CZ385298A3

CZ385298A3 - Bezelektrodová výbojka s vícenásobným odrazem a sirnou nebo selenovou náplní a způsob výroby záření použitím této výbojky

Info

Publication number: CZ385298A3
Application number: CZ983852A
Authority: CZ
Inventors: Donald A. Maclennan; Brian Turner; Kent Kipling
Original assignee: Fusion Lighting, Inc.
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 1999-05-12
Also published as: RU2190283C2; HUP9904316A2; NZ332503A; PL331378A1; TW429391B; HUP9904316A3; AU720607B2; EP0902965A1; US6509675B2; BR9709615A; ZA974773B; EP0902965B1; EP1143482A3; US20020017845A1; AU3313097A; DE69723978D1; KR20000016099A; US5903091A; ATE246844T1; US6246160B1

Description

(57) Anotace:

Způsob, při kterém se svétlo ve výbojce se sírovou nebo selenovou náplní /42/ mnohonásobně odráží, aby se přeměnilo ultrafialové záření ve viditelné. Zařízení, které vyzařuje světlo, sestává z bezelektrodového obalu, tvořeného baňkou /40/, ta Je opatřena nepfilnavým světlo odrážejícím pláštěm /44/, který nepopraská vlivem rozdílné tepelné roztažnosti. Plášť /44/ má dostatečnou tloušťku a tedy dostatečnou ultrafialovou odrazivost. Mezi baňkou /40/ a pláštěm /44/ je vzduchová mezera /46/, Baňkaje opatřena štěrbinou /48/, kterou vystupuje světlo.

Bezelektrodová výbojka s vícenásobným odrazem a sirnou nebo selenovou náplní a způsob výroby záření použitím této výbojky.

Oblast techniky

Předložená přihláška je pokračovací přihláška US patentové přihlášky č. 08/656.381, podané 31. května 1996.

Předložený vynález je zaměřen na zdokonalení způsobu vytváření viditelného světla a zdokonalení baňky a výbojky pro vytváření tohoto světla.

Dosavadní stav techniky

Us patent č. 5 404076 a 5 606220 a PCT zveřejněná přihláška WO 92/08240, které jsou zde zahrnuty v odkazech, popisují výbojky pro vytváření viditelného světla, u kterých je použita sírová a selenová základní náplň. US přihláška č. 08/324149, podaná 17. října 1994 a která je současně v řízení, a je zde také zahrnuta v odkazech, popisuje podobné výbojky pro vytváření viditelného světla, které používají telurovou základní náplň.

Tyto známé sírové, selenové nebo telurové výbojky vytvářejí světlo mající dobrou barvu, prokazující index s vysokou účinností. Dále mají bezelektrodové verze těchto výbojek velmi dlouhou životnost.

Pro správnou činnost nejpraktičtějšího provedení sírové, selenové a telurové výbojky je potřeba, aby se baňka otáčela. Toto řešení je popsáno ve zveřejněné PCT přihlášce WO 94/08439, kde je také uvedeno, že bez otáčení baňky se dosáhne izolovaného nebo vláknového výboje, který v podstatě nenaplní vnitřek baňky.

Potřeba otáčení, která je obvyklá u známých výbojek, představuje určité komplikace. Baňka se otáčí pomocí motoru, který může mít poruchu a který může být omezujícím činitelem pro životnost výbojky. Dále jsou nutné ještě další součásti, které dělají výbojku komplexnější a což vyžaduje skladování více náhradních části. Je proto potřeba vytvořit výbojku, která má výhody známých sírových, selenových a telurových výbojek, ale která nepotřebuje otáčení.

• · ·· ····

Ve zveřejněné PCT přihlášce WO 95/28069 je popsána Dewarova výbojka s významným omezením otáčení. Avšak problém u tohoto provedení Dewarovy výbojky je, že je komlikované, protože používá obvodové a centrální plátované elektrody na baňce a centrální elektroda je náchylná na přehřátí.

V předloženém vynálezu je popsán způsob pro vytváření viditelného světla a baňka a výbojka pro použití tohoto způsobu, u které je odstraněna nebo velmi snížena potřeba otáčení baňky.

Vynález má tu výhodu, že je zvýšena konstrukční pružnost tím, že lze vyrobit baňky výbojek menších rozměrů a/nebo že lze použit náplně ze síry, selenu nebo teluru mající nižší hustotu aktivní látky než známé výbojky, přičemž stále vydávají primárně viditelné světlo. Toto například usnadňuje výrobu výbojek o nízkém výkonu, pro které je možno použít menší baňky. Tento znak vynálezu lze použít v kombinaci s ostatními znaky nebo nezávisle. Např. menší baňka může být provedena jako otočná nebo neotočná.

Podstata vynálezu

Podstata způsobu podle předloženého vynálezu spočívá v tom, že se použije taková náplň výbojky, která po vybuzení obsahuje nejméně jednu látku, vybranou ze skupiny obsahující síru a selen; v náplni látky se uskuteční výboj, kterým tato síra nebo selen vytvoří záření, které obsahuje podstatnou spektrální činnou složku v ultrafialové oblasti spektra a spektrální činnou složku ve viditelné oblasti spektra, záření se odráží mnohonásobně náplní v obaleném prostoru, tím se přeměňuje část záření, které je v ultrafialové oblasti na záření, které je ve viditelné oblasti spektra, a toto viditelné záření je větší než by bylo, kdyby odraz nastal bez přeměny. Konečně, viditelné záření je vysíláno z obaleného prostoru.

