Резонаторные структуры для безэлектродных СВЧ ламп

Размещено на http://www.allbest.ru//

16

ІSSN 0485-8972 Радиотехника. 2013. Вып. 174

Размещено на http://www.allbest.ru//

Резонаторные структуры для безэлектродных СВЧ ламп

И.Н. Бондаренко, д-р физ.-мат. Наук

Введение

В последние годы ведутся интенсивные исследования, связанные с разработкой и изучением процессов функционирования серных СВЧ ламп [1, 2]. Серные СВЧ лампы обладают рядом преимуществ по сравнению с другими источниками света: отсутствие электродов, высокая эффективность ~ 25 %, высокий цветовой индекс ~ 70 - 80 %, спектральные характеристики, близкие к солнечному свету [1]. Принцип их действия заключается в стимуляции СВЧ электромагнитным полем режима ионизации неона и ударном возбуждении молекулярной и атомарной серы ионами неона с последующим излучением фотонов. Минимальная

напряженность поля, необходимого для возникновения объемного разряда в буферном газе, составляет величину ~ 20 - 30 кВ/м [1]. Существенные недостатки СВЧ ламп: необходимость в мощных источниках СВЧ излучения (от сотен ватт до киловатта и более) и, как следствие, их относительная недолговечность, обусловленная выработкой ресурса СВЧ источника, повышенные требования по обеспечению рабочего теплового режима, сложности сопряжения источника света, возбуждаемого СВЧ излучением со светонаправляющими элементами.

Цель работы - исследование возможностей использования резонансных нерегулярных СВЧ структур, возбуждаемых на высших типах колебаний, для формирования ионизирующих СВЧ полей в безэлектродных серных лампах.

Основная часть

В работах [3, 4] приведены результаты исследований высокодобротных типов колебаний в нерегулярных гибридных структурах. Показано, что добротности резонансов, возбуждаемых в таких структурах, могут достигать величин 103 - 104. Особенностью рассматриваемых резонансных структур является то, что они обладают осевой симметрией, а их форма может одновременно соответствовать конструкциям светоотражающих и светонаправляющих зеркальных элементов источников светового излучения.

Конструкция резонатора приведена на рис. 1, а. Резонатор представляет собой коническую структуру, в узкой части которой расположен возбуждающий коаксиальный элемент. Амплитудно-частотная характеристика приведена на рис. 1, б.

Рассматриваемая структура имеет два ярко выраженных высокодобротных резонанса на частотах 10,25 и 11,04 ГГц. Последующий анализ показывает возможность достижения высоких значений напряженностей полей в областях формирования соответствующих резонансов. На рис. 2 и 3 приведены структуры полей в резонаторе при резонансах на частотах 10,25 и 11,04 ГГц, а также значения напряженностей электрического поля, достигаемые при различных величинах СВЧ мощности, вводимой в резонатор.

Видно, что уже при мощностях накачки порядка нескольких ватт достигаются значения напряженностей электрических полей, достаточные для возникновения разряда в серосодержащей среде.

Уровни СВЧ мощности в единицы или даже в десятки ватт достигаются с помощью полупроводниковых генераторов, что открывает возможности снижения энергопотребления, повышения надежности и долговечности серных СВЧ ламп, а также создания малогабаритных источников света такого типа.

Анализ структуры полей, наблюдаемых в нерегулярных резонаторных структурах при резонансах, показывает, что в области размещения коаксиального проводника структура

поля подобна структурам стоячих волн в коаксиальных линиях. Соответственно эта часть резонатора может быть трансформирована в подводящую коаксиальную линию с небольшой степенью нерегулярности для согласования с высокодобротным резонаторным объемом.

Геометрия области высокодобротного резонанса предлагаемых резонансных структур может быть адаптирована под требования формирования необходимого направленного светового излучения.

Численные исследования модельных резонаторных структур, геометрия которых приближена к геометрии направляющих световых отражателей, показывают, что возможность возбуждения высокодобротных типов колебаний в этом случае также сохраняется (см. рис. 4 - 6).

Для структуры с геометрией усеченного конуса был получен резонанс на частоте 10,26 ГГц с добротностью порядка 1,41•104, который имел два максимума напряженности электрического поля (рис. 4).

Для подобной же структуры, но с закруглением усеченной части, также возбуждается резонанс с двумя максимумами напряженности на частоте 10,33 ГГц с добротностью ~ 1,55•104 (рис. 5).

безэлектродный резонаторный лампа

Поскольку наличие второго максимума напряженности поля в рассматриваемой структуре не является необходимым, был проведен анализ укороченной резонаторной структуры с размерами: радиус скругленной части Rc ? 9,5 мм, наружный диаметр Dн ? 25,2 мм, длина

L ? 25 мм (рис. 6). При этом был получен резонанс на частоте 9,664 ГГц с добротностью ~ 1,19•104.

Так как рассматриваемые структуры предназначены для одновременного решения задач ионизации газа и формирования светового пучка, проведен анализ характеристик резонаторной структуры с имитатором колбы с ионизированным газом в виде проводника с высокой проводимостью, размещенного в области повышенной напряженности электрического поля (рис. 7). В этом случае также наблюдается резонанс на частоте 9,55 ГГц с добротностью ~ 0,72•104.

Выводы

На основе анализа процессов возбуждения нерегулярных резонансных структур на высших типах колебаний выявлена возможность достижения внутрирезонаторных напряженностей электрических полей, достаточных для возникновения разряда в серосодержащей плазме при уровнях мощности СВЧ сигнала накачки порядка десятков ватт.

Использование нерегулярных резонансных структур позволяет в единой конструкции совместить свойства, обеспечивающие высокодобротный СВЧ резонанс и формирование направленного светового излучения, существенно снизить требования к СВЧ источнику.

Полученные в работе результаты не могут быть прямым образом использованы при проектировании СВЧ ламп, однако, по мнению авторов, открывают дополнительные возможности их совершенствования и модернизации.

Список литературы

1. Диденко А.Н. СВЧ-энергетика: Теория и практика / А.Н. Диденко; Отв. ред. Я.Б. Данилевич. - М. : Наука, 2003. - 446с.

2. Мачехин Ю.П. Безэлектродная серная лампа с СВЧ-накачкой / Ю.П. Мачехин, Г.И. Чурюмов, Е.Н. Одаренко и др. // Світлотехніка та Електроенергетика. - 2008. - Вип. 

3. - С. 9-14. 3. Бондаренко И.Н. Высокодобротный коаксиальный нерегулярный резонаторный измерительный преобразователь / И.Н. Бондаренко, А.В. Галич // Радиотехника. - 2012. - Вып. 168. - С. 108-112.

4. Бондаренко И.Н. Высокодобротные типы колебаний в нерегулярных гибридных структурах / И.Н. Бондаренко, А.В. Галич, С.И. Троицкий // Радиофизика и электроника. - 2013. - Т. 4 (18), № 1. - С. 91-94.

Размещено на Allbest.ru