Закономерности развития газоразрядных источников спонтанного излучения: Руководство для разработчика

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Э.А. Соснин

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Руководство для разработчика

Издательство Томского университета 2004

УДК 001:5+535.14+ 519.713+008:001.8 ББК С66 С54 С54

Соснин Э.А. Закономерности развития газоразрядных источников спонтанного излучения: Руководство для разработчика. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - 106 с. ISBN 5-7511-1856-1 Технические системы развиваются по определенным законам, используя которые можно ускорить поиск технических решений при развитии той или иной технологии. Методологическую базу книги составляют законы эволюции целенаправленных систем (Альтшуллер Г.С., 1973; Злотин Б.Л., 1989; Корогодин В.И., 1991). На их основе анализируется развитие источников спонтанного излучения. Даются рекомендации по созданию, совершенствованию и прогнозированию развития источников света. Все положения иллюстрируются примерами из фотоники и светотехники. Обобщен материал, содержащийся в более чем ста книгах, патентах и статьях. Книга написана как руководство для разработчиков источников спонтанного излучения. Она адресована научным работникам, инженерам, изучающим и конструирующим источники излучения, а также специалистам по проблемам творчества. Книга также может использоваться студентами университетов в учебных курсах по специальностям «Светотехника и источники света» (180600) и «Оптико-электронные приборы и системы» (190700). УДК 001:5+535.14+ 519.713+ 008:001.8 ББК С66 В оформлении обложки использован рисунок кубофутуриста И.В. Клюнкова «Озонатор». 1914. Книга издана при финансовой поддержке Минобразования РФ, грант № Г02-1.4-377

ISBN 5-7511-1856-1

ã Э.А. Соснин, 2004

ТОМSK STATE UNIVERSITY

E.А. Sоsnin

PRINCIPLES OF DEVELOPMENT OF GAS DISCHARGE SPONTANEOUS RADIATION SOURCES The developer manual

Tоmsk State University Publ. 2004

Edward A. Sosnin Principles of development of gas discharge spontaneous radiation sources: the developer manual. – Tоmsk: Tоmsk State University Publ., 2004. – 106 p. ISBN 5-7511-1856-1 The technical systems develop under the certain laws whereby the acceleration of hunting of the technical decisions at development of current technology can be realized. The methodological foundation of the book is compiling of the laws of evolution of purposeful systems (Altshyller G.S., 1973; Korogodin V.I., 1991; Zlotin B.L., 1989). On their basis the development of spontaneous radiation sources is analyzed. The recommendations for creation, upgrading and forecasting of light sources evolution are given. All aspects are illustrated by examples from photonics and lighting technology. The data contained in more than hundred books, patents and articles is generalized. The book is written as a manual for the developers of spontaneous radiation sources. It is addressed to the scientists, engineers, and also experts in problems of creativity. The book also can be used by the students of universities in academic courses on “Lighting Engineering” (180600) and “Optoelectronic devices and systems” (190700) specialties.

In book cover design is used drawing “Ozonator” (1914) by Russian cubefuturist I.V. Klunkov. The work is promoted by financial support of Russia Federation Education Ministry Grant Г02-1.4-377

ISBN 5-7511-1856-1

ã E.А. Sosnin, 2004

Введение Изобретательность состоит в том, чтобы сопоставлять вещи и распознавать их связь. Люк де Клапье Вовенарг

Целью настоящей книги является описание закономерностей и создание прогнозов развития технической системы газоразрядных источников спонтанного излучения (ТС ИСИ). Источники спонтанного излучения – устройства, преобразующие какой-либо вид энергии (электрической, тепловой, химической) в энергию электромагнитных волн в оптическом диапазоне длин волн, нашли широкое применение в быту, производстве, науке, технике и технологии. Примерно 13 -14 % всей электроэнергии в мире расходуется при эксплуатации источников оптического излучения. Каждый источник света отличается своими уникальными физическими и эксплуатационными параметрами: уровнем средней и удельной мощности, спектральным составом излучения, эффективностью, ресурсом работы, массой, габаритами, стоимостью. Параметры определяют специфику использования того или иного ИСИ в рамках данной конкретной задачи или целевом звене (ЦЗ). По своей физической природе все существующие ИСИ можно разделить на тепловые и люминесцентные. Промышленные тепловые источники, в которых используется излучение нагретых тел (главным образом к ним относятся лампы накаливания), наиболее просты в изготовлении и эксплуатации, однако имеют низкие ресурс, светоотдачу (не более 10–20 лм/Вт) и цветность, сильно отличающуюся от цветности дневного света. Люминесцентные ИСИ, в основе действия которых лежат различные способы превращения отдельных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, характеризуются существенно более высокими величинами светоотдачи (до 100 лм/Вт и более) и ресурса (до 10–15 тысяч часов). Одним из важных преимуществ данных ИСИ, среди которых наибольшее распространение получили электролюминесцентные, является разнообразие спектров излучения, что обеспечивает возможность ис5

пользования их в различных технологиях. К основным недостаткам данных ИСИ можно отнести, прежде всего, большую стоимость, сложность и высокую технологию при изготовлении, необходимость обеспечения условий запуска и функционирования [1–6]. Электролюминесцентные источники называются в инженерных справочниках газоразрядными лампами: согласно ГОСТ 15049-81, СТ СЭВ 2737-80 разрядным источником света или разрядной лампой называют электрическую лампу, в которой свет создается в электрическом разряде в газе и/или парах металла. Электрический разряд обеспечивает различные изменения энергетических состояний валентных электронов атомных и молекулярных оболочек газов, заполняющих колбу лампы, что, в свою очередь, определяет спектральный состав получаемого оптического излучения. Примером впечатляющего прорыва в создании и применении люминесцентных источников излучения является появление эксиламп. Это ИСИ ультрафиолетового (УФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) диапазонов спектра [7]1. Отличительными чертами таких источников являются, во-первых, эффективное преобразование электрической энергии в световую за счет образования эксимерных и эксиплексных молекул в условиях газоразрядной плазмы и последующего высвечивания ими квантов света. Во-вторых, спектр излучения состоит преимущественно из относительно узкой полосы2 соответствующей молекулы. Это позволяет селективно воздействовать на объекты облучения теми длинами волн излучения, которые приводят к наибольшему полезному эффекту, т.е. увеличить 1

Эксилампы излучают за счет распада эксимерных молекул (эксиплексов от англ. excited complex (exciplex) – возбужденный комплекс, если речь идет о гетероядерной молекуле (например, XeF*)) или эксимерных молекул (эксимеров - от англ. excited dimer (excimer) – возбужденный димер, если речь идет о молекуле, состоящей из одинаковых атомов (например, Ar2*)). Эксиплексные и эксимерные молекулы являются неустойчивыми химическими соединениями, существующим только в возбужденных электронных состояниях, поэтому время жизни такой молекулы в возбужденном состоянии ограничено и составляет для разных эксиплексов от 10-9 до 10-7 с. Спонтанный распад таких молекул на отдельные атомы сопровождается высвечиванием характерного для данного комплекса кванта света. Излучение эксиламп является узкополосным, а максимумы полос излучения, в зависимости от используемой молекулы, располагаются в диапазоне от 126 до 354 нм. 2 Полуширина полос составляет от единиц до десятков нанометров. 6

КПД технологического процесса, в котором используется эксилампа. В-третьих, рабочие смеси данных ИСИ, состоящие из инертных газов или их смесей с галогенами, экологически безопасны по сравнению с рабочей смесью ртутных ламп, излучающих в том же спектральном диапазоне. Эти уникальные свойства позволили с успехом применить их, например, для фотохимических приложений [8], в аналитической химии [9], фотобиологии [10], микроэлектронике [11-13] и научных исследованиях [14]. Развиваются и другие интересные технологии получения спонтанного излучения, о которых тоже пойдет речь в книге. Таким образом, с конца прошлого века фотоника испытывает бум новых технологий: появляются новые источники излучения, ширятся области их применения. Настоящая книга задумана как попытка систематизировать описание закономерностей развития газоразрядных ИСИ, а также дать ряд прогнозов развития этих систем и наметить новые области их применения. Для этого использовался опыт анализа закономерностей развития технических систем, накопленный в ТРИЗ [15]. Книга адресована специалистам по фотонике и студентам университетов, специализирующимся на разработке и применении ИСИ. Автор будет рад сотрудничеству с читателями, заинтересовавшимися темой книги. Представленный здесь фактический материал нуждается в пополнении, и автор с благодарностью примет любые сведения, которые могли бы его расширить. Автор благодарит всех авторов-разработчиков, с которыми ему посчастливилось общаться и которые поделились с ним своим опытом разработки ИСИ. Автор также благодарен коллективу кафедры квантовой электроники и фотоники радиофизического факультета Томского государственного университета, поверившему в него и зимой 2002 года проголосовавшему за его зачисление в преддокторантуру университета с научным проектом «Ультрафиолетовые газоразрядные эксилампы и их применение в фотохимии и фотобиологии». Сентябрь 2004 г. 7

Принятые сокращения ВУФ – вакуумное ультрафиолетовое излучение ЗРТС – законы развития технических систем ИСИ – источник спонтанного излучения ИКР – идеальный конечный результат ТРИЗ - теория решения изобретательских задач ТС - техническая система ТТИ - телеологическая теория информации УФ – ультрафиолетовое излучение ЦД - целенаправленные действия ЦЗ - целевое звено ► – значок предложения по развитию технической системы

