CN104253013B - 一种高通量平面光源装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高通量平面光源产生的装置，主要包括一管状弧室、n个棒状阴极、一个中间具有圆孔的板状阳极、一个石英透射窗口；弧室的一端为板状阳极，另一端安装石英透射窗口；n个阴极发射端位于弧室内正n边形的各个顶点；所述n边形、弧室、阳极圆孔共轴线；在弧室壁面阴极周围分布气体注入孔缝；从n个阴极发射端始发的电弧汇聚至阳极圆孔，形成大致均匀的圆盘状等离子体，产生的高强度辐射光直接和经弧室壁面反射，在透射窗口外形成较为均匀的高通量平面光源；强迫气体的流动稳定电弧，保护透射窗、弧室壁面免受电极烧蚀蒸气污染。本发明提高电弧功率、增强发光功率，气体流动设计保护透射窗口及弧室壁面免受金属蒸气污染。

Description

一种高通量平面光源装置

技术领域

本发明属于气体放电光源的技术领域，具体涉及一种高通量平面光源产生的装置，用于产生高通量连续辐照光，作为高通量平面光辐照和高通量太阳模拟器的光源。

背景技术

高通量光源通过直接辐照器件表面产生高温，在各种不同环境、气氛下创造极端高温条件，是材料高温性能研究、热化学和光化学研究、太阳能光热/光电高效利用研究等领域的重要科学仪器，并且在许多特种材料(如纳米材料、耐高温材料等)的生产领域有特殊作用。

现有高通量光源大都以多个高压短弧氙灯组合聚焦而成，存在结构复杂、庞大，辐照面不均匀、光源寿命短等问题。由于光源本身发光不均匀，造成辐照面的辐照强度大概呈高斯分布。

采用多电极平面放电可以获得大面积高通量平面光源。专利JPH7263193A、CN1083628A公开了两种多相交流放电装置和平面光源，但存在放电波动和不稳定的问题。J.E.Harry等在文献[Production of a large volume discharge using a multiple arcsystem.IEEE Transcation on plasma science，v.ps-7，n.3Sept.1979]报道了多电极放电产生大体积等离子体方法以及电路连接方法对放电的影响，从中可看出，除了放电平面不均匀外，也不能直接成为可用的光源。上述放电方法一个共同的问题是高温气体流动没有控制，且是不稳定的，作为光源使用时，对透镜和弧室壁面造成污染，使光源寿命缩短。

目前尚未见到均匀大面积高通量人工光源报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种大功率、高通量、辐照均匀的光源的产生方法和高通量光源装置。

本发明的目的还在于提供产生稳定的、较为均匀平面发光的高亮度等离子体光源装置。

本发明的目的还在于解决多电极电弧放电的不稳定问题和放电产生的高温气体流动对弧室壁和透射窗的污染及损坏问题。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：采用多阴极平面弧光放电产生高通量平面光源的装置，该装置包括一个圆管状弧室、n个棒状阴极、一个中间具有圆孔的板状阳极、一个石英透射窗口、n个直流恒流电源；所述弧室的一端为板状阳极，弧室的另一端安装石英透射窗口；所述n个阴极放射状布置在一个旋转面上、它们的发射端位于弧室内正n边形的各个顶点附近；存在一公共轴线，所述旋转面和n边形、弧室、阳极圆孔共所述轴线；在阴极穿过弧室壁处阴极附近分布气体注入孔缝。

其中，所述n个棒状阴极的端部为锥形，有利于电弧稳定。

其中，阴极发射端所在的n多边形的对角线长度大于所述阳极圆孔的直径，但小于弧室直径。

其中，在板状阳极上设置n个凹曲面反射镜，所述反射镜的焦轴与阴极轴线在同一平面内，反射镜开口正对透射窗。

为提高光的利用效率，同时消除电弧之间相互影响，反射镜两边高出电弧轴线。

其中，从所述气体注入孔缝向弧室内注入惰性气体。

其中，所述n个直流电源的负极分别联接到n个阴极上，所述n个直流电源的正极连接到所述阳极；在所述n个阴极和所述阳极之间引发电弧，从n个阴极发射端始发的电弧汇聚至阳极圆孔，形成充满所述n个阴极发射端环内放射状大致均匀的圆盘电弧等离子体。

