大功率脉冲发生器闪光灯的设计的制作方法

专利名称：大功率脉冲发生器闪光灯的设计的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生高性能和极大功率(峰值和平均值)的脉冲宽带 光的脉冲闪光灯的设计，以及用于产生脉冲紫外线(PUV)光的灯。具体地， 本发明涉及灯的设计，以减少灯的损耗和破损，提供改进的灯冷却，以及 所期望的频镨发射带的电-光输出效率。
背景技术：
众所周知，大功率闪光灯的系统设计通常包含以下部件l)灯玻壳 或灯管，由具有针对期望频镨发射带的足够透明度的管状材料制成(例如 用于UV辐射的UV等级石英)，并且充以诸如氙气、氪气或其它适当的 气体；2)电极，位于管的相对端，被连接到高电压源，并在气体中产生 放电；3)在灯玻壳周围的适当透明材料的环绕套管或第二管，在灯的外 表面与套管的内部表面之间提供用于冷却流体(气体或液体)的循环的容 积。此类冷却流体消除了在灯工作期间产生的过多热量。
虽然存在许多已知的IMt脉冲闪光灯的类型与方法，但是对于大功率 脉冲灯的操作来说通常包括三个典型操作模式的某些版本点火(ignition) 模式，变光(simmer)模式和脉冲模式。在点火模式中，用特定点火器提供 管内气体的初始电离。变光(等待)模式由支持管内恒定低电平的气体电离 的小电流提供。脉冲模式由发光管内的短、高峰值功率和高压放电产生， 放电的时长在微秒与毫秒之间，并且产生峰值功率为从一到数百兆瓦的脉 冲。
在多个实例中，新型应用对提高UV处理能力的不断增长的需求，要求比在本发明之前生产PUV灯的能力有更加改进的闪光灯性能。较之以 前的脉沖灯设计，这种新一代的大功率和高性能的脉冲灯的物理特征是 阳极到阴极间隔更长的距离(例如，三倍或更大)，进而增加了灯的长度、 重量以及纵横比分布。较之以前的脉冲灯设计，这种新一代大功率和高性 能的脉沖灯以的电学特征为脉沖具有更大电流(峰值和/或平均量值)、更 长弧长(阳极到阴极间距)，以及所要求的更高工作电压。为了扩展功率和 性能方面的能力，使其超过先前存在的那一代所谓中到大功率的闪光灯， 要求新的方法和设计。例如，大恥漠的水消毒和改善就是一个应用，其中 老一代PUV灯显示出不足，因此行业认为其不完全适合于该任务。新一 代较大功率和高性能的脉冲紫外线灯是值得期望和有利的。UV光可有效 地清除大范围的目标病菌。与诸如氯的化学消毒剂形成鲜明对比的是， UV光在不会对水的味道、气味或安全性方面产生有害影响的情况下消毒， 尤其能有效地预防原始生物如微小隐孢子虫(Cryptosporidium Parvum)。 此外，尤其有利的是，无论任何灯和/或周围温度的改变、即时UV功率 "ON"和"OFF"循环，以;SL在0-100%的整个范围内即时改变的、准确电 平的UV功率输出，脉冲UV系统能够传送稳定的UV光输出效率。重要
的是，在没有危险的汞，也没有由用于表征传统的连续波(cw)中压uv
灯的高的灯玻壳温度和压力产生的易爆电位的情况下，PUV可以做到以 上所述的那样。此外，已知CW汞灯(在其它灯之中)的固有问U:由于 灯冷却套管的淤塞(矿物吸引)所引起的热梯度，CW汞灯的性能下降。因 此，建立具有满足大目UV处理应用的要求的能力的脉冲UV系统是有 利的。
本领域技术人员已知的是，上代PUV灯虽然被证明具有非常吸引人 的潜在优点和好处，但是从来没有被成功地大恥漠采用过，并M面上被 归入实验室工作和/或较低功率环境中的应用。已知的问题包括难以接受
的短使用寿命、无竟争力的电光输出效率、不稳定的uv输出，以及不能
很好地匹配目标应用的uv频谱和功率输出。记录显示灯的使用寿命受限 于iStit下降的UV输出、退化然后提前阻止工作的过度灯老化、和/或灯 玻壳材料的灾难性失效的一个或多个组合。与典型的CW汞UV灯的近 似实际范围17%到35%相比，与i^目反，电到UV的输出效率在5%到 9。/。范围内。在向更高的输出功率的努力最终失败的情况下，上代PUV灯 的UV输出变得日益不稳定(就每脉冲能量和光镨特性而言)。
这些限制问题的主要原因是灯的设计或脉冲功率源的设计实质上都对现有技术的全面调查揭示了不存在相对于标准脉冲灯设计的、使该技术 能够被调整为当今针对某些应用所需要的性能和功率电平的新的改变。实 际上，无法满足近年来扩展的性能标准的脉冲灯系统的设计在本质上与传 统上用于较小的、需求较少的，以及较低性能的系统的设计相同。
本领域技术人员了解经过长时间建立的有关设计和驱动脉冲闪光灯 的各种标准技术的知识主体。虽然这些技术倾向于在所建立的结合了这些 设计的应用的广U础内适用，但是现在知道将这些标准的设计和方法简
单扩展成W格等级的极大功率PUV灯已被证明是不能满足于该任务， 为了实现极大功率脉冲uv灯的潜在优势，有必要建立新型和独特的
