用于在金属原子共振跃迁时产生辐射的方法
【专利摘要】本发明涉及用于在通过电弧放电激发的惰性气体和金属蒸气的混合物中在金属原子的共振跃迁时产生辐射的方法。所要求保护的发明的技术效果包括提高通过低压电弧放电激发的金属原子的共振跃迁时辐射源的效率和使用寿命。由于用于在低压电弧放电中在金属原子的共振跃迁时产生辐射的方法，实现了所述技术效果，该方法包括使用具有高频的交流极性纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物，放电激发实质上是使用方波电流脉冲来执行的，所述方波脉冲的占空比不大于2.0且持续时间不超过辐射金属原子的共振态的有效寿命。
【专利说明】用于在金属原子共振跃迁时产生辐射的方法
[0001] 要求保护的技术方案涉及用于在惰性气体和金属蒸气的放电激发混合物中在金 属原子共振跃迁（resonance transition)时产生福射的方法，且可用于光化学、微电子、生 态学（水和空气的纯化）、发光工程（荧光灯）和其他领域的应用。
[0002] 当被放电激发时，金属原子的基态和第一激发态之间的电子跃迁可能是紫 外（UV)和可见光谱范围内窄带辐射的高效来源。首先，由受激汞原子（共振跃迁 6 1 P i - 6%，63 P i - 6%的波长大约为185nm和254nm)产生UV辐射，公知的Na电子对 (duplet) 52 P 1/2 - 32S1/2 (589. 6nm)和 52 P 3/2 - 32S1/2 (589. Onm)对应于可见光谱。主要关心 这两种金属原子的共振辐射，并且这两种金属原子的共振辐射在各项应用中频繁使用。
[0003] 关于这一点，已经具体研究了放电（在低压和高压下的辉光放电和电弧放电等） 中激发上述跃迁的方法；已经获得了用于汞原子或钠原子和惰性气体的混合物中低压电 弧放电的最有效参数。汞和钠（以及对于其他金属的蒸气）的共振态的激发和放电光学 特性是相似的（[l]:R〇khlin，G. N.''Discharge Sources of Light". 2nd Edition(第二 版），reworked and supplemented (改编和增补）· 一M. :Energoatomizdat, 1991, 720pp.) 〇 例 如 在评论（[2] :Fabricant, V. A.''Some Issues of gas discharge optics". UFN，1947, V. 32, ISSuel，pp. 1-25)中列出了考虑到辐射再吸收的汞以及汞和氩的混合物中 放电的光学特性的具体描述。实验和理论计算[1，2]中已经示出了，在最佳条件下，通过放 电激发低共振能级和亚稳能级的效率对于汞原子可达到约75 %，对于钠原子大于80 %，这 使得各自的放电金属蒸气灯，首先是汞蒸气灯和钠蒸气灯成为预期的辐射源。用于在这类 灯中激发放电的方法基本上是彼此相似的，包括结构上差别的主要差别与实现金属饱和蒸 气最佳压力的温度相关。
[0004] 公知的是，一种用于在金属原子（汞）共振跃迁时产生辐射的方法包括通过工业 频率（50Hz)的交流纵向放电激发惰性气体和金属原子的低压混合物（[1])。除了其他方面 之外，该激发方法用在普遍公知的荧光汞蒸气灯中（[1])。作为金属原子源，公知的方法使 用保持在一定温度（对应于通常大约0.3 +IPa的饱和金属蒸气压力）下的金属汞（金属 钠），而作为惰性气体，在几百Pa的压力下使用氩或氩氖混合物。金属蒸气灯通常是具有范 围在15毫米至50毫米范围内的直径和0. 3 +1. 5米长度的圆柱；与金属蒸气最佳浓度对应 的放电操作温度对于汞大约为45°C，而对于钠大约为280°C。
[0005] 在上述条件下，由汞原子产生UV辐射的效率非常高一放电能量转换为254nm的 汞原子共振跃迁的辐射的实际效率可达到25%，并且根据该公知方法的荧光汞蒸气灯的发 光功效可达到701m/W，钠灯的发光功效一2001m/W。使用工业频率的交流电流（即每10毫 秒电流方向改变为相反方向）用于激发放电能够实际上完全排除汞的带正电离子（和结 果，原子）迁移到"瞬时阴极"并排除沿着管长度方向的辐射不稳定性。而且，如果高纯度 的石英或者在185nm范围内透明的其他材料用于制作汞蒸气灯管，则在放电中包括的高达 6%的功率另外发光，且由此，根据公知方法的汞蒸气灯中UV辐射的总产生效率可达到大 约 30%。
