ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам с управляемой плазмой, и может быть использована для решения широкого круга технических задач при испытаниях материалов, приборов, образцов техники на устойчивость к воздействию светового излучения природных и техногенных вспышек, в фотохимии и в световых технологиях обработки материалов.
Указанные задачи требуют использования световых излучателей с высокой яркостью и большой площадью светящейся области, способных формировать световые импульсы с задаваемой сложной временной формой в широком диапазоне длительностей вплоть до нескольких секунд.
Для решения этих задач используются различные источники света, например, для формирования секундных импульсов могут быть применены стационарно горящие дуги. Это могут быть как открытые дуговые газовые разряды, так и дуговые разряды в лампах. Однако, яркости и площади излучающих поверхностей традиционных дуговых разрядов относительно невелики. Перспективными плазменными источниками светового излучения, удовлетворяющими требованиям решаемой задачи, являются источники на основе панелей импульсных трубчатых газоразрядных ламп, которые позволяют создавать световые источники с достаточно большой площадью.
Известен плазменный источник светового излучения [[А.Г. Бедрин, А.П. Гурьев, С.П. Дашук, Мощный широкоформатный квазистационарный излучатель на трубчатых ксеноновых лампах, «Оптический журнал», №76, сентябрь 2009, с. 59-66], включающий управляемый источник питания, управляющий вход которого соединен с выходом компьютерной системы управления, а выход - через разделительные диоды с нагрузкой из параллельно включенных трубчатых ксеноновых ламп, свободные электроды которых соединены с корпусом, и систему инициирования газовых разрядов в лампах нагрузки.
Такой плазменный источник светового излучения имеет относительно большую площадь излучающей поверхности - более четверти квадратного метра. Лампы могут работать в режимах с длинными световыми импульсами, например, в несколько секунд. При работе в форсированном режиме ламп удается получить и достаточно высокие плотности излучаемой мощности.
Однако, такой плазменный импульсный источник оказывается малоэффективным излучателем при формировании параллельного светового пучка.
Наиболее близким к предлагаемому решению является плазменный источник светового излучения [Патент РФ №168022 МПК Н05Н 1/50 приор. 15.06.2016], включающий управляемый источник питания, выход которого через разделительный диод соединен со входом узла формирования стабилизированного газового дугового разряда и выходом узла инициирования газового разряда, блок управления, выход которого соединен с управляющим электродом управляемого источника питания, а вход - с выходом синхронизатора, второй выход которого соединен с управляющим входом узла инициирования газового разряда.
Такое устройство с управляемым источником питания, например, в виде тиристорного выпрямителя, позволяет получать в течение длительного времени плазму с заданным временным профилем излучения и относительно небольшой излучающей поверхностью. Последнее обстоятельство с использованием оптической линзы позволяет сформировать близкий к параллельному световой пучок.
Однако, такой плазменный импульсный источник светового излучения тоже не обеспечивает достаточно высокой эффективности при формировании параллельного светового пучка.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей плазменного источника светового излучения путем увеличения площади излучения и повышения эффективности формировании параллельных световых пучков.
Такой технический эффект достигается тем, что в плазменном источнике светового излучения, включающем управляемый источник питания, выход которого соединен с анодом разделительного диода, блок управления, выход которого соединен с управляющим входом управляемого источника питания, а вход - с первым выходом синхронизатора, второй выход которого соединен с управляющим входом узла инициирования газового разряда, выход которого соединен с газоразрядной нагрузкой, свободный вывод которой соединен с корпусом, новым является то, что, газоразрядная нагрузка выполнена из N последовательно соединенных шаровых газоразрядных ламп с параболическими отражателями, узел инициирования газового разряда выполнен в виде зажигающего устройства последовательного зажигания с моноимпульсным генератором, причем вход узла инициирования газового разряда соединен с катодом разделительного диода, а области свечения газоразрядных ламп совмещены с фокусами параболических отражателей.
Для уменьшения габаритов плазменного источника светового излучения все точки соединения газоразрядных ламп в газоразрядной нагрузке соединены конденсаторами с корпусом (см. п. 2 Формулы), причем величины емкостей С конденсаторов удовлетворяют условию:
где
L - паразитная индуктивность лампы, Гн;
з
τ - время зажигания лампы, сек.
Для увеличения излучающей площади и, соответственно, мощности выходного светового излучения к выходу управляемого источника питания дополнительно присоединено параллельно m последовательных цепочек из разделительного диода, узла инициирования газового разряда и газоразрядной нагрузки (см. п. 3 Формулы), причем величина m удовлетворяет условию:
где
уип
I - максимальный ток управляемого источника питания,
МАХ
I - максимальный ток газоразрядной лампы.
