DE3626922A1 - Mit mikrowellen gespeiste elektrodenlose lichtquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Mikrowellen gespei­ ste elektrodenlose Lichtquelle.

In den letzten Jahren sind elektrodenlose Lichtquellen be­ kannt geworden; sie haben Anwendung bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen und beim Aushärten von photo­ polymerisierbaren Beschichtungen und Farben gefunden. Außer­ dem können solche Quellen in der Beleuchtungstechnik mit sichtbarem Licht angewendet werden.

Allgemein enthalten elektrodenlose Lichtquellen einen Mi­ krowellenhohlraum, in dem ein Kolben angebracht ist, der ein plasmabildendes Medium enthält. Zur Erzeugung von Mikrowel­ lenenergie ist ein Magnetron vorgesehen, das über einen Schlitz mit dem Hohlraum gekoppelt ist, damit in dem Kol­ ben ein Plasma angeregt wird, das dann, wenn es angeregt wird, Strahlung aussendet. Diese Strahlung tritt durch einen Abschnitt des Hohlraums aus, der für Mikrowellen­ energie undurchlässig, jedoch für die von den Kolben aus­ gesendete Strahlung durchlässig ist.

Für einige Anwendungsfälle ist es erwünscht, große Mikro­ wellenenergiemengen an den Kolben anzukoppeln. Beispiels­ weise ist in manchen Anwendungsfällen eine sehr helle Quelle erforderlich, wobei sehr große Energiemengen zu einem kleinen Kolben gekoppelt werden müssen, was zu relativ hohen Leistungsdichten in dem Kolben führt. Für einige dieser Anwendungsfälle ist es zwar möglich, einen herkömmlichen Mikrowellenhohlraum zu benutzen, der von einem einzigen Magnetron gespeist wird, jedoch besteht bei einer Erhöhung der Mikrowellenleistung bei den bisher bekannten Systemen die Tendenz, Probleme und Nachteile zu verursachen. Wenn beispielsweise die Mikrowellenleistung einen gewissen Punkt überschreitet, kann der Kopplungs­ schlitz zusammenbrechen, was zu einem Lichtbogen quer zum Schlitz führt. Außerdem steigen bei einem gewissen Lei­ stungspegel die Magnetronkosten rapide an, so daß es un­ wirtschaftlich sein kann, ein einziges Hochleistungsma­ gnetron zu verwenden.

Ein weiteres Problem beim Koppeln an eine kleine Last wie einen Kolben in einem Mikrowellenhohlraum besteht darin, daß vor dem Beginn der Abstrahlung durch den Kolben das Stehwellenverhälnis in dem Hohlraum ziemlich hoch ist, was zu einer beträchtlichen reflektierten Energie führt. Um zu gewährleisten, daß der Kolben zündet, ist es er­ wünscht, beim Einschalten des Systems so viel Energie wie möglich zu dem Kolben zu koppeln.

Zur Ausräumung der oben erwähnten Probleme und Nachteile wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zwei oder mehr Mikrowellenenergiequellen zu verwenden und die von die­ sen erzeugte Energie so zu dem Mikrowellenhohlraum zu koppeln, daß in dem Hohlraum im wesentlichen keine Kopp­ lung zwischen den Schwingungstypen stattfindet, die von den jeweiligen Energiequellen erzeugt werden. Da mehrere Magnetrons benutzt werden, wird kein einzelnes Magnetron mit sehr hoher Leistung benötigt; die Gesamtkosten der Magnetrons sind niedriger als die eines einzelnen Hoch­ leistungsmagnetrons. Außerdem werden die möglichen Pro­ bleme der Lichtbogenerzeugung beseitigt, die Lebensdauer der Magnetrons kann erhöht werden, und der Kolben zündet zuverlässig.

