专利名称：射频驱动的硫灯的制作方法
技术领域：
本发明涉及高强度，高效率的照明系统，更具体地，涉及非汞充填的灯。
背景技术：
目前，诸如荧光灯、高压钠灯和卤化物灯的气体放电灯提供了具有良好色泽重显，能量高效的照明系统。按照功率水平和其它特殊性能，这些灯获得的能量效率在60流明/瓦(IPW)至110流明/瓦的范围之间。这些灯比普通白炽灯要有效得多，普通白炽灯在添加红外涂层时最好能获得35IPW，但较为普遍的是在15IPW范围。目前，上述气体放电灯通常采用元素的汞作为高效发生光的关键材料，而汞是一种有毒物质。
1992年5月14日，名为“高功率灯”的PCT公开号WO92/08240和1993年10月28日，名为“具有可控特性的灯”的PCT公开号WO93/21655(这两份材料均已包含于此用作参考)公开了，在其中公开了一种新型无汞灯，它具有优异的色泽重显性能。该所述灯能在高功率下(在千瓦范围)高效地产生可见光，并应用对环境良性的硫或硒，包括含元素硫、元素硒或这些元素的化合物的物质，作为光发射器，应用在微波频率(≈2.25GHz)下运行的磁控管供电。光产生材料(硫)和惰性气体(氩)被一起包含在可转动的，小的透明石英球形灯泡之内。高效和良好色泽重显的潜能的理由在于所发射的辐射基本是连续的，绝大部分限于可见光波长范围的宽带光谱。
采用较高效率的硫灯，包括那些低功率运行灯，作为一般的照明应用将具有优越性。为了达到这一点，现技术中出现的若干主要和有意义的技术问题必须解决。这些问题中最有意义的是
1、硫灯在低功率下，即20w/cc及以上，以射频频率的运行；2、硫灯在射频频率(＜1GHz)下的运行，其中现今对低功率电子供电电源的了解预示其十分高效的可能性(≈90％)；以及3、耦合系统的发展，以便射频功率能有效地输入硫灯，使亮度效率至少获得150流明/瓦。
本发明提出了这样的一种灯系统。
发明内容
本发明提出的一种放电灯，它从外壳辐射的光谱能量分布几乎全部在可见光范围，该外壳容纳有含硫物质的光谱能量发射成分的光填材料，且该外壳对辐射能量的可见光部分是透明的。灯系统还包括信号源，它产生激励信号，该激励信号在外侧与外壳的外表面耦合以激励光谱能量发射成分辐射。
在本发明的各种实施例中，至少采用两个邻近外壳，并由空气间隙分隔的电极将激励信号耦合至外壳。
在这些实施例之一中，外壳的外表面具有预选的形状，而每个电极具有的表面形状是与外壳外表面的形状互补的。在该实施例中，电极的表面以与外壳外表面相间隔一个预选距离而放置，以便使激励能量对外壳内部的耦合效率达到最高。
这些外壳形状中有一种是球形的，电极的表面是与外壳外表面的球形相一致的凸出的部分球。
这些外壳形状中的另一种是圆柱形的，电极的表面是与外壳外表面的圆柱形状互补的凸出的部分圆柱。
为了在具有上述电极形状的实施例的运行期间，使在外壳内部可能发生的丝状放电(不希望有的，且消除稳定的针状流束)成分最小，每一外壳包括一个附属在其外侧的细长的杆，而放电灯也包括一个与外壳的细长杆连接的旋转子系统以便使外壳绕该杆转动。
在球形外壳情况，细长杆与此处的固定是使杆的细长轴线对准外壳的主球形轴线。对圆柱形外壳，细长杆与此处的固定是使杆的拉长轴线对准外壳的圆柱中央轴线。
在本发明的另一个实施例中，外壳具有杜瓦瓶(Dewar)形状。在杜瓦瓶形状中，外壳包括主体部分和细长的中空杆。主体部分具有带顶部表面，底部表面和弯曲侧表面的圆柱形外侧，该弯曲侧表面基本与带孔的每个顶部和底部表面垂直，并在它们的周边之间伸展，还具有内表面，它确定于主体部分圆柱中央轴线上的顶部和底部表面之间。细长的中空杆具有轴线，它是该杆的长度，杆固定于主体部分的顶部表面，而杆的轴线对准主体部分和通过主体部分所确定孔的圆柱中央轴线。这样，杜瓦瓶形状的内部空腔的最终形状是一个圆柱形环。为使用以上泛泛说明的放电灯的总体系统，激励耦合装置包括两个电极。第一电极至少固定在外壳主体部分曲线侧表面的一个部分，而第二电极至少固定在外壳主体部分内表面的一个部分上。此外，第一和第二电极与激励信号源相连接以完善具有这种类型外壳的放电灯。
此外，任何形状外壳的内侧空间可包含一种或多种所选的惰性气体的再充气，以便在激励能量施加到外壳上时，促进光谱能量发射成分的激励。在本发明中，再充气气体处于小于一个大气压的压力。所用的惰性气体是氩、氪和氙。改变任何这些气体的再充气压力，从而可选择从外壳发射的光的峰值波长和强度，其中，增加所选惰性气体的再充气压力引起从外壳发射的光谱能量分布在较低的可见光波长上峰化，而减少所选惰性气体的再充气压力引起从外壳发射的光谱能量分布在较多的可见光波长上峰化。
