Изобретение относится к улучшенному способу получения видимого света и к улучшенной лампе для получения такого света.
Настоящая заявка является частичным продолжением заявки США N 08/656381, поданной 31 мая 1996 года.
Уровень техники
Патенты США 5404076, 5606220 и публикация РСТ N WO 92/08240, которые вводятся в данное описание ссылкой, раскрывают лампы для получения видимого света, в которых используются наполнители на основе серы и селена. Одновременно рассматриваемая заявка на патент США 08/324149, поданная 17 октября 1994 года, также вводимая в данное описание ссылкой, раскрывает аналогичные лампы для получения видимого света, в которых используется наполнитель на основе теллура.
Эти лампы, в которых используется сера, селен и теллур, предшествующего уровня техники с высокой степенью эффективности обеспечивают свет с хорошим коэффициентом цветопередачи. Кроме того, безэлектродные варианты этих ламп имеют очень большой срок службы.
Большинство практических реализаций ламп, в которых используется сера, селен и теллур, требует вращения колбы для обеспечения нужного режима работы. Это указано в публикации РСТ WO 94/08439, в которой отмечается, что если вращение отсутствует, то происходит локализованный или нитевидный разряд, в результате чего не обеспечивается достаточное заполнение колбы.
Требование вращения колбы, которое обычно обязательно для ламп предшествующего уровня, вносит определенные сложности. Так, колба вращается двигателем, который является потенциальной причиной отказа и может быть фактором, ограничивающим срок службы лампы. Кроме того, необходимы дополнительные компоненты, что усложняет конструкцию лампы и, соответственно, требует большего количества запасных частей. Поэтому было бы желательно создать лампу, обладающую достоинствами ламп предшествующего уровня, в которых используется сера, селен и теллур, но для работы которых не требуется вращение колбы.
В публикации РСТ WО 95/28069 раскрывается лампа, в конструкции которой используется сосуд Дьюара для исключения необходимости вращения колбы. Однако такая конструкция приводит к усложнению, поскольку используются периферийный и центральный пластинчатые электроды, и в этом случае отмечается тенденция перегрева центрального электрода.
В публикации РСТ WO 93/21655, рассматриваемой в качестве ближайшего аналога изобретения, раскрываются лампы с серой и селеном, в которых свет отражается обратно в колбу для уменьшения цветовой температуры излучаемого света или для приближения ее к цветовой температуре излучения черного тела. В таких лампах используется излучение, основная часть энергии которого лежит в видимой (и выше) части спектра, которое отражается для получения излучения в другой видимой части спектра, содержащей больше энергетических составляющих в красной части спектра. Однако раскрытое в WO 93/21655 решение, позволяя перераспределять энергию излучения в пределах видимой области спектра, не дает повышения пропорциональной доли энергии излучения во всей видимой области.
Из уровня техники также известны "лампы с отверстием (окошком)" (например, опиcанная в патенте США Re 31,492 на имя Робертса). В патенте Робертса раскрывается безэлектроная сферическая колба, имеющая отражающее покрытие по всей поверхности колбы за исключением области окошка, которая совмещается со световодом. Однако было установлено, что конструкция Робертса не пригодна для данного изобретения, если бы оно использовалось в обычных условиях. Это связанно с использованием покрытия на колбе лампы. Когда колба нагревается в процессе работы, то из-за различных коэффициентов теплового расширения кварцевой колбы и покрытия происходит растрескивание покрытия. Таким образом, срок службы лампы существенно ограничивается. Кроме того, покрытие обычно имеет недостаточную толщину для того, чтобы обеспечивать ту отражательную способность, которая необходима для обеспечения достаточного преобразования длины волн от ультрафиолетовой области в видимую.
Сущность изобретения
Для преодоления вышеуказанных недостатков уровня техники предложены способ получения света и варианты устройства излучения света. Согласно предложенному способу в оболочку помещают наполнитель, способный при возбуждении излучать, поглощать излучение и переизлучать поглощенное излучение на большей длине волны, возбуждают указанный наполнитель и получают излучение с первым спектром при отсутствии отражения излучения обратно в наполнитель. Часть этого излучения отражают обратно в наполнитель с обеспечением выхода из оболочки части излучения со вторым спектром. Отличие предложенного способа от вышеупомянутого ближайшего аналога состоит в том, что используют наполнитель, в первом спектре которого доля энергии излучения в ультрафиолетовой области составляет по меньшей мере 10% от суммарной энергии излучения в ультрафиолетовой и видимой областях, при этом указанное отражение части излучения обратно в наполнитель осуществляют с получением на выходе из оболочки излучения со вторым спектром, имеющим более высокую пропорциональную долю энергии излучения в видимой области спектра по сравнению с первым спектром.
В одном варианте выполнения предложенное устройство излучения света содержит оболочку, наполнитель, расположенный в оболочке с возможностью излучения света в результате возбуждения, поглощения излучения и переизлучения поглощенного излучения на большей длине волны, источник энергии возбуждения, связанный с наполнителем для возбуждения наполнителя, имеющего первый спектр в отсутствии отражения излучения обратно в наполнитель, и отражатель, размещенный вокруг оболочки с возможностью отражения части излучения наполнителя обратно в наполнитель и выхода из оболочки части излучения со вторым спектром. Отличие данного варианта устройства от вышеупомянутого ближайшего аналога состоит в том, что в первом спектре излучения наполнителя доля энергии излучения в ультрафиолетовой области составляет по меньшей мере 10% от суммарной энергии излучения в ультрафиолетовой и видимой областях, а второй спектр излучения наполнителя на выходе из оболочки имеет более высокую пропорциональную долю энергии излучения в видимой области спектра по сравнению с первым спектром.
