專利名稱：用于啟動不易啟動的無電極燈的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及不易啟動的無電極燈，例如高壓無電極燈和/或包括負電性填充物的燈的啟動。
無電極燈一般由微波或R.F源驅動。這種燈的某些應用包括紫外線固化處理、半導體工藝處理、照明和投射。
由于無電極燈不包含電極，所以與有電極的燈相比這類燈一般難以啟動。原因之一是在有電極的燈中圍繞電極的強電場能夠容易地提供需要的電離作用，以啟動有電極的燈。顯然，無電極燈不具有輔助啟動的那種電極的好處。
此外，存在一類特別不易啟動的無電極燈。該類別燈包括這樣的燈，即該燈泡填充物在室溫下呈現高氣壓，包括至少一個大氣壓的壓力，和/或填充物包括負電性物質。為了啟動這種燈，施加的電場必須使填充物出現電離。但是，如果填充物處于高壓，那么填充物的電離就不象包圍燈泡的空氣那樣容易電離。因此，包圍的空氣首先被擊穿，導致與燈泡的短路，并且整個電場將不再施加在填充物上。
由于填充物的電離需要存在自由電子，所以包含負電性材料的填充物不易啟動。但是，負電性材料起這種自由電子的吸收劑的作用，因此使電離困難。處于高氣壓和包含負電性材料的這些填充物特別不易啟動。
在現有技術中，提出了改善燈啟動的各種方法，但一般來說，這些方法未涉及本發明所涉及的那些不易啟動的燈。例如，PCT申請No.WO93/21655，在該申請中的硫或硒燈披露了附加例如銫之類的物質來改善啟動。但是，在該PCT申請中，未使用這種物質啟動本發明所涉及的這種類別的燈。
本發明提供一種解決方案，在該方案中按特定的方式啟動不易啟動的填充物。本發明一般可用于不易啟動的填充物，特別適用于啟動形成高壓激發物(excimer)的填充物。
按照本發明的方案，提供啟動無電極燈的方法，其中該無電極燈配有包括外殼和填充物的燈泡，將場致發射源設置在外殼內部的指定區域，將足以由場致發射源引起場致發射的電場施加在外殼指定區域，使足以維持放電的微波或R.F.能量與填充物耦合。
通過參照附圖將更好地理解本發明，其中
圖1示意性表示本發明的實施例。
圖2是本發明實施例的側視圖。
圖3是圖2所示實施例的正視圖。
圖4是圖2所示實施例的俯視圖。
圖5表示在伸長位置的電極。
圖6表示在縮回位置的電極。
圖7是從燈泡延伸的側臂詳圖。
圖8A和圖8B是電極端部的詳圖。
圖9是反射器的平面圖。
圖10是微波燈的局部圖。
圖11是XeCl激發物燈的光譜曲線圖。
圖12是汞基(mercury based)燈的光譜曲線圖。
參照圖1，在實施例中所述的無電極燈2由來自微波源15的微波能量驅動。外殼4包含形成放電的填充物，并位于示意性表示的微波罩6中。在優選實施例中，罩6是對來自填充物的輻射透明但反射基本全部微波能量的微波容器、或帶有反射器的腔室和網狀物。
除微波能量外，一般還要施加輔助能量來啟動燈。例如，照射填充物的小型紫外線燈可用于該目的。在更不易啟動的燈中，已知可用由R.F.能量驅動的輔助電極。但是，即使使用這樣的輔助源，仍存在一類難以啟動的燈。該類別中的兩個實例是帶有較高壓力填充物的無電極燈，和/或帶有包括負電性物質的填充物的那些燈。
在圖1的實施例中，說明了這樣的啟動系統，該啟動系統由共同工作以對本發明所涉及的這種類別的燈提供有效啟動的組合的元素構成。在外殼中包括場致發射源，例如帶有正離子的化合物或選自銫、鉀、銣和鈉的組中的元素，并且還提供確保場致發射源處于外殼指定區域的裝置。
