專利名稱：射頻驅(qū)動(dòng)的硫燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高強(qiáng)度，高效率的照明系統(tǒng)，更具體地，涉及非汞充填的燈。
背景技術(shù)：
目前，諸如熒光燈、高壓鈉燈和鹵化物燈的氣體放電燈提供了具有良好色澤重顯，能量高效的照明系統(tǒng)。按照功率水平和其它特殊性能，這些燈獲得的能量效率在60流明/瓦(IPW)至110流明/瓦的范圍之間。這些燈比普通白熾燈要有效得多，普通白熾燈在添加紅外涂層時(shí)最好能獲得35IPW，但較為普遍的是在15IPW范圍。目前，上述氣體放電燈通常采用元素的汞作為高效發(fā)生光的關(guān)鍵材料，而汞是一種有毒物質(zhì)。
1992年5月14日，名為“高功率燈”的PCT公開(kāi)號(hào)WO92/08240和1993年10月28日，名為“具有可控特性的燈”的PCT公開(kāi)號(hào)WO93/21655(這兩份材料均已包含于此用作參考)公開(kāi)了，在其中公開(kāi)了一種新型無(wú)汞燈，它具有優(yōu)異的色澤重顯性能。該所述燈能在高功率下(在千瓦范圍)高效地產(chǎn)生可見(jiàn)光，并應(yīng)用對(duì)環(huán)境良性的硫或硒，包括含元素硫、元素硒或這些元素的化合物的物質(zhì)，作為光發(fā)射器，應(yīng)用在微波頻率(≈2.25GHz)下運(yùn)行的磁控管供電。光產(chǎn)生材料(硫)和惰性氣體(氬)被一起包含在可轉(zhuǎn)動(dòng)的，小的透明石英球形燈泡之內(nèi)。高效和良好色澤重顯的潛能的理由在于所發(fā)射的輻射基本是連續(xù)的，絕大部分限于可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍的寬帶光譜。
采用較高效率的硫燈，包括那些低功率運(yùn)行燈，作為一般的照明應(yīng)用將具有優(yōu)越性。為了達(dá)到這一點(diǎn)，現(xiàn)技術(shù)中出現(xiàn)的若干主要和有意義的技術(shù)問(wèn)題必須解決。這些問(wèn)題中最有意義的是
1、硫燈在低功率下，即20w/cc及以上，以射頻頻率的運(yùn)行；2、硫燈在射頻頻率(＜1GHz)下的運(yùn)行，其中現(xiàn)今對(duì)低功率電子供電電源的了解預(yù)示其十分高效的可能性(≈90％)；以及3、耦合系統(tǒng)的發(fā)展，以便射頻功率能有效地輸入硫燈，使亮度效率至少獲得150流明/瓦。
本發(fā)明提出了這樣的一種燈系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出的一種放電燈，它從外殼輻射的光譜能量分布幾乎全部在可見(jiàn)光范圍，該外殼容納有含硫物質(zhì)的光譜能量發(fā)射成分的光填材料，且該外殼對(duì)輻射能量的可見(jiàn)光部分是透明的。燈系統(tǒng)還包括信號(hào)源，它產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，該激勵(lì)信號(hào)在外側(cè)與外殼的外表面耦合以激勵(lì)光譜能量發(fā)射成分輻射。
在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，至少采用兩個(gè)鄰近外殼，并由空氣間隙分隔的電極將激勵(lì)信號(hào)耦合至外殼。
在這些實(shí)施例之一中，外殼的外表面具有預(yù)選的形狀，而每個(gè)電極具有的表面形狀是與外殼外表面的形狀互補(bǔ)的。在該實(shí)施例中，電極的表面以與外殼外表面相間隔一個(gè)預(yù)選距離而放置，以便使激勵(lì)能量對(duì)外殼內(nèi)部的耦合效率達(dá)到最高。
這些外殼形狀中有一種是球形的，電極的表面是與外殼外表面的球形相一致的凸出的部分球。
這些外殼形狀中的另一種是圓柱形的，電極的表面是與外殼外表面的圓柱形狀互補(bǔ)的凸出的部分圓柱。
為了在具有上述電極形狀的實(shí)施例的運(yùn)行期間，使在外殼內(nèi)部可能發(fā)生的絲狀放電(不希望有的，且消除穩(wěn)定的針狀流束)成分最小，每一外殼包括一個(gè)附屬在其外側(cè)的細(xì)長(zhǎng)的桿，而放電燈也包括一個(gè)與外殼的細(xì)長(zhǎng)桿連接的旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)以便使外殼繞該桿轉(zhuǎn)動(dòng)。
在球形外殼情況，細(xì)長(zhǎng)桿與此處的固定是使桿的細(xì)長(zhǎng)軸線對(duì)準(zhǔn)外殼的主球形軸線。對(duì)圓柱形外殼，細(xì)長(zhǎng)桿與此處的固定是使桿的拉長(zhǎng)軸線對(duì)準(zhǔn)外殼的圓柱中央軸線。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，外殼具有杜瓦瓶(Dewar)形狀。在杜瓦瓶形狀中，外殼包括主體部分和細(xì)長(zhǎng)的中空桿。主體部分具有帶頂部表面，底部表面和彎曲側(cè)表面的圓柱形外側(cè)，該彎曲側(cè)表面基本與帶孔的每個(gè)頂部和底部表面垂直，并在它們的周邊之間伸展，還具有內(nèi)表面，它確定于主體部分圓柱中央軸線上的頂部和底部表面之間。細(xì)長(zhǎng)的中空桿具有軸線，它是該桿的長(zhǎng)度，桿固定于主體部分的頂部表面，而桿的軸線對(duì)準(zhǔn)主體部分和通過(guò)主體部分所確定孔的圓柱中央軸線。這樣，杜瓦瓶形狀的內(nèi)部空腔的最終形狀是一個(gè)圓柱形環(huán)。為使用以上泛泛說(shuō)明的放電燈的總體系統(tǒng)，激勵(lì)耦合裝置包括兩個(gè)電極。第一電極至少固定在外殼主體部分曲線側(cè)表面的一個(gè)部分，而第二電極至少固定在外殼主體部分內(nèi)表面的一個(gè)部分上。此外，第一和第二電極與激勵(lì)信號(hào)源相連接以完善具有這種類(lèi)型外殼的放電燈。
此外，任何形狀外殼的內(nèi)側(cè)空間可包含一種或多種所選的惰性氣體的再充氣，以便在激勵(lì)能量施加到外殼上時(shí)，促進(jìn)光譜能量發(fā)射成分的激勵(lì)。在本發(fā)明中，再充氣氣體處于小于一個(gè)大氣壓的壓力。所用的惰性氣體是氬、氪和氙。改變?nèi)魏芜@些氣體的再充氣壓力，從而可選擇從外殼發(fā)射的光的峰值波長(zhǎng)和強(qiáng)度，其中，增加所選惰性氣體的再充氣壓力引起從外殼發(fā)射的光譜能量分布在較低的可見(jiàn)光波長(zhǎng)上峰化，而減少所選惰性氣體的再充氣壓力引起從外殼發(fā)射的光譜能量分布在較多的可見(jiàn)光波長(zhǎng)上峰化。
