一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法
一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 紫外光固化技术是一种先进的材料处理技术，利用紫外光进行照射，可将涂料等 材料快速固化。由于紫外福照的穿透性弱，所W，对于大厚度透明材料的紫外固化，需要采 用大功率紫外灯。现有的大功率紫外灯有两种，即为大功率有极紫外灯和大功率无极紫外 灯。其中，无极紫外灯相比于有极紫外灯，采用微波激励的发光方式，具有体积小、启动速度 快、光效高、光色稳定、寿命长等特点。已经较为广泛的应用于汽车车灯涂料、液晶封装、高 压电缆、光纤涂料到电子产品、医疗器械、光盘制造及光学薄膜等领域。
[0003] 大功率无极紫外灯的福照效率主要体现在两个方面；1.紫外光线在待加工产品 生产线上的聚焦效果；2.微波对无极紫外灯管的激发效果。而二者都受到灯中谐振腔结构 的影响，前者体现在谐振腔的聚焦特性，后者体现在谐振腔的微波谐振特性。由于不同待加 工产品有着不同的福照需求，因此需要对大功率微波无极紫外灯的结构进行重新设计，方 能满足不同产品的紫外福照要求。而目前国内外还没有关于微波无极紫外灯的制备，因此 提出微波无极紫外灯的制备方法十分有意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是目前还没有针对于不同待加工产品所需的福照需求而制备的大 功率微波无极紫外灯，而提出了一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方 法。
[0005] 上述的发明目的是通过W下技术方案实现的：
[0006] 一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于，所述大功率微波无极 紫外灯包括无极紫外灯管、两个磁控管、两个波导管和微波谐振腔；
[0007] 所述微波谐振腔由反光罩和金属屏蔽网组成，金属屏蔽网为下底面，反光罩由半 个楠圆柱面和与所述柱面两端分别连接的两个端盖构成，反光罩开口扣装于金属屏蔽网上 且反光罩与金属屏蔽网的周边连接，二者围合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管设置于 微波谐振腔内，反光罩上表面的两端分别设置一个波导管，两个波导管的相对侧分别设置 一个磁控管。
[000引一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法具体是按照W下步骤进行 的：
[0009] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管W及待加工产品所需的福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方 向的长度和反光罩X方向的长度；其中，W反光罩平面中屯、为原点〇，W反光罩平面延长方 向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；
[0010] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据 对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接w及金属屏蔽网 的位置；
[0011] 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
[001引发明效果
[0013] 采用本发明的一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法。
[0014] 首先，W所需的福照能量为依据进行无极灯灯管选择及磁控管的选择；其次，W福 照固化对象所需要的福照光强及其分布为依据对反射腔体（谐振腔体）进行设计；再其次， 针对设计的反射腔体的模型，应用计算机仿真软件进行电场模式仿真，选择最佳模式，W最 佳模式对应的壁面电流的分布及波导管的电场方向为依据，对其波导管与反光罩连接的馈 入口的进行设计；最后，通过屏蔽网的位置调整谐振腔体内的电场位置，使其在无极灯灯管 处的场强最大，从而使无极灯的发光效率最大。由于不同待加工产品有着不同的福照需求， 因此需要对大功率微波无极紫外灯的结构进行重新设计，可根据不同待加工产品的不同福 照需求制备不同结构的大功率无极紫外灯，满足各领域对大功率无极紫外灯发光效率的需 求。
【附图说明】
[0015] 图1为大功率微波无极紫外灯的制备流程图；
[0016]图2为大功率微波无极紫外灯结构示意图，X为坐标系X轴，Y为坐标系Y轴，Z为 坐标系Z轴；
[0017] 图3为【具体实施方式】走中反光罩一个焦平面上的发光物体在另一个焦平面上的 成像图，E为第一焦点，F为第二焦点平面，G为无极紫外灯，Y为坐标系Y轴，Z为坐标系Z 轴，0为楠圆的中屯、；
[0018] 图4a为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下形成的电场1在第一焦点平面处的分 布图；
[0019] 图4b为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下分别形成的电场2在第一焦点平面处 的的分布图；
[0020] 图4c为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下分别形成的电场3在第一焦点平面处 的的分布图；
[0021] 图4d为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下分别形成的电场4在第一焦点平面处 的的分布图；
[0022] 图5为实施例中在最佳谐振模式条件下，谐振腔内部的壁面电流分布图，A为整体 电流分布图，B为局部电流分布图；
[0023] 图6为实施例中选择的馈入口形状与尺寸示意图；
[0024] 图7为实施例中波导管与谐振腔的连接图。
【具体实施方式】
[0025]
【具体实施方式】一；结合图2说明本实施方式，一种基于微波激励的大功率微波无 极紫外灯，其特征在于，所述大功率微波无极紫外灯包括无极紫外灯管1、两个磁控管2、两 个波导管3和微波谐振腔；所述微波谐振腔由反光罩4和金属屏蔽网5组成，金属屏蔽网5 为下底面，反光罩4由半个楠圆柱面4-1和与所述柱面4-1两端分别连接的两个端盖4-2 构成，反光罩4开口扣装于金属屏蔽网5上且反光罩4与金属屏蔽网5的周边连接，二者围 合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管1设置于微波谐振腔内，反光罩4上表面的两端分别 设置一个波导管3,两个波导管3的相对侧分别设置一个磁控管2 ;
[0026] 大功率范围为1~6kW。
