一种非相干发射辐射光源的运行方法

专利名称：一种非相干发射辐射光源的运行方法
按照权利要求1的总构思，本发明涉及一种非相干发射辐射光源的运行方法。辐射的产生机理是在放电容器内产生的放电，其中在至少一个电极和放电区之间插入一个电介质层。因此这种放电类型又称为稳定或者电介质阻挡放电或者屏障放电。非相干发射的辐射光源是指紫外(UV-)和红外(IR-)辐射光源或者特别是指发射可见光的放电灯。本发明不仅适用于低压充气灯也适用于高压充气灯，还适用于介于高压与低压之间所有气压的充气灯。
这种放电的激发一般借助交流电压来实现，如在专利公开文献DE4022279和DE4203594以及专利文献US5117160中所公开发表的。在这些文献中，选用的激发频率介于工业交流电源频率与几兆赫MHz(DE4022279)之间，或者介于20和100KHz之间(US5117160)。
这种运行方式的缺点是，在工业上常用的功率密度下，所希望辐射的效率相当低。典型的UV-效率在面功率密度为1kw/m2时的10％和在面功率密度为10w/m2时的15％之间，见1992年10月7日在Karlsruhe大学光学技术所召开的紫外和红外研究领域第三届会议和1992年在布达佩斯召开的第六届光源科学与技术国际会议上Karlsruhe大学光学技术系(LTI)M.Neiger发表的“电介质屏障放电一种超常规光源”。
本发明的任务是，极大地提高所希望辐射的产生效率。
按照本发明此项任务用权利要求1为特征的总构思加以解决。在从属的权利要求中阐述了几个其它的优良的实施结构。
本发明的基本思想以重复脉冲驱动的电介质阻挡放电为基础，即连续不断地电能输入即使在高功率密度的单次放电的情况下，以确定的时间间隔Ton—以下称为“静止时间”—所中断。下述要求决定了各时间间隔持续的时间，即一旦电能进一步输入导致能量向所希望辐射的转换效率变低时，能量的输入或者更确切地讲，有效功率的输入就基本结束，或者一旦所充气体又松驰到能重新激发所希望辐射的高效发射时“静止时间”就结束，使平均辐射效率达到最佳。以这种方式，可使电能转换成UV-辐射的效率达到例如65％或更高，这与常规运行的电介质阻挡放电相比提高了数倍。
通常情况下，在此所涉及的是一个相同的或者仅只交替改变极性的电压脉冲序列，其中对电压脉冲的总数n原则上没有限制。然而某些特殊情况也可以使用一个按一定规律变化的脉冲序列。最后，脉冲序列也可以毫无规律(例如用于效果照明，其中把若干个脉冲组合成一组，形成人们看上去可以辨认的灯光效果)。
在脉宽TPn期间，电极间加有电压脉冲UPn(t)并且输入有效功率。原则上其时间曲线不是固定的，它可以选择不同的形状，例如a单极性形状，即在脉冲宽度TPn期间电压不改变其符号。其中，属于这一类的这里有梯形、三角形、弧形弯曲的电压脉冲，特别是抛物线形电压脉冲和正弦半波形电压脉冲，其中不仅正值而且负值都可以使用(见图6a，其中作为示例只画出了负值)。
b双极性形状，即在脉冲宽度TPn期间，电压改变其符号，而其形状既可以由正符号开始也可以由负符号开始。例如，这里可以是一个正弦波的两个半波，两个紧相连的具有相反符号的三角波，两个紧连在一起有相反符号的“矩形”或者梯形波而其前后沿可以有不同的上升时间和下降时间(见图6b)，以及c由a和b中的几个波形(最好两个或三个)组成的时间序列，其中电压UPn(t)可以有差别很大的值，特别是也可以短时间为零，即一些波形也可以由电压值为零的区间分开(见图6c)。特别是各独立波形可以重复。
在图6a-c中只是从可能的电压波形中示范性地选出几种。除这些之外可以设想还有大量的其它形状的波形。特别是在实践中，电信号总是伴随着有限的上升时间和下降时间、上过冲和下过冲，这些在图6a-c中没有画出。
对静止时间TOn期间的电压波形提出的要求是，选择电压Uon(t)，使在此电压期间基本不输入有效功率。相应地，小于重新点火电压的低电压值可能持续较长时间，有些情况下也可能持续整个静止时间Ton。其中不排除在静止时间内也可能短时间，即比脉冲宽度TPn小很多的时间内出现若干尖峰电压。
UPn典型的绝对值是几KV。Uon最好接近零伏。TPn和Ton的典型值在μS范围，而一般TPn比Ton小很多。
