专利名称：等离子体光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体光源。
背景技术：
术语“高频(HF)等离子体”通常用于指射频RF 1-300MHz)和微波
0.3-300GHz)激发的等离子体。大多数用作光源的HF等离子体全部位于HF场施加器
内，即在电容或电感电路以及在谐振腔、同轴电缆和波导中维持放电。空气填充的谐振腔装置的缺点是腔体的尺寸由操作的频率来确定。技术上成功的腔体系统被设计为工作在2.4GHz。在低于该频率的适当频率(ISM频段，即工业(I)、科学(S)和医学(M)频段)，腔体和相关联的波导的尺寸对于在商业照明系统中的使用来说趋向于显得在物理上太大。设计用于这种腔体的高压等离子体室也变得困难，这种腔体以多数商业应用所需的高辐射效率和有效的低功率(即小于400瓦特)的组合来操作等离子体。事实上甚至在2.45GHz，利用所需辐射效率的等离子体获得小于400瓦特的系统功率可能依旧是困难的。为了提供具有高辐射效率以及以小于400瓦特的功率工作的等离子体，已知的方法是在电介质填充的谐振腔内操作等离子体室。尽管上述后者的配置适用作为用于诸如投影等的应用的光源(在这种情况下所追求的主要优点是小尺寸的光源)，但是由于来自光源的高比例的光被不透明的介电结构阻碍，第一个结构对于一般的照明情况将具有严格限制。在该结构中，小于50%的灯泡的表面面积能够将光发射至有限的立体角(2 π球面度)的自由空间。通常通过将灯泡体积的一部分设计在腔体外部来最大化该表面面积。如在我 们的国际申请N0.PCT/GB2008/003829中所示，我们已经克服了这个缺点。在该申请中，我们描述了一种由微波能量供能的光源，该光源具有:.其中具有密封中空的主体，.围绕所述主体的微波包封法拉第罩，.所述法拉第罩中的所述主体是谐振波导，.在所述中空内的可由微波能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体，以及 布置在所述主体中的天线，用于将诱导等离子体的微波能量传输到填充物，所述天线具有:.延伸到所述主体外部的连接部，用于耦合至微波能量源；其中:.所述主体为固态等离子体坩埚，其材料是透明的，用于使光从中离开，以及.所述法拉第罩至少部分透光，用于使光从所述等离子体坩埚离开；该布置使得来自所述中空中的等离子体的光能够传播通过所述等离子体坩埚并且经由所述罩从所述等离子体坩埚辐射出去。如在该申请中所使用的:
“透明”是指被描述为透明的物品所包括的材料是透明的或半透明的； “等离子体坩埚”是指包封等离子体的封闭体，当中空内的填充物由来自天线的微波能量激发时，该等离子体位于所述中空内。.“法拉第罩”是指电磁辐射的导电罩，其至少基本不透过处于工作(即微波)频率的电磁波。在本申请中，我们以类似的方式使用“法拉第罩”，但是不限于包封微波，而是扩展至包封在可以在如上所定义的HF频段中的任何操作频率下的电磁波。我们在本申请中不使用术语“等离子体坩埚”。可以通过在波导和慢波结构中的行进波来创建等离子体，即所谓的行进波放电(TffD)0为了照明目的，这类放电中的一种，表面波放电(SWD)在过去被广泛评定为特别有前途；这种放电是传播表面波放电SWD。这种放电在文献中是公知的，电磁能量形成等离子体并且等离子体本身是波传播所沿着的结构。实际的用于SWD的场施加器是表面波发生器(Surfatron)0表面波发生器是可以在200MHz 2.45GHz的频率范围上使用的宽频段结构，并且具有可以实现非常高的能量耦合效率的性质。大于90%的HF能量可以被耦合至等离子体中。尽管由表面波发生器发射的SWD已经被提议用于照明应用，但这些一直是针对低压放电。