椭圆聚焦型无极紫外固化灯研究与设计

陈俊岐， 赵洪， 郑海峰， 陈春铭， 李迎,， 孙崐

(1.哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 哈尔滨哈普电气技术有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040；3.哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

椭圆聚焦型无极紫外固化灯研究与设计

陈俊岐1， 赵洪1， 郑海峰2， 陈春铭2， 李迎1,2， 孙崐3

(1.哈尔滨理工大学 工程电介质及其应用教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080；2. 哈尔滨哈普电气技术有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040；3.哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

利用蒙特卡洛分析法和有限积分法，设计一种椭圆聚焦型无极紫外固化灯。首先利用光学仿真软件分析了椭圆柱型谐振腔对非理想圆柱光源的光线利用率和光斑宽度两者之间的影响，选择合适的放大倍率和离心率；再通过电磁场仿真软件分析了谐振腔的电磁共振模式及频率，确定最佳电磁共振条件下谐振腔的开口深度；最后根据波导耦合原则，设计谐振腔与波导的耦合方式。经实验测试，无极紫外固化灯的发射光谱与所用无极紫外放电灯管的理论光谱相一致，并且测得的紫外光功率分布也与光学仿真的结果符合。

无极紫外固化灯；光线追迹法；谐振腔；椭圆聚焦；电磁共振；非理想光源

0 引 言

紫外固化是指混有光引发剂的不饱和有机物或高分子物在经过紫外线照射后，其内部发生交联、接枝或聚合等化学反应进而达到固化的目的。近年来紫外固化技术在材料合成及表征[1]、印刷[2]、电线电缆制造[3]和高分子涂料[4]等领域显示出了巨大的应用前景，同时紫外固化光源的改进与研发更是成为人们关注热点。随着高频电磁波诱导气体放电技术的不断发展和完善，近年来新兴的以微波能量驱动的大功率紫外固化灯以其优异性能得到广泛关注。与传统依靠高压电弧驱动的紫外固化设备相比，无极紫外固化灯使用的灯管由于没有高压电极，因此具有以下三个优点[5-6]：不存在灯管内部气体与电极之间的化学反应，输出光能量稳定，灯管寿命长；光功率密度大，结构尺寸较小；可实现快速启动，并且易于更换。

与传统高压电弧驱动的紫外固化灯有所不同，无极紫外固化灯的结构包括微波源(一般为磁控管)、波导、谐振腔和无极灯管。其中，谐振腔包括反光罩和金属屏蔽网。在无极紫外固化灯中，无极灯管点燃的前提是微波源产生的高频电磁波能够通过波导进入谐振腔实现电磁共振，从而利用电场使灯管内部的气体电离并辐射出紫外光，再依靠反光罩的几何结构实现光线的汇聚，即谐振腔能够同时起到电磁共振和光学聚焦的作用。因此，无极紫外固化灯在结构设计上存在较大困难的原因在于其谐振腔的结构需同时满足这两者的需求，而目前还没有关于其设计方法上的研究报道。

针对上述问题，本文利用光学和电磁学数值计算方法，设计了一种椭圆聚光型无极紫外固化灯。由于谐振腔具有多谐特性[7]，其电磁共振频率可以通过对椭圆柱型谐振腔的开口深度进行调整，使其与微波源产生的高频电磁波频率相一致，并且开口深度对椭圆柱型的聚光效果影响较小。因此，本文的设计思路是先通过光学仿真软件TracePro[8]研究了椭圆柱型反光罩的几何结构对聚焦宽度和光线利用率两者之间的关系，再利用电磁仿真软件CST[9]优化谐振腔的开口深度使之与微波源产生的高频电磁波频率相匹配，最后根据波导的微波传输特性[10]确定谐振腔的耦合孔形状与尺寸。本文最后根据仿真的计算结果搭建了无极紫外固化灯，并采用光栅光谱仪和紫外辐照计，对固化灯的发射光谱和第二焦平面中心的光斑宽度进行了测量。

