СВЧ лампы: история и перспективы развития

СВЧ лампы: история и перспективы развития

СВЧ лампы: история и перспективы развития

Как наиболее эффективно преобразовать энергию электричества в свет? Почти два века исследований методом проб и ошибок не прошли бесследно.
Автор:  И. Засорин  |   Дата:   08.12.2008

Свет как энергия: история вопроса 

 
Электричество с восемнадцатого века становится модной темой для салонных разговоров, умозрительных гипотез и многочисленных попыток понять и воспроизвести в лабораторных условиях огни Св.Эльма, линейную и шаровую молнии. Но удовлетворительной теоретической модели и адекватного опытного воспроизведения феномена шаровой молнии нет и по сей день. На базе первых опытов строятся электрофорные машины, электрические батареи. Несколько поколений исследователей поставили своей целью приручить свет и энергию.

Появление газоразрядных индукционных ламп связано с именем В. Гитторфа. В 1884 году он сообщил о свечении остаточных газов в вакуумной трубке, помещенной в высокочастотный индуктор. Научными предпосылками этого открытия стали первые генераторы постоянного тока и вольтова дуга (В.В. Петров, 1802 год), а также катушка Румкорфа, генератор Герца.

Вскоре, в 90-х годах позапрошлого века, Никола Тесла во время своей лекции жонглировал светящимися «плазменными образованиями», как будто те были материальными объектами, чем поверг зрителей происходящего в суеверный страх. Свет возникал буквально из воздуха: атмосфера была пронизана электричеством. Тайна его опытов не раскрыта и по сей день. Известно только, что использовались токи высокой частоты в сочетании с очень высокими электрическими потенциалами. Тогда же Теслой были созданы работоспособные образцы ярких осветительных ламп без нити накаливания. Кроме того, была доказана возможность беспроводной передачи энергии для питания таких ламп.

Шел 1893 год.  Сияющие тысячами огней павильоны «Вестингауз» (Westinghous), «Дженерал электрик» (General Electric), «АЭГ» (AEG) на Всемирной Колумбовской ярмарке в Чикаго. Век электричества только начинался: бурно развивалась электротехническая промышленность, строились электростанции и линии электропередачи, в потоке изобретений были и новые генераторы переменного тока низкой и высокой частоты, и системы связи, освещения и источников света.

В 1903 году Тесла с помощью своего Уорденклиффского генератора на Лонг-Айленде неподалеку от Нью-Йорка заставил светиться небосвод. Ослепительные лучи светящейся плазмы длиной более 1 000 миль соединили купол Уорденклиффской башни с небом. Газета  «Нью-Йорк Сан» сообщала: «Прошлой ночью мы были свидетелями странных феноменов  многокрасочных молний, собственноручно испускаемых Теслой, затем воспламенения слоев атмосферы на разной высоте и на большой площади, так что ночь моментально превратилась в день. Случалось, что весь воздух на несколько минут наполняло свечение, сосредоточенное на краях человеческого тела, и все присутствующие излучали светло-голубое мистическое пламя».

Все это было слишком грандиозно и пугающе непонятно, такого кардинального решения проблемы с освещением городов и стран еще не было в истории человечества. По ряду причин генератор Теслы был уничтожен, а башня с излучателем взорвана, после чего о проекте  «зажигания ионосферы» говорили уже больше на страницах научно-популярных изданий.


После краха проекта глобальной электрификации, работы по физике газового разряда вошли в привычно-рутинное русло. Исследователями двигал скорее чисто академический интерес.

