一種高通量平面光源裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，主要包括一管狀弧室、n個棒狀陰極、一個中間具有圓孔的板狀陽極、一個石英透射窗口；弧室的一端為板狀陽極，另一端安裝石英透射窗口；n個陰極發(fā)射端位于弧室內(nèi)正n邊形的各個頂點(diǎn)；所述n邊形、弧室、陽極圓孔共軸線；在弧室壁面陰極周圍分布?xì)怏w注入孔縫；從n個陰極發(fā)射端始發(fā)的電弧匯聚至陽極圓孔，形成大致均勻的圓盤狀等離子體，產(chǎn)生的高強(qiáng)度輻射光直接和經(jīng)弧室壁面反射，在透射窗口外形成較為均勻的高通量平面光源；強(qiáng)迫氣體的流動穩(wěn)定電弧，保護(hù)透射窗、弧室壁面免受電極燒蝕蒸氣污染。本發(fā)明提高電弧功率、增強(qiáng)發(fā)光功率，氣體流動設(shè)計保護(hù)透射窗口及弧室壁面免受金屬蒸氣污染。
【專利說明】一種高通量平面光源裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體放電光源的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種高通量平面光源產(chǎn)生的裝置，用于產(chǎn)生高通量連續(xù)輻照光，作為高通量平面光輻照和高通量太陽模擬器的光源。

【背景技術(shù)】
[0002]高通量光源通過直接輻照器件表面產(chǎn)生高溫，在各種不同環(huán)境、氣氛下創(chuàng)造極端高溫條件，是材料高溫性能研究、熱化學(xué)和光化學(xué)研究、太陽能光熱/光電高效利用研究等領(lǐng)域的重要科學(xué)儀器，并且在許多特種材料(如納米材料、耐高溫材料等)的生產(chǎn)領(lǐng)域有特殊作用。
[0003]現(xiàn)有高通量光源大都以多個高壓短弧氙燈組合聚焦而成，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，輻照面不均勻、光源壽命短等問題。由于光源本身發(fā)光不均勻，造成輻照面的輻照強(qiáng)度大概呈高斯分布。
[0004]采用多電極平面放電可以獲得大面積高通量平面光源。專利JPH7263193A、CN1083628A公開了兩種多相交流放電裝置和平面光源，但存在放電波動和不穩(wěn)定的問題。J.E.Harry 等在文獻(xiàn)[Product1n of a large volume discharge using a multiple arcsystem.1EEE Transcat1n on plasma science, v.ps~7, n.3Sept.1979]報道了多電極放電產(chǎn)生大體積等離子體方法以及電路連接方法對放電的影響，從中可看出，除了放電平面不均勻外，也不能直接成為可用的光源。上述放電方法一個共同的問題是高溫氣體流動沒有控制，且是不穩(wěn)定的，作為光源使用時，對透鏡和弧室壁面造成污染，使光源壽命縮短。
[0005]目前尚未見到均勻大面積高通量人工光源報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種大功率、高通量、輻照均勻的光源的產(chǎn)生方法和高通量光源裝置。
[0007]本發(fā)明的目的還在于提供產(chǎn)生穩(wěn)定的、較為均勻平面發(fā)光的高亮度等離子體光源
>J-U ρ?α裝直。
[0008]本發(fā)明的目的還在于解決多電極電弧放電的不穩(wěn)定問題和放電產(chǎn)生的高溫氣體流動對弧室壁和透射窗的污染及損壞問題。
[0009]本發(fā)明為了達(dá)到上述目的采用的技術(shù)方案為:采用多陰極平面弧光放電產(chǎn)生高通量平面光源的裝置，該裝置包括一個圓管狀弧室、η個棒狀陰極、一個中間具有圓孔的板狀陽極、一個石英透射窗口、η個直流恒流電源；所述弧室的一端為板狀陽極，弧室的另一端安裝石英透射窗口 ；所述η個陰極放射狀布置在一個旋轉(zhuǎn)錐面上、它們的發(fā)射端位于弧室內(nèi)正η邊形的各個頂點(diǎn)附近；存在一公共軸線，所述旋轉(zhuǎn)錐面和η邊形、弧室、陽極圓孔共所述軸線；在陰極穿過弧室壁處陰極附近分布?xì)怏w注入孔縫。
[0010]其中，所述η個棒狀陰極的端部為錐形，有利于電弧穩(wěn)定。