對(duì)本發(fā)明的較低功率的發(fā)射燈，外殼的光譜能量發(fā)射成份充填物在外殼內(nèi)側(cè)空間的每cc體積中可有少于含6mg硫的物質(zhì)。相類(lèi)似，外殼的光譜能量發(fā)射成份充填物在外殼內(nèi)側(cè)空間的每cc體積中至少有含2mg硫的物質(zhì)。
上述一般說(shuō)明的本發(fā)明的另一實(shí)施例提出，可具有射頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)以激勵(lì)外殼的光譜能量發(fā)射成分充填物。該射頻信號(hào)的頻率可小于1GHz。相類(lèi)似，該射頻信號(hào)的頻率至少為10MHz。
對(duì)那些所包括的電極是在外殼外表面的外側(cè)鄰近處的外殼形狀，應(yīng)用電極表面的預(yù)選形狀使電極表面和外殼外側(cè)表面之間的距離達(dá)到最小，結(jié)果使由于外殼外側(cè)表面和電極表面間的空氣間隙引起的射頻能量的無(wú)功耦合成分達(dá)到最小。
在上述一般說(shuō)明的射頻激勵(lì)放電燈的一個(gè)實(shí)施例中，被耦合至外殼內(nèi)側(cè)空間的射頻能量小于每cc內(nèi)側(cè)空間體積為100瓦。相類(lèi)似，在上述一般說(shuō)明的射頻激勵(lì)放電燈的另一個(gè)實(shí)施例中，被耦合至外殼內(nèi)側(cè)空間的射頻能量大于每cc內(nèi)側(cè)空間體積為20瓦。
參考附圖將對(duì)發(fā)明有更好的了解，其中

圖1是本發(fā)明燈的框圖。
圖2是本發(fā)明燈的簡(jiǎn)化局部剖面圖。
圖3a-3c是本發(fā)明采用的三種不同燈泡形狀的三幅局部剖面圖。
圖4a-4f是本發(fā)明發(fā)展期間，被試驗(yàn)的若干種球形燈泡和相關(guān)的射頻(RF)電極的形狀的示意圖。
圖5展示了∑g(Sigmag)和∑u(Sigmau)狀態(tài)時(shí)S2的勢(shì)能曲線，還展示了在這些狀態(tài)下硫的光譜和放電。
圖6是硫在亞大氣環(huán)境中從激勵(lì)開(kāi)始階段至完全激勵(lì)階段的發(fā)射光的光譜曲線圖。
圖7是當(dāng)硫的發(fā)射僅由溫度造成時(shí)的，硫的發(fā)射光譜相對(duì)溫度的圖。
圖8是硫的發(fā)射光譜相對(duì)硫的充填物的光譜漂移圖。
圖9是硫的發(fā)射光譜主要相對(duì)惰性充氣氣體壓力的光譜漂移圖。
圖10是惰性充氣氣體壓力不變時(shí)，不同的硫充填物下的硫的發(fā)射光譜的光譜漂移圖。
最佳實(shí)施例說(shuō)明A.本發(fā)明燈的總論圖1是本發(fā)明硫燈的組成部分的框圖。所示的含硫燈泡10帶有與此結(jié)合的桿12，還帶有與燈泡10的表面分隔一預(yù)定距離的電極14和14’。在本發(fā)明的兩個(gè)實(shí)施例中，燈泡10在電極14和14’之間被旋轉(zhuǎn)馬達(dá)22通過(guò)桿12以預(yù)定速度旋轉(zhuǎn)。在另一實(shí)施例中，射頻信號(hào)以不同的方式施加到燈泡上，對(duì)此下文將討論。也如圖1所示，射頻電源20對(duì)射頻功率放大器18，然后對(duì)定向耦合器17，施加所選頻率。定向耦合器17轉(zhuǎn)而對(duì)射頻電源20提供反饋，對(duì)匹配網(wǎng)絡(luò)16供給射頻功率信號(hào)以便將射頻信號(hào)(在發(fā)展試驗(yàn)期間，采用10MHz至(GHz)施加到電極14和14’。最后，表示成電源24的方框代表當(dāng)?shù)亟涣骰蛑绷麟娫聪到y(tǒng)，用于運(yùn)行旋轉(zhuǎn)馬達(dá)22和射頻電源20。
其次參考圖2，圖中是本發(fā)明硫燈的簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)。這里又一次展示了含硫燈泡10和安裝著的桿12，該桿被旋轉(zhuǎn)馬達(dá)22在兩個(gè)電極14和14’之間旋轉(zhuǎn)。在這里，本發(fā)明燈的射頻網(wǎng)絡(luò)部分由模件26加以表示，該模件包括包含于其中的匹配網(wǎng)絡(luò)16。這里，所示的匹配網(wǎng)絡(luò)16包含與儒可夫斯基線圈(Rogowski coil)引串聯(lián)的射頻線圈30，模件26從燈座28接受電能，當(dāng)該燈座通過(guò)配對(duì)插座(未表示)與當(dāng)?shù)氐碾娏υO(shè)備相連接。(請(qǐng)注意，圖2中的模件26包含圖1中部件16，17，18，20和24的零件)。此外，雖然在這里沒(méi)有表示，但是馬達(dá)22通過(guò)燈座28從電力設(shè)備接受電能。在商業(yè)應(yīng)用中，燈能加以模件化，從而在不同時(shí)間損壞的部分得以單獨(dú)地加以替換，這是一個(gè)節(jié)約成本的因素。例如，參考圖2，這些模件可以是包含帶有連接桿12和電極14及14’的燈泡10的殼體，旋轉(zhuǎn)馬達(dá)22以及射頻激勵(lì)模件26。在圖2中，所示電極14’穿一面壁，該壁將模件26與包含帶電極桿的燈10的區(qū)域分隔開(kāi)，應(yīng)用絕緣器(例如特氟隆，teflon)將該電極桿與模件26的側(cè)壁相絕緣。電極14與模件26的導(dǎo)電殼(即地面)相連接以接通電路。
在本發(fā)明的發(fā)展期間，燈泡10是在精密玻璃加工車(chē)床上，采用氫/氧焰吹制石英燈泡外殼而成的。在發(fā)展過(guò)程期間，已獲悉，在充填硫、惰性氣體和任何其它材料之前，對(duì)燈泡外殼進(jìn)行真空退火將減少在燈的運(yùn)行期間進(jìn)出燈泡壁的物質(zhì)。一旦燈泡10制成，石英桿12對(duì)準(zhǔn)燈泡10的中心，然后被結(jié)合至燈泡10上。
在無(wú)污染硫燈的生產(chǎn)中，真空系統(tǒng)的布置是一個(gè)重要的部分。在本發(fā)明發(fā)展中，主要泵送系統(tǒng)包含一臺(tái)渦輪泵，該泵與4英寸的導(dǎo)管相連接，它引至燈泡充填口和氣體充填物排出系統(tǒng)。一臺(tái)RGA被并聯(lián)地與渦輪泵以及帶燈泡充填口的4英寸導(dǎo)管加以使用，就物理意義上講，該充填口的位置應(yīng)盡可能靠近該4英寸管線以加速泵送和對(duì)可能的污染的仔細(xì)探測(cè)。氣體充填物排出系統(tǒng)直接緊挨充填口而布置，以便使源至燈泡的路徑達(dá)到最小，從而減少來(lái)自系統(tǒng)本身的污染的可能性。充填氣體通過(guò)排出管線中的線圈，再進(jìn)行充填，以便將任何多余的水蒸汽冰凍析出時(shí)，該管線浸沒(méi)在干冰/丙酮槽中。在每套燈被充填之前，使用RGA對(duì)真空系統(tǒng)背景光譜進(jìn)行測(cè)量，以保證在充填之前不存在污染。
