ИСТОЧНИК СВЕТА (ВАРИАНТЫ)
LIGHT SOURCE (VERSIONS)

Область техники
Настоящее изобретение относится к технике генерации светового излучения, в частности к источникам светового излучения с принудительным сужением канала разряда, и может быть использовано в светотехнике и спектроскопии.
Предшествующий уровень техники
Известен источник светового излучения с принудительным сужением канала разряда, колба которого разделена на камеры анода и катода диафрагмой с отверстием для формирования канала разряда (Авт. свид. СССР №1140189, опубл. 15.02.1985). Анод и катод закреплены в стенках кварцевой трубки, размещенной внутри колбы, при этом анод выполнен с коническим отверстием. В данном решении излучение плазменного пятна происходит на выходе отверстия диафрагмы и распространяется по коническому отверстию анода. Эффективность светового излучения такого источника света ограничена ввиду того, что определяется только плотностью светового излучения в области отверстия диафрагмы.
Известен источник света, содержащий катодную камеру, размещенную внутри анодной камеры и сообщающуюся с ней через цилиндрическое отверстие (пат. заявка WO 2014030468 А1, опубл. 27.04.2014). Плотность светового излучения в данном решении повышена за счет подачи через цилиндрическое отверстие большего количества электронов в газовое пространство в камере анода. Однако эффективность светового излучения ограничена плотностью светового излучения в области цилиндрического отверстия.
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков является конструкция источника света по авт. свид. СССР №760241, опубл. 10.09.1980. Данный источник света содержит колбу из светопрозрачного материала, заполненную газом, по меньшей мере две электродные камеры, по меньшей мере один светоизлучатель и по меньшей мере одну диафрагму с отверстием.
Предпочтительно светоизлучатель изготовлен из кварца, тугоплавкого металла, или изолятора, или композитного материала.
Предпочтительно диаметр отверстия диафрагмы 2-10 мм.
Предпочтительно в качестве газа использован кислород, или воздух, или инертный газ, или смеси упомянутых газов.
Предпочтительно периферия отверстия диафрагмы выполнена из полупроводника p-типа.
Предпочтительно колба содержит две диафрагмы с по меньшей мере двумя отверстиями, и по меньшей мере двумя светоизлучателями, которые расположены друг под другом, причем один излучатель размещен напротив верхней пары отверстий, а другой - напротив нижней пары отверстий.
Предпочтительно светоизлучатели выполнены из разных материалов.
Поставленный технический результат достигается также с помощью источника света, который содержит колбу из светопрозрачного материала, заполненную газом, по меньшей мере две электродные камеры, по меньшей мере один светоизлучатель и по меньшей мере одну диафрагму с отверстием, причем
светоизлучатель размещен в камере, расположенной между двумя электродными камерами, причем
каждая электродная камера образована стенкой колбы с одной стороны и упомянутой диафрагмой с отверстием с другой стороны, а
камера светоизлучателя разделена на секции по меньшей мере одной промежуточной диафрагмой с отверстием, несущей светоизлучатель.
Предпочтительно отверстия смежных промежуточных диафрагм смещены относительно друг друга так, что располагаются напротив светоизлучателя смежной с ней диафрагмы.
Предпочтительно светоизлучатели выполнены из разных материалов.
Предпочтительно расстояние между смежными диафрагмами составляет по меньшей мере 10 мм.
Предпочтительно в качестве светопрозрачного материала колбы использовано стекло, или кварц, или прозрачный полупроводник p-типа.
Предпочтительно диафрагма изготовлена из стекла, или кварца, или прозрачного полупроводника p-типа.
Предпочтительно светоизлучатель изготовлен из кварца, тугоплавкого металла, или изолятора, или композитного материала.
Предпочтительно диаметр отверстия диафрагмы 2-10 мм.
Предпочтительно в качестве газа использован кислород, или воздух, или инертный газ, или смеси упомянутых газов.
Предпочтительно периферия отверстия диафрагмы выполнена из полупроводника p-типа.