【具体实施方式】 [0027] 二；本实施方式与一不同的是；所述无极紫外灯管1 为圆柱形，无极紫外灯管长度方向为金属屏蔽网5延长方向，直径为圆形截面直径。
[002引其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0029] 本实施方式与一或二不同的是；所述反光罩4的 两端上各开有一个微波馈入口 6,波导管3与微波谐振腔通过微波馈入口 6进行连接；微波 馈入口 6安装于反光罩4的上方。
[0030] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
【具体实施方式】 [0031] 四：本实施方式与一、二或=不同的是；所述磁控管2 安装于波导管3的中上方。
[0032] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一、二或=相同。
【具体实施方式】 [0033] 五：本实施方式与一、二、=或四不同的是：所述无极 紫外灯管1的轴屯、与微波谐振腔的轴屯、平行。
[0034] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一、二、=或四相同。
【具体实施方式】 [0035] 六；结合图1说明本实施方式，一种基于微波激励的大功率微波无 极紫外灯制备方法，其特征在于，一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法具 体是按照W下步骤进行的：
[0036] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管W及待加工产品所需的福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方 向的长度和反光罩X方向的长度；其中，W反光罩平面中屯、为原点〇，W反光罩平面延长方 向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；
[0037] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据 对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网 的位置；
[003引至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
【具体实施方式】 [0039] 走；本实施方式与六不同的是；所述步骤一中根据福 照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯管W及待加工产品所需的 福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方向的长度和反光罩X方向 的长度；其中，W反光罩平面 中屯、为原点0,W反光罩平面延长方向为X方向，与反光罩平面 垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；具体过程为；
[0040] 步骤一一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，即可确定无极紫外灯管 的长度及直径；具体方法为：
[0041] 根据福照试样的功率W，选择无极紫外灯管型号，其无极紫外灯管功率为W'，且 W' > 1.5W，即可确定无极紫外灯管的长度及直径；无极紫外灯管的长度即为反光罩的X方 向的长度；
[0042] 步骤一二、根据步骤一一中无极紫外灯管的长度及直径即可确定反光罩Y方向的 长度、反光罩Z方向的长度；具体方法为：
[0043] A、设置反光罩的形状为半楠圆柱体，无极紫外灯管放置于反光罩的焦点处，根据 楠圆聚焦原理，在反光罩的一个焦平面上的发光物体也会在另一个焦平面上汇聚成像，如 图3 ;
[0044] B、成像的边界点为无极紫外灯管在反光罩焦平面上的边界点经反光罩反射成像 形成；应用灯管的成像范围作为福照区间可W保证产品所需的福照光斑直径；在几何光学 中，像的高度与物的高度的商即为反光罩的放大倍数0，如公式（1)所示：
[0045]
(1)
[0046] 式中，a为反光罩Y方向的长度；C为反光罩的焦距；L为像的高度；H为所选灯管 直径；
[0047] 即得出了（a+c)/(a-c)的值；
[0048] C、根据反光罩的金属材料、反光罩内表面涂层的热福射吸收特性和反光罩所需的 散热条件，确定无极紫外灯管与反光罩的距离，即a-c的值；具体计算方法如下：
[0049]
(2)
[0050] 式中，h为冷却反光罩的对流换热的换热系数；0为反光罩的最高允许温度；0。 为环境温度；P为灯管中屯、与反光罩顶端之间的夹角，口^5 ;A为灯管热福射功率占灯管 总功率百分比，A< 1 ;a为反光罩内壁涂层热福射吸收率;W'为无极紫外灯管功率;m为 无极紫外灯管长度；为反光罩的吸收的热福射功率；为散 热损失的功率；
[0051] 根据公式（2)得公式（3)
[0化2]
(3)
[0化引与公式（1)的（a+c)/(a-c)的值进行联立求解，即可得出a与C的值；a为反光罩Y方向的长度；
[0054] 根据公式（4)即可求出反光罩Z方向的长度b;
[00 巧]
(4)
[0056] 反光罩厚度取值范围为0.6~1.0mm。
[0化7] 其它步骤及参数与【具体实施方式】走相同。
[005引【具体实施方式】八；本实施方式与【具体实施方式】六或走不同的是：所述步骤二中根 据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据对微波谐振腔进行 的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网的位置；具体过程 为：
[0化9] 通过对磁控管的选择、波导管与磁控管的匹配、波导与反光罩相连的馈入口的设 计及屏蔽网位置的调整，可W在反光罩内与屏蔽网形成的谐振腔体内，为无极灯提供最佳 的电磁场工作环境，使无极灯的发光效率达到最大值。具体如下：
[0060] 1)磁控管与波导管的选择；
[0061] 根据磁控管功率大于等于无极紫外灯管功率W'，即确定了磁控管，由选择的磁控 管确定与之匹配的波导管；
[0062] 2)波导管与反光罩的连接；
[0063] 波导管与反光罩在微波馈入口处进行连接；微波馈入口的设计的核屯、思想是使无 极紫外灯工作在最佳发光效率，微波馈入口的位置由W下=个步骤确定：
[0064] A、在磁控管的工作频率范围内，对步骤一二中得到的反光罩采用=维绘图软件建 立反光罩的=维立体模型，使用的绘图软件种类不限（AutoCAD、Proe、Soli抓orks等类似 绘图软件均可），并将建立好的反光罩=维立体模型文件导入电磁场仿真软件中进行仿真， 采用电磁场仿真软件（CSTXomsol化及HFSS等软件均可），对导入其中反光罩S维立体文 件进行微波谐振腔仿真，得到此模型中谐振频率在磁控管的工作频率范围内的所有电磁谐 振模式；微波谐振腔由反光罩和金属屏蔽网组成；