Podstata vynálezu také spočívá v tom, že se náplň vybudí, aby síra nebo selen vytvořil spektrální činnou složku v ultrafialové a spektrální činnou složku ve viditelné oblasti, přičemž mnohonásobné odrazy mají za následek redukci ultrafialové spektrální činné složky, mající velikost nejméně o 50 % menší než původní složka.

Ve zveřejněné PCT přihlášce WO 93/21655 jsou popsány sírové a selenové výbojky, ve kterých se světlo odráží zpět do baňky, aby se snížila teplota vyzařovaného světla nebo aby se záření co nejvíce připodobnilo záření ·· ···« ·· < 0 · 0 černého tělesa. Na rozdíl od předloženého vynálezu, u systému podle známého stavu techniky je záření mající v podstatě viditelný (nebo vyšší) spektrální výstup, který se odráží, aby vznikl jiný viditelný spektrální výstup, mající větší spektrální mohutnost v červené oblasti. Na rozdíl od známého stavu techniky, v předloženém vynálezu má záření, které se odráží, podstatnou spektrální činnou složku v ultrafialové oblasti (tj. nejméně 10 % celkové ultrafialové a viditelné spektrální mohutnosti), a její část se přeměňuje na viditelnou oblast. U předloženého vynálezu je to tato přeměna ultrafialového světla na viditelném záření mnohonásobným odrazem, co umožňuje, aby se mohla nahradit velká baňka malou baňkou a/nebo použít menší hustotu aktivního materiálu, kterým lze dosáhnout stabilní činnost bez otáčení baňky.

Tím, že způsob podle vynálezu obsahuje mnohonásobný odraz světla náplní a nakonec ven, je možno použít baňku, která má odrazovou vrstvu, s výjimkou štěrbiny, kterou světlo vystupuje, kolem celého křemenného obalu. Takové štěrbinové výbojky jsou známé a například jsou znázorněny v US patentu č. Re 34 492 (Roberts).

Robertsův patent popisuje bezelektrodový sférický obal mající na sobě odrazový povlak, s výjimkou štěrbiny, která je v zákrytu s vedením světla. Avšak bylo zjištěno, že Robertsova konstrukce není vhodná pro použití u způsobu podle předloženého vynálezu tak, jak je využitelná pro obvyklé komerční účely. Je to z důvodu použití povlaku na jejím obalu. Zahřeje-li se baňka při použití, rozdílné součinitelé tepelné roztažnosti křemenného obalu a povlaku způsobují praskání povlaku. Proto je životnost baňky značně omezena. Také povlak není obvykle dostatečně tlustý, aby se dosáhl požadovaný stupeň odrazivosti a aby se dosáhla přiměřená přeměna vlnové délky z ultrafialové na viditelnou.

Podle dalšího znaku vynálezu, se tyto problémy vyřeší použitím difuzního, odrazového keramického povlaku baňky, který se dotýká nejméně v jednom místě obalu a který nepraská vlivem rozdílné tepelné roztažnosti. V prvním provedení, povlak sestává z pláště, který na rozdíl od povlaku nepřilne k baňce. Vzhledem k této nepřilnavosti, přizpůsobuje se tepelná roztažnost baňky a tepelná roztažnost pláště a nenastává proto praskání pláště. Plášť může být také proveden dostatečně tlustý, aby vznikla vysoká odrazivost, a tím se dosáhla požadovaná přeměna vlnové délky. V druhém provedení, je odrazový povlak baňky vytvořen ze stejného materiálu jako baňka a nenastává tedy žádný problém s rozdílnou tepelnou roztažnosti. V tomto provedení může být plášť ještě ve formě • * ··«· ·· ·· ·· • · · * • · · · • · « · * · ♦ · •« »· nepřilnavého pláště. V dalším provedení, je odrazový prášek difuzně rozptýlen mezi plášť a baňku.

Přehled obrázků na výkrese

Příkladná provedení bezelektrodové výbojky podle vynálezu je znázorněno na připojených výkresech, kde je na obr. 1 znázorněna známá výbojka, mající náplň na základě síry, selenu nebo teluru; na obr. 2 je znázorněna štěrbinová výbojka; obr. 3 znázorňuje bezelektrodovou výbojku podle jednoho z provedení podle vynálezu; na obr. 4 a 5 je určitá konstrukce; obr. 6 až 8 znázorňují další provedení vynálezu; obr. 9 a 10 znázorňuje použití difuzních štěrbin; obr. 11 až 13 znázorňuje další provedení difuzních štěrbin; obr. 14 až 16 znázorňují další provedení vynálezu; obr. 17 znázorňuje porovnání normalizovaných spekter povlečených a nepovlečených baněk pro provedení mikrovlnné výbojky; obr. 19 znázorňuje porovnání normalizovaných spekter povlečených a nepovlečených baněk v provedení R.F výbojky; obr. 20 znázorňuje porovnání spekter povlečených a nepovlečených baněk v provedení R.F. výbojky.

Známé provedení výbojky, znázorněné na obr. 1 má náplň, která po vybuzení obsahuje síru, selen nebo telur. Jak bylo popsáno u shora uvedených patentů, na které se zde odkazuje, vytvořené světlo je molekulární záření, které je ve viditelné oblasti spektra.

Výbojka 20 je opatřena mikrovlnnou dutinou 24 která je tvořena kovovým válcovým členem 26 a kovovým pletivem 28, Pletivo umožňuje, aby světlo unikalo z dutiny, přičemž zadržuje většinu mikrovlnné energie uvnitř.

V dutině je umístěna baňka 30, která je ve znázorněném provedení sférická. Baňka je uložena na držáku, který je spojen s motorem 34, který otáčí baňkou. Otáčení zajišťuje stálost činnosti výbojky.

