生成自由电荷、臭氧以及光的高能效等离子体过程的制作方法

相关申请

本申请要求2017年4月28日提交的美国临时专利申请第62/492,103号、2017年6月28日提交的美国临时专利申请第62/525,749号、2017年9月5日提交的美国临时专利申请第62/554,552号以及2017年10月22日提交的美国临时专利申请第62/575,503号的优先权和权益。以上申请的公开内容通过引用以其全部内容结合于此。

本发明的实施例总体上涉及电流、臭氧和光生成领域。

背景技术：

地球处于全球变暖的威胁之下，并且由此产生的气候变化正以频繁或大规模的风暴、野火、土地淹没在水下以及有用水源的融化威胁着人类。全球变暖被认为是由源于化石燃料燃烧的二氧化碳(co2)排放导致的，利用化石燃料燃烧产生了世界超过60％的能量。为了保护环境，正在不断寻求新的非二氧化碳排放能源、绿色能源、或可再生能源。风能、水能以及核能是正在寻求的可再生能源的示例。

水资源短缺也是挑战性的问题，这不仅是由于全球变暖，而且是由于诸如加利福尼亚或非洲之类的某些区域中的干燥天气。对已使用的或污染的水的高效循环利用将有助于解决水资源短缺问题。然而，已经知晓例如当在游泳池中使用时，对已使用的或污染的水进行化学处理引起皮肤刺激。此外，例如当用于饮用水时，此类经处理的水通常有令人不愉快的气味。臭氧水处理已被认为是一种优越的水处理工艺，但臭氧生产的能源成本很高。

闪电系统的发光效率已经从灯泡的2％提高到荧光灯或发光二极管(led)的20％。led技术的最新发展和成本降低已经取代了常规的灯泡或荧光灯。然而，仍寻求更高的能量效率。此外，led当前利用有毒的化学外延生长工艺来制造，该工艺是不期望的。led的小尺寸也不适合用于可以给予同弱广泛区域发射相同的总光输出的广泛区域发光。此种广泛区域发射对于防止强烈的小区域发射期间人眼中的无意识失明尤其有用。

附图说明

从以下给出的详细描述并从各实施例的附图，将更全面地理解本公开，然而不应当采取这些详细描述和附图来限制本文中所描述和所图示出的实施例，而是仅用于解释和理解。

图1图示出具有dc电源的经涂敷的双介质阻挡放电(cddbd)系统的一个实施例。

图2图示出处于高于paschen放电阈值的图1中的cddbd系统，该cddbd系统引起电荷生成和光发射。

图3图示出处于高于paschen放电阈值的具有ac电源的cddbd系统，该具有ac电源的cddbd系统引起重复的电荷生成和光发射。

图4图示出当宇宙射线使cddbd系统内的气体分子电离时的图1中的cddbd系统。

图5图示出处于其中在cddbd系统内发生电荷倍增的阶段的图1中的cddbd系统。

图6a图示出包括具有孔的平面cddbd系统的电流源的一个实施例的侧视图。

图6b图示出包括具有孔的平面cddbd系统的电流源的一个实施例的俯视图。

图7a图示出包括导线阵列的cddbd系统的电流源的另一实施例的侧视图。

图7b图示出包括导线阵列的cddbd系统的电流源的另一实施例的俯视图。

图8a图示出cddbd系统(等离子体管状射流，包括具有外部管状电极的绝缘管)的电流源的另一实施例。

图8b图示出相反的电源极性下的图8a。

图9图示出使用cddbd系统的电流源的一个实施例，在该实施例中利用由第三电极建立的电场来提取电荷。

图10图示出具有第三电极以用于使用电场进行更高效的电荷提取的等离子体管状射流。

图11图示出使用图1中所描述的平面cddbd系统的风能采集器的一个实施例。

图12图示出使用图7a和图7b中所描述的导线式cddbd系统的风能采集器的一个实施例。

图13图示出电极之间的电压差、不存在paschen放电情况下涂层之间的电压差、存在paschen放电时涂层之间的电压差、以及所生成的电荷。

图14图示出具有示例性埋入式电极的cddbd系统的一个实施例。

图15图示出由cddbd系统构成的高能效荧光灯的一个实施例。

图16图示出由cddbd系统构成的高能效大面积荧光灯的另一实施例。

图17图示出由半导体电极构成的无镇流器的荧光灯的一个实施例。

图18图示出由cddbd系统构成的高能效臭氧生成器的一个实施例。

图19图示出由cddbd系统构成的串联的高能效臭氧生成器的另一个实施例。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了众多细节。然而，对于具有本公开的益处的本领域普通技术人员将显而易见的是，可在不具有这些具体细节中情况下实施各实施例。在一些实例中，公知的结构和设备以框图形式而非详细示出，以避免使本文中所描述的实施例模糊。

