一种高通量平面光源产生的装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种高通量平面光源产生的装置及方法，该装置的电极由一圆筒状阳极和一同轴布置的圆形棒状阴极组成，所述阳极圆筒一端封闭，另一端为石英透射窗气封；位于阴极发射端面附近的阳极圆筒壁面开有高温气体流出孔缝；在其两侧阳极圆筒壁面开有冷气体流入孔缝；阳极圆筒内充高压惰性气体；对阳极圆筒内施加轴向磁场；在阳极圆筒与阴极之间施加直流恒流电源，在阴极发射端面与阳极圆筒内壁面之间引燃电弧。该产生方法是通过磁场驱动电弧旋转和气体流动组织，控制电弧等离子体位形、阴极弧根和阳极弧根位形，将等离子体位形由短弧氙灯“钟罩形”变为“圆盘形”；本发明限制等离子体在轴向上的扩张，提高径向电流密度，增强发光功率和发光效率。
【专利说明】一种高通量平面光源产生的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于气体放电光源的【技术领域】，具体涉及一种高通量平面光源产生的装置及方法，用于产生高通量连续辐照光，作为高通量平面光辐照和高通量太阳模拟器的光源。
【背景技术】
[0002]高通量光源通过直接辐照器件表面产生高温，在各种不同环境、气氛下创造极端高温条件，是材料高温性能研究、热化学和光化学研究、太阳能光热/光电高效利用研究等领域的重要科学仪器，并且在许多特种材料(如纳米材料、耐高温材料等)的生产领域有特殊作用。目前，产生连续高通量辐照光的主要途径有:直接在户外通过太阳跟踪聚焦系统将太阳光聚焦，采用组成阵列的人工光源聚焦。后者大都以高压短弧氙灯为光源。
[0003]太阳光聚焦的太阳炉光通量及光斑面积都可以很大。如欧盟太阳能热发电实验基地(PSA)建立的太阳炉系统[参见文献 I:J.Fernandez-Reche, 1.Cafiadas, M.Sanchez, J.Ballestrinj L Yebraj R.Monterrealj J.Rodri gueza, G.Garcia, M.Alonso and F.Chenl0.PSA Solar furnace:A facility for testing PV cells under concentrated solarradiation, Solar Energy Materials &Solar Cells, 2006, 90:2480 - 2488],光斑直径20cm，能流密度达3000kW/m2(300()个太阳辐照度)。但该系统过于庞大复杂，仅反射镜面积就达140m2，难以推广应用。采用小型的碟式、槽式或菲涅尔透镜式聚光器，也可获得小面积的高辐照度。但是以自然界阳光为光源受环境影响大，稳定性差，光谱特性因地域、天气、季节、时间等多种因素而异，辐照均匀性及可调性差，使用极为不便，也不能成为测试标准光源。
[0004]光谱分布接近太阳光谱辐射的高通量光源可以作为高通量太阳模拟器，是研究聚光太阳能的重要实验仪器，它可以提供稳定、可靠、方便的标准太阳能人工光源，且可成为太阳能应用产品的标准检测设备。短弧氙灯目前是最符合太阳光谱分布的人工高亮光源，部分红外谱段强于太阳辐射。现有的低通量太阳模拟器产品(低于40个太阳辐照度)多使用高压短弧氙灯为光源，经过对部分红外光谱段的过滤调整，使其符合太阳光谱分布，同时经过积分器和准直镜使辐照光斑均匀和准直，已有标准产品[参见文献2:Qing Long, MengYuan, Wang Linhuaj Zhang.1rradiance characteristics and optimization design ofa large-scale solar simulator.Solar Energy.Volume85.1ssue92011，参见文献 3:US2010/0027236A1，参见文献 4:US2006/0175973A1]。
[0005]连续辐射的高通量太阳模拟器几乎都是釆用短弧氙灯聚焦阵列直接模拟太阳光[参见文献 5:Kruegerj K.R.Davidson, J.H.Lipinskij W.Design of a New45kW (e)High-Flux Solar Simulator for High~Temperature Solar Thermal and ThermochemicalResearch.Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the Asme.Volumel33.1ssuel.2011]，不经光谱调整、辐照光斑均匀处理以及光线准直处理。