Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния плазменных безэлектродных источников света 20
2. Экспериментальное исследование излучательных характеристик серной лампы
2.1 СВЧ генератор . 36
2.2 Волноводный тракт 40
2.3 Излучательные характеристики в установившемся режиме . 45
2.4 Излучательные характеристики в процессе разгорания 52
3. Полупроводниковый ВЧ генератор 72
3.1 Полупроводниковый генератор f = 915 МГц 72
3.2 Полупроводниковый генератор f = 16 МГц 93
4. Резонаторы для питания безэлектродной лампы 102
4.1 Спиральный резонатор 102
4.2 Коаксиальный резонатор 106
4.3 Микрополосковый резонатор 109
4.4 Тороидальный резонатор 113
Заключение 119
Список использованных источников 121
Список публикаций по теме диссертации 135
- СВЧ генератор
- Излучательные характеристики в установившемся режиме
- Полупроводниковый генератор f = 16 МГц
- Микрополосковый резонатор
СВЧ генератор
Конструкция одного из прототипов серной лампы показана на рисунке 1.6, [17]. Лампа 3 помещалась в цилиндрическом светопрозрачном резонаторе 5. Лампа вращалась двигателем 9 ось которого прикреплена к ножке лампы. Для генерирования СВЧ колебаний применялся магнетрон 6 прикрепленный к волноводу 7. Волновод соединялся с резонатором через щель связи 8. Для охлаждения лампы она обдувалась сжатым воздухом через сопла 11. Лампа имела внутренний диаметр 2,84 см, была заполнена агроном при давлении 60 торр и содержала около 20 мг серы. Здесь можно увидеть значительное сходство конструкции с безэлектродными лампами предназначенными для излучения ультрафиолета [4]. Основное отличие заключается в сетчатой области резонатора 5, которая, для серной лампы, имеет гораздо большую площадь, чтобы обеспечить необходимую диаграмму направленности для сопряжения с рефлектором.
Дальнейшее развитие серных ламп велось по пути увеличения удельной мощности и светоотдачи. Повышение мощности ограничивалось тепловым режимом работы лампы т.к. уже при мощности питания 1 КВт температура стенок колбы лампы превышала 1000 C.
Для решения этой проблемы было предложено применить резонаторы с аксиально-симметричным электромагнитным полем. Тепловой режим кварцевой колбы размещенной в цилиндрическом резонаторе с колебаниями Н011 облегчается при ее размещении соосно резонатору. Электрическое поле тангенциально поверхности колбы, см рис. 1.7. Это позволяет уменьшить потоки электронов на стенки, что дает возможность обеспечить приемлемый тепловой режим колбы без ее обдува, как это выполнено в лампе «SOLAR 1000» и других, [22–24].
Одна из конструкций серной лампы, разработанная Шлифером Э.Д., показана на рис. 1.8, [65]. Конструкция характерна изменением конструкции резонатора 8 таким образом, что его торцевые стенки 10, 11 являются вогнутыми и зеркальными. Это способствует увеличению светового потока через отверстие 13, которое одновременно является и запредельным волноводом не пропускающим СВЧ излучение.
Следует отметить, что безэлектродные лампы, в том числе с аргонно-серным наполнением, показали эффективность в качестве источника видимого излучения высокой мощности для выращивания отдельных садовых и агрономических растений в контролируемой среде [66–71].
Известны работы по применению безэлектродного источника интенсивного УФ излучения для бактерицидной обработки предметов и материалов живого и неживого происхождения [72–74]. Условия охлаждения Принудительноевоздушное свращающейся колбой Конвективное с вращающейся колбой В 2006 году компания LG Electronics начала серийное производство светильников с серной лампой на основе магнетронов собственного производства. Линейка этих светильников получина название плазменные осветительные системы - Plasma Lightning System, см. рис. 1.9, [75]. Их основные параметры приведены в таблице 2.