Mikrovlnná energie vzniká v magnetronu 36 a vedením 38 vln se přenáší tato energie do štěrbiny (neznázorněná) ve stěně dutiny, odtud do dutiny a zejména do náplně baňky 30.

Baňka 30 sestává z obalu a náplně, která je v tomto obalu. Kromě vzácného plynu, naplň obsahuje síru, selen nebo telur nebo určitou sírovou, selenovou nebo telurovou sloučeninu. Např. lze použít InS, As₂S₃, S₂CL₂, CS₂, ·* ··♦· ln₂S₃, SeS, SeO₂, SeCI₄, SeTe, SCe₂, P₂Se₅, Se₃As₂, TeO, TeS, TeCI₅, TeBr₅ a Tel₅. Další sloučeniny, které lze použít jsou ty, které mají dostatečné nízký tlak par při pokojové teplotě, tj. jsou pevné nebo kapalné a mají dostatečně vysoký tlak par při pracovní teplotě, aby vytvořily dostatečné osvětlení.

Před vynálezem sírových, selenových a telurových výbojek shora popsaných, byla rozeznávána molekulární spektra těchto látek vytvářených známými výbojkami, primárně v ultrafialové oblasti. U procesu, který nastává u sírových, selenových nebo telurových výbojek popsaných s odkazem na obr. 1, je záření původně vytvářené sírou, selenem a/nebo telurem (zde označeny jako aktivní materiál) podobné záření známých výbojek, tj. primárně v ultrafialové oblasti. Avšak, jak záření prochází náplní ke stěně obalu, je přeměněno procesem absorpce a reemise na primárně viditelné záření. Velikost posunu je přímo úměrná délce optické dráhy, tj. hustotě aktivního materiálu násobené průměrem baňky. Tedy, použije-li se menší baňka, musí se použít aktivní materiál o vyšší hustotě, aby se účinně vytvořilo požadované viditelné záření, zatímco použije-li se větší baňka, lze použít menší hustotu těchto látek.

Podle předloženého vynálezu, je délka optické dráhy značně zvýšena aniž by se zvětšil průměr baňky tím, že se po počátečním průchodu náplní, záření v náplni mnohonásobně odrazí. Dále, hustota aktivního materiálu a velikost baňky jsou dostatečně malé, takže záření, které nejprve prošlo náplní a odráží se v ní, může mít podstatnou složku spektrální energie v ultrafialové oblasti, tj. bez mnohonásobného odrazu, spektrum, které je vyzařováno z baňky, nemusí být použitelné pro použití u viditelné výbojky. Avšak vlivem mnohonásobných odrazů, ultrafialové záření je přeměněno na viditelné, které vytváří lepší spektrum. Mnohonásobné odrazy náplní umožňují použít menší hustotu aktivního materiálu k dosažení přijatelného spektra pro jakékoliv dané použití. Menší hustota náplně také snižuje elektrickou impedanci, která u mnoha provedení znamená lepší mikrovlnné nebo R.F. spojení s náplní. Činnost v aktivním materiálu o menší hustotě znamená stabilní činnost i bez otáčení baňky. Dále, možnost použití menších baněk zvyšuje konstrukční pružnost a např. usnadňuje provedení nízkoenergetických výbojek. Zde použitý výraz mikrovlna znamená kmitočtové pásmo, které je vyšší než je pásmo R.F. (rádio frequency - vysoká frekvence).

Jak bylo shora zmíněno, protože způsob podle vynálezu vyžaduje mnohonásobné odrazy náplní dříve než se světlo vyšle ven, byla použita baňka, opatřená, kromě štěrbiny, kterou vyzařuje světlo, odrazovou vrstvou,. Výbojka · ···· • · * • · · « · · • fcfc · fcfc ·· • fc ·« • · » · · fcfc ·♦·· fc· ·· • fcfc fc fc · 9 fc • · · fcfcfc • · fcfc fcfc tohoto typu, která je popsána v Robertsově patentu č. RE 34 492, je znázorněna na obr. 2. Sférický obal nebo baňka 9, která je obvykle vyrobena z křemene obsahuje náplň 3, ve které se vytváří výboj. Obal je opatřen odrazovou vrstvou 1, po celém povrchu s výjimkou štěrbiny 2, která je v zákrytu s vedením 4 světla.

Avšak jak zde již bylo popsáno, bylo zjištěno, že vzhledem k tomu, že Robertsova konstrukce používá povlak, který je svou povahou přilnavý, (z jiného materiálu než je baňka), není vhodná pro provádění způsobu podle vynálezu. Jakmile se baňka zahřeje během normálního komerčního používání, různé součinitelé tepelné roztažnosti křemíkového obalu a povlaku, způsobují praskání povlaku. Také povlak není obvykle dostatečně tlustý, aby vytvořil stupeň odrazu, který je potřeba k vytvoření přiměřené přeměny vlnové délky z ultrafialové na viditelnou.

Na obr. 3 je znázorněno provedení podle vynálezu, které řeší uvedené problémy. Baňka 40, která obaluje náplň 42, je obklopena nepřilnavým odrazovým pláštěm 44. Plášť je vytvořen dostatečně tlustý, aby měl dostatečně vysokou ultrafialovou odrazivost, aby se dosáhlo potřebné přeměny vlnové délky. Mezi baňkou a pláštěm je vytvořena vzduchová mezera 46, která může být několik tisícin palce. Plášť se dotýká baňky nejméně v jednom místě a může se dotýkat baňky i v několika místech. Baňka je opatřena štěrbinou 48, kterou vystupuje světlo. Protože plášť nelne k baňce, přizpůsobuje se rozdílná tepelná roztažnost při pracovní teplotě, a nenastává proto praskání pláště.