提供啟動電極，用于在外殼指定區域提供足夠大的高電場，以由場致發射源產生場致發射，從而產生足夠多的自由電子，開始燈的啟動過程。
這里使用的“場致發射源”是具有較低表面勢壘的物質，當施加足夠大的電場時，該物質可以因場致發射而釋放電子。把場致發射定義為在強靜電場(＞0.3V/埃)下將來自凝聚相表面的電子發射給另一相。在該現象中包括電子通過表面的變形勢壘的隧道效應。因此，場致發射從根本上不同于在真空器件、熱離子發射和光電子發射中電子釋放的更標準形式；在這兩種技術中，僅發射具有超過表面勢壘的足夠能量的電子。
盡管在上述PCT申請No.93/21655中披露了把包含銫的物質附加在填充物中，但這些物質并沒有用作場致發射源。這些物質也未被局限于燈泡的指定區域，施加的電場也不足以產生場致發射，即導致產生大量自由電子的過程。
再次參照圖1，設有伸過微波腔壁開口的探頭10，使探頭10的端部12接近外殼4。在優選實施例中，端部12實際上接觸外殼壁，以便防止在存在氣隙時出現的電弧。
在啟動時將來自R.F.振蕩器14的一串R.F.脈沖提供給探頭。由絕緣裝置包圍探頭，以防止在探頭和微波腔壁和/或燈泡之間產生電弧。在本發明的優選實施例中，絕緣裝置包括稱為側臂36的石英厚壁毛細管、包含在環形絕緣套筒21中的例如六氟化硫(SF6)之類的絕緣氣體20。
場致發射源13設置于外殼內部，處于探頭之下稱為隔板(bulkhead)的區域。通過將該物質放入填充物中，加熱外殼至足以引起該物質分解或升華，然后優選地通過冷卻，使材料在隔板區冷凝，從而使該物質最初設置在該區域。可以在將燈泡放入燈之前完成這些處理。由探頭施加的電場足夠大，以由物質13引起電子場致發射。電子與來自探頭的電場和微波場共同啟動燈。在優選實施例中，與微波場的峰值同步施加R.F.脈沖。
在燈啟動后，撤除探頭的R.F.源。然后，使探頭從燈殼和腔內部縮回，以防止擊穿和干擾腔中的微波場。為了完成這種處理，光電檢測器24檢測由燈發射出的光，在對信號進行處理后，將信號饋送給包括用于縮回探頭的縮回裝置的激勵器26。
在燈已用于其指定的用途后，將通過撤除微波源關閉燈。在關閉燈時，必須確保場致發射源處于隔板區，以便當燈再次啟動時，它能夠處于施加啟動電場的該區域中。這可以通過以下方式實現，即將隔板布置在外殼的最冷區域，從而促使場致發射源在該區域冷凝，或利用重力，即將隔板布置在外殼的最低區域。
應該指出，可以使用上述說明之外的其它物質作為場致發射源。例如，利用包括尤其是簡單附加到填充物中、化學汽相淀積和離子注入的方法將碳化硅或碳淀積于外殼內部的隔板上。
還應該指出，盡管圖1描繪了由微波能量驅動的無電極燈，但本發明也可用于由R.F.能量驅動的無電極燈。此外，盡管顯示了直線型燈殼，但還可使用多種形狀的燈殼。
參照圖2和圖3，描繪帶有由金屬反射器30和金屬屏32構成的腔的微波燈，該腔反射大部分微波，但對紫外線輻射基本上透明。燈泡34被固定在腔中，其內有上述不易啟動的填充物。
如圖1所示，將場致發射源固定在外殼內部的隔板區。隔板區有從該處延伸的側臂36，圖7中更清楚地進行了顯示。可以用石英制成外殼和側臂。包圍側臂并與其同心的是包含絕緣氣體的靜止環形套筒38。在優選實施例中，絕緣氣體是六氟化硫(SF6)。
電極或探頭40在靜止側臂/絕緣氣體管結構中移動。當處于燈啟動模式時，探頭處于延長的位置，其端部接觸燈泡。在某些實施例中，可以僅需要使電極處于燈泡附近，但是，對于施加強啟動電場的更苛刻的啟動應用來說，就需要進行可靠的接觸。