对本发明的较低功率的发射灯，外壳的光谱能量发射成份充填物在外壳内侧空间的每cc体积中可有少于含6mg硫的物质。相类似，外壳的光谱能量发射成份充填物在外壳内侧空间的每cc体积中至少有含2mg硫的物质。
上述一般说明的本发明的另一实施例提出，可具有射频信号作为激励信号以激励外壳的光谱能量发射成分充填物。该射频信号的频率可小于1GHz。相类似，该射频信号的频率至少为10MHz。
对那些所包括的电极是在外壳外表面的外侧邻近处的外壳形状，应用电极表面的预选形状使电极表面和外壳外侧表面之间的距离达到最小，结果使由于外壳外侧表面和电极表面间的空气间隙引起的射频能量的无功耦合成分达到最小。
在上述一般说明的射频激励放电灯的一个实施例中，被耦合至外壳内侧空间的射频能量小于每cc内侧空间体积为100瓦。相类似，在上述一般说明的射频激励放电灯的另一个实施例中，被耦合至外壳内侧空间的射频能量大于每cc内侧空间体积为20瓦。
参考附图将对发明有更好的了解，其中
图1是本发明灯的框图。
图2是本发明灯的简化局部剖面图。
图3a-3c是本发明采用的三种不同灯泡形状的三幅局部剖面图。
图4a-4f是本发明发展期间，被试验的若干种球形灯泡和相关的射频(RF)电极的形状的示意图。
图5展示了∑g(Sigmag)和∑u(Sigmau)状态时S2的势能曲线，还展示了在这些状态下硫的光谱和放电。
图6是硫在亚大气环境中从激励开始阶段至完全激励阶段的发射光的光谱曲线图。
图7是当硫的发射仅由温度造成时的，硫的发射光谱相对温度的图。
图8是硫的发射光谱相对硫的充填物的光谱漂移图。
图9是硫的发射光谱主要相对惰性充气气体压力的光谱漂移图。
图10是惰性充气气体压力不变时，不同的硫充填物下的硫的发射光谱的光谱漂移图。
最佳实施例说明A.本发明灯的总论图1是本发明硫灯的组成部分的框图。所示的含硫灯泡10带有与此结合的杆12，还带有与灯泡10的表面分隔一预定距离的电极14和14’。在本发明的两个实施例中，灯泡10在电极14和14’之间被旋转马达22通过杆12以预定速度旋转。在另一实施例中，射频信号以不同的方式施加到灯泡上，对此下文将讨论。也如图1所示，射频电源20对射频功率放大器18，然后对定向耦合器17，施加所选频率。定向耦合器17转而对射频电源20提供反馈，对匹配网络16供给射频功率信号以便将射频信号(在发展试验期间，采用10MHz至(GHz)施加到电极14和14’。最后，表示成电源24的方框代表当地交流或直流电源系统，用于运行旋转马达22和射频电源20。
其次参考图2，图中是本发明硫灯的简化机械结构。这里又一次展示了含硫灯泡10和安装着的杆12，该杆被旋转马达22在两个电极14和14’之间旋转。在这里，本发明灯的射频网络部分由模件26加以表示，该模件包括包含于其中的匹配网络16。这里，所示的匹配网络16包含与儒可夫斯基线圈(Rogowski coil)引串联的射频线圈30，模件26从灯座28接受电能，当该灯座通过配对插座(未表示)与当地的电力设备相连接。(请注意，图2中的模件26包含图1中部件16，17，18，20和24的零件)。此外，虽然在这里没有表示，但是马达22通过灯座28从电力设备接受电能。在商业应用中，灯能加以模件化，从而在不同时间损坏的部分得以单独地加以替换，这是一个节约成本的因素。例如，参考图2，这些模件可以是包含带有连接杆12和电极14及14’的灯泡10的壳体，旋转马达22以及射频激励模件26。在图2中，所示电极14’穿一面壁，该壁将模件26与包含带电极杆的灯10的区域分隔开，应用绝缘器(例如特氟隆，teflon)将该电极杆与模件26的侧壁相绝缘。电极14与模件26的导电壳(即地面)相连接以接通电路。
在本发明的发展期间，灯泡10是在精密玻璃加工车床上，采用氢/氧焰吹制石英灯泡外壳而成的。在发展过程期间，已获悉，在充填硫、惰性气体和任何其它材料之前，对灯泡外壳进行真空退火将减少在灯的运行期间进出灯泡壁的物质。一旦灯泡10制成，石英杆12对准灯泡10的中心，然后被结合至灯泡10上。
在无污染硫灯的生产中，真空系统的布置是一个重要的部分。在本发明发展中，主要泵送系统包含一台涡轮泵，该泵与4英寸的导管相连接，它引至灯泡充填口和气体充填物排出系统。一台RGA被并联地与涡轮泵以及带灯泡充填口的4英寸导管加以使用，就物理意义上讲，该充填口的位置应尽可能靠近该4英寸管线以加速泵送和对可能的污染的仔细探测。气体充填物排出系统直接紧挨充填口而布置，以便使源至灯泡的路径达到最小，从而减少来自系统本身的污染的可能性。充填气体通过排出管线中的线圈，再进行充填，以便将任何多余的水蒸汽冰冻析出时，该管线浸没在干冰/丙酮槽中。在每套灯被充填之前，使用RGA对真空系统背景光谱进行测量，以保证在充填之前不存在污染。
