ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК СВЕТА Российский патент 2015 года по МПК H01J65/04 

Настоящее изобретение относится к плазменному источнику света.

Высокочастотная (ВЧ) плазма - это термин, часто применяемый для обозначения плазм, возбуждаемых как радиочастотным, РЧ (≈1-300 МГц), так и микроволновым (≈0,3-300 ГГц) излучением. Большинство ВЧ плазм, используемых в качестве источников света, полностью локализированы внутри аппликатора ВЧ поля, то есть разряды поддерживаются в емкостных или индуктивных цепях и в полостях резонаторов, коаксиальных линиях и волноводах.

Недостатком устройства с заполненными воздухом полостями резонаторов является то, что размер полости резонатора определяется частотой работы. Технически удачные системы с полостями резонаторов были спроектированы для работы на 2,4 ГГц. На подходящих частотах (ISM - промышленный, научный и медицинский диапазоны) ниже этой частоты размер полости резонатора и связанных волноводов склонен становиться физически слишком большим для использования в коммерческих системах освещения. Также становится сложно проектировать плазменные камеры высокого давления для таких полостей резонаторов, которые эксплуатируют плазмы при сочетаниях высокой эффективности излучения и полезно низкой мощности, т.е. менее 400 Вт, которые требуются для большинства коммерческих приложений. Действительно, даже при 2,45 ГГц получить мощность системы менее 400 Вт с плазмами требуемой эффективности излучения может быть трудно.

Для того чтобы обеспечить плазмы с высокой эффективностью излучения и работу на мощностях менее 400 Вт известна эксплуатация плазменных камер с полостью резонатора, заполненной диэлектриком. Хотя эта последняя конфигурация подходит в качестве источника света для таких приложений как отображение, где малый размер источника является главным искомым преимуществом, первые конфигурации имели серьезные ограничения для общих ситуаций освещения по причине заграждения высокого процента света из источника непрозрачной диэлектрической структуры. В этой конфигурации менее 50% площади поверхности колбы может излучать свет на ограниченный пространственный угол, 2π стерадиан, свободного пространства. Эта площадь поверхности обычно увеличивается путем такого проектирования, чтобы часть объема колбы была внешней для полости резонатора.

Как показано в международной заявке №PCT/GB2008/003829 этого же заявителя, этот недостаток был преодолен. В той заявке описывается источник света, который должен питаться микроволновой энергией, источник имеет:

• корпус, имеющий в нем герметичную полость,

• огораживающую микроволны клетку Фарадея, окружающую корпус,

• корпус в клетке Фарадея является резонирующим волноводом,

• загрузку в полость из материала, возбуждаемого микроволновой энергией, чтобы образовывать в ней излучающую свет плазму, и

• антенну, установленную в корпусе, для передачи индуцирующей плазму микроволновой энергии в загрузку, антенна имеет:

• соединение, протягивающееся за пределы корпуса для соединения с источником микроволновой энергии;

причем

• корпус представляет собой сплошной плазменный тигель из материала, который является прозрачным для выхода из него света, и

• клетка Фарадея является по меньшей мере частично пропускающей свет для выхода света из плазменного тигля,

устройство является таковым, что свет из плазмы в полости может проходить через плазменный тигель и излучаться из него через клетку.

Как используется в указанной заявке:

• термин «прозрачный» означает, что материал, из которого состоит элемент, описанный как прозрачный, является светопроницаемым или пропускающий свет;

• термин «плазменный тигель» означает замкнутый корпус, заключающий плазму, последняя находится в полости, когда загрузка полости возбуждается микроволновой энергией из антенны;

• термин «клетка Фарадея» означает электрически проводящую оболочку электромагнитного излучения, который по меньшей мере существенно непроницаем для электромагнитных волн на рабочих, т.е. микроволновых, частотах.

В этой заявке термин «клетка Фарадея» используется аналогичным образом, но не ограничивается экранированием микроволн, а расширяется до экранирования электромагнитных волн на рабочей частоте, какой бы она ни была в ВЧ диапазоне, как он определен выше. Термин «плазменный тигель» в этой заявке не используется.

