專利名稱：調整氣體放電燈光譜的方法、氣體放電燈及所述燈的照明器具的制作方法
技術領域：
本發明涉及調整氣體放電燈在其工作過程中發出的光線的所需要的光譜的方法，所述氣體放電燈包括放電腔，后者以氣密方式封閉，帶有第一可電離物質和比所述第一物質難電離的第二物質，它們同時存在于放電腔內，在工作過程中至少一部分所述第一和第二物質處于氣體狀態，所述氣體放電燈在這樣的電壓和電流條件下工作，使得至少能使第一物質的氣體電離，并能使第二物質被激活。
已知調整制成的氣體放電燈在其工作過程中發出的光譜、實際上亦即調整其顏色的方法。為此目的，燈借助于非常短的高功率脈沖工作。脈沖的特性(脈沖持續時間約1微秒)使電子溫度變得非常高，使得不易電離的氣體物質，例如氖，被激活，并開始對光譜產生影響。
這樣一種方法的缺點是為了產生持續時間非常短的高功率脈沖，需要比較昂貴的電子線路。
本發明的目的是改進在開篇中指出的方法。
為達此目的，按照本發明的方法具有以下特征根據所需要的光譜調整ⅰ)第一物質的分壓強對ⅱ)第二物質的分壓強的比值。
已經發現，改變這些分壓強的比值即可調整光譜。因此，改變ⅰ)強度對作為要求的全光譜波長范圍的一小部分的波長范圍的積分和ⅱ)強度對整個要求的光譜的波長范圍的積分之間的比率。第一物質和第二物質都通過發射光來對光譜產生影響。長期以來一直就知道，節能燈冬天在戶外至少在啟動過程中，由于溫度條件和隨之而來的汞分壓強較低而造成顏色偏離，但就申請人到目前為止所知，尚無人提出涉及改變氣體放電燈內的氣體分壓強來按照要求調整氣體放電燈發出的光的光譜的建議。需要什么光譜這取決于應用。在溫室用燈的情況下，所需要的光譜的波長范圍對應于在依賴于光的生理過程中起作用的波長范圍。用燈給人類家庭環境或專業環境照明需要人眼敏感的波長范圍。這里應該指出，若使用發光物質，本專業的技術人員都清楚，上述所需要的波長范圍可以從用來適當激活發光物質的所需要的波長范圍中導出。本發明中使用如下定義。“基準壓強”一詞理解為當該燈在燈接通(這通常是燈的放電空間中的最冷點)、而同時燈在25℃環境溫度下工作的情況下具有等于燈的一部分的限定第一物質的壓強的溫度的溫度時非工作的氣體放電燈中的主導分壓強。在這種情況下，處于氣態的那一部分第一物質至少基本上均勻地分布在燈的放電腔的空腔內。基準壓強用作表示對于工作的氣體放電燈、應該有多少某種物質存在于氣體狀態的量度。正如下面將要進一步解釋的，在氣體放電燈工作過程中第一物質的濃度會局部地發生差異。在那種情況下，“局部分壓強”將用于相關位置。本發明的本質在于，調整放電燈中發生放電的那一部分，亦即放電空間的局部分壓強。在本申請的描述中不特指地用到“分壓強”的地方，指的是放電空間中心主導的“局部分壓強”，所述中心是放電空間離壁部最遠的部分。第一物質和第二物質彼此的差別在于它們不同的發射光譜。在諸如磷等發光材料的情況下，細小的差別就夠了，只要所用的發光材料對兩個彼此接近的發射光譜的靈敏度不同即可。通常，燈中氣體混合物的壓強在10和10,000Pa之間。與第一物質相比，第二較難電離的物質是過量存在的。環境溫度一般至少15℃。
這些分壓強的比率最好以這樣的方式改變，使得ⅰ)強度對作為覆蓋整個需要的光譜的波長范圍的一小部分的波長范圍的積分與ⅱ)強度對整個需要的光譜的波長范圍的積分的比率，與當前值相比至少變化3％。
至少3％的修改使得能夠發生用戶主觀觀察到的變化。發射光譜定義為能夠在氣體放電燈內壁處測量到的發射光譜。
在主實施例中，使用配備發光材料的氣體放電燈，這些物質中處于氣態的一種發射具有第一光譜的可見光，而處于氣態的另一種物質發射UV(紫外)輻射，所述UV輻射激發發光材料，使之發出不同于第一光譜的第二光譜的可見光。
所述可見光的發射使得有可能在除把UV發射轉換成可見光所需的發光材料外、為此不需要更多的發光材料的情況下實現光譜的改變。
最好用稀有氣體，尤其是氖或氙作為第二物質。汞適合于用作第一物質。
