DE4230029B4

DE4230029B4 - Ein Kopplungssystem für die Zufuhr von Mikrowellenenergie zu einem Lampenkolben, eine ein solches System verwendende Lampe, und eine Vorrichtung zum Induzieren einer elektrodenlosen Entladung in einem Lampenkolben

Info

Publication number: DE4230029B4
Application number: DE4230029A
Authority: DE
Inventors: Walter P. Lapatovich; Scott J. Butler; Jason R. Bochinski
Original assignee: GTE Products Corp
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1991-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2012-09-11
Also published as: CA2076813C; CA2076813A1; DE4230029A1; US5241246A; JPH05266986A

Abstract

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

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kopplungssystem für die Zufuhr von Mikrowellenenergie zu einem Lampenkolben, eine ein solches System verwendende Lampe, und eine Vorrichtung zum Induzieren einer elektrodenlosen Entladung in einem Lampenkolben.
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 in US 4 041 352 beschrieben, das eine einendige Erregung zeigt, sowie in US 4 266 162 , das eine doppelendige Erregung offenbart. Die näherliegende Druckschrift ist die letztgenannte, in der sich McNeill mit langgestreckten Quellen befaßt und in der 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, und im Anspruch 5 führt McNeill das Erfordernis der Steuerung des elektrischen Felds in der Umgebung der Lampenhülle an. Zusätzlich verlangt McNeill in der letztgenannten Druckschrift 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 in US 5 070 277 genannt. In dieser Druckschrift werden Verzögerungszuführungen aus spiraligen bzw. schraubenförmigen Wendeln beschrieben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Speisung elektrodenloser Lampen zu schaffen, die sich von automatisierten Maschinen leichter handhaben läßt bei geringerer Gefahr eines Verhedderns.

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

Ferner wird die Aufgabe durch eine Lampe mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und durch eine Vorrichtung zum Induzieren einer elektrodenlosen Entladung in einem Lampenkolben mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Die Erfindung wird anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
1 drei Ansichten einer Endschalenzuführung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 einen zwischen den Endschalenzuführungen einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordneten Lampenkolben;
3 drei Ansichten einer alternativen Endschalen zuführung nach einer Ausführungsform der vorliegenden 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 einem Kolben wünschenswert, der innerhalb des von den einander gegenüberliegenden Blöcken gebildeten Zwischenraums plaziert ist. Die Formgebung ist dabei derart gestaltet, 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. 1 zeigt drei Ansichten einer feldverstärkenden Zuführung in Form einer Endschale 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 den Lampenkolben. 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.
2 zeigt eine Querschnittsansicht des in dem Zwischenraum angeordneten Lampenkolbens 20, der von den einander zugewandten metallischen Endschalen 21 gebildet ist, sowie die von der Vorrichtung erzeugten elektrischen Feldlinien 22. Der Lampenkolben steht an keinem Punkt in Kontakt mit den Endschalen. Die Dichte der Feldlinien 22 ist ein Maß für die elektrische Feldstärke und nimmt entlang der Achse des Lampenkolbens örtlich nahe der Endschalenzuführung zu. Eine quasistatische Analyse des axialen elektrischen Felds zeigt eine axiale elektrische Feldverstärkung, die etwa 2,7-fach größer ist als das Feld, das zwischen planparallelen metallischen Blöcken erzeugt wird.
Wie gezeigt, führt eine Mikrowellen-Energiequelle 25 sowohl der ersten als auch der zweiten Endschale über eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung 23 Energie zu. Vorzugsweise ist die Übertragungsleitung ein Balun-Impedanzwandler. Die erste und die zweite Endschale werden von einer isolierenden Platte 24 abgestützt, welche die Mikrostreifenleitung 23 auf ihrer einen Seite und eine Erdungsfläche an der gegenüberliegenden Seite ausgebildet besitzt.
3 zeigt ein alternatives Design für metallisierte Keramikblöcke verwendende Endschalenzuführungen. 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 Endschalen. Zusätzlich verringert die Reduktion der bloßen Metallmasse die Streukapazität der Endschale, 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. Das Keramikstück dient nur als ein Support für die konkave metallische Oberfläche und andere Geometrien als rechteckige Parallelepipede können benutzt werden.
Die Krümmung des Endschale ist derart ausgebildet, daß sie sich der Krümmung der Endkammern der Lampe anpaßt, wie in 2 gezeigt. Der Radius der Krümmung der Endschalen 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 Lampenendschalen 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 in US 5 070 277 beschrieben sind. Es ist offensichtlich, daß diese Schalenendzuführungen mit von den beiden obengenannten unterschiedlichen Frequenzen verwendet werden können.
Die benutzten Lampenkolben waren aus Quarz hergestellt und besaßen einen äußeren Durchmesser von 3 mm und einen inneren Durchmesser von 2 mm. Die Kolben hatten eine innere Länge von näherungsweise 10 mm. Jedoch lassen sich auch Lampen anderer Abmessungen mittels der Zuführungen nach der vorliegenden Erfindung leicht speisen.
Der Lampenkolben 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 auch Xenon, Krypton, Argon oder pures Neon benutzt werden können. Die Lampenfüllung schließt eine metallische Verbindung ein, beispielsweise ein Halogenid, wie Scandiumjodid. Die verwendete Lampenfüllung besteht aus näherungsweise 0,3 mg Quecksilber, 0,1 mg Natrium-Scandium-Jodid mit einer Penning-Gasmischung bei etwa 2.666 kPa. Die Penning-Gasmischung bestand aus etwa 0,005 % Argon in Neon.
Das Endschalendesign 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 eines Verhedderns.

