CN1947213A - 包含uv－b荧光粉的介质阻挡放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包含UV－B荧光粉的介质阻挡Xe放电灯。该灯由具有包含Xe或Xe/Ne混合物的气体填充物的气密放电容器组成，并且该灯设置有包括至少一种在UV－B范围(280－320nm)中发射的发光材料的发光层。该发光层包含根据分子式MePO4∶Gd、La1－xAl3 (BO3) 4∶Gdx和La1－x B3O6∶Gdx的Gd3+激活的荧光粉，该荧光粉最终被Bi3+、Pr3+或Nd3+敏化。这种发射UV－B的放电灯优于基于汞低压放电的荧光灯的优点在于高功率密度、瞬时发光、长寿命、仅由荧光粉的混合确定的光谱能量分布、以及任意的燃烧器设计。

Description

包含UV-B荧光粉的介质阻挡放电灯
本发明涉及一种用于产生紫外光的放电灯以及一种用于制造这种灯的方法，该放电灯包含填充Xe或Xe/Ne混合物的气密容器。
用于一般照明目的的光源或者依靠由固体在高温发射的黑体辐射，例如白炽灯和卤素灯，或者依靠各种类型的发光气体放电，例如低压或高压汞灯。
在基于发光气体放电的类型中，介质阻挡放电(DBD)灯的特征在于下述事实，即至少一个电极不与放电气体直接接触，而是通过电绝缘层与其分离。当施加高压时，电极之间的强电场将导致气体击穿，并在其中产生流动的电流。由于所涉及的相反电荷的载流子的分离，该电流将通过建立内场而使它自己停止，该内场最终抵消了外场。通过反转外部电压，可以引发新的放电脉冲。因此，DBD灯靠交流电压来工作，其典型峰峰幅度为1.5-6kV，频率为1-200kHz。
由于其脉冲特性，阻挡放电尤其适合用于能够产生激发物(受激二聚物)的气体填充物的高效工作。在这些填充物中，氙是最高效的一种。尽管已经知道阻挡放电一个半世纪，但是仅仅在10年前才发现，通过用电压脉冲或方波代替正弦波形来驱动灯，可以以一直到65％的放电效率来产生在172nm的Xe2 *UV发射。
DBD灯目前用于光化学以及与荧光层一起用于高端复印机和背面照明。另一应用是等离子体显示板，其基本上表示小型化DBD灯的阵列。US2002/0050780 A1公开了一种利用放电容器来产生紫外光的稀有气体低压放电灯，该放电容器填充着稀有气体，并且至少部分地涂覆有荧光粉，该荧光粉在由在放电容器中所产生的受激辐射进行激发时辐射UV-A光。
另一方面，发射UV-B的荧光灯用于光线疗法以及较小范围的光化学目的。已经发现主要由Gd3+激活的荧光粉在UV-B灯中的应用，因为Gd3+显示出位于310-312nm处高效的线发射，这是由于在4f7组态(6P7/2-8S7/2)内的跃迁。由于这个(这些)发射线处于对牛皮癣的治疗有治疗作用的峰值(295-313nm)出现的波长范围内，因此，这些荧光粉已被应用在基于Hg低压放电的医学皮肤治疗灯上。广泛应用的荧光粉是LaB3O6:Bi，Gd，其中Bi3+用作吸收在254nm处最强汞原子谱线的敏化剂。尽管从Bi3+到Gd3+的能量转移相当高效，但是荧光粉仍然显示出宽发射带，这是由于与Bi3+有关的5p-5s跃迁。可选择地，一些制造商使用峰值位于295nm的宽带发射荧光粉，例如SrAl12O19:Ce。这种荧光粉一个相当大的缺陷在于，必须使用非常敞开并且因此昂贵的灯玻璃，以避免灯玻璃对荧光粉发射的太多吸收。
目前使用的具有这些Gd3+激活的UV-B荧光粉的低压放电灯的主要缺陷是它们的短期退化。这是由在来自等离子体的发光材料和Hg之间的相互作用引起的。这种化学相互作用的结果是在荧光层之上形成黑化层。如果采用包含Bi3+或Pb2+即s2离子作为活化剂或敏化剂的荧光粉，就会特别形成这种吸收层。例如，用于牛皮癣治疗目的的使用了LaB3O6:Bi，Gd的UV-B灯在开始的几个工作小时内显示出超过30％的光减少。结果，需要灯的强化试验(burn-in)以获得稳定的光输出，从而实现在规定的系统寿命上的规范。