Масса, кг 21 19 Рассмотренные выше плазменные осветительные системы в качестве устройства возбуждения применяют магнетроны, имеющие частоты генерации в СВЧ диапазоне длин волн. Наибольшее распространение получили магнетроны мощностью 500 – 1000 Вт, 2450 МГц в основном из-за широкого развития и малой себестоимости магнетронов для микроволновых печей. Однако, магнетрон имеет ряд недостатков – это вакуумное устройство содержащее накаливаемый термокатод. Поэтому срок службы всего устройства будет определяться, в первую очередь, сроком службы термокатода. Кроме того, отсутствуют серийные магнетроны на частоту 2,45 ГГц мощностью менее 300 Вт. По этой причине конечная область применения плазменных светильников с магнетронной накачкой, - это мощные прожекторные системы для освещения крупных промышленных объектов, стадионов и т.д.
Однако сравнительно недавно рядом фирм были разработаны светильники с ВЧ накачкой на частотах 433 – 2450 МГц мощностью 50…300 Вт [76–88].
В качестве источника ВЧ мощности они используют транзисторный генератор, преимущественно на современных многокристальных LDMOS транзисторах [89]. Фирмой Freescale c 2010г. выпускается ряд LDMOS транзисторов для создания высокоэффективных ВЧ генераторов для промышленного применения [90] , в частности MRF6V4300N имеет КПД до 61 % в классе С, на частоте 450 МГц, что приближается к КПД магнетронов. Источником света в таких светильниках служит безэлектродная металлогалогенная лампа, помещенная в резонатор, заполненный диэлектриком.
Излучательные характеристики в установившемся режиме
С использованием измеренных в работе спектров излучения плазмы были рассчитаны цветовая температура излучения плазмы Тсо\. На рис. 2.13 построена зависимость Тсо\ от скорости вращения колбы О для различных мощностей Р. Видно, что на малых значениях U = 2 - 4 об/с цветовая температура излучения плазмы очень высока и снижается с увеличением мощности от 20000 К (Р = 210 Вт) до 10000 К (P = 540 Вт). С увеличением скорости вращения колбы О разница в значениях цветовых температур уменьшается так, что начиная с О = 8 об/с, цветовая температура излучения плазмы перестает зависеть как от мощности питания магнетрона, так и от скорости вращения колбы оставаясь близкой к температуре «холодно-естественного» света Тсо\ = 4500 - 5500 К [92].
Немонотонность кривых на рис. 2.10 при скоростях вращения колбы ниже 8 об/с связана с методической и случайной погрешностями. При небольших скоростях вращения колбы плазма расположена вне центральной области колбы и может менять свое положение от включения лампы к включению и даже во время работы лампы в установившемся режиме при неизменных скорости вращения колбы и мощности питания магнетрона. Различное положение плазмы в колбе приводит к несколько различающимся температурам Тw и Тсо\ и спектрам излучения. Например, температура стенки колбы Тw выше, когда плазма располагается в верхней части колбы, и ниже, когда она находится в нижней части колбы, где расположена ножка лампы, через которую осуществляется теплоотвод от ее стенок. Оценочная погрешность измерений освещенности, температур Тw и Тcol составляет +/- 7%.
Расчет общего индекса цветопередачи Ra показал, что при мощностях Р = 210 - 540 Вт максимальные значения Ra = 76 - 86 достигаются при низкой скорости вращения колбы О = 2 - 5 об/с. Повышение скорости вращения до 8 об/с снижает Ra до 67 - 69 (Р = 400 -500 Вт) и 71 (P = 210 Вт). Увеличение V свыше 8 об/с практически не влияет на величину общего индекса цветопередачи, который при всех исследованных в работе мощностях питания магнетрона Р лежит в пределах Ra = 67 - 71. С учетом требования максимальной освещенности (рис. 2.10) и цветовой температуры излучения плазмы Тсоі 6000 К (рис. 2.13), оптимальная скорость вращения колбы V = 8 - 10 об/с.