8

Глава 1. ИСТОЧНИК СПОНТАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ КАК РАБОТОСПОСОБНАЯ ТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА В этой главе мы рассмотрим статические законы построения работоспособной технической системы и конкретизируем их действие на примере источников спонтанного излучения. Под статикой здесь понимается то, что эти законы описывают необходимые условия возникновения и поддержания в рабочем состоянии технической системы без их длительного развития. 1.1. Элементы ТС ИСИ. Закон полноты частей системы Система - это комплекс взаимодействующих элементов. Приписывается Л. фон Берталанфи

Как система источник спонтанного излучения является некоторым множеством взаимосвязанных элементов, не сводящихся к свойствам отдельных элементов (так называемое системное качество): все источники излучения имеют типовые элементы, однако их комбинации позволяют создавать многочисленные системы, каждая их которых имеет свои характеристики и даже придает системе неожиданные системные свойства. Фундаментальными признаками ИСИ, помимо системного качества, являются: ü функциональность: полезной функцией ИСИ является создание спонтанного излучения; ü целостность: получить полезную функцию ИСИ трудно или невозможно, если какой-либо из элементов системы удалить; ü организованность: все элементы ИСИ взаимосвязаны в пространстве и во времени. Для того чтобы система была работоспособной, т.е. могла выполнять свою основную положительную функцию, для которой была создана, необходимо наличие минимум четырех частей: органа управления, трансмиссии, рабочего органа и двигателя3 (закон полноты частей системы). Кроме того, необхо3

Орган управления – элемент, обеспечивающий регуляцию прохождения энергии и реализацию полезной функции. 9

дим источник энергии для подпитки технической системы и изделие, на которое воздействует ТС, выполняя свои служебные функции. Схематически это показано на рис. 1. Что это означает применительно к ТС ИСИ? Общим элементом любой лампы является рабочий объем, заполненный молекулярным или атомарным газом, а также смесями нескольких газов или смесями, содержащими пары металлов: ртути, натрия, калия, рубидия, цезия и пр. Возбуждение

Рис. 1. Блок-схема построения технической системы, способной выполнять свою положительную функцию

этих сред в целях получения излучающей плазмы осуществляется в большинстве случаев за счет зажигания в рабочей полости ламп газового разряда, хотя возможны и иные способы: радиолюминесцентный, возбуждение электронным пучком и различные их комбинации с электрическим разрядом. Накачка разрядом выгодно отличается тем, что ее наиболее просто осуществить, и, меняя давление и состав газовой среды, конфигурацию электродов и размеры разрядного промежутка, можно сравнительно легко управлять параметрами плазмы: распределением возбужденных и ионизованных частиц по энергиям и скоростям, собственно степенью ионизации плазмы (отношение Трансмиссия – элемент, передающий энергию от двигателя к рабочему органу с необходимым преобразованием её вида и параметров. Рабочий орган – элемент, передающий энергию внешней среде (изделию, надсистеме) и завершающий выполнение полезной функции системы. Двигатель – элемент, вырабатывающий энергию либо аккумулирующий её из внешней среды. 10

числа ионизованных атомов к полному их числу в единице объема), температурой заряженных частиц. То есть в конечном счете управлять люминесцентным процессом в среде. Таким образом, элементы ТС ИСИ могут быть сведены в табл. 1. Элемент системы Орган управления Трансмиссия Рабочий орган

Двигатель

Таблица 1 Элемент ТС ИСИ Устройства коммутации, задающие генераторы, логические цепи Электродная система, атомы и молекулы, входящие в состав газовой смеси, электроны, ионы, тип разряда Возбужденные атомы и молекулы, в т.ч. попавшие в разряд с электродов, колба лампы, выходное окно, через которое излучение поступает из устройства наружу Внешнее питание

Основные части ТС ИСИ выделить просто. По мере совершенствования источника излучения и расширения числа выполняемых им функций работоспособность каждой отдельной части может обеспечиваться в неодинаковой мере, что приводит к снижению её жизнеспособности. Эта особенность называется в ЗРТС законом неравномерности развития технической системы. О нем подробнее речь пойдет в гл. 2. Пример 1.1. Лампа накаливания появилась как сравнительно простое устройство, содержащее электроды, газовый баллон и цоколь для подвода электрического тока. Со временем электроды были заменены нитью накаливания, а лампу стали использовать для получения более сложных спектров. Для этого в баллон стали помещать новые газы и химические элементы. Их взаимодействие с нитью накаливания (трансмиссией) привело к тому, что срок службы нити уменьшился. Это потребовало новых технических решений.

11

1.2. Закон энергетической проводимости Скажи мне, что и как ты ешь, и я скажу кто ты. Приписывается Ансельму Брийя-Саварену

Еще одним условием существования работоспособной ТС ИСИ является сквозной проход энергии ко всем частям системы, независимо от её сложности (закон энергетической проводимости). Признаками действия закона являются: ü наличие в системе трансмиссий; ü наличие в системе преобразователя энергии: o преобразователи одного вида энергии – энергии поля – в другой вид энергии – механическую энергию движения электронов: подсистемы, ускоряющие электроны; o параметрические преобразователи: конвертеры напряжения и тока, выпрямители; o преобразователи одного вида и одного параметра: тепловая энергия горелки идет на тепловой разогрев и испарение химических элементов помещенных в горелку; ü наличие в системе накопителя энергии. Рассмотрим немного упрощенную трансмиссию ТС ИСИ на примере газоразрядного устройства на основе молекулярного газа (рис. 2). При подаче на электроды газоразрядной колбы, заполненной молекулярным газом, при некотором критическом значении поля происходит пробой газоразрядного промежутка. И в колбе, от катода к аноду, начинают распространяться лавины электронов, создавая плотность тока je. В ходе этого процесса энергия электронов передается нейтральным частицам A, в результате в объеме начинают образовываться возбужденные частицы и ионы (A*, I+, I–)4.То есть энергия электронов передается для изменения внутриатомных или внутримолекулярных энергетических состояний нейтральных частиц. Далее взаимодействие возникших частиц между собой приводит к появлению новых частиц B, и некоторые из них, распадаясь и девозбуждаясь, создают в объеме колбы излучение.

4

В физике газового разряда этот процесс называется электронным ударом. 12

Рис. 2. Передача энергии в разряде в молекулярном газе

Каждая стадия имеет различные временные шкалы: t1 < t2 < t3. Таким образом, процессы передачи энергии в системе не происходят мгновенно. С этой точки зрения вся ТС ИСИ выглядит как цепочка накопителей энергии. Те, что стоят в начале, в ТРИЗ принято называть двигателями. Остальные мы, как правило, не замечаем, но это вовсе не значит, что их нет. Закон энергетической проводимости частей системы уже можно использовать для решения задачи развития технической системы. Для увеличения энергетической проводимости частей системы необходимо предпринять следующие, очевидные с позиций ТРИЗ, действия: 1 ► Нужно укоротить трансмиссию за счет удаления лишних или паразитных элементов, уменьшения длины оставшихся. В ТС ИСИ это обеспечивают, меняя: ü электроды (конструкция, материал, из которого они изготовлены, положение в пространстве), давление и состав рабочей смеси, чтобы увеличить концентрацию и энергетический спектр электронов при электронном ударе; ü схему питания, чтобы потери энергии в ней были минимальны; 13

ü схему питания так, чтобы для заданной рабочей смеси, давления и величины разрядного промежутка как можно больше энергии передавалось газовой среде с минимальными потерями. Пример 1.2. Для увеличения импульсной мощности излучения в газоразрядных системах с возбуждением поперечным электрическим разрядом вместо емкостных накопителей энергии используют индуктивные накопители [16]. 2 ► Нужно уменьшить количество преобразователей энергии на её пути от источника к рабочему органу, для этого: ü используют добавки в рабочую смесь, которые уменьшают безызлучательные потери энергии в среде; ü используют конструкцию колбы и электродов, уменьшающую безызлучательные потери энергии в среде; ü отказываются от многокомпонентных смесей или от молекулярных газов, чтобы обеспечить полезное излучение сразу за счет излучательного девозбуждения атомов A*. 3 ► Если ИСИ сам является элементом подсистемы, то в роли трансмиссии выступает рабочий орган, который тоже может быть оптимизирован для обеспечения лучшей энергетической проводимости за счет: ü обеспечения формирования и притока возбужденных атомов и молекул к облучаемому объекту, чтобы минимизировать потери излучения в среде-посреднике, между источником излучения и облучаемым объектом; ü изменений в геометрии колбы лампы, чтобы концентрировать излучение на объекте согласно условиям задачи; ü изменений материала и структуры выходного окна источника излучения для тех же целей. Пример 1.3. Эксилампы барьерного разряда отличает возможность варьирования геометрии колбы в широких пределах (рис. 3), позволяющая формировать фронты излучения, наиболее подходящие для равномерного облучения объектов разной формы.

