一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置及方法，該裝置的電極由一圓筒狀陽極和一同軸布置的圓形棒狀陰極組成，所述陽極圓筒一端封閉，另一端為石英透射窗氣封；位于陰極發(fā)射端面附近的陽極圓筒壁面開有高溫氣體流出孔縫；在其兩側(cè)陽極圓筒壁面開有冷氣體流入孔縫；陽極圓筒內(nèi)充高壓惰性氣體；對陽極圓筒內(nèi)施加軸向磁場；在陽極圓筒與陰極之間施加直流恒流電源，在陰極發(fā)射端面與陽極圓筒內(nèi)壁面之間引燃電弧。該產(chǎn)生方法是通過磁場驅(qū)動電弧旋轉(zhuǎn)和氣體流動組織，控制電弧等離子體位形、陰極弧根和陽極弧根位形，將等離子體位形由短弧氙燈“鐘罩形”變?yōu)椤皥A盤形”；本發(fā)明限制等離子體在軸向上的擴張，提高徑向電流密度，增強發(fā)光功率和發(fā)光效率。
【專利說明】一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體放電光源的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置及方法，用于產(chǎn)生高通量連續(xù)輻照光，作為高通量平面光輻照和高通量太陽模擬器的光源。
【背景技術(shù)】
[0002]高通量光源通過直接輻照器件表面產(chǎn)生高溫，在各種不同環(huán)境、氣氛下創(chuàng)造極端高溫條件，是材料高溫性能研究、熱化學(xué)和光化學(xué)研究、太陽能光熱/光電高效利用研究等領(lǐng)域的重要科學(xué)儀器，并且在許多特種材料(如納米材料、耐高溫材料等)的生產(chǎn)領(lǐng)域有特殊作用。目前，產(chǎn)生連續(xù)高通量輻照光的主要途徑有:直接在戶外通過太陽跟蹤聚焦系統(tǒng)將太陽光聚焦，采用組成陣列的人工光源聚焦。后者大都以高壓短弧氙燈為光源。
[0003]太陽光聚焦的太陽爐光通量及光斑面積都可以很大。如歐盟太陽能熱發(fā)電實驗基地(PSA)建立的太陽爐系統(tǒng)[參見文獻 I:J.Fernandez-Reche, 1.Cafiadas, M.Sanchez, J.Ballestrinj L Yebraj R.Monterrealj J.Rodri gueza, G.Garcia, M.Alonso and F.Chenl0.PSA Solar furnace:A facility for testing PV cells under concentrated solarradiation, Solar Energy Materials &Solar Cells, 2006, 90:2480 - 2488],光斑直徑20cm，能流密度達3000kW/m2(300()個太陽輻照度)。但該系統(tǒng)過于龐大復(fù)雜，僅反射鏡面積就達140m2，難以推廣應(yīng)用。采用小型的碟式、槽式或菲涅爾透鏡式聚光器，也可獲得小面積的高輻照度。但是以自然界陽光為光源受環(huán)境影響大，穩(wěn)定性差，光譜特性因地域、天氣、季節(jié)、時間等多種因素而異，輻照均勻性及可調(diào)性差，使用極為不便，也不能成為測試標準光源。
[0004]光譜分布接近太陽光譜輻射的高通量光源可以作為高通量太陽模擬器，是研究聚光太陽能的重要實驗儀器，它可以提供穩(wěn)定、可靠、方便的標準太陽能人工光源，且可成為太陽能應(yīng)用產(chǎn)品的標準檢測設(shè)備。短弧氙燈目前是最符合太陽光譜分布的人工高亮光源，部分紅外譜段強于太陽輻射?，F(xiàn)有的低通量太陽模擬器產(chǎn)品(低于40個太陽輻照度)多使用高壓短弧氙燈為光源，經(jīng)過對部分紅外光譜段的過濾調(diào)整，使其符合太陽光譜分布，同時經(jīng)過積分器和準直鏡使輻照光斑均勻和準直，已有標準產(chǎn)品[參見文獻2:Qing Long, MengYuan, Wang Linhuaj Zhang.1rradiance characteristics and optimization design ofa large-scale solar simulator.Solar Energy.Volume85.1ssue92011，參見文獻 3:US2010/0027236A1，參見文獻 4:US2006/0175973A1]。
[0005]連續(xù)輻射的高通量太陽模擬器幾乎都是釆用短弧氙燈聚焦陣列直接模擬太陽光[參見文獻 5:Kruegerj K.R.Davidson, J.H.Lipinskij W.Design of a New45kW (e)High-Flux Solar Simulator for High~Temperature Solar Thermal and ThermochemicalResearch.Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the Asme.Volumel33.1ssuel.2011]，不經(jīng)光譜調(diào)整、輻照光斑均勻處理以及光線準直處理。如瑞士PSI (Paul Scherrer Institute)[參見文獻 6:Petrasch，J.Steinfeld，A.Asme，A novelhigh-flux solar simulator based on an array of xenon arc lamps: Optimizationof the ellipsoidal reflector and optical configuration Solar Engineering2005.Pagel75-180]，采用10個15kW氙燈組成聚焦陣列，單個反射聚焦鏡面直徑大約lm，經(jīng)光學(xué)聚焦后輸出光斑直徑為60mm，峰值11000kW/m2，平均能流密度6800kW/m2的光束，輻照物品表面理論最高溫度(滯止溫度)可以達到3300K。