理想的电容器是电路的不消耗能量的电抗组件。可以制作具有两个电极的电容器，其中，每个电极覆盖有绝缘体或以绝缘体掩埋并且在气体系统中被隔开。如果向电容器施加交流电(ac)电压，则除了不希望的电源损耗之外不存在功耗。如果所施加的ac电源高于paschen阈值，则在间隙中形成等离子体，但它在电学上仍然是具有较高电容的电容器。由于没有电荷穿过覆盖电极的绝缘体，因此不消耗功率。等离子体作用得到的产物是空气中的电荷、光发射以及自由基形成。如本文中更详细地讨论，这些副产物可以被用来制作诸如电流源、高能效光发射器、以及高能效臭氧生成器之类的系统。

本发明的实施例描述了通过使用经涂敷的双介质阻挡放电系统(cddbd)的电流源、光源、以及臭氧生成器的形成。在实施例中，cddbd系统是具有绝缘体覆盖的电极并且在其间具有空气系统的电容器。利用非耗散绝缘体，除电源中不希望的功率损耗之外，此类系统不消耗ac功率。在ac电压振幅高于paschen击穿电压的情况下，发生气载电荷和光发射而没有附加的功耗，但是这是转化电场能量的结果。利用高度高效的电源或发电机，净能量生成可以为正，其中，净能量由自由电荷和/或光发射组成。

从物理学角度来看，宇宙射线触发气体的电离并且在高电场下发生电荷倍增。这是如何形成等离子体。宇宙射线是高能量(在十亿电子伏特的范围内)辐射，主要起源于太阳系之外，并且甚至来自于遥远的星系。宇宙射线主要由质子、原子核以及高能孤电子组成。宇宙射线是从宇宙发出的，这是自由的，但是随后的电荷倍增过程涉及电场能量的转化以进行电离和光发射。

在本文中所描述的实施例中，放电系统中所生成的电荷可以经由电极几何形状被释放，以便实现连续的电流源。在一个实施例中，可以有效地使用风能来增强电荷从放电系统的释放，并且因而此类系统变成了一种风能到电能转化器。在另一实施例中，等离子体内产生的自由基使得系统成为利用氧气注入的高能效臭氧生成器。在又一实施例中，来自该系统的光发射可以被用作高能效的发光系统。如本文中所讨论，本发明的实施例可以应用于诸如电功率生成器、光生成器以及臭氧生成器之类的许多领域。

如下文更详细地描述，本发明的实施例将描述功率生成器、光生成器以及臭氧生成器的实施例。作为功率生成器，例如，本发明的实施例可以用于电源、电池充电器、电流源、以及在与转化风能结合使用的情况下的风能采集器。作为光生成器，例如，本发明的实施例可以被用作高能效或低成本的荧光灯。作为臭氧生成器，例如，本发明的实施例与可以被用作病原体杀灭器的高能效臭氧生成器有关，其在水处理、食品加工和织物加工中具有有用的应用。

经涂敷的介质阻挡放电系统

将参照图1至5描述本发明的操作原理和第一实施例。图1示出了经涂敷的双介质阻挡放电(cddbd)系统10，其中，电极11覆盖有绝缘体12，在该绝缘体12上涂布特殊涂层13，电极11在气体15内以间隙14分隔。电源16耦合至cddbd系统。cddbd系统10在电学上是具有两种绝缘材料(绝缘体12和间隙中的气体15)的电容器。当由电源16施加电压时，电荷朝向电极移动并建立电场18。只要绝缘体12具有非常高的电阻率，就不存在电荷耗散并且不存在功耗。