Podle jiného provedení vynálezu, může být jako náplň mezery mezi pláštěm a baňkou použit difuzně odrazový prášek jako je hliník nebo jiný prášek. V tomto případě může být mezera o něco větší.

U dalšího provedení vynálezu se používá baňka s odrazovým povlakem z keramického materiálu, který je stejný jako materiál baňky. Proto není problém a rozílnými tepelnými roztažnostmi. Takovýto povlak může být také vytvořen tak, aby nepřiléhal k baňce.

U jednoho způsobu výroby pláště je slinuté těleso vytvořeno přímo na sférické baňce. Použije se prášek, který se potom ohřeje a stlačí, aby vytvořil pevné slinuté těleso. Protože není přilnavé, praskne-li plášť, těleso odpadne. Vhodné materiály jsou práškový hliník a křemík nebo jejich kombinace. Plášť se vytvoří dostatečně tlustý, aby nastala požadovaná UV a viditelná odrazivost jak ·· ···· ·· • · bylo shora popsáno a je obvykle tlustší než 0,5 mm a může být až asi 2 až 3 mm, takže je mnohem tlustší než vrstva.

Konstrukce pláště je znázorněna na obr. 4 a 5. V tomto případě je plášť vytvořen odděleně od baňky. Křemenná baňka je vyfouknuta do formy do sférického tvaru, což znamená, že je rozměrově kontrolovaná na vnější průměr a tlouštku stěny. Plnící trubice je připevněna ke sférické baňce při tvarování. Např. baňka s vnějším průměrem 7 mm a tlouštkou stěny 0,5 mm, naplněná 0,5 mg Se a 500 Torr Xe pracovala v indukčně připojeném zařízení. Plnící trubka se odejme tak, aby zůstal pouze krátký výčnělek z baňky. Plášť se vytvoří z lehce slinutého vysoce odrazového kysličníku hlinitého (AI2O3) ve dvou částech 44A a 44b jak je znázorněno na obrázcích. Rozložení velikosti částic a krystalická struktura materiálu pláště musí být schopna vykazovat potřebné optické vlastnosti. Kysličník hlinitý v práškové formě je prodáván různými výrobci a je vhodný např. práškový kysličník hlinitý prodávaný firmou Nichia America Corp. pod označením NP-999-42. Na obrázku je řez baňkou, pláštěm a štěrbinou, vedený středem baňky. V pohledu není znázorněn výřez. Vnitrní průměr pláště je sférického tvaru vyjma oblasti poblíž výřezu, neznázorněno. Částečně spečený plášť se spéká na takový stupeň, kdy zúžení částic (vzájemné spojení částic) může být pozorováno na mikroměřítku, Spékání je řízeno požadovanou tepelnou vodivostí keramiky. Důvodem zúžení je zvýšit tepelnou vodivost při minimálním vlivu na odrazivost keramiky. Dvě půlky keramiky jsou provedeny tak, aby dokonale těsnily a mohly být vzájemně spojeny mechanickými prostředky nebo být zatmeleny použitím např. materiálu General Electric Are Tube coating No. 113-7-38. Vnitřní průměr pláště a vnější průměr baňky jsou zvoleny tak, aby průměrná vzduchová mezera umožňovala přiměřené odvedení tepla ven z baňky a tloustka pláště je zvolena podle požadované odrazivosti. Baňky pracovaly se vzduchovou mezerou několika tisícin palce a minimální tlouštkou keramiky okolo 1 mm.

V dalším provedení zmíněném shora, je materiál použitý pro baňku křemen (S1O2) a odrazový povlak je kysličník křemičitý (SiO₂). Protože jsou materiály stejné, nenastává žádný problém s tepelnou roztažností. Kysličník křemičitý je v amorfní podobě a skládá se z malých částeček, které jsou navzájem k sobě lehce přitaveny. Je udělán dostatečně tlustý, aby se dosáhla požadovaná odrazivost a je barvy bílé. Kysličník křemičitý může být také použit ve formě nepřilnavého pláště.

• · · · · ·

Zatímco znaky zařízení předloženého vynálezu popsané shora a také ve spojení s obr. 6 až 13 mají určité použití ve spojení s náplní jejímž základem je síra, selen a telur, mají výhody i nezávisle na náplni a proto mohou být s výhodou použity s jakoukoli náplní včetně různých kovových halogenitových náplní jako je halogenit cínu, india, galia bromu {např. jodid) a tháiia.

Použijí-li se tyto znaky ve spojení s náplněmi založenými na síře a selenu, materiál pro plášť 44 je vysoce odrazivý v oblastí ultrafialové a viditelné a má nízkou absorpci v těchto rozsazích a s výhodou i v infračervené oblasti. Vrstva odráží v podstatě všechno dopadající ultrafialové a viditelné záření, což znamená, že jeho odrazivost jak v ultrafialových tak viditelných částech spektra je větší než 85 %, v rozsahu (UV a viditelném) nejméně mezi 330 nm a 730 nm. Tato odrazivost je s výhodou větší než 97 % a ještě lépe větší než 99 %. Odrazivost je určena jako celková část dopadající energie záření, vrácené ze shora uvedených rozsahů vlnových délek zpět do interiéru. Vysoká odrazivost je potřebná proto, že každá ztráta světla se násobí počtem odrazů. Plášť 10 je s výhodou difuzní reflektor záření, ale může být také zrcadlový reflektor. Plášť odráží dopadající záření bez ohledu na úhel dopadu. Shora uvedené procenta odrazivosti jsou s výhodou přes vlnové délky hodně pod 330 nm, např. pod 250 nm a zejména pod 220 nm.

