KR20080056717A

KR20080056717A - 고 전력 펄스화 플래시 램프의 설계

Info

Publication number: KR20080056717A
Application number: KR1020087007051A
Authority: KR
Inventors: 로버트 엠. 란티스; 보리스 츨로틴; 피터 율란; 블라디미르 프로시닉; 가푸르 자이니브
Original assignee: 라이트스트림 테크놀로지스
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2008-06-23
Also published as: WO2007025208A3; US7423367B2; EP1925013A2; JP2009506504A; CN101288143A; BRPI0615086A2; AU2006282845A1; US20070046167A1; WO2007025208A2; CA2620252A1

Abstract

광대역 출력 고 전력 펄스화 플래시 램프들은 다수의 적용에 유용하며, 특별히 최적화된 때, 광-화학적-유도 물질 처리 적용에 특히 유용한 우수한 자외선(UV) 광원이 될 수 있다. 고-에너지 광 펄스의 생성에 수반된 다수의 인자들은 몇몇 경우에 자외선 램프 작동에 부정적인 영향을 줄 수 있으며, 이로 인해 램프 인벨로프에 미세 크랙이 발생하게 되고, 이후 램프 수명을 제한하게 된다. 유사한 인자들은 램프 효율성의 저하와, 램프 구성요소들에 인한 UV 방사선의 증가된 흡수를 유발할 수 있다. 본 발명은, 필요하다면, 예를 들어 다수의 대규모 광-처리 적용에 의해 고 전력 및 성능의 새로운 세대를 가능하게 하는 새로운 펄스화 플래시 램프 설계들을 설명한다. 본 발명은 결함 및 미세-크랙의 발생을 독특하고 유익하게 완화시키며, 전기적 효율성, 램프 광학 특성의 안정성 및 서비스 수명을 크게 개선시킨다.

Description

고 전력 펄서 플래시 램프의 설계{DESIGN OF HIGH POWER PULSER FLASH LAMPS}

발명자들:

Robert M. Lantis, Boris Zlotin, Peter Ulan, Vladimir Proseanic 및 Gafur Zainiev

본 특허 출원서는 본 명세서에서 인용 참조되는 2005년 8월 25일에 출원된 미국 가출원 제 60/710,866호에 대한 우선권을 주장한다.

본 발명은 고성능 및 고전력(피크 및 평균) 펄스화(pulsed) 광대역 광을 생성하는 펄스화 플래시 램프 설계, 및 펄스화 자외선(pulsed ultraviolet: PUV) 광을 생성하는 램프에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 램프 저하(lamp degradation) 및 파손(breakage)을 감소시키고, 개선된 램프 냉각 및 원하는 스펙트럼 방출 대역의 전기적-광학적 출력 효율성을 제공하는 램프 설계에 관한 것이다.

고 전력 플래시 램프에 대한 시스템 설계는, 통상적으로 다음과 같은 요소들 - 1/ 원하는 스펙트럼 방출 대역(들)에 대해 적절한 투명도(transparency)를 갖는 튜브형 물질(tubular material)(예를 들어, UV 방사선용 UV-등급 석영)로 만들어지 고, 제논, 크립톤 또는 다른 적절한 가스(들)와 같은 가스 또는 가스들로 채워진 램프 인벨로프(lamp envelop) 또는 램프 튜브; 2/ 높은 전압원에 연결되고 가스(들) 내에서 전기적 방출을 생성하는 튜브의 대향 단부들에 위치된 전극들; 3/ 램프 인벨로프 외주 주변의 적절히 투명한 물질로 된 포위 재킷(surrounding jacket) 또는 제 2 튜브를 포함하고, 상기 재킷의 내부면과 램프 외부면들 사이에 냉각 유체(가스 또는 액체)의 순환을 위한 공간을 제공한다는 것이 알려져 있다. 이러한 냉각 유체는 램프 동작 시에 발생된 과도한 열을 제거한다.

펄스화 플래시 램프를 작동시키는 다수의 공지된 방식들과 방법들이 존재하지만, 고 전력 펄스화 램프 작동은 3 개의 통상적인 작동 모드들 - 점화 모드, 시머 모드(simmer mode) 및 펄스 모드 - 중 어느 버전(version)으로 되어 있는 것이 가장 일반적이다. 점화 모드는 특정 점화기를 이용하여 튜브 내 가스의 초기 이온화를 제공한다. 시머(대기) 모드는 튜브 내에서 일정한 저 수위의 가스 이온화를 유지하는 작은 전류에 의해 제공된다. 펄스 모드는 짧은 고 피크(high peak) 전력과 고압(high voltage) 방전에 의해 생성되고, 상기 방전은 ㎲ 내지 ㎳ 사이의 주기를 가지며, 1 내지 수백 ㎿의 피크 전력을 갖는 펄스들을 발생시킨다.

UV 처리 전력을 증가시킨 새로운 어플리케이션에 의한 계속적인 요구는 많은 상황들에서 본 발명 이전에 생성된 PUV 램프의 능력을 능가하는 훨씬 개선된 플래시 램프 성능을 요구하였다. 이전의 펄스화 램프 설계에 비해, 이 새롭게 생성된 고 전력 및 성능 펄스화 램프는 물리적으로 훨씬 더 긴(예를 들어 3 배(factor) 이상) 양극-대-음극 간격에 의해 특성화되며, 이후 램프의 길이, 무게 및 종횡 비(aspect ratio) 프로파일을 증가시킨다. 이전의 펄스화 램프 설계에 비해, 이 새롭게 생성된 고 전력 및 성능 펄스화 램프는 더 큰 전류(피크 및/또는 평균 크기), 더 긴 아크(arc) 길이(양극-대-음극 간격), 및 요구되는 더 높은 작동 전압을 갖는 펄스들에 의해 전기적으로 특성화된다. 소위 기존에 생성된 중간-내지-고(medium-to-high) 전력 플래시 램프를 능가하는 전력과 성능 능력들을 증대시키기 위하여, 새로운 방법들과 설계들이 요구된다. 예를 들어, 대규모(large-scale) 물 소독 및 정화(remediation)는, 이전에 생성된 PUV 램프로는 부족하다는 것을 보여주었고, 따라서 산업계에서 그러한 작업에 완전하게 적절하다고는 고려되지 않는 단지 하나의 적용예이다. 새롭게 생성된 고 전력 및 성능 펄스화 자외선 램프는 바람직하고 유익하다. UV 광은 광범위한 타겟 병원체(targeted pathogen)에 대해 효과적으로 소독할 수 있다. 염소와 같은 화학 소독제와는 반대로, UV 광은 물의 맛, 냄새 또는 안전성에 부정적인 영향을 주지 않고 소독할 수 있으며, 크립토스포리디움 파븀(Cryptosporidium Parvum)과 같은 원충(protozoa)에 대해 특히 효과적이다. 또한, 펄스화 UV 시스템들은 여하한 램프 및/또는 대기 온도 변화에도, 특히 일정한 UV 광 출력 효율, 및 순간 UV 전력 "ON" 및 "OFF" 사이클링, 0 내지 100 %의 범위에 걸쳐 순간 가변적이고 정확한 UV 전력 출력의 레벨들을 가능하게 하므로 유익하다. 중요한 것은, PUV는 유해 수은뿐만 아니라, 높은 램프 인벨로프 온도와 종래의 연속파(continuous wave: CW) 매질 압력 UV 램프들을 특성화하는 압력에 의해 생성된 폭발성 전위(explosive potential)를 필요로 하지 않는다는 것이다. 또한, (그 중에서도 특히) CW 수은 램프들은 램프 냉각 재킷(cooling jacket)의 열적 구배 유 도 파울링(thermal gradient induced fouling)(미네랄 흡인)으로 인해 성능 저하라는 본질적인 문제를 갖는 것으로 알려져 있다. 그러므로, 대규모 UV 처리 어플리케이션의 요건들을 이행할 수 있는 펄스화 UV 시스템들을 생성하는 것이 유익하다.