如果跨空气的电压高于paschen阈值，则发生空气击穿。paschen击穿引起如图2中所示的电荷生成21以及光发射22。在该过程中生成的电荷行进至具有相反符号的电极并且形成与电场18相反的电场23，并且因此使更多电荷24流入电极中，以便满足电极处的电压边界条件。然而，仍然没有电荷穿过电同期并且没有功率被消耗。所生成的电荷和光并非被创建，而是从原始的电场能量17转化而来，并且因此满足能耗。从电路的角度来看，电容值已经改变，并且因此，更多的电荷被发送至电极以满足v＝q/c＝q’/c’，其中，c是击穿之前的电容并且c’是击穿之后的电容。

在实施例中，在cddbd中使用的绝缘体12的材料是高度电阻性的，以使得来自电极11的电荷泄漏通过到气体介质。绝缘体材料12还具有高介电强度，以使得该材料在cddbd系统中使用的电场下不会被电击穿。例如，绝缘体12的材料具有高于10¹⁷ω·cm的电阻率和高于15mv/m的介电强度，该材料诸如石英、陶瓷、玻璃、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、或聚对苯二甲酸乙二酯(pet)。

所描述的cddbd系统中的气体介质15可以是空气，其包括但其并且处于一个大气压下。cddbd系统还可以被构造为封闭式系统，其中，气体介质15是诸如处于低于一个大气压下的氩气或氦气之类的内部气体系统。

如果如图3中所示地施加ac电压31，则发生电荷生成21和光发射22的连续操作。随着极性改变，paschen阈值由于残余电荷而改变并且新生成的电荷的位置翻转。然而，在每个周期中，发生新的电荷生成21和光发射22。从电路的角度来看，其仍然是电容电路并且在cddbd系统处仍然不存在功耗。如果恰当的涂层13被施加在绝缘体上，则可以增强电荷生成和光发射。该涂层是具有高二次电子发射系数的材料，诸如，碱金属锑化物、氧化铍(beo)、氧化镁(mgo)、磷化镓(gap)、磷化砷化镓(gaasp)、氧化铅(pbo)、钨(w)或钼(mo)。涂层材料还可以是用于光电倍增器的阴极材料，其中，一个电子碰撞产生许多电子。随后，该ac驱动的cddbd系统中生成的净能量将是所生成的电荷和光发射的总能量减去电源系统中发生的损耗。此处，等离子体被限制为冷等离子体，其中，在等离子体区域中不存在焦耳加热。等离子体的强度也可能受电极11材料的导电性控制。流光(streamer)是通常在大气压等离子体系统中发生的高强度丝状放电。流光由于从电极11处的自由电荷的电场增强的正反馈而发生。可以通过控制电极11处的自由电荷密度来控制流光强度。例如，与具有～10⁶ω·cm电阻率的典型材料相比，通过使用具有电阻率～10⁶ω·cm的半导体材料，使自由电荷减少了10个数量级。

在本文中所讨论的实施例中，在本发明的实施例中所描述的等离子体工艺采集宇宙射线的能量并随后将电场能量转化为自由电荷和光。不像常规系统，由如图4中所示出的宇宙射线41点燃等离子体。典型的空气分子电离能大约为10-20ev，例如，对于氮气分子为15ev。通过单从高压电源施加典型电场无法实现电离。宇宙射线41的90％具有十亿电子伏特(gev)的能量，并且它们中的90％是质子。因此，宇宙射线41具有使气体分子电离的足够高的能量。十亿电子伏特宇宙射线41在途中使一个或两个气体分子电离并且继续前进。因此，最初的15ev的能量不受宇宙约束。