還有，在發(fā)展期間，為保證一只燈至下一只燈的再現(xiàn)性和精確對(duì)照，在充填之前，每只燈泡10的球形度和體積都進(jìn)行精確的測(cè)量。在燈泡成形過(guò)程和成形之后，采用了石墨模具，每只燈泡10的體積采用精確注射器對(duì)燈泡充滿液體來(lái)加以測(cè)量。壁厚采用超音速厚度量規(guī)在若干位置上進(jìn)行測(cè)量，而外徑采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于1cc/1mm壁厚的燈，在發(fā)展期間，外徑保持在14.6mm±0.02mm，然而，在生產(chǎn)中，沒(méi)有一項(xiàng)測(cè)量需如此精確地進(jìn)行控制。放置在每只燈中的硫用分析天平進(jìn)行測(cè)量，其刻度為0.1mg水平，容差為±0.05mg。
使用惰性氣體對(duì)燈泡10充填之前，如上所述，氣體通過(guò)冷卻線圈，且當(dāng)氣體存在于泵送系統(tǒng)中時(shí)，進(jìn)行氣體背景光譜的攝制以確保再充氣的純度。雖然它對(duì)運(yùn)行有影響，在生產(chǎn)商業(yè)用燈時(shí)，純度的控制也不必要如下文討論的那樣精確。
在本發(fā)明發(fā)展期間，于硫燈運(yùn)行基期間，采用一只小的直流馬達(dá)22對(duì)硫燈進(jìn)行速度為大致200轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)動(dòng)，該直流馬達(dá)22被安裝在一個(gè)單獨(dú)的鋁部件中。由于在運(yùn)行期間，燈泡10和電極14及14’之間的機(jī)械容差，馬達(dá)必須具有足夠的質(zhì)量以保證穩(wěn)定性。示于圖1和2中的馬達(dá)22采用雙端頭的，安裝在精密滾珠軸承套的兩個(gè)支架之內(nèi)的夾頭與燈桿12相連接。夾頭采用與整個(gè)燈轉(zhuǎn)動(dòng)卡具相連接的振動(dòng)緩沖與馬達(dá)主軸連接，而卡具又采用滑移拉力彈簧安裝在射頻驅(qū)動(dòng)模件26上，使燈泡10得以在電極(14和14’)之間精確定位。在生產(chǎn)中，能達(dá)到同樣效果的其它馬達(dá)設(shè)計(jì)也能應(yīng)用。
發(fā)展期間，射頻功率供電系統(tǒng)包括射頻信號(hào)源20(HP8505A網(wǎng)絡(luò)分析器)，功率放大器18(ENI A-300)和置于腔體16之內(nèi)，與電極14及14’相連接的線圈30。腔體約為7×7×9英寸，具有圍繞圓柱形成的，并采用特氟隆十字接頭構(gòu)件放置在腔體16之內(nèi)的線圈30。線圈30由小直徑銅管制成，它將功率從功率放大器18通過(guò)N型連接器與相應(yīng)的饋電電極14和14’連接。在發(fā)展期間使用的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)饋電電極都通過(guò)置于射頻驅(qū)動(dòng)構(gòu)件前端部的特氟隆薄板，并與接地電極放置成一行，該接地電極通過(guò)鋁十字接頭和4個(gè)鋁支撐與射頻驅(qū)動(dòng)構(gòu)件的外側(cè)相連接。電極的相對(duì)間隔和定位則通過(guò)將饋電和接地電極套絲，并將它們各自與特氟隆和鋁十字接頭固定而獲得。這也盡是本發(fā)明射頻功率供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。在一般的商品燈的生產(chǎn)中，許多其它結(jié)構(gòu)可加以采用。
電極14和14’可由各種導(dǎo)電材料導(dǎo)成，包括黃銅或鍍伯的黃銅，每個(gè)電極14和14’的表面要加以機(jī)加工，以模擬燈泡10的三維球面曲率以便對(duì)燈泡10均勻地施加射頻功率。如下文將討論的，電極14和14’表面的形狀由若干不同因素決定，例如燈泡10的形狀，從電極間由燈泡10散出的光量，以及用以防護(hù)燈泡10的融熔或變形，對(duì)燈泡10和每一電極14以及14’之間的過(guò)度熱斑點(diǎn)的防護(hù)方法。
在發(fā)展中，還進(jìn)一步鑒定，形狀為小尺寸圓球(直徑為10mm至15mm)的燈泡10可提供高度所需的點(diǎn)光源用于進(jìn)行有效的光學(xué)耦合和分布，同時(shí)在燈泡內(nèi)成分和石英外殼之間不存在任何已知的化學(xué)反應(yīng)，這些為格外高度的流明供應(yīng)和多于100,000小時(shí)的潛在長(zhǎng)壽命提供了可能。如此的長(zhǎng)壽命使這種低功率硫燈可能成為建筑物永久能源系統(tǒng)，路燈系統(tǒng)和任何其它應(yīng)用高強(qiáng)度照明的場(chǎng)所的整體部分。這些特性與高度的能量效率相結(jié)合，使本發(fā)明提出的燈對(duì)能源生產(chǎn)和照明社團(tuán)(例如希望通過(guò)更有效，低功率，長(zhǎng)壽命的街道照明系統(tǒng)以降低它們街道照明成本的城市)具有極大的興趣。
B.燈泡幾何形狀其次，圖3a-3c中所示的是三種燈泡10和桿12組件的可能結(jié)構(gòu)。圖3a中燈泡10′的內(nèi)、外兩側(cè)都是球形的，桿12安裝成，在桿12的中心線延伸進(jìn)入燈泡10′時(shí)，它通過(guò)燈泡10’的中心。相類(lèi)似，圖3b中燈泡10″的內(nèi)、外兩側(cè)都是圓柱形的，桿12安裝成，桿12的中心線延伸進(jìn)入燈泡10″時(shí)，它即是燈泡10”的燈泡形狀的中心線。示于圖3a和3b的每只燈結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)成被旋轉(zhuǎn)的。
圖3c中的是杜瓦瓶(Dewar)結(jié)構(gòu)，它不要求旋轉(zhuǎn)，所示燈泡10是一個(gè)內(nèi)、外兩側(cè)都是圓柱形的，具有中央通孔的環(huán)-圓柱環(huán)。桿12′也是一根中空的管，它與通過(guò)燈泡10的中央孔對(duì)準(zhǔn)。在這一結(jié)構(gòu)中，一個(gè)電極覆蓋在燈泡10的外圓柱表面32上，而第二個(gè)電極34覆蓋在通過(guò)燈泡10的中央孔內(nèi)部。在這一結(jié)構(gòu)中，電極32和34起圖1和2中的電極14和14′的作用，并如圖2所示的，在與電極14和14′連接的位置，與射頻部分26連接。在發(fā)展期間，制造了若干種杜瓦瓶式燈以探索使電場(chǎng)發(fā)散成為非零的效果，從而使燈的旋轉(zhuǎn)成為不必要的。在發(fā)展階段，曾對(duì)內(nèi)徑為5mm，外徑為10mm的杜瓦瓶式燈泡10進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。
