Э.ШЛИФЕР. БЕЗЭЛЕКТРОДНЫЕ СВЧ-РАЗРЯДНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОСМАТРИВАЮТСЯ

Эффект инициирования и поддержания газового разряда СВЧ-электромагнитными полями без электродов и возникновения при этом оптического излучения (ОИ) известен специалистам, разрабатывающим и применяющим СВЧ-приборы в различных исследованиях и системах. Однако свечение СВЧ-газового разряда в этих, да и во многих других случаях, – лишь побочный эффект, не используемый широко в осветительных целях. А ведь потенциальные области применения безэлектродных СВЧ-разрядных источников света чрезвычайно разнообразны. Это и прожекторы, и светильники, и модули засветки оптических систем полых световодов, используемых, в частности, для освещения взрыво- и пожароопасных помещений. Можно прогнозировать применение оптического излучения безэлектродного СВЧ-разряда и в лечебно-профилактических целях. По-видимому, СВЧ-световые приборы окажут влияние не только на развитие будущих осветительных систем, но и на архитектуру зданий и сооружений, их интерьеров, коммуникационные средства.

Сегодня известны уже не единичные примеры применения светового излучения безэлектродного СВЧ-газового разряда. Так, в конце 70-х годов на предприятии "Плутон" это излучение использовалось как "полезный продукт" в лабораторных мозаичных индикаторах, предназначенных для визуализации топографии СВЧ-полей рабочих камер бытовых микроволновых печей. Но об осветительных устройствах тогда речь не шла. В те же годы в США на фирме Fusion System Corp. (FSC) были созданы и использованы при УФ-сушке излучатели на основе безэлектродных СВЧ-разрядных ламп, главным образом с аргонно-ртутным наполнением. Излучатели работали с СВЧ-накачкой на частотах 915 и 2450 МГц. Специалистам FSC пришлось преодолеть немало трудностей, связанных с обеспечением благоприятных условий для устойчивой генерации и эффективной передачи в разряд мощности СВЧ-накачки, с определением оптимального состава наполнителей лампы (горелки), температурного режима, формы кварцевой колбы и др. В частности, предпочтение было отдано колбе сферической формы. Лампа помещалась в осесимметричный (цилиндрический) СВЧ-резонатор со светопрозрачными сетчатыми стенками, практически не пропускающими СВЧ-излучение в окружающую среду. Соответствующий СВЧ-возбудитель формировал в резонаторе определенную структуру ("топографию") СВЧ-электромагнитного поля, присущую выбранному рабочему виду колебаний. Лампа располагалась в зоне максимума напряженности электрической составляющей поля. Это обеспечивало (иногда с некоторыми ухищрениями) надежное "зажигание" безэлектродного СВЧ-разряда в стартовом газе (аргоне) и насыщенных парах рабочего вещества (ртути). Хотя по мере выхода на стационарный режим СВЧ-разряда пространственное положение максимума поля и амплитуда напряженности электрической составляющей в той или иной степени меняются, в целом удалось найти компромиссные технические решения, обеспечившие стабильное горение разряда, с одной стороны, и уверенное "перезажигание" его при повторном включении СВЧ-накачки – с другой. В начале 90-х годов американские инженеры, исследуя составы рабочего вещества-наполнителя лампы, обнаружили, что замена ртути в колбе безэлектродной лампы серой позволяет получить весьма интенсивное квазисолнечное излучение. Это послужило отправным пунктом для создания в 1992 году первых световых СВЧ-приборов на основе серных ламп с СВЧ-накачкой на частоте 2450 МГц. А в октябре 1994 года в Вашингтоне уже были продемонстрированы две мощные осветительные системы с использованием весьма выигрышного сочетания СВЧ-источника света на серной лампе и полого "призматического" световода. Суммируя данные, опубликованные в материалах фирм, представленные на международных выставках светотехнических достижений, в сети Интернет, в работах зарубежных и отечественных специалистов, можно выделить такие достоинства СВЧ-световых приборов на основе безэлектродных серных ламп, как:

- повышенная световая отдача (~100 лм/Вт), обеспечивающая возможность энергосбережения;

- сплошной квазисолнечный спектр ОИ с резко пониженным уровнем УФ- и ИК-излучения, максимум спектральной плотности мощности которого практически совпадает с максимумом кривой "видности" человеческого глаза, т.е. естественная (неискаженная) цветопередача;

- малые габариты, высокая яркость и симметричность формы светящего тела, облегчающая оптимизацию оптических систем и, в частности, фокусировку потока ОИ;

- большая долговечность лампы – несколько десятков тысяч часов;

- экологическая "чистота" собственно излучения и материалов горелки;

- возможность регулировки силы света путем изменения уровня мощности СВЧ-накачки.