В настоящем изобретении отражение излучения обратно в наполнитель существенно увеличивает эффективную оптическую длину пути относительно, по крайней мере, части первого спектра. При этом оболочка может формироваться с меньшими размерами и/или наполнитель может иметь меньшую плотность, чем требуется для обеспечения соизмеримой пропорциональной доли энергии излучения в видимой области спектра при отсутствии отражения излучения обратно в наполнитель. Таким образом, в заявленном изобретении отражаемое излучение имеет существенную часть энергии в ультрафиолетовой области (то есть, по крайней мере, 10% от общей величины энергии излучения в ультрафиолетовой и видимой части спектра), часть которой преобразуется в энергию видимого излучения. Именно это преобразование ультрафиолетового излучения в видимое посредством многократных отражений позволяет обеспечить замену больших колб (оболочек) колбами меньших размеров и/или использовать меньшую плотность активного материала, что обеспечивает устойчивость работы без вращения колбы. В соответствии с одним из аспектов изобретения плотность наполнителя может быть выбрана достаточно малой для обеспечения устойчивого получения света без вращения оболочки. В соответствии с еще одним аспектом изобретения отражение части света может обеспечиваться формированием отражателя, размещаемого вокруг оболочки и имеющего отражательную способность примерно 97% или больше.
Наполнитель может содержать, по крайней мере, одно вещество, выбранное из группы серы и селена, и плотность наполнителя может выбираться таким образом, чтобы первый спектр содержал существенную спектральную составляющую энергии излучения в ультрафиолетовой области, а второй спектр - ослабленную спектральную составляющую энергии излучения в ультрафиолетовой области по сравнению с первым спектром, при этом ослабленная спектральная составляющая в ультрафиолетовой области может быть, по крайней мере, на 50% меньше, чем величина существенной спектральной составляющей в ультрафиолетовой области. Также второй спектр может в основном находиться в видимой области спектра.
Настоящее изобретение позволяет выбирать плотность наполнителя достаточно малой для обеспечения устойчивого получения света без вращения оболочки.
Поскольку способ изобретения включает многократные отражения излучения в наполнителе и затем его испускание наружу, предполагается использовать лампу, имеющую отражательный слой вокруг кварцевой колбы, и область без покрытия, через которую свет испускается наружу.
Отражатель может содержать материал, имеющий коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения материала оболочки, и который размещен, по крайней мере частично, с зазором от оболочки в непосредственной близости от оболочки. При этом материал отражателя не взаимодействует с оболочкой при рабочей температуре устройства либо материал отражателя не сцепляется с оболочкой.
Материал отражателя может быть аналогичен материалу оболочки, но иметь другую структуру. Например, материалом оболочки является кварц, а материал отражателя содержит, по крайней мере, одно из веществ - оксид кремния или диоксид алюминия.
Отражатель в устройстве может иметь корпус со стенками, расположенными на расстоянии от оболочки, и в пространстве между стенками корпуса и оболочкой помещен отражающий порошок. Также отражатель может содержать кожух, имеющий жесткую конструкцию, например, выполненный из двух керамических оболочек, соединенных друг с другом в одно целое. В отражателе может быть сформирован рассеивающий выход, через который свет выходит из устройства, при этом рассеивающий выход может содержать боковые стенки, длина которых достаточна для рассеивания света, выходящего из рассеивающего выхода.
Возможна конструкция устройства, в которой отражатель имеет отверстие, через которое свет выходит из оболочки, и которая дополнительно содержит второй отражатель, размещенный рядом с отверстием и имеющий такую конструкцию, чтобы отражать свет, который в отсутствие второго отражателя теряется на границе отверстия.
Также устройство может дополнительно содержать оптический элемент, отстоящий от отражателя и имеющий такую конструкцию, чтобы отражать нежелательные составляющие света, выходящие из оболочки, обратно в оболочку.
В другом варианте выполнения отличие предложенного устройства излучения света состоит в том, что оно содержит оптический элемент, установленный на расстоянии от оболочки с возможностью отражения вышедшей из оболочки нежелательной составляющей излучения обратно в оболочку через отверстие в отражателе.
Нежелательная составляющая излучения может, например, содержать выбранную область длин волн, выбранную поляризацию или выбранную пространственную ориентацию. При этом оптический элемент может быть дополнительно выполнен с обеспечением пропускания видимого света. Наполнитель может также сам поглощать нежелательные составляющие излучения и преобразовывать, по крайней мере, часть поглощенного света в полезный свет.
В еще одном варианте предложенное устройство излучения света содержит оболочку, наполнитель, расположенный в оболочке с возможностью излучения света в результате возбуждения, источник энергии возбуждения, связанный с наполнителем для возбуждения наполнителя с обеспечением излучения света, и отражатель с отверстием, размещенный вокруг оболочки с возможностью отражения части излучения наполнителя обратно в наполнитель и выхода части излучения через отверстие в отражателе. Отличие этого устройства от вышеуказанного ближайшего аналога состоит в том, что отражатель содержит материал, имеющий коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения материала оболочки, при этом отражатель касается оболочки в одном или нескольких местах без сцепления с оболочкой, а в остальных местах отстоит от оболочки на расстоянии порядка одной десятой миллиметра.