[0006] 但是公知方法的效率远不及最大可能值；而且，由于当灯寿命结束或者灯被损坏 时，必须回收灯中处于液态的大量汞，且汞在室温下会快速蒸发，因此对于汞蒸气灯所述公 知方法在生态上是危险的。而且，放电在50Hz频率交流电下在每半个周期开始和终止（这 是因为，在没有电场的情况下，放电中的电子寿命是毫秒分数），这需要在每个循环中重新 开始放电并明显减少电极寿命，并且也会引起辐射功率的明显波动。而且，当将小电压提供 给灯时，汞（钠）原子的激发功效低，并且由于电子与原子碰撞中的弹性损失，导致提供以 放电的能量实际上全部转换成热量，这不仅降低了效率，也降低了可能的灯辐射功率（这 是因为，由于当温度升高时饱和金属蒸气压力的快速上升导致了灯壁温度受限）。
[0007] 最接近的技术方案（原型）是一种用于在低压纵向高频电弧放电中金属原子共 振跃迁时产生辐射的方法，低压纵向高频电弧放电激发了惰性气体和金属蒸气的混合物。 针对电弧萊蒸气灯最仔细地研究该方法，首先关于萊合金萊蒸气灯（[3] :Kostyuchenko S. V. , Kuzmenko M. Ye. , Pecherkin V. Ya. "Study of operation of powerful amalgam sources of low-pressure bactericide radiation at the frequency of 40 kHz". The electronic journal (电子杂志）"Studied in Russia"，2000, V. 3, pp. 1365-1372 :http: // zhurnal. ape, relarn. ru/articles/2000/100. pdf)〇
[0008] 对于使用具有30_50kHz范围内准正弦泵频的公知方法的典型条件，放电等离子 体的主要临时参数是：正弦激发的角频率ω?（2 + 3) ·105Ηζ受激原子寿命倒数（考虑到 在公知方法中一金属蒸气一汞的最佳压力下辐射光子再吸收）1/τ*?（〇,5 + 1) · 105Ηζ， 放电中电子温度弛豫频率l/τ e?（5 + 7) · 105Ηζ。超出受激原子寿命倒数的角频率下的 放电激发（以及，此外，放电中的电子寿命倒数）导致在泵送周期期间电子浓度实际上不 变，并且辐射（受激）原子的浓度和辐射功率都在（20 + 30)%的限值内变化。由于激发速 率与电子温度?\的非线性相关性，导致该浓度接近与一周期期间最大温度对应的值。 同时，放电中电子温度弛豫的频率1/ τ e很高，使得在任一时刻都对应于施加的电场， 结果，确保了高频放电中辐射粒子浓度处于较小的平均电子能量，也就是处于弹性损耗的 较小值，于是，相应地，电能转换成光的效率升高。
[0009] 实际上，在[3]中，当纵向放电受激原子和惰性气体（Ar/Ne)与汞蒸气的相同混合 物处在电极间距离为1450mm的管内时，波长为?254nm的福射产生效率在50Hz泵频下为 大约33. 6%，在40kHz泵频下为39. 5%。而且，在高频电流下，阳极压降降低，阳极区降低 的能量释放引起电极使用寿命增加。与此相似，降低的电子平均温度减小了原子的（分子 的）离子向管壁的扩散速率，离子对壁的轰击也相当大程度上限定了当前金属蒸气灯的使 用寿命。
[0010] 由此，采用纵向高频准正弦放电用于在惰性气体和金属蒸气的混合物中的电弧放 电中产生辐射能够明显升高辐射功效，大体上增加了电极和相应的灯的使用寿命，以及确 保了电流变化周期中相当高的辐射稳定性。
[0011] 在汞蒸气灯的情况下，使用汞合金作为汞原子源从根本上增加了这些灯的安全 性。在室温下（和甚至高达50 + 60°C)，在汞蒸气灯中使用的汞合金上方的汞饱和蒸气压 力低，这种汞合金灯中的汞实际上完全处于束缚态（bound state)，该灯具有蒸气为大约 0.03mg每个灯，并且与"普通"汞蒸气灯中的几毫克汞（和更多）相比，如果灯破裂则这个 量会传到空气。而且，与具有金属汞的灯中大约45°C相比，使用汞合金汞原子源能够使得在 公知方法中在不复杂化在相同汞原子处的结构的情况下，升高气体混合物的操作温度至大 约100°C，即明显增加了能量输入和所产生的UV辐射的线性功率。