Nach der Erfindung ist die Ausgestaltung so, daß die Schwingungstypen in dem Hohlraum im wesentlichen vonein­ ander entkoppelt sind, was zu einer maximalen Energieüber­ tragung von den Magnetrons zu dem Kolben führt. Dies wird erreicht, indem die elektrischen Felder in dem Hohlraum senkrecht zueinander gelegt werden. Es hat sich gezeigt, daß dann, wenn keine solche Entkopplung vorgenommen wird, die von den jeweiligen Magnetrons erzeugten Schwingungs­ typen miteinander interferieren, was zu einer erniedrig­ ten Energieankopplung an den Kolben, zu einer Verstimmung der Magnetrons und zu Schwierigkeiten beim Zünden des Kol­ bens führt.

Wie unten noch genauer beschrieben wird, kann der Hohl­ raum außerdem gefaltet werden, was zu einer Anordnung führt, die platzsparend ist und die Längenabmessung des Hohlraums verkürzt.

Mit Hilfe der Erfindung soll somit eine mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lichtquelle geschaffen werden, bei der in wirksamer Weise hohe Mikrowellenenergiewerte an den Kolben gekoppelt werden.

Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Lichtquelle soll so ausgestaltet sein, daß die hohen Energiewerte in einer kostengünstigen Weise an den Kolben gekoppelt wer­ den.

Ferner soll mit Hilfe der Erfindung die Mikrowellenenergie so zu den Kolben gekoppelt werden, daß ein wirksames Zün­ den erreicht wird.

Die mit Hilfe der Erfindung zu schaffende Anordnung eines Mikrowellenhohlraums soll so ausgestaltet sein, daß der verfügbare Platz besser ausgenutzt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt einer bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der Lage der jeweiligen Kopplungsschlitze in der Ausführung von Fig. 1,

Fig. 3, 4, 5 und 7 Darstellungen von Ausführungsformen der Erfindung mit einem zylindrischen Hohlraum,

Fig. 6 ein Diagramm der elektrischen Felder in der Ausführungsform von Fig. 5,

Fig. 8 und 9 Darstellungen einer Ausführungsform mit einem gefalteten zylindrischen Hohlraum.

In Fig. 1 ist eine mit Mikrowellenenergie gespeiste elek­ trodenlose Lichtquelle 2 im Schnitt dargestellt; sie ent­ hält einen Mikrowellenhohlraum mit einem Reflektor 4 und einem Gitter 6.

In dem Hohlraum ist ein Kolben 8 angebracht. Das Gitter 6 läßt von dem Kolben 8 abgegebene ultraviolette oder sicht­ bare Strahlung austreten, während es die Mikrowellenener­ gie in dem Hohlraum zurückhält. Der Kolben 8 wird von einem Stab 10 gehalten, der gedreht wird, während Kühlmit­ telströme gegen den Kolben gelenkt werden, damit eine wirk­ same Kühlung erzielt wird, wie in der US-PS 44 85 332 be­ schrieben ist.

Von Magnetrons 12 und 14 wird Mikrowellenenergie erzeugt und über Kopplungstrichter 16 und 18 und Wellenleiter 20 und 22 in den Mikrowellenhohlraum gekoppelt. Nach Fig. 2 speist der Wellenleiter 20 den Kopplungsschlitz 24 im Hohlraum, während der Wellenleiter 22 den Kopplungsschlitz 26 speist. Fig. 2 zeigt deutlicher, daß der Hohlraum 4 in gewissen Ausführungsformen aus mehreren Segmenten 28 be­ stehen kann, von denen jedes relativ abgeflacht ist, wie in der USA-Patentanmeldung SN 7 07 159 beschrieben ist, da­ mit eine gewünschte Reflexion des ausgesendeten Lichts er­ zielt wird, die in anderen Ausführungsformen unterschied­ lich gestaltet sein kann.

Die Kopplungsschlitze 24 und 26 sind so ausgerichtet, daß sie im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen. Dies führt dazu, daß die von den jeweiligen Wellenleitern in den Hohlraum gekoppelten Schwingungstypen der Energie im wesentlichen voneinander entkoppelt sind, da die jeweili­ gen Energiewellen überkreuzt polarisiert sind.