이전에 생성된 PUV 램프는, 매우 매력적이고 잠재적인 장점들과 이점들을 보여 주었지만, 성공적일만큼 대규모로 전개되지 않았으며, 연구 과제 및/또는 비교적 낮은 전력 틈새 어플리케이션들과 관련이 있다고 당업자들에 의해 알려져 있다. 알려진 여러 가지 문제들은 허용할 수 없는 짧은 서비스 수명, 비경쟁적인 전기적-광학적 출력 효율성, 일치하지 않는 UV 출력, 및 타겟 어플리케이션에 잘 매치되지 않는 UV 스펙트럼 및 전력 출력을 포함하였다. 이러한 기록은, 램프 서비스 수명이 신속히-감소한 UV 출력, 작동을 저하시키고 조급히(prematurely) 방지시킨 과도한 램프 노화, 및/또는 램프 인벨로프 물질의 치명적 결함(catastrophic failure) 중 1 이상의 조합에 의해 제한되었다는 것을 나타낸다. 전기적-대-UV 출력 효율성은 5 % 내지 9 %의 범위 내에 있었으며, 이는 안타깝게도(unfavorably) CW 수은 UV 램프의 통상적인 17 % 내지 35 %의 근사적 실제 범위와 비교된다. 이전에 생성된 PUV 램프의 UV 출력은 (펄스 및 스펙트럼 특성당 에너지에 관해) 점점 더 일정하지 않았으며, 결과적으로 더 높은 출력 전력을 유도하려는 시도들은 성공적이지 않았다

이러한 제한적인 문제들의 주요 원인은, 램프 설계, 펄스화 전력 공급 설계들이 비교적 낮은 성능 시스템들에서 오랫동안 사용된 종래의 플래시 램프 기술과 별반 다르지 않다는데 있다. 종래 기술을 철저히 검토하면, 상기 기술의 스케일링을 오늘날 어떤 적용에 바람직한 성능 및 전력 레벨들로 가능하게 하는 표준 펄스 화 램프 설계들로부터 새로운 발상(departure)들이 존재하지 않는다는 것을 알게 된다. 실제로, 최근 더 확대된 성능 기준을 충족하지 못한 펄스화 램프 시스템들의 설계는, 본질적으로 더 작고, 덜 요구되는, 더 낮은 성능 시스템들에 통상적으로 사용된 설계들과 동일하다.

당업자들은 펄스화 플래시 램프를 설계하고 구동하는 다양한 표준 기술들에 관한 오랜 기간 형성된(long-established) 핵심 지식을 알고 있다. 이들 기술들은, 이들 설계들이 통합되어 있는 형성된 적용예들의 광범위한 베이스 내에서는 잘 작용하는 경향이 있지만, 매우 높은 전력 PUV 램프의 더 요구적인 부류로의 이들 표준 설계들 및 방법들의 단순한 확대만으로는 이러한 작업에 불충분한 것으로 밝혀졌다.

매우 높은 전력 펄스화 UV 램프의 잠재적인 장점들을 달성하기 위하여, 이 기술이 가능해질 수 있는 새롭고 독특한 램프 설계를 생성함에 따라, 완전히 새롭게 생성된 더 높은 능력 및 성능 펄스화 램프들을 발명하는 것이 필요하다. 이전에 생성된 저 성능 및 전력 플래시 램프의 설계 방법들은 작업에 부적절하며; 본 발명은 필요한 해결책들을 제공한다.

압축 및 인장 유도 응력, 열 팽창 및 수축 유도 응력, 유도된 변형들에 기인한 인장 응력, 램프 인벨로프의 벤딩(bending)을 유도하게 되는 인벨로프의 비대칭적 가열 및 변형, 및 공진 오실레이션(resonance oscillation)과 같이, 이 새롭게 생성된 고 성능 펄스화 램프가 겪게 될 수 있는 잠재적으로 유해한 응력에 대한 다수의 원인들이 존재한다.

예를 들어, 펄스화 플래시 램프들의 통상적인 특성은, 주요 전류 펄스의 온셋(onset)에서 시작하여, 양극-대-음극 공간의 대부분을 채우는 양의 컬럼(column) 및 얇은 음극 외장(cathode sheath)[음극 "글로(glow)", 음의 글로, 및 소위 "암 공간(dark space)"]으로 방전이 이루어진다는 것이다. 더 높은 램프 압력들에서, 이 음극 외장은 미크론 두께 이하이나, 압력, 인가된 전압, 및 약 150 V의 전류-독립적 전압 강하를 갖는다. 외장의 좁은 폭으로 인해 외장-소실 전력(sheath-dissipated power)은 작지만, 단위 부피당 소실된 전력은 매우 높으므로, 순간적으로 높은 온도와 압력을 유도하고, 이후 강한 충격파(shock wave)의 형성을 유도한다. 이 초기의 강한 충격파는 수 밀리미터로 감쇠되고, 램프 인벨로프를 포함하는 전극을 둘러싼 영역에 그 에너지의 대부분을 축적한다. 이후, 양극과 음극 사이의 메인 컬럼 안으로 축적된 메인 펄스의 전력은 보어의 길이를 따라 플라즈마를 신속히 가열함에 따라, 매우 높은 탄성 주파수(

100 kHz)에서 여러 번 반사시키고 오실레이션한, 인벨로프 벽을 따라 이동하는 원통형 충격파를 생성한다.

펄스화 플래시 램프 동작으로부터의 경험적 데이터 및 그 이론적인 계산들에 따르면, 매우 높은 전력 펄스들은 램프 물질 내에서 압축 및 인장 응력들을 생성하는 높은 힘을 생성할 수 있다. 특히, 높은 전력 펄스들은 기체 가열 및 압력 증가, 축 방향 및 반경 방향 힘, 및 가스 및 튜브 벽을 통한 충격파들을 생성한다. 그 결과: 1/ 축 방향 파들은 가스 및 인벨로프를 통해 전파하고, 튜브 단부로부터 완전히 또는 부분적으로 반사되며, 인벨로프 벽들 내에 정상 파(standing wave)들 및 응력 지점들을 간섭하고 생성하는 다중 반사 파들의 세트를 생성할 수 있다; 2/ 반 경 방향 파들은 기체, 인벨로프 벽들, 냉각 유체 및 냉각 재킷을 통해 전파되고, 상이한 물질 특성을 갖는 경계들을 통해 횡단(traverse)하며, 인벨로프 벽들 내의 정상 파들 및 다양한 응력 지점들을 완전히 또는 부분적으로 다시 반사시키고, 생성한다.

열 팽창 및 수축 유도 응력은 램프 인벨로프의 내부 층 상에 과도한(transient) 열적 부하를 생성하는 빠른 펄스 기체 가열로 인해 생성된다. 인벨로프 외부 층은 외부 냉각제 유동에 의해 냉각되며, 이는 튜브 벽들을 통한 온도 구배 및 인벨로프 외부 층들의 추가 펄스 인장 응력을 유도하게 된다.

인벨로프 물질의 변형은 인벨로프 내부 층의 가열 및 경화(softening)와 조합하여, 높은 피크 내부 압력들로 인해 발생할 수 있다. 열-전도성 석영 또는 유리의 신속한 냉각은 인벨로프의 외부 층들의 인장 응력과 함께 내부 층들의 압축 응력의 생성 및 변형된 물질의 경화(harding)를 생성한다. 이 효과는, 높은 내부 수압(hydraulic pressure)이 발사(firing) 시에 배럴 저항을 개선시킬 때, 공지된 아틸러리 캐넌 배럴(artillery cannon barrel)(오토프레타즈(autofrettage)) 처리 방법과 유사하다. 각각의 짧은 펄스 동안의 매우 작은 변화들은 튜브 외부 층 내에 충분한 인장 응력, 팽창부(bulging side) 상에 추가 인장 응력원이 될 수 있는 튜브 연장(tube elongation) 및 벤딩을 축적하고 생성할 수 있다.

플라즈마 및 외부 램프 와이어링으로부터 방출된, 또한 몇몇 설계에서는 둘러싼 구성요소 레이아웃에 의해 영향을 받은 높은 전류-유도 전자기장들은 램프 축으로부터 멀리, 또한 인벨로프 벽의 한쪽을 향해 플라즈마 필라멘트의 비대칭적 시 프팅을 생성할 수 있다. 이는 인벨로프의 비대칭적 가열 및 변형을 유도할 수 있다. 다중 펄스들 후의 응력 및 변형들의 축적은 램프 인벨로프의 결과적인 벤딩을 유도할 수 있다.

