CN1160284A

CN1160284A - 无汞紫外线放电源

Info

Publication number: CN1160284A
Application number: CN97102671A
Authority: CN
Inventors: D·A·多蒂; T·J·佐默雷尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 1997-09-24
Also published as: US5866984A; DE69731136T2; EP0793258B1; EP0793258A2; JPH09320518A; EP0793258A3; DE69731136D1

Abstract

无汞紫外线(UV)放电源包括：直径在大约2至3厘米的最佳范围内的细长的管壳，该管壳包含其压强在大约10毫乇至大约200毫乇范围内的惰性填充气体；以及电源，用来使所述惰性填充气体电离并且产生在大约100至大约500毫安范围内的放电电流。所述紫外线放电源具有能够同现有的以汞为基础的低压放电源相比拟的效率和输出功率，并且，其目的是在荧光灯中与能够把紫外辐射转换成可见光线的合适的荧光物质一起使用。

Description

无汞紫外线放电源

本发明一般涉及紫外线放电源，更具体地说，涉及无汞的并且可以用于荧光灯的紫外线放电源。

作为紫外(UV)辐射源的放电过程的两个主要性能因数是辐射率(所述放电管的管壁上每单位面积的紫外线功率)和效率(每单位输入电功率的紫外线输出功率)。为了能够实用，紫外线放电源必须具有高的效率和足够高的辐射率，使得实际尺寸的放电管能够产生所需要的紫外线输出功率。这种紫外线放电源一般可用于荧光灯。以汞为基础的荧光灯在工业和住宅的广泛的应用范围中提供了有效的照明能源。然而，存在日益增长的关于汞从废弃的荧光灯进入废物流的担心。

因此，最好是提供呈现高效率和高辐射率的无汞紫外辐射放电源。此外，最好是提供使用这种无汞放电源的荧光灯。

无汞紫外线放电源包括：细长的管壳，如果是圆形的横截面、它具有最大大约5厘米、最好是2至3厘米的半径，它含有其压强在从大约10毫乇到大约200毫乇范围内的氙或者氪填充气体(包括这些气体和其它惰性气体的混合物)；以及用来将填充的惰性气体电离并且产生在大约100毫安到大约500毫安范围内的放电电流的电源。所述紫外线放电源具有可以同现有的以汞为基础的低压放电源相比拟的效率和输出功率。本发明的一种预期的应用是作为荧光灯中的紫外辐射源。在这种应用中，所述紫外线放电源与能够把紫外辐射变换成可见光的合适的荧光物质相结合。

当联系附图阅读以下对本发明的详细描述时，将明白本发明的所述特征和优点，附图中：

图1示意地举例说明根据本发明的紫外线放电源；

图2用图解法举例说明测量到的根据本发明的、管壳直径为2.5厘米的氙紫外线放电源的效率-功率特性，图中的数据点从100毫安开始、增量为100毫安；

图3用图解法举例说明测量到的根据本发明的、管壳直径为1.3厘米的氙紫外线放电源的效率-功率特性，图中的数据点从100毫安开始、增量为100毫安；

图4用图解法举例说明由根据本发明的数字模型预期的氙和氪紫外线放电源的效率-功率特性；

图5用图解法举例说明根据本发明的、包括氪紫外线放电源和在所述管壳内壁上的市场上买得到的荧光物质的灯的光输出功率-效率特性，图中的数据点从100毫安开始、增量为100毫安；以及

图6用图解法举例说明根据本发明的、包含氩和氙混合气体的紫外线放电源的相对效率。

图1示意地举例说明具有可以同现有的以汞为基础的低压放电源相比拟的效率和输出功率的无汞紫外线放电源10。图1显示包含在含有惰性填充气体的细长的管壳14中的正极区放电等离子体。构成管壳14的材料可以是导电的或者绝缘的、以及透明的或者不透明的。管壳14可以具有圆的或者非圆的横截面，并且不必是直的。通过安装在穿到管壳外面的引线18上的热离子发射电极16来激励所述正极区。电气上浮空的电源20向电极16提供电流，以便与所述放电提供的热量相结合，把所述电极保持在足以进行热电子发射的温度。图1举例说明由来自外部电源22的正弦电流所进行的激励；例如，两个电极各自在所述正弦激励的半个周期起阴极的作用、而在另半个周期起阳极的作用。