其中，在弧室内壁面内表面镀全反射膜，形成导光筒；在阳极壁面、阳极反射镜表面镀全反射膜。等离子体辐射光直接辐射、和经反射镜反射、导光筒收集，通过石英透射窗在透射窗外侧形成均匀的平面光源或均匀的辐照面。反射镜将电弧等离子体产生的辐射部分反射回到等离子体，被等离子体吸收，可以提高等离子体温度，增强等离子体辐射。

其中，在阴极附近与石英透射窗口附近的弧室壁面均匀分布多个气体注入孔缝，放电产生的高温气体从所述阳极圆孔流出；所述气体注入孔缝的冷气体注入使放电稳定；同时气体注入孔缝注入的冷气体对阳极板、弧室壁面起尘埃隔离保护作用，保护透射窗、反射镜、阳极壁面及弧室壁面免受电极烧蚀蒸气污染，和对透射窗起热隔离保护作用。

其中，通常所述n个阴极和n个电源在3个以上，最好设计为双数。n边形对角的阴极的电弧同时工作或熄灭，保证电弧的对称和稳定。

其中，所述阴极的轴线与公共轴线之间的夹角为60～90度之间。

其中，在弧室外有一气体冷却和强迫循环装置，将弧室内高温气体从阳极圆孔抽出，在弧室外冷却、消除金属尘埃、再从弧室壁冷气注入孔缝注入弧室。所述气体冷却和强迫循环装置包括安装在弧室外的与弧室联通、与大气隔离的封闭壳体，和安装在壳体内气体换热装置、气体循环驱动风机、以及与弧室壁气体注入孔缝联通的气体通路。

本发明的优点和积极效果为：

与现有氙弧灯技术相比，由于采用了以上方案，可以实现以下优点：

1)将多个放射状等离子体组成为类似圆盘状平面等离子体代替短弧氙灯的锥状电弧等离子体，由“点”光源变为较为均匀的平面发光体，可以提高电弧功率，从而增强了光源的辐射功率和辐射效率，并提高了辐射的均匀性；

2)平面的等离子体光源及阳极内筒的全反射结构在阳极圆筒透射窗口处形成了均匀的平面光源(朗伯光源)，因而不需要普通氙灯的先聚光再匀光的复杂光路系统；

3)弧室外的纯净冷气体补充，对透射窗进行冷却和污染保护，提高窗口寿命。

4)外注入冷气体产生的流场保证了电弧的稳定。

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

附图说明

图1是本发明装置原理剖面图；

图2是图1的B-B断面阴极布置、及电弧分布示意图；

图3是阴极局部示意图；

图中：1、弧室壁、101弧室，2、阴极(n个)3、阳极，301、阳极圆孔，4透射窗，5、阴极绝缘支撑、6、阳极绝缘材料及密封，7、阴极气体注入孔(多个)，8、阴极注入气体，9、电弧等离子体，10、流出气体，11、保护气体注入孔(多个)、12、保护注入气体2；13、阳极冷却水，14、阴极冷却水，15、弧室冷却水，16、透射窗冷却水，17、弧柱反射镜，18、阳极反射面，19、冷却翅片，20、离心风机，21、离心风机驱动电机，22、冷却气体回流通道，23、气体循环系统密封壳体。

本发明的大功率、高通量、辐照均匀的光源的产生方法是通过多阴极平面弧光放电，弧柱为在弧室断面上的放射状分布，产生一个发光面积更大的类似圆盘形等离子体光源，从而提高辐射功率和提高发光面的均匀性，并通过简单光筒收集，在辐射窗口形成均匀的平面光源。从弧室内壁注入冷气体稳定电弧，并保护透射窗、弧室壁及反射镜不受污染；高温气体从阳极圆孔流出。

本发明的高通量光源的一种基本结构如附图1所示。

本发明为了达到上述目的采用的技术方案为：采用多阴极平面弧光放电产生高通量平面光源的装置，该装置包括一个圆管状弧室101、n个棒状阴极2、一个中间具有圆孔301的板状阳极3、一个石英透射窗口4、n个直流恒流电源(图中未画出)。弧室1的一端为板状阳极3，弧室的另一端安装石英透射窗口4，他们之间联接处密封联接；所述n个阴极的轴线放射状布置在一个旋转面上，它们的发射端位于弧室内正n边形的各个顶点附近；存在一公共轴线，所述弧室、旋转面、n边形中心、阳极圆孔共所述轴线。

