CN102347205A - 由石英管引导的表面波等离子体光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于低温等离子体技术领域,具体为一种基于石英管引导的表面波等离子体光源。本发明采用石英管引导微波，通过表面波原理激发和电离石英管内工作气体产生等离子体,由等离子体的辐射光谱作为光源。该光源包括和由微型固态微波发生器、矩形波导和耦合器组成微波系统，以及由石英管、导电透明薄膜和工作气体组成的发光系统。本发明设备简单,结构紧凑，成本适中,效率较高，并可针对应用要求选择不同的工作气体产生相应光谱辐射，用于各种目的。该系统只要选择适当气体成分，也可作为照明光源，并实现一种无汞化的绿色照明的。光源系统各部分可以做成模块化，替换方便，且具有很高的稳定性。

Description

由石英管引导的表面波等离子体光源

技术领域

本发明属于低温等离子体技术领域,具体涉及一种由微波产生等离子体的照明装置。 

背景技术

等离子体就是带正负电荷总数相等的一堆离子和电子。将物质电离，就会形成自由电子、离子以及中性粒子，它们带电量总和为零，是除固、液、气之外的物质的另一种状态。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。目前低温等离子体被广泛运用于多种生产领域，例如:表面防蚀及其它薄层的沉积，特殊陶瓷（包括超导材料），新的化学物质及材料的制造，聚合物薄膜制备，有害废物的降解，焊接，磁记录材料和光学波导材料，药品的生物相溶性包装材料的制备，精细加工等。 

长期以来人们更多的关注等离子体技术在材料处理方面的巨大优势，但等离子体还有一些被人们使用却忽视的重要的特性，例如荧光灯发光就是等离子体发光这一特性的体现，但荧光灯的生产以及废旧处理中会给环境带来一系列严重的污染问题，而且荧光灯的发光效率相对较低，很多能量更多的是以热的形式辐射出来。针对传统的光源发光效率不高又会带来环境污染，以及其他新型光源性能不稳定的缺点,表面波激发的等离子体灯在照明方面就具有很大的优势。表面波等离子体灯光线明亮、柔和，灯内不含水银或者其他有害物质，装置材料基本不随时间变化而消耗，亮度基本不变，更重要的是可将该装置的灯管做成标准器件方便更换，选择不同组分的气体来产生不同颜色的光满足各种情况下光的需要。这对于在这能源危机日益加剧，环境问题日益严重，照明需要日益多样化的今天，具有十分重要的意义。 

目前,等离子体技术之所以没有在照明行业得到更广泛的推广和应用,主要因为制造和产生等离子体的装置与设备结构复杂,价格高昂,成本居高不下，发光效率低等因素的影响。也就是说,一个等离子体灯能否得到推广应用主要取决于如何经济而又实用地产生等离子体,并高效的发光，既要设备简单,成本适中而又要满足解决问题的实际需要。本发明利用一根石英管将微波能量从管的一端引导入石英管的内表面产生高密度的等离子体,石英管管中包含一定的成分气体，具有一定的真空度。就可以利用石英管内表面产生的等离子体发光进行高效照明。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能够高效发光且又环保实用的由微波产生等离子体的照明装置。 

本发明提供的由微波产生等离子体的照明装置，由两大部分组成：微波系统和发光系统。 

所述发光系统由石英管6，导电透明薄膜7（或者金属屏蔽网）和工作气体5组成。工作气体5密封于石英管6中，电透明薄膜7（或者金属屏蔽网）包围于细石英管6外。 

所述微波系统由微型固态微波发生器1,矩形波导2和耦合器3组成。微波通过已经与负载调制好的矩形波导2输出，经过耦合器3，进入石英管6的一端，表面波沿着石英管的内表面传播，并在石英管6的内表面产生等离子体并发光。 

微波功率根据发光强度要求，可在数瓦至数十瓦区间选择。 

本发明中，矩形波导2由金属材料构成，与石英管6匹配，能使表面波在石英管内表面传播并激发等离子体；石英管6前端与耦合器3相连，包围的导电透明薄膜7也与耦合器3相连。 

本发明还包括附加部分：带有散热功能的金属材料的装置外壳4。 

本发明是用石英管引导微波，从而在石英管内表面产生等离子体,利用等离子体发出的光，实现高效照明。本发明设备简单,结构紧凑，成本适中, 效率高，并可针对应用要求选择不同的工作气体产生相应光谱辐射，用于各种目的。该系统只要选择适当气体成分，也可作为照明光源，并实现一种无汞化的绿色照明的。光源系统各部分可以做成模块化，替换方便，且具有很高的稳定性。本发明对于新型光源的开发以及等离子体技术的应用具有很高的科学意义和应用价值。 

