用于启动不易启动的无电极灯的方法和装置 本发明涉及不易启动的无电极灯，例如高压无电极灯和/或包括负电性填充物的灯的启动。
无电极灯一般由微波或R.F源驱动。这种灯的某些应用包括紫外线固化处理、半导体工艺处理、照明和投射。
由于无电极灯不包含电极，所以与有电极的灯相比这类灯一般难以启动。原因之一是在有电极的灯中围绕电极的强电场能够容易地提供需要的电离作用，以启动有电极的灯。显然，无电极灯不具有辅助启动的那种电极地好处。
此外，存在一类特别不易启动的无电极灯。该类别灯包括这样的灯，即该灯泡填充物在室温下呈现高气压，包括至少一个大气压的压力，和/或填充物包括负电性物质。为了启动这种灯，施加的电场必须使填充物出现电离。但是，如果填充物处于高压，那么填充物的电离就不象包围灯泡的空气那样容易电离。因此，包围的空气首先被击穿，导致与灯泡的短路，并且整个电场将不再施加在填充物上。
由于填充物的电离需要存在自由电子，所以包含负电性材料的填充物不易启动。但是，负电性材料起这种自由电子的吸收剂的作用，因此使电离困难。处于高气压和包含负电性材料的这些填充物特别不易启动。
在现有技术中，提出了改善灯启动的各种方法，但一般来说，这些方法未涉及本发明所涉及的那些不易启动的灯。例如，PCT申请No.WO93/21655，在该申请中的硫或硒灯披露了附加例如铯之类的物质来改善启动。但是，在该PCT申请中，未使用这种物质启动本发明所涉及的这种类别的灯。
本发明提供一种解决方案，在该方案中按特定的方式启动不易启动的填充物。本发明一般可用于不易启动的填充物，特别适用于启动形成高压激发物(excimer)的填充物。
按照本发明的方案，提供启动无电极灯的方法，其中该无电极灯配有包括外壳和填充物的灯泡，将场致发射源设置在外壳内部的指定区域，将足以由场致发射源引起场致发射的电场施加在外壳指定区域，使足以维持放电的微波或R.F.能量与填充物耦合。
通过参照附图将更好地理解本发明，其中：
图1示意性表示本发明的实施例。
图2是本发明实施例的侧视图。
图3是图2所示实施例的正视图。
图4是图2所示实施例的俯视图。
图5表示在伸长位置的电极。
图6表示在缩回位置的电极。
图7是从灯泡延伸的侧臂详图。
图8A和图8B是电极端部的详图。
图9是反射器的平面图。
图10是微波灯的局部图。
图11是XeCl激发物灯的光谱曲线图。
图12是汞基(mercury based)灯的光谱曲线图。
参照图1，在实施例中所述的无电极灯2由来自微波源15的微波能量驱动。外壳4包含形成放电的填充物，并位于示意性表示的微波罩6中。在优选实施例中，罩6是对来自填充物的辐射透明但反射基本全部微波能量的微波容器、或带有反射器的腔室和网状物。
除微波能量外，一般还要施加辅助能量来启动灯。例如，照射填充物的小型紫外线灯可用于该目的。在更不易启动的灯中，已知可用由R.F.能量驱动的辅助电极。但是，即使使用这样的辅助源，仍存在一类难以启动的灯。该类别中的两个实例是带有较高压力填充物的无电极灯，和/或带有包括负电性物质的填充物的那些灯。
在图1的实施例中，说明了这样的启动系统，该启动系统由共同工作以对本发明所涉及的这种类别的灯提供有效启动的组合的元素构成。在外壳中包括场致发射源，例如带有正离子的化合物或选自铯、钾、铷和钠的组中的元素，并且还提供确保场致发射源处于外壳指定区域的装置。
提供启动电极，用于在外壳指定区域提供足够大的高电场，以由场致发射源产生场致发射，从而产生足够多的自由电子，开始灯的启动过程。