這些物質非常適合于操作按照本發明的氣體放電燈。尤其是氖使直接發射的紅光的比例得以改變。由于氙有不同于汞的UV發射光譜，故能與汞結合使用，所以氙令人感興趣。汞作為第一物質令人感興趣，因為它的分壓強可以通過氣/液或氣/固相轉變而調整。
因此，為了改變汞的分壓強，氣體放電燈最好配備有液體汞或汞合金，對其其溫度進行調整，以調整ⅰ)汞分壓強與ⅱ)第二物質分壓強的比率。
這樣便可以簡單地廉價地(借助于氣/液相轉變，或者在汞合金的情況下的氣/固相轉變)改變汞的基準壓強，相應地還可以改變局部汞分壓強和氣體放電燈的光譜。
在一個令人感興趣的實施例中，通過與該壁導熱接觸的電冷卻和/或電加熱裝置來調整放電腔的氣密密封壁的溫度。
所述裝置可從ⅰ)設置在至少一部分氣體放電腔壁上的電阻和ⅱ)珀爾貼(Peltier)元件中適當選擇。電阻可以是，例如，設置在放電腔的內壁或外壁的導電涂層，諸如氧化錫涂層。因此可以使沉積在氣體放電燈內壁上的汞通過提高溫度再次回到氣體狀態。如上所述，這使汞分壓強提高，而最后使氣體放電燈的光譜改變。使用Peltier元件使得有可能按要求冷卻或加熱。這樣，與非強制冷卻相比，不僅可以提高分壓強，而且還可以快速降低分壓強。
在按照本發明的方法的主實施例中，控制提供給氣體放電燈的電流以改變各分壓強的比率。
增大電流，即可增大電離的機會。電子和離子之間擴散速度的差異助長施加在帶正電荷的離子上的向外的力，亦即向氣體放電燈內壁的方向上的力。帶正電荷的離子在內壁上被中和，并緩慢地返回擴散入燈的放電腔的空腔中。中性顆粒和它激活的配對物之間的擴散速度差使得有可能通過改變這些顆粒的比率(在雙極性擴散的影響下的徑向陽離子電泳)改變氣相的第一物質，諸如汞的局部分壓強。
氣體放電燈可以按希望用交流電流或直流電流工作，所述交流或直流電流以下述方式調制。交流或直流電流的振幅可以按照25和2,000Hz(赫芝)之間最好75和2,000Hz之間的調制頻率適當變化，并且有功率高于平均功率的第一周期部分和功率小于平均功率的第二周期部分，兩個周期部分都需要有至少250微秒的長度。
這樣，就有可能通過改變電流的調制方法(亦即調制頻率、所述第一和第二周期部分長度之間的比率和第一周期部分中的功率和平均功率之間的比率)和流過燈的電流的振幅，而彼此獨立地改變燈的光通量和燈的顏色。一般，汞的基準壓強低于10pa，而燈在10-3和50mA/mm2(毫安/平方毫米)之間的電流密度的條件下工作，最好汞的基準壓強在0.20和5Pa之間并且燈在0.01和20mA/mm2之間的電流密度的條件下工作。這里電流密度定義為總電流強度除以垂直于放電腔縱向的平面上管子的橫截面。若用氖作為第二物質，則合適的汞壓強在0.2和0.9Pa之間，氖壓強在100和3,000Pa之間，而電流密度在0.1和7mA/mm2之間。
本發明還涉及氣體放電燈，它包括以氣密方式封閉的放電腔，放電腔內帶有第一可電離物質和比第一物質難電離的第二物質，而同時工作過程中至少一部分第一和第二物質能夠處于氣相。
按照本發明，氣體放電燈配備有相對于預置值改變所述各氣體分壓強比率的裝置。
工作過程中由這樣的氣體放電燈發射的光的光譜可按要求調整。
在一個重要的實施例中，所述裝置從ⅰ)控制溫度用的裝置和ⅱ)控制流過放電腔的電流的控制裝置中選擇，-具有在25和2,000Hz之間、最好在75和2,000Hz之間的調制頻率；和-具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率低于平均功率的第二周期部分，條件是兩個周期部分都應具有至少250微秒的長度。
給定這樣的裝置，調整光譜就簡單了。控制溫度用的裝置可以根據需要存在于氣體放電燈內部或外部。在后一種情況下，它們可以與氣體放電燈分開，或固定地連接到氣體放電燈上。
在合適的實施例中，溫度控制裝置由Peltier元件形成。
