Газоразрядная лампа видимой области спектра, спосогазоразрядная лампа видимой области спектра, способ ее изготовления и способ ее эксплуатации б ее изготовления и способ ее эксплуатации - RU2125322C1

Чертежи

Показать все 17 чертежа(ей)

Описание

Изобретение является частичным продолжением заявки США N 779718, поданной 23 октября 1991 г., которая является частичным продолжением заявки США N 604407, поданной 25 ноября 1990 г.

Настоящее изобретение касается усовершенствованной лампы видимого света, в частности лампы с регулируемыми спектральными характеристиками.

Известно, что цвет создаваемого лампой света определяется спектральным распределением энергии испускаемого излучения. Вообще источники видимого света излучают в спектральном диапазоне длин волн 350-750 нм.

Желательно иметь возможность регулировать цветовой тон излучения лампы, которая номинально излучает во всем видимом спектре. Например, в одних случаях применения может оказаться желательным свет с красным оттенком, в то время как в других случаях применения предпочтительным может оказаться зеленый оттенок излучаемого света. Кроме возможности обеспечения различными лампами разных цветовых оттенков света, желательно также располагать возможностью изменять цветовой оттенок или усиливать часть спектра светового излучения, испускаемого данной лампой в процессе ее работы.

В известных газоразрядных лампах излучение отдельных частей спектра обычно усиливается посредством применения добавок в заполнителях. Например, в металлогаллоидной лампе, в которую введен таллий, усиливается зеленая часть спектра, в то время как в лампе, в которую введен натрий, усиливалась бы желтая часть спектра. Недостатком таких ламп является то, что для получения каждой лампы с отличающимся оттенком цвета излучения необходимо использовать вполне конкретную добавку или определенное сочетание добавки, что приводит к усложнению изготовления ламп. Кроме того, поскольку разные заполняющие вещества имеют различные показатели старения, то спектры ламп, в которых используются добавки, имеют тенденцию к изменению со временем.

Другим подходом к изменению цветовой отдачи лампы является использование внешних фильтров. Однако такие устройства неизбежно уменьшают КПД всей ламповой системы. Известно также, что излучение лампы накаливания может быть сделаны более красным путем снижения рабочей температуры нити накала, но результатом этого также является уменьшение КПД лампы.

Кроме того, вышеуказанные известные устройства предусматривают изменение цветовой светоотдачи за счет изменения характера общего спектрального распределения, т. е. вследствие усиления одной части спектра, но не других. Однако установлено, что для определенных случаев применения полезно изменять усиление цвета, сохраняя по существу одинаковым характер общего спектрального распределения. Например, в цветных системах отображения информации с использованием красного, зеленого и синего основных цветов (RGB), как, например, в телевидении с экранами на жидких кристаллах с высокой четкостью изображения, желательно иметь лампу со спектральным распределением энергии, которая может усиливать синий или красный цвет без существенного нарушения характера общего распределения.

Может оказаться также желательным регулирование спектра во время работы лампы. В этом отношении патент США N 4978891 (заявка ФРГ A 40119511) описывает применение контролируемого охлаждающего устройства для контроля конденсации компонента в лампе, имеющей многокомпонентный заполнитель. В японской публикации N JP 62272448 и патенте США N 4974227 описывается контроль давления в ртутной лампе путем регулирования температуры, в патенте США N 4476413 - атомная спектральная лампа, в которой количество элементов в парообразной фазе регулируется с помощью нагревательного устройства, и в патенте США N 4945290 - разрядное устройство с диэлектрическим барьером, в котором распределение по энергии электронов может быть оптимизировано посредством регулирования давления.

В находящихся одновременно на рассмотрении заявках США NN 779718 и 604487, которые упомянуты здесь для справки, описывается новый тип газоразрядной лампы с заполнителем, включающим в себя серо- или селеносодержащее вещество. Заполнитель присутствует при давлении по крайней мере около 1 атмосферы и возбуждается при сравнительно высокой удельной мощности. Лампа создает молекулярный спектр в видимой части спектра при сравнительно высоком КПД и отличается длительным сроком службы и стабильной цветоотдачей в течение времени.

Хотя лампа, описанная в предшествующих заявках, обладает многими полезными свойствами, в случае, если она не используется в соответствии с настоящим изобретением, спектральный выход или цветовая температура могут изменяться по периферии колбы лампы. Конечно, во многих случаях применения желательно иметь равномерный спектральный выход по поверхности колбы лампы, с тем чтобы все области излучения энергии представлялись имеющими одинаковый цвет.

Установлено также, что вышеописанный эффект пространственного "цветоразделения" может стать более резко выраженным, когда газоразрядная лампа работает при низких уровнях мощности. Но при таких уровнях мощности лампа может гаснуть или разряд может удаляться от стенок лампы.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предлагается газоразрядная лампа с заполняющим веществом, которая излучает, главным образом, в видимой части спектра и которая имеет спектральное распределение в видимой части спектра, которое можно изменять путем регулирования плотности заполняющего вещества.

