Материал: Разработка метода эффективной передачи электрической энергии от источника питания к излучателю через длинную линию

Разработка метода эффективной передачи электрической энергии от источника питания к излучателю через длинную линию

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭКСИЛАМПА БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И РАБОТЫ

.1 Классификация эксиламп барьерного разряда

.2 Оптимальные условия возбуждения эксиламп барьерного разряда

.3 Рабочие среды и спектры излучения эксиламп барьерного разряда

.4 Конструкции облучающих модулей на основе эксиламп барьерного разряда

.5 Влияние формы импульса возбуждения

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

.1 Источники питания эксиламп барьерного разряда

.2 Описание схемы источника питания эксилампы

.3 Принцип работы резонансного источника питания гармонического напряжения

.4 Конструкция эксилампы барьерного разряда

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

.1 Описание экспериментальной установки

.2 Методика измерения мощности излучения эксилампы

.3 Порядок выполнения и результаты эксперимента

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

эксилампа разряд спектр

ВВЕДЕНИЕ

_ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время газоразрядные источники узкополосного спонтанного УФ и ВУФ излучения на основе излучения эксимерных или эксиплексных молекул достаточно хорошо изучены, разработаны образцы с различными параметрами оптического излучения, часть из которых производится серийно. Благодаря отсутствию паров металлов в рабочем газе таких источников излучения, лампы на основе излучения эксиплексных молекул имеют высокую стабильность мощности излучения со слабой зависимостью от температуры окружающей среды. Излучатель не требует прогрева, и может работать квазинепрерывно с большими паузами, что позволяет их применить в телекоммуникации. Однако в некоторых прикладных задачах необходимо реализовать лампу, где излучатель возбуждался бы от источника питания через коаксиальную линию длиной два и более метра.

Достоинства эксиламп с точки зрения параметров составляют большая энергия фотона (3,5 - 10 эВ), узкая полоса излучения, относительно высокая удельная мощность излучения, возможность масштабирования и выбора произвольной геометрии излучающей поверхности. Отдельно следует отметить отсутствие ртути в эксилампах. Это обеспечивает им преимущество по сравнению с широко распространенными, но экологически небезопасными ртутьсодержащими лампами. В настоящее время эксилампы начинают использовать в фотохимии, микроэлектронике, для очистки и модификации свойств поверхности, для полимеризации и красок, в технологиях обеззараживания промышленных отходов, воды, воздуха, биологии, медицине и других применениях. Это стало возможным благодаря большим успехам в понимании процессов, происходящих в оптических средах эксиламп, и в создании образцов, пригодных для практических применений [8].

Дальнейшее совершенствование эксиламп актуально в силу растущих потребностей в мощных и недорогих источниках УФ и ВУФ излучения в различных областях науки и техники.

Целью работы является: разработка метода эффективной передачи электрической энергии от источника питания к излучателю через длинную линию.

В соответствии с целью работы, определены основные задачи исследования:

Осуществить обзор предлагаемой литературы

Предложить вариант решения проблемы

Разработать план эксперимента

Разработать и изготовить высоковольтный импульсный источник питания для эффективной передачи энергии через длинную линию

Провести эксперимент демонстрирующий эффективность предложенного метода

Обработать и описать результат эксперимента.

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследования.

В первой главе дан краткий обзор публикаций, посвящённых описанию оптимальных условий возбуждения эксиламп барьерного разряда. Рассмотрены различные конструкции ламп барьерного разряда и облучающих модулей на основе эксиламп барьерного разряда, а также источники питания для возбуждения эксиламп.

Во второй главе дано описание схемырезонансного источника питания гармонического напряженияи ее элементов, конструкции эксилампы барьерного разряда, используемой в экспериментах.

В третьей главеприводятся результаты исследования резонансного источника питания гармонического напряжения, и сравнение с источником питания квазипрямоугольных импульсов в эффективности преобразования электрической энергии в световую при питании эксилампы барьерного разряда.

ГЛАВА 1. ЭКСИЛАМПА БАРЬЕРНОГО РАЗРЯДА. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И РАБОТЫ

Барьерным называют разряд, протекание тока в котором ограничено, по крайней мере, одним слоем диэлектрика, а характерные размеры электродов существенно превышают величину межэлектродного промежутка. Это предопределяет необходимость использования источника питания(генератор) с переменным во времени напряжением U, поскольку в силу закона сохранения суммы токов проводимости и смещения во всей цепи ток проводимости в газоразрядной плазме определяется током смещения через диэлектрический барьер[8].

(1)

Основное отличие эксиламп от имеющихся люминесцентных, а также тепловых источников спонтанного излучения УФ - или ВУФ - диапазонов - спектр излучения. До 80% и более общей мощности излучения может быть сосредоточено в относительно узкой (не более 10 нм на полувысоте) полосе соответствующей молекулы[8].Таким образом, в ряде практических задач, в которых необходимо воздействие узкополосного УФ-, ВУФ-излучения, эксилампы могут быть альтернативой лазерным системам, как более дешевые и простые в эксплуатации источники излучения.