图4描述了宇宙射线电离过程。如果在不存在电场的情况下发生宇宙射线诱导的电离，则正离子42和电子43不会具有很大的动能，并且它们甚至将重新组合。然而，如果电离在电场内发生，则正离子42和电子43将被扫过到相反的方向上。此时，此电子和正离子具有根据配置的势能。组合势能为ee·g，其中，e是电荷，e是电场，并且g是间隙14。例如，比如说在等离子体区域中，电场为9v/um并且间隙为100um。如果电离在接近负电极处发生，则电极将加速进入正电极。该电子的势能为e·e·g＝e·(9v/um)·(100um)＝900ev。如果电离在等离子体区域的中心处发生，则电子具有450ev的势能并且正离子具有450ev的势能。如果电离在接近正电极处发生，则正离子具有900ev并且电子不具有势能。平均而言，或通过统计，该等离子体区域中的平均电子势能为450ev。如果周围不存在空气分子，则电子将获得其速度并且450ev的势能将被转化为动能。当气体分子处于周围时，电子将与空气分子相撞，并且如果动能足够高，则其将电离另一空气分子等等。这是如图5中所示的碰撞电离过程或雪崩式过程。由于氮气电离能为15ev，因此450ev的势能可以通过碰撞电离过程产生30个自由电子和正离子。因此，此时我们从来自宇宙射线和电场的电离过程得到30个自由电子52和正离子51、以及光，其中，使场能减少了与29个电子和正离子、以及光发射对应的精确量。

电荷、正离子51和电子52的移除将恢复原始电场能并且过程继续。利用有效的电极几何形状以及风能可以使得电荷的移除成为可能，这将在下一章节中描述。具有连续释放的电荷的cddbd系统是电流源，并且因此此类系统是电功率生成器。

来自经涂敷的双介质阻挡放电(cddbd)系统的电流源

图6-图9中所描述的本发明的第二、第三、第四和第五实施例是被配置成使得气载电荷可以逸出cddbd系统的cddbd系统的各版本。释放的电荷可以被捕获并且被用来直接驱动电子设备或被存储在诸如电池之类的电存储系统中。图6a和6b图示出图1-5中所描述的实施例的、尤其针对电荷逸出设计的变型。在每个电极/绝缘体/涂层组装件上制作孔63。图6a是该实施例的侧视图61，并且图6b是该实施例的俯视图62。电场64延伸出每个电极组装件之外，并且因此电子65和正离子66能够从cddbd系统向外逸出。逸出的电荷可以被收集以驱动电子设备，或者将被存储在诸如电池之类的电存储设备处。如果电荷全部被清空，则图1中的原始电场可被恢复，而无需使用任何来自电源的电荷，并且因此无需使用任何能量。因此，可持续的电荷供给(即，电流供给)是可能的。然而，图6a中的一些电荷67将无法逸出，因为它们不接近孔63。图6a和图6b中所描述的实施例可能不是最高效的电流源，但为了解释原理而在此处提及，与图1-图5中所描述的前文的实施例没有太大偏离。

图7a和图7b中所描述的本发明的第三实施例是电流源的另一版本。图7a是该实施例的侧视图71，并且图7b是该实施例的俯视图72。以导线73的形状来制作电极/绝缘体/涂层组装件，其中，最内部是电极73a，中间部分是绝缘体73b，并且最外部是具有高二次电子发射系数的涂层73c。顶部和底部电极区域由导线阵列74a、74b制成，并且在这两个导线阵列74a、74b之间形成电场78。电场78延伸出导线阵列74a、74b之外，并且在顶部阵列74a与底部阵列74b之间生成的电荷77a、77b可以通过导线之间的间隔逸出。导线76之间的空间显著大于导线直径75，并且因此逸出效率大于图6中具有含孔63的平面电极11、12、13的实施例。当前实施例是从cddbd系统优化的电流源或电流生成器，其中，除不希望的电源损耗之外，不消耗来自电源的功率。因此，净输出功率为自由电荷减去不希望的电源损耗。