[0065]B、在步骤A中得到的所有谐振模式中，选择在无极紫外灯处或最接近无极紫外灯 处的最强电场的谐振模式；
[0066] C、在步骤A中，每个谐振模式都有唯一的反光罩上的壁面电流分布，在壁面电流 大的位置，微波禪合效率也大，所W采用壁面电流最大的位置作为反光罩与波导管的禪合 馈入口，使磁控管发出的微波通过波导管进入到谐振腔的能量达到最大；所W馈入口的位 置即在步骤B所确定的谐振模式对应的壁面电流的最强处；
[0067] 3)波导管放置方向的选取过程为：
[0068] 波导管的电场方向与B中所选定的谐振模式在馈入口处的电场方向保持一致，为 了使微波更多地通过馈入口进入谐振腔，需使馈入口的尺寸尽量大，但为了保证微波不泄 露，且馈入口的的长度方向和宽度方向尺寸小于波导管端口的长度方向和宽度方向尺寸；
[0069] 4)金属屏蔽网位置的确定；
[0070] 在B中选定的谐振模式下，选择无极紫外灯处的最强电场强度对应的金属屏蔽网 的位置即为金属屏蔽网的位置；
[0071] 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的设计。
[0072] 其它步骤及参数与【具体实施方式】走或八相同。
[0073] 采用W下实施例验证本发明的有益效果：
[0074] 实施例1
[0075] 一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法，
[0076] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管W及待加工产品所需的福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方 向的长度和反光罩X方向的长度；其中，W反光罩平面中屯、为原点〇，W反光罩平面延长方 向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；
[0077] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据 对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网 的位置；
[007引至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
[0079] 针对110KV高压电缆紫外交联生产，应用此方法设计了3000W的大功率无极紫外 灯，具体设计过程如下；
[0080] 线巧截面为400mm2、绝缘外径厚度为61. 2mm的llOkV高压绝缘电缆的紫外光交联 固化工艺，通常要求紫外灯的线功率为50W/cm，在其圆屯、平面处的紫外光斑直径为60mm左 右，方能满足其固化要求。从光学聚焦设计和微波谐振设计来分别对大功率微波无极紫外 灯进行设计。
[0081] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管确定反光罩Y方向的长半轴长度、反光罩Z方向的短半轴长度和反光罩的厚度；
[0082] 1、根据要求的50W/cm线功率，选用市场上现有的线功率为120W/mm的微波无极紫 外灯管，其灯管长度为255mm，灯管直径为10mm，从而确定反光罩的纵向长度m= 255mm;根 据公式（1)，得出要设计的反光罩的放大倍数0为6,得出（a+c)/(a-c) =6。
[0083] 2.选用金属侣作为反光罩的制作材质，厚度选择0.8mm。其最高允许工作温度为 0 = 200°C;侣制反光罩的内表面喷涂有致密氧化侣薄膜用来吸收灯管福射出的热福射分 量（主要为红外分量），其热福射分量吸收率为a= 0. 5 ;用强制风冷的办法作为反光罩 的散热条件，环境温度为e。= 20°C，散热系数为h= 50W/(m2);灯管福射出的热福射 功率占总功率的百分比为A= 30% ;根据反光罩顶端受福照最强的情况，由公式（3)，得 a_c> 19. 9mm，该里取a_c= 20mm，进而得出a= 70mm，C= 50mm，b= 49mm。
[0084] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；确定 波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网的位置；
[0085] 1.利用电磁场仿真软件CST，对光学聚焦设计出的谐振腔进行电磁仿真，其谐振 频率在2. 4-2. 5GH z的谐振模式在第一焦点平面处的电场强度及分布如图4a、图4b、图4c 和图4d所示。其中，谐振模式图4d的电场比其余S种更强、更均匀，为最佳谐振模式。
[0086] 2、在最佳谐振模式图4d条件下，谐振腔内部的壁面电流分布如图5所示；根据微 波无极灯管的选择，用两个功率为2kW的磁控管不仅可W满足要求，还能够实现灯管的快 速启动；根据设计要求，可W选择在谐振腔的顶端处设计馈入口。
[0087] 3、根据波导管安装方向要求和端口尺寸（长度86mm，宽度43mm)，馈入口的长度可 在50-70mm之间，宽度可在5-30mm之间进行设计，本具体应用选择的馈入口形状与尺寸可 W如图6所示；波导管与谐振腔的连接如图7所示。
[008引 4、应用电磁场仿真软件CST，仿真计算屏蔽网在不同高度情况下无极灯管处的电 场强度。当金属屏蔽网距离半楠圆柱形谐振腔底部的高度为3mm时，无极灯管处的电场强 度最强，得到进一步的优化。
[0089] 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
【主权项】
1. 一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于，所述大功率微波无极紫 外灯包括无极紫外灯管（1)、两个磁控管（2)、两个波导管（3)和微波谐振腔； 所述微波谐振腔由反光罩（4)和金属屏蔽网（5)组成，金属屏蔽网（5)为下底面，反光 罩（4)由半个椭圆柱面（4-1)和与所述柱面（4-1)两端分别连接的两个端盖（4-2)构成， 反光罩⑷开口扣装于金属屏蔽网（5)上且反光罩⑷与金属屏蔽网（5)的周边连接，二 者围合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管（1)设置于微波谐振腔内，反光罩（4)上表面的 两端分别设置一个波导管（3)，两个波导管（3)的相对侧分别设置一个磁控管（2)。2. 根据权利要求1所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述无极紫外灯管（1)为圆柱形，无极紫外灯管长度方向为金属屏蔽网（5)延长方向，直径为 圆形截面直径。3. 根据权利要求2所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述反光罩（4)的两端上各开有一个微波馈入口（6)，波导管（3)与微波谐振腔通过微波馈入 口（6)进行连接；微波馈入口（6)安装于反光罩（4)的上方。