正极区的性能与所述激励方法无关。此外，除了在某些交流频率下的情况之外，直流放电的性能与交流放电的性能非常相似。具体地说，当激励频率足够高、使得在交流周期范围内电子温度没有明显的变化时，所述直流放电和交流放电是相似的。在低交流频率下，在所述交流周期中的每瞬间、所述放电达到似稳状态，这种似稳状态对应于具有相同的瞬间放电电流的直流工作状态。图1中所示的例子是电极的交流放电(an electroded，ac discharge)的例子，其中热离子电极与用于标准的荧光灯中的相同。但是，本发明的原理既适用于热(热离子)阴极又适用于冷阴极，并且适用于既使用直流又使用各种时间相关电流波形(例如，正弦、方波、脉冲式的)。也可以在没有电极的情况下通过使用容性或者感性功率耦合、或者其它方法、例如表面波放电、来激励正极区放电。虽然所述正极区的内在效率不依赖于所述激励方法，但是，总的转换效率(即，把电功率转换成紫外辐射的效率)却受到所述激励方法中的损耗的影响。

根据本发明，有效的放电材料具有这样的蒸气压、使得在室温环境下工作时能够获得适当的气相密度、而不必过分地强调工作在适合于诸如图1那样的荧光灯的细长的管壳中。此外，所述有效的放电材料必须与典型的灯材料、例如气体、荧光材料和金属电极相适应，虽然可以通过使用保护涂层和/或使用无电极的激励方法来进行一些调节。此外，一旦处在蒸气相，所述有效的放电材料必须能够把来自放电的电子的碰撞能转换成紫外辐射。对于荧光灯来说，所述紫外辐射的波长最好不要比可见光的波长(400-700纳米)短很多。(作为一种标准，现有的荧光灯激励具有185和254纳米辐射的荧光材料。)

符合上述根据本发明的判断标准的有效的放电材料是氙和氪，包括它和其它惰性气体的混合物。把这样的有效放电材料装在具有最大大约5厘米、最好2至3厘米的直径的细长的管壳中、具有从大约10毫乇到大约200毫乇范围内的压强、并且用产生从大约100毫安至大约500毫安范围内的放电电流来运行。

本发明人已经使用几种方法来分析紫外线放电源的输出功率。例如，已经使用发射和吸收放电光谱法来定量和直接地测定紫外线输出功率，并且已经使用电探针来估算放电功率吸收。可以把这两种值结合起来、以便给出从电功率到紫外线功率的转换效率。D.A.Doughty和D.F.Fobare在“氙正极区放电的真空紫外辐射计”(Rev.Sci.Instrum.66(10))中总结了这些放电诊断法，本文将它引入作为参考。

发明人已经用来分析紫外线放电源的输出的另一种方法是用光度计进行灯内测量、灯的电气测量(包括各电极)以及使用连接到各自围绕所述灯管的两根导电带的高阻抗伏特计来测量所述正极区电场。实验室试验管是直径大约2.5厘米、长60厘米的钠钙玻璃圆管，具有安装在该玻璃圆管的每一端的标准的荧光灯电极。该灯管的内壁涂有市场上可以买到的荧光材料的混合物。光度计测量来自荧光材料和放电本身的目测校准的光输出。

发明人已经用来分析紫外线放电源的输出的再一种方法是把原子和放电物理过程的计算模型用于惰性气体正极区放电系统。T.J.Sommerer在“弱放电的低压氙直流正极区放电的模型”一文中概述了这种模型(J.Phys.D(在印刷中))，本文将它引入作为参考。

图2举例说明测量到的紫外线放电源10(图1)中氙放电源的效率-功率特性。正如这些图表所显示的，纯的氙的放电能够产生可以同以汞为基础的放电的效率功率组合。例如，在大约50毫乇和200毫安情况下氙放电产生147纳米的辐射、辐射率为15瓦/米、从电功率到紫外辐射源功率的转换效率是0.70；在大约25毫乇和500毫安情况下所述输出是18瓦/米以及所述效率是0.45。这种性能可以同来自通用电气公司销售的商用的GE F32T8荧光灯中惰性气体/汞放电的紫外线效率/输出功率相比拟。

在氙放电的情况下，上述紫外输出是接近147纳米的本征的氙发射。氙也产生接近130纳米的本征紫外辐射，虽然本发明人已经发现130纳米的辐射量通常小于147纳米的辐射量(小25％)。