图8a和图8b中所描述的本发明的第四实施例是被优化为电流源(即被优化以使得电荷可以容易地从cddbd系统逸出)的cddbd系统的另一版本。图8a和图8b中所描述的实施例是等离子体管状射流81，该等离子体管状射流81由电绝缘管82组成，该电绝缘管82的内表面85涂敷有高二次电子发射系数材料并且在该管的外径处构造两个管状电极。电绝缘管82可以由例如石英、陶瓷、玻璃、聚酰亚胺、聚四氟乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯(pet)中的一者制成。利用与cddbd系统的第一实施例的章节中描述的相同的原理，在管内部形成等离子体或电荷倍增。从电源被带至管状电极83、84的电荷决不穿过绝缘管，并且因此除电源内不希望的损耗之外不消耗来自电源的功率。管内的电场88a、88b延伸超过管状电极的长度，并且因此电荷获得沿轴向轴的大量动能并且因此能够从管86、87逸出。对于正离子，电荷的速度可以达到高达1km/s，并且对于电子，电荷的速度可以达到高达200km/s。可以在等离子体管状射流81外部的电极处收集逸出电荷86、87，并且这些逸出电荷86、87可以被用作仪器的电流源或被存储在电存储处。图8a和图8b图示出具有ac电源情况下的该实施例。图8a图示出尤其右侧电极84比左侧电极83处于更高的正电压下的情况。图8a中的电场88a因此朝向向左方向，并且正离子87a从左侧的开口逸出且电子86a从右侧的开口逸出。图8b图示出尤其右侧电极84比左侧电极83处于更高的负电压下的情况。图8b中的电场88b因此朝向向右方向，并且正离子87b从右侧的开口逸出且电子86b从左侧的开口逸出。

图9中图示出可以被用作电流源的本发明的第五实施例。图9中所描述的实施例是离子射流，其中，等离子体区域15内的电荷94、95由电场93提取出，该电场93由第三电极91建立。紧邻利用ac电源16对其进行操作的cddbd系统10，附加电极91被放置有一定间隙，并且电极91被另一dc电源92偏置，以使得在第三电极91与前两个电极17的平均电压之间具有固定的电压差。如果在第三电极91与前两个电极17的平均电压之间存在足够的电势差，则由库仑力从cddbd系统的等离子体区域15朝向第三电极提取出电荷94、95。图9描述了具有平面cddbd系统10的离子射流，但是只要cddbd系统被放置成紧邻第三电极以有效地形成强电场来提取电荷，则可以替代地使用任何cddbd系统，例如，图6-图8中所描述的cddbd系统。

图10中图示出可以被用作电流源的本发明的第六实施例。图10中所描述的实施例是在具有处于不同电势下的附加电极的电场的帮助下提取出cddbd系统内的电荷的另一实施例，但该实施例在图8a和图8b中所描述的等离子体管状射流81的框架下。在图10中所描述的新的等离子体管状设备101中，以与前两个电极83、84相同的方式、但在电极84与管104的、电荷被排出处所在的端部之间构造第三电极102。第三电极102连接至dc偏置移电源103，第三电极102的电压相对于第二电极84的电压恒定并且不同于第二电极84的电压，这通常被描述为具有dc偏置。例如，在图10中，设置偏置电源103的极性以使得第三电极电压比第二电极84更正。第二电极84与第三电极102之间的电场105对电子施加库仑力并且进一步从第一电极83与第二电极84之间建立的等离子体提取电子106。在具有第三电极102的情况下，与图8a和图8b中不具有第三电极的管状射流的88a、88b相比电场105可以进一步更被拉直。因为dc偏置电源103的极性是固定的，因此图10中所描述的等离子体管状射流101相对于其他而优选一种电荷。例如，在图10中，优选电荷是电子106。第二电极84与第三电极102之间的电场105不高于paschen阈值，并且因此在该区域中没有新电荷生成。电场105仅用于高效的电荷提取。

风能采集器

cddbd系统可以被用作风能采集器。图6-图10中所描述的本发明的实施例具有专门针对容易的电荷逸出的电极设计。利用使得电场延伸出具有用于电荷逸出的孔或管的主要等离子体区域的专门的电极设计，电荷逸出是可能的。然而，由于阻碍要素，电荷可能粘附到这些阻碍要素，效率可能不高。可以通过利用空气流或风吹动电荷来提高电荷提取效率。正离子和电子是气载的并且利用空气流动来移动。因此，风或气流可以有助于将电荷从cddbd系统向外移动，以使得这些电荷是自由的从而被用作电能源。在该过程中，风释放束缚于cddbd电势的电荷。尽可能多的电荷获得电势能以从cddbd束缚势被释放，风根据能量守恒定律损失其动能。因此，所利用的cddbd系统的该实施例被称为风能采集器。

