CN103918056B - 用于luwpl的坩埚 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于透明波导等离子体光源（LUWPL）的坩埚的制造中的中间产品，其包括具有孔的透明材料的波导，以及所述孔中提供的透明材料的管，其与波导主体的透明材料紧密接触。本申请进一步涉及一种具有相同特征的用于LUWPL的坩埚，以及制造此种坩埚所采用的方法，包括使管膨胀和/或使孔收缩以使它们紧密接触的步骤。在一个实施例中，产生制造用于LUWPL的坩埚的中间产品的操作如下：·a)主体(2)被预热并放置在支撑件上，它的孔与管4同轴，管4被卡盘支撑并连接至膨胀部件；·b)管被加热，其中卡盘被旋转以使得加热均匀；·c)当管的温度被探测到达到管的石英的软化温度时，其旋转停止并使其前进至主体(2)的孔（3）内；·d)当远端的密封端端部被探测到到达一个特定的突出度(18)时，前进停止；·e)在前进停止的同时，允许膨胀气体进入管内，以使其尽管轻微地膨胀，但是使它的外表面(5)与孔(4)的表面(6)紧密接触，该膨胀还使管直接在孔的外部膨胀，以进一步确保管在孔内的管的固定。

Description

用于LUWPL的坩埚

技术领域

本发明涉及一种用于LUWPL的坩埚，LUWPL指透明波导等离子体光源(Lucent Waveguide Plasma Light Source)。

背景技术

在以我们的名称授权的欧洲专利No EP1307899中，请求保护了一种光源，该光源包括波导和灯泡，波导被配置为连接至能量源并用于接收电磁能量，灯泡耦合至波导并包含当从波导接收电磁能量时发光的气体填充物，其特征在于：

(a)波导包括主要由介电材料组成的主体，该介电材料具有大于2的介电常数、小于0.01的损耗因数和大于200千伏/英寸的直流(DC)击穿阈值，1英寸等于2.54厘米，

(b)波导的尺寸和形状能够以0.5～30GHz的范围内至少一个操作频率在波导主体内支持至少一个电场最大值，

(c)腔体从波导的第一侧向内部延伸，

(d)灯泡位于操作期间腔体内电场最大的位置处，气体填充物在接收到谐振波导主体的微波能量时形成发光等离子体，以及

(e)位于波导主体内的微波馈源适用于从能量源接收微波能量并且与波导主体紧密接触。

在我们的欧洲专利No2,188,829中，描述并请求保护了一种由微波能量供能的光源，该光源具有：

·其中具有密封中空的主体，

·围绕主体的微波包封法拉第罩，

·法拉第罩内的主体为谐振波导，

·在所述中空中的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，以及

·布置在主体中的天线，用于将诱导等离子体的微波能量传输到填充物，该天线具有：

·在主体外部延伸的连接物，用于耦合至微波能量源；

其中：

·所述主体为固态等离子体坩埚，其材料是透明的，用于使光从中离开，以及

·法拉第罩至少部分透光，用于使光从该等离子体坩埚离开，

该布置使得来自中空中的等离子体的光能够传播通过该等离子体坩埚并经由该罩从等离子体坩埚中辐射出去。

我们将此称为我们的发光谐振器（Light Emitting Resonator,LER）或LER专利。上文刚刚描述的主要权利要求，就像其现有技术部分所述，是基于首先描述的我们的EP 1307899所公开的内容的。