[0011]其中，陰極發(fā)射端所在的η多邊形的對角線長度大于所述陽極圓孔的直徑，但小于弧室直徑。
[0012]其中，在板狀陽極上設(shè)置η個凹曲面反射鏡，所述反射鏡的焦軸與陰極軸線在同一平面內(nèi)，反射鏡開口正對透射窗。
[0013]為提高光的利用效率，同時消除電弧之間相互影響，反射鏡兩邊高出電弧軸線。
[0014]其中，從所述氣體注入孔縫向弧室內(nèi)注入惰性氣體。
[0015]其中，所述η個直流電源的負(fù)極分別聯(lián)接到η個陰極上，所述η個直流電源的正極連接到所述陽極；在所述η個陰極和所述陽極之間引發(fā)電弧，從η個陰極發(fā)射端始發(fā)的電弧匯聚至陽極圓孔，形成充滿所述η個陰極發(fā)射端環(huán)內(nèi)放射狀大致均勻的圓盤電弧等離子體。
[0016]其中，在弧室內(nèi)壁面內(nèi)表面鍍?nèi)瓷淠ぃ纬蓪?dǎo)光筒；在陽極壁面、陽極反射鏡表面鍍?nèi)瓷淠?。等離子體輻射光直接輻射、或經(jīng)反射鏡反射、導(dǎo)光筒收集，通過石英透射窗在透射窗外側(cè)形成均勻的平面光源或均勻的輻照面。反射鏡將電弧等離子體產(chǎn)生的輻射部分反射回到等離子體，被等離子體吸收，可以提高等離子體溫度，增強(qiáng)等離子體輻射。
[0017]其中，在陰極附近與石英透射窗口附近的弧室壁面均勻分布多個氣體注入孔縫，放電產(chǎn)生的高溫氣體從所述陽極圓孔流出；所述氣體注入孔縫的冷氣體注入使放電穩(wěn)定；同時氣體注入孔縫注入的冷氣體對陽極板、弧室壁面起塵埃隔離保護(hù)作用，保護(hù)透射窗、反射鏡、陽極壁面及弧室壁面免受電極燒蝕蒸氣污染，和對透射窗起熱隔離保護(hù)作用。
[0018]其中，通常所述η個陰極和η個電源在3個以上，最好設(shè)計為雙數(shù)。η邊形對角的陰極的電弧同時工作或熄滅，保證電弧的對稱和穩(wěn)定。
[0019]其中，所述陰極的軸線與公共軸線之間的夾角為60?90度之間。
[0020]其中，在弧室外有一氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置，將弧室內(nèi)高溫氣體從陽極圓孔抽出，在弧室外冷卻、消除金屬塵埃、再從弧室壁冷氣注入孔縫注入弧室。所述氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置包括安裝在弧室外的與弧室聯(lián)通、與大氣隔離的封閉殼體，和安裝在殼體內(nèi)氣體換熱裝置、氣體循環(huán)驅(qū)動風(fēng)機(jī)、以及與弧室壁氣體注入孔縫聯(lián)通的氣體通路。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果為:
[0022]與現(xiàn)有氙弧燈技術(shù)相比，由于采用了以上方案，可以實現(xiàn)以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]I)將多個放射狀等離子體組成為類似圓盤狀平面等離子體代替短弧氙燈的錐狀電弧等離子體，由“點(diǎn)”光源變?yōu)檩^為均勻的平面發(fā)光體，可以提高電弧功率，從而增強(qiáng)了光源的輻射功率和輻射效率，并提高了輻射的均勻性；
[0024]2)平面的等離子體光源及陽極內(nèi)筒的全反射結(jié)構(gòu)在陽極圓筒透射窗口處形成了均勻的平面光源(朗伯光源)，因而不需要普通氙燈的先聚光再勻光的復(fù)雜光路系統(tǒng)；
[0025]3)弧室外的純凈冷氣體補(bǔ)充，對透射窗進(jìn)行冷卻和污染保護(hù)，提高窗口壽命。
[0026]4)外注入冷氣體產(chǎn)生的流場保證了電弧的穩(wěn)定。
[0027]下面結(jié)合附圖以及具體實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明裝置原理剖面圖；
[0029]圖2是圖1的B-B斷面陰極布置、及電弧分布示意圖；
[0030]圖3是陰極局部示意圖；