Je také výhodné, ale ne nutné, aby byl plášť odrazivý i v oblasti infračervené, takže materiál, kterému se dává přednost má vysokou odrazivost od hluboce ultrafialové až do infračervené oblasti. Vysoká infračervená odrazivost je potřeba proto, že zlepšuje rovnováhu energie a umožňuje činnost při nízké energii. Plášť musí být také schopen odolávat vysoké teplotě, která vzniká v baňce. Jak bylo shora zmíněno,kysličník hlinitý a křemičitý jsou vhodnými materiály a jsou přítomny ve formě pláště, který je dostatečně tlustý, aby vykazoval požadovanou odrazivost a konstrukční tuhost.

Jak bylo výše popsáno, činnost baňky používající síru nebo selen, mnohonásobné odrazy vrstvy simuluje účinek mnohem větší baňky, umožňuje činnost při nižší hustotě aktivního materiálu a/nebo s menší baňkou. Každá absorpce a reemise fotonů, včetně těch co odpovídají ultrafialovému záření, které se odrazí, způsobuje přesun spektrální energie k rozdělení směrem k delší vlnové délce. Čím je větší průměrný počet odrazů fotonu v pouzdru baňky, tím je větší počet absorpcí/reemisí a větší výsledná přeměna ve spektru sdruženému s fotony. Spektrální přeměna bude omezena vibrační teplotou aktivních materiálů.

• · · · · · • *

I když je štěrbina 48 v obr. 3 znázorněna jako neopláštěná, je s výhodou opatřena látkou, která má vysokou odrazivost pro ultrafialové záření, ale vysokou průsvitnost pro viditelné záření. Příkladem tohoto materiálu je vícevrstvý dielektrický svazek, mající požadované optické vlastnosti.

Parametr alfa je definovaný jako poměr povrchové plochy štěrbiny k celé ploše odrazového povrchu, včetně plochy štěrbiny. Alfa pak může mít hodnotu mezi hodnotou blížící se nule až 0,5 pro polopokrytou baňku. Výhodný poměr alfa má hodnotu v rozsahu 0,02 až 0,3 pro mnoho použití. Poměr alfa mimo tento rozsah je také možný, ale bude méně účinný, v závislosti na konkrétním použití. Menší hodnoty poměru alfa obvykle zvýší jasnost, sníží teplotu barvy a sníží účinnost. Proto výhoda vynálezu vynálezu spočívá v tom, že lze získat velmi jasný světelný zdroj.

U dalšího provedení znázorněného na obr. 6, je použit světelný port ve formě optických vláken 14, který tvoří rozhraní se štěrbinou 12. Za plochu štěrbiny se považuje plocha průřezu portu. V provedení podle obr. 6 difuzně odrazový plášť 10 obklopuje baňku 19.

V dalším provedení podle obr. 7 jsou části, podobné částem z obr. 6, označeny stejnými vztahovými značkami. Na obr. 7, je světelný port, který tvoří rozhraní se štěrbinou 12###. sdružený parabolický reflektor (CPC) 70. Jak je známo, CPC vypadá v řezu jako dva parabolické členy vzájemně k sobě skloněné v úhlu sklonu. Je účinné transformovat světlo, mající úhlové rozdělení od 0 až 90 ### do mnohem menšího rozdělení, např. 0 až 10### nebo méně (maximálně 10### od normály), CPC může být jak reflektor pracující na vzduchu nebo refraktor používající totální vnitřní reflexi (úplný vnitřní odraz).

V provedení podle obr. 7 může být CPC opatřen např. na svém vnitřním povrchu vrstvou, aby se odráželo ultrafialové a viditelné světlo, zatímco plochou 72 prochází viditelné světlo, ale může být vytvořena nebo povlečena tak, aby odrážela nechtěné složky záření zpět štěrbinou. Takové nechtěné složky mohou obsahovat např. a bez omezení, určité oblasti vlnových délek, určité polarizace a prostorovou orientaci paprsků. Plocha 72 je znázorněna čárkovaně, aby bylo patrno, že ní jak prochází záření, tak i záření odráží.

• · to*·to • · ίο

Na obr. 8 je znázorněno další provedení vynálezu, používající CPC. V tomto provedení je baňka stejná jako v provedení z obr. 7, přičemž světelný port jsou optická vlákna 14### napájející CPC 70. V provedení z obr. 8, dorazí do CPC méně tepla než v provedení podle obr. 7.

Problémem u provedení z obr. 6 až 8 je, že je přerušení mezi baňkou a světelným portem, kterým může unikat světlo.

Tento problém může být vyřešen podle obr. 3, použitím vnitřní, rozptylovací odrazné stěny 47 štěrbiny tvořené pláštěm před štěrbinou jako světelným portem. Proto podle obr. 9, jsou optická vlákna 80 uspořádána před rozptylovací štěrbinou a na obr. 10 je před štěrbinou umístěn pevný nebo odrazný optický člen 82 (např. CPC). Světlo se rozptyluje štěrbinou a hladce vstupuje do vláknové nebo jiné optiky, aniž by narazila na nějaké ostré průřezy. Podle použití může být průměr optiky větší nebo menší nebo stejné velikosti jako průměr štěrbiny.