Как отмечалось выше, при определенных значениях скорости вращения колбы и мощности СВЧ, разряд в колбе становится неустойчивым. Граница между устойчивым и неустойчивым режимами разряда, экспериментально установленная в интервале скоростей вращения колбы U = 2 - 24 об/с, приведена на рис. 2.14, как зависимость пороговой («граничной») мощности Рthr от скорости вращения колбы V. Видно, что пороговая мощность Рthr снижается с увеличением скорости вращения колбы от 260 Вт (U = 2 об/с) до 50 Вт (U = 24 об/с). Ршг, Вт Скорость вращения колбы U, об/с. Рис. 2.14. Зависимость пороговой мощности РW от скорости вращения колбы V .
Для исследования разгорания лампы на стенде дополнительно был укреплен штатив с фотокамерой типа Lumix TZ-7 с набором нейтральных светофильтров. Для измерения КСВ в волноводный тракт были введены два зонда-антенны, описанные в части 2.1. Блок схема стенда показана на рисунке 2.15.
На рис. 2.16 - 2.18 приведены зависимости освещенности Е от времени разгорания лампы t, измеренные при трех мощностях магнетрона, Р = 200, 500 и 740 Вт и четырех скоростях вращения разрядной колбы U = 0, 4, 7 и 20 об/с. Измерения при невращающейся (U = 0) разрядной колбе, работавшей на мощности 740 Вт, не были доведены до достижения установившегося режима из-за быстрого роста температуры стенок колбы, достигавшей через 35 с после зажигания лампы, температуры 900 оС, высокой для кварца и предельной для применяемого пирометра (см. рис.2.25).
Как видно из рис. 2.16 – 2.18, освещенность, создаваемая плазмой СВЧ разряда в парах серы, начинает возрастать не сразу после зажигания СВЧ разряда в буферном газе (аргоне), а с задержкой, спустя некоторый период времени tз. Чем выше мощность магнетрона, тем меньше время «задержки освещения» (а значит, и светового потока лампы). В лампе, возбуждаемой на минимальной, в проведенных экспериментах, мощности Р = 200 Вт, время задержки освещенности максимально, tз = 17 – 20 с. Увеличение мощности магнетрона до 500 Вт снижает tз до 8 – 10 с, а при работе на максимальной, в проведенных экспериментах, мощности 740 Вт задержка возрастания освещенности минимальна tз = 5 - 8 с.
Время задержки освещенности практически не зависит от скорости вращения колбы, но предположительно зависит от температуры стенок колбы Тw в области «холодной точки», расположенной в нижней части колбы, вблизи ее ножки. Температура холодной точки (Тх.т.) определяет давление насыщающих паров серы и зависит от мощности магнетрона и скорости вращения колбы. На рис. 2.19 - 2.21 приведены зависимости температуры стенки Тw от времени разгорания лампы t, полученные для тех же условий, что зависимости освещенности Е от t (рис. 2.16 - 2.18). Сопоставляя обе эти зависимости легко обнаружить, что в момент tз температура стенок равна 200 - 220С на всех уровнях мощности Р = 200, 500 и 740 Вт и при всех исследованных в работе скоростях вращения колбы V = 0 - 20 об/с.
Полупроводниковый генератор f = 16 МГц
Сравнивая зависимости КСВ от времени разгорания, полученные при различных скоростях вращения колбы, можно заметить, что в невращающейся колбе, а также в колбах с низкой скоростью вращения V = 2 - 4 об/с, КСВ, в процессе разгорания лампы, также ведет себя неустойчиво. Это коррелирует с обнаруженной неустойчивостью СВЧ разряда в разрядных колбах, вращающихся с малой скоростью (рис. 2.23 -2.26, ряд «0 об/с»). При повышении скорости вращения до 7 об/с и выше СВЧ разряд стабилизируется, а плазма «перемещается» в центр колбы. При вращении колбы со скоростью большей, чем 4 об/с, неустойчивость разряда не наблюдалась на всех уровнях мощности. Соответственно, световой поток лампы и освещенность в процессе разгорания разряда возрастали практически монотонно.