指出，在旋轉(zhuǎn)球形燈泡10′時(shí)，它通過(guò)科里奧里斯(Coriolis)力提供體積混合效果，這既有助于減少“流束”的形成(即絲狀放電)，也有助于提高燈泡10′內(nèi)的氣體溫度。在這一結(jié)構(gòu)中，氣體溫度主要是電極14和14′提供的電場(chǎng)梯度的函數(shù)，因此，電極與燈泡10′或10″的表面的間距直接影響內(nèi)部氣體的溫度。一種燈泡10′具有直徑為14.6mm，壁厚為1mm，其內(nèi)側(cè)體積為1cc。其它體積為0.6cc和2.0cc，具有不同壁厚的燈泡也進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)。
圖4a-4c展示了三種不同尺寸的球形燈泡10′，它們?cè)诒景l(fā)明發(fā)展階段做過(guò)試驗(yàn)，其中每種展示的燈泡具有1mm的壁厚。在這些圖中還展示了，拈信是相對(duì)相應(yīng)燈泡10′的直徑的壁厚，電極14和14′為最佳的尺寸。
相類(lèi)似，圖4d-4f展示了在本發(fā)明發(fā)展階段進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)的三種不同尺寸的球形燈泡10′，每種展示的燈泡具3mm的壁厚。在這些圖中還展示了拈信是相對(duì)相應(yīng)燈泡10′的直徑和壁厚，電極14和14′為最佳的尺寸。
圓柱形的，1和2cc的燈泡10″曾加以建造以確定燈泡10″內(nèi)硫和氣體的混合效果。由于在圓柱形形狀中不存在強(qiáng)烈的科里奧里斯力，浮力效果得以主宰混合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，假如電極14和14′之間電場(chǎng)梯度低，則這就足夠了。這里還確定，圓柱形電極提供更為均勻的電場(chǎng)梯度，以及潛在低的無(wú)功分量虛部。
c.電極要求已經(jīng)確定，電極14和14′的形狀和布置對(duì)本發(fā)明燈發(fā)射光的效果是至關(guān)重要的，在確定中是高度有影響的，電極的形狀采用對(duì)稱保形(相似)設(shè)計(jì)，它取決于燈泡10的形狀。還觀察到，電極14和14′的熱量增長(zhǎng)，以及燈泡10在電極14和14′之間的定中心，還有燈泡10與電極14和14′之間的間距也有助于燈泡10上熱的熱斑形成的可能性。
D.燈的冷卻如以上對(duì)示于圖3a和3b的球形和圓柱形燈泡10′和10″所作的說(shuō)明。間隔很近的成形于外部的電極14和14′用于激勵(lì)燈泡充填物。此外，在運(yùn)行期間，燈泡10藉助連接桿12在200轉(zhuǎn)/分至6000轉(zhuǎn)/分范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)以便連續(xù)混合燈泡內(nèi)的充填物。這樣，對(duì)具有1cc的內(nèi)側(cè)體積及約14.6mm直徑的燈泡，離其繞著旋轉(zhuǎn)的軸線的最遠(yuǎn)的表面周邊大約以0.55千米/小時(shí)至16.5千米/小時(shí)運(yùn)動(dòng)。
已知，僅僅燈泡10的旋轉(zhuǎn)就能提供燈泡的對(duì)流冷卻。然而，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與燈泡10的表面間距很近的電極14和14′的存在創(chuàng)造了改進(jìn)的冷卻，而這在現(xiàn)有技術(shù)中以此處所示速度旋轉(zhuǎn)的燈泡未曾預(yù)報(bào)。由于電極14和14′的存在造成空氣圍繞燈泡10的流動(dòng)，這導(dǎo)至旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的對(duì)流冷卻效果增加到2∶1倍的范圍。
E.燈泡物理學(xué)硫的化學(xué)性質(zhì)-硫是一種十分活性的物質(zhì)，是第VI屬元素，因此，它快速地形成氧化物、硫化物和鹵化物，其活潑性排除了在燈泡內(nèi)部采用未經(jīng)保護(hù)的金屬電極以產(chǎn)生放電的可能。因此，設(shè)計(jì)了一種低功率的外部裝置以激勵(lì)燈泡中的硫。選擇了石英，因?yàn)樗鼉H由硅和氧組成，在可見(jiàn)光范圍是透明的，在波長(zhǎng)大于5.5微米范圍起黑體作用，并具有高的溫度軟化點(diǎn)和楊氏模數(shù)。
硫蒸汽是由許多多原子形態(tài)，由S16分布至S2，構(gòu)成，其較大的分子是環(huán)形的。所包含硫的固態(tài)形式在硫的熔點(diǎn)，約113℃開(kāi)始汽化。
在技術(shù)中已知，如在本發(fā)明應(yīng)用中，硫化合物的性能和元素硫的相似。
電子態(tài)-曾經(jīng)使用硫二聚物使激光器在紫外線范圍發(fā)射，但在本系統(tǒng)中，由于壓力擴(kuò)寬和氣體的短的路徑長(zhǎng)度，使得增益小于1。硫二聚物是一個(gè)簡(jiǎn)并旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，具有兩個(gè)共享P電子可以采用的唯一線性振動(dòng)態(tài)。眾知周知，硫的∑g態(tài)(見(jiàn)圖5)具有0.080電子伏(eV)的間隔，在＜＜1eV處變成諧波，并終止于3.1eV。硫的上∑u態(tài)(見(jiàn)圖5)具有0.170eV的間隔，在于4.4eV處離解之后，具有9個(gè)能級(jí)。本發(fā)明的獨(dú)特特征是硫基態(tài)至在約2eV處的受激∑g態(tài)的間隔與受激∑g態(tài)至∑u態(tài)具有相似的能量值，所有在可見(jiàn)光譜中是不規(guī)則的。通過(guò)采用在2eV處的峰值能量分布產(chǎn)生受激電子，上述要求的躍遷能十分有效地被泵浦。
運(yùn)行特征-燈泡10由抽空的石英外殼構(gòu)成，外殼填充有元素硫，并具有通常為惰性氣體的起動(dòng)氣體的再充氣。這樣，當(dāng)射頻能通過(guò)電極14和14′施加時(shí)，惰性氣體電離成電子等離子體，它加熱和激勵(lì)硫。惰性氣體在靠近電極14和14′的燈泡內(nèi)表面附近電離，電子從受激惰性氣體向燈泡10的中心擴(kuò)散，其速度確定于瞬間電場(chǎng)和那些電子的碰撞頻率，那些電子具有的碰撞頻率確定于分子密度和電子散射截面。此外，在運(yùn)行條件下，硫是不電離的，它是真正的分子發(fā)射器，具有來(lái)自分子振動(dòng)態(tài)躍遷的可見(jiàn)發(fā)射。硫的分子旋轉(zhuǎn)態(tài)進(jìn)一步將發(fā)射光譜弄模糊，使得最終光譜形成一個(gè)連續(xù)譜。
