Портативный источник излучения

Портативный источник излучения относится к газоразрядным источникам излучения, а именно к лампам барьерного разряда, в частности, излучающим на переходах эксимерных или эксиплексных молекул. Источник излучения содержит разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, а так же источник питания с электродами. Высоковольтный электрод источника питания расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки и состоит из перфорированного сегмента и сплошного отражающего. Высоковольтный электрод выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив перфорированного сегмента электрода. При подаче на электроды импульсов напряжения происходит зажигание разряда в рабочем газе, а излучение, продуцируемое этим разрядом, выводится через перфорированный электрод. Источник питания лампы выполнен в виде инверторного преобразователя сетевого напряжения, собранного по схеме полного моста. При применении питания лампы барьерного разряда импульсами чередующейся полярности, емкость на диэлектрических барьерах оказывается частично заряженной от предыдущего импульса. При появлении на электродах лампы следующего импульса полярности обратной предыдущему напряжение на газовом промежутке лампы складывается, что существенно облегчает газовый пробой в лампе. Таким образом, за счет применения импульсов возбуждения чередующейся полярности достигается технический результат увеличения эффективности источника питания и устройства «лампа с источником питания». В описанном портативном источнике излучения уменьшается амплитуда напряжения импульсов, питающих лампы барьерного разряда, что позволяет снизить коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора, и снизить количество витков на высоковольтной обмотке, и в результате уменьшить паразитные емкость и индуктивность последней, а это обеспечивает увеличение КПД источника питания. К тому же снижение амплитуды импульсов возбуждения лампы позволяет использовать изоляцию меньшей толщины, что позволяет минимизировать размеры высоковольтного импульсного трансформатора источника питания и экономить изолирующие и моточные материалы. Также, уменьшение амплитуды импульсов возбуждения газоразрядной лампы барьерного разряда, позволяет уменьшить уровень электромагнитных помех, излучающих импульсным источником питания.

Полезная модель относится к газоразрядным источникам излучения, а именно к лампам барьерного разряда, в частности, излучающим на переходах эксимерных или эксиплексных молекул [1]. Источники такого типа могут быть применены в различных областях науки и техники, например в фотохимии, фотолитографии и в медицине [2, 3].

Известные портативные источники излучения содержат излучатель и источник питания, помещенные в корпус. Для вывода излучения от излучателя в корпусе имеется окно. Источник излучения может дополнительно содержать нагнетатель воздуха для охлаждения излучателя и источника питания потоком воздуха.

Существуют источники излучения [3, 4], где излучатель состоит из кварцевой колбы, выполненной из диэлектрических коаксиальных трубок разного диаметра, вставленных друг в друга коаксиально и спаянных на торцах, образующих разрядный промежуток, заполненный рабочей газовой смесью. На внешнюю поверхность трубки большего диаметра помещается перфорированный металлический электрод, а на внутреннюю поверхность трубки меньшего диаметра - сплошной металлический электрод.

Данные устройства работают следующим образом. При подаче на электроды однополярных импульсов напряжения происходит зажигание разряда в рабочем газе, а излучение, продуцируемое этим разрядом, выводится через перфорированный электрод.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому источнику излучения является источник излучения [5], выбранный в качестве прототипа, который содержит разрядную колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки и состоит из перфорированного сегмента и сплошного отражающего, где высоковольтный электрод выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив перфорированного сегмента электрода. Все элементы источника излучения, располагаются в корпусе с окном для вывода излучения.

На фиг. 1. изображена эквивалентная схема лампы барьерного разряда, где U - напряжение на электродах лампы, C_д - емкость диэлектрического барьера, C_г - емкость газового промежутка, R_г - сопротивление газоразрядной плазмы.

Для получения максимальной мощности возбуждения газовой среды, необходимо обеспечить максимальное напряжение на конденсаторе C_г, которое образуется как:

где 2U_д(t) - напряжение на диэлектрических барьерах.

Поскольку напряжение погасание заряда не равно нулю, то между импульсами, когда разряд не горит, емкость барьеров C_д останется заряженной с остаточным напряжением U_{д ост.} той же полярностью, что напряжение последнего импульса.

При питании лампы барьерного разряда импульсами напряжения одной полярности напряжение U_{д ост.} (t) имеет ту же полярность, что и U(t). При питании лампы барьерного разряда импульсами напряжения чередующейся полярности напряжение U_{д отс.}(t) имеет противоположную полярность напряжению U(t) и соотношение (1) имеет вид:

Если сравнивать эти два режима питания лампы, максимальные амплитуды U_г(t) будут реализованы, когда лампа барьерного разряда будет возбуждаться импульсами напряжения чередующейся полярности, а это значит, что рабочая амплитуда импульсов потребуется ниже, чем при однополярном возбуждении при прочих равных условиях.

Недостатком этого устройства (прототипа) является питание лампы барьерного разряда импульсами одной полярности.