1 无极紫外固化灯设计

本文研制的椭圆聚焦型无极紫外固化灯，主要结构包括磁控管、波导、椭圆柱型反光罩、无极灯管和金属屏蔽网，如图1所示。其中，谐振腔由椭圆柱型反光罩和金属屏蔽网组成，能够同时实现光学聚焦和电磁共振。无极紫外固化灯的工作原理是：磁控管发出的高频电磁波，经过波导从谐振腔的耦合孔(即图1中椭圆柱型反光罩两端的开口)进入其内部形成特定共振模式的电磁场，使位于第一焦线处的无极放电灯管在电场作用下其内部气体和汞分子形成等离子体并持续辐射出紫外光线，紫外光线经过椭圆柱型反光罩的反射后聚焦于待固化体系。

图1 椭圆聚焦型无极紫外固化灯结构Fig.1 Structure of electrodeless UV curing lamp with elliptic concentrator

本文选用磁控管为连续式磁控管，功率规格3 kW，频率范围(2.45±0.05)GHz；无极放电灯管为长度250 mm、外直径10 mm的H型无极汞灯，其线功率分布为240 W/cm；波导为BJ-26型矩形波导；金属屏蔽网由直径0.05 mm的钨丝精密编制而成，光线透射率约为80%；椭圆柱型反光罩的材料为长度250 mm、厚度0.8 mm的铝基板，其内表面通过阳极氧化形成致密氧化铝反射膜，光线反射率为95%。

1.1 谐振腔光学结构设计

在理想情况下，光线从椭圆的第一焦点发出后经反射可以汇聚于椭圆的第二焦点。但由于无极放电灯管为非理想光源，部分光线会偏离焦点，从而在第二焦平面处会形成高斯分布式的发散光斑[11]，如图2所示。一般情况下，第二焦平面处的光斑聚焦效果与椭圆的放大倍率有关，放大倍率越大，则光线的汇聚宽度越宽，并且辐照度也更均匀，但同时反光罩的加工也越为困难。

图2 椭圆对非理想光源的聚焦效果Fig.2 Focus effect of non-ideal light source reflected by ellipse

椭圆的放大倍率β和离心率e分别为

(1)

图3 焦距与光斑半峰宽值和光线利用率的关系Fig.3 Relationship between focus length and PWH of focusing spot and light efficiency

1.2 谐振腔的激励方式

谐振腔与外界耦合方法一般采用电耦合、磁耦合和电流耦合方式。在厘米波段，谐振腔通常与波导直接进行耦合，这时采用在波导与谐振腔之间的公共壁上开孔槽作为耦合元件，即电流耦合，也称为波导耦合。

电磁耦合谐振式无线电能通过谐振在相同频率上的系统之间的耦合来传递能量，其中谐振腔的谐振频率对能量的传递效率至关重要[12-13]。为了实现微波能够有效耦合进入谐振腔内形成共振电磁场，谐振腔的谐振频率f应与磁控管发出微波的中心频率相一致[14]，即谐振频率f=2.45 GHz，从而实现最佳电磁共振条件。

由谐振腔的波导耦合条件[7]可知，在磁控管激励腔与谐振腔之间的耦合孔处，传输的微波至少要有一个分量与所需激励的电磁共振模式的某一分量相符合，才能使该模式被激励。图5为谐振腔在2.45 GHz时的电磁共振模式。

结合本文采用的波导的基波传输特性[10]和图5所示的电磁共振模式，耦合孔可设计成如图6所示的位置与大小。与谐振腔连接的波导端口加工如图2所示的反光罩的形状并安装于反光罩处，其长边垂直于谐振腔短轴，如图1所示，即可保证微波能够有效馈入谐振腔形成电磁共振。

图4 深度-谐振频率变化曲线Fig.4 Varying curve of relationship between depth and resonance frequency

图5 谐振腔在谐振频率为2.45 GHz的电磁共振模式Fig.5 Resonance mode of 2.45 GHz resonance frequency

图6 反光罩上耦合孔位置及尺寸Fig.6 Location and dimension of coupling holes in reflector

2 无极紫外固化灯性能测试

2.1 发射光谱分布测试

采用北京赛凡光电公司7ISW301型光栅光谱仪，对研制的聚光型微波紫外固化灯在200～800 nm波段发射光谱进行了测量，波长采样间距为0.5 nm，结果如图7所示。可以看出，在200～400 nm波段的主要峰值在254 nm、290 nm、310 nm和365 nm，与厂家提供的H型灯管的标准发射光谱基本相符合[15]，说明本文设计的椭圆聚焦型谐振腔能够使无极紫外灯管正常工作。

