СВЧ-резонаторе 1 показан в форме щели в боковой стенке 5 секции 10. Соответственно волноводная линия передачи 4 с волной типа ТЕ₁₀ пристыкована торцом к указанной боковой стенке 5 так, что широкая стенка а волновода параллельна щели-возбудителю 3 и оси СВЧ-резонатора 1. Это построение является не единственным и необязательным для возбуждения рабочего TE_01p-вида колебаний в СВЧ-резонаторе 1. Более того, оно может оказаться неудобным с точки зрения монтажа формирователя светового потока (рефлектора), который на приведенных фигурах не показан. В СВЧ-технике известны и другие возбудители TE_01p-вида колебаний в СВЧ-резонаторе.

Для иллюстрации осуществимости достаточно удобного конструктивного исполнения источника оптического излучения на фиг.10 схематично показана модификация устройства применительно к варианту на фиг.1, но с расположением линии передачи 4 у жесткой торцевой стенки 7 резонатора 1. В этом случае щелевой возбудитель 3 TE₀₁-волны в резонаторе выполнен в торцевой стенке 7 в форме пары противофазных щелей. Аналогичная пара щелей 3 выполнена в узкой стенке b прямоугольного волновода 4, примыкающей этой узкой стенкой к торцевой стенке. При этом должно быть выполнено условие где _в - волноводная длина волны в прямоугольном волноводе и на рабочей частоте. Отсюда выбирается и размер а широкой стенки прямоугольного волновода 4. Это техническое решение не является предметом изобретения в заявляемых объектах.

На фиг.15, 16 показан случай выполнения предложенного объекта со сферическим (точнее, с "квазисферическим") резонатором 1, что может оказаться полезным как с позиций технологичности, так и с позиций создания определенной диаграммы направленности потока оптического излучения, а также с позиции обеспечения повышенной вибро- и ударопрочности устройства. На фиг.15, 16 квазисферический СВЧ-резонатор 1 имеет верхнюю полусферу 26, выполненную как и на фиг.1 из кольцевых проводников 16, разделенных между собой зазорами 17 и также закрепленных на каркасе 27. Нервюры 28 в данном исполнении представляют собой дуги, располагающиеся по меридианам. Нижняя полусфера 29 выполнена цельнометаллической светоотражающей. В остальном устройство по фиг. 15, 16 аналогично показанному на фиг.1. Заметим, что квазисферический СВЧ-резонатор очевидным образом может быть применен и для варианта с тороидальной вращаемой на консольном стержне лампой. В иллюстрации этого варианта и его комментариях нет необходимости.

Указанные на фиг.1-16 построения расширяют арсенал возможных светотехнических, теплотехнических и конструкторских решений. Для иллюстрации этого утверждения на фиг.11, 12 схематично показаны модификации устройств, в которых в СВЧ-резонаторе 1 наряду с тороидальной безэлектродной лампой 2 установлена дополнительная традиционная сферическая безэлектродная лампа 30 на консольном диэлектрическом стержне-держателе 22, посредством которого лампа 30 может вращаться. Такое построение может быть, например, использовано для "подкраски" результирующего спектра оптического излучения в видимой части или для улучшения стартовых условий лампы 2 (за счет УФ-излучения лампы 30). В зависимости от задачи в безэлектродных лампах 2 и 30 могут быть использованы различные (неодинаковые) рабочие вещества-наполнители.

На фиг.6, 7, 8 показана возможность введения в СВЧ-резонатор 1 устройства принудительного охлаждения лампы 2. Для этого использован консольный диэлектрический стержень 22 с воздуховодным каналом 23 и сообщающимися с ним соплами 24. На фиг.13, 14 сопла 24 имеют Z-образную форму, образуя самовращающееся "сегнерово колесо", т.е. по меньшей мере два сопла 24 имеют радиальный 31 и азимутальный 32 участки, причем все азимутальные участки 32 направлены либо по, либо против часовой стрелки. Работу устройства рассмотрим на примере его исполнений, представленных на фиг.1, 2, 5.

При подаче СВЧ-энергии накачки (Р_свч) по волноводной линии передачи 4 к возбудителю 3 и далее в нижнюю секцию 10 СВЧ-резонатора 1 в последнем на рабочей частоте возбуждается ТЕ₀₁₁-вид колебаний. Соответственно, в торцевых стенках 6 и 7 и в боковой стенке 5 секций 10 и 11 протекают только кольцевые СВЧ-токи, а в ограниченном этими стенками объеме СВЧ-резонатора 1 электромагнитное поле распределено азимутально-симметрично (фиг.3). При этом симметричная лампа 2 в предстартовом режиме относительно слабо искажает структуру поля ТЕ₀₁₁-вида, лишь незначительно возмущая стержнями-держателями 8 кольцевые силовые линии электрической составляющей (Е) СВЧ-электромагнитного поля.