Плазмы могут создаваться бегущими волнами в волноводах и структурах на медленных волнах, так называемых разрядах бегущих волн (РБВ). Для целей освещения один элемент этого класса разрядов, разряд поверхностной волны (РПВ), в прошлом был широко определен как особенно многообещающий; это распространяющийся разряд поверхностной волны РПВ. Этот вид разряда хорошо известен в литературе, электромагнитная энергия образует плазму, и сама плазма является структурой, вдоль которой распространяется волна. Практическим аппликатором поля для РПВ является серфотрон. Серфотроны представляют собой широкополосные структуры, которые могут использоваться на диапазоне частот от 200 МГц до 2,45 ГГц и обладают тем свойством, что можно достичь очень высокой эффективности передачи энергии. Более 90% ВЧ энергии может быть внесено в плазму. Хотя РПВ, запущенные серфотронами, были предложены для целей освещения, они были предназначены для разрядов низкого давления. Основное приложения для РПВ - это плазмы большого объема при давлениях от ниже атмосферного до атмосферного, для различных процессов в производстве микросхем. Для приложений освещения высокого давления имеется недостаток. Объем плазмы сильно зависит от давления плазмы и мощности плазмы. На мощностях менее 400 Вт и давлениях в несколько атмосфер основная часть плазмы содержится в пусковой структуре, так что, принимая во внимание непрозрачную природу известных устройств серфотронов, можно использовать лишь малую часть света, производимого плазмой.

Типичная структура серфотрона схематически показана фиг. 1. Серфотрон 1 имеет ВЧ структуру, состоящую из двух металлических цилиндров 2, 3, образующих участок коаксиальной линии 4 передачи, завершающийся коротким замыканием 5 на одном конце и круглым зазором 6 на другом. ВЧ электрическое поле, распространяющееся через зазор, может возбуждать азимутально симметричную поверхностную волну, чтобы поддерживать плазменный столб 7 возбуждаемого материала в диэлектрической трубке 8, расположенной соосно с цилиндрами. Соосный цилиндрический емкостный соединитель 9 располагается между цилиндрами, с соединением 10, выходящим из внешнего цилиндра. Там оно соединяется с входной линией передачи. К внутреннему проводнику прикрепляется пластина, чтобы образовывать емкость между этой пластиной и внутренним металлическим цилиндром.

Цель настоящего изобретения - предоставить усовершенствованный источник света.

В соответствии с изобретением, предоставляется источник света, который должен питаться высокочастотной энергией, источник имеет:

• оболочку из прозрачного материала, оболочка имеет:

• герметичную полость внутри,

• загрузку в полости из материала, возбуждаемого высокочастотной энергией, чтобы создавать в ней излучающую свет плазму,

• экранирующую высокочастотную энергию клетку Фарадея, окружающую оболочку, клетка Фарадея является:

• по меньшей мере частично светопропускающей для выхода света из плазменного тигля, и клетка Фарадея имеет:

• две оконечные части и внешний стакан между оконечными частями, и

• антенну, расположенную в клетке Фарадея, для передачи индуцирующей плазму высокочастотной энергии загрузке, антенна имеет:

• соединение, выступающее за пределы клетки Фарадея для соединения с источником высокочастотной энергии,

причем:

• цилиндрический внутренний стакан барьера высокочастотной энергии расположен во внешнем стакане, внутренний стакан является:

• по меньшей мере частично светопропускающим для прохождения света через него и

• электрически соединенным на одном конце с одной оконечной частью клетки Фарадея и

• определяющим зазор запуска на другом конце с другой оконечной частью клетки Фарадея,

• оболочка расположена во внутреннем стакане и

• антенна расположена между внутренним и внешним стаканами;

посредством чего высокочастотная энергия, вводимая между стаканами с помощью антенны, может запускаться через зазор во внутренний стакан для возбуждения плазмы и излучения света через стакан и из источника.