Новый этап: создание теории газового безэлектродного разряда


Вернемся к опытам Гитторфа с индукционным разрядом. Стеклянная колба с газом при низком давлении, индуктор в виде нескольких витков проволоки, катушка Румкорфа — вот минимально необходимый набор оборудования для опытов. Относительно простая техника эксперимента и зрелищность ярко светящихся разрядных трубок — все это способствовало привлечению интереса исследователей. Следует прежде всего отметить работы Дж.Дж. Томпсона, выполненные в 1926/27 годах. Томпсон полагал, что основной причиной зажигания разряда является магнитное поле соленоида, и поэтому в качестве величины, определяющей зажигание разряда, он ввел произведение напряженности магнитного поля на радиус вакуумной трубки. В качестве критерия возникновения разряда Томпсон принимает условие, что кинетическая энергия электрона должна быть больше потенциала ионизации атомов газа. Томпсоном также впервые был предсказан и объяснен ход процесса зажигания высокочастотного разряда в зависимости от давления.



В 1928 году Дж. Таунсенд привел веские доказательства того, что разряд может быть вызван не магнитным, а электрическим полем индуктора, и предсказал, что геометрия этого поля сформирует кольцевую форму разряда. Принципиальная разница в точках зрения на природу разряда двух авторитетных ученых привлекла к технической и теоретической разработке этого вопроса многочисленных исследователей по обе стороны океана. И уже в 1929—34 годы было доказано, что обе формы разряда имеют место: как электрического, так и индукционного типа (Е-разряд и Н-разряд, соответственно). К. Мак-Киннон в своих исследованиях воспроизвел разряды Томпсона и Таунсенда. Используя генератор высокочастотных затухающих колебаний (схема Томпсона) и ламповый генератор незатухающих колебаний (схема Таунсенда), он показал, что разряд действительно возникает под действием электрического поля соленоида в виде слабого свечения вдоль стенок трубки. При увеличении амплитуды высокочастотных колебаний свечение становится ярче и возникает кольцевой разряд. Зажигание безэлектродного разряда всегда происходит за счет электрического поля индуктора, напряженность которого может быть в 30 раз выше напряженности индуцированного поля. Поле индуктора создает первоначальную ионизацию газа, которая по мере увеличения амплитуды высокочастотных колебаний усиливается, увеличивая проводимость разряда. До тех пор пока проводимость газа мала, разряд прозрачен для магнитного поля и оно не может передать ему свою энергию. Но как только проводимость с усилением электрического поля достигает некоторого критического значения, «магнитная энергия» индуктора начинает выделяться, появляется кольцевой ток и возникает безэлектродный разряд в виде яркого свечения индукционно-связанной плазмы. При этом напряжение на индукторе резко падает и электростатическая составляющая разряда гаснет.

В эти годы были получены экспериментальные данные по зажиганию высокочастотного разряда в воздухе, кислороде, азоте, аргоне, гелии и неоне. После выяснения природы высокочастотного безэлектродного разряда и создания основных приборов для его получения, интерес к нему был потерян на длительное время. Эксперименты проводились на сравнительно маломощных (десятки ватт) установках, и о практическом применении этих разрядов речи не шло. Только в шестидесятых годах, когда начались разработки плазменных технологий для энергетики, разряд с индукционно-связанной плазмой был применен в качестве исключительно стабильного и спектрально-чистого источника света в атомно-эмиссионной спектроскопии.

Работы по СВЧ генерации света в Советском Союзе


В конце тридцатых годов прошлого века талантливый русский электротехник Георгий Бабат занимался изучением высокочастотных безэлектродных разрядов, получаемых от ламповых СВЧ генераторов высокой мощности. Те годы были временем становления вакуумной радиоэлектроники. Были разработаны и успешно испытаны мощные (в сотни киловатт) генераторные лампы. На их основе генераторы с самовозбуждением обеспечивали устойчивую генерацию электромагнитных волн в диапазоне от нескольких килогерц до десятков мегагерц. В 1940—41 годах, осваивая технологию производства радиоламп на заводе «"Светлана»", Г. Бабат обратил внимание на вспыхивающий в колбе откачиваемой радиолампы газовый разряд. Сама колба радиолампы и ее внутренняя металлическая арматура в этот момент обезгаживались в индукционной высокочастотной печи при непрерывной откачке. Колба отпаивалась от установки при достижении необходимого уровня вакуума. Свечение при этом прекращалось.