还有，在发展期间，为保证一只灯至下一只灯的再现性和精确对照，在充填之前，每只灯泡10的球形度和体积都进行精确的测量。在灯泡成形过程和成形之后，采用了石墨模具，每只灯泡10的体积采用精确注射器对灯泡充满液体来加以测量。壁厚采用超音速厚度量规在若干位置上进行测量，而外径采用游标卡尺进行测量。对于1cc/1mm壁厚的灯，在发展期间，外径保持在14.6mm±0.02mm，然而，在生产中，没有一项测量需如此精确地进行控制。放置在每只灯中的硫用分析天平进行测量，其刻度为0.1mg水平，容差为±0.05mg。
使用惰性气体对灯泡10充填之前，如上所述，气体通过冷却线圈，且当气体存在于泵送系统中时，进行气体背景光谱的摄制以确保再充气的纯度。虽然它对运行有影响，在生产商业用灯时，纯度的控制也不必要如下文讨论的那样精确。
在本发明发展期间，于硫灯运行基期间，采用一只小的直流马达22对硫灯进行速度为大致200转/分至6000转/分的转动，该直流马达22被安装在一个单独的铝部件中。由于在运行期间，灯泡10和电极14及14’之间的机械容差，马达必须具有足够的质量以保证稳定性。示于图1和2中的马达22采用双端头的，安装在精密滚珠轴承套的两个支架之内的夹头与灯杆12相连接。夹头采用与整个灯转动卡具相连接的振动缓冲与马达主轴连接，而卡具又采用滑移拉力弹簧安装在射频驱动模件26上，使灯泡10得以在电极(14和14’)之间精确定位。在生产中，能达到同样效果的其它马达设计也能应用。
发展期间，射频功率供电系统包括射频信号源20(HP8505A网络分析器)，功率放大器18(ENI A-300)和置于腔体16之内，与电极14及14’相连接的线圈30。腔体约为7×7×9英寸，具有围绕圆柱形成的，并采用特氟隆十字接头构件放置在腔体16之内的线圈30。线圈30由小直径铜管制成，它将功率从功率放大器18通过N型连接器与相应的馈电电极14和14’连接。在发展期间使用的结构中，两个馈电电极都通过置于射频驱动构件前端部的特氟隆薄板，并与接地电极放置成一行，该接地电极通过铝十字接头和4个铝支撑与射频驱动构件的外侧相连接。电极的相对间隔和定位则通过将馈电和接地电极套丝，并将它们各自与特氟隆和铝十字接头固定而获得。这也尽是本发明射频功率供电系统结构的一个例子。在一般的商品灯的生产中，许多其它结构可加以采用。
电极14和14’可由各种导电材料导成，包括黄铜或镀伯的黄铜，每个电极14和14’的表面要加以机加工，以模拟灯泡10的三维球面曲率以便对灯泡10均匀地施加射频功率。如下文将讨论的，电极14和14’表面的形状由若干不同因素决定，例如灯泡10的形状，从电极间由灯泡10散出的光量，以及用以防护灯泡10的融熔或变形，对灯泡10和每一电极14以及14’之间的过度热斑点的防护方法。
在发展中，还进一步鉴定，形状为小尺寸圆球(直径为10mm至15mm)的灯泡10可提供高度所需的点光源用于进行有效的光学耦合和分布，同时在灯泡内成分和石英外壳之间不存在任何已知的化学反应，这些为格外高度的流明供应和多于100,000小时的潜在长寿命提供了可能。如此的长寿命使这种低功率硫灯可能成为建筑物永久能源系统，路灯系统和任何其它应用高强度照明的场所的整体部分。这些特性与高度的能量效率相结合，使本发明提出的灯对能源生产和照明社团(例如希望通过更有效，低功率，长寿命的街道照明系统以降低它们街道照明成本的城市)具有极大的兴趣。
B.灯泡几何形状其次，图3a-3c中所示的是三种灯泡10和杆12组件的可能结构。图3a中灯泡10′的内、外两侧都是球形的，杆12安装成，在杆12的中心线延伸进入灯泡10′时，它通过灯泡10’的中心。相类似，图3b中灯泡10″的内、外两侧都是圆柱形的，杆12安装成，杆12的中心线延伸进入灯泡10″时，它即是灯泡10”的灯泡形状的中心线。示于图3a和3b的每只灯结构是设计成被旋转的。
图3c中的是杜瓦瓶(Dewar)结构，它不要求旋转，所示灯泡10是一个内、外两侧都是圆柱形的，具有中央通孔的环-圆柱环。杆12′也是一根中空的管，它与通过灯泡10的中央孔对准。在这一结构中，一个电极覆盖在灯泡10的外圆柱表面32上，而第二个电极34覆盖在通过灯泡10的中央孔内部。在这一结构中，电极32和34起图1和2中的电极14和14′的作用，并如图2所示的，在与电极14和14′连接的位置，与射频部分26连接。在发展期间，制造了若干种杜瓦瓶式灯以探索使电场发散成为非零的效果，从而使灯的旋转成为不必要的。在发展阶段，曾对内径为5mm，外径为10mm的杜瓦瓶式灯泡10进行过试验。
