ПРОЗРАЧНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ТИГЕЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01J65/04 

Настоящее изобретение относится к прозрачному плазменному тиглю и к источнику света, включающему в себя прозрачный плазменный тигель.

В международной заявке № PCT/GB2008/003829 на патент авторы описывают и заявляют:

1. Источник света, приводимый в действие микроволновой энергией, имеющий:

- твердый плазменный тигель из материала, который является прозрачным для выхода из него света, причем плазменный тигель имеет герметизированную полость в плазменном тигле,

- клетку Фарадея, окружающую плазменный тигель, причем эта клетка является по меньшей мере частично светопропускающей для выхода света из плазменного тигля, являясь в то же время удерживающей микроволны,

- находящийся в полости наполнитель из материала, возбуждающегося микроволновой энергией с образованием в нем светоизлучающей плазмы, и

- расположенную внутри плазменного тигля антенну для передачи наполнителю индуцирующей плазму микроволновой энергии, причем эта антенна имеет:

- соединительную деталь, простирающуюся наружу плазменного тигля, для соединения с источником микроволновой энергии;

причем компоновка такова, что свет от плазмы в полости может проходить сквозь плазменный тигель и распространяется из него через клетку.

Со ссылкой на фиг.4 и 5 (на фиг.9 и 10 данной заявки), которые представлены здесь и представляют собой вид в перспективе прозрачного тигля и схематический вид лампы, приводимой в действие микроволнами, включающей в себя прозрачный тигель, описано следующее:

лампа 201 содержит осциллятор 202 и усилитель 203, образующие вместе источник микроволновой энергии, обычно работающие при 2,45 или 5,8 ГГц или других частотах внутри ПНМ (промышленного, научного и медицинского) диапазона. Источник передает микроволны через согласующую цепь 204 на антенну 205, простирающуюся внутрь прохода 206 в прозрачном плазменном тигле 207. Он сделан из кварца и имеет центральную полость 208, содержащую наполнитель из инертного газа и возбуждающегося микроволнами материала, который излучает свет при возбуждении микроволнами. Кварц является прозрачным, и свет может покидать его в любом направлении с учетом ограничений, обеспеченных клеткой Фарадея, описанной ниже.

Тигель является правильным круглым цилиндром, 63 мм в длину и 43 мм в диаметре. По центру тигля полость имеет 10 мм в длину и 3 мм в диаметре. Проход является соосным с полостью, имея 2 мм в диаметре и 10 мм в длину.

Клетка Фарадея 209 окружает тигель и содержит:

- отражающее свет покрытие 210, обычно из серебра с монооксидом кремния, поперек поверхности 211 края имеющей проход для антенны,

- слой 212 из оксида индия и олова (ОИО) на поверхности 214 края и

- проводящую сетку 215, химически осажденную из паровой фазы, на цилиндрической поверхности 216, причем сетка имеет выступы 217, которые простираются на края для электрического внутреннего соединения элементов 210, 212 и 215. Линии сетки имеют 0,5 мм в ширину и установлены с шагом в 6 мм.

Клетка Фарадея заземлена путем помещения в углубление 218 в корпусе 219.

Слой ОИО имеет непокрытое отверстие 220 в 12 мм, расположенное по центру лицевой поверхности 214 края, через которое свет 221 от конца плазменного разряда 222 в полости может выйти непосредственно из прозрачного плазменного тигля без ослабления из-за клетки Фарадея. Много света также выходит через клетку Фарадея, хотя и ослабляется в распространении.

Следует отметить, что клетка Фарадея может быть образована полностью из проволочной сетки, образованной вокруг тигля с отверстием на одной линии с полостью.

Для понимания этого источника света авторы используют следующие определения:

«прозрачный» означает, что материал, из которого сделана деталь, описываемая как прозрачная, является светопроницаемым или просвечивающимся;

«плазменный тигель» означает замкнутое тело, предназначенное для удержания плазмы, причем последняя находится в полости, когда наполнитель полости возбуждается микроволновой энергией от антенны.

При дальнейшем исследовании источника света авторы изучили альтернативные формы прозрачных плазменных тиглей, способных поддерживать микроволновый резонанс внутри своих клеток Фарадея.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение улучшенного прозрачного тигля и улучшенного источника света.

