МИКРОВОЛНОВЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА С ТВЕРДЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВОЛНОВОДОМ
MICROWAVE LIGHT SOURCE WITH SOLID DIELECTRIC WAVEGUIDE

Область техники
Настоящее изобретение относится к источнику света для лампы с микроволновым источником питания.
Предшествующий уровень техники
Известно возбуждение разряда в электрической лампе с целью создания света. Типичными примерами являются натриевые разрядные лампы и лампы с флуоресцентной трубкой. В последних используется пар ртути, который создает ультрафиолетовое излучение. В свою очередь это возбуждает флуоресцирующий порошок для создания видимого света. Такие лампы являются более эффективными с точки зренияизлучаемых на ватт потребляемого электричества люменовсвета, чем лампы с вольфрамовой нитью. Однако они все еще имеют недостаток, заключающийся в том, что внутри лампы требуются электроды. Поскольку в них проходит требуемый для разряда ток, они изнашиваются и, в конце концов, выходят из строя.
Авторами разработаны лампы с колбами без электродов, как показано в патентных заявках №№ PCT/GB2006/002018 для лампы («лампа 2018»), PCT/GB2005/005080, касающейся колбы для лампы, и PCT/GB2007/001935, касающейся согласующей схемы для лампы с микроволновым источником питания. Эти заявки относятся к лампам, работающим без электродов, путем использования микроволновой энергии для возбуждения светоизлучающей плазмы в колбах. Более ранние предложения, включающие использование воздушной волны для связывания микроволновой энергии в колбе, были сделаны, например, Fusion Lighting Corporation в патенте US 5334913. Если используется волновод воздушной волны, лампа является крупногабаритной, потому что физический размер волновода является долей длины волны микроволн в воздухе. Это не является проблемой для освещения улиц, например, но делает такой тип света непригодным для многих применений. По этой причине в лампе 2018 используется диэлектрический волновод, который значительно сокращает длину волны при рабочей частоте 2,4 ГГц. Эта лампа пригодна для использования для домашнего применения, такого как заднепроекционное телевидение.
Примерно восемь лет назад наши партнеры по бизнесу в сфере микроволнового возбуждения света пригласили основателей Luxim Inc («Luxim») в соглашение на оказание консультационных услуг. 31 июля 2000 г. Luxim подала предварительную заявку на патент US 60/222028, на основании которой в свое время был получен патент US 6737809 (Luxim Patent). Реферат этого патента следующий:
«Плазменная лампа со встроенным диэлектрическим волноводом (DWIPL) с корпусом, состоящим главным образом из, по меньшей мере, одного диэлектрического материала, имеющего диэлектрическую постоянную больше, чем приблизительно 2, и имеющая форму и размеры такие, что корпус резонирует, по меньшей мере, в одном резонансном режиме, когда микроволновая энергия соответствующей частоты связана в корпусе. Колба, расположенная в полости внутри корпуса, содержит газ-наполнитель, который при получении энергии от резонирующего корпуса создает светоизлучающую плазму».
Мы полагаем, что это первое раскрытие сущности твердого диэлектрического волновода для связывания микроволновой энергии в безэлектродной колбе. В это время внимание было сфокусировано на значительном сокращении размера, достигаемого путем использования твердого диэлектрика. Наша собственная вовлеченность в проект касалась экспертной оценки в выборе керамического материала. Выбранным керамическим материалом был оксид алюминия.
Полученный нами патент US 6666739 предшествует вышеупомянутому соглашению об оказании консультационных услуг. Его реферат является нижеследующим:
«Лампа состоит из полого трубчатого корпуса с закрытым концом и открытым концом. Корпус выполнен из спеченного керамического материала. Окно запаяно через открытый конец, причем окно и корпус объединены с помощью слоя фритты. Окно выполнено из сапфира. Внутри корпуса запаяна среда инертного газа и шариковый заряд из возбуждаемого материала. При использовании лампа подвергается радиочастотному электромагнитному излучению, которое нагревает ее до 1000ºС, заставляя ее излучать видимый свет через сапфир».
Не только оксид алюминия является непрозрачным в используемом виде, но также волновод был плакирован серебром, чтобы обеспечить граничные условиядля резонансного электрического поля внутри волновода. В патенте Luxim было предложено, чтобы свет излучался через сапфировое окно.