В публикуемых работах по барьерному разряду освещены проблемы оптимизации рабочего режима эксиламп (рабочей среды, режима возбуждения рабочей среды, газоразрядного промежутка, конструкции эксиламп), определения параметров плазмы [14] и исследования динамики формирования разряда [8], моделирования процессов, происходящих при барьерном разряде [8], а также применения эксиламп [11]. В следующих разделах текущей главы мы подробнее остановимся надоступных в литературе описании оптимальных условий возбуждения эксиламп барьерного разряда. Рассмотрим различные конструкции ламп барьерного разряда и облучающих модулей на основе эксиламп барьерного разряда, а также источники питания для возбуждения эксиламп.

1.1 Классификация эксиламп барьерного разряда

Исследования условий формирования ультрафиолетового (УФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучений эксимерных R2* и эксиплексныхRX* молекул (где R - атом инертного газа, X - атом галогена) были начаты в середине прошлого века. Слово “эксимер” (сокращение от англ. exiteddimer - возбужденный димер, т. е. молекула, состоящая из одинаковых атомов, например, Аr2*,) было впервые предложено в 1960 г. [31]. Так были названы возбужденные молекулы, состоящие из двух одинаковых атомов, образующих устойчивую химическую связь только в возбужденном состоянии (нижнее состояние является несвязанным или слабосвязанным). Спонтанный распад эксимера на отдельные атомы сопровождается высвечиванием характерной для данной молекулы спектральной полосы[11].

С 1973 г. было достоверно установлено, что помимо эксимеров в указанном выше смысле этого слова, можно создать условия, в которых образуются гетероядерные возбужденные молекулы, которые были названы эксиплексами[17] (от англ. exitedcomplex (ехсiрlex) - возбужденный комплекс, например, XeF*). Позднее для единого обозначения всех источников спонтанного излучения на эксимерных и эксиплексных молекулах было предложено обобщенное название - эксилампы [3].

Сегодня наибольшее практическое применение получили эксилампы барьерного разряда (БР). Первое авторское свидетельство на изобретение оптического прибора такого типа было получено Г.А. Волковой с коллегами из Государственного оптического института им. С.И. Вавилова (ФГУП ВНЦ ГОИ), Санкт-Петербург, РФ [5]. Эксилампа состояла из отпаянной колбы с окном для вывода ВУФ излучения и импульсного источника питания, отличалась конструктивной простотой и стабильностью потока излучения, а излучение формировалось от многочисленных микроразрядов между диэлектрическими барьерами [4].

На работы [4,5] обратили внимание У. Когельшатц с коллегами (компания ASEABrownBoveri), которыми за несколько лет были проведены широкие исследования эксиламп БР [19,20,22] и получена серия патентов.

Сегодня самыми известными производителями эксиламп за рубежом являются компании HeraeusNoblelightGmbH (Германия), Phillips(Нидерланды), UsioInc. (Япония), M.D.ComInc и ее дочерняя компания M.D. Eximer, Inc (Япония), QuarktechnologyCo., Ltd (Япония)[11].

В Российской Федерации эксилампы для научных исследований разрабатываются и производятся в Институте сильноточной электроники СО РАН (ИСЭ СО РАН) [2,8,27,28] и в ФГУП НПК ГОИ [6]. Следует отметить и научный вклад группы Ужгородского национального университета (Украина) [13].

Замечательным свойством БР, в сравнении с разрядами других типов, является возможность управления средней энергией электронов и их концентрацией в широком диапазоне с помощью изменениятаких внешних параметров, как геометрия разрядного промежутка и тип используемого диэлектрика. Это значит, чтоизменяя давление газа, диэлектрическую проницаемость барьера и межэлектродный промежуток, можно влиять на энергетические и спектральные характеристики излучения, приведенную напряженность электрического поля Е/р (Е - напряженность электрического поля, р - давление). Кроме того, зажигая БР в отпаянной колбе из диэлектрического материала (кварца, стекла, керамики) и помещая электроды снаружи колбы, можно достичь как чистоты спектра, так и большого срока службы эксилампы, который в зависимости от условий эксплуатации может составлять от 1,5 до 30 тыс. ч [15].

Эксилампы барьерного разряда имеют различное конструктивное исполнение (рис. 1). На рис.1(а) приведена конструкция излучателя первой отпаянной эксилампы барьерного разряда, созданной и исследованной в ФГУП ВНЦ ГОИ Г.А. Волковой с коллегами. Излучатель представляет собой заполненную инертным газом трубку прямоугольного сечения с внешними электродами, плотно прилегающими к противоположным граням трубки. Вывод излучения в одном варианте трубки осуществляется через торцевое окно (рис.1(а)), а во втором - через окно, являющееся боковой стенкой трубки. Окна изготовлены из пластин фтористого магния. Во втором случае размер бокового окна и возбуждаемой области достигает 35 мм. Расстояние между электродами составляет 5-15 мм. В работе [4] описаны коаксиальный (рис. 1(в)) и плоский излучатели, в которых используется вывод излучения через сетчатые электроды[11].