Dadurch wird gewährleistet, daß die Schwingungstypen nicht miteinander interferieren oder miteinander in Wechselbe­ ziehung treten, so daß eine maximale Energieankopplung an den Kolben 8 erzielt wird. Die Verwendung von zwei Kopp­ lungsschlitzen beseitigt die Probleme der Lichtbogenbil­ dung, die sich ergeben können, wenn nur ein einziger, mit hoher Energie belasteter Schlitz verwendet würde. Die Ver­ wendung von zwei Magnetrons ist wirtschaftlicher als die Verwendung eines einzigen Magnetrons mit vergleichbarer Ausgangsleistung. Außerdem sorgt die Anordnung für ein wirksames Starten des Kolbens.

In Fig. 3 ist eine weitere Lampenanordnung dargestellt, bei der senkrecht zueinander ausgerichtete Kopplungs­ schlitze 40 und 42 in einem zylindrischen Hohlraum 44 angebracht sind. In dem Hohlraum befindet sich ein Kolben 46, der von einem Motor 48 gedreht wird. Magnetrons 50 und 52 speisen Wellenleiter 54 bzw. 56, die ihrerseits an die Schlitze 40 und 42 angekoppelt sind.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführung dargestellt, die der Ausführung von Fig. 3 gleicht mit der Ausnahme, daß die senkrecht zueinander angeordneten Schlitze 60 und 62 anstelle ihrer Anbringung in der zylindrischen Wand und im Boden des Hohlraums auf der Oberseite und der Unter­ seite des Hohlraums angebracht sind.

Die Ausführungen nach den Fig. 3 und 4 werden zusam­ men mit einem Gitter verwendet, das das offene Ende des Hohlraums bedeckt; falls es erwünscht ist, sind die Aus­ führungen auch mit einem äußeren Reflektor versehen.

In weiteren Ausführungsformen können Hohlräume über drei Schlitze gespeist werden, die alle im wesentlichen senk­ recht zueinander verlaufen.

In der in Fig. 5 dargestellten Ausführung weist ein zylindrischer Hohlraum 70 zwei parallele Schlitze 72 und 74 auf, die längs der zylindrischen Wand im Abstand von 90° voneinander angebracht sind. Die Schlitze 72 und 74 werden von Wellenleitern 76 bzw. 78 gespeist, an die Magnetrons 80 und 82 angekoppelt sind.

Der Hohlraum ist so dimensioniert, daß in ihm der Wellen­ typ TE _11N entsteht, und da die Schlitze um 90° gegenein­ ander versetzt sind, verlaufen die von den jeweiligen Magnetrons in dem Hohlraum erzeugten elektrischen Felder senkrecht zueinander.

Dies ist in Fig. 6 dargestellt, in der ein Diagramm der zwei elektrischen Felder des zylindrischen Schwingungs­ typs TE _11N gezeigt ist. Das Feld 84 wird durch die über den Schlitz 72 eingekoppelte Energie erzeugt, während das Feld 86 von der über den Schlitz 74 eingekoppelten Energie erzeugt wird. Es sei bemerkt, daß der Schwin­ gungstyp TE _11N erforderlich ist, damit die Felder senk­ recht zueinander stehen, da beispielsweise die Felder im zylindrischen Schwingungstyp TM ₀₁₁ radial und im zylin­ drischen Schwingungstyp TE ₀₁₁ in Umfangsrichtung verlau­ fen, unabhängig von der Anordnung der Schlitze in der zylindrischen Wand.

Es sei bemerkt, daß in der Ausführung von Fig. 5 der Kol­ ben axial gegenüber den Schlitzen versetzt ist, so daß er tatsächlich die Schlitze überhaupt nicht "sieht". Diese Anordnung trägt zur Gleichmäßigkeit der Kolbenabstrahlung bei, da örtliche Verzerrungen, die durch die Schlitz­ nähe verursacht werden, vermieden werden können.