圖5中更清楚地表示了電極的延長位置，而圖6中則表示其縮回位置。在縮回位置，電極端部大約與腔壁齊平。由于電極起天線作用，并將中斷微波源與燈泡的適當耦合，所以期望盡可能從由腔壁界定的空間中去除電極。
由氣缸42移動電極。這屬于在一個方向上施加壓力使電極插入，而在相反的方向上使電極縮回的類型。該氣缸通過裝配加載彈簧的伸縮接點44起作用，設置該接點44，以便以最小的壓力在燈泡上提供可靠的探頭接觸。由絕緣材料制成的圓柱形部件46與電極連接，并轉換從其上的氣缸開始的移動。絕緣葉片48可由復合材料例如G-10制成。
在工作期間，由來自空氣噴嘴64的冷卻空氣在整個時間內都冷卻隔板區。此外，電極40是空心的，并在啟動期間通過它饋送冷卻隔板和側臂的冷卻流體例如壓縮空氣。在圖8A和圖8B中更詳細地表示了該電極，其中虛線表示內壁。該電極在端部有開口50，在靠近探頭端部的側壁上有多個開口52，當該端部接觸燈泡外殼時，這些開口使空氣能夠逸出。通過空心電板饋送空氣的另一優點在于，通過迅速從該區域消除電離產生物，使電暈放電導致的電極損壞最小。它還具有允許電極由較低難熔性的材料例如不銹鋼構成的優點。
設置配件54，用作壓縮空氣進入電極的空氣入口。在該配件背面的區域56是對電極施加高壓的接觸點。
因此，在器件的工作中，為了啟動燈，激活汽缸42從而通過加載彈簧的接點44移動附著于電極的絕緣部件42。在從探頭上撤除電壓之后，沿相反的方向再激活汽缸42，使電極縮回。由絕緣系統包圍電極，以防止在電極和微波腔壁之間產生電弧。在本發明的優選實施例中，將厚壁石英管(側臂)36與燈泡外壁對焊。該管36不僅作為絕緣系統的第一層，而且還提供給電極可靠的機械對準和長的徑跡長度(creep pathlength)。環形套筒21固定在側臂36上。在本發明的優選實施例中，用絕緣氣體例如六氟化硫(SF6)填充套筒。絕緣介質也可以是固體，例如陶瓷(氧化鋁)、聚合體(PTFE)、聚合液體例如FomblinTM或KrytoxTM、液體(超純蒸餾水)、或淬冷氣體例如氯氣或一氧化碳。在另一實施例中，為了提供絕緣，可以將整個裝置浸漬在UV透明的高介電強度的液體中。電極10、側臂36和套筒21同軸對準，穿入微波腔2。在穿入點，成形腔邊緣，使邊緣半徑足夠大，以降低穿入點的電場強度。這可防止損壞套筒的電暈放電。燈的主冷卻空氣和局部的外部冷卻噴嘴64幫助去除在對焊附近的電離產生物。這可防止在對焊區域和腔壁之間形成的潛在的危險電弧。
在優選實施例中，本領域技術人員周知其細節的R.F.電源供給約300瓦100KV、頻率為2至3Mhz的脈沖。參照圖2和圖3，該電源使用由高電壓等離子體開關器件構成的“氣隙(gap)”58。簡單地說，通過變壓器增大線電壓，并施加在依次供給“氣隙”的充電電容器60上。“氣隙”的輸出供給自耦變壓器62的頭幾匝，其輸出供給電極。元件65是調諧電容器。在隔板區提供的電場有約50百萬伏/米的強度。
必須有在燈工作期間確保場致發射源保持在隔板區內的機構，或者，如果場致發射源遷移，那么必須有在下次啟動前確保場致發射源返回到隔板區內的結構。為此，通過空心電極將冷卻空氣供給隔板區。可使用任意的渦流冷卻裝置，在啟動和工作期間將冷卻空氣提供給隔板區。圖2中示出由渦流冷卻裝置饋送的空氣噴嘴64，可以看出，它大體上瞄準隔板區。圖3中所示的渦流冷卻裝置66是在入口68送入空氣、從出口70排出熱空氣和從出口72排出冷空氣的裝置。出口72通過導管(未示出)與噴嘴64連接。