在我们的公开号为No WO2010055275的欧洲专利申请No 08875663.0中，描述并请求保护了一种光源，包括：

·固态介电材料的透明波导，具有：

·围绕波导的至少部分透光的法拉第罩，该法拉第罩适于径向透光，

·波导和法拉第罩内的灯泡腔体，以及

·波导和法拉第罩内的天线凹陷，以及

·具有微波可激发填充物的灯泡，灯泡被容纳在灯泡腔体中。

我们将此称为我们的蚌壳(Clam Shell)申请，其中透明波导围绕灯泡形成蚌壳。

如在我们的LER专利、我们的蚌壳申请以及本说明书中所使用的：

·“微波”不旨在指精确的频率范围。我们使用“微波”来指从大约300MHz至大约300GHz的三个量级的范围；

·“透明”是指构成被描述为透明的物品的材料是透明的或半透明的；

·“等离子体坩埚”是指包封等离子体的封闭体，当中空中的填充物被来自天线的微波能量激发时，该等离子体位于中空中（在主体中）；

·“法拉第罩”是指电磁辐射的导电外壳，其至少对操作频率（即微波）的电磁波是基本上不透过的。

LER专利、蚌壳申请和某些LER改进申请的共同点在于以下方面：

微波等离子体光源，具有：

·法拉第罩：

·限定波导，以及

·至少部分透明，并且通常对于从其发出的光至少是部分透射的，以及

·通常具有不透明的外壳；

·固态介电透明材料的主体，其包含法拉第罩内的波导；

·波导中的封闭中空，其包含微波可激发材料；以及

·用于将激发微波的等离子体引入波导中的装置；

该布置使得在引入特定频率的微波时，在中空中产生等离子体并且光经由法拉第罩发出。

在我们的专利申请No.PCT/GB2011/001744（我们的’744申请）中，我们将LUWPL定义如下：

微波等离子体光源，具有：

·固态介电透明材料的制造件，具有：

·封闭中空，包含电磁波，通常为微波，可激发的材料；以及

·法拉第罩，其：

·限定波导，

·至少部分透明，并且通常对于其中发出的光至少是部分透射的，

·通常具有不透明的外壳，以及

·包封制造件；

·用于将激发电磁波，通常为微波，的等离子体引入波导中的装置；

该布置使得在引入特定频率的电磁波，通常为微波时，在中空中产生等离子体并且光经由法拉第罩发出。

在我们的LER专利的优选实施例中，中空直接形成在通常为石英主体的透明波导中。这使得通过来自等离子体的辐射和围绕等离子体的气体的传导，石英材料暴露于高温。由于这种暴露，在LER专利中使用术语“固态等离子体坩埚”，即作为用于高温材料的容器的坩埚。如果等离子体引起坩埚中材料的微小裂纹，等离子体之后会传播通过该微小裂纹，这种暴露就会带来问题。

在我们的蚌壳申请中，由于具有中空和可激发材料的石英灯泡与透明波导分开并插入至透明波导中，该问题并不那么明显。该波导可以由夹有灯泡的两半构成，或者可以由具有容纳灯泡的孔的单一主体构成。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的用于LER型的LUWPL的坩埚。

根据本发明的第一方面，提供一种用于LUWPL的坩埚，该坩埚包括：

·具有孔的透明材料的波导主体；

·在孔中提供透明材料的管，该管：

·在两个端部处封闭，

·在其密封的端部之间的孔中形成的中空中包含可激发材料，以及

·与主体的透明材料紧密接触。

根据本发明的第二方面，提供一种在第一方面的坩埚的制造中的中间产品，该中间产品包括：

·具有孔的透明材料的波导主体，以及

·在孔中提供的透明材料的管，与主体的透明材料紧密接触。

通常，该波导主体由熔融石英制成，以及该管是拉制熔融石英管，其没有在主体中的孔的加工中所固有的微小裂纹。下文中，术语“石英”用于指代“熔融石英”。

在使用本发明的坩埚时，所述孔免受等离子气体的作用和包含等离子体的中空的边缘固有的热强度的影响。在孔中管和主体之间的紧密接触可以允许在整个坩埚中热性能和电性能的连续性，例如在从孔中的热传导中—即使石英这种优选的材料是热的不良导体，其有利地允许坩埚的中空区域发热。

通常，管的透明材料与主体的透明材料相同或者至少基本相似。基本相似意指一种或其他材料可以包含添加物以改变它的透光率和/或它的介电常数。

然而在金属加工领域中，紧密接触可以通过部件的热膨胀/收缩或部件彼此挤压来实现，挤压容易使石英部件破碎。

根据本发明的第三方面，提供一种制造第一方面的坩埚的方法，包括以下步骤：

·提供其中有孔的透明波导主体；

·将透明管插入孔中；以及

·使管膨胀和/或使主体收缩以促使管和主体在孔内紧密接触。

同时可以想到，膨胀/收缩可以在将管插入孔之前通过加热主体和/或冷却管来实现，优选地利用石英管通过以下实现：

·在插入之前加热管使其软化，以及

·在插入时使其膨胀。

同时可以想到，加热后的管可以被插入至冷的透明波导主体中，我们优选在插入之前将主体预热，这样管在膨胀之后不会再由于冷却而收缩远离主体。

同时，管可以具有完全均匀的直径；我们优选它至少具有与孔的尺寸互补的大直径部分和用于密封以包封可激发材料的较小直径的部分。

同时，管的远端/插入端在插入时可以是未密封的，它优选地在插入之前密封。孔可以是封闭孔，管的密封端部被插入直至孔的底部，孔优选地是通孔，其远端被插入以延伸至特定的程度。