Rozptylovací štěrbina je vytvořena dostatečně dlouhá, aby směrovala světlo, ale ne tak dlouho, aby bylo moc světla absorbováno. Obr. 11 až 13 znázorňují některá provedení štěrbiny. V obr. 11 je plášť 90 opatřen štěrbinou 92 a plochou přední plochou 94. V obr. 12 je plášť 91 opatřen štěrbinou 93, mající délku, která vyčnívá přes tlouštku pláště. V obr. 13 je plášť 95 opatřen štěrbinou 97 a oblastí 98 se stupňovitou tlouštkou. Tvar průřezu štěrbiny je obvykle kruhový, ale může být pravoúhlý nebo může mít i jiný tvar. Vnitřní odrazová stěna může být konvergentní nebo divergentní. Tyto tvary štěrbiny jsou pouze ilustrativní a odborníci mohou přijít ještě na mnoho dalších.

Na obr. 3, 9, 10 a 11 je znázorněn reflektor 49 (96). Reflektor je umístěn tak, aby se dotýkal pláště 44 a jeho funkcí je odrážet světlo, unikající ven v nebo u rozhraní v okolí štěrbiny. Přestože není reflektor nutný, zlepšuje se ním výkon. Světlo odražené zpět do keramického obalu poblíž rozhraní najde primárně cestu zpět do štěrbiny nebo baňky, pokud se neztratí absorpcí. Radiální rozměr (v případě, že štěrbina má kruhový průřez, reflektor by byl ve tvaru prstence a rozměry by byly radiální) reflektoru 49 by měl být stejný nebo menší než výška štěrbiny 47. Je s výhodou povlečem křemíkem s dielektrickým svazkem ve viditelné oblasti.

Obr. 14 znázorňuje provedení vynálezu, ve kterém je na stěnách kovového pouzdra 52 nanesena odrazová vrstva 51 ultrafialového /viditelného záření. Uvnitř • φ pouzdra je umístěna baňka 50, která nemá odrazový povlak. Clona 54, která je také štěrbinou, uzavírá pouzdro. Odrazová plocha nutí vytvořené světlo, aby vystupovalo v oblasti clony. Pouzdro může být mikrovlnná dutina a může vznikat mikrovlnné buzení, např. spojovací drážkou v dutině. Jindy může být mikrovlnná nebo R.F. energie použita induktivně, a v tomto případě by nemělo mít pouzdro resonační dutinu, ale může tvořit účinné stínění.

Provedení, u kterého je účinné stínění, je znázorněno na obr. 15. Baňka je podobná jako u provedení z obr. 3, avšak ve znázorněném příkladu provedení má větší koeficient alfa než u provedení z obr. 3. Je poháněna mikrovlnnou nebo R.F. energií, která je vybuzena cívkou 62 (znázorněnou v řezu), která obklopuje baňku. Faradayúv štít 60 obklopuje jednotku, aby byla elektromagneticky stíněná, s výjimkou okolo světelného portu 69. Jestliže je to potřeba, je možno vně pouzdra 60 umístit feritový nebo jiný materiál pro další magnetické zastínění. V dalším provedení, mohou být se štěrbinou spojeny jiné otické prvky, a v tomto případě Faradayúv štít bude obklopovat zařízení s výjimkou oblasti okolo těchto optických prvků. Otvor v uzavřené skříni je dostatečně malý, takže je pod výřezem. Hustota aktivní látky v náplni se může měnit od standardních hodnot až k velmi nízkým hodnotám hustoty.

I když vynálezem je možno vytvářet stabilní viditelné světlo aniž by se baňka otáčela, u určitých použití může být potřeba baňkou otáčet. U provedení podle obr. 16 je znázorněno jak je toho možno docílit. Otáčení podle obr. 16 je možno provádět vzduchovou turbinou, aby se nezastínilo viditelné světlo. Na obr. je znázorněno vzduchové ložisko 7 a vstupní kanál 8 vzduchu a vzduch ze vzduchové turbiny (neznázorněné) se přivádí do vstupního kanálu.

I když byly znaky způsobu podle vynálezu znázorněny ve spojení s odrazovým médiem na baňce nebo stínícím pouzdrem vnitřního prostoru, nejsou tímto omezeny, protože jediným požadavkem je, aby odrazové médium bylo tak umístěno, aby odráželo záření náplní několikrát. Např. na vnější straně baňky může být umístěn dielektrický reflektor. Také u provedení používající mikrovlnnou dutinu opatřenou spojovací drážkou, může být zabráněno ztrátě světla zakrytím drážky dielektrickým odrazným krytem.

Shora uvedený princip změny vlnové délky je znázorněn na obr. 17, kde jsou uvedena spektra příslušných baněk bezelektrodových výbojek, obsahujícíh sírovou náplň, v ultrafialových a viditelných oblastech. Spektrum A je z takovéto ·· baňky, mající sírovou náplň o nízké hustotě okolo 0,43 mg/cc, přičemž baňka nemá žádný odrazný plášť nebo odraznou vrstvu. Je zřejmé, že část záření, které je z baňky vyzařováno je v ultrafialové oblasti (určené zde hodnotou pod 370 nm).

Spektrum B, na druhé straně, je ze stejné baňky, která byla povlečena tak, aby vznikaly mnohonásobné odrazy podle znaků předloženého vynálezu. Je zřejmé, že větší část záření je ve viditelné oblasti ve spektru B a že ultrafialové záření je sníženo o nejméně (více než) 50 %.

Zatímco spektrum B znázorněno na obr. 17 je vhodné pro některá použití, je možno získat spektrum mající i proporcionálně více viditelného a méně ultrafialového záření použitím povlaků, majících vyšší odrazivost. Jak bylo shora uvedeno, čím bude menší štěrbina, tím se dosáhne větší relativní viditelný výkon, ale tím bude nižší účinnost. Výhodou vynálezu je, že lze získat jasný zdroj světla, např. který bude využitelný u některých projekčních aplikací, provedením velmi malé štěrbiny. V tomto případě se získá vetší jasnost při nízké účinnosti.

