专利名称：调整气体放电灯光谱的方法、气体放电灯及所述灯的照明器具的制作方法
技术领域：
本发明涉及调整气体放电灯在其工作过程中发出的光线的所需要的光谱的方法，所述气体放电灯包括放电腔，后者以气密方式封闭，带有第一可电离物质和比所述第一物质难电离的第二物质，它们同时存在于放电腔内，在工作过程中至少一部分所述第一和第二物质处于气体状态，所述气体放电灯在这样的电压和电流条件下工作，使得至少能使第一物质的气体电离，并能使第二物质被激活。
已知调整制成的气体放电灯在其工作过程中发出的光谱、实际上亦即调整其颜色的方法。为此目的，灯借助于非常短的高功率脉冲工作。脉冲的特性(脉冲持续时间约1微秒)使电子温度变得非常高，使得不易电离的气体物质，例如氖，被激活，并开始对光谱产生影响。
这样一种方法的缺点是为了产生持续时间非常短的高功率脉冲，需要比较昂贵的电子线路。
本发明的目的是改进在开篇中指出的方法。
为达此目的，按照本发明的方法具有以下特征根据所需要的光谱调整ⅰ)第一物质的分压强对ⅱ)第二物质的分压强的比值。
已经发现，改变这些分压强的比值即可调整光谱。因此，改变ⅰ)强度对作为要求的全光谱波长范围的一小部分的波长范围的积分和ⅱ)强度对整个要求的光谱的波长范围的积分之间的比率。第一物质和第二物质都通过发射光来对光谱产生影响。长期以来一直就知道，节能灯冬天在户外至少在启动过程中，由于温度条件和随之而来的汞分压强较低而造成颜色偏离，但就申请人到目前为止所知，尚无人提出涉及改变气体放电灯内的气体分压强来按照要求调整气体放电灯发出的光的光谱的建议。需要什么光谱这取决于应用。在温室用灯的情况下，所需要的光谱的波长范围对应于在依赖于光的生理过程中起作用的波长范围。用灯给人类家庭环境或专业环境照明需要人眼敏感的波长范围。这里应该指出，若使用发光物质，本专业的技术人员都清楚，上述所需要的波长范围可以从用来适当激活发光物质的所需要的波长范围中导出。本发明中使用如下定义。“基准压强”一词理解为当该灯在灯接通(这通常是灯的放电空间中的最冷点)、而同时灯在25℃环境温度下工作的情况下具有等于灯的一部分的限定第一物质的压强的温度的温度时非工作的气体放电灯中的主导分压强。在这种情况下，处于气态的那一部分第一物质至少基本上均匀地分布在灯的放电腔的空腔内。基准压强用作表示对于工作的气体放电灯、应该有多少某种物质存在于气体状态的量度。正如下面将要进一步解释的，在气体放电灯工作过程中第一物质的浓度会局部地发生差异。在那种情况下，“局部分压强”将用于相关位置。本发明的本质在于，调整放电灯中发生放电的那一部分，亦即放电空间的局部分压强。在本申请的描述中不特指地用到“分压强”的地方，指的是放电空间中心主导的“局部分压强”，所述中心是放电空间离壁部最远的部分。第一物质和第二物质彼此的差别在于它们不同的发射光谱。在诸如磷等发光材料的情况下，细小的差别就够了，只要所用的发光材料对两个彼此接近的发射光谱的灵敏度不同即可。通常，灯中气体混合物的压强在10和10,000Pa之间。与第一物质相比，第二较难电离的物质是过量存在的。环境温度一般至少15℃。
这些分压强的比率最好以这样的方式改变，使得ⅰ)强度对作为覆盖整个需要的光谱的波长范围的一小部分的波长范围的积分与ⅱ)强度对整个需要的光谱的波长范围的积分的比率，与当前值相比至少变化3％。
至少3％的修改使得能够发生用户主观观察到的变化。发射光谱定义为能够在气体放电灯内壁处测量到的发射光谱。
在主实施例中，使用配备发光材料的气体放电灯，这些物质中处于气态的一种发射具有第一光谱的可见光，而处于气态的另一种物质发射UV(紫外)辐射，所述UV辐射激发发光材料，使之发出不同于第一光谱的第二光谱的可见光。
所述可见光的发射使得有可能在除把UV发射转换成可见光所需的发光材料外、为此不需要更多的发光材料的情况下实现光谱的改变。
最好用稀有气体，尤其是氖或氙作为第二物质。汞适合于用作第一物质。