Мы не знаем с момента упомянутого выше сотрудничества о каком-либо предложении использовать твердый диэлектрический волновод, в котором не используется отдельная колба, вмещающая возбуждаемый микроволновый материал, - колба обычно изготовлена из кварца - в углублении в непрозрачном волноводе - обычно из оксида алюминия - или интегрированная компоновка прозрачного окна, закрывающего углубление в непрозрачном волноводе и вмещающего микроволновый возбуждаемый материал.
Вслед за усовершенствованиями в нашей технологии микроволнового возбуждаемого света Эндрю Нит (Andrew Neate) изобрел объединение колбы и волновода в единый составной элемент другим путем.
Впоследствии, 16 ноября 2007 г., мы подали нашу патентную заявку № 0722548.5, упомянутую здесь как наша первая патентная заявка на LER (светоизлучающий резонатор, СИР). В заявке описан источник видимого света для лампы, которая снабжается энергией с помощью микроволнового источника, имеющего:
оболочку, которая прозрачна для видимого света и непрозрачна для микроволн, и резонирует при микроволновом возбуждении,
наполнение материалом, возбуждаемым микроволновой энергией, для создания видимого света излучающей плазмы и
антенну внутри оболочки, расположенную для наводимого с помощью плазмы возбуждения микроволнового резонанса внутри оболочки, причем антенна имеет соединение, проходящее за пределы оболочки для связи с микроволновым источником.
В развитие нашего первого LER (светоизлучающего резонатора), который сначала был задуман как относительно большая оболочка с относительно тонкой стенкой и антенной в герметичной пустоте, содержащей наполнение, мы разработали наш второй LER (светоизлучающий резонатор), в котором закрытое пространство было относительно более малым, при этом антенна была расположена внутри материала оболочки.
Таким образом, 23 мая 2008 г., мы подали нашу патентную заявку № 0809471.6, упомянутую здесь как наша вторая патентная заявка на LER (светоизлучающий резонатор). В ней описан источник видимого света, который запитывается микроволновой энергией, причем источник имеет:
контейнер твердой плазмы из материала, который является прозрачным или просвечивающим для выхода из него, причем плазменный контейнер имеет запаянную пустоту в плазменном контейнере,
клетку Фарадея, окружающую плазменный контейнер, причем клетка является, по меньшей мере, частично пропускающей свет, для выхода света из плазменного контейнера, будучи микроволновой оболочкой,
наполнение пустоты материалом, возбуждаемым микроволновой энергией, для создания в ней светоизлучающей плазмы и
антенну, размещенную внутри плазменного контейнера для передачи к наполнению микроволновой энергии, наводимой с помощью плазмы, причем антенна имеет:
соединение, проходящее за пределы плазменного контейнера, для связи с источником микроволновой энергии;
причем устройство является таким, что свет от плазмы в пустоте может проходить через плазменный контейнер и излучаться из него через клетку.
Краткое изложение существа изобретения
Теперь мы дополнительно разработали LER (светоизлучающий резонатор) и относящуюся к нему технологию, при этом Эндрю Нит (Andrew Neate) и Барри Престон (Barrie Preston) совместно создали настоящее изобретение, которое обеспечивает преимущество LER в лампе, использующей нашу колбу '2018.
Согласно настоящему изобретению предложен источник света, содержащий:
прозрачный волновод из твердого диэлектрического материала, имеющий:
по меньшей мере, частично пропускающую свет клетку Фарадея, окружающую волновод,
полость колбы внутри волновода и клетку Фарадея, и
возвратную часть антенны внутри волновода и клетки Фарадея, и
колбу, имеющую возбуждаемое с помощью микроволн наполнение, причем колба принимается в полость колбы.
Используемый в данном описании термин «прозрачный» означает, что материал, из которого выполнено изделие, описанное как прозрачное, является прозрачным или пропускающим свет.
Лампа, использующая этот источник света, имеет преимущество по сравнению с известной лампой по патенту '809 в том, что свет, излучающийся в боковом направлении из колбы, также как осевой свет, может быть собран и использован. В патенте '809 может быть использован только осевой свет только с одного конца колбы.
Обычно волновод будет иметь размеры для микроволнового резонанса с полостью в состоянии максимального поля для оптимального возбуждения наполнения. В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения волновод имеет круглое поперечное сечение и имеет размеры для половины волны, чтобы проходить диаметрально в ее пределах.
Предпочтительно оболочка колбы и прозрачный волновод выполнены из одного и того же материала.