На фигуре представлена функциональная схема заявленного плазменного источника светового излучения, включающего управляемый источник 1 питания, выход которого соединен с анодом разделительного диода 2, блок 3 управления, выход которого соединен с управляющим входом управляемого источника 1 питания, а вход соединен с первым выходом синхронизатора 4, второй выход которого соединен с управляющим входом узла 5 инициирования газового разряда, выход которого соединен с газоразрядной нагрузкой 6, свободный вывод которой соединен с корпусом, вход узла 5 инициирования газового разряда соединен с катодом разделительного диода 2, а нагрузка 6 выполнена из N последовательно соединенных шаровых газоразрядных ламп 7 с параболическими отражателями.
Газоразрядная нагрузка 6 на фигуре представлена в варианте использования шаровых газоразрядных ламп 7 с конденсаторами 8.
Устройство работает следующим образом.
Исходно временная форма импульса управляющего напряжения управляемого источника 1 питания введена в память блока 3 управления. На управляющем входе управляемого источника 1 питания в исходном состоянии нет управляющего напряжения, и, соответственно, на выходе управляемого источника 1 питания напряжение отсутствует.
Для запуска плазменного источника светового излучения подаются запускающие импульсы из синхронизатора 4 на вход блока 3 управления и на управляющий вход узла 5 инициирования газового разряда. Очередность выдачи запускающих импульсов определяется параметрами переходных процессов в управляемом источнике питания 1. Блок 3 управления с приходом запускающего импульса вырабатывает и подает на управляющий вход управляемого источника 1 питания управляющее напряжение, временная форма которого задана предварительно и согласована с требуемой временной формой генерируемого импульса света. На выходе управляемого источника 1 питания появляется напряжение, пропорциональное управляющему. Тока в газоразрядной нагрузке 6 до запуска узла 5 инициирования газового разряда нет, поскольку газоразрядные лампы 7 нагрузки 6 находятся в выключенном состоянии.
После поступления с синхронизатора 4 на управляющий вход узла 5 инициирования газового разряда импульса запуска в узле 5 инициирования газового разряда генерируется высоковольтный импульс поджига, который суммируется с напряжением на выходе управляемого источника 1 питания. Этот суммарный импульс прикладывается к газоразрядным лампам 7 нагрузки 6. Диод 2 дополнительно защищает управляемый источник 1 питания от высоковольтного выходного импульса узла 5 инициирования газового разряда. Подожженные импульсом поджига от узла 5 инициирования газового разряда лампы 7 нагрузки 6 начинают проводить ток, форма которого соответствует предварительно заданной временной форме в блоке управления 3. Поскольку все лампы 7 в нагрузке 6 включены последовательно, то и как временные формы тока в лампах, так и потоки излучаемого света будут строго синхронизированы. Малые размеры излучающих областей шаровых газоразрядных ламп позволяют, как известно, достаточно эффективно формировать параллельные потоки света, если эти области располагать в фокусах соответствующих параболических отражателей. Наличие большого количества синхронно работающих шаровых газоразрядных ламп 7 с параболическими отражателями позволяет создавать излучатели параллельных пучков света с большой суммарной площадью излучения и, соответственно, выходной мощностью при достаточно высоком КПД.
Шаровые газоразрядные лампы поджигаются приложением к разрядному промежутку импульса достаточно высокого напряжения - иногда в сотни раз превышающего номинальное рабочее напряжение лампы. Поэтому для надежного поджига N последовательно соединенных газоразрядных ламп 7 нагрузки 6 величину генерируемого импульса напряжения поджига необходимо также обеспечивать на уровне, в N раз превышающем паспортное значение напряжения поджига, что в действительности сильно ухудшает массогабаритные характеристики устройства. Для снижения требуемого напряжения и, соответственно, улучшения массогабаритных параметров целесообразно все точки соединения шаровых газоразрядных ламп 7 нагрузки 6 соединить конденсаторами с корпусом устройства. В таком случае импульс поджига с выхода узла 5 инициирования газового разряда исходно будет прикладываться не ко всем газоразрядным лампам 7 сразу, а только к одной - первой от входа газоразрядной нагрузки 6, поскольку остальные лампы будут зашунтированы первым конденсатором. Конденсатор при этом будет резонансно заряжаться практически до удвоенного суммарного приложенного напряжения. В определенный момент времени напряжение на конденсаторе превысит напряжение пробоя второй лампы 7, что и приведет к возникновению в ней искрового слаботочного газового разряда. В процессе развития разряда в подожженной таким образом второй лампе конденсатор первой лампы успевает зарядиться также до высокого напряжения. Когда разряд во второй лампе полностью сформируется и станет достаточно низкоомным, конденсатор первой лампы начнет через включившуюся вторую лампу заряжать ее конденсатор. Далее процесс повторяется с третьей лампой и т.д. У последней лампы нет своего конденсатора - она просто включается, чем и обеспечивает возможность протекания тока от управляемого источника 1 питания по всем лампам 7 газоразрядной нагрузки 6. В таком варианте поджига последовательно соединенных шаровых газоразрядных ламп 7 величина поджигающего напряжения оказывается сравнительно небольшой и позволяет значительно понизить габариты плазменного источника излучения. (См. п. 2 Формулы)
Расчетным путем и экспериментально нами было установлено, что оптимальная величина емкости С конденсаторов 8 может быть оценена эмпирическим выражением:
з
где L - паразитная индуктивность разрядного контура с газоразрядной лампой 7 и конденсатором 8, Гн; τ - время зажигания лампы, сек.
