CN204927239U - 微波等离子体光源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微波等离子体光源，包括金属谐振腔，金属谐振腔底端、顶端筒口分别封闭安装有金属圆盘底座、金属盖盘，金属盖盘顶部设置有半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽槽底中心向下竖向设置有圆形通孔，金属谐振腔内有内导体，以及套在内导体外的绝缘陶瓷环，陶瓷环上部侧面有盲孔，陶瓷环底端与金属圆盘底座接触，内导体底端电连接在金属圆盘底座上，内导体顶端设置有半圆弧形凹槽，内导体、陶瓷环顶端插入金属盖盘圆形通孔中，金属盖盘顶部半圆柱形凹槽中躺放有无电极灯泡，无电极灯泡的中心位于内导体顶端半圆弧形凹槽之上，同轴探针的外导体电连接在金属谐振腔耦合通孔处，同轴探针的内导体插入陶瓷环上的盲孔内。

Description

微波等离子体光源

技术领域

本实用新型涉及离子体光源领域，具体是一种微波等离子体光源。

背景技术

利用微波能量来激发等离子体的光源不存在电极，没有电极与玻璃的密封漏气和光衰减的问题，具有寿命长、光衰小、节能环保、光效高等优点，具有广泛的应用前景。目前，现有微波等离子体光源的技术主要采用陶瓷谐振腔将微波能量耦合到灯泡内部使气体电离发光，其中陶瓷部分体积较大，烧结困难，并需要陶瓷表面金属化，结构工艺复杂。而且，由于陶瓷材料的介质损耗，还容易产生大量的热引起腔体温度升高，降低了灯泡吸收的能量和等离子体光源的发光效率。

实用新型内容本实用新型的目的是提供一种微波等离子体光源，以解决现有技术陶瓷谐振腔结构工艺复杂和介质损耗较大的问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案为：

微波等离子体光源，其特征在于：包括竖向设置内部中空的圆柱形筒状结构的金属谐振腔，金属谐振腔顶端、底端分别为筒口，且金属谐振腔底端筒口封闭安装有有金属圆盘底座，金属谐振腔顶端筒口封闭安装有金属盖盘，所述金属盖盘顶部带有散热翅片，金属盖盘顶部还沿横向径向方向设置有半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽槽底中心向下竖向设置有贯通金属盖盘的圆形通孔，所述金属谐振腔内沿竖向中心轴方向设置有内导体，以及通过中心竖向内孔环绕套在内导体外的绝缘陶瓷环，所述陶瓷环上部侧面横向设有盲孔，陶瓷环底端向下延伸至与金属圆盘底座接触，所述内导体底端电连接在金属圆盘底座上，内导体顶端设置有半圆弧形凹槽，内导体、陶瓷环顶端向上延伸至插入金属盖盘圆形通孔中，且内导体、陶瓷环顶面与金属盖盘顶部半圆柱形凹槽的槽底接近，金属盖盘顶部半圆柱形凹槽中躺放有无电极灯泡，且无电极灯泡的中心位于内导体顶端半圆弧形凹槽之上，还包括有同轴探针，同轴探针由外导体、插接在外导体中的内导体构成，金属谐振腔上部侧面对应陶瓷环盲孔位置横向开有耦合通孔，同轴探针的外导体电连接在金属谐振腔耦合通孔处，同轴探针的内导体从耦合通孔伸入金属谐振腔中，且同轴探针的内导体插入陶瓷环上的盲孔内。

所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述金属圆盘底座、金属谐振腔、金属谐振腔内的内导体材质采用导电良好的金属材料，优选铝合金，所述内导体可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。

所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述陶瓷环上部的陶瓷壁厚较小，下部壁厚较大，陶瓷环上部内孔的直径大于或者等于下部内孔的直径，陶瓷环上部圆柱的外径小于或者等于下部圆柱的外径；陶瓷环选用高热导率、耐高温、介电常数大于2的绝缘材料，可选用氧化铝陶瓷、或氧化铍陶瓷、或氧化锆陶瓷、或聚四氟乙烯陶瓷，优选氧化铝陶瓷。

所述的微波等离子体光源，其特征在于：金属谐振腔内的内导体上部的外径大于或者等于下部外径，形状与陶瓷环内孔匹配，内导体上部顶面有半圆弧形凹槽，凹槽的底面与金属盖盘的半圆柱形凹槽的槽底接近或者平齐。