[0006]“氙燈陣列高通量太陽模擬器”一個顯著缺點是輻照面光強非常不均勻，近似為高斯型分布[參見文獻 7: J.Petrasch, Coray P, A.Meier, M.Brack, P.Haberl ing, D.ffuillemin, A.Steinfeld, A Novel50kffI1000suns High-Flux Solar Simulator Based onan Array of Xenon Arc Lamps.Journal of Solar Energy Engineering Transactions ofthe Asme.Vol.129issue Page405_411.2007]，使用極為不便。其原因是短弧氙燈的電弧亮度分布極不均勻，而聚焦光斑處的光通量非常強，難以通過積分器改善光斑的均勻性。同時也存在體積龐大、設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜等問題。同時，大功率短弧氙燈的壽命不長，使得“氙燈陣列高通量太陽模擬器”運行成本過高。
[0007]為了避免短弧氙燈陣列的這些缺點，瑞士的ETH工業(yè)研究所研究了一個以氬氣長弧燈為光源，采用兩級橢圓槽型聚焦，產(chǎn)生高通量矩形輻照光斑的高通量太陽模擬器[參見文獻 8:D.Hirsch, P.V.Zedtwitz, and T.0singa.A, New75kff High-Flux SolarSimulator for High-Temperature Thermal and Thermochemical Research.Journalof Solar Energy Engineering.Volumel25.Pagell7_1202003]。該系統(tǒng)由加拿大 VortexIndustry Ltd.公司制造，電弧長度約200mm，最大電弧功率200kW，最大輻射功率75kW，輻照強度在電弧軸線平行方向較均勻。輻照通量峰值達到4250kW/m2，實驗輻照斑點最高溫度達到3000K。由于電弧為氬弧，電弧存在較多的紫外輻射和紅外輻射，并且色溫高于太陽色溫，完全不能滿足太陽模擬 器光譜分布的要求，作為高溫光熱、光化學(xué)研究不失為一個較好的高通量光源。但這項技術(shù)還有一個非常大的問題:在氬氣電弧與石英管壁之間采用水膜冷卻，不可避免帶來水汽對電弧和電極的影響，尤其是電極壽命受到影響。
[0008]早在1954年，Bauer就報道了他研究的氙燈[參見文獻9:A.Bauer, P.Schulz, Elektrodenfalle Und Bogengradienten in Hochdruckentladungen, Insbesondere Bei Xenon.Zeitschrift Fur Physik.Volumel39, Issue2, Pagel97-211.1954] ? 到上世紀70~80年代已形成非常成熟的系列產(chǎn)品，大量用于電影放映、投影儀等顯色指數(shù)要求較高場合，也用于高級汽車前大燈。
[0009]短弧氙燈結(jié)構(gòu)見圖1所示。由于電弧穩(wěn)定需求，陰極通常設(shè)計成錐形，陽極為較大的平端面。陰極弧根位于陰極尖端，依靠收縮的陰極弧根產(chǎn)生的陰極射流來穩(wěn)定電弧。因此，在氙燈(電極軸)水平放置時，由重力作用引起的對流作用使電弧向上飄動，容易引起電弧不穩(wěn)定，降低氙燈使用壽命，甚至燒壞泡殼。同時，為了保證氙燈的穩(wěn)定性，不可能將電弧拉的很長。短弧氙燈產(chǎn)品設(shè)計最大電弧長度約12.5mm，功率可以達到30kW。
[0010]短弧氙燈的電弧穩(wěn)定的機制決定了氙燈宜選擇豎直安裝，陰極在下，陽極在上。這個限制使其在應(yīng)用時的光路設(shè)計上多有不便。
[0011]實際上，大功率短弧氙燈為一亮度分布極不均勻倒立的“鐘罩形”光源(圖1 (a))。陰極尖端附近有一個極高亮點，色溫最高，輻射最強。隨著離開陰極距離加長，弧柱直徑增大，色溫降低，輻射光通量迅速降低。在陰極極端面到距離陰極尖端0.07L (L為電極間距)之間的光輻射功率占燈總輻射功率70%以上[參見文獻10:陳大華復(fù)旦大學(xué)電光源研究所.氙燈的技術(shù)特性及其應(yīng)用.光源與照明.2002年第4期]。
[0012]提高短弧氙燈功率和亮度的一個主要方法是提高工作氣壓，從而提高電流密度及等離子體密度。小型燈泡的工作氣壓最大可以達到6MPa，大功率燈泡的工作氣壓也達到2MPa。由于工藝上的原因，短弧氙燈功率越大，選擇的工作氣壓越低。由于氙燈色溫主要取決于電弧電流密度(等離子體密度)，而電弧電流密度主要取決于工作氣壓。因此作為太陽模擬器的光源，氙燈的工作氣壓大約為3MPa，相應(yīng)氙燈功率大約為15kW。
