專利名稱：包括分子輻射體和添加劑的低壓放電燈的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及配有氣體放電容器的低壓氣體放電燈，這種放電容器 封閉氣體填料，這種氣體填料包括放電保持成分，這種放電保持成分 包括分子輻射體和緩沖氣體，這種低壓氣體放電燈還配有用于產(chǎn)生和 保持低壓氣體放電的裝置。
背景技術(shù)：
由低壓氣體放電進行的光發(fā)生以電荷載流子尤其是電子但也有離撞導致這些原子或分子電離或以其它方式受激到較高"能i狀態(tài)而不 被電離的原理為基礎。在氣體填料的受激原子或分子返回到接地狀態(tài) 時，或多或少的激發(fā)能的實質(zhì)性部分被轉(zhuǎn)化成輻射。常規(guī)的低壓熒光氣體放電燈包括在氣體填料中的汞，以及在氣體 放電容器的內(nèi)側(cè)上的磷光體涂層。汞低壓氣體放電燈的缺陷在于汞蒸汽基本上以高能量發(fā)射輻射，但看不到電磁頻譜的l)V-C范圍，這種 電磁頻譜的的uv-c范圍的輻射必須由磷光體轉(zhuǎn)化成帶有較低能量水平的可視輻射。在此過程中，能量差異被轉(zhuǎn)化成并不希望的熱輻射。 此外，氣體填料中的汞越來越被視為對環(huán)境有害和有毒的物質(zhì)，必須盡可能多地在目前的大規(guī)模制造中避免這種物質(zhì)，尤其這種物質(zhì)的使用、制造和處理對環(huán)境帶來威脅。因此，將易于蒸發(fā)的金屬成分配給低壓放電燈的一些新式設計，這些易于蒸發(fā)的金屬成分稱為"分子輻射體"，這種分子輻射體根本不包括汞，因而對環(huán)境無污染，并至少部分地在電磁頻譜的可視范圍內(nèi)發(fā)射。不過，由于低壓燈的第一個發(fā)明包括分子輻射體，所以一直以來 在努力降低來自這些燈的輻射產(chǎn)生的功效。這種努力一直以來所面臨 的主要問題是如在前面所提及的那樣的在頻譜的可視部分之外的uv 輻射的產(chǎn)生。此外，放電容器必須足夠地熱，以就分子輻射體蒸發(fā)至 理想的溫度
例如，US2002047525/^開了一種低壓氣體i文電燈，這種低壓氣體放電燈設有氣體放電容器，這種氣體放電容器含有氣體填料，這種氣 體填料帶有作為放電保持化合物的銦化合物和緩沖氣體，這種低壓氣體放電燈還設有電極和用于產(chǎn)生和保持低壓氣體放電的裝置。這種含銦低壓氣體放電燈在可視范圍和TJV范圍內(nèi)發(fā)射。斯托克司位移減少且紫外線范圍內(nèi)的輻射輸出所帶來的能量浪費降低。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種低壓氣體放電燈，這種低壓氣體放電 燈具有盡可能地接近于電磁頻譜的可視范圍的輻射。本發(fā)明的另一個 目的在于改進這種放電燈的功效。根據(jù)本發(fā)明，通過設有氣體放電容器的低壓氣體放電燈來實現(xiàn)這 種目的，這種氣體放電容器封閉氣體填料，這種氣體填料帶有放電保 持成分，這種放電保持成分包括a)分子輻射體混合物，b)作為添加 劑的氫和c )緩沖氣體，這種低壓氣體放電燈還設有用于產(chǎn)生和保持低 壓氣體放電的裝置。本發(fā)明的實質(zhì)在于，與不包括氫的氣體填料相比，包括氫的氣體 填料的化學性質(zhì)允許在更涼的水平運行這種燈。本發(fā)明的燈的另一種優(yōu)點在于，這種燈主要發(fā)射分子輻射而不是 原子輻射，這就產(chǎn)生無峰值或突變的更平滑頻譜，并且也可產(chǎn)生較好 的色彩重現(xiàn)指數(shù)。