CN112771644A - 低金属卤化物剂量的等离子体光源 - Google Patents
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Abstract
在等离子体坩埚(2)中包含低剂量的、优选为不饱和的微波可激发材料(9)填充物，包括稀有气体中的至少两种金属卤化物以及可选的汞缓冲剂，以在其中形成发光等离子体。
Description
本发明涉及一种等离子体光源。
在本说明书中使用以下术语：
“光源”是指实际的光发射器，以及与之密切相关的用于控制光传播的部件；
“照明器”是指包括光源在内的完整的发光单元。
美国专利No 5,864,210(“Matsushita专利”)的摘要如下：
“该装置具有一个用于将放电限制在其中的透光灯泡，一个密封在透光灯泡中的填充物，并包括稀有气体和通过分子辐射发射连续光谱的金属卤化物，和一个用于将电能施加到填充物上并启动和维持电弧放电的放电激励源，金属卤化物包括一种选自卤化铟、卤化镓和卤化铊或其混合物的卤化物，并且该透光灯泡没有暴露在放电空间中的电极，而且这种结构利用金属卤化物的分子辐射的连续光谱，从而在不使用汞作为填充物的情况下同时实现高显色性和高光效。”
需要使卤化物的量等于或大于内部尺寸的0.5×10-5mol/cm。特别地，该内部尺寸被定义为在用于激发放电的电能的电场方向上的内部壁间距离。另外，还建议存在等于或大于内部尺寸的5×10-5mol/cm的锌的量。据说它有助于灯泡中的内部压力。
该灯泡能产生如Matsushita专利的图1中所示的宽光谱光，其在本说明书的图1中再现。
Matsushita专利描述了在电场方向上的以壁间距离的mol/cm为单位的卤化物的量。在Matsushita专利的背景下，这是直接的，因为灯泡是圆形的。在我们的工作中，我们建立放电的空腔是圆柱形的。为了避免疑问，我们测量圆柱形空腔的长度方向上的距离。
在测试中，我们已经尝试改进Matsushita专利，例如用于园艺用途，其中光谱的强蓝色和UV区域是有利的。鉴于金属卤化物分子辐射在可见光范围内是宽光谱的教导，这是出人意料的。这种教导不仅在上述专利中，而且例如在https://en.wikipedia.org/wiki/ Metal-halide_lamp中，其描述了：
“金属卤化物灯具有约75-100流明/瓦的高光效，该光效约为汞蒸气灯的光效的两倍以及白炽灯的光效的3-5倍，并且产生强烈的白光。”
在我们看来，上述专利和维基百科摘要的教导不适用于我们已经测试的低浓度金属卤化物。在这些测试中，我们得到的结果与所建议的结果不同。
在阐述我们的发明之前，该发明是在对改进的园艺灯的研究中做出的，尽管它不限于此类灯，而且我们期望我们改进的灯将用于UV灯的其他应用，我们再现了太阳辐射的曲线图，如本说明书的图2所示。
这表明：
UV、可见光和红外(“IR”)辐射在到达外大气层和到达海平面时的情况，这种差异是显著的，因为在山区进化的植物比在海平面生长的植物接受更多的某些辐射。最大的差异在于UV范围；
在海平面处，300nm以下的UV最少，大气吸收了所有的UV；
在转变至可见光时，约50％的入射UV在海平面被吸收；
在稍微超过400nm处，仍然存在对入射蓝光的显著吸收。
本发明的目的是提供一种光源，该光源在光谱的蓝色端(包括紫外(“UV”)波长)提供增强的辐射，以期用大气吸收的光补充环境光，并补充在UV和/或蓝色区域中具有很少发射或没有发射的人造光。
根据本发明的第一方面，提供了一种等离子体光源，包括：
透光外壳或透光坩埚或制件，其具有：
密封空隙，其包含
可激发为等离子体的材料，包括：
至少两种金属卤化物和
惰性气体；
所述两种金属卤化物一起提供，它们在使用时的浓度小于所述空隙内的内部壁间距离的5.0×10-6mol/cm，并施加电能以激发放电，其电场的方向沿所述壁间距离的方向。
为了避免疑问，我们已经测量了沿空隙长度(例如沿着密封的等离子体空隙的长度)的壁间距离，如在我们的国际专利申请WO 2010/133822中所描述的那样，其摘要如下：
“为了在2450MHz下以TMO10模式运行，石英的透光坩埚直径为4.9cm，长度为2.1cm。密封的等离子体空隙居中地放置在中心轴线上，在一端具有天线凹腔，但偏离坩埚的中心轴线并靠近中心空隙。”
