专利名称：采用纤维增强起动电场的放电管的制作方法
背景发明领域本发明一般涉及放电管。更为具体而言，本发明涉及放电管新的起动辅助。本发明也涉及使用新的起动辅助制造放电管的新方法。
相关技术众所周知，在放电管技术中对等离子放电的点火是困难的。对大部分放电管，取得等离子点火所需的电场要比使管子达到全频输出以及此后维持稳定放电所需的电场高得多。
许多专利描述辅助放电管起动的不同装置和方法。认为与本发明最有关的以前技术包括美国专利No.RE 32626及其相关的日本专利出版物No.57-55057，57-152663，57-202644和58-5960。这些出版揭示一封装在石英中并配置在无电极管泡内部的较粗的线(如，0.5至1mm直径)，以增强起动电场。然而，在放电管壳中使用粗线会产生不少问题。如，难于保护此线免受加热和等离子的反应。粗线不易与壳壁相一致，这样，使此线免受等离子影响就愈加复杂。粗线也阻挡相当部分的光输出和甚至可投下不希望有的阴影。人们深知所有揭示的配置都遭受到能量与起动线明显耦合的损害，它造成等离子畸变和最终使此线过热。
概述本发明一个目的是在起动期间增强放电管壳内的电场，以帮助作为填料配置在管壳内的惰性气体的击穿。本发明的一个优点是对施加同样的电场，在填料压力要比不用本发明的为高时才会取得这样的击穿。一个相应的优点是填料在给定的压力下，可以明显较低的功率水平加以击穿。虽然本发明者并不想受到工作理论的约束，但认为本发明也提供以下诸优点提高管子效率，减少起动和再起动时间，较长的管子寿命以及减少对RF源的受力。另一些可相信的潜在优点包括管子点火不需要外部的点火装置，使用在相反情况下将难于点火的填料来改进光输出和/或光谱，使用低导热率气体(较高原子量)来降低壳壁温度以及通过使用总是处于气态的填料(如，SO2气体)来提供“立即”点亮。另一个可相信的优点包括惰性气体点火不需要使用放射性的起动辅助(如，Kr85)。当然，利用本发明原理的放电管，并不需要全部具备上述优点，而是视特定的配置和应用。
本发明一个方面是由一种管泡取得的，此管泡包括光透射外壳和至少一根导电或半导电的纤维配置在光透射外壳上，其中至少一根纤维是合适的材料和以合适的取向加以配置以提供增强的起动电场(如，在起动期间较高的电场强度)。例如，纤维可从碳(如石墨)，碳化硅(SiC)，钼，铂，钽和钨族中选择一种材料或数种材料组合而成，厚度最好为100微米或以下，甚至于也可以是亚微米厚度。也可用铝，但最好不要和石英管壳一起使用，因为铝同SiO2产生反应而引发失去透明性。例如，管壳内封闭有惰性气体和有效增强施加至该气体之电场的纤维以引发气体的击穿。
光透射外壳可由任何合适的材料作成，包括例如，石英，多晶氧化铝(PCA)和蓝宝石。一般对低价应用石英是最可取的。
和相对粗的线相反，采用非常细的纤维具有许多潜在的优点，视应用而定。例如，纤维一般较柔软和容易与管泡壁相符合，由是阻止纤维进入稳态的等离子放电。最好是，该纤维基本上沿其全部长度(虽然在纤维和管泡之间有1涂层或粘合剂)与管泡壁相符(也即，在热接触方面)。在不局限于工作理论情况下，稳态工作期间，纤维可配置以相对高的阻力，这样，耦合于纤维的能量并不产生明显的热量，任何产生的热量也易耗散，因为纤维是对管泡壁的热沉。在不局限于工作理论的情况下认为，和粗线相比，纤维是相对弹性的，因此，不易感受例如，由不同的热膨胀系数所引起的热应力。实际上，纤维是肉眼看不见的，因此也不会阻塞明显数量的光输出或投下显著的阴影。
最好是，把纤维配置在光透射外壳的内表面。纤维也可任选地用一层保护材料加以复盖，以阻止管子填料和纤维之间的相互作用。例如，保护材料可由溶胶沉积的二氧化硅涂层组成。例如，保护材料由厚度小于2微米的二氧化硅涂层组成。
按照本发明另一方面，把多根导电或半导电的纤维配置在管壳上。
按照本发明另一方面，纤维包括碳化硅晶须。
按照本发明另一方面，纤维包括镀铂的碳化硅纤维。
按照本发明另一方面，纤维由多根间隔紧密的平行纤维组成。另一种可供选择的是，纤维由多根随机分布的纤维组成。例如，每根纤维长约3mm或以下。
按照本发明另一方面，放电装置包括发光填料配置于其中的光透射容器；改成适于使能量耦合于容器内填料的耦合结构；连接至耦合结构的高频源；以及至少1根纤维配置在容器的壁上，其中每根纤维厚度小于100微米，而纤维则由导电材料，半导电材料或两种材料的组合作成。纤维要充分柔软，以便易于和容器的壁相符合。例如填料包括惰性气体，而纤维则有效地增强施加至气体的电场以引发气体的击穿。例如，填料由一压力大于300 Torr的惰性气体构成，起动期间施加至管子的电场小于4×105v/m，而所施加的电场则有效地引起惰性气体的击穿。
在一些例子中，高频源由磁控管组成而耦合结构则由连接至微波空腔的波导组成。最好是，起动期间至少1根纤维与电场对准。此装置可以是1个管子，而容器则可由一个密封的无电极的管泡组成。例如，无电极管由条状管组成而纤维则由多根集中在条状管两端的纤维组成。