Можно предположить, что наблюдаемое в процессе разгорания разряда изменение формы плазмы и ее положения в невращающейся разрядной колбе связано с конвекцией, а во вращающейся колбе еще и с центробежной силой. В частности, в невращающейся колбе плазма из-за конвекции «горит» в верхней области колбы (рис. 2.23 - 2.26, ряд «0 об/с»). При повороте колбы на 90о вокруг горизонтальной оси плазма остаётся в верхней области колбы, что подтверждает роль конвекции. Действительно, когда плазма находится в верхней части колбы, температура стенок в этой части колбы значительно выше (на 200оС) температуры стенок в нижней части колбы. В результате, пары серы конденсируются в холодной зоне, находящейся в нижней части колбы, вблизи ножки, температура которой определяет давление паров серы. Даже при относительно большой поглощаемой плазмой мощности (500 - 740 Вт), доля внесенной в колбу твердофазной серы, испаряемой в объем колбы, не велика, так что давление ее паров не превышает 1 атм, а спектр излучения серной плазмы, сосредоточенный в синей области, существенно отличается от солнечного спектра, характерного для серных ламп высокого давления 4 - 5 атм.
При вращении колбы со скоростью 16 об/с и выше, плазма СВЧ разряда имеет сферическую форму и размещается в центре колбы. В процессе разгорания лампы сера переходит из твердой фазы в жидкую и вследствии центробежной силы распределяется по «экватору» стенок колбы (рис. 2.23 - 2.26, ряд «20 об/с»). Вращение колбы способствует равномерному распределению температуры по поверхности колбы, что приводит к повышению температуры холодной точки, росту давления паров серы и, в результате, к смещению излучения плазмы в красную область спектра. При меньших скоростях вращения колбы в интервале V = 4 - 16 об/с плазма СВЧ разряда имеет форму конуса, либо «вихря» с основанием в верхней части колбы. Это проиллюстрировано на рис. 2.23 -2.30, ряд «7 об/с» для лампы с колбой, вращающейся со скоростью 7 об/с. Как показали спектроскопические измерения, спектр излучения плазмы СВЧ разряда в этом случае различен по ее сечению. В верхней части колбы, где стенки имеют более высокую температуру, спектр смещен в синюю область спектра, в то время, как в нижней части колбы, где ниже температура стенок, спектр смещен в красную область спектра. Таким образом, изменяя скорость вращения колбы мы можем при неизменной мощности магнетрона менять температуру холодной точки (давление паров серы) и, следовательно, изменять спектр излучения лампы.
Спектры плазмы, измеренные в разные моменты разгорания СВЧ серной лампы, работающей с разной скоростью вращения колбы U = 0; 7 и 20 об/с, и на различной мощности Р = 200, 500, 740 Вт, приведены на рис. 2.27 - 2.38. Из спектров излучения плазмы невращающейся колбы следует, что в процессе разгорания лампы происходит лишь постепенное увеличение интенсивности излучения, без изменения его спектра. В то время как во вращающейся колбе, спектр излучения лампы, по мере ее разгорания, смещается в красную область. Спад интенсивности излучения, наблюдаемый в период разгорания «после» t = 60 с, можно объяснить небольшим увеличением КСВ, приведенным на рис. 2.22. Однако, из за смещения спектра в красную область, ближе к максимуму кривой видности, «результирующая» освещенность уменьшается незначительно.
Микрополосковый резонатор
Одной из проблем, при проектировании источника оптического излучения с ВЧ питанием, является обеспечение высокого коэффициента передачи ВЧ-энергии в разрядную колбу лампы на всем интервале времени – от предстартового состояния до установления стационарного режима светоизлучающего безэлектродного ВЧ-разряда.
Для полупроводникового генератора, описанного в главе 3, работающего на частоте 810 – 925 МГц, применение классических цилиндрических резонаторов не целесообразно, т.к. их размеры будут слишком велики. Поэтому необходимо разработать иные типы резонаторов, пригодные для возбуждения безэлектродного разряда в серной лампе на частоте 810 – 925 МГц. Основная функция резонатора — обеспечить увеличение напряженности электрического поля до уровня пробоя газа в колбе и передача энергии, поступающей на резонатор - в плазму. Увеличение напряжённости поля в резонаторе определяется его добротностью, а коэффициент передачи энергии в лампу – величиной потерь и степенью связи.