4. 根据权利要求3所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述磁控管（2)安装于波导管（3)的中上方。5. 根据权利要求4所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述无极紫外灯管（1)的轴心与微波谐振腔的轴心平行。6. -种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法，其特征在于，一种基于微波 激励的大功率微波无极紫外灯制备方法具体是按照以下步骤进行的： 步骤一、根据辐照试样的辐照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯管以 及待加工产品所需的辐照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方向的 长度和反光罩X方向的长度；其中，以反光罩平面中心为原点〇,以反光罩平面延长方向为X 方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向； 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据对微 波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接以及金属屏蔽网的位 置； 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。7. 根据权利要求6所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法，其特征 在于，所述步骤一中根据辐照试样的辐照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外 灯管以及待加工产品所需的辐照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z 方向的长度和反光罩X方向的长度；其中，以反光罩平面中心为原点〇,以反光罩平面延长 方向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；具 体过程为： 步骤一一、根据辐照试样的辐照功率选择无极紫外灯管，即可确定无极紫外灯管的长 度及直径；具体方法为： 根据辐照试样的功率《，选择无极紫外灯管型号，其无极紫外灯管功率为？，且 w'多1.5w，即可确定无极紫外灯管的长度及直径；无极紫外灯管的长度即为反光罩的X方 向的长度； 步骤一二、根据步骤一一中无极紫外灯管的长度及直径即可确定反光罩Y方向的长 度、反光罩Z方向的长度；具体方法为： A、 设置反光罩的形状为半椭圆柱体，无极紫外灯管放置于反光罩的焦点处； B、 成像的边界点为无极紫外灯管在反光罩焦平面上的边界点经反光罩反射成像形成； 像的高度与物的高度的商即为反光罩的放大倍数β，如公式（1)所示：式中，a为反光罩Y方向的长度；c为反光罩的焦距；L为像的高度；H为所选灯管直径； 即得出了（a+c) Aa-c)的值； C、 根据反光罩的金属材料、反光罩内表面涂层的热辐射吸收特性和反光罩所需的散热 条件，确定无极紫外灯管与反光罩的距离，即a-c的值；具体计算方法如下：(2) 式中，h为冷却反光罩的对流换热的换热系数；Θ为反光罩的最高允许温度；Θ ^为环 境温度；A为灯管中心与反光罩顶端之间的夹角，λ为灯管热辐射功率占灯管总功 率百分比，λ〈1 ; α为反光罩内壁涂层热辐射吸收率；w'为无极紫外灯管功率;m为无极紫 外灯管长度；为反光罩的吸收的热辐射功率+ -c)为散热损失 的功率； 根据公式（2)得公式（3)与公式（1)的（a+c) Aa-c)的值进行联立求解，即可得出a与c的值；a为反光罩Y方 向的长度； 根据公式（4)即可求出反光罩Z方向的长度b;反光罩厚度取值范围为〇. 6~1.0 mm。8.根据权利要求7所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯设计方法，其特征 在于，所述步骤二中根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根 据对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接以及金属屏蔽 网的位置；具体过程为： 1) 磁控管与波导管的选择； 根据磁控管功率大于等于无极紫外灯管功率w'，即确定了磁控管，由选择的磁控管确 定与之匹配的波导管； 2) 波导管与反光罩的连接； 波导管与反光罩在微波馈入口处进行连接；微波馈入口的位置由以下三个步骤确定： A、在磁控管的工作频率范围内，对步骤一二中得到的反光罩采用三维绘图软件 AutoCAD、Proe或SolidWorks建立反光罩的三维立体模型，并将建立好的反光罩三维立体 模型文件导入电磁场仿真软件中进行仿真，电磁场仿真软件为CSTXomsol或HFSS，对导入 其中反光罩三维立体文件进行微波谐振腔仿真，得到此模型中谐振频率在磁控管的工作频 率范围内的所有电磁谐振模式；微波谐振腔由反光罩和金属屏蔽网组成； B、 在步骤A中得到的所有谐振模式中，选择在无极紫外灯处或最接近无极紫外灯处的 最强电场的谐振模式； C、 在步骤A中，每个谐振模式都有唯一的反光罩上的壁面电流分布，即在步骤B所确定 的谐振模式对应的壁面电流的最大处为反光罩与波导管的微波馈入口； 3) 波导管放置方向的选取过程为： 波导管的电场方向与B中所选定的谐振模式在微波馈入口处的电场方向保持一致，且 微波馈入口的长度方向和宽度方向尺寸小于波导管端口的长度方向和宽度方向尺寸； 4) 金属屏蔽网位置的确定； 在B中选定的谐振模式下，选择无极紫外灯处的最强电场强度对应的金属屏蔽网的位 置即为金属屏蔽网的位置； 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的设计。
【专利摘要】一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法，本发明涉及基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法。本发明的目的是目前还没有针对于不同待加工产品所需的辐照需求而制备的大功率微波无极紫外灯。通过以下技术方案实现的：所述大功率微波无极紫外灯包括无极紫外灯管(1)、两个磁控管(2)、两个波导管(3)和微波谐振腔；所述微波谐振腔由反光罩(4)和金属屏蔽网(5)组成，反光罩(4)开口扣装于金属屏蔽网(5)上，二者围合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管(1)设置于微波谐振腔内，反光罩(4)的两端分别设置一个波导管(3)，波导管(3)的相对侧分别设置一个磁控管(2)。本发明应用于无极紫外灯领域。