针对SWD的主要应用是用于微电路制造中的各种处理的大体积的亚常压大气压常压的等离子体。针对高压照明应用，存在缺点。等离子体的体积非常依赖于等离子体压力和等尚子体功率。在小于400瓦特的功率和几个大气压下,大量的等尚子体包含在发射结构中，从而对于具有不透明性质的已知的表面波发生器装置，则从等离子体产生的光中可以获得的光将非常的少。在图1中概略地示出典型的表面波发生器结构。表面波发生器I具有HF结构，该HF结构由两个金属圆柱体2、3构成, 形成在一端由短路5端接和另一端由圆形间隙6结束的同轴传输线4部分。通过间隙延伸的HF电场可以激发方位对称的表面波以在圆柱体内在同轴布置的介电管8中维持可激发材料的等离子体柱7。同轴的、圆筒形的、电容的耦合器9位于圆柱体之间，电容耦合器9具有通过外部的圆柱体向外延伸的连接部10。连接部10连接至输入传输线。板被附接至内部导体以在该板和内部金属圆柱体之间形成电容
发明内容
本发明的目标是提供一种改进的光源。
根据本发明，提供一种由高频能量供能的光源，该光源具有:
透明材料的壳体(enclosure),该壳体具有:
其中的密封中空，
在所述中空内的可由高频能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离 子体，
围绕所述壳体的高频能量包封法拉第罩，
所述法拉第罩:
至少部分透光，用于使光从等离子体坩埚离开，
并且所述法拉第罩具有:
两个端部以及端部之间的外部套管，以及
布置在所述法拉第罩内的天线，用于将诱导等离子体的高频能量传输到填充物，天线具有:.延伸到法拉第罩外部的连接部，用于耦合至高频能量源；其中:.高频能量屏障圆柱形内部套管被布置在外部套管内，所述内部套管: 至少部分透光，用于光从中传播，.在一端电连接至法所述拉第罩的一个端部，以及.在另一端与所述法拉第罩的另一端部限定发射间隙，.在所述内部套管内布置所述壳体，以及.在所述内部和外部套管之间布置所述天线；由此，经由所述天线在所述套管之间引入的高频能量可以经由所述间隙被发射至所述内部套管中，以用于激发等离子体并且经由所述套管从光源辐射光。同时，可以设想，所述套管之间的空间可以没有固体材料；优选地，套管之间的空间至少部分填充透明的固体介电材料。在优选实施例中，所述空间基本上填充有石英。
此外，可以设想所述内部套管的横截面比所述中空壳体的横截面大，中间的所述空间没有固体材料。然而，中间的所述空间优选地填充有透明的固体介电材料。许多构造是可行的:.所述内部套管的横截面比所述中空壳体的横截面大，中间的所述空间填充有透明的固体介电材料；.所述中空壳体是包含填充物的灯泡，所述灯泡被容纳在所述内部套管内的透明固体介电材料主体中的孔中。优选地灯泡填充主体中的所述孔并且融合至所述孔中。可选地，所述灯泡与主体中的所述孔径向分离并且融合至所述孔中；.所述内部套管具有与所述中空壳体基本相同的横截面，所述中空是在其两个端部密封的位于壳体中的孔。优选地，所述中空位于所述内部套管的发射间隙端。在优选实施例中: 所述内部套管内以及所述套管之间的透明固体介电材料仅在发射间隙处由所述内部套管的厚度分尚;.所述内部和所述外部套管是网状的并且是金属的；以及.所述外部套管具有无孔的边缘，光源经由所述边缘被夹到金属托架，以提供所述法拉第罩的一个端部。
为了有助于对本发明的理解，现在将通过示例和参考如下附图来描述本发明的具体实施例，其中:图1是已知的表面波发生器的概略的横截面侧视图；图2是根据本发明的光源的概略的横截面侧视图；以及图3是图2的光源的变种的与图2相似的图。