起弧和加熱-圖6展示了燈泡10接通周期，暴露于射頻激勵(lì)時(shí)，在不同時(shí)間攝取的硫發(fā)射光譜。這些時(shí)間片段是燈接通周期的特征，但其速度取決于射頻功率是如何施加的。最初的兩條光譜(36和38)是接通周期和升溫的早期低壓階段的光譜，且是低振幅的。最低的曲線(36)具有在260納米(nm)復(fù)合峰值的特征，在300至480nm具有帶發(fā)射。當(dāng)熱電子在低硫壓的條件下被高電場(chǎng)梯度產(chǎn)生時(shí)，熱電子具有足夠的能量將硫蒸汽離解成原子硫。原子硫至二原子分子的復(fù)合發(fā)射該離解能(4.4eV)的頻率特征。這里的帶發(fā)射是硫的電子激勵(lì)至其∑u態(tài)以及該態(tài)至基態(tài)和低∑g態(tài)的衰變。硫蒸汽仍是冷的，且基本處于基態(tài)。
第二條光譜38是加熱過(guò)程的繼續(xù)，它表示躍遷階段至運(yùn)行態(tài)。當(dāng)溫度增加時(shí)，由于電子與硫的碰撞，更多的硫被汽化，更高的硫壓力冷卻電子能量分布，從而∑u態(tài)不能由基態(tài)直接達(dá)到，而是需要首先激勵(lì)至∑g態(tài)，然后再激勵(lì)至∑u態(tài)?！苪至∑g受激態(tài)的躍遷按照Franck-Condon的不相容性由于相同的原因比從∑u態(tài)直接至基態(tài)的躍遷有利，受激∑g態(tài)具有長(zhǎng)的壽命(毫秒的100倍)。相反，∑u態(tài)的壽命在納秒范圍。
后幾條光譜40，42和44表示受激硫蒸汽至僅是∑u和至受激∑g態(tài)的發(fā)展，每一所允許的躍遷產(chǎn)生寬峰值的光譜。
圖7是為了比較而加以包括的。這里的光譜發(fā)射是硫在燈泡10中只承受由800℃至1400C范圍的穩(wěn)定，靜止溫度的(沒(méi)有任何射頻激勵(lì))光譜發(fā)射。要指出的是，在1100℃，光譜開(kāi)始在約725nm處發(fā)展頂峰，而當(dāng)溫度增加至1400℃時(shí)，頂峰向下遷移至675nm，且整個(gè)光譜特性曲線的形狀變得更為尖銳。
電離氣體-由于如前指出的硫的活潑性，必須采用惰性氣體作為電離氣體。具體氣體的選擇受制于若干因素放電的容易啟動(dòng)要求氣體具有低的電離勢(shì)(即較重的氣體)；氣體也用作熱保護(hù)層和動(dòng)量傳輸機(jī)構(gòu)以冷卻放電的電子溫度和均衡硫分子；氙具有最低的電離勢(shì)和熱屏障性，但氪對(duì)總體能量效率可能更為有利。
熱量管理-燈泡10的熱量管理對(duì)本發(fā)明燈的總體效率是重要的。在發(fā)展階段，深信對(duì)具有低的硫充填燈泡，燈泡10的最低溫度是約為350至375℃。要求之一是將黑體和對(duì)流損失保持為最小。為此有三種可能的方法。第一種，通過(guò)增加熱阻抗(即加厚燈壁)來(lái)減少氣體對(duì)空氣交界面的熱傳導(dǎo)損失。第二種，采用有選擇能力的鍍層以抑制大于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的輻射損失，并改變燈表面對(duì)所有長(zhǎng)波的發(fā)射率。第三種，在電極高電場(chǎng)區(qū)的外側(cè)采用具有適當(dāng)鍍層的二次光學(xué)套。
壁厚-還確定，加厚燈壁是一個(gè)折衷選擇的問(wèn)題。使燈泡效率達(dá)到最高的關(guān)鍵是減少熱損失，因?yàn)闊襞荼?一些壁)至少達(dá)到450℃，以便將硫維持在氣體的二聚物狀態(tài)。對(duì)于低功率的燈泡，熱量管理可通過(guò)較厚的玻璃壁來(lái)完成。較厚的燈壁將在燈壁中產(chǎn)生較大的熱梯度，它轉(zhuǎn)而又給出較低的外壁溫度。這有助于減少對(duì)流熱損失。但是，氣體溫度是電子能量的函數(shù)。這樣，假如在內(nèi)燈泡壁存在高的電場(chǎng)強(qiáng)度，即使氣體壓力是高的，將產(chǎn)生熱電子，局部地加熱氣體，并產(chǎn)生等離子體流束-共結(jié)果是效率的損失。較厚的壁，除去有熱量管理效果外，還增加電極14和14′離開(kāi)燈泡10所要求的有效間距，這要求有較高的射頻場(chǎng)勢(shì)能。其結(jié)果是增加無(wú)功阻抗，它抵銷(xiāo)有效的射頻耦合，這樣，在壁厚和電極阻抗之間存在一個(gè)平衡關(guān)系，這取決于要求所確定最佳厚度時(shí)的等離子體的導(dǎo)電率，它平衡燈的效率和等離子體穩(wěn)定性。
氣體力學(xué)-在燈泡10的內(nèi)表面，電場(chǎng)強(qiáng)度是向著導(dǎo)電的等離子體鞘層增加的，鞘層是一個(gè)電離區(qū)。惰性氣體電離，電子由于它們的高遷移率開(kāi)始擴(kuò)散，但是，高頻電場(chǎng)是交變得如此之快，以致在射頻波形的單個(gè)周期內(nèi)，電子不會(huì)移動(dòng)一個(gè)相當(dāng)?shù)木嚯x，然而，電子能從電場(chǎng)獲得足夠的能量與硫分子碰撞，且激勵(lì)它們。在鞘層區(qū)域和旋轉(zhuǎn)的燈泡10中加強(qiáng)的電子密度提供擴(kuò)散勢(shì)能。由于在等離子體主體中的惰性氣體是不遭受足夠高的電場(chǎng)梯度以進(jìn)行電離的，這樣，惰性氣體的復(fù)合主要發(fā)生于鞘層區(qū)域，使用顯微鏡分光計(jì)對(duì)該區(qū)域進(jìn)行掃描，給出一個(gè)弱的惰性氣體光譜。
氣體循環(huán)-電子對(duì)硫蒸汽的轟擊加熱氣體，燈泡10的旋轉(zhuǎn)引起垂直旋轉(zhuǎn)軸，向著燈泡10壁內(nèi)表面的向心力。由于密度梯度，熱氣體由于“漂浮”向著旋轉(zhuǎn)軸線響應(yīng)，而當(dāng)氣體由于輻射而冷卻時(shí)，它從旋轉(zhuǎn)軸線向著極區(qū)噴出。由此處氣體沿內(nèi)燈泡壁回轉(zhuǎn)，返回至電離區(qū)域，重復(fù)循環(huán)?？评飱W里斯力將氣體混入等離子體，使其強(qiáng)度顯得相對(duì)均勻。輻射光分布的測(cè)量給出，下極相對(duì)對(duì)重力而言的上極稍為亮一些，因?yàn)檩^重的成分沉至燈泡10的內(nèi)側(cè)的“底部”，給出較稠密的二聚物生產(chǎn)區(qū)。
