CN1950926A - 具有回旋加速器谐振的光源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光源，其包括发射器(4)，通过至少一根天线(3)，在密封腔体(1)内产生超高频电磁波，并且给灯提供电力。腔体(1)具有透光壁，并且装有低压气体。永磁铁(2)在腔体内产生静磁场。静磁场和电磁波频率各自的值确定为使得在腔体(1)内引起电子回旋加速谐振。发射器(4)、天线(3)和磁铁(2)设置成与腔体(1)相关联，这样使光线以至少2П球面度的立体角散射。天线(3)可以设置在腔体(1)内，而且可以选择性地由磁铁(2)形成。磁铁基本上由腔体(1)包围。

Description

具有回旋加速器谐振的光源

技术领域

本发明涉及一种由超高频产生的光源，其包括发射器，通过至少一根天线，在具有透光壁且装有低压气体的密封腔体内，产生超高频电磁波，该光源包括设计成在腔体内产生静磁场的磁装置，静磁场和电磁波频率各自的值预先确定来使得在腔体内引起电子回旋加速谐振。

背景技术

由超高频产生的可见或紫外光源，传统上包括发射器，其在对光透明且装有低压气体的密封腔体内产生超高频电磁波。该气体可以被电离，而电子通过超高频放电加速。高能电子电离该气体，以产生固定的等离子体。当电子和离子发生碰撞时，发射出光辐射。

文件GB2375603描述了一种紫外光源，其包括控制装置，该控制装置能优化发出的紫外线强度，特别在紫外线光谱的UVC波段。

文件US6657206描述了一种产生紫外辐射的系统，其包括微波腔体，其中置有等离子灯。微波发生器耦接到微波腔体，以激发在等离子灯中的等离子体，后者因此发出紫外线。

紫外线用来刻划、摄像、印刷、消毒或产生臭氧。在大多数应用中，要求强的亮度。然而熟知的光源通常是低发光效率或因有限的寿命而成本高。

此外，传统的基于气体放电的光源包括与等离子体接触的电极。由于等离子体的离子轰击造成的电极磨损限制了光源的寿命。

例如，文件GB1020224描述了一种具有电子回旋加速谐振的紫外线灯，该灯设计成在高温和远紫外线下生成特殊的等离子体。该等离子体产生在装有低压气体的放电管中。两个电极设置在该管内，以通过低频辅助放电生成等离子体。两个线圈围绕在放电管外围，且生成轴向磁场，基本上把等离子体限制在管的中心轴上。该管通过与高频源连接的波导侧壁，以垂直于磁场发射电磁辐射到等离子体中。通过设置在电极之一的中心的孔发出平行紫外线束。此灯很难实现。

文件US3911318描述了用于产生高功率电磁辐射即紫外线和可见光的方法和设备。该设备由能使紫外线逃逸的石英或熔融氧化硅制成的等离子体管内产生射频场的射频发生器提供。管内气体压力足以维持微波产生的等离子体。该设备包括赫尔姆霍茨线圈，以在管内生成静磁场。作为波导的网罩(meshed shield)能限制射频辐射。该设备仅能在有限的立体角内发光。另外，该设备体积很大。

发明内容

本发明的目的是补救这些缺点，特别是提供一种无电极的光源，且特别是紧凑的紫外线光源，提供强的光亮度并呈现高效率。

根据本发明，该目的由权利要求予以实现，并且特别是，借助于由至少一块被腔体基本上包围的永磁铁形成的磁装置，以及相对于腔体设置的发射器、天线和磁铁来予以实现，从而光线以至少2П球面度的立体角散射。

附图说明

参照附图，通过对示范性实施例的详细描述，本发明的其它优点和特征将变得更为显见，其中：

图1到5以截面视图的形式呈现的根据本发明的光源的五个特定实施例。

图6呈现了3个根据本发明具体实施例的产生光源的射频功率与时间的对比图。

具体实施方式

图1所示的光源包括密封腔体1，其基本上为球泡形状，具有对光透明的外壁。腔体1装有低压气体，例如一种或多种总压力为2μ巴(2μbar)的稀有气体，氘或金属蒸汽，如钠、锌或汞。当气体是汞蒸汽时，腔体1内的压力可以是室温下的汞蒸汽压力，大约2μ巴。腔体1的壁可以仅对要求的频谱波段透明，例如在可见波段或紫外线波段。典型地，用于光源的材料有截止(cut-off)波长，位于电磁频谱的紫外线波段，例如150nm。