灯设计，使得能够实现该技术，从而发明全新一代的更高能力和性能的脉 冲灯。老一代较低性能和功率的闪光灯的设计方法不适于该任务，本发明 提供了必要的解决方案。
存在对应于这种新一代高性能脉冲灯可能遭受的潜在有害应力的多 个原因，例如压缩和拉伸导致的应力、热胀冷缩导致的应力、由所导致的 变形引起的拉伸应力、导致灯玻壳弯曲的对玻壳的非对称加热和变形，以 及谐振。
例如，脉冲闪光灯的典型特性是从主电流脉冲的起始开始，放电包 括薄阴极鞘(阴极"发光"、阴极辉光，以及所谓的"暗区")和充满大部分阳 极到阴极空间的正柱区。在较高的灯压力下，该阴极鞘厚度小于一微米， 但是具有压力，施加的电压，以及与电流无关的大约150伏的电压降。虽 然由于鞘的浅深度鞘消耗的功率较小，但是每单位容积消耗的功率很高， 从而导致瞬间高温和压力，以及随后形成强冲击波。该初始的强冲击波在 几亳米内被衰减，其大量能量在包含灯玻壳的环绕电极的区域中沉积。随 后被储存在阳极与阴极之间的主柱区(main column)的主脉冲的功率沿着 孔的长度i2^加热等离子体，从而建立传播到玻壳壁的柱形冲击波，其以 极高声频(《100 kHz)反射和振荡若干次。
根据对脉冲闪光灯工作的理论计算和来自其的经验数据，极大功率脉 冲可产生在灯材料中建立压缩和拉伸应力的大的作用力。具体来i兌，大功 率脉冲产生气体加热和压力增加，轴和径向力，以及穿过气体与管壁的冲 击波。结果1/轴向波穿过气体和玻壳传播，其从发光管端部被完全或 部分地反射，并且可在玻壳壁中产生干扰和建立驻波与应力点的一组多个 反射波；以及2/径向波穿过气体、玻壳壁、冷却流体和冷却套管传播，其 穿过具有不同材料性质的边界，被完全或部分地反射，并且在玻壳壁中建立驻波和各应力点。
由于在灯玻壳的内层产生瞬时热加载的快速脉冲气体加热，产生了热 胀冷缩导致的应力。玻壳外层由外部冷却剂流冷却，这引起了穿过管壁的 温度梯度以及玻壳外层中的额外脉冲拉伸应力。
包装材料中的变形可由高峰值内部压力引起，结合玻壳内层的加热和 软化。导热石英或玻璃的快速冷却产生变形材料的硬化，并且在内层中产 生压缩应力，连同玻壳的外层中的拉伸应力。该作用类似于当高内部水压 提高点火期间的炮筒阻力时，火炮炮筒的众所周知的处理方法(内膛挤压 硬化法)。每个短脉冲期间的非常小的改变可以累积，并且在管外层产生 足够的拉伸应力，从而管伸长并且弯曲，其可变为凸出一侧上的拉伸应力 的额外来源。
由于从等离子体和外部灯布线发出，并且在某些设计中还受周围元件 布置的影响，所以高电流感生的电磁场可产生等离子体丝远离灯轴、并且 朝着玻壳壁的一侧的方向的非对称移动。这可导致玻壳的非对称加热和变 形。在多个脉冲之后，变形和应力的累加可导致灯玻壳最终弯曲。
最终，具有从每秒单个到数千个(取决于系统设计和^Mt^Hf)的不断 改变的脉冲重复频率的多个强脉冲序列可在灯中以相同范围中的自然频 率产生共振效应。朝使用显著较长灯方向的改变加剧了该状况。灯中的共 振可在灯部件中产生不利的脉动张力和压缩应力。应力j ^艮的这些及其他 机制可在灯玻壳材料中累积，并且以组合方式起作用。众所周知，管状的 材料(石英或玻璃)表现更像其它脆硬物质；在压缩条件下工作良好，但是 对拉伸应力很敏感。超过应力的临界水平的多个张力循环可形成材料中的 渐iOtA和出现微细龟裂的原因，从而导致灯的灾难性破损。应力和微细 龟裂累积的另一个影响是管透明度的降级(增加玻壳壁的辐射吸收)，随之 降低灯电光输出效率。
因此，需要对于可靠和低本高效灯系统的设计和制造方法，其可防止 灯破损和/或期望的照射输出的过早降级。

发明内容
因此，本发明的一个主要目的是提供一种用于可靠和低本高效灯的设 计和制造的方法，从而防止由于大功率电脉冲所产生的作用力导致的灯破 损。本发明的另一个目的是提供灯设计和制造方法，其在玻壳材料老化和 其光学特性的降低方面提高灯稳定性。
这些及其他目的在本发明中得以实现。
本发明克服了由包括脉冲闪光灯部件在内的材料中较小变形的累积
所引起的以下难题其最终导致微细龟裂的itA和出现，玻壳光学性质和 灯效率的降级，并且在有些情况下导致灯破损。
灯玻壳部件中的较小变形的累积是由灯管内高压放电的多个大功率 脉冲所产生的应力的结果。
这些脉冲是形成下列情况的原因管内的压力增加；管内壁的加热； 灯部件的热膨胀；穿过管工作气体的沖击波的产生；穿过灯部件的轴向和 径向冲击波的传播；灯部件的谐振；以及灯管拉长和弯曲。
本发明的脉冲闪光灯解决了灯部件的强度和透明度的降级的问题，这 通过提供以下各项来实现例如更好的灯玻壳形状，横截面和材料分布， 从而对由多脉沖大功率载荷所产生的作用力的组合产生更大的玻壳阻力； 管与玻壳之间的连接点，其提高灯刚性和强度；选择性的管/玻壳连接和 材料分布，其集中于预防危险的管谐振；减少管壁中的拉伸负荷的特殊装 置(压力冷却流体，轴向和径向预载荷等等)；限制管轴向压缩作用力以免 凸起的方法(滑动的管支架等等)；为了减少相关灯部件上有害的高"^值脉 冲负载，沖击波吸收、抑制和重定向的各种方法；以及上述技术的^^种组 合，以便在其中相同材料的拉伸特性否则对于新一代大功率和高性能脉冲