此外，這種燈可調(diào)光、具有相對較低的閃動且在關(guān)閉時填料的壓 力低。在無電極實施方案中，這種燈具有相對較長的工作壽命，且在 整個工作壽命期間往往保持均勻的頻譜輸出。這種燈也能夠快速啟動。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，標稱運行時的氣相氫的局部壓力介于 0.1Pa至5Pa之間，以用于改進的等離子體功效。在優(yōu)選實施例中，分子輻射體選自一個組，該組由鋁、鎵、銦、 鉈、錫和鍺的卣化物或它們的混合物形成。在根據(jù)該實施例的燈中，分子氣體放電在低壓時發(fā)生，這種分子 氣體放電發(fā)射輻射，這種輻射包括出現(xiàn)在鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺的 化合物中的鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺的特征線，而這種輻射還包括從320至600nm的范圍內(nèi)的寬闊的連續(xù)頻譜，這種寬闊的連續(xù)頻譜源自 鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺的化合物的分子輻射。在另一個實施例中，氣體填料還包括基本金屬，這種基本金屬選 自由鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺或它們的混合物所組成的組，以"填補" 燈的發(fā)射頻譜。氣體填料通常還包括作為緩沖氣體的惰性氣體，這種惰性氣體選 自由氦、氖、氬、氪、氙或它們的混合物所組成的組，且惰性氣體在 標稱運行時在工作溫度時的氣體壓力低于100mbar。有利的是，惰性 氣體在標稱運行時在工作溫度時的氣體壓力低于100mbar，且2mbar是優(yōu)選值。由于U V燈不包括磷光體，所以可將根據(jù)本發(fā)明的燈有利地用作日 曬燈或消毒燈或固漆燈。出于整體照明目的，燈可與適當?shù)牧坠怏w結(jié)合，如磷光體涂層。 在這些實施例中，氣體放電容器包括在放電容器壁的內(nèi)表面或外表面 上的磷光體涂層。在與適當?shù)牧坠怏w結(jié)合時，根據(jù)本發(fā)明的燈具有比常規(guī)的低壓汞 放電燈的總體發(fā)光功效高的總體發(fā)光功效，因為斯托克司位移所導致 的損失少于基于汞的放電。用流明/瓦特表示的"發(fā)光功效"限定為由 燈發(fā)射的光通量與輸入燈的總功率之間的比率。還可通過熱反射涂層來進一步提高燈的發(fā)光功效，這種熱反射涂 層將由放電容器壁發(fā)射的紅外能反射回放電區(qū)域。在此區(qū)域的溫度得 到了提高和保持，而并不增加來自激發(fā)源的任何輸入功率。根據(jù)本發(fā)明的低壓放電燈可包括用于產(chǎn)生低壓氣體放電的裝置， 這些裝置選自包括至少一個內(nèi)電極的裝置、包括至少一個外電極的裝 置和無電極裝置。通過參考附圖和實施例就會明白本發(fā)明的這些和其它方面，并結(jié) 合這些附圖和實施例對本發(fā)明進行說明。本發(fā)明涉及一種低壓氣體放電燈，這種低壓氣體放電燈設有氣體 放電容器，這種氣體放電容器包括氣體填料，這種氣體填料帶有放電 保持成分，這種放電保持成分包括a)分子輻射體混合物，b)作為添 加劑的氫和c)緩沖氣體，這種低壓氣體放電燈還設有用于產(chǎn)生和保持 低壓氣體放電的裝置。