所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述无电极灯泡躺放在金属盖盘的半圆柱形凹槽内，无电极灯泡的中心位于金属谐振腔内导体顶端半圆弧形凹槽之上，无电极灯泡和金属盖盘顶部的半圆柱形凹槽之间的区域用导热性好、耐温大于300度的绝缘材料填充，该绝缘材料可选用环氧树脂、或者氧化铝、或者其他陶瓷粉材料粘接填充。

所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述无电极灯泡的内部两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极灯泡的泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，且无电极灯泡内完全封闭有气体。

所述的微波等离子体光源，其特征在于：无电极灯泡内部的气体包含稀有气体，该稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙中的一种或多种组合，无电极灯泡还添加一种或多种金属元素的卤化物，或者包含汞元素。

本实用新型的益处在于，本实用新型微波等离子体光源减少了陶瓷的用量，不需要陶瓷金属化工艺，大大减小了工艺的复杂性，而且减轻了等离子体灯的重量和体积，大大降低了等离子体光源成本。同时，灯泡为横向放置，增大了泡壁与其他材料的热交换面积，有利于散热和光的定向辐射；而且金属谐振腔体内介质主要为空气，减小了腔体的介质损耗，和提高等离子灯的发光效率。本实用新型可以实现对微波能量的聚集，产生较高的电场强度，从而使灯泡内部气体电离，形成实用的高亮度等离子体光源，并且形成光的定向辐射。

附图说明

图1为本实用新型微波等离子体光源外形示意图。

图2为本实用新型微波等离子体光源内部剖视图。

图3为本实用新型微波等离子体光源内导体的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，微波等离子体光源，包括竖向设置内部中空的圆柱形筒状结构的金属谐振腔1，金属谐振腔1顶端、底端分别为筒口，且金属谐振腔1底端筒口封闭安装有有金属圆盘底座6，金属谐振腔1顶端筒口封闭安装有金属盖盘2，金属盖盘2顶部带有散热翅片，金属盖盘2顶部还沿横向径向方向设置有半圆柱形凹槽8，半圆柱形凹槽8槽底中心向下竖向设置有贯通金属盖盘2的圆形通孔，金属谐振腔1内沿竖向中心轴方向设置有内导体7，以及通过中心竖向内孔环绕套在内导体7外的绝缘陶瓷环3，陶瓷环3上部侧面横向设有盲孔，陶瓷环3底端向下延伸至与金属圆盘底座6接触，内导体7底端电连接在金属圆盘底座6上，内导体7顶端设置有半圆弧形凹槽，内导体7、陶瓷环3顶端向上延伸至插入金属盖盘2圆形通孔中，且内导体7、陶瓷环3顶面与金属盖盘2顶部半圆柱形凹槽的槽底接近，金属盖盘2顶部半圆柱形凹槽中躺放有无电极灯泡5，且无电极灯泡5的中心位于内导体7顶端半圆弧形凹槽之上，还包括有同轴探针4，同轴探针4由外导体、插接在外导体中的内导体构成，金属谐振腔1上部侧面对应陶瓷环3盲孔位置横向开有耦合通孔，同轴探针4的外导体电连接在金属谐振腔1耦合通孔处，同轴探针4的内导体从耦合通孔伸入金属谐振腔1中，且同轴探针4的内导体插入陶瓷环3上的盲孔内。

金属圆盘底座6、金属谐振腔1、金属谐振腔1内的内导体7材质采用导电良好的金属材料，优选铝合金，内导体7可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。

陶瓷环3上部的陶瓷壁厚较小，下部壁厚较大，陶瓷环3上部内孔的直径大于或者等于下部内孔的直径，陶瓷环3上部圆柱的外径小于或者等于下部圆柱的外径；陶瓷环3选用高热导率、耐高温、介电常数大于2的绝缘材料，可选用氧化铝陶瓷、或氧化铍陶瓷、或氧化锆陶瓷、或聚四氟乙烯，优选氧化铝陶瓷。

金属谐振腔1内的内导体7上部的外径大于或者等于下部外径，形状与陶瓷环3内孔匹配，内导体7上部顶面有半圆弧形凹槽，凹槽的底面与金属盖盘2的半圆柱形凹槽8的槽底接近或者平齐。内导体顶面的半圆弧凹槽槽底与金属盖盘上的半圆柱型凹槽的槽底接近或者平齐时，由于内导体顶端是一个圆弧型曲面，内导体顶端是会稍微高出槽底的，但只高出少许。