Материал отражателя может не взаимодействовать с оболочкой при рабочей температуре устройства. Материал отражателя может быть аналогичен материалу оболочки, но иметь другую структуру, например, материалом оболочки является кварц, а материал отражателя содержит, по крайней мере, одно из веществ - диоксид кремния или оксид алюминия. Отражатель устройства может иметь корпус со стенками, расположенными на расстоянии от оболочки, и в пространстве между стенками корпуса и оболочкой помещен отражающий порошок. Отражатель может также содержать кожух, имеющий жесткую конструкцию, например, кожух может содержать две керамические оболочки, соединенные друг с другом в одно целое.
Отражатель может иметь рассеивающий выход, через который свет выходит из лампы, при этом рассеивающий выход может содержать боковые стенки, длина которых достаточна для рассеивания света, выходящего из рассеивающего выхода.
Устройство может быть выполнено с отражателем, имеющим отверстие, через которое свет выходит из оболочки, и дополнительно содержать второй отражатель, размещенный рядом с отверстием и имеющий конструкцию, позволяющую возвращать свет, который при отсутствии второго отражателя теряется на границе отверстия.
В частности, возможно использование диффузно отражающей керамической оболочки для колбы, которая касается колбы, по крайней мере, в одном месте, и которая не трескается из-за разницы в тепловом расширении материалов. В одном варианте конструктивного выполнения изобретения оболочка представляет собой кожух, который в отличие от покрытия не сцепляется с колбой. Отсутствие сцепления обеспечивает расширение колбы и кожуха без растрескивания кожуха. Кроме того, кожух выполняется достаточной толщины, чтобы обеспечивать достаточно высокую отражательную способность для выполнения необходимого преобразования длин волн. В другом варианте конструктивного выполнения изобретения отражающая оболочка колбы выполняется из того же материала, что и колба, так что проблема, связанная с разным тепловым расширением, отсутствует. В данном варианте оболочка может дополнительно не иметь сцепления с колбой. Еще в одном варианте между кожухом и колбой помещается диффузно отражающий порошок.
Настоящее изобретение делает возможным получение видимого света без необходимости вращения оболочки, обеспечивает повышенную гибкость конструкции, связанную с меньшими размерами оболочки и/или использованием наполнителей, в которых используются сера, селен или теллур, имеющих меньшую плотность активных веществ, чем в известных лампах. Это, например, облегчает создание ламп низкой мощности, которые могут быть пригодны для использования оболочек меньших размеров. Этот признак изобретения может быть использован в сочетании с другими признаками или независимо от других признаков. Например, может быть получена колба меньших размеров, вращаемая или без вращения.
Изобретение может быть лучше понято с помощью прилагаемых чертежей.
Перечень фигур чертежей
Фиг.1 - лампа предшествующего уровня, в которой используется наполнитель на основе серы, селена или теллура;
Фиг.2 - лампа с окошком;
Фиг. 3 - колба безэлектродной лампы в соответствии с вариантом конструктивного выполнения изобретения;
Фиг.4, 5 - конкретная конструкция;
Фиг.6-8 - другие варианты конструктивного выполнения изобретения;
Фиг.9, 10 - примеры использования рассеивающих выходов;
Фиг.11-13 - примеры других конструкций рассеивающих выходов;
Фиг.14-16 - другие варианты конструктивного выполнения изобретения;
Фиг. 17 - нормализованные спектры для случаев колб с покрытием и без покрытия для варианта СВЧ-лампы;
Фиг. 18 - спектры для случаев колб с покрытием и без покрытия для варианта СВЧ-лампы;
Фиг. 19 - нормализованные спектры для случаев колб с покрытием и без покрытия для варианта ВЧ-лампы;
Фиг. 20 - спектры для случаев колб с покрытием и без покрытия для варианта ВЧ-лампы.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На Фиг. 1 показано устройство излучения света (лампа), содержащее наполнитель, который при возбуждении содержит серу, селен или теллур.
Как описано в вышеупомянутых патентах, которые вводятся в данный документ ссылками, свет возникает в результате молекулярного излучения, которое происходит преимущественно в видимой части спектра.
В состав лампы 20 входит СВЧ-резонатор, содержащий металлический цилиндр 26 и металлическую сетку 28. Сетка 28 пропускает свет наружу из резонатора, в то время как большая часть СВЧ-энергии задерживается.
Колба (оболочка) 30 размещается в резонаторе и, как описано в патентах, имеет сферическую форму. Колба установлена на основании, которое соединено с двигателем 34 для обеспечения вращения колбы. Вращение способствует устойчивой работе лампы.
СВЧ-энергия излучается магнетроном 36 и по волноводу 38 она передается к щели (не показана) в стенке резонатора, и оттуда поступает в резонатор и, в частности, в наполнитель колбы 30.
Колба 30 состоит из оболочки и наполнителя в оболочке. Кроме инертного газа, наполнитель содержит серу, селен или теллур, или подходящее соединение серы, селена или теллура. Например, могут использоваться InS, As2S3, SзСl2, CS2, In2Sз, SeS, SeO2, SeCl4, SCe2, P2Se5, SезАs2, ТеО, TeS, TeCl5, TeBr5 и Tel5. Могут использоваться дополнительные соединения, имеющие достаточно низкое давление паров при комнатной температуре, то есть твердые или жидкие, и которые имеют достаточно высокое давление паров при рабочей температуре для обеспечения полезного освещения.