这里使用的“场致发射源”是具有较低表面势垒的物质，当施加足够大的电场时，该物质可以因场致发射而释放电子。把场致发射定义为在强静电场(＞0.3V/埃)下将来自凝聚相表面的电子发射给另一相。在该现象中包括电子通过表面的变形势垒的隧道效应。因此，场致发射从根本上不同于在真空器件、热离子发射和光电子发射中电子释放的更标准形式；在这两种技术中，仅发射具有超过表面势垒的足够能量的电子。
尽管在上述PCT申请No.93/21655中披露了把包含铯的物质附加在填充物中，但这些物质并没有用作场致发射源。这些物质也未被局限于灯泡的指定区域，施加的电场也不足以产生场致发射，即导致产生大量自由电子的过程。
再次参照图1，设有伸过微波腔壁开口的探头10，使探头10的端部12接近外壳4。在优选实施例中，端部12实际上接触外壳壁，以便防止在存在气隙时出现的电弧。
在启动时将来自R.F.振荡器14的一串R.F.脉冲提供给探头。由绝缘装置包围探头，以防止在探头和微波腔壁和/或灯泡之间产生电弧。在本发明的优选实施例中，绝缘装置包括称为侧臂36的石英厚壁毛细管、包含在环形绝缘套筒21中的例如六氟化硫(SF6)之类的绝缘气体20。
场致发射源13设置于外壳内部，处于探头之下称为隔板(bulkhead)的区域。通过将该物质放入填充物中，加热外壳至足以引起该物质分解或升华，然后优选地通过冷却，使材料在隔板区冷凝，从而使该物质最初设置在该区域。可以在将灯泡放入灯之前完成这些处理。由探头施加的电场足够大，以由物质13引起电子场致发射。电子与来自探头的电场和微波场共同启动灯。在优选实施例中，与微波场的峰值同步施加R.F.脉冲。
在灯启动后，撤除探头的R.F.源。然后，使探头从灯壳和腔内部缩回，以防止击穿和干扰腔中的微波场。为了完成这种处理，光电检测器24检测由灯发射出的光，在对信号进行处理后，将信号馈送给包括用于缩回探头的缩回装置的激励器26。
在灯已用于其指定的用途后，将通过撤除微波源关闭灯。在关闭灯时，必须确保场致发射源处于隔板区，以便当灯再次启动时，它能够处于施加启动电场的该区域中。这可以通过以下方式实现，即将隔板布置在外壳的最冷区域，从而促使场致发射源在该区域冷凝，或利用重力，即将隔板布置在外壳的最低区域。
应该指出，可以使用上述说明之外的其它物质作为场致发射源。例如，利用包括尤其是简单附加到填充物中、化学汽相淀积和离子注入的方法将碳化硅或碳淀积于外壳内部的隔板上。
还应该指出，尽管图1描绘了由微波能量驱动的无电极灯，但本发明也可用于由R.F.能量驱动的无电极灯。此外，尽管显示了直线型灯壳，但还可使用多种形状的灯壳。
参照图2和图3，描绘带有由金属反射器30和金属屏32构成的腔的微波灯，该腔反射大部分微波，但对紫外线辐射基本上透明。灯泡34被固定在腔中，其内有上述不易启动的填充物。
如图1所示，将场致发射源固定在外壳内部的隔板区。隔板区有从该处延伸的侧臂36，图7中更清楚地进行了显示。可以用石英制成外壳和侧臂。包围侧臂并与其同心的是包含绝缘气体的静止环形套筒38。在优选实施例中，绝缘气体是六氟化硫(SF6)。
电极或探头40在静止侧臂/绝缘气体管结构中移动。当处于灯启动模式时，探头处于延长的位置，其端部接触灯泡。在某些实施例中，可以仅需要使电极处于灯泡附近，但是，对于施加强启动电场的更苛刻的启动应用来说，就需要进行可靠的接触。
图5中更清楚地表示了电极的延长位置，而图6中则表示其缩回位置。在缩回位置，电极端部大约与腔壁齐平。由于电极起天线作用，并将中断微波源与灯泡的适当耦合，所以期望尽可能从由腔壁界定的空间中去除电极。