Поставленный технический результат достагается также с помощью источника света, который содержит колбу из светопрозрачного материала, заполненную газом, по меньшей мере две электродные камеры, по меньшей мере один светоизлучатель и по меньшей мере одну диафрагму с по меньшей мере одним отверстием, причем
светоизлучатель размещен между двумя электродными камерами, причем
упомянутые две электродные камеры являются камерами катодов, между которыми размещена дополнительная электродная камера, являющаяся камерой анода, при этом
каждая катодная камера образована стенкой колбы с одной стороны и упомянутой диафрагмой с отверстием, а
анодная камера образована упомянутыми диафрагмами катодных камер с соосными отверстиями и стенкой колбы, в которой размещен светоизлучатель так, что находится напротив отверстий упомянутых диафрагм.
Предпочтительно в качестве светопрозрачного материала колбы использовано стекло или кварц или прозрачный полупроводник.
Предпочтительно светлоизучатель закреплен на держателе, который является анодом.
Предпочтительно упомянутая диафрагма имеет угловую форму с по меньшей мере одним отверстием на одной из ее сторон.
Предпочтительно упомянутая диафрагма имеет форму полусферы с по меньшей мере одним отверстием.
Предпочтительно диафрагма изготовлена из стекла или кварца прозрачного полупроводника p-типа.
Предпочтительно светоизлучатель изготовлен из кварца, тугоплавкого металла или изолятора композитного материала.
Предпочтительно диаметр отверстия диафрагмы 2-10 мм.
Предпочтительно в качестве газа использован кислород, или воздух, или инертный газ, или смеси упомянутых газов.
Предпочтительно периферия отверстия диафрагмы выполнена из полупроводника p-типа.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами. На чертежах одинаковыми позициями обозначены одинаковые или аналогичные элементы.
Фиг. 1 - конструктивная схема источника света по первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 2 - пример реализации источника света по первому варианту осуществления изобретения в виде лампы.
Фиг. 3 - конструктивная схема источника света по первому варианту осуществления изобретения с диафрагмой в форме угла.
Фиг. 4 - конструктивная схема источника света по первому варианту осуществления изобретения с двухъярусным светоизлучателем.
Фиг. 5 - конструктивная схема источника света по второму варианту осуществления изобретения.
Фиг. 6 - конструктивная схема источника света по третьему варианту осуществления изобретения.
Фиг. 7 - конструктивная схема источника света с модифицированной диафрагмой.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана конструктивная схема источника света по первому варианту осуществления изобретения.
Источник света содержит колбу 1 из светопрозрачного материала. В качестве светопрозрачного материала колбы может быть использовано стекло, или кварц, или прозрачный полупроводник p-типа. Колба заполнена газом, в качестве которого может быть использован кислород, водород, воздух, инертные газы (например, гелий, аргон, ксенон) или смеси упомянутых газов. Внутри колбы 1 расположены электродные камеры 5 и 7, светоизлучатель 11 и диафрагмы 2 и 9, в которых выполнены отверстия 3. Диафрагмы могут быть изготовлены из стекла или кварца, или прозрачного полупроводника p-типа. В качестве материала светоизлучателя используются такие материалы, которые при воздействии на их поверхность испускают свет, например кварц, тугоплавкий металл, или изолятор, или композитный материал. Светоизлучатель 11 расположен в камере 10 светоизлучателя, между двумя электродными камерами 5 и 7. Светоизлучатель в камере 10 закреплен на держателе 6.
Каждая электродная камера 5, 7 образована стенкой колбы с одной стороны и соответственно диафрагмой 2, 9 с отверстием 3. Камера 10 светоизлучателя образована упомянутыми диафрагмами 2 и 9 электродных камер с соосными отверстиями 3 и стенкой колбы между диафрагмами, при этом светоизлучатель 11 расположен так, что находится напротив отверстий упомянутых диафрагм.
Каждая из упомянутых электродных камер может быть камерой катода или камерой анода в зависимости от используемого напряжения постоянного или переменного тока. Если используется постоянный ток, то, например, электродная камера 5 будет камерой с катодом 4, а другая - камерой 7 с анодом 8. При использовании напряжения переменного тока электродные камеры поочередно будут являться камерами с катодом и анодом с частотой, соответствующей частоте переменного тока.