按照本发明另一方面，制造放电管泡的方法包括提供光透射外壳；和把纤维固定在壳壁上。例如，固定纤维经由照相平版印刷法使纤维仿形在壁上而成。另一种选择是，固定纤维包括把纤维沉积在管壳内部，并把纤维用溶胶溶液粘住在壳壁上。该方法还可包括用保护材料覆盖纤维。例如，保护材料由二氧化硅组成而覆盖则用溶胶溶液涂覆在纤维上而成。
在此所述本发明的上述和其他目的，方面，优点和/或特征由单独和联合在一起达到。除在一特定的权利要求内清楚地列举之外，本发明不应解释为要求二个或更多个这样的特征。
附图简述本发明上述的和其他的目的，特征和优点将由下面如附图所示较佳实例的具体描述，而明朗起来，其中觉彻各视图的参考字符一般是指同样的部分。附图没必要按比例，代替的是把重点放在说明本发明的原理上。
图1是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第1实例的横截面示意图。
图2是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第2实例的横截面示意图。
图3是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第3实例的横截面示意图。
图4是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第4实例的横截面示意图。
图5是使用本发明新起动辅助的微波放电管的示意图。
图6是使用本发明新起动辅助的感性耦合放电管的示意图。
图7是使用本发明新起动辅助的容性耦合放电管的示意图。
图8是使用本发明新起动辅助的行波放电管的示意图。
图9是示出石英衬底内侧上纤维等电势线的示意说明。
图10是示出石英衬底外面一侧上纤维等电势线的示意说明。
图11是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第5实例的横截面示意图。
图12是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第6实例的横截面示意图。
图13是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第7实例的横截面示意图。
图14是按照本发明一包括起动辅助在内的放电管泡第8实例的横截面示意图。
图15是在条状管泡中使用本发明新起动辅助的微波放电管的示意图。
图16是包括使用本发明新起动辅助之内电极在内的放电管泡例子的横截面示意图。
图17是使用本发明原理之装置片断的部分透视图和部分示意图。
图18是图17装置的顶视部分。
图19是示出使用和不使用本发明纤维点火器的氙击穿所需电场强度的电场强度对压力的图形。
图20是示出使用和不使用本发明纤维点火器的氪击穿所需电场强度的电场强度对压力的图形。
图21是示出使用和不使用本发明纤维点火器的氩击穿所需电场强度的电场强度对压力的图形。
详细描述在下面的描述中，目的是说明，而不是限止，列举详细情况如，特定的结构，界面，技术等一类具体细节以便彻底了解本发明。然而，对于掌握本说明书好处的那些行业中熟练人员来说，可以偏离这些具体细节的其他实例实现本发明将是不言自明的。在某些例子中，省去大家熟知的器件，电路和方法的说明以便不因不必要的细节，而妨碍本发明的描述。
众所周知，在本行业中RF或微波供电的无电极管比起有电极的管更难于起动，这是因为没有内电极之故。当然，内电极在限止管子寿命和挑选相容的填料方面，也有其本身的缺点。
如本处所用的，管子“点火”是指在管壳内形成持续放电的情况。在取得点火后，放电将典型地扩展并散逸出增加着的RF能量，直至维持稳定的放电为止。放电的形状和尺寸取决于管泡外壳和等离子的激励方式。“迅速增长”(Run up)是指管子点火和取得稳定放电产生全部光输出时间之间的时间。施加RF能量和管子点火之间的时间在这儿指为“延迟”时间。“再点火”是指当RF能量从管子移去直到管子能再次点火的时间之间的时间。一般放电管中典型的再点火时间的范围无论那里从数十秒至数十分钟。
在延迟和通过点火之后的迅速增长期间，RF源一般并不与管子良好匹配，显著数量的RF功率就返回至RF源。为减少热和/或电压驻波比可能对功率源的损害，缩短延迟和迅速增长的时间，特别是对需要频繁起动的放电管系统，乃是所希望的。
常规的无电极放电管一般具有惰性气体作为填料成分之一。惰性气体离子化并加热管壳壁，转而又使产生所需光谱的任何固态填料汽化。对直径约3mm的球状管泡微波激励的无电极管，低压(如，50 Torr)氩气放电下的迅速增长过程典型地需要10至40秒数量级的时间。较高压力的气体一般较难点火，但一旦点火后，迅速增长却较快。
一般讲，与具有较低原子量，而填料压力相似的惰性气体相比，具有较高原子量的惰性填料气体(如，氙)同样较难点火。然而，一旦放电稳定后，较高原子量的气体在放电和管泡之间的热隔绝较佳，因而减少由等离子至管泡壁的热转移，提高工作效率。热转移减少，由此管泡壁相对较冷，故允许施加以较高的功率密度。