Полость колбы может быть открыта, в зависимости от поверхности волновода, как в патенте '809. Однако мы предпочитаем размещать колбу более глубоко в волноводе. Мы достигаем этого любым из двух способов:
Выполнением отверстия в волноводе, на половину его глубины, вставляя колбу в отверстие и закрывая отверстие пробкой из материала, из которого изготовлен волновод. Пока это не является существенным, хотя и возможным, припаивать пробку к волноводу, причем предпочтительным является прикрепить пробку к волноводу, обычно с помощью местной точечной плавки;
Выполнением волновода из двух половинок, которые при закрытии вместе создают полость колбы. Опять-таки, эти две половинки, которые не должны быть равными или симметричными половинками, могут быть соединены вместе с помощью точечного оплавления.
Когда контейнер и пробка выполнены из стекловидного материала,пробка и контейнер, или две половинки последнего, в зависимости от обстоятельств, могут быть зафиксированы или спаяны вместе путем местного оплавления материала пробки на уступе и/или отверстии, обработанном цековкой. Если они выполнены из керамического материала, их фиксируют или запаивают вместе путем местного оплавления материала фритты. Местное оплавление может быть осуществлено с помощью лазера.
В любом случае колба может быть свободной внутри полости. Однако предпочтительно ее фиксируют по отношению к полости. Соответствующим образом это может быть достигнуто путем точечной плавки ножки колбы в отверстии соответствующего размера, проходящем из полости.
Можно удерживать колбу в ее полости с помощью клетки Фарадея.
В одном конкретном варианте осуществления настоящего изобретения:
колба удерживается в полости с помощью трубки из диэлектрического материала;
поверхность, на которую полость открывается, является задней поверхностью прозрачного волновода, при этом трубка удерживается с помощью участка клетки Фарадея;
колба имеет продолжение, размещающееся во внутреннем конце трубки;
трубка обеспечивает возвратную часть антенны;
клетка Фарадея включает в себя твердый участок, проходящий через заднюю часть прозрачного волновода до его поперечного расширения, и зажим, зажимающий твердый участок и волновод вместе и соединяющий твердый участок с пропускающим свет передним участком клетки Фарадея;
прозрачный волновод и твердый участок волновода выполнены взаимодополняющей формы для фокуса излучаемого света; и
пропускающий свет передний участок клетки Фарадея включает в себя сетчатый металлический элемент или прозрачное проводящее покрытие.
Эти признаки могут быть использованы отдельно или совместно.
Клетка Фарадея может включать в себя, по меньшей мере, одно отверстие, чтобы местно увеличивать пропускание через него света. Предпочтительно, отверстие не больше, чем одна десятая от длины волны свободного пространства микроволн в контейнере. Обычно для работы при 2,45 ГГц отверстие будет не больше, чем 1/10 × 12,24 см, то есть 12,24 мм, и для 5,8 ГГц не больше, чем 6,12 мм.
.
Предусмотрено, что плазменный контейнер будет выполнен из кварца или спеченного прозрачного керамического материала, хотя и другие материалы тоже являются пригодными. В частности, керамический материал может быть просвечивающим или прозрачным
.
Примером подходящего просвечивающего керамического материала является поликристаллический оксид алюминия, и примером прозрачного керамического материала является поликристаллический алюмоиттриевый гранат, АИГДругими возможными материалами являются нитрид алюминия и монокристаллический сапфир.
Предпочтительно материал колбы и материал волновода имеют один и тот же коэффициент термического расширения, просто за счет их выполнения из одного и того же материала. Тем не менее, колба, вероятно, нагревается больше, чем полость, в частности, если она имеет относительно низкую теплопроводность, при этом предпочтительно для расширения колбы выполняют зазор. Отметим, что кварц имеет низкую проводимость по сравнению с оксидом алюминия.
Хотя антенну обычно размещают в возвратной части антенны и она удерживается там с помощью других механических ограничителей в источнике света, предусмотрено, что антенна может быть закреплена в волноводе, например путем расплавления материала волновода вокруг антенны, закрывая возвратную часть.