本发明放电的运行制式主要是由适当选择激励参数TPn、Ton和电压幅度UPn实现的，其中，为了特别高效率的运行要依次适当调整这些参数。同时脉冲形状也起重要作用。
在每种情况下，三种激励参数TPn、Ton和UPn(t)要选择的数值是由放电管的几何形状、填充气体的种类和气压以及电极的配置、电介质层的种类和厚度决定的。如果放电处在本发明的运行制式内，那么所希望辐射就达到最佳效率。
对出现在特定的灯管填充剂放电中的碰撞几率从而也是产生辐射的几率，主要是由电子密度ne和电子的能量分布决定的。本发明的运行方法有可能把这些随时间变化的量TPn、Ton和电压幅度UPn及脉冲形状，经适当选择调整至辐射的产生达到最佳效率。
与交流电压运行相比，本发明有意地使用了一个附加参数“静止时间”Ton，就是在很高功率密度下，用调整此参量人们第一次可以有针对性地对载流子密度的时间和空间分布以及能量分布函数施加影响。就当前交流电压运行所应用的技术水平而言，对这些参量只能通过频率施加很有限的影响。而本发明才使电介质屏障放电的效率以技术上感兴趣的功率密度获得大大提高，使其成为常规辐射光源的新品种。
本发明的运行制式可以用下列现象辨认，在电极之间不是形成不同的典型的线状或螺旋状的放电结构，而是在顶视图中即垂直于放电方向，出现大量形状相同的近似△状的放电结构，它们各自向阳极方向(瞬时的)展开。因为这些放电结构优选以KHz范围的重复频率出现，观察者所看到的只是相当于人眼时间分辨率的“平均”的放电结构，与图9a示出的照片相似。在电压脉冲交替改变极性的两侧电介质阻挡放电情况下看到的是两个△形结构的重叠。比如说当两个稍长的平行相对的电极，它们可能在一侧或两侧是电介质阻挡的，那么各个放电结构都横向对着稍长的电极，并排排列(见图9a、b)。适当选择上述参数，例如在适当的低气压下可以实现，各个结构的相邻排列形成一个单一的表现为漫射的放电。例如在透明的灯管中可以直接观察到放电结构。
本发明的显著优点在于，与输入到放电容器中的电功率密度的起伏相比，各放电结构特别稳定。如果电压脉冲幅度UPn增高，则各放电结构的基本形状不变。在电压超过某阈值后由放电结构之一产生另外一些相似的放电结构。也就是说提高电压脉冲的幅度增加输入电功率主要导致上述独立放电结构数量的增加，而结构的性质、特别是其外部形状和其高效率辐射特性保持不变。
这种性能首次有可能借助使用两个以上的电极在预先给定的放电体积内进一步合理化地提高输入电功率从而最佳利用放电体积。例如，围绕置于放电容器中心的内电极在容器的外壁对称排列多个外电极。随着外电极数量的增加也就可以提高由放电容器体积内最大可提取的辐射功率，因为各放电结构由中心内电极起向着各外电极点燃并且从而在适当的功率输入情况下逐渐充满放电容器的体积。
除此可能性外，在电极与轴平行排列的情况下还具有另一优点，即电功率和光通量随放电容器长度而成比例地变化。因为在这种情况下电场基本上与放电容器的纵轴垂直，所以放电容器的长度几乎可以任意增加，而不必相应地提高所需的点燃电压，例如常规管状放电灯通常就需要相应地提高。因此，在这种放电形式下对于某个确定的功率不仅要考虑放电容器的体积，也要考虑电极的数量，以及点燃放电结构的面数。在一个长50cm、直径24mm充有氙气的管状灯中每个“放电”面典型地可以输入有效电功率15瓦。
如果没有适当选择TPn和/或Ton或UPn(t)，就会随机地出现一个或者许多个向着充气空间延伸的边缘清晰的、又细又发亮光的“放电丝”。它们可能以本发明所述的放电结构为代价在放电容器内大范围扩展，如

图10b照片所示。因此这些“放电丝”看上去不仅其形状、而且其辐射的光谱分布都与本发明运行机制的放电形状有显著区别，但这是不希望有的，因为这些“放电丝”把电流的传输集中在狭小的横截面内，因而出现增高的电流密度外加伴随着增高的熄灭率并导致所希望的辐射产生效率的下降。
由这些现象可以导出实现本发明运行方法所适用的UPn(t)、TPn和Tpn值的通用规则。在放电点火之后选择UPn(t)、TPn和Ton使所希望的电功率的输入在本发明的运行机制内，即出现上述放电结构。出人意料的是实验发现正是在这种放电结构出现的情况下，电子密度以及电子能量分布函数所达到的数值使损耗过程最小。