14

Рис. 3. Гибкость геометрии эксиламп барьерного разряда. Показаны оболочки ламп и направление выхода излучения

1.3. Закон стремления ТС к идеальности Ценность идеала в том, что он удаляется от нас по мере того, как мы приближаемся к нему. Приписывается Махатме Ганди Безупречный воин пользуется мечом, но не убивает других. Когда они видят в нем совершенное воплощение принципа, они сникают и без каких-либо усилий с его стороны становятся похожими на мертвых. Таких не надо убивать. Такуан Сохо. Хроники меча Тайа

Развитие системы принято связывать с увеличением её степени идеальности И (закон стремления системы к идеальности): И = S Фп / S Фр, где Фп – сумма полезных функций системы; Фр – сумма затрат на функционирование системы. «Конечно, данная формула отражает тенденции развития лишь качественным образом, так как очень сложно оценить в одних и тех же единицах разные функции и факторы» [15, с.10]. Идеальной системой или идеальным конечным результатом (ИКР) развития системы можно назвать такую систему, которой нет, а её функция выполняется. Такая система не должна иметь размеры, вес, не должна потреблять энергию, но при этом должна выполнять полезную функцию, для которой создавалась. Идеальным источником спонтанного излучения в этом случае является само излучение с заданным спектральным составом и энергией. Развитие системы при её стремлении к идеальности может происходить либо последовательно, за счет постепенных из15

менений первичной системы, либо с переходом системы на качественно новый уровень за счет радикального изменения конструкции и/или принципов функционирования системы, которое снимает накопившиеся в процессе последовательных изменений системы противоречия5. Эти последние изменения дают максимальное повышение степени идеальности системы. Однако практика неоднократно показывала, что они же долго не внедряются 6. Последовательные усовершенствования работы ТС осуществляются путем оптимизации отдельных ресурсов, имеющихся у системы или их комбинаций. Типовыми ресурсами всякой ТС являются: 4 ► Ресурсы энергии – энергия, которая имеется в системе или в её окружении, но которую до сих пор не использовали. Дополнительно может быть использована энергия внешней среды или надсистем, в состав которых входит исходная ТС ИСИ. Пример 1.4. Для увеличения лучистого потока излучения в планарной лампе барьерного разряда переходят от конфигурации, показанной на рис. 4 справа, в которой полезное излучение выводилось из лампы через круглое окно из прозрачного на рабочей длине волны материала, к конфигурации, показанной на рис. 4 слева. В этом случае используются прямоугольные окна на торцах и размеры лампы не меняются [17].

Рис. 4. Общий вид барьерных ламп: 1 – окно; 2 – электрод 5 6

Что, конечно, не отменяет появления новых противоречий. О причинах этого мы писали в [18]. 16

5 ► Вещественные ресурсы – любые материалы, из которых состоит система и её окружение и которые до этого не использовались либо использовались для другой цели. Сюда же дополнительно могут быть подключены ресурсы: – являющиеся отходами системы или надсистемы, в которую она включена; – являющиеся промежуточными продуктами деятельности системы или надсистемы, в которую она включена. Пример 1.5. В лампах, содержащих инертный газ и пары химических элементов, увеличив долю легкого инертного газа в смеси, можно улучшить охлаждение смеси в процессе работы. Атомы легкого инертного газа ускорят процесс теплопереноса из зоны разряда на стенки колбы. 6 ► Ресурсы времени – временные промежутки в технологическом процессе, а также до и после него, не использованные ранее или использованные частично. Пример 1.6. Для монохроматизации ВУФ излучения выходное окно лампы предварительно прогревают до температуры 150 0С [19]. 7► Ресурсы средств контроля и управления – при работе системы дополнительные сведения о ней можно получить, анализируя сигналы и продукты деятельности её элементов. Этот ресурс почти всегда предполагает включение ТС в надсистему, содержащую средства контроля или управления. Пример 1.7. Появление в процессе работы в спектре излучения лампы новых линий свидетельствует о загрязнении рабочей смеси. Поэтому данные о новых линиях в спектре могут быть использованы для создания алгоритма контроля качества отпайки колбы или быстрой диагностики состояния смеси лампы в её ресурсных испытаниях [21]. 8► Ресурсы пространства – имеющееся в системе или её окружении свободное, незанятое место, использование геометрических эффектов и пустот вместо вещества. Дополнительно могут оказаться полезными ресурсы пространства, образуемые системой с другими системами.. 17

Пример 1.8. Для вывода вакуумного ультрафиолетового излучения часто используются окна из фтористого магния, которые относительно быстро теряют свою прозрачность при воздействии тепла от раскаленных в процессе работы лампы электродов. Поэтому выходное окно удалили от места зажигания разряда [20] (рис. 5).

Рис. 5. Конструкция лампы: 1– баллон из кварцевого стекла; 2 – окно из фтористого магния; 3 – вольфрамовые электроды

9 ► Функциональные ресурсы – возможности системы выполнять дополнительные функции по совместительству. Пример 1.9. Бактерицидная лампа, разработанная во Всероссийском НИИ электрификации в 1996 г. на основе лампы ДРБ-8, продуцирует и бактерицидное излучение, и озон, что позволяет дополнительно химически разлагать облучаемые объекты. 10 ► Поризм7 или сверэффект (разновидность функционального ресурса) – ситуация, в которой ТС становится неожиданно пригодной для выполнения функций, не запланированных при её создании. 7

От др.-греч. porismoV - приобретение. «В античной литературе поризмом называли утверждение, которое получалось в процессе доказательства теоремы или решения задачи, но получалось как непредвиденное следствие, как промежуточный результат. Хотя поризм получается как логическое следствие, но поскольку он не является частью (целью Z. - Э.С.) познавательной деятельности, для исследователя он может оказаться неожиданным» [23, с.62]. 18

Пример 1.10. Барьерный разряд первоначально использовался как эффективный способ озонирования воздуха, а впоследствии стал элементом трансмиссии эксиламп барьерного разряда [22]. Итак, рассмотрение требований статических законов построения технических систем уже позволяет нам дать 10 рекомендаций по поступательному совершенствованию ТС ИСИ. Однако для прогнозирования развития источников спонтанного излучения необходимо рассматривать имеющиеся системы не в статике, а в динамике, что мы сделаем в следующей главе.

19

Глава 2. ДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ РАЗВИТИЯ ТС ИСИ Рассмотрим динамические законы развития работоспособной технической системы и конкретизируем их действие на примере источников спонтанного излучения. Слово «динамика» будет означать, что техническая система уже синтезирована, т.е. содержит необходимые для своей работоспособности элементы, однако, увы, по-прежнему несовершенна и нуждается в изменениях. 2.1. Закон неравномерности развития ТС ИСИ Неравенство - такой же хороший закон природы, как и всякий другой. Иоганн Шерр

По мере совершенствования источника излучения и расширения числа выполняемых им функций работоспособность каждой отдельной части может обеспечиваться в неодинаковой степени, что приводит к снижению его жизнеспособности. Согласно закону неравномерного развития ТС наиболее быстро развиваются элементы, составляющие рабочий орган ТС. Конкретизируем эту общую формулировку, рассмотрев этапы развития ТС ИСИ. Этап 1. Появление первоэлементов ТС и цели для их сборки в репликатор. Первоначально ТС еще нет, но уже есть элементы, которые могут составить её в будущем. Эти элементы могут образовать целенаправленную систему8, и, если эта система окажется жизнеспособной, то говорят о том, что произошла генерация информации9: Информация I - это некоторые алгоритм, план, указания, согласно которым при помощи некоего реализующего устройства может быть построен оператор целенаправленной деятельности Q. При заданных ресурсах R, в ситуации S он обеспечит достижение события цели Z с вероятностью P, большей 8

В [24] мы называем её репликатором, т.е. такой общностью, которая обладает в заданных условиях способностью к воспроизводству. 9 Информация есть случайный запоминаемый выбор варианта из многих возможных и равноправных (Генри Кастлер) [106]. 20

вероятности p самопроизвольного достижения события цели, или коротко: [R,S] ½Q(I) P > p ® [Z,W], где S®Z - так называемое целевое звено или связка: ситуация S - цель Z; W - побочные продукты, получаемые помимо результата Z; Q - оператор целенаправленного действия, построенный на основе указаний информации I. Действительно, до появления газоразрядных ламп уже были известны такие операторы целенаправленной деятельности, как: – процедуры вызывания люминесценции газов при прохождении через них электрического тока; – процедуры изготовления и использования источников тока; – процедуры получения и выделения чистых газов и пр. Однако потребности в освещении улиц и жилищ решались системами газового освещения. И лишь когда эти системы вышли на максимум своей производительности, возникла новая цель – заменить газовые рожки более дешевыми, компактными и безопасными источниками излучения и использовать для этого готовые операторы целенаправленной деятельности. Этап 2. Зарождение новой ТС в виде одного рабочего органа, относительно простого в изготовлении и совершающего простые действия. Функции органа управления, трансмиссии и двигателя полностью или частично выполняет внешняя надсистема – человек, заинтересованный в полезном эффекте (потребитель). Действительно, пропустив разряд через инертный газ неон, помещенный в колбу с введенными в неё через герметичные затычки проводниками, первые исследователи: – сами включали и выключали ток (орган управления); – использовали любые попавшиеся под руку проводники (трансмиссия); – сами создавали источники питания (двигатель). А вызвано это было тем, что на тот период развития стало совершенно непонятно, какие именно режимы пропускания энергии и какие именно виды энергии вызовут, например, максимальную светоотдачу в возбуждаемой среде. Этап 3. Развитие рабочего органа, а именно разделение рабочего органа на части, автономизация частей, динамизация 21

связей между ними, преобразование рабочего органа в зачаток трансмиссии. Этап 4. Самостоятельное развитие трансмиссии путем развития её частей. Этап 5. Преобразование части трансмиссии в первичные средства управления системой. Пример 2.1. Первым и простейшим искусственным источником УФ-излучения была электрическая дуга, открытая в 1802 г. русским ученым В. Вл. Петровым, но позднее названная вольтовой дугой [25]. Исследования спектра вольтовой дуги показали, что большая часть электрической энергии, потребляемой дугой, расходуется на излучение в диапазоне l = 330-400 нм. Предпринимались попытки изменить материал электродов путем добавления в угольные электроды цинка и алюминия, замены угля на железо, но существенно увеличить выход УФ-излучения при этом не удалось (этап 2). В 1879 г. русским изобретателем И. Репьевым было предложено разделить токоввод на проводник и жидкую ртуть (разделение рабочего органа на части, преобразование рабочего органа в зачаток трансмиссии), а разряд осуществлять в замкнутом пространстве стеклянной колбы, из которой удален воздух (рис. 6).