Хотя может быть предусмотрено, что пространство между стаканами могло бы не содержать твердого материала, предпочтительно пространство между стаканами по меньшей мере частично заполнено прозрачным твердым диэлектрическим материалом. В предпочтительном варианте осуществления пространство в значительной мере заполнено кварцем.

Также может быть предусмотрено, что внутренний стакан имеет большее поперечное сечение, чем оболочка полости, промежуточное пространство не содержит твердого материала. Однако промежуточное пространство предпочтительно заполнено прозрачным твердым диэлектрическим материалом. Возможен ряд конфигураций:

• внутренний стакан имеет большее поперечное сечение, чем оболочка полости, промежуточное пространство заполняется прозрачным твердым диэлектрическим материалом;

• оболочка полости представляет собой колбу, содержащую загрузку, колба содержится в канале в корпусе из прозрачного твердого диэлектрического материала во внутреннем стакане. Предпочтительно колба заполняет канал в корпусе и приплавлена к нему. В другом случае колба радиально разнесена с каналом в корпусе и приплавлена к нему;

• внутренний стакан имеет в значительной мере то же поперечное сечение, что и оболочка полости, полость представляет собой канал в оболочке, герметичный на обоих его концах.

Предпочтительно полость находится в том конце внутреннего стакана, где зазор запуска.

В предпочтительном варианте осуществления:

• прозрачный твердый диэлектрический материал во внутреннем стакане и между стаканами разделяется только толщиной внутреннего стакана у зазора запуска;

• внутренний и внешний стакана являются сетчатыми и металлическими; и

• внешний стакан имеет неперфорированный обод, посредством которого источник света крепится к металлическому носителю, обеспечивая одну оконечную часть клетки Фарадея.

Чтобы помочь пониманию изобретения, теперь будет описан его конкретный вариант осуществления в качестве примера и со ссылкой на сопутствующие графические материалы, на которых:

Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение сбоку в поперечном сечении известного серфотрона;

Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение сбоку в поперечном сечении источника света в соответствии с настоящим изобретением; и

Фиг. 3 представляет собой изображение, подобное фиг. 2, одного варианта источника света, представленного на фиг. 2.

Обращаясь к фиг. 2, схематически показывается источник 11 света, который должен питаться высокочастотной энергией, в частности, 433 МГц энергией. Он содержит:

• центральный корпус 12 из плавленого кварца, корпус является круглоцилиндрическим, 32 мм в длину и 16 мм в диаметре;

• полость 14 в центральном корпусе, полость образуется как 4 мм канал в корпусе, 10 мм в длину, и герметизирован с помощью остаточной части 15 трубки, приплавленной к корпусу, и через которую полость освобождалась и заполнялась;

• загрузка 16 в полости из материала, возбуждаемого высокочастотной энергией, чтобы образовывать в ней испускающую свет плазму, обычно загрузка из металогалогенного материала в атмосфере инертного газа;

• внутренний стакан 17 из перфорированной металлической прокладки протягивается вдоль длины центрального корпуса в пределах до 2,5 мм его конца с полостью, чтобы предоставлять зазор 18 запуска. Стакан имеет поперечную оконечную часть 19, протягивающуюся напротив другого, внутреннего конца центрального корпуса;

• внешний цилиндр из плавленого кварца 20, также 32 мм в длину, с внутренним каналом 21, так чтобы скользящей посадкой садиться на внутренний стакан, который сам скользящей посадкой садится на центральный корпус. Результатом является тонкий зазор между двумя кварцевыми элементами 12, 20 в зазоре запуска, который с электромагнитной точки зрения является незначительным. Внешний цилиндр имеет внешний диаметр, равный 81 мм;