Г.Бабат применял мощные стационарные генераторы частотой от 3 до 100 МГц и мощностью до 100 кВт, что позволяло получить светящиеся разряды в кварцевых колбах диаметром до 400 мм при давлениях от нескольких мм рт. ст. до атмосферного. Подводимая мощность была такова, что кварцевый баллон мог расплавиться за несколько секунд. Возможность регулирования уровня отдаваемой в разряд мощности позволило проследить за особенностями развития безэлектродного разряда. Сам Г.Бабат в своей работе сообщает следующее: «При частоте 62 МГц в баллоне диаметром 350 мм переход от одного цвета свечения газа к другому с повышением давления происходит более плавно, чем при частоте 3 МГц. Можно наблюдать целую гамму цветовых переходов, представляющих редкое и красочное зрелище. При давлении в баллоне 0,1—5 мм рт.ст. свечение постепенно переходит в темно-лиловое. Затем появляются изумрудные тона, разряд стягивается в шар, который парит чуть выше уровня индуктора. При продувании воздуха шар колышется из стороны в сторону, с поверхности его отделяются огненные языки — протуберанцы. При давлении свыше 400 мм рт.ст. шар вытягивается в аксиальном направлении, цвет становится желтовато-белым. Цвета в разряде зависят не только от давления, но и от мощности, подводимой к разряду». Таким образом, впервые был получен безэлектродный разряд при атмосферном давлении и осуществлена продувка газа через разряд, что является основным принципом работы всех современных плазмотронов. Результаты исследований были опубликованы и доступны ученым всего мира.

Современные образцы СВЧ ламп и перспективные проекты

   
Громоздкость и энергоемкость тогдашнего оборудования не позволяли проектировать даже опытные экземпляры высокочастотных световых ламп, но шла наработка опыта и совершенствование технологий. Широко исследовались возможности применения высокочастотных полей в газовой электрохимии, химической технологии, сушке древесины, создании эффективных импульсных и постоянных источников света. Плазма (термин Ирвинга Ленгмюра) все больше начинала привлекать внимание исследователей, и когда для развития мобильных систем радиолокации потребовался источник сантиметровых волн, в Советском Союзе трудами И.Ф. Алексеева и Д.Е. Малярова был создан магнетрон — радиолампа, генерирующая радиоволны длиной от 1 до 100 см с КПД до 90%. Это был технологический прорыв: современные микроволновые печи, которые есть почти в каждом доме, — это конверсия военных технологий. Итак, все необходимое для создания компактного источника света на базе генератора сверхвысокой частоты уже имелось. Дело было за инженерной проработкой конструкции, и главное — был необходим массовый выпуск относительно дешевого магнетронного излучателя. И даже сегодня газоразрядные лампы с магнетронным генератором выпускаются в основном для освещения больших помещений и открытых пространств.

Газоразрядные лампы, использующие впаянные электроды, остаются весьма недолговечными. В самих электродах теряется до 40% от подводимой мощности. Газовый разряд в присутствии коррозионно активных элементов (ртуть, хлор, натрий и др.) разрушает электроды и изменяет состав рабочей среды внутри колбы. На внутренней поверхности стекла постепенно образуется малопрозрачный слой. Это меняет спектр излучения лампы и сокращает срок ее службы. С одной стороны, технологичность изготовления и дешевизна, с другой — маленький, не свыше 1 000 час,  ресурс, неэкономичность. Сегодня все больше мнений в пользу чисто безэлектродных конструкций.

