CN100565781C - 等离子体无极放电灯和组合光源 - Google Patents

Abstract

在圆柱体灯泡壳体(2)两端封有透紫外线的输出窗(1)和石英玻璃窗(5)，窗外紧贴着一对金属圆环盘以作为射频电容激励电极(7)，外壳(2)内同轴放置等离子体辐射激发管(4)，泡内充有小于103帕压强的气体，等离子体辐射激发管(4)由支撑体(3)支撑并真空隔断了泡内两边，通过高频激励电容耦合激发无极放电灯产生紫外-可见光的连续光谱辐射。

Description

等离子体无极放电灯和组合光源

技术领域

本发明涉及一种适合小型光纤耦合的等离子体无极放电灯和一种微型放电灯-钨卤素灯组合光源，更具体的说，涉及这样一种等离子体无极放电灯，即在密封的圆柱灯泡中央同轴地放置一个空心圆柱管，泡内充有氘气、氢气、惰性气体等，并且利用电容耦合方式，在高频电磁场激励下产生从紫外线到可见光谱范围内的连续光谱辐射，圆柱灯泡两端封有透紫外线的输出窗，一端接有紫外光学透镜，由光纤耦合输出。

背景技术

与小型无极氘灯相关的外国专利有德国贺利氏仪器公司(HeaueusInstrument GmbH)的Ernst Smolka，Werner Sohwarz，PeterMaech，Klaus-Juegen Dialz等分别申请了德国专利DE4120730A1、英国专利GB2257562A、以及美国专利US2257562A.采用石英空心石英管外缠线圈的电感耦合方式激励等离子体产生紫外-可见光辐射的无极放电灯方案，这种方案中采用电感线圈会使驱动电源的高频脉冲电源波形的上升特性变坏，使脉冲峰值电流下降，并且在高速开关时由于反向电动势产生反向电涌电压，容易损坏激励电源的晶体管，而且电感线圈有较大的分布电容限定了放电特性的能量输出，因此它不适于我们选作小型无极放电灯的结构型式。

德国贺利氏仪器公司还申请了三篇美国专利US.No.5801495[1]，US.No.6504319[2]和US.No.5814951[3]的采用电容耦合激励的无极氘灯设计方案都是采用膜孔在同一光轴上的膜片式结构，前两篇专利是三片式(中间加两个间隔环)，第[3]篇是单片式结构，膜片的数量和间隔以及膜片的孔径和厚度以及膜片材料成为专利的主要内容。这种片式结构在沿基轴不同位置形成的等离子体流体横截面分布不均匀，膜孔中央的截面上等离子体流密度最高，产生的光辐射效率也高，在膜间隔块中央的截面上等离子体流密度最小，产生的光辐射效率也低.另外由于插入多膜片的介质或金属片，会减少膜片间高频激励电场的场强，电容激励耦合效率因此会降低，因而还会带来无极放电灯较高且产生光辐射的启动时间较长的不足，并且与沿轴向位置等离子体流密度较高且分布均匀的较理想状态比较而言，这种膜片结构仍然不够理想。

发明内容

为了解决上述传统问题，因此本发明的一个目的就是提出了一种等离子体无极放电灯和一种微型放电灯-钨卤素灯组合光源。

在本发明的一方面中，在等离子体无极放电灯中，在圆柱体灯泡壳体

两端封有透紫外线

的输出窗和石英玻璃窗，窗外紧贴着一对金属圆环盘以作为射频电容激励电极，外壳内同轴放置等离子体激发管，泡内充有小于103帕压强的气体，等离子体辐射激发管由支撑体支撑并真空隔断了泡内两边，通过高频激励电容耦合激发无极放电灯产生紫外-可见光的连续光谱辐射。