这些物质非常适合于操作按照本发明的气体放电灯。尤其是氖使直接发射的红光的比例得以改变。由于氙有不同于汞的UV发射光谱，故能与汞结合使用，所以氙令人感兴趣。汞作为第一物质令人感兴趣，因为它的分压强可以通过气/液或气/固相转变而调整。
因此，为了改变汞的分压强，气体放电灯最好配备有液体汞或汞合金，对其其温度进行调整，以调整ⅰ)汞分压强与ⅱ)第二物质分压强的比率。
这样便可以简单地廉价地(借助于气/液相转变，或者在汞合金的情况下的气/固相转变)改变汞的基准压强，相应地还可以改变局部汞分压强和气体放电灯的光谱。
在一个令人感兴趣的实施例中，通过与该壁导热接触的电冷却和/或电加热装置来调整放电腔的气密密封壁的温度。
所述装置可从ⅰ)设置在至少一部分气体放电腔壁上的电阻和ⅱ)珀尔贴(Peltier)元件中适当选择。电阻可以是，例如，设置在放电腔的内壁或外壁的导电涂层，诸如氧化锡涂层。因此可以使沉积在气体放电灯内壁上的汞通过提高温度再次回到气体状态。如上所述，这使汞分压强提高，而最后使气体放电灯的光谱改变。使用Peltier元件使得有可能按要求冷却或加热。这样，与非强制冷却相比，不仅可以提高分压强，而且还可以快速降低分压强。
在按照本发明的方法的主实施例中，控制提供给气体放电灯的电流以改变各分压强的比率。
增大电流，即可增大电离的机会。电子和离子之间扩散速度的差异助长施加在带正电荷的离子上的向外的力，亦即向气体放电灯内壁的方向上的力。带正电荷的离子在内壁上被中和，并缓慢地返回扩散入灯的放电腔的空腔中。中性颗粒和它激活的配对物之间的扩散速度差使得有可能通过改变这些颗粒的比率(在双极性扩散的影响下的径向阳离子电泳)改变气相的第一物质，诸如汞的局部分压强。
气体放电灯可以按希望用交流电流或直流电流工作，所述交流或直流电流以下述方式调制。交流或直流电流的振幅可以按照25和2,000Hz(赫芝)之间最好75和2,000Hz之间的调制频率适当变化，并且有功率高于平均功率的第一周期部分和功率小于平均功率的第二周期部分，两个周期部分都需要有至少250微秒的长度。
这样，就有可能通过改变电流的调制方法(亦即调制频率、所述第一和第二周期部分长度之间的比率和第一周期部分中的功率和平均功率之间的比率)和流过灯的电流的振幅，而彼此独立地改变灯的光通量和灯的颜色。一般，汞的基准压强低于10pa，而灯在10-3和50mA/mm2(毫安/平方毫米)之间的电流密度的条件下工作，最好汞的基准压强在0.20和5Pa之间并且灯在0.01和20mA/mm2之间的电流密度的条件下工作。这里电流密度定义为总电流强度除以垂直于放电腔纵向的平面上管子的横截面。若用氖作为第二物质，则合适的汞压强在0.2和0.9Pa之间，氖压强在100和3,000Pa之间，而电流密度在0.1和7mA/mm2之间。
本发明还涉及气体放电灯，它包括以气密方式封闭的放电腔，放电腔内带有第一可电离物质和比第一物质难电离的第二物质，而同时工作过程中至少一部分第一和第二物质能够处于气相。
按照本发明，气体放电灯配备有相对于预置值改变所述各气体分压强比率的装置。
工作过程中由这样的气体放电灯发射的光的光谱可按要求调整。
在一个重要的实施例中，所述装置从ⅰ)控制温度用的装置和ⅱ)控制流过放电腔的电流的控制装置中选择，-具有在25和2,000Hz之间、最好在75和2,000Hz之间的调制频率；和-具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率低于平均功率的第二周期部分，条件是两个周期部分都应具有至少250微秒的长度。
给定这样的装置，调整光谱就简单了。控制温度用的装置可以根据需要存在于气体放电灯内部或外部。在后一种情况下，它们可以与气体放电灯分开，或固定地连接到气体放电灯上。
在合适的实施例中，温度控制装置由Peltier元件形成。