图11中图示出被配置成用于使用cddbd系统进行风能采集的本发明的实施例。在该实施例中，正离子112从cddbd系统被吹离113并且被收集在下游中116。这是因为正离子112保持在空气中比电子111更久。在大气放电系统中，碰撞电离增益很高，并且放电通常形成流光。流光中的电子111通常在100纳秒内到达正电极，而正离子花费几毫秒到达负电极。因此，收集正离子112比收集电子111更容易。可以通过放置到地面的击穿路径从内涂层逸出电子111。可以将接地的金属探针114放置成接近内涂层而不与该内涂层接触，以使得不论涂层何时达到高于无电荷的值的电势，涂层与探针之间的空气击穿115。该种类的设置将确保清空沉积在涂层上的任何电子111。在100纳秒内，电子111将不存在，并且留下的正电荷112可以由风吹离113。从cddbd系统被吹离的正离子可以由电极116收集并且被用作电流源或被存储在电存储系统中。

图12中示出被配置成用于使用cddbd系统进行风能采集的本发明的另一实施例。代替于由平面电极组装件的11、12、13形成的等离子体区域15的通道，两个线形电极组装件73的几何形状使得电荷更容易接近。每个线形电极组装件73由芯电极73a、绝缘体73b、以及具有高二次电子发射材料的涂层73c组成。电子123在100纳秒内横跨等离子体气体区域15，并且正离子124仍然在等离子体气体区域15内持续大约几微秒。正离子124对于风125更易接近以吹出。

在图12中所描述的该实施例中，ac电源连接至导线的中心。因为极性周期性地改变，因此沉积在导线涂层73c上的电子在每次极性改变时被重置或移除。因此，相较于图11中所描述的利用dc电源的实施例，图12中所描述的实施例中不需要到地面的路径。利用ac电源，连续的电荷生成以及由风对电荷的吹离是可能的。在每半个周期时，新的电荷生成被发起。图13针对每个周期逐步描述了电压和电荷生成。曲线131是两个芯电极73a之间的电压差，曲线132是没有paschen放电的情况下两个外涂层73c在其最接近点处的间隙电压，并且曲线133是在发生paschen放电的情况下外涂层73c在其最接近点处的间隙电压。通过paschen击穿，曲线133被限制到当前气体系统15的paschen阈值135。当曲线132在时间136a处大于paschen击穿阈值135时，paschen击穿开始。曲线134是开始于时间136a的电荷生成的曲线。电荷生成继续，直到芯电极73a处的电压131在时间137a处停止增加。此时，生成最大数量的正离子124和电子123。电子123最可能附连至外涂层73c中的一个外涂层73c，但正离子124仍然在空气中飘浮几毫秒。在时间138a处，间隙电压133为零，并且此时，正电荷124至少束缚于cddbd电势并且容易地由风从系统吹出。具有ac电源有在正离子至少束缚于cddbd电势时继续电荷生成过程以及零交叉点的优势。过程以芯电压131摆动至另一极性来继续。因为空间电荷电子123和正电荷124没有从cddbd系统被清除，paschen击穿在比时间136c更早的时间136b处发生，其中，精确的paschen阈值通过外部电源发生。电荷生成在相反方向上继续，直到芯电压131不再增加所在的时间137b。当芯电压131摆动回到原始极性时，间隔电压133在时间138b处跨过另一个零，在时间138b处，正离子124至少束缚于cddbd系统的电势。并且过程以原始极性继续进行。由于来自先前的半个周期的空间电荷，paschen击穿比第一个周期更早发生。

图12中所描述的具有ac电源的实施例除不希望的电源损耗外不消耗功率，因为没有电荷穿过复合导线73内的绝缘体73b。因此，图12中所描述的具有ac电源的实施例是以风能为代价的连续的电流生成器。因此，图12中所描述的实施例是将风能转化为电能的风能采集器。利用如图6-图10中的实施例所描述的cddbd系统，连续的电流源是可能的，其中，风增加了电荷提取效率。

