專利名稱：氣體放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣體放電燈，該放電燈具有一個在其中充滿充氣壓力達到p的填充氣的氣體放電室和至少一個電容性激發(fā)機構(gòu)。
已知的氣體放電燈包括一個充滿充氣壓力達到p的填充氣的、在其中發(fā)生氣體放電的氣密室以及通常為兩個、被封置于所述的放電室中的金屬電極。一個電極供給放電電子，這些電子通過第二電極返回外電流電路。電子的供給通常是借助于熱離子發(fā)射(熱電極)進行的，但是也可以由在強電場中的發(fā)射得到或直接由離子轟擊(離子誘導(dǎo)二次發(fā)射)(冷電極)得到。然而，氣體放電燈的運行也可以不借助于導(dǎo)電電極。在電感運行模式中，電荷載體直接由高頻(在低壓氣體放電燈的情況下通常高于1MHz)電磁AC場在氣體空間中產(chǎn)生。電子在這種電感型燈的放電室內(nèi)的環(huán)路中運動，在這樣的運行模式中不存在常規(guī)的電極。電容性激發(fā)機構(gòu)在電容型運行模式中常常被用作電極。這些結(jié)構(gòu)是由絕緣體(電介質(zhì))構(gòu)成的，這些材料在一側(cè)接觸氣體放電，在另一側(cè)與外電流電路導(dǎo)電連接(例如借助于金屬接觸)。在將AC電壓加到電容性激發(fā)機構(gòu)上時，在放電室中產(chǎn)生一個AC電場，電荷載體就是沿該電場的電力線運動。電容型燈類似于高頻運行條件下(＞10MHz)的電感性燈，這是因為這里的電荷載體也是在整個氣體空間中產(chǎn)生的。激發(fā)機構(gòu)的電介質(zhì)材料的表面性能在這里是次要的(即所謂的α-放電模式)。在低頻下，電容型燈改變了它們的運行模式，而對放電重要的電子必須在最初發(fā)射于電介質(zhì)激發(fā)機構(gòu)的表面并且在所謂的陰極下降區(qū)增加，以保持放電。因此，電介質(zhì)材料的發(fā)射性能對于燈的運行(即所謂的γ-放電模式)是至關(guān)重要的。在γ-放電模式中，緊鄰電介質(zhì)表面形成一個很有限的等離子邊界層，類似于采用冷金屬陰極的DC輝光放電的陰極下降區(qū)。橫跨這一邊界層存在一個電壓降Us，根據(jù)電流密度該電壓降可能達到100V以上。由于在邊界層消耗的功率反過來不產(chǎn)生光，所以，相應(yīng)的功率Us·I表示發(fā)光的功率損失。I表示通過燈的電流。因此，γ-放電模式的電容耦合型燈具有實際上降低了的發(fā)光效率(1m／W)。
氣體放電燈需要它們運行所必須的電子驅(qū)動器電路，它激發(fā)燈中的氣體放電，并在電路中為燈提供運行的鎮(zhèn)流器。如果在外電路中沒有適合的鎮(zhèn)流阻抗，那么氣體放電燈中的電流將由于放電室中的氣體空間中電荷載體的數(shù)量上升而增加，以致于達到使燈被迅速破壞的程度。
從美國專利US2624858中可以了解到這樣的氣體放電燈。采用電容性電極的放電燈是借助于在低于120Hz的運行頻率之下具有大于100的高介電常數(shù)ε(最好ε＞2000)的電介質(zhì)材料運行的。在這里，外電壓應(yīng)該在500V和10，000V之間。對于這樣的電容性氣體放電燈的運行來說，帶有電子驅(qū)動器單元的電路也是必須的。通過經(jīng)由電介質(zhì)材料電容耦合向氣體放電燈提供電功率。電介質(zhì)材料將金屬電極與氣體放電隔離。電介質(zhì)材料的高比電容(specific capacitor)特性意味著在金屬電極上被誘導(dǎo)出的電荷導(dǎo)致氣體放電燈中的填充氣的電離和放電。γ-放電模式還導(dǎo)致在氣體放電燈中毗鄰電解質(zhì)表面形成等離子邊界層，在此出現(xiàn)的較大的功率損失有損于燈的發(fā)光效率。
本發(fā)明的目的是提供一種具有發(fā)光效率增加的、電容性激發(fā)的氣體放電燈。