Peltier元件能够按照需要执行加热或冷却操作。它不仅能够提升诸如汞压等分压强，而且可以降低分压强。Peltier元件最好控制放电腔中确定工作过程中第一物质分压强的那一部分的温度，最好在诸如汞或汞合金等第一物质的位置的分压强。
在替代实施例中，温度控制装置用适用于与气体放电灯的内壁导热接触的电阻形成。在一个令人感兴趣的实施例中，电阻是诸如氧化锡涂层等透光的涂层。
这样就有可能简单地提升灯的温度。此外，电阻最好存在于气体放电腔中确定工作过程中第一物质的分压强的那一部分。该涂层可以设置在放电腔的内部和/或外部。
在一个能以简单的方式实现的实施例中，配备有温度控制装置的气体放电灯还包括液体汞或汞合金，它们的温度可用所述装置控制，并与之连通，最好存在于放电腔内。
按照本发明的典型的气体放电灯包括作为第一物质的汞或汞合金和作为第二物质的氖，汞的基准压强至多为10Pa，氖的基准压强至多为104pa，详细地说，其中汞的基准压强在0.20和5Pa之间，而氖的基准压强在100和3,000Pa之间。
按照本发明的气体放电灯专门的实施例具有以下特征气相中的第一物质和气相中的第二物质在工作过程中分别主要发射UV范围的辐射，具有第一光谱和不同于第一光谱的第二光谱；以及气体放电灯包括第一发光材料和第二发光材料，发光材料在受激发时都发射出可见光，但具有不同的光谱，第一发光材料对具有第一光谱的UV辐射具有较高的灵敏度，而第二发光材料对具有第二光谱的UV辐射具有较高的灵敏度。
在气体放电灯中的这两种物质在气相中都主要发射UV辐射，但具有不同的波长。所述各发光材料保证气体放电灯能够发射出具有可变光谱的光，这是由于它们对所述波长具有不同的灵敏度。
最后，本发明涉及配备有电源装置的气体放电灯的照明器具，它包括用来控制从包括ⅰ)直流和ⅱ)交流的一组中选出的电流的电路，-带有可由用户按需要在25和2,000Hz之间，最好在75和2,000Hz之间调整的调制频率；和-带有其功率高于平均功率的第一周期部分和其功率低于平均功率的第二周期部分，条件是两个周期部分都应具有至少250微秒的长度。
这样的电源装置非常适合于由用户来调整气体放电灯的光谱，气体放电灯包括用气密方式密封的放电腔，所述放电腔内有诸如汞等的第一可电离物质和较第一物质难电离的第二物质，诸如氖，而同时至少一部分第一和第二物质在工作过程中处于气相。
一种替代的照明器具可以配备用来控制气体放电灯的至少一部分的温度的装置。这样的装置包括，例如，Peltier元件或电阻，并且可以配备用来测量温度、尤其是测量气体放电灯周围温度的元件。
现将参照实施例和附图，以举例方式详细地描述本发明，附图中
图1是表示试验性气体放电灯的示意图2表示在不同灯电流下汞密度随着离灯轴的距离而变化的情况；而图3用曲线表示温度和流过试验性气体放电灯的电流对发射光的颜色的影响。
一个U型管配备有4,000K三磷光体涂层，后者包括磷光体YOX,CBT及BAM(Philips，Eindhoven，Netherlands)，填充有1,500Pa氖气。在与该管放电腔1的空腔连通的辅助管4中设置90mg(毫克)BiIn汞合金。灯的内径为24mm，而电极2和电极3之间的间距为15cm。
U型灯悬挂在温度控制的热处理槽中，使得电极2和电极3仍旧在水上面，而辅助管4则在水中。
灯与200nF(微微法)电容串联，并连接到ENI Plasmaloc 1-HF电源(ENI Power System Inc,Rochester,N.Y.,USA)。该电源是具有90kHz频率的正弦电压形式的电源。
能够一次测量整个可见光光谱的光多信道分析仪用来确定各种参数对气体放电灯发射的光的光谱的影响。
测量是若干个不同的水温下进行的，以便改变灯内的汞压强。
从10W开始，以约5W的步距上升，以不同的连接功率测量了灯的光谱。每一次从测到的灯光谱计算光度计输出(光通量F)、颜色坐标x和y以及相关的色温Tc。
图3以曲线的形式表示采集的数据。由此可以看出，在较高的电流I或较低的汞合金温度下灯的相关室温Tc变得较低。