[0013]根據(jù)能量最小原理，電弧自動收縮到最小直徑。隨著電流增大，電弧直徑增大，弧柱電流密度略有增加，色溫增加很小，陰極弧根和陽極弧根的電流密度隨電流增加也有所增加。因此短弧氙燈在較大工作電流變化范圍內(nèi)色溫幾乎不變，亮度隨電流增加略高于I次方正比增加。實際上，由于短弧氙燈陰極形狀的影響，陰極弧根往往呈現(xiàn)強烈收縮的形態(tài)，電弧與陰極接觸區(qū)域電流密度極大，工作電流的增加可能使電極溫度升高達到電極燒蝕速率快速增加的臨界值，造成陰極的嚴重?zé)g，限制了短弧氙燈功率的提高。
[0014]限制短弧氙燈功率提高的另一個原因是石英泡殼的耐壓及冷卻問題:功率增大，所需泡殼散熱面積(正比于r2)增加更大；而泡殼容積增大，泡殼所受應(yīng)力增加，要求泡殼厚度增加；而泡殼增厚則會降低導(dǎo)熱性能，耐壓問題與散熱問題相互矛盾。
[0015]影響短弧氙燈壽命主要因素有:(1)電極燒蝕引起的電弧不穩(wěn)和引弧電壓提高；
(2)陰極尖端前高亮區(qū)電流密度減小，從而使發(fā)光亮度降低；(3)金屬蒸汽在泡殼上的沉積使輻射功率降低和泡殼吸熱增加，從而燒壞泡殼；(4)石英泡殼與金屬電極之間的焊接密封損壞。
[0016]文獻報道了一種磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體平面光源初步研究結(jié)果[參見文獻11:DAVID SLINKMAN and RICHARDSACKS.Structure and Dynamics of a Magnetron DC ArcPlasma.APPLIED SPECTROSCOPY.Volume44, Number I, 1990.Page76_83]。裝置的基本結(jié)構(gòu)為同軸電極電弧等離子體發(fā)生器，棒狀內(nèi)電極為陰極，圓筒狀外電極為陽極，固定陰極與陽極的一端為氣體導(dǎo)入端，另一端為氣體流出端，在氣體流出端為光源輸出端。在陽極外施加電磁線圈以在陽極圓筒內(nèi)產(chǎn)生軸向磁場，或米用永久磁體在陽極圓筒內(nèi)產(chǎn)生軸向磁場。電弧在棒狀陰極端面和陽極圓筒內(nèi)表面之間產(chǎn)生，磁場與電弧之間洛倫茲力作用使電弧高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生充滿弧室截面均勻電弧等離子體，在發(fā)生器氣體出口端引出光輻射。該裝置沒有考慮弧室密封，弧室壓力為大氣壓，同時等離子體云在軸向上急劇擴張，電流密度很低，因此報道的這種光源輻照功率只有幾千瓦，不能作為高通量光源，也沒有給出具體結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)，沒有實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017]針對短現(xiàn)有技術(shù)中光源功率小、發(fā)光不均勻、壽命短的問題，本發(fā)明提出一種大功率、高通量、輻照均勻的光源的產(chǎn)生方法和高通量光源光源裝置。
[0018]本發(fā)明的目的在于提供產(chǎn)生高亮度平面等離子體光源的方法和裝置。
[0019]本發(fā)明的目的還在于解決電極燒蝕對光源壽命的影響。
[0020]本發(fā)明為了達到上述目的采用的技術(shù)方案為:一種高通量平面光源的產(chǎn)生裝置，該裝置的電極由一圓筒狀陽極和一同軸布置的圓形棒狀陰極組成；所述圓筒狀陽極的圓筒的一端封閉，另一端由石英透射窗口氣閉；所述陰極的一端由絕緣支撐安裝在封閉端中心，另一端為陰極發(fā)射端，位于所述圓筒狀陽極的圓筒內(nèi)；軸向位置位于所述陰極發(fā)射端附近的所述圓筒狀陽極的圓筒內(nèi)壁為陽極弧根貼附區(qū)；在陽極弧根貼附區(qū)的陽極圓筒壁上沿圓周開有與陽極圓筒內(nèi)腔貫通的高溫氣體流出孔縫，高溫氣體沿此高溫氣體流出孔縫流出陽極圓筒內(nèi)腔；在高溫氣體流出孔縫兩側(cè)分別開有與陽極圓筒內(nèi)腔貫通的補充冷氣體流入第一冷氣體流入孔縫及第二冷氣體流入孔縫，兩股補充冷氣體分別從第一冷氣體流入孔縫和第二冷氣體流入孔縫流入陽極圓筒內(nèi)腔；在陽極筒內(nèi)填充高壓惰性氣體，填充氣壓為
0.1?IOMPa ;對陽極圓筒內(nèi)腔施加軸向磁場。
[0021]其中，在陽極和陰極之間施加以直流電源，電源正極與陽極相連，電源負極與陰極相連，在陰極發(fā)射端部與陽極弧根貼附區(qū)的陽極圓筒內(nèi)壁之間引發(fā)電弧等離子體；軸向磁場與電弧徑向電流產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動電弧高速旋轉(zhuǎn)，與冷氣體產(chǎn)生強烈的對流，驅(qū)散電弧，在軸向位置位于陰極發(fā)射端附近產(chǎn)生分散的等離子體云；隨著電弧電流增大和軸向磁場增強，分散的等離子體云充滿陽極圓筒內(nèi)截面，形成圓盤狀電弧等離子體發(fā)射光源。其中，在陽極弧根貼附區(qū)以外的陽極圓筒內(nèi)壁面和封閉端內(nèi)表面鍍?nèi)瓷淠ぃ纬蓪?dǎo)光筒。
[0022]其中，圓盤等離子體輻射光直接或經(jīng)弧室壁面導(dǎo)光筒收集在透射窗外側(cè)形成均勻的平面光源或均勻的輻照面。