在本說明書中，將術(shù)語"低壓放電，，理解為是指一種放電，在這 種放電中，燈的運行期間填料的壓力保持在大氣壓力之下。運行時燈中的氣體填料的總壓力通常會低于200hPa。根據(jù)本發(fā)明的低壓氣體放電燈的設計可包括電極，這些電極作為 用于點燃和保持分子氣體放電的裝置。包括電極的設計既可以是帶有在放電容器中的主電極的本領域中 所公知的典型"管燈"類型(TL)，或者這種燈的設計是"介電阻擋 放電"類型(DBD)，這種類型的燈在容器之外帶有至少一個主電極， 或者對于電容運行而言，將兩個主電極均布置在容器之外。
具體實施方式
在示于圖1中的本發(fā)明的一個實施例中，根據(jù)本發(fā)明的低壓氣體 放電燈包括管狀放電容器1，管狀放電容器1封閉放電空間。可通過內(nèi) 電極2點燃氣體放電，內(nèi)電極2密封在該管的兩個端部。低壓氣體放 電燈包括燈座和燈頭3。以公知的方式將電鎮(zhèn)流器結(jié)合在燈座中或燈頭 中，這種電鎮(zhèn)流器用于控制氣體放電燈的點燃和運行。在未在圖1中 示出的另一個實施例中，還可通過外部鎮(zhèn)流器來操作和控制這種低壓 氣體放電燈?；蛘?，可將氣體放電容器實現(xiàn)為由外燈泡包圍燈的多彎度或成巻管。優(yōu)選用透光材料如玻璃、石英或陶瓷(如氧化鋁)制成氣體放電 容器的壁。鎳合金或具有高熔點的金屬，尤其是鎢和鎢合金。還可適當?shù)厥褂面u 與氧化釷或氧化鋅的復合材料。通過在電極上提供發(fā)射材料，可進一 步地降低電極的功函。在其它的實施例中，根據(jù)本發(fā)明的燈不必依賴于電極，而是通過 將燈的氣體填料與強無線電波或無線電頻率輻射感應耦合產(chǎn)生等離子 體放電來發(fā)光。用在本說明書中的短語"無線電波輻射，，以及縮略詞 "RF"理解為包括處于常規(guī)的無線電頻率范圍或在常規(guī)的微波頻率范 圍內(nèi)的電磁輻射頻率。RF源是RF天線、探針或用于將RF能引入波 導管中的類似設備。 無電極燈包括放電容器，這種放電容器具有管狀閉環(huán)構(gòu)造?？蓪?這種放電容器制成幾乎任何形狀，甚至可制成形成閉環(huán)放電路徑的非 對稱形狀。在利用感應耦合等離子體的無電極低壓氣體放電燈中，將感應線團插入凹狀空腔內(nèi)。感應線圈通常具有幾個圈和1至的感應。這 種感應線圈由特殊驅(qū)動電路通電，這種特殊驅(qū)動電路通常包括匹配網(wǎng) 絡(MNW)。加上由固定頻率(通常為2.65MHz或13.56MHz)的驅(qū) 動電路所產(chǎn)生的RF電壓并穿過感應線圈。這種RF電壓在燈中感生"電 容"RF電場。但放電容器中的電場達到其擊穿值時，這種電容RF放 電沿著線圏的圈點燃氣體混合物u在其它方面，來自RF源的射頻能量由第一變壓器鐵心和第二變壓 器鐵心感應耦合到無電極燈，且每個變壓器鐵心具有包圍放電容器的 環(huán)形構(gòu)造。將RF源連接到第一變壓器鐵心上的繞組和第二變壓器鐵心 上的繞組。每個繞組可包括幾圏線，這種線的規(guī)格足以輸送初級電流。將每 個變壓器構(gòu)造成以約5至10的系數(shù)降低初級電壓并升高初級電流。優(yōu) 選RF源在約50kMz至3MHz的范圍內(nèi)，最優(yōu)選在約100kMz至約 400kHz的范圍內(nèi)。