【IPC分类】H01J65/04, H01J9/00
【公开号】CN104900478
【申请号】CN201510316631
【发明人】赵洪, 陈俊岐, 孙崐
【申请人】哈尔滨理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日
【技术领域】
[0001] 本发明设及基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 紫外光固化技术是一种先进的材料处理技术，利用紫外光进行照射，可将涂料等 材料快速固化。由于紫外福照的穿透性弱，所W，对于大厚度透明材料的紫外固化，需要采 用大功率紫外灯。现有的大功率紫外灯有两种，即为大功率有极紫外灯和大功率无极紫外 灯。其中，无极紫外灯相比于有极紫外灯，采用微波激励的发光方式，具有体积小、启动速度 快、光效高、光色稳定、寿命长等特点。已经较为广泛的应用于汽车车灯涂料、液晶封装、高 压电缆、光纤涂料到电子产品、医疗器械、光盘制造及光学薄膜等领域。
[0003] 大功率无极紫外灯的福照效率主要体现在两个方面；1.紫外光线在待加工产品 生产线上的聚焦效果；2.微波对无极紫外灯管的激发效果。而二者都受到灯中谐振腔结构 的影响，前者体现在谐振腔的聚焦特性，后者体现在谐振腔的微波谐振特性。由于不同待加 工产品有着不同的福照需求，因此需要对大功率微波无极紫外灯的结构进行重新设计，方 能满足不同产品的紫外福照要求。而目前国内外还没有关于微波无极紫外灯的制备，因此 提出微波无极紫外灯的制备方法十分有意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是目前还没有针对于不同待加工产品所需的福照需求而制备的大 功率微波无极紫外灯，而提出了一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方 法。
[0005] 上述的发明目的是通过W下技术方案实现的：
[0006] 一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于，所述大功率微波无极 紫外灯包括无极紫外灯管、两个磁控管、两个波导管和微波谐振腔；
[0007] 所述微波谐振腔由反光罩和金属屏蔽网组成，金属屏蔽网为下底面，反光罩由半 个楠圆柱面和与所述柱面两端分别连接的两个端盖构成，反光罩开口扣装于金属屏蔽网上 且反光罩与金属屏蔽网的周边连接，二者围合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管设置于 微波谐振腔内，反光罩上表面的两端分别设置一个波导管，两个波导管的相对侧分别设置 一个磁控管。
[000引一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法具体是按照W下步骤进行 的：
[0009] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管W及待加工产品所需的福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方 向的长度和反光罩X方向的长度；其中，W反光罩平面中屯、为原点〇，W反光罩平面延长方 向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；
[0010] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据 对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接w及金属屏蔽网 的位置；
[0011] 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
[001引发明效果
[0013] 采用本发明的一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法。
[0014] 首先，W所需的福照能量为依据进行无极灯灯管选择及磁控管的选择；其次，W福 照固化对象所需要的福照光强及其分布为依据对反射腔体（谐振腔体）进行设计；再其次， 针对设计的反射腔体的模型，应用计算机仿真软件进行电场模式仿真，选择最佳模式，W最 佳模式对应的壁面电流的分布及波导管的电场方向为依据，对其波导管与反光罩连接的馈 入口的进行设计；最后，通过屏蔽网的位置调整谐振腔体内的电场位置，使其在无极灯灯管 处的场强最大，从而使无极灯的发光效率最大。由于不同待加工产品有着不同的福照需求， 因此需要对大功率微波无极紫外灯的结构进行重新设计，可根据不同待加工产品的不同福 照需求制备不同结构的大功率无极紫外灯，满足各领域对大功率无极紫外灯发光效率的需 求。
【附图说明】
[0015] 图1为大功率微波无极紫外灯的制备流程图；
[0016]图2为大功率微波无极紫外灯结构示意图，X为坐标系X轴，Y为坐标系Y轴，Z为 坐标系Z轴；
[0017] 图3为【具体实施方式】走中反光罩一个焦平面上的发光物体在另一个焦平面上的 成像图，E为第一焦点，F为第二焦点平面，G为无极紫外灯，Y为坐标系Y轴，Z为坐标系Z 轴，0为楠圆的中屯、；
[0018] 图4a为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下形成的电场1在第一焦点平面处的分 布图；
[0019] 图4b为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下分别形成的电场2在第一焦点平面处 的的分布图；
[0020] 图4c为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下分别形成的电场3在第一焦点平面处 的的分布图；
[0021] 图4d为实施例中谐振频率在2. 4-2. 5GHz下分别形成的电场4在第一焦点平面处 的的分布图；
[0022] 图5为实施例中在最佳谐振模式条件下，谐振腔内部的壁面电流分布图，A为整体 电流分布图，B为局部电流分布图；
[0023] 图6为实施例中选择的馈入口形状与尺寸示意图；
[0024] 图7为实施例中波导管与谐振腔的连接图。
【具体实施方式】
[0025]
【具体实施方式】一；结合图2说明本实施方式，一种基于微波激励的大功率微波无 极紫外灯，其特征在于，所述大功率微波无极紫外灯包括无极紫外灯管1、两个磁控管2、两 个波导管3和微波谐振腔；所述微波谐振腔由反光罩4和金属屏蔽网5组成，金属屏蔽网5 为下底面，反光罩4由半个楠圆柱面4-1和与所述柱面4-1两端分别连接的两个端盖4-2 构成，反光罩4开口扣装于金属屏蔽网5上且反光罩4与金属屏蔽网5的周边连接，二者围 合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管1设置于微波谐振腔内，反光罩4上表面的两端分别 设置一个波导管3,两个波导管3的相对侧分别设置一个磁控管2 ;