CO2除垢-作為本發(fā)明的一部分，已確定，在燈泡10內(nèi)的附加CO2充填物能降低工藝的衛(wèi)生要求。向惰性氣體添加CO2得以在運(yùn)行條件下使燈泡10內(nèi)部的任何有機(jī)化合物與CO2除垢劑氧化，減少在燈泡10內(nèi)部可能存在的元素碳。由于減少了元素碳，元素碳在內(nèi)側(cè)燈表面上的鍍層析出降低，從而有效地消除了對(duì)燈的放電路徑的潛在分流電阻成分。
相對(duì)硫充填物的頂峰光譜波長(zhǎng)如圖8所示，當(dāng)硫充填物增加(2.8mg/cc至4.9mg/cc)，而燈泡10′內(nèi)的其余保持同等條件(50Torr氬)時(shí)，光譜頂峰頻率(發(fā)射波長(zhǎng)的倒數(shù))和頂峰發(fā)射的強(qiáng)度都減少。這樣，硫充填物的量可用于將輻射(可見(jiàn))光譜中的光譜極大值由近紫外線位移至近紅外(在實(shí)驗(yàn)中指出，光譜峰值可在約400nm至700nm之間變化)。此外，還觀察到，當(dāng)硫充填物增加時(shí)，光譜峰值寬度展寬，或變平，而在燈如圖8那樣充填時(shí)，當(dāng)展寬的光譜峰值位于480nm，燈泡10′中的硫充填物為2.8mg/cc，氬為50Torr時(shí)，發(fā)生峰值輻射度效率(光譜峰值處發(fā)射的最高強(qiáng)度)。因此，可以看到，對(duì)于本發(fā)明的低功率硫燈，硫充填物的改變可使光中的帶白的顏色以及發(fā)光效率有大的分布。
燈的特性-由以上討論可見(jiàn)，本發(fā)明的硫燈是一種十分高效，長(zhǎng)壽命的照明源。根據(jù)發(fā)展階段進(jìn)行的各種試驗(yàn)確定，適當(dāng)考慮影響效率的所有因素，本發(fā)明燈將輸入能轉(zhuǎn)換至帶白色的光的效率大于60％-目前可使用燈的最高效率(不同于低壓納燈，它發(fā)射單色的黃光，這對(duì)大部分照明應(yīng)用，由于其低的顏色再現(xiàn)，一般是不適用的)當(dāng)輸入功率在燈泡10的20至100瓦/cc范圍。
對(duì)本發(fā)明的燈效率有益的因素之一是射頻耦合的質(zhì)量，它用于將能量從電極輸送至燈泡。如上所述，空氣間隙越小，這大大有助于燈系統(tǒng)內(nèi)的阻抗匹配，-阻抗匹配就越好。
此外，球形燈的形狀產(chǎn)生一種非常高強(qiáng)度的點(diǎn)光源，它可用簡(jiǎn)單光學(xué)加以處理。這與硫燈的光譜靈活性一起，使它可能產(chǎn)生光合作用以及高輸出的白晝光照燈。
光譜特性-在相似的試驗(yàn)中，觀察到，當(dāng)硫充填物從2mg/cc增加至5mg/cc，且具有10Torr的低惰性氣體再充氣時(shí)，光譜輸出曲線的一般形狀從蘭色(較低的波長(zhǎng))偏移至紅色(較高的波長(zhǎng))。采用200至500Torr的氪或氙進(jìn)行再充氣，并將硫充填物降至2至4mg/cc，出現(xiàn)同樣的偏移并具有光譜峰值的變平，而白光在硫?yàn)?.2mg/cc，Kr的充氣為500Torr時(shí)產(chǎn)生。這顯示，本發(fā)明硫燈的光學(xué)行徑反比于硫充填物的濃度，而正比于惰性氣體的充氣氣壓，而在商品范圍中，硫充填物大約在2-6mg/cc。
所包含的圖10是為了展示，在惰性氣體的再充氣壓力保持在氪為200Torr時(shí)，各種硫充填物對(duì)光譜響應(yīng)的影響。這里，所使用的硫充填物是2.9mg/cc，3.8mg/cc和5/0mg/cc。如圖10所示，峰值的光譜響應(yīng)分別為480nm，510nm和560nm。
圖9展示了惰性氣體再充氣壓力從氪的10Torr增加至500Torr的影響，這時(shí)硫充填物從對(duì)較低的惰性氣體再充氣壓力的3.3mg/cc降至對(duì)較高的惰性氣體再充氣壓力的2.7mg/cc。圖9中顯示，頂峰特性出現(xiàn)于最低的硫充填物和最高的惰性氣體充氣，即2.7mg/cc的硫，和500Torr的氪。
這樣，各種硫充填物的濃度，包括2mg/cc至5mg/cc的那些濃度，都可在本發(fā)明燈中應(yīng)用。此外，對(duì)具體的燈，應(yīng)用或要求的燈的光譜輸出，可進(jìn)行具體濃度水平的優(yōu)化。
F.應(yīng)用一般照明-硫燈的若干實(shí)施例的旋轉(zhuǎn)要求建議，可以不同于目前使用的其它燈的方式，將這些燈用于一般照明目的。這樣，這些燈將把它們本身，interalia，貢獻(xiàn)于單獨(dú)光源的面積照明，例如，在使用時(shí)可放置一個(gè)鏡子類(lèi)型的散焦光束發(fā)散器，從而其焦點(diǎn)位于硫燈的點(diǎn)光源發(fā)射表面附近。這樣的組合將在一個(gè)大的表面區(qū)域產(chǎn)生非常均勻的照明以便降低天花板高度。
放映光源-至于進(jìn)一步的應(yīng)用，諸如本發(fā)明的硫燈，高亮度的點(diǎn)光源和能向蘭色光傾斜的平坦光譜的組合是放映光源的理想燈。作為單獨(dú)的光源，它包含完全的可見(jiàn)光譜，將光束二色分裂成三色通道，將它們調(diào)制，然后重新結(jié)合成具有色平衡的可掃描光束是一個(gè)制造便宜的放映電視的好方法。
顯示照明-另一個(gè)特殊的應(yīng)用是應(yīng)用硫燈的平坦的光譜特性以提高商店櫥窗和場(chǎng)地顯示的可見(jiàn)度特性。
應(yīng)理解到，上述相對(duì)如圖1和2所示的本發(fā)明燈泡10′的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行也可延伸至圖3b-3c中二種另外的燈泡形狀，也可延伸至可能設(shè)計(jì)出的其它形狀，而不管旋轉(zhuǎn)與否。此外，相對(duì)本發(fā)明燈泡充填物材料的討論不僅可適用于元素硫，也適用于硫化合物以及其它元素和化合物，只要其特性與硫的相似，諸如硒和硒化合物。
雖然上述討論企圖說(shuō)明和展示本發(fā)明的若干不同實(shí)施例和裝置，但不可能展示或預(yù)測(cè)本發(fā)明的所有實(shí)施例和應(yīng)用。然而，對(duì)本技術(shù)有經(jīng)驗(yàn)之士，對(duì)各種其它實(shí)施例和應(yīng)用進(jìn)行必要的改變是顯然的。因此，對(duì)本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于上述討論的范圍，只要在所附權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種放電燈，它用于輻射光譜能量分布，所述放電燈包括；光可透射外殼，該外殼確定內(nèi)側(cè)空間和球形外側(cè)表面，所述內(nèi)側(cè)空間裝載有光譜能量發(fā)射成分的充填物材料，它至少由含硫物質(zhì)、含硒物質(zhì)和所述物質(zhì)的組合中的一種組成；電磁激勵(lì)信號(hào)源；和一對(duì)電極，該對(duì)電極與所述電磁激勵(lì)信號(hào)源耦合，放置在所述外殼的所述球形外側(cè)表面之外的鄰近處，以便將電磁能量引入所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間，去激勵(lì)所述光譜能量發(fā)射成分，所述兩個(gè)電極中的每一個(gè)包括凸出的部分球形形狀的表面，該球形形狀表面與所述外殼的所述球形外側(cè)表面互補(bǔ)，每一電極的所述表面靠近所述外殼的外側(cè)表面而放置，并與該外側(cè)表面相隔一預(yù)定距離。