В соответствии с вторым аспектом изобретения предлагается газоразрядная лампа с заполняющим веществом, которая излучает, главным образом, в видимой части спектра и которая имеет спектральную характеристику в видимой части спектра, которая может быть смещена по длине волны без существенного изменения формы характеристики путем регулирования плотности заполняющего вещества.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения предлагается газоразрядная лампа с заполнителем на основе серы или селена, которые имеют различные спектральные усиления или оттенки цвета, обеспечиваемые регулированием плотности заполнения серо- или селеносодержащим заполняющим веществом.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предлагаются газоразрядные лампы, имеющие спектральные характеристики в видимой части спектра по существу одинаковой формы, но смещенные по длине волны одна относительно другой посредством регулирования плотности заполнения серо- или селеносодержащим заполняющим веществом.

В соответствии с пятым аспектом изобретения спектральный выход газоразрядной лампы, имеющей серо- или селеносодержащий заполнитель, регулируется в реальном времени путем регулирования плотности заполнителя во время работы лампы. Это может осуществлять путем регулирования охлаждения колбы лампы с целью большей или меньшей конденсации заполняющего вещества из газообразного заполнителя.

Кроме того, в соответствии с изобретением заполнитель колбы лампы имеет такой состав, чтобы предотвратить вышеописанные изменения по пространству спектральных характеристик или цветовой температуры. Так, лампе может быть придана такая форма, чтобы она излучала при равномерной цветовой температуре по поверхности колбы лампы. Кроме того, лампа, не гаснув, может работать при меньших уровнях мощности.

В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения в заполнитель лампы добавляет вещество, которое улучшает равномерность по пространству цветовой температуры света, испускаемого лампой.

В соответствии с седьмым аспектом изобретения в заполнитель добавляют вещество, которое улучшает зажигание лампы.

В соответствии с восьмым аспектом изобретения в заполнитель добавляют вещество, которое позволяет лампе эффективно работать при меньших уровнях мощности.

В соответствии с девятым аспектом изобретения в заполнитель добавляют вещество, которое имеет низкий потенциал ионизации.

В соответствии с десятым аспектом изобретения в заполнитель добавляют вещество, которое содержит щелочной металл.

В соответствии с одиннадцатым аспектом изобретения в заполнитель добавляют вещество, содержащее металл группы III Б.

В соответствии с двенадцатым аспектом изобретения в заполнитель добавляют вещество, которое содержит щелочноземельный металл или редкоземельный элемент.

В соответствии с тринадцатым аспектом настоящего изобретения в заполнитель добавляют ртуть.

В соответствии с четырнадцатым аспектом изобретения предлагается улучшенная колба, которая может быть использована в газоразрядной лампе.

В технике известно добавление натрия, который является щелочным металлом, в газоразрядные лампы с целью обеспечения усиления частей спектра, и в особенности в дуговые лампы с целью устранения проблемы, известной как "сужение дуги", при которой разряд между электродами становится нежелательно суженным в определенных местах.

В соответствии с настоящим изобретением обнаружено, что когда в заполнитель, находящийся в лампе высокого давления и содержащий серу или селен, добавляют материал с низким потенциалом ионизации, то улучшается пространственная равномерность цветовой температуры света, испускаемого колбой лампы, и/или характеристики зажигания лампы.

Обнаружено также, что когда в заполнитель лампы высокого давления, в котором главным светоиспускающим компонентом является серо- или селеносодержащее вещество, добавляют вещество с содержанием щелочного металла, то обеспечиваются следующие преимущества:
a) цветовая температура испускаемого света вокруг поверхности колбы лампы становится пространственно более равномерной, и это, в общем, верно даже при меньших удельных мощностях,
б) зажигание лампы обеспечивается более надежно,
в) лампа без гашения может работать при меньших уровнях мощности.

Кроме того, обнаружено, что когда в заполнитель лампы высокого давления, содержащий серу или селен, добавляют вещество с содержанием металла группы III Б, то улучшается пространственная равномерность цветовой температуры испускаемого света.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, обнаружено, что когда свет, испускаемый газоразрядной лампой с содержанием серы или селена, отражается обратно в колбу лампы, то получающийся свет, который повторно испускается, имеет большую интенсивность в интервале более длинных волн, т. е. в красной части спектра. Следовательно, используя отражатель, приблизительно сферический по форме, можно создать лампу с усиленным излучением в красной части спектра. Кроме того, используя отражатель селективный по отношению к длине волны, как, например, дихроичный отражатель, можно создать лампу со спектральным выходом, который почти эквивалентен спектральному выходу абсолютно черного тела. К тому же, используя такие отражатели, можно создать лампы, применимые для конкретных случаев использования.

Изобретение будет более понятно со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых представлено следующее: фиг. 1 - безэлектродная лампа с микроволновым питанием, фиг. 2 - спектральное распределение энергии с максимумом на 515 нм, фиг. 3 - спектральное распределение энергии с максимумом на 490 нм, фиг. 4 - график зависимости максимума длины волны от плотности заполнителя, фиг. 5 - устройство, в котором плотность заполнителя регулируется посредством охлаждения лампы, фиг. 6 - другой вариант заполнения лампы высокого давления, содержащей серу или селен, фиг. 7 - еще один вариант выполнения лампы, содержащей серу или селен, фиг. 8 - пример спектра, испускаемого лампой, представленной на фиг. 6, фиг. 9 - график зависимости сопоставимой цветовой температуры от углового положения для лампы, такой как показанная на фиг. 6, фиг. 10 - еще один вариант выполнения лампы в соответствии с изобретением, фиг. 11 и 12 - другие варианты выполнения газоразрядных ламп, содержащих серу или селен, фиг. 13 - лампа со сферическим отражателем в установке для измерения спектра, фиг. 14 - спектр, полученный с применением установки, показанной на фиг. 13, при зачерненном отражателе, фиг. 15 - спектр, полученный с применением установки, показанной на фиг. 13, при использовании блестящего отражателя, фиг. 16 - график, показывающий соотношение мощностей для блестящих/зачерненных отражателей в зависимости от диапазона длин волн, фиг. 17 - диаграмма цветности 1931 для ламп без коррекции и с коррекцией соответственно, фиг. 18 - еще один вариант осуществления изобретения.