마지막으로, (시스템 설계 및 작동 조건들에 의존하여) 신호로부터 초당 수 천번 일정하게 변하는 펄스 반복 주파수를 갖는 다중 높은 전력 펄스 시퀀싱은 동일한 범위 내에서 고유 주파수(natural frequency)를 갖는 램프들의 공진 효과를 생성할 수 있다. 훨씬 더 긴 램프의 사용으로 향한 이동은 이 상황을 악화시킨다. 램프의 공진 오실레이션들은 램프 구성요소의 치명적인 펄싱 인장 및 압축 응력들을 유발할 수 있다. 응력 발생의 이들 및 다른 메커니즘들은 램프 인벨로프 물질(들) 내에 축적될 수 있으며, 조합하여 작용될 수 있다. 튜브형 물질들(석영 또는 유리)은 다른 경질 및 취성(brittle) 물질들과 매우 유사한 양상을 보이는 것으로 알려져 있다; 상기 물질들은 압축 하에서 매우 잘 작용할 수 있으나, 인장 응력에는 매우 민감하다. 임계 응력 레벨을 초과하는 다수의 인장 사이클은 램프의 치명적 파손을 유도하는 물질 내 미세-크랙(micro-crack)의 발전 및 발현을 초래할 수 있다. 응력 및 미세-크랙 축적의 또 다른 효과는, 튜브 투명도(인벨로프 벽들에 의한 방사선의 증가된 흡수)의 저하와, 이후 램프 전기적-광학적 출력 효율성의 감소이다.

그러므로, 램프 파손 및/또는 원하는 방사선 출력의 조급한 저하를 방지할 수 있는 신뢰성 있고 비용-효율적인 램프 시스템 설계 및 제조 방법이 요구된다.

따라서, 본 발명의 주요 목적은 신뢰성 있고 비용-효율적인 램프 설계 및 제조 방법을 제공하여, 고 전력 전기 펄스들에 의해 생성된 힘들로 인한 램프 파손을 방지하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 인벨로프 물질 저하 및 그 광학 특성의 감소에 관해 램프 안정성을 개선시키는 램프 설계 및 제조 방법을 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적들은 본 발명에서 달성된다.

본 발명은 미세-크랙의 발전 및 발현, 인벨로프 광학 특성 및 램프 효율성의 저하, 또한 몇몇 경우에는 램프 파손을 유도하게 되는, 펄스화 플래시 램프 구성요소들을 포함하는 물질들 내의 작은 변형들의 축적으로 인해 유도된 한계를 극복한다.

램프 인벨로프 구성요소들의 작은 변형들의 축적은 램프 튜브 내부의 높은 전압 방전의 다중 높은 전력 펄스들에 의해 생성된 응력의 결과이다.

이들 펄스들은: 튜브 내부의 압력 증가; 내부 벽들의 가열; 램프 구성요소의 열 팽창; 튜브 작동 가스를 통한 충격파의 생성; 램프 구성요소들을 통한 축 방향 및 반경 반향 충격파들; 램프 구성요소들의 진공 오실레이션; 및 램프 튜브 연장 및 벤딩을 유발한다.

본 발명의 펄스화 플래시 램프는, 예를 들어: 더 양호한 램프 인벨로프 형상, 단면 및 물질 분포를 제공하고, 이에 따라 다중 펄스 높은 전력 부하램프 견실성(rigidity) 및 강도를 개선하는 인벨로프와 튜브 간의 연결 지점들; 유해한 튜브 공진 오실레이션들의 방지에 주력한 물질 분포 및 튜브/인벨로프 연결들; 튜브 벽들의 인장 부하를 감소시키는 특별 수단(가압된 냉각 유체, 축 방향 및 반경 방향 예비부하(preload), 등); 튜브 축 방향 압축력을 제한하여 팽창을 방지하는 방법들(슬라이딩 튜브 홀더 등); 관련 램프 구성요소들 상에서의 유해한 높은 피크 펄스 부하들을 감소시키기 위한 충격파 흡수, 억제, 및 재지향의 다양한 방법들; 및 동일한 물질들의 인장 특성들이 고 전력 및 성능 펄스화 램프들의 새로운 생성에 허용될 수 없는 상황들에서 어떤 램프 인벨로프 (튜브) 물질들의 바람직한 품질들을 성공적으로 이용하기 위한 상술된 기술들의 다양한 조합들에 의해 생성된 힘들의 조합에 대한 인벨로프의 더 큰 저항을 유도함으로써 램프 구성요소들의 강도 및 투명도 저하의 문제점을 해결한다.

본 발명의 특징들의 조합은 신뢰성 있고 비용-효율적인 램프 설계 및 제조 방법을 제공하여, 고 전력 전기 펄스들의 램프 파손을 방지하고, 램프 물질들의 안정성 및 광학 투명도를 개선시킨다.

따라서, 다음의 상세한 설명이 더 쉽게 이해될 수 있고, 본 발명이 속하는 기술 분야에 대한 기여도가 더 쉽게 이해될 수 있도록 하기 위해 본 발명의 더 중요한 특징들을 다소 폭넓게 설명하였다. 물론, 이후에 더 상세히 설명될 본 발명의 추가적인 특징들도 존재한다.

이에 관해, 본 발명의 1 이상의 실시예를 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 본 명세서에서 다음의 설명에 서술되거나 도면들에 예시된 구성요소들의 배치(arrangement) 및 구성들의 세부사항들으로 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예들이 가능할 수 있으며, 다양한 방식들로 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 채택된 표현법 및 용어법은 설명을 위한 것이며, 제한하려는 취지가 아니다.

이와 같이, 당업자라면 본 명세서에 내재된 개념이 다른 구조들의 설계, 본 발명의 몇몇 목적들을 수행하는 방법들 및 시스템들에 대한 기초로서 용이하게 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한, 등가의 구성들이 본 발명에 포함된다는 것이 중요하다.

본 발명과, 그 용도에 따라 달성된 그 작동 장점들 및 특정 목적들의 더 쉬운 이해를 위해서는, 본 발명의 바람직한 실시예들을 예시하는 첨부한 도면들 및 설명 대상(descriptive matter)을 참조해야 한다.

도 1은 고 전력 및 성능 펄스화 자외선 플래시 램프와 종래의 플래시 램프를 예시하는 도면;

도 2는 증가된 램프 인벨로프 견실성을 위한 수단을 예시하는 도면;

도 3은 둥글지 않은 튜브 형상의 예시들;

도 4는 나선형 길이 방향 벽 후퇴부(spiral longitudinal wall depression)를 갖는 플래시 램프 튜브들을 예시하는 도면;

도 5는 증가된 열 교환을 위한 수단;

도 6은 이중 층 램프 튜브를 예시하는 도면;

도 7은 증가된 램프 튜브 견실성을 위한 수단;

도 8은 램프 튜브 지지를 위한 나선형 구성요소들의 사용예시도;

도 9는 예비응력된(prestressed) 램프를 예시하는 도면;

도 10은 램프 튜브 벽들의 축 방향 예비부하를 예시하는 도면;

도 11은 충격파들의 억제 수단을 예시하는 도면;

도 12는 슬라이딩 튜브를 갖는 램프 홀더를 예시하는 도면; 및

도 13은 공진 파 억제용 수단을 예시하는 도면이다.

도 1은 이전에 생성된 저 성능 능력 플래시 램프(120)의 일 예시와 함께, 새롭게 생성된 고 전력 및 성능 펄스화 자외선(PUV) 플래시 램프(100)의 일 예시를 나타낸다. 새롭게 생성된 플래시 램프(100)는 UV 방사선에 투명한 물질로 된 중심 인벨로프 또는 튜브(102)를 포함한다. 이러한 물질들은 해당 기술 분야의 당업자들에 의해 알려져 있다. 바람직한 실시예에서, 중심 인벨로프는 UV-등급 석영을 포함한다. 튜브 공간은 해당 기술 분야의 보통의 당업자에 의해 알려진 바와 같이 작업 가스로 채워져 있으며, 제논 또는 크립톤을 포함하나, 제한적인 것은 아니다.

전극(들)(108)은 램프 튜브(102)의 단부들에 기밀하게(hermetically) 삽입되고, 램프 커넥터들(106)에 의해 전력원, 바람직하게는 고 전원 펄스화 전력원에 전기적으로 부착됨에 따라, 작업 가스의 방전의 생성을 가능하게 한다. 아마도 100 cm 이상의, 전극 양극-대-음극 거리 또는 아크 길이는 이전에 생성된 플래시 램프(120)보다 특유하게 훨씬 더 길다; 주어진 펄스 에너지에 대해, 이 길이는 더 이전에 생성된 펄스화 램프(120)에 비해, 유익하게 램프 튜브(102)의 cm 길이당 열적 부하를 약 3 배(factor) 이상 감소시킨다.

적절히 투명한 물질로 이루어진 냉각 재킷 또는 제 2 튜브(104)는 상세한 단면 A-A에 의해 나타낸 바와 같이 램프 주변을 따라 위치되며, 냉각 재킷(104)의 벽들과 램프 사이에 고리형 채널(110)을 생성한다. 냉각 유체는 램프 튜브(102)를 따라 채널(110)을 통해 펌핑되며, 램프(100) 작동 시에 발생된 과도한 열을 제거한다.