无电极灯泡5躺放在金属盖盘2的半圆柱形凹槽内，无电极灯泡5的中心位于金属谐振腔1内导体7顶端半圆弧形凹槽之上，无电极灯泡5和金属盖盘顶部的半圆柱形凹槽8之间的区域用导热性好、耐温大于300度的绝缘材料填充，该绝缘材料可选用环氧树脂、或者氧化铝、或者其他陶瓷粉材料粘接填充。

无电极灯泡5的内部两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极灯泡5的泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，且无电极灯泡内完全封闭有气体。

无电极灯泡5内部的气体包含稀有气体，该稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙中的一种或多种组合，无电极灯泡还添加一种或多种金属元素的卤化物，或者包含汞元素。

如图1、图2所示，本实用新型中主要包括金属谐振腔1、带散热翅片的金属盖盘2、陶瓷环3、同轴探针4和无电极灯泡5，其中陶瓷环3位于谐振腔内部。

微波等离子体光源内部结构如图2所示，金属谐振腔1外导体为内部中空的圆柱形筒状结构，底部采用金属圆盘底座6封闭，顶部采用带散热翅片的金属盖盘2封闭，谐振腔中间有内导体7，内导体7底部与金属圆盘底座6导电连接，内7导体周围环绕套有绝缘陶瓷环3。内导体7可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。

如图1所示，金属盖盘2周围附有散热翅片，顶部中间有横向的半圆柱形凹槽8。在槽的中心，有垂直的圆形通孔，见图2所示的等离子体光源内部，陶瓷环3和内导体7的上部直接插入此金属盖盘的圆形通孔中，陶瓷环和内导体的顶面高度与半圆柱形槽的底面接近。金属圆盘底座6、谐振腔1外导体和内导体材质均采用导电良好的金属材料，如铜、铝、铝合金、不锈钢等，其中优选铝合金。

进一步说明，陶瓷环3的上部插入金属盖盘2的圆形通孔中，下部位于金属谐振腔内，底面与金属圆盘底座5接触。陶瓷环3上部的陶瓷壁厚较小，下部壁厚较大，上部内孔的直径大于或者等于下部内孔的直径，陶瓷环3上部圆柱的外径小于或者等于下部圆柱的外径，此外，陶瓷环上还包括一横向的盲孔。所述陶瓷环3选用高热导率、耐高温、介电常数大于2的绝缘材料，可选用氧化铝、氧化铍、氧化锆或者聚四氟乙烯等，其中优选氧化铝陶瓷。

本实用新型等离子体光源使用时，内导体7直接插入陶瓷环内部的内孔区域，内导体7上部的外径大于下部外径，或者等于下部外径，形状与陶瓷环3内部的孔区域相匹配。此外，如图3所示，内导体7上部顶面有半圆弧形凹槽，凹槽的底面与金属盖盘的半圆柱形凹槽接近或者平齐。

微波等离子体光源的激励能量通过同轴探针4耦合到金属谐振腔1中。同轴探针4的外导体与金属谐振腔1外导体导电连接，在谐振腔1外导体上部侧面有一个耦合通孔，探针4的内导体穿过谐振腔1外导体上的这个通孔，插入谐振腔内部，尾部插入陶瓷环3上的横向盲孔内。

微波等离子体光源，其特征在于，无电极灯泡5横向放置在金属盖盘的半圆柱形凹槽8内，灯泡的中心位于上述内导体7的半圆弧形凹槽之上，其安装结构正如图2所示。灯泡和凹槽之间的区域用导热性好、耐温大于300度的绝缘材料填充，如环氧树脂、氧化铝或者其他陶瓷粉材料粘接填充。等离子体光源工作时，无电极灯泡5凹槽之外的部分外露，以便于光线的穿透传输和发射，另一部分泡壳则埋在沟槽8的内部。

如图2中所示，所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述无电极灯泡5的内部两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极灯泡5的泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，并将一段气体完全封闭。由于不存在金属电极与玻璃或者陶瓷的密封问题，该灯泡的可靠性和寿命大大提高。无电极灯泡5的两端分别包含，或者一端包含一段细长的实心玻璃棒，以便于灯泡加工时的操作和封接。

其特征在于，灯泡5内部气体包含稀有气体，该稀有气体是氦、氖、氩、氪、氙中的一种或多种组合。灯泡内部添加一种或多种金属元素的卤化物，或者包含汞元素。

灯泡内部中空区域所包含气体的体积为5mm3到12cm3之间。

所述的微波等离子体光源，使用时，采用工作频率为50MHz-5GHz之间的任意频率范围，通过同轴探针4耦合进入金属谐振腔1，通过谐振腔的选频和储能作用，在内导体7的顶部和灯泡5的内部形成很高的电场强度，该电场可以击穿灯泡5内部填充的气体，并使内部金属卤化物电离，形成等离子体发光，光线通过灯泡5外露的部分透射出，形成高亮度的等离子体光源。