На фиг. 1 показана безэлектродная лампа с микроволновым питанием, в которой может быть воплощено настоящее изобретение. Как показано на фиг. 1, пара магнетронов 1,1' генерирует микроволновую энергию, которая распространяется по волноводам 2,2'. Волноводы ведут к микроволновому объемному резонатору 5, который содержит чашеобразную часть 4 со сплошной проводящей стенкой и чашеобразную часть 6 из металлической сетки, которые соединены своими соответствующими краями 4А, 6А. Внутри волноводов 2,2' на сплошной стенке расположены антенные щели 3,3', которые служат для подвода микроволновой энергии из волновода в объемный резонатор, где она вызывает возникновение поля колебаний.

Внутри объемного резонатора 5 расположена колба 7 газоразрядной лампы с опорной ножкой 7А. Эта ножка через отверстие (не показано) в сплошной чашеобразной части 4 соединена с валом электродвигателя 8. Электродвигатель вращает колбу 7 для улучшения ее охлаждения.

Как упоминалось выше, заполнитель в колбе включает в себя серо- или селеносодержащее вещество. Желательно также использовать инертный газ, как, например, аргон или ксенон, который способствует зажиганию разряда. Лампа на фиг. 1 может быть охарактеризована как лампа высокого давления. Следовательно, заполнитель в колбе 7 присутствует в таких количествах, что его давление составляет по меньшей мере одну атмосферу или выше при возбуждении до рабочей температуры или предпочтительно 2-20 бар (2-20 атмосфер). Кроме того, давление заполнителя, в основном, определяется главным излучающим компонентом, который во время работы лампы имеет значительно более высокое парциальное давление, чем другие компоненты. Освещение, создаваемое лампой, может быть усилено в различных областях спектра путем введения определенных добавок в заполнитель.

Как отмечалось выше, кроме использования серы и селена в элементарной форме, могут быть использованы соединения этих элементов, например InS, AS₂S₃, S₂Cl₂, CS₂, In₂S₃, SeS, SeO₂, SECl₄, SeTe, P₂Se₃ и Se₃ As₂, а также другие соединения серы и селена. Используемые соединения имеют низкое давление паров при комнатной температуре, они находятся в твердом или жидком состоянии, и высокое давление паров при рабочей температуре.

Под используемым здесь термином "серосодержащее вещество" подразумевается как элементарная сера, так и соединения серы, причем это относится и к соответствующим терминам, применяемым в отношение селена. Следует отметить, что главный излучающий компонент заполнителя может представлять собой сочетание серосодержащего вещества и селеносодержащего вещества, а не только лишь одно их этих веществ. Кроме того, главный излучающий компонент может представлять собой смесь вещества в элементарной форме и конкретного вещества или веществ в виде соединений.

Заполнитель возбуждается при удельной мощности свыше 50 Вт/см³ и предпочтительно свыше 100 Вт/см³.

На фиг.2 показано спектральное распределение энергии для лампы, изображенной на фиг. 1. Спектральное распределение энергии охватывает область от 350 до 750 нм, которая соответствует видимой области спектра. Этот спектр имеет максимум приблизительно при 515 нм и соответствует белому свету с зеленым цветовым оттенком. Как видно, спектр является непрерывным во всей видимой области. Анализ спектрального распределения энергии, проведенный в соответствии с 1931 CIE (Международный комитет по светотехнике), позволяет определить сопоставимую цветовую температуру, равную 6000 K, а координаты x и y на диаграмме цветности - соответственно как 0,320 и 0,386. Колба лампы со спектром, показанным на фиг.2, использовалась с заполнителем плотностью 2,5 мг/см³ серы и аргона при давлении 0,08 бар (60 тор).

На фиг. 3 показано спектральное распределение энергии для второй лампы, изготовленной и эксплуатируемой согласно изобретению. Эта лампы работала при тех же условиях, что и лампа, соответствующая показанному на фиг. 2, но лампа, соответствующая показанному на фиг. 3, использовала заполнитель при несколько меньшей плотности серы, чем в случае фиг. 2, т.е. 1,3 мг/см³. Колба этой лампы содержала аргон при давлении 0, 08 бар (60 тор). Формируемое этой лампой излучение представляется белым, но в этом случае с синим цветовым оттенком, а максимум спектрального распределения энергии имеет место примерно при 490 нм. Сопоставимая цветовая температура составляет 8500 K, а координаты x и y на диаграмме цветности - соответственно 0,275 и 0,334.