該發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的提供一個電介質(zhì)材料電極以構(gòu)成至少一個電容性激發(fā)機構(gòu)，該電極與氣體放電室相連接，并且至少圍成一個面積為A和容積為V的中空空間，對此，實際上是p·V／A＜1333cm·Pa。按照已知的方式，氣體放電燈包括一個放電室，該放電室是透明的或者是可以透過所需要的輻射的，該放電室有填充氣壓為P的常用填充氣(例如在低壓氣體放電燈的情況下是稀有氣體或者是加汞的稀有氣體)填充。放電室包括至少兩個局部被隔開的電極或激發(fā)機構(gòu)其中至少一個被制成電容性激發(fā)機構(gòu)。例如，根據(jù)本發(fā)明的電容性激發(fā)機構(gòu)還可以與一個金屬電極組合。該電容性激發(fā)機構(gòu)是用一個由適合的電介質(zhì)材料，例如玻璃、陶瓷材料、聚合物，或它們的混合物構(gòu)成的，并且被設(shè)計用于利用導(dǎo)電接觸連接外電壓源的電極構(gòu)成。該電容性激發(fā)機構(gòu)還可以包括幾層不同電介質(zhì)材料所構(gòu)成的層。這種電介質(zhì)的或電容性的電極的形狀要制作的使得它具有一個中空空間。除去與放電室的連接之外，所述的中空空間要以氣密方式封閉。在電極的內(nèi)部，該空間的表面積為A，而所包圍的容積為V，對它的測量直到它與氣體放電室的連通處。根據(jù)本發(fā)明，中空空間的尺寸要使得p·V／A＜1333cm·Pa，填充氣壓p是以Pa為單位給出的。顯然，在本發(fā)明的范圍內(nèi)各種不同的激發(fā)機構(gòu)的實施例，例如使用共同形成一個電介質(zhì)電極的平行排列的幾個電極，也是可以接受的。
在所述的中空空間進行幾個過程，借助于這些過程可以比平面電極情況下更為有效地完成對于維持放電所必須的中性粒子的電離。電子在中空空間的電場中完成振蕩運動。比起在平面陰極的等離子邊界層中，這使得中空空間中的路徑長度更大，并且整個離子化程度更高。此外，在放電的負發(fā)光區(qū)(等離子邊界層和陽極區(qū)之間的、低電場和高電離密度的常規(guī)區(qū)域)所產(chǎn)生的離子在中空空間被捕獲且重新回到該陰極。此時，它們對二次電子發(fā)射作出貢獻。同樣，對二次發(fā)射作出貢獻的其他粒子，例如紫外光子和被激發(fā)的亞穩(wěn)態(tài)原子，重新返回陰極的表面。
這些效應(yīng)產(chǎn)生了這樣的結(jié)果，即在比平面電極的情況下低的電壓下，在根據(jù)本發(fā)明的具有中空空間的電極的等離子邊界層中可以獲得均勻的粒子平衡(在等離子邊界層中產(chǎn)生的電荷等于在電極上從等離子中提取的電荷)。因此，具有中空空間的電介質(zhì)電極的電流-電壓特性明顯地顯示出梯度比平面電極更為平坦。即在施加相同的電壓下采用具有中空空間的電介質(zhì)電極比采用平面電極顯然可以獲得更高的電流密度。相反，在施加相同的電流密度的情況下，在具有中空空間的電介質(zhì)電極的等離子邊界層中所呈現(xiàn)的電壓低于平面電極。功率損失降低至同樣的程度，以使得燈的發(fā)光效率明顯提高。
在根據(jù)本發(fā)明的氣體放電燈的另外一些實施例中，電極至少圍成容積V大約等于在氣體放電燈運行過程中所形成的等離子邊界層的容積的一個中空空間。如果該中空空間的容積的尺寸使得它大致相應(yīng)于毗鄰電解質(zhì)表面的等離子邊界層的容積，具體講偏差最大值為10％，那么燈的發(fā)光效率將獲得特別高的增加。
由于等離子邊界層是按平面形式形成于電介質(zhì)電極的內(nèi)部，所以還可以借助于直徑D來說明中空空間最有利的尺寸的確定。提供具有直徑D大致相應(yīng)于兩倍邊界層厚度的中空空間，具體講偏差最大值為10％，是特別有利的。在圓筒形中空空間這種特殊的情況下，中空空間的直徑D對應(yīng)于該圓筒的直徑。在那種情況下，邊界層的厚度等于該圓筒的半徑。
在從屬權(quán)利要求中限定了本發(fā)明的特別有利的實施例。
以下將參照附圖更為詳細地說明本發(fā)明的氣體放電燈的一些實施例。


圖1示出一個具有一個圓筒形氣體放電室和一個圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)的氣體放電燈；圖2是圖1的具有一個電介質(zhì)電極的圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)的詳細示意圖；圖3示出一個具有一個彎曲形氣體放電室和一個圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)的氣體放電燈；圖4是圖1的具有若干個平行排列的電介質(zhì)電極的圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)的詳細示意圖。