所述的微波等离子体光源，其特征在于，输入光源内的微波功率为50瓦-3千瓦之间。

本实用新型提供一种等离子体光源，结构简单，大大减小了陶瓷的用量，无需陶瓷的金属化工艺，同时减小了腔体的介质损耗，可以有效提高等离子灯的发光效率。本实用新型其微波工作频率可以为50MHz-5GHz之间的任意频率范围，注入的微波功率为50W到3kW之间。

按照本实用新型提供的方法和结构，通过电磁场计算软件的分析，设计了一个等离子体光源作为示例。在该实例中，采用了氧化铝陶瓷作为绝缘陶瓷环，在完成样品的加工和调试后，在输入功率为100W的微波功率下，成功激发了灯泡内部气体和金属元素电离，形成了高亮度的等离子体光源，证明了本实用新型技术上的可行性。

Claims (6)

1.微波等离子体光源，其特征在于：包括竖向设置内部中空的圆柱形筒状结构的金属谐振腔，金属谐振腔顶端、底端分别为筒口，且金属谐振腔底端筒口封闭安装有有金属圆盘底座，金属谐振腔顶端筒口封闭安装有金属盖盘，所述金属盖盘顶部带有散热翅片，金属盖盘顶部还沿横向径向方向设置有半圆柱形凹槽，半圆柱形凹槽槽底中心向下竖向设置有贯通金属盖盘的圆形通孔，所述金属谐振腔内沿竖向中心轴方向设置有内导体，以及通过中心竖向内孔环绕套在内导体外的绝缘陶瓷环，所述陶瓷环上部侧面横向设有盲孔，陶瓷环底端向下延伸至与金属圆盘底座接触，所述内导体底端电连接在金属圆盘底座上，内导体顶端设置有半圆弧形凹槽，内导体、陶瓷环顶端向上延伸至插入金属盖盘圆形通孔中，且内导体、陶瓷环顶面与金属盖盘顶部半圆柱形凹槽的槽底接近，金属盖盘顶部半圆柱形凹槽中躺放有无电极灯泡，且无电极灯泡的中心位于内导体顶端半圆弧形凹槽之上，还包括有同轴探针，同轴探针由外导体、插接在外导体中的内导体构成，金属谐振腔上部侧面对应陶瓷环盲孔位置横向开有耦合通孔，同轴探针的外导体电连接在金属谐振腔耦合通孔处，同轴探针的内导体从耦合通孔伸入金属谐振腔中，且同轴探针的内导体插入陶瓷环上的盲孔内。

2.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述金属圆盘底座、金属谐振腔、金属谐振腔内的内导体材质采用导电良好的金属材料，优选铝合金，所述内导体可为实心结构，或者为中空结构，或者为内部填充有高热导率材料的中空结构。

3.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述陶瓷环上部的陶瓷壁厚较小，下部壁厚较大，陶瓷环上部内孔的直径大于或者等于下部内孔的直径，陶瓷环上部圆柱的外径小于或者等于下部圆柱的外径；陶瓷环选用高热导率、耐高温、介电常数大于2的绝缘材料，可选用氧化铝陶瓷、或氧化铍陶瓷、或氧化锆陶瓷、或聚四氟乙烯，优选氧化铝陶瓷。

4.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于：金属谐振腔内的内导体上部的外径大于或者等于下部外径，形状与陶瓷环内孔匹配，内导体上部顶面有半圆弧形凹槽，凹槽的底面与金属盖盘的半圆柱形凹槽的槽底接近或者平齐。

5.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述无电极灯泡躺放在金属盖盘的半圆柱形凹槽内，无电极灯泡的中心位于金属谐振腔内导体顶端半圆弧形凹槽之上，无电极灯泡和金属盖盘顶部的半圆柱形凹槽之间的区域用导热性好、耐温大于300度的绝缘材料填充，该绝缘材料可选用环氧树脂、或者氧化铝、或者其他陶瓷粉材料粘接填充。

6.根据权利要求1所述的微波等离子体光源，其特征在于：所述无电极灯泡的内部两端为半球形中空结构，中间为圆柱形中空结构，无电极灯泡的泡壁采用石英玻璃或者陶瓷材料，且无电极灯泡内完全封闭有气体。