根据本发明，存在最佳紫外效率-输出组合的范围。图2中的数据表明，人们可以根据应用场合来将紫外线效率和输出功率折衷，反之亦然。例如，需要最高效率的紫外线放电源的应用可以在100毫乇和100毫安的条件下实现，但是其输出功率会小于可能获得的最大输出功率。相反，需要最高输出功率的紫外线放电源的应用可以在低于50毫乇的压强和超过500毫安电流的条件下实现，但是相应的效率会小于可能获得的最大效率。因此，像图2中那样的紫外线效率-输出功率曲线用来确定特性曲线(图2中用虚线表示)，对于给定的管子直径，该特性曲线把物理上能够实现的效率-输出功率组合的区域(所述虚线的左下方)与物理上不能接受的效率-输出功率组合的区域(所述虚线的右上方)分开。通过适当地选择气体类型、气体压强和放电电流来在物理上能够实现的效率-输出功率组合的区域中选择特定的工作点。在上述情况下，沿着所述特性曲线的紫外线效率和输出功率是最佳值。

应当指出，在最高效率(100毫安，100毫乇)的情况下，可以通过增加管子的长度(也许把管子折叠起来以便缩短其总长度)来提高该管子的总的输出功率。这样，在最高效率的情况下，可以通过调整管子的总长度来补偿单位长度的输出功率消耗。

可以看出，在图2中所使用的条件下，当压强大于25毫乇时所述放电不是静止的。在这种比较高的压强的情况下，可见光和紫外线的输出功率两者都随沿管子的位置而变化。这种空间变化拌随有频率为大约2千赫兹的时间上的变化。由于在这些条件下看上去像闪烁，所所以，这类不均匀性在诸如荧光灯的应用场合是不能接受的。在要求在大于大约10至100毫秒的本征时间内平均输出功率的应用场合，不能出现这种变化。在压强处在或者低于25毫乇的情况下，不出现用眼睛能够看到的所述放电的空间调制，只存在时间调制，但是，在非常高的频率(大约10千赫兹)下，在荧光灯类型的应用场合，这将不会引起能够注意到的闪烁。

图2中的结果是在圆柱形的管子的直径为大约2.5厘米的情况下得到的。也已经对1.3和5厘米的管子进行了研究。在直径1.3厘米的管子的情况下，在相同的压强和电流的范围内(图3)，效率和每单位长度的输出功率低于2.5厘米管子的相应值。在直径5厘米的管子的情况下，对于所研究的所有电流和压强，存在可见光和紫外线输出的大范围的空间和时间调制。还观测到，在大直径的管子中，轴上的电场是不均匀的，在这种情况下，它妨碍紫外辐射效率的准确的定向特性。因此，对于诸如荧光灯的应用场合，具有大约2至3厘米的直径的管子是最佳尺寸。

氪和氙具有相似的原子特性。因此，利用这里关于氙的已经描述的相同的原理，可以构成含有氪的紫外辐射源。氪发射120纳米和124纳米的相当大的紫外辐射，所辐射的功率均匀地在这两根辐射谱线之间分配。因此，在描述氪放电过程的特性时，记录120纳米和124纳米的输出功率的和并且把它作为紫外线输出功率是合理的。

数字放电模型预期(图4)：在重要的区域内，通过适当地选择管子直径、气体压强和放电电流，既可以从氙也可以从氪获得可以比拟的紫外线效率和输出功率。所述模型预期表明，在小直径管子的情况下，氪能够具有极好的紫外线效率。但是，氙和氪的紫外线效率和输出功率是相似的，因此，将根据所需要的应用场合的特点来选择气体。所述放电模型的预期仅仅对于能够获得静态放电工作的情况是有效的。

图5用图解法举例说明在管壳的内壁具有适合于把紫外辐射变换成可见光的荧光粉涂层的灯的测得的光输出。合适的荧光物质包括：Y₂O₃∶Eu(红发射体)；LaPO₄∶CeTb(绿发射体)；以及BaMgA_l0O₁₇∶Eu(兰发射体)。把灯安装到用来排气和随后以具有所选择的压强的所选择的气体(氙或者氪)进行反向充气的真空和气体处理系统。用光度计测量相对的光输出，然后，用光度积分球对具有特定的压强和放电电流的一种气体进行校准。可以从把图1中所示的测得的紫外线效率和输出功率、与关于荧光物质把入射的紫外辐射变换成可见光输出的适当的处理知识相结合，推出图4中所示的氙的光输出。