指出，在旋转球形灯泡10′时，它通过科里奥里斯(Coriolis)力提供体积混合效果，这既有助于减少“流束”的形成(即丝状放电)，也有助于提高灯泡10′内的气体温度。在这一结构中，气体温度主要是电极14和14′提供的电场梯度的函数，因此，电极与灯泡10′或10″的表面的间距直接影响内部气体的温度。一种灯泡10′具有直径为14.6mm，壁厚为1mm，其内侧体积为1cc。其它体积为0.6cc和2.0cc，具有不同壁厚的灯泡也进行过试验。
图4a-4c展示了三种不同尺寸的球形灯泡10′，它们在本发明发展阶段做过试验，其中每种展示的灯泡具有1mm的壁厚。在这些图中还展示了，拈信是相对相应灯泡10′的直径的壁厚，电极14和14′为最佳的尺寸。
相类似，图4d-4f展示了在本发明发展阶段进行过试验的三种不同尺寸的球形灯泡10′，每种展示的灯泡具3mm的壁厚。在这些图中还展示了拈信是相对相应灯泡10′的直径和壁厚，电极14和14′为最佳的尺寸。
圆柱形的，1和2cc的灯泡10″曾加以建造以确定灯泡10″内硫和气体的混合效果。由于在圆柱形形状中不存在强烈的科里奥里斯力，浮力效果得以主宰混合。实验结果表明，假如电极14和14′之间电场梯度低，则这就足够了。这里还确定，圆柱形电极提供更为均匀的电场梯度，以及潜在低的无功分量虚部。
c.电极要求已经确定，电极14和14′的形状和布置对本发明灯发射光的效果是至关重要的，在确定中是高度有影响的，电极的形状采用对称保形(相似)设计，它取决于灯泡10的形状。还观察到，电极14和14′的热量增长，以及灯泡10在电极14和14′之间的定中心，还有灯泡10与电极14和14′之间的间距也有助于灯泡10上热的热斑形成的可能性。
D.灯的冷却如以上对示于图3a和3b的球形和圆柱形灯泡10′和10″所作的说明。间隔很近的成形于外部的电极14和14′用于激励灯泡充填物。此外，在运行期间，灯泡10藉助连接杆12在200转/分至6000转/分范围内旋转以便连续混合灯泡内的充填物。这样，对具有1cc的内侧体积及约14.6mm直径的灯泡，离其绕着旋转的轴线的最远的表面周边大约以0.55千米/小时至16.5千米/小时运动。
已知，仅仅灯泡10的旋转就能提供灯泡的对流冷却。然而，已经发现，与灯泡10的表面间距很近的电极14和14′的存在创造了改进的冷却，而这在现有技术中以此处所示速度旋转的灯泡未曾预报。由于电极14和14′的存在造成空气围绕灯泡10的流动，这导至旋转产生的对流冷却效果增加到2∶1倍的范围。
E.灯泡物理学硫的化学性质-硫是一种十分活性的物质，是第VI属元素，因此，它快速地形成氧化物、硫化物和卤化物，其活泼性排除了在灯泡内部采用未经保护的金属电极以产生放电的可能。因此，设计了一种低功率的外部装置以激励灯泡中的硫。选择了石英，因为它仅由硅和氧组成，在可见光范围是透明的，在波长大于5.5微米范围起黑体作用，并具有高的温度软化点和杨氏模数。
硫蒸汽是由许多多原子形态，由S16分布至S2，构成，其较大的分子是环形的。所包含硫的固态形式在硫的熔点，约113℃开始汽化。
在技术中已知，如在本发明应用中，硫化合物的性能和元素硫的相似。
电子态-曾经使用硫二聚物使激光器在紫外线范围发射，但在本系统中，由于压力扩宽和气体的短的路径长度，使得增益小于1。硫二聚物是一个简并旋转系统，具有两个共享P电子可以采用的唯一线性振动态。众知周知，硫的∑g态(见图5)具有0.080电子伏(eV)的间隔，在＜＜1eV处变成谐波，并终止于3.1eV。硫的上∑u态(见图5)具有0.170eV的间隔，在于4.4eV处离解之后，具有9个能级。本发明的独特特征是硫基态至在约2eV处的受激∑g态的间隔与受激∑g态至∑u态具有相似的能量值，所有在可见光谱中是不规则的。通过采用在2eV处的峰值能量分布产生受激电子，上述要求的跃迁能十分有效地被泵浦。
运行特征-灯泡10由抽空的石英外壳构成，外壳填充有元素硫，并具有通常为惰性气体的起动气体的再充气。这样，当射频能通过电极14和14′施加时，惰性气体电离成电子等离子体，它加热和激励硫。惰性气体在靠近电极14和14′的灯泡内表面附近电离，电子从受激惰性气体向灯泡10的中心扩散，其速度确定于瞬间电场和那些电子的碰撞频率，那些电子具有的碰撞频率确定于分子密度和电子散射截面。此外，在运行条件下，硫是不电离的，它是真正的分子发射器，具有来自分子振动态跃迁的可见发射。硫的分子旋转态进一步将发射光谱弄模糊，使得最终光谱形成一个连续谱。