需要特别指出的是，卤化物的浓度使得空隙内的蒸气在使用中是不饱和的。换言之，不存在液体池。这样的结果我们认为是强分子辐射以及原子辐射。
优选地，该透光外壳是在其端部密封以提供密封空隙的透光管，该透光管的长度在所述壁间距离的方向上。通常，透光外壳将设置在单独的透光体中的中央纵向孔内。它可以固定地设置在单独的透光体中的孔内。
另外，透光坩埚可以是具有密封的中央纵向孔的透光材料体，所述中央纵向孔提供了密封空隙，孔的长度在所述壁间距离的方向上。
坩埚可以如我们上面的申请WO 2010/133822中所述。
通常在使用中，坩埚或透光体由以下特征所包围：
封闭高频电磁波的法拉第笼：
在所述坩埚的外侧和一端包围着所述坩埚，以及
对于从等离子体坩埚射出的光是至少部分透光的，
所述布置使得来自所述空隙中的等离子体的光能够穿过所述等离子体坩埚并且经由所述法拉第笼从所述等离子体坩埚辐射出来。
法拉第笼可以如我们上述申请WO 2010/133822中所述。
我们发现下列稀有气体适合用作惰性气体：氖气(Ne)、氩气(Ar)、氪气(Kr)、氙气(Xe)。
我们还在填充物中包括作为缓冲剂的汞。
我们对多种金属卤化物进行了测试，结果表明，它们可以选自于氟化物、氯化物、溴化物和碘化物。出于实际目的，氟化物只能用于由陶瓷材料制成的等离子体坩埚中。
我们认为以下金属适合作为我们的光源的卤化物：
Al、As、Bi、Cd、Ga、Ge、In、Nb、Pb、Sb、Sn、Ti、Tl、V、Zn。
我们认识到，当前的环境法规不允许在市场上销售的产品中使用Cd和Pb。
我们认为可行的等离子体坩埚的金属卤化物总含量的极限值为：在施加用于激发放电的电能的电场方向上，所述内部壁间距离为1.60×10-8至4.99×10-6mol/cm之间。
我们的优选范围是在4.10×10-8与1.85×10-6mol/cm之间。
对于等离子体坩埚的惰性气体含量，我们的优选范围是在施加用于激发放电的电能的电场方向上的壁间距离的1.00×10-8与3.25×10-6mol/cm之间。
我们优选的等离子体坩埚的缓冲剂(即汞)的含量范围，是在施加用于激发放电的电能的电场方向上的壁间距离的1.25×10-6至1.25×10-6mol/cm之间。
我们预期该范围是在1.2×10-5至7.5×10-5mol/cm之间。
为了帮助理解本发明，现在将通过举例并参照附图来描述本发明的具体实施例和变型，在附图中：
图1是表示由例如美国专利5,864,210中所用的灯泡所产生的宽光谱光的曲线图；
图2是太阳辐射的曲线图，示出了到达外大气层和到达海平面时的UV、可见光和红外辐射；
图3是本发明的透光等离子体坩埚的立体图；
图4是例如在WO 2014/045044中使用的可用于本发明变型的透光外壳和主体的截面图，该视图是WO 2014/045044的图5；
图5是例如在WO 2015/189632中使用的可以在本发明另一个变型中使用的另一个透光外壳和主体的类似截面图，该视图是WO 2015/189632的图1；
图6是实施例A在300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图7是实施例A在300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布；
图8是实施例B在300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图9是实施例B在300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布；
图10是实施例C的300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图11是实施例C的300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布；
图12是实施例D在300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图13是实施例D在300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布；