优选地，插入在到达与插入侧面相对的主体侧面时停止。该停止可以是物理停止，其有利地支持管的密封端部抵御由膨胀引起的远离主体的延伸。然而，光学停止可以被单独使用或者作为物理停止的补充。光学停止意味着当管被正确地定位时，光束被密封端部阻断，该阻断导致使管前进的致动器停止该前进并向管施加内压以使其膨胀。可替换地，可以想到其他探测方式来用于探测管的密封端部到达了它的停止位置。

适宜地，所述远端通过孔插入至足够的程度以直接超出孔的相对的端口，该管在孔的外部膨胀到其直径大于孔，其中管不被孔限制，由此管被物理约束以免相对于主体发生轴向移动。为此，管沿着超出孔长的长度被加热。

可替换地，在孔是通孔的情况下，所述远端可以被插入至齐平于与管插入主体的主体侧面相对的主体侧面。

此外，优选地，该管被加热的同时被诸如红外探测器的温度计监测，由此，一旦该管达到以下温度，致动器可以使得该管前进：在该温度下，管足够软以能够膨胀，但仍然足够硬以能够插入。

管的近端的封闭可以使用传统的玻璃加工技术，其可以但是不必须涉及主体材料和管材料的镦锻和熔融。另外，原始密封的端部可以被镦锻以使其与主体侧面更紧密地接触。

未密封的端部优选地分两步密封，（i.）在送入可激发材料后先远离所述主体，以及(ii.)之后，随着管的插入长度被移除，靠近所述主体。

优选地，在送入可激发材料之后并且在初始密封之前：

·在管的膨胀部分或者所述管相对于所述主体的延伸部分内，使得可激发材料升华并且再凝结，以及

·由可激发材料引入的易挥发的杂质被排空；

在初始密封之后：

·在最终密封之前，使得在主体外部的管中凝结的可激发材料在主体内部的膨胀的管中或者在其初始密封的端部中升华和再凝结。

附图说明

为了帮助理解本发明，现在将通过示例并参考附图来描述本发明的具体实施例，其中：

图1是根据本发明的透明坩埚的制造设备的示意图；

图2是坩埚制造的中间产品的横截面视图；

图3是所制造的坩埚的截面的透视图；

图4是与图2类似的视图，示出密封之前的阶梯形管的变形；以及

图5是与图4类似的横截面视图，示出密封之后的变化的透明坩埚。

具体实施方式

参考附图，本发明的坩埚1由熔融石英的波导主体2构成，典型地，它具有49mm的直径和20mm的长度，用于在2.45GHz的微波谐振的情况下在紧密地包封它的法拉第罩内操作。它具有穿过自身的直径为6mm的中心孔3，其被抛光至光学透明，但没有达到能够合理地确定钻孔过程中产生的所有的微小裂纹都被去除的程度。它还具有一个偏心的孔以容纳引入微波的天线。

容纳在中心孔内的是拉制石英管4，其标称壁厚为1mm，即标称外径为6mm，使得拉制石英管4的外表面5与孔的光学透明的表面6紧密接触，由此，坩埚为了实用目的而具有如同是单块石英的特性，且在拉制管的表面抛光的情况下，在管的中心具有4mm的孔7。我们假定一个关于接触的紧密度的测试如下，也就是通过所涉及的管和孔，从距离各端面8例如3mm处切割主体的端部。如果管达到紧密接触，它能够承受来自孔的压力。（应当注意，我们在共同待决的申请中提出了与管没有紧密接触的可替换的坩埚结构。）

管的端部被密封。端部9在管4插入孔2之前基本上与形成时相同，并在插入过程轻微地膨胀。另一端部10在孔被插入之后通过玻璃吹制技术形成封闭。在密封的管内是由微波能量可激发以在管的轴线上形成发光等离子体的材料的电荷。

坩埚的制造通过以下设备完成，该设备包括：

·用于透明主体2的支撑件11，该主体被钻孔、可能地被抛光并预热以使其接近软化温度，但是不能太接近而使其在从预热炉（未示出）到支撑件的移动中变形。

·卡盘12，用于夹住管4，管4的端部9已经被密封，该端部的任一部分的直径都不比管的其它部分的直径大，管4与孔3同轴；

·用于管的延伸部15的辐射加热器14，其等于主体1的厚度加上一个余量，其被容纳在主体内；

·温度计16，用于监测管被加热至的温度；

·部件17，用于光学探测管通过主体插入到达特定的突出度18，

·部件19，允许膨胀气体到达管的内部，膨胀部件包括：

·高压气体源20，

·进气阀21，

·柔性连接件22，允许卡盘和管4在其插入期间前进，以及

·旋转连接件23，允许管4在其加热期间旋转；

·部件24，用于使卡盘和管随其前进；

·控制器25。

在控制器25的控制下，该设备的操作如下：

a)主体2被预热并放置在支撑件上，它的孔与管4同轴，管4被卡盘支撑并连接至膨胀部件；

b)管被加热，其中卡盘被旋转以使其加热均匀；

c)当管的温度被探测到达到管的石英的软化温度时，管的旋转停止并且使其前进至主体2的孔3中；

d)当远端的密封端部被探测到到达特定的突出度18时，停止前进；

e)在前进停止的同时，膨胀气体被允许进入管内以使管轻微地膨胀，并且使管的外表面5与孔4的表面6紧密接触，该膨胀也使管直接在孔的外部膨胀，进一步确保管在孔内的固定；

