автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.10, диссертация на тему:Разработка и исследование импульсных катодолюминофорных источников оптического излучения

Введение.,.

Глава I. Уровень разработок и оценка предельных характеристик элементов лгаминофорного источника света.

1.1. Катодолюминофор.-.

1.1.1. Энергетический выход катодолюминесценции

1.1.2. Нанесение светосостава на подложку.

1.1.3. Охлаждение подложки.

1.2. Катоды.

1.3. Надёжность элементов люминофорного источника.

1.3.1. Долговечность люминофоров.

1.3.2. Сохраняемость экранов на подложке.

1.3.3. Долговечность катодов.

1.4. Электронно-оптические системы.

Выводы.

Глава 2. Разработка и исследование экрана люминофорного источника оптического излучения.

2.1. Катодолюминофор.

2.2. Эффективность люминофоров.

2.3. Распределение тепловых потоков.

2.4. Коэффициент теплопроводности.

2.5. Подложка.

2.6. Долговечность экрана,.

Выводы.

Глава 3. Разработка и исследование электронно-оптических систем люминофорных источников.

3.1. Разработка и исследование ЭОС источников с осе-симметричными электронными пушками.,.,

3.2. Щелевые ЭОС источников,формирующих криволинейные ленточные пучки.

3.2.1. Приближённый расчёт основных параметров пушки.

3.2.2. Оптимизация щелевой ЭОС,формирующей криволинейные ленточные пучки.

Выводы.

Глава 4. Люминофорные источники света в системах светового управления и скоростного фотографирования.

4.1. Колбы люминофорных источников.

4.2. Испытательный стенд для комплексного исследования люминофорных источников.

4.3. Системы светового управления высоковольтными тиристорными вентилями

4.3.1. Система светового управления высоковольтным тиристоным вентилем внутренней установки БТСМ-1УМ.

4.3.2. Системы светового управления высоковольтными тиристорными вентилями на параметры линий электропередач сверхвысоких напряжений

4.3.2.1. Система светового управления высоковольтным тиристорным вентилем внутренней установки типа ВТСВ-800/470-(1) с усилительными ячейками на фототранзисторах.

4.3.2.2. Система светового управления высоковольтным тиристорным вентилем внутренней установки типа ВТСВ-800/470-(2),на фототиристорах.

4.3.2.3. Система светового управления высоковольтным тиристорным вентилем наружной установки типа ВТСВ-800/470- (3).

4.4. Модуляторы.

4.4.1. Ламповый анодный модулятор

4.4.2. Анодный модулятор на импульсных тиристорах,.

4.4.3. Сеточный модулятор.

4.5. Люминофорный источник в установке для исследования процесса впрыска топлива в прозрачный цилиндр экспериментального дизеля.

Выводы.

Основные результаты работы.

В соответствии с решениями ХХУ и ХХУ1 съездов КПСС к числу важнейших задач электротехнической промышленности относится разработка электрооборудования и ввод в действие линий электропередач постоянного тока напряжением 1500 кВ Экибастуз-Центр [ 1, 2].

Одной из главных проблем при создании уникальных по мощности, надежности и долговечности линий электропередач является создание высоконадежного электрооборудования, в частности, высоковольтного тиристорного вентиля ^ВТВ). Для этого необходимо разработать высокоэффективную и помехоустойчивую систему безинерцион-ного дистанционного управления большим числом тиристоров, находящихся на высоком потенциале относительно земли. Для оптимального решения этой проблемы необходимо проведение тщательного анализа и сравнительной оценки различных методов такого управления. Уже на первой стадии выбора и опробации систем управления были показаны преимущества светового метода управления узкими импульсами по сравнению с другими возможными способами (,в том числе СВЧ-сис-темами) [з, 4]. Это подтверждено, в частности, практикой разработки высоковольтных тиристорных систем ведущими зарубежными фирмами [5-7J. В результате возникли задачи научно обоснованного выбора вида импульсных источников светового излучения и проведения комплекса работ по улучшению их параметров и эксплуатационных характеристик в соответствии с требованиями данного применения.

При этом на протяжении последнего десятилетия разработки велись в трех направлениях: а) по линии исследования возможности улучшения ресурсных, спектральных и частотных характеристик импульсных газоразрядных источников света (ИГИС) ["8], б) в направлении использования эффекта катодолюминесценции и создания на его основе мощных электроннолучевых люминофорных источников света (ЛИС) [э,ю], в) по пути отработки и совершенствования мощных твердотельных инжекционных импульсных полупроводниковых квантовых генераторов (ПЕГ) [il].

Для ВТВ, управляемого с помощью узких импульсов, требуются источники, способные круглосуточно излучать световые импульсы длительностью несколько микросекунд с частотой повторения одиночных импульсов 50 Гц и изредко в режиме пачек, содержащих 210 импульсов, следующих с интервалом 100 мкс, также с частотой повторения 50 Гц. Долговечность источников 500 - 1000 ч. В дальнейшем, после опытно-промышленной эксплуатации источников требования по долговечности повысились до 5000-10000 ч., что привело к существенному усложнению конструкции источников и модуляторов.

