CN103700568A

CN103700568A - 一种基于电子回旋共振放电的微波硫灯

Info

Publication number: CN103700568A
Application number: CN201310715637.4A
Authority: CN
Inventors: 黄桃; 金晓林; 李斌; 李建清; 王茂碧; 卢辉; 杨中海
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明公开了一种基于电子回旋共振放电的微波硫灯。本发明包括产生磁场的磁体和相应的固定组件，其特征在于，磁体提供特定磁场分布，使得微波硫灯在点火及发光过程中，灯泡内的等离子体满足电子回旋共振条件。本发明专利使得微波硫灯的点火过程更加迅速、稳定，同时提高了灯泡的使用寿命。本发明引入回旋共振，使灯泡内的电子进行回旋运动，提高电子运动的平均自由程，使其能量得到更大的提升，进而提高等离子体对微波的吸收效率。

Description

一种基于电子回旋共振放电的微波硫灯

技术领域

本发明涉及等离子体照明领域，尤其涉及微波硫灯中的点火及发光效率改进。

背景技术

微波硫灯是一种高效节能的绿色无电极光源。微波硫灯具有如下的优点：（1）无电极污染（汞污染）；（2）光效高（灯泡光效可达90lm/w以上）；（3）长寿命（>60000小时）；（4）显色性好（Tc=5500K—6500K，Ra>80）；（5）良好的光维持率（燃点10000小时候光衰小于3%）；（6）光谱连续，低紫外和红外辐射，人体舒适度高等。

微波硫灯是利用硫蒸汽的分子辐射产生连续可见光。首先微波能量击穿泡壳内填充的氩气使之放电，这一过程我们称之为点火。氩气放电产生的热量和微波能同时使固态硫粉蒸发。随着温度的升高蒸汽中除S₈分子外，还含有S₆、S₄和S₂等分子，且温度越高S₂分子越多，当温度高于2500℃时为硫原子。但是硫泡内的温度只有1000℃左右，所以蒸汽中主要以硫的二聚物分子（S₂）的形式存在。在微波硫灯工作时，硫的二聚物分子（S₂）由

跃迁辐射形成硫灯的光谱。当分子内电子发生跃迁时，电子能级发生改变的同时，分子的震动能级和转动能级也会改变。由于S₂分子的激发态

有10个振动能级，基态有33个能级，而S₂分子的

跃迁的振动能级之间是没有选择的，所以

的跃迁可以形成多条振动谱级，这就使得硫灯的光谱成为连续谱。

目前，在微波硫灯的点火过程中，氩气的放电机制主要是微波放电，该放电方式启动过程不稳定，放电速度慢，导致微波硫灯的点火时间长达2分钟。因为微波放电采用的振荡电磁场导致灯泡内的等离子体呈现随机加热，另外，等离子体密度较大，离子的平均自由程短，进一步抑制了随机加热。

我们知道，当有磁场存在时，电子会在洛仑兹力的作用下作环绕磁力线的回旋运动。电子回旋运动的频率表示为

（1）

这里，B=0.0875T的时候，回旋频率为2.45GHz。如果从外部施加同一频率的振荡电场，则作回旋运动的电子会受到同相位电场的作用而被“直流式”地持续加速。这样一来，当电场角频率与电子回旋角频率一致时，就会发生电子的共振加速，电子由此获得较高的动能，所以这种现象称为电子回旋共振。利用这个原理产生的放电，称为电子回旋共振放电。由于共振吸收了微波能量的高速电子频繁地引起中性粒子电离，所以即使在低气压下也可以获得高密度、高电离度的等离子体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有微波硫灯启动时间过慢、启动过程不稳定的不足，提供了一种基于电子回旋共振放电的微波硫灯。

本发明的技术方案是：

一种基于电子回旋共振放电的微波硫灯，包括产生磁场的磁体、微波源、金属谐振腔、金属波导和灯泡；磁体提供特定磁场分布，使得微波硫灯在点火及发光过程中灯泡内的等离子体满足电子回旋共振条件。

所述的微波硫灯，所述磁体为一个或多个。

所述的微波硫灯，所述磁体为空心圆柱。

所述的微波硫灯，所述磁体材料为smco28，其内半径要与金属谐振腔的外半径一致。

所述的微波硫灯，所述磁体的外半径为40mm,高度为20mm。

所述的微波硫灯，所述磁体放置在微波硫灯的金属谐振腔底部或者其他任意位置。

所述的微波硫灯，所述磁体与金属波导和金属谐振腔之间填充隔热物质或在磁体顶部放入隔热板。

所述的微波硫灯，在所述灯泡中心位置，轴向磁场强度等于875Gs。

所述的微波硫灯，所述微波源为2.45GHz的磁控管。

所述的微波硫灯，其磁场分布可以根据工作频率进行调整，以确定在灯泡中心位置产生适当的共振磁场；共振磁场在灯泡内可以有一个或者多个，以提供一个或者多个点火点。共振磁场的位置应满足灯内等离子体中的电子回旋共振条件。