На фиг. 2 представлен пример реализации источника света по первому варианту осуществления изобретения в виде лампы. В данном примере колба 1 выполнена с цоколем 12. Один из электродов, например электрод 4, соединен с центральным контактом 13, а другой электрод 8 соединен с цоколем 12. Лампа может функционировать, как упомянуто выше, с источником постоянного тока и с источником переменного тока. Источник света по первому варианту осуществления работает следующим образом.
При подключении к электродам, один из которых, например электрод 4, будет анодом, а другой электрод 8 - катодом, источника электрического тока, между анодом и катодом благодаря наличию газа в колбе протекает электрический ток. В области отверстий 3 в диафрагмах 2 и 9 канал разряда сужается и со стороны катода указанных отверстий возникают яркосветящиеся плазменные образования сферической формы, выпуклостью, обращенные к катоду. Плазменные образования являются следствием двойного электрического слоя, возникающего у отверстия 3 диафрагмы 2 и покрывающего светящееся плазменное образование. Свет, получаемый плазменным образованием, выходит из источника света через прозрачные стенки колбы 1. Электроны плазмы газового разряда, попадая в область двойного электрического слоя, ускоряются в нем, затем часть ускоренных электронов еще ускоряются в последующих двойных электрических слоях, расположенных с анодной стороны от двойного электрического слоя. Отрицательно заряженные частицы (электроны и отрицательные ионы) получают дополнительную энергию в двойном электрическом слое и бомбардируют вещество светоизлучателя 11. В результате бомбардировки поверхности светоизлучателя, излучающего свет частицами, упомянутый светоизлучатель испускает свет, который выходит через прозрачные стенки колбы вместе со светом, излучаемым плазменным образованием.
В предлагаемом источнике света, как было описано выше, в качестве светоизлучателя могут быть использованы и электропроводники, и изоляторы, и полупроводники, т.е. такие материалы, которые при воздействии на их поверхность испускают свет, поскольку оно находится в плазме разряда, где в свободном состоянии находятся как электроны, так и ионы, которые обеспечивают равновесие зарядов на светоизлучающем теле.
Помещение вещества, способного излучать свет при воздействии на него электроотрицательно заряженных частиц, в область, где имеется значительное количество электронов и отрицательных ионов, ускоренных в двойном электрическом слое, позволяет без дополнительных энергетических затрат увеличить световой поток лампы за счет генерации света указанным веществом, например, вследствие его нагрева. Нагрев вещества осуществляется в основном за счет воздействия на него пучка электронов, ускоренных и сфокусированных двойным электрическим слоем. Основную долю энергии для нагрева вещества переносят электроны, однако наряду с другими факторами переноса энергии к нагреваемому веществу в некоторых случаях существенное значение может иметь участие в этом процессе отрицательных ионов, ускоренных в двойном электрическом слое. Пульсация светового потока сглаживается излучением накаливаемого тела благодаря его инерции при остывании и нагреве, что увеличивает долговечность источника света.
Сферическая форма границы двойного электрического слоя способствует фокусированию электронов и отрицательных ионов в некотором объеме газового разряда, в который помещается упомянутое вещество. Поскольку двойной электрический слой имеет выпуклую форму и обладает фокусирующим действием на электроны, целесообразно расстояние между диафрагмами и толщину диафрагм выбирать не только из расчета среднего пути электрона в газе, но также с учетом особенности фокусировки электронов двойным электрическим слоем. Расстояние от границы двойного электрического слоя, на котором в основном происходит фокусирование электронов, зависит от формы поверхности указанной границы, которая, в свою очередь, зависит от диаметра отверстия диафрагмы и высоты канала. Предпочтительно диаметр отверстия составляет по меньшей мере 2 мм, а высота канала по меньшей мере 0,5 мм.
В конструкции лампы по этому варианту осуществления изобретения, за счет поочередной бомбардировки электронами светоизлучателя с двух сторон, достигается более высокая степень свечения.
Диафрагмы могут иметь различные формы и содержать два и более отверстия. Конструкция источника света с такими диафрагмами может быть реализована с различными модификациями.
На фиг. 3 показана конструктивная схема источника света по первому варианту осуществления изобретения с диафрагмой в форме угла с двумя отверстиями.