Рис. 6. Ртутная лампа низкого давления с жидкими электродами

22

В 1904 г. Г.М. Ретчевский заменил стеклянную колбу на кварцевую, повысив выход УФ-излучения атомов ртути (развитие рабочего органа) (этап 3). Далее развивались способы наполнения лампы парами ртути без использования жидкого электрода, а сам электрод заменили на металлический (развитие частей трансмиссии). Изобретение способов получения герметичного места спая электродов и колбы дало возможность работать при давлениях выше атмосферного, началось активное совершенствование системы питания лампы (совершенствование трансмиссии вызвало появление зачатков управления системой). Этап 6. Отделение средств управления от трансмиссии, динамизация её связи с трансмиссией и другими частями системы. Этап 7. Формирование зачатков двигателя путем преобразования одной из частей рабочего органа и/или трансмиссии в промежуточный накопитель энергии. Этап 8. Переход от накопителя к преобразователю энергии, вначале от внешнесистемных, а затем и внутрисистемных источников [26]. На этапах 6-7 ТС ИСИ оснащается развитой электрической схемой, способной накапливать и преобразовывать электроэнергию, которая выступает и как двигатель (источник питания), и как орган управления (устройства коммутации напряжения, задающие генераторы, логические цепи включения-выключения). Поскольку этапы 1-7 являются универсальными, то становится возможной следующая рекомендация по развитию ТС: 11 ► Проследите цепочку технических решений, ведущих к решению, с которым вы работаете в данный момент и которое вас по каким-либо причинам не устраивает. Определите, что далее, согласно последовательности этапов неравномерного развития, должно развиваться в вашей ТС. Совершенствуйте вашу систему в этом направлении. Для этого используйте, например, типовые приемы разрешения противоречий (гл. 3), и/или ресурсный анализ (п.1.3), и/или меняйте трансмиссию, если ваша ТС находится на этапах развития 4-8, и/или применяйте методы согласования-рассогласования (п. 2.2).

23

2.2. Закон согласования-рассогласования ТС ИСИ Перемены - это неизменность в меняющихся обстоятельствах. Самюэл Батлер

В процессе развития системы происходит согласование и рассогласование её параметров. Общая схема этого процесса, повышающего степень идеальности системы, за один цикл развития любой целенаправленной системы такова [15]: 1. Согласование системы и её подсистем между собой и надсистемой/надсистемами, заключающееся в приведении основных параметров к значениям, обеспечивающим наилучшее функционирование10. ¯ 2. Рассогласование - целенаправленное изменение отдельных параметров (вредных факторов) для получения дополнительного сверхэффекта. ¯ 3. Динамическое согласование-рассогласование, позволяющее управляемо менять параметры системы. ¯ 4. Самосогласование - переход к самоуправлению параметров системы, влияющих на её оптимальную работу. По способу изменения параметров различают следующие виды согласования: - прямое - увеличение одного параметра требует увеличения другого (увеличение импульсной мощности излучения ТС ИСИ требует увеличения радиационной стойкости оболочки колбы); - обратное - увеличение одного параметра требует уменьшения другого (увеличение длины разрядного промежутка требует уменьшения общего давления газовой смеси в колбе). По типу изменяемых параметров различают: 10

Что мы уже видели на стадии появления системы, когда происходит улучшение энергетической проводимости между элементами ТС. 24

- однородное согласование однотипных параметров (температуры элементов, впаянных в диэлектрическую оболочку лампы, должны быть близки температуре самой оболочки); - неоднородное согласование разнотипных параметров (величина крутизны переднего фронта импульса напряжения, подаваемого на электроды лампы, должна быть согласована с давлением и составом рабочей смеси, длиной газоразрядного промежутка). По типу отношений согласуемых параметров различают: - внутреннее согласование параметров подсистем между собой (материал электродов должен обеспечивать их долговечность); - внешнее согласование параметров системы с надсистемой/надсистемами, которое в свою очередь разделяется: -- на непосредственное согласование между связанными между собой системами (лампы для калибровки спектральной аппаратуры и спектральная аппаратура); -- на условное (косвенное) согласование между системами, непосредственно не связанными между собой (при создании эксиламп никто не знал, что они найдут широкое применение, однако с ужесточением общественных стандартов на глубокую утилизацию ртути из ртутных ламп была создана высокоэффективная система освещения на основе эксимерных молекул, заменяющая ртутные лампы дневного света). Согласование в ТС осуществляется постадийно: I. Принудительное согласование - в первичной системе подсистемы имеют разные уровни развития, поэтому эффективность более развитых систем снижается до уровня наименее развитых (см. пример 1.5 и рис. 4 (слева)). II. Буферное согласование - согласование с помощью специально вводимых буферных звеньев (трансформация напряжения промышленной частоты до частоты, необходимой для работы ИСИ). III. Свернутое согласование (самосогласование) - согласование за счет средств самих подсистем, предпосылкой которого является возможность хотя бы одной из подсистем работать в динамичном режиме. 25

На каждой из этих стадий согласованию-рассогласованию подлежат различные параметры ТС, а конкретно - материалы, формы и размеры, ритмика действия, структура, потоки, время жизни: 12 ► Согласование при помощи выбора различных материалов обеспечивается: ü выравниванием свойств материалов по всему объему: использование однородного заполнения, материалов высокой чистоты, устранение внутренних напряжений в материале (стенки импульсных ламп изготавливаются из плавленого кварца с минимальным количеством дефектов, чтобы препятствовать разрушению колбы за счет акустического резонанса); ü использованием одинаковых материалов для разных частей ТС для выполнения разных функций; ü устранением взаимодействий между средами, находящимися в соприкосновении (электроды дуговых ламп выполняются из химически инертных материалов, чтобы увеличить срок службы ламп). 13 ► Рассогласование при помощи выбора различных материалов обеспечивается: ü дифференциацией свойств материалов по всему объему: использование легированных материалов и материалов с предварительным напряжением (стенки импульсных ламп изготавливаются из плавленого кварца с минимальным количеством дефектов, чтобы препятствовать разрушению колбы за счет акустического резонанса); ü использованием разных материалов для разных частей ТС для выполнения разных функций; ü использованием разницы в физических и химических свойствах между веществами для получения полезного эффекта (нанесение на внутреннюю поверхность лампы слоя люминофора для изменения спектра излучения). 14 ► Динамическое согласование-рассогласование при помощи выбора различных материалов обеспечивается: 26

ü использованием вместо вещества полисистемы с измененным состоянием (в лампах тлеющего разряда с протяженными электродами электроды секционируют, что обеспечивает разряду устойчивость при повышенных давлениях); ü использованием веществ с изменяющимися агрегатными состояниями, переходящими в процессе работы в новое агрегатное состояние (твердые матрицы, содержащие химические элементы при разогреве лампы выделяют пары химических элементов в объем); ü использованием веществ с нелинейными зависимостями параметров от полей (материалы с памятью формы, полупроводники, оптические лимитеры); ü самосогласованием материалов (использование геттеров, поглощающих вредные примеси, выделяющиеся в процессе работы лампы из стенок и электродов и одновременно не поглощающих атомы и молекулы рабочей смеси). 15 ► Согласование при помощи выбора формы и размеров обеспечивается: ü приданием ТС формы и размеров, обеспечивающих оптимальное взаимодействие с внешней средой (коаксиальные лампы удобны для прокачки через них облучаемых жидкостей); ü использованием простых геометрических форм, которые легко изготовить (см. рис. 3,4). 16 ► Рассогласование при помощи выбора формы и размеров обеспечивается: ü приданием ТС формы и размеров, обеспечивающих появление дополнительного эффекта (см. рис. 5); ü использованием сложных геометрических форм для получения дополнительного полезного эффекта (использование спиральных колб, электродов ламп полого катода). 17 ► Динамическое согласование-рассогласование при помощи выбора формы и размеров обеспечивается: 27