灯是不可接受的情况中成功地利用某些灯玻壳(管)材料的期望质量。
本发明的特性组合提供了可靠和低本高效的灯设计和制造的方法，其 防止由于大功率电脉冲所致的灯破损，并且提高灯材料的光透明度和稳定 性。
这里概述了本发明的更重要特性，以便随后的详细描U本发明对现 有技术的贡献更易于理解。当然存在此后还将描述的本发明的附加特性。
因此，在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明不 限于在下面的描述或附图示出中涉及的详细构造的应用和部件方案。本发
明能够有其它实施例，而且能够用多种方式来实践和执行。同样，应当理 解此处所采用的4t^和术语是为了描述的目的，而不应被视作限制。
同样地，本领域的技术人员会理解，这里公开的内容所基于的概念可 以容易地被用作执行本发明各种目的的其它结构、方法和系统的设计基础。因此，重要的是在不偏离本发明的宗旨和范围的限度内的等同结构被 归入本发明。
为了更好地理解本发明，其操作上的优点以及通过其使用所获得的特 定目的，应当给示出了本发明最优实施例的附图和描述性文件加以说明。


图1示出了大功率和高性能脉冲紫外线闪光灯和传统闪光灯。
图2示出了一种用于增强灯玻壳刚性的装置。
图3示出了非圓形灯管形状的例子。
图4示出了具有螺旋纵向壁凹陷的闪光灯管。
图5示出了 一种用于增加的热交换的装置。
图6示出了一种双层灯管。
图7示出了一种用于增强的灯管刚性的装置。
图8示出了将螺旋部件4吏用于灯管支柱。
图9示出了一种预应力的灯。
图10示出了灯管壁的轴向预加负荷。
图ll示出了一种用于抑制冲击波的装置。
图12示出了具有滑动管的灯支架。
图13示出了一种用于抑制谐振波的装置。
具体实施例方式
图1示出了新一代大功率和高性能脉冲紫外线(PUV)闪光灯100的例 子，以及前一代较低性能闪光灯120的例子。新一代闪光灯100包括一个 中心玻壳或对于UV照射透明的材料的管102。本领域普通技术人员熟知 此类材料。在一个优选实施例中，所述中心玻壳包括UV等级石英。管容 积内充满例如由本领域的普通技术人员所熟知的工作气体，包含但不局限 于氙或氪。
电极108被密封地插入灯管102的端部，并且借助于灯连接器106被电连附于一个电源，优选地为高压脉冲电源，从而使得能在工作气体中
产生放电。大约100厘米或更长的电极的阳极到阴极的距离或弧长比前一 代闪光灯120的长很多。对于所给定的脉冲能量，与老一代脉冲灯120 的相比，该长度更加有利地减少灯管102的每厘米热栽荷大约三倍或更 多。
包括合适的透明材料的冷却套管或第二管104如详细的横截面A-A 图所示被环绕灯圓周放置，从而在灯与冷却套管104的壁之间建立环形通 道110。冷却流体沿着灯管102穿过通道110被泵送，消除灯100工作期 间产生的过热。
前一代较低性能能力闪光灯120的特点在于更短的电极的阳极到阴 ;fej巨离或弧长，通常大约为25厘米到35厘米。对于所给定的脉沖能量， 电极124之间的较短距离产生灯管122的每厘米长度热负荷比新一代灯 IOO的大约多三倍或更多。普通配置包含穿过馈通板(feed仇rough plate) 或凸缘128的冷却流体入口 130，环绕灯管122并且被冷却套管126包围 的冷却流体循环体，穿过馈通板或凸缘128的冷却流体出口 132，灯电极 124的脉冲电源馈通连接134，以及来自于对置的灯电极124的地电流返 回连接136。
灯工作期间的大功率脉冲是形成气体压力增加和加热，管材料中的轴 向和径向力的产生，以及穿过气体与管壁的冲击波的原因。因此，玻壳材 料(石英或玻璃)中的高峰值应力的累积可导致玻壳形状、强度的降级，微 细龟裂的产生，以及过早损坏。
图2、 3、 4和5示出了本发明的一个实施例，其中灯用改进的玻壳/ 管设计来加强，从而提供了更好的玻壳材料中的抗弯曲性和拉伸应力，以 及改进的热传递和冷却流体流量的控制。
图2示出了灯玻壳(或管)设计的例子。用于比较，显示了常规前一代 (较低功率以及性能)管202。独特的以及有利的灯玻壳设计包含了具有位 于管外部和/或内表面的翼肋的管，具有位于管外部和/或内表面的凹陷的 管，以及非圆形管。具有加强翼肋和/或凹陷的管可^L做成环形围或螺旋 元件的形状，如^t射管204所示。具有加强翼肋和/或凹陷的管也可沿着 管中心线纵向地做成，如纵向管206所示。类似地，由石英或玻璃管壁变 形所制成的纵向和径向翼肋可提供玻壳物理强度的额外改进，以及与弯 曲、应力集中以及冲击波抑制相关的问题的减少。此外，此类翼肋和/或 凹陷可以是非连续的。在可选实施例中，管可由类似结构组成来代替，该类似结构被取而代之做成外部突出而不是内部凹槽。