阴极数目通常为3个以上，一般为6～12个。

阴极发射端的对角线长度大于阳极圆孔301的直径，小于弧室101直径。

阴极从弧室壁穿过，在阴极附近弧室壁上开有气体注入孔缝7；阴极由绝缘支撑5与弧室壁1及阳极3之间绝缘。阳极3与气体循环系统密封壳体23由阳极绝缘材料6电隔离。绝缘支撑5与弧室壁1、阳极3和阴极2之间密封连接，阳极绝缘材料6与气体循环系统密封壳体23之间密封连接，保证弧室与大气隔离。

按一般电弧等离子体发生器要求，对弧室壁1、阴极2、阳极3、透射窗4附近通水冷却，如图中15、14、13、16。

通过弧室壁面四周气体注入孔缝7、11，向弧室内注入气体8、12为元素周期表中的惰性气体。

弧室壁面气体注入孔缝可设计为与阴极同轴，气体注入孔数目可与阴极数目相同。

给电弧供电的直流电源数目与阴极数目相同，每个电源负极联接一个阴极，全部电源的正极与阳极相连。

通过短路方法或高压击穿方法在阴极与阳极之间引发电弧，由于阴极中电流产生的磁场作用和注入气流8作用，电弧的阴极弧根自动转移至阴极尖端，阳极弧根分别自动转移至阳极圆孔301内。从各阴极发射尖端始发的电弧汇聚至阳极圆孔301，形成充满所述n个阴极发射端环内大致均匀的圆盘状等离子体9。

为了提高光的利用效率，板状阳极3一侧设置n曲面反射镜17与n个电弧对应。反射镜17可以设计为柱形曲面，或锥形曲面，曲面的弯曲度在圆周与抛物线之间，曲面的焦轴与电弧弧柱轴线在同一个平面内且大约同轴，曲面开口方向朝向光源透射窗口，这样的设计在于最大程度将电弧辐射光反射到透射窗口。

为了降低电弧之间的相互影响，从而约束、稳定电弧和提高电弧亮度，反射镜17两边略高出弧柱。

曲面反射镜17一端位于弧室壁1，另一端最长交于阳极圆孔301。

弧室内壁面1镀全反射膜，形成导光筒；在阳极反射面18、曲面反射镜17表面镀全反射膜。圆盘等离子体9辐射光直接经反射镜反射、导光筒收集，通过石英透射窗在透射窗外侧形成均匀的平面光源或均匀的辐照面。

棒状阴极2端部加工成锥状，可提高提高阴极尖端等离子体辐射强度，和提高阴极射流强度，后者有利于电弧稳定。

所述等离子体在阴极尖端处和阳极圆孔301处最为密集，n边形内区域都有等离子体分布。

注入气体8的流动约束使电弧放电稳定。放电产生的高温气体10从所述阳极圆孔301流出。

阴极的轴线与公共轴线之间的夹角为60～90度之间，如图3所示α(α’)。60度时，等离子体容易稳定，而光能利用效率低；最佳角度为90度，在等离子体能稳定运行的前提条件下，光利用效率最高。本例中阴极的轴线与公共轴线之间的夹角为90度。

在阴极的轴线与公共轴线之间的夹角为90度时，电弧的射流在阳极圆孔301处汇聚，在轴线处可能产生向透射窗口4的流动。在靠近石英窗口弧室壁面四周均匀分布的多个保护注入孔缝11，从所述多个保护气体注入孔缝11注入的冷气体12，抑制高温气体向透射窗口的流动，保护透射窗4、反射镜17、阳极反射面18及弧室内壁1免受电极烧蚀蒸气污染和对透射窗起热隔离保护作用。

通常所述n个阴极2数目最好设计为双数。布置在n边形的阴极同时工作或停止，以保证产生的等离子体流动的对称和稳定。

所述阴极2为掺有少量稀土金属氧化物的钨材料制成，所述阳极3材料由耐高温的导电材料制成，如钨金属、钨合金等。

本发明在弧室外可加装与大气隔离一气体冷却和强迫循环装置，将弧室内高温气体10从阳极圆孔301抽出，在弧室外冷却、消除金属尘埃、再从弧室壁冷气注入孔缝7、11注入弧室101。所述气体冷却和强迫循环装置可以由通用产品组合。本发明专门设计一套气体冷却和强迫循环装置，包括与大气隔离、与阳极圆孔301出口、弧室壁阴极冷气注入孔缝7、保护气体注入孔缝11保持联通的壳体23，安装在所述壳体内的冷却翅片19、离心风机20、驱动电机21、和冷气体回流通道22。冷却翅片19在弧室外阳极圆孔301周边，可与板状阳极3为一体，由阳极冷却水13冷却；冷却翅片19径向布置，流出阳极圆孔301高温气体10沿冷却翅片19的槽缝流动并降低温度，同时金属蒸气冷凝沉积；离心风机20设计在冷却翅片19外，抽吸已冷却气体，沿冷气体回流通道22、经阴极气体注入孔缝7和保护气体注入孔缝11返回弧室101。由于采用气体强迫外循环冷却，大大提高电弧稳定性和保护光学镜面不受污染。