[0023]其中，在陽極圓筒壁內(nèi)開氣體回流冷卻通道，該通道與高溫氣體流出孔縫、第一冷氣體流入孔縫以及第二冷氣體流入孔縫相連通，從高溫氣體流出孔縫流入的高溫氣體在此冷卻通道處冷卻，冷卻后的氣體分別經(jīng)第一冷氣體流入孔縫以及第二冷氣體流入孔縫返回陽極圓筒內(nèi)腔。
[0024]其中，為了提高光輻射利用效率，在圓盤等離子體靠陽極圓筒封閉端一側(cè)設(shè)置一反射鏡，將圓盤等離子體向陽極圓筒封閉端輻射的光反射回等離子體、被等離子體吸收從而進一步增強等離子體輻射，或透過等離子體直接或經(jīng)弧室壁面反射到透射窗外側(cè)輻照面上；為了提高光的利用效率，反射鏡位置宜靠近等離子體，反射光會大部分返回等離子體或透過等離子體，反射鏡設(shè)計成與電極同軸的旋轉(zhuǎn)曲面，曲面開口方向朝向光源透射窗口，反射鏡底部中心開一圓孔，棒狀陰極從中穿過，反射鏡任意一點法線及延長線均與陰極軸線相交于陰極發(fā)射端外，讓陰極附近的等離子體輻射通過鏡面反射之后直接或通過鍍反射膜的壁面反射到透射窗外側(cè)，而不再輻射到陰極上。
[0025]其中，為了透射窗、陽極圓筒壁面及反射鏡免受電極燒蝕蒸氣污染，電極燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸汽隨高溫氣體從陽極筒壁面高溫氣體流出孔縫流出陽極圓筒內(nèi)腔，在陽極圓筒腔室外冷卻沉積，從第一、第二冷氣體流入孔縫流入的兩股潔凈的冷氣體，對陽極圓筒壁面及反射鏡起塵埃隔離保護作用，也對透射窗起熱隔離保護作用。
[0026]其中，在陽極圓筒外繞電磁線圈，用于在陽極圓筒內(nèi)腔產(chǎn)生軸向磁場。
[0027]其中，將陽極圓筒兩端法蘭設(shè)計為導(dǎo)磁材料，在電磁線圈外用導(dǎo)磁材料將兩法蘭聯(lián)通，形成陽極筒外的磁路，減少產(chǎn)生陽極筒內(nèi)軸向磁場所需的磁勢，降低激磁電流。
[0028]其中，所述圓筒狀陽極的陽極弧根貼附區(qū)鑲嵌金屬圓環(huán)，在所述金屬圓環(huán)圓周開用于導(dǎo)流的所述高溫氣體流出孔縫；所述金屬圓環(huán)與陽極圓筒材料可以不同，由耐高溫的導(dǎo)電材料制成，如鎢、鎢合金等。
[0029]為了保證與高溫接觸的部件不因等離子體高溫而燒壞，對陽極圓筒、陰極支撐部位附近、陰極安裝端、陽極圓筒兩端法蘭以及石英透射窗周邊通高壓冷卻水進行強迫冷卻。[0030]本發(fā)明另外提供一種高通量平面光源的產(chǎn)生方法，該方法利用上述的高通量平面光源的產(chǎn)生裝置，該產(chǎn)生方法是通過氣體流動組織控制電弧等離子體弧柱位形、陰極弧根位形和陽極弧根位形，將等離子體弧柱位形由短弧氙燈“鐘罩形”變?yōu)楸馄降摹皥A盤形”，將陰極弧根由收縮的“點”變?yōu)閿U散型“環(huán)”或“面”分布，同時陽極弧根均勻分布在陽極圓筒壁面四周陽極弧根貼附區(qū)，產(chǎn)生一個發(fā)光面積更大、輻射強度更高的圓盤形等離子體光源，從而提高輻射功率和輻射效率，提高發(fā)光面的均勻性，并通過簡單光筒收集，在輻射窗口形成均勻的平面光源。所述氣體的流動組織是通過磁場驅(qū)動電弧旋轉(zhuǎn)驅(qū)散電弧，在陽極圓筒內(nèi)形成角向均勻分布的圓盤狀等離子體；一方面旋轉(zhuǎn)的電弧均勻加熱陰極發(fā)射端部表面和周邊，使陰極發(fā)射端面溫度上升，達到在陰極發(fā)射端部周邊或陰極發(fā)射端部整個表面產(chǎn)生熱電子發(fā)射的條件，與周向均勻分布的圓盤等離子體結(jié)合，形成在陰極發(fā)射端部邊緣呈環(huán)狀或在陰極端部呈面狀分布的擴散型陰極弧根；另一方面，高速旋轉(zhuǎn)流動和徑向流動的圓盤等離子體與陽極圓筒(2)內(nèi)壁陽極弧根貼附區(qū)(20)緊密接觸形成周向均勻分布的陽極弧根；高速旋轉(zhuǎn)流動的等離子體產(chǎn)生的徑向射流，從陽極壁面高溫氣體流出孔縫(11)流出，限制了等離子體在陽極壁附近的橫向(軸向)發(fā)展；補充冷氣體分別從第一冷氣體流入孔縫(13)和第二冷氣體流入(14)流入陽極圓筒內(nèi)腔，從圓盤等離子體兩側(cè)補充進入等離子體高溫區(qū)域，與等離子體徑向流動耦合，進一步從軸向壓縮圓盤狀等離子體陰極弧根、弧柱以及陽極弧根，整體上顯著提高圓盤狀等離子體密度，從而產(chǎn)生高亮度的平面光源。
[0031]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果為:
[0032]與現(xiàn)有氙弧燈技術(shù)相比，由于采用了以上方案，可以實現(xiàn)以下優(yōu)點:
[0033]I)錐狀電弧等離子體分散為圓盤狀等離子體，由“點”光源變?yōu)檩^為均勻的平面發(fā)光體，可以提高電弧功率，從而增強了光源的輻射功率和輻射效率，并提高了輻射的均勻性；
[0034]2)磁旋轉(zhuǎn)電弧等離子體產(chǎn)生的高速旋轉(zhuǎn)流動和徑向流動限制了等離子體的軸向擴張，加之從等離子體兩側(cè)陽極圓筒壁面冷氣體流入通道流入補充的冷氣體，限制等離子體在軸向上的擴張，提高了等離子體電流密度，增強發(fā)光效率；