氣體放電燈的這些實施例都使用帶有具有中空空間的電介質(zhì)電極的電容性激發(fā)機構(gòu)(表面積為A，而容積為V)，對于該中空空間來說，實際上p·V／A＜1333cm·Pa(p為氣體放電室中的填充氣的填充氣壓)。該燈是按照γ-放電模式，即通常是在低于10MHz的頻率下運行。
圖1示出一個具有一個圓筒形氣體放電室2和兩個圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)3的氣體放電燈1。所述的這兩個圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)3的每一個在一端借助于一個氣密接頭4與氣體放電室2相連。此外，還示出一個具有通向電容性激發(fā)機構(gòu)3的電源線6的RF電力網(wǎng)電壓源5。氣體放電燈1圍繞軸7旋轉(zhuǎn)對稱。氣體放電室2包括一根長度a為500mm和內(nèi)徑p為15mm的玻璃管。所述的氣體放電室填充有5mbar的Ar氣和5mg的Hg，并且在其內(nèi)部涂有熒光粉，以使得它發(fā)射出所需要的光譜。RF電力網(wǎng)電壓源5供給頻率為5MHz的500V的平均電壓。
在圖2中更為詳細地顯示了圖1的圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)3中的一個。它包括一個具有中空空間的圓筒形電介質(zhì)電極8和一個由電介質(zhì)材料構(gòu)成的圓盤，并且在一側(cè)以氣密方式封閉電容性激發(fā)機構(gòu)3的蓋子9。電介質(zhì)電極8包括一根長度c為20mm和外徑f為2mm的玻璃管。被電極8封閉的中空空間由玻璃管的內(nèi)徑d=1mm確定。在電介質(zhì)電極8的外圓周上提供了用于接觸電源線6的金屬層。同時，電介質(zhì)電極8構(gòu)成燈1的鎮(zhèn)流器，結(jié)果使得不必外加鎮(zhèn)流器。利用燈1獲得了大約40mA的最大平均電流，即20W的平均功率。通過玻璃管8的厚度的變化以及因此電介質(zhì)激發(fā)機構(gòu)的電容的變化可以改變相應(yīng)的功率(power connected)或運行頻率，結(jié)果使得可以適合所提出的任何要求。燈1是按γ-放電模式運行，結(jié)果使得在電極上出現(xiàn)等離子邊界層，基本上占據(jù)了玻璃管8中的中空空間。由于所使用的電介質(zhì)電極8的中空空間形狀，等離子邊界層中的功率損失被大大的降低。
在燈1的一個類似的例子中，使用了玻璃以外的不導(dǎo)電的材料作為電極8的電介質(zhì)。選擇適合的材料使得可以改變燈1的運行參數(shù)，特別是運行頻率和消耗功率，以及使它們適合要求。例如，當使用介電常數(shù)ε≈1000(例如BaTiO3、BZT、PLZT)和管狀電極厚度為0．5mm的管狀電極材料時，可以獲得HF范圍內(nèi)的運行頻率(大約30MHz)。這使得可以在簡化了的電子電路上操縱控制燈1。
圖3示出一個具有一個彎曲形狀的氣體放電室10和一個圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)11的氣體放電燈1的第二個實施例。激發(fā)機構(gòu)11在一側(cè)按氣密方式與氣體放電室10相連，而在另一側(cè)被氣密封閉。它們經(jīng)由設(shè)置在激發(fā)機構(gòu)11外側(cè)的電觸點與來自電力網(wǎng)電壓源5的電源線6相連接。氣體放電室10包括一根被彎成U形并且填充有500Pa的Ar氣和5mg的Hg的內(nèi)徑為9mm、其內(nèi)部涂有熒光粉的玻璃管。