紫外光和可见光放电管可配置以总是处地气态的填料。例如，高压氙放电(如，约1个大气压或更多些)可产生显著数量可见光和紫外光。一准分量放电管可包含高压氙和氯的混合气体。产生可见光放电的完全气体填料的另一个例子是二氧化硫。一旦点火后，该类填料产生足够高的起始光输出，可视为“立即”亮的光源。此类立即亮的光源最好的应用于多种可见光的照明，包括一般照明，汽车照明，剧场照明以及许多紫外线处理的应用。
足够高的电场增强，允许热的已熄灭管的填料立即再点火，这样一般就不需直到管内压力下降的等待时间。在任何情况下，较高电场允许较快再点火。
参照图1，放电管泡11包括光透射管壳13，其内表面上配置有导电或半导电纤维15。纤维15沿其全部长度基本上与管泡壁相符合。换言之，基本上沿其全部长度，纤维15是对管壳13的热接触。在应用中，管壳13最好如此定位，俾使纤维15对准以耦合至所施加的电场。在不受工作理论局限的情况下认为，纤维15应具有足够的导电性，从而使施加的E电场能移动足够的电荷至纤维的任一端，以产生起动期间的电场增强，但导电性也不能如此过强，以致严重影响稳态工作。
例如，在外径为35mm的球状管壳13中，纤维15由直径为10微米和长度为20mm的石墨纤维组成。一般说来，这儿所述的纤维具有圆形横截面(垂直于纵长轴)而纤维厚度的适用尺寸则是直径。具有任何有效形状的纤维都可使用。对横截面不是圆形的纤维，该纤维厚度的适用尺寸是垂直于纤维纵长轴的任何可能的横截面的最薄尺寸。非圆形横截面纤维对在接合纤维至管壁上或具备电场增强用较薄剖面方面的特定应用可能是有益的。
参照图2，放电管泡21包括光透射外壳23，其内表面上配置导电或半导电的纤维25。管泡21还包括覆盖纤维25的保护材料27。有参照图3，放电管泡31包括光透射外壳33，其外表面上配置有导导或半导电的纤维35。纤维35沿其全部长度基本上与管泡壁相符合。
参照图4，放电管泡41包括光透射外壳43外表面上配置有导电或半导电的纤维45。管泡41还包括覆盖纤维45的保护材料47。
参照图5，微波放电管51包括无电极管泡53，它具有配置在管其壁上的导电或半导电的纤维。纤维55最好配置在管泡53的内壁上并覆盖以保护材料。管泡53放在限定微波空腔的筒形网57内。配置空腔以耦合能量到管泡53中的填料。微波能量由磁控管58提供，并通过波导59传送至空腔。如有必要或想要的话，放电管53可设置为旋转的。
参照图6，感性耦合放电管61包括无电极管泡63，它具有配置在其管泡壁上的导体或半导体纤维65。纤维65最好配置在管泡63的内壁上，并用保护材料加以覆盖。管泡63靠近激励线圈放置，后者把能量耦合至管泡63中的填料。微波，RF，或其他高频能量都由高频源69来提供，并由线圈67耦合至填料。如有必要或想要的话，管泡63可设置为旋转的。
参照图7，电容耦合放电管71包括无电极管泡73它具有配置在其管泡壁上的导电或半导电的纤维75。纤维最好75配置在管泡73的内壁上，并用保护材料加以覆盖。管泡73位于耦合能量至管泡73内之填料的外电极之间。微波，RF，或其他高频能量都有高频源69来提供，并由电容器77耦合至填料。如有必要或想要的话，管泡73可设置为旋转的。
参照图8，行波放电管81包括无电极管泡83它具有配置在其管泡壁上的导电或半导电的纤维85。纤维最好85配置在管泡83的内壁上，并用保护材料加以覆盖。管泡83的一端靠近行波发射器87的外电极放置，后者把能量耦合至管泡83中的填料。微波，RF，或其他高频能量都由高频源89提供，并由发射器87耦合至填料。如果必须或想要的话，管泡83可设置为旋转的。
图9是示出石英衬底93内侧上纤维95等势线(用虚线示出)的示意说明。该图是通过计算机模拟100微米纤维包装在1mm厚石英衬底里所产生的。等势线间狭窄的间隔指出高的电场强度区。正如从图9可看出的那样，接近纤维95端部处的电场得以增强，而高的电场强度则出现在管泡内部。然而，石英外面的电场强度较低且不大会引起管泡外面空气的击穿。
图10是示出纤维105在石英衬底103外面的等势线的示意说明。该图是通过计算机模拟100微米纤维设置在1mm厚石英衬底外表面上而产生的。正如从图10中可看出的那样，电场集中在管泡外面而管泡内部的电场只可能提供不大的增强。对在起动期间只需要电场稍些增强的放电管，纤维配置在管泡外面，有若干优点。因为纤维可方便地固定在管泡外壁的任何所想的位置上，制造简单化了。纤维最好涂以介质材料，以减少空气击穿的可能性而此类涂层施加在管泡的外表面上要比施加至内表面更为方便。纤维和等离子放电的隔绝良好，由是有可能提供更长的纤维使用寿命。
然而，对较难起动的填料，填料最好附加在管泡壁内部，且最好如此定位俾使它处于点火前短路所施加的电场方向。在球状管中，纤维长度约等于管壳的半径，因而环绕管子延伸约60°。由于纤维在管泡内，电场增强就集中在管泡中而不在外面，后者存在于常规的外部点火装置的方法中。
在不局限于工作理论情况下认为，由于纤维电阻高于稳态等离子的体电阻，故在稳态工作期间它并不耦合显著的能量。这降低稳态工作期间纤维末端的电场增强，从而使稳态工作期间等离子的干扰和纤维的过热减少。
对于中等压力的放电，在壳壁和等离子放电之间存在一非离子化的冷却气体边界层。此边界层厚度约可在0.25和1mm之间波动。由此认为，细的纤维停留在稳态等离子放电的外面。边界层也减少传送至纤维的热量。