Основной причиной снижения долговечности ИГИС явилось снижение прозрачности стекла из-за распыления электродов. Были созданы образцы безэлектродных ИГИС, имеющих большую долговечность, но для их питания потребовался очень сложный модулятор, который существенно снизил надежность этой системы управления.

Кристаллы ПКГ имеют малую мощность излучения, поэтому собирают сложную матрицу, состоящую из большого числа одиночных кристаллов, соединенных последовательно и параллельно. Мощность излучения матрицы снижается ступенчато по мере деградации отдельных кристаллов. Стоимость матричного ПКГ значительно выше, чем стоимость излучателя ИГИС и ЛИС, при приблизительно одинаковой стоимости и надежности модуляторов. Например, ПКГ типа ЛПИ - 103, принятый для систем управления ВТВ, содержит 150 одиночных кристаллов при размере торца 2,5 х 2,5 мм при мощности 250 Вт. Он имеет стоимость, значительно превышающую стоимость аналогичного ему газоразрядного источника. Дальнейшее увеличение количества кристаллов ПКГ приводит к существенному снижению надежности излучателя и еще большему повышению стоимости.

ВГВ содержит большое число фотоприемников. Поэтому желательно иметь фотоприемники как можно меньшей чувствительности, что приводит не только к снижению их стоимости, но и к повышению помехоустойчивости. Понизить чувствительность фото при еглников можно либо путем увеличения мощности светового импульса, либо путем повышения энергетической эффективности оптического канала.

Необходимой предпосылкой и основанием для развития ЛИС -этого нового класса электроннолучевых приборов, - явились успехи, достигнутые за рубежом в области синтеза стойких, короткозатухающих катодолюминофоров [ 12,13]. На основе источников ПКГ и ИГИС разработаны помодульные системы светового управления (ССУ) ВГВ [ll,14j, а на основе ЛИС [15] - помодульного и поячеечного типа. Последний тлеет намного большую мощность и энергию светового импульса. Кроме этого в ЛИС возможно получение практически любой формы экрана при четкой управляемости, большом сроке службы, простоте и технологичности изготовления [9ДО,15,16] . В табл. I приведены основные характеристики разработанных в настоящее время источников, а также самого мощного выпускаемого серийно светоди-ода АЛ107Б.

К недостаткам ЛИС, предназначенного для работы в системах управления ВТВ, можно отнести более широкую, чем у ПКГ, диаграмму направленности излучения экрана, меньшую яркость свечения и несоответствие максимума кривой спектрального излучения с максимумом кривой спектральной чувствительности кремниевого или германиевого фотоприемников, применяемых в ячейках управления.

ТАБЛИЦА I $ 1/п Тип источника излучения ИГИС ПКГ j пкг2 АЛ107Б лис-з ЛЙС-9 ЖС-12 г Полная мощность излучения,Вт 723 50 250 0,01 2800 1000 4000

1 Полный угол излучения,ср 12,56 0,84 0,84 3,14 3,14 3,14 3,Т4

1 Длительность, МКС фронта 0,7 0,1 . 0,1 0,3 о.з 0,3 0,3 импульса 3 0,1 0,1 - 2-4 2-6 2-6 спада 1,0 0,1 0,1 0,5 0,7 0,7 0,7

Спектральный диапазон, нм коротковолновая гоанина 300 - - -ТОО 48D 480 480 максимум - 900 900 900-Т200 540 540 540 длинноволновая граница 1200 - - +100 700 700 700

Поверхность тела свечения, мм размер - 0,8х 0,8 2,5х 2,5 ixl - 10 х ТОО 20х 200 диаметр 2,5 - - - 60 -

Долговечность, ч 5000 тооо 5000 10000 500 7000 10000

Габариты излучателя,мм ЗООх 40 Ох Г70 30 х 60х 30 70 х ЗООх 70 2,5х 4,5х 2,5 250х 250х 250 100 х 350х 100 100 х 500х 100

Габариты модуля-тора,мм 420 х I80X 180 250х ТбОх 370 250х 180х 370 - ЗЮх 225х 7Ю ЗЗОх 240 х 550 ЗЗОх 240х 550

Мощность, пот ребля емая от сети,Вт 90 36 36 - 150 200 400

С люминофорным источником типа JIHC-3 проведена опытная эксплуатация ВТВ в составе моста 2ЮВ на подстанции постоянного тока Волжской ГЭС им. ХХП съезда КПСС. Срок службы источников этого типа порядка 300-500 ч. Основной причиной выхода их из строя явилось плавное снижение светности экрана. Добиться существенного повышения срока службы возможно только в результате комплексного исследования причин, приводящих к этому снижению и их устранения. Для этого в первую очередь необходимо было провести исследования существующих и разработать новые высокоэффективные короткозатуха-ющие, долговечные светосоставы, а также провести поиск оптимального режима работы экрана, материала подложки, способа нанесения и др.

Большое значение для получения надежного и долговечного источника имеет выбор эффективного и долговечного катода для электронной пушки, и разработка электронно-оптической системы {300), имеющей минимальные потери электронного пучка на вспомогательных электродах при высокой равномерности облучения экрана электронами.