遗憾的是，由于所需的在311nm的Gd3+发射通过Bi3+在254nm激发下被最高效地敏化，因此至今该问题还没有得到解决。
本发明涉及发射UV-B的荧光粉及其在介质阻挡放电(DBD)灯中的应用。该DBD灯由具有包含Xe或Xe/Ne混合物的气体填充物的气密放电容器组成，其中添加0-90％体积的Ne。该放电容器配备有电极，并且设置有发光层，该发光层包括至少一种在UV-B范围(280-320nm)发射的发光材料。
Xe2 *激发物放电的发射的峰值位于172nm附近，其中在150nm存在第二宽带，参见图5。将Xe激发物光谱转化为UV-B光可以通过所谓的VUV荧光粉来实现。
本发明的特征在于Gd3+激活的荧光粉在DBD灯中的应用，其中优选应用带隙约为150-180nm的那些主晶格，以在所要求保护的DBD灯中的激发方案下获得高的效率。Gd3+激活的荧光粉的好的例子是YAl3(BO3)4:Gd，其效率峰值在171nm，参见实例b)。
在另一个实施例中使用共激活Gd3+的荧光粉，即由电子能级在能量上位于在基态能级之上6.5与8.0eV之间的离子所敏化的材料。对于Bi3+、Pr3+和Nd3+而言是这种情况。敏化方案可以被描述如下：
                 (Me＝Bi，Pr，Nd)
所要求保护的DBD灯优于发射UV-B的低压汞灯的优点是：灯的几何形状的自由设计，例如弯曲的、平的、管状的等；长的灯寿命(大于20,000小时)；在200-800nm范围内没有等离子线。因此，有可能制造出包括平DBD灯来代替管状荧光灯作为灯瓦(tile)的光线疗法设备。这将产生更加均匀的光分布。而且，光谱能量分布仅取决于荧光粉混合，因此效率高并且不含汞(环境友好的产品)。
这些灯被有利地用于医学和光化学的目的。尤其是，将这些灯用于医学皮肤治疗目的是优选的。参见图6，由于Cl2在300-320nm范围内进行强的吸收，所以这些灯对于在水中Cl2到氯化物的光化学减少也是有用的。
本发明通过制备发光层的方法的以下实施例来说明。
a)GdPO4:Nd的合成
在乙醇中悬浮由25.00g(28.97mmol)的Gd2O3和0.234g(0.70mmol)的Nd2O3组成的原料。在强烈的搅拌下添加16.877g(146.29mmol)85％体积的H3PO4。在室温下搅拌24小时后，通过蒸发除去溶剂。所得到的粉末在100℃下干燥，并添加0.40g LiF来作为助熔剂。
干燥的粉末在空气中在800℃退火2小时。然后，在空气中在1000℃退火2小时。所得到的粉末用150ml HNO3(65％体积)清洗，然后用600ml软化水清洗。最后，干燥的粉末在滚筒台上碾磨几个小时。所得到的粉末具有3-4μm的平均粒子尺寸。
b)YAl3(BO3)4:Gd的合成
在软化水中悬浮由3.00g(13.29mmol)Y2O3、0.098g(0.271mmol)Gd2O3、4.411g(40.67mmol)Al2O3(alon-c)和6.873g(111.16mmol)H3BO3组成的原料。悬浮液由超声进行10分钟的处理。然后，水通过蒸馏被除去。剩下的粉末在100℃下干燥，然后在空气中在900℃退火1小时。在彻底的研磨步骤后，该粉末在空气中在1200℃退火2小时。最后，再次碾磨粉末，用200ml水清洗，并在100℃下干燥。所得到的粉末具有约为5μm的平均粒子尺寸。
c)在石英玻璃中具有LaB3O6:Gd，Bi的单组分DBD灯
纳米粒子SiO2的悬浮液涂在乙酸丁脂基底上，其中粘合剂是硝化纤维素。通过使用流涂相关工序把悬浮液涂在石英管的内壁上。接着，用硝化纤维素作为粘合剂将LaB3O6:Gd，Bi的悬浮液制备在乙酸丁脂基底上。使用类似的流涂相关工序把悬浮液涂在具有重量在1-10mg/cm2范围的典型荧光层的预涂灯管的内壁。粘合剂以500与600℃之间的峰值温度在标准加热循环中进行烧制。使用彻底的抽气循环，对玻璃管进行密封并填充Xe。必须严格排出氧气杂质。纯Xe的典型气压为200-300mbar。铝电极通过粘接或涂覆被附着到灯管的外侧。灯使用脉冲驱动方案典型工作在5kV和25kHz。使用光谱多元分析仪来测定发射光谱。