[0031]圖中:1、弧室壁、101弧室，2、陰極(η個)3、陽極，301、陽極圓孔，4透射窗，5、陰極絕緣支撐、6、陽極絕緣材料及密封，7、陰極氣體注入孔(多個)，8、陰極注入氣體，9、電弧等離子體，10、流出氣體，11、保護(hù)氣體注入孔(多個)、12、保護(hù)注入氣體2 ;13、陽極冷卻水，14、陰極冷卻水，15、弧室冷卻水，16、透射窗冷卻水，17、弧柱反射鏡，18、陽極反射面，19、冷卻翅片，20、離心風(fēng)機(jī)，21、離心風(fēng)機(jī)驅(qū)動電機(jī)，22、冷卻氣體回流通道，23、氣體循環(huán)系統(tǒng)密封殼體。
[0032]本發(fā)明的大功率、高通量、輻照均勻的光源的產(chǎn)生方法是通過多陰極平面弧光放電，弧柱為在弧室斷面上的放射狀分布，產(chǎn)生一個發(fā)光面積更大的類似圓盤形等離子體光源，從而提高輻射功率和提高發(fā)光面的均勻性，并通過簡單光筒收集，在輻射窗口形成均勻的平面光源。從弧室內(nèi)壁注入冷氣體穩(wěn)定電弧，并保護(hù)透射窗、弧室壁及反射鏡不受污染；高溫氣體從陽極圓孔流出。
[0033]本發(fā)明的高通量光源的一種基本結(jié)構(gòu)如附圖1所示。
[0034]本發(fā)明為了達(dá)到上述目的采用的技術(shù)方案為:采用多陰極平面弧光放電產(chǎn)生高通量平面光源的裝置，該裝置包括一個圓管狀弧室101、η個棒狀陰極2、一個中間具有圓孔301的板狀陽極3、一個石英透射窗口 4、η個直流恒流電源(圖中未畫出)?；∈襂的一端為板狀陽極3，弧室的另一端安裝石英透射窗口 4，他們之間聯(lián)接處密封聯(lián)接；所述η個陰極的軸線放射狀布置在一個旋轉(zhuǎn)錐面上，它們的發(fā)射端位于弧室內(nèi)正η邊形的各個頂點(diǎn)附近；存在一公共軸線，所述弧室、旋轉(zhuǎn)錐面、η邊形中心、陽極圓孔共所述軸線。
[0035]陰極數(shù)目通常為3個以上，一般為6?12個。
[0036]陰極發(fā)射端的對角線長度大于陽極圓孔301的直徑，小于弧室101直徑。
[0037]陰極從弧室壁穿過，在陰極附近弧室壁上開有氣體注入孔縫7 ;陰極由絕緣支撐5與弧室壁I及陽極3之間絕緣。陽極3與氣體循環(huán)系統(tǒng)密封殼體23由陽極絕緣材料6電隔離。絕緣支撐5與弧室壁1、陽極3和陰極2之間密封連接，陽極絕緣材料6與氣體循環(huán)系統(tǒng)密封殼體23之間密封連接，保證弧室與大氣隔離。
[0038]按一般電弧等離子體發(fā)生器要求，對弧室壁1、陰極2、陽極3、透射窗4附近通水冷卻，如圖中 15、14、13、16。
[0039]通過弧室壁面四周氣體注入孔縫7、11，向弧室內(nèi)注入氣體8、12為元素周期表中的惰性氣體。
[0040]弧室壁面氣體注入孔縫可設(shè)計為與陰極同軸，氣體注入孔數(shù)目可與陰極數(shù)目相同。
[0041]給電弧供電的直流電源數(shù)目與陰極數(shù)目相同，每個電源負(fù)極聯(lián)接一個陰極，全部電源的正極與陽極相連。
[0042]通過短路方法或高壓擊穿方法在陰極與陽極之間引發(fā)電弧，由于陰極中電流產(chǎn)生的磁場作用和注入氣流8作用，電弧的陰極弧根自動轉(zhuǎn)移至陰極尖端，陽極弧根分別自動轉(zhuǎn)移至陽極圓孔301內(nèi)。從各陰極發(fā)射尖端始發(fā)的電弧匯聚至陽極圓孔301，形成充滿所述η個陰極發(fā)射端環(huán)內(nèi)大致均勻的圓盤狀等離子體9。
[0043]為了提高光的利用效率，板狀陽極3 —側(cè)設(shè)置η曲面反射鏡17與η個電弧對應(yīng)。反射鏡17可以設(shè)計為柱形曲面，或錐形曲面，曲面的彎曲度在圓周與拋物線之間，曲面的焦軸與電弧弧柱軸線在同一個平面內(nèi)且大約同軸，曲面開口方向朝向光源透射窗口，這樣的設(shè)計在于最大程度將電弧輻射光反射到透射窗口。
[0044]為了降低電弧之間的相互影響，從而約束、穩(wěn)定電弧和提高電弧亮度，反射鏡17兩邊略高出弧柱。
[0045]曲面反射鏡17 —端位于弧室壁1，另一端最長交于陽極圓孔301。
[0046]弧室內(nèi)壁面I鍍?nèi)瓷淠ぃ纬蓪?dǎo)光筒；在陽極反射面18、曲面反射鏡17表面鍍?nèi)瓷淠ぁA盤等離子體9輻射光直接或經(jīng)反射鏡反射、導(dǎo)光筒收集，通過石英透射窗在透射窗外側(cè)形成均勻的平面光源或均勻的輻照面。
[0047]棒狀陰極2端部加工成錐狀，可提高提高陰極尖端等離子體輻射強(qiáng)度，和提高陰極射流強(qiáng)度，后者有利于電弧穩(wěn)定。