图3进一步示出了改进的玻壳/管结构，其中脉冲闪光灯制成为具有 非圆形状组成的玻壳横截面。非圆形管横截面包含但不局限于椭圆或卵形 302，三角形304，矩形306，多面形，具有圆角的多面形，菱形，以及其 它形状。非圆形管横截面通常具有较高惯性模量，并且可在特定方向提供 更好抗弯曲性。沿不同方向的管的不均匀体积产生某些额外管空间，从而 有助于^t振动，并且减少冲击波的有害影响。
灯管的扭曲的308的应用和类似波紋的部件310可改进灯的张力导致 的应力疲劳特性。具有不断改变声波反射侧面的玻壳提供了良好的用于抑 制和重定向沿着管的长度穿过工作气体传播的冲击波的装置。
图4示出了具有螺旋纵向壁凹陷的闪光灯管。这种改进可同时为更好 的性能和寿命提供若干机会。例如，在管凹陷之间所产生的额外气体容积 可作为减少和重定向由灯气体中高峰值功率脉冲放电所生成的冲击波的 压力吸收室。同时，凹陷的电气近场效应可被更加有利地利用以优化等离 子体通道的电子密度(因此优化其温度)。电场形状受环绕等离子体的高绝 缘玻壳材料的尺寸、距离和形状的影响。因此，凹陷也可提供更好的等离 子体丝的轴向位置控制，从而内部凹陷往往将朝着灯中心线的方向集中等 离子体丝，有助于在玻壳的中心内将其定位。
图4中的横剖面图还示出了地返回电流棒402的相加。优选地，此类 地电流返回棒402为外部金属导体的对称阵列，倒转电流方向到包含在灯 玻壳(或管)404内的等离子体通道406并且与其同轴。由恰当地放置的地 电流返回棒(承载倒转方向地电流)的相加所产生的电磁场将发生作用以 将灯等离子体406稳定到所期望的管404的中心轴位置上。通过本发明， 多个平行导体地电流返回布置可提供单一、可靠的同轴返回线(低电感以 及EMI屏蔽)，但是没有当使用高峰值和平均功率电磁场时由此类单一 同 轴返回线产生的损耗的缺点。该布置中断了通常的大圓周电流返回环(与 等离子体相切)，从而此类圆周电流返回环路电损耗变为在有高电流电场 的情况下的不利因素。因而此类返回导体被构造为基本与等离子体同轴放 置的平行导体的无电流环路的径向阵列。此外，导体的径向定位的阵列可 被谨慎和更加有利地放置于其电场与环境绝缘部件以及与将有助于整形 等离子体的等离子体相互作用的位置。等离子体的空间位置、剖面形状、
大小、与表面的接近度，以及电子流密度全部能够更加有利优化以便用于 某个应用。例如，地电流返回导体可被定位于离等离子体特定距离以便沿灯孔的中心轴最优化放置等离子体。此外，地电流返回导体可被定位于距 等离子体特定距离以便最优化实现所期望的等离子体电流密度和/或等离 子体温度。作为另一个例子，地电流返回导体可被相对于中间电介质材料 及其相关电场整形特性放置，以便最优化实现所期望的等离子体电流横截 面形状，大小和/或电子密度。在考虑到本说明书的情况下，包含但不局 限于以上引用的例子的优化可被本领域的普通技术人员容易地确定。因 此，径向平行同轴地返回棒的各种组合也可以影响等离子体温度，以及随 后的灯的光镨输出。可选实施例以其它形状取代导电棒，例如杆或片，通 过等离子体与返回电流电磁场的交互影响，结合导电材料的形状和接近度
与电介质材料(石英管)的形状和接近度两者，可以实现上述额外的期望结 果。
图5示出了以提供改进的冷却流体流量的控制的方式对灯玻壳502 使用结构〗务正，从而产生来自灯的改进的热传递。所示的为脉冲灯的一端 的横截面切面图，其示出了灯玻壳或管502，电极504，以及等离子体放 电区506。迄今为止，平滑壁的灯玻壳不利地最大化了冷却流体沿着灯的 外表面的冷却流体的层流(laminarflow)，所以流体边界层增加，湍流度降 低，并且传热效率减少。本发明通过利用不规则表面形状排除了该问题， 所述不规则表面形状不会不利地影响光输出的发送，而是同时增加沿着热 触点的临界表面的冷却流体湍流度。通过这样增加了热交换的效率和速 率，灯玻壳的平均和峰值温度可被降低，从而增加脉冲灯的功率和性能能 力。在灯玻壳上明智选择此类元件的位置可被用于提高穿过管壁的热传 递，以及用于穿过灯玻壳与冷却套管之间的通道的冷却流体流量的控制， 包含位于灯的最热区的较高湍流度区的产生。为了改进冷却剂湍流度，灯 玻壳表面和/或管翼肋可被制成非连续元件和/或类似波紋表面结构的形 式，并且可被仅定位于为了在那些位置中实现任何特定高性能脉冲灯设计 所需的热状态所要求的位置上。
应当理解，灯玻壳加固元件的多种组合可被用于各个具体应用中的不 同灯表面修改中。
图6示出了另一个实施例，其中用具有在原玻壳之上和/或内部的第 二加强套筒604的玻壳设计的方法加固UV灯管602。管602与加强套筒 604之间的适当紧配合可减少管材料中的应力水平，并且对闪光灯寿命提 供有利的影响.