Следует отметить, что характеристики, иллюстрирующие оба спектра на фиг. 2 и 3, плавно повышаются почти с нулевого значения для 350 нм до соответствующих максимальных значений и затем более плавно понижаются до нижнего уровня, соответствующего 750 нм. За исключением незначительных флуктуаций, кривые являются плавными. Это контрастирует с тем, что наблюдается у распространенных вариантов металлогалоидных ламп, которые дают сильнолинейчатые спектры. Кроме того, важно отметить, что первый и второй спектры имеют по существу одинаковую форму. Однако, как видно, вследствие смещения спектра, амплитуда на фиг.2 с максимумом при 490 нм больше при меньших длинах волн и меньше при больших длинах волн, чем для спектра, показанного на фиг.3, где максимум имеет место при 515 нм.

Хотя спектральные распределения энергии, показанные на фиг. 2 и 3, значительно смещены одна относительно другой, они никоим образом не представляют собой крайности того, что имеет место при осуществлении изобретения на практике, т. е. для достижения смещений в спектре к более коротким или более длинным волнам можно использовать соответственно меньшие или большие количества заполнителя. Это иллюстрируется на фиг. 4, где представлен график зависимости длины волны, соответствующей максимуму от плотности серы, для лампы, показанной на фиг. 1.

Что касается выбора между серосодержащим веществом, селеносодержащим веществом или их сочетанием, то необходимо отметить следующее. При заданной плотности заполнителя сера обеспечит более высокую цветовую температуру, а селен - более низкую цветовую температуру. Кроме того, заполнитель, в котором используется сочетание серы и селена, обладает тем преимуществом, что из двух отчасти независимых парциальных давлений можно получить более высокие полные давления паров и что может быть достигнуто дальнейшее смещение в красную область спектра. К тому же определено, что заполнитель, содержащий смесь серы и селена, дает спектр, форма которого показана на фиг. 2 и 3. Предполагается, что относительное смещение спектра, которое достигается при использовании в колбе лампы заполнителя с обоими материалами, можно регулировать между крайними состояниями, соответствующими использованию заполнителей, содержащих только один из материалов, посредством выбора соотношения серы и селена в заполнителе. Увеличение плотности серы и уменьшение плотности селена будет приводить к повышению цветовой температуры и наоборот.

Как упоминалось выше, такие лампы могут найти конкретное применение для цветной системы отображения информации с использованием красного, зеленого и синего основных цветов (RGB). На диаграмме цветности область, расположенная от примерно 0,200 до примерно 0,490 по оси x и от примерно 0,200 до примерно 0,450 по оси y, представляет собой область белого цвета, в то время как различные подобласти будут соответствовать различным оттенкам цвета. Источник излучения, который попадает в область белого света, пригоден для использования в цветной системе RGB, в которой свет, испускаемый источником, разделяется на три главных цветных луча, модулируемых в соответствии с изображением и рекомбинируемых для образования цветного изображения. Однако желательно иметь возможность смещать спектр, сохраняя при этом его форму, чтобы обеспечить оптимальный спектр для конкретной системы RGB.

Согласно другому варианту осуществления изобретения спектральное распределение энергии отдельной лампы можно регулировать во время ее работы. При этом варианте осуществления изобретения эффективную плотность заполнителя изменяют путем увеличения охлаждения колбы лампы, как, например, повышением давления охлаждающего воздуха, подаваемого к охлаждающим соплам 9A, 9B, 9C и 9D на фиг. 1, до температуры, при которой некоторая часть заполнителя в колбе конденсируется на внутренней поверхности колбы и прекращает участвовать в разряде. Колба может быть видоизменена для обеспечения в ней специальной поверхности или может быть исследована боковая трубка, посредством которой можно будет взывать селективную конденсацию материала заполнителя. В этом случае сконденсированный заполнитель не будет создавать помехи эмиссии света из колбы лампы. Специальной поверхностью может быть просто определенная часть поверхности колбы стандартной формы, для которой предусмотрено усиленное охлаждение. Например, в лампе, показанной на фиг. 1, охлаждающее сопло 9A, охлаждающее самую нижнюю часть колбы, где присоединена ножка колбы, может действовать при большем давлении. В этом случае конденсация заполнителя будет происходить в этом месте колбы, которая не участвует в эмиссии света, направленной к оптическим элементам лампы. Такие оптические элементы могут представлять собой не показанный на чертеже отражатель с оптической осью, совпадающей с осью цилиндрического объемного резонатора.

На фиг. 5 показано устройство для регулирования температуры колбы, которое описано в патенте США N 4978891, упомянутом здесь для справки.

Как показано на фиг. 5, предусмотрен фильтр 30, расположенный так, чтобы воспринимать свет от лампы. Фильтром 30 может быть, например, полосовой фильтр, который пропускает свет только в синей области спектра и за которым следует фотодетектор 32, формирующий сигнал сравнения.

Имеется также функциональный преобразователь 34, который способен генерировать предварительно заданный функциональный сигнал желаемой произвольной формы. Выходные сигналы фотодетектора 32 и функционального преобразователя 34 подводятся к компаратору 36, который формирует разностный сигнал. Этот сигнал подается в устройство для подачи охлаждающей среды в целях регулирования количества охлаждающей среды, поступающей к колбе лампы.