本发明专利的有益效果：（1）由于微波硫灯的点火过程采用电子回旋共振放电模式，硫灯内的惰性气体能够进行共振，以加速获得获得微波能量，使得点火过程更加迅速、稳定。（2）根据磁场的不同形态及共振磁场位置的调整，可以方便的设置灯泡内的点火位置，使其尽量接近于灯泡中央部位，能够减少电子对灯泡壁的轰击，避免灯泡壁由于温度过高而破裂，进一步提高了灯泡的寿命。（3）引入回旋共振，使灯泡内的电子进行回旋运动，提高电子运动的平均自由程，使其能量得到更大的提升，进而提高等离子体对微波的吸收效率。

附图说明

图1是现有的一种微波硫灯结构示意图。

图2是本发明实施例1的结构示意图。

图3是本发明实施例1中采用的磁钢结构图。

图4是本发明实施例1的磁场分布示意图。

图5是本发明实施例2的结构示意图。

图6是本发明实施例2的磁场分布示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

如图1所示，现有的微波硫灯的结构示意图，其中包括金属谐振腔100，灯泡101，石英杆102，电机103，金属波导104，波导耦合孔105，微波源106。根据实际微波硫灯，金属谐振腔100外径a=76mm，厚度b=0.2mm；微波源为磁控管，产生频率为2.45GHz的大功率微波信号；灯泡101外径c=32mm，泡壳厚度d=2mm。

本发明专利的下述各个实施例是在上述微波硫灯的基础上，加入磁体以实现在灯泡内满足回旋共振条件。其原则是：根据微波源的频率，利用公式（1）计算出电子回旋共振磁场大小，在谐振腔周围加入一个或多个磁体，在灯泡内产生相应的磁场分布。

实施例1

如图2所示，该磁体110置于谐振腔100底部，可放置于谐振腔100内部或者外部，为了更好的保护磁体110，可能需要在磁体110于金属波导104和谐振腔100之间填充隔热物质112，或者在磁体顶部放入隔热反光板。

如图3所示，此实施例中采用的磁体110材料为smco28，内半径r与金属谐振腔100的外半径R一致，外半径R为40mm，高度H为20mm。该磁体100产生的磁场沿磁体中心轴的分布如图4所示，在灯泡101中心位置，轴向磁场强度等于875Gs，如果微波源采用2.45GHz的磁控管，则电子回旋共振放电条件成立，灯内电子获得持续加热。

实施例2

如图5所示，该磁体110置于谐振腔100中部，磁体110轴心位置与灯泡101中心位于同一高度。

此实施例中采用的磁体110材料为smco28，内半径r与金属谐振腔100的外半径一致，磁体110外半径R为38mm，高度H为5mm。该磁体110产生的磁场沿磁体中心轴的分布如图6所示，在灯泡101中心位置，轴向磁场强度峰值等于900Gs，因此在灯泡范围内存在两个位置的轴向磁场强度等于875Gs，如果微波源采用2.45GHz的磁控管，则在灯泡101范围内有两个区域满足电子回旋共振放电条件，灯内电子获得持续加热效果更好。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种基于电子回旋共振放电的微波硫灯，其特征是，包括产生磁场的磁体、微波源、金属谐振腔、金属波导和灯泡；磁体提供特定磁场分布，使得微波硫灯在点火及发光过程中灯泡内的等离子体满足电子回旋共振条件。

2.根据权利要求1所述的微波硫灯，其特征是，所述磁体为一个或多个。

3.根据权利要求1所述的微波硫灯，其特征是，所述磁体为空心圆柱。

4.根据权利要求3所述的微波硫灯，其特征是，所述磁体材料为smco28，其内半径要与金属谐振腔的外半径一致。

5.根据权利要求4所述的微波硫灯，其特征是，所述磁体的外半径为40mm,高度为20mm。

6.根据权利要求1-5任一所述的微波硫灯，其特征是，所述磁体放置在微波硫灯的金属谐振腔底部或者其他任意位置。

7.根据权利要求1-5任一所述的微波硫灯，其特征是，所述磁体与金属波导和金属谐振腔之间填充隔热物质或在磁体顶部放入隔热板。

8.根据权利要求1-5任一所述的微波硫灯，其特征是，在所述灯泡中心位置，轴向磁场强度等于875Gs。

9.根据权利要求1-5任一所述的微波硫灯，其特征是，所述微波源为2.45GHz的磁控管。