專利名稱：一種新型無電極紫外線燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)型微波紫外線發(fā)生設(shè)備(燈)，該微波紫外線
發(fā)生設(shè)備(燈)用在240nm到270nm具有高發(fā)射特性的三價(jià)鋯離子或 四價(jià)鑭離子代替水銀，并由無電極放電方法加以驅(qū)動(dòng)，所述無電極放 電方法利用微波電場(chǎng)獲得高效、高輸出功率以及半永久的耐用性。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)UV發(fā)生技術(shù)將放電電極裝入透明的玻璃管，抽空玻璃管，向 玻璃管中注入氣態(tài)水銀，密封玻璃管，根據(jù)由DC電場(chǎng)或低頻AC電場(chǎng) 引起的發(fā)射電子產(chǎn)生的放電電流，對(duì)填充在玻璃管中的水銀蒸氣進(jìn)行 電離，從而發(fā)出水銀的本征譜，并且對(duì)該本征譜加以利用。
UV射線的發(fā)射量以及填充在UV燈中的電離氣體的發(fā)射譜是由電 離氣體的類型決定的，因而尋找具有較寬UV分布和較大發(fā)射量的材料 是非常重要的。目前使用的一價(jià)水銀的譜線包含在UV、可見光線以及 紅外線(IR)區(qū)內(nèi)，并且在100nm至2000nm的范圍內(nèi)存在117條光譜 線。按強(qiáng)度順序排列，譜線包括253.6536nm(亮度15000)、 435.8335 乂亮度「鄰的)廠365、051&Mn (亮度:-2800)、 1013.975 (亮度2000)、 404.6559 (亮度1800)、 296.7278 (亮度1200)、 546.0731 (亮度 1100)、 184.950 (亮度:1000)、 256.369 (亮度:400)以及434.749 (亮 度400)。其中，主要的UV波長(zhǎng)為253.6536nm的譜，后者對(duì)應(yīng)于整個(gè) 譜強(qiáng)度的37.3%。
傳統(tǒng)UV燈按以下方式予以構(gòu)造將電極連接至管子內(nèi)部的兩端， 使放電電流在電極間流動(dòng)，并激發(fā)存在于放電電流通路上的電離氣體， 從而發(fā)出電離氣體的本征譜。在放電時(shí)，電極被加熱從而發(fā)出熱電極， 因此，構(gòu)成電極的金屬被蒸發(fā)，并沉積在管壁上，這使得光量降低， 電極損壞，并使UV燈失效。將失效的UV燈丟棄，則丟棄過程中產(chǎn)生的水銀蒸氣將對(duì)環(huán)境造成影響。
此外，為了提高UV燈的輸出功率，應(yīng)提高流經(jīng)電極的電流量。這 是降低電極耐用性的主要因素以及制造大功率燈的主要障礙。
因此，為了提高燈的耐用性和輸出功率，正在開發(fā)不帶燈絲或不 帶放電電極的無電極燈。無電極燈的原理在于，電子在電場(chǎng)方向連續(xù)
顛倒的高頻AC電場(chǎng)中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并同氣體分子發(fā)生碰撞，從而發(fā)出同
氣體相一致的譜。
也就是說，激發(fā)位于高密度、高頻電場(chǎng)中的燈管內(nèi)的氣體分子， 使其產(chǎn)生放電，因而，為了發(fā)出具有同燈管中的氣體特性相一致的連 續(xù)譜的光，從外部將高頻作用于真空管，而不用在真空管中形成電極。 由于這種燈管具有較高的發(fā)射效率以及持久的耐用性，因而被越來越 多地用作可見光燈。
利用工作于幾百kHz至幾MHz的高頻方法以及工作于幾GHz的微 波放電方法，將電能作用于無電極燈。
為了將高頻作用于燈管，采用高頻的傳統(tǒng)無電極燈通過電感耦合 或電容耦合方式將高頻壓縮到無電極燈中，并且需要一個(gè)用于向燈提 供高頻功率的振蕩器。因此，傳統(tǒng)無電極燈十分昂貴、復(fù)雜并且難以 產(chǎn)生高輸出功率。
另一方面，微波放電方法將燈管安置于諧振腔內(nèi)，使得燈管中發(fā) 生微波放電，因此，微波放電方法十分經(jīng)濟(jì)，并且易于產(chǎn)生高輸出功 率
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
