Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы
Предлагаемое изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и, в частности, к устройствам СВЧ-накачки безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения, применяемых в светильниках и облучателях. Технический результат заключается в создании компактного устройства, одновременно обеспечивающего: улучшенную пространственную однородность распределения потока оптического излучения; уменьшение вредных СВЧ-излучений на рабочей частоте и частотах гармоник; возможность использования СВЧ-возбудителя совместно с различными формирователями потока оптического излучения. Устройство содержит коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой снабжен участком, выступающим за пределы выходного конца наружного проводника, коаксиальная линия на ее входном конце снабжена трехплечим разветвителем, в котором вдоль общей оси с коаксиальной линией размещены выходное плечо и плечо с короткозамыкателем, имеющие общие с коаксиальной линией наружный и центральный проводники, а входное плечо расположено вдоль оси, пересекающей общую ось короткозамкнутого и выходного плечи разветвителя на расстоянии четверти рабочей длины волны от короткозамыкателя. Предусмотрено выполнение центрального проводника, являющегося общим для короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя, а также для коаксиальной линии, в виде трубки, внутри которой вдоль ее оси размещается с возможностью вращения вокруг этой оси присоединительная муфта со стержнем-держателем. 2 ил.
Настоящее изобретение относится к области техники сверхвысоких час тот (СВЧ), в частности к элементам коаксиальных линий передачи энергии СВЧ-электромагнитных колебаний. В более узком приложении изобретение относится к устройствам СВЧ-накачки безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения, применяемых в светильниках и облучателях.
Известны устройства СВЧ-возбудителей безэлектродных газоразрядных ламп, излучающих в видимой и ультрафиолетовой (УФ) областях спектра. В числе таких устройств, обладающих теми или иными признаками, сходными с предлагаемым нами объектом, следует отметить безэлектродный источник света по патенту США N4189661 от 19.02.1980; авторы Haugsjaa и др. - [1]. В этом устройстве СВЧ-энергия накачки передается безэлектродной лампе посредством участка коаксиальной линии, центральный проводник которой имеет выступающий из открытого выходного конца линии излучатель. Однако это устройство не содержит каких бы то ни было конструктивных элементов, обеспечивающих введение энергии в указанный участок коаксиальной линии. Представлена лишь условная схема подключения некоего источника СВЧ-энергии к условным же "клеммам" участка коаксиальной линии. Другим известным аналогом предлагаемого нами устройства является объект, защищенный патентом США N 5448135 от 05.09.1995 г. Автор Simpson J.E. [2]. В этом объекте конструкция СВЧ-возбудителя безэлектродной лампы использует волноводный тракт, канализирующий через развязывающий вентиль СВЧ-энергию от магнетрона. Указанный волноводный тракт снабжен на выходном конце волноводно-коаксиальным переходником. При этом коаксиальный участок переходника имеет открытый выходной конец, состыкованный со светопрозрачным СВЧ-резонатором, внутрь которого сквозь рефлектор и стенку резонатора введена безэлектродная лампа, имеющая колбу сферической формы. Лампа расположена у открытого конца коаксиального участка упомянутого переходника и, находясь в СВЧ-поле, приводится во вращение вокруг оси, перпендикулярной оси центрального проводника коаксиального участка. Это вращение лампы осуществляется от электродвигателя, на валу которого закреплен принадлежащий лампе кварцевый стержень- держатель, несущий сферическую колбу лампы. Для охлаждения вращаемой сферической колбы в теле центрального проводника коаксиального участка вдоль его оси выполнена цилиндрическая полость, перекрытая на одном конце (т.