2.一種放電燈，它用于輻射光譜能量分布，所述放電燈包括；光可透射外殼，該外殼確定內(nèi)側(cè)空間和圓柱形外側(cè)表面，所述內(nèi)側(cè)空間裝載有光譜能量發(fā)射成分的充填物材料，它至少由含硫物質(zhì)、含硒物質(zhì)和所述物質(zhì)的組合中的一種組成；電磁激勵(lì)信號(hào)源；和一對(duì)電極，該對(duì)電極與所述電磁激勵(lì)信號(hào)源耦合，放置在所述外殼的所述圓柱形外側(cè)表面之外的鄰近處，以便將電磁能量引入所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間，去激勵(lì)所述光譜能量發(fā)射成分，所述兩個(gè)電極中的每一個(gè)包括凸出的部分圓柱形形狀的表面，該圓柱形形狀表面與所述外殼的所述圓柱形外側(cè)表面互補(bǔ)，每一電極的所述表面靠近所述外殼的外側(cè)表面而放置，并與該外側(cè)表面相隔一預(yù)定距離。
3.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈還包括細(xì)長(zhǎng)桿，它固定在所述外殼上；和旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，它與所述外殼的所述細(xì)長(zhǎng)桿連接，用于使所述外殼繞所述桿轉(zhuǎn)動(dòng)。
4.如權(quán)利要求3所述的放電燈，其中所述外殼的所述旋轉(zhuǎn)冷卻所述外殼，靠近所述外殼放置的所述電極在該外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)提供的所述外殼的空氣流動(dòng)冷卻要比沒(méi)有所述電極的所述外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的所述外殼的空氣流動(dòng)冷卻強(qiáng)。
5.一種放電燈的冷卻方法，該放電燈輻射光譜能量分布，所述燈具有光可透射外殼，并在電磁激勵(lì)環(huán)境中運(yùn)行，該外殼確定內(nèi)側(cè)空間和球形或圓柱形的外側(cè)表面，所述冷卻方法包括a.將一根細(xì)長(zhǎng)桿固定至所述外殼上；b.將一對(duì)電極靠近所述外殼的所述球形或圓柱形外側(cè)表面，并與該外側(cè)表面相隔一預(yù)定距離而放置，所述電極對(duì)中的每一個(gè)包括與所述外殼的所述外側(cè)形狀相互補(bǔ)的凸出形狀的表面以便將所述電磁環(huán)境與所述外殼耦合；和c.旋轉(zhuǎn)所述細(xì)長(zhǎng)桿以使之旋轉(zhuǎn)所述外殼，從而冷卻具有放置在近處的電極的所述外殼，這時(shí)提供的所述外殼的空氣流動(dòng)冷卻要比沒(méi)有所述電極的所述外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的所述外殼的空氣流動(dòng)冷卻強(qiáng)。
6.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間裝載有光譜能量發(fā)射成分的材料，該材料是每cc所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間體積含小于6mg硫的物質(zhì)。
7.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間裝載有光譜能量發(fā)射成分的材料，該材料是每cc所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間體積至少含2mg硫的物質(zhì)。
8.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中由所述電極所接受的所述電磁能量具有小于1GHz，但至少為1MHz的頻率。
9.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述電極對(duì)將每cc所述內(nèi)側(cè)空間體積的小于200瓦的電磁功率耦合至所述外殼的內(nèi)側(cè)空間。
10.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述外殼用壓力小于1個(gè)大氣壓的惰性氣體進(jìn)行再充氣。
11.如權(quán)利要求10所述的放電燈，其中所述惰性氣體至少是氬、氪和氙中的一種。
12.如權(quán)利要求10所述的放電燈，其中所述惰性氣體和該惰性氣體的再充氣壓力中的每一項(xiàng)均可加以選擇以控制從所述外殼發(fā)射的所述光譜能量分布的峰值強(qiáng)度和波長(zhǎng)。
13.如權(quán)利要求12所述的放電燈，其中，當(dāng)所述惰性氣體的再充氣壓力增加時(shí)，所述放電燈的光譜能量分布的輸出峰值的相應(yīng)光譜波長(zhǎng)減小。
14.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述兩個(gè)電極的表面的所述預(yù)選形狀要使所述電極表面與所述外殼的所述外側(cè)表面之間的耦合距離達(dá)到最小，這造成由所述外殼的外側(cè)表面與所述電極表面之間的空氣間隙引起的所述電磁能量的無(wú)功耦合分量達(dá)到最小，所述形狀的所述放電燈的電磁運(yùn)行頻率也由此確定。
15.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述外殼是由石英制成的。
16.如權(quán)利要求1或2所述的放電燈，其中所述外殼還包括CO2的附加充填物，用以氧化任何有機(jī)化合物，從而減少可能存在在所述外殼之內(nèi)的任何元素碳。