[0035]3)平面的等離子體光源及陽極內(nèi)筒的全反射結(jié)構(gòu)在陽極圓筒透射窗口處形成了均勻的平面光源(朗伯光源)，因而不需要普通氙燈的先聚光再勻光的復(fù)雜光路系統(tǒng)；
[0036]4)弧室腔外的純凈冷氣體補充，對透射窗進行冷卻和污染保護，提高窗口壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1是短弧氙燈的原理結(jié)構(gòu)示意圖(b)、電弧(等離子體)位形示意圖(a)和輻射分布不意圖(C);
[0038]圖2是本發(fā)明裝置原理縱剖面圖；圖中:1、陰極，2、陽極圓筒，3、電弧等離子體，4、陰極發(fā)射端部，5、電磁線圈，6、絕緣支撐，7、金屬法蘭，8、金屬法蘭，9、透射窗，10、反射鏡，11、流出孔縫，12、回流冷卻通道，13、流入孔縫，14、流入孔縫，15、冷氣體，16、冷氣體，17、磁場，18、導(dǎo)磁的圓筒，19、引弧桿，20、陽極弧根貼附區(qū)；
[0039]圖3是本發(fā)明裝置圖2的流出孔縫IlA-A剖面圖；
[0040]圖4是引弧桿局部剖面示意圖；
[0041]圖5是本發(fā)明裝置反射鏡及磁力線分布示意圖；[0042]圖6是等離子體軸向壓縮示意圖；
[0043]圖7是圓盤狀等離子體示意圖；
[0044]圖8是實施實例中觀察到的電弧等離子體形態(tài)示意圖。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖以及具體實施例進一步說明本發(fā)明。
[0046]本發(fā)明的大功率、高通量、輻照均勻的光源的產(chǎn)生方法是通過氣體流動組織控制電弧等離子體位形、陰極弧根位形以及陽極弧根位形，將等離子體位形由短弧氙燈“鐘罩形(錐形)”變?yōu)椤皥A盤形”，將陰極弧根由收縮的“點”變?yōu)閿U散型“環(huán)(或面)”分布，同時陽極弧根均勻分布在陽極圓筒壁面四周，產(chǎn)生一個發(fā)光面積更大的圓盤形等離子體光源，從而提高輻射功率和提高發(fā)光面的均勻性，并通過簡單光筒收集，在輻射窗口形成均勻的平面光源。
[0047]光源裝置原理結(jié)構(gòu):本發(fā)明的高通量光源的一種基本結(jié)構(gòu)如附圖2所示。
[0048]電極由一圓筒狀陽極2和一同軸布置的圓形棒狀陰極I組成；陽極圓筒一端由法蘭7封閉，另一端安裝石英透射窗口 9，石英窗安裝在金屬法蘭8上，金屬法蘭8、石英窗口與陽極圓筒2之間采用焊接或壓緊密封。陽極圓筒2內(nèi)腔與外部氣密，內(nèi)部填充裝置的工作氣體為元素周期表第IIIV族的惰性氣體或它們的混合物。
[0049]陰極一端由絕緣支撐6安裝在陽極圓筒封閉端金屬法蘭7中心，陰極的另一端為陰極發(fā)射端4，位于陽極圓筒內(nèi)所述陰極的材料為摻有少量的金屬氧化物(如，含有I?4%釷、鑭、鈰、鋯等氧化物)的金屬鎢。
[0050]陽極的材料高導(dǎo)熱、導(dǎo)電、低功函數(shù)的金屬材料制成，如銅、銅的合金(銅-銀合金、銅-鋯合金等)。軸向位置位于陰極發(fā)射端附近為電弧的陽極弧根貼附區(qū)20，在陽極弧根貼附區(qū)的陽極圓筒壁面沿周向開有8個高溫氣體流出孔11，高溫氣體流出孔11與陽極圓筒2內(nèi)腔聯(lián)通；等離子體產(chǎn)生的高溫氣體及電極燒蝕的金屬蒸氣沿此孔流出陽極筒內(nèi)腔，在陽極筒腔體外被冷卻和凈化；在陽極圓筒兩端接近法蘭處的陽極圓筒壁沿周向均布8個冷氣體流入孔13、14，與陽極圓筒內(nèi)腔聯(lián)通，純凈冷氣沿此孔流入陽極筒內(nèi)腔，補充進入等尚子體聞溫區(qū)。
[0051]本實施實例提供一種等離子體工質(zhì)氣體自循環(huán)弧室腔外冷卻的方法:在高溫氣體流出孔11兩側(cè)陽極圓筒內(nèi)壁中周向均布8個軸向氣體冷卻通道12，冷卻通道兩端分別與高溫氣體流出孔11及冷氣體流入孔13，14 一一相通。高速旋轉(zhuǎn)的等離子體推動高溫氣體及電極燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸氣沿孔11流出陽極圓筒內(nèi)腔，進入氣體冷卻通道12，高溫氣體在此冷卻，金屬蒸氣在此沉積，之后純凈的冷氣體15，16沿金屬法蘭7，8附近的冷氣體流入孔13，14流回陽極圓筒內(nèi)腔，補充進入等離子體高溫區(qū)域。
[0052]在陽極圓筒外兩端法蘭之間環(huán)繞一電磁線圈5，在電磁線圈上施加直流電流，在陽極圓筒內(nèi)產(chǎn)生恒定的軸向磁場17。也可以用永磁鐵代替線圈產(chǎn)生軸向磁場。
[0053]為了提高電磁線圈產(chǎn)生在陽極筒內(nèi)腔產(chǎn)生軸向磁場的效率，將陽極圓筒兩端的法蘭7，8設(shè)計為鐵磁物質(zhì)(如普碳鋼、電工純鐵等)，在電磁線圈外環(huán)繞有鐵磁物質(zhì)的圓筒18，其兩端與鐵磁金屬法蘭7，8磁路聯(lián)通，降低電磁線圈在陽極圓筒內(nèi)腔以外的磁阻。所述導(dǎo)磁的圓筒18也可以由幾根導(dǎo)磁條替代。[0054]在高溫氣體流出孔縫11附近陽極圓筒壁上裝引弧桿19。如圖4所示。引弧桿軸線位于陽極圓筒2橫斷面內(nèi)，引弧桿軸線延長線交于陰極發(fā)射端面或陰極桿側(cè)面；在引弧桿穿過穿過陽極圓筒壁面位置開直徑略大于引弧桿的小孔；正常運行時引弧桿端部位于陽極圓筒壁內(nèi)；引弧桿與陽極圓筒之間可以滑動，并保持電氣聯(lián)通，在引弧桿后部與陽極圓筒之間要求密封，保證陽極圓筒不漏氣。引弧桿前端一段材料為鎢。