在燈工作期間如果場致發射源從隔板區遷移，那么必須設置其返回路徑。按照本發明的方案，在燈關閉之前，將熱脈沖施加在填充物上。通過增加物質的遷移率，熱脈沖引起用作場致發射源的足夠量的物質被輸送回隔板區。然后，由于隔板已被設計在外殼的最冷部分，所以物質將在隔板上冷凝。
按照優選實施例，通過瞬間中斷對燈泡的主冷卻來施加熱脈沖。當關閉燈時(備用模式)，將冷卻空氣瞬間節流預定的時間周期，例如小于五秒。在此期間，接通微波源，但在該時間的末端就關閉，并使主冷卻重新供給燈泡(只要燈保持在備用模式)。
參照圖9，描述反射器30的配置。由兩個磁控管驅動所述特定燈，在每個端部固定其中一個磁控管，因而反射器在其相應的端部有耦合槽80和82。所示的通孔100用于供給冷卻空氣，同時通過開口102饋送環形套筒38。
圖10中表示一個磁控管外殼83的側視圖。設有冷卻孔85，用于使冷卻空氣進入波導，冷卻空氣通過耦合槽進入腔以冷卻燈泡。通過圓形開口90將空氣灌入輻射的頂部。氣動控制閥門92將停止用于熱脈沖的空氣流。由激勵氣動觸發器94產生熱脈沖，熱脈沖向上移動導致閥門92向上移動以關閉開口90。當閥門92打開時，空氣穿過充氣室，然后強制通過磁控管。在空氣從磁控管出來之后，通過波導鑄件上的孔85和反射器上的通孔進入微波腔。通過屏將空氣排出系統。
在優選實施例中，外殼中的填充物是由氙和氯構成的形成激發物的填充物。在由本發明成功啟動的特定實例中，在室溫下填充物包括約1530乇的氙和約70乇的氯。這是不易啟動的填充物，該填充物處于高氣壓狀態并包含負電性物質。過量鹵素(超過化學當量)的優點在于，可抑制燈絲放電并還提供較短波長的額外能量。
在優選實施例中，場致發射源包含銫，并且是氯化銫(CsCl)化合物。在特定實例中，可配置約5至200mg的CsCl。
由于用氯化氙產生激發物輻射，并且氯化銫不明顯地影響激發物輻射的光譜，所以選擇的銫的特定鹽是氯化物。一般來說，期望這樣選擇場致發射源，使其不會對光譜產生影響。這可以通過選擇帶有足夠高熔點即在燈泡壁的正常工作溫度下不會明顯蒸發或流動以及不與任何其他燈泡成分反應的場致發射源來實現，或通過選擇其發射譜線遠離重要的特定區域或物質被完全電離的場致發射源來實現。還可這樣選擇化合物，使其熔點足夠低，從而通過熱脈沖或其它熱產生機構在燈關閉時能夠蒸發足以保證點火的數量，以便使該化合物可以返回到隔板。一般來說，按照上述標準，在一般情況下選擇化合物可考慮本發明的方案。
在特定實例中，將5800瓦的微波源與包含如上所述的氙、氯和CsCl的燈泡耦合，該燈泡長10英寸，內徑為15mm。圖12中表示獲得的光譜。
圖1至圖11的結構可廣泛用于具有各種不易啟動填充物的燈。這些燈包括尤其是各種高壓稀有氣體/鹵素、僅含鹵素、僅含稀有氣體的激發物(例如，參見本文引證的U.S.專利No.5504391)、金屬/稀有氣體激發物、氙化鉈激發物、汞化鉈激發物和包括各種分子發射體的燈。在某些類型的燈中，提供強啟動電場的已公開的結構在未附加場致發射源的情況下就足以啟動燈。
劃入后一類型的燈是帶有高壓稀有氣體填充物的汞基紫外線燈，它還可以包括金屬鹵化物。汞基紫外線燈一般包含幾百乇或更低數量級的低壓稀有氣體填充物。通過顯著增加稀有氣體壓力，例如在室溫下達到約大于一個大氣壓，可以獲得明顯更大的光輸出。圖2至圖9中所示的啟動電極和有關結構可用于產生上述強啟動電場。
圖13表示在室溫下具有約100至200乇氬氣壓力的標準汞基燈輸出(實線A)與在室溫下具有約1900乇氙氣壓力的按本發明進行啟動的燈輸出(虛線B)的比較。可以明顯看出，第二種燈的輸出明顯大于第一種燈的輸出。