起弧和加热-图6展示了灯泡10接通周期，暴露于射频激励时，在不同时间摄取的硫发射光谱。这些时间片段是灯接通周期的特征，但其速度取决于射频功率是如何施加的。最初的两条光谱(36和38)是接通周期和升温的早期低压阶段的光谱，且是低振幅的。最低的曲线(36)具有在260纳米(nm)复合峰值的特征，在300至480nm具有带发射。当热电子在低硫压的条件下被高电场梯度产生时，热电子具有足够的能量将硫蒸汽离解成原子硫。原子硫至二原子分子的复合发射该离解能(4.4eV)的频率特征。这里的带发射是硫的电子激励至其∑u态以及该态至基态和低∑g态的衰变。硫蒸汽仍是冷的，且基本处于基态。
第二条光谱38是加热过程的继续，它表示跃迁阶段至运行态。当温度增加时，由于电子与硫的碰撞，更多的硫被汽化，更高的硫压力冷却电子能量分布，从而∑u态不能由基态直接达到，而是需要首先激励至∑g态，然后再激励至∑u态。∑u至∑g受激态的跃迁按照Franck-Condon的不相容性由于相同的原因比从∑u态直接至基态的跃迁有利，受激∑g态具有长的寿命(毫秒的100倍)。相反，∑u态的寿命在纳秒范围。
后几条光谱40，42和44表示受激硫蒸汽至仅是∑u和至受激∑g态的发展，每一所允许的跃迁产生宽峰值的光谱。
图7是为了比较而加以包括的。这里的光谱发射是硫在灯泡10中只承受由800℃至1400C范围的稳定，静止温度的(没有任何射频激励)光谱发射。要指出的是，在1100℃，光谱开始在约725nm处发展顶峰，而当温度增加至1400℃时，顶峰向下迁移至675nm，且整个光谱特性曲线的形状变得更为尖锐。
电离气体-由于如前指出的硫的活泼性，必须采用惰性气体作为电离气体。具体气体的选择受制于若干因素放电的容易启动要求气体具有低的电离势(即较重的气体)；气体也用作热保护层和动量传输机构以冷却放电的电子温度和均衡硫分子；氙具有最低的电离势和热屏障性，但氪对总体能量效率可能更为有利。
热量管理-灯泡10的热量管理对本发明灯的总体效率是重要的。在发展阶段，深信对具有低的硫充填灯泡，灯泡10的最低温度是约为350至375℃。要求之一是将黑体和对流损失保持为最小。为此有三种可能的方法。第一种，通过增加热阻抗(即加厚灯壁)来减少气体对空气交界面的热传导损失。第二种，采用有选择能力的镀层以抑制大于可见光波长的辐射损失，并改变灯表面对所有长波的发射率。第三种，在电极高电场区的外侧采用具有适当镀层的二次光学套。
壁厚-还确定，加厚灯壁是一个折衷选择的问题。使灯泡效率达到最高的关键是减少热损失，因为灯泡壁(一些壁)至少达到450℃，以便将硫维持在气体的二聚物状态。对于低功率的灯泡，热量管理可通过较厚的玻璃壁来完成。较厚的灯壁将在灯壁中产生较大的热梯度，它转而又给出较低的外壁温度。这有助于减少对流热损失。但是，气体温度是电子能量的函数。这样，假如在内灯泡壁存在高的电场强度，即使气体压力是高的，将产生热电子，局部地加热气体，并产生等离子体流束-共结果是效率的损失。较厚的壁，除去有热量管理效果外，还增加电极14和14′离开灯泡10所要求的有效间距，这要求有较高的射频场势能。其结果是增加无功阻抗，它抵销有效的射频耦合，这样，在壁厚和电极阻抗之间存在一个平衡关系，这取决于要求所确定最佳厚度时的等离子体的导电率，它平衡灯的效率和等离子体稳定性。
气体力学-在灯泡10的内表面，电场强度是向着导电的等离子体鞘层增加的，鞘层是一个电离区。惰性气体电离，电子由于它们的高迁移率开始扩散，但是，高频电场是交变得如此之快，以致在射频波形的单个周期内，电子不会移动一个相当的距离，然而，电子能从电场获得足够的能量与硫分子碰撞，且激励它们。在鞘层区域和旋转的灯泡10中加强的电子密度提供扩散势能。由于在等离子体主体中的惰性气体是不遭受足够高的电场梯度以进行电离的，这样，惰性气体的复合主要发生于鞘层区域，使用显微镜分光计对该区域进行扫描，给出一个弱的惰性气体光谱。
气体循环-电子对硫蒸汽的轰击加热气体，灯泡10的旋转引起垂直旋转轴，向着灯泡10壁内表面的向心力。由于密度梯度，热气体由于“漂浮”向着旋转轴线响应，而当气体由于辐射而冷却时，它从旋转轴线向着极区喷出。由此处气体沿内灯泡壁回转，返回至电离区域，重复循环。科里奥里斯力将气体混入等离子体，使其强度显得相对均匀。辐射光分布的测量给出，下极相对对重力而言的上极稍为亮一些，因为较重的成分沉至灯泡10的内侧的“底部”，给出较稠密的二聚物生产区。
CO2除垢-作为本发明的一部分，已确定，在灯泡10内的附加CO2充填物能降低工艺的卫生要求。向惰性气体添加CO2得以在运行条件下使灯泡10内部的任何有机化合物与CO2除垢剂氧化，减少在灯泡10内部可能存在的元素碳。由于减少了元素碳，元素碳在内侧灯表面上的镀层析出降低，从而有效地消除了对灯的放电路径的潜在分流电阻成分。