图14是实施例E在300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图15是实施例E在300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布；
图16是实施例G在300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图17是实施例G在300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布；
图18是实施例H在300nm至550nm之间的输出光谱功率分布；
图19是实施例H在300nm至1100nm之间的输出光谱功率分布。
参见图3，示出了由微波能量供电的光源1。它类似于在我们的WO 2010/133822中所描述的，其摘要已在上文引用。该光源具有由石英制成的圆柱形主体2，形成固态等离子体外壳或坩埚。石英对可见光是透明的，并且石英的外表面被抛光。坩埚可以是半透明陶瓷，例如氧化铝。我们使用“透光”来表示透明或半透明。坩埚具有长度l和直径d。空隙3在中心对齐。相对于坩埚本身的尺寸，这个空隙很短，并且直径也很小。通过加工坩埚材料或另外的石英片来密封该空隙。密封方法在我们的国际申请WO 2010/094938中进行了描述。
法拉第笼4围绕坩埚的弯曲侧表面5和一个端面6。该法拉第笼可以是金属网或网状金属片，使得从坩埚的这些表面出射的大部分光都能穿过该法拉第笼，而微波则不能。该法拉第笼的环箍7围绕着固定至法拉第笼的载体8的端部延伸，从而承载坩埚。
包含具有在稀有气体中的汞缓冲物的金属卤化物的微波可激发材料9的填充物，以在其中形成发光等离子体。天线10布置在等离子体坩埚内延伸的孔11中，用于向填充物发射等离子体诱导微波能量。该天线具有延伸至等离子体坩埚之外以用于连接微波能量源14的连接件12，其中该微波能量源被示意性地示出。国际专利申请WO 2010/128301中描述了这种微波能量源以及用于将微波能量输入到该连接件中的装置的细节。
最近，如我们的WO 2014/045044和WO 2015/189632中所述，我们已经从具有固定在其内的可激发材料外壳的石英坩埚转向在坩埚内固定或自由的外壳，我们将其描述为透光体，而不是坩埚。该透光体保持尺寸以用于微波谐振。
图4是WO 2014/045044的图5，其摘要如下(尽管改变了附图标记)：
用于LUWPL(Lucent Waveguide Plasma Light Source，透光波导等离子体光源)的坩埚101由具有穿过它的中心孔103的波导体102形成。在中心孔内容纳有拉制的石英管104，该石英管的两端被密封，其中一端141已经被加工成平坦的，以与波导体的一个面121共面；另一端142具有残留尖端143。这在波导体的另一面123的孔口122处固定到波导体上。该固定是通过陶瓷粘合剂化合物105来实现的。
图5是WO 2015/189632的图1，其摘要如下(尽管改变了附图标记)：
由微波能量供电的光源201，具有介电体203或透光材料的制件以便光从其中射出，在介电体或制件中的插座222，以及围绕介电体或制件的可透光的微波封闭法拉第笼209。法拉第笼内的介电体或制件形成微波谐振腔的至少一部分。插座222内的透光材料的密封等离子体外壳221具有用于相对于介电体或制件将等离子体外壳定位在插座内的装置(不可见)。
在本申请的语言中，WO 2014/045044的“外壳”和“插座”是本体中的外壳和内孔。
为了避免疑问，WO 2014/045044或WO 2015/189632的透光体和外壳可以与本发明的填充物一起使用，如下例所示。
进一步为了避免疑问，在所施加的电场的方向上的壁间距离是图1中的沿长度l方向的内部距离以及WO 2014/045044或WO 2015/189632的透光体和外壳中的等效方向和距离。
在后一种情况下，外壳可设置有诸如在该应用中的装置定位装置，即融合在凸耳上，所述凸耳从所述孔定位在所述透光体的凹部中。或者，该孔可以是并且该外壳可以是平直的，并提供了其他定位装置。
在我们已经照亮等离子体的透光坩埚的以下实施例中，我们使用介电常数为3.78的石英作为透光坩埚的材料，我们的工作频率为2450MHz。
在输入功率约为265W的情况下，我们测试了含有以下混合物的等离子体坩埚的性能：