如瑞士PSI (Paul Scherrer Institute)[参见文献 6:Petrasch，J.Steinfeld，A.Asme，A novelhigh-flux solar simulator based on an array of xenon arc lamps: Optimizationof the ellipsoidal reflector and optical configuration Solar Engineering2005.Pagel75-180]，采用10个15kW氙灯组成聚焦阵列，单个反射聚焦镜面直径大约lm，经光学聚焦后输出光斑直径为60mm，峰值11000kW/m2，平均能流密度6800kW/m2的光束，辐照物品表面理论最高温度(滞止温度)可以达到3300K。
[0006]“氙灯阵列高通量太阳模拟器”一个显著缺点是辐照面光强非常不均匀，近似为高斯型分布[参见文献 7: J.Petrasch, Coray P, A.Meier, M.Brack, P.Haberl ing, D.ffuillemin, A.Steinfeld, A Novel50kffI1000suns High-Flux Solar Simulator Based onan Array of Xenon Arc Lamps.Journal of Solar Energy Engineering Transactions ofthe Asme.Vol.129issue Page405_411.2007]，使用极为不便。其原因是短弧氙灯的电弧亮度分布极不均匀，而聚焦光斑处的光通量非常强，难以通过积分器改善光斑的均匀性。同时也存在体积庞大、设备系统复杂等问题。同时，大功率短弧氙灯的寿命不长，使得“氙灯阵列高通量太阳模拟器”运行成本过高。
[0007]为了避免短弧氙灯阵列的这些缺点，瑞士的ETH工业研究所研究了一个以氩气长弧灯为光源，采用两级椭圆槽型聚焦，产生高通量矩形辐照光斑的高通量太阳模拟器[参见文献 8:D.Hirsch, P.V.Zedtwitz, and T.0singa.A, New75kff High-Flux SolarSimulator for High-Temperature Thermal and Thermochemical Research.Journalof Solar Energy Engineering.Volumel25.Pagell7_1202003]。该系统由加拿大 VortexIndustry Ltd.公司制造，电弧长度约200mm，最大电弧功率200kW，最大辐射功率75kW，辐照强度在电弧轴线平行方向较均匀。辐照通量峰值达到4250kW/m2，实验辐照斑点最高温度达到3000K。由于电弧为氩弧，电弧存在较多的紫外辐射和红外辐射，并且色温高于太阳色温，完全不能满足太阳模拟 器光谱分布的要求，作为高温光热、光化学研究不失为一个较好的高通量光源。但这项技术还有一个非常大的问题:在氩气电弧与石英管壁之间采用水膜冷却，不可避免带来水汽对电弧和电极的影响，尤其是电极寿命受到影响。
[0008]早在1954年，Bauer就报道了他研究的氙灯[参见文献9:A.Bauer, P.Schulz, Elektrodenfalle Und Bogengradienten in Hochdruckentladungen, Insbesondere Bei Xenon.Zeitschrift Fur Physik.Volumel39, Issue2, Pagel97-211.1954] ? 到上世纪70~80年代已形成非常成熟的系列产品，大量用于电影放映、投影仪等显色指数要求较高场合，也用于高级汽车前大灯。
[0009]短弧氙灯结构见图1所示。由于电弧稳定需求，阴极通常设计成锥形，阳极为较大的平端面。阴极弧根位于阴极尖端，依靠收缩的阴极弧根产生的阴极射流来稳定电弧。因此，在氙灯(电极轴)水平放置时，由重力作用引起的对流作用使电弧向上飘动，容易引起电弧不稳定，降低氙灯使用寿命，甚至烧坏泡壳。同时，为了保证氙灯的稳定性，不可能将电弧拉的很长。短弧氙灯产品设计最大电弧长度约12.5mm，功率可以达到30kW。
[0010]短弧氙灯的电弧稳定的机制决定了氙灯宜选择竖直安装，阴极在下，阳极在上。这个限制使其在应用时的光路设计上多有不便。
[0011]实际上，大功率短弧氙灯为一亮度分布极不均匀倒立的“钟罩形”光源(图1 (a))。阴极尖端附近有一个极高亮点，色温最高，辐射最强。随着离开阴极距离加长，弧柱直径增大，色温降低，辐射光通量迅速降低。在阴极极端面到距离阴极尖端0.07L (L为电极间距)之间的光辐射功率占灯总辐射功率70%以上[参见文献10:陈大华复旦大学电光源研究所.氙灯的技术特性及其应用.光源与照明.2002年第4期]。