埋入式电极

在本发明中所描述的所有实施例中，暴露于气体介质的电极可能需要以被封闭在绝缘体内的电极(所谓的埋入式电极)来代替。图14中描述了埋入式电极的示例。在图1中所描述的cddbd系统中，电极11暴露于气体介质。在高电场下，在电极11与涂层13之间电极11和涂层13两者均暴露于气体介质之处所在的边缘处可能发生paschen气体击穿，这与绝缘体12的目的相反。这尤其可能在大量电荷沉积在涂层13上时发生。随后，涂层13与电极11之间的电场可能超出气体系统的paschen阈值，并且电极11与涂层13之间在边缘处可能发生不希望的短路。为了防止此种不希望的场景，如图14中所示，电极141被埋入在绝缘体142内。

荧光

本发明的另一实施例是高能效的荧光灯。早先描述的cddbd系统通过碰撞电离过程实现了电荷倍增过程。在碰撞电离过程其间，光子被发射。光子被发射是因为在雪崩式过程中生成了激发态的分子，这些激发态的分子最后通过发射光子而衰减到基态。获得光子能，该光子能仅是初始电势能的部分。如果向电极施加ac功率，则可以持续重复该过程。图15中描述了高能效荧光灯的第一实施例。cddbd系统被构造在包含气体系统155的玻璃管154内。气体系统155是在当前荧光灯中使用的典型气体系统，诸如带有氩气、氙气、氖气和氪气的低压汞蒸气。玻璃管154的内表面涂敷有用于uv到可见光转化的荧光材料。因为电极151覆盖有绝缘体152，因此在放电区域155与电源系统31之间不存在电荷交换。该电路类似于双电容器系统，该双容器系统具有作为两个电容器之间的“类电阻器”元件的气体。因此，如果存在任何功耗，则功耗将来自于“类电阻器”组件。然而，该“类电阻器”组件不是具有欧姆损耗的真正的电阻器，因为放电过程是冷过程，不存在焦耳散热。光子发射也不产生焦耳热。仅有的功耗来自于电源或功率变压器内不希望的电阻组件。

每个电极151由以绝缘材料152完全缠绕的电极组成。在每个绝缘体的顶部，涂层153被施加有高二次发射系数的材料，诸如，ni、w、mo、beo、mgo、gap、gaasp、si、pbo、以及具有高二次发射系数的其他材料。如果足够高的ac电压被施加在两个电极之间，则电场升高到足以使管内的低压气体发生电击穿。被掩埋在绝缘体内部的电极151材料可以是具有各种导电性的材料，包括半导体。半导体材料包括硅、al2o3:tio2-x混合物、sic、锗、镓化合物、聚合物半导体或具有离子导电剂的聚合物。该材料的导电性限制碰撞电离过程中的增益，并且因此控制流光的强度。对增益的控制可以抑制可能损坏电极的电弧放电。碰撞电离增益因子也是空气间隙和压力的函数，并且因此，电极材料的到线形可以根据管的间隙和空气压力而有所不同。具有半导体电极移除了对当前荧光灯中使用的镇流器的需要。需要当前荧光灯中的镇流器来控制电流，在不具有镇流器的情况下，由于灯电气系统中的负差分电阻，电流是不可控的。半导体电极通过控制自由电荷的数量，将放电管的电流控制和限制在一个更基本的水平上，这可以增强用于流光生成的电场，并在电极处形成正反馈系统电场和电荷。

镇流器的缺失可能要求电极之间比常规荧光灯更短的间隙，以用于合理的碰撞电离增益控制。典型地，如果间隙在一个大气压下小于100um，则均匀放电是可能的。荧光灯处的典型压力是0.3％的大气压。因此，这可被转化为30cm的最小间隙。对于电极之间给定的间隙限制，对于合理的光发射可能需要广泛区域电极。

广泛区域灯是有用的，以便保护眼睛免受由于集中式点光源发光系统(诸如，灯泡或led)导致的强光发射的影响。在本发明的实施例中，在图16中描述了广泛区域高能效荧光灯。图16中的图示是广泛区域高能效荧光灯的侧视图。电极组装件由电极161片、绝缘体162片和涂层163片制成。在此情况下，电极161、绝缘体162和二次发射涂层163可以由uv透明材料制成。例如，电极161可以由透明导电氧化物制成，诸如氧化铟锡(ito)或掺杂铝的氧化锌(azo)。绝缘体162可以由聚酰亚胺、pet、玻璃或石英制成。例如，二次发射涂层可以是mgo或gap。