如在示于圖1中的實施例通過舉例的方式所表明的那樣，用磷光 體層4涂覆這種燈的氣體放電容器的內(nèi)和/或外表面。源自氣體放電的 UV輻射激發(fā)磷光體層中的磷光體，以發(fā)射可視區(qū)域5中的光。磷光體層的化學成分確定光或其色調(diào)的頻譜。可適當?shù)赜米髁坠?體的材料必須吸收所產(chǎn)生的輻射并將這種輻射以適當?shù)牟ㄩL范圍發(fā) 射，例如，用于三基色紅色、藍色和綠色，并能夠?qū)崿F(xiàn)高熒光產(chǎn)量。不必將適當?shù)牧坠怏w和磷光體組合物涂覆到氣體放電容器的內(nèi) 側(cè)，也可將它們涂覆到氣體放電容器的外側(cè)，因為習慣上所使用的玻 璃類型并不吸收liV-A輻射。可通過在放電容器的外壁上淀積薄的非導電紅外反射涂層4'來 改進這些實施方式。既可通過蒸發(fā)、濺射、涂抹也可通過另一種方法 淀積這種反射涂層。所使用的材料為氧化錫或類似的反射材料。這種 涂層的功能在于減少容器壁的紅外輻射損失，從而升高容器壁的溫度 或以燈的較低電輸入功率實現(xiàn)同樣的溫度。
還可通過利用熱反射外罩來進一步地減少紅外輻射所導致的損失。無論點燃和保持低壓放電的模式如何，放電容器封閉含有氣體填 料的放電區(qū)域，這種氣體填料包括分子輻射體和氫，但不包括汞或汞 化合物。下面的定義用在本申請中。術(shù)語"標稱運行"用于指明運行條件，在這些運行條件中，放電 保持成分具有蒸汽壓力，這種蒸汽壓力使燈的輻射效率至少為用于這種燈的最大輻射效率的80°/。，用于這種燈的最大輻射效率即一種運行 條件，在這種運行條件中，輻射物種的壓力最佳。術(shù)語"局部壓力，，理解為是指在非運行氣體放電燈中普遍的局部 壓力，此時，這種燈的溫度等于燈的一個部分的溫度，燈的這個部分 在燈打開的情況下限定分子輻射體的壓力。這通常是燈的放電空間中 最冷的點，而燈在2S。C的環(huán)境溫度下運行。在這些條件下，將處于氣態(tài)的分子輻射體的部分基本上均勻地分 布在放電容器中。這種局部壓力用作一種測度，這種測度指明某種物 質(zhì)有多少出現(xiàn)在運行中的氣體放電燈的氣態(tài)中。本領域中熟練的技術(shù)人員會明白，可將放電設計成配給受限或蒸 汽壓力受限，或者是配給和蒸汽壓力受限的結(jié)合。在配給受限放電容器中，在電弧的運行期間將所出現(xiàn)的全部分子 輻射體蒸發(fā)。蒸汽壓力受限設計要求每個分子輻射體的一部分在電弧的運行期 間作為冷凝物出現(xiàn)。在運行期間，在放電容器中形成非均勻溫度分布。 通常形成至少一個熱區(qū)和至少一個冷區(qū)，從而導致穿過放電容器的熱 梯度。放電容器中的分子輻射體通常移動到放電容器的最冷部分("冷 點")并且在壁上凝結(jié)。因此，在蒸汽受限燈設計中，填充這些燈的分子輻射體的總質(zhì)量 大于標稱運行時氣相中的分子輻射體的總質(zhì)量，要求標稱運行時的氣 相來實現(xiàn)理想的色彩和功效。因此，這種氣相與位于放電容器的冷點 上的凝結(jié)相平衡。由于在氣體填料的組分的熱化學特性中存在差異， 所以填料的凝結(jié)相的成分進而氣相的成分清楚地取決于燈的放電容器 中冷點的溫度。 這種冷點溫度的值取決于放電容器本身的物理特征并取決于燈的 放電保持裝置的特征的變動。根據(jù)本發(fā)明的燈的設計通常是蒸汽壓力受限類型。對于氣體填料來講，在一個實施例中，利用選自鋁、鎵、銦、鉈、 錫和鍺的囟化物的分子輻射體。