[0012]提高短弧氙灯功率和亮度的一个主要方法是提高工作气压，从而提高电流密度及等离子体密度。小型灯泡的工作气压最大可以达到6MPa，大功率灯泡的工作气压也达到2MPa。由于工艺上的原因，短弧氙灯功率越大，选择的工作气压越低。由于氙灯色温主要取决于电弧电流密度(等离子体密度)，而电弧电流密度主要取决于工作气压。因此作为太阳模拟器的光源，氙灯的工作气压大约为3MPa，相应氙灯功率大约为15kW。
[0013]根据能量最小原理，电弧自动收缩到最小直径。随着电流增大，电弧直径增大，弧柱电流密度略有增加，色温增加很小，阴极弧根和阳极弧根的电流密度随电流增加也有所增加。因此短弧氙灯在较大工作电流变化范围内色温几乎不变，亮度随电流增加略高于I次方正比增加。实际上，由于短弧氙灯阴极形状的影响，阴极弧根往往呈现强烈收缩的形态，电弧与阴极接触区域电流密度极大，工作电流的增加可能使电极温度升高达到电极烧蚀速率快速增加的临界值，造成阴极的严重烧蚀，限制了短弧氙灯功率的提高。
[0014]限制短弧氙灯功率提高的另一个原因是石英泡壳的耐压及冷却问题:功率增大，所需泡壳散热面积(正比于r2)增加更大；而泡壳容积增大，泡壳所受应力增加，要求泡壳厚度增加；而泡壳增厚则会降低导热性能，耐压问题与散热问题相互矛盾。
[0015]影响短弧氙灯寿命主要因素有:(1)电极烧蚀引起的电弧不稳和引弧电压提高；
(2)阴极尖端前高亮区电流密度减小，从而使发光亮度降低；(3)金属蒸汽在泡壳上的沉积使辐射功率降低和泡壳吸热增加，从而烧坏泡壳；(4)石英泡壳与金属电极之间的焊接密封损坏。
[0016]文献报道了一种磁旋转电弧等离子体平面光源初步研究结果[参见文献11:DAVID SLINKMAN and RICHARDSACKS.Structure and Dynamics of a Magnetron DC ArcPlasma.APPLIED SPECTROSCOPY.Volume44, Number I, 1990.Page76_83]。装置的基本结构为同轴电极电弧等离子体发生器，棒状内电极为阴极，圆筒状外电极为阳极，固定阴极与阳极的一端为气体导入端，另一端为气体流出端，在气体流出端为光源输出端。在阳极外施加电磁线圈以在阳极圆筒内产生轴向磁场，或米用永久磁体在阳极圆筒内产生轴向磁场。电弧在棒状阴极端面和阳极圆筒内表面之间产生，磁场与电弧之间洛伦兹力作用使电弧高速旋转，产生充满弧室截面均匀电弧等离子体，在发生器气体出口端引出光辐射。该装置没有考虑弧室密封，弧室压力为大气压，同时等离子体云在轴向上急剧扩张，电流密度很低，因此报道的这种光源辐照功率只有几千瓦，不能作为高通量光源，也没有给出具体结构和技术参数，没有实用价值。
【发明内容】
[0017]针对短现有技术中光源功率小、发光不均匀、寿命短的问题，本发明提出一种大功率、高通量、辐照均匀的光源的产生方法和高通量光源光源装置。
[0018]本发明的目的在于提供产生高亮度平面等离子体光源的方法和装置。
[0019]本发明的目的还在于解决电极烧蚀对光源寿命的影响。
[0020]本发明为了达到上述目的采用的技术方案为:一种高通量平面光源的产生装置，该装置的电极由一圆筒状阳极和一同轴布置的圆形棒状阴极组成；所述圆筒状阳极的圆筒的一端封闭，另一端由石英透射窗口气闭；所述阴极的一端由绝缘支撑安装在封闭端中心，另一端为阴极发射端，位于所述圆筒状阳极的圆筒内；轴向位置位于所述阴极发射端附近的所述圆筒状阳极的圆筒内壁为阳极弧根贴附区；在阳极弧根贴附区的阳极圆筒壁上沿圆周开有与阳极圆筒内腔贯通的高温气体流出孔缝，高温气体沿此高温气体流出孔缝流出阳极圆筒内腔；在高温气体流出孔缝两侧分别开有与阳极圆筒内腔贯通的补充冷气体流入第一冷气体流入孔缝及第二冷气体流入孔缝，两股补充冷气体分别从第一冷气体流入孔缝和第二冷气体流入孔缝流入阳极圆筒内腔；在阳极筒内填充高压惰性气体，填充气压为
0.1?IOMPa ;对阳极圆筒内腔施加轴向磁场。
[0021]其中，在阳极和阴极之间施加以直流电源，电源正极与阳极相连，电源负极与阴极相连，在阴极发射端部与阳极弧根贴附区的阳极圆筒内壁之间引发电弧等离子体；轴向磁场与电弧径向电流产生的洛伦兹力驱动电弧高速旋转，与冷气体产生强烈的对流，驱散电弧，在轴向位置位于阴极发射端附近产生分散的等离子体云；随着电弧电流增大和轴向磁场增强，分散的等离子体云充满阳极圆筒内截面，形成圆盘状电弧等离子体发射光源。其中，在阳极弧根贴附区以外的阳极圆筒内壁面和封闭端内表面镀全反射膜，形成导光筒。