Для оптимизации параметров резонаторов и определения их резонансных частот применялась система проектирования и трёхмерного моделирования ВЧ и СВЧ устройств HFSS [119].
Добротность спиральных резонаторов, в зависимости от конструкции и частоты, находится в пределах 200...5000 и достигает 85% от добротности объёмных резонаторов [120].
Габариты спиральных резонаторов могут быть уменьшены до 30 раз по сравнению с объёмными резонаторами. Спиральный резонатор имеет круглый или прямоугольный экран, внутри которого размещена 3 однослойная катушка. Один ее конец замкнут на экран, а второй разомкнут. Металлический сердечник, вводимый со стороны разомкнутого вывода спирали, изменяет емкость резонатора - так может происходить перестройка по частоте.
Для исследования свойств спирального резонатора была создана его модель в программе HFSS, состоящая из четырех витков проволоки диаметром 1,4 мм, диаметр намотки – 8 мм. Диаметр экрана – 15 мм.
Анализ резонатора проводился в режиме Eigenmode, с вычислением первой гармоники резонанса. Резонансная частота такого резонатора составила 848,3 МГц. Добротность – 874. Значение добротности соответствует материалу резонатора – медь, с шероховатостью поверхности 10мкм. Результат анализа – получение значения напряженности электрического поля и построение распределения напряженности электрического и магнитного полей в пространстве внутри резонатора. Из рис. 4.1а следует, что максимальная напряженность электрического поля сосредоточена у верхнего конца спирали, соответственно, именно в это место необходимо помещать безэлектродную лампу. При подводимой мощности 50 Вт напряженность на вершине спирали составила 5,2 кВ/см. Рисунок 4.1б показывает ток, наведённый в экране – максимум тока сосредоточен у заземленного конца спирали. Из направления векторов плотности тока следует, что экран, особенно у заземленного конца спирали, не должен иметь разрывов в вертикальной плоскости. а) б)
Т.к. у заземленного конца спирали преобладает магнитное поле, возбуждать резонатор можно с помощью катушки связи, расположенной снизу от заземленного конца. На основании оптимизации модели (подстройка геометрических размеров для достижения частоты резонанса 915 МГц) был подготовлен чертеж резонатора, приведенный на рисунке 4.2. Рис. 4.2. Чертеж спирального резонатора.
Резонатор был изготовлен из посеребренного медного цилиндра диаметром 20 мм, внутрь которого впаивалась катушка связи, состоящая из двух витков провода и резонаторная спираль, состоящая из четырех витков медной проволоки диаметром 1,4 мм. В торце цилиндра закреплен разъём для присоединения резонатора к генератору. Фотография спирального резонатора показана на рисунке 4.3.
У изготовленного резонатора измерялась частота резонанса и добротность с помощью анализатора цепей типа Agilent 8719ЕТ. Частота составила 835 МГц. Добротность определялась по ширине полосы по уровню -Дб и составила Qн = 0 = = 33. Столь низкое А/ 849,2МГц-823,8МГц значение добротности объясняется сильной связью резонатора с источником входного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) резонатора представлена на рисунке 4.4.
Коаксиальные резонаторы в общем случае могут иметь как минимум 4 разновидности, это замкнутый с одного конца четвертьволновый резонатор, замкнутый с обоих концов полуволновый резонатор, резонатор с сосредоточенной емкостью на одном либо двух концах, а также резонаторы с кратным числом длин волн укладывающихся по их длине [121].
Для возбуждения разряда в безэлектродной лампе представляют интерес те разновидности резонатора, в которых область с повышенной напряженностью электрического поля сосредоточена в одном месте, т.е. четвертьволновые либо полуволновые резонаторы.
Четвертьволновый резонатор состоит из металлического цилиндра – корпуса (экрана), внутри которого расположен круглый металлический стержень. В одном из направлений по оси, внутренний цилиндр соединяется с наружным. Другой конец открыт в окружающее пространство. Для связи с генератором обычно применяют емкостную либо индуктивную связь, схематичное изображение коаксиального резонатора с петлей связи показано на рисунке 4.5.