本发明的另一实施例实现了无镇流器的荧光灯。在图17中描述了无镇流器的荧光灯的实施例。无镇流器的荧光灯类似于常规荧光灯，但是电极171由代替于金属的电阻材料或半导体材料制成。对于给定的放电间隙、气体、压力和电压，可以选择正确的导电性或电阻性的电极171材料，以抑制过强的流光或放电电流。这移除了当前荧光灯的昂贵组件中的一个。电极171的材料可以是硅、al2o3:tio2-x混合物、sic、锗、镓化合物、聚合物半导体或带有离子导电剂的聚合物，其中，可以调整其导电性以获得最佳结果。

臭氧生成器

本发明的另一实施例是不存在可能损坏放电系统的电弧的高能效臭氧生成器。氧气(o2)被引入到经涂敷的双介质阻挡放电(cddbd)系统中并通过cddbd内的等离子体将其转化为臭氧(o3)。图18中示出了使用cddbd系统的高能效的臭氧生成器的实施例。每个电极181由以绝缘材料182完全缠绕的电极组成。在每个绝缘体的顶部，涂层183被施加有具有高二次发射系数的材料，诸如，ni、w、mo、beo、mgo、gap、gaasp、si、pbo、碱金属锑化物、以及具有高二次发射系数的其他材料。如果在两个电极181之间施加足够高的ac电压31，则空气中的电场升高到足以使空气在～3-10v/um下开始击穿。将生成许多不同的气体分子，包括o3、no、no2、no(h2o)n、no2(h2o)n等。如果仅存在氧气184，则通过迫使氧气184从氧气罐(未示出)流动，仅臭氧185将被生成。因为存在绝缘体182，因此没有电荷从电源穿过到达气体区域186，即，cddbd系统是电容性负载。因此，除电源31中不希望的功率损耗之外，不存在功耗。cddbd系统187还可以被视为具有导通的空气的两个电容系统。然而，空气传导是冷过程(碰撞电离或冷等离子体)，不存在热耗散。因此，除由电源电路中的电阻器引起的任何其他不希望的热耗散之外，整个cddbd系统187没有功耗。利用电源的最小功耗设计(例如，来自电源线的直接升压变压器)，功耗可以被最小化为仅在功率变压器处。此类系统是高能效臭氧生成器。

被掩埋在绝缘体182内部的电极材料181可以是具有各种导电性的材料，包括半导体。半导体材料包括硅、al2o3:tio2-x混合物、sic、锗、镓化合物、聚合物半导体或具有离子导电剂的聚合物。该材料的导电性限制碰撞电离过程中的增益，并且因此控制流光的增益。对增益的控制可以抑制可能损坏cddbd系统的电弧放电。碰撞电离增益也是空气间隔的函数，并且因此，电极材料的导电性可能根据间隙而有所不同，以使得获得高度高效的臭氧生成而不具有电弧。

图19中示出高能效臭氧生成器的另一实施例。该实施例是图18中的实施例以串联形式的扩展，包括平面电极组装件阵列191，该平面电极组装件阵列191由芯电极、绝缘体组成并且涂覆有电极组装件191之间的空气间隔192。每个电极191连接至具有交替极性的电源，以使得每个气体间隔192具有来自所施加的电压的电场并且因此具有paschen放电。氧气193被馈送到电极组装件191片阵列的一侧，并且臭氧194在另一端处出来。

应理解，以上说明旨在是说明性的而非限制性的。对本领域技术人员而言，在阅读和理解上面的描述后，许多其他实施例将是显而易见的。将由本领域普通技术人员领会的是，以上所讨论的实施例中的任何实施例可根据特定的实现方式、设计考虑、目标等出于各种目的而被使用。因此，范围连同被授予权利的这些权利要求书的等效物的全部范围应参照所附权利要求书来确定。

出于解释的目的，已经参考具体实施例来描述了前述说明。然而，以上的说明性讨论并不旨在是详尽的或旨在将所描述的实施例限制于所公开的精确形式。鉴于以上教导，许多修改和变型是可能的。为了最好地解释各实施例的原理及其实际应用，选择并且描述了实施例，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地利用具有可能适合于所设想的特定使用的各种修改的各实施例。