[0022]其中，圆盘等离子体辐射光直接或经弧室壁面导光筒收集在透射窗外侧形成均匀的平面光源或均匀的辐照面。
[0023]其中，在阳极圆筒壁内开气体回流冷却通道，该通道与高温气体流出孔缝、第一冷气体流入孔缝以及第二冷气体流入孔缝相连通，从高温气体流出孔缝流入的高温气体在此冷却通道处冷却，冷却后的气体分别经第一冷气体流入孔缝以及第二冷气体流入孔缝返回阳极圆筒内腔。
[0024]其中，为了提高光辐射利用效率，在圆盘等离子体靠阳极圆筒封闭端一侧设置一反射镜，将圆盘等离子体向阳极圆筒封闭端辐射的光反射回等离子体、被等离子体吸收从而进一步增强等离子体辐射，或透过等离子体直接或经弧室壁面反射到透射窗外侧辐照面上；为了提高光的利用效率，反射镜位置宜靠近等离子体，反射光会大部分返回等离子体或透过等离子体，反射镜设计成与电极同轴的旋转曲面，曲面开口方向朝向光源透射窗口，反射镜底部中心开一圆孔，棒状阴极从中穿过，反射镜任意一点法线及延长线均与阴极轴线相交于阴极发射端外，让阴极附近的等离子体辐射通过镜面反射之后直接或通过镀反射膜的壁面反射到透射窗外侧，而不再辐射到阴极上。
[0025]其中，为了透射窗、阳极圆筒壁面及反射镜免受电极烧蚀蒸气污染，电极烧蚀产生的金属蒸汽随高温气体从阳极筒壁面高温气体流出孔缝流出阳极圆筒内腔，在阳极圆筒腔室外冷却沉积，从第一、第二冷气体流入孔缝流入的两股洁净的冷气体，对阳极圆筒壁面及反射镜起尘埃隔离保护作用，也对透射窗起热隔离保护作用。
[0026]其中，在阳极圆筒外绕电磁线圈，用于在阳极圆筒内腔产生轴向磁场。
[0027]其中，将阳极圆筒两端法兰设计为导磁材料，在电磁线圈外用导磁材料将两法兰联通，形成阳极筒外的磁路，减少产生阳极筒内轴向磁场所需的磁势，降低激磁电流。
[0028]其中，所述圆筒状阳极的阳极弧根贴附区镶嵌金属圆环，在所述金属圆环圆周开用于导流的所述高温气体流出孔缝；所述金属圆环与阳极圆筒材料可以不同，由耐高温的导电材料制成，如钨、钨合金等。
[0029]为了保证与高温接触的部件不因等离子体高温而烧坏，对阳极圆筒、阴极支撑部位附近、阴极安装端、阳极圆筒两端法兰以及石英透射窗周边通高压冷却水进行强迫冷却。[0030]本发明另外提供一种高通量平面光源的产生方法，该方法利用上述的高通量平面光源的产生装置，该产生方法是通过气体流动组织控制电弧等离子体弧柱位形、阴极弧根位形和阳极弧根位形，将等离子体弧柱位形由短弧氙灯“钟罩形”变为扁平的“圆盘形”，将阴极弧根由收缩的“点”变为扩散型“环”或“面”分布，同时阳极弧根均匀分布在阳极圆筒壁面四周阳极弧根贴附区，产生一个发光面积更大、辐射强度更高的圆盘形等离子体光源，从而提高辐射功率和辐射效率，提高发光面的均匀性，并通过简单光筒收集，在辐射窗口形成均匀的平面光源。所述气体的流动组织是通过磁场驱动电弧旋转驱散电弧，在阳极圆筒内形成角向均匀分布的圆盘状等离子体；一方面旋转的电弧均匀加热阴极发射端部表面和周边，使阴极发射端面温度上升，达到在阴极发射端部周边或阴极发射端部整个表面产生热电子发射的条件，与周向均匀分布的圆盘等离子体结合，形成在阴极发射端部边缘呈环状或在阴极端部呈面状分布的扩散型阴极弧根；另一方面，高速旋转流动和径向流动的圆盘等离子体与阳极圆筒(2)内壁阳极弧根贴附区(20)紧密接触形成周向均匀分布的阳极弧根；高速旋转流动的等离子体产生的径向射流，从阳极壁面高温气体流出孔缝(11)流出，限制了等离子体在阳极壁附近的横向(轴向)发展；补充冷气体分别从第一冷气体流入孔缝(13)和第二冷气体流入(14)流入阳极圆筒内腔，从圆盘等离子体两侧补充进入等离子体高温区域，与等离子体径向流动耦合，进一步从轴向压缩圆盘状等离子体阴极弧根、弧柱以及阳极弧根，整体上显著提高圆盘状等离子体密度，从而产生高亮度的平面光源。
[0031]本发明的优点和积极效果为:
[0032]与现有氙弧灯技术相比，由于采用了以上方案，可以实现以下优点:
[0033]I)锥状电弧等离子体分散为圆盘状等离子体，由“点”光源变为较为均匀的平面发光体，可以提高电弧功率，从而增强了光源的辐射功率和辐射效率，并提高了辐射的均匀性；
[0034]2)磁旋转电弧等离子体产生的高速旋转流动和径向流动限制了等离子体的轴向扩张，加之从等离子体两侧阳极圆筒壁面冷气体流入通道流入补充的冷气体，限制等离子体在轴向上的扩张，提高了等离子体电流密度，增强发光效率；
[0035]3)平面的等离子体光源及阳极内筒的全反射结构在阳极圆筒透射窗口处形成了均匀的平面光源(朗伯光源)，因而不需要普通氙灯的先聚光再匀光的复杂光路系统；