В соответствии с изобретением авторы обеспечивают прозрачный плазменный тигель, выполненный таких размеров, чтобы иметь свойства режима низкого порядка поперечных электрических микроволн или свойства режима низкого порядка поперечных магнитных микроволн.

Предпочтительно, порядки режимов равны 0, 1 или 2.

В то время как авторы предпочитают использовать круглые цилиндрические прозрачные тигли, ожидается, что прямоугольные тигли являются подходящими. Кроме того, тигли могут иметь какую-либо другую обычную форму, такую как сферическую, или иметь действительно необычную форму.

Для круглых цилиндрических тиглей авторы ожидают, что диаметр (d), длина (l) и рабочая частота (f) находятся в пределах следующих интервалов - с (d) и (l) в см и (f) в МГц:

- квадрат диаметра, деленного на длину, - (d/l)² - находится между 0 и 100 и

- квадрат диаметра, умноженного на частоту, - (dЧf)² - находится между 0 и 2Ч10⁹.

Мы предпочитаем 0<(d/l)²<20 и 0<(dЧf)²<1,5Ч10⁹.

Чтобы помочь в понимании изобретения, его отдельный вариант осуществления будет далее описан в качестве примера и со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:

Фиг. 1 является видом в перспективе прозрачного плазменного тигля в соответствии с изобретением.

Со ссылкой на фиг.1 изображен источник 1 света, приводимый в действие микроволновой энергией. Источник имеет круглую цилиндрическую часть 2 из кварца, образующую твердый плазменный тигель. Кварц является светопроницаемым для видимого света, и внешние поверхности кварца отполированы. Тигель имеет длину l и диаметр d. Полость 3 ориентирована по центру. Она короткая и имеет маленький диаметр относительно размеров самого тигля. Полость герметизирована путем обработки материала тигля или дополнительной части из кварца. Способы герметизации описаны в еще не опубликованной международной заявке данного заявителя № PCT/GB2010/000313, которая, как ожидается, должна быть опубликована к дате публикации настоящей заявки.

Клетка 4 Фарадея окружает изогнутую боковую поверхность 5 и одну поверхность 6 края тигля. Она может быть выполнена из металлической сетки или сетчатого металлического листа, так чтобы большая часть света, выходящего из тигля из этих поверхностей, проходила через клетку, в то время как микроволны нет могут. Обод 7 клетки простирается вокруг края носителя 8, к которому клетка прикреплена, тем самым перенося тигель.

Наполнитель из возбуждающегося микроволнами материала 9, обычно галоид металла в инертном газе, содержится для образования светоизлучающей плазмы в нем. Антенна 10 расположена в отверстии 11, простирающемся внутри плазменного тигля для передачи индуцирующей плазму микроволновой энергии наполнителю. Антенна имеет соединение 12, простирающееся наружу плазменного тигля для связи с источником микроволновой энергии 14 - источник изображен схематически. Подробности такого источника и средства подачи микроволновой энергии в соединение описаны в международной заявке на патент, находящейся на совместном рассмотрении, поданной со ссылочным номером Nigel Brook 2953/PCT и испрашивающей приоритет по заявке № 0907947:6 на патент Британии, датированной 8-м мая 2009 года.

В следующих примерах прозрачных тиглей, в которых имеются светящиеся плазмы, авторы используют кварц, который имеет диэлектрическую постоянную, равную 3,78, в качестве материала прозрачного тигля, и работа происходит при частоте 2450 МГц.

Пример режима TE111.

В этом примере плазменный тигель имеет 4,38 см в диаметре и 6,43 см в длину. Герметизированная плазменная полость расположена по центру на центральной оси, причем проход для антенны находится на центральной оси на одном крае.

Для работы в этом режиме длина (l) и диаметр (d) могут изменяться, при условии, что они удовлетворяют равенству

(dЧf)² = A+B(d/l)²,

где (f) является частотой, а A и B являются константами. Их значение равно

A = 8,0Ч10⁷,

B = 6,0Ч10⁷.

Приложенный График 1 (фиг.2) изображает диаграмму этого равенства, отмеченную как TE111, в виде линии с постоянным наклоном.

В этом примере

(d/l)² = 0,46 и

(dЧf)² = 1,15Ч10⁸.

Это отмечено на Графике 1 как Пример 1.