Peltier元件能夠按照需要執行加熱或冷卻操作。它不僅能夠提升諸如汞壓等分壓強，而且可以降低分壓強。Peltier元件最好控制放電腔中確定工作過程中第一物質分壓強的那一部分的溫度，最好在諸如汞或汞合金等第一物質的位置的分壓強。
在替代實施例中，溫度控制裝置用適用于與氣體放電燈的內壁導熱接觸的電阻形成。在一個令人感興趣的實施例中，電阻是諸如氧化錫涂層等透光的涂層。
這樣就有可能簡單地提升燈的溫度。此外，電阻最好存在于氣體放電腔中確定工作過程中第一物質的分壓強的那一部分。該涂層可以設置在放電腔的內部和/或外部。
在一個能以簡單的方式實現的實施例中，配備有溫度控制裝置的氣體放電燈還包括液體汞或汞合金，它們的溫度可用所述裝置控制，并與之連通，最好存在于放電腔內。
按照本發明的典型的氣體放電燈包括作為第一物質的汞或汞合金和作為第二物質的氖，汞的基準壓強至多為10Pa，氖的基準壓強至多為104pa，詳細地說，其中汞的基準壓強在0.20和5Pa之間，而氖的基準壓強在100和3,000Pa之間。
按照本發明的氣體放電燈專門的實施例具有以下特征氣相中的第一物質和氣相中的第二物質在工作過程中分別主要發射UV范圍的輻射，具有第一光譜和不同于第一光譜的第二光譜；以及氣體放電燈包括第一發光材料和第二發光材料，發光材料在受激發時都發射出可見光，但具有不同的光譜，第一發光材料對具有第一光譜的UV輻射具有較高的靈敏度，而第二發光材料對具有第二光譜的UV輻射具有較高的靈敏度。
在氣體放電燈中的這兩種物質在氣相中都主要發射UV輻射，但具有不同的波長。所述各發光材料保證氣體放電燈能夠發射出具有可變光譜的光，這是由于它們對所述波長具有不同的靈敏度。
最后，本發明涉及配備有電源裝置的氣體放電燈的照明器具，它包括用來控制從包括ⅰ)直流和ⅱ)交流的一組中選出的電流的電路，-帶有可由用戶按需要在25和2,000Hz之間，最好在75和2,000Hz之間調整的調制頻率；和-帶有其功率高于平均功率的第一周期部分和其功率低于平均功率的第二周期部分，條件是兩個周期部分都應具有至少250微秒的長度。
這樣的電源裝置非常適合于由用戶來調整氣體放電燈的光譜，氣體放電燈包括用氣密方式密封的放電腔，所述放電腔內有諸如汞等的第一可電離物質和較第一物質難電離的第二物質，諸如氖，而同時至少一部分第一和第二物質在工作過程中處于氣相。
一種替代的照明器具可以配備用來控制氣體放電燈的至少一部分的溫度的裝置。這樣的裝置包括，例如，Peltier元件或電阻，并且可以配備用來測量溫度、尤其是測量氣體放電燈周圍溫度的元件。
現將參照實施例和附圖，以舉例方式詳細地描述本發明，附圖中
圖1是表示試驗性氣體放電燈的示意圖2表示在不同燈電流下汞密度隨著離燈軸的距離而變化的情況；而圖3用曲線表示溫度和流過試驗性氣體放電燈的電流對發射光的顏色的影響。
一個U型管配備有4,000K三磷光體涂層，后者包括磷光體YOX,CBT及BAM(Philips，Eindhoven，Netherlands)，填充有1,500Pa氖氣。在與該管放電腔1的空腔連通的輔助管4中設置90mg(毫克)BiIn汞合金。燈的內徑為24mm，而電極2和電極3之間的間距為15cm。
U型燈懸掛在溫度控制的熱處理槽中，使得電極2和電極3仍舊在水上面，而輔助管4則在水中。
燈與200nF(微微法)電容串聯，并連接到ENI Plasmaloc 1-HF電源(ENI Power System Inc,Rochester,N.Y.,USA)。該電源是具有90kHz頻率的正弦電壓形式的電源。
能夠一次測量整個可見光光譜的光多信道分析儀用來確定各種參數對氣體放電燈發射的光的光譜的影響。
測量是若干個不同的水溫下進行的，以便改變燈內的汞壓強。
從10W開始，以約5W的步距上升，以不同的連接功率測量了燈的光譜。每一次從測到的燈光譜計算光度計輸出(光通量F)、顏色坐標x和y以及相關的色溫Tc。
圖3以曲線的形式表示采集的數據。由此可以看出，在較高的電流I或較低的汞合金溫度下燈的相關室溫Tc變得較低。