Claims

Kopplungssystem für die Zufuhr von Mikrowellenenergie zu einem Lampenkolben, bestehend aus: einer ersten Endschale, welche die Mikrowellenenergie an einem ersten Ende empfängt und ein zweites Ende aufweist, das eine konkave, leitende, einem Zwischenraum zugewandte Oberfläche besitzt; und einer zweiten Endschale, die Mikrowellenenergie an einem ersten Ende empfängt, das koaxial zu der ersten Endschale angeordnet ist und ein zweites Ende besitzt, das eine konkave leitende Oberfläche aufweist, die dem Zwischenraum, der den Lampenkolben enthält, und der konkaven Oberfläche der ersten Endschale zugewandt ist, wobei die erste Endschale und die zweite Endschale derart elektrisch gekoppelt sind, daß sie bei der Lieferung von Energie an den Lampenkolben um 180° phasenverschoben sind.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die erste Endschale und die zweite Endschale von einer einzigen Mikrowellen-Energiequelle über eine Mikrowellen-Übertragungsleitung gespeist sind und der Input der ersten Endschale und der Input der zweiten Endschale durch eine elektrische Verbindung getrennt sind, die einen Balun-Impedanzwandler aufweist.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die erste Endschale und die zweite Endschale von einer einzigen Mikrowellen-Energiequelle gespeist sind und der Input der ersten Endschale vom Input der zweiten Endschale durch eine Mikrostreifenleitung getrennt ist.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die erste Endschale und die zweite Endschale von einer Isolierplatte getragen sind, die eine Mikrostreifenleitung an einer ersten Seite und eine Erdungsfläche an einer gegenüberliegenden Seite ausgebildet aufweist.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die konkaven Oberflächen der ersten und der zweiten Endschale in der Umgebung der Oberflächen eine elektrische Feldform erlauben, die in einer Feldverstärkung von etwa 2,7 resultiert.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die erste und die zweite Endschale aus massivem Metall hergestellt sind.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die Endschalen aus einem Dielektrikum und die konkaven Oberflächen aus Metall hergestellt sind.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die konkaven Oberflächen aus einem Hochtemperatur-Supraleiter hergestellt sind.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die konkaven Oberflächen Endkammern des Lampenkolbens umgeben, jedoch nicht berühren, und der Abstand zwischen den Oberflächen und dem Lampenkolben etwa 0,1 bis 10 mm beträgt.
Kopplungssystem nach Anspruch 1, bei welchem die leitenden Oberflächen der ersten und zweiten Endschalen mittige Öffnungen aufweisen, in die Halteelemente für einen Lampenkolben einsetzbar sind.
Mit Mikrowellenenergie gespeiste Lampe, die aufweist: eine erste Endschale, die an einem ersten Ende einen Mikrowellenenergie-Input erhält und ein zweites Ende aufweist, das eine konkave, leitende, einem Zwischenraum gegenüberliegende Oberfläche besitzt; eine zweite Endschale, die zu der ersten Endschale 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 der ersten Endschale gegenüberliegt; einen in dem Zwischenraum positionierten Lampenkolben, dessen Endkammern von den konkaven Oberflächen der ersten und der zweiten Endschale durch einen Abstand von etwa 0,1 mm bis 10 mm getrennt sind.
Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die Endschalen aus Metall bestehen.
Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die Endschalen aus einem Dielektrikum und die Oberflächen aus Metall hergestellt sind.
Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die konkaven Oberflächen aus einem Hochtemperatur-Supraleiter hergestellt sind.
Lampe nach Anspruch 11, bei welcher die erste und die zweite Endschale um 180° phasenverschoben elektrisch gekoppelt sind.
Vorrichtung zum Induzieren einer elektrodenlosen Entladung in einem Lampenkolben, 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 des Lampenkolbens darin zu definieren 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.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher jede leitende Oberfläche eine konkave Geometrie besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 16, welche eine Energieeinrichtung für die Zufuhr von Energie zu den jeweiligen leitenden Oberflächen der ersten und zweiten Endblöcke aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher die Energieeinrichtung den ersten und den zweiten Endblock um 180° phasenverschoben elektrisch koppelt.