通过预载荷装配的至少两层玻壳材料的多层管允许控制应力方向和水平(例如，减少管内层的张力)。此外，提供接触至少两个壁相邻部件接 触的区可实现径向冲击波的衰减，将其重定向回管内部，并且减少管外部 上的应力水平。通过这种方式，要求额外支持的某些区，例如环绕电极
606的区域可以在对其它应力较少位置不产生可能的不利影响的情况下 得到更加有利地加强。该方法的各种组合可提高灯玻壳寿命。
多层管能被部分地使用于受较高的热量或机械负栽影响的区域，例如 热电极区域或高应力的玻壳中心区。因而，此类多层管可以是非连续的。 例如，在一个例子中，多层管被用于接近电极606和/或沿着灯管602处。 利用此类多层管会增加玻壳寿命、较少改变并且带来较少的未来问题。
图7示出了涉及灯管702与环绕冷却套管704之间的M相互作用的 本发明的另一个实施例。在灯管702与冷却套管704之间建立连接点，使 得将一个不同的松散支撑的灯(即仅在穿过电极706的每个端部)转换成一 个较好支撑该:计，其提供了机械结构的附加尺寸，以及对灯的中央区域的 支撑。
该刚性与稳定的灯支撑设计基于闪光灯部件的多个变型和组合，并且 包含具有接触与支撑灯管702的外表面的类似环状或纵向翼肋708的冷却 套管704的不同实施例，对灯管702整体或之上利用非连续或连续外部翼 肋710，以;ML灯管702与冷却套管704之间引入独立中间间隔物712。
图8示出了基于包括灯管802、冷却套管或者第二管804、用^^供了 灯管的M稳定性的螺旋翼肋制造的闪光灯部件的各种实施例。整体灯组 件因此可包括位于冷却套管的平滑内径的翼肋灯，或位于翼肋冷却套管 804内部的平滑(非翼肋)灯806。
仅在两个灯端部之一示出的是灯管806和电极810。在一个可选实施 例中，灯管和冷却套管可以用螺旋翼肋制造。此外，各种类型灯的制作可 通过在室温下将灯和套管部件装配成"滑动配合，，被更有利地简化，当灯达 到正常工作高温时，产生一个或多个提供对灯的机械支撑的"干涉配合" 接触点812。具有无论纵向或放射状排列的、在管与套管之间建立接触的、 扭曲和/或分段表面的部件的使用可有助于吸收、反射、和重定向冲击波， 从而减少灯元件中的应力水平。表面模式的各种组合可被用来增加冷却流 体的湍流度，从而也增加了热传递的效率。
图9示出了一个提供机械支撑的实施例，其中此处所示具有电极904 的灯管902的加固被实现成整体灯和冷却套管组件，其通过插入连接灯管卯2的壁与冷却套管卯8的多球(multi-lob)间隔物906，从而建立具有较高 强度和刚性的三维支撑的 结构。用使得加固区能够限制管固有振荡与 谐振，以及用为灯管材料提供轴向与径向预载荷这样的方式选择定位连接 点。这更有利地允许灯玻壳(管)卯2中的拉伸应力的消除或减少，并且限 制在轴向负荷下的管凸起的程度。
管卯2与套管908之间的预应力和/或柔性连接元件(例如间隔物)可提 供;^应力控制以及吸收由冲击波所引起的振动。在一个例子中，此类柔 性连接元件卯6由是具有机械弹性的任何各种适当材料组成。
图IO示出了本发明的另一个实施例，其包括灯装配期间，通过灯管 壁1002的纵向预载荷来进一步减少灯玻壳材料中的有害拉伸应力。管壁 1002上的额外压缩1004作用力可防止灯放电的多个脉冲期间产生高压应 力，从而大大减少灯玻壳材料中微细龟裂产生的机会。这种压缩可以是沿 着灯管1002的长度方向的纵向压缩1004，如这例子中所示的，以及如上 所述的径向压缩。在该例子中，纵向压缩1004起作用以抵消灯管纵向膨 胀1006，所述纵向膨胀由冲击波的作用力以及在电极1008上或附近的灯 的各端部上加栽的热诱导脉冲后气体压力引起。或者，压力可从冷却套管 1010传送到灯管1002的壁上。例如，冷却套管1010与管1002之间的机 械连接可调节管壁中的轴向压缩。
预加应力的、集成灯设计可以通过在灯管1002的每个端上或附近4吏 用一个或多个压力环1014来实现成灯管纵向压缩作用力1004加载构件。 利用该设计可以用这样的方式修改灯装配工艺，即重新分布灯管1002的 部件内的轴向力，并且将那些作用力中的某些转换成冷却套管1010内的 纵向和/或径向拉伸应力，从而平衡并且减少灯管1002的壁中的轴向压缩 应力。
优选地，将管1002置于冷却套管1010的中心，利用例如类似星形或 径向臂形状作为压力环1014(见图7和9中示出的形状的例子M吏得环形间 隙1012中的冷却流体循环围绕灯管1002和冷却套管1010内部。可选的 居中装置包括但不局限于上述例子，例如接触灯管的内部环形圏，径向臂 延伸至并且接触套管壁；接触套管壁的外部环形闺，径向臂朝内延伸并且 接触灯管壁；位于灯管与套管的壁中间的中央环形團，径向臂沿双向延伸 并且接触各个壁。
本发明的另 一个实施例包括通过沿着灯管施加均匀分布的液压来降 低产生管壁中过度拉伸应力的风险。众所周知，较大功率脉冲闪光灯通常具有灯管1002与冷却套管1010之间的通道1012，从而通过通道1012泵 送冷却流体，将热量从灯管1002中消除。利用本发明，冷却流体中的有 意的实质的压力增加可产生管壁1002的均匀径向压缩，从而减少了在用 于高性能脉冲灯管的材料中产生过度拉伸应力的机会。在一个优选实施例 中，2Bar到7Bar的范围^l有益的，同时两者都可达到并且必定能实现。
