МИКРОВОЛНОВЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА
MICROWAVE PLASMA LIGHT SOURCE

Изобретение относится к плазменному источнику света.
В европейском патенте №EP1307899, выданном на имя настоящего изобретателя, заявлен источник света, содержащий волновод, сконфигурированный соединяться с источником энергии и принимать электромагнитную энергию, и лампу, соединенную с волноводом и содержащую заполнение-газ, который испускает свет при получении электромагнитной энергии от волновода, отличающийся тем, что:
a) волновод содержит корпус, состоящий, в основном, из диэлектрического материала, обладающего диэлектрической постоянной, большей 2, тангенсом угла потерь меньше 0,01 и порогом пробоя постоянного тока больше 200 киловольт/дюйм, 1 дюйм составляет 2,54 см,
b) волновод характеризуется размером и формой, способными  поддерживать по меньшей мере один максимум электрического поля в корпусе волновода по меньшей мере на одной рабочей частоте в диапазоне от 0,5 до 30 ГГц,
c) гнездо проходит из первой стороны волновода,
d) лампа расположена в гнезде в месте, в котором имеется максимум электрического поля во время работы, при этом заполнение-газ образует испускающую свет плазму при получении микроволновой энергии от резонирующего корпуса волновода, и
e) микроволновый облучатель, расположенный в корпусе волновода, приспособлен принимать микроволновую энергию от источника энергии и находится в тесном контакте с корпусом волновода.
В европейском патенте №2188829 на имя настоящего изобретателя описывается и заявляется источник света, который должен питаться микроволновой энергией, при этом источник содержит:
• корпус, содержащий герметичную полость,
• заключающую микроволны клетку Фарадея, окружающую корпус,
• корпус в клетке Фарадея, представляющий резонирующий волновод,
• заполнение в полости из материала, возбуждаемого микроволновой энергией, чтобы образовывать в ней излучающую свет плазму, и
• антенну, установленную в корпусе, для передачи индуцирующей плазму микроволновой энергии в заполнение, при этом антенна содержит:
• соединение, проходящее за пределы корпуса для соединения с источником микроволновой энергии;
причем
• корпус представляет собой сплошной плазменный тигель из материала, который является прозрачным для выхода из него света, и
• клетка Фарадея является, по меньшей мере, частично пропускающей свет для выхода света из плазменного тигля,
при этом устройство является таковым, что свет из плазмы в полости может проходить через плазменный тигель и излучаться из него через клетку.
Авторы ссылаются настоящим к своему патенту на светоизлучающий резонатор или LER. Его основной пункт формулы обоснован непосредственно выше в отношении известного уровня техники в описании на основании раскрытия EP1307899, которое указано выше первым.
В заявке на европейский патент №08875663.0, опубликованной под № W02010055275, описывается и заявляется источник света, содержащий:
• прозрачный волновод из твердого диэлектрического материала, содержащий:
• по меньшей мере, частично пропускающую свет клетку Фарадея, окружающую волновод, при этом клетка Фарадея приспособлена для передачи света радиально,
• гнездо для лампы в волноводе и клетке Фарадея и
• антенну повторяющейся формы внутри волновода и клетки Фарадея, и
• лампу, содержащую возбуждаемое микроволнами заполнение, при этом лампа расположена в гнезде для лампы.
Авторы ссылаются настоящим к заявке на двустворчатое приспособление, в котором прозрачный волновод образует двустворчатую оболочку вокруг лампы.
Как используется в патенте на LER, на двустворчатое приспособление и в этом описании:
• «микроволновой» не предназначен для обозначения точного частотного диапазона. «Микроволновой» используется для обозначения трех порядков диапазона величин от около 300 МГц до около 300 ГГц;
• «прозрачный» означает, что материал, из которого выполнен элемент, описанный как прозрачный, является светопроницаемым или просвечивающимся;
• «плазменный тигель» означает замкнутый корпус, заключающий плазму, при этом последняя находится в полости, когда заполнение полости возбуждается микроволновой энергией от антенны;
• «клетка Фарадея» означает электрически проводящую оболочку электромагнитного излучения, которая, по меньшей мере, по существу непроницаема для электромагнитных волн на рабочих, т.е. микроволновых, частотах.
Недавно в заявках на патент, поданных 30 июня 2011, с номерами дел Nigel Brooks №3133 и 3134, были раскрыты усовершенствования LER. Усовершенствования касаются введения прозрачных трубок в канал в твердом корпусе, при этом трубка является цельной с корпусом и содержит образованную в ней полость. Чтобы не было сомнений, что настоящее усовершенствование применяется к усовершенствованиям этих двух заявок, определяется следующее.