上述三个运行参数中的每个参数不仅影响载流子密度的时间和空间结构，而且也影响电子的能量分布函数。因为它们对上述量的影响强弱不同，所以选定某个参数就为实现有效的放电模式确定了其余参数值的粗略范围。
对于每厘米放电距离和每帕充气压力脉冲电压幅度UPn的典型值在大约0.01和2V范围之间，脉冲时间TPn和静止时间Ton的数量级约为1ns到50μS以及约为500nS到1mS。对本发明的运行方法工作压力优选介于100Pa和3MPa之间。这意味着在中等压力范围(例如10KPa)内优先采用每厘米放电距离的电压脉冲幅度UPn介于100V和20KV范围之间。在高压范围(例如1MPa)意味着优先采用每厘米放电距离电压脉冲幅度UPn介于10KV和200KV范围之间。
为了防止触电，外电极最好与地电位连接，而内电极与高压连接。借此可对带电部件进行良好的触电保护。放电容器、包括电极，也可以安置在一个保护套内。用此方法当外电极不与地电位连接时也可得到触电保护。所有能传输电流的材料都可以做为导电的电极材料使用，其中也包括电解质。
对于单侧电介质阻挡放电，就是说在放电容器内，即充气室内，至少有一个未受电介质阻挡的电极，此外有必要使这个内电极在脉冲开始时相对电介质阻挡电极(在放电容器内部或外部)具有负极性(可能的正尖峰并且从功率输入的角度看无重要作用的起始脉冲可忽略不计)此后在脉冲期间其极性可能改变。
本发明的运行方法也适用于两侧电介质阻挡放电(所有的电极都通过电介质材料与放电区隔开，其中这种电介质也可能是放电容器本身)，没有必要对此方法作原则性的修改或者失去其优异功能。在所有电极都被电介质阻挡的情况下，极性的时间顺序和它本身不起作用。
原则上所有电极不仅都可以位于充气室的外部，例如位于放电容器的外表面上，或者其中一定数量位于外部而另一定数量位于内部，而且也可以全部都位于放电容器内，即在充气室内。在后一种情况下有必要使至少其中一个电极用电介质覆盖而且其中一个电极对其余电极具有相反的极性。
特别是在放电容器内部有浸蚀性媒质的情况下，没有电极与媒质直接接触具有很大优点，因为这样就能有效地防止对内电极的浸蚀。为实现这种放电灯可以把所有电极安置在放电容器的外面或者把位于放电容器内的电极用电介质层包起来。
本发明不采用大面积电极。电极对辐射的遮蔽很小。对于电介质阻挡电极来说，与电介质相接触的电极面积与该电极的周边之比越小越好。在一种特别优先采用的实施结构中电介质阻挡电极是安置在放电容器外壁上的窄条。栅状外电极也是适用的，例如格网、多孔薄板等。为了能充分利用放电容器的体积，内电极最好在放电的方向具有尽量小的尺寸。在一个特别好的实施结构中，采用的是棒状内电极。
单侧或双侧阻挡放电可以在大量各式各样形状的放电容器内加以实现，特别是也包括所有那样一些容器，这些容器例如在专利文献EP-AO385205、EP-PS0312732、EP-AO482230、EP-AO363832、EP-AO458140、EP-AO449018和EP-AO489184中所公开发表的常规运行电介质阻挡放电所采用的容器。
在具有小横截面的放电容器中电极应该优先这样安装，即相应的阳极和阴极之间的距离尽可能大。例如小横截面柱状放电容器，在放电容器内部内电极优选偏心安装，外电极固定在外壁上并与内电极径向相对。通过把电极分节可以进一步增加放电路程。此外，内电极和外电极具有交替地两个不同的区域，在这些区域内放电得到增强或者减弱。于是电极如此排列，即每两个不同的区域相对，从而削弱径向放电结构。放电点火主要是斜着向对应电极最邻近的区域。例如，这一点是这样实现的，即电极具有安装附加电介质层的交替的区域。
在较大的横截面时，内电极优先安装在放电容器的中心，其中，最好有若干个外电极固定在外壁上且在其周围对称分布。
放电容器的形状原则上没有硬性规定。根据应用目的，器壁必须由这样的材料制成，即这些材料对于所希望的辐射—至少在光栏内—具有必要的透明度。作为电介质屏障适于采用耐高压击穿的电绝缘材料(电介质)，例如各类硼硅玻璃—例如DURAN(Schott公司)，石英玻璃、Al2O3、MgF2、LiF、BaTiO3等等。通过电介质的厚度和类型可以影响放电结构。特别是足够厚的、适当的低相对介电常数的电介质材料、适于支持形成按本发明较低电流密度的放电结构，就是说避免形成不希望有的具有高电子密度和高电流密度的放电结构。简言之，由此导致了一方面由位移电流密度引起的电介质上的局部电压降与其厚度成正比并与其介电常数成反比。另一方面电介质上的电压降对电流密度的增长起反作用。