在第二序列的试验中，灯用50kHz交流供电，电流以低频调制。灯在每个调制周期的第一部分被供以比平均功率高的功率，而灯在每个调制周期第的二部分被供以低于平均功率的功率。图2清楚地表示汞密度随着灯容器的半径的变化极大地取决于灯电流，亦即取决于灯功率。汞密度在灯容器中的分布强烈地影响灯产生的光的颜色。结果，灯在调制周期第一部分辐射的光的颜色不同于灯在调制周期第二部分辐射的颜色。只要调制频率足够高，人眼将记住灯在一个周期中相继辐射的两种颜色的混合色的光。
在第二序列的试验中，灯电流由Spitzenberger和Spies 600/C功率放大器和UT 600/G变压器产生。Spitzenberger放大器的输入电压由连接到Philips脉冲发生器PM 5716的Philips波形发生器PM 5190产生。PM 5716脉冲发生器调制波形发生器PM 5190的输出电压的振幅，并因而确定调制的占空比。积分灯功率用Norma AC/DC功率分析仪D5235测量。灯电压Vlamp用Fluke PM 3384A示波器测量。灯电流Ilamp用连接到同一个Fluke示波器的Philips PM 9355 AC电流探头0.5V/A测量。输出光和光的颜色坐标用LMT比色计C1210测量。
发现通过调整调制频率，亦即调整在每个周期第一部分和每个周期的第二部分过程中提供给灯的功率以及这第一和第二部分的持续时间，可在一个宽的范围内调整灯产生的光的色温。这是甚至在灯的光输出维持在大约恒定的水平的情况下发现的。
权利要求
1．一种调整气体放电灯在其工作过程中发射的光的所需要的光谱的方法，所述气体放电灯包括放电腔，后者以气密方式封闭，带有第一可电离物质和比所述第一物质难电离的第二物质，所述第一和第二物质两者都存在于所述放电腔内，在工作过程中，至少一部分所述第一和所述第二物质处于气态，气体放电灯在这样的电压和电流条件下工作，使得至少所述第一物质的气体可以被电离，而所述第二物质能被激活，其特征在于根据所需要的光谱调整ⅰ)所述第一物质的分压强对ⅱ)所述第二物质的分压强的比值。
2．权利要求1所要求的方法，其特征在于改变这些分压强的比值，使得ⅰ)强度对作为覆盖整个需要的光谱的波长范围的一小部分的波长范围的积分与ⅱ)强度对整个需要的光谱的波长范围的积分的比率，与设定值相比至少变化3％。
3．权利要求1或2所要求的方法，其特征在于使用配备有发光材料的气体放电灯，处于气态的这些物质中的一种发射具有第一光谱的可见光，而处于气态的另一种物质发出UV(紫外)辐射，所述UV辐射激发所述发光材料，使之发射具有不同于所述第一光谱的第二光谱的可见光。
4．前述权利要求中任何一个所要求的方法，其特征在于用稀有气体作为所述第二物质。
5．权利要求4所要求的方法，其特征在于用氖或氙作为所述第二物质。
6．前述权利要求中任何一个所要求的方法，其特征在于用汞作为所述第一物质。
7．权利要求6所要求的方法，其特征在于所述气体放电灯配备有液体汞或汞合金，对其温度进行调整，以便调整ⅰ)汞分压强与ⅱ)所述第二物质分压强的比率。
8．权利要求6或7所要求的方法，其特征在于通过与所述气体放电灯的气密密封壁导热接触的电制冷和/或加热装置，调整所述壁的温度。
9．前述权利要求1至6中任何一个所要求的方法，其特征在于为了改变所述各分压强的比率，控制供给所述气体放电灯的电流。
10．权利要求9所要求的方法，其特征在于使所述电流以25和2,000Hz(赫兹)之间、最好75和2,000Hz之间的调制频率变化，以及具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率小于平均功率的第二周期部分，条件是所述两个周期部分都应当具有至少250微秒的持续时间。
11．权利要求9或10所要求的方法，其特征在于汞的基准压强低于10pa，以及所述灯在10-3和50mA/mm2之间的电流密度的条件下工作。
