DE4230029A1 - Becherfoermige endzufuehrungen fuer elektrodenlose hochfrequenzlampen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenz- Zuführung für die Erregung elektrodenloser Lampen. Genauer gesagt, Blöcke aus metallisierter Keramik oder Metall, die zur Bildung eines Zwischenraums einander diametral gegenüberliegen, sind derart geformt, daß sie eine elektrische Feldkonzentration in dem Zwischenraum zwischen den Blöcken erzwingen und dadurch ein System für die Zufuhr von Hochfrequenz (RF) für elektrodenlose Lampen bilden.

Becherförmige Endbefestigungen für die Erregung elektrodenloser Lampen werden von McNeill im U.S.-Patent 40 41 352 beschrieben, das eine einendige Erregung zeigt, sowie in dem U.S.-Patent 42 66 162, das eine doppelendige Erregung offenbart. Das näherliegende Patent ist das letztgenannte, in dem sich McNeill mit langgestreckten Quellen befaßt und in dem er die Vorzüge einer doppelendigen Erregung darlegt (siehe Spalte 7, Zeilen 54 bis 68). Während die Abbildungen becherähnliche Endbefestigungen als Energiezuführung zu den Lampen zeigen, sind dieselben nicht im einzelnen beschrieben. Im Anspruch 1 zitiert McNeill die Endladungsmethode (termination load approach), und im Anspruch 5 führt McNeill das Erfordernis der Steuerung des elektrischen Felds in der Umgebung der Lampenhülle an. Zusätzlich verlangt McNeill im letztgenannten Patent einen äußeren Leiter, der rund um die Kopplerbefestigungen angeordnet ist.

Zuführungen für die Erregung elektrodenloser Entladungen unter Benutzung planarer Übertragungsleitungen und spiral- bzw. schraubenförmiger Koppler werden von Lapatovich im U.S. Patent 50 70 277 genannt. In dieser Druckschrift werden Verzögerungszuführungen (slow wave applicators) aus spiraligen bzw. schraubenförmigen Wendeln beschrieben.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Zuführung für die Erregung elektrodenloser Lampen.

Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Kopplersystem für die Zufuhr von Mikrowellenenergie zu einer Lampenkapsel zur Verfügung, welches umfaßt: einen ersten Endbecher, der Mikrowellenleistung an einem ersten Ende empfängt und ein zweites Ende aufweist, das eine konkave leitende Oberfläche besitzt, die einem Zwischenraum zugewandt ist; und einen zweiten Endbecher, der Mikrowellenenergie an einem ersten Ende empfängt, das koaxial mit dem ersten Endbecher angeordnet ist, und ein zweites Ende besitzt, das eine konkave leitende Oberfläche aufweist, das dem Zwischenraum zugewandt ist, um eine Lampenkapsel zu beinhalten und der konkaven Oberfläche des ersten Endbechers gegenüber zu liegen, wobei der erste Endbecher und der zweite Endbecher derart elektrisch gekoppelt sind, daß sie bei der Zufuhr von Leistung zu der Lampenkapsel um 180° phasenverschoben sind. Das Kopplungssystem arbeitet am besten, wenn die zwei Endbecher durch eine elektrische Verbindung versorgt werden, die einen Balun-Impedanzwandler zwischen der Lampenkapsel und der Mikrowellen-Leistungsquelle darstellt, und die Übertragungsleitung Leistung an das Kopplungssystem liefert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 drei Ansichten einer Endbecherzuführung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine zwischen den Endbecherzuführungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnete Lampenkapsel;

Fig. 3 drei Ansichten einer alternativen Endbecher­ zuführung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit ihren anderen und zusätzlichen Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten, wird Bezug genommen auf die folgende Einzelbeschreibung mit angefügten Ansprüchen in Verbindung mit der vorstehenden Zeichnung und der Beschreibung einiger Aspekte der Erfindung.