根据这个方面，圆柱体灯泡壳体是由石英玻璃制成的，并且输出窗是石英玻璃窗。

根据这个方面，支撑体是介质环。

根据这个方面，等离子体激发管是由耐高温1000度以上的电真空材料构成的，电真空材料是氧化铝瓷、透明氧化铝瓷、氧化硼瓷、石英玻璃管、或者低羟基石英玻璃管，并且泡内气体为氘气、氢气、或者惰性气体。

根据这个方面，在高频电磁场作用下，激发泡内气体产生辉光放电，并在等离子体激发管(4)内放电密度被加浓D/d倍后形成等离子振荡等离子流的电子温度迅速提高，当等离子体流的浓度和强度达到足够的阈值时，等离子体流内发生分子激发跃迁，产生呈连续波谱的光谱辐射，其中D为圆柱体灯泡的内径，d为中心圆柱管的内径。产生辉光放电的条件是气体压强小于103乇电离离子0密度大于1100个/立方厘米。

根据这个方面，泡内气体为氘气，并且当电子温度达到14500度(K)时，可以产生峰值为200nm的紫外-可见光的连续波谱的光谱辐射，经输出窗和会聚透镜由光纤耦合输出。

根据这个方面，圆柱体灯泡内径D与等离子体激发管内径d之比为10-100，d取0.1-5.0，等离子体激发管长度l与d之比为2-50。

根据这个方面，在介质环和圆柱体灯泡壳体的中央部分涂上一圈导电层，形成射频触发电极以降低无极放电灯的射频触发电压。

根据这个方面，导电层为ITO氧化铟锡或导电石墨。

根据这个方面，在等离子体激发管对着光纤的端口外安置反射镜，该反射镜轴向方向要达到石英输出窗的位置，其中反射镜的形状是抛物面形或者反射镜的形状是锥面形。

根据这个方面，圆柱体灯泡壳体可以是陶瓷泡壳，输出窗可以是蓝宝石输出窗，石英玻璃窗采用陶瓷夹封环以可使无极放电灯能达到低于185nm的远紫外波段。

在本发明的一方面中，该微型放电灯-钨卤素灯组合光源包括前面所描述的无极放电灯，并且在该无极放电灯的上下两端装上激励电容片，一端接上会聚透镜和输出光纤端头，另一端接入钨卤素灯。

附图说明

结合随后的附图，从下面的详细说明中可显而易见的得出本发明的上述及其他目的、特征及优点。在附图中：

图1给出了整体无极放电灯-钨卤素灯光纤耦合组合光源方框图；

图2给出了蓝宝石窗结构的无极放电灯-钨卤素灯光纤耦合组合光源方框图；以及

图3给出了微型无极氘灯输出能量的波谱图。

具体实施方式

在下文中，参考附图对本发明的优选实施例进行详细的说明。在附图中，相同的附图标记表示相同或者相似的部分，即使它们是在不同附图中进行描述的。在下面描述中，当形成本发明的主题而不会造成不清楚时，省略对这里所采用的已知功能和步骤进行详细说明。

图1给出了整体无极放电灯-钨卤素灯光纤耦合组合光源方框图。

在图1中，1是透紫外线的人造合成石英玻璃，即输出窗；2是无极放电灯圆柱体灯泡壳体；3是支撑体，优选的是介质环；4是等离子激发管，也被称为等离子体辐射激发管；5是石英玻璃窗片；6是石英玻璃片外涂复的导电环涂层(ITO或石墨涂层)；7是电容耦合极片，也被称为射频电容激励电极；8是降低触发电压的外涂层；9是降低触发电压的内涂层；10是会聚作用的反射镜；11是能聚紫外线的光学会聚透镜；12是光纤端头；13是钨卤素灯；14是电容耦合激励电源，或者为激励电容片或外激励电源；15是无极氘灯轴线；D是无极氘灯泡壳内径；d是等离子激发管内径；L是等离子激发管长度。