Например, показанный на фиг. 5 регулятор подачи охлаждающей среды представляет собой игольчатый клапан 40, положение которого контролируется шаговым электродвигателем 42. Для регулирования охлаждения можно было бы также использовать дроссель или вентиль на входе устройства 20 для подачи сжатого воздуха.

Таким образом, согласно этому варианту осуществления изобретения всякий раз, когда выходное излучение в синей области спектра отличается от того, что запрограммировано посредством функционального преобразователя 34, возникает разностный сигнал, который вызывает изменение охлаждения колбы 8 лампы до тех пор, пока разностный сигнал не станет равным нулю или близким к нему.

Другой способ изменения смещения спектра может заключаться в изменении мощности при поддержании постоянного охлаждения. Это может приводить к частичной конденсации заполнителя и к изменению эффективной плотности заполнителя в колбе и обусловленному этим смещению спектрального распространения энергии.

Сочетание серо- и селеносодержащих заполняющих веществ может быть полезным при использовании в вариантах осуществления изобретения, предусматривающих смещение спектра во время работы лампы. Сера имеет более высокое давление паров, а также несколько более высокую цветовую температуру. Когда колба газоразрядной лампы, содержащая как серу, так и селен, будет охлаждаться до температуры, при которой часть заполнителя будет конденсироваться на стенке колбы 7, общая рабочая плотность заполнителя будет снижаться, приводя к большему цветовому смещению (т.е. к смещению спектра в сторону синей области). Второй результат смешивания состоит в том, что селен будет быстрее конденсироваться, так что в действующем рабочем заполнителе будет иметь место большее содержание серы, которая по своей природе дает более высокую цветовую температуру.

Следует отметить, что используемый здесь термин "главный излучающий компонент" обозначает тот компонент наполнителя, который обеспечивает по меньшей мере такую же по величине мощность излучения, как любой другой компонент заполнителя.

Необходимо понять, что вышеуказанные варианты осуществления изобретения были проиллюстрированы в связи с определенными лампами, но могут быть также использованы и другие особые конструкции лампы. Например, может быть изменена форма микроволнового объемного резонатора, а также схемы микроволновой связи. Изобретение применимо также к лампам, которые запитываются радиочастотной (РЧ) энергией, а также к дуговым лампам.

На фиг. 6 показан вариант выполнения лампы, который иллюстрирует другой аспект настоящего изобретения. Лампа 11 представляет собой безэлектродную лампу, которая запитывается микроволновой энергией. Колба 12, которая содержит наполнитель под высоким давлением и изготовлена из кварца или другого подходящего материала, установлена в микроволновом объемном резонаторе, состоящем из проводящего корпуса 13 и сетки 14. Магнетрон 15 генерирует микроволновую энергию, которая по волноводу 16 подводится к щели связи 17 микроволнового объемного резонатора.

При возбуждении заполнитель колбы переходит в состояние плазмы, вследствие чего он излучает свет, пропускаемый из объемного резонатора через сетку 14. Сетка изготовлена из металла и сконструирована таким образом, чтобы быть по существу непроницаемой для микроволновой энергии, будучи при этом по существу прозрачной для света, испускаемого колбой 12. Колба вращается поворотным устройством 18, а сама колба охлаждается газом, который подается в пространство 19 и выходит через сопла 19A.

На фиг. 7 показан еще один вариант выполнения лампы. Она представляет собой дуговую лампу 60 с кварцевой колбой 62, имеющей электроды 64 и 66 и содержащей заполнитель 28. Для возбуждения заполнителя к электродам прикладывается напряжение переменного тока, вследствие чего между ними возникает дуговой разряд.

Как и в случае безэлектродной лапы, заполнитель содержит серо- или селенсодержащее вещество, которое присутствует при высоком давлении, по меньшей мере около 1 бар (1 атмосфера) и предпочтительно в пределах от 2 до 20 бар (2-20 атмосфер). К электродам прикладывается электрическое напряжение, имеющее достаточно высокую удельную мощность. Кроме того, электроды 64 и 66 изготовлены или имеют покрытие из специального материала, чтобы предотвратить вступление их в химические реакции с газом заполнителя, которые могут привести к разрушению электродов.

Серо- и селенсодержащие лампы, описанные здесь, имеют молекулярный спектр излучения в видимой области. На фиг. 8 показан характерный спектр, который, как видно, является плавным с отсутствием резких пиков, присущих атомным спектрам. Спектр, показанный на фиг. 8, получен при использовании безэлектродной лампы, такой как изображенная на фиг. 6, имеющей колбу сферической формы с внутренним диаметром 2,84 см, с заполнением 0,062 мг• моль/см³ серы и аргоном под давлением 0,08 бар (60 тор) и возбуждении микроволновой энергией при удельной мощности около 280 Вт/см³.

Было установлено, что хотя свет со спектром, показанным на фиг. 8, мог излучаться с какого-либо места на поверхности колбы, свет с идентичным спектром в общем случае не мог бы излучаться с каждой точки на поверхности колбы. Спектральный выход принято выражать в терминах "цветовой температуры" или "сопоставимой цветовой температуры" и, как установлено, цветовая температура или сопоставимая световая температура изменяются в функции угла, под которым наблюдается колба. На фиг. 9 показан график зависимости сопоставимой цветовой температуры от угла наблюдения. Как видно, по мере перемещения от линии 0^o, показанной на фиг. 6, к линии 90^o и затем к линии, повернутой на 180^o, происходит изменение цвета испускаемого света. Как упоминалось выше, для многих случаев применения желательной была бы колба с пространственно равномерной цветовой температурой. Кроме того, явление пространственного "цветоразделения" становится более заметным с уменьшением уровня мощности энергии возбуждения, вследствие снижения силы света лампы либо вследствие ее работы при пониженной мощности. Установлено также, что невозможно уменьшать силу света лампы настолько, насколько это желательно, так как лампа может погаснуть при пересечении нижнего порога мощности.