在圖4中更為詳細地顯示了圖3的圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)11中的一個。圓筒形電容性激發(fā)機構(gòu)11包括幾個平行排列的電介質(zhì)電極8。管狀電極8在一側(cè)用蓋9密封。蓋9也是用一個電介質(zhì)圓盤制成。在另一側(cè)，借助于玻璃盤12在電介質(zhì)電極8和氣體放電室10之間提供了氣密連接。玻璃盤12具有若干孔，結(jié)果使得在電極8的空心空間和氣體放電室10之間形成開放連通。電容性激發(fā)機構(gòu)11的長度c=20mm，直徑g=10mm。平行排列的電介質(zhì)電極8每一個的內(nèi)徑d=1mm，外徑f=2mm，同時長度c=20mm。電極8是用電介質(zhì)材料，例如專門的BaTiO3制作，它們?nèi)拷柚谝粋€導(dǎo)電層外表面導(dǎo)電接觸。對于燈1的第二實施例來說，最好使用由鐵電材料制成的、具有高度飽和極化度P和最大的可能激發(fā)表面積A的激發(fā)機構(gòu)11。P·A的乘積是電力網(wǎng)電壓源5每半周期可以傳遞的最大電荷量。在這個實施例中，還可以在230V和50Hz條件下運行，以便向燈1提供足夠強的電流和足夠高的功率(大約10W)。這種具有通過本發(fā)明的電介質(zhì)電極8所獲得的發(fā)光效率提高的燈可以直接在公共電力網(wǎng)上運行，而不需要價格昂貴的電子驅(qū)動器電路。
權(quán)利要求
1．一種氣體放電燈(1)，具有一個在其中充滿充氣壓力達到p的填充氣的氣體放電室(2)和至少一個電容性激發(fā)機構(gòu)(3)，其特征在于提供至少一個電介質(zhì)材料電極(8)以構(gòu)成至少一個電容性激發(fā)機構(gòu)(3)，該電極與氣體放電室(2)相連，并且至少圍成一個面積為A和容積為V的中空空間，在其中p·V／A＜1333cm·Pa。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于電極(8)至少圍成容積大約等于在氣體放電燈(1)運行過程中所形成的等離子邊界層的容積的一個中空空間。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于電極(8)圍成至少一個直徑D(d)大約等于在氣體放電燈(1)運行過程中所形成的等離子邊界層厚度兩倍的中空空間。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于提供至少一根長度(c)約為20mm、內(nèi)徑(d)約為1mm和外徑(f)為2mm的玻璃管，以形成電極(8)，電極管在一側(cè)按氣密方式與氣體放電室(2)相連，而在另一側(cè)被氣密封閉。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于提供至少一根長度(c)約為20mm、內(nèi)徑(d)約為1mm和外徑(f)為2mm的非導(dǎo)電的陶瓷材料管(8)，以形成電極(8)，電極管在一側(cè)按氣密方式與氣體放電室(2)相連，而在另一側(cè)被氣密封閉。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣體放電燈,該放電燈具有一個在其中充滿充氣壓力達到p的填充氣的氣體放電室和至少一個電容性激發(fā)機構(gòu)。為了提高氣體放電燈的發(fā)光效率,本發(fā)明提出由一種電介質(zhì)材料制成的電極形成至少一個電容性激發(fā)機構(gòu),該電極與氣體放電室相連接,并且至少圍成一個表面積為A和容積為V的中空空間,在其中p·V/A<1333cm·Pa。根據(jù)本發(fā)明,這種電介質(zhì)的或電容性的電極的形狀被加工得使其具有一個除去與氣體放電室的連通部分之外都被真空密封的中空空間。在電極內(nèi)部圍繞容積V的表面積為A,中空空間的尺寸使得p·V/A<1333cm·Pa,填充氣壓力p的單位為Pa。
文檔編號H01J65/04GK1293448SQ0013470
公開日2001年5月2日 申請日期2000年9月21日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月24日
發(fā)明者A·克勞斯, B·勞森貝格爾, H·丹納特 申請人:皇家菲利浦電子有限公司