При этом важно, что указанные достоинства можно реализовать в полной совокупности, не жертвуя одним ради другого.

Главные недостатки рассматриваемых приборов:

- высокая температура колбы горелки, что вынуждает использовать высококачественное и, соответственно, дорогое кварцевое стекло и обеспечивать обеспыленную и неагрессивную воздушную среду, соприкасающуюся с горелкой;

- относительно высокая стоимость СВЧ-светового модуля – 1950–4000 долл. (по крайней мере, в условиях современного монополизированного и пока не массового производства). Высокую цену полых призматических световодов (~250–300 долл. за погонный метр) нельзя отнести к недостаткам собственно СВЧ-светового прибора, так как она определяет стоимость системы освещения с любым источником света, в которой применяются полые световоды.

Достоинства новых источников света и осветительной системы сразу признали разработчики, потенциальные потребители, эксплуатационники, дизайнеры, экологи и др. Но "триумфального завоевания" рынка этими источниками и системами и вытеснения других осветительных устройств не произошло, и, по-видимому, произойдет еще не скоро. И этому есть вполне определенные объяснения. Во-первых, СВЧ-световые приборы еще очень "молоды" – они существует менее 10 лет (табл.). Во-вторых, эти приборы пока не относятся к "ширпотребу", поэтому их возможности и особенности еще полностью не осознаны и/или не подтверждены результатами эксплуатации.

О предпочтительных областях применения источников ОИ на серных (а возможно, с иным рабочим веществом-наполнителем) безэлектродных лампах с СВЧ-накачкой в современной рекламной, журнальной и патентной литературе сказано много. Содержание этого бурно нарастающего потока информации дает основания для многих оценок и прогнозов. Прежде всего, надо отметить, что сегодня уже реализован ряд как автономных СВЧ-световых приборов, так и осветительных систем на их основе с использованием полых световодов. Можно выделить, по меньшей мере, пять решаемых такими устройствами задач, каждая из которых в отдельных конкретных случаях может считаться приоритетной. Исторически первая целевая задача – достижение впечатляющего зрительного эффекта. При этом энергосбережение, качество цветопередачи, долговечность и безвредность излучения – сопутствующие достоинства этих приборов и систем. Вторая – обеспечение высокой экономичности осветительной системы в целом (включая энергосбережение, доступность, низкую стоимость монтажа и обслуживания, отсутствие проблем утилизации). Хорошее качество спектра излучения, возможность получения мощных четко сформированных световых потоков и другие достоинства – это, опять-таки, сопутствующие факторы, даже неполная реализация которых не препятствует решению целевой задачи. Третья задача – достижение квазисолнечной световой среды и обеспечение комфортных условий, а то и лечебно-профилактического воздействия на человека и другие объекты живой природы при указанных выше сопутствующих достоинствах. Четвертая – предотвращение деструктивных, опасных или иных вредных воздействий УФ- и ИК-излучений на освещаемые объекты и окружающую среду, особенно при высоких уровнях освещенности. И наконец, пятая задача – обеспечение оптимальных условий формирования светового потока, излучаемого квазиточечным телом и направляемого на освещаемый объект непосредственно или с помощью устройств перераспределения света (будь то система симметричных или асимметричных отражателей, оптическая система полых или волоконных световодов).

Возможность достижения многих целей при сохранении основных достоинств определяет перспективность СВЧ-световых приборов и обуславливает развитие новой "идеологии" проектирования не только осветительных устройств и систем, но и архитектуры зданий, сооружений, их интерьеров, функциональных помещений, энергетических коммуникаций и т.п. с учетом особенностей, диктуемых климатическими условиями. Можно прогнозировать и некоторое реформирование идеологии построения установок освещения улиц, площадей, тоннелей и других объектов городского хозяйства, архитектурных памятников и т.п. Среди немалого числа примеров, иллюстрирующих практическое применение новых световых приборов, кроме первых систем у головного здания Департамента энергетики США (Форрестол Билдинг) и в Национальном музее воздухоплавания и космонавтики (NASM) в Вашингтоне, можно отметить установленную в безоконном зале сортировки почты в Сундсвале (Швеция) систему освещения, построенную на базе прибора Solar 1000тм и полых призматических световодов. Система состоит из 24 линий горизонтальной подвески, заменяющих 360 люминесцентных ламп. Главная цель установки этой системы – отнюдь не создание декоративного эффекта, а формирование квазисолнечного спектра, позволяющего создать комфортные и безопасные условия труда для персонала. Немаловажный фактор – и решение столь актуальной сегодня проблемы энергосбережения. Другой пример использования серных ламп – система освещения торгового центра Колумбус в городе Вуосаари (Финляндия). Особенность этой системы – применение 18 СВЧ-ламповых модулей (с встроенным источником питания и управления) типа Light-drive 1000тм без световодов, но с асимметричными отражателями, что обеспечивает эффектное и эффективное распределение света. Высокий уровень освещенности позволяет выигрышно представлять товар, квазисолнечный спектр обеспечивает неискаженную цветопередачу, а низкий уровень УФ-излучения гарантирует сохранность красок и других чувствительных к нему ингредиентов, входящих в состав выставленных к продаже объектов. Можно упомянуть и системы освещения с полыми световодами крупных холодильных помещений, где важно – малая доля ИК-излучения в спектре серной лампы, а также монтируемые на мачтах легкие и долговечные светильники самолетных стоянок.