在图1中，单独的永磁铁2和天线3连接到发射器4上，以密封的方式穿透入到腔体1内。然后，永磁铁2和天线3部分设置在腔体1内，部分在腔体1外。设置在腔体1外的部分设置在围壳5中，该围壳也把发射器4罩在其中。后者例如可以是与用于便携式电话机那些类型相同的磁控管或基于晶体管的发射器，其能在例如3V的低压下工作。发射器的功率根据发射器的类型，例如包括在1W到300W之间。

磁铁2在腔体1内生成静磁场。发射器4使得光源能由腔体1中产生的超高频电磁波产生。超高频电磁波能使气体电离并且使电子加速。超高频电磁波的频率包括在300MHz到300GHz之间。

在静磁场中，电子受到垂直于它们的速度的力。因此在已知的形式中，电子的路径呈现为圆或螺旋形式，这是因为回转磁半径与磁场成反比且回旋加速频率与磁场成正比。从而电子由静磁场限制。

回转磁半径和回旋加速频率原则上仅在均匀场内定义，而磁铁2生成的磁场，其尺寸与腔体1的大致相同，事实上在腔体1中呈现出梯度。然而，回转磁半径和回旋加速频率使得能估计特定量级的幅度，特别是静磁场和电磁波频率各自的值。这些值预先确定为，使得在腔体内至少在位于腔体内的谐振区引起电子回旋加速谐振。

磁场必须足够强，以使回转磁半径小于腔体1的尺寸。大约0.1特斯拉的磁场，例如能使电子限定在几分米尺寸的腔体1内，其符合典型的光源尺寸。在0.1特斯拉磁场区的回旋加速频率大约为2GHz。

当超高频电磁波频率对应于回旋加速频率时，获得谐振效果。在静磁场B和超高频电磁波频率f之间的谐振关系为B＝f.2.П.m/e，仅决定于电子的质量m和电荷e的比率。当静磁场是0.1特斯拉时，则超高频电磁波频率大约是2GHz。从而在腔体内获得电子回旋加速谐振。静磁场优选为0.0875特斯拉，而超高频电磁波频率是2.45GHz，此为超高频源常用的频率。由于静磁场呈现出梯度，谐振条件未必在腔体的整个空间都满足。最大的谐振区可以是任何形状，由静磁场和超高频电磁波的分布决定。腔体形状优选选择成适合所使用的磁铁2的磁场，而且天线3的分布以这种方式设置，使得由腔体1所限定的整个空间接收超高频电磁波。

应该注意的是，由于电磁波的作用，电子理论上可以获得或失去能量，这取决于它们相对于波的电场的速度的方向。另外，在谐振区，电子与等离子体的离子的碰撞。然而，由于电子受静磁场限制，在电磁波作用下多次通过该区域之后，电子的能量平衡是正值，且可以包括在每电子1电子伏特到几十个电子伏特之间，例如50eV。该平衡决定光源的电源。然后在可见频谱特别在紫外线频谱中，在与离子的辐射非弹性碰撞过程中释放出能量。

超过每瓦特100流明的光源发光效率比熟知的光源高很多，从而能在低功率下获得预定的发光度。

在光源的启动阶段，加速的电子更大程度地电离气体，以增加电子密度。然而，在熟知的方式中，等离子体作为低于等离子体截止频率的频率的屏障(screen)，其取决于在等离子体中的电子密度的平方根。随着在启动阶段期间密度的增加，截止频率以相应的方式增加，直到截止频率达到注入的超高频电磁波的频率值为止。然后，等离子体达到饱和电子密度，典型地在几十微秒之后。启动所需的最小压力为大约0.4μ巴。

在图1所示光源中，发射器4、天线3和磁铁2相对于腔体1设置，其设置方式使得为光以大的立体照射角释放，大于2П球面度。确实，在图1中，光L都在旋转轴R周围发出。仅围壳5限制了光源的立体照射角。由此获得了大的照明区域。光源呈现出能在低温下运行的优点，例如在室温下。然而，最大强度在较高温度下获得，例如大约40℃。