图7 紫外固化灯的光谱分布测试Fig.7 Measurement of UV curing lamp′s spectrum distribution

图8 第二焦平面短轴方向365 nm紫外光功率密度分布Fig.8 Irradiance distribution of 365 nm along the direction of minor axis in the second focal plane

2.2 第二焦平面辐照度测试

3 结 论

通过蒙特卡罗光线追迹法和有限积分法，成功设计了一种椭圆聚焦型无极紫外固化灯。无极紫外固化灯的设计难点在于其谐振腔同时起到光线汇聚和电磁共振的作用，因此在设计过程中要同时兼顾。由于谐振腔具有多谐特性，因此本文的设计思路为先通过光学仿真TracePro分析椭圆在不同放大倍率和离心率条件下的光线聚焦效果和利用率，选择最佳的谐振腔光学结构，再利用电磁仿真软件CST分析谐振腔内的电磁场分布，并优化了谐振腔的开口深度，最后结合波导的电磁波传输特性设计了谐振腔的微波馈入口，使高频电磁波能够在其中实现电磁共振。采用光栅光谱仪和紫外辐照计测量了按照仿真计算搭建的无极紫外固化灯辐射光谱和第二焦平面的辐照密度，验证了本文对无极紫外固化灯的设计方案的合理性。本文对无极紫外固化灯的设计方法对于其他微波等离子灯的优化设计也具有一定的指导意义。

[1] 李学锋, 江成, 彭少贤, 等. 碳纳米管/环氧丙烯酸酯紫外光固化涂层的制备及光阻隔性能[J].复合材料学报, 2011, 28(2):10. LI Xuefeng, JIANG Cheng, PENG Shaoxian, et al. Fabrication and wave shielding behavior of UV curing coating of carbon nanotubes/epoxy acrylate[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2011, 28(2):10.

[2] 李梦远, 孙伽略, 张大伟, 等. 基于自由曲面透镜结构的紫外发光二极管固化系统光学设计[J].光学学报, 2014, 34(12):1222003-1. LI Mengyuan, SUN Jialue, ZHANG Dawei, et al. Optical system design for ultraviolet-LED curing based on the structure of freeform surface[J]. Acta Optica Sinica, 2014, 34(12):1222003-1.

[3] 路义萍, 唐佳东, 赵洪, 等. 低压电缆紫外光交联辐照箱通风冷却研究[J].哈尔滨理工大学学报,2013,18(1):45. LU Yiping, TANG Jiadong, ZHAO Hong, et al.Study of ventilation cooling for an irradiation box of low-voltage cable ultraviolet cross-linking [J]. Journal of Harbin University of Science and Technology,2013,18(1):45.

[4] 张林雅, 矫庆泽, 赵芸, 等. 紫外光固化超支化聚酯的合成及性能[J].化学学报,2011,69(17):2031. ZHANG Linya, JIAO Qingze, ZHAO Yun, et al. Synthesis and properties of UV-curable hyperbranched polyester[J]. Acta Chimica Sinica, 2011, 69(17):2031.

[5] MAITLAND J. Comparison of classic arc and microwave-powered UV for curing of PSA and silicones [J]. Rad Tech Report, 2005, 19(1): 41.

[6] 华春帆. 无电极汞灯在紫外光固化中的应用[J].上海涂料, 2011, 49(9):29. HUA Chunfan. Theapplication of electrodeless lamp in UV curing[J]. Shanghai Coatings, 2011,49(9):29.

[7] 陈孟尧.电磁场与微波技术[M].北京:电子工业出版社, 1989:364-367.

[8] 杜景龙.碟式斯特林太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究[D].北京:中国科学院研究生院(工程热物理研究所),2011.

[9] 曹静, 刘濮鲲, 丁耀根, 等. 利用频域求解器模拟计算谐振腔的谐振特性[J].真空科学与技术学报, 2013, 33(2):131. CAO Jing, LIU Pukun, DING Yaogen, et al. Characteristics simulation of resonant cavity with attenuation coating with frequency domain solver[J]. Chinese Journal of Vacuum Science and Technology, 2013, 33(2):131.