在第二序列的試驗中，燈用50kHz交流供電，電流以低頻調制。燈在每個調制周期的第一部分被供以比平均功率高的功率，而燈在每個調制周期第的二部分被供以低于平均功率的功率。圖2清楚地表示汞密度隨著燈容器的半徑的變化極大地取決于燈電流，亦即取決于燈功率。汞密度在燈容器中的分布強烈地影響燈產生的光的顏色。結果，燈在調制周期第一部分輻射的光的顏色不同于燈在調制周期第二部分輻射的顏色。只要調制頻率足夠高，人眼將記住燈在一個周期中相繼輻射的兩種顏色的混合色的光。
在第二序列的試驗中，燈電流由Spitzenberger和Spies 600/C功率放大器和UT 600/G變壓器產生。Spitzenberger放大器的輸入電壓由連接到Philips脈沖發生器PM 5716的Philips波形發生器PM 5190產生。PM 5716脈沖發生器調制波形發生器PM 5190的輸出電壓的振幅，并因而確定調制的占空比。積分燈功率用Norma AC/DC功率分析儀D5235測量。燈電壓Vlamp用Fluke PM 3384A示波器測量。燈電流Ilamp用連接到同一個Fluke示波器的Philips PM 9355 AC電流探頭0.5V/A測量。輸出光和光的顏色坐標用LMT比色計C1210測量。
發現通過調整調制頻率，亦即調整在每個周期第一部分和每個周期的第二部分過程中提供給燈的功率以及這第一和第二部分的持續時間，可在一個寬的范圍內調整燈產生的光的色溫。這是甚至在燈的光輸出維持在大約恒定的水平的情況下發現的。
權利要求
1．一種調整氣體放電燈在其工作過程中發射的光的所需要的光譜的方法，所述氣體放電燈包括放電腔，后者以氣密方式封閉，帶有第一可電離物質和比所述第一物質難電離的第二物質，所述第一和第二物質兩者都存在于所述放電腔內，在工作過程中，至少一部分所述第一和所述第二物質處于氣態，氣體放電燈在這樣的電壓和電流條件下工作，使得至少所述第一物質的氣體可以被電離，而所述第二物質能被激活，其特征在于根據所需要的光譜調整ⅰ)所述第一物質的分壓強對ⅱ)所述第二物質的分壓強的比值。
2．權利要求1所要求的方法，其特征在于改變這些分壓強的比值，使得ⅰ)強度對作為覆蓋整個需要的光譜的波長范圍的一小部分的波長范圍的積分與ⅱ)強度對整個需要的光譜的波長范圍的積分的比率，與設定值相比至少變化3％。
3．權利要求1或2所要求的方法，其特征在于使用配備有發光材料的氣體放電燈，處于氣態的這些物質中的一種發射具有第一光譜的可見光，而處于氣態的另一種物質發出UV(紫外)輻射，所述UV輻射激發所述發光材料，使之發射具有不同于所述第一光譜的第二光譜的可見光。
4．前述權利要求中任何一個所要求的方法，其特征在于用稀有氣體作為所述第二物質。
5．權利要求4所要求的方法，其特征在于用氖或氙作為所述第二物質。
6．前述權利要求中任何一個所要求的方法，其特征在于用汞作為所述第一物質。
7．權利要求6所要求的方法，其特征在于所述氣體放電燈配備有液體汞或汞合金，對其溫度進行調整，以便調整ⅰ)汞分壓強與ⅱ)所述第二物質分壓強的比率。
8．權利要求6或7所要求的方法，其特征在于通過與所述氣體放電燈的氣密密封壁導熱接觸的電制冷和/或加熱裝置，調整所述壁的溫度。
9．前述權利要求1至6中任何一個所要求的方法，其特征在于為了改變所述各分壓強的比率，控制供給所述氣體放電燈的電流。
10．權利要求9所要求的方法，其特征在于使所述電流以25和2,000Hz(赫茲)之間、最好75和2,000Hz之間的調制頻率變化，以及具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率小于平均功率的第二周期部分，條件是所述兩個周期部分都應當具有至少250微秒的持續時間。
11．權利要求9或10所要求的方法，其特征在于汞的基準壓強低于10pa，以及所述燈在10-3和50mA/mm2之間的電流密度的條件下工作。
