А. Н. ДИДЕНКО, Б. В. ЗВЕРЕВ, А. В. ПРОКОПЕНКО
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
МАЛОГАБАРИТНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА НА ОСНОВЕ
СВЧ-Разряда с минимально возможной
мощностью питания
Рассматриваются малогабаритные источники света на основе СВЧ-разряда в парах серы с минимальной мощностью СВЧ-питания. Разработаны эффективные резонаторные рабочие камеры с использование четвертьволновых коаксиальных резонаторов.
Разработка СВЧ источников видимого света является новым, активно развивающимся направлением СВЧ-энергетики, обладающим высокой ценностью, как в научной, так и в прикладной областях. Спектр излучения паров молекулярной серы, заключенных в кварцевую ампулу, в диапазоне световых волн 400 нм£l£650 нм близок к солнечному, а КПД преобразования СВЧ-энергии в световую энергию достигает 60%.
Кварцевая светоизлучающая ампула заполнена аргоном при давлении »150 Па и гранулами природной серы в количестве (2-4) мг/см3 объема колбы. Поджиг газового разряда в ампуле гарантирован при напряженности электрического поля 1,0 кВ/см£E£0,9 кВ/см в диапазоне частот 1 ГГц£f£3 ГГц. В стационарном режиме работы СВЧ-лампы, не требующем принудительного охлаждения, температура стенок ампулы достигает 600-700 °С, при которой светоизлучение аргона переходит в излучение сублимированной серы.
В настоящее время возник интерес к разработке малогабаритных СВЧ-ламп с минимально-возможной мощностью питания и большой светоотдачей, которые в перспективе могут привести к созданию переносных источников дневного света с питанием от полупроводниковых СВЧ-приборов.
Один из вариантов малогабаритной СВЧ-лампы, разработан авторами на основе светопрозрачного четвертьволнового коаксиального резонатора. Проведен аналитический расчет электродинамических характеристик резонатора, показавший высокую эффективность поджига разряда в четвертьволновом коаксиальном резонаторе. Световывод из такого резонатора осуществлялся из открытого конца внешнего проводника запредельного для СВЧ-поля. Согласно расчетам в разработанном опытном образце с геометрическими размерами наружного и центрального проводников 2а=51,0 мм и 2b=19,0 мм на частоте f0=2450 МГц (l0=122,4 мм) поджиг СВЧ-разряда в аргоне происходит при мощности СВЧ-питания ~6 Вт. Проведена коррекция длины центрального стержня четвертьволнового коаксиального резонатора на влияние емкости его торца относительно запредельного участка корпуса, а также на влияние конструктивных элементов. Длина резонатора, укороченная емкостью, составит l»0,18l0 и существенно отличается от l0/4. Выполненное численное моделирование четвертьволнового коаксиального резонатора с использованием пакета прикладных программ CST Microwave Studio подтвердило правильность результатов полученных аналитически.
На основании выполненных расчетов была спроектирована, изготовлена и запущена в стационарный режим малогабаритная СВЧ-лампа с рабочей камерой в виде четверть волнового коаксиального резонатора. Экспериментально настроенная лампа имела на частоте 2450±0,2 МГц длину центрального проводника l=21,15 мм и незначительно отличалась от длины l=20,9 мм, рассчитанной по теоретическим соотношениям работы с учетом всех коррекций на конструктивные элементы рабочей камеры.
Лампа испытывалась на частоте 2450 МГц при мощности СВЧ-питания (100±10) Вт, которая отбиралась от серийного магнетрона М-105 для бытовых СВЧ-печей с помощью волноводного делителя в виде Н-тройника. В штатном режиме СВЧ-лампа работала неограниченно долгое время, не требуя принудительного охлаждения ампулы, и излучала световой поток ~4500 Люмен, близкий к расчетно-теоретическому.
Таким образом, разработанная методика расчета электродинамических, энергетических и геометрических характеристик малогабаритных СВЧ-ламп с оптически-прозрачным корпусом и минимально-возможной мощностью питания является достаточно надежной и может быть рекомендована для практического использования. Полученные результаты подтвердили надежность разработанной методики и ее пригодность для технического проектирования малогабаритных СВЧ-ламп со светопрозрачной рабочей камерой.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ поддержки ведущих научных школ № НШ-1991.2003.8.