е. несквозная) торцевым дырчатым соплом, формирующим n-струйный воздушный поток при введении в центральный проводник с противоположного конца охлаждающего воздуха. Рассмотренный аналог по [2] обладает тем достоинством, что не требует введения дополнительных сопел или патрубков для воздушного охлаждения. Однако существенными недостатками устройства [2] являются следующие. Во-первых, громоздкость устройства в целом, связанная с необходимостью использования прямоугольного волновода и волноводно-коаксиального переходника и с невозможностью непосредственного использования коаксиального СВЧ-тракта. Во-вторых, сложность и неоптимальность конструкции, связанная с необходимостью введения безэлектродной лампы и ее стержня-держателя в СВЧ-резонатор сквозь окно в его светопрозрачной стенке и сквозь окно в стенке внешнего рефлектора-формирователя светового потока. Эти окна искажают распределение светового потока и повышают уровень вредных СВЧ-излучений в окружающую среду. Первый из указанных недостатков устранен в известной и выбранной в качестве прототипа конструкции устройства, защищенного патентом США N 5525865, кл. 315-39 (H 01 J 65/04) от 11.06.1996. Автор Simpson J.E [3]. Из конструктивных особенностей устройства [3], имеющих отношение к предлагаемой нами конструкции, необходимо выделить следующие. Устройство содержит отрезок коаксиальной линии передачи, на выходном конце которой наружный проводник сочленен со светопрозрачным СВЧ-экраном, образующим наружную стенку СВЧ-резонатора. В СВЧ-резонаторе расположена безэлектродная лампа сферической формы, снабженная диэлектрическим стержнем-держателем, ось которого перпендикулярна оси коаксиальной линии передач. Указанный держатель проходит сквозь стенку СВЧ-резонатора наружу и сочленяется с двигателем, приводящим лампу во вращение. Сфера лампы расположена с некоторым зазором у торца центрального проводника коаксиальной линии передачи. Выходной конец указанной ко аксиальной линии состыкован без использования развязки (вентиля или циркулятора) посредством коаксиального СВЧ-адаптера с выходным устройством магнетрона. При этом в [3] предусмотрены различные варианты исполнения форм входного конца коаксиальной линии передачи на стыке с СВЧ-адаптером и с магнетроном. В частности, схематично представлены варианты контактной и безконтактной стыковки центрального проводника коаксиальной линии передачи с СВЧ-адаптером или с выходным устройством магнетрона. При этом в варианте безконтактной стыковки центрального проводника последний закреплен посредством диэлектрической центрирующей опорной шайбы. Как и в аналоге [2], в указанном центральном проводнике вдоль его оси выполнена цилиндрическая полость, перекрытая (т.е. несквозная) торцевым дырчатым соплом, направляющим воздушный поток на вращаемую сферу лампы. Для подвода охлаждающего воздуха предусмотрен патрубок, введенный в СВЧ-адаптер. Конструкция [3] , обладая несомненным достоинством в компактности устройства в целом, полностью сохраняет второй недостаток, отмеченный нами выше применительно к устройству [2]. Тем не менее, по большинству признаков устройство [3] можно признать прототипом. В прототипе [3], как и в аналогах [1,2], не предусмотрены средства фильтрации или снижения уровней СВЧ-излучений на частотах гармоник рабочей частоты накачки. Конечной общей целью настоящего изобретения является создание компактного устройства СВЧ-возбудителя безэлектродных газоразрядных ламп, свободного от недостатков прототипа и, в частности, обеспечивающего пониженный уровень СВЧ-излучений в окружающую среду на рабочей частоте и на частотах побочных колебаний и, одновременно, повышенную пространственную однородность распределения оптического излучения. Идеология построения СВЧ-возбудителя, отвечающего указанной цели, предусматривает использование в приборе вращаемой безэлектродной СВЧ-газоразрядной лампы, светопрозрачного СВЧ-резонатора с азимутально-симметричной топографией СВЧ-поля и коаксиального СВЧ-тракта, совокупность элементов которого (само их конструктивное исполнение и взаиморасположение) обеспечивает необходимое и достаточное совмещение всех электродинамических, механических, теплотехнических, световых и экологических функций. Техническими результатами осуществления предлагаемого изобретения являются: 1. Малогабаритность устройства в целом; 2. Улучшенная пространственная однородность распределения потока оптического излучения, что особенно важно при построении проекционных и световодных систем; 3. Уменьшенные вредные СВЧ-излучения на рабочей частоте и частотах гармоник, особенно - на частотах четных гармоник, что важно с позиций биологической безопасности и электромагнитной совместимости; 4. Расширенные возможности использования СВЧ-возбудителя совместно с различными формирователями потока оптического излучения, что важно с позиций создания новых модификаций осветительных и облучательных устройств. Поставленная цель и указанные технические результаты достигаются тем, что в СВЧ-возбудителе безэлектродной газоразрядной лампы, содержащем коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой снабжен участком, выступающим за пределы выходного конца наружного проводника, коаксиальная линия на ее входном конце снабжена трехплечим разветвителем, в котором вдоль общей оси с коаксиальной линией размещены выходное