[0026] 大功率范围为1~6kW。
【具体实施方式】 [0027] 二；本实施方式与一不同的是；所述无极紫外灯管1 为圆柱形，无极紫外灯管长度方向为金属屏蔽网5延长方向，直径为圆形截面直径。
[002引其它步骤及参数与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0029] 本实施方式与一或二不同的是；所述反光罩4的 两端上各开有一个微波馈入口 6,波导管3与微波谐振腔通过微波馈入口 6进行连接；微波 馈入口 6安装于反光罩4的上方。
[0030] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一或二相同。
【具体实施方式】 [0031] 四：本实施方式与一、二或=不同的是；所述磁控管2 安装于波导管3的中上方。
[0032] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一、二或=相同。
【具体实施方式】 [0033] 五：本实施方式与一、二、=或四不同的是：所述无极 紫外灯管1的轴屯、与微波谐振腔的轴屯、平行。
[0034] 其它步骤及参数与【具体实施方式】一、二、=或四相同。
【具体实施方式】 [0035] 六；结合图1说明本实施方式，一种基于微波激励的大功率微波无 极紫外灯制备方法，其特征在于，一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法具 体是按照W下步骤进行的：
[0036] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管W及待加工产品所需的福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方 向的长度和反光罩X方向的长度；其中，W反光罩平面中屯、为原点〇，W反光罩平面延长方 向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；
[0037] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据 对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网 的位置；
[003引至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
【具体实施方式】 [0039] 走；本实施方式与六不同的是；所述步骤一中根据福 照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯管W及待加工产品所需的 福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方向的长度和反光罩X方向 的长度；其中，W反光罩平面 中屯、为原点0,W反光罩平面延长方向为X方向，与反光罩平面 垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；具体过程为；
[0040] 步骤一一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，即可确定无极紫外灯管 的长度及直径；具体方法为：
[0041] 根据福照试样的功率W，选择无极紫外灯管型号，其无极紫外灯管功率为W'，且 W' > 1.5W，即可确定无极紫外灯管的长度及直径；无极紫外灯管的长度即为反光罩的X方 向的长度；
[0042] 步骤一二、根据步骤一一中无极紫外灯管的长度及直径即可确定反光罩Y方向的 长度、反光罩Z方向的长度；具体方法为：
[0043] A、设置反光罩的形状为半楠圆柱体，无极紫外灯管放置于反光罩的焦点处，根据 楠圆聚焦原理，在反光罩的一个焦平面上的发光物体也会在另一个焦平面上汇聚成像，如 图3 ;
[0044] B、成像的边界点为无极紫外灯管在反光罩焦平面上的边界点经反光罩反射成像 形成；应用灯管的成像范围作为福照区间可W保证产品所需的福照光斑直径；在几何光学 中，像的高度与物的高度的商即为反光罩的放大倍数0，如公式（1)所示：
[0045]
(1)
[0046] 式中，a为反光罩Y方向的长度；C为反光罩的焦距；L为像的高度；H为所选灯管 直径；
[0047] 即得出了（a+c)/(a-c)的值；
[0048] C、根据反光罩的金属材料、反光罩内表面涂层的热福射吸收特性和反光罩所需的 散热条件，确定无极紫外灯管与反光罩的距离，即a-c的值；具体计算方法如下：
[0049]
(2)
[0050] 式中，h为冷却反光罩的对流换热的换热系数；0为反光罩的最高允许温度；0。 为环境温度；P为灯管中屯、与反光罩顶端之间的夹角，口^5 ;A为灯管热福射功率占灯管 总功率百分比，A< 1 ;a为反光罩内壁涂层热福射吸收率;W'为无极紫外灯管功率;m为 无极紫外灯管长度；为反光罩的吸收的热福射功率；为散 热损失的功率；
[0051] 根据公式（2)得公式（3)
[0化2]
(3)
[0化引与公式（1)的（a+c)/(a-c)的值进行联立求解，即可得出a与C的值；a为反光罩Y方向的长度；
[0054] 根据公式（4)即可求出反光罩Z方向的长度b;
[00 巧]
(4)
[0056] 反光罩厚度取值范围为0.6~1.0mm。
[0化7] 其它步骤及参数与【具体实施方式】走相同。
[005引【具体实施方式】八；本实施方式与【具体实施方式】六或走不同的是：所述步骤二中根 据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据对微波谐振腔进行 的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网的位置；具体过程 为：
[0化9] 通过对磁控管的选择、波导管与磁控管的匹配、波导与反光罩相连的馈入口的设 计及屏蔽网位置的调整，可W在反光罩内与屏蔽网形成的谐振腔体内，为无极灯提供最佳 的电磁场工作环境，使无极灯的发光效率达到最大值。具体如下：
[0060] 1)磁控管与波导管的选择；
[0061] 根据磁控管功率大于等于无极紫外灯管功率W'，即确定了磁控管，由选择的磁控 管确定与之匹配的波导管；
[0062] 2)波导管与反光罩的连接；
[0063] 波导管与反光罩在微波馈入口处进行连接；微波馈入口的设计的核屯、思想是使无 极紫外灯工作在最佳发光效率，微波馈入口的位置由W下=个步骤确定：
[0064] A、在磁控管的工作频率范围内，对步骤一二中得到的反光罩采用=维绘图软件建 立反光罩的=维立体模型，使用的绘图软件种类不限（AutoCAD、Proe、Soli抓orks等类似 绘图软件均可），并将建立好的反光罩=维立体模型文件导入电磁场仿真软件中进行仿真， 采用电磁场仿真软件（CSTXomsol化及HFSS等软件均可），对导入其中反光罩S维立体文 件进行微波谐振腔仿真，得到此模型中谐振频率在磁控管的工作频率范围内的所有电磁谐 振模式；微波谐振腔由反光罩和金属屏蔽网组成；