分子輻射體的量通常在2 x 1(r"摩爾/cn^至2 x 10—s摩爾/cn^的范 圍內(nèi)。應注意到，用在放電容器中的以固體形式的分子輻射體的絕對量 可根據(jù)使用哪種物質(zhì)而變化，但這個量總是在運行溫度下產(chǎn)生理想的 壓力范圍的量，這種運行溫度即在標稱運行期間放電容器的溫度。在一些實施例中，放電容器還會含有至少一種或多種基本金屬， 這種基本金屬的示范性而非限制性示例包括鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺 和它們的混合物。以標稱運行時的局部壓力介于O.l與5帕斯卡之間的方式在燈中配給氫。本說明書與"無，，氫有關(guān)，因為所配給的氫的一部分由這些壁 吸收并逐漸由電極材料吸收，或經(jīng)歷化學反應，這種化學反應并不產(chǎn) 生氣體物種。放電容器通常還含有緩沖氣體，這種緩沖氣體的惰性程度并不影 響燈的運行，這種緩沖氣體起到減少從電弧到放電容器壁的化學輸運 的緩沖劑的作用，并優(yōu)選有助于點燃電弧。稀有氣體是適當?shù)木彌_氣 體。雖然任何稀有氣體會在某種程度上起作用，但優(yōu)選的氣體為氬 (Ar)、氦(He)、氪(Kr)、氣(Xe)和它們的混合物，且尤其優(yōu)選氬和氬與其它稀有氣體的混合物。緩沖氣體通常具有在標稱運行時的在最大值為100hPa的范圍內(nèi)局 部壓力。優(yōu)選這種壓力在1.0與5.0hPa之間的范圍內(nèi)，更優(yōu)選在 2.5hPa。其它可能的添加劑以及燈的內(nèi)壓和工作溫度允許對等離子體功效 和發(fā)射頻譜的成分進行控制。在將低壓放電燈點燃時，用于點燃和保持放電的這種在放電容器內(nèi)產(chǎn)生電場并在緩沖氣體中開始輝光放電。放電從輝光放電(低功率)快速前進到弧光放電(高功率)，且 大量的分子輻射體被蒸發(fā)。
電場也在放電區(qū)域內(nèi)將緩沖氣體電離。從緩沖氣體原子剝脫并由 電場加速的電子與分子輻射體的輻射物種碰撞。這樣就將一些物種激 發(fā)至較高能量狀態(tài)而不被電離。在受激物種從較高能量狀態(tài)退回時，這些受激物種發(fā)射光子、紫外(uv)光子和/或可視光子。在包括磷光體的實施例中，uv光子與燈的磷光體層中的磷光體相互作用，以產(chǎn)生可視光。由燈產(chǎn)生的可視光的強度取決于放電容器中蒸發(fā)的分子輻射體的 局部壓力。在分子輻射體的最佳局部壓力時，可視光達到其最大強度， 且燈以最大功效運行。在小于最佳壓力的局部壓力時，燈的光強度小 于最大值，因為受激物種產(chǎn)生很少的光子。在大于最佳壓力的壓力時， 燈的光強度也小于最大值，因為一些物種與由其它物種所產(chǎn)生的光子 碰撞，且這些光子被再次吸收，而且并不產(chǎn)生uv或可視輻射。蒸汽壓力接著也取決于放電容器內(nèi)的冷點的溫度。最佳冷點溫度為如20(TC，在這種最佳冷點溫度時，現(xiàn)有技術(shù)的燈的放電容器內(nèi)的壓 力處于最佳值。因此，為了確保燈的可視光輸出處于最大值且燈以最 大功效運行，有必要對現(xiàn)有技術(shù)的燈管的冷點溫度進行調(diào)節(jié)，以通過 適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)性措施將最佳冷點溫度保持在200。C。對燈的直徑和長度進 行選擇，以在25。C的外部溫度時的運行期間獲得在如200。C的范圍的 內(nèi)部溫度。根據(