[0048]所述等離子體在陰極尖端處和陽極圓孔301處最為密集，η邊形內(nèi)區(qū)域都有等離子體分布。
[0049]注入氣體8的流動約束使電弧放電穩(wěn)定。放電產(chǎn)生的高溫氣體10從所述陽極圓孔101流出。
[0050]陰極的軸線與公共軸線之間的夾角為60?90度之間，如圖3所示α。60度時，等離子體容易穩(wěn)定，而光能利用效率低；最佳角度為90度，在等離子體能穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件下，光利用效率最高。本例中陰極的軸線與公共軸線之間的夾角為90度。
[0051]在陰極的軸線與公共軸線之間的夾角為90度時，電弧的射流在陽極圓孔301處匯聚，在軸線處可能產(chǎn)生向透射窗口 4的流動。在靠近石英窗口弧室壁面四周均勻分布的多個保護(hù)注入孔縫11，從所述多個保護(hù)氣體注入孔縫11注入的冷氣體12，抑制高溫氣體向透射窗口的流動，保護(hù)透射窗4、反射鏡17、陽極反射面18及弧室內(nèi)壁I免受電極燒蝕蒸氣污染和對透射窗起熱隔離保護(hù)作用。
[0052]通常所述η個陰極2數(shù)目最好設(shè)計為雙數(shù)。布置在η邊形的陰極同時工作或停止，以保證產(chǎn)生的等離子體流動的對稱和穩(wěn)定。
[0053]所述陰極2為摻有少量稀土金屬氧化物的鎢材料制成，所述陽極3材料由耐高溫的導(dǎo)電材料制成，如鎢金屬、鎢合金等。
[0054]本發(fā)明在弧室外可加裝與大氣隔離一氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置，將弧室內(nèi)高溫氣體10從陽極圓孔301抽出，在弧室外冷卻、消除金屬塵埃、再從弧室壁冷氣注入孔縫7、11注入弧室101。所述氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置可以由通用產(chǎn)品組合。本發(fā)明專門設(shè)計一套氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置，包括與大氣隔離、與陽極圓孔301出口、弧室壁陰極冷氣注入孔縫7、保護(hù)氣體注入孔縫11保持聯(lián)通的殼體23，安裝在所述殼體內(nèi)的冷卻翅片19、離心風(fēng)機(jī)20、驅(qū)動電機(jī)21、和冷氣體回流通道22。冷卻翅片19在弧室外陽極圓孔301周邊，可與板狀陽極3為一體，由陽極冷卻水13冷卻；冷卻翅片19徑向布置，流出陽極圓孔301高溫氣體10沿冷卻翅片19的槽縫流動并降低溫度，同時金屬蒸氣冷凝沉積；離心風(fēng)機(jī)20設(shè)計在冷卻翅片19外，抽吸已冷卻氣體，沿冷氣體回流通道22、經(jīng)陰極氣體注入孔縫7和保護(hù)氣體注入孔縫11返回弧室101。由于采用氣體強(qiáng)迫外循環(huán)冷卻，大大提高電弧穩(wěn)定性和保護(hù)光學(xué)鏡面不受污染。
[0055]下面給出本發(fā)明的一個實施實例:
[0056]裝置主要結(jié)構(gòu)尺寸:陽極弧室直徑100mm，弧室長度300mm ;棒狀陰極數(shù)目8個，陰極直徑6mm;板狀陽極由兩部分組成，中心為一純鎢金屬的環(huán)，鎢環(huán)的內(nèi)孔為陽極圓孔，其直徑20mm,鶴環(huán)外徑30mm。陰極布置在同一個平面內(nèi)，對角陰極尖端間距80mm。
[0057]電極材料:棒狀陰極為鑭鎢(含有3%氧化鑭);陽極和弧室壁為T2紫銅，表面鍍鋁膜。
[0058]充氣氣壓:IMPa氬氣。
[0059]電弧電流:每個陰極電流200A，總電流1600A ；
[0060]電弧電壓:40V，電弧功率64kW，電弧輻射功率超過10kW。
[0061]與短弧氙燈“點(diǎn)”光源相比，本發(fā)明的平面光源增大了發(fā)光面積，提高了輻射光總通量；與短弧氙燈的泡殼冷卻問題相比，本發(fā)明的循環(huán)流入的冷氣體不僅能有效地防止透射窗與高溫等離子體及高溫氣體接觸，還對透射窗有明顯的冷卻作用，較好地解決散熱問題，從而提聞窗口的壽命。
[0062]本發(fā)明未詳細(xì)公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。