相对硫充填物的顶峰光谱波长如图8所示，当硫充填物增加(2.8mg/cc至4.9mg/cc)，而灯泡10′内的其余保持同等条件(50Torr氩)时，光谱顶峰频率(发射波长的倒数)和顶峰发射的强度都减少。这样，硫充填物的量可用于将辐射(可见)光谱中的光谱极大值由近紫外线位移至近红外(在实验中指出，光谱峰值可在约400nm至700nm之间变化)。此外，还观察到，当硫充填物增加时，光谱峰值宽度展宽，或变平，而在灯如图8那样充填时，当展宽的光谱峰值位于480nm，灯泡10′中的硫充填物为2.8mg/cc，氩为50Torr时，发生峰值辐射度效率(光谱峰值处发射的最高强度)。因此，可以看到，对于本发明的低功率硫灯，硫充填物的改变可使光中的带白的颜色以及发光效率有大的分布。
灯的特性-由以上讨论可见，本发明的硫灯是一种十分高效，长寿命的照明源。根据发展阶段进行的各种试验确定，适当考虑影响效率的所有因素，本发明灯将输入能转换至带白色的光的效率大于60％-目前可使用灯的最高效率(不同于低压纳灯，它发射单色的黄光，这对大部分照明应用，由于其低的颜色再现，一般是不适用的)当输入功率在灯泡10的20至100瓦/cc范围。
对本发明的灯效率有益的因素之一是射频耦合的质量，它用于将能量从电极输送至灯泡。如上所述，空气间隙越小，这大大有助于灯系统内的阻抗匹配，-阻抗匹配就越好。
此外，球形灯的形状产生一种非常高强度的点光源，它可用简单光学加以处理。这与硫灯的光谱灵活性一起，使它可能产生光合作用以及高输出的白昼光照灯。
光谱特性-在相似的试验中，观察到，当硫充填物从2mg/cc增加至5mg/cc，且具有10Torr的低惰性气体再充气时，光谱输出曲线的一般形状从兰色(较低的波长)偏移至红色(较高的波长)。采用200至500Torr的氪或氙进行再充气，并将硫充填物降至2至4mg/cc，出现同样的偏移并具有光谱峰值的变平，而白光在硫为3.2mg/cc，Kr的充气为500Torr时产生。这显示，本发明硫灯的光学行径反比于硫充填物的浓度，而正比于惰性气体的充气气压，而在商品范围中，硫充填物大约在2-6mg/cc。
所包含的图10是为了展示，在惰性气体的再充气压力保持在氪为200Torr时，各种硫充填物对光谱响应的影响。这里，所使用的硫充填物是2.9mg/cc，3.8mg/cc和5/0mg/cc。如图10所示，峰值的光谱响应分别为480nm，510nm和560nm。
图9展示了惰性气体再充气压力从氪的10Torr增加至500Torr的影响，这时硫充填物从对较低的惰性气体再充气压力的3.3mg/cc降至对较高的惰性气体再充气压力的2.7mg/cc。图9中显示，顶峰特性出现于最低的硫充填物和最高的惰性气体充气，即2.7mg/cc的硫，和500Torr的氪。
这样，各种硫充填物的浓度，包括2mg/cc至5mg/cc的那些浓度，都可在本发明灯中应用。此外，对具体的灯，应用或要求的灯的光谱输出，可进行具体浓度水平的优化。
F.应用一般照明-硫灯的若干实施例的旋转要求建议，可以不同于目前使用的其它灯的方式，将这些灯用于一般照明目的。这样，这些灯将把它们本身，interalia，贡献于单独光源的面积照明，例如，在使用时可放置一个镜子类型的散焦光束发散器，从而其焦点位于硫灯的点光源发射表面附近。这样的组合将在一个大的表面区域产生非常均匀的照明以便降低天花板高度。
放映光源-至于进一步的应用，诸如本发明的硫灯，高亮度的点光源和能向兰色光倾斜的平坦光谱的组合是放映光源的理想灯。作为单独的光源，它包含完全的可见光谱，将光束二色分裂成三色通道，将它们调制，然后重新结合成具有色平衡的可扫描光束是一个制造便宜的放映电视的好方法。
显示照明-另一个特殊的应用是应用硫灯的平坦的光谱特性以提高商店橱窗和场地显示的可见度特性。
应理解到，上述相对如图1和2所示的本发明灯泡10′的实验运行也可延伸至图3b-3c中二种另外的灯泡形状，也可延伸至可能设计出的其它形状，而不管旋转与否。此外，相对本发明灯泡充填物材料的讨论不仅可适用于元素硫，也适用于硫化合物以及其它元素和化合物，只要其特性与硫的相似，诸如硒和硒化合物。
虽然上述讨论企图说明和展示本发明的若干不同实施例和装置，但不可能展示或预测本发明的所有实施例和应用。然而，对本技术有经验之士，对各种其它实施例和应用进行必要的改变是显然的。因此，对本发明的保护范围不限于上述讨论的范围，只要在所附权利要求范围之内。
权利要求