ü изменением формы и размеров, происходящим под действием внешнего управления (лампы, которые необходимо встряхнуть, чтобы изменить межэлектродное расстояние); ü самосогласованием формы и размеров. 18 ► Согласование-рассогласование ритмики действия обеспечивается: ü настройкой-расстройкой работы подсистем (при высокочастотном возбуждении лампы каждый последующий импульс напряжения может подаваться на электроды до или после завершения релаксационных процессов в газовой среде); ü настройкой-отстройкой от ритма работы элемента ТС, имеющего некоторую для него собственную частоту колебаний. 19 ► Динамическое согласование-рассогласование ритмики действия обеспечивается: ü управлением частотой процесса (установление контура обратной связи между оптимальным током через газоразрядный промежуток и частотой следования импульсов возбуждения, генерируемых источником питания); ü самосогласованием, самосинхронизацией частот работы разных подсистем (схемы синхронизации запуска). 20 ► Согласование при помощи структуры обеспечивается: ü изменением сложности подсистем (сложный источник питания выгодно подключать к лампе в одном целевом звене и невыгодно в другом); ü исключением промежуточных согласующих подсистем; ü стандартизацией частей систем (создание светоизлучающих панелей на основе стандартных миниатюрных светодиодов). 21 ► Рассогласование при помощи структуры обеспечивается дифференцированием внутренней структуры системы, при этом условия на входе и выходе ТС определяются внешней средой и/или человеком, а условия в зоне действия рабочего органа 28

стремятся к оптимальности (введение дополнительных структурных элементов в зону формирования разряда ламп позволяет создавать оптимальные для каждой конкретной задачи условия зажигания разряда, повышает его яркость, меняет временные характеристики излучения и пр.). 22 ► Динамическое согласование-рассогласование обеспечивают условия, в которых в ТС появляются самоорганизующиеся (саморегулирующиеся) структуры. 23 ► Согласование при помощи потоков в системах обеспечивается выравниванием субстратной и/или энергетической проводимости всех частей системы, а рассогласование, напротив, путем придания разным частям системы разной проводимости (для наибольшего энерговклада в рабочую среду сопротивление разрядной плазмы должно быть согласовано с выходным сопротивлением электрической схемы питания). 24 ► Динамическое согласование-рассогласование при помощи потоков соответствует изменению проводимости разных частей в зависимости от условий. 25 ► Согласование-рассогласование по времени жизни обеспечивается выбором подсистем, имеющих одинаковое либо различное время жизни (для получения максимально продолжительной работы источника излучения сроки службы электродов, генератора и смеси должны быть сопоставимыми, однако если этого нельзя достичь, можно выполнить электроды и/или колбу, и/или электрическую схему генератора в виде съемных блоков, чтобы при поломке они легко заменялись новыми). При динамическом согласовании-рассогласовании срок службы элементов ТС меняется в зависимости от условий работы. 2.3. Повышение динамичности и управляемости ТС ИСИ Всякий существующий порядок приходится непрерывно наводить. Владислав Гжегорчик

В процессе развития целенаправленной системы её способность к целенаправленным изменениям, обеспечивающим лучшую адаптацию к экологической нише, которую она занима29

ет, растет. В этом случае говорят о повышении динамичности и управляемости системы. Как мы отмечали выше, ТС рождается статичной, направленной на повышение вероятности достижения некоторой фиксированной цели Z в некотором фиксированном целевом звене (однофункциональная система). Повышение динамичности системы приводит к возможности использовать систему для решения нескольких задач (полифункциональность): – появляются системы со сменными элементами (осветительные устройства со сменными колбами); – орган управления усложняется настолько, что для выполнения системой всех своих функций недостаточно автоматики, и орган управления представляет собой программу, которая регулирует работу системы в зависимости от внешних и внутрисистемных условий; – появляются системы с изменяющимися элементами (плазменные электроды). При этом одновременно происходит повышение числа степеней свободы системы и повышение управляемости системы. Действительно, если система работает в фиксированном целевом звене (ЦЗ1) в заданных условиях ([R,S] ® [Z,W])1, то управление системой состоит главным образом в её включении и выключении в нужные моменты времени. Если же система становится способной для работы еще в одном целевом звене ([R,S] ® [Z,W])2 (повышение степеней свободы), то теперь её орган управления должен также содержать и логическую цепь, определяющую, в каких условиях система обеспечивает потребности ЦЗ1, а в каком случае потребности ЦЗ2, и переключающую системы в нужный режим, что означает увеличение управляемости системой. Пример 2.2. Традиционно для облучения растений в теплицах используются специальные металлогалогенные лампы. Однако во время работы металлогалогенный наполнитель выгорает и спектр излучения становится все менее и менее пригодным для облучения. В [27] было предложено ввести в управление лампой контур обратной связи между спектральным составом излучения и металлогалогенным наполнителем. Это позволило увеличить управляемость спектром излучения лампы в новом целевом звене увеличения срока службы. 30

Повышение управляемости ТС, как мы видели в п. 2.2, может происходить принудительно, а также переходом сначала к локальному, а затем к полному самоуправлению при проведении согласования, рассогласования и динамического согласования-рассогласования на одном цикле развития системы. Повышение степеней свободы можно трактовать не только с общих позиций, как переход ТС к работе с несколькими целевыми звеньями, но и – как изменение в пространстве, а именно как переход от статичной в пространстве структуры системы к изменяемой (гибкая, шарнирная, зубчатая, пневматическая и пр.); – как изменение размерности, т.е. как переход от макросистемы к системам, изменяемым на микроуровне (химические превращения, фазовые переходы, свойства вещества, дающие нелинейные эффекты). Причем и в первом и во втором случае изменяться могут как вещества, так и поля. Пример 2.3. С развитием ламп полого катода формой свечения разряда в катоде стали управлять при помощи наложения на разряд магнитных полей (рис. 7) [28]. Рис. 7. Ориентация магнитных полей, накладываемых на разряд в полом катоде (слева), и соответствующий им вид светящейся плазмы с переднего торца катода (справа)

Итак, динамизация системы в ходе её развития автоматически предполагает повышение числа степеней свободы и управляемости. 31

2.4. Развертывание-свертывание ТС ИСИ и переход к надсистеме Где бы ты ни оказался, живи по законам того мира, в который ты попал, и используй сами эти законы, чтобы освободиться от них. Виктор Пелевин

Повышение степени идеальности ТС сопровождается её развертыванием – за счет усложнения системы с увеличением количества и качества функций ТС (п. 2.3), и свертыванием – упрощением системы при сохранении полезных функций. Развертывание технической системы начинается с момента её появления. Признаком развертывания является формирование функционального центра ТС, который создается путем объединения ранее самостоятельных операторов информации (как в примере к этапу 1, п.2.1), либо уже самостоятельных систем и подсистем, специально созданных для их объединения с получением нового системного свойства. Объединяться в функциональный центр могут системы и операторы, которые компенсируют вредные функции друг друга, или, наоборот, оказывают друг на друга взаимодополняющее действие. Функциональный центр появляется как рабочий орган «новорожденной» системы, а впоследствии включает трансмиссию и орган управления. Условия работоспособности функционального центра мы рассмотрели в предыдущих разделах, это: - минимальная работоспособность каждой подсистемы, образующей новую систему (п. 1.1); - наличие сквозного прохода энергии через систему (п. 1.2). В процессе совершенствования функционального центра прохождение энергии через систему оптимизируется (п. 1.3), а динамическое согласование-рассогласование вкупе с развитием органа управления приводит к оптимизации вещественных и управляющих потоков. При этом в рамках существующей конструкции развертывание ТС происходит от функционального центра к периферии и осуществляется по нескольким сценариям: ü к системе подключаются элементы и/или подсистемы, выполняющие вспомогательные функции (лампа снабжается счетчиком рабочего времени); 32

ü к системе подключаются дополнительные элементы и/или подсистемы, повышающие качество выполнения главных функций системы (лампа снабжается экраном для защиты глаз человека от излучения); ü внутренняя структура системы усложняется: управление остается иерархическим (от органа управления), но число уровней в иерархии увеличивается, для чего подсистемы дробятся на элементы, имеющие одну функцию и имеющие разные функции (гирлянда огней вместо одного осветителя: лампочки можно добавлять, а система управления питанием гирлянды не меняется); ü структура потоков в ТС переходит от иерархической к сетевой или ретикулярной11 (удешевление микросхем приводит к тому, что в перспективе состояние каждого элемента лампы можно будет контролировать отдельно). Если при создании функционального центра объединились самостоятельные системы, то такой переход называется надсистемным. Переходу в надсистему в какой угодно области техники предшествует: - наличие устоявшихся конструкций; - применение типовых блоков, решений; - типовое проектирование ТС; - стандартизация процедур проектирования. Развертывание ТС в надсистему осуществляется несколькими способами за счет объединения: ü однородных систем12 (батарея осветителей дает возможность облучать большую поверхность сложной формы - решать задачу, с которой не справится отдельный осветитель); ü разнородных подсистем, дающих новые системные свойства (такие ТС, как батарея питания и электродная система, сами по себе не дают такого надсистемного эффекта, как вольтова дуга);

11

От лат. reticulum - сеточка. Надсистема из двух одинаковых подсистем называется бисистемой, а в остальных случаях полисистемой. 33 12