В показанной конструктивной схеме электродные камеры 5 и 7 образованы стенками колбы 1 с одной стороны и диафрагмами 2 и 6, выполненными в форме угла. На боковых сторонах угловой диафрагмы выполнены нижние отверстия 3 и верхние отверстия 3а. Диафрагма также может быть выполнена в виде полусферы, при этом число отверстий в такой диафрагме может быть больше двух. Светоизлучатель, расположенный между диафрагмами, попеременно бомбардируется электронами от электродов 4 и 8, когда они являются катодами.
На фиг. 4 показана конструктивная схема источника света с двухъярусным светоизлучателем. При данном выполнении источник света содержит два светоизлучателя 11 и 15, каждый из которых расположен напротив соответствующих отверстий в соответствующем ярусе. Верхний светоизлучатель 11, закрепленный на держателе 6, расположен напротив двух верхних соосных отверстий 3а, выполненных в диафрагмах 2 и 9. Нижний светоизлучатель 15, закрепленный на держателе 14, расположен напротив двух нижних соосных отверстий 3, выполненных в диафрагмах 2 и 9. При таком конструктивном исполнении повышается эффективность работы источника света за счет одновременной бомбардировки двух светоизлучателей.
В данной конструкции имеется возможность одновременно поместить несколько разнородных тел светоизлучателя, что обеспечивает получение смешанного спектра света от одной лампы.
Источник света по второй варианту осуществления настоящего изобретения представлен на фиг. 5.
Источник света содержит колбу 1 из светопрозрачного материала, заполненную газом. Внутри колбы 1 расположены электродные камеры 5 и 7, образованные стенкой колбы и диафрагмами 2 и 9 соответственно. На диафрагме 2 выполнено отверстий 3, а на диафрагме 9 - отверстие 3b, при этом отверстие 3 расположено выше отверстия 3b. Между электродными камерами расположена камера 10 светоизлучателя, которая разделена рядом промежуточных диафрагм 16 на несколько секций 10а. Промежуточные диафрагмы выполнены с отверстием 3c и светоизлучателем 11, выходящим на обе стороны диафрагмы. В камере светоизлучателя смежные промежуточные диафрагмы размещены так, что светоизлучатель одной диафрагмы расположен напротив отверстия смежной с ней диафрагмы. На диафрагмах 2 и 9 электродных камер 5 и 7 со стороны камеры светоизлучателя установлены светоизлучатели так, что располагаются напротив отверстий 3c смежных с ними промежуточных диафрагм.
Диафрагмы могут быть изготовлены предпочтительно из прозрачного полупроводника p-типа. Расстояние между диафрагмами может составлять не менее 10 мм.
При подключении к электродам 4 и 8, расположенным в электродных камерах 5 и 7 соотвественно источника электрического тока, когда электрод 8 является анодом, а электрод 4 является катодом, между ними благодаря наличию газа в колбе протекает электрический ток. В области отверстий 3 и 3b в диафрагмах 2 и 9 канал разряда сужается и со стороны катода 4 упомянутых отверстий возникают яркосветящиеся плазменные образования сферической формы, выпуклостью обращенные к катоду. Плазменные образования являются следствием двойного электрического слоя, возникающего у отверстия 3 диафрагмы 2 и покрывающего светящееся плазменное образование. Свет, получаемый плазменным образованием, выходит из источника света через прозрачные стенки колбы 1. Электроны плазмы газового разряда, попадая в область двойного электрического слоя, ускоряются в нем, затем часть ускоренных электронов еще ускоряются в последующих двойных электрических слоях, расположенных с анодной стороны от двойного электрического слоя. Благодаря выполнению камеры светоизлучателя с промежуточными диафрагмами электроны последовательно воздействуют на светоизлучатели промежуточных диафрагм, вызывая их свечение и тем самым потери энергии. Таким образом, обеспечивается существенное повышение световых характеристик источника света.
В данной конструкции также имеется возможность одновременно поместить несколько разнородных тел светоизлучателя, что обеспечивает получение смешанного спектра света от одной лампы
На фиг. 6 показана конструктивная схема источника света для постоянного тока.