В России и СНГ СВЧ-световые приборы пока не производятся. Специалисты ИЗМИРАН, НИИЯФ, ВНИСИ, ВЭИ, МЭИ, ЗАО "ЛИТ", ОАО "Плутон" провели ряд самостоятельных и совместных работ по их созданию. Впервые опытный образец отечественного СВЧ-светового прибора был представлен ОАО "Плутон" на выставке "Интерсвет–98" в Москве в декабре 1998 года. На международных выставках неоднократно демонстрировался, и с успехом, отечественный образец системы "Свэтон", объединяющей СВЧ-ламповый модуль на базе вращающейся сферической горелки (с комбинированным составом рабочего вещества) и секцию полого световода. Выявились не только новые потребности в подобных устройствах, но и возможности их удовлетворения. Так, далеко не всегда нужен узконаправленный световой луч. При освещении больших площадей, декоративном освещении интерьеров, для подсветки фонтанов и т.п., а также для засветки входных торцов множества волоконных световодов потоки ОИ должны иметь иные формы. В частности, рассматривается перспективность использования радиально расходящихся сфокусированных и несфокусированных световых потоков, позволяющих исключить применение квазиточечного плазменного светящего тела и сферической горелки. Нежелательно (причем не только в этих случаях) ныне уже ставшее традиционным вращение горелки, необходимое при использовании в ламповом модуле СВЧ-резонатора, работающего на ТЕ11р-виде колебаний, характеризующемся азимутально несимметричной топографией электромагнитного поля, что влечет за собой неоднородный нагрев колбы и искажение формы светящего тела.

Еще задолго до постановки задачи формирования радиально расходящихся потоков ОИ нами в 1996 году было предложено использовать в СВЧ-резонаторе вместо ТЕ11р-вида колебаний ТЕ011-вид, в распределении электромагнитного поля которого нет азимутальных вариаций. В основе этого решения лежал опыт, накопленный в ходе разработки в ОАО "Плутон" обращенно-коаксиальных магнетронов, в стабилизирующем резонаторе которых в качестве рабочего использовался именно ТЕ011- вид колебаний. Особенность, присущая этому виду колебаний, – замкнутые кольцевые формы силовых линий СВЧ-электрического поля в объеме резонатора и СВЧ-токов в его стенках. Азимутальная однородность полей и токов и отсутствие радиальных и продольных составляющих позволяют реализовать нетрадиционное построение СВЧ-резонатора и безэлектродной лампы-горелки, а кольцевая форма силовых линий электрического СВЧ-поля – использовать тороидальную безэлектродную лампу-горелку и при этом получить азимутально однородное распределение температуры по ее поверхности. Тем самым устраняется необходимость вращения лампы. Благодаря кольцевой форме СВЧ-токов в стенках резонатора их можно, как показано ниже, формировать из кольцевых проводников, разделенных зазорами (просветами), что обеспечивает повышенную светопрозрачность стенок, не приводя к росту СВЧ-излучений в окружающее пространство. Таким образом, с одной стороны, обеспечивается формирование азимутально однородного плазменного светоизлучающего тела кольцевой формы и с другой – увеличивается светопрозрачность стенок СВЧ-резонатора. В результате можно одновременно отказаться от вращения горелки и увеличить полную световую отдачу СВЧ-светового прибора. Уже первые эксперименты в 1997–1998 годах подтвердили увеличение как мощности светового потока, так и КПД СВЧ-светового прибора. Исследования в этом направлении, в частности по созданию тороидальной безэлектродной лампы, излучающей в поле колебаний ТЕ011-вида, проводятся в России и сейчас (ОАО "Плутон", ВЭИ, МИФИ и др.) [4], причем ряд оригинальных технических решений находится на разных стадиях патентования.