[10] CECCUZZI S, PONTI C, RAVERA G L, et al. Mode filters for oversized rectangular waveguides: a modal approach [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2015, 63(8):2468.

[11] 任兰旭, 魏秀东, 牛文达, 等. 非共轴椭球面聚光阵列式高焦比太阳模拟器[J].光学学报, 2012, 32(10):1022002-3. REN Lanxu, WEI Xiudong, NIU Wenda, et al. A high flux solar simulator based on an array of non-coaxial ellipsoidal reflector[J]. Acta Optica Sinica, 2012, 32(10):1022002-3.

[12] 唐治德, 徐阳阳, 赵茂, 等. 耦合谐振式无线电能传输的传输效率最佳频率[J]. 电机与控制学报, 2015,19(3):8. TANG Zhide, XU Yangyang, ZHAO Mao, et al.Transfer efficiency maximum frequency of wireless power transfer via magnetic resonance coupling[J]. Electric Machines and Control, 2015, 19(3):8.

[13] 李江, 张鹏, 马腾, 等. 磁耦合谐振式无线电能传输系统的仿真与实验[J]. 电机与控制学报, 2015, 19(11):72. LI Jiang, ZHANG Peng, MA Teng, et al.Simulation and experimental analysis of wireless power transmission system via magnetic resonance coupling[J]. Electric Machines and Control, 2015, 19(11):72.

[14] 石峰, 杨涓, 汤明杰, 等. 微波谐振器系统的调谐实验研究[J]. 物理学报, 2014, 63(15):154103-1. SHI Feng, YANG Juan, TANG Mingjie, et al. Resonance experiment on a microwave resonator system[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63(15): 154103-1.

[15] 华春帆. 无极汞灯的特性因素对紫外固化的影响[J].上海涂料, 2012, 50(3):23. HUA Chunfan. The influence of characteristic factor for electrodeless mercury lamp on UV curing[J]. Shanghai Coatings, 2012,50(3):23.

ResearchanddesignofelectrodelessUVcuringlampwithellipticconcentrator

CHEN Jun-qi1， ZHAO Hong1， ZHENG Hai-feng2， CHEN Chun-ming2， LI Ying1，2， SUN Kun3

(1.Key Laboratory of Engineering Dielectrics and Its Application, Ministry of Education, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080,China;2.Harbin Hapro Electric Technology Co., Ltd, Harbin 150040, China; 3.School of Measurement-control Technology and Communications Engineering, Harbin University of Science and Technology,Harbin 150080,China)

An electrodeless ultraviolet curing lamp with elliptic concentrator was developed by using monte carlo and finite integration method. Firstly, the light efficiency and spot width of non-ideal cylindrical light source caused by reflection of elliptical resonant cavity were analyzed by the optical simulation software TracePro, and then the magnification and eccentricity of elliptical resonant cavity were preferred.On the basis of resonance mode and its frequency of resonant cavity investigated by electromagnetic simulation software CST, the depth of microwave cavity was determined to satisfy the best condition of electromagnetic resonance.The microwave feed-in method of resonant cavity was designed in accordance with the principle of waveguide-coupled-cavity. The emission spectrum of electrodeless UV curing lamp presented by this article is agreed with the theoretical spectra of electrodeless UV discharge lamp in experiment test, and UV irradiation intensity distribution in the second focus plane accords with optical simulation results.

electrodeless UV curing lamp; ray tracing method; resonant cavity; ellipse focusing; electromagnetic resonance; non-ideal light source

(编辑：刘素菊)

2017-03-07

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA070302)

陈俊岐(1988—)，男，博士研究生，研究方向为聚合物绝缘理论及测试技术； 赵 洪(1955—)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为聚合物绝缘理论与绝缘测试技术； 郑海峰(1985—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为橡塑类测试技术； 陈春铭(1985—)，男，硕士，助理工程师，研究方向为橡塑类测试技术； 李 迎(1969—)，男，学士，高级工程师，研究方向为橡塑类测试技术； 孙 崐(1982—)，男，博士，副教授，研究方向为多光谱测温、温度场重构、光谱信息测量。

赵 洪

10.15938/j.emc.2017.08.015

O 435

:A

:1007-449X(2017)08-0109-05