图11示出了另一个实施例，包括一个在灯工作气体和包括灯管壁的 材料中限制过大冲击波的有害效应的装置.优选地，空心室1124—般被 建立于电极头1104的附近。例如，在一个实施例中，两个电极1104上的 缩小(turned-down)区连同灯管1102的内壁表面一:fe^电极头1104后面 建立较小圆柱形空心室1124。这些室通过电极头1104与管内表面之间的 细小间隔与主管气体容积1106连接，并且可当作通过管内气体传播的轴 沖击波1110的陷阱。应当提及，先前描述的类似波紋和扭曲的管和套管 也能够提供当作气体内冲击波的多个陷阱的不规则空心区。
电极和支撑结构的其它改变，例如将头部形状从扁平形改变成球形， 以及在头部的后面引入特殊凹槽，可促i^T气体中气压波的额外反射和消 散。可选地，额外能量^L空间可通过对环绕管的改变来实现。
图ll还示出了用于衰减、重定向、以及扩散通过灯的气体和固体材 料传播的高能量冲击波的闪光灯设计和部件。所示的是脉冲灯的一端的表 示，其包含灯玻壳(或管)1102，电极装置1104,主管气体容积1106，原始 高能量冲击波1108，表示充有气体的空腔1106内的次级介軟冲击波能量 部分1110的小箭头，灯管1102的固体材料内的灯管耦合的冲击波能量 1112，以M示在灯管1102的端部上或附近的^L冲击波能量1114的小 箭头。
在一个可选实施例中，所得到的空腔，例如空腔或室1124包含或者 包括具有适当弹性特性的材料(即类似于某些硅树脂复合物)，但是不必仅 仅局限于聚合物；其它材料族也可以提供兼容特性。例如，表现出拥有空 隙的可压紧的结构的材料(类似于海绵)，其也与高温、高电应力、高光子 通量和高气体纯度的环境条件相适应。
灯管1002的端部处的向外倾斜(角度向外的斜面)部分1116和/或向内 倾斜(角度向内的斜面)部分1118能够重定向和/或消耗通过灯管1002的材 料传播的冲击波1112。在另一个实施例中，位于灯管1002管底端1122 并且由具有密度的冲击补偿材料构成的填充物1120在灯玻壳材料(优选地 为玻璃或者石英)之间，并且由于冷却介质(通常为水)耦合到填充物1120中，所以可提供灯管1002冲击波1112的额外吸收和衰减。
位于管内部(在电极头后面)和管底端上的外部的各种冲击吸收材料 和结构是可以提高闪光灯寿命和性能的其它实施例。
此外，灯管1102的内径的增加将增加气体量，而同时降低管温度和 沖击波的影响。重要的是，额外和可能的负效果(此类改变可基于等离子 体的构造和密度产生)可通过本发明的其它教导和权利要求中的一个或者 某些组合而被完全减轻。例如，图4中示出的上述地电流返回模式是一种 此类装置，借此可更有利地使等离子体柱成形以达到期望的条件。
与灯电极的更有效冷却相关的所有建议可结合此处提出的、关注减少 冲击波的影响和/或玻壳加固元件的实施例起作用。
图12示出了一个附加实施例，其包括减少由于重复高能脉冲和灯管 热膨胀所导致的管材料中的过大纵向和轴向应力。在该实施例中，位于超 出电极头1212的、处于灯管1204的每个端部的灯管支架1202可以用适 当柔性冷却剂密封件构成，以便为灯管1204提供沿纵向1206滑动的机会， 从而减少灯管1204的壁上和冷却玻壳1214的可能过大的纵向和轴向载 荷。因而，在该实施例中，灯管支架1202允许灯管1204响应于热膨胀和 /或高能量脉冲滑动，同时也提供借此冷却流体可被整个泵送入、泵送出 灯冷却剂管道1208的装置。位于冷却剂管道1208的径向臂支撑间隔物 1210被构成为除了允许足够冷却流体流动的通道，还为灯管1204提供轴 支撑和纵向滑动。
图13示出了前面提及的位于灯管1302的谐振idL良节点(anti-node) 1312(最大振幅)的区域中的支撑间隔物1310的使用，以便限制灯管1302 的固有振荡，从而防止过大谐振诱导应力。支撑间隔物1310被围绕灯管 1302的圆周放置，其沿径向延伸至冷却套管的内壁，并且沿灯管1302的 长度、按照适当反节点位置1312所需定位，从而在,上加强灯。示出 了第一模式谐振波1304，第二模式谐振波1306，以及第三模式谐振波 1308，连同其各个反节点位置1312。在某些更多需求的应用中，避免管 部分的谐振和可能过大的偏转可以是有利的，并且有助于减少灯管中微细 龟裂的产生，从而防止过早损坏和/或不可接受的脉冲灯寿命。
为了提供热传导或灯管与冷却套管之间的机喊力的传递，利用具有有 意不匹配的热膨胀系数的连接和/或压缩环材料可能是有利的。该方法利
用灯管外表面与冷却套管内表面之间的温度差，从而利用部件(灯管，环，以及冷却套管)之间的随后密切物理表面接触建立了热，，缩配合"。每个部 件上的压力量可以通过选定区域材料和灯冷却工作参数来准确定制，此 外，制造期间的，，滑动配合"条件可更加有利地变成灯系统操作期间所需的 更高温处的压缩配合。