До появления ламп предшествующего уровня, описанных выше, в которых использовались сера, селен и теллур, молекулярные спектры этих веществ, излучаемые лампами предшествующего уровня, находились преимущественно в ультрафиолетовой части спектра. В процессе работы ламп, в которых используются сера, селен и/или теллур, описанной в связи с Фиг.1, излучение элементарной серы, селена и/или теллура (далее указывается как "активный материал") аналогично излучению предшествующих ламп, то есть преимущественно в ультрафиолетовой области. Однако по мере того как излучение проходит через наполнитель на пути к стенке колбы, оно преобразуется посредством поглощения и переизлучения в преимущественно видимое излучение. Величина сдвига прямо зависит от оптической длины пути, то есть плотности активного материала в наполнителе, умноженной на диаметр колбы. Если используется колба меньшего диаметра, то должна обеспечиваться увеличенная плотность активного материала для эффективного получения требуемого видимого излучения, в то время как, если используется колба большего диаметра, то может быть использована меньшая плотность таких веществ.
В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения эффективная оптическая длина пути существенно увеличивается без увеличения диаметра колбы посредством многократного отражения излучения после того, как оно первоначально проходит через наполнитель. Кроме того, плотность активного материала и размер колбы достаточно малы так, что излучение, которое первоначально проходит через наполнитель и отражается, может иметь значительную часть энергии в ультрафиолетовой части спектра. То есть, если многократное отражение отсутствует, спектр излучения колбы может быть неприемлем для использования в лампе видимого света. Однако, благодаря многократному отражению ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое, которое имеет необходимый спектр. Многократное отражение через наполнитель позволяет использовать меньшую плотность активного материала для обеспечения приемлемого спектра для любого приложения. Кроме того, наполнитель меньшей плотности имеет меньший электрический импеданс, который во многих конструкциях обеспечивает лучший подвод СВЧ-или ВЧ-энергии к наполнителю. Функционирование лампы при таких малых плотностях активного материала способствует устойчивой работе даже без вращения колбы. Кроме того, возможность использования колб меньшего диаметра увеличивает гибкость конструкции и, например, облегчает получение ламп малой мощности. Термин СВЧ, используемый в материалах заявки, относится к полосе частот, которая выше, чем частоты ВЧ.
Как отмечалось выше, поскольку способ по настоящему изобретению требует многократного отражения через наполнитель прежде, чем свет выходит наружу, то предполагалось использовать колбу с отражающим слоем, нанесенным на ее поверхность, кроме окошка, из которого выходит свет. Лампа, описываемая в патенте Робертса N RE 34 492, показана на Фиг.2, на которой сферическая колба 9, обычно кварцевая, содержит наполнитель 3, формирующий разряд. На всей поверхности колбы имеется отражающее покрытие 1 за исключением окошка 2, которое совмещено со световодом 4.
Однако, как указывалось выше, было найдено, что поскольку в конструкции Робертса используется покрытие, которое по своей природе плотно прилегает к поверхности (и выполнено из материала, отличного от материала колбы), то оно не пригодно для практического выполнения способа данного изобретения. Когда колба нагревается в процессе нормальной работы, то разность коэффициентов теплового расширения покрытия и кварцевой колбы вызывает растрескивание покрытия. Таким образом, срок службы устройства существенно ограничивается. Кроме того, обычно покрытие не имеет достаточной толщины для обеспечения уровня отражений, который необходим для требуемого преобразования длины волны от ультрафиолетовой части спектра к видимой.
На Фиг. 3 показан вариант конструктивного выполнения настоящего изобретения, в котором решается вышеуказанная проблема. Колба (оболочка) 40, содержащая наполнитель 42, окружена отражающим кожухом (отражателем) 44, который не прилегает к поверхности колбы. Кожух имеет достаточную толщину для обеспечения достаточной отражательной способности для ультрафиолетового излучения, позволяющей выполнить требуемое преобразование длины волны. Между колбой и кожухом имеется зазор 46, заполненный воздухом, величина которого порядка одной десятой миллиметра. Кожух касается колбы, по крайней мере, в одном месте и может касаться в нескольких местах. Имеется отверстие или рассеивающий выход (окошко) 48, сквозь которое выходит свет. Поскольку кожух не прилегает к колбе, разница теплового расширения при рабочей температуре не вызывает растрескивания кожуха.
В соответствии с другим вариантом конструктивного выполнения изобретения зазор между кожухом и колбой может заполняться диффузно отражающим порошком, например оксидом алюминия или другим. В этом случае зазор может быть несколько больше.
В соответствии с другим вариантом конструктивного выполнения изобретения используется керамический отражающий кожух колбы, который выполнен из материала, аналогичного материалу колбы. В результате полностью исключается проблема, связанная с разницей теплового расширения. Такой кожух может быть также выполнен таким образом, чтобы он не имел сцепления с колбой.
В одном способе изготовления кожуха спеченная конструкция формируется непосредственно на сферической колбе. Берется порошок, нагревается и прессуется до формирования спеченного твердого кожуха. Поскольку отсутствует сцепление кожуха с поверхностью колбы, то, когда кожух трескается, он рассыпается. Подходящими материалами являются порошкообразные оксид алюминия или диоксид кремния, или их сочетания. Кожух имеет достаточную толщину для того, чтобы обеспечить требуемую отражательную способность для ультрафиолетового и видимого излучения, как указывалось выше, и обычно имеет толщину не менее 0,5 мм и может иметь толщину до 2-3 мм, что существенно больше, чем толщина покрытия.