因此，披露了按照本發明的改進的燈。盡管結合優選和示例性的實施例論述了本發明，但對于本領域技術人員而言，仍可作出各種變更，因此應該指出，本發明由所附權利要求書限定。
權利要求
1．一種啟動無電極燈的方法，包括以下步驟設置燈泡，該燈泡由外殼和在所述外殼中的形成放電的填充物構成；使場致發射源設置在所述外殼內表面的指定區域上；在所述外殼的所述指定區域上施加電場，該電場足以使所述場致發射源產生場致發射；和將足以維持放電的微波或R.F.能量與所述填充物耦合。
2．如權利要求1的方法，其特征在于，通過使所述外殼的所述指定區域冷卻，使所述場致發射源設置在所述外殼的所述指定區域上。
3．如權利要求2的方法，其特征在于，通過撤除所述微波或R.F.能量關閉所述燈，還包括在撤除能量之前將熱脈沖施加給所述填充物的步驟。
4．如權利要求1的方法，其特征在于，所述填充物在室溫下按至少一個大氣壓的壓力存在于所述外殼中。
5．如權利要求1的方法，其特征在于，所述場致發射源包括正離子或選自銫、鈉、鉀和銣的組中的元素。
6．如權利要求5的方法，其特征在于，所述場致發射源包括銫。
7．一種無電極燈，包括含有填充物的外殼；啟動電極，當燈啟動時該電極接近所述外殼的指定區域；激勵電源裝置，將足以維持放電的微波或R.F.能量與所述填充物耦合；包含在所述外殼內以利于啟動燈的物質，該物質包括選自銫、鈉、鉀和銣的組中的元素；確保在撤除微波或R.F.功率時所述物質存在于外殼的所述指定區域的裝置；對用于啟動燈的所述電極供電的裝置，該裝置將電場施加給所述物質；和在燈啟動后從所述電極撤除供電的裝置。
8．如權利要求7的燈，其特征在于，所述物質是場致發射源，用于供電的所述裝置產生足以使所述物質出現場致發射的電場。
9．如權利要求7或8的燈，其特征在于，所述啟動電極可在啟動電極接近所述外殼的所述指定區域的啟動模式和所述啟動電極未在所述外殼的所述指定區域附近的燈工作模式之間切換。
10．如權利要求9的燈，其特征在于，用于確保所述物質處于所述外殼的所述指定區域的所述裝置包括使所述外殼的所述指定區域冷卻的裝置。
11．如權利要求10的燈，其特征在于，用于確保所述物質處于所述外殼的所述指定區域的所述裝置包括將熱脈沖施加給所述填充物的裝置。
12．如權利要求7的燈，其特征在于，當處于燈啟動模式時，所述電極接觸所述外殼。
13．如權利要求7的燈，其特征在于，還包括其介電強度大于包圍所述電極的空氣的介電強度的介質裝置。
14．如權利要求13的燈，其特征在于，所述質電裝置包括包含在環形套筒中的絕緣氣體。
15．如權利要求14的燈，其特征在于，所述電極是空心的，還包括將冷卻液供給所述空心電極的裝置。
16．如權利要求7或8的燈，其特征在于，在室溫下所述填充物的壓力至少為一個大氣壓。
17．如權利要求7或8的燈，其特征在于，所述填充物是形成激發物的填充物。
18．一種激發物燈，包括包括形成激發物的填充物的無電極外殼；外部啟動電極，可在該電極接近所述外殼的指定區域的燈啟動模式和未接近所述外殼的指定區域的燈工作模式之間切換；激勵電源裝置，將足以維持放電的微波或R.F.能量與所述填充物耦合；包含在外殼內以利于啟動燈的物質，所述物質包括選自銫、鈉、鉀和銣的組中的元素；確保在撤除微波或R.F.能量時所述物質存在于外殼的所述指定區域的裝置；和當處于所述燈啟動模式時，對所述電極供電的裝置，該裝置將電場施加給所述物質。