Пример режима TM010

В этом примере плазменный тигель имеет 4,9 см в диаметре и 2,1 см в длину. Герметизированная плазменная полость расположена по центру на центральной оси, с проходом для антенны, находящемся на одном крае, но смещена от центральной оси и расположена близко к центральной полости.

Для работы в этом режиме длина может изменяться независимо от диаметра, который остается постоянным.

Эквивалентная диаграмма, отмеченная как TM010, изображена на Графике 1, где

A = 1,4Ч10⁸,

B = 0.

Диаграмма представляет собой горизонтальную линию.

В этом примере

(d/l)² = 5,44 и

(dЧf)² = 1,44Ч10⁸.

Это отмечено на Графике 1 как Пример 2.

Следует также отметить, что положения примеров относительно диаграмм, которые соответствуют теории объемного резонатора, немного выше. Эти примеры были испытаны и оказались рабочими. Если заполненная полость занимает значительную долю объема тигля, следует использовать скорректированное значение диэлектрической постоянной, причем скорректированное значение является средним значением для объема, которое составляет 1,00 для полости и 3,78 для кварца. Корректировка обратно пропорциональна квадратному корню из диэлектрической постоянной, что приводит к малому увеличению как d, так и l. Тем не менее, для практических целей, где полость остается малой долей объема тигля, корректировкой можно пренебречь.

Также следует отметить, что режим TE111 является режимом с более высоким значением Q, что приводит к более высокой напряженности электрического поля в тигле для начала образования плазмы.

Размеры в режиме TE111, данные выше в примере, близки к значениям, данным на фиг.4 и 5 (на фиг.9 и 10 международной заявки № PCT/GB2008/003829 на патент). Поскольку эти точные размеры могут считаться известными, несмотря на то что они не были опубликованы до даты приоритета данной заявки на патент, они не заявленные. Другие (заявленные) размеры допустимы для работы в режиме TE111. Например, как d, так и l могут быть равны 4,85 см, как указано в Таблице 1, приведенной ниже. Диаметр может быть меньше этого, но больше того, что был в более ранней заявке этого же заявителя, равного 4,47 см, например, с длиной, равной 5,58 см. Опять же, диаметр может быть меньше, равный 3,74 см, с длиной, которая больше, равной 18,71 см. Альтернативно, диаметр может быть больше, равный 7,29 см, с длиной, которая равна половине диаметра, равной 3,65 см.

Изобретение не предназначено для того, чтобы ограничиваться деталями двух приведенных выше режимов.

Специалист идентифицирует График 1 как известный график режима, хотя он и приспособлен к рассматриваемым здесь частоте и диэлектрическому материалу. График 2 изображает конкретные дополнительные режимы. Таблица 1, приведенная ниже, изображает обычные размеры кварцевых плазменных тиглей для дополнительных режимов, имеющих отношение d/l, равное 1,00, то есть их диаметр и длина равны.

Таблица 1 Режим Длина l, см Диаметр d, см TE111 4,85 4,85 TE211 6,88 6,88 TE112 7,29 7,29 TE011 8,30 8,30 TE212 8,78 8,78 TE012 9,93 9,93 TM010 4,82 4,82 TM110 7,68 7,68 TM011 5,75 5,75 TM111 8,30 8,30 TM012 7,93 7,93 TM112 9,93 9,93

График 2 (фиг.3) изображает эти дополнительные режимы. Из их положения на графике будет понятно, что некоторые из них требуют больших размеров кварцевых тиглей. В то время как все из приведенных выше размеров находятся в пределах номинального практического по величине в 10 см, режимы могут быть классифицированы следующим образом:

Режимы, для которых доступен широкий диапазон отношения d/l:

TE111

TM010.

Режимы, для которых доступен существенный диапазон отношения d/l, хотя один размер и может превышаться:

TE211

TE112

TM110

TM011

TM012.

Режимы, для которых доступен более ограниченный диапазон отношения d/l с возможностью превышения какого-то или обоих размеров:

TE011

TE212

TM111.

Режимы, для которых возможно превышение какого-либо или обоих размеров, независимо от значения d/l:

TE012

TM112.

Некоторые из этих режимов имеют большее значение Q, чем другие.