17.一種放電燈，它用于輻射光譜能量分布，所述放電燈包括光可透射外殼，該外殼確定內(nèi)側(cè)空間，包括主體部分，該主體部分具有帶頂部表面、底部表面和彎曲側(cè)表面的圓柱形外側(cè)，該彎曲側(cè)表面與所述頂部和底部表面中每一個(gè)基本垂直，并在這兩個(gè)表面的周邊之間伸展，還確定一個(gè)孔，它具有在所述主體部分圓柱形中央軸線上，位于所述頂部和底部表面之間的內(nèi)表面；和細(xì)長(zhǎng)中空桿，該桿具有為所述桿長(zhǎng)度的軸線，所述桿固定在所述頂部表面，且所述細(xì)長(zhǎng)中空桿的軸線對(duì)準(zhǔn)所述主體部分和通過(guò)所述主體部分而確定的所述孔的圓柱中央軸線；其中所述外殼確定一個(gè)圓柱形的環(huán)狀內(nèi)側(cè)空間；電磁激勵(lì)信號(hào)源；和一對(duì)電極，它們與所述電磁信號(hào)源耦合，所述電極對(duì)包括所述電極對(duì)的第一電極，它至少鄰近所述外殼的所述主體部分的所述曲彎側(cè)表面的一個(gè)部分；和所述電極對(duì)的第二電極，它至少鄰近所述外殼的所述主體部分的所述內(nèi)表面的一個(gè)部分。
18.如權(quán)利要求17所述的放電燈，它在所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間內(nèi)部還包括光譜能量發(fā)射成分的充填物，該充填物至少由含硫物質(zhì)、含硒物質(zhì)和所述物質(zhì)組合之中的一種構(gòu)成。
19.如權(quán)利要求17所述的放電燈，該放電燈還包括旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)與所述外殼的所述細(xì)長(zhǎng)桿連接用以將所述外殼繞所述桿轉(zhuǎn)動(dòng)。
20.一種燈的燈泡，用于提供可見(jiàn)光輻射，在運(yùn)行時(shí)，包括光可透射外殼，該外殼確定內(nèi)側(cè)空間，所述外殼包括主體部分，該主體部分具有帶頂部表面、底部表面和彎曲側(cè)表面的圓柱形外側(cè)，該彎曲側(cè)表面與所述頂部和底部表面中每一個(gè)基本垂直，并在這兩個(gè)表面的周邊之間伸展，還確定一個(gè)孔，它具有在所述主體部分圓柱形中央軸線上，位于所述頂部和底部表面之間的內(nèi)表面；和細(xì)長(zhǎng)中空桿，該桿具有為所述桿長(zhǎng)度的軸線，所述桿固定在所述頂部表面，且所述細(xì)長(zhǎng)中空桿的軸線對(duì)準(zhǔn)所述主體部分和通過(guò)所述主體部分而確定的所述孔的圓柱中央軸線；其中所述外殼確定一個(gè)圓柱形的環(huán)狀內(nèi)側(cè)空間；和在所述外殼內(nèi)部的光譜能量發(fā)射成分的充填物，該充填物至少由含硫物質(zhì)、含硒物質(zhì)和所述物質(zhì)組合中的一種構(gòu)成。
21.如權(quán)利要求20所述的燈的燈泡還包括第一電極，它至少鄰近所述外殼的所述主體部分的所述彎曲側(cè)表面的一個(gè)部分；和第二電極，它至少鄰近所述外殼的所述主體部分的所述內(nèi)表面的一個(gè)部分。
22.一種放電燈，它用于輻射光譜能量分布，所述放電燈包括光可透射外殼，該外殼確定內(nèi)側(cè)空間和圓柱形外側(cè)表面，所述內(nèi)側(cè)空間裝載有光譜能量發(fā)射成分的充填物材料，它至少由含硫物質(zhì)、含硒物質(zhì)和所述物質(zhì)的組合中的一種組成；電磁激勵(lì)信號(hào)源；和一對(duì)電極，該對(duì)電極與所述電激磁勵(lì)信號(hào)源耦合，放置在所述外殼的所述圓柱形外側(cè)表面之外的鄰近處，以便將電磁能量引入所述外殼的所述內(nèi)側(cè)空間，去激勵(lì)所述光譜能量發(fā)射成分，所述兩個(gè)電極中的每一個(gè)包括凸出的部分圓柱形形狀的表面，該圓柱形形狀表面與所述外殼的所述圓柱形外側(cè)表面互補(bǔ)，每一電極的所述表面靠近所述外殼的外側(cè)表面而放置，并與該外側(cè)表面相隔一預(yù)定距離，其中被所述電極對(duì)所接受的電磁能量所具有的頻率小于1GHz，但至少為10MHz，所述電極對(duì)將每cc所述內(nèi)側(cè)空間體積的小于200瓦的電磁功率耦合至所述外殼的內(nèi)側(cè)空間；細(xì)長(zhǎng)桿，它固定在所述外殼上；和旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，它與所述外殼的所述細(xì)長(zhǎng)桿連接，用于使所述外殼繞所述桿轉(zhuǎn)動(dòng)，其中所述外殼的所述旋轉(zhuǎn)冷卻具有放置在近處的電極的所述外殼，這時(shí)提供的所述外殼的空氣流動(dòng)冷卻要比沒(méi)有所述電極的所述外殼轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的所述外殼的空氣流動(dòng)冷卻強(qiáng)。
全文摘要
一種高強(qiáng)度無(wú)汞放電燈(10)，它被發(fā)明以輻射被選擇的光譜，從裝載含硫物質(zhì)的外殼發(fā)出的光譜幾乎完全位于可見(jiàn)光范圍。燈應(yīng)用發(fā)生激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)源(20)，它在外側(cè)與外殼(10)的外側(cè)表面相耦合以激勵(lì)所裝載的含硫物質(zhì)。燈(10)的各種實(shí)施例采用鄰近外殼(10)的電極(14，14′)以便將激勵(lì)信號(hào)(20)與此耦合，電極(14，14′)的表面成形成與外殼(10)的外側(cè)表面的形狀相互補(bǔ)。所討論的兩種形狀是球形(10′)和圓柱形(10″)。為使絲狀放電達(dá)到最小，每只外殼(10)可包括一根固定在其外側(cè)的細(xì)長(zhǎng)桿(12)，從而旋轉(zhuǎn)子系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)外殼(10)。在還有另一實(shí)施例中，外殼(10″)具帶兩個(gè)電極(32，34)的杜瓦瓶形狀，一個(gè)電極放置在主體外彎曲側(cè)表面的附近，而另一電極放置在通過(guò)外殼的孔的內(nèi)表面。此外，外殼可包含被選惰性氣體的再充氣。以助長(zhǎng)燈的激勵(lì)，再充氣在低于1個(gè)大氣壓的壓力下進(jìn)行。
文檔編號(hào)H05B41/16GK1156532SQ95193022
公開(kāi)日1997年8月6日 申請(qǐng)日期1995年4月6日 優(yōu)先權(quán)日1995年4月6日
發(fā)明者喬治·加博爾, 托馬斯·羅伯特·奧爾, 查爾斯·莫里斯·格林, 道格拉斯·格登·克勞福德 申請(qǐng)人:加利福尼亞大學(xué)董事會(huì)