1.一种放电灯，它用于辐射光谱能量分布，所述放电灯包括；光可透射外壳，该外壳确定内侧空间和球形外侧表面，所述内侧空间装载有光谱能量发射成分的充填物材料，它至少由含硫物质、含硒物质和所述物质的组合中的一种组成；电磁激励信号源；和一对电极，该对电极与所述电磁激励信号源耦合，放置在所述外壳的所述球形外侧表面之外的邻近处，以便将电磁能量引入所述外壳的所述内侧空间，去激励所述光谱能量发射成分，所述两个电极中的每一个包括凸出的部分球形形状的表面，该球形形状表面与所述外壳的所述球形外侧表面互补，每一电极的所述表面靠近所述外壳的外侧表面而放置，并与该外侧表面相隔一预定距离。
2.一种放电灯，它用于辐射光谱能量分布，所述放电灯包括；光可透射外壳，该外壳确定内侧空间和圆柱形外侧表面，所述内侧空间装载有光谱能量发射成分的充填物材料，它至少由含硫物质、含硒物质和所述物质的组合中的一种组成；电磁激励信号源；和一对电极，该对电极与所述电磁激励信号源耦合，放置在所述外壳的所述圆柱形外侧表面之外的邻近处，以便将电磁能量引入所述外壳的所述内侧空间，去激励所述光谱能量发射成分，所述两个电极中的每一个包括凸出的部分圆柱形形状的表面，该圆柱形形状表面与所述外壳的所述圆柱形外侧表面互补，每一电极的所述表面靠近所述外壳的外侧表面而放置，并与该外侧表面相隔一预定距离。
3.如权利要求1或2所述的放电灯还包括细长杆，它固定在所述外壳上；和旋转子系统，它与所述外壳的所述细长杆连接，用于使所述外壳绕所述杆转动。
4.如权利要求3所述的放电灯，其中所述外壳的所述旋转冷却所述外壳，靠近所述外壳放置的所述电极在该外壳转动时提供的所述外壳的空气流动冷却要比没有所述电极的所述外壳转动时产生的所述外壳的空气流动冷却强。
5.一种放电灯的冷却方法，该放电灯辐射光谱能量分布，所述灯具有光可透射外壳，并在电磁激励环境中运行，该外壳确定内侧空间和球形或圆柱形的外侧表面，所述冷却方法包括a.将一根细长杆固定至所述外壳上；b.将一对电极靠近所述外壳的所述球形或圆柱形外侧表面，并与该外侧表面相隔一预定距离而放置，所述电极对中的每一个包括与所述外壳的所述外侧形状相互补的凸出形状的表面以便将所述电磁环境与所述外壳耦合；和c.旋转所述细长杆以使之旋转所述外壳，从而冷却具有放置在近处的电极的所述外壳，这时提供的所述外壳的空气流动冷却要比没有所述电极的所述外壳转动时所产生的所述外壳的空气流动冷却强。
6.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述外壳的所述内侧空间装载有光谱能量发射成分的材料，该材料是每cc所述外壳的所述内侧空间体积含小于6mg硫的物质。
7.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述外壳的所述内侧空间装载有光谱能量发射成分的材料，该材料是每cc所述外壳的所述内侧空间体积至少含2mg硫的物质。
8.如权利要求1或2所述的放电灯，其中由所述电极所接受的所述电磁能量具有小于1GHz，但至少为1MHz的频率。
9.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述电极对将每cc所述内侧空间体积的小于200瓦的电磁功率耦合至所述外壳的内侧空间。
10.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述外壳用压力小于1个大气压的惰性气体进行再充气。
11.如权利要求10所述的放电灯，其中所述惰性气体至少是氩、氪和氙中的一种。
12.如权利要求10所述的放电灯，其中所述惰性气体和该惰性气体的再充气压力中的每一项均可加以选择以控制从所述外壳发射的所述光谱能量分布的峰值强度和波长。
13.如权利要求12所述的放电灯，其中，当所述惰性气体的再充气压力增加时，所述放电灯的光谱能量分布的输出峰值的相应光谱波长减小。
14.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述两个电极的表面的所述预选形状要使所述电极表面与所述外壳的所述外侧表面之间的耦合距离达到最小，这造成由所述外壳的外侧表面与所述电极表面之间的空气间隙引起的所述电磁能量的无功耦合分量达到最小，所述形状的所述放电灯的电磁运行频率也由此确定。
15.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述外壳是由石英制成的。
16.如权利要求1或2所述的放电灯，其中所述外壳还包括CO2的附加充填物，用以氧化任何有机化合物，从而减少可能存在在所述外壳之内的任何元素碳。