多根纤维参照图11，放电管泡111包括光透射外壳113，其内表面上配置有多根导电或半导电的纤维115。外壳113以另一种结构加以说明。特别是，外壳113由两个半圆体113a和113b在接合处113c联结在一起而作成。此种二片结构可使纤维在管泡内表面上更精确定位和/或仿型。然而，外壳113也可另外由单片结构或其他常规外壳制造技术加以作成。纤维115紧密地间隔开并且相互平行。工作期间管泡最好如此定位，俾使纤维耦合至所施加的E电场，最好是，纤维115由保护材料加以覆盖，诸如，数层溶胶沉积的石英。
参照图12，放电管泡121包括光透射外壳123，在其内表面上配置有多根导电或半导电的纤维。纤维125随机分布在外壳123的内表面。最好纤维125由保护材料加以覆盖，诸如，数层溶胶沉积的石英。一种最佳配置是大约100和200根之间SiC纤维，每根纤维长约2和3mm之间和直径约15微米。
如图12所示，当随机分布时一些纤维可能交迭。在相交处，纤维之一并不直接同管泡壁相接触。然而，此纤维基本上仍沿其全部长度与管泡壁热接触，以达散热目的。又，当以溶胶沉积的保护层涂覆时，涂层基本上填满了相交处的任何空隙。
SiC晶须参照图13，放电管131包括光透射外壳133，其内表面上配置有一堆导电或半导电的晶须135。最好晶须135由保护材料加以覆盖，诸如数层溶胶沉积的石英。例如，单独一堆的SiC晶须可能包括数千根SiC纤维，约1mm长或以下，每根纤维直径为1微米或以下。虽然发明者不想受到工作理论的约束，但认为，与此处所述的其他纤维点火有关的起动结果相比较，用SiC晶须所取得改进的起动结果可以在不同的工作原理下发生。
条状管参照图14，条状放电管泡141包括光透射外壳143，在其内表面配置有多根导电或半导电的纤维145。纤维145对齐外壳143的纵长轴。如图所示，纤维145由保护材料147加以覆盖，如数层溶胶沉积的石英。外壳143呈圆筒状，但中间部分变细。另一种条状管包括直通管，没有变细的中间部分。
参照图15，放电管系统151包括有无电极条状管泡153在其内随机分布有许多导电或半导电的纤维155，但多数集中在其两端附近。管泡放在限定谐振微波空腔的结构157中。微波能量由一对磁控管158a和158b产生，并通过包括接至微波空腔结构157的相应波导159a和159b在内的耦合结构提供给管泡153中的填料。
带有内电极的弧光管参照图16，放电管161包括光透射外壳163和配置在外壳163内表面上的纤维点火器165。放电管161还包括分别接至交流电源169的内电极167和168。纤维165最好加以对齐以耦合至起动期间所施加的电场来增强起动电场。纤维最好用保护材料加以覆盖，诸如溶胶沉积的石英。
虽然本发明主要应用于无电极的管子，因为一般需要较高功率来起动此类管子，但在有些应用中，带内电极的弧光管也可从本发明所提供增强的起动电场得到好处。另一可供选择的配置包括多根纤维和SiC晶须。
溶胶涂覆工艺在上述较佳配置和下述各例中，使用溶胶涂覆工艺固定纤维至管泡的内表面和/或防止纤维同等离子放电的反应。溶胶涂覆工艺在本行业技术中是大家熟知的。PCT出版物No.WO 98/56213描述涂复微波管屏面的各种溶胶配方和工艺过程。PCT出版物NO.WO 00/30142描述涂复管泡内表面的各种溶胶配方和工艺过程。概括地说，配制溶胶溶液以便在有机溶剂蒸发和较高温度下焙烧已涂管壳之后，获得所希的涂层。在目前的应用中，所希的涂层是二氧化硅(SiO2涂层)。
根据本发明为施加SiO2涂层的典型工艺如下使用SiO2前体(例如，TEOS)制备溶胶溶液。把溶胶溶液倒入管子预坯，然后在受控方式下倒出来以便其后留下一相对均匀的涂层厚度。另一可供选择的方法是，旋转涂覆溶胶至管泡预坯的内表面。然后烘干和焙烧涂层。照此可施加若干层。
在溶胶溶液加入之前，可把纤维或多根纤维加到管泡预坯中。另一种方法是，在溶胶倒入管泡预坯之前，把纤维或多根纤维加到溶胶溶液中，并利用溶胶把纤维带入管泡中。然后旋转，摇晃或者要不然搅动带有纤维的溶液，以使纤维配置在管泡的内表面。然后烘干和焙烧工艺使纤维固定在合适位置上。当使用这种方法固定时，以纤维和管泡壁之间可以是一薄的涂层。然而，为了散热目的，纤维基本上沿其全部长度同管泡壁保持良好的热接触。而后另加数层没有任何纤维的溶胶，以确保纤维得以充分地涂复。
由于高速旋转，离心力作用于单根长纤维，以使纤维沿着大圆配置(相对于旋转轴)。较低的旋转速度迫使纤维粘贴在壁上，但取向更为随机。摇晃或搅动管子也使纤维更多地随机分布。
典型的石英薄膜涂层的溶胶配方如下(各类以克分子比表示)
其中TEOS四乙氧基硅-Si(OC2H5)4EtOH乙醇-C2H5OH一般认为，形成的SiO2层厚度为0.2微米的数量级。可施加若干层，而形成的厚度仍小于1至2微米。在不受工作理论的局限下认为，涂层最好具有足够的厚度以防止等离子和纤维之间的反应，也要足够薄以有利于所希望的电场增强。根据所施加的起动电场的强度，施加的溶胶涂层最好在2至4层。