이전에 생성된 저 성능 플래시 램프(120)는, 통상적으로 약 25 cm 내지 35 cm 급의 더 짧은 전극 양극-대-음극 거리 또는 아크 길이에 의해 특성화된다. 주어진 펄스 에너지에 대해, 전극들(124) 간의 이 짧은 거리는 새롭게 생성된 램프(100)보다 램프 튜브(122)의 cm 길이당 약 3 배 이상의 더 큰 열적 부하를 생성한다. 보편적인 구성들은 피드 스루 플레이트(feed through plate) 또는 플랜지(flange)(128)를 통하는 냉각 유체 유입구(130), 램프 튜브(122)를 둘러싸고 냉각 재킷(126)에 의해 에워싸인 냉각 유체 순환 공간, 피드 스루 플레이트 또는 플랜지(128)를 통하는 냉각 유체 유출구(132), 램프 전극(124)으로의 펄스화 전력원 피드 스루 연결부(134), 및 반대로 위치된 램프 전극(124)으로부터의 접지 전류 복귀 연결부(136)를 포함한다.

램프 동작 시의 고 전력 펄스들은 가스 압력 증가 및 가열, 튜브 물질 안으로의 축 방향 및 반경 방향 힘들의 발생, 및 가스 및 튜브 벽들을 통한 충격파들을 유발한다. 그 결과, 인벨로프 물질(석영 또는 유리) 내에서의 높은 피크 응력들의 축적은 인벨로프 형상, 강도, 미세-크랙의 발생 및 조급한 결함을 유발할 수 있다.

도 2, 도 3, 도 4 및 도 5는 개선된 인벨로프/튜브 설계의 도입에 의해 램프 가 강화되고, 인벨로프 물질의 벤딩과 인장 응력에 더 양호한 저항, 개선된 열 전달 및 냉각 유체 유동 제어를 제공하는 본 발명의 일 실시예를 나타낸다.

도 2는 램프 인벨로프(또는 튜브) 설계의 예시들을 나타낸다. 비교를 위해, 이전에 생성된 종래의 튜브(202)가 도시된다. 특유하고 유익한 램프 인벨로프 설계들은 외측면 및/또는 내측면 상에 위치된 리브(rib)들을 갖는 튜브들, 외측면 및/또는 내측면 상에 위치된 후퇴부(depression)들, 및 둥글지 않은(non-round) 튜브들을 포함한다. 강화 리브들 및/또는 후퇴부들을 갖는 튜브들은 반경 방향 튜브(204)에 의해 나타내어진 바와 같이 고리형 링이나 나선형 요소들의 형상으로 형성된다. 또한, 강화 리브들 및/또는 후퇴부들을 갖는 튜브들은 길이 방향 튜브(206)에 의해 나타내어진 바와 같이 튜브 중심선을 따라 길이 방향으로 형성된다. 이와 유사하게, 석영 또는 유리 튜브 벽들의 변형에 만들어진 길이 방향 및 반경 방향 돌출부들은 인벨로프 물리적 강도의 추가적인 개선, 벤딩, 압력 응축과 관계된 문제들의 경감, 및 충격파 억제를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 리브들 및/또는 후퇴부들은 불연속적일 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 튜브는 그 대신에 내부 후퇴부들 대신 외부 돌출부들로서 형성되는 유사한 구성들로 구성될 수 있다.

또한, 도 3은 펄스화 플래시 램프가 둥글지 않은 형상으로 구성된 인벨로프 단면으로 만들어진 개선된 인벨로프/튜브 설계들을 나타낸다. 둥글지 않은 튜브 단면들은 타원이나 계란형(302), 삼각형(304), 직사각형(306), 다면체, 둥근 코너들을 갖는 다면체, 다이아몬드, 및 다른 형상들을 포함하나, 제한적인 것은 아니다. 둥글지 않은 튜브 단면들은 통상적으로 더 높은 관성 계수를 가지며, 특정 방향으 로의 벤딩에 더 양호한 저항을 제공할 수 있다. 상이한 방향들로의 튜브의 비-균일한 공간은 어느 추가적인 튜브 공간을 생성함에 따라, 진동을 분산시키고 충격파들의 유해한 영향들을 감소시키는데 도움을 준다.

램프 튜브들에 트위스트된(308) 및 파형(wave-like)(310) 구성요소들을 적용하면, 램프의 인장-유도된 응력 피로(stress fatigue) 특성들을 개선시킬 수 있다. 일정하게 변하는 탄성-반사 면들을 갖는 인벨로프들은 튜브 길이를 따라 작업 가스를 통해 전파된 충격파들의 재지향 및 억제에 양호한 수단을 제공한다.

도 4는 나선형 길이 방향 벽 후퇴부들을 갖는 플래시 램프 튜브들을 나타낸다. 이 개선은 더 양호한 성능과 수명에 몇몇 기회를 동시에 제공할 수 있다. 예를 들어, 튜브 후퇴부들 사이에 생성된 여분의 가스 공간은 램프 가스의 높은 피크 전력 펄스 방전에 의해 생성된 충격파들을 감소시키고 재지향시키는 압력 흡수 챔버들로서 기능할 수 있다. 이와 동시에, 후퇴부들의 전기적 근접성 효과는 플라즈마 채널의 전자 밀도(및 이에 따른 온도)를 최적화하는데 유익하게 이용될 수 있다. 전기장 형상은 플라즈마를 둘러싸는 높은 유전 인벨로프 물질의 크기, 거리 및 형상에 의해 영향을 받는다. 그러므로, 후퇴부들은 플라즈마 필라멘트의 더 양호한 축 방향 위치 제어를 제공할 수 있으며, 내부 후퇴부는 램프 중심선 쪽으로 플라즈마 필라멘트를 집중시키려 함에 따라, 인벨로프의 중심에 플라즈마 필라멘트를 국부화하는데 도움을 줄 것이다.

또한, 도 4의 단면도는 접지 전류 복귀 바아(ground return current bar: 402)를 추가한 도면이다. 바람직하게, 이러한 접지 전류 복귀 바아(402)는 외부 금 속 전도체들의 대칭적 어레이이고, 램프 인벨로프(또는 튜브)(404) 내에 포함된 플라즈마 채널(406)과 동축(coaxial)이며, 그와 반대 전류 방향이다. (역-방향 접지 전류를 전달하는) 적절히 위치된 접지 전류 복귀 바아들의 추가에 의해 생성된 전기장은 튜브(404)의 원하는 중심 축 위치 안에 램프 플라즈마(406)를 안정화하는 기능을 할 것이다. 본 발명에 의해, 다중 병렬 전도체 접지 전류 복귀 구성은 단일한 중실의(solid) 동축 복귀 라인(낮은 인덕턴스 및 EMI 차폐)의 장점들을 제공할 수 있지만, 높은 피크 및 평균 전력 전자기장들과 함께 이용되면, 이러한 단일 동축 복귀 라인에 의해 생성된 손실들의 단점을 갖지 않는다. 이 구성은 (플라즈마에 대해 접선(tanget)인) 정상적으로 큰 외주 전류 복귀 루프를 간섭하며, 이러한 외주 전류 복귀 루프 전기적 손실들은 고 전류 전기장들의 존재 시에 치명적이다. 따라서, 이러한 복귀 전도체들은 플라즈마에 대해 동축으로 위치된 병렬 전도체들의 실질적으로 전류-루프-자유로운(current-loop-free) 반경 방향 어레이로서 구성된다. 또한, 전도체들의 반경 방향-위치된 어레이는, 주위의 유전 구성요소들 및 플라즈마와의 전기장 상호작용이 플라즈마의 성형을 돕게 될 위치들에 세심하게 또한 유익하게 배치될 수 있다. 플라즈마의 공간 위치, 단면 형상, 크기, 표면들에 대한 근접성, 및 전자 전류 밀도들은 모두 주어진 적용에 대해 유익하게 최적화될 수 있다. 예를 들어, 접지 전류 복귀 전도체들은 램프 보어(lamp bore)의 중심 축을 따라 플라즈마를 최적으로 위치시키도록 플라즈마로부터 특정 거리에 위치될 수 있다. 또한, 접지 전류 복귀 전도체들은 원하는 플라즈마 전류 밀도 및/또는 플라즈마 온도를 최적으로 달성하도록 플라즈마로부터 특정 거리에 위치될 수 있다. 또 다른 예시로서, 접지 전류 복귀 전도체들은 원하는 플라즈마 전류 단면 형상, 크기 및/또는 전자 밀도를 최적으로 달성하도록, 중간 유전 물질들 및 그와 연계된 전기장-성형 특성들에 대해 위치될 수 있다. 제한적인 것은 아니지만 앞서 설명된 예시들을 포함하는 최적화는 해당 기술 분야의 보통의 당업자에 의해 인스턴트 개시물(instant disclosure)의 관점에서 용이하게 결정될 수 있다. 그러므로, 반경 방향 병렬 동축 접지 복귀 바아들의 다양한 조합들이 램프의 후속 스펙트럼 출력 및 플라즈마 온도에 영향을 줄 수 있다. 대안적인 실시예들은 로드(rod) 또는 시트(sheet)와 같이 전도성 바아들 대신에 다른 형상들로 대체하며, 전도체 물질의 형상 및 근접성과 유전 물질(석영 튜브)의 형상 및 근접성을 조합하여 플라즈마 및 복귀 전류 전자기장들의 상호적인 효과들에 의해, 상술된 바람직한 추가 결과들이 가능하게 만들어질 수 있다.