Конструкция кожуха показана на Фиг.4 и 5. В этом случае кожух формируется отдельно от колбы. Кварцевая колба отливается дутьем в сферической форме, что обеспечивает регулировку внешнего диаметра и толщины стенок. Трубка, по которой подается наполнитель, подсоединяется к сферической колбе во время отливки. Например, колба, имеющая внешний диаметр 7 мм, толщину стенок 0,5 мм, заполненная 0,05 мг Se и Хе под давлением 500 тор, обрабатывалась в индукционном аппарате. Трубка, по которой подавался наполнитель, удалялась таким образом, что на колбе оставался лишь короткий отросток. Кожух формируется из слегка спеченного оксида алюминия (Аl2О3), имеющего высокую отражательную способность, в виде двух половинок 44А и 44В, как показано на Фигурах 4 и 5. Распределение размеров частиц и кристаллическая структура материала кожуха должна обеспечивать необходимые оптические характеристики. Оксид алюминия в порошке продается различными производителями, например, пригоден порошок оксида алюминия, продаваемый Nichia America Corp. с обозначением NP-999-42. На Фигурах 4 и 5 представлен вид поперечного сечения колбы, кожуха и окошка, проведенного через центр колбы. Область запайки колбы не показана. Внутренняя поверхность кожуха имеет сферическую форму за исключением области запайки колбы (не показана). Частично спеченный кожух спекается до такого состояния, что в микроскоп наблюдаются перемычки-спайки между отдельными частицами. Степень спечения определяется необходимой теплопроводностью керамики. Назначение перемычек заключается в улучшении передачи тепла с минимальным влиянием на отражательную способность керамики. Обе половинки керамического кожуха очень точно подгоняются по размерам и могут быть скреплены механическими средствами или посредством, например, покрытия General Electric Arc Tube Coating N 113-7-38. Внутренний диаметр кожуха и внешний диаметр колбы выбираются таким образом, что средний воздушный зазор между ними обеспечивает необходимый отвод тепла от колбы, и толщина кожуха выбирается так, чтобы обеспечивать необходимую отражательную способность. Толщина воздушного зазора обычно составляет около одной десятой миллиметра, а минимальная толщина керамического кожуха составляет около одного миллиметра.
В другом варианте конструктивного выполнения изобретения, упомянутого выше, в качестве материала колбы используется кварц (SiO2), а в качестве материала отражающего кожуха - диоксид кремния (SiO2). Поскольку используется один и тот же материал, то отсутствует проблема, связанная с разницей теплового расширения. Диоксид кремния используется в аморфной форме в виде небольших кусков, которые легко сплавляются вместе. Он выполняется достаточной толщины для получения необходимой отражательной способности, имеет белый цвет. Диоксид кремния может также применяться в форме кожуха, который не касается поверхности колбы.
В то время как аспекты настоящего изобретения, описанные выше и показанные на Фиг. 6-13, имеют определенную применимость, если они используются с наполнителями на основе серы, селена и теллура, они имеют достоинства, которые независимы от вида наполнителя, и таким образом могут эффективно применяться с любым наполнителем, включая различные металлические галогениды, например галогенид олова, галогенид индия, галогенид галлия, галогенид брома (например, иодид) и галогенид таллия.
Если материал кожуха 44 на Фиг.3 используется с наполнителями на основе серы и селена, то он имеет высокую отражательную способность в ультрафиолетовой и видимой частях спектра и имеет незначительное поглощение в этих частях и предпочтительно также в инфракрасной части. Покрытие отражает основную часть ультрафиолетового и видимого излучения, падающего на него, то есть отражательная способность как в ультрафиолетовой, так и в видимой частях спектра превышает 85%, в диапазоне (ультрафиолетовая и видимая часть), по крайней мере, между 330 нм и 730 нм. Предпочтительно эта отражательная способность превышает 97% и более предпочтительно превышает 99%. Отражательная способность определяется как полная часть энергии падающего излучения в пределах вышеуказанного диапазона волн, вернувшаяся внутрь. Высокая отражательная способность желательна, поскольку любая потеря света умножается числом отражений. Кожух 10 является предпочтительно диффузным отражателем излучения, но может быть также и зеркальным отражателем. Кожух отражает падающее излучение независимо от угла падения. Вышеуказанные значения отражательной способности в процентах предпочтительно имеют место и для длин волн, существенно меньших чем 330 нм, например, предпочтительно до 250 нм и более предпочтительно до 220 нм.
Также желательно, но не обязательно, чтобы кожух был отражательным в инфракрасной области так, что предпочтительный материал имеет высокую отражательную способность во всем диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной части спектра включительно. Высокая отражательная способность в инфракрасной области спектра желательна, поскольку она улучшает энергетический баланс и обеспечивает работу на меньших мощностях. Кожух должен быть также способен противостоять высоким температурам, которые возникают в колбе. Как указывалось выше, оксид алюминия и диоксид кремния являются подходящими материалами и используются в форме кожуха, который имеет достаточную толщину, чтобы обеспечить требуемую отражательную способность и структурную прочность.
Как указывалось выше, в процессе работы колбы, в которой используется сера или селен, многократные отражения излучения покрытием создают эффект колбы гораздо больших размеров, что позволяет использовать меньшую плотность активного материала и/или колбу меньших размеров. Каждое поглощение и переизлучение совокупности фотонов, включая фотоны, соответствующие, в основном, ультрафиолетовому излучению, которое отражается, приводит к сдвигу спектральной энергии в область более длинных волн. Чем больше среднее число взаимодействий фотонов с кожухом колбы, тем больше число поглощений/переизлучений и тем больше результирующий сдвиг спектра, связанный с фотонами. Спектральный сдвиг будет ограничиваться температурой колебаний активных видов.