Кроме того, установлено, что вышеописанные серо- и/ли селенсодержащие лампы не всегда быстро и надежно зажигаются. В случае лампы, показанной на фиг. 6, общепринятым является использование дополнительного источника света, чтобы обеспечить дополнительную энергию для инициирования зажигания. Однако зажигание не всегда может быть надежным даже при использовании такого дополнительного источника света.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения к заполнителю колбы добавляют вещество, которое имеет низкий потенциал ионизации. В таком веществе электроны слабо связаны, что способствует их легкому высвобождению. Установлено, что при добавлении такого вещества в заполнитель колбы улучшаются один или больше из следующих показателей: равномерность цветовой температуры, характеристики гашения лампы и характеристики зажигания лампы.

Одним из классов материалов с низким потенциалом ионизации являются щелочные металлы, и как было установлено, при добавлении в заполнитель вещества, содержащего щелочной металл, достигаются следующие преимущества:
а) цветовая температура испускаемого света вокруг поверхности колбы лампы становится пространственно более рамноверной, и это в принципе верно даже при пониженных удельных мощностях,
б) зажигание лампы является более надежным,
в) лампа может работать при пониженных уровнях мощности без гашения.

Щелочные металлы могут использоваться или в элементарной форме, или в виде соединений, и одним таким веществом, которое можно использовать, является натрий. Другие щелочные металлы - литий, калий, рубидий и цезий. В качестве примеров, не ограничивающих изобретение, могут быть использованы соединения в виде галоидных соединений или сульфидов, например NaI, Na₂ S Или LiI. Добавление натрийсодержащего вещества в заполнитель колбы может также приводить к усилению красной части спектра.

Другим классом материалов с низким потенциалом ионизации являются металлы группы III Б. Как установлено, что при добавлении в заполнитель вещества, содержащего металл группы III Б, цветовая температура испускаемого света становится более равномерной, и это в принципе верно и при пониженных удельных мощностях. Более того, лампа может работать при пониженных уровнях мощности без гашения. В число металлов группы III Б входят индий, таллий, галлий, алюминий, которые могут быть использованы в элементарной форме или в виде соединений, например в виде галоидных соединений, таких как InI, TlI, TlBr, или в виде сульфидов, таких как InS, Tl₂Se или Tl₂S.

Еще одной группой материалов с низким потенциалом ионизации являются щелочноземельные или редкоземельные элементы. Такие вещества могут обеспечивать более надежное зажигание лампы. Щелочноземельные металлы - это барий, баррилий, магний, кальций, стронций и радий. Они могут использоваться в элементарной форме или в виде соединений, например в виде галоидных соединений, таких как CaBr₂, BaI₂, SiI₂; и сульфидов, таких как CaS, BaS, BaSe. Редкоземельные элементы - это иттрий, скандий и от лантана до лютеция. Улучшенное зажигание обусловлено низкими работами выхода щелочноземельных и редкоземельных элементов.

Установлено также, что добавление ртути в колбу улучшает надежность зажигания.

Количество вышеупомянутых добавок, предназначенных для использования с целью получения оптимальных результатов в разных областях применения, может быть различным. Например, для лампы, которая формирует спектр, показанный на фиг. 8, натрий может быть добавлен в количестве по меньшей мере 0,001 мг/см³. In можно добавлять в количестве по меньшей мере 0,01 мг/см³ и Ba - в количестве по меньшей мере 0,005 мг/см³. Добавки могут обеспечить спектральное усиление, так что получающийся спектр может и не совпадать со спектром, показанным на фиг. 8. В случае ртути ее следует использовать в количестве по меньшей мере 1 мг/см³. Вместе с заполнителем лампы можно также использовать сочетание добавок, описанных здесь. Отметим также, что поскольку некоторые из вышеупомянутых добавок улучшают зажигание лампы, то в определенных случаях можно исключить инертный газ из состава заполнителя.

Следующие примеры являются иллюстративными.

Пример 1. Лампу, показанную на фиг. 6, колба которой имеет внутренний диаметр 2,84 см, заполняли 24 мг S (2 мг/см³) и Ar при давлении 0,08 бар (60 тор). Лампа работала при подходяще высокой удельной мощности. Показатель, характеризуемый как "равномерность", определяется как отношение минимальной интенсивности к максимальной интенсивности света, отдаваемой колбой при рассмотрении со всех угловых положений, за исключением тех, где колба заслонена, например, узким сетчатым кольцом. Причина того, что "равномерность", является показателем, характеризующим эффект цветоразделения, заключается в том, что для ламп этого типа области с меньшей цветовой температурой имеют также меньший выход. Для этой лампы равномерность оказалась равной 0,81.