具体实施例方式参考图2，概略示出了由高频能量、特别是433MHz的能量供能的光源11。该光源11包括:.熔融石英的中央主体12，该主体是圆柱形的，长32mm并且直径为16mm ；.中央主体中的中空14，所述中空被形成为主体中的4mm孔，所述中空14长IOmm并且经由管状的残余部(vestige) 15熔融至主体来密封，并且所述中空经由所述残余部15来被抽真空和填充；.在所述中空中的可由高频能量激发的材料的填充物16，用于在其中形成发光等离子体，填充物一般是在惰性气体环境下的金属卤化物材料；.内部套管17是沿着中央主体 的长度延伸的穿孔金属片，其在距离所述中空端部的2.5mm内，以提供发射间隙18。所述套管具有跨越中央主体的另一内部端延伸的横向端部19 ； 熔融石英的外部圆柱体20，也是长32mm，具有内部孔21，外部圆柱体20例如与所述内部套管滑动安装，所述内部套管滑动安装在中央主体上。结果在发射间隙处在两个石英元件12、20之间具有细的间隙，该间隙在电磁方面可忽略。外部圆柱体的外径是81mm ；.穿孔金属的外部套管22，包围外部圆柱体并且具有端部23，所述端部23跨越石英主体12和圆柱体20的齐平中空端部延伸，所述端部23具有用于管状残余部15的开口24。外部套管具有在铝托架26上超出石英元件的另一齐平端延伸的裙边25，裙边25通过已知的示出的方式被夹住，以保持石英元件抵接托架。由此，所述套管与其端部22和托架26形成围绕石英和等离子体中空14的法拉第罩； 天线27与托架绝缘并且从托架延伸至石英圆柱体20的孔28中，用于将HF辐射引入到由穿孔的内部和外部套管17、21形成的共轴波导中。它们的穿孔使得它们不透明并且包封HF辐射，但仍然透光，从而来自等离子体的光可以传播通过它们。托架中天线的部分提供至未示出的HF能量源的连接。以与外部套管及其端部23相同的方式，内部套管17在其端部19被接地到托架。由此，内部套管的端部和法拉第罩的端部之间的间隙18形成用于HF能量的发射间隙以辐射至等离子体中空，并且建立和维持其中的等离子体。来自等离子体的光传播通过石英并且传播通过套管和端部19中的穿孔，由此从光源发射。在图3的变种中，内部套管17较短，并且发射间隙较宽，一般为10mm，以使得大量的光仅经由法拉第罩的外部套管22从光源传播出去。
权利要求
1.一种由高频能量供能的光源，该光源具有: 透明材料的壳体，该壳体具有: 其中的密封中空， 在所述中空内的可由高频能量激发的材料的填充物，用于在其中形成发光等离子体， 围绕所述壳体的高频能量包封法拉第罩， 所述法拉第罩: 至少部分透光，用于使光从等离子体坩埚离开， 并且所述法拉第罩具有: 两个端部以及所述端部之间的外部套管，以及 布置在所述法拉第罩内的天线，用于将诱导等离子体的高频能量传输到所述填充物，所述天线具有: 延伸到所述法拉第罩外部的连接部，用于耦合至高频能量源； 其中:高频能量屏障圆柱形内部套管被布置在所述外部套管内，所述内部套管: 至少部分透光，用于光从中传播， 在一端电连接至所述法拉第罩的一个端部，以及 在另一端与所述法拉第罩的另一端部限定发射间隙， 在所述内部套管和/或所述发射间隙内布置所述壳体，以及 在所述内部套管和所述外部套管之间布置所述天线； 由此，经由所述天线在所述套管之间引入的高频能量可以经由所述间隙被发射至所述内部套管，以用于激发所述等离子体并且经由所述套管从所述光源辐射光。
2.根据权利要求1所述的光源，其中，除了所述中空壳体以外，所述套管之间的空间没有固体材料。
3.根据权利要求1所述的光源，其中，所述套管之间的空间至少部分填充有透明的固体介电材料。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光源，其中，所述内部套管的横截面比所述中空壳体的横截面大，中间的空间没有固体材料。