В то время как окошко 48 на Фиг.3 изображено так, как будто оно не закрыто кожухом, желательно, чтобы оно было закрыто веществом, которое имеет высокую отражательную способность для ультрафиолетового излучения, но прозрачно для видимого излучения. Примером такого материала является многослойный диэлектрик, имеющий необходимые оптические свойства.
Параметр а определяется как отношение площади окошка ко всей площади отражающей поверхности, включая и область окошка. Таким образом, а может принимать значения от очень малых величин для маленьких окошек до 0,5 для колбы, только половина которой покрыта отражающим материалом. Предпочтительное значение а для многих применений составляет величину от 0,02 до 0,3. Величина а, которая лежит вне указанного диапазона, также приемлема, но в этом случае работа будет менее эффективна в зависимости от применения. Меньшие значения а обычно увеличивают яркость, снижают цветовую температуру и уменьшают эффективность. Таким образом, достоинством данного изобретения является возможность обеспечения очень яркого источника света.
В другом варианте конструктивного выполнения изобретения, показанном на Фиг.6, используется световод в виде оптического волокна 14, которое соединяется с окошком 12. При этом предполагается, что площадь окошка является поперечным сечением световода. В варианте, приведенном на Фиг.6, диффузно отражающий кожух 10 окружает колбу 19.
В другом варианте конструктивного выполнения изобретения, показанном на Фиг. 7, составные части, аналогичные приведенным на Фиг.6, обозначены одинаковыми ссылочными номерами. На Фиг.7 выходной оптический элемент, соединяющийся с окошком 12', является составным параболическим отражателем (СПО) 70. Как известно, СПО представляет в поперечном сечении два параболических элемента, наклоненных в направлении друг друга на некоторый угол. Эффективным является преобразование света с угловым распределением от 0 до 90 к существенно меньшему угловому распределению, например от 0 до 10 или менее (максимум 10 от нормального). СПО может быть или рефлектором, работающим в воздушной среде, или рефрактором, использующим полное внутреннее отражение.
В варианте конструктивного выполнения изобретения, показанном на Фиг.7, оптический элемент в виде СПО может быть устроен, например, посредством покрытия внутренней поверхности отражающего СПО таким образом, чтобы отражать ультрафиолетовый и видимый свет, в то время как устраивается торцевая поверхность 72, которая пропускает видимый свет, но которая может быть устроена таким образом, чтобы отражать нежелательные компоненты излучения обратно в окошко. Такие нежелательные компоненты могут, например (и не только их), содержать определенную(ые) область(и) длин волн, определенную(ые) поляризацию(и) и пространственную ориентацию лучей. Поверхность 72 показана пунктирной линией, которая означает, что она одновременно отражает и пропускает излучение.
На Фиг.8 показан другой вариант конструктивного выполнения изобретения, в котором используется СПО. В данном варианте колба такая же, как на Фиг.7, в то время как световодом является оптическое волокно 14", подающее излучение в СПО 70. В варианте, показанном на Фиг.8, до СПО доходит меньше тепла, чем в варианте Фиг.7.
Проблемой вариантов, показанных на Фиг.6-8, является возможность потерь света на стыке колбы со световодом.
Данная проблема может быть разрешена, как показано на фиг.3, посредством использования внутренней диффузно отражающей стенки 47 рассеивающего выхода, сформированного в кожухе перед окошком в качестве выходного элемента. Таким образом, на Фиг.9 показано, что оптическое волокно 80 расположено перед рассеивающим выходом, а на Фиг.10 показано, что перед выходом расположен рефлектор (например, СПО). Свет проходит через выход после диффузных отражений и поступает в оптический световод или другое оптическое устройство без всяких резких переходов. В зависимости от применения диаметр оптического устройства может быть больше, меньше или быть одинаковым с диаметром выхода в кожухе.
Рассеивающий выход выполняется достаточной длины, чтобы рассеивать свет, но не настолько длинным, чтобы поглощать его. На Фиг.11-13 показаны различные варианты конструкции прохода. На Фиг.11 кожух 90 имеет выход 92, вокруг которого снаружи имеется плоская область 94. На Фиг.12 кожух 91 имеет проход 93, длина которого больше толщины кожуха за счет дополнительных наружных стенок. На Фиг.13 кожух 95 имеет выход 97, толщина дополнительных наружных стенок которого постепенно изменяется на участке 98. Форма поперечного сечения выхода обычно круговая, но может иметь прямоугольную или какую-то другую форму. Внутренняя отражающая стенка могла бы быть сходящейся или расходящейся. Приведенные конструкции выхода являются иллюстративными, и специалист в данной области техники может легко предложить и другие конструкции.
На Фиг.3, 9, 10 и 11 показан второй отражатель 49 (96 на Фиг.11). Второй отражатель размещен так, что он соприкасается или почти соприкасается с кожухом 44 и его назначением является отражение света, проходящего по границе выхода. Хотя второй отражатель является дополнительным устройством, которое в общем не является обязательным, следует ожидать, что он улучшит эффективность действия. Свет, отраженный назад в керамику возле стыка, возвращается в окошко или колбу, если он не теряется в результате поглощения. Радиус (в случае, если выход имеет круговое поперечное сечение и соответствующий размер является радиусом) второго отражателя 49 должен быть таким же или меньше, чем высота выхода 47. Предпочтительно, чтобы кварцевая оболочка была покрыта многослойным диэлектриком, отражающим в видимой области.