[0055]圓盤狀等離子體和高亮度平面光源產(chǎn)生原理:在陽極2和陰極I之間施加以直流電源，電源正極與陽極相連，電源負極與陰極相連。在電弧分布區(qū)域施加軸向磁場17。以機械傳動方式移動引弧桿19，使其端部與陰極發(fā)射端4接觸，將陽極陰極之間通過引弧桿短路，然后將引弧桿退回陽極圓筒壁內(nèi)；通過短路方法在陰極發(fā)射端部4與陽極圓筒2內(nèi)壁的陽極弧根貼附區(qū)之間引發(fā)電弧等離子體3 ;軸向磁場與電弧徑向電流產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動電弧高速旋轉(zhuǎn)；電弧高速旋轉(zhuǎn)與冷氣體產(chǎn)生強烈的對流，驅(qū)散電弧，在陰極發(fā)射端軸向位置附近產(chǎn)生分散的等離子體云；隨著電弧電流增大和軸向磁場增強，分散的等離子體云充滿陽極圓筒內(nèi)截面，形成圓盤狀電弧等離子體3)[參見文獻12:ff.D.Xia，L.C.Li, Y.H.Zhao, Q.Maj B.H.Duj Q.Chen, and L.Cheng, "Dynamics of large-scale magneticallyrotating arc plasmas，"Applied Physics Letters，vol.88，May222006.] ?高速旋轉(zhuǎn)的電弧均勻加熱陰極發(fā)射端部4表面和周邊，使陰極端面溫度上升，達到在陰極端部周邊或陰極端部整個表面產(chǎn)生熱電子發(fā)射的條件，與周向分布的分散等離子體結(jié)合，形成在陰極端部邊緣呈環(huán)狀擴散或在陰極端部呈面狀分布的擴散型陰極弧根[參見文獻13:W.D.Xiaj H.L Zhou,Z.P.Zhou, and B.Baij"Evolution of cathodic arc roots in a large-scalemagnetically rotating arc plasma, ^Ieee Transactions on Plasma Science,vol.36,PP.1048-1049, Aug2008.]。圓盤等離子體陽極弧根均勻貼附在陽極筒內(nèi)壁的陽極弧根貼附區(qū)20，形成擴散的的陽極弧根。[參見文獻14:H.L.Zhou, L.C.Li, L.Cheng, Z.P.Zhou, B.Baij and W.D.Xiaj ^ICCD imaging of coexisting arc roots and arc column in alarge-area dispersed arc-plasma source,^Ieee Transactions on Plasma Science, vo
1.36，pp.1084-1085, Aug2008.]。同時，高速旋轉(zhuǎn)流動的等離子體產(chǎn)生徑向射流并且攜帶電極燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸氣，從陽極壁`面高溫氣體流出孔11流出；在氣體冷卻通道12中冷卻和沉積之后，純凈的冷氣體15，16重新補充流入高溫區(qū)域，與等離子體徑向流動耦合，使圓盤狀等離子體軸向受到壓縮，從而顯著提高等離子體密度，形成高亮度平面光源，如圖6、7所
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[0056]除了陽極弧根貼附區(qū)外，在陽極圓筒內(nèi)腔表面，包括陽極圓筒壁面、兩端法蘭內(nèi)表面鍍?nèi)瓷淠せ蛉⑸淠?，形成?dǎo)光筒。圓盤等離子體輻射光經(jīng)導(dǎo)光筒收集在透射窗9外側(cè)形成較為均勻的平面光源。
[0057]為了提高光輻射利用效率，在等離子體密封法蘭一側(cè)設(shè)置一反射鏡10將圓盤等離子體射向密封法蘭一側(cè)的光反射回等離子體、被等離子體吸收從而進一步增強等離子體輻射，或透過等離子體直接或經(jīng)弧室壁面反射到透射窗外側(cè)輻照面上。如圖5所示。
[0058]為了提高光的利用效率，反射鏡10位置宜靠近等離子體，反射光會大部分返回等離子體或透過等離子體。反射鏡設(shè)計成與電極同軸的旋轉(zhuǎn)曲面，曲面開口方向朝向光源透射窗口。反射鏡底部中心開一圓孔，棒狀陰極I從中穿過。圓盤等離子體陰極附近輻射光最強，反射鏡任意一點法線及延長線與陰極軸線相交與陰極發(fā)射端部4外，目的是讓陰極附近的強輻射通過鏡面反射之后直接或通過導(dǎo)光筒反射到透射窗9外側(cè)，而不再輻射到陰極上。
[0059]由于等離子體對弧室的傳熱，需要陽極圓筒、兩端法蘭、陰極安裝端、陰極絕緣支撐部位附近、石英透射窗周邊通高壓水冷卻。高壓水冷卻方式也可以用霧化等冷卻方式代替。
[0060]陽極筒壁上的高溫氣體流出孔11為復(fù)數(shù)孔，一般為3個及以上?？椎慕孛婵梢栽O(shè)計為矩形、或者圓形、或者其他形狀。孔的軸線與徑向射線之間的夾角φ為O?90度之間(圖3所示)，孔的偏轉(zhuǎn)方向與等離子體旋轉(zhuǎn)流動方向一致(如圖3所示)，可以減少氣體流出阻力。
[0061]陽極筒壁上的高溫氣體流出孔11也可為一道環(huán)形縫。