плечо и плечо с короткозамыкателем, имеющие общие, с коаксиальной линией наружный и центральный проводники, а входное плечо расположено вдоль оси, пересекающей общую ось короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя на расстоянии четверти рабочей длины волны от короткозамыкателя. Дополнительно предусмотрено выполнение в СВЧ- возбудителе центрального проводника, являющегося общим для короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя, а также для коаксиальной линии, в виде трубки. Внутри этой трубки вдоль ее оси размещается с возможностью вращения вокруг этой оси присоединительная муфта для безэлектродной лампы. Сопоставительный анализ предлагаемой конструкции СВЧ-возбудителя с уровнем техники и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого устройства критерию "новизна". Заявленное устройство характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "изобретательский уровень". На фиг. 1 представлено в продольном разрезе предлагаемое устройство СВЧ-возбудителя в сборе. На фиг.2а, б, в показаны схематично фрагменты СВЧ-возбудителя в вариантах исполнения. В соответствии с идеей построения СВЧ-возбудителя, являющегося предметом изобретения, на фиг.1 показаны коаксиальная линия передачи 1, содержащая наружный проводник 2 и центральный проводник 3, имеющий участок 4, выступающий из выходного конца 5 коаксиальной линии передачи 1. Этот выходной конец 5 коаксиальной линии 1 и, в частности, выступающий участок 4 ее центрального проводника 3, играет роль СВЧ-излучателя. При этом центральный проводник 3 зафиксирован на входном конце 6 коаксиальной линии передачи 1 посредством диэлектрической (например, слюдяной) опорной шайбы 7. Входной конец 6 коаксиальной линии передачи 1 снабжен трехплечим СВЧ-разветвителем 8, обычно называемым "коаксиальным тройником". Сопряжение тройника 8 и, в частности, его выходного плеча 9, с входным концом 6 коаксиальной линии передачи 1, может быть выполнено дроссельным, дроссельно-контактным, контактным, разъемным или неразъемным и т.п., что не меняет сути изобретения. На фиг.1 для конкретизации конструктивного исполнения и с учетом удобства сборки-разборки устройства (по деталям, узлам и в целом), а также для обеспечения возможности использования специфических элементов, не являющихся предметом настоящего изобретения, но важных с позиции расширенной применимости СВЧ-возбудителя, представлено контакто-разъемное сопряжение выходного плеча 9 тройника 8 с входным концом 6 коаксиальной линии передачи 1. Контактно-разъемное сопряжение осуществлено в приведенной конструкции за счет резьбовых сочленений как с наружным 2, так и с центральным 3 проводниками коаксиальной линии передачи 1. В конструкции трехплечего СВЧ-разветвителя (тройника) 8, как показано на фиг. 1, центральный проводник 10, состыкованный в выходном плече 9 с центральным проводником 3 коаксиальной линии передачи 1, выполнен простирающимся вдоль ее оси во второе, короткозамкнутое плечо 11. Аналогичным образом выполнен и наружный проводник 12 тройника 8, состыкованный с наружным проводником 2 коаксиальной линии передачи 1. Отметим, что как наружные проводники 2 и 12, так и центральные проводники 3 и 10, могут быть выполнены в форме неразъемных элементов, т.е. зацело. Короткозамыкатель 13 в плече 11 тройника 8 выполнен гальванически контактирующим (например, посредством пайки) с центральным 10 и с наружным 12 проводниками тройника 8 в его плече 11. Этим обеспечивается силовое механическое крепление центральных проводников 3, 10. На расстоянии![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/955.gif)
Формула изобретения
Сверхвысокочастотный возбудитель безэлектродной газоразрядной лампы, содержащий коаксиальную линию передачи, центральный проводник которой снабжен участком, выступающим за пределы выходного конца наружного проводника, отличающийся тем, что коаксиальная линия на ее входном конце снабжена трехплечим разветвителем, в котором вдоль общей оси с коаксиальной линией размещены выходное плечо и плечо с короткозамыкателем, имеющие общие с коаксиальной линией наружный и центральный проводники, а входное плечо расположено вдоль оси, пересекающей общую ось короткозамкнутого и выходного плеч разветвителя на расстоянии четверти рабочей длины волны от короткозамыкателя, причем общий центральный проводник коаксиальной линии передачи, выходного и короткозамкнутого плеч разветвителя выполнен в виде трубки, внутри которой вдоль оси размещена с возможностью вращения вокруг этой оси присоединительная муфта со стержнем-держателем безэлектродной лампы.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2