Предпочтительно лампа также включает в себя источник микроволн и согласующую схему в качестве единой интегрированной структуры.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схематичный общий вид колбы, прозрачного волновода и микроволнового источника лампы, имеющей источник света в соответствии с изобретением;
фиг.2 изображает вид сбоку в разрезе колбы и прозрачного волновода по фиг.1;
фиг.3 изображает вид сзади прозрачного волновода;
фиг.4 изображает вид с разнесенными в пространстве деталями альтернативного варианта прозрачного волновода;
фиг.5 изображает вид сзади альтернативного варианта волновода;
фиг.6 изображает источник света согласно изобретению;
фиг.7 изображает рефлектор согласно изобретению;
фиг.8 изображает волновод параболической формы согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Как показано на чертежах, на фиг.1 показано общее представление лампы 1, которая содержит генератор и усилительный источник 2 микроволновой энергии, обычно работающий при 2,45 или 5,8 ГГц или на других частотах внутри полосы частот, отведенной для промышленной, научной и медицинской радиослужбы. Источник пропускает микроволны через согласующую схему 3 к антенне 4, проходящей в возвратную часть 5 в прозрачном волноводе 6. Волновод выполнен из кварца и имеет центральную полость 7, в которой размещена колба 8. Колба является запаянной трубкой 9 из кварца и содержит наполнение из инертного газа и микроволнового возбуждаемого материала, который излучает свет, когда возбуждается микроволнами. Колба имеет ножку 10, которая входит в отверстие 11 ножки, проходящее от центральной полости. Волновод является прозрачным, при этом свет от колбы может покидать его в любом направлении, повергаясь воздействию любых отражающих поверхностей. Микроволны не могут покинуть волновод, который ограничен по своим поверхностям клеткой Фарадея. Обычно он содержит покрытие 12 из оксида индия и олова на передней стороне волновода, светоотражающее покрытие 10, обычно из серебра со слоем покрытия 13 из монооксида кремния на задней стороне, и проволочную сетку 14, которая контактирует и с покрытием из оксида индия и олова, и со светоотражающим покрытием, и она заземлена, причем проволочная сетка продолжается вокруг сторон волновода между передней и задней поверхностями. Свет может проходить через проволочную сетку для его сбора и использования.
Волновод будет иметь форму и размеры, чтобы устанавливать максимальное электрическое поле в колбе, когда он возбуждается на выбранной частоте микроволн. Полагают, что задание нужных размеров, принимая во внимание диэлектрическую постоянную кварца волновода, находится в рамках компетенции специалиста в данной области техники.
Одна физическая конфигурация источника света, содержащего колбу и волновод, показана на фиг.2 и 3. Кварцевый волновод 21 является цельным,с отверстием 22 с одной стороны 23. Отверстие проходит приблизительно на 60% толщины волновода при полном диаметре 24 для тела 25 колбы и затем на диаметр 26 зазора для ножки 27 колбы. Пробка 28 заполняет отверстие сверху колбы и зафиксирована на месте с помощью оплавления 29 путем лазерной пайки материала волновода и пробки во входе 30 отверстия. Для этого лазер фокусируют на линии 31 соединения между пробкой и волноводом на входе и проходят вокруг линии соединения, местно расплавляя кварц, который быстро снова застывает, фиксируя пробку в волноводе. Герметизация образуется при непрерывном выполнении оплавления вокруг пробки. На противоположной стороне 32, где ножка выступает из отверстия ножки, осуществляют подобную лазерную операцию. Если необходимо, стороны 23, 33 впоследствии полируют, чтобы удалить любой всплеск. Таким образом, волновод становится единым целым с колбой.
Необходимо отметить, что там, где оболочка колбы и волновод оба выполнены из кварца, возможно только такое запаивание материала. Там, где они выполнены из прозрачного поликристаллического оксида алюминия, в запайку вводится стеклянная фритта, и именно она плавится, фиксируя и запаивая составляющие элементы.
Клетка Фарадея может быть нанесена впоследствии. Хотя антенна и ее возвратная часть показаны на фиг.1 как коаксиальные, возвратная часть 33 в этом варианте осуществления настоящего изобретения размещена эксцентрично на фиг.2.
Другая физическая конфигурация показана на фиг.4 и 5. Волновод 41 состоит из двух взаимодополняющих частей 42, 43. Они имеют сопрягаемые поверхности 44, 45, в которых выполнены углубления 46, 47, эквивалентные отверстию 22 и расширению 26 ножки. Колба 48 уложена в углубление в одной части, при этом ножка 49 прихвачена 50 лазером к своему углублению, на дистальном конце ножки, где термические напряжения при использовании могут ожидаться как минимальные. Добавляют другую часть и обе части запаивают 51 лазером вместе по периферии их поверхностей соединения. Затем их полируют до плоского состояния так, чтобы их сразу соединить, и чтобы тот факт, что волновод содержит две части, не влиял на его характеристику в качестве микроволнового резонансного волновода. Таким образом, волновод снова становится единым целым с колбой.