如图1所示，由透紫外线的人造合成石英玻璃1、无极放电灯圆柱体灯泡壳体2、以及石英玻璃窗片5构成了密闭的石英外壳。壳内有等离子激发管4以及其支撑体3。支撑体优选的是介质环。会聚作用的反射镜10套在等离子激发管4上。透紫外线的会聚透镜11、光纤端头12、以及钨卤素灯13同轴排列。电容耦合激励电源14通过灯泡两端的导电环实现无极氘灯的射频放电。

也就是说，支撑体3和等离子激发管4装配对中后套上零10，放入1人造合成石英玻璃和无极放电灯圆柱体灯泡壳体2封接的泡壳予组件内，再与石英玻璃窗片5的石英玻璃片封接，进行排气烘烤后充入2-100乇的氘气和一定比例的稀有气体，即组成了无极放电灯。将无极放电灯与钨卤素灯13，光学会聚透镜11，光纤端头12，加上辅助套件(未画)同轴地装配好，将电容耦合激励电源14接入电容耦合片7上就构成了组合光源。

具体地说，在一个密封的圆柱体灯泡壳体内，同轴放置一个耐高温，真空性能良好的绝缘管，该绝缘管优选的是等离子体激发管，其材质为氧化铝瓷，透明氧化铝瓷，氧化硼瓷，石英玻璃管，低羟基石英玻璃管等。泡内充有小于103帕压强的气体，如氘气、氢气、以及惰性气体等。圆柱体灯泡壳体两端封有透紫外线的输出窗1和石英玻璃窗片，两端窗外放置环形平板作电容或者窗外紧贴着一对金属圆环盘作射频电容激励电极。等离子体激发管用支撑体支撑并真空隔断了泡内两边，该支撑体优选的是介质环。通过高频激励电容耦合激发无极放电灯产生紫外-可见光的连续光谱辐射。也就是说，在高频电磁场作用下，激发泡内气体产生辉光放电(条件是气体压强小于103乇电离离子0密度大于1100个/立方厘米)，并在圆柱管内放电密度被加浓(D/d)倍后形成等离子振荡(D为柱形灯泡的内径，d为中心圆柱管的内径)，等离子流的电子温度迅速提高，当等离子体流的浓度和强度达到足够的阈值(每种气体都不相同)时，等离子体流内发生分子激发跃迁，产生呈连续波谱的光谱辐射(高频激励是激发等离子体谐振的分次波的)，例如无极氘灯当电子温度达到14500度(K)时，可以产生峰值为200nm的紫外-可见光的连续波谱的光谱辐射，经泡壳两端的透紫外的光学输出窗及会聚透镜由光纤耦合输出。

等离子体辐射是按适合绝对黑体的Planck定理和Stefan-Boltzmann定律作了修正的“灰体”辐射理论之Wiens定律：

等离子体辐射的峰值波长：

λ(nm)＝289800/T.

式中，T为等离子体流核心的电子温度(K)，例如辐射峰值波长为200nm的等离子体流核心的电子温度为14500度(K)，我们演算高频激励电压(V)与等离子体束流(I)的关系为：

V＝K0*(I)^0.5

式中，K0*与灯结构，充气气体，充气压强等有关的常数，它和泡内气体压强P的0.2次方{(P)^0.2}成正比，并和激励等离子体的空心圆柱管长度与内径之比(1/d)成正比。

等离子体激发管是由耐高温1000度(C)以上的电真空材料，如氮化硼瓷、透明氧化铝瓷、以及低羟基石英管等构成，支撑盘片材料亦相同。此二件构成的组件与石英泡壳两端石英窗片封接成密封的无极放电灯，进行排气并充入1-100乇稀有气体，或氘气，氢气等形成了无极放电灯的主体，在灯体两端装上激励电容片，一端接上聚焦透镜和输出光纤，另一端接入钨卤素灯就构成了微型放电(氘)灯-钨卤素灯组合光源。

石英玻壳内径D与等离子体辐射激发管内径d之比为10-100，d取0.1-5.0，等离子体辐射激发管长度1与d之比为2-50。

为降低无极放电灯启动的触发电压，在泡内的介质支撑环及壳外圆柱体的中央部分涂上一圈导电层(如ITO氧化铟锡或导电石墨)，形成射频触发电极，这能降低无极放电灯的射频触发电压。