由气缸42移动电极。这属于在一个方向上施加压力使电极插入，而在相反的方向上使电极缩回的类型。该气缸通过装配加载弹簧的伸缩接点44起作用，设置该接点44，以便以最小的压力在灯泡上提供可靠的探头接触。由绝缘材料制成的圆柱形部件46与电极连接，并转换从其上的气缸开始的移动。绝缘叶片48可由复合材料例如G-10制成。
在工作期间，由来自空气喷嘴64的冷却空气在整个时间内都冷却隔板区。此外，电极40是空心的，并在启动期间通过它馈送冷却隔板和侧臂的冷却流体例如压缩空气。在图8A和图8B中更详细地表示了该电极，其中虚线表示内壁。该电极在端部有开口50，在靠近探头端部的侧壁上有多个开口52，当该端部接触灯泡外壳时，这些开口使空气能够逸出。通过空心电板馈送空气的另一优点在于，通过迅速从该区域消除电离产生物，使电晕放电导致的电极损坏最小。它还具有允许电极由较低难熔性的材料例如不锈钢构成的优点。
设置配件54，用作压缩空气进入电极的空气入口。在该配件背面的区域56是对电极施加高压的接触点。
因此，在器件的工作中，为了启动灯，激活汽缸42从而通过加载弹簧的接点44移动附着于电极的绝缘部件42。在从探头上撤除电压之后，沿相反的方向再激活汽缸42，使电极缩回。由绝缘系统包围电极，以防止在电极和微波腔壁之间产生电弧。在本发明的优选实施例中，将厚壁石英管(侧臂)36与灯泡外壁对焊。该管36不仅作为绝缘系统的第一层，而且还提供给电极可靠的机械对准和长的径迹长度(creep pathlength)。环形套筒21固定在侧臂36上。在本发明的优选实施例中，用绝缘气体例如六氟化硫(SF6)填充套筒。绝缘介质也可以是固体，例如陶瓷(氧化铝)、聚合体(PTFE)、聚合液体例如FomblinTM或KrytoxTM、液体(超纯蒸馏水)、或淬冷气体例如氯气或一氧化碳。在另一实施例中，为了提供绝缘，可以将整个装置浸渍在UV透明的高介电强度的液体中。电极10、侧臂36和套筒21同轴对准，穿入微波腔2。在穿入点，成形腔边缘，使边缘半径足够大，以降低穿入点的电场强度。这可防止损坏套筒的电晕放电。灯的主冷却空气和局部的外部冷却喷嘴64帮助去除在对焊附近的电离产生物。这可防止在对焊区域和腔壁之间形成的潜在的危险电弧。
在优选实施例中，本领域技术人员周知其细节的R.F.电源供给约300瓦100KV、频率为2至3Mhz的脉冲。参照图2和图3，该电源使用由高电压等离子体开关器件构成的“气隙(gap)”58。简单地说，通过变压器增大线电压，并施加在依次供给“气隙”的充电电容器60上。“气隙”的输出供给自耦变压器62的头几匝，其输出供给电极。元件65是调谐电容器。在隔板区提供的电场有约50百万伏/米的强度。
必须有在灯工作期间确保场致发射源保持在隔板区内的机构，或者，如果场致发射源迁移，那么必须有在下次启动前确保场致发射源返回到隔板区内的结构。为此，通过空心电极将冷却空气供给隔板区。可使用任意的涡流冷却装置，在启动和工作期间将冷却空气提供给隔板区。图2中示出由涡流冷却装置馈送的空气喷嘴64，可以看出，它大体上瞄准隔板区。图3中所示的涡流冷却装置66是在入口68送入空气、从出口70排出热空气和从出口72排出冷空气的装置。出口72通过导管(未示出)与喷嘴64连接。
在灯工作期间如果场致发射源从隔板区迁移，那么必须设置其返回路径。按照本发明的方案，在灯关闭之前，将热脉冲施加在填充物上。通过增加物质的迁移率，热脉冲引起用作场致发射源的足够量的物质被输送回隔板区。然后，由于隔板已被设计在外壳的最冷部分，所以物质将在隔板上冷凝。