• внешний стакан 22 из перфорированного металла, заключающий внешний цилиндр и имеющий оконечную часть 23, протягивающуюся напротив тупого, с полостью концов кварцевого корпуса и цилиндра 12, 20, с отверстием 24 для остаточной части 15 трубки. Внешний стакан имеет юбку 25, протягивающуюся вдоль других тупых концов кварцевых элементов над алюминиевым носителем 26, где она закрепляется, известным показанным способом, удерживая кварцевые элементы на носителе. Таким образом стакан образует, со своим концом 22 и носителем 26, клетку Фарадея вокруг кварца и плазменной полости 14;

• антенну 27, изолированную от и протягивающуюся из носителя в канал 28 и кварцевый цилиндр 20 для введения ВЧ излучения в коаксиальный волновод, образованный перфорированными внутренним и внешним стаканами 17, 21. Их отверстия являются такими, чтобы сделать их непроницаемыми и экранирующими для ВЧ излучения, но в то же время светопропускающими, благодаря чему свет от плазмы может проходить через них. Часть антенны в носителе обеспечивает соединение с непоказанным источником ВЧ энергии.

Внутренний стакан 17, в его оконечной части 19, заземлен на носитель, тем же образом, как и внешний стакан и его оконечная часть 23. Таким образом, зазор 18 между концом внутреннего стакана и оконечной частью клетки Фарадея образует зазор запуска для того, чтобы ВЧ энергия излучалась в плазменную полость и инициировала и поддерживала там плазму. Свет от плазмы проходит через кварц и через отверстия в стаканах и оконечной части 19, и таким образом выходит из источника света.

В варианте, представленном на фиг. 3, внутренний стакан 17 короче, а зазор запуска шире, обычно 10 мм, так что большая часть света выходит из источника только через внешний стакан 22 клетки Фарадея.

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является повышение эффективности излучения и расширение эксплуатационных возможностей. Высокочастотный источник (11) света имеет центральный корпус (12) из плавленого кварца с центральной полостью (14), заполненной загрузкой (16) из материала, возбуждаемого ВЧ энергией для образования плазмы, излучающей свет. Внутренний стакан (17) выполнен из перфорированной металлической прокладки, и его длина относительно длины центрального корпуса находится в пределах до 2,5 мм до его конца с полостью для образования зазора (18) запуска. Внутренний стакан (17) имеет поперечную оконечную часть (19), протягивающуюся напротив другого, внутреннего конца центрального корпуса (12). Внешний цилиндр (20) из плавленого кварца выполнен с внутренним каналом (21), так чтобы скользящей посадкой садиться на внутренний стакан (17), который сам скользящей посадкой садится на центральный корпус (12). Внешний стакан (22) выполнен из перфорированного металла, включает в себя внешний цилиндр, имеющий оконечную часть (23), протягивающуюся напротив тупого, с полостью конца центрального корпуса (12) и внешнего цилиндра (20), выполненных из кварца. Внешний стакан (22) имеет юбку (25), протягивающуюся вдоль других тупых концов кварцевых элементов над алюминиевым носителем (26), где она закреплена, удерживая их на носителе. Таким образом, конец (23) внешнего стакана (22) и носитель (26) образуют клетку Фарадея вокруг центрального корпуса (12) из кварца и плазменной полости (14). Антенна (27), изолированная от носителя (26), протянута от него в канал (28) в внешнем цилиндре (20) из кварца для введения ВЧ излучения в коаксиальный волновод, образованный внутренним и внешним стаканами (17, 21). Их отверстия являются такими, чтобы сделать их непроницаемыми и экранирующими для ВЧ излучения, но в то же время светопропускающими, благодаря чему свет от плазмы может проходить через них. Часть антенны (27) в носителе (26) обеспечивает соединение с источником ВЧ энергии, не изображенным на чертежах. Внутренний стакан (17) в его концевой части (19), заземлен на носитель (26) тем же образом, как и внешний стакан (22) и его оконечная часть (23). Таким образом, зазор (18) между концом внутреннего стакана (17) и оконечной частью клетки Фарадея образует зазор запуска для того, чтобы ВЧ энергия излучалась в плазменную полость, инициировала и поддерживала там плазму. Свет от плазмы проходит через кварцевые элементы, отверстия в стаканах и оконечную часть (19) и выходит из источника света. 15 з.п. ф-лы, 3 ил.