因此，在解決上述包括現(xiàn)有技術(shù)中存在的輸出功率過低、耐用性 不夠、以及水銀污染在內(nèi)的問題的努力過程中，創(chuàng)造了本發(fā)明，并且 本發(fā)明的主要目的是提供一種制造填充了鋯和鑭的放電燈的方法、一 種用于開啟放電燈的微波發(fā)生器以及一種用于將生成的微波場(chǎng)注入燈 管的方法和組件。
利用2.54GHz的、數(shù)百至數(shù)千瓦特的微波場(chǎng)激發(fā)填充于燈管中的
4鋯離子或鑭離子，從而產(chǎn)生來自鋯燈和鑭燈的UV線，鋯燈產(chǎn)生的UV
線以262.0571nm (亮度10,000,000)作為主要波長(zhǎng)，并且在220nm 至270nm的范圍內(nèi)具有較高的UV強(qiáng)度，而鑭燈產(chǎn)生的UV線以 259.750nm (亮度95,000)作為主要波長(zhǎng)，其中所述微波場(chǎng)是通過在 與微波振蕩元件相對(duì)應(yīng)的微波產(chǎn)生器中振蕩鋯離子或鑭離子的方式予 以獲得的。
為充分理解本發(fā)明、及其優(yōu)勢(shì)以及實(shí)施本發(fā)明所能實(shí)現(xiàn)的目的， 參考了用于對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例予以說明的附圖。技術(shù)方案
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，提供了一種不含水銀的無電極UV燈，所述 無電極燈包括微波發(fā)生器；波導(dǎo)，用于將微波發(fā)生器所產(chǎn)生的微波 傳導(dǎo)并傳輸為諧振模式，并具有形成于電場(chǎng)面或磁場(chǎng)面的電磁波斷點(diǎn) 的一側(cè)的開口；無電極UV燈管，填充有鋯或鑭的離子氣體，并加以 密封，并且具有可密封鍵合于波導(dǎo)開口的末端；以及微波諧振腔，內(nèi) 含燈管，并適于傳輸光并阻擋微波。
本發(fā)明的無電極UV燈可包括 一個(gè)燈管以及一組微波發(fā)生器和 波導(dǎo)(圖2)，或者可以包括多個(gè)燈管以及兩組微波發(fā)生器和波導(dǎo)(圖 3)。當(dāng)UV燈包含多個(gè)燈管時(shí)，波導(dǎo)具有多個(gè)分別與燈管對(duì)應(yīng)的開口。 當(dāng)UV燈包含兩組微波發(fā)生器和波導(dǎo)時(shí)，作用于兩個(gè)微波發(fā)生器的電 壓之間可以具有180。的相位差。
在本發(fā)明中，燈管為圓柱管，所述圓柱管的直徑在10nm至30nm 的范圍內(nèi)，并且其長(zhǎng)度在200mm至2000mm的范圍內(nèi)，所述圓柱管 是由熔融石英制成的，并且可通過以下工藝制造而成以每cn^燈管 lmg至5mg的注入量，將碘化鋯或碘化鑭注入燈管，將燈管抽空到 10-4Toit至l(T5T0rr，向燈管填充氬氣直至l(T2T0rr，將燈管密封，將 燈管放入微波發(fā)射強(qiáng)度至少為5W/cm3的電場(chǎng)電爐中，并進(jìn)行熔化和 蒸發(fā)。雖然未說明場(chǎng)強(qiáng)的上限，但由于所述場(chǎng)強(qiáng)是用于施加比蒸發(fā)固 體所用的蒸發(fā)點(diǎn)高的溫度的下限，因而上限是沒有意義的。有益效果
由于不存在由電極損失導(dǎo)致的耐用性下降的因素，依照本發(fā)明的
5UV燈的耐用性顯著提高，從而降低了燈的廢棄物造成的水銀污染， 并且達(dá)到了環(huán)保的效果。
此外，根據(jù)本發(fā)明的燈，可以減小對(duì)波導(dǎo)的損壞，從而在最小化 微波能量損失的同時(shí)維持光輻射。
另外，依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、利用微波放電方法的鋯uv
燈能夠分布由可以發(fā)出高輸出功率的微波的單個(gè)微波發(fā)生器產(chǎn)生的微
波，從而安裝/使用多個(gè)燈管，進(jìn)而能夠散布uv發(fā)射部分。


根據(jù)以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明，可以更加充分地理解本發(fā)明的其