В связи с изложенным, целью настоящей работы является разработка, создание и исследование импульсных люминофорных источников, модуляторов и оптических каналов для ССУ ВТВ. Для достижения этой цели необходимо решить нижеследующие задачи.

1. Провести анализ физических явлений и характеристик элементов люминофорного источника.

2. Разработать перспективные методики, позволяющие исследовать: теплофизические свойства катодолюминофоров, качество экранов, равномерность засева экрана электронным потоком, границы зоны пыления продуктов испарения катодов.

3. Разработать короткозатухающий люминофорный экран, стойкий к тепловым и токовым нагрузкам, и провести его исследование.

4. Рассчитать, разработать и исследовать высокопервеансяые ЭОС, формирующие расходящиеся электронные пучки с высокой равномерностью тока на экране: а) аксиально-симметричные; б) плоско-симметричные.

5. Провести численную оптимизацию плоско-симметричной ЭОС, в которой экран и переднее стекло колбы, через которое излучение выходит наружу, находятся вне зоны основного пыления катодов.

6. Рассчитать и разработать конструкции оптических каналов ССУ ВТВ и дать практические рекомендации по расчету их энергетической эффективности и способам оптимальной юстировки.

7. Рассчитать и разработать анодные и сеточные импульсные модуляторы для питания электродов люминофоряого источника.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

Основные результаты проведения теоретических и эксперимен-тельных исследований можно сформулировать в виде следующих выводов.

1. Проведен расчет и разработка осесимметричной ЭОС, формирующей конически расходящийся электронный пучок с диаметром на экране, равном 10 см. Введение в ЭОС магнитной линзы дает возможность уменьшить этот диаметр до 2,5-2 см. Первеанс разработанной пушки 2-4 мкА/Е?/2. Пушка используется в источнике ЖС-2 для исследования люминофорных экранов.

2. На основе проведенных расчетов и экспериментальных исследований разработана конструкция ЭОС с двумя аксиально-симметричными конически расходящимися электронными пучками, оси которых наклонены симметрично в стороны от оси экрана на 0,7 рад. Плотность тока с катода 5-6 А/см2, диаметр пучка на экране 6-7 см. Повышение первеанса каждой пушки до 4,5-7 мкА/В^2 при увеличении расстояния катод - экран до 10-12 см достигнуто путем введения в ЭОС концентричного поверхности катода сетчатого электрода, перехватывающего не более 10% тока пучка. На основе такой ЭОС разработан опытный образец источника типа ЛИС-3, предназначенный для работы в ССУ ВГВ БТСМ-1УМ.

3. Проведен расчет и разработка триодной ЭОС с вогнутыми ленточными катодами шириной 0,5 см и поворотом пучка прямоугольного сечения на угол 1,5 рад в сторону экрана. Для разработанных ЭОС проведены исследования зон пыления эмиттеров. В частности, исследованы две зоны: первая ограничена интенсивностью пыления в два раза меньшей, чем в центре, вторая - в 10 раз меньшей, чем в центре. Для пушки с радиусом кривизны катода, равном I см, первая зона ограничена углом 0,49 рад, а вторая - 0,98 рад. Для пушки с радиусом кривизны катода 0,55 см эти зоны ограничены соответственно углами 0,38рад и 0,87 рад. На основе исследований разработаны источники ЛИС-9 и ЛИС-П, предназначенные для работы в ССУ ВТВ типа ВТСВ-800/470 -(1,2).

4. Методом численного анализа проведена оптимизация конструкций триодных ЭОС с ленточными катодами. Экран расположен вне первой зоны пыления катодов с радиусом кривизны I см и вне второй зоны пыления для катодов с радиусом кривизны 0,55 см. Удельный первеанс получившихся пушек 4-4,5 мкАДВ^2 см). Для компенсации влияния на траектории электронов пучка отклонений размеров ЭОС в процессе изготовления и сборки электродов системы, в промежутке первый анод - экран введены дополнительные электроды. Разработанная ЭОС используется в источнике типа ЛИС-12, предназначенном для работы во всех разработанных ранее и перспективных ССУ ВТВ, в частности, BTCB-800/470-(3j.

5. Разработана методика и проведено исследование распределения электронного пучка по §крану ЛИС. Методика основана на пропорциональности яркости экрана К-80 плотности возбуждающего тока (.при температуре, не превышающей Ю0°С). Экспериментально исследованный разброс плотности тока экрана ЛИС-12 в различных по длине экрана сечениях не превышает 15%, что соответствует требованиям, предъявляемым к источникам, работающим в ССУ ВТВ.

- 143 -ГЛАВА 1У

1. Разработка источника проводилась совместно с разработкой оптических схем систем светового управления (ССУ) разных типов 125,126. ,выооковольтных тиристорных вентилей (ВТВ) и модуляторов [ 15 ] .

2. При выборе конструкции согласованного впая надо учитывать, что температурный коэффициент расширения (ТКР) стекла больше, чем1. Длина волны,нм.