На Фиг. 14 показан вариант конструктивного выполнения изобретения, в котором отражающее покрытие 51 для ультрафиолетовой/видимой части спектра нанесено на стенки металлического кожуха 52. Внутри кожуха находится колба 50, на которой отсутствует отражающее покрытие. Экран 54, который выполняет также роль окошка, замыкает кожух. Отражающая поверхность ограничивает выход получаемого света через зону экрана. Кожух может быть СВЧ-резонатором, и СВЧ-энергия возбуждения может подводиться, например, через щель связи в резонаторе. В другом варианте СВЧ- или ВЧ-энергия может быть подана индуктивно, и в этом случае кожух уже будет не резонатором, а может обеспечивать эффективное экранирование.
Вариант конструктивного выполнения изобретения с эффективным экранированием показан на Фиг.15. Колба аналогична изображенной на Фиг.3, хотя в отдельном описанном варианте она имеет больший коэффициент а, чем показано на Фиг.3. Она запитывается от источника СВЧ- или ВЧ-энергии, которая возбуждает катушку 62 связи (показано поперечное сечение катушки), которая охватывает колбу. Клетка Фарадея 60 окружает устройство для обеспечения электромагнитного экранирования за исключением зоны вокруг световода 69. При необходимости клетка 60 может быть выполнена из феррита с потерями или другого материала, обеспечивающего экранирование магнитного поля, для дополнительного экранирования. В других вариантах с окошком могут быть соединены другие оптические элементы, и в этом случае клетка Фарадея будет окружать устройство за исключением зоны вокруг этих оптических элементов. Отверстие в замкнутом кожухе достаточно мало так, чтобы оно было за пределами среза. Величина плотности активного вещества в наполнителе может варьироваться от стандартных до очень малых значений. Хотя изобретение может обеспечивать устойчивое получение видимого света без вращения колбы, в некоторых применениях вращение колбы может оказаться желательным. Вариант конструктивного выполнения изобретения, показанный на Фиг.16, обеспечивает возможность вращения. Вращение осуществляется посредством воздушной турбины так, чтобы не блокировать видимый свет. Показаны воздушный подшипник и штуцер для поступающего воздуха, и воздух подается в штуцер из воздушной турбины (не показана).
В то время как в описанных реализациях метода были проиллюстрированы аспекты изобретения на примерах отражающей среды на колбе (оболочке) или на внутренней поверхности экранирующего кожуха, он не ограничивается только этими примерами, поскольку единственным требованием является требование к расположению отражающей среды таким образом, чтобы она многократно отражала излучение в среде наполнителя. Например, диэлектрический отражатель может быть расположен снаружи колбы. Кроме того, в варианте использования СВЧ-резонатора с щелью связи потери можно избежать потерь света посредством использования диэлектрического отражающего кожуха над щелью.
Принцип преобразования длины волн, описанный выше, иллюстрируется на Фиг. 17, на которой показан спектр соответствующих колб безэлектродных ламп, содержащих наполнитель на основе серы, в ультрафиолетовой и видимой областях. Спектр А получен для колбы с низким содержанием наполнителя на основе серы порядка 0,43 мг/см3 и не имеющей отражающего кожуха или покрытия. Можно видеть, что часть излучения, которая выходит из колбы, находится в ультрафиолетовой области (определяется как область волн, имеющих длину меньше чем 370 нм).
С другой стороны, спектр В получен в той же колбе, которая имеет покрытие, обеспечивающее многократное отражение в соответствии с аспектом настоящего изобретения. Видно, что большая часть излучения спектра В находится в видимой области и что ультрафиолетовое излучение уменьшается, по крайней мере (более чем), на 50%.
В то время как спектр В, показанный на Фиг.17, пригоден для ряда приложений, можно получить спектры с увеличенным содержанием видимого излучения и уменьшенным содержанием ультрафиолетового излучения, используя покрытие, имеющее повышенную отражательную способность. Как было указано выше, чем меньше отверстие (окошко), тем большее содержание видимого излучения может быть получено, но с меньшей эффективностью. Достоинством изобретения является то, что яркий источник, например, полезный во многих применениях проекторов, может быть получен с помощью отверстия малых размеров. При этом большая яркость была бы получена за счет снижения эффективности.
В лампе, используемой для получения спектра В, сферическая колба, изготовленная из кварца, имеющая внутренний диаметр 33 мм и внешний диаметр 35 мм, была заполнена серой, имеющей плотность 0,43 мг/см3, и аргоном под давлением 50 тор. Колбы, используемые на Фиг.17-20, использовались только для целей демонстрации метода изобретения и на них было нанесено покрытие. Как указывалось выше, колбы с покрытиями не нашли промышленного применения из-за малого срока службы. Колба на Фиг.17 и 18 была покрыта оксидом алюминия (G. E. Lighting Product N 113-7-38) толщиной 0,18 мм за исключением области отверстия и имела значение а, равное 0,02. Колба была помещена в цилиндрический СВЧ-резонатор, имеющий щель связи, и на нее подавалась СВЧ-мощность 400 Вт, в результате чего плотность мощности составляла 21 Вт/см3.
Спектры на Фиг. 17 были нормализованы, то есть пики соответствующих спектров были уравнены произвольным образом. Работа ламп Фиг.17 и 18 осуществлялась без вращения колбы. Спектры без нормализации показаны на Фиг.18.