辐射的光谱组成主要由所充气体决定，并且可以是例如在可见光范围，在IR—范围或在UV—范围。原则上所有常规运行的电介质阻挡放电可以使用的填充剂都可以作为本发明用的填充气体，例如在专利DE-OS4022279、EP-AO449018、EP-AO254111、EP-AO324953和EP-AO312732中所发表的以及已经在受激二聚物激光器或受激态激光器中所使用的填充剂(例如I.S.Lakoba和S.I.Yakovlenko，“受激态激光器的有源介质(评论)”，Sov.J.Ouantum Electron.10(4)，4月1980，pp.389以及Ch.k.Rhodes，Ed.，“受激二聚物激光器”，Springer，1984)。属于这一类的有隋性气体及其混合物、惰性气体与卤素或者卤素化合物的混合物、金属蒸汽及其混合物、惰性气体与金属蒸汽的混合物、惰性气体与金属蒸汽和卤素或卤素化合物的混合物，此外，下列元素之一或者几个元素组合在一起也可以掺入上述填充剂中去氢、氘、氧、氮、氧化氮、一氧化碳、二氧化碳、硫、砷、硒和磷。特别是基于本发明的运行方法在受激二聚物放电中效率非常高的UV辐射开辟了UV高功率辐射器的广阔应用领域，例如在专利EP-AO 482 230已经提到的。属于这些应用的有光化学工艺如漆的硬化、表面的改性、饮水灭菌等以及在环保技术中用UV辐射分解有害物质。特别是对于最后提到的应用领域是特别有利的，放电可直接靠近被辐照物质，就是说可以放弃密封的放电容器以便避免容器壁对辐射中短波部分的衰减。特别是在产生UV—以及VUV辐照的情况下显示了另外的根本性的优点，即借助本发明的运行方法，可达到高的UV—效率与按照现有技术水平制造的相近辐射密度的UV—以及VUV辐射器相比可以放弃水冷却。另一种优异的应用是照明，在这里UV—辐射借助适当的发光材料转换成电磁波谱中的可见光范围。
本发明的另一些优点是不需要外部的限流，灯的光强是可调的，在一个单一的电压源上有可能并联若干个灯，在达到照明技术中所要求的功率密度的同时达到产生辐射的高效率。
在本发明的一种优选实施结构中放电容器涂覆上一层发光材料，以便把放电时产生的光转变为特别实用的光谱范围。发光材料的涂覆既可用于低压灯也可用于高压灯。在这里实质上可以使用已知的发光材料及其混合物。一种由发射蓝、绿和红光的发光材料的组合证明特别适用于荧光灯。特别是一种适用的蓝色发光材料是两价铕活化的铝酸钡镁(BaMgAl10O17∶Eu2+)。作为绿色成分特别是可以用铽活化的或者锰活化的发光材料。例如铽活化的硅酸盐氧化钇(Y2SiO5∶Tb)或者铽活化的磷酸镧(LaPO4∶Tb)以及用两价锰活化的硅酸锌(Zn2SiO4∶Mn2+)或者锰活化的铝酸镁(MgAl2O4∶Mn)。在用三价铕活化的发光材料中有良好的红光发光材料，例如氧化钇(Y2O3∶Eu3+)或者硼酸钇和/或硼酸钆。它们分别是YBO3∶Eu3+、GdBO3∶Eu3+和硼酸盐混合物(Gd，Y)BO3∶Eu3+。
对于热光显色使用的灯—根据在普通荧光灯中已知采取的措施—可以减少或者在某些情况下完全去掉蓝色成分。
对于具有特殊颜色重现特性的灯，适宜用具有发射蓝绿光谱范围的材料组分，例如用二价铕活化的发光材料。对此应用硼磷酸锶Sr6BP5O20∶Zu2+特别适合。
本发明特别是在荧光灯领域取得了突破性的进展。首次成功地取代了汞填充剂，而且仍达到与常规的荧光灯相当的内部UV—效率。与常规荧光灯比较，新的方法还有下列一些优点。毫无困难地冷起动是可能的，而环境温度对光通量没有影响，灯管也不变黑。此外，不含有限制荧光灯寿命的电极(如有电子发射覆层的热阴极)，不含有重金属和不含有放射性部件(荧光灯起辉器)。此外，与白炽灯和热阴极放电灯不同，光辐射没有明显的延迟，在电极上加上工作电压后立即发光(纯放电发光延迟约10μS，包括发光材料约6ms。与此相比白炽灯的响应时间约在200ms范围内)。这种性能对于在灯光信号装置、交通照明及信号照明中的应用特别有利。