ü конкурирующих систем, предназначенных для работы в одном целевом звене или разных целевых звеньях, но достигающих результата сходным образом (пример 2.4); ü сдвинутых систем, имеющих близкие, но неодинаковые характеристики и/или главные полезные функции (набор ламп, имеющих различные спектры, подключаемых к одному и тому же источнику питания); ü инверсных систем, т.е. систем, выполняющих противоположные функции (объединение системы, создающей свет, и системы, почти полностью его поглощающей, привело к появлению семейства фотохимических реакторов). Пример 2.4. ИСИ с плазменным катодом получен объединением двух систем: системы поверхностного разряда и системы для накачки лазеров на плотных газах [29]. Сначала разряд развивается по поверхности диэлектрической пластины, формируя плазменный слой (плазменный электрод), а затем происходит разряд между электродами (рис. 8). Обе системы выполняют одну и ту же функцию – обеспечивают ввод энергии в газовую смесь, и в этом смысле это конкурирующие между собой системы, однако их объединение существенно усиливает энерговклад в среду. Рис. 8. Схема установки с плазменными электродами

Свертывание технической системы еще можно назвать упрощением системы, так как число полезных функций не меняется, но между ранее отдельными элементами системы стираются границы. 34

Условно разделяют минимальное, частичное и полное свертывание ТС. При минимальном свертывании в ТС можно выделить исходные системы, из которых она построена, поскольку связи между ними носят временный характер. Полное свертывание - другой полюс - здесь между подсистемами установились настолько неразрывные связи, что, во-первых, выделение из ТС подсистем с сохранением полезной функции теряет смысл, а подчас невозможно, а во-вторых, система выполняется как единое целое. Пример 2.5. Светоизлучающие панели являются частично свернутой системой, в которой объединено множество ячеек барьерного разряда (рис. 9). При этом каждая ячейка, хотя и излучает самостоятельно, имеет общий катод (1), общий диэлектрический субстрат (2) и общую для всех ячеек схему питания [30].

Рис. 9. Структура светоизлучающей панели, состоящей из нескольких однотипных светодиодов: 1 – алюминиевый катод; 2 – панель из стеклоэпоксидного наполнителя; 3 – открытый светодиод

Процессы развертывания-свертывания при стремлении ТС к идеальности чередуются, но поскольку ТС является многокомпонентной, то развертывание-свертывание может частично или полностью перекрываться, например, свертка одних элементов может сопровождаться развертыванием других. Обобщая сказанное в этом разделе, схему развития технической системы при её переходе к надсистеме можно представить рис. 10. 26 ► После создания функционального центра новой системы изучите связи между её элементами. Ответьте на вопросы, какие элементы можно подвергнуть свертке, а какие развертыванию. 35

Рис. 10. Общая схема развития технической системы при её переходе к надсистеме

36

2.5. Этапы развития ТС ИСИ Видимая целесообразность - способность достигать неких конечных целей - в живой природе встречается довольно часто, и не только у высших форм. Напротив, её отсутствие составляет скорее исключение Мартинас Ичас

В целом ряде работ последних десятилетий было показано, что системы «человек–ТС», биосистема, социальная организация могут быть описаны с единых позиций при помощи методов, появившихся на стыке системного анализа, теории решения изобретательских задач [31, 32], телеологической теории информации (ТТИ) [24, 33-35] и синергетики [36, 37]. И биосистемы, и социальные организации, и человекомашинные системы являются целенаправленными13, а их деятельность неразрывно связана с деятельностью живых организмов: во всех случаях происходит осознанное или неосознанное преследование некоторой цели14. Так, · В целях выживания вирусная частица, прикрепившись к поверхности бактерии, впрыскивает в неё свою дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). · В целях застройки своего места жительства и защиты от стихии бобёр перегрызает дерево. · В целях компенсации нехватки микроэлементов в пище человек употребляет специальные таблетки, животное отыскивает и поедает некоторые растения и минералы, а растения пытаются распространиться по поверхности земли, укореняясь в почвах, элементный состав которых наиболее благоприятен для питания и размножения. · В целях экономии и увеличения производительности изобретатель создаёт новые технические системы.

13

От др.-греч. teloV - цель, свершение. Целенаправленные системы изучает телеологическая теория информации, разработанная В.И. Корогодиным в конце 1980-х гг. [33]. 14 В английской естественно-научной литературе это называют goal-seeking. 37

Все целенаправленные системы деятельности проходят в своем развитии одинаковые фазы развития. Это обстоятельство становится предметом для разного рода феноменологических исследований. Обратимся к мнению специалистов, изучающих процессы биологического роста и старения. Например, изменение массы тела мужчин в процессе жизни описывается так называемой Sобразной кривой [38] (рис. 11).

Рис. 11. Изменение массы тела бельгийских мужчин первой половины прошлого века в процессе жизни: 1 - экспериментальные данные [39]; 2 - расчетные данные [40]; МПЖ и МВПЖ - предельные значения максимальной реальной и максимальной теоретически возможной продолжительности жизни людей [41]

Анализ патентной информации показывает, что процесс развития технических систем также описывается S-образной кривой (рис. 12): «В своем развитии техническая система проходит определенный жизненный цикл от зарождения идеи её создания с заданной целью до конца периода эксплуатации» [42]. В силу сходства кривых развития биологических и технических систем в описании эволюции ТС используются антропоморфные термины: «детство», «зрелость» и т.д. В «детстве» (участок 1) техническая система развивается медленно. Затем наступает пора «возмужания» и «зрелости» (участок 2) – техническая система быстро совершенствуется, начинается массовое ее применение. С какого-то момента тем38

пы развития начинают спадать (участок 3) - наступает т.н. «старость». Далее (после точки b'') возможны два варианта. Рис. 12. Классическая диаграмма развития технической системы по Альтшуллеру

Техническая система А либо деградирует, становясь принципиально другой системой Б (современные парусники не имеют скоростей, на которых сто лет назад ходили чайные клиперы), либо на долгое время сохраняет достигнутые показатели (лампы накаливания не претерпели существенных изменений за последние полвека и не были вытеснены новыми источниками света), т.е. остается на участке с насыщением S-кривой. Если обратиться к сути происходящих с технической системой изменений, то её судьба жестко привязана к количеству и качеству новаций, сопровождающих совершенствование этой системы [26,43,44]15. Целью каждой такой новации является сохранение и/или увеличение эффективности системы в целевом звене (т.е. для задачи), для которого она была создана. И каждый раз новация разрешает конкретное противоречие, с которым сталкивается система. Причем как в технических, так 15

Аналогично S-образной кривой описывается и развитие социальных систем, об этом подробно в [46]. 39

и в биологических системах происходит постоянный целенаправленный отбор решений, которые могут появляться как в результате спонтанных изменений внутренних параметров системы [38], так и за счет применения специальных методов поиска новых решений [43]. Чтобы понять, что стоит за фазами развития ТС, обратимся к конкретному примеру. Пример 2.6. Развитие ТС «эксилампа». О том, как развивается техническая система, можно судить по уровню патентования устройств фиксированного назначения. Данные о численности патентов всегда рассматриваются в качестве важнейшего показателя результативности научноисследовательской и опытно-конструкторской работы (НИиОКР). Однако «не все патенты одинаково значительны технически и экономически», отмечают специалисты американского национального научного бюро (NSF), что может быть связано с совершенно противоположными с точки зрения финансовой деятельности причинами: от рекламы своих достижений до желания разработчиков поскорее окупить расходы на НИиОКР [45]. Наша книга посвящена прогнозированию и методам развития ТС ИСИ. Обратимся к данным о патентах и разработках источников излучения. Поскольку источников излучения существует великое множество, чтобы не распыляться, мы несколько сузим область рассмотрения, ограничившись показателями, отражающими технический уровень разработок в области ИСИ ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового диапазона спектра, а конкретно к техническим системам на основе эксимерных и эксиплексных молекул (ТС «эксилампа»). Первые данные о том, что разряды в инертных газах дают непрерывные континуумы излучения, были получены в период с 1930 по 1963 г., когда были открыты широкополосные непрерывные континуумы He, Ne, Ar, Kr, H2 [47-50], а наиболее удачная качественная их интерпретация сделана R.S. Мulliken в работе [51] на примере двухатомной молекулы Xe2*. Y. Tanaka, A.S. Jursa и F.J. Le Blank [52] отметили, что излучение континуумов зависит от сорта газа и по мере уменьшения порядкового номера элемента сдвигается в более коротковолновую область. 40

Идея использовать барьерный разряд для возбуждения излучения благородных газов проявилась впервые, по-видимому, в работе Е.Н. Павловской и др. [53], где в разряде с керамическими электродами возбуждался водородный континуум. Попытки получить там же континуумы инертных газов к успеху не привели. Однако позже, в 1978 г., на одном из всесоюзных семинаров по физике ВУФ эти же авторы сообщили о получении указанных континуумов в приборе типа озонатора. Та же группа исследователей запатентовала первый ВУФ-источник, возбуждаемый барьерным разрядом [55]. Так появилось первое патентное свидетельство о ТС «эксилампа». Итак, первые данные о возможности получения излучения на димерах инертных газов были известны уже давно, однако число работ по их изучению и созданию на их основе работоспособных светоизлучающих устройств было невелико, сохраняясь из десятилетия в десятилетие на уровне «шума» (участок «детства» системы на рис. 12). И даже в 1982 г. после появления первого патента [55] ситуация существенно не изменилась. Что произошло далее? Если взять все поданные за период с 1982 по 1993 г. заявки на устройства и способы получения и применения ТС «эксилампа»16 за 100 %, то получим определенную динамику патентования (рис. 13). Рис. 13. Динамика патентования ТС «эксилампа»