Поскольку лампа 2 размещена в зоне пучности Е-поля (на расстоянии l_{l в}/4 от торцевой стенки 6), в стартовом газе-наполнителе лампы 2 (например, в аргоне) и насыщенных парах основного рабочего вещества (например, серы) уверенно возникает и быстро развивается симметричный безэлектродный СВЧ-разряд, приводящий к разогреву лампы 2 и полному испарению рабочего вещества. В результате устанавливаются стационарный режим светоизлучающей плазмы и стабильная (по времени и по пространственному распределению) рабочая температура оболочки лампы.

Несмотря на относительно небольшой коэффициент теплового расширения (КТР) кварцевой оболочки, переход от предстартового состояния к рабочему (сопровождающийся изменением температуры оболочки на несколько сот градусов) порождает весьма заметное увеличение диаметра лампы 2 (а его исходная величина при ТЕ₀₁₁-виде колебаний составляет несколько десятков мм). Наряду с этим от лампы 2 и от СВЧ-токов стенки СВЧ-резонатора 1 также нагреваются. Однако из-за различия в КТР, диаметрах и температурах тепловые изменения диаметров СВЧ-резонатора 1 и лампы 2 неодинаковы. Это означает, что при жестком креплении лампы 2 к стенкам 5 резонатора 1 (посредством стержней-держателей 8) были бы возможны децентровка лампы и деформация стенок СВЧ-резонатора, а также тривиальные разрушения резонатора 1 и лампы 2. Поэтому принятое в первом варианте объекта крепление лампы на трех стержнях 8, свободные концы 9 которых размещены в направляющих (ложах) 12, 13 с пружинным запорным кольцом 14, ведет себя при нагреве и охлаждении как авторегулирующееся сопряжение, допускающее относительное возвратно-поступательное перемещение стержней 8 и направляющих 12, 13 в радиальном направлении и исключающее возможность децентровки лампы 2.

При работе устройства в целом световой поток и конвекционный воздушный поток встречают весьма малые препятствия со стороны стенок 5 и 6 СВЧ-резонатора 1 в силу допустимости и реализации множества зазоров 17 (со значительной азимутальной протяженностью) между образующими стенки 5 и 6 кольцевыми проводниками 18. В результате обеспечиваются возможность увеличения мощности выходящего оптического излучения и возможность увеличения мощности СВЧ-накачки без превышения мощности просачивающегося СВЧ-излучения. При этом светящее плазменное тело в тороидальной лампе 2 имеет также форму равнояркого по азимуту тора.

В модификации устройства, содержащего консольный диэлектрический стержень 22 с воздуховодным каналом 23 и соплами 24, направленными на лампу 2, подача воздуха (например, от непоказанного компрессора) обеспечивает требуемое принудительное охлаждение лампы 2, позволяющее использовать существенно повышенный уровень СВЧ-мощности накачки и получить, соответственно, еще больший полный поток оптического излучения. Если консольный стержень 22 при этом приводится во вращение, то это позволяет при необходимости повысить равномерность распределения температуры колбы лампы 2 и тем самым допустить дополнительное увеличение СВЧ-мощности накачки и светового потока. Если же часть сопел 24 образует "сегнерово колесо", то вращение консольного стержня 22 не требует использования приводного двигателя, а "реактивный привод" обеспечивает самовращение стержня 22. В принципиальном плане работа устройства в целом не отличается от описанной выше.

Для модификаций второго варианта устройства, использующих вращающиеся лампы 2 (фиг. 5-9, 12, 14), например, для дальнейшего увеличения мощности СВЧ-накачки и, соответственно, мощности светового потока, работа устройств в принципиальных чертах аналогична описанной применительно к первому варианту устройства по фиг. 1. Отличие состоит в том, что перед подачей мощности СВЧ-накачки (Р_свч) следует включить вращение лампы 2 и подать, если требует конструкция, охлаждающий воздух в воздуховодный канал 23 стержня 22 от непоказанного компрессора.

При этом если сопла 24 выполнены непрямолинейными - в виде "сегнерова колеса" (фиг. 14), то, как отмечено выше, вращение лампы 2 осуществляется "автоматически" (без приводного двигателя).