도 5는 개선된 냉각 유체 유동 제어를 제공하여, 램프로부터 개선된 열 전달을 유도하는 방식으로 램프 인벨로프(50)의 구조적 변형들의 사용예를 나타낸다. 램프 인벨로프 또는 튜브(502), 전극(들)(504) 및 플라즈마 방전 영역(506)을 나타내는 펄스화 램프의 일 단부의 접선 단면도(tangential cross-section view)이다. 지금까지는, 평활한 벽으로 둘러싸인(smooth-walled) 램프 인벨로프들이 램프의 외부 표면을 따른 냉각 유체들의 층 흐름(laminar flow)을 유익하지 않게 최대화하여, 유체 경계 층이 증가되고, 난류(turbulence)가 감소되며, 열 전달 효율성이 감소한다. 본 발명은 광 출력의 투과에 부정적인 영향을 주지 않으면서, 이와 동시에 열 접촉의 임계 표면을 따른 냉각 유체 난류를 증가시키는 불규칙적인 표면 형상들 의 사용으로 이러한 문제를 제거한다. 열 교환율과 효율성을 증가시킴으로써, 램프 인벨로프의 평균 및 피크 온도들이 낮춰질 수 있으므로, 펄스화 램프의 전력 및 성능 능력들을 증가시킨다. 램프 인벨로프에 관한 이러한 요소들 위치의 신중한 선택은, 램프의 더 높은 난류 구역들과 최고 온도 영역들의 생성을 포함하여, 튜브 벽들을 통한 열 전달의 개선과, 램프 인벨로프와 냉각 재킷 간의 채널을 통한 냉각 유체 유동 제어를 위해 사용될 수 있다. 냉각제 난류를 개선시키기 위하여, 램프 인벨로프 표면들 및/또는 튜브 리브들은 불연속적인 요소들 및/또는 파-형 표면 구조의 형태로 되어 있을 수 있으며, 그들 위치들에서 어느 특정한 고성능 펄스화 램프 설계에 요구되는 열적 조건들을 달성하기 위해 요구된 곳에만 위치될 수 있다.

각각의 다양한 특정 적용들에서의 상이한 램프 표면 변형들을 이용한, 램프 인벨로프 강화 요소들의 다수의 조합들이 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

도 6은 원래 인벨로프 위에 및/또는 안에 2차 강화 슬리브(reinforcing sleeve: 604)를 갖는 인벨로프 설계의 도입에 의해 UV 램프 튜브(602)가 강화된 또 다른 실시예를 나타낸다. 튜브(602)와 강화 슬리브(604) 간의 적절한 억지 끼워 맞춤(tight fit)은 튜브 물질의 응력 레벨을 감소시키고, 플래시 램프 수명에 유익한 효과를 제공할 수 있다.

예비부하(preload)로 조립된 인벨로프 물질의 2 이상의 층들의 다-벽 튜브(들)는 응력 방향 및 레벨(예를 들어, 내측 튜브 층의 감소된 인장)의 제어를 허용한다. 또한, 2 이상의 벽 인접 구성요소들의 접촉 면적(들)을 제공하면, 반경 방향 충격파들의 감쇠를 달성하고, 상기 파들을 튜브 내부로 다시 재지향시키며, 튜브의 외부 상의 응력 레벨을 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 다른 덜-응력된(less-stressed) 위치들에 치명적인 영향을 주지않고, 추가 지지를 요구하는 어떤 영역들, 예를 들어, 전극(들)(606)을 둘러싼 영역이 유익하게 강화(strengthen)될 수 있다.

다-벽 튜브들은 핫(hot) 전극 영역들 또는 높은 응력된(high stressed) 인벨로프 중심 영역과 같이, 더 높은 열적 또는 기계적 부하에 영향을 받는 영역들에 부분적으로 사용될 수 있다. 따라서, 이러한 다-벽 튜브들은 불연속적일 수 있다. 예를 들어, 일 예시에서, 다-벽 튜브들은 전극(들)(606) 근처에 및/또는 램프 튜브(602)를 따라 사용된다. 이러한 다-벽 튜브들의 사용은 증가된 인벨로프 수명을 유도하고, 변형을 많이 하지 않아도 되며, 향후에 발생할 문제점들이 적다.

도 7은 램프 튜브(702)와 둘러싼 냉각 재킷(704) 간의 기계적 상호작용들에 관련된 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 램프 튜브(702)와 냉각 재킷(704) 간에 연결 점들을 생성하는 것은, 느슨하게-지지된(loosely-supported) 램프[즉, 각 단부에서만, 패스트 전극(들)(past electrode: 706)]를, 상기 램프의 중심 영역들에서 지지체와 함께 기계적 구조의 추가 디멘션(dimension)을 제공하는 더 양호하게 지지된 설계로 변환시키는 것을 허용한다.

이 견실하고 안정한 램프 지지 설계는 플래시 램프 구성요소들의 다수의 변형들 및 조합에 기초하고, 램프 튜브(702)의 외부면과 접촉하고 지지하는 링-형 또는 길이 방향 리브(708)를 갖는 냉각 재킷(704)의 상이한 실시예들을 포함하며, 램프 튜브(702) 위에 또는 그와 일체로 형성된 비-연속적 또는 연속적 외부 리브 들(710)의 사용, 및 램프 튜브(702)와 냉각 재킷(704) 간의 독립적인 중간 스페이서들(712)의 도입을 포함한다.

도 8은 램프 튜브에 기계적 안정성을 제공하는 나선형 리브들이 갖춰진, 램프 튜브(802), 또는 냉각 재킷 또는 제 2 튜브(804) 중 하나를 통합시킨 것에 기초한 플래시 램프 구성요소들의 다양한 실시예들을 도시한다. 그러므로, 일체로 형성된 램프 조립체는 냉각 재킷의 평활한 내경(smooth inside diameter) 내에 위치된 리브형 램프(ribbed lamp), 또는 리브형 냉각 재킷(804) 내에 위치된 평활한 (비-리브형) 램프(806)로 구성될 수 있다.

2 개의 램프 단부들 중 하나에만 램프 튜브(806) 및 전극(810)이 도시된다. 대안적인 실시예에서, 램프 튜브와 냉각 재킷은 나선형 리브들로 제조될 수 있다. 또한, 다양한 램프 스타일의 제조는, 실온에서, 램프가 정상 상승 작동 온도에 도달하면, 램프에 기계적인 지지를 제공하는 1 이상의 "억지 끼워 맞춤(interference fit)" 접촉 지점들(812)을 생성하는 "미끄럼 끼워 맞춤(slip fit)"으로서 램프 및 재킷 구성요소들을 조립함으로써 유익하게 단순화될 수 있다. 튜브와 재킷 간에 접촉을 생성하는 트위스트된 및/또는 세그먼트된(segmented) 표면들을 갖는 구성요소들의 사용은, 길이 방향 또는 반경 방향 방위에 상관없이, 충격파들의 흡수, 반사, 및 재지향을 도울 수 있으며, 이에 따라 램프 요소들의 응력 레벨을 감소시킬 수 있다. 냉각 유체의 난류를 증가시키고, 이에 따라 열 전달 효율성을 증가시키기 위해, 표면 패턴들의 다양한 조합들이 이용될 수 있다.