在相同的放电紫外线效率和输出功率的情况下，可以预期，与以氙放电为基础的灯相比较，以氪放电为基础的灯有稍微低的可见光效率和输出功率。这种性能上的差别可以归因于在荧光物质将给定波长的紫外辐射的光子变换成可见光的光子时招致的斯托克斯能量转换损失方面的差别。与把氙辐射(130纳米和147纳米)转换成可见光相比，当把氪辐射(120纳米和124纳米)转换成可见光时斯托克斯能量转换损失比较大。由于氙和氪放电的最佳紫外线效率和输出功率是可以比拟的(图4)，所以，如图5中所示，可以预期，与包含氙放电的灯相比，包含氪放电的灯的可见光效率和输出功率将稍微低些。只要对已知的氪紫外辐射波长、氙紫外辐射波长和输出的可见光波长进行适当的加权，便能计算出性能上的差别。

对于某些应用场合，紫外线辐射源最好工作在高于大约200毫乇的总气体压强。例如，当总气体压强降低到低于1乇时，用于现有荧光灯的荧光灯阴极结构的有效寿命急剧下降。但是，图1显示，对于高的紫外线输出功率和效率，高于大约200毫乇的氙压强是不希望有的。在这种情况下，可以利用氙和诸如氩或者氖的缓冲气体的混合气体来获得最佳紫外线辐射源。如图5中所示，附加缓冲气体降低了紫外线辐射源的性能。但是，对于给定的总气体压强，包含混合气体的紫外线辐射源的紫外线效率和输出功率高于从具有相同的总压强的包含纯的氙的紫外线辐射源获得的紫外线效率和输出功率。一般说来，用比较轻的惰性气体作为缓冲气体是好的选择，因为，电子和惰性气体碰撞时的能量损失的阈值高于氙电子激励的阈值。因此，对于氙来说，氩和氖是合适的缓冲气体，因为，它们保持在他们的基状，并且，没有它们自己的显著的紫外辐射。但是，氙和氪的混合气体中的放电既由氙发射紫外辐射、又由氪发射紫外辐射。比较不希望使用氦，因为，当电子和基态的氦原子弹性碰撞时，过多份额的放电功率损失在对氦原子的加热方面。

类似地，氖和氩可以作为使氪的放电最佳化的缓冲气体。对于氦来说，和不适合于氙的相同的理由，它不适合于作为氪的缓冲气体。

至此，本发明人已经描述了来自氙、氪、氙和缓冲气体的混合气体以及氪和缓冲气体的混合气体的紫外线效率和输出功率。可以根据这里包含的数据和本发明的应用场合来确定工作条件(管子直径、气体成份、气体压强、放电电流和放电电流波形)的最佳选择。

虽然已经显示和描述的本发明的最佳实施例，但是，显然，这些实施例仅仅是作为例子提供的。对于本专业的技术人员来说，可以在不脱离本发明的情况下产生许多变更，变化和替代。因此，本发明人的意图是：本发明仅仅受所附的权利要求书的精神和范围的限制。

Claims

1.无汞紫外线放电源，其特征在于包括：

细长的管壳，它包含用来维持放电电流并且作为放电的结果而发射紫外辐射的填充气体，所述填充气体包括第一惰性气体，所述第一惰性气体是从包含氙、氪以及每一种所述第一惰性气体与第二惰性气体的混合气体的一组中选择的，所述第一惰性气体具有从大约10毫乇到大约200毫乇范围内的压强，以及

电源，用来使所述第一惰性气体电离并且产生在从大约100毫安到大约500毫安范围内的放电电流。

2.权利要求1的放电源，其特征在于：所述放电源是荧光灯，所述管壳具有用来在受到所述紫外辐射激励时发射可见光线的内部荧光粉涂层。

3.权利要求2的放电源，其特征在于：

所述荧光粉涂层包括从包含Y₂O₃∶Eu、LaPO₄∶CeTb、以及BaMgAl₁₀O₁₇∶Eu的一组中选择的荧光粉。

4.权利要求1或者2的放电源，其特征在于：

所述管壳包括具有最大大约5厘米直径的圆筒。

5.权利要求1或者2的放电源，其特征在于：

所述填充气体包括具有从大约10至大约50毫乇压强的氙。

6.权利要求1或者2的放电源，其特征在于：

所述第一惰性气体包括氙，以及所述第二惰性气体具有在从大约零至5000毫乇范围内的压强。

7.权利要求1或者2的放电源，其特征在于：

所述填充气体包括具有从大约10至大约100毫乇压强的氪。

8.权利要求1或者2的放电源，其特征在于：

所述第一惰性气体包括氪，以及所述第二惰性气体具有在从大约零至5000毫乇范围内的压强。

9.权利要求8的放电源，其特征在于：

所述第二惰性气体是从包括氩、氖、氙和它们的混合物的一组中选择的。