[0062]孔縫11軸向位置中心在陰極發(fā)射端面外(O?2)d(d為陰-陽極之間最小間距)。
[0063]陽極圓筒可以單獨為一個整體，也可以由多個元件組成。如陽極弧根貼附區(qū)鑲嵌耐高溫的金屬圓環(huán)，所述圓環(huán)的材料純鎢、或摻有少量的金屬氧化物(如，含有I?4%釷、鑭、鈰、鋯等氧化物)的金屬鎢、或鎢-銅、鎢-銀合金等。所述金屬圓環(huán)與陽極圓筒主體之間采用焊接、或壓接為一整體，在金屬圓環(huán)上開高溫氣體流出孔縫3。
[0064]另外陽極圓筒也可以設(shè)計為多段:陽極弧根貼附區(qū)的電極段、透射窗一側(cè)的導(dǎo)光筒段、以及與透射窗一側(cè)相對的反射鏡段，各段之間可以導(dǎo)電連接，也可以相互以絕緣材料隔開，此時，陽極段與電源正極相接。這樣可以降低電弧燒蝕反射鏡或?qū)Ч馔驳目赡苄浴?br> [0065]下面給出本發(fā)明的一個實施實例:
[0066]裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸:棒狀陰極I長150mm,直徑18mm ;陽極圓筒2內(nèi)徑40mm,弧室內(nèi)部長度300mm。
[0067]電極材料:棒狀陰極I為鑭鎢(含有3%氧化鑭)；陽極圓筒2為T2紫銅。
[0068]充氣氣壓:0.5Mpa気氣。
[0069]軸向磁場:0.1Τ。
[0070]電弧電流:500Α ;電弧電壓:70V，電弧功率35kW，電弧輻射功率超過10kW。
[0071]電弧等離子體形態(tài):電弧等離子體3為一個均勻的、充滿弧室截面的“圓盤形”發(fā)光面；陰極發(fā)射端4呈現(xiàn)一個擴散型“環(huán)狀”弧根。如圖8所示。
[0072]與短弧氙燈“點”光源相比，本發(fā)明的平面光源增大了發(fā)光面積，提高了輻射光總通量；與短弧氙燈電弧橫向二維自由發(fā)展相比，本發(fā)明高速旋轉(zhuǎn)流動的等離子體提高了電弧的縱向(徑向)流動速度，從陽極圓筒兩端軸向流動的冷氣限制了電弧的橫向(軸向)發(fā)展，使等離子體軸向厚度減小，約束電流通道截面的增加，提高弧柱的電流密度，從而提高了電弧發(fā)光的縱向分布均勻性和總的輻射強度。
[0073]與短弧氙燈的收縮弧根相比，本發(fā)明實現(xiàn)了陰極擴散弧根，能夠有效地增加電弧與陰極的接觸區(qū)域，降低電流密度，減緩電弧對電極的燒蝕。
[0074]與短弧氙燈的泡殼冷卻問題相比，本發(fā)明的循環(huán)流入的冷氣體15、16不僅能有效地防止透射窗9與高溫等離子體及高溫氣體接觸，并且對透射窗9有明顯的冷卻作用，較好地解決散熱問題，從而提高窗口的壽命。
[0075]本發(fā)明未詳細公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0076]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【權(quán)利要求】
1. 一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，該裝置的電極由一圓筒狀陽極(2)和一同軸布置的圓形棒狀陰極(I)組成；所述圓筒狀陽極(2)的圓筒的一端封閉，另一端由石英透射窗口(9)氣閉；所述陰極(I)的一端由絕緣支撐(6)安裝在封閉端中心，另一端為陰極發(fā)射端(4)，位于所述圓筒狀陽極(2)的圓筒內(nèi)；軸向位置位于所述陰極(I)發(fā)射端附近的所述圓筒狀陽極(2)的圓筒內(nèi)壁為陽極弧根貼附區(qū)(20);在陽極弧根貼附區(qū)的陽極圓筒壁上沿圓周開有與陽極圓筒內(nèi)腔貫通的高溫氣體流出孔縫(11)，高溫氣體沿此高溫氣體流出孔縫流出陽極圓筒內(nèi)腔；在高溫氣體流出孔縫(11)兩側(cè)分別開有與陽極圓筒內(nèi)腔貫通的補充冷氣體流入第一冷氣體流入孔縫(13)及第二冷氣體流入孔縫(14)，兩股補充冷氣體(15，16)分別從第一冷氣體流入孔縫(13)和第二冷氣體流入孔縫(14)流入陽極圓筒內(nèi)腔；對陽極圓筒內(nèi)腔施加軸向磁場(17);在陽極的圓筒內(nèi)填充0.1~IOMPa氣壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于:在陽極(2)和陰極(I)之間施加以直流電源，電源正極與陽極相連，電源負極與陰極相連；在陰極發(fā)射端部(4)與圓筒狀陽極(2)內(nèi)壁的陽極弧根貼附區(qū)(20)之間引發(fā)電弧等離子體(3);軸向磁場(17)與電弧徑向電流產(chǎn)生的洛倫茲力驅(qū)動電弧高速旋轉(zhuǎn)，與冷氣體產(chǎn)生強烈的對流，驅(qū)散電弧，在軸向位置位于陰極發(fā)射端附近產(chǎn)生分散的等離子體云；隨著電弧電流增大和軸向磁場增強，等離子體高速旋轉(zhuǎn)流動的使等離子體云在徑向和周向分布均勻，充滿陽極圓筒內(nèi)截面，在陽極的圓筒內(nèi)形成角向均勻分布的圓盤狀電弧等離子體發(fā)光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，在陽極弧根貼附區(qū)以外的陽極圓筒(2)內(nèi)壁面和封閉端(7)內(nèi)表面鍍?nèi)瓷淠ぃ纬蓪?dǎo)光筒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，圓盤等離子體發(fā)光源的輻射光直接或經(jīng)導(dǎo)光筒收集在透射窗(9 )外側(cè)形成均勻的平面光源或均勻的輻照面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，在圓筒狀陽極(2)的圓筒壁內(nèi)開氣體回流冷卻通道(12)，該通道與高溫氣體流出孔縫(11)、第一冷氣體流入孔縫(13)以及第二冷氣體流入孔縫(14)相連通，從高溫氣體流出孔縫(11)流入的高溫氣體在此冷卻通道(12)處冷卻，冷卻后的氣體分別經(jīng)第一冷氣體流入孔縫(13)以及第二冷氣體流入孔縫(14)返回陽極的圓筒的內(nèi)腔。