他目的以及優(yōu)勢(shì)，附圖中
圖1示出了采用本發(fā)明所用的微波放電的鋯離子和鑭離子的uv
譜，以便同水銀的UV特性進(jìn)行比較；
圖2是一幅透視圖，示出了采用微波放電的鋯UV燈的配置； 圖3示出了一種本發(fā)明另一實(shí)施例的UV燈的配置。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖，詳細(xì)闡釋依照依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、利用
微波產(chǎn)生無電極短波長(zhǎng)uv線的原理。
圖1示出了表示UV區(qū)內(nèi)水銀、鋯和鑭的波長(zhǎng)以及譜強(qiáng)度的圖表。
參考圖l，在uv區(qū)內(nèi)鋯和鑭的譜優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)所用的水銀的譜。
在圖1中，橫軸表示波長(zhǎng)，縱軸表示光子發(fā)射強(qiáng)度，并且從上到下
依次示出了UV區(qū)內(nèi)水銀、鑭和鋯的譜。從圖1可知，材料之間發(fā)射譜 存在顯著的差異(參考NIST;國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院)。
在本發(fā)明中，燈管是填滿鋯或鑭而不是水銀離子氣體的無電極UV燈管。
希望燈管10使用能夠發(fā)出90X以上的波長(zhǎng)為260nm的譜線的材料 (例如，熔融石英)，并且成直徑在10mm至30mm的范圍內(nèi)、長(zhǎng)度在 200mm至2000mm的范圍內(nèi)的圓柱形。燈管10是通過以下工藝制造而 成的以每cm、燈管10 lmg至5mg的注入量，將碘化鋯或碘化鑭注入燈管10，將燈管抽空到l(^Torr至l(rSToiT，向燈管10填充氬氣直至 10-2Toit，將燈管10密封，將燈管放入微波場(chǎng)強(qiáng)最小為5W/cmS的電場(chǎng)
電爐中，并進(jìn)行熔化/蒸發(fā)。
將制成的燈管10裝入諧振腔40內(nèi)，并將諧振腔40安裝在微波發(fā)生 器30所連接的波導(dǎo)20上。用導(dǎo)電屏蔽材料80覆蓋住包括UV燈管10在內(nèi) 的諧—振腔40的一側(cè)或整個(gè)表面，從而避免電磁波泄漏，并僅僅可透光， 此外采用可以很好地傳輸U(kuò)V線的材料(如，熔融石英玻璃)將諧振腔 40加以密封(參考圖2和3)。屏蔽材料80可采用帶有小孔的多孔平板或 金屬絲網(wǎng)，并且可以是柵線隙距為1.5mm至2.5mm的板條或具有8至20 條網(wǎng)線的金屬網(wǎng)。
在本發(fā)明中，可選擇各種設(shè)備，比如，磁控管、速調(diào)管和行波管) 作為微波發(fā)生器30。根據(jù)注入燈管的離子類型、發(fā)光強(qiáng)度、波導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn) 等，可以將微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波的頻率定為900MH、 2.45GHz或 5.3GHz。在以下實(shí)施例中，選擇2.45GHz的磁控管。
可以將用于為依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、利用微波的無電極UV 發(fā)生設(shè)備的微波發(fā)生器30散熱的散熱裝置安置在微波發(fā)生器外部，并 且所述制冷裝置具有適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明中，波導(dǎo)將微波發(fā)生器所產(chǎn)生的微波傳導(dǎo)為諧振模式， 并將微波傳輸至燈管。
波導(dǎo)20中單個(gè)波的波長(zhǎng)是根據(jù)磁場(chǎng)面的寬度予以確定的，并且確 定該長(zhǎng)度是為了在具有固定振蕩頻率的微波發(fā)生器30中產(chǎn)生諧振。因 此，根據(jù)微波的波長(zhǎng)特性，可以應(yīng)用適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的波導(dǎo)。當(dāng)難以制造使 波導(dǎo)長(zhǎng)度同諧振模式相匹配的波導(dǎo)時(shí)，可以將調(diào)諧器插入波導(dǎo)或?qū)⒏?膜70裝入波導(dǎo)，使諧振得以發(fā)生。