Источник света содержит колбу 1 из светопрозрачного материала, заполненную газом. Внутри колбы 1 расположены электродные камеры 5 и 7, светоизлучатель 11 и диафрагмы 2 и 9, в которых выполнены отверстия 3. Камеры 5 и 7 являются камерами катодов. Между электродными камерами 5 и 7 расположена дополнительная электродная камера 10, которая является камерой анода. Каждая катодная камера 5 и 7 образована стенкой колбы с одной стороны и упомянутой диафрагмой с отверстием. Анодная камера образована упомянутыми диафрагмами катодных камер с соосными отверстиями 3 и стенкой колбы, в которой размещен светоизлучатель 11 так, что находится напротив отверстий упомянутых диафрагм. Светоизлучатель 11 может быть закреплен на держателе 6, который сам является анодом. В таком исполнении при подключении к источнику постоянного тока осуществляется воздействие электронов на светоизлучатель одновременно с двух сторон, что повышает световые характеристики источника света.
Для любых вышеупомянутых конструктивных схем источника света по настоящему изобретению периферии отверстий диафрагм могут быть выполнены из полупроводника p-типа, что также повышает световые характеристики источника света. На фиг. 7 приведена схема источника, соответвующего первому варианту осуществления, где периферии 17 отверстий 3 диафрагм 2 и 9 выполнены из полупроводникового материала p-типа.
Испытания опытного образца проводили на стенде, содержащем вакуумный насос для откачки газа их колбы лампы, вентили накачки и откачки газа в колбу, и измерители давления газа в колбе и измеритель светового потока, а также механизм движения диафрагмы вдоль оси для регулирования расстояния от отверстия диафрагмы до поверхности тела светоизлучателя. Данное расстояние зависит от давления газа в колбе, и, следовательно, при определенном давлении определяется экспериментально.
-1
-2
В качестве образца колбы была использована стеклянная трубка ⌀30 мм, вдоль которой перемещались диафрагму. Далее, посредством насоса закачивали в колбу газ. Давление газа в колбе (гелий) составляло 5·10-7·10. Далее лампу подключали к источнику тока: сила тока разряда 1-2 А, напряжение на разряде 60-100 В. Использовали оксидный катод. Диаметр отверстия в диафрагме составлял 3 мм, а высота канала отверстия - 5 мм.
Возможно различное давление газа или газовой смеси в колбе, диаметра отверстия и других параметров в зависимости от конкретных задач по использованию лампы и для серийного изготовления.
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения, схема которого показана на фиг. 4, предлагается источник света, содержащий колбу из светопрозрачного материала. В качестве светопрозрачного материала колбы может быть использовано стекло, или кварц, или прозрачный полупроводник. Колба заполнена газом. Внутри колбы расположены по меньшей мере две электродные камеры, светоизлучатель и диафрагма с отверстием. Каждая электродная камера образована стенкой колбы с одной стороны и упомянутой диафрагмой с отверстием с другой стороны. Светоизлучатель размещен между двумя электродными камерами. Как было показано выше, данное расположение светоизлучателя увеличивает эффективность светоизлучения. В данном варианте источника света, для обеспечения большего эффекта, между двумя электродными камерами могут быть установлены по меньшей мере две диафрагмы с отверстиями, на которых размещены светоизлучатели. Отверстия смежных диафрагм смещены относительно друг друга так, что располагаются напротив светоизлучателя смежной с ней диафрагмы. Экспериментально установлено, что для обеспечения большей эффективности расстояние между смежными (соседними) диафрагмами должно быть не менее 10 мм. Данное несоосное расположение отверстий дополнительно увеличивает эффективность излучения, т.к. происходит меньшие потери энергии при движении плазмы от первой диафрагмы к последней.
Представленные выше конструктивные схемы источника света позволяют эффективно использовать способ ускорения электронов в плазме газового разряда, обеспечивая обогащение плазмы электронами с повышенной энергией, что вызывает увеличение светового потока лампы и изменяет его спектральный состав. Также обеспечивается использование как эффекта галогенов, так и светодиодов, применительно для материалов p-типа, с большей эффективностью.