80

Количество заявок, %

70 60 50 40 30 20 10 0 1982-1984 16

1985-1987

1988-1991

Для анализа брались индексы международной классификации изобретений 7/24, 65/04, 61/76, 17/04, 61/067, исключая лампы, возбуждаемые радиочастотными генераторами. 41

Подчеркнем еще раз, что не все поданные заявки равноценны, но сами цифры подтверждают рост интереса к новой системе получения излучения. При этом в лидеры-заявители за этот период вышли фирмы, которые уже производили ИСИ, озонаторы, устройства для энергетической отрасли или были известны по своим лазерным проектам. В это время по способу получения ВУФ- и УФ-излучения хорошо выделяются решения с использованием барьерного разряда – их больше всего. Свое происхождение они ведут от одного и того же модифицированного впоследствии ABB российского прототипа [54] – яркий пример того, как за научной по своей сути разработкой отечественная ламповая промышленность не заметила перспективного и долгосрочного продолжения. Далее по рейтингу способов получения ультрафиолета за системами с возбуждением барьерным разрядом следуют схемы, в которых газовые среды в отпаянных разрядных промежутках возбуждаются СВЧ, а за ними, примерно в равной пропорции, схемы со скользящим и капиллярным разрядами или самостоятельный разряд с искровым и фотопредыонизаторами. Самая экзотическая схема обеспечивает переизлучение света от внешнего осветителя. В перечисленных схемах объектами патентования являются: ü новые электроды (обычно – порядок их расположения и форма); ü способы прокачки и охлаждения смеси; ü геометрия источника (планарная, цилиндрическая, сферическая); ü в отдельных случаях патентуется устройство вместе с электрической схемой. Отметим, что часть этих нововведений не была бы признана российской патентной экспертизой, поскольку не все эти нововведения удовлетворяют требованию соответствия изобретательскому уровню, т.е. не все они неочевидны [55, с.75]. Чем же было вызвано стремительное развитие системы после того, как десятилетиями ничего не менялось? Дело в том, что технические системы в техносфере существуют не изолированно и, подобно биологическим видам, постоянно соревнуются за место в тех или иных экологических ни42

шах17. К началу 90-х гг. накопилось значительное количество научной и технической информации о взаимодействии ультрафиолетового излучения с физико-химическими и биологическими системами. С одной стороны, выяснилось, что: ü во многих случаях эти системы избирательно реагируют на те или иные длины волн; ü селективное воздействие позволяет повысить степень управляемости фотопроцессами. С другой стороны, как источники селективного воздействия к этому времени уже получили широкое распространение лазеры. Однако получение высококачественной лазерной энергии оказалось энергетически затратным механизмом: после многих лет исследований получить лазерное излучение с большим КПД не удалось. Кроме того, при облучении протяженных систем лазерное излучение требуется дефокусировать или снабжать лазер специальной системой сканирования, что также повышает эксплуатационные расходы. Благодаря этому появление селективных ТС «эксилампа» было встречено западным рынком технологий с живым интересом. При этом новые источники излучения: ü оказались сравнительно недорогими (цена эксилампы по крайней мере на порядок меньше цены УФ- или ВУФлазера); ü обеспечили излучение относительно меньшего качества, но при этом его спектральный состав оказался управляемым, а энергии фотонов (от 3 до 10.5 эВ) достаточными для применения практически во всех известных фотопроцессах, в которых необходимо УФ- и/или ВУФизлучение; ü обеспечили возможность облучения селективным УФ- и ВУФ-излучением протяженных объектов. Большинство поданных за 1982-1995 гг. заявок – это заявки на устройства, и почти нет заявок с упоминанием об их использовании в различных отраслях. Ситуация меняется после 1995 г., когда доля заявок на применения ИСИ начинает увеличиваться. Начиная с 1994 г. число патентов на ТС «эксилампа» уменьшается. К настоящему времени патенты на эксилампы, приспособленные к тем или иным практическим задачам, выхо17

Вопрос об этом подробнее рассмотрен в [46]. 43

дят чаще, чем патенты на совершенствование отдельных её элементов. Итак, ТС «эксилампа» находится сейчас в стадии «возмужания» и «зрелости», когда система быстро совершенствуется и начинается массовое её применение. Ежегодно возникают все новые фирмы, начинающие серийный выпуск эксиламп. Чтобы продлить этот период развития, необходимо системно и методично изучить потребности в излучении эксиламп для нужд научного эксперимента и промышленности, составить список надсистем, в которых на уровне надсистемы можно получить новые сверхэффекты. Об этом речь пойдет в гл. 4. С учетом сказанного о законе S-образного развития ТС можно дать блок новых рекомендации по развитию ТС ИСИ. Разумеется, эти рекомендации применимы после того, как вы определились с уровнем развития данной конкретной ТС. Так, если вы уже имеете готовый функциональный центр, то используйте рекомендации, относящиеся к этапу «зрелости», чтобы совершенствовать систему и рекомендации, относящиеся к этапу «старости», чтобы прогнозировать развитие вашей ТС. Рекомендации для создания ТС ИСИ18, находящихся на первом этапе развития «детство» (этап создания ТС): 27 ► Составьте список веществ (в т.ч. агрегатных состояний, в которых они могут находиться), излучающих в нужном вам диапазоне длин волн, и операторов, вызывающих люминесценцию. В качестве операторов могут выступать различные физические поля, в т.ч. и механические. Заполните таблицу. Вещества 1 … N

1 + … +

Операторы … M – … +

– … –

Проанализируйте сочетания, определите, какие из них уже используются на практике, а какие - нет. 18

Здесь мы будем исходить из того, что основная функция ТС ИСИ – создание излучения с заданным спектром. 44

Если сочетание новое, то оцените трудоемкость его реализации на практике: имеются ли уже готовые элементы, которые позволили бы провести экспериментальную проверку вашей идеи? Если ответ утвердительный, реализуйте свое сочетание на практике. Дает ли оно зачаток рабочего органа? Имейте в виду и то, что веществ и операторов в сочетании может быть несколько и порядок их включения в процесс прохождения энергии через протосистему может быть разным. Будьте смелее, отбросьте шаблонные представления о том, что «свет должен получаться так-то и так-то»! 28 ► Чего не стоит делать на этом этапе: ü соединять слишком большое количество элементов, это снижает работоспособность протосистемы в целом; ü сочетать хорошо развитые элементы, которые тем не менее не рассчитаны на совместную работу, либо включать в подсистему элементы (технологии, операторы, материалы), применимые сейчас, но не имеющие достаточных ресурсов развития. Пример 2.7. Сочетание возбуждения осколками деления радиоактивных материалов инертных газов, помещенных в камеру с выходными окнами и пропускающими ВУФ-излучение, дает возможность получения протосистемы «лампа с ядерной накачкой» [56]. И система вывода излучения из ядерного реактора и окна для ВУФ-излучения являются хорошо отработанными элементами. Однако под воздействием осколков деления выходные окна быстро деградируют, теряют прозрачность в ВУФ-диапазоне спектра, поэтому данная система не может считаться работоспособной и как ТС не имеет перспективы, пока не будут созданы радиационно стойкие и оптически прозрачные материалы. Последнюю проблему решают уже не одно десятилетие, но добиться существенного прогресса не удается (т.е. применили элемент, не имеющий достаточного ресурса развития); ü динамизировать и свертывать синтезированную систему – это задачи 2-го и 3-го этапов развития ТС (например, вопрос о геометрии нового ТС ИСИ имеет на этом этапе третьестепенное значение); 45

ü сразу же внедрять синтезированную систему, не обеспечив её достаточной надежностью, не снизив стоимость и не продумав вопросы сервисного обслуживания (это задачи 2-го этапа развития системы). Пример 2.8. Все попытки широкого использования свечей Яблочкова для бытового и уличного освещения провалились. Протосистема не обладала необходимой надежностью и имела относительно высокую стоимость. Рекомендации для ТС ИСИ, находящихся на 2-м этапе развития «возмужание»: 29 ► К ТС ИСИ, находящейся на этапе «возмужание», применимы все рекомендации, сделанные нами ранее в п.1.2 и 2.1-2.4, т.е. система может быть подвергнута согласованию, рассогласованию, динамизации, улучшению энергетической проводимости, может быть увеличена управляемость системы. 30 ► Чего не стоит делать на этом этапе: ü использовать найденные на 1-м этапе технические решения без изменений (типичная ошибка перехода к массовому производству, когда разработчик считает, что разработанный единичный экземпляр ТС можно без переделок пустить в серию); ü надеяться на устойчивое долговременное воспроизводство отработанной ТС. Рекомендации для ТС ИСИ, находящихся на 3-м этапе развития «старость»: 31 ► Действуйте согласно рекомендации 27, только вместо веществ выбирайте различные варианты уже существующей ТС, находящейся в стадии «старость». «Скрещивайте» её с другими системами и операторами, имея в виду сценарии перехода в надсистему, описанные в п.2.4. Примеры подобных действий мы приведем в гл. 4. 32 ► Чего не стоит делать на этом этапе: 46

ü придерживаться установившихся конструктивных решений и стандартов; ü зацикливаться на усовершенствовании подсистем существующей ТС, что, как правило, не дает заметного увеличения качества в выполнении системой своей полезной функции; ü в революционном порыве заменять состарившуюся систему новой, работоспособность которой обеспечивать сложнее; ü тратить силы на поиск недостатков у конкурирующих систем (лучше подумайте, как совместить эти системы подобно примеру 2.4).