確定波導(dǎo)20的標(biāo)準(zhǔn)，使微波諧振于TEO, ln模式。其中，n是與 2450MHz微波的半波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，并且在本發(fā)明中對(duì)應(yīng)于7cm至 9cm。 TE011諧振用的波導(dǎo)20的寬度在72mm至120mm的范圍以內(nèi)，且
其高度對(duì)應(yīng)于寬度的一般，并且是由導(dǎo)體制成的。
在該實(shí)施例中，微波傳輸線使用具有TM01模式特性以及72mm至 120mmx30mm至45mm的矩形斷面的波導(dǎo)20。將微波發(fā)生器30所產(chǎn)生的微波饋入TM011模式下的諧振腔40，所 述諧振腔40中裝有燈管10，并且填充在燈管10中的材料同饋入諧振腔 40的微波發(fā)生諧振，并在激發(fā)狀態(tài)和基態(tài)間反復(fù)變化，從而發(fā)出所述 材料的本征譜(UV線)。
圖2是一幅透視圖，示出了依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、包括一個(gè) 燈管、 一個(gè)微波發(fā)生器、波導(dǎo)以及同波導(dǎo)部分集成在一起的諧振腔在 內(nèi)的UV燈的配置。
如圖2所示，微波發(fā)生器30連接于波導(dǎo)20的一端，并延長(zhǎng)至大小與 波導(dǎo)相同的諧振腔(也就是說，波導(dǎo)的開口與諧振腔的橫截面相對(duì)應(yīng))。 波導(dǎo)的一側(cè)或整個(gè)表面對(duì)于光線而言是開放的，但卻可以屏蔽電磁波。
圖3是一幅透視圖，示出了依照本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例的、包括多個(gè)
燈管、兩個(gè)微波發(fā)生器以及兩個(gè)波導(dǎo)在內(nèi)的燈(復(fù)合燈)的配置。
UV燈具有以下結(jié)構(gòu)，其中波導(dǎo)20和微波發(fā)生器30連接至分別包含 于諧振腔內(nèi)40內(nèi)的燈管10的兩端。在以TE01模式傳輸電磁波的波導(dǎo)20 中電磁波的斷點(diǎn)處形成長(zhǎng)度在50mm至70mm范圍以內(nèi)和寬度在5mm 至10mm范圍以內(nèi)的縫隙(開口)，并且燈管的兩端分別對(duì)應(yīng)于兩條縫 隙。在該結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)微波發(fā)生器30 (振蕩元件)交替振蕩電磁波。
微波發(fā)生器的電源采用以下方法在高壓變壓器的次級(jí)側(cè)進(jìn)行半 波電壓倍增整流，以向磁控管30的燈絲提供幾伏的負(fù)電壓，因而，微 波發(fā)生器僅在電源電流的半波長(zhǎng)內(nèi)發(fā)生振蕩。相應(yīng)地，通過令分別作 用于兩個(gè)微波發(fā)生器的單相電壓的相位彼此不同，就可以將兩個(gè)微波 電壓作用于一個(gè)燈。因此，可以為燈配備雙電源。
還可以將一個(gè)波導(dǎo)和一個(gè)微波發(fā)生器連接至燈。在這種情況下， 燈的功率將是包括兩個(gè)波導(dǎo)和兩個(gè)微波發(fā)生器的燈的功率的50%。
下面，對(duì)按照以上方式構(gòu)成的、依照本發(fā)明的、利用微波的UV 燈的工作原理加以闡釋。
微波發(fā)生器30產(chǎn)生的微波在波導(dǎo)20內(nèi)諧振，并維持特定的場(chǎng)分布。 當(dāng)填充在沿波導(dǎo)20長(zhǎng)度方向安置的無電極燈10中的材料受微波激發(fā)， 并獲得了高于預(yù)先確定的電平的能量時(shí)，填充在UV燈10中的鋯和鑭的 外層電子就會(huì)脫離原子的軌道，并在返回基態(tài)時(shí)產(chǎn)生uv線。