Задачей заявляемой полезной модели является увеличение эффективности источника питания и устройства «лампа с источником питания» в целом.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве «портативный источник излучения», содержащем колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки и состоит из перфорированного сегмента и сплошного отражающего, где высоковольтный электрод выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив перфорированного сегмента электрода, согласно полезной модели, на электроды колбы подаются импульсы напряжения чередующейся полярности.

А именно, в заявленной полезной модели, при применении питания лампы барьерного разряда импульсами чередующейся полярности, емкость на диэлектрических барьерах оказывается частично заряженной от предыдущего импульса U_{д ост.}(t). При появлении на электродах лампы следующего импульса полярности обратной предыдущему напряжение на газовом промежутке лампы складывается, что существенно облегчает газовый пробой в лампе.

То есть, технический эффект достигается за счет применения импульсов возбуждения чередующейся полярности, что обеспечивает перезаряд барьерных емкостей лампы таким образом, что напряжение на газовом промежутке складывается из суммы амплитуды прикладываемого к электродам напряжения и остаточного напряжения на диэлектрическом барьере.

Для питания лампы барьерного разряда импульсами чередующейся полярности в отличие от прототипа источник питания лампы заявляемой полезной модели выполнен в виде инверторного преобразователя сетевого напряжения, собранного по схеме полного моста.

На Фиг 2. показана электрическая схема источника питания лампы барьерного разряда заявляемой полезной модели, где 1 - сетевой выпрямитель, 2-5 - транзисторные ключи, 6 - повышающий трансформатор.

Данный источник работает следующим образом. При открывании транзисторных ключей 2 и 5 на вторичной обмотке повышающего трансформатора 6 генерируется импульс одной полярности. После перехода транзисторов 2 и 5 в закрытое состояние открываются транзисторы 3 и 4, а на вторичной обмотке повышающего трансформатора 6 генерируется импульс обратной полярности. Схема управления транзисторов работает таким образом, что на вторичной обмотке повышающего трансформатора 6 генерируются импульсы напряжения чередующейся полярности с паузой между ними.

Экспериментально установлено, что для одной и той же отпаянной лампы барьерного разряда амплитуда импульсов напряжения при однополярном питании составила 4.0 кВ, а при чередующейся полярности импульсов - 3.4 кВ, при этом мощность возбуждения лампы была одинаковой при той же частоте 40 кГц и фиксированной длительности импульсов 2 мкс.

Использование заявляемой полезной модели, где уменьшается амплитуда напряжения импульсов, питающих лампы барьерного разряда, что позволяет снизить коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора, и снизить количество витков на высоковольтной обмотке, и в результате уменьшить паразитные емкость и индуктивность последней, а это обеспечивает увеличение КПД источника питания. К тому же снижение амплитуды импульсов возбуждения лампы позволяет использовать изоляцию меньшей толщины, что позволяет минимизировать размеры высоковольтного импульсного трансформатора источника питания и экономить изолирующие и моточные материалы. Также, уменьшение амплитуды импульсов возбуждения газоразрядной лампы барьерного разряда, позволяет уменьшить уровень электромагнитных помех, излучающих импульсным источником питания.

Используемая литература:

1. Бойченко А.М., Ломаев М.И., Панченко А.Н., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Ультрафиолетовые и вакуумно-ультрафиолетовые эксилампы: физика, техника и применения. - Томск: STT Publishing, 2011, - 511 с.

2. М.И. Ломаев, Э.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко, Д.В. Шитц, В.С. Скакун, М.В. Ерофеев, А.А. Лисенко Эксилампы барьерного и емкостного разрядов и их применение (обзор) // Приборы и техника эксперимента. - М., 2006. - 5. - С. 5-26.

3. Е.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко, Д.В. Шитц, В.С. Скакун Патент Ru 2398310 C1. 03.08.2009. - Рег.03.08.09. - Опубл. 27.08.2010. Бюл. 24

4. М.И. Ломаев, А.А. Лисенко, В.С. Скакун, Д.В. Шитц, В.Ф. Тарасенко Патент Ru 2281581. Приоритет 23.12.2004. - Рег. 23.12.04. - Опубл. 10.08.2006. Бюл. . 22

5. М.В. Ерофеев, М.И. Ломаев, Т. Мерси, Л. Меилхак, В.С. Скакун, Д.В. Шитц, Е.А. Соснин, В.Ф. Тарасенко Патент Ru 2271590. Приоритет 15.03.2005. - Опубл. 10.03.2006. Бюл. 7

http://www.findpatent.ru/patent/227/2271590.html

Источник излучения, содержащий колбу с газовой средой, образованную двумя коаксиальными цилиндрическими трубками из прозрачного на рабочей длине волны материала, источник питания с электродами, высоковольтный электрод которого расположен во внутренней трубке колбы, а заземленный электрод - на поверхности внешней трубки и состоит из перфорированного сегмента и сплошного отражающего, где высоковольтный электрод выполнен так, что часть его поверхности прилегает к внутренней стенке напротив перфорированного сегмента электрода, отличающийся тем, что на электроды колбы подаются импульсы напряжения чередующейся полярности.

РИСУНКИ