f)这样形成的中间产品被放置一边来冷却，或者允许部分冷却或者甚至，它可以在还热的时候被进一步处理。

进一步的处理步骤是：

g)断开膨胀气体源并连接至真空泵（未示出）；

h)将管抽真空；

i)送入可激发材料的颗粒—采取预防措施以使中间的坩埚产品不太热而不会使可激发材料挥发；

j)允许惰性气体进入真空管；

k)远离主体给管加热并加工管以使其密封；

l)靠近主体给管加热并加工管以形成靠近主体的二次且最终密封，且该密封被镦锻延伸至其直径大于管的原始直径。一次和二次密封之间的管的中间长度被去除。

本发明不意于局限于上述实施例的细节。特别是当管被设置为垂直向下插入透明主体中时，卡盘可以不旋转，其中可以依赖加热器不使管变形弯曲。实际上，如果使用这种设置，卡盘可以用更简单的夹板代替。

此外，可激发材料的颗粒很可能包含易挥发的杂质，尤其是碘化氢，然而可激发材料本身在室温下是固态的，并且在比易挥发的杂质的温度更高的温度下挥发。为了清除杂质，当中间的坩埚产品的温度仍然高于杂质的挥发温度时，按照上述的步骤(i.)引入颗粒。可替换地，如果温度已经下降，对管的封闭端部9加热，杂质挥发并通过被排空的真空管排空。如果中间产品足够凉，那么升华的颗粒材料会在透明主体2中的管的膨胀部分中凝结。可替换地，从主体延伸的管可以在那里被在主体附近所施加的空气流动冷却以再凝结。然后根据步骤(j.)引入惰性气体，并且按照步骤(k.)将管的远端密封。封闭端部和/或膨胀部分连同主体2被冷却。在按照步骤(l.)密封之前，至少在可激发材料已经在管中凝结的情况下，管被加热以使材料再升华，然后在封闭端部9或者主体内的管的膨胀部分上再凝结。然后可以按照上述完成密封步骤(l.)，此时可激发材料已被捕获。

辐射加热器可以是欧姆加热器或者气焊焊炬或者甚至一个感应加热的炭块。

光学探测部件可以是光电二极管的LED。可替换地，可以使用具有合适的图像识别软件的相机。此外，探测部件可以增加有物理停止。

如果可激发材料/等离子体中空延伸至主体的整个厚度，其具有与管的密封端部延伸的端面分隔的停止，我们通常期望得到最好的光学性能的光源。然而，我们可以想到其可以有利地提供在该端面处的停止，以使得管的膨胀完全在主体的孔内。

同时我们相信，如果孔的表面6被抛光至光学透明度，有可能得到最好的结果；可以例如通过精细研磨将其制备至更小的程度。

至于管的壁厚，我们强调给定的1mm的尺寸仅仅是示例性的。我们期望1.5mm和2mm以及实际上其它壁厚的石英管被膨胀以及实际上直径不同于6mm示例的管被膨胀。另外，尽管前面提到标称6mm的孔3和外径6mm的管，但由于通常的工程安装的原因，在膨胀之前通常需要0.5mm的间隙，典型地通过钻一个超过尺寸0.5mm的孔并且通过这个间隙膨胀管。为了得到4mm的孔，膨胀前的初始孔要小于4mm。

此外，我们不需要所述膨胀的管延伸超出主体的与插入侧面相对的端部，并且初始密封端部可以被插入至齐平于与插入侧面相对的主体侧面。这种变形如图4和5所示。石英主体102具有中心孔103。被加工为密封仓形式的石英管104具有大直径的平行的末尾部分1041，其外径与孔103互补。石英管被加工以具有平的端部1042，其在成品中与主体的一个侧面1021齐平。它还被加工以具有中间直径部分1043和小直径部分1044。它可以通过两块或多块熔融在一起形成。在大直径部分1041和中间直径部分1043之间的肩部1045与平的端部间隔的距离等于主体的厚度。因此，当将加热后的大直径部分插入孔103中并且膨胀至它的端部1042与侧面1021齐平时，肩部下降至与主体的另一表面1022齐平。在送入可激发材料之后，驱除杂质，并且初步密封，在中间部分进行最终密封，留下一个凸出于表面1022的密封尖端。