8雖然本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，用波導(dǎo)20的一側(cè)形成UV發(fā)射面， 然而本發(fā)明并非局限于此，還可以用波導(dǎo)的兩面或三面形成UV發(fā)射 面，上述方案均包含在本發(fā)明的范圍之中。
希望用不吸收微波的聚四氟乙烯制造用于支撐UV燈10的支撐體 25，以便抑制微波能量的消耗，改善絕緣特性并避免由微波導(dǎo)致的熱 輻射。 '工業(yè)實(shí)用性
依照本發(fā)明的燈能夠在最小化微波能量損失的同時(shí)，維持光輻 射。此外，可顯著提高UV燈的耐用性，從而減輕由燈的廢棄物導(dǎo)致的
環(huán)境污染。
權(quán)利要求
1、一種不含水銀的無電極UV燈，所述燈包括微波發(fā)生器；波導(dǎo)，用于將從微波發(fā)生器所產(chǎn)生的微波傳導(dǎo)并傳輸為諧振模式，并具有形成于電場(chǎng)面或磁場(chǎng)面的電磁波斷點(diǎn)的一側(cè)的開口；無電極UV燈管，填充有鋯或鑭的離子氣體，并加以密封，并且具有可密封鍵合于波導(dǎo)開口的末端；以及微波諧振腔，內(nèi)含燈管，并適于傳輸光和并阻擋微波。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的不含水銀的無電極UV燈，其中，配備 了多個(gè)波導(dǎo)開口以及多根燈管。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不含水銀的無電極UV燈，其中， 所述UV燈具有262.1nm或259.8nm的UV發(fā)射特性。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不含水銀的無電極UV燈，其中， 所述燈管為圓柱管，所述圓柱管的直徑在10mm至30mm范圍內(nèi)，并 且其長(zhǎng)度在200mm至2000mm范圍內(nèi)，所述圓柱管是由熔融石英制 成的，并且可通過以下工藝制造而成以每lcmS燈管lmg至5mg的 注入量，將碘化鋯或碘化鑭注入燈管，將燈管抽空到10'4Torr至 10'5TOrr，向燈管填充氬氣直至l(T2T0rr，將燈管密封，將燈管放入微 波發(fā)射強(qiáng)度至少為5W/cr^的電場(chǎng)電爐中，并進(jìn)行熔化和蒸發(fā)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的不含水銀的無電極UV燈，其中， 將具有與所述微波發(fā)生器以及所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相同的微波發(fā)生器和波導(dǎo)附加地連接至燈管的另一端。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的不含水銀的無電極UV燈，其中，作用于連接至所述燈管一端的微波發(fā)生器和連接至所述燈管另一端的微波 發(fā)生器之間的電壓具有180。的相位差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種UV燈，具體而言，涉及包含具有極強(qiáng)發(fā)射特性的鋯離子或鑭離子的UV燈，其中，所述鋯離子或鑭離子受微波場(chǎng)作用，發(fā)出本征譜。本發(fā)明提供了一種不含水銀的無電極UV燈，所述燈包括微波發(fā)生器；波導(dǎo)，用于將從微波發(fā)生器產(chǎn)生的微波傳導(dǎo)并傳輸為諧振模式，并具有形成于電場(chǎng)面或磁場(chǎng)面的電磁波斷點(diǎn)的一側(cè)的開口；無電極UV燈管，填充有鋯或鑭的離子氣體，并加以密封，并且具有可密封鍵合于波導(dǎo)開口的末端；以及微波諧振腔，內(nèi)含燈管，并適于傳輸光并阻擋微波。
文檔編號(hào)H01J65/04GK101542682SQ200880000091
公開日2009年9月23日 申請(qǐng)日期2008年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
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