На Фиг. 19 изображен нормализованный спектр А, полученный для лампы, имеющей наполнитель на основе серы и запитываемой от источника ВЧ-энергии, без покрытия, которая имеет существенную составляющую в ультрафиолетовой области, и нормализованный спектр В, полученный для той же лампы, имеющей отражающее покрытие. Видно, что спектр В имеет пропорционально большую долю излучения в видимой области. При этом колба имеет внутренний диаметр 23 мм и внешний диаметр 25 мм и была заполнена серой, имеющей плотность 0,1 мг/см3, и криптоном под давлением 100 тор. На лампу подавалась ВЧ-мощность 220 Вт, и плотность мощности составляла 35 Вт/см3. Колба была покрыта оксидом алюминия толщиной 0,4 мм и имела значение а, равное 0,07. Лампа работала устойчиво без вращения колбы, и спектры без нормализации приведены на Фиг.20. Хотя излучение теряется в процессе многократных отражений, спектр В (без нормализации) кажется выше, чем спектр А, поскольку используемый детектор принимал только часть излучения, выходящего из лампы без покрытия, и гораздо большую часть излучения, выходящего из отверстия.
Сравнивая Фиг.18 и Фиг.20, можно отметить, что большее значение величины а дает в результате более высокую эффективность. Что касается Фиг.18, можно отметить, что видимое излучение меньше для лампы с покрытием в отличие от лампы без покрытия, поскольку излучение теряется
в результате многократных отражений; однако видимое излучение выше, чем оно было бы, если бы отражение происходило без преобразования ультрафиолетового излучения в видимое.
В соответствии с изобретением в некоторых вариантах конструктивного выполнения колбы могут быть заполнены активным материалом, имеющим меньшую плотность по сравнению с предшествующим уровнем.
Изобретение может быть использовано с колбами, имеющими различную форму, например, сферическую, цилиндрическую, тороидальную, форму геоида и т.п. Использование ламп в соответствии с изобретением включает светильники типа прожектора и светильники заливающего света для самых общих применений.
Необходимо отметить, что лампы в соответствии с изобретением могут иметь мощности от 50-300 Вт до 1000-3000 Вт. Поскольку свет может выходить через световод, потери света могут быть низкими, и свет из световода может быть использован в освещении распределительного типа, например, в зданиях типа офиса.
В соответствии с другим аспектом изобретения колбы и лампы, описанные выше, могут быть использованы в качестве восстановительного устройства для преобразования ультрафиолетового излучения от произвольного источника в видимый свет. Например, может использоваться внешняя лампа ультрафиолетового излучения, и это излучение может быть подано по световоду в колбу в соответствии с изобретением, и колба преобразует это излучение в видимый свет.
И, наконец, необходимо понимать, что в то время как изобретение раскрыто в связи с примерами, приведенными в иллюстративных целях, специалисты в данной области техники могут внести изменения, и объем изобретения определяется формулой изобретения, приведенной ниже.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ЛАМПА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩАЯ ИЗЛУЧЕНИЕ В ВИДИМОЙ ЧАСТИ СПЕКТРА (ВАРИАНТЫ) | 1991 |
|
RU2130214C1 |
| ЛАМПА ВИДИМОГО ИЗЛУЧЕНИЯ | 1994 |
|
RU2183881C2 |
| ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА ВИДИМОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА, СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ | 1993 |
|
RU2125322C1 |
| БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА (ВАРИАНТЫ) | 1993 |
|
RU2143151C1 |
| БЕЛЫЙ СИД И БЕЛАЯ СИД ЛАМПА | 2009 |
|
RU2456713C1 |
| БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ SNI | 2000 |
|
RU2236061C2 |
| ИСТОЧНИК СВЕТА | 1992 |
|
RU2065639C1 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ РАВНОМЕРНОГО ПРОЕКЦИОННОГО ОСВЕЩЕНИЯ | 2007 |
|
RU2446348C2 |
| ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, ИМЕЮЩЕЕ ТЕПЛООТВОД ИСТОЧНИКА СВЕТА, РАЗМЕЩЕННЫЙ ОТДЕЛЬНО ОТ ДРАЙВЕРА | 2013 |
|
RU2631661C2 |
| ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО, УСИЛИВАЮЩЕЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРА, СОДЕРЖАЩЕГО ДИХРОИЧНЫЕ НАНОПРОВОЛОКИ ИЗ ОКСИДА ЦИНКА | 2017 |
|
RU2742471C2 |
Изобретение относится к электротехнике. Техническим результатом является уменьшение размеров колб ламп и повышение светоотдачи в видимой области спектра. Устройство содержит оболочку, в которой расположен наполнитель, излучающий в состоянии возбуждения, источник энергии возбуждения и отражатель, размещенный вокруг оболочки с возможностью отражения части излучения наполнителя обратно в наполнитель. Наполнитель способен поглощать излучение и переизлучать его на большей длине волны и в отсутствие отражателя излучения обратно в наполнитель имеет первый спектр со спектральной составляющей энергии излучения в ультрафиолетовой области. В результате отражения излучения обратно в наполнитель часть излучения наполнителя выходит из оболочки со вторым спектром, имеющим более высокую пропорциональную долю энергии излучения в видимой области спектра по сравнению с первым спектром. В вариантах устройства предусмотрены оптический элемент, установленный на расстоянии от оболочки с возможностью отражения вышедшей из оболочки нежелательной составляющей излучения обратно в оболочку через отверстие в отражателе, и выполнение отражателя из материала, имеющего коэффициент теплового расширения, близкий к коэффициенту теплового расширения материала оболочки, при этом отражатель расположен, по крайней мере частично, с зазором от оболочки. 4 с. и 42 з.п.ф-лы, 20 ил.
| WO 9321655 A1, 28.10.1993 | |||
| Газоразрядная лампа | 1991 |
|
SU1765858A1 |
| US 5404076 A, 04.04.1995. | |||