下面借助几个实施例进一步阐述本发明。以下是简化的示意附图图1用新方法运行的按本发明实施例的棒状放电灯局部剖面纵视图；图2a沿图1所示放电灯的A—A横截面图；图2b本发明放电灯的另一种实施例横截面图；图2c本发明放电灯的另一种实施例横截面图；图3a为图1所示单侧电介质阻挡的放电灯的、在阴极与阳极之间按本发明优先采用的电压波形示意图；图3b电压波形示意图，这种波形只能用于按本发明运行的双侧电介质阻挡放电灯；图4a另一种按本发明实施例具有平面辐射器形状，可用新方法运行的放电灯的局部剖面顶视图；图4b图4a所示的放电灯的横截面图；图5a另一种按本发明实施例放电灯的侧视图，具有爱迪生—螺口插座的常规灯的形状；此灯可用新方法运行，图5b图5a所示放电灯沿A—A线的横截面示意图；图6a几种按本发明单极性负值电压脉冲UP(t)波形示意图；图6b几种按本发明双级性电压脉冲UP(t)波形示意图；图6c几种按本发明双级性电压脉冲UP(t)波形示意图，这些脉冲是由图6a和图6b的独立单元组成；
图7在本发明运行方式下(173hPaXe，脉冲频率25KHz)测得的电压U(t)、电流I(t)和功率P(t)＝U(t)·I(t)随时间变化的曲线；图8对应于图7但改变了时间座标的示意图；图9a、b按本发明放电结构的照片示例；图10a-b向不希望的放电结构过渡的照片示例。
借助图1可以对本发明用一种非常简化的结构予以说明，图1示出的是一种中等压力放电灯1的局部剖面纵视图，充有氙气，压力200hPa。一个长590mm，直径24mm和壁厚0.8mm由玻璃制成的柱状放电容器2内、沿着纵轴有一与轴平行、直径2.2mm的不锈钢棒状结构的内电极3。在放电容器2的外部有一外电极，由2根2mm宽的导银带4a、b制成，它们与轴平行安装并与电源连接。各导银带4a、b，如本实施例所示，由一金属环连在一起并共同与电源连接。在此必须注意，金属环应足够窄，以便不干扰放电。在另一设计方案中，导银带4a、b也可以分别与电源连接。内电极3与一个弓形馈电引线14电连接。馈电引线14经一扁块15引向外部；此扁块借助盘状密封焊块16与放电容器2气密连接。
此实施例的另一种方案中，放电管在金属环区具有扩大了的直径，例如突起形。从而抑制在此区域中形成起干扰作用的寄生放电。在上述实施例的一种特别优良方案中，棒状内电极只在其一端与第一个盘状密封焊接块刚性连接在一起。而其另一端是未固定的，被松动地导入一个柱状的套管中，此套管沿轴向同心地固定在第二个盘状密封焊接块上。这种安装方法具有明显优点，例如在高的电功率下连续工作时，内电极在加热时可以不受限制地沿轴向膨胀。否则放电管中可能产生不希望出现的材料应力，并且/或者电极可能弯曲。另外，此方案的上述特征，就其优异性能而言，不局限于本发明的工作方式。而原则上适用于相似类型的所有放电灯。
图2a示出图1所示放电灯的横截面示意图。内电极3是同心安装的，其中放电管2的外壁上安装了两个电极4a、b，这两个电极在外壁的周围是对称分布的。
图1中也示意性地示出了按本发明工作方式放电灯1所需电压源的基本构造。在脉冲发生器10中产生脉冲序列，就是说包括电压脉冲的形状和宽度与静止时间的宽度，并且此脉冲序列经后面的功率放大器11放大。示意性示出的此脉冲序列如同它加在内电极3上一样。高压变压器12把功率放大器11的信号变换成所需要的高压。放电灯用脉动直流电压所推动。按图3所示这里所涉及的是负的矩形脉冲。这些脉冲具有下列参数脉冲宽度Tp＝2μS，静止时间To＝25μS，在Tp期间电压幅度Up-3KV和在To期间电压幅度UoOV。
放电容器内壁附加发光材料涂层6，从而把此放电实施例中主要发射的UV—辐射转换成光谱中可见光范围的光，致使此种灯特别适合于照明方面的应用。这里涉及的是由下列成分组成的三种谱带发光材料蓝色成分是BaMgAl10O17∶En2+，绿色成分是Y2SiO3∶Tb和红色成分是Y2O3∶Eu3+。由此所得到的发光效率为37Lm/w。作为彩色重现特性有可能在色温4000k下达到Ra＞80。借助发光材料得到的VUV—效率大约为65％。这种灯
电容器2的体积比图2a和图2b实施例中更好地用于产生辐射。