现在已经描述了本发明的几个实施例，本领域技术人员应当理解上述 仅通过例子所提供的仅仅是示出性的，而非用来限制。本领域的普通技术 人员根据本发明可以实现各种修改和其它实施例，并且这些修改和实施例 在本发明及其等同内容的范围内。可以理解，本发明的变型对本领域技术 人员来说是显而易见的，并且本发明意图是包含那些可选实施例。此外， 由于本领域的技术人员会很容易地想到许多修改，所以不期望将本发明限 制于所示出和描述的确切结构和操作，并且因此，所有适合的^^改和等同 内容可^于本发明的范围采用。
权利要求
1.一种脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，包括灯管，所述灯管包括照射透明材料、内部的灯管表面、外部的灯管表面、第一灯管端部和第二灯管端部；气体，所述气体位于所述灯管内；以及至少一个电极，所述电极至少部分地位于所述灯管内，从所述灯管所述电极在所述气体中发出放电，所述放电具有方向，并且所述放电建立一个等离子体通道；所述灯还包括以下中至少一个用于给由于功率载荷产生的作用力提供阻力的装置；用于增强灯刚性和强度的装置；用于防止管谐振的装置；用于减少所述灯管中的拉伸负荷的装置；用于限制作用于所述灯管上的轴向压缩力的装置；或者用于消除、抑制和/或重定向冲击波的装置。
2. 如权利要求1所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述灯管还包括可选的灯管设计，所述可选的灯管设计包括以下中至少一个所述内表面或所述外表面还包括翼肋，至少 一个所述翼肋从包括纵向 翼肋、环形翼肋、螺旋翼肋、外表面翼肋、环形圏翼肋、以及非连续翼肋的一组翼肋中被选择；所述内表面或所述外表面还包括突出；所述内表面或所述外表面还包括凹陷，至少一个所述凹陷从包括纵向 凹陷、环形凹陷、螺旋凹陷、外表面凹陷、环形圏凹陷、以及非连续凹陷的一组凹陷中被选择；所述灯管还包括横截面，其从包括圆形、非圆形、椭圆、卵形、三角 形、矩形、多面形、具有圆角的多面形、以及菱形的一组横截面中被选择；所述灯管沿着纵向扭曲；或者所述灯管具有类似波紋的表面。
3. 如权利要求1所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，还包括至少一个第二管，其中所述灯管在所述第二管的至少一部分内，或其 中所述第二管在所述灯管的至少一部分上，所述第二管包括内部第二管表面和外部第二管表面；以及在所迷灯管和所述第二管之间的通道。
4. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，其中所述第二 管包括所述至少 一个电极的至少 一部分。
5. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述内部第二 管表面包括翼肋，其中所述翼肋接近于所述外部的灯管表面或在至少一个 位置与所述外部的灯管表面接触。
6. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述外部的灯 管表面包括翼肋，其中所述翼肋接近于所述内部的第二管表面或在至少一 个位置与所述内部第二管表面接触。
7. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述第二管内 表面包括以下中至少一个纵向翼肋、环形翼肋、螺旋翼肋、外表面翼肋、 环形圏翼肋、非连续翼肋、纵向凹陷、环形凹陷、螺旋凹陷、外表面凹陷、 环形團凹陷、非连续凹陷或突出。
8. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述灯管和所 述第二管中每个均包括螺旋翼肋，其中所述灯管的所述螺旋翼肋和所述第 二管的所述螺旋翼肋均沿相同方向螺旋或均沿不同方向螺旋。
9. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述灯管或所 述第二管还包括翼肋，所述翼肋^^供所述灯管与所述第二管之间的至少部 分接触。
10. 如权利要求3所述的脉沖宽带和/或紫外线(PUV)灯，包括间隔物，其中所述灯管与所述第二管通过所述间隔物被至少间断地连 接，并且其中所述间隔物调节所述灯管的至少一点处的至少一个径向压缩 或所述灯管的至少一点处的轴向压缩。
11. 如权利要求10所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述间隔物 包括弹性物。
12. 如权利要求10所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，其中所述间 隔物;i预应力间隔物或柔性间隔物中的至少 一种。
13. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，包括元件，其中所述元件将压缩从所述第二管传送到所述灯管。