镀铂的碳化硅纤维参照图17和图18，示出一其中可测得击穿气体所需电场的装置171。圆筒状石英管173改成适于采用气体加压而纤维175定位在石英管173内部，以增强所施加至穿气体的电场。矩形谐振微波空胶177包括配置在其中的电场探头179以测量待测区中的电场。探头179接至测量装置181。可调节的调谐器183置于空腔177内部。相应地可调节微波功率量和空腔的Q值两者以设定所需的E电场。纤维175放置于石英衬底185上(也即，与管泡壁同样的材料)。衬底安装在石英棒187上并插入石英管173中。石英管173通过空腔177，这样，微波能量就施加至石英管173内的气体。纤维175沿着电场线对齐。探头179位于空腔177内，这样，探头位置上测得的E电场相当于施加至石英管173位置上所加压气体的E电场。在图示装置中，例如石英管173中央部分离开空腔177端部的距离为1/4波长，而探头179的位置则离开空腔177端部的距离为3/4波长。在管子173中，气体类型和压力可以不相同，而击穿延迟时间则可对不同压力和所施加的电场强度加以测量，以表征由纤维175所提供的增强特性。
在不受理论限止的情况下认为，使用SiC作为纤维，由于此材料的强度，易于同弯曲表面(如，管泡壁)相符合，以及材料的相对惰性仅次于热的石英管泡壁，故而具备各种不同的机械优点。根据SiC的级别，SiC的室温电阻率范围从几ohm·cm至103ohm·cm。延迟时间较长原因的一种解释可能是把SiC温度提高至使电阻降低的温度要化一定时间。如，在1000℃时，SiC电阻率相对于室温下降约1个数量级或以上。在有些点上，产生足够的电流流动使纤维顶端充电并产生高的电场。由是认为，提高纤维的室温导电率，使延迟时间减少。
在说明本发明原理的一个例子中，直径为8微米，长约3mm的SiC纤维采用电子束蒸发法涂复以0.2微米的。纤维圆周约有180°得以涂覆。也可使用另外方法把铂粘结在碳化硅上，或以铂渗进碳化硅中，以建立所希导电和半导体材料的组合。块状铂金属在室温时具有电阻率为10.6×10-6ohm·cm，因此它控制纤维的电阻，使其降低大约10个数量级。8微米3mm长SiC纤维在室温下认为具有相对高的电阻，而镀铂的SiC纤维则认为具有低得多的电阻。虽然低的绝对电阻没有必要，但镀铂的SiC纤维在室温下具有足够低的电阻，以改进起动性能并提供短的延迟时间。在2300 Torr的Xe(没有Kr85)压下，当有纤维点火器存在时，气体的击穿发生在施加的电场测得为1.8×105V/cm，其延迟时间为小于0.4ms。如以下详细讨论的那样，这么低的延迟时间对纤维的使用寿命可能是重要。本行业中那些熟练的技术人员将明白，在图示的装置中，如果没有本发明的辅助，企图击穿2,300 Torr的Xe是不切实际的。然而，不用本发明的纤维，200 Torr的Xe在施加的电场测得为4×105V/m时发生击穿。这样，镀铂的SiC纤维允许在大于10倍的Xe压和大于一半的施加电场下进行点火。
参照图19，示出对使用和不使用3mm长的镀铂SiC纤维在各种压力下击穿氙气的比较数据。从图表中很明显，有了纤维明显增强气体的击穿。从分别对氪和氩的图表20，21中也可明显地看到类似的结果。
根据应用情况，纤维的导电率可能或多或少是重要的。例如，在微波激励的无电极管子中，纤维在工作温度下应有足够的电阻，以便在稳态下将施加至等离子的电场去耦合。根据本发明的现有方面，涂覆和/或渗透都可加以调整，以提供所需的或多或少的电阻。例如，减少涂层数量或厚度，就可增加电阻。对特定的应用，合适的电阻值可如下加以确定，那里在起动期间电场增强是高的，而在稳态工作期间无需明显的耦合。
工作管子中单根纤维起动辅助的例子说明的例子如下。35mm球状管充填以26mg S640 Torr Xe和少量Kr 85(例如，相等于约0.06μcury)。将长度为20mm，直径为10微米的石墨纤维置于管泡内表面，并涂复2层上述最佳配方的SiO2。把纤维置于管泡中，俾当管泡放在“Light Dvive_1000微波管(由Fusion Lighting公司制造，Rockivlle，Maryland)的微波空腔时，使纤维与施加的E电场对准。在纤维如此对准的情况下，管子用测得的大约100mA磁控管电流(相当于约250w微波功率)进行点火。当纤维并不如此对准时，管子需要增加功率来点火。
通过比较，同样的管子而没有纤维点火器，当充填以50 Torr Xe和约0.06μcury Kr 85时，就需要275mA磁控管电流(相当于850W微波功率)来替管子点火。这样，添加石墨纤维，在减少起动功率情况下，允许Xe压增高10倍以上。
在类似配置的管子中(600 Torr Xe)，使用20mm长，直径为15微米的Mo纤维，并使纤维对准E电场，管子用测得的150mA电流(约450W微波功率)进行点火。在另一类似配置的管子中(600 Torr Xe)，使用20mm长，直径25微米的铂纤维，并使纤维对准E电场，此管子用测得的250mA电流(约750W微波功率)进行点火。
在许多应用中，钼可能是良好的纤维材料，因为它是通过管子封口馈电的首选材料。