在另一实施结构中，图1所示棒状灯的内壁用可反射UV—或VUV—辐射的涂层—例如MgF、Al2O3或CaF2取代发光材料涂层6。其中，只有内壁的一个优选与灯轴平行的窄条不涂覆。外电极是这样安装的，使UV—或VUV—辐射能毫无阻挡地通过这些条发射。这种实施结构特别利于大面积的物体高效率的VUV—辐射，例如用于平版印刷术中的曝光。在这种实施结构的一种优先采用的方案中，内电极由一个第二外电极所取代。因此UV—或VUV—辐射可以无阻挡地由涂覆层反射并且通过条形透明区向外发射。
图3a示意性示出，在内电极(阴极)和外电极(阳极)之间一个按本发明优选用于单侧电介质阻挡放电的电压脉冲波形。使用的电压波形可以偏离图3a中实施例的波形，只要加在内电极的电压脉冲以负电压开始并且由静止时间分开即可。
在图3b中示意性示出一种脉冲波形，其极性由脉冲到脉冲交替改变。它只适用于双侧电介质阻挡放电，其中第一个脉冲可以由任意极性开始。
图4a和图4b分别示出单侧电介质阻挡放电灯的另一种实施结构的顶视图和横截面图，此种结构的灯可以按新方法工作。这里涉及的是一种平面辐射器，具有一个上部发射面7a和一个与其平行的下部发射面7b，内电极3和外电极4与其垂直，并且内外电极交替排列，形成许多个平行的放电室8。各相邻的内、外电极由一个电介质层和一个充气放电室8分开，相邻的内电极只由电介质层分开。按本发明的工作方法，在此许多个平行排列的放电室8可以只用一个单一的电源13供电。放电容器的内壁涂有发光层6。这种平面辐射器也可以通过组合双侧电介质阻挡放电室实现。
图5a和图5b分别示出另一种实施结构放电灯的侧视图和横截面图。其外形象具有爱迪生—螺口插座9的常规灯并且可以按新方法工作。在放电容器2内同心地安装了一个纵向的内电极3，其横截面与对称十字形相似。在放电容器2的外壁上这样安装了4个外电极4′a、4′b、4′d、4′e，即它们与电极3的4个纵向边相对、从而放电结构基本上在两个平面内点燃，它们彼此垂直并且在灯的纵轴相交。
在上述实施结构的另一种优良设计中，内电极由直径为2mm圆形横截面的不锈钢棒构成，它在0.7mm厚的玻璃制造的圆柱状放电容器内同心地轴向安装。此放电容器具有50mm的直径，在远离插座的一端是一个抽气尖端，内电极远端插座的一端插入此尖端内。在放电容器内充有压力为173hPa的氙气。外电极是用12根1mm宽8cm长的导银带实现的，这些带与轴平行且均匀分布安置在放电容器的外壁上。借助一个安装在外壁上的环形导银带将这些外电极在插座区相互电连接。放电容器的内壁涂覆有发光材料层6。此处涉及的是一种三谱带发光材料，其蓝色成分是BaMgAl10O17∶Eu2+，绿色成分是LaPO∶(Tb3+、Ce3+)和红色成分(Gd，Y)BO3∶Eu3+。从而获得光效率达40Lm/w。色温为4000k和在国际照明委员会(CIE)制定的比色标准板上的彩色座标是x＝0.38、y＝0.377。从图7和图8—改变时间比例—可以看到电压U(t)、电流I(t)和功率P(t)＝U(t)·I(t)与时间的关系曲线。内电极的最大电压相对于外电极大约为-4KV。脉冲宽度(最大幅度一半时其间的时间)和静止时间约为1.2μS和约为37.5μS。图8中在第二个主电压脉冲U(t)前还可以清楚地看到4个较小幅度的前脉冲。从相应的电流I(t)和功率P(t)曲线中可以看到在此前脉冲期间没有电流流过，从而也没有电功率输入到气体。因此这些前脉冲对于本发明的工作方法是无害的。在25KHz脉冲频率下获得约65％的VUV—效率。
在上述实施结构的另一方案中，放电容器用对UV—或VUV—辐射透明的材料制成，例如SUPRASIL—石英玻璃(HeraeusQuarzschmelze Gmbh公司)。这种方案适于用作VUV—辐射源，例如用于光化学，在另外一种方案中内电极套上了玻璃。这种方案特别适用于有侵蚀性的介质，例如隋性气体卤化物，因为用这种方法可以防止内电极腐蚀。