17.一种放电灯，它用于辐射光谱能量分布，所述放电灯包括光可透射外壳，该外壳确定内侧空间，包括主体部分，该主体部分具有带顶部表面、底部表面和弯曲侧表面的圆柱形外侧，该弯曲侧表面与所述顶部和底部表面中每一个基本垂直，并在这两个表面的周边之间伸展，还确定一个孔，它具有在所述主体部分圆柱形中央轴线上，位于所述顶部和底部表面之间的内表面；和细长中空杆，该杆具有为所述杆长度的轴线，所述杆固定在所述顶部表面，且所述细长中空杆的轴线对准所述主体部分和通过所述主体部分而确定的所述孔的圆柱中央轴线；其中所述外壳确定一个圆柱形的环状内侧空间；电磁激励信号源；和一对电极，它们与所述电磁信号源耦合，所述电极对包括所述电极对的第一电极，它至少邻近所述外壳的所述主体部分的所述曲弯侧表面的一个部分；和所述电极对的第二电极，它至少邻近所述外壳的所述主体部分的所述内表面的一个部分。
18.如权利要求17所述的放电灯，它在所述外壳的所述内侧空间内部还包括光谱能量发射成分的充填物，该充填物至少由含硫物质、含硒物质和所述物质组合之中的一种构成。
19.如权利要求17所述的放电灯，该放电灯还包括旋转子系统，该子系统与所述外壳的所述细长杆连接用以将所述外壳绕所述杆转动。
20.一种灯的灯泡，用于提供可见光辐射，在运行时，包括光可透射外壳，该外壳确定内侧空间，所述外壳包括主体部分，该主体部分具有带顶部表面、底部表面和弯曲侧表面的圆柱形外侧，该弯曲侧表面与所述顶部和底部表面中每一个基本垂直，并在这两个表面的周边之间伸展，还确定一个孔，它具有在所述主体部分圆柱形中央轴线上，位于所述顶部和底部表面之间的内表面；和细长中空杆，该杆具有为所述杆长度的轴线，所述杆固定在所述顶部表面，且所述细长中空杆的轴线对准所述主体部分和通过所述主体部分而确定的所述孔的圆柱中央轴线；其中所述外壳确定一个圆柱形的环状内侧空间；和在所述外壳内部的光谱能量发射成分的充填物，该充填物至少由含硫物质、含硒物质和所述物质组合中的一种构成。
21.如权利要求20所述的灯的灯泡还包括第一电极，它至少邻近所述外壳的所述主体部分的所述弯曲侧表面的一个部分；和第二电极，它至少邻近所述外壳的所述主体部分的所述内表面的一个部分。
22.一种放电灯，它用于辐射光谱能量分布，所述放电灯包括光可透射外壳，该外壳确定内侧空间和圆柱形外侧表面，所述内侧空间装载有光谱能量发射成分的充填物材料，它至少由含硫物质、含硒物质和所述物质的组合中的一种组成；电磁激励信号源；和一对电极，该对电极与所述电激磁励信号源耦合，放置在所述外壳的所述圆柱形外侧表面之外的邻近处，以便将电磁能量引入所述外壳的所述内侧空间，去激励所述光谱能量发射成分，所述两个电极中的每一个包括凸出的部分圆柱形形状的表面，该圆柱形形状表面与所述外壳的所述圆柱形外侧表面互补，每一电极的所述表面靠近所述外壳的外侧表面而放置，并与该外侧表面相隔一预定距离，其中被所述电极对所接受的电磁能量所具有的频率小于1GHz，但至少为10MHz，所述电极对将每cc所述内侧空间体积的小于200瓦的电磁功率耦合至所述外壳的内侧空间；细长杆，它固定在所述外壳上；和旋转子系统，它与所述外壳的所述细长杆连接，用于使所述外壳绕所述杆转动，其中所述外壳的所述旋转冷却具有放置在近处的电极的所述外壳，这时提供的所述外壳的空气流动冷却要比没有所述电极的所述外壳转动时所产生的所述外壳的空气流动冷却强。
全文摘要
一种高强度无汞放电灯(10)，它被发明以辐射被选择的光谱，从装载含硫物质的外壳发出的光谱几乎完全位于可见光范围。灯应用发生激励信号的信号源(20)，它在外侧与外壳(10)的外侧表面相耦合以激励所装载的含硫物质。灯(10)的各种实施例采用邻近外壳(10)的电极(14，14′)以便将激励信号(20)与此耦合，电极(14，14′)的表面成形成与外壳(10)的外侧表面的形状相互补。所讨论的两种形状是球形(10′)和圆柱形(10″)。为使丝状放电达到最小，每只外壳(10)可包括一根固定在其外侧的细长杆(12)，从而旋转子系统旋转外壳(10)。在还有另一实施例中，外壳(10″)具带两个电极(32，34)的杜瓦瓶形状，一个电极放置在主体外弯曲侧表面的附近，而另一电极放置在通过外壳的孔的内表面。此外，外壳可包含被选惰性气体的再充气。以助长灯的激励，再充气在低于1个大气压的压力下进行。
文档编号H05B41/16GK1156532SQ95193022
公开日1997年8月6日 申请日期1995年4月6日 优先权日1995年4月6日
发明者乔治·加博尔, 托马斯·罗伯特·奥尔, 查尔斯·莫里斯·格林, 道格拉斯·格登·克劳福德 申请人:加利福尼亚大学董事会