另一个说明的例子如下。35mm球状管充填以23mg S和100 Torr SO2。将直径10微米，长度为20mm的石墨纤维置于管泡内表面并使用上述最佳的配方涂复2层SiO2。把纤维置于管泡中，俾当管泡放在“Light Drive_”1000微波管的微波空腔时(此装置由Fusion Lighting公司，Rockville，Maryland制造)时，使纤维对齐所施加的E电场。在纤维如此对齐情况下，此管子用所测得约350mA的电流(相当于约1100W微波功率)进行点火。在相似配置的管子中只充填以600 Torr SO2，此管子用测得的800mA电流(估计约为2500W微波功率)进行点火。根据管子工作温度，石墨在某些应用中可能不太理想，因为它在高温下与SiO2起反应。
另一个说明的例子如下。35mm球状管泡充填以300 Torr SO2。把直径为14微米，长度为20mm的SiC纤维置于管泡内表面，并涂复二层上述最佳配方的SiO2。将纤维置于管泡中，俾当管泡放在“Light Drive_”1000微波管的微波空腔(此装置由Fusion Lighting公司，Rockville，Marylnad制造)时，使纤维与所施加的E电场对齐。在纤维如此对齐情况下，管子用所测得约350mA的电流(约1100W微波功率)进行点火。在一类似配置的管泡中，充填以600 TorrSO2，此管子用测得的800mA电流(估计约为2500W微波功率)进行点火。估计SiC的E电场增强因子约为20～30。
在不受工作理论限制的情况下认为，由诸如SiC一类半导体作的纤维在管子热再点火期间可比由诸如钽一类导体作的纤维要提供更多的优点。材料的电阻率一般与材料温度有关。大多数金属的电阻率随着温度升高而升高，这在热再点火期间，可使由金属所作纤维的电场增强性能退化。然而，SiC具有随温度升高而下降的电阻率，这在热再点火期间，可改进由SiC所作纤维的电场增强性能。
一种使用高压(如，600 Torr)氙缓冲气体和单一SiC纤维的硫化管在有限的开/关周期下工作8000多小时后进行了再点火。对SiC纤维来说，没有明显的看得见的变化，这说明此纤维在正常的管子工作条件下并未与填料或石英起反应。
纤维长度对延迟时间的影响在下列例子中，管子的填料是600 Torr氙，再加少量Kr 85。在每种条件下，使用直径为14微米的单根SiC纤维。
虽然发明者不想受到工作理论的限止，但认为，过长的延迟时间(如，＞50ms)可能是限止纤维有效寿命的一个因素，特别是具有相对高加热率的SiC纤维。估计SiC的加热率约10-100℃/ms，但在此应用中，认为由于热转移至管壁而要小得多。如果纤维温度达到800℃以上，可看得见纤维发光。延长RF加热引起SiC纤维断裂，最终使纤维无法增强起动电场(如，在数百至一千次周期后)。因此对于较长寿命的应用，最好希望减少延迟时间，以防止因过度的欧姆加热而使纤维遭受损伤。
在不受工作理论的限止情况下认为，所希望的纤维特性在延迟/迅速增长时间和稳态工作期间之间可能有所区别。在延迟和迅速增长时间期间，纤维的足够的导电率使电场增强增加，但明显的能量可能耦合至纤维，最终使纤维增强点火的能力退化。过长的延迟时间可能是纤维退化的最重要因素。然而，采用多种纤维和其他合适的措施(如，少量的氩和/或氪85)，可减少延迟时间并取得数千次的起动周期(有些例子超过10,000次)。只要纤维能提供足够的电场增强，最好采用电阻相对高的纤维。在稳态工作期间，与等离子相比，纤维的相对高的电阻导致较少能量耦合至纤维。纤维不会过热，因为纤维易耗散热量至管壁。
多根纤维起动辅助的例子6时长圆筒柱状管泡具有11mm外径和把2个放电室分开的中间变细部分。2根SiC纤维，每种直径为14微米，长度为25mm，配置于管泡壁里面，与管泡的纵长轴平行，且大约在各个室的中央(如，见图9)。管泡充填以500 TorrXe。纤维覆盖以二层使用上述最佳配方的保护性溶胶涂层。
该填料，例如由美国专利No.5,686,793所述类似的管子装置加以激励。填料在管子系统型号F300，HP-6和F500中可靠地点火，这些管子系统通常购自“Fusion”UV Systems，Gaithersburg，Maryland。
另一个例子如下。10时长圆筒状管泡具有18mm外径。4根SiC纤维，各具有14微米直径和25mm长，配置在管泡内壁(如，与管泡纵长轴平行)。管泡充填以1530 Torr氙和氯气。纤维被覆复以层上述最佳配方的保护性SiO2涂层。填料在管子系统型号F450，和F600中可靠地点火，这些管子系统可从“Fusion”UV Systems Gaithersbury，Maryland购得。第一种另外的选择具有相似的配置，例如的是使用4根石墨纤维，各为10微米直径和长度为25mm。另外一种类似配置的方法，但是使用4种铂纤维，每种直径为25微米和长度为25mm。
C1可能通过溶胶薄膜覆盖层扩散而和SiC，石墨，钼及W起反应。还进一步认为，在薄膜-纤维-石英的三个连结的部分会形成微裂纹。因而，在经过多次起动后，薄膜涂层不能充分地保护纤维免受高度活性的C1等离子的影响。采用镀铂的溶胶薄膜上并未观察到反应，但在几次点火后长的延迟时间使涂层和铂退化(因为如果延迟时间长，纤维变得很热)。对包括有C1的填料，另一种可供选择的涂层材料(如氧化铝)可能是较可取的。