图9a、b示出了按本发明用单极性电压脉冲产生的放电结构照片。图9a涉及的是一种双侧电介质阻挡放电。一个由玻璃制成的圆柱管状放电容器在其外壁上装有两个径向相对、沿着轴向的带状外电极。在放电容器内和在两个外电极的连接平面内排列着发绿色的与△形相近的放大结构。这些与△形相近的放电结构的细窄的足点每个都从阴极一侧内壁开始并且逐渐展宽延伸到放电容器的阳极一侧内壁。图9b涉及的是一种单侧电介质阻挡放电，此放电装置与图9a放电装置的差别仅仅在于有一附加的金属棒状内电极。此内电极用作阴极，在放电容器内同心轴向安装。由内电极表面开始各个与△形相近的放电结构总是逐渐展宽至两根外电极之一。特别是在图9b中可以清楚地看到，这些结构主要是均匀漫射发光。只是在其细的阴极一侧各端点上，它们都有一个占百分比很少的发光稍亮的区域。此外，特别值得注意的是良好的均匀性，它不仅涉及各个结构之间的距离、也涉及各个结构的形状和亮度分布，而且彼此之间进行比较都有良好的均匀性。
这些大量相同形状的结构在图10a-d的照片中形成鲜明的对比。它们按图中给出的顺序示出逐渐向非希望的放电结构过渡。图10a使用的放电装置与图9b的相似，在图10a中还可以辨认出几个按本发明的与△相似的放电结构。在放电装置图的左下方区域已经形成了一种结构，其形状与Y相似。在图中的上部区域—靠近照片中心的左侧—已经形成光亮的线状结构，取代了几个原来在其右侧相邻的△形放电结构。在放电容器内壁增高的发光密度，预示着在此区域要出现表面放电。图10b中示出的放电区域与图10a相比具有进一步减少的UV—效率。原来在此区域中存在的放电结构的数量进一步减少。图10c和10d涉及的是双侧(放电装置与图9a的装置相似)或单侧电介质阻挡放电。在两图中还仅可以看到一个线状结构。在阳极区的放电容器内壁上各可以辨认出两个带状表面放电。这些以Y形通向一个光亮的弧状结构。这种结构在对面阴极一侧的内壁上又分成两个相似的带状表面放电(图10c)或者在单侧电介质阻挡的放电容器内到阴极上终结。
本发明的范围不限于已给出的实施例。特别是可以把不同实施例的某些特征以适当的方式相互组合在一起。
权利要求
1.一种非相干发射辐射光源，特别是一种放电灯(1)的驱动方法，借助电介质阻挡放电，其中一个至少部分透明的由不导电材料制成的放电容器(2)充入气体填充剂(5)，其中在气体填充剂(5)附近至少安装两个电极(3、4)并且借助引线与电源(10-12)连接并且其中在至少一个电极(4)和气体填充剂(5)之间安置一个介电层，其特征在于，电源在电极(3、4)之间输入一系列电压脉冲，其中单个脉冲n由电压UPn(t)的时间曲线和数量级约为1ns到50μS的宽度TPn所标志，并且每个脉冲n与其随后的脉冲n＋1由宽度的数量级约为500ns到1ms的静止时间Ton的电压曲线Uon(t)分开，其中在宽度TPn时间内电压曲线UPn(t)是这样选择的，使在TPn期间向气体填充剂(5)优先输入有效电功率，相反在静止时间Ton期间电压曲线Uon(t)是这样选择的，使气体填充剂(5)可以恢复到一种状态，这种状态与每次前一个电压脉冲Upn内前的状态相似，其中各量UPn(t)、TPn、 Uon(t)、Ton相互之间是如此调整的，使电极(3、4)之间形成比较低电流密度的放电结构。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，电压曲线UPn(t)是单极性的并且在单极情况下放电形成独立的与△相似的结构，并且与此相应的在两侧介质阻挡放电交替极性的情况下总是产生两个这类结构的镜面重叠，其形状象X，其中这些独立结构之间的距离也可以这样地减少，使在极限情况下整个放电平面以一种类似“屏幕”的结构发射光。
3.按上述某一或某几个权利要求的方法，其特征在于，宽度Ton是这样选择的，使独立放电结构的体积时间平均值达到最大。
4.按上述某个或某几个权利要求的方法，其特征在于，电极(3、4)间的电压曲线UPn(t)在宽度TPn时间内的数值是这样选择的，即把它调到放电重新点火的电压。
5.按权利要求4的方法，其特征在于，电压曲线UPn(t)和Uon(t)以及宽度TPn和Ton调整到与填充剂压力、填充剂类型、放电距离、电介质材料和电极的配置相一致。
6.按权利要求5的方法，其特征在于，电压曲线UPn(t)由下列一种或许多种基本形状直接或者近似地组成三角形、矩形、梯形、阶梯形、弧形、抛物线形、正弦形等等。
7.按权利要求6的方法，其特征在于，在时间宽度TPn期间，选择电极(3、4)之间的电压脉冲UPn(t)的最大值，使其至少等于重新点火电压，包括电介质材料引起的电压降。