在图1中，腔体1基本上围绕磁铁2和天线3，这能使得位于腔体内的气体有效地吸收天线3发出的电磁辐射。此外，设置在腔体1中的谐振区自动地形成辐射屏蔽，这能限制在光源外的超高频电磁辐射。

光源提供在可见光频谱和紫外线频谱中的辐射，对应于气体原子和离子的发射线。非电离汞原子的254nm线可以达到标准紫外线灯的亮度的十倍。波长小于200nm的离子发射谱线特别强烈。一次电离的汞原子光线，具有164.9nm和194.2nm的波长，比254nm的非电离汞原子射线大约强烈5倍。选择腔体内气体和压力能使光源谱适合于它的使用，特别要适合所需的紫外线领域。例如，压力越高，长波的光线发出越多，也就是非电离原子发射线占优势。知道了组成气体的原子的原子光谱和一次或几次电离的原子的离子光谱，如此就能获得所需的辐射。所产生的辐射由对应的原子和离子线来表征。

为构成可见光源，如图1所示，腔体1可以包括荧光涂层6，用于把紫外线辐射转化成可见光辐射。

在图2所示的光源中，磁铁2同时构成发射器4的天线3。腔体1包括磁铁2的外壳7。因此，磁铁2完全位于腔体1的外面，且当光源运行时，不受等离子体作用的影响。因为腔体1基本上包围形成天线3的磁铁2，所以光线总是大的立体角发出。如图2所示的光源包括抗超高频辐射的精密保护网8，能使发射器4甚至在高功率运行的情况下符合安全标准。这样的网8也可以提供给图1的实施例和下面描述的其他实施例。精密网8可以如图2所示设置在腔体1的外面，或在腔体1内，以包围设置有天线3的谐振区。

在图3所示的具体实施例中，磁铁2和发射器4的天线3完全设置在腔体1内。因此，磁铁2和天线3完全由气体围绕，不会类似于光源辐射的立体角。仅围壳5限制了照明区域。在图3中，腔体1包括在腔体1的壁的内表面或外表面上的透明导体涂层9，围绕着天线3，从而形成抗超高频辐射的保护罩。

在图4所示的具体实施例中，腔体1呈管状，且四块磁铁2设置在管状腔体1的末端，在腔体1内且在腔体中心轴的每一侧，以为等离子体的电子和离子生成磁捕集器。形成这样的捕集器至少需要2块磁铁2。在所示的具体实施例中，天线3沿腔体1设置在其一侧上。管状腔体1能在大立体角获得光，至少等于2П球面度。

如果注入电磁波的波长和静磁场适应于光源的尺寸，根据本发明的光源可以具有任何尺寸，且更特别地具有很小的尺寸。因此，在图1到3所示的光源例如有大约1厘米的尺寸，电磁波的频率为大约30GHz，并且静磁场为大约1特斯拉。超高频发射器4可以例如包括提供小于或等于1瓦特功率的微电子电路。多个光源可以例如以网络的形式聚合在一起。

光源的寿命受发射器4的寿命限制，其典型地远大于传统光源例如白炽灯或日光灯的寿命。由于电子回旋加速谐振，超高频电磁波和等离子体的耦合效率很高。因此光源的发光效率很高。超高频电磁波的能量基本上转移给电子而不是离子，因此对辐射和电离碰撞直接有用，而没有加热等离子体，这使光源能在低消耗下使用。

也可以执行输入到腔体1的射频波功率P的调节，例如以任何形状和频率的脉冲的形式。这些脉冲优选为矩形，如图6所示。3条曲线P1、P2和P3对应相同的平均功率Pmn，因此对应相同的平均光强度。确实，依照曲线P1，预定的连续功率输入到腔体1中。连续功率(P1)等于平均功率Pmn。输入的平均功率Pmn优选包括在10到1000W之间。曲线P2表示具有最大功率Pmax2的矩形脉冲，例如50Hz的频率，而且有使得输入到腔体1中的平均功率Pmn和曲线P1的一样的占空比。曲线P3表示频率是曲线P2的一半高(以50Hz为例)，而且矩形脉冲的最大功率Pmax3是曲线P2的两倍。曲线P2和P3的平均功率Pmn因此等效。然而，因为曲线P1、P2和P3的最大功率不同，所以曲线P1、P2和P3对应不同的光谱。