[0036]4)弧室腔外的纯净冷气体补充，对透射窗进行冷却和污染保护，提高窗口寿命。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]图1是短弧氙灯的原理结构示意图(b)、电弧(等离子体)位形示意图(a)和辐射分布不意图(C);
[0038]图2是本发明装置原理纵剖面图；图中:1、阴极，2、阳极圆筒，3、电弧等离子体，4、阴极发射端部，5、电磁线圈，6、绝缘支撑，7、金属法兰，8、金属法兰，9、透射窗，10、反射镜，11、流出孔缝，12、回流冷却通道，13、流入孔缝，14、流入孔缝，15、冷气体，16、冷气体，17、磁场，18、导磁的圆筒，19、引弧杆，20、阳极弧根贴附区；
[0039]图3是本发明装置图2的流出孔缝IlA-A剖面图；
[0040]图4是引弧杆局部剖面示意图；
[0041]图5是本发明装置反射镜及磁力线分布示意图；[0042]图6是等离子体轴向压缩示意图；
[0043]图7是圆盘状等离子体示意图；
[0044]图8是实施实例中观察到的电弧等离子体形态示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0046]本发明的大功率、高通量、辐照均匀的光源的产生方法是通过气体流动组织控制电弧等离子体位形、阴极弧根位形以及阳极弧根位形，将等离子体位形由短弧氙灯“钟罩形(锥形)”变为“圆盘形”，将阴极弧根由收缩的“点”变为扩散型“环(或面)”分布，同时阳极弧根均匀分布在阳极圆筒壁面四周，产生一个发光面积更大的圆盘形等离子体光源，从而提高辐射功率和提高发光面的均匀性，并通过简单光筒收集，在辐射窗口形成均匀的平面光源。
[0047]光源装置原理结构:本发明的高通量光源的一种基本结构如附图2所示。
[0048]电极由一圆筒状阳极2和一同轴布置的圆形棒状阴极I组成；阳极圆筒一端由法兰7封闭，另一端安装石英透射窗口 9，石英窗安装在金属法兰8上，金属法兰8、石英窗口与阳极圆筒2之间采用焊接或压紧密封。阳极圆筒2内腔与外部气密，内部填充装置的工作气体为元素周期表第IIIV族的惰性气体或它们的混合物。
[0049]阴极一端由绝缘支撑6安装在阳极圆筒封闭端金属法兰7中心，阴极的另一端为阴极发射端4，位于阳极圆筒内所述阴极的材料为掺有少量的金属氧化物(如，含有I?4%钍、镧、铈、锆等氧化物)的金属钨。
[0050]阳极的材料高导热、导电、低功函数的金属材料制成，如铜、铜的合金(铜-银合金、铜-锆合金等)。轴向位置位于阴极发射端附近为电弧的阳极弧根贴附区20，在阳极弧根贴附区的阳极圆筒壁面沿周向开有8个高温气体流出孔11，高温气体流出孔11与阳极圆筒2内腔联通；等离子体产生的高温气体及电极烧蚀的金属蒸气沿此孔流出阳极筒内腔，在阳极筒腔体外被冷却和净化；在阳极圆筒两端接近法兰处的阳极圆筒壁沿周向均布8个冷气体流入孔13、14，与阳极圆筒内腔联通，纯净冷气沿此孔流入阳极筒内腔，补充进入等尚子体闻温区。
[0051]本实施实例提供一种等离子体工质气体自循环弧室腔外冷却的方法:在高温气体流出孔11两侧阳极圆筒内壁中周向均布8个轴向气体冷却通道12，冷却通道两端分别与高温气体流出孔11及冷气体流入孔13，14 一一相通。高速旋转的等离子体推动高温气体及电极烧蚀产生的金属蒸气沿孔11流出阳极圆筒内腔，进入气体冷却通道12，高温气体在此冷却，金属蒸气在此沉积，之后纯净的冷气体15，16沿金属法兰7，8附近的冷气体流入孔13，14流回阳极圆筒内腔，补充进入等离子体高温区域。
[0052]在阳极圆筒外两端法兰之间环绕一电磁线圈5，在电磁线圈上施加直流电流，在阳极圆筒内产生恒定的轴向磁场17。也可以用永磁铁代替线圈产生轴向磁场。
[0053]为了提高电磁线圈产生在阳极筒内腔产生轴向磁场的效率，将阳极圆筒两端的法兰7，8设计为铁磁物质(如普碳钢、电工纯铁等)，在电磁线圈外环绕有铁磁物质的圆筒18，其两端与铁磁金属法兰7，8磁路联通，降低电磁线圈在阳极圆筒内腔以外的磁阻。所述导磁的圆筒18也可以由几根导磁条替代。[0054]在高温气体流出孔缝11附近阳极圆筒壁上装引弧杆19。如图4所示。引弧杆轴线位于阳极圆筒2横断面内，引弧杆轴线延长线交于阴极发射端面或阴极杆侧面；在引弧杆穿过穿过阳极圆筒壁面位置开直径略大于引弧杆的小孔；正常运行时引弧杆端部位于阳极圆筒壁内；引弧杆与阳极圆筒之间可以滑动，并保持电气联通，在引弧杆后部与阳极圆筒之间要求密封，保证阳极圆筒不漏气。引弧杆前端一段材料为钨。