14. 如权利要求14所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，其中所i2lit 件还包括用于将所述灯管置于所述第二管中心的居中装置。
15. 如权利要求3所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述通道还 包括冷却剂，其中所述冷却剂被增压。
16. 如权利要求15所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，其中所述冷 却剂#>压到至少2Bar。
17. 如权利要求1所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，还包括 冲击吸收装置，其中所述冲击吸收装置位于所述灯管内。
18. 如权利要求1所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述电极(s) 还包括头部；中间部分；以及尾部，所述头部可连接到或被连接到所述中间部分，所述中间部分可连接到或被连接到所述尾部；其中所述电极位于所述灯管中心；其中所述 电极的所述中间部分具有比所述电极的所述头部小的圆周，导致所述中间 部分与所述灯管之间比所述头部与所述灯管之间大的环形间隙，并且其中 所述气体位于所述环形间隙内。
19. 如权利要求18所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，所述环形间 隙的至少 一部分包括冲击吸收装置。
20. 如权利要求1所迷的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，其中所述第 一灯管端部或所述第二灯管端部中的至少一个是具有沿径向，轴向或双向 倾斜度的向外倾，分或向内倾斜部分。
21. 如权利要求20所迷的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，包括沖击波 消散和重定向装置，其中所述冲击波消散和重定向装置接触所述第一灯管 端部或所述第二灯管端部中的至少一个，并且包括在石英或玻璃和冷却介 质之间的中间密度材料。
22. 如权利要求1所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，还包括 灯端部支架，其中所述支架允许灯在热膨胀和/或高能脉冲作用下滑动。
23. 如权利要求1所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，还包括地电流返回装置，其中所述地电流返回装置将电流方向倒转到所述等 离子体通道并且与其同轴，其中所i^J4电流返回装置以预定距离被定位， 其中所述预定距离根据至少 一个因素被优化，所述因素从包括等离子体空 间位置、等离子体电;織截面形状、等离子体与所述内表面的接近度、等 离子体电流大小、等离子体温度、等离子体电流电子密度、以及光镨输出 的因素中选择。
24. 如权利要求23所述的脉冲宽带和/或紫外线(PUV)灯，其中所述地 电流返回装置是外部金属导体的对称阵列或平行导体的径向阵列。
25. —种脉冲闪光灯，包括灯管，所述灯管包括具有内部的灯管表面、外部的灯管表面、第一灯 管端部和第二灯管端部的照射透明材料；气体，所述气体存在于所述灯管内；至少两个电极，所述电极至少部分地位于所述灯管内，其中所述至少 两个电极之间的电流在所述气体中产生放电，所l故电具有方向；至少一个第二管，其中所述灯管在所述第二管的至少一部分内，或其 中所述第二管在所述灯管的至少 一部分上，并且所述第二管包括内部第二 管表面和外部第二管表面；以及在所述灯管与所述第二管之间的通道；所述脉冲闪光灯还包括以下中 的至少一个用于给由于多个脉冲功率负载所产生的作用力提供阻力的装置；用于增强灯刚性和强度的装置；用于防止管谐振的装置；用于减少所述灯管中的拉伸负荷的装置；用于限制作用于所述灯管上的轴向压缩力的装置；或用于吸收、抑制和/或重定向冲击波的装置。
全文摘要
宽带输出大功率脉冲闪光灯用于多种应用，并且当被特定优化时，可变为一个紫外线(UV)光的极好来源，其对光化学诱导材料处理应用尤其有用。涉及高能光脉冲的产品的多个因素在某些情况下可对紫外线灯工作有不利影响，从而导致灯玻壳中的微裂缝的产生，并且限制灯寿命。类似因素可以是灯部件增加吸收UV照射以及灯效率降级的原因。本发明描述了新型脉冲闪光灯设计，其使新一代大功率和高性能脉冲闪光灯能达到例如许多大规模光处理应用的要求。本发明唯一地并且有利地减轻微细龟裂以及故障的产生，显著地产生提高了的电效率，灯光学特性的稳定性，以及使用寿命。
文档编号H01J1/00GK101288143SQ200680035289
公开日2008年10月15日 申请日期2006年8月25日 优先权日2005年8月25日
发明者加富尔·扎伊涅夫, 博里斯·兹洛丁, 弗拉基米尔·普罗西尼克, 彼得·乌兰, 罗伯特·M·兰蒂斯 申请人:光束科技公司