Claims (27)

1.一种用于LUWPL的坩埚，所述坩埚包括：

·具有孔的透明材料的波导主体；

·在所述孔中提供透明材料的管，所述管：

·在两个端部处封闭，

·在其位于其密封的端部之间的孔中形成的中空中包含可激发材料，以及

·与所述波导主体的透明材料紧密接触。

2.根据权利要求1所述的用于LUWPL的坩埚，其中，所述管的透明材料与所述波导主体的透明材料相同。

3.根据权利要求1或2所述的用于LUWPL的坩埚，其中，所述波导主体和所述管由熔融石英制成。

4.根据权利要求3所述的用于LUWPL的坩埚，其中，所述管是拉制石英管。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的坩埚的制造中的中间产品，所述中间产品包括：

·具有孔的透明材料的波导主体，以及

·在孔中提供的透明材料的管，其与所述波导主体的透明材料紧密接触。

6.一种制造根据权利要求1-4中任一项所述的坩埚的方法，包括以下步骤：

·提供其中具有孔的透明波导主体；

·将透明管插入所述孔中；以及

·使管膨胀和/或使波导主体收缩以促使所述管和所述波导主体在所述孔中紧密接触。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，在将所述管插入所述孔之前，所述膨胀/收缩通过加热所述波导主体和/或冷却所述管来实现。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述膨胀/收缩利用石英管通过以下实现：

·在插入之前加热所述管至其软化温度，以及

·在插入时使其膨胀。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，将加热后的管插入至冷的透明波导主体中。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，在插入所述加热后的管之前，将所述波导主体预热。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述管被加热的同时被温度计监测，由此一旦所述管达到以下温度，致动器使得所述管前进：在该温度下，管足够软以能够膨胀，但仍然足够硬以能够插入。

12.根据权利要求6-11中任一项所述的方法，其中，所述管的远端/插入端在插入时是未密封的。

13.根据权利要求6-11中任一项所述的方法，其中，所述管的远端/插入端在插入之前被密封。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述孔是封闭孔并且所述管的密封端部被插入直到所述孔的底部。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述孔是通孔并且所述远端被插入以距离波导主体的与所述管插入波导主体的侧面相对的侧面延伸一特定的程度。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述远端通过所述孔插入至足够的程度以直接在外部超出所述孔的相对端口，所述管膨胀到其直径大于所述孔，在那里所述管不被所述孔限制，由此所述管被物理约束以免相对于所述波导主体发生轴向移动，所述管沿着超出所述孔的长度的长度被加热。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述孔是通孔并且所述远端被插入以齐平于波导主体的与所述管被插入波导主体的侧面相对的侧面。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述远端被插入直到在所述波导主体的与所述管被插入波导主体的侧面相对的侧面上停止。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述停止为物理停止。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述停止是被单独使用的或者作为物理停止的补充的光学停止，当所述管被正确地定位时，光束被提供并且被所述密封端部阻断，所述阻断导致使管前进的致动器停止所述前进并向所述管施加内压以使所述管膨胀。

21.根据权利要求6所述的方法，其中，所述管具有完全均匀的直径。

22.根据权利要求6所述的方法，其中，所述管是阶梯形的，其至少具有与所述孔的尺寸互补的大直径部分和用于密封以包封所述可激发材料的较小直径的部分。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中，所述管的近端的密封通过玻璃加工技术来实现。

24.根据权利要求14-19中任一项所述的方法，其中，所述管的近端分两步密封，(i.)在送入可激发材料后先远离所述波导主体，以及(ii.)之后，随着管的插入长度被移除，靠近所述波导主体。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，在送入所述可激发的材料之后并且在初始密封之前：

·在所述管的膨胀部分或者所述管相对于所述波导主体的延伸部分内，使得所述可激发材料升华并且再凝结，以及

·由可激发材料引入的易挥发的杂质被排空；

在初始密封之后：

·在最终密封之前，使得在所述波导主体外部的所述管内凝结的可激发材料在所述波导主体内部膨胀的管中或者在其初始密封的端部中升华和再凝结。

26.根据权利要求11所述的方法，其中，所述温度计为红外探测器。

27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述玻璃加工技术包括镦锻和熔融所述管的材料和所述波导主体的材料以及镦锻所述管的远端以使其与所述波导主体的侧面更加紧密地接触。