На рис.1а показано одно из предложенных автором построений СВЧ-резонатора (независимо от создаваемой внешним рефлектором формы светового потока) с невращаемой тороидальной лампой (горелкой), расположенной в зоне пучности СВЧ-электрического поля колебаний ТЕ011-вида. Боковая и торцевая стенки резонатора вместо традиционной сетки с квадратной или ромбической ячейкой выполнены в виде набора разделенных зазорами проводящих колец, благодаря чему устройство отличается повышенной светопрозрачностью. СВЧ-токи в стенках резонатора азимутально замкнуты (как и линии Е), следовательно, не пересекают зазоры, и уровень мощности СВЧ-излучения резонатора не повышается. На рис.1б схематично показано распределение СВЧ-полей на примере коаксиального резонатора на ТЕ011-виде колебаний. Колебаниям ТЕ011-вида в коаксиальном резонаторе, содержащем центральный проводник, и в цилиндрическом резонаторе, полностью или частично заполненном диэлектриком, присущи аналогичные распределения полей и токов, хотя пространственные положения "пучности" поля различны. Естественно, это приводит к перераспределению силовых линий в зависимости от формы проводящих граничных поверхностей, формы введенного в резонатор диэлектрика и значения его диэлектрической постоянной. Для существования выбранных колебаний ТЕ01р-вида именно на рабочей частоте СВЧ-накачки все это учитывается при определении размеров резонатора.

Для формирования радиально расходящихся световых потоков (в том числе для равномерной засветки входных торцов волоконных световодов) в СВЧ-резонаторе с рабочим ТЕ011-видом колебаний и тороидальной безэлектродной горелкой используется центральный проводник с тороидальной вогнутостью боковой поверхности, образующей контрзеркало (см. рис.1б). Зеркало возвращает (фокусирует) лучи на азимутальную ось тороидальной лампы независимо от формы внешнего рефлектора, выполненного в виде двух "козырьков", форма которых определяет диаграмму направленности ОИ (кривой силы света). В цилиндрическом СВЧ-резонаторе (рис.2) эта задача решается с помощью дихроичного диэлектрического рефлектора, светоотражающая поверхность которого является продолжением поверхности внешнего рефлектора и, в частности, поверхности, образующая которой – парабола. Тем самым обеспечивается строго радиальное светоизлучение, что, в частности, может быть использовано для засветки волоконных световодов (рис.3). Заметим, что свет может излучаться не только перпендикулярно оси резонатора, но и наклонно вверх или вниз (рис.1б и 2). Это лишь два примера из множества возможных построений, позволяющих решать задачу формирования радиально расходящихся световых потоков.

Статья не претендует на полноту охвата возникших (и отчасти преодоленных) проблем в сфере создания и применения СВЧ-разрядных безэлектродных ламп и световых приборов на их основе, как не претендует на непогрешимость прогнозов на будущее. Тем не менее, даже из фрагментарного рассмотрения современной ситуации и некоторых направлений работ, закладывающих фундамент следующего поколения этих источников света, можно предположить, что СВЧ-световые приборы с вращающейся сферической горелкой и квазиточечным светящим телом наиболее перспективны для применения там, где требуется луч круглого сечения (формируемый, например, за счет геометрического совмещения центра светящего тела или горелки с оптическим фокусом рефлектора, в частности параболоида). Это – прожекторы, модули засветки полых призматических или щелевых световодов или симметричных и асимметричных светоотражателей. При этом, по-видимому, наибольшую эксплуатационную надежность, энергоэкономичность и долговечность будут иметь СВЧ-световые приборы с потребляемой мощностью менее 1,5 кВт (см. табл.), использующие в качестве СВЧ-генераторов накачки так называемые печные магнетроны (мощностью до 1 кВт) массового (и немонополизированного) производства. Технология их хорошо отработана и стабильна, а потому – это качественные и дешевые изделия.

СВЧ-световые приборы в сочетании с оптической системой полых световодов наиболее целесообразно применять, что уже подтверждено, для освещения протяженных пространств и объектов, в том числе на взрыво- и пожароопасных производствах и т.п.

Автономные СВЧ-световые приборы с неточечным светящим телом (в частности, с тороидальной горелкой), по-видимому, наиболее перспективны для освещения значительных площадей и засветки волоконных световодов. Конкретизация возможных сфер применения новых источников (автономно и в сочетании со световодами) заняла бы едва ли не весь объем статьи, поэтому фантазировать на эту тему мы предлагаем заинтересованному читателю.