In der Ausführung von Fig. 7 ist ein zylindrischer Hohl­ raum 90 vorgesehen, der Kopplungsschlitze 92, 94 und 96 aufweist, die im Abstand von 120° voneinander in der zylindrischen Wand angebracht sind. Der Hohlraum wird im zylindrischen Schwingungstyp TE _11N betrieben. Anders als bei der Ausführung von Fig. 5 tritt eine gewisse Kreuzkopplung zwischen den elektrischen Feldern auf, da die Schlitze nicht um 90° gegeneinander versetzt sind. Das Vorsehen einer zusätzlichen Energiequelle führt je­ doch zu beträchtlich mehr Energie, und es hat sich ge­ zeigt, daß für manche Anwendungsfälle der bei der Ausfüh­ rung von Fig. 7 erzielte Ausgleich zwischen der Gesamt­ energie und der Feldkopplung die besten Gesamtergebnisse liefert.

In den Fig. 8 und 9 ist eine Lampe dargestellt, bei der ein gefalteter zylindrischer Hohlraum 100 verwendet wird. Der Ausdruck "gefalteter zylindrischer Hohlraum" bezieht sich auf einen Hohlraum, der aus zwei zylindri­ schen Abschnitten besteht, die im Winkel von 90° zuein­ ander angeordnet sind.

Der Hohlraum 100 besteht somit aus einem Abschnitt 102, in dem der Kolben 104 untergebracht ist, sowie aus einem Abschnitt 106, in dem die Kopplungsschlitze 108 und 110 angebracht sind. Diese Schlitze sind um 90° gegeneinan­ der versetzt, so daß zueinander senkrecht verlaufende elektrische Felder im Schwingungstyp TE _11N entstehen.

Der Zweck des gefalteten Hohlraums ist die Kürzung der Länge des Abschnitts 102, was eine zweckmäßigere Umhül­ lung ermöglicht, die aus physikalischen Gründen notwen­ dig oder bei gewissen Anwendungsfällen der Lampe er­ wünscht sein kann.

Der Hohlraum ist in seiner Gesamtheit eine Resonanzstruk­ tur, und es handelt sich dabei um die erste der Anmelde­ rin bekannte Ausführung eines gefalteten Hohlraums. An­ hand durchgeführter Experimente konnte gezeigt werden, daß bei der gefalteten Ausführung eine starke Ankopplung der Felder an den Kolben erzielt wird.

In der Ausführung nach den Fig. 8 und 9 ist der Kolben 104 zu Austauschzwecken durch den Boden 120 des Hohlraums leicht zugänglich, da sich die die Verbindung zwischen dem Kolben und dem Motor 24 herstellende Welle 122 durch den Boden 120 erstreckt.

Es ist zu erkennen, daß der gefaltete Hohlraum auch bei Ausführungen anwendbar ist, bei denen nur ein einziger Kopplungsschlitz vorhanden ist.

Eine nach den Fig. 1 und 2 ausgebildete betriebsfähige Ausführung ist als Ultraviolettquelle in einem Photosta­ bilisierungsgerät angewendet worden. Bei dieser Ausführung wird ein segmentierter Reflektor gemäß Fig. 2 verwendet; bei den Magnetrons handelt es sich um die Typen 2M131 der Firma Hitachi, von denen jedes Mikrowellenenergie bei 2450 MHz bei etwa 1,5 kW erzeugt. Die Kammer hat eine maximale, bei Bezugnahme auf die Zeichnungsfigur vertikale Abmes­ sung von etwa 10 cm und eine maximale horizontale Abmes­ sung von etwa 20 cm. Die Abmessungen der Kopplungsschlit­ ze betragen 6,35×0,75 cm.

In einem Ausführungsbeispiel des zylindrischen Hohlraums mit parallelen Kopplungsschlitzen (Fig. 5) beträgt der Durchmesser des Hohlraums 7,35 cm, und seine Länge be­ trägt 25,65 cm; die Mitte des Kolbens liegt im Abstand von 2,9 cm vom Gitter und von 17,15 cm von der Mitte der Kopplungsschlitze.