d)在石英玻璃中包括YAl3(BO3)4:Gd的单组分DBD灯
纳米粒子SiO2的悬浮液涂在乙酸丁脂基底上，其中粘合剂是硝化纤维素。通过使用流涂相关工序把悬浮液涂在石英管的内壁上。接着，用硝化纤维素作为粘合剂将YAl3(BO3)4:Gd的悬浮液制备在乙酸丁脂的基底上。使用类似的流涂相关工序把悬浮液涂在具有重量在2-6mg/cm2范围的典型荧光层的预涂灯管的内壁。粘合剂以500与600℃之间的峰值温度在标准加热循环中进行烧制。使用彻底的抽气循环，对玻璃管进行密封并填充Xe。必须严格排出氧气杂质。纯Xe的典型气压为200-300mbar。铝电极通过粘接或涂覆被附着到灯管的外侧。灯使用脉冲驱动方案典型工作在5kV和25kHz。使用光谱多元分析仪来测定发射光谱。
本发明的更多目的将从随后的附图中变得显而易见。
图1是示出每波长[nm]的激发(实线)和发射(虚线)强度[a.u.]的根据实施例a)的GdPO4:1％Nd的激发和发射光谱；
图2是示出每波长[nm]的激发(实线)和发射(虚线)强度[a.u]的根据实施例b)的YAl3(BO3)4:Gd的激发和发射光谱；
图3是示出每波长[nm]的发射强度[a.u.]的根据实施例c)的包含LaB3O6:Gd，Bi的Xe放电灯的发射光谱；
图4是示出每波长[nm]的发射强度[a.u.]的根据实施例d)的包含YAl3(BO3)4:Gd的Xe放电灯的发射光谱；
图5是示出每波长[nm]的强度[a.u]的激发物放电的发射光谱；
图6是示出每波长的相对吸收的在pH＝7.7的水中Cl2的吸收光谱；
图7是用于制革(tanning)目的的管状DBD灯10的典型实施例的横截面，其中外部条状电极16被附着到包含Xe气体填充物和荧光粉14的放电容器12；
图8是用于制革目的的平DBD灯20的典型实施例的横截面，其中外部条状电极26被附着到另外包含UV反射层28的放电容器22和荧光粉或荧光粉组合24；
图9是用于制革目的的弯曲DBD灯30的典型实施例的横截面，其中外部条状电极36被附着到另外包含UV反射层38的放电容器32和荧光粉或荧光粉组合34。

Claims (6)

1、一种用于产生紫外光的放电灯，包括填充有Xe或Xe/Ne混合物的气密容器，其特征在于，该气密容器配备有发射在280-320nm范围中的UV-B辐射的发光层。
2、根据权利要求1所述的放电灯，其中发光层包括至少一种发射UV-B辐射(280-320nm)的发光材料。
3、根据权利要求1所述的放电灯，其中发光层包括根据组成(Y1-x-yGdxSy)Al3(BO3)4、(La1-x-yGdxSy)Al3(BO3)4、(La1-x-yGdxSy)B3O6、(Y1-x-y-zGdxSyLuz)PO4、(Y1-x-y-zGdxSyLuz)BO3、(La1-x-yGdxSy)MgB5O10、(Y1-x-y-zGdxSyLuz)3Al5O12、Me(Y1-x-yGdxSy)F4(Me＝Li，Na，K；S＝Bi，Nd，Pr；x，z＝0.0-1.0；y＝0.0-0.1)或其混合的发光材料。
4、根据权利要求1-3所述的灯，用于医学皮肤治疗目的和光化学目的。
5、根据权利要求1-3所述的灯，用于光化学减少水中的Cl2。
6、一种制造用于产生紫外光的放电灯的方法，该放电灯包括填充有Xe或Xe/Ne混合物的气密容器，其特征在于，该气密容器涂覆有发射在280-320nm范围中的UV-B辐射的发光层。
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