47

Глава 3. ПРИЕМЫ УСТРАНЕНИЯ ПРОТИВОРЕЧИЙ В ТЕХНИКЕ ИСИ Помни об общем принципе, и ты не будешь нуждаться в совете. Эпиктет

В этой части мы перечислим типовые принципы устранения технических противоречий и поясним их примерами для ТС ИСИ. Впервые эти принципы были сформулированы Г.С. Альтшуллером [57]. С тех пор они только корректировались, а в [24] были сформулированы как частный случай закономерностей устранения противоречий в развитии целенаправленных систем. 3.1. Принцип дробления: а) разделить объект на независимые части; б) выполнить объект разборным; в) увеличить степень дробления объекта. Пример 3.1.1. Эксилампа тлеющего разряда со средней мощностью более 1 кВт. Для возбуждения эксиламп при небольших давлениях (например, от единиц до десятков торр) часто используется тлеющий разряд. Для него характерны небольшая сила тока (i ~ 10-6-10-1 А для трубок радиусом 1-5 см), достаточно высокое напряжение на электродах (от сотен до десятков тысяч вольт) и простота применяемого источника питания (обычно используется источник постоянного или переменного тока с частотой промышленной сети 50-60 Гц). Наибольший выход излучения осуществляется из зоны положительного столба, занимающей в указанных условиях более 90 % разрядного промежутка. Самой простой в изготовлении и масштабировании является цилиндрическая лампа тлеющего разряда (рис. 14). Она состоит из кварцевой трубы и электродов, расположенных по её торцам. Лампы тлеющего разряда наиболее легко позволяют увеличить возбуждаемый объем рабочей среды и, соответственно, среднюю мощность излучения. Например, переход к разрядным трубкам большего диаметра или с большим межэлектродным промежутком увеличивает эффективность и среднюю мощность излучения [58, с.77]. 48

Рис. 14. Цилиндрическая лампа: 1 – источник питания; 2 – цилиндрическая кварцевая либо стеклянная оболочка; 3 – напуск рабочей смеси; 4 – электроды

Однако слишком большое увеличение длины цилиндрической колбы приводит к росту напряжения зажигания и напряжения горения, снижает стабильность зажигания лампы и делает неудобным её размещение в лабораторных помещениях. Наконец, изготовление цельнокварцевой лампы длиной несколько метров является трудоемкой операцией. Применяя принцип дробления, эти трудности легко обойти. Так, коллективом лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН в 2002 г. были созданы эксилампы тлеющего разряда на молекулах KrCl* и XeCl* со средней мощностью 1.6 и 1.1 кВт соответственно [59]. Излучатель состоял из цилиндрических трубок диаметром около 50 мм, полная длина которых составляла почти 12 м. Однако в соответствии с принципом дробления, рабочий объем был разделен на три параллельные ветви (1-3), каждая их которых также была разделена на четыре цилиндрические кварцевые трубки и могла разбираться. На каждую ветвь эксилампы напряжение подавалось от отдельного высоковольтного источника (4-6) независимо от других. Все три секции подключались к одному газовому посту для заполнения и удаления рабочей смеси (рис. 15). Таким образом, применение принципа дробления дало: 1) возможность увеличить рабочий объем, в котором формируется излучение лампы тлеющего разряда19; 2) возможность использования стандартных источников питания; 3) дополнительную возможность простой транспортировки лампы с места на место путем её разборки ® транспортировки ® сборки. Кроме 19

До этого в работе [60] сообщалось о получении на порядок меньших значений средней мощности для систем с тлеющим разрядом. 49

того, в секционированном объеме быстрее происходит перемешивание многокомпонентных смесей при зажигании разряда, что обеспечивает лучшую однородность свечения вдоль оси трубки.

Рис. 15. Принципиальная схема и общий вид разряда в секционированной эксилампе тлеющего разряда большой мощности: 1-3 - секции; 4-6 - источники питания.

Пример 3.1.2. Модульная импульсная лампа [61]. Принцип дробления в инженерных науках часто называют принципом модульности. Пример применения его в работе дан на рис. 16. Целью данного изобретения является увеличение длины лампы без повышения рабочего напряжения (т.е. как по примеру 3.1.1), увеличения вспышки с малой длительностью и увеличения ресурса работы устройства [4]. Указанная цель достигается тем, что оболочку лампы 4, кроме основных электродов 2, к которым от источника питания 1 прикладывается напряжение, полярности которого чередуются, дополнительно установлен поджигающий электрод 3, покрытый диэлектрической оболочкой (например, кварцем). Модулем является одна пара соседних элек50

тродов 2, имеющих различную полярность. Число модулей можно менять как в процессе изготовления лампы, так и простым отключением-подключением их к источнику питания 1.

Рис. 16. Модульная импульсная лампа

Модульность лампы позволяет варьировать интегральный световой поток лампы, формировать различные распределения интенсивности излучения вдоль оси лампы и ослаблять магнитное поле вокруг лампы (из-за встречного направления разрядных токов). 3.2. Принцип вынесения Отделить от объекта «мешающую» часть («мешающее свойство») или, наоборот, выделить единственную нужную часть либо нужное свойство. Пример 3.2.1. Безэлектродные лампы. В лампах традиционной конструкции, например, такой, как показана на рис. 14, электроды в процессе работы устройства непрерывно контактируют с компонентами рабочей смеси. Это приводит к сокращению срока службы смеси и одновременно к деградации электродов, что ведет, например, к изменению напряжения на электродах и может вызывать потухание разряда. Чтобы преодолеть это противоречие, традиционно используются электроды из химически стойких материалов, например из никеля. Кардинальным решением является вынесение электродов за пределы колбы. Класс таких устройств называется безэлектродным, хотя имеется в виду просто вынесение электронов из разрядного объема, а не полное их исключение. К этому классу относятся источники линейчатых спектров на индуктивном и ем51

костном разряде [62], эксилампы барьерного и емкостного разрядов [63,64].

Рис. 17. Пример исполнения безэлектродной лампы барьерного разряда

Использование этого приема позволяет увеличивать сроки службы прибора на порядки [65]. Пример исполнения лампы барьерного разряда показан на рис. 17. Видно, что газовая смесь в объеме 4 изолирована от рабочих электродов 2 и 3 оболочкой колбы. Пример 3.2.2. Получение чистых спектров. Тот же прием используется в целях получения чистого и стабильного спектра в маломощных лампах с разрешением тонкой структуры спектральных линий [62] (см. также пример 3.3.1). 3.3. Принцип местного качества: а) перейти от однородной структуры объекта или внешней среды (внешнего воздействия) к неоднородной и наоборот; б) разные части должны выполнять различные функции; в) каждая часть объекта должна находиться в условиях, наиболее благоприятных для ее работы. Пример 3.3.1. Газоразрядный спектральный источник света. Принцип местного качества совместно с принципом дробления использован в [66] для повышения стабильности и интенсивности излучения безэлектродной лампы. Для этого колба лампы была разделена на две части 1 и 5 диэлектрической, оптически прозрачной стенкой 6. В баллоне 1 содержится рабочее вещество 2, испаряемое при приложении к электродам 3 высокочастотного напряжения от генератора 4. Баллон 5 заполнен буферным газом, а стенка 7 является окном для вывода излучения (рис. 18). 52

Рис. 18. Конструкция спектрального источника света

По сравнению с прототипом, не имевшим стенки 6, интенсивность излучения в ультрафиолетовой области спектра увеличивается примерно на 50 %, полностью устраняется нестабильность, вызванная миграцией рабочего вещества по светоизлучающей части источника. Последнее очень важно, если использовать такой источник для калибровки спектральной аппаратуры. Согласно принципу местного качества в новом устройстве разные части устройства выполняют разные функции и каждая часть находится в условиях, наиболее благоприятных для работы. 3.4. Принцип асимметрии: а) перейти от симметричной формы объекта к асимметричной; б) если объект уже асимметричен, увеличить степень асимметрии. Пример 3.4.1. Асимметрия в планарной лампе тлеющего разряда. Излучение тлеющего разряда между двумя плоскими электродами 1 распространяется осесимметрично 4 и имеет форму положительного столба 2 и зоны катодного падения 5, где излучения нет (рис. 19).

53

Рис. 19. Традиционный (слева) и планарный (справа) излучатели тлеющего разряда: 1 – электроды; 2 – область разряда; 3 – сетчатый электрод; 4 – направление выхода излучения; 5 - зона катодного падения

Для тлеющего разряда, эффективность которого определяется главным образом объемом положительного столба, уменьшение длины промежутка между электродами ограничено, поскольку длина столба при этом сокращается, а длина области катодного падения – нет. Таким образом, при использовании коротких межэлектродных промежутков g2