下面给出本发明的一个实施实例：

装置主要结构尺寸：阳极弧室直径100mm，弧室长度300mm；棒状阴极数目8个，阴极直径6mm；板状阳极由两部分组成，中心为一纯钨金属的环，钨环的内孔为阳极圆孔，其直径20mm，钨环外径30mm。阴极布置在同一个平面内，对角阴极尖端间距80mm。

电极材料：棒状阴极为镧钨(含有3％氧化镧)；阳极和弧室壁为T2紫铜，表面镀铝膜。

充气气压：1MPa氩气。

电弧电流：每个阴极电流200A，总电流1600A；

电弧电压：40V，电弧功率64kW，电弧辐射功率超过10kW。

与短弧氙灯“点”光源相比，本发明的平面光源增大了发光面积，提高了辐射光总通量；与短弧氙灯的泡壳冷却问题相比，本发明的循环流入的冷气体不仅能有效地防止透射窗与高温等离子体及高温气体接触，还对透射窗有明显的冷却作用，较好地解决散热问题，从而提高窗口的寿命。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种高通量平面光源装置，包括一个管状弧室、n个端部为锥形的棒状阴极、一个中间具有圆孔的板状阳极、一个石英透射窗口和n个直流恒流电源；所述弧室的一端为板状阳极，弧室的另一端安装石英透射窗口；所述n个阴极的轴线放射状布置在旋转面上，它们的发射端位于弧室内正n边形的各个顶点附近；存在一公共轴线，所述旋转面和n边形、弧室、阳极圆孔共所述公共轴线；在板状阳极上设置n个凹曲面反射镜，所述反射镜的焦轴与阴极轴线在同一平面内，反射镜两边高于阴极轴线，反射镜开口正对透射窗；在弧室壁阴极穿过处开有气体注入孔缝环绕每个阴极；所述n个直流电源的负极分别联接到n个阴极上，所述n个直流电源的正极连接到所述阳极；从n个阴极发射端始发的电弧汇聚至阳极圆孔，形成充满所述n个阴极发射端环内n个放射状电弧等离子体；等离子体产生的高强度辐射光直接经反射镜、阳极壁面和弧室壁面反射，通过石英透射窗在透射窗口形成较为均匀的高通量平面光源；从所述气体注入孔缝注入冷气体，保持电弧稳定，保护透射窗、反射镜、阳极壁面及弧室壁面免受电极烧蚀蒸气污染，对透射窗起热隔离保护作用；放电产生的高温气体从所述阳极圆孔流出弧室：其中所述n个阴极为偶数个。

2.如权利要求1所述的高通量平面光源装置，其特征在于，所述阴极轴线与所述公共轴线之间的夹角在60～90度之间。

3.如权利要求1所述的高通量平面光源装置，其特征在于，所述n边形的对角线长度大于所述阳极圆孔的直径，小于弧室直径。

4.如权利要求1所述的高通量平面光源装置，其特征在于，处于所述n边形对角位置的任意一对阴极同时工作或熄灭。

5.如权利要求1所述的高通量平面光源装置，其特征在于，在阴极附近与石英透射窗口附近的弧室壁面均匀分布多个气体注入孔缝，从所述多个气体注入孔缝注入冷气，稳定电弧，保护透射窗、反射镜、阳极壁面及弧室壁面免受电极烧蚀蒸气污染，对透射窗起热隔离保护作用。

6.如权利要求1所述的高通量平面光源装置，其特征在于，在所述反射镜、阳极壁面及弧室壁面镀全反射膜。

7.如权利要求1所述的高通量平面光源装置，其特征在于，在弧室外有一气体冷却和强迫循环装置，将弧室内高温气体从阳极圆孔抽出，在弧室外冷却并消除金属蒸气，再从弧室壁冷气注入孔注入弧室；所述气体冷却和强迫循环装置包括安装在弧室外的与弧室联通且与大气隔离的封闭壳体、安装在所述壳体内的阳极板上冷却翅片、安装在所述壳体内的一个离心风机和其驱动电机、与阴极气体注入孔缝和保护气体注入孔缝联通的冷气体回流通道。