12．權利要求11所要求的方法，其特征在于所述汞的基準壓強在0.20和5Pa之間，以及所述燈在0.01和20mA/mm2之間的電流密度的條件下工作。
13．一種氣體放電燈，它包括放電腔，后者以氣密方式封閉，帶有第一可電離物質和比所述第一物質難電離的第二物質，兩者都存在于所述放電腔內，在工作過程中，至少一部分所述第一和所述第二物質處于氣態，其特征在于所述氣體放電燈配備有用來改變所述發光氣體的分壓強對設定值的比率的裝置。
14．權利要求13所要求的氣體放電燈，其特征在于所述裝置從ⅰ)用來控制溫度的裝置和ⅱ)用來控制流過放電腔的電流的控制裝置中選擇，-具有25和2,000Hz之間、最好75和2,000Hz之間的調制頻率；以及-具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率低于平均功率的第二周期部分，條件是所述兩個周期部分都應具有至少250微秒的持續時間。
15．權利要求14所要求的氣體放電燈，其特征在于所述溫度控制裝置由Peltier元件形成。
16．權利要求14所要求的氣體放電燈，其特征在于所述溫度控制裝置由與所述氣體放電燈內壁導熱接觸的電阻形成。
17．權利要求16所要求的氣體放電燈，其特征在于所述電阻是透光涂層。
18．權利要求14至17中任何一個所要求的氣體放電燈，其特征在于配備有溫度控制裝置的所述氣體放電燈還包括液體汞或汞合金，其溫度可以由所述裝置控制，并與所述放電腔連通，而且最好存在于所述放電腔中。
19．權利要求14至18中任何一個所要求的氣體放電燈，其特征在于所述氣體放電燈包括分別作為第一和第二物質的汞或汞合金和氖，汞的基準壓強最高為10pa，氖的基準壓強最高為104pa。
20．權利要求19所要求的氣體放電燈，其特征在于所述汞的基準壓強在0.20和5Pa之間，而所述氖的基準壓強在100至3,000Pa之間。
21．權利要求13至20中任何一個所要求的氣體放電燈，其特征在于氣相中的所述第一物質和氣相中的所述第二物質在工作過程中主要發射UV范圍內的輻射，分別帶有第一光譜和不同于第一光譜的第二光譜，以及所述氣體放電燈包括第一發光材料和第二發光材料，這些發光材料受激時均發出可見光，但具有不同的光譜，所述第一發光材料對具有第一光譜的UV輻射具有較高的靈敏度，而所述第二發光材料對具有第二光譜的UV輻射具有較高的靈敏度。
22．權利要求21所要求的氣體放電燈，其特征在于所述第一物質包括汞，而所述第二物質包括氙。
23．一種氣體放電燈照明器具，其特征在于所述照明器具包括電源單元，后者包括用來控制、亦即調制從包括ⅰ)直流和ⅱ)交流的一組中選擇的電流的電路-具有25和2,000Hz之間、最好在75和2,000Hz之間的調制頻率；以及-具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率低于平均功率的第二周期部分，條件是所述兩個周期部分都應具有至少250微秒的持續時間。
24．一種氣體放電燈照明器具，其特征在于所述照明器具配備有用來控制所述氣體放電燈的至少一部分的溫度的裝置。
全文摘要
本發明涉及調整氣體放電燈在其工作過程中發射的光線的需要的光譜的方法,該氣體放電燈包括第一可電離物質和比第一物質難電離的第二物質。按照本發明,氣體放電燈以這樣的方式工作,使得兩種物質的氣體都能被激活,而同時根據所需要的光譜調整第一物質的分壓強。為此目的,例如,可以對流過燈的電流進行調制。在可供選擇的實施例中,這可以通過調整存在于氣體放電燈中的汞合金的溫度來改變汞分壓強而相適應地實現。本發明還涉及其顏色在其工作過程中能夠改變的氣體放電燈,以及配備有這種燈的電源的照明器具。
文檔編號H01J61/72GK1288586SQ99802100
公開日2001年3月21日 申請日期1999年9月9日 優先權日1998年9月16日
發明者L·P·巴克, G·M·W·克勒森 申請人:皇家菲利浦電子有限公司