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，為了提高光輻射利用效率，在圓盤等離子體靠陽極圓筒封閉端一側(cè)設(shè)置一反射鏡(10)，將圓盤等離子體向陽極圓筒封閉端輻射的光反射回等離子體、被等離子體吸收從而進一步增強等離子體輻射，或透過等離子體直接或經(jīng)弧室壁面反射到透射窗外側(cè)輻照面上；為了提高光的利用效率，反射鏡(10)位置宜靠近等離子體，反射光會大部分返回等離子體或透過等離子體；反射鏡設(shè)計成與電極同軸的旋轉(zhuǎn)曲面，曲面開口方向朝向光源透射窗口，反射鏡底部中心開一圓孔，棒狀陰極(I)從中穿過，反射鏡任意一點法線及延長線均與陰極軸線相交于陰極發(fā)射端外，讓陰極附近的等離子體輻射通過鏡面反射之后直接或通過鍍反射膜的壁面反射到透射窗(9)外側(cè)，而不再輻射到陰極上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，電極燒蝕產(chǎn)生的金屬蒸汽隨高溫氣體流出陽極圓筒內(nèi)腔，在陽極圓筒內(nèi)腔外冷卻沉積，從第一、第二冷氣體流入孔縫(13，14)流入的兩股潔凈的冷氣體(15，16)，對陽極圓筒壁面及反射鏡起塵埃隔離保護作用，對透射窗起熱隔離和塵埃隔離保護作用。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，所述圓筒狀陽極(2)的陽極弧根貼附區(qū)(20)鑲嵌金屬圓環(huán)，在所述金屬圓環(huán)圓周開徑向的用于導(dǎo)流的所述高溫氣體流出孔縫(11);所述金屬圓環(huán)由耐高溫的導(dǎo)電材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，其特征在于，在陽極圓筒外繞電磁線圈(5);將陽極圓筒兩端法蘭(7、8)設(shè)計為導(dǎo)磁材料，在電磁線圈外用導(dǎo)磁材料將兩法蘭(7、8)聯(lián)通；用于在陽極圓筒(2)內(nèi)腔產(chǎn)生軸向磁場(17)。
10.一種高通量平面光源產(chǎn)生的方法，該方法利用權(quán)利要求1和權(quán)利要求2至9中任意項所述的高通量平面光源的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該產(chǎn)生方法是通過氣體流動組織，控制電弧等離子體的弧柱位形、陰極弧根位形和陽極弧根位形，將等離子體弧柱位形由短弧氙燈“鐘罩形”變?yōu)楸馄降摹皥A盤形”，將陰極弧根由收縮的“點”變?yōu)閿U散型“環(huán)”或“面”分布，同時陽極弧根均勻分布在陽極圓筒壁面四周，產(chǎn)生一個發(fā)光面積更大、輻射強度更高的圓盤形等離子體光源，從而提高輻射功率和輻射效率，提高發(fā)光面的均勻性，并通過簡單光筒收集，在輻射窗口形成均勻的平面光源。所述氣體的流動組織是通過磁場驅(qū)動電弧旋轉(zhuǎn)驅(qū)散電弧，在陽極圓筒內(nèi)形成角向均勻分布的圓盤狀等離子體；一方面旋轉(zhuǎn)的電弧均勻加熱陰極發(fā)射端部表面和周邊，使陰極發(fā)射端面溫度上升，達到在陰極發(fā)射端部周邊或陰極發(fā)射端部整個表面產(chǎn)生熱電子發(fā)射的條件，與周向均勻分布的圓盤等離子體結(jié)合，形成在陰極發(fā)射端部邊緣呈環(huán)狀或在陰極端部呈面狀分布的擴散型陰極弧根；另一方面，高速旋轉(zhuǎn)流動和徑向流動圓盤等離子體與陽極圓筒(2)內(nèi)壁陽極弧根貼附區(qū)(20)緊密接觸形成周向均勻分布的陽極弧根；高速旋轉(zhuǎn)流動的等離子體產(chǎn)生的徑向射流，從陽極壁面高溫氣體流出孔縫(11)流出，限制了等離子體在陽極壁附近的橫向(軸向)發(fā)展；補充冷氣體分別從第一冷氣體流入孔縫(13)和第二冷氣體流入(14)流入陽極圓筒內(nèi)腔，從圓盤等離子體兩側(cè)補充進 入等離子體高溫區(qū)域，與等離子體徑向流動耦合，進一步從軸向壓縮圓盤狀等離子體陰極弧根、弧柱以及陽極弧根，整體上顯著提高圓盤狀等離子體密度，從而產(chǎn)生高亮度的平面光源。
【文檔編號】H05H1/24GK103533732SQ201310479767
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】夏維東, 王城, 胡芃, 夏維珞 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)