[0055]圆盘状等离子体和高亮度平面光源产生原理:在阳极2和阴极I之间施加以直流电源，电源正极与阳极相连，电源负极与阴极相连。在电弧分布区域施加轴向磁场17。以机械传动方式移动引弧杆19，使其端部与阴极发射端4接触，将阳极阴极之间通过引弧杆短路，然后将引弧杆退回阳极圆筒壁内；通过短路方法在阴极发射端部4与阳极圆筒2内壁的阳极弧根贴附区之间引发电弧等离子体3 ;轴向磁场与电弧径向电流产生的洛伦兹力驱动电弧高速旋转；电弧高速旋转与冷气体产生强烈的对流，驱散电弧，在阴极发射端轴向位置附近产生分散的等离子体云；随着电弧电流增大和轴向磁场增强，分散的等离子体云充满阳极圆筒内截面，形成圆盘状电弧等离子体3)[参见文献12:ff.D.Xia，L.C.Li, Y.H.Zhao, Q.Maj B.H.Duj Q.Chen, and L.Cheng, "Dynamics of large-scale magneticallyrotating arc plasmas，"Applied Physics Letters，vol.88，May222006.] ?高速旋转的电弧均匀加热阴极发射端部4表面和周边，使阴极端面温度上升，达到在阴极端部周边或阴极端部整个表面产生热电子发射的条件，与周向分布的分散等离子体结合，形成在阴极端部边缘呈环状扩散或在阴极端部呈面状分布的扩散型阴极弧根[参见文献13:W.D.Xiaj H.L Zhou,Z.P.Zhou, and B.Baij"Evolution of cathodic arc roots in a large-scalemagnetically rotating arc plasma, ^Ieee Transactions on Plasma Science,vol.36,PP.1048-1049, Aug2008.]。圆盘等离子体阳极弧根均匀贴附在阳极筒内壁的阳极弧根贴附区20，形成扩散的的阳极弧根。[参见文献14:H.L.Zhou, L.C.Li, L.Cheng, Z.P.Zhou, B.Baij and W.D.Xiaj ^ICCD imaging of coexisting arc roots and arc column in alarge-area dispersed arc-plasma source,^Ieee Transactions on Plasma Science, vo
1.36，pp.1084-1085, Aug2008.]。同时，高速旋转流动的等离子体产生径向射流并且携带电极烧蚀产生的金属蒸气，从阳极壁`面高温气体流出孔11流出；在气体冷却通道12中冷却和沉积之后，纯净的冷气体15，16重新补充流入高温区域，与等离子体径向流动耦合，使圆盘状等离子体轴向受到压缩，从而显著提高等离子体密度，形成高亮度平面光源，如图6、7所
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[0056]除了阳极弧根贴附区外，在阳极圆筒内腔表面，包括阳极圆筒壁面、两端法兰内表面镀全反射膜或全散射膜，形成导光筒。圆盘等离子体辐射光经导光筒收集在透射窗9外侧形成较为均匀的平面光源。
[0057]为了提高光辐射利用效率，在等离子体密封法兰一侧设置一反射镜10将圆盘等离子体射向密封法兰一侧的光反射回等离子体、被等离子体吸收从而进一步增强等离子体辐射，或透过等离子体直接或经弧室壁面反射到透射窗外侧辐照面上。如图5所示。
[0058]为了提高光的利用效率，反射镜10位置宜靠近等离子体，反射光会大部分返回等离子体或透过等离子体。反射镜设计成与电极同轴的旋转曲面，曲面开口方向朝向光源透射窗口。反射镜底部中心开一圆孔，棒状阴极I从中穿过。圆盘等离子体阴极附近辐射光最强，反射镜任意一点法线及延长线与阴极轴线相交与阴极发射端部4外，目的是让阴极附近的强辐射通过镜面反射之后直接或通过导光筒反射到透射窗9外侧，而不再辐射到阴极上。
[0059]由于等离子体对弧室的传热，需要阳极圆筒、两端法兰、阴极安装端、阴极绝缘支撑部位附近、石英透射窗周边通高压水冷却。高压水冷却方式也可以用雾化等冷却方式代替。
[0060]阳极筒壁上的高温气体流出孔11为复数孔，一般为3个及以上。孔的截面可以设计为矩形、或者圆形、或者其他形状。孔的轴线与径向射线之间的夹角φ为O?90度之间(图3所示)，孔的偏转方向与等离子体旋转流动方向一致(如图3所示)，可以减少气体流出阻力。
[0061]阳极筒壁上的高温气体流出孔11也可为一道环形缝。
[0062]孔缝11轴向位置中心在阴极发射端面外(O?2)d(d为阴-阳极之间最小间距)。