在等离子体激发管对着光纤的端口外安置紫外光反射镜，面积要足够大，轴向方向要达到石英输出窗的位置。反射镜的形状可以是抛物面形也可是锥面形的，把反射的能量集中到光纤的会聚透镜上。

在工艺上采用专门的氘等离子体射频放电处理工序，对无极放电灯内部零部件作彻底的表面清洁(在线自动进行)处理，达到超洁净且高可靠的水平。

为了进一步将无极放电灯的辐射谱线提高185nm(UV-C)波段，就要把石英窗片改为蓝宝石窗片，还要把无极放电灯的泡壳材料改为氧化铝瓷，与夹封磁环一起封接，如图2所示。

图2给出了蓝宝石窗结构的无极放电灯-钨卤素灯光纤耦合组合光源方框图。

在图2中，除了5是石英玻璃窗片(此处为夹封封接形式)，16是优质蓝宝石窗片，17是陶瓷泡壳，18是陶瓷夹封环之外，相同的附图标记表示与图1相同的部件。

如图2所示，陶瓷泡壳17内含整体式等离子体激发管，套上会聚作用的反射镜10通过轴上放置的会聚透镜11、光纤端头12和钨卤素灯13，由外激励电源通过电容耦合极片产生紫外-可见光轴射。壳体陶瓷材料包括氧化铝陶瓷，透明氧化铝陶瓷，氧化铍陶瓷，氮化硼陶瓷等，与蓝宝石窗片和石英窗片的封接都是采用夹封的形式，夹封窗片的两边都是相同的材料。陶瓷泡壳17的中心是把等离子体激发管连成一体，套上会聚作用的反射镜后，将零件5、16、17、18在真空封接炉内封接，在封接的同时充入2-100乇的氘气及相应的适量稀有气体，制成无极气体放电灯。其工作原理与图1的工作原理相同，在此不省略对其的描述。

为使无极放电灯能达到低于185nm的远紫外(UV-C)波段，本发明采用了蓝宝石输出窗的结构，无极放电等外壳采用氧化铝瓷、镁橄榄瓷等，窗片采用陶瓷夹封环的夹封技术，如图2所示。

壳体材料为低羟基石英玻璃管(羟基含量5-10ppm)是专门生产的。

图3给出了微型无极氘灯输出能量的波谱图(此图中240nm以下的波段被光纤的带宽不够所截止)。

无极放电灯的圆管放电体内，高频场激励起的等离子体流各截面上的分布均匀、激励强度高、效率高、UV输出大。

由于在等离子体放电管内高频场激励起的等离子流分布均匀且稳定，激发的等离子体的分子跃迁产生稳定的光谱辐射亦成必然的了，对测量用的光谱仪最重视的指标：漂移、噪声、以及稳定度，本发明给出了最好的答案。

本发明的无极放电灯由于高频激励场分布的优势，无极放电灯具有启动快、能量集中、电子效率高的特点。

本发明中由于采用了激励环技术，可降低无极放电灯的启动触发电压，这无疑对降低电源功耗、实现光谱仪的微型化、便携式极为有利。

本发明的无极放电灯具有结构简单、零件少、工艺流程短、工艺过程控制一致性好、易于量产。

本发明在等离子放电管两端口外设置了紫外光反射盘，使输出到光纤上的辐射角减小，能量更集中，输出光效率也有较大提高。

本发明相关的无极放电灯泡内充气体积的有效比例最大，这是我们圆柱形结构等离子体放电灯比之膜孔结构等离子放电灯的优点，带来的直接效果是因泡内存储的气体量较大无极放电灯的寿命较长。