Патент LER, заявки на двустворчатое приспособление и вышеуказанные заявки на усовершенствование LER имеют общее в том, что они относятся к:
микроволновому плазменному источнику света, содержащему:
• клетку Фарадея:
• ограничивающую волновод и
• являющуюся, по меньшей мере, частично прозрачной и обычно, по меньшей мере, частично светопроницаемой, для излучающегося из нее света, и
• обычно содержащую непрозрачную крышку;
• корпус из твердого диэлектрического прозрачного материала, образующий волновод в клетке Фарадея;
• замкнутую полость в волноводе, содержащую возбуждаемый микроволнами материал; и
• средство для введения возбуждающих плазму микроволн в волновод;
при этом устройство таково, что при введении микроволн определенной частоты в полости возникает плазма, и свет излучается через клетку Фарадея.
В этом описании мы ссылаемся на такой источник света, как микроволновой плазменный источник света с прозрачным волноводом, или LWMPLS.
С целью усовершенствования LWMPLS было определено, что по сравнению с обычными плазменными лампами, использующими лампы с электродами, можно достичь большей мощности в ваттах на единичную длину плазмы.
На самом деле, светоотдача и сроки эксплуатации обычных плазменных ламп с электродами, т.е. HID (разряд высокой интенсивности), крайне зависимы как от минимальной, так и максимальной температуры стенки. Минимальная температура стенки устанавливает давление паров примесей, при этом обычно чем выше давление примесей, тем выше светоотдача. Максимальная температура стенки устанавливает предел на срок эксплуатации лампы. Ниже 725°C лампы служат дольше; выше 850°C - срок эксплуатации быстро сокращается.
2
2
2
Нагрузка на стенки лампы - это ее входная мощность, разделенная на внутреннюю площадь поверхности лампы, обычно выраженная в Вт/см. Нагрузка на стенки используется как приблизительная мера, чтобы охватывать обе температуры. Было сделано много предложений, чтобы свести к минимуму разницу между этими двумя температурами. Для длительного срока эксплуатации ламп с электродами больше 15000 ч верхним пределом считается 20 Вт/см, тогда как срок эксплуатации ламп с 50 Вт/см полагается меньшим 2000 ч.
Эффективность, с которой микроволновая энергия преобразуется в свет - в единицах лм/Вт - возрастает в рассматриваемых LWMPLS с рабочей мощностью в ваттах при прочих равных условиях. Это происходит в результате увеличения максимальной температуры в плазме и связано с проводимостью или глубиной скин-слоя плазмы, которая уменьшается по мере увеличения мощности на единичную длину.
Неожиданным оказалось то, насколько выраженным является этот эффект, и теперь полагается, что можно определить улучшенную производительность LWMPLS и LER, при этом улучшение заключается в том, что они и/или по меньшей мере их полости для плазмы стали короче для их рабочей мощности.
В соответствии с изобретением предоставлен микроволновой плазменный источник света с прозрачным волноводом, характеризующийся длиной полости L и номинальной мощностью P, причем:
• плазменная нагрузка номинальной мощности, разделенной на длину полости, т.е. P/L, составляет по меньшей мере 100 Вт/см,
при этом длина полости представляет собой общую длину полости минус два радиуса в центральной части полости.
Предпочтение отдается работе при 125 Вт/см или выше, а для более высоких мощностей - по меньшей мере 140 Вт/см.
Измерение плазменной нагрузки исходя из фактической длины плазмы в полости, которую можно наблюдать через прозрачный волновод, является неудобным. Предпочтительно измерять общую длину полости и вычитать ее радиус с каждого конца на основании того, что плазма является наиболее интенсивной в центральной цилиндрической части полости с выпуклыми концами и не проходит до крайнего конца полостей с более плоскими концами. Хотя можно измерять фактическую микроволновую мощность, или по меньшей мере мощность, передаваемую на магнетрон, питающий LWMPLS, предпочтительно измерять мощность исходя из номинальной мощности источника света, т.е. общего потребления мощности источником света.
В некоторых из рассматриваемых LWMPLS полость для плазмы находится непосредственно в прозрачном тигле, как в рассматриваемом LER, а в других плазменная полость находится в прозрачной лампе в прозрачном волноводе, как в указанной заявке на двустворчатое приспособление. Это изобретение и определение рассматриваемых LWMPLS не ограничивается этими двумя устройствами. Другие устройства являются предметом определенных родственных и неопубликованных патентных заявок на патент настоящего изобретателя.
Опять-таки, в определенных из рассматриваемых LWMPLS можно работать в гораздо меньших областях внутренней поверхности их полостей для их рабочей мощности.