Пример 2. Лампа, описанная в примере 1 и работавшая в таких же условиях, была заполнена 24 мг S (2 мг/см³) и Ar под давлением 0, 08 бар (60 тор) и 0,2 мг/NaI (0,017 мг/см³), который содержал 0,031 мг (0,0026 мг/см²) Na. "Равномерность" составляла 0,97, при этом можно было визуально наблюдать равномерную цветовую температуру по всему угловому размеру колбы.

Пример 3. Лампа, описанная в примере 1 и работавшая в таких же условиях, была заполнена 24 мг S (2 мг/см³) и Ar под давлением 0,08 бар (60 тор) и 0,3 мг NaI (0,025 мг/см³), содержащего 0,143 (0,012 мг/см³) In. "Равномерность" составляла 0,91.

Пример 4. Лампа, описанная в примере 1 и работавшая в таких же условиях, была заполнена 24 мг S (2 мг/см³) агроном под давлением 0,08 бар (60 тор) и 1 мг (0,083 мг/см³) BaS, содержащего 0,81 мг (0,068 мг/см³) Ba, или вместо BaS - 7 мг Hg. Наблюдалось улучшение в надежности зажигания лампы.

Следует отметить, что в термине "удельная мощность" объем (см³) относится к объему светящего газа, а не к объему колбы. Более того, следует отметить, что термин "рабочая температура", используемый здесь, обозначает температуру, которая достигается колбой при работе лампы.

Важно то, что при добавлении указанных выше добавок в заполнитель возможна работа лампы при значительно меньших удельных мощностях, чем указанные выше, без нежелательного цветоразделения или гашения лампы.

На фиг. 10 показан еще один вариант осуществления изобретения, который представляет собой пример выполнения лампы, возбуждаемой электромагнитной энергией в радиочастотном (РЧ) диапазоне. В этой связи термин "электромагнитная энергия", используемый здесь, относится как к микроволновой, так и к РЧ-энергии.

Как показано на фиг. 10, РЧ-источник 70 генерирует РЧ-энергию, которая подводится к индукционной катушке 72. Колба 74, в которой находится вышеописанный серо- или селенсодержащий заполнитель, включает в себя также добавки, в число которых могут входить вышеописанное вещество, содержащее галоидное соединение щелочного металла, или вещество, содержащее металл группы III Б. При работе лампы РЧ-энергия от индукционной катушки 72 подводится к заполнителю колбы, возбуждая его с образованием спектра в видимой области, как это описывалось ранее. Вышеупомянутые добавки позволяют работать при пониженных удельных мощностях, что вообще является значительным преимуществом и может быть особым преимуществом при использовании РЧ-лампы. Изобретение может быть применимо к различным типам РЧ-ламп, примерами которых, без каких-либо ограничений, могут быть лампы с индуктивной или емкостной связью.

Как хорошо известно специалистам, описанная до этого конкретная форма безэлектродной лампы приведена лишь для примера, при этом могут быть использованы другие формы и типы объемных резонаторов, например, по существу цельносеточного типа, а также различные способы связи с применением одного или большего числа источников энергии и один или большее число волноводов или других устройств связи.

Например, на фиг. 11 показана лампа, в которой связь осуществляется по коаксиальному способу. Микроволновая энергия подается к внутреннему и наружному проводникам 82 и 84 для связи с колбой 86. К наружному проводнику подсоединена проводящая сетка 87. Для способствования зажиганию лампы может быть применен элемент настройки 88.

На фиг. 12 изображен еще один вариант осуществления изобретения, который снабжается РЧ- или микроволновой энергией. Энергия от источника высокочастотной энергии 104 подводится к внутреннему проводнику 107 и наружному проводнику 106, который представляет собой проводящую сетку. Колба 101 поддерживается между внутренним проводящим элементом 107A и внутренним проводящим элементом 107B. Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 12, может рассматриваться как разновидность емкостной связи.

Как обсуждалось выше, серо- и селенсодержащие лампы, описанные здесь, излучают молекулярный спектр в видимой области. Характерный спектр является плавным с заметным отсутствием отчетливых пиков, которые типичны для атомных спектров.

На фиг. 13 изображен вариант осуществления изобретения с безэлектродной лампой 110, в заполнителе которой серосодержащее вещество или селенсодрежащее вещество, как описано выше, является главным излучающим компонентом. Колба 112 на ножке 115 закреплена в приблизительно сферическом отражателе 114. Ножка колбы может быть устроена так, чтобы она вращалась, в то время как потоки охлаждающей среды направлялись бы на колбу для ее охлаждения (не показаны). Сетка 116 удерживает микроволновую энергию, при этом позволяя выходить испускаемому свету. Микроволновая энергия по волноводу 118 подается в объемный резонатор и связана с ним через щель 119.

В соответствии с одним из аспектов изобретения отражатель 114 по форме является приблизительно сферическим. Это вызывает отражение света отражателем обратно в колбу. Получающийся свет, который вновь испускается из колбы, имеет более высокую интенсивность на более длинных волнах, чем в случае, когда свет не отражается обратно в колбу.

Это продемонстрировано на экспериментальной установке, изображенной на фиг. 13, где свет, излучаемый лампой, пропускается через перегородки 120 и 121 с находящимися на одной линии отверстиями 122 и 124, соответственно расположенными в них. Рассеиватель 125, позади которого находится монохроматор 126, расположен на одной линии с отверстиями перегородки для приема света, приходящего через них.