[0065]B、在步骤A中得到的所有谐振模式中，选择在无极紫外灯处或最接近无极紫外灯 处的最强电场的谐振模式；
[0066] C、在步骤A中，每个谐振模式都有唯一的反光罩上的壁面电流分布，在壁面电流 大的位置，微波禪合效率也大，所W采用壁面电流最大的位置作为反光罩与波导管的禪合 馈入口，使磁控管发出的微波通过波导管进入到谐振腔的能量达到最大；所W馈入口的位 置即在步骤B所确定的谐振模式对应的壁面电流的最强处；
[0067] 3)波导管放置方向的选取过程为：
[0068] 波导管的电场方向与B中所选定的谐振模式在馈入口处的电场方向保持一致，为 了使微波更多地通过馈入口进入谐振腔，需使馈入口的尺寸尽量大，但为了保证微波不泄 露，且馈入口的的长度方向和宽度方向尺寸小于波导管端口的长度方向和宽度方向尺寸；
[0069] 4)金属屏蔽网位置的确定；
[0070] 在B中选定的谐振模式下，选择无极紫外灯处的最强电场强度对应的金属屏蔽网 的位置即为金属屏蔽网的位置；
[0071] 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的设计。
[0072] 其它步骤及参数与【具体实施方式】走或八相同。
[0073] 采用W下实施例验证本发明的有益效果：
[0074] 实施例1
[0075] 一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法，
[0076] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管W及待加工产品所需的福照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方 向的长度和反光罩X方向的长度；其中，W反光罩平面中屯、为原点〇，W反光罩平面延长方 向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；
[0077] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据 对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网 的位置；
[007引至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
[0079] 针对110KV高压电缆紫外交联生产，应用此方法设计了3000W的大功率无极紫外 灯，具体设计过程如下；
[0080] 线巧截面为400mm2、绝缘外径厚度为61. 2mm的llOkV高压绝缘电缆的紫外光交联 固化工艺，通常要求紫外灯的线功率为50W/cm，在其圆屯、平面处的紫外光斑直径为60mm左 右，方能满足其固化要求。从光学聚焦设计和微波谐振设计来分别对大功率微波无极紫外 灯进行设计。
[0081] 步骤一、根据福照试样的福照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯 管确定反光罩Y方向的长半轴长度、反光罩Z方向的短半轴长度和反光罩的厚度；
[0082] 1、根据要求的50W/cm线功率，选用市场上现有的线功率为120W/mm的微波无极紫 外灯管，其灯管长度为255mm，灯管直径为10mm，从而确定反光罩的纵向长度m= 255mm;根 据公式（1)，得出要设计的反光罩的放大倍数0为6,得出（a+c)/(a-c) =6。
[0083] 2.选用金属侣作为反光罩的制作材质，厚度选择0.8mm。其最高允许工作温度为 0 = 200°C;侣制反光罩的内表面喷涂有致密氧化侣薄膜用来吸收灯管福射出的热福射分 量（主要为红外分量），其热福射分量吸收率为a= 0. 5 ;用强制风冷的办法作为反光罩 的散热条件，环境温度为e。= 20°C，散热系数为h= 50W/(m2);灯管福射出的热福射 功率占总功率的百分比为A= 30% ;根据反光罩顶端受福照最强的情况，由公式（3)，得 a_c> 19. 9mm，该里取a_c= 20mm，进而得出a= 70mm，C= 50mm，b= 49mm。
[0084] 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；确定 波导管与步骤一中反光罩的连接W及金属屏蔽网的位置；
[0085] 1.利用电磁场仿真软件CST，对光学聚焦设计出的谐振腔进行电磁仿真，其谐振 频率在2. 4-2. 5GH z的谐振模式在第一焦点平面处的电场强度及分布如图4a、图4b、图4c 和图4d所示。其中，谐振模式图4d的电场比其余S种更强、更均匀，为最佳谐振模式。
[0086] 2、在最佳谐振模式图4d条件下，谐振腔内部的壁面电流分布如图5所示；根据微 波无极灯管的选择，用两个功率为2kW的磁控管不仅可W满足要求，还能够实现灯管的快 速启动；根据设计要求，可W选择在谐振腔的顶端处设计馈入口。
[0087] 3、根据波导管安装方向要求和端口尺寸（长度86mm，宽度43mm)，馈入口的长度可 在50-70mm之间，宽度可在5-30mm之间进行设计，本具体应用选择的馈入口形状与尺寸可 W如图6所示；波导管与谐振腔的连接如图7所示。
[008引 4、应用电磁场仿真软件CST，仿真计算屏蔽网在不同高度情况下无极灯管处的电 场强度。当金属屏蔽网距离半楠圆柱形谐振腔底部的高度为3mm时，无极灯管处的电场强 度最强，得到进一步的优化。
[0089] 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。
【主权项】
1. 一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于，所述大功率微波无极紫 外灯包括无极紫外灯管（1)、两个磁控管（2)、两个波导管（3)和微波谐振腔； 所述微波谐振腔由反光罩（4)和金属屏蔽网（5)组成，金属屏蔽网（5)为下底面，反光 罩（4)由半个椭圆柱面（4-1)和与所述柱面（4-1)两端分别连接的两个端盖（4-2)构成， 反光罩⑷开口扣装于金属屏蔽网（5)上且反光罩⑷与金属屏蔽网（5)的周边连接，二 者围合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管（1)设置于微波谐振腔内，反光罩（4)上表面的 两端分别设置一个波导管（3)，两个波导管（3)的相对侧分别设置一个磁控管（2)。2. 根据权利要求1所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述无极紫外灯管（1)为圆柱形，无极紫外灯管长度方向为金属屏蔽网（5)延长方向，直径为 圆形截面直径。3. 根据权利要求2所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述反光罩（4)的两端上各开有一个微波馈入口（6)，波导管（3)与微波谐振腔通过微波馈入 口（6)进行连接；微波馈入口（6)安装于反光罩（4)的上方。