Die Erfindung ist hier zwar im Zusammenhang mit bevorzug­ ten Ausführungsbeispielen beschrieben worden, doch ist für den Fachmann erkennbar, daß im Rahmen der Erfindung ohne weiteres Abwandlungen und Änderungen möglich sind.

Claims (8)

1. Mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lichtquelle zum Aussenden von Strahlung, gekennzeichnet durch einen Mikrowellenhohlraum, von dem wenigstens ein Abschnitt für Mikrowellenenergie undurchlässig, jedoch für die ausge­ sendete Strahlung im wesentlichen durchlässig ist, einen in dem Hohlraum angeordneten Kolben, der ein plasmabil­ dendes Medium enthält, erste und zweite Vorrichtungen zur Erzeugung von Mikrowellenenergie und Mittel zum Koppeln der Mikrowellenenergie aus den ersten und zweiten Vorrich­ tungen zum Erzeugen von Mikrowellenenergie zu dem Hohl­ raum in der Weise, daß in dem Hohlraum im wesentlichen keine Kopplung zwischen den Schwingungstypen erfolgt, die von den beiden Vorrichtungen zum Erzeugen von Mikro­ wellenenergie erzeugt werden.

2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Koppeln von Mikrowellenenergie von den ersten und zweiten Vorrichtungen zum Erzeugen von Mikrowellenenergie zu dem Hohlraum so angeordnet sind, daß die von diesen Vorrichtungen erzeugten elektrischen Felder in dem Hohlraum senkrecht zueinander verlaufen.

3. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ankoppeln der Mikrowellenenergie an den Hohlraum erste und zweite Kopplungsschlitze in dem Hohlraum enthalten, die im wesentlichen senkrecht zuein­ ander angeordnet sind.

4. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenhohlraum ein zylindrischer Hohlraum ist und daß die senkrecht zueinander verlaufenden Felder in dem Hohlraum im Schwingungstyp TE _11N vorliegen.

5. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplungsmittel zwei parallele Kopplungsschlit­ ze in der Wand des zylindrischen Hohlraums sind, die längs der zylindrischen Wand um etwa 90° gegeneinander versetzt sind und in axialer Richtung des Hohlraums pa­ rallel zueinander verlaufen.

6. Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsschlitze an einer Stelle in den Wänden des Hohlraums angebracht sind, die axial bezüglich der Position des Kolbens versetzt ist, so daß der Kolben die Schlitze nicht sieht.

7. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Hohlraum ein gefalteter zylindri­ scher Hohlraum ist, der einen den Kolben enthaltenden Abschnitt und einen Speiseabschnitt aufweist, wobei die beiden Abschnitte in bezug zueinander gefaltet sind, und daß die Ankopplungsmittel zwei Kopplungsschlitze enthal­ ten, die im Speiseabschnitt des Hohlraums angeordnet sind.

8. Mit Mikrowellen gespeiste elektrodenlose Lichtquel­ le zum Aussenden einer Strahlung, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Mikrowellenhohlraum mit wenigstens einem Abschnitt, der für Mikrowellenenergie im wesentli­ chen undurchlässig, für die ausgesendete Strahlung jedoch im wesentlichen durchlässig ist, einen in dem Hohlraum angebrachten Kolben, der ein plasmabildendes Medium ent­ hält, wobei der Hohlraum eine zylindrische Wand aufweist, in der drei parallele Kopplungsschlitze angebracht sind, deren Richtung parallel zur Achse des Hohlraums verläuft und die längs der Wand des Hohlraums im Abstand von etwa 120° voneinander angebracht sind, drei Vorrichtungen zum Erzeugen von Mikrowellenenergie und Ankopplungsmittel zum Ankoppeln der erzeugten Mikrowellenenergie aus je­ der der drei Vorrichtungen an einen zugehörigen Kopp­ lungsschlitz.