5.根据权利要求广3中任一项所述的光源，其中，所述内部套管的横截面比所述中空壳体的横截面大，中间的空间填充有透明的固体介电材料。
6.根据权利要求5所述的光源，其中，所述中空壳体是包含所述填充物的灯泡，所述灯泡被容纳在所述内部套管内的透明固体介电材料主体中的孔中。
7.根据权利要求6所述的光源，其中，所述灯泡填充所述主体中的孔并且融合至所述孔中。
8.根据权利要求6所述的光源，其中，所述灯泡与所述主体中的孔径向分离并且融合至所述孔中。
9.根据权利要求Γ3中任一项所述的光源，其中，所述内部套管具有与所述中空壳体基本相同的横截面，所述中空是在其两个端部密封的位于所述壳体中的孔。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光源，其中，所述中空位于所述内部套管的发射间隙端。
11.根据从属于权利要求3的权利要求5 10中任一项所述的光源，其中，所述内部套管内以及所述套管之间的透明的固体介电材料仅在所述发射间隙处由所述内部套管的厚度分离。
12.根据权利要求5 11中任一项所述的光源，其中，所述透明的固体介电材料是熔融石英。
13.根据前述权利要求中任一项所述的光源，其中，所述内部套管和所述外部套管是网状的并且是金属的。
14.根据权利要求13所述的光源，其中，所述外部套管具有无孔的边缘，所述光源经由所述边缘被夹到金属托架，以提供所述法拉第罩的一个端部。
15.根据前述权利要求中任一项所述的光源，其中，所述空腔以至少部分与所述内部套管重叠的方式被布置在所述光源的轴上。
16.根据前述权利要求中任一项所述的光源，其中，所述中空以不与所述内部套管重叠的方式被布置在所述光源 的轴上。
全文摘要
高频光源(11)具有熔融石英的中央主体(12)，中央主体(12)具有中央的中空(14)，中空(14)填充有可由高频能量激发的材料的填充物(16)，以形成发光等离子体。穿孔金属片的内部套管(17)沿着中央主体的长度延伸至在距离中空端部的2.5mm内，以提供发射间隙(18)。套管具有跨越中央主体的另一内部端延伸的横向端部(19)。具有内部孔(21)的熔融石英的外部圆柱体(20)例如与内部套管滑动安装，内部套管滑动安装在中央主体上。穿孔金属的外部套管(22)包围外部圆柱体并且具有跨越石英主体和圆柱体(12,20)的齐平中空端部延伸的端部(23)。外部套管具有在铝托架(26)上超出石英元件的另一齐平端延伸的裙边(25)，裙边(25)被夹住，以保持石英元件抵接托架。由此，套管与其端部(22)和托架(26)形成围绕石英和等离子体中空(14)的法拉第罩。与托架绝缘的天线(27)从托架延伸至石英圆柱体(20)的孔(28)中，用于将HF辐射引入到由内部和外部套管(17,22)形成的共轴波导中。它们的穿孔使得它们不透明并且包封HF辐射，但仍然透光，从而来自等离子体的光可以传播通过它们。托架中天线的部分提供至未示出的HF能量源的连接。以与外部套管及其端部(23)相同的方式，内部套管(17)在其端部(19)被接地到托架。由此，内部套管的端部和法拉第罩的端部之间的间隙(18)形成用于HF能量的发射间隙以辐射至等离子体中空，并且建立和维持其中的等离子体。来自等离子体的光传播通过石英并且传播通过套管和端部(19)中的穿孔，由此从光源发射。
文档编号H01J65/04GK103155095SQ201180034427
公开日2013年6月12日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年7月13日
发明者B·普雷斯顿 申请人:塞拉维申有限公司