U výbojky, použité pro získání spektra B, byla použita sférická baňka vyrobená z křemene a mající vnitřní průměr asi 33 mm a vnější průměr asi 35 mm, naplněná sírou o hustotě 43 mg/cc a argon o tlaku 50 torrů. Baňky použité v obr. 17 až 20 byly použity pouze pro demonstarci způsobu podle vynálezu a byly povlečeny. Jak bylo shora uvedeno, baňky s použitím povlaku by neměly být použity v komerčním provedení, vzhledem k životnosti. Baňky z obr. 17 a 18 byly opatřeny povlakem z kysličníku hlinitého (G.E. Lighting Product No. 113-7-38) až do tlouštky 0,18 mm, s výjimkou oblasti štěrbiny a měly koeficient alfa 0,02. Baňka byla uzavřena v mikrovlnné dutině, mající spojovací drážku a byl použit mikrovlnný výkon 400 W, jejímž výsledkem byla hustota 21 W/cc.

Spektrum z obr. 17 bylo normalizováno, tj, vrcholy příslušného spektra byly vyrovnány. Výbojka z obr. 17 a 18 pracovala bez otáčení baňky. Nenormalizovaná spektra jsou znázorněna na obr. 18.

Obr. 19 znázorňuje normalizované spektrum A pro R.F. poháněnou sírovou výbojku bez odrazové vrtsvy, mající podstatnou spektrální složku v ultrafialové oblasti a normalizované spektrum B pro stejnou výbojku, opatřenou odrazovou vrstvou. Je zřejmé, že ve spektru B je proporcionálně více viditelného záření. V tomto případě měla baňka vnitřní průměr 23 mm a vnější průměr 25 mm a byla naplněna sírou o hustotě 0,1 mg/cc a kryptonem o tlaku 100 torrů. Má výkon 220 • ·

W pro hustotu 35 W/cc. Povelčená baňka byla opatřena vrstvou kysličníku hlinitého o tloustce asi 0,4 mm a koeficient alfa byl 0,07. Výbojka pracovala se stálým otáčením baňky a nenormalizovaná spektra jsou znázorněna na obr. 20. I když se záření ztrácí mnohonásobným odrazem, nenormalizované spektrum B se jeví vyšší než spektrum A, protože použitý detektor nesnímá pouze část záření vyzařovaného nepovlečenou baňkou, ale větší část záření vyzařovaného ze štěrbiny.

Z porovnání obr. 18 s obr. 20 je zřejmé, že větší koeficient alfa znamená vyšší účinnost. K obr. 18 je nutno poznamenat, že viditelný výstup je nižší u povlečené baňky než u nepovlečené baňky, protože záření se ztrácí mnohonásobných odrazů; avšak viditelný výstup je větší, než by byl kdyby odrážení bylo nastalo bez přeměny z ultrafialového na viditelné.

Podle vynálezu, v některých provedeních mohou být baňky plněny s mnohem menšími hustotami aktivního materiálu než u dosud známých provedení.

Vynález může být použit s baňkami, které mají různý tvar, např. sférický, válcový, může být ve tvaru zploštělého elipsoidu, toroidu atd. Výbojky podle předloženého vynálezu mohou být použity jak jako projekční zdroj tak jako světelný zdroj pro vytváření světla.

Je nunto poznamenat, že baňky mohou mít různý výkon od nízkého výkonu (např. 50 W) do 300 W a více až po 1000 w a 3000 W. Protože se může světlo odvádět světelným portem, ztráta světla může být nízká a světlo odebírané portem může být použito pro rozptýlený typ světla, např. v úředních budovách.

Podle jiného znaku vynálezu, baňky a výbojky zde popsané lze použít jako zařízení pro přeměnu ultrafialového záření z libovolného světelného zdroje na viditelné světlo. Např. světlo z vnější ultrafialové výbojky se může vést do zde popsané baňky světelným portem. Baňka pak přemění ultrafialové záření na viditelné světlo.

Konečně, je nutno si uvědomit, že i když byl vynález popsán ve spojení se znázorněnými provedeními, různá další provedení jsou pro odborníky zřejmá a rozsah vynálezu je určen připojenými patentovými nároky.

• ·· * • *

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob výroby světla, vyznačující se tím, že sestává z následujících kroků:

vytvoří se obal;

do obalu se vloží náplň, která pokud se vybudí, vyzařuje světlo, přičemž náplň je schopna pohlcovat světlo jedné vlnové délky a znovu vyzařovat pohlcené světlo o jiné vlnové délce, kde světlo vyzařované z náplně má první rozdělení spektrální energie bez odrážení světla zpět do náplně;

náplň se vybudí, aby vyzařovala světlo; a část světla vyzářovaného nápní se odrazí zpět do nápně, přičemž část světla může vystoupit, a toto vystupující světlo má druhé rozdělení spektrální energie s úměrně více světlem ve viditelné oblasti ve srovnání s prvním rozdělením spektrální energie, a světlo, které se znovu vyzařuje náplní je posunuto ve své vlnové délce vzhledem k pohlcenému světlu a velikost posuvu závisí na délce účinné optické dráhy.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že krok, kterým se odráží světlo zpět do náplně podstatně zvyšuje délku účinné optické dráhy vzhledem k nejméně části prvního rozdělení spektrální energie.
3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se vytvoří obal o menší velikosti než by jinak byla potřeba k vytvoření srovnatelné části světla ve viditelné oblasti bez odrážení vyzařovaného světla zpět náplní.
4. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že náplň má nižší hustotu než by byla potřeba k vytvoření srovnatelné části světla ve viditelné oblasti bez odrážení vyzařovaného světla zpět náplní.
5. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se vytvoří obal o menší velikosti a náplň o nižší hustotě, než by bylo jinak potřeba, aby se vytvořila srovnatelná část světla ve viditelné oblasti bez odrážení vyzařovaného světla zpět náplní.
6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že náplň sestává nejméně z jedné látky vybrané ze skupiny obsahující síru a selen a hustota náplně se zvolí tak, aby první rozdělení spektrální energie obsahovalo podstatnou složku spektrální energie v ultrafialové oblasti a kde druhé rozdělení spektrální energie obsahuje sníženou složku spektrální enrgie v ultrafialové oblasti ve srovnání s prvním rozdělením spektrální energie.