附图说明

图1是由新型表面波等离子体光源装置的示意图。 

图中标号：1 为微型固态微波发生器,2为矩形波导,3为耦合器，4外壳，5为工作气体,6为石英管,7为导电透明薄膜或者金属屏蔽网。 

具体实施方式

本发明提供的由微波产生等离子体的照明装置，包括微波系统和发光系统。所述发光系统由石英管6，导电透明薄膜7（或者金属屏蔽网）和工作气体5组成。所述微波系统由微型固态微波发生器1,矩形波导2和耦合器3组成。 

本发明中,石英管6的形状是圆柱形,由石英材料构成,石英管有前后两个底面,前后两个底面都是密封闭合的，并且前底面与耦合器3相连。石英管6的作用是提供一定的真空内腔,为表面波在石英管内壁和气体界面上传播并放电产生等离子体提供必要的工作环境，而石英管外表面包裹一层导电透明薄膜7（或者金属屏蔽网）是为了屏蔽可能泄露的微波。 

本发明中,微型固态微波发生器1的作用是产生微波；微型固态微波发生器1产生的微波经由矩形波导2,被送到耦合器3里面，矩形波导2的作用是传导微波，调配微波源与石英管内表面产生的等离子体之间的阻抗以使他们达到匹配，从而更有效地利用微波功率；耦合器3与石英管6的前端相连,其作用是将微波耦合到石英管6中。 

工作气体5，其本身不参与化学反应生成其他物质,可达到循环利用的目的，而在实际应用上,工作气体5的类型可不局限于一种，可以是一系列的各种所需气体的组合，根据实际照明的需要选择不同成分的气体，在一定压强下输入微波功率可以发出不同颜色的光，实现功能照明。 

本发明中,所述的石英管6的外包材料7必须是金属隔离网或者导电薄膜,而不能是不可导电的网,因为此石英管6不但要满足真空的要求,而且还要起着隔绝微波外泄的作用,所以必须在石英管的外表面包上透明导电薄膜7。至于其形状与容积大小则没用严格的限制,形状可以是圆柱形,也可以是方体形,石英管容积的大小则依所要照明的场所的照明需要而定。 

本发明中,石英管6的材料必须是介质材料而不能是金属材料,因为6要引导微波,如果采用金属的话,金属不能传导微波,则不可能在石英管6的表面产生等离子体。石英管6的形状是圆柱形,管的直径大小是没有严格限制的,管的直径尺寸由微波的传播频率决定,微波在石英管内表面上面传导时,存在着截至频率,大于此截至频率的微波将不能在石英管6中传播。选择不同的石英管和不同的微型固态微波发生器并在石英管中填充上不同组分的气体来激发表面波等离子体，可以产生的不同的光满足不同的照明需求。 

本发明中,石英管6是一个密封的环境。真空要求度一般在20Pa到100Pa之间。 

本装置的具体工作过程如下:按附图将器件组装完毕。开动微波源开关,微波就由磁控管1产生,然后从矩形波导2输出，同时在矩形波导2中进行阻抗匹配调制，为了使微波能量能在高效的状态下耦合到石英管6中，得到等离子体发光最好的状态并固定下来；调制后的微波通过耦合器3被引导到石英管6中，由于微波场强十分强,很容易把注入的工作气体5电离,从而在耦合口附近的石英管6内表面上产生等离子体，同时传导表面波；然后又在距离耦合器稍远的地方激发出表面波等离子体，同时传导表面波，随着表面波传导到石英管的另一端，等离子体也在石英管的内壁产生，使得等离子体在整个石英管6内壁与工作气体5之间的界面上产生；当微波在石英管内表面附近产生等离子体，发光的时候，微波能量几乎完全被等离子体吸收不会对人和环境造成不利的影响，而且石英管外表面包裹的导电透明薄膜7（或者金属屏蔽网）也能很好的防止微波泄漏。避免在照明装置生产过程和废料处理过程中产生的污染，而且该发明具有很好的稳定性，不用考虑随时间变化材料的损耗对发光造成不利影响。 

Claims (3)

1.一种由石英管引导的表面波等离子体光源，其特征在于由微波系统和发光系统两部分组成；

所述发光系统由石英管，导电透明薄膜或者金属屏蔽网，和工作气体组成；工作气体密封于石英管中，导电透明薄膜或者金属屏蔽网包围于细石英管外；

所述微波系统由微型固态微波发生器、矩形波导和耦合器组成；矩形波导与石英管匹配，使表面波在石英管内表面传播并激发等离子体；石英管前端与耦合器相连，包围的导电透明薄膜或者金属屏蔽网也与耦合器相连；微波通过矩形波导输出，经过耦合器，进入石英管的一端，表面波沿着石英管的内表面传播，并在石英管的内表面产生等离子体并发光。

2.一种由石英管引导的表面波等离子体光源，其特征在于微波功率根据发光强度要求，在数瓦至数十瓦区间选择。

3.一种由石英管引导的表面波等离子体光源，其特征在于还包括带有散热功能的金属材料的装置外壳。

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