按照优选实施例，通过瞬间中断对灯泡的主冷却来施加热脉冲。当关闭灯时(备用模式)，将冷却空气瞬间节流预定的时间周期，例如小于五秒。在此期间，接通微波源，但在该时间的末端就关闭，并使主冷却重新供给灯泡(只要灯保持在备用模式)。
参照图9，描述反射器30的配置。由两个磁控管驱动所述特定灯，在每个端部固定其中一个磁控管，因而反射器在其相应的端部有耦合槽80和82。所示的通孔100用于供给冷却空气，同时通过开口102馈送环形套筒38。
图10中表示一个磁控管外壳83的侧视图。设有冷却孔85，用于使冷却空气进入波导，冷却空气通过耦合槽进入腔以冷却灯泡。通过圆形开口90将空气灌入辐射的顶部。气动控制阀门92将停止用于热脉冲的空气流。由激励气动触发器94产生热脉冲，热脉冲向上移动导致阀门92向上移动以关闭开口90。当阀门92打开时，空气穿过充气室，然后强制通过磁控管。在空气从磁控管出来之后，通过波导铸件上的孔85和反射器上的通孔进入微波腔。通过屏将空气排出系统。
在优选实施例中，外壳中的填充物是由氙和氯构成的形成激发物的填充物。在由本发明成功启动的特定实例中，在室温下填充物包括约1530乇的氙和约70乇的氯。这是不易启动的填充物，该填充物处于高气压状态并包含负电性物质。过量卤素(超过化学当量)的优点在于，可抑制灯丝放电并还提供较短波长的额外能量。
在优选实施例中，场致发射源包含铯，并且是氯化铯(CsCl)化合物。在特定实例中，可配置约5至200mg的CsCl。
由于用氯化氙产生激发物辐射，并且氯化铯不明显地影响激发物辐射的光谱，所以选择的铯的特定盐是氯化物。一般来说，期望这样选择场致发射源，使其不会对光谱产生影响。这可以通过选择带有足够高熔点即在灯泡壁的正常工作温度下不会明显蒸发或流动以及不与任何其他灯泡成分反应的场致发射源来实现，或通过选择其发射谱线远离重要的特定区域或物质被完全电离的场致发射源来实现。还可这样选择化合物，使其熔点足够低，从而通过热脉冲或其它热产生机构在灯关闭时能够蒸发足以保证点火的数量，以便使该化合物可以返回到隔板。一般来说，按照上述标准，在一般情况下选择化合物可考虑本发明的方案。
在特定实例中，将5800瓦的微波源与包含如上所述的氙、氯和CsCl的灯泡耦合，该灯泡长10英寸，内径为15mm。图12中表示获得的光谱。
图1至图11的结构可广泛用于具有各种不易启动填充物的灯。这些灯包括尤其是各种高压稀有气体/卤素、仅含卤素、仅含稀有气体的激发物(例如，参见本文引证的U.S.专利No.5504391)、金属/稀有气体激发物、氙化铊激发物、汞化铊激发物和包括各种分子发射体的灯。在某些类型的灯中，提供强启动电场的已公开的结构在未附加场致发射源的情况下就足以启动灯。
划入后一类型的灯是带有高压稀有气体填充物的汞基紫外线灯，它还可以包括金属卤化物。汞基紫外线灯一般包含几百乇或更低数量级的低压稀有气体填充物。通过显著增加稀有气体压力，例如在室温下达到约大于一个大气压，可以获得明显更大的光输出。图2至图9中所示的启动电极和有关结构可用于产生上述强启动电场。
图13表示在室温下具有约100至200乇氩气压力的标准汞基灯输出(实线A)与在室温下具有约1900乇氙气压力的按本发明进行启动的灯输出(虚线B)的比较。可以明显看出，第二种灯的输出明显大于第一种灯的输出。
因此，披露了按照本发明的改进的灯。尽管结合优选和示例性的实施例论述了本发明，但对于本领域技术人员而言，仍可作出各种变更，因此应该指出，本发明由所附权利要求书限定。