В 90-х годах прошлого века, американская фирма Fussinal Lighting представила коммерческий образец источника света с СВЧ возбуждением смеси аргона с парами серы. Кварцевая сфера с рабочими газами находилась на оси цилиндрического резонатора, и ее температурный режим стабилизировался вращением самой ампулы и принудительным обдувом. В качестве генератора использовался магнетрон от бытовой СВЧ печи. Лампа вызвала огромный интерес, поскольку сера (вернее, ее двухатомная молекула) благодаря эффекту реабсорбции излучает свет, спектральный состав которого очень близок к солнечному. Кроме того, срок службы серной лампы по крайней мере в 10 раз превышал ресурс ртутных и натриевых газоразрядных ламп. В мире серийно выпускаются лампы типа Solar1000  и Light-Drive1000, с полным световым потоком 135 и 140 клм и мощностью СВЧ накачки 1,0 кВт. Их общая потребляемая от сети мощность 1,4 кВт. Правда, остались проблемы с выводом оптического излучения через предохранительную (от СВЧ) металлическую сетку (потери до 50% светового потока!), проблемы с питанием магнетрона при изменяющемся входном сопротивлении, проблемы с чистотой поверхности кварцевой колбы (кварц, загрязненный углеродом от грязных рук, при нагреве до рабочих температур перекристаллизовывается и разрушается), проблемы с самим СВЧ излучением, действие которого на природу еще полностью не выяснено. Стоимость представленной лампы с генератором была, в зависимости от мощности от $2 000 до 4 000. В России опытный образец серной лампы выпустило ОАО «Плутон» в 1998 году, несколько опытных образцов созданы во ВНИСИ, МИФИ, МЭИ, ВЭИ и других институтах. Серийного производства таких ламп в России на сегодняшний день нет. Но кроме схем с высокочастотным возбуждением, в Институте Теплотехники СО РАН разработана принципиально новая схема генерации света на основе низкочастотного (от 10 кГц) индукционного разряда «трансформаторного типа» в аргоново-ртутной плазме. Созданы и испытаны образцы индукционных безэлектронных ламп мощностью от 100 Вт до 100 кВт. В безэлектродной газоразрядной индукционной лампе газовый разряд в замкнутом плазменном кольцевом витке выполняет роль вторичной обмотки трансформатора. Срок службы такой лампы определяется только старением тороидальной кварцевой или сапфировой колбы и составляет не менее 30 000 часов (прим. ред.: приблизительно 30 лет эксплуатации). Более того, эта лампа обладает рядом других существенных преимуществ: отсутствует ВЧ излучение, сильно снижен выход инфракрасной и ультрафиолетовой составляющей спектра излучения, при использовании для возбуждения плазмы рабочих частот до 80 кГц практически исчезают пульсации света и сводится на нет стробоскопический эффект утомляемости зрения. Использование лампы почти в 10 раз сокращает объем утилизируемой ртути. Учитывая неоспоримые достоинства безэлектродной газоразрядной индукционной лампы, предложен проект освещения заполярных городов лампами большой мощности.


Разработаны также натриевые лампы низкого давления со светоотдачей до 150 лм/Вт, различные люминесцентные лампы мощностями 100—400 Вт. Для обеззараживания больших объемов воды, стерилизации продуктов, обеззараживания помещений требуются долговечные и стабильные бактерицидные лампы ультрафиолетового диапазона. Уже созданы излучатели на смесях газов: аргон-хлор, ксенон-хлор, ксенон-бром с эффективной полосой излучения 130-320 нм, а эффективные максимумы поглощения молекул ДНК находятся как раз в диапазоне 180-220 нм. Создан экспериментальный плазменный излучатель на парах воды (130-325 нм) — это самая экологически чистая и недорогая рабочая среда. Пока отрабатываются  макетные образцы, а ближайшей целью будет создание массового, экологически чистого, безртутного источника света.

В мире на освещение тратится в среднем пятая часть всей вырабатываемой электроэнергии, а в северных странах еще больше. Экономия энергии становится нормой технологической и экономической политики. Требуются новые технические решения в производстве новых типов световых ламп, систем световодов и пусковой арматуры.
читайте также:

Цитировать
МСвет, 24.10.2009 14:45:53

Обсуждаем статью: СВЧ ИС: история и перспективы развития

Как наиболее эффективно преобразовать энергию электричества в свет? Почти два века исследований методом проб и ошибок не прошли бесследно. Прочитать статью



© ЗАО «C МЕДИА» 2008 - 2010 Магазин Свет