[0012] 但是，根据公知方法的金属蒸气灯的效率较惰性气体和金属蒸气混合物中低压放 电的潜在可能性低很多，还关心增加金属蒸气灯的使用寿命，首先是具有辐射的高线性功 率的灯。
[0013] 所要求保护的发明的技术效果是在低压电弧放电中激发的金属原子共振跃迁时 辐射源的功效和使用寿命的增加。
[0014] 由于以下事实获得该技术效果：用于在低压电弧放电中金属原子共振跃迁时产生 辐射的方法包括通过高频的交流纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物，实质上通过 占空比不大于2. 0且持续时间不超过辐射金属原子共振态的有效寿命的矩形电流脉冲来 实施该放电激发。
[0015] 所要求保护的技术方案的主要观点是确保与公知方法中相同，具有相同（或接 近）激发功效的放电激发功率，但是放电等离子体中的电子浓度较低。
[0016] 金属原子受激态的电子淬灭在首先降低大功率共振灯的功效上起重要作用 是公知的。例如，具有低电子浓度和关于钠蒸气浓度人工加热至最佳温度的低电流 钠灯能够实现高达4001m/w的发光功效（[1])，该发光功效是比较的大功率钠灯的 两倍高。与此相似，汞合金汞蒸气灯中高频放电电流自3A降低至大约1.5A引起大 约254nm处的辐射效率从大约35 %增加至大约41-42%，或者增加至1.2倍（[4]: Pecherkin V. Ya. "Study of UV-radiation drop mechanisms and the service life of UV-radiation sources with a low-pressure mercury arc". Abstract of the thesis for Candidate of Physico-Mathematical Sciences (物理数学科学的候选人的论文摘 要）.M. :MPhTI，2007,23pp.)。如所要求保护的技术方案的作者已经发现的，进一步降低汞 合金汞蒸气灯中的放电电流能够在大约〇. 5A的电流和独立加热汞合金的情况下获得高于 50%的效率。此处，我们也应当强调受电弧放电激发的低压汞蒸气灯和钠灯的工艺之间的 类似之处。
[0017] 但是，在公知的变形中，增加效率包括明显降低由电弧放电和所发出的光功率引 起的电功耗，这没有实际意义。为实际目的，必须升高辐射功效而不降低辐射功率，在所要 求保护的发明中实现了这一点。
[0018] 当根据该原型激发放电时，放电中的电压U和电流I根据正弦定律实际变化：
[0019]
【权利要求】
1. 一种用于在低压电弧放电中在金属原子共振跃迁时产生辐射的方法，包括通过高频 交流纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物，其特征在于：通过占空比不大于2. 0且 持续时间不超过辐射金属原子的共振态有效寿命的实质矩形电流脉冲激发放电。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，由占空比在1. 3至1. 7范围内，优选1. 4至 1. 6范围内的实质矩形脉冲激发放电。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属原子是汞原子，并且一个方向 的分立的、实质矩形电流脉冲的持续时间不大于12微秒，优选为3微秒至7微秒。
【文档编号】H05B41/24GK104303260SQ201380006436
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2012年1月27日
【发明者】I·G·鲁道伊, V·A·道儿吉克, L·P·米那基, A·Z·努斯拉图林, A·M·索罗卡 申请人:I·G·鲁道伊, V·A·道儿吉克, L·P·米那基, A·Z·努斯拉图林, A·M·索罗卡