[0063]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
【權(quán)利要求】
1.一種高通量平面光源裝置，包括一個管狀弧室、η個端部為錐形的棒狀陰極、一個中間具有圓孔的板狀陽極、一個石英透射窗口、η個直流恒流電源；所述弧室的一端為板狀陽極，弧室的另一端安裝石英透射窗口 ；所述η個陰極的軸線放射狀布置在旋轉(zhuǎn)面上、它們的發(fā)射端位于弧室內(nèi)正η邊形的各個頂點(diǎn)附近；存在一公共軸線，所述旋轉(zhuǎn)面和η邊形、弧室、陽極圓孔共所述軸線；在板狀陽極上設(shè)置η個凹曲面反射鏡，所述反射鏡的焦軸與陰極軸線在同一平面內(nèi)，反射鏡兩邊高于陰極軸線，反射鏡開口正對透射窗；在弧室壁陰極穿過處開有氣體注入孔縫環(huán)繞每個陰極；所述η個直流電源的負(fù)極分別聯(lián)接到η個陰極上，所述η個直流電源的正極連接到所述陽極；從η個陰極發(fā)射端始發(fā)的電弧匯聚至陽極圓孔，形成充滿所述η個陰極發(fā)射端環(huán)內(nèi)η個放射狀電弧等離子體；等離子體產(chǎn)生的高強(qiáng)度輻射光直接或經(jīng)反射鏡、陽極壁面、弧室壁面反射，通過石英透射窗在透射窗口形成較為均勻的高通量平面光源；從所述氣體注入孔縫注入冷氣體，保持電弧穩(wěn)定，保護(hù)透射窗、反射鏡、陽極壁面及弧室壁面免受電極燒蝕蒸氣污染，對透射窗起熱隔離保護(hù)作用；放電產(chǎn)生的高溫氣體從所述陽極圓孔流出弧室。
2.如權(quán)利要求1所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，所述棒狀陰極軸線與所述公共軸線之間的夾角在60?90度之間。
3.如權(quán)利要求1所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，所述η多邊形的對角線長度大于所述陽極圓孔的直徑，小于弧室直徑。
4.如權(quán)利要求1所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，所述η個陰極為偶數(shù)個；處于所述η邊形對角位置的任意一對陰極同時工作或熄滅。
5.如權(quán)利要求1所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，在陰極附近與石英透射窗口附近的弧室壁面均勻分布多個氣體注入孔縫，從所述氣體注入孔縫注入冷氣，穩(wěn)定電弧，保護(hù)透射窗、反射鏡、陽極壁面及弧室壁面免受電極燒蝕蒸氣污染，對透射窗起熱隔離保護(hù)作用。
6.如權(quán)利要求1所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，在所述反射鏡、陽極壁面及弧室壁面鍍?nèi)瓷淠ぁ?br> 7.如權(quán)利要求1所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，在弧室外有一氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置，將弧室內(nèi)高溫氣體從陽極圓孔抽出，在弧室外冷卻、消除金屬蒸氣，再從弧室壁冷氣注入孔注入弧室。所述氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置包括安裝在弧室外的與弧室聯(lián)通、與大氣隔離的封閉殼體，和安裝在殼體內(nèi)氣體換熱裝置、氣體循環(huán)驅(qū)動風(fēng)機(jī)、以及與弧室壁氣體注入孔縫聯(lián)通的氣體通路。
8.如權(quán)利要求7所述的高通量平面光源裝置，其特征在于，所述弧室外一氣體冷卻和強(qiáng)迫循環(huán)裝置包括與大氣封閉隔離、與弧室保持聯(lián)通的殼體、安裝在所述殼體內(nèi)的陽極板上冷卻翅片、安裝在所述殼體內(nèi)的一個離心風(fēng)機(jī)和其驅(qū)動電機(jī)、與陰極氣體注入孔縫和保護(hù)氣體注入孔縫聯(lián)通的冷氣體回流通道。
【文檔編號】H01J61/52GK104253013SQ201410161388
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】夏維東, 王城, 夏凡 申請人:夏維東