在胶囊输入功率为265W时，300至550nm和300至1100nm的输出汇总
所得光谱在图6和图7(实施例A)、图8和图9(实施例B)、图10和图11(实施例C)、图12和图13(实施例D)、图14和图15(实施例E)、图16和图17(实施例G)、图18和图19(实施例H)中示出。(注意：不存在实施例F)。
Claims (18)
1.一种等离子体光源，包括：
透光外壳或透光坩埚或制件，其具有：
密封空隙，其包含
可激发为等离子体的材料，包括
至少两种金属卤化物，和
惰性气体；
所述两种金属卤化物一起提供，它们在使用时的浓度小于所述空隙内的内部壁间距离的5.0×10-6mol/cm，并施加电能以激发放电，其电场的方向沿所述壁间距离的方向。
2.根据权利要求1所述的等离子体光源，其中，所述卤化物的浓度使得所述空隙内的蒸气在使用中是不饱和的。
3.根据权利要求1或2所述的等离子体光源，其中，在使用中不存在可激发材料的池。
4.根据权利要求1、2或3所述的等离子体光源，其中，所述透光外壳是在其端部密封以提供所述密封空隙的透光管，所述透光管的长度在所述壁间距离的方向上。
5.根据权利要求4所述的等离子体光源，其中，所述透光外壳设置在单独的透光体中的中央纵向孔内。
6.根据权利要求5所述的等离子体光源，其中，所述透光外壳固定地设置在所述单独的透光体中的所述孔内。
7.根据权利要求1、2或3所述的等离子体光源，其中，所述透光坩埚是具有密封的中央纵向孔的透光材料体，所述中央纵向孔提供了所述密封空隙，所述孔的长度在所述壁间距离的方向上。
8.根据权利要求5、6或7所述的等离子体光源，其中，所述坩埚或透光体由以下特征所包围：
封闭高频电磁波的法拉第笼：
在所述坩埚的外侧和一端包围着所述坩埚，以及
对于从等离子体坩埚射出的光是至少部分透光的，
该布置使得来自所述空隙中的等离子体的光能够穿过所述等离子体坩埚并通过所述法拉第笼从所述等离子体坩埚辐射出来。
9.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述惰性气体是稀有气体或稀有气体的混合物，优选地选自于：氖气(Ne)，氩气(Ar)，氪气(Kr)，氙气(Xe)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述填充物包括作为缓冲剂的汞。
11.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述卤化物选自于氯化物、溴化物和碘化物，所述透光外壳或坩埚是石英或陶瓷的。
12.根据权利要求1至10中的任一项所述的等离子体光源，其中，所述卤化物选自氟化物，所述透光外壳或坩埚是陶瓷材料。
13.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述卤化物选自于Al、As、Bi、Cd、Ga、Ge、In、Nb、Pb、Sb、Sn、Ti、Tl、V、Zn。
14.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述等离子体坩埚中的金属卤化物总含量在用于激发放电的电能的电场方向上的所述内部壁间距离的1.60×10-8至4.99×10-6mol/cm之间。
15.根据权利要求14所述的等离子体光源，其中，所述金属卤化物总含量在4.10×10-8至1.85×10-6mol/cm之间。
16.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述等离子体坩埚的惰性气体含量在用于激发放电的电能的电场方向上的所述壁间距离的1.00×10-8至3.25×10- 6mol/cm之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的等离子体光源，其中，所述等离子体坩埚的汞缓冲剂含量在用于激发放电的电能的电场方向上的所述壁间距离的1.25×10-6至1.25×10- 6mol/cm之间。
18.根据权利要求17所述的等离子体光源，其中，所述汞缓冲剂含量在1.2×10-5至7.5×10-5mol/cm之间。
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