其他使用多根纤维和不同氙压的直筒管泡的例子如下
在上述每一个例子中，各个纤维均为直径14微米，长25mm的Hi-Nicalon的SiC纤维。把以mg表示纤维总数的多根纤维，配置在管子内部并集中在条状管泡两端，纤维半随机地分布在各端(如，见图15)。在工作期间管泡两端位于高电场区。纤维涂以两层溶胶沉积的二氧化硅。对上述各例子，可取得可靠的填料点火。当纤维量减少至0.4mg或更少些，仍能点火，但不可靠。
多根纤维对延迟时间的影响在下面例子中，管子填料是600 Torr氙，还加少量Kr 85。所有纤维都是直径为14微米的SiC。
如上所述，过长的延迟时间(如，＞50ms)可能是限止纤维有效寿命的一个因素，特别是具有相对高加热率的SiC纤维。在有许多短纤维的情况下，人们认为，多处地方受到激励，由于相对大的容积突然遭受雪崩击穿，因而它使延迟时间减少。使用多根纤维明显地减少延迟时间并通过增加起动周期次数，而提高管泡的有效寿命。例如，对S-Xe管泡，通过使用多根短的SiC纤维，周期数增加至超过数千次，是使用单根长的SiC纤维的3-4倍。
再者，可以认为，在减少延迟时间方面，许多短的镀铂SiC纤维甚至可比未镀铂的SiC纤维工作更好。使用镀以0.2微米铂的3mm长，8微米直径的纤维应使29ms的延迟时间甚至进一步降低，并允许氙气压力超过2000 Torr时点火。此纤维可随机取向地置于管泡内壁，但在点火期间最好处在高的场强区。例如，可在一平方厘米区内放置数以十或百计的纤维。纤维可由一层或更多层采用上述溶胶配方的二氧化硅加以保护。
使用SiC晶须的管子例子说明的例子如下。35mm球状管泡填充以26mg S，600 Torr Xe和少量Kr 85。SiC晶须直径范围在0.4微米和0.7微米之间，长度范围在0.05和2mm之间，将它们排列成束并随机分布在管泡的内表面。晶须涂以一层使用上述最佳配方的SiO2。管泡放在“Light Drive_”1000微波管(由Fusion Lighting Inc.，Rockville，Maryland制造)的微波空腔内。在有了SiC晶须的情况下，管子用测得的约320mA电流(约1000W微波功率)点火。
惰性气体混合物为进一步减少起动时间和在纤维和RF源上相应的受力，最好在填料中加入少量低原子量的惰性气体(如氩，氖或氦)。这样一些惰性气体的好处详述于PCT出版物No.WO 99/08865。
说明的例子如下。35mm球状管泡填充以26mg S，600 Torr Xe，少量Kr 85，以及10 Torr Ar。SiC晶须的直径在0.4微米至0.7微米之间，长度范围为0.05和2mm，把它们排列成束状并随机分布在管泡内表面上。晶须涂以一层采用上述最佳配方的SiO2。管泡放在“Light Drive_”1000微波管(由Fusion LightingInc.，Rockville，Maryland制造)的微波空腔内。在有SiC晶须的情况下，管子用测得的约320mA电流(约1000W微波功率)来点火。延迟时间为不用Ar的上例延迟时间的一半不到。
另一个例子如下。35mm球状管泡填充以26Mg S，600 Torr Xe，和少量Kr85。把直径14微米，长25mm的单根iC纤维配置在管泡内壁，并覆盖2层溶胶沉积的二氧化硅。延迟时间约100ms。在添加有10 Troo Ar的情况下，延迟时间小于25ms。因此，添加少量氩使延迟时间明显减少。
上述例子只是说明性的而不是限止性的。虽然上述例子已结合微波激励一起加以陈述，但对耦合至无电极放电管的其他激励技术和结构也将从本发明的起动辅助中得益。例如，这些其他耦合结构包括电感耦合，电容耦合和行波发射器件等。
为了制造的简化，可以考虑一种专用管泡使用同类的纤维(如，同样材料，同样直径)作为起动辅助。然而，如对特定的应用有必要或想要的话，则可将上述纤维材料和/或配置结合在一起。例如，随机分布的SiC晶须堆可与同电场对准的长SiC纤维一起使用。另一例子是具有不同材料和/或直径的纤维组合。其他组合也同样可用。
本发明对其中击穿是困难的其他等离子加工的应用可能是有效的，特别是对其中不大想要内电极的那些应用。
虽然，本发明结合当前被认为是最佳的实施例一起作了描述，但是理解，本发明并不局于所揭示的实施例，相反，本发明旨在覆盖包括在其精神和范畴以内的各种不同的修正和等效装置。
权利要求
1.一种由光透射外壳和至少一根纤维配置在此壳壁上而组成的放电管泡，其特征在于每根纤维厚度小于100微米。
2.如权利要求1所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维由导电的材料作成。
3.如权利要求1所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维由半导电的材料作成。