Хотя вышеупомянутые варианты осуществления настоящего изобретения были описаны как выполненные из кварца, то есть оба, и колба и волновод, выполнены из кварца, они могут быть выполнены из другого материала. В частности, полагают, что следующие материалы пригодны для того, чтобы их выполнять или выполнить прозрачными или, по меньшей мере, пропускающими свет:
расплавленный кварц, сапфир, поликристаллический оксид алюминия (ПОА), алюмоиттриевый гранат (АИГ) и нитрид алюминия.
Изобретение не предназначено быть ограниченным деталями вышеописанного варианта осуществления настоящего изобретения. Например, хотя на чертежах показаны волноводы, которые по форме являются круглыми цилиндрическими, с длиной, равной диаметру, и возвратной частью антенны, расположенной обычно по их центральной оси, соотношение длины к диаметру может быть изменено, чтобы сделать волноводы либо короткими и толстыми, либо высокими и тонкими. В равной степени, антенна может быть размещена как эксцентриковая, как показано на фиг.2. Она может быть запаяна внутри, то есть возвратная часть припаяна с антенной на месте, или возвратная часть может быть оставлена открытой со вставленной антенной.
К тому же волновод может иметь различные геометрические формы, такие как кубообразная, опять же с размерами, выбранными чтобы подходить для резонанса. Несомненно, для волновода не является существенным быть возбужденным в состояние резонанса.
,
Как видно на фиг.5 и 6, там показан источник света, который имеет низкий круглый кварцевый волновод 101 с диаметром 50,8 мм и высотой 35 мм. От задней поверхности 102 в волновод центрально проходит отверстие 103 с диаметром 5 мм, проникая в него в пределах 5 мм от передней поверхности 104 волновода. Волновод имеет 6-ти миллиметровое отверстие 105обработанное цековкой, продолжающееся на 15 мм. Кварцевая безэлектродная колба 106 с диаметром 5 мм, колба '2018, с телом 107, составляющим 15 мм, и с ножкой 108, имеющей длину 5 мм и диаметром 2 мм, расположена в отверстии 103. Кварцевая трубка 109 длиной 15 мм входит вотверстие 105, обработанное цековкой,и принимает ножку в своем отверстии 110. Колба фиксируется при выравнивании трубки с задней поверхностью 102 волновода.
Алюминиевая заземленная плоскость 112 расположена в контакте с задней поверхностью, чтобы фиксировать трубку 109 и, следовательно, колбу. Центрально и изолированно от нее проходит антенна 113, которая выступает в отверстие 110 для подачи микроволн от непоказанной схемы возбуждения, чтобы создать резонанс в волноводе и излучающую свет плазму в колбе.
Вокруг окружности 114 волновода и через него проходит сетчатая металлическая фольга 115, образуя с заземленной поверхностью клетку 116 Фарадея. Центрально, на одной линии с концом колбы в фольге находится отверстие 117, обеспечивающее беспрепятственное излучение осевого света из колбы. Большая часть радиального света проходит через сетчатую фольгу по окружности 114. Зажим 118 закрепляет вместе заднюю поверхность 112 и волновод, в то же самое время присоединяя заднюю поверхность к сетчатой фольге. Фольга по окружности отогнута 119 к фольге на передней поверхности.
Этот источник света установлен в фокусе рефлектора 120, показанного частично на фиг.7.
Переходя к фиг.8, показан вариант, в котором волновод 211 выполнен параболической формы с дополнительной задней плоскостью 212. Он направляет свет, излучаемый колбой, вперед от волновода. Задняя поверхность имеет зажим 213 на своей передней кромке 214, зажимая и волновод в пределах задней плоскости, и проволочную сетку 215 через переднюю часть волновода посредством обода 216, зажатого между задней поверхностью и волноводом. Проволочная сетка выполняет роль клетки Фарадея для данного источника света. Она имеет подобное размещение посредством трубки ее колбы.
В непроиллюстрированном альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения колба располагается в открытой полости в форме волновода и удерживается там посредством проволочной сетки.