19．如權利要求18的燈，其特征在于，所述物質是場致發射源，用于供電的所述裝置產生足以使所述物質出現場致發射的電場。
20．如權利要求19的燈，其特征在于，所述物質不明顯影響由燈發射的輻射的放電光譜。
21．如權利要求20的燈，其特征在于，所述物質包括銫。
22．如權利要求20的燈，其特征在于，所述形成激發物的填充物包括特定的鹵素，所述物質是包括選自銫、鈉、鉀和銣的組中的元素以及所述特定鹵素的化合物。
23．如權利要求22的燈，其特征在于，所述形成激發物的填充物以氙和氯為基礎，所述物質為氯化銫形式。
24．如權利要求18或19的燈，其特征在于，還包括包圍所述電極的絕緣氣體，所述電極是空心的，供給所述空心電極的冷卻液朝向所述外殼的所述指定區域。
25．如權利要求18或19的燈，其特征在于，由微波能量激發所述填充物。
26．如權利要求25的燈，其特征在于，還包括帶有開口的微波腔，當處于燈工作模式時所述電極通過所述開口縮回。
27．如權利要求18或19的燈，其特征在于，填充物的壓力在室溫下至少為一個大氣壓。
28．一種微波驅動的無電極燈，包括微波腔；在所述腔中配置的外殼，該外殼包括形成放電的填充物；將微波能量耦合給所述腔的裝置；可從與外殼接觸的位置移動至離開所述外殼位置的金屬探頭；當探頭與所述外殼接觸時對所述探頭供電的裝置；在燈啟動后使探頭縮回到離開外殼位置的裝置；和介質裝置，具有其介電強度大于設置于所述探頭和所述腔之間的空氣的介電強度，用于防止在其之間產生電弧。
29．如權利要求28的燈，其特征在于，所述介質裝置包括包圍所述探頭的絕緣氣體。
30．如權利要求29的燈，其特征在于，所述介質裝置還包括介質側臂，該側臂附著在所述外殼上，該側臂包圍所述探頭，所述絕緣氣體被封閉在包圍所述側臂的環形絕緣套筒中。
31．如權利要求30的燈，其特征在于，由界定一個空間的外殼限定所述微波腔，所述外殼有開口，可操作用于縮回探頭的所述裝置，使其通過所述開口縮回探頭。
32．如權利要求31的燈，其特征在于，所述導電探頭是空心的，還包括使冷卻液在壓力下通過空心探頭流向所述外殼的裝置，所述導電探頭在探頭端部附近帶有多個徑向定向的液體流動開口。
33．一種燈泡，包括無電極外殼，該外殼包括形成激發物的填充物并帶有配置在所述外殼內部的場致發射源。
34．如權利要求33的燈泡，其特征在于，所述形成激發物的填充物是氙和氯，所述場致發射物質是氯化銫。
全文摘要
一種無電極燈，包括含有填充物的外殼(4)；啟動電極(10)，當燈啟動時它接近于外殼的指定區域；激勵源裝置(15)，使足以維持放電的微波或RF能量與填充物耦合；包含在外殼內的便于啟動燈的物質(13)，包括選自銫、鈉、鉀和銣的組中的元素；確保在撤除微波或R.F.能量時使物質在外殼的指定區域存在的裝置；將電源(14)施加給用于啟動燈的電極的裝置，該裝置將電場施加給物質；和在燈啟動后從電極撤除電源的裝置。一種啟動無電極燈的方法，包括以下步驟設置燈泡，該燈泡由外殼和在外殼中的形成放電的填充物構成；使場致發射源設置在外殼內表面的指定區域上；在外殼的指定區域上施加電場，該電場足以使場致發射源產生場致發射；和將足以維持放電的微波或R.F.能量與填充物耦合。
文檔編號H05B41/24GK1227667SQ97197117
公開日1999年9月1日 申請日期1997年8月12日 優先權日1996年8月14日
發明者J·D·弗蘭克, C·H·烏德, M·塞基斯 申請人:熔化Uv系統公司