!5
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že snížená složka spektrální energie v ultrafialové oblasti je nejméně o 50 % nižší než velikost podstatné složky spektrální energie v ultrafialové oblasti.
8. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že druhé rozdělení spektrální energie je primárně ve viditelné oblasti.
9. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že hustota náplně je dostatečně nízká, aby se dosáhl stálý výstup světla bez otáčení obalu.
10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že odrážení se provádí reflektorem o odrazivosti 97 % a více, umístěným okolo obalu.
11. Výbojka k provádění způsobu podle nároku 1 až 10, vyznačující se tím, že sestává z:

obalu;

náplně, která vyzařuje světlo, jakmile se při uložení v obalu vybudí, přičemž náplň je schopna pohlcovat světlo jedné vlnové délky a znovu vyzařovat pohlcené světlo o jiné vlnové délce, a světlo vyzařované z náplně má první rozdělení spektrální energie bez odrazu světla zpět do náplně;

zdroje budící energie, spojeného s náplní pro vybuzení náplně a způsobení, aby náplň vyzařovala světlo; a reflektoru, umístěného okolo obalu a uspořádaného k odrážení části světla vyzařovaného náplní zpět do náplně, zatímco umožňuje, aby část světla vystoupila, a vystupující světlo má druhé rozdělení spektrální energie s úměrně více světlem ve viditelné oblasti ve srovnání s prvním rozdělením spektrální energie, a světlo znovu vyzařované náplní má posunutou vlnovou délku vzhledem k pohlcenému světlu a velikost posuvu je úměrná účinné délce optické dráhy.
12. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor podstatně zvětšuje účinnou délku odptické dráhy vzhledem k nejméně části prvního rozdělení spektrální energie.
13. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že obal je vytvořen o menší velikosti, než by byla potřeba pro vytvoření srovnatelné Části světla ve viditelné oblasti bez reflektoru.

1>ν
14. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že náplň má nižší hustotu, než by byla potřeba k vytvoření srovnatelné části světla ve viditelné oblasti bez reflektoru.
15. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že obal je vytvořen o menší velikosti a náplň má nižší hustotu než by jinak byla potřeba pro vytvoření srovnatelné části světla ve viditelné oblasti bez reflektoru.
16. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že náplň obsahuje nejméně jednu látku vybranou ze skupiny síry a selenu a hustota náplné je zvolena tak, že první rozdělení spektrální energie obsahuje podstatnou složku spektrální energie v ultrafialové oblasti, zatímco druhé rozdělení spektrální energie obsahuje sníženou složku spektrální energie v ultrafialové oblasti ve srovnání s prvním rozdělením spektrální energie.
17. Výbojka podle nároku 16, vyznačující se tím, že snížená složka spektrální energie v ultrafialové oblasti je nejméně o 50 % menší než je velikost podstatné složky spektrální energie v ultrafialové oblasti.
18. Výbojka podle nároku 16, vyznačující se tím, že druhé rozdělení spektrální energie je primárně ve viditelné oblasti.
19. Výbojka podle nároku 16, vyznačující se tím, že hustota náplně je dostatečně nízká, aby umožnila stálý světelný výkon bez otáčení obalu.
20. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor vytváří odrazivost asi 97 % a více.
21. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor obsahuje materiál, který má podobný součinitel tepelné roztažnosti jako obal a leží v těsné blízkosti obalu.
22. Výbojka podle nároku 21, vyznačující se tím, že odrazový materiál nereaguje s obalem při pracovní teplotě výbojky.
23. Výbojka podle nároku 21, vyznačující se tím, že odrazový materiál není přilnut k obalu.

·· ·· ► · * · • · · • « * ··« • * • · ··
24. Výbojka podle nároku 21, vyznačující se tím, že odrazový materiál je stejný jako obal, ale má jinou strukturu.
25. Výbojka podle nároku 24, vyznačující se tím, že obalový materiál je křemen a odrazový materiál obsahuje alespoň jeden z kysličníku křemičitého a kysličníku hlinitého.
26. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor sestává z pláště, majícího stěny v určité vzdálenosti od obalu a odrazový prášek je umístěn v mezeře mezi stěnami pláště a obalem.
27. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor obsahuje pouzdro, mající tuhou konstrukci.
28. Výbojka podle nároku 27, vyznačující se tím, že pouzdro sestává ze dvou keramických skořepin spojených vzájemně v jeden celek.
29. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor má rozptylovací štěrbinu, kterou světlo vystupuje z výbojky.
30. Výbojka podle nároku 29, vyznačující se tím, že rozptylovací štěrbina je opatřena bočními stěnami, které jsou dostatečně dlouhé, aby transformovalo světlo vystupující z rozptylovací štěrbiny.
31. Výbojka podle nároku 11, vyznačující se tím, že reflektor je opatřen štěrbinou,