[0063]阳极圆筒可以单独为一个整体，也可以由多个元件组成。如阳极弧根贴附区镶嵌耐高温的金属圆环，所述圆环的材料纯钨、或掺有少量的金属氧化物(如，含有I?4%钍、镧、铈、锆等氧化物)的金属钨、或钨-铜、钨-银合金等。所述金属圆环与阳极圆筒主体之间采用焊接、或压接为一整体，在金属圆环上开高温气体流出孔缝3。
[0064]另外阳极圆筒也可以设计为多段:阳极弧根贴附区的电极段、透射窗一侧的导光筒段、以及与透射窗一侧相对的反射镜段，各段之间可以导电连接，也可以相互以绝缘材料隔开，此时，阳极段与电源正极相接。这样可以降低电弧烧蚀反射镜或导光筒的可能性。
[0065]下面给出本发明的一个实施实例:
[0066]装置主要结构尺寸:棒状阴极I长150mm,直径18mm ;阳极圆筒2内径40mm,弧室内部长度300mm。
[0067]电极材料:棒状阴极I为镧钨(含有3%氧化镧)；阳极圆筒2为T2紫铜。
[0068]充气气压:0.5Mpa気气。
[0069]轴向磁场:0.1Τ。
[0070]电弧电流:500Α ;电弧电压:70V，电弧功率35kW，电弧辐射功率超过10kW。
[0071]电弧等离子体形态:电弧等离子体3为一个均匀的、充满弧室截面的“圆盘形”发光面；阴极发射端4呈现一个扩散型“环状”弧根。如图8所示。
[0072]与短弧氙灯“点”光源相比，本发明的平面光源增大了发光面积，提高了辐射光总通量；与短弧氙灯电弧横向二维自由发展相比，本发明高速旋转流动的等离子体提高了电弧的纵向(径向)流动速度，从阳极圆筒两端轴向流动的冷气限制了电弧的横向(轴向)发展，使等离子体轴向厚度减小，约束电流通道截面的增加，提高弧柱的电流密度，从而提高了电弧发光的纵向分布均匀性和总的辐射强度。
[0073]与短弧氙灯的收缩弧根相比，本发明实现了阴极扩散弧根，能够有效地增加电弧与阴极的接触区域，降低电流密度，减缓电弧对电极的烧蚀。
[0074]与短弧氙灯的泡壳冷却问题相比，本发明的循环流入的冷气体15、16不仅能有效地防止透射窗9与高温等离子体及高温气体接触，并且对透射窗9有明显的冷却作用，较好地解决散热问题，从而提高窗口的寿命。
[0075]本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
[0076]尽管上面对本发明说明性的【具体实施方式】进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于【具体实施方式】的范围，对本【技术领域】的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
【权利要求】
1. 一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，该装置的电极由一圆筒状阳极(2)和一同轴布置的圆形棒状阴极(I)组成；所述圆筒状阳极(2)的圆筒的一端封闭，另一端由石英透射窗口(9)气闭；所述阴极(I)的一端由绝缘支撑(6)安装在封闭端中心，另一端为阴极发射端(4)，位于所述圆筒状阳极(2)的圆筒内；轴向位置位于所述阴极(I)发射端附近的所述圆筒状阳极(2)的圆筒内壁为阳极弧根贴附区(20);在阳极弧根贴附区的阳极圆筒壁上沿圆周开有与阳极圆筒内腔贯通的高温气体流出孔缝(11)，高温气体沿此高温气体流出孔缝流出阳极圆筒内腔；在高温气体流出孔缝(11)两侧分别开有与阳极圆筒内腔贯通的补充冷气体流入第一冷气体流入孔缝(13)及第二冷气体流入孔缝(14)，两股补充冷气体(15，16)分别从第一冷气体流入孔缝(13)和第二冷气体流入孔缝(14)流入阳极圆筒内腔；对阳极圆筒内腔施加轴向磁场(17);在阳极的圆筒内填充0.1~IOMPa气压。
2.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于:在阳极(2)和阴极(I)之间施加以直流电源，电源正极与阳极相连，电源负极与阴极相连；在阴极发射端部(4)与圆筒状阳极(2)内壁的阳极弧根贴附区(20)之间引发电弧等离子体(3);轴向磁场(17)与电弧径向电流产生的洛伦兹力驱动电弧高速旋转，与冷气体产生强烈的对流，驱散电弧，在轴向位置位于阴极发射端附近产生分散的等离子体云；随着电弧电流增大和轴向磁场增强，等离子体高速旋转流动的使等离子体云在径向和周向分布均匀，充满阳极圆筒内截面，在阳极的圆筒内形成角向均匀分布的圆盘状电弧等离子体发光源。
3.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，在阳极弧根贴附区以外的阳极圆筒(2)内壁面和封闭端(7)内表面镀全反射膜，形成导光筒。