4.如权利要求1所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维由导电和半导电的材料组合作成。
5.如权利要求1至4的任一所述的放电管泡，其特征在于此纤维足够柔软到易与壳壁相符合。
6.如权利要求1至5的任一所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维具有厚度小于25微米。
7.如权利要求1至5的任一所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维具有厚度小于10微小。
8.如权利要求1至5的任一所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维具有厚度小于1微米。
9.如权利要求1至8的任一所述的放电管泡，其特征在于每根纤维具有圆形横截面而其中的纤维厚度对应于纤维的直径。
10.如权利要求1至9的任一所述的放电管泡，其特征在于此管泡是无电极的。
11.如权利要求1至9的任一所述的放电管泡，其特征在于此管泡包括内电极。
12.如权利要求1至11的任一所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维由选自由碳，碳化硅，铝，钽，钼，铂和钨组成的材料族中的一种材料作成。
13.如权利要求1和4至11的任一所述的放电管泡，其特征在于配置在此壳壁上的至少一种纤维由涂复上铂的碳化硅作成。
14.如权利要求1至13的任一所述的放电管泡，其特征在于纤维由多根紧密间隔的平行纤维组成。
15.如权利要求1至13的任一所述的放电管泡，其特征在于纤维由多根随机分布的纤维组成。
16.如权利要求15所述的放电管泡，其特征在于每根纤维约3mm长或少些。
17.如权利要求1至12的任一所述的放电管泡，其特征在于纤维由一堆碳化硅晶须组成。
18.如权利要求1至17的任一所述的放电管泡，其特征在于此纤维配置在光透射外壳内表面上并用保护材料加以覆盖。
19.如权利要求18所述的放电管泡，其特征在于保护材料由二氧化硅涂层组成，厚度小于2微米。
20.如权利要求1至19的任一所述的放电管泡，其特征在于外壳内含有惰性气体而其中的纤维有效地增强施加至气体的电场，以引发该气体的击穿。
21.一种放电装置，其特征在于包含具有发光填料配置在内的光透射容器；改成适于耦合能量至容器中填料的耦合结构；连接至耦合结构的高频源；以及配置在容器壁上的至少一根纤维，其中每根纤维厚度小于100微米，纤维则由导体材料，半导体材料，或导体和半导体材料的组合而组成。
22.如权利要求21所述的放电装置，其特征在于纤维足够柔软到易与容器壁相符合。
23.如权利要求21至22的任一所述的放电装置，其特征在于填料包括惰性气体而其中的纤维则有效地增强施加至气体的电场以引发气体的击穿。
24.如权利要求21至23的任一所述的放电装置，其特征在于填料包含压力大于300 Torr的惰性气体，在起动期间施加至容器的电场小于4×105V/m，而其中所施加的电场则有效地引起惰性气体的击穿。
25.如权利要求21至24的任一所述的放电装置，其特征在于高频源由磁控管组成而其中的耦合结构则由连接至微波空腔的波导组成。
26.如权利要求21至25的任一所述的放电装置，其特征在于起动期间至少一根纤维对准电场。
27.如权利要求21至26的任一所述的放电装置，其特征在于该装置含有放电管而其中的容器则含有密封的无电极管泡。
28.如权利要求27所述的放电管，其特征在于此无电极管泡由一条状管泡组成而其中的纤维则由集中在条状管相应端的多根纤维组成。
29.一种制造放电管泡的方法，其特征在于包括提供光透射外壳；和把纤维固定在此壳壁上。
30.如权利要求29所述的方法，其特征在于固定纤维用照相平版印刷法仿形于壁上而成。
31.如权利要求29所述的方法，其特征在于固定纤维包括把纤维沉积在外壳内部和把纤维用溶胶溶液粘结至外壳的壁上。
32.如权利要求29所述的方法，其特征在于进一步包括采用保护材料覆盖纤维。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于保护材料由二氧化硅组成而其中的覆盖则用溶胶溶液涂覆纤维而成。
全文摘要
一种放电管泡包括光透射外壳和配置在壳壁上的至少一根导电纤维，其中纤维厚度小于100微米。此放电管可以是无电极的，也可包含内电极。适用的纤维材料包括，但不限于碳，碳化硅，铝，钽，钼，铂和钨。碳化硅晶须和镀铂碳化硅纤维也可使用。纤维至少在起动期间要与电场对准。此放电管最好还包括覆盖纤维的保护材料。例如，保护材料可以是溶胶沉积的二氧化硅涂层。管泡内压力超过300Torr时惰性气体能在施加的电场小于4×10
文档编号H01J61/54GK1436362SQ01811224
公开日2003年8月13日 申请日期2001年4月20日 优先权日2000年4月26日
发明者C·戈科斯基, D·哈默, B·宋, Y·田, M·塞基克, M·G·乌里, D·A·科尔克派屈克 申请人:康奈尔研究基金会股份有限公司, 熔融Uv体系股份有限公司, 熔化照明股份有限公司