矩形脉冲的序列不必是周期性的。事实上可以设想为注入一序列的脉冲，其每个有例如大约1毫秒的持续时间。脉冲的持续时间和/或在两个连续脉冲之间的时间间隔可以被调节。因此，获得的光信号使一条信息例如摩尔斯(Morse)类型能被编码。

腔体1的形状可以例如是管形(图4)、中空圆柱体形、椭圆形(图1到3)或肿胀管(swollen tube)，在充满气体空间的里面或外面包括磁铁2和/或天线3。当磁铁2位于充满气体空间的外面时，它仍然由腔体1基本上包围，例如把磁铁2放置在外壳中，如图2所示。外壳也可以为腔体1的其他的设想形状，例如为管形腔体。另一个例子如图5所示，磁铁2设置在腔体中心，它呈现了中空圆柱体的形式。由腔体1和磁铁2形成的组件优选由保护网8围绕，防止其遭受超高频辐射。

不像赫尔姆霍茨线圈，永磁铁2尤其可以以这种方式设置，即腔体1包围磁铁，无论磁铁2设置在腔体1里面(图1和3)或设置在腔体1外面的外壳中(图2)，都由腔体1包围。这样可以为光L拓展大的立体角。此外，当腔体1包括精密保护网8时，磁铁2可以位于网8内(图2)。然而，因为保护网形成谐振笼(cage)，所以赫尔姆霍茨线圈不能设置在网内，因为线圈和射频区域不相容。但是谐振笼的最小尺寸由谐振频率确定。例如，对于2.45GHz的谐振频率，谐振笼必须具有包括在6cm和10cm之间的最小尺寸。永磁铁的应用使整个光源的尺寸能减少到谐振笼的尺寸，然而赫尔姆霍茨线圈将加到谐振笼的尺寸上。

此外，赫尔姆霍茨线圈要求附加的电连接。因此光源的紧密性改进了，这对便携式光源的情况或在其他装置中的集成光源尤其重要。

本发明不限于如图所示的具体实施例。精密保护网可以覆盖腔体和/或由腔体和天线也许还有磁铁所形成的组件。光源运行与磁铁和腔体的几何形状无关。

Claims (11)

1、一种由超高频产生的光源，包括：发射器(4)，其通过至少一根天线(3)，在具有透光壁并且装有低压气体的密封腔体(1)中，产生超高频电磁波，该光源包括磁铁装置，设计成在该腔体(1)内产生静磁场，该静磁场和该电磁波频率各自的值预先确定来使得在该腔体内引起电子回旋加速谐振，该光源的特征在于：磁铁装置由基本上被该腔体(1)包围的至少一块永磁铁(2)形成，而该发射器(4)、该天线(3)和该磁铁(2)相关于该腔体(1)设置，从而使光线以至少2∏球面度的立体角散射。

2、根据权利要求1的光源，其特征在于：该天线(3)设置在该腔体(1)内。

3、根据权利要求1和2任一的光源，其特征在于：该磁铁(2)构成该天线(3)。

4、根据权利要求1到3任一的光源，其特征在于：该磁铁(2)设置在该腔体(1)内。

5、根据权利要求1到3任一的光源，其特征在于：该磁铁(2)设置在该腔体(1)外。

6、根据权利要求5的光源，其特征在于：该腔体(1)包括用于该磁铁(2)的外壳(7)。

7、根据权利要求1的光源，其特征在于：该磁铁(2)和该天线(3)以密封的方式穿透入该腔体(1)中。

8、根据权利要求1到7任一的光源，其特征在于：该腔体(1)包括荧光涂层(6)，其把紫外线辐射转化成可见光辐射。

9、根据权利要求1到8任一的光源，其特征在于：该腔体(1)包括透明导体涂层(9)

10、根据权利要求1到9任一的光源，其特征在于：该光源包括精密保护网(8)，防止其遭受超高频辐射。

11、根据权利要求1到10任一的光源，其特征在于：该腔体(1)的形状选自于管形、中空圆柱体形和椭圆形。

Images