12．权利要求11所要求的方法，其特征在于所述汞的基准压强在0.20和5Pa之间，以及所述灯在0.01和20mA/mm2之间的电流密度的条件下工作。
13．一种气体放电灯，它包括放电腔，后者以气密方式封闭，带有第一可电离物质和比所述第一物质难电离的第二物质，两者都存在于所述放电腔内，在工作过程中，至少一部分所述第一和所述第二物质处于气态，其特征在于所述气体放电灯配备有用来改变所述发光气体的分压强对设定值的比率的装置。
14．权利要求13所要求的气体放电灯，其特征在于所述装置从ⅰ)用来控制温度的装置和ⅱ)用来控制流过放电腔的电流的控制装置中选择，-具有25和2,000Hz之间、最好75和2,000Hz之间的调制频率；以及-具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率低于平均功率的第二周期部分，条件是所述两个周期部分都应具有至少250微秒的持续时间。
15．权利要求14所要求的气体放电灯，其特征在于所述温度控制装置由Peltier元件形成。
16．权利要求14所要求的气体放电灯，其特征在于所述温度控制装置由与所述气体放电灯内壁导热接触的电阻形成。
17．权利要求16所要求的气体放电灯，其特征在于所述电阻是透光涂层。
18．权利要求14至17中任何一个所要求的气体放电灯，其特征在于配备有温度控制装置的所述气体放电灯还包括液体汞或汞合金，其温度可以由所述装置控制，并与所述放电腔连通，而且最好存在于所述放电腔中。
19．权利要求14至18中任何一个所要求的气体放电灯，其特征在于所述气体放电灯包括分别作为第一和第二物质的汞或汞合金和氖，汞的基准压强最高为10pa，氖的基准压强最高为104pa。
20．权利要求19所要求的气体放电灯，其特征在于所述汞的基准压强在0.20和5Pa之间，而所述氖的基准压强在100至3,000Pa之间。
21．权利要求13至20中任何一个所要求的气体放电灯，其特征在于气相中的所述第一物质和气相中的所述第二物质在工作过程中主要发射UV范围内的辐射，分别带有第一光谱和不同于第一光谱的第二光谱，以及所述气体放电灯包括第一发光材料和第二发光材料，这些发光材料受激时均发出可见光，但具有不同的光谱，所述第一发光材料对具有第一光谱的UV辐射具有较高的灵敏度，而所述第二发光材料对具有第二光谱的UV辐射具有较高的灵敏度。
22．权利要求21所要求的气体放电灯，其特征在于所述第一物质包括汞，而所述第二物质包括氙。
23．一种气体放电灯照明器具，其特征在于所述照明器具包括电源单元，后者包括用来控制、亦即调制从包括ⅰ)直流和ⅱ)交流的一组中选择的电流的电路-具有25和2,000Hz之间、最好在75和2,000Hz之间的调制频率；以及-具有功率高于平均功率的第一周期部分和功率低于平均功率的第二周期部分，条件是所述两个周期部分都应具有至少250微秒的持续时间。
24．一种气体放电灯照明器具，其特征在于所述照明器具配备有用来控制所述气体放电灯的至少一部分的温度的装置。
全文摘要
本发明涉及调整气体放电灯在其工作过程中发射的光线的需要的光谱的方法,该气体放电灯包括第一可电离物质和比第一物质难电离的第二物质。按照本发明,气体放电灯以这样的方式工作,使得两种物质的气体都能被激活,而同时根据所需要的光谱调整第一物质的分压强。为此目的,例如,可以对流过灯的电流进行调制。在可供选择的实施例中,这可以通过调整存在于气体放电灯中的汞合金的温度来改变汞分压强而相适应地实现。本发明还涉及其颜色在其工作过程中能够改变的气体放电灯,以及配备有这种灯的电源的照明器具。
文档编号H01J61/72GK1288586SQ99802100
公开日2001年3月21日 申请日期1999年9月9日 优先权日1998年9月16日
发明者L·P·巴克, G·M·W·克勒森 申请人:皇家菲利浦电子有限公司