8.按权利要求7的方法，其特征在于，在每厘米放电距离和每帕(Pa)填充剂压力下，电压脉冲最大值在0.01和2V之间。
9.按上述某个或某几个权利要求的方法，其特征在于，足够厚的电介质层和适当低的相对介电常数促使形成比较低电流密度的放电结构。
10.按权利要求1的方法，其特征在于，电压曲线呈周期性。
11.按权利要求1的方法，其特征在于，至少一个电极的电介质层是由放电容器(2)的器壁构成的。
12.根据权利要求1所述方法，其特征在于，与电介质相接触的电极的面积与该电极的周长的比值要尽可能少。
13.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在单侧电介质阻挡放电的情况下，在功率输入期间，无电介质阻挡电极(3)与电介质阻挡电极(4)之间测得的电压曲线UPn(t)以负电压值开始，而可能出现的某些正的电压尖峰除外，就有效功率的输入而言，这些电压尖峰是无足轻重的。
14.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在单侧电介质阻挡放电的情况下，在功率输入期间，无电介质阻挡电极(3)与电介质阻挡电极(4)之间测得的电压幅度UPn(t)全是负值，而可能出现的某些正的电压尖峰除外，就有效功率的输入而言，这些电压尖峰是无足轻重的。
15.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在使用若干个电介质阻挡电极的情况下，在双侧电介质阻挡电极之间施加单极性或双极性电压脉冲或施加极性交替变换的电压脉冲。
16.根据权利要求1所述方法，其特征在于，在使用若干个电介质阻挡电极的情况下，在双侧电介质阻挡电极之间施加双极性电压脉冲。
17.根据上述某一或某几个权利要求所述方法，其特征在于，在使用一个或多个安装在放电容器(2)内的、特别是棒状或带状电极的情况下，这些电极是在中心或偏离中心安装的，其中，某个或许多个电极可以覆盖上电介质。
18.根据上述某一个或某几个权利要求，特别是权利要求1或12或17所述方法，其特征在于，，在使用某一个或某几个安装在放电容器外部的电极的情况下，这些电极是带状结构的。
19.根据权利要求1所述方法，其特征在于，放电容器(2)用一个管子制成，在其纵轴安装了一个内电极(3)，在其外壁上至少安装一个外电极(4)。
20.根据权利要求1所述方法，其特征在于，放电容器(2)呈扁平的直角平行六面体结构，由几个侧面和两个盖面(7a、7b)所限定，光发射主要通过这两个盖面，其中，内电极(3)和外电极(4)垂直于两个盖面安装，即形成许多平行的放电室(8)，它们安装在一个平面内，此平面与发射面平行，就是说与扁平的直角平行六面体结构的盖面平行，其中，具有不同电位的各相邻电极(3、4)由一个充气放电室(8)和一个电介质隔开。
21.根据权利要求20所述方法，其特征在于，电介质层把电极与充气放电室隔开。
22.根据权利要求1所述方法，其特征在于，放电容器基本上是柱形，并且在一端装有插头(9)，其中，在放电容器内有一个最好在一侧固定的位于中心的棒状内电极(3)，并且在放电容器外壁至少安装一个带状电极(4′a、4′b、4′d、4′e)。
23.根据权利要求22所述方法，其特征在于，内电极(3)具有圆形横截面。
24.根据上述某一个或某几个权利要求所述方法，其特征在于，限定充气空间的容器壁至少局部涂有发光材料(6)。
25.根据上述某一个或某几个权利要求所述方法，其特征在于，气体填充剂(5)的工作压力在100Pa和3MPa之间，特别是约大于1KPa。
全文摘要
本发明涉及一种非相干发射幅射光源的运行方法，特别是一种发射UV-、IR-或VIS-辐射的放电灯。借助一电压脉冲序列在放电管内产生放电，这些电压脉冲是由某些静止时间隔开的，其中使用一侧或两侧电介质阻挡的电极。通过适当选择填充剂、电极配置、放电距离、电介质材料的类型和厚度、与时间相关的电压幅度、脉冲宽度以及静止时间达到产生UV辐射的效率65％或者更高。
文档编号H01J61/46GK1120873SQ9419169
公开日1996年4月17日 申请日期1994年4月5日 优先权日1993年4月5日
发明者F·福尔康默, L·希斯克 申请人:电灯专利信托有限公司