Es wird eine Hochfrequenzzuführung zur Erregung elektrodenloser Lampen beschrieben. Die Zuführungen werden von zwei Blöcken aus Material gebildet, die an die Enden von phasengesteuerten Zuführungspunkten einer planaren Übertragungsleitung elektrisch angeschlossen sind und einander gegenüberliegen, so daß ein Zwischenraum zwischen den Blöcken gebildet wird. Das Material der Blöcke kann Metall oder metallisierte Keramik sein. Die Formung der Frontseiten der Blöcke erzwingt eine elektrische Feldkonzentration in der Umgebung des Blocks und in dem Zwischenraum zwischen einander gegenüberliegenden Blöcken. Eine solche Feldkonfiguration ist für die Erregung einer elektrodenlosen Entladung in einer Kapsel wünschenswert, die innerhalb des von den einander gegenüberliegenden Blöcken gebildeten Zwischenraums plaziert ist. Die Formgebung ist dabei derart konturiert, daß eine elektrische Feldverstärkung weg von der Blockoberfläche erzeugt wird, so daß dieselbe mit dem internen Volumen einer Gasentladungslampe koinzident ist, die in den Zwischenraum plaziert ist, um eine Erregung des darin vorhandenen Gases in einen strahlenden Zustand hervorzurufen.

Die weitere Beschreibung einer Zuführung nach der vorliegenden Erfindung erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. Fig. 1 zeigt drei Ansichten einer feldverstärkenden Zuführung in Form eines Endbechers aus massivem Metall. Das in den Versuchen verwendete Metall war nickelplattiertes Kupfer und sodann eine Schicht aus Gold. Das kleine mittige Loch dient zur Hindurchführung des mechanischen Supports (d. h. eines kleinen Quarzrohrs) für die Lampenkapsel. Während dies die bevorzugte Ausführungsform ist, sollte es für den Fachmann klar sein, daß die "Blöcke" nicht notwendigerweise rechteckige Parallelepipede sein müssen. Nur die konkaven Oberflächen, die dem Zwischenraum zugewandt sind, sind für die elektrische Feldverstärkung verantwortlich.

Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht der in dem Zwischenraum angeordneten Lampenkapsel 20, der von den einander zugewandten metallischen Endbechern 21 gebildet ist, sowie die von der Vorrichtung erzeugten elektrischen Feldlinien 22. Die Lampenkapsel steht an keinem Punkt in Kontakt mit den Endbechern. Die Dichte der Feldlinien 22 ist ein Maß für die elektrische Feldstärke und nimmt entlang der Achse der Lampenkapsel örtlich nahe der Endbecherzuführung zu. Eine quasistatische Analyse des axialen elektrischen Felds zeigt eine axiale elektrische Feldverstärkung, die etwa 2,7fach größer ist als das Feld, das zwischen planparallelen metallischen Blöcken erzeugt wird.

Wie gezeigt, führt eine Mikrowellen-Energiequelle 25 sowohl dem ersten als auch dem zweiten Endbecher über eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung 23 Energie zu. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung ein Balun-Impedanzwandler. Der erste und der zweite Endbecher werden von einer isolierenden Platte 24 abgestützt, welche die Mikrostreifenleitung 23 auf ihrer einen Seite und eine Erdfläche an der gegenüberliegenden Seite ausgebildet besitzt.

Fig. 3 zeigt ein alternatives Design für metallisierte Keramikblöcke verwendende Endbecherzuführungen. Bei diesem Beispiel wurde Titan-Wolfram-Gold auf spanabhebend bearbeitetes Macor (Warenzeichen) aufgebracht. Andere Materialien, aus denen die Blöcke fabriziert werden können, schließen Quarz, Aluminiumoxid, Beryllium und Hochtemperaturkunststoffe ein. Der Vorteil dieser Technik ist die reduzierte Wärmeleitung der derart ausgebildeten Endbecher. Zusätzlich verringert die Reduktion der bloßen Metallmasse die Streukapazität des Endbechers, wobei die nahen metallischen Oberflächen es einfacher machen, die Zuführung an die Betriebsimpedanz der Lampe anzupassen. Die dargestellte Metallisierung erlaubt ein Anlöten an die planare Übertragungsleitung und die Formung des Feldes mittels der konkaven Oberfläche. Erneut sollte es für den Fachmann deutlich sein, daß das Keramikstück nur als ein Support für die konkave metallische Oberfläche dient und daß andere Geometrien als rechteckige Parallelepipede benutzt werden können.