2
2
2
2
2
В частности, предпочтительно работать при нагрузке на стенки от 100 Вт/см до 300 Вт/см. Для более высоких мощностей обычно ожидается работа по меньшей мере при 125 Вт/см и предпочтительно в диапазоне от 150 Вт/см до 250 Вт/см.
Нагрузка на стенки измеряется исходя из области внутренней поверхности той части полости, для которой измеряется плазменная нагрузка, при этом мощность является номинальной мощностью.
Тот факт, что можно работать при такой более высокой нагрузке на стенки, чем обычно, относится на счет кондуктивной и лучистой теплопередачи, происходит из прозрачных тиглей и волноводов.
Чтобы поспособствовать пониманию изобретения, теперь будет описан его конкретный вариант осуществления, на примере и со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:
фиг. 1 представляет собой вид сбоку LER в соответствии с изобретением, и
фиг. 2 представляет собой увеличенное частичное изображение полости.
010
Согласно графическим материалам прозрачный тигель 1 для LER LWMPLS содержит центральную полость 2, содержащую возбуждаемый микроволнами материал 3. Диаметр полости 4 составляет мм, и длина полости составляет 21 мм. Тигель выполнен из плавленого кварца, и его длина между концевыми плоскими поверхностями 4 составляет 21 мм, и характеризуется круглой цилиндрической формой с внешним диаметром, равным 49 мм. Идентичность длины полости и длины между концевыми плоскими поверхностями тигля является результатом того, что он сделан из куска кварца, и содержит канал, и закрыт на концах канала. Длина тигля - но не полости - для настоящих целей является в некоторой степени произвольной, поскольку в предпочтительном режиме TM резонанс не зависит от длины тигля. Этот LER спроектирован, чтобы работать при 280 Вт на 2,45 ГГц.
Также показаны канал 5 для антенны 6 для введения микроволн в тигель и клетка 7 Фарадея для сохранения микроволнового резонанса в тигле. За ним расположено опорное устройство 8 из алюминия, и они объединены клеткой.
010
2
Когда LER работает в режиме TM при 280 Вт, соответствующем плазменной нагрузке 133 Вт/см и нагрузке на стенки 106 Вт/см, измеренная температура стенки составляет 700°C. Такое устройство имеет эффективность до 110 лм/Вт.
Чтобы измерить плазменную нагрузку, номинальную мощность LER делят на длину плазмы. По опыту, плазма 11 не достигает полной длины 12 полости, как показано на фиг. 2. Полость, как правило, содержит выпуклые концы 14.
Измеряется общая длина полости, и ее радиус 15 вычитается с каждого конца на основании того, что плазма является наиболее интенсивной в центральной цилиндрической части полости с выпуклыми концами и не проходит до крайних концов полостей с более плоскими концами.
2
2
Было обнаружено, что для того, чтобы достичь эффективности более 110 лм/Вт, необходимо увеличить нагрузку на единичную длину плазмы, чтобы она была выше 150 Вт/см. Одновременно было обнаружено, что для того, чтобы лампа имела приемлемый срок эксплуатации, необходимо ограничить максимальную нагрузку на стенки, чтобы она была менее 300 Вт/см и предпочтительно менее 250 Вт/см.
010
Примеры более высоких плазменных нагрузок для тиглей, работающих в режиме TM, таковы:
1. Длина полости
11 мм
Диаметр полости
5 мм
Мощность
280 Вт
Плазменная нагрузка
255 Вт/см
Нагрузка на стенки
162 Вт/см<sup>2</sup>
2. Длина полости
14 мм
Диаметр полости
3 мм
Мощность
280 Вт
Плазменная нагрузка
200 Вт/см
Нагрузка на стенки
210 Вт/см<sup>2</sup>
Таким образом, для высокоэффективных LER с приемлемой продолжительностью эксплуатации рабочие условия могут быть установлены следующим образом:
Дуга или плазменная нагрузка
Входная мощность на единичную длину плазмы>100 Вт/см
Нагрузка на стенки
100 Вт/см<sup>2</sup><Нагрузка на стенки плазменного тигля<300 Вт/см<sup>2</sup>
Предпочтительная нагрузка на стенки
100 Вт/см<sup>2</sup><Нагрузка на стенки плазменного тигля<250 Вт/см<sup>2</sup>
010
110
Хотя эти условия применимы для резонаторов, работающих в любом режиме, цилиндрические LER, работающие в режимах TM и TM, имеют преимущества в легкости производства и стоимости по сравнению с резонаторами, работающими в других режимах. Это объясняется тем, что эти два режима имеют свойство независимости резонансной частоты от длины гнезда. Это делает чрезвычайно легким изменение входной мощности на единичную длину плазмы путем изменения длины LER, а использование запаянных на торце трубок на каждом конце резонатора сводит стоимость к минимуму.