도 9는 램프 튜브(02)의 벽들과 냉각 재킷(908)을 연결시키는 멀티-로 브(multi-lob) 스페이서(들)(906)를 삽입하고, 이에 따라 더 높은 강도 및 견실성의 3-차원적으로 지지된 기계적 구조를 생성함으로써, 여기서는 전극(들)(904)과 함께 도시된 램프 튜브(902)의 강화가 일체형 램프 및 냉각 재킷 조립체로서 달성되는 기계적 지지를 제공하는 일 실시예를 나타낸다. 강화 영역들이 튜브 고유 오실레이션과 공진을 제한할 수 있고, 램프 튜브 물질의 축 방향 및 반경 방향 예비부하 가능성을 제공하는 방식으로, 위치 연결 점들이 선택된다. 이는 램프 인벨로프(튜브)(902)의 인장 응력의 제거 또는 감소를 허용하고, 축 방향 부하 하에서의 튜브 팽창도(extent of tube bulging)를 제한한다.

튜브(02)와 재킷(908) 간의 예비-응력된 및/또는 유연한 연결 요소들(예컨대, 스페이서들)은 충격파들로 인한 진동의 흡수 및 기계적 응력 제어를 제공할 수 있다. 일 예시에서, 이러한 유연한 연결 요소(들)(906)는 기계적으로 탄성인 여하한의 다양하고 적절한 물질들로 구성된다.

도 10은 램프 조립 동안에 램프 튜브 벽들(1002)의 길이 방향 예비부하에 의해 램프 인벨로프 물질의 유해한 인장 응력을 더욱 감소시킨 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸다. 튜브 벽들(1002) 상의 추가 압축(1004) 힘은 램프 방전의 다중 펄스들 동안에 고-인장 응력의 발생을 방지할 수 있으며, 이에 따라 램프 인벨로프 물질에 미세-크랙이 발생할 확률이 실질적으로 낮아질 수 있다. 이러한 압축은 램프 튜브(1002)의 길이를 따라, 또한 이 예시에 나타낸 바와 같이, 길이 방향 압축(1004)일 수 있으며, 이전에 언급된 바와 같이 반경 방향 압축일 수 있다. 이 예시에서, 길이 방향 압축(1004)은 충격파들의 힘에 기인한 램프 튜브 길이 방향 연 장(1006), 및 전극(들)(1008)에서 또는 그 근처에서 램프의 각각의 단부들 상의 과도한(transient), 열적으로-유도된 포스트-펄스(post-pulse) 가스 압력 부하를 상쇄시키는 기능을 한다. 대안적으로, 압축력은 냉각 재킷(1010)으로부터 램프 튜브(1002)의 벽으로 전달될 수 있다. 예를 들어, 냉각 재킷(1010)과 튜브(1002) 간의 기계적인 연결(들)은 튜브 벽들의 축 방향 압축을 중재할 수 있다.

예비-응력된, 통합된 램프 설계는 램프 튜브(1002)의 각각의 단부에서 또는 그 근처에서 램프 튜브 길이 방향 압축력(1004) 부하 부재들로서 1 이상의 압력 링들(1014)을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이 설계에 의해, 램프 튜브(1002)의 구성요소들 내의 축 방향 힘들을 재분배하고, 이 힘들의 일부를 냉각 재킷(1010) 내의 길이 방향 및/또는 반경 방향 인장 응력으로 변환시키는 방식으로, 램프 조립체 프로세스를 수정하여, 램프 튜브(1002) 벽들의 축 방향 압축 응력을 밸런싱하고 감소시킬 수 있다.

바람직하게는, 압력 링(1014)(예를 들어, 도 7 및 도 9에 예시된 형상들을 참조)이 램프 튜브(1002)를 둘러싼 고리형 갭(1012) 내에서 또한 냉각 재킷(101) 내에서 냉각 유체 순환을 허용한다면, 예를 들어 튜브(1002)는 별-모양 또는 반경방향-아암의(radial armed) 형상을 이용하여, 냉각 재킷(101)에 센터링된다. 대안적인 센터링 수단은 제한적인 것은 아니지만, 재킷 벽으로 연장되는 또한 그와 접촉하는 반경 방향 아암들을 갖는 램프 튜브와 접촉하는 내측 고리형 링; 램프 튜브 벽 안쪽으로 연장되는 또한 그와 접촉하는 반경 방향 아암들을 갖는 재킷 벽과 접촉하는 외측 고리형 링; 양 방향으로 연장되고 각각의 벽들과 접촉하는 반경 방향 아암들을 갖는 램프 튜브의 벽들과 재킷 중간에 위치된 중심 고리형 링과 같이, 앞서 언급된 예시들을 포함한다.

본 발명의 또 다른 예시는 램프 튜브를 따라 고르게 분배된 수압의 인가에 의해 튜브 벽들의 과도한 인장 응력들이 발생할 위험성을 감소시킨다. 전력 펄스화 플래시 램프들은 통상적으로 램프 튜브(1002)와 냉각 재킷(1010) 사이에 채널(1012)을 가지며, 냉각 유체가 채널(1012)을 통해 펌핑됨에 따라, 램프 튜브(1002)로부터의 열을 제거하는 것으로 알려져 있다. 본 발명을 이용하면, 냉각 유체의 의도적인 실질적 압력 증가는 튜브 벽들(1002)의 균일한 반경 방향 압축을 유도하여, 고성능 펄스화 램프 튜브에 사용되는 물질의 과도한 인장 응력을 발생시킬 확률을 감소시킬 수 있다. 바람직한 실시예에서, 구현을 위한 달성가능성과 안정성을 모두 고려한다면, 2 Bar 내지 7 Bar의 범위가 유익하다.

도 11은 램프 튜브 벽들을 포함하는 물질과 램프 작동 가스의 과도한 충격파들의 유해한 영향을 제한하는 수단을 포함하는 또 다른 실시예를 나타낸다. 바람직하게는, 중공 챔버(1124)가 전극 헤드(들)(1104)의 일반적인 부근(general vicinity)에 생성된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 램프 튜브(1102)의 내측 벽 표면과 함께 두 전극들(1104) 상의 턴-다운된(turned-down) 영역들은 전극 헤드(들)(1104) 뒤에 작은 원통형 중공 챔버들을 생성한다. 이들 챔버들은 전극 헤드(들)(1104)와 튜브 내측 표면 간의 얇은 간극(clearance)에 의해 메인 튜브 가스 공간(1106)과 연결되며, 튜브 내부의 가스를 통해 전파된 축 방향 충격파들(1110)에 대한 트랩(trap)으로서 기능할 수 있다. 또한, 이전에 설명된 파-형과 트위스트 된 튜브들 및 재킷들은 가스 내의 충격파들에 대한 다수의 트랩들로서 기능한 불규칙적인 중공들을 제공할 수 있다는 것이 언급되어야 한다.

예를 들어, 평탄한 형상으로부터 구형 형상으로 헤드 형상을 변화시키고, 헤드의 후방부에 특정 홈들을 도입한 전극 및 지지 구조체의 추가 변형들은 램프 가스의 압력 파들의 추가 반사 및 소실을 촉진시킬 수 있다. 대안적으로, 추가 에너지 분산 공간(들)은 변형들을 통해 둘러싼 튜브에 제공될 수 있다.

또한, 도 11은 램프의 기체 및 고체 물질을 통해 전파하는 높은 에너지 충격파들(및 그들의 고조파(harmonics))을 감쇠키시고, 재지향시키며, 확산시키는 플래시 램프 설계 및 구성요소들을 나타낸다. 램프 인벨로프(또는 튜브)(1102), 전극 조립체(1104), 메인 튜브 가스 공간(1106), 1 차 고에너지 충격파(1108), 가스-충전된 공동(1106) 내의 2 차 분산 충격파 에너지 구성요소들(1110)을 나타내는 작은 화살들, 램프 튜브(1102)의 고체 물질 내의 램프 튜브-결합된(tube-coupled) 충격파 에너지(1112), 및 램프 튜브(1102)의 단부에서의 또는 그 근처에서의 분산된 충격파 에너지(1114)를 나타내는 작은 화살들을 포함하는 펄스화 램프의 일 단부의 개략도이다.

대안적인 실시예에서, 결과적인 공동들, 예를 들어 공동 또는 챔버(1124)는 (부연하면, 몇몇 실리콘 화합물과 유사하게) 적절한 탄성 특성을 갖는 물질, 제한적인 것은 아니지만 중합체들만을 포함하거나 그로 이루어져 있으며; 물질 군(material family)은 필적할만한 특성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상승된 온도, 높은 전기 응력, 높은 광자 플럭스(photon flux) 및 높은 가스 순도의 주위 조 건들과 필적할만한 다공(void)들을 포함하는 압축가능한 구조를 나타내는 물질들이 존재한다.