4. 根据权利要求3所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述磁控管（2)安装于波导管（3)的中上方。5. 根据权利要求4所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯，其特征在于：所 述无极紫外灯管（1)的轴心与微波谐振腔的轴心平行。6. -种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法，其特征在于，一种基于微波 激励的大功率微波无极紫外灯制备方法具体是按照以下步骤进行的： 步骤一、根据辐照试样的辐照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外灯管以 及待加工产品所需的辐照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z方向的 长度和反光罩X方向的长度；其中，以反光罩平面中心为原点〇,以反光罩平面延长方向为X 方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向； 步骤二、根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根据对微 波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接以及金属屏蔽网的位 置； 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的制备。7. 根据权利要求6所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯制备方法，其特征 在于，所述步骤一中根据辐照试样的辐照功率选择无极紫外灯管，并根据选择的无极紫外 灯管以及待加工产品所需的辐照光强及光强分布要求确定反光罩Y方向的长度、反光罩Z 方向的长度和反光罩X方向的长度；其中，以反光罩平面中心为原点〇,以反光罩平面延长 方向为X方向，与反光罩平面垂直方向为Y方向，与X方向和Y方向垂直方向为Z方向；具 体过程为： 步骤一一、根据辐照试样的辐照功率选择无极紫外灯管，即可确定无极紫外灯管的长 度及直径；具体方法为： 根据辐照试样的功率《，选择无极紫外灯管型号，其无极紫外灯管功率为？，且 w'多1.5w，即可确定无极紫外灯管的长度及直径；无极紫外灯管的长度即为反光罩的X方 向的长度； 步骤一二、根据步骤一一中无极紫外灯管的长度及直径即可确定反光罩Y方向的长 度、反光罩Z方向的长度；具体方法为： A、 设置反光罩的形状为半椭圆柱体，无极紫外灯管放置于反光罩的焦点处； B、 成像的边界点为无极紫外灯管在反光罩焦平面上的边界点经反光罩反射成像形成； 像的高度与物的高度的商即为反光罩的放大倍数β，如公式（1)所示：式中，a为反光罩Y方向的长度；c为反光罩的焦距；L为像的高度；H为所选灯管直径； 即得出了（a+c) Aa-c)的值； C、 根据反光罩的金属材料、反光罩内表面涂层的热辐射吸收特性和反光罩所需的散热 条件，确定无极紫外灯管与反光罩的距离，即a-c的值；具体计算方法如下：(2) 式中，h为冷却反光罩的对流换热的换热系数；Θ为反光罩的最高允许温度；Θ ^为环 境温度；A为灯管中心与反光罩顶端之间的夹角，λ为灯管热辐射功率占灯管总功 率百分比，λ〈1 ; α为反光罩内壁涂层热辐射吸收率；w'为无极紫外灯管功率;m为无极紫 外灯管长度；为反光罩的吸收的热辐射功率+ -c)为散热损失 的功率； 根据公式（2)得公式（3)与公式（1)的（a+c) Aa-c)的值进行联立求解，即可得出a与c的值；a为反光罩Y方 向的长度； 根据公式（4)即可求出反光罩Z方向的长度b;反光罩厚度取值范围为〇. 6~1.0 mm。8.根据权利要求7所述一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯设计方法，其特征 在于，所述步骤二中根据步骤一中无极紫外灯管确定磁控管，并根据磁控管选择波导管；根 据对微波谐振腔进行的电磁仿真结果，确定波导管与步骤一中反光罩的连接以及金属屏蔽 网的位置；具体过程为： 1) 磁控管与波导管的选择； 根据磁控管功率大于等于无极紫外灯管功率w'，即确定了磁控管，由选择的磁控管确 定与之匹配的波导管； 2) 波导管与反光罩的连接； 波导管与反光罩在微波馈入口处进行连接；微波馈入口的位置由以下三个步骤确定： A、在磁控管的工作频率范围内，对步骤一二中得到的反光罩采用三维绘图软件 AutoCAD、Proe或SolidWorks建立反光罩的三维立体模型，并将建立好的反光罩三维立体 模型文件导入电磁场仿真软件中进行仿真，电磁场仿真软件为CSTXomsol或HFSS，对导入 其中反光罩三维立体文件进行微波谐振腔仿真，得到此模型中谐振频率在磁控管的工作频 率范围内的所有电磁谐振模式；微波谐振腔由反光罩和金属屏蔽网组成； B、 在步骤A中得到的所有谐振模式中，选择在无极紫外灯处或最接近无极紫外灯处的 最强电场的谐振模式； C、 在步骤A中，每个谐振模式都有唯一的反光罩上的壁面电流分布，即在步骤B所确定 的谐振模式对应的壁面电流的最大处为反光罩与波导管的微波馈入口； 3) 波导管放置方向的选取过程为： 波导管的电场方向与B中所选定的谐振模式在微波馈入口处的电场方向保持一致，且 微波馈入口的长度方向和宽度方向尺寸小于波导管端口的长度方向和宽度方向尺寸； 4) 金属屏蔽网位置的确定； 在B中选定的谐振模式下，选择无极紫外灯处的最强电场强度对应的金属屏蔽网的位 置即为金属屏蔽网的位置； 至此，完成了基于微波激励的大功率微波无极紫外灯的设计。
【专利摘要】一种基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法，本发明涉及基于微波激励的大功率微波无极紫外灯及其制备方法。本发明的目的是目前还没有针对于不同待加工产品所需的辐照需求而制备的大功率微波无极紫外灯。通过以下技术方案实现的：所述大功率微波无极紫外灯包括无极紫外灯管(1)、两个磁控管(2)、两个波导管(3)和微波谐振腔；所述微波谐振腔由反光罩(4)和金属屏蔽网(5)组成，反光罩(4)开口扣装于金属屏蔽网(5)上，二者围合的空腔为微波谐振腔；无极紫外灯管(1)设置于微波谐振腔内，反光罩(4)的两端分别设置一个波导管(3)，波导管(3)的相对侧分别设置一个磁控管(2)。本发明应用于无极紫外灯领域。
【IPC分类】H01J65/04, H01J9/00
【公开号】CN104900478
【申请号】CN201510316631
【发明人】赵洪, 陈俊岐, 孙崐
【申请人】哈尔滨理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日
最新回复(0)