Сегодня для получения мощного излучения на димерах инертных газов применяются однобарьерные коаксиальные эксилампы, в которых внутренний электрод выполнен не сплошным (рис.1(б)), а в форме спирали. Конструктивноэксилампаоднобарьерного разряда представляет собой заполненную ксеноном герметичную кварцевую трубку, имеющую внутренний потенциальный электрод, а также перфорированный электрод, устанавливаемый на внешней боковой поверхности кварцевой трубки. В качестве потенциального электрода используется металлический стержень или спираль, устанавливаемые коаксиально с кварцевой трубкой, а заземленным электродом, как правило, служит металлическая сетка на внешней поверхности трубки. Прозрачность сетки при изготовлении ее из проволоки диаметром около 0,1 мм может достигать примерно 90%[11].

Г.А. Волковой также был создан излучатель с тремя диэлектрическими барьерами (рис.1(г)). В данном излучателе от каждого импульса напряжения происходит одновременный пробой обоих промежутков, что позволяет возбуждать различные газовые смеси. Результаты испытаний такого излучателя приведены в работе [1].

Для уменьшения рабочего давления смеси газов (что приводит к уширению спектральных полос излучения и увеличению их числа), в работе [9] предложена конструкция излучателя, приведенная на рис.1(д), лампы такого типа получили название эксилампы емкостного разряда.

Рис.1. Конструкции эксиламп барьерного разряда. 1 - разрядный промежуток, 2 - диэлектрические барьеры, 3 - плоские электроды, 4 - цилиндрические электроды, 5 - штыревой электрод, 6 - источник питания эксилампы, 7 - выходные окна, 8 - металлический электрод с малым радиусом кривизны (например, спиральный). Пояснения в тексте.

Коаксиальная лампа барьерного разряда состоит из двух соосных кварцевых трубок разного диаметра, герметично спаянных с торцов (рис. 1(в)). С внутренней стороны трубки меньшего диаметра помещён сплошной электрод (обычно это металлическая фольга, отражающая ультрафиолетовое излучение). С наружной стороны внешней трубки располагается электрод в виде сетки с высокой прозрачностью. Излучение эксилампы выводится через сетку. Для охлаждения, через внутреннюю трубку пропускается поток жидкости. Замкнутая полость между трубками сначала откачивается, а затем заполняется рабочим газом[11].

1.2 Оптимальные условия возбуждения эксиламп барьерного разряда

Энергетические параметры эксиламп во многом определяются удельной мощностью и энергией возбуждения. С этой точки зрения БР имеет свои особенности. Использование одного или двух диэлектрических барьеров, отделяющих электроды от газовой среды, приводит к ограничению удельной энергии возбуждения Еуд, вкладываемой в плазму за один цикл (период) возбуждения. За счет применения диэлектрических барьеров удается формировать диффузный разряд при повышенных давлениях различных газов. Это очень важно для получения высокой средней мощности излучения и эффективности эксиламп.

Величину Еуд можно оценить исходя из следующего модельного представления. Энерговыделение в плазме разряда как в активной нагрузке происходит одновременно с зарядкой емкостей барьеров, поскольку они образуют последовательную цепь. Известно, что энерговыделение в активном сопротивлении при протекании тока зарядки конденсатора, установленного последовательно с сопротивлением, равно энергии электрического поля, накопленной в конденсаторе. Энергозапас в конденсаторе определяется емкостью и напряжением. Таким образом, величина Еуд не превышает

(2)

где Суд - удельная емкость одного или двух диэлектрических барьеров, Umax - амплитуда прикладываемого напряжения, d- расстояние между внутренними поверхностями барьеров. При характерных значениях Суд порядка единицы пФ/см2, Umax≈ 5 кВ, d≈ 0,5-1 см имеем энергозапас примерно десятки мкДж/см3. Соответственно, для обеспечения приемлемого уровня средней мощности возбуждения в БР необходимо использовать генераторы с высокими частотами повторения импульсов. При f≈ 100 кГц характерное значение составляет доли единицы - единицы Вт/см3.

Величина Суд определяется как диэлектрической проницаемостью используемого диэлектрика ε, так и его толщиной. С точки зрения увеличения Суд целесообразно использовать диэлектрики с большим значением ε и возможно меньшей толщиной. Ограничения на толщину слоя возникают вследствие уменьшения электрической прочности диэлектрика. В то же время, необходимо обеспечить выход излучения из газоразрядного объема. Поэтому чаще всего в качестве диэлектрика используется кварц, некоторые сорта которого обладают как хорошим оптическим пропусканием в УФ и ВУФ областях спектра, так и высокой электрической прочностью. Тем не менее, возможны конструкции эксиламп из диэлектриков с большим ε, например, сегнетокерамики. В этом случае можно существенно увеличить как удельный энерговклад, так и мощность излучения.

Для возбуждения излучения эксиламп с двумя барьерами наиболее выгодно использовать генераторы, формирующие двухполярные импульсы длительностью 1-2 мкс при фронте и спаде импульса напряжения около 100 нс. Характерные осциллограммы приведены на рис. 3.

Рис.3 Осциллограммы тока (1) и напряжения (2) КгС1-эксилампы.