Die Krümmung der Endbecher ist derart ausgebildet, daß sie sich der Krümmung der Endkammern der Lampe anpaßt, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Radius der Krümmung der Endbecher ist im Bereich von 0,1 bis 10 mm größer als der Radius der Endkammern der Lampe, mit einem bevorzugten Unterschied von 0,5 mm für Lampen, die bei näherungsweise 25 Watt arbeiten. Folgerichtig berühren die Lampenendbecher die Lampe an überhaupt keiner Stelle. Sowohl metallische Typen als auch Typen aus metallisierter Keramik wurden an Mikrostreifenleitung bei 915 MHz und 2,45 GHz getestet. In beiden Fällen arbeiteten die Lampen ähnlich wie schrauben- bzw. spiralförmig erregte Lampen, wie sie im U.S.-Patent 50 70 277 beschrieben sind. Es ist offensichtlich, daß diese Becherendzuführungen mit von den beiden obengenannten unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden können.

Die gemäß der vorliegenden Offenbarung benutzten Lampenkapseln waren aus Quarz hergestellt und besaßen einen äußeren Durchmesser von 3 mm und einen inneren Durchmesser von 2 mm. Die Kapseln hatten eine innere Länge von näherungsweise 10 mm. Jedoch lassen sich auch Lampen anderer Abmessungen leicht mittels der Zuführungen nach der vorliegenden Erfindung speisen.

Die Lampenkapsel schließt eine Lampenfüllung ein, die verschiedene zusätzliche Dotierstoffe aufweisen kann, wie es bekannt ist. Die Zusammensetzung der Lampenfüllung wird derart gewählt, daß sie zumindest ein Material einschließt, das verdampfbar und durch Radiofrequenzenergie erregbar ist. Die gemäß der vorliegenden Erfindung zweckmäßigen Zusammensetzungen zur Lampenfüllung sind diejenigen, die in Bogenentladungsröhren geläufig sind. Das bevorzugte Gas ist eine Penning-Mischung aus hauptsächlich Neon mit einem kleinen Anteil ( < 1%) an Argon, obgleich Xenon, Krypton, Argon oder pures Neon benutzt werden können. Die Lampenfüllung schließt eine metallische Verbindung ein, beispielsweise Salz, wie Scandiumjodid. Die verwendete Lampenfüllung besteht aus näherungsweise 0,3 mg Quecksilber, 0,1 mg Natrium-Scandium- Jodid mit einer Penning-Gasmischung bei etwa 20 Torr. Die Penning-Gasmischung bestand aus etwa 0,005 % Argon in Neon.

Das Endbecherdesign ist für die Massenproduktion geeigneter als die spiraligen bzw. schraubenförmigen Wendeln. Die kleinen rechteckigen Parallelepipede lassen sich durch automatisierte Maschinen leichter handhaben als die genannten Wendeln, vor allem mit geringerer Gefahr einer Verwirrung bzw. eines Verhedderns.

Claims (19)

1. Kopplungssystem für die Zufuhr von Mikrowellenenergie zu einer Lampenkapsel, bestehend aus:
einem ersten Endbecher, der die Mikrowellenenergie an einem ersten Ende empfängt und ein zweites Ende aufweist, das eine konkave, leitende, einem Zwischenraum zugewandte Oberfläche besitzt; und
einem zweiten Endbecher, der Mikrowellenenergie an einem ersten Ende empfängt, das koaxial mit dem ersten Endbecher angeordnet ist und ein zweites Ende besitzt, das eine konkave leitende Oberfläche aufweist, die dem Zwischenraum, der die Lampenkapsel enthält, und der konkaven Oberfläche des ersten Endbechers zugewandt ist, wobei der erste Endbecher und der zweite Endbecher derart elektrisch gekoppelt sind, daß sie bei der Lieferung von Energie an die Lampenkapsel um 180° phasenverschoben sind.

2. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der erste Endbecher und der zweite Endbecher von einer einzigen Mikrowellen-Energiequelle über eine Mikrowellen- Übertragungsleitung gespeist sind und der Input des ersten Endbechers und der Input des zweiten Endbechers durch eine elektrische Verbindung getrennt sind, die einen Balun- Impedanzwandler aufweist.

3. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der erste Endbecher und der zweite Endbecher von einer einzigen Mikrowellen-Energiequelle gespeist sind und der Input des ersten Endbechers vom Input des zweiten Endbechers durch eine Mikrostreifenleitung getrennt ist.

4. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der erste Endbecher und der zweite Endbecher von einer Isolierplatte getragen sind, die eine Mikrostreifenleitung an einer ersten Seite und eine Erdfläche an einer gegenüberliegenden Seite ausgebildet aufweist.

5. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die konkaven Oberflächen des ersten und des zweiten Endbechers in der Umge­ bung der Oberflächen eine elektrische Feldform erlauben, die in einer Feldverstärkung von etwa 2,7 resultiert.

6. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem der erste und der zweite Endbecher aus massivem Metall hergestellt sind.

7. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die Endbecher aus einem Dielektrikum und die konkaven Oberflächen aus Metall hergestellt sind.

8. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die konkaven Oberflächen aus einem Hochtemperatur-Supraleiter hergestellt sind.

9. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die konkaven Oberflächen Endkammern der Lampenkapsel umgeben, jedoch nicht berühren, und der Abstand zwischen den Oberflächen und der Lampenkapsel etwa 0,1 bis 10 mm beträgt.

10. Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die leitenden Oberflächen der ersten und zweiten Endbecher mittige Öffnungen aufweisen, in die Halteelemente für eine Lampenkapsel einsetzbar sind.

11. Mit Mikrowellenenergie gespeiste Lampe, die aufweist: einen ersten Endbecher, der an einem ersten Ende einen Mikrowellenenergie-Input erhält und ein zweites Ende aufweist, das eine konkave, leitende, einem Zwischenraum gegenüberliegende Oberfläche besitzt;
einen zweiten Endbecher, der zu dem ersten Endbecher koaxial angeordnet ist, an einem ersten Ende Energie eingespeist erhält und ein zweites Ende besitzt, das eine konkave leitende Oberfläche aufweist, die dem Zwischenraum zugewandt ist und der konkaven Oberfläche des ersten Endbechers gegenüberliegt;
eine in dem Zwischenraum positionierte Lampenkapsel, deren Endkammern von den konkaven Oberflächen des ersten und des zweiten Endbechers durch einen Abstand von etwa 0,1 mm bis 10 mm getrennt sind.

12. Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die Endbecher aus Metall bestehen.

13. Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die Endbecher aus einem Dielektrikum und die Oberflächen aus Metall hergestellt sind.

14. Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die konkaven Oberflächen aus einem Hochtemperatur-Supraleiter hergestellt sind.

15. Lampe nach Anspruch 11, bei welcher der erste und der zweite Endbecher um 180° phasenverschoben elektrisch gekoppelt sind.

16. Vorrichtung zum Induzieren einer elektrodenlosen Entladung in einer Lampenkapsel, bestehend aus:
einem ersten und einem zweiten Endblock, deren jeder eine leitende Oberfläche mit einer gewünschten Geometrie besitzt, die für die Aufnahme von Input-Energie geeignet ist;
wobei die Endblöcke derart orientiert sind, daß die leitende Oberfläche des ersten Endblocks der leitenden Oberfläche des zweiten Endblocks zugewandt ist, um einen Zwischenraum zwischen denselben für die Aufnahme und Plazierung der Lampenkapsel darin zu definieren; und
wobei jede leitende Oberfläche auf Energie anspricht, um innerhalb des Zwischenraums ein elektromagnetisches Feld in Übereinstimmung mit der jeweiligen Geometrie der leitenden Oberfläche zu erzeugen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher jede leitende Oberfläche eine konkave Geometrie besitzt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, welche eine Energieeinrichtung für die Zufuhr von Energie zu den jeweiligen leitenden Oberflächen der ersten und zweiten Endblöcke aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher die Energieeinrichtung den ersten und den zweiten Endbecher um 180° phasenverschoben elektrisch koppelt.