Спектральные измерения проводились в случае, когда внутренняя поверхность отражателя 114 была зачернена, чтобы она не была отражательной поверхностью, и в случае, когда отражатель был блестящим. Колба имела внутренний диаметр 2 см, была заполнена 2 мг/см³ элементарной серы и аргоном при давлении 0,08 бар (60 тор) и возбуждалась при удельной мощности около 325 Вт/см³.

На фиг. 14 показан спектр, полученный при зачерненном отражателе, а на фиг. 15 - спектр, полученный при блестящем отражателе. Данные выражены в энергетической облученности (энергия на интервал длин волн на квадратный сантиметр). Как можно видеть, лампа с блестящим рефлектором не только дает более интенсивный выход, но и обеспечивает более высокую концентрацию больших длин волн. Это более четко показано на фиг. 16, где представлена столбчатая диаграмма отношения выходных мощностей лампы при использовании блестящего черного отражателя. Как видно, это отношение равно 2 в желтой области спектра и около 3 в красной области. Таким образом, в соответствии с изобретением может быть создана лампа, излучение которой обогащено такими длинами волн.

Кроме того, установлено, что выходной спектр лампы, снабженной блестящим отражателем, более равномерен, чем в случае лампы с черным отражателем, и хотя колба с блестящим отражателем была горячее, чем колба с черным отражателем, она была не намного горячее, так что дополнительная световая энергия была получена лишь при умеренном увеличении потребности в охлаждении.

В соответствии с другим аспектом изобретения волны выбранной длины могут отражаться обратно в колбу, чтобы вызвать эмиссию спектра, который более эквивалентен спектру, излучаемому абсолютно черным телом. Например, это может быть осуществлено путем использования дихроичных отражателей, либо находящихся отдельно, либо расположенных непосредственно на колбе в виде покрытия.

Например, если дихроичный отражатель в виде оптически тонкого фильтра, который отражает только в зеленой области, расположен на колбе, то спектральный выход в зеленой области спектра может быть существенно уменьшен, например, в 2 раза. Одновременно увеличивается выход в красной области спектра.

Таким образом, лампа со спектром, создаваемым серным наполнителем, измененным как описано выше, опять будет излучать почти как абсолютно черное тело. Это показано на фиг. 17, где представлена диаграмма цветности 1931. Положение нефильтрованного выхода такой лампы показано в точке D, где x = 0,320 и y = 0, 371, в то время как положение фильтрованного выхода при использовании дихроичного отражателя, который отражает только в зеленой области, показано в точке E, которая находится на линии абсолютно черного тела, где x = 0,341 и y = 0,346.

На фиг. 18 показана вариант осуществления изобретения с использованием дихроичного отражателя/фильтра, как, например, описанных выше. В этом варианте осуществления изобретения дихроичный отражатель 130 расположен на сферической колбе 92, которая находится в отражателе 134, закрытом сеткой 36. Как известно специалистам, такой дихроичный отражатель может состоять из чередующихся слоев материалов, имеющих различные показатели преломления. Например, для преломления в зеленой или зелено-желтой части спектра у 540 нм с шириной полосы спектра около 50 нм можно использовать дихроичный отражатель, содержащий 5 групп чередующихся слоев окиси циркония и двуокиси кремния толщиной соответственно 67,5 и 89 нм. Как известно, толщину и количество слоев можно варьировать для изменения отражаемой полосы спектра.

В соответствии с еще одной стороной изобретения спектральный выход лампы можно подбирать для конкретных случаев применения, отражая обратно в колбу волны выбранной длины. Например, лама, в которой зеленое излучение отражается обратно, может применяться в садоводстве, например для выращивания растений в теплицах. Таким образом, серосодержащей лампе внутренне присущ спектр, имеющий высокую интенсивность в зеленой области, и излучение в этой области ослабляется дихроичным фильтром, в то время как увеличивается излучение в красной области, которое полезно для стимулирования роста растений. Излучение в иной области, чем зеленой, может отражаться обратно для получения различных результирующих спектральных выходов.

Необходимо понять, что хотя изобретение проиллюстрировано в связи с конкретными вариантами его осуществления, следует иметь в виду, что возможны иные его разновидности. Пределы изобретения должны ограничиваться только прилагаемой формой изобретения.

Реферат

Спектральная энергетическая характеристика газоразрядной лампы регулируется путем изменения плотности заполняющего вещества. Путем изменения плотности заполнителя спектральная характеристика может быть смещена при сохранении, по существу, ее формы. Газоразрядная лампа с содержанием серы или селена, которая работает при давлении, по меньшей мере равным одной атмосфере, содержит в заполнителе вещество с низким потенциалом ионизации. Обеспечивается улучшение одной или более из следующих характеристик: пространственная цветовая равномерность, характеристики гашения и надежность зажигания лампы. Добавками, вводимыми в заполнитель, являются вещества, содержащие щелочные металлы, вещества, содержащие металлы группы III Б, и вещества, содержащие щелочноземельные металлы. При отражении света обратно в колбу повторно испускаемый свет имеет более высокую интенсивность в длинноволновой части спектра. 3 с. и 21 з.п.ф-лы, 18 ил.

Формула