바깥쪽으로 모깎기된(chamfered-out)(바깥쪽으로 빗각을 낸(bevel angled-out)) 섹션들(1116) 및/또는 안쪽으로 모깎기된(chamfered-in)(안쪽으로 빗각을 낸 (bevel angled-in)) 섹션들(1118)은 램프 튜브(1002)의 물질을 통해 전파된 충격파들(1112)을 재지향시키고 및/또는 소실시킬 수 있다. 또 다른 실시예에서, 램프 튜브(1002) 굵은 단부(butt-end)(1122) 상에 위치되고, 램프 인벨로프 물질(바람직하게는, 유리 또는 석영)과 냉각 매질(통상적으로, 물) 사이의 밀도를 갖는 충격-보상 물질로 만들어진 필러(1120)는, 필러(1120)에 결합시킴에 따라, 램프 튜브(1002) 충격파(1112)의 추가 흡수 및 감쇠를 제공할 수 있다.

튜브 안쪽(전극 헤드의 뒤쪽)에 또한 굵은 단부의 바깥쪽에 위치된 다양한 쇼크 흡수 물질들 및 구조들은 플래시 램프 수명과 성능을 개선시킬 수 있는 추가적인 실시예들이다.

또한, 램프 튜브(1102)의 내경의 증가는 가스 양을 증가시킴과 동시에, 충격파들의 영향과 튜브 온도를 감소시킬 것이다. 중요한 것은, 이러한 변화가 플라즈마의 형성과 밀도에 부과할 추가적인 또한 가능하게는 부정적인 영향들이 본 발명의 다른 설명과 청구항의 하나 또는 여러 조합에 의해 완전히 완화될 수 있다는 것이다. 예를 들어, 도 4에 나타낸 이전에 설명된 접지 전류 복귀 방식은 이러한 한가지 수단이며, 플라즈마 컬럼(plasma column)은 원하는 조건들을 달성하도록 유익하게 성형될 수 있다.

램프 전극들의 더 효율적인 냉각에 관련된 모든 제안사항들은 인벨로프 강화 요소들 및/또는 충격파들의 영향의 감소에 중점을 둔 이전에 설명된 실시예들과 조합하여 작용할 수 있을 것이다.

도 12는 반복적인 고-에너지 펄스들 및 램프 튜빙(lamp tubing) 열 팽창의 결과로서 튜브 물질의 과도한 길이 방향 및 축 방향 응력을 감소시킨 추가 실시예를 나타낸다. 이 실시예에서, 램프 튜브(1204)의 각각의 단부에서 전극 헤드(1212) 뒤에 위치된 램프 튜브 홀더(1202)는 적절한 유연성 냉각제 시일(seal)들로 구성될 수 있으며, 램프 튜브(1204)에 기회를 제공하여 길이 방향(1206)으로 슬라이딩함에 따라, 냉각 인벨로프(1214) 및 램프 튜브(1204)의 벽들 상에 생길 수 있는 과도한 길이 방향 및 축 방향 부하를 감소시킨다. 따라서, 이 실시예에서, 램프 튜브 홀더들(1202)은 램프 튜브(1204)가 열 팽창 및/또는 높은 에너지 펄스들에 응답하여 슬라이딩하게 하면서, 냉각제 유체가 램프 냉각제 채널들(1208) 안으로, 밖으로, 또한 두루(thoughout) 펌핑될 수 있는 수단을 제공한다. 냉각제 채널들(1208)에 위치된 반경 방향-아암의 지지 스페이서들(1210)은, 적절한 냉각 유체 유동을 허용하는 통로 이외에도, 램프 튜브(1204)에 대한 길이 방향 슬립과 축 방향 지지를 모두 제공하도록 구성된다.

도 13은 램프 튜브(1302)의 본래 오실레이션들을 제한하여, 과도한 공진-유도 응력을 방지하는, 램프 튜브(1302) 공진 파 안티-노드(anti-node: 1312)(최대 진폭)에 위치된 이전에 언급된 지지 스페이서(들)(1310)의 사용예를 나타낸다. 지지 스페이서들(1310)은 반경 방향으로 냉각 재킷의 내부 벽 쪽으로 연장된 램프 튜 브(1302)의 외주 주위에 배치되며, 필요하다면, 램프 튜브(1302)의 길이를 따라 적절한 안티-노드 위치(들)(1312)에 위치되어, 램프를 기계적으로 강성화(stiffening)한다. 제 1 모드의 진동 공진 파(1304), 제 2 모드의 진동 공진 파(1306) 및 제 3 모드의 진동 공진 파(1308)가 예시되며, 이는 그들 각각의 안티-노드 위치들(1312)에 있다. 어떤 더 요구적인 적용들에서는, 튜브 구성요소들의 공진 및 가능한 과도한 편향을 피함으로써, 램프 튜브의 미세-크랙의 발생의 감소에 도움을 주며 또한 유익할 수 있으므로, 조급한 결함 및/또는 허용할 수 없는 펄스화 램프 수명을 방지할 수 있다.

램프 튜브와 냉각 재킷 간의 기계적 힘들의 열 전도 또는 이동을 제공하기 위해, 의도적으로 비-일치된(mismatched) 열 팽창 계수를 갖는 연결 및/또는 압축 링 물질(들)의 이용이 유익할 수 있다. 상기 방법은 램프 튜브 외측면과 냉각 재킷 내부면 간의 차동 온도(differential temperature)를 이용하여, 이후 구성요소들(램프 튜브, 링 및 냉각 재킷) 간의 밀접한 물리적 표면 접촉을 갖는 열적 "수축-끼워 맞춤(shrink-fit)"을 생성한다. 각각에 대한 압축력의 양은 램프 냉각 작동 파라미터들과 물질들의 선택에 의해 정확히 맞추어질 수 있다. 또한, 제조 시 "미끄럼-끼워 맞춤(slip-fit)"은 유익하게 램프 시스템 작동 시에 요구되는 더 높은 온도에서 압축된 끼워 맞춤(compressed fit)이 될 수 있다.

이상, 본 발명의 몇몇 실시예들을 설명하였으며, 당업자라면 이전의 설명이 예시적일뿐 제한하려는 것이 아니며, 단지 예시의 방식으로 제시되었다는 것을 알 수 있을 것이다. 해당 기술 분야의 어느 보통의 당업자의 수준에서 다양한 변형들 과 다른 실시예들이 행해질 수 있으며, 이는 본 발명의 범위 내에 있으며, 등가인 것으로 간주된다. 당업자라면, 본 발명에 대한 변형들을 쉽게 알 수 있을 것이며, 본 발명은 그 대안예를 포함하도록 의도된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 당업자에 의해 다양한 변형들이 쉽게 생길 수 있기 때문에, 예시되고 설명된 정확한 구성과 작동원리로 본 발명을 제한하는 것은 바람직하지 않으며, 이에 따라 모든 적절한 변형들 및 등가물들은 본 발명의 범위 내에 있다고 할 수 있다.

Claims

펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프에 있어서,

방사선 투과 물질(radiation transparent material), 램프 튜브 내측면, 램프 튜브 외측면, 제 1 램프 튜브 단부 및 제 2 램프 튜브 단부를 포함하는 램프 튜브;

상기 램프 튜브 내에 존재하는 가스; 및

1 이상의 전극(들) - 상기 1 이상의 전극(들)은 상기 램프 튜브 내에 전체적으로 또는 부분적으로 존재하고, 상기 1 이상의 전극(들)은 상기 가스 내에서 방전을 방출하며, 상기 방전은 방향성을 갖고, 상기 방전은 플라즈마 채널을 생성함 - 을 포함하고; 상기 램프는:

전력 부하로 인한 힘들에 저항을 제공하는 수단;

램프 견실성(lamp rigidity) 및 강도를 향상시키는 수단;

튜브 공진 오실레이션(tube resonant oscillation)들을 방지하는 수단;

상기 램프 튜브 내의 인장 부하를 감소시키는 수단;

상기 램프 튜브 상의 축 방향 압축력들을 제한하는 수단; 또는

충격파(shock wave)들을 흡수하고, 억제하며, 및/또는 재지향시키는 수단 중 1 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 램프 튜브는 대안적인 램프 튜브 설계를 더 포함하고, 상기 대안적인 램프 튜브 설계는:

상기 내측면 또는 상기 외측면은 리브(rib)(들)를 더 포함하고, 상기 리브(들)의 1 이상은 길이 방향 리브(longitudinal rib)들, 링 리브들, 나선형 리브들, 외측면 리브들, 고리형 링 리브들 및 불연속 리브(들)로 구성된 리브 종류의 그룹으로부터 선택되며;

상기 내측면 또는 상기 외측면은 돌출부(들)를 더 포함하고;

상기 내측면 또는 상기 외측면은 후퇴부(depression)(들)를 더 포함하고, 상기 후퇴부(들)의 1 이상은 길이 방향 후퇴부들, 링 후퇴부들, 나선형 후퇴부들, 외측면 후퇴부들, 고리형 링 후퇴부들 및 불연속 후퇴부(들)로 구성된 후퇴부 종류의 그룹으로부터 선택되며;

상기 램프 튜브는 둥근(round), 둥글지 않은, 타원형, 계란형, 삼각형, 직사각형, 다면체, 둥근 코너들을 갖는 다면체, 및 다이아몬드로 구성된 단면들의 그룹으로부터 선택된 단면을 더 포함하고;

상기 램프 튜브는 길이 방향으로 트위스트되고(twisted); 또는

상기 램프 튜브는 파-형(wave-like) 표면들을 갖는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

1 이상의 제 2 튜브 - 상기 램프 튜브는 상기 제 2 튜브의 전체 또는 일부분 안에 있거나, 상기 제 2 튜브는 상기 램프 튜브의 전체 또는 일부분 위에 있으며, 상기 제 2 튜브는 제 2 튜브 내측면 및 제 2 튜브 외측면을 포함함 -; 및

상기 램프 튜브와 상기 제 2 튜브 사이의 채널을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 제 2 튜브는 상기 1 이상의 전극(들)의 전체 또는 일부분을 둘러싸는(encompass) 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 제 2 튜브 내측면은 리브(들)를 포함하고, 상기 리브(들)는 1 이상의 위치에서 상기 램프 튜브 외측면에 근접하거나 접촉하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 램프 튜브 외측면은 리브(들)를 포함하고, 상기 리브(들)는 1 이상의 위치에서 상기 2 튜브 내측면에 근접하거나 접촉하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 제 2 튜브 내측면은 길이 방향 리브(들), 링 리브(들), 나선형 리브(들), 외측면 리브(들), 고리형 리브(들), 불연속 리브(들), 길이 방향 후퇴부(들), 링 후퇴부(들), 나선형 후퇴부(들), 외측면 후퇴부(들), 고리형 링 후퇴부(들), 불연속 후퇴부(들) 또는 돌출부(들) 중 1 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 램프 튜브 및 상기 제 2 튜브는 각각 나선형 리브들을 포함하고, 상기 램프 튜브의 상기 나선형 리브들 및 상기 제 2 튜브의 상기 나선형 리브들은 각각 동일한 방향으로 나선회전(spiral)하거나, 각각 상이한 방향으로 나선회전하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 램프 튜브 또는 상기 제 2 튜브는 리브들을 더 포함하고, 상기 리브들은 상기 램프 튜브와 상기 제 2 튜브 간에 전체적인 또는 부분적인 접촉을 제공하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

스페이서(들)를 포함하고, 상기 램프 튜브 및 상기 제 2 튜브는 상기 스페이 서(들)에 의해 적어도 간헐적으로 연결되고, 상기 스페이서(들)는 상기 램프 튜브의 1 이상의 지점에서의 반경 방향 압축, 또는 상기 램프 튜브의 1 이상의 지점에서의 축 방향 압축 중 1 이상을 중재하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 10 항에 있어서,

상기 스페이서(들)는 탄성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 10 항에 있어서,

상기 스페이서(들)는 예비-응력되거나(pre-stressed) 유연성이 있는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

요소(들)를 포함하고, 상기 요소(들)는 상기 제 2 튜브로부터 상기 램프 튜브로 압축을 전달하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 13 항에 있어서,

상기 요소(들)는 상기 제 2 튜브에 상기 램프 튜브를 센터링(centering)하는 센터링 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 3 항에 있어서,

상기 채널은 냉각제를 더 포함하고, 상기 냉각제는 가압되는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 15 항에 있어서,

상기 냉각제는 2 Bar 이상으로 가압되는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

쇼크 흡수 수단을 더 포함하고, 상기 쇼크 흡수 수단은 상기 램프 튜브 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 전극(들)은:

헤드;

중간부;

꼬리부를 더 포함하며, 상기 헤드는 상기 중간부에 연결가능하거나 연결되 고, 상기 중간부는 상기 꼬리부에 연결가능하거나 연결되며; 상기 전극(들)은 상기 램프 튜브 내에 센터링되고; 상기 전극(들)의 상기 중간부는 상기 전극(들)의 상기 헤드보다 더 작은 외주(circumference)를 가져, 상기 헤드와 상기 램프 튜브 사이보다 상기 중간부와 상기 램프 튜브 사이에 더 큰 고리형 공간을 유도하며, 상기 가스는 상기 고리형 공간 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 18 항에 있어서,

상기 고리형 공간의 전체 또는 일부분은 쇼크 흡수 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 램프 튜브 단부 또는 상기 제 2 램프 튜브 단부 중 1 이상은 반경 방향으로, 축 방향으로, 또는 두 방향들로 경사를 갖고 바깥쪽으로 모깎기되거나(chamfered-out), 안쪽으로 모깎기된(chamfered-in) 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 20 항에 있어서,

충격파 소실(shock wave dissipation) 및 재지향 수단을 포함하고, 상기 충격파 소실 및 재지향 수단은 상기 제 1 램프 튜브 단부 또는 상기 제 2 램프 튜브 단부 중 1 이상과 접촉하며, 석영 또는 유리와 냉각 매질 간의 중간 밀도 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

램프 단부 홀더(들)를 더 포함하고, 상기 홀더(들)는 상기 램프가 열 팽창 및/또는 고 에너지 펄스들의 작용 하에서 슬라이딩하게 하는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 1 항에 있어서,

접지 전류 복귀 수단(ground current return means)을 더 포함하고, 상기 접지 전류 복귀 수단은 상기 플라즈마 채널과 동축(coaxial)이고 반대 전류 방향이며, 상기 접지 전류 복귀 수단은 사전정의된 거리에 위치되며, 상기 사전정의된 거리는 플라즈마 공간 위치, 플라즈마 전류 단면 형상, 상기 내측면으로의 플라즈마 근접성, 플라즈마 전류 크기, 플라즈마 온도, 플라즈마 전류 전자 밀도, 및 스펙트럼 출력으로 구성된 인자들의 그룹으로부터 선택된 1 이상의 인자로 최적화되는 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외선(PUV) 램프.
제 23 항에 있어서,

상기 접지 전류 복귀 수단은 외부 금속 전도체들의 대칭 어레이 또는 병렬 전도체들의 반경 방향 어레이인 것을 특징으로 하는 펄스화 광대역 및/또는 자외 선(PUV) 램프.
펄스화 플래시 램프에 있어서,

램프 튜브 내측면, 램프 튜브 외측면, 제 1 램프 튜브 단부 및 제 2 램프 튜브 단부를 갖는 방사선 투과 물질을 포함하는 램프 튜브;

상기 램프 튜브 내에 존재하는 가스;

2 이상의 전극들 - 상기 전극들은 상기 램프 튜브 내에 전체적으로 또는 부분적으로 존재하고, 상기 2 이상의 전극들 간의 전류는 상기 가스 내에 방전을 생성하며, 상기 방전은 방향성을 가짐 - ;

1 이상의 제 2 튜브 - 상기 램프 튜브는 상기 제 2 튜브의 전체 또는 일부분 안에 있거나, 상기 제 2 튜브는 상기 램프 튜브의 전체 또는 일부분 위에 있으며, 상기 제 2 튜브는 제 2 튜브 내측면 및 제 2 튜브 외측면을 포함함 - ; 및

상기 램프 튜브와 상기 제 2 튜브 사이의 채널을 포함하고; 상기 펄스화 플래시 램프는:

다중 펄스 전력 부하로 인한 힘들에 저항을 제공하는 수단;

램프 견실성 및 강도를 향상시키는 수단;

튜브 공진 오실레이션들을 방지하는 수단;

상기 램프 튜브 내의 인장 부하를 감소시키는 수단;

상기 램프 튜브 상의 축 방향 압축력들을 제한하는 수단; 또는

충격파들을 흡수하고, 억제하며, 및/또는 재지향시키는 수단 중 1 이상을 포 함하는 것을 특징으로 하는 펄스화 플래시 램프.