Следующая Таблица 2 изображает значения Q:

Таблица 2 Режим Показатель Q TE111 0,27 TE211 0,31 TE112 0,45 TE011 0,56 TE212 0,43 TE012 0,67 TM010 0,13 TM110 0,20 TM011 0,16 TM111 0,22 TM012 0,18 TM112 0,24

Принимая во внимание соображения, связанные с обоими размерами и с Q, авторы предпочитают использовать следующие режимы:

TE111

TE211

TE112

TE011

TE212.

Изобретение относится к области плазменной техники. Прозрачный плазменный тигель из кварца выполнен таких размеров, чтобы иметь свойства: режим (моду) низкого порядка поперечных электрических микроволн или режим (моду) низкого порядка поперечных магнитных микроволн, при этом диаметр (d) (см), длина (l) (см) и рабочая частота (f) (МГц) находятся в следующем соотношении: квадрат диаметра, деленного на длину (d/l)², находится в пределах от 0 до 100 и квадрат диаметра, умноженного на частоту (d×f)², находится в переделах от 0 до 2×10⁹. Герметизированная плазменная полость расположена по центру на центральной оси, с проходом для антенны на одном крае, но смещена относительно центральной оси тигля и расположена близко к центральной полости. Технический результат - повышение напряженности электрического поля в тигле. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

1. Прозрачный плазменный тигель, выполненный таких размеров, чтобы иметь свойства: режим (моду) низкого порядка поперечных электрических микроволн или режим (моду) низкого порядка поперечных магнитных микроволн, при этом диаметр (d) (см), длина (l) (см) и рабочая частота (f) (МГц) находятся в следующем соотношении:
квадрат диаметра, деленного на длину (d/l)², находится в пределах от 0 до 100 и
квадрат диаметра, умноженного на частоту (d×f)², находится в переделах от 0 до 2×10⁹.

2. Прозрачный плазменный тигель по п. 1, в котором порядки режимов (мод) равны 0,1 или 2.

3. Прозрачный плазменный тигель по п. 1 или 2, представляющий собой прямоугольный тигель.

4. Прозрачный плазменный тигель по п. 1 или 2, представляющий собой круглый цилиндрический прозрачный тигель.

5. Прозрачный плазменный тигель по п. 1, в котором (d/l)² находится в пределах от 0 до 20.

6. Прозрачный плазменный тигель по п. 5, в котором (d×f)² находится в пределах от 0 до 1,5×10⁹.

7. Прозрачный плазменный тигель по любому из пп. 1, 2, 5, 6, в котором режим тигля выбирается из следующих режимов: ТЕ111; ТЕ211; ТЕ112; ТЕ011; ТЕ212.

8. Прозрачный плазменный тигель по п. 3, в котором режим тигля выбирается из следующих режимов: ТЕ111; ТЕ211; ТЕ112; ТЕ011; ТЕ212.

9. Прозрачный плазменный тигель по п. 4, в котором режим тигля выбирается из следующих режимов: ТЕ111; ТЕ211; ТЕ112; ТЕ011; ТЕ212.

10. Прозрачный плазменный тигель по п. 3, в котором прямоугольный тигель выполнен из кварца.

11. Прозрачный плазменный тигель по п. 4, в котором круглый цилиндрический тигель выполнен из кварца.

12. Прозрачный плазменный тигель по п. 11, в котором исключен случай, когда кварцевый тигель является правильным круглым цилиндром, 63 мм в длину и 43 мм в диаметре.

13. Активируемый микроволновой энергией источник света, имеющий:
твердый плазменный тигель из материала, который является прозрачным для выхода из него света, причем плазменный тигель имеет герметичную полость в плазменном тигле,
клетку Фарадея, окружающую плазменный тигель, причем эта клетка Фарадея является по меньшей мере частично светопропускающей для выхода света из плазменного тигля, являясь в то же время удерживающей микроволны,
находящийся в полости наполнитель из материала, возбуждающегося микроволновой энергией с образованием в нем светоизлучающей плазмы, и
расположенную внутри плазменного тигля антенну для передачи наполнителю индуцирующей плазму микроволновой энергии, причем антенна имеет:
соединительную деталь, проходящую наружу из плазменного тигля, для соединения с источником микроволновой энергии;
указанный источник света, отличающийся тем, что прозрачный плазменный тигель является тиглем по любому из пп. 1-12.