Увеличение выходной мощности источника светового излучения возможно при дальнейшем увеличении количества используемых ламп, например, путем подключения параллельных цепей из последовательно соединенных газоразрядных ламп 7. Однако, для обеспечения надежного поджига всех ламп во всех цепочках каждая дополнительная цепочка ламп должна быть отделена от источника 1 питания отдельным разделительным диодом 2 и иметь свой отдельный узел 5 инициирования нагрузки. Причем, допустимое количество m параллельно подключаемых цепей из разделительного диода 2, узла 5 инициирования нагрузки и N последовательно включенных газоразрядных ламп 7 определяется условием:
уип
где I - максимальный ток управляемого источника 1 питания, А;
max
I- максимальный ток газоразрядной лампы 7, А.
При таком выборе количества параллельных цепей все шаровые газоразрядные лампы будут надежно поджигаться и синхронно формировать одинаковые временные формы световых импульсов. (См. п. 3 Формулы).
На предприятии был изготовлен макет мощного плазменного источника светового излучения. Питание плазменного источника светового излучения осуществлялось от управляемого источника питания, выполненного на основе промышленного тиристорного выпрямителя КТЭУ-4000 с фильтрующим индуктивным реактором типа СРОСз (индуктивность около 0,5 мГн). Тиристорный управляемый источник питания с номинальной электрической мощностью около 3 МВт позволял формировать в нагрузке импульсы тока с максимальной амплитудой до 6000 А при напряжении до 600 В и длительностью в несколько секунд. Для разделения высоковольтной и низковольтной частей устройства использовался диод таблеточной конструкции типа Д123-320. Персональный компьютер с дополнительными усилителями выполнял функции блока управления и синхронизатора.
Газоразрядная нагрузка включала 4 шаровые ксеноновые газоразрядные лампы типа ДКсШРБ-10000. Каждая лампа устанавливалась в параболический отражатель марки ОПС.370.58 вдоль его оси так, чтобы ее светящаяся область совпадала с фокусом отражателя. Все лампы включались в электрическую цепь последовательно. Точки соединения шаровых газоразрядных ламп через два последовательно соединенных конденсатора типа К15-10 емкостью 4,7 нФ на напряжение 50 кВ подключались к корпусу установки. Форма импульса напряжения на выходе управляемого источника питания задавалась такой, чтобы на нагрузке обеспечивались необходимые лампам паспортные параметры: начальное напряжение в процессе поджига ламп не менее 300 В, напряжение на лампах в процессе формирования импульса света могло варьироваться в диапазоне от 120 до 200 В; длительность импульсов составляла 5÷10 секунд.
В качестве узла инициирования газового разряда использовалось доработанное зажигающее устройство типа ЗУ 10/20, в котором схема многоимпульсного автоматического поджига была заменена схемой моноимпульсного генератора с внешним запуском. В доработанном зажигающем устройстве, кроме того, было увеличено как рабочее напряжение импульсного генератора, так и коэффициент трансформации выходного трансформатора. Вторичная обмотка выходного трансформатора была гальванически развязана с первичной обмоткой. Амплитуда холостого импульса выходного напряжения достигала величин более 80 кВ при длительности в 3÷5 мкс.
В серии экспериментов нагрузка из четырех шаровых газоразрядных ламп надежно поджигалась и подхватывала ток управляемого источника питания. Шаровые газоразрядные лампы синхронно формировали одинаковые по временной форме и близкие к параллельным пучки света. Расходимость светового излучения не превышала 10 градусов.
Возможность увеличения выходной мощности света путем присоединения параллельно выходу управляемого источника питания последовательной цепи из разделительного диода, узла инициирования газового разряда и газоразрядной нагрузки также была проверена экспериментально. В этом случае каждая газоразрядная нагрузка состояла из двух последовательно включенных шаровых газоразрядных ламп. Режим работы управляемого источника питания был скорректирован на две последовательно включенные шаровые лампы: начальное напряжение в процессе поджига ламп не менее 150 В, напряжение на лампах в процессе формирования импульса света варьировалось в диапазоне от 60 до 100 В. И в этом случае все лампы надежно поджигалась, подхватывали ток управляемого источника питания и формировали практически одинаковые временные формы световых потоков.
Таким образом, проведенные испытания макета плазменного источника светового излучения показали, что как энергетические, так и временные параметры формируемого светового импульса в предложенном устройстве не хуже аналогичных параметров, получаемых в известных устройствах. Площадь излучающей поверхности превышает соответствующую площадь известных устройств, даже в случае применения в известных устройствах достаточно длинных трубчатых газоразрядных ламп. А по такому параметру, как параллельность выходного светового потока, по сравнению с известными устройствами, показатели значительно повышены.