.

1. Источник света, запитываемый высокочастотной энергией, источник содержит:
• оболочку из прозрачного материала, оболочка содержит:
• герметичную полость внутри,
• загрузку в полости из материала, возбуждаемого высокочастотной энергией, для создания в ней излучающую свет плазму,
• экранирующую высокочастотную энергию клетку Фарадея, окружающую оболочку, клетка Фарадея является:
• по меньшей мере частично светопропускающей для выхода света из плазменного тигля, и клетка Фарадея содержит:
• две оконечные части и внешний стакан между оконечными частями, и
• антенну, расположенную в клетке Фарадея, для передачи индуцирующей плазму высокочастотной энергии загрузке, антенна содержит:
• соединение, выступающее за пределы клетки Фарадея, для соединения с источником высокочастотной энергии,
причем:
• цилиндрический внутренний стакан барьера высокочастотной энергии расположен во внешнем стакане, внутренний стакан является:
• по меньшей мере частично светопропускающим для прохождения света через него и
• электрически соединенным на одном конце с одной оконечной частью клетки Фарадея и
• определяющим зазор запуска на другом конце с другой оконечной частью клетки Фарадея,
• оболочка расположена во внутреннем стакане и/или зазоре запуска, и
• антенна расположена между внутренним и внешним стаканами;
посредством чего высокочастотная энергия, введенная между стаканами с помощью антенны, запущена через зазор во внутренний стакан для возбуждения плазмы и излучения света через стаканы и из источника.

2. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что пространство между стаканами не содержит твердого материала, кроме материала оболочки полости.

3. Источник света по п. 1, отличающийся тем, что пространство между стаканами по меньшей мере частично заполнено прозрачным твердым диэлектрическим материалом.

4. Источник света по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что внутренний стакан имеет большее поперечное сечение, чем оболочка полости, промежуточное пространство не содержит твердого материала.

5. Источник света по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что внутренний стакан имеет большее поперечное сечение, чем оболочка полости, промежуточное пространство заполнено прозрачным твердым диэлектрическим материалом.

6. Источник света по п. 5, отличающийся тем, что оболочка полости представляет собой колбу, содержащую загрузку, колба помещена в канал в корпусе из прозрачного твердого диэлектрического материала во внутреннем стакане.

7. Источник света по п. 6, отличающийся тем, что колба, заполняющая канал в корпусе, приплавлена к нему.

8. Источник света по п. 6, отличающийся тем, что колба, радиально разнесенная с каналом в корпусе, приплавлена к нему.

9. Источник света по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что внутренний стакан имеет в значительной мере то же поперечное сечение, что и оболочка полости, полость представляет собой канал в оболочке, герметичный на обоих его концах.

10. Источник света по п.9, отличающийся тем, что полость находится в конце внутреннего стакана у зазора запуска.

11. Источник света по любому из пп. 3, 10, отличающийся тем, что прозрачный твердый диэлектрический материал во внутреннем стакане и между стаканами разделен только толщиной внутреннего стакана у зазора запуска.

12. Источник света по п. 11, отличающийся тем, что прозрачный твердый диэлектрический материал представляет собой плавленый кварц.

13. Источник света по п. 12, отличающийся тем, что внутренний и внешний стаканы являются сетчатыми и металлическими.

14. Источник света по п. 13, отличающийся тем, что внешний стакан содержит неперфорированный обод, посредством которого источник света закреплен к металлическому носителю, обеспечивающему одну оконечную часть клетки Фарадея.

15. Источник света по п. 14, отличающийся тем, что полость устроена в направлении оси источника света и по меньшей мере частично перекрыта внутренним стаканом.

16. Источник света по п. 15, отличающийся тем, что полость устроена в направлении оси источника света таким образом, что полость не перекрыта внутренним стаканом.