本发明采用的是真空性能、密封性能、离子轰击下的放气性能良好的材料，包括99％氧化铝瓷，低羟基石英管(含二氧化硅99.95％以上，羟基达5-10ppm)，人工合成石英玻璃窗片(用四氯化硅为原料)等，以及采用高可靠真空电子器件的先进技术，包括：高纯水超声波清洗，等离子体流在线表面处理等，它的直接效果是使采用本发明的无极放电灯达到高可靠，长寿命水平。

本发明适合同轴串列式的微型无极氘灯-钨卤素灯组合光源、体积小、耦合效率高、传输谱线带宽不失真。

虽然参考其某些优选实施例而给出并描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员来说应该明白的是，在不脱离本发明精神和范围的情况下可对其结构及细节做出各种变化。因此，本发明的范围并不局限于这些实施例，而是由随后权利要求及其等效体来定义。

Claims (17)

1、一种等离子体无极放电灯，其特征在于：

在圆柱体灯泡壳体(2)两端封有透紫外线的输出窗(1)和石英玻璃窗(5)，窗外紧贴着一对金属圆环盘以作为射频电容激励电极(7)，外壳(2)内同轴放置等离子体激发管(4)，泡内充有小于103帕压强的气体，等离子体激发管(4)由支撑体(3)支撑并真空隔断了泡内两边，通过高频激励电容耦合激发无极放电灯产生紫外-可见光的连续光谱辐射。

2、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中圆柱体灯泡壳体(2)是由石英玻璃制成的，并且输出窗(1)是石英玻璃窗。

3、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中支撑体(3)是介质环。

4、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中等离子体激发管(4)是由耐高温1000度以上的电真空材料构成的。

5、根据权利要求4的等离子体无极放电灯，其中电真空材料是氧化铝瓷、透明氧化铝瓷、氧化硼瓷、石英玻璃管、或者低羟基石英玻璃管。

6、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中泡内气体为氘气、氢气、或者惰性气体。

7、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中在高频电磁场作用下，激发泡内气体产生辉光放电，并在等离子体激发管(4)内放电密度被加浓D/d倍后形成等离子振荡，等离子流的电子温度迅速提高，当等离子体流的浓度和强度达到足够的阈值时，等离子体流内发生分子激发跃迁，产生呈连续波谱的光谱辐射，其中D为圆柱体灯泡的内径，d为中心圆柱管的内径。

8、根据权利要求6的等离子体无极放电灯，其中泡内气体为氘气，并且当电子温度达到14500K时，可以产生峰值为200nm的紫外-可见光的连续波谱的光谱辐射，经输出窗(1)和会聚透镜(11)由光纤耦合输出。

9、根据权利要求3的等离子体无极放电灯，其中在介质环(3)和圆柱体灯泡壳体(2)的中央部分涂上一圈导电层(6)，形成射频触发电极以降低无极放电灯的射频触发电压。

10、根据权利要求9的等离子体无极放电灯，其中导电层(6)为ITO氧化铟锡或导电石墨。

11、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中输出窗(1)为石英玻璃窗，在等离子体激发管(4)对着光纤的端口外安置反射镜(10)，该反射镜(10)轴向方向要达到石英输出窗(1)的位置。

12、根据权利要求11的等离子体无极放电灯，其中反射镜的形状是抛物面形。

13、根据权利要求11的等离子体无极放电灯，其中反射镜的形状是锥面形。

14、根据权利要求1的等离子体无极放电灯，其中圆柱体灯泡壳体(2)是陶瓷泡壳，并且输出窗(1)是蓝宝石输出窗。

15、根据权利要求14的等离子体无极放电灯，其中石英玻璃窗(5)采用陶瓷夹封环(18)。

16、根据权利要求15的等离子体无极放电灯，其中无极放电灯能达到低于185nm的远紫外波段。

17、一种微型放电灯-钨卤素灯组合光源，包括根据权利要求1的无极放电灯，并且在该无极放电灯的上下两端装上激励电容片(14)，一端接上会聚透镜(10)和输出光纤端头(12)，另一端接入钨卤素灯(13)。

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