4.根据权利要求1或3所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，圆盘等离子体发光源的辐射光直接或经导光筒收集在透射窗(9 )外侧形成均匀的平面光源或均匀的辐照面。
5.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，在圆筒状阳极(2)的圆筒壁内开气体回流冷却通道(12)，该通道与高温气体流出孔缝(11)、第一冷气体流入孔缝(13)以及第二冷气体流入孔缝(14)相连通，从高温气体流出孔缝(11)流入的高温气体在此冷却通道(12)处冷却，冷却后的气体分别经第一冷气体流入孔缝(13)以及第二冷气体流入孔缝(14)返回阳极的圆筒的内腔。
6.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，为了提高光辐射利用效率，在圆盘等离子体靠阳极圆筒封闭端一侧设置一反射镜(10)，将圆盘等离子体向阳极圆筒封闭端辐射的光反射回等离子体、被等离子体吸收从而进一步增强等离子体辐射，或透过等离子体直接或经弧室壁面反射到透射窗外侧辐照面上；为了提高光的利用效率，反射镜(10)位置宜靠近等离子体，反射光会大部分返回等离子体或透过等离子体；反射镜设计成与电极同轴的旋转曲面，曲面开口方向朝向光源透射窗口，反射镜底部中心开一圆孔，棒状阴极(I)从中穿过，反射镜任意一点法线及延长线均与阴极轴线相交于阴极发射端外，让阴极附近的等离子体辐射通过镜面反射之后直接或通过镀反射膜的壁面反射到透射窗(9)外侧，而不再辐射到阴极上。
7.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，电极烧蚀产生的金属蒸汽随高温气体流出阳极圆筒内腔，在阳极圆筒内腔外冷却沉积，从第一、第二冷气体流入孔缝(13，14)流入的两股洁净的冷气体(15，16)，对阳极圆筒壁面及反射镜起尘埃隔离保护作用，对透射窗起热隔离和尘埃隔离保护作用。
8.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，所述圆筒状阳极(2)的阳极弧根贴附区(20)镶嵌金属圆环，在所述金属圆环圆周开径向的用于导流的所述高温气体流出孔缝(11);所述金属圆环由耐高温的导电材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，在阳极圆筒外绕电磁线圈(5);将阳极圆筒两端法兰(7、8)设计为导磁材料，在电磁线圈外用导磁材料将两法兰(7、8)联通；用于在阳极圆筒(2)内腔产生轴向磁场(17)。
10.一种高通量平面光源产生的方法，该方法利用权利要求1和权利要求2至9中任意项所述的高通量平面光源的产生装置，其特征在于，该产生方法是通过气体流动组织，控制电弧等离子体的弧柱位形、阴极弧根位形和阳极弧根位形，将等离子体弧柱位形由短弧氙灯“钟罩形”变为扁平的“圆盘形”，将阴极弧根由收缩的“点”变为扩散型“环”或“面”分布，同时阳极弧根均匀分布在阳极圆筒壁面四周，产生一个发光面积更大、辐射强度更高的圆盘形等离子体光源，从而提高辐射功率和辐射效率，提高发光面的均匀性，并通过简单光筒收集，在辐射窗口形成均匀的平面光源。所述气体的流动组织是通过磁场驱动电弧旋转驱散电弧，在阳极圆筒内形成角向均匀分布的圆盘状等离子体；一方面旋转的电弧均匀加热阴极发射端部表面和周边，使阴极发射端面温度上升，达到在阴极发射端部周边或阴极发射端部整个表面产生热电子发射的条件，与周向均匀分布的圆盘等离子体结合，形成在阴极发射端部边缘呈环状或在阴极端部呈面状分布的扩散型阴极弧根；另一方面，高速旋转流动和径向流动圆盘等离子体与阳极圆筒(2)内壁阳极弧根贴附区(20)紧密接触形成周向均匀分布的阳极弧根；高速旋转流动的等离子体产生的径向射流，从阳极壁面高温气体流出孔缝(11)流出，限制了等离子体在阳极壁附近的横向(轴向)发展；补充冷气体分别从第一冷气体流入孔缝(13)和第二冷气体流入(14)流入阳极圆筒内腔，从圆盘等离子体两侧补充进 入等离子体高温区域，与等离子体径向流动耦合，进一步从轴向压缩圆盘状等离子体阴极弧根、弧柱以及阳极弧根，整体上显著提高圆盘状等离子体密度，从而产生高亮度的平面光源。
【文档编号】H05H1/24GK103533732SQ201310479767
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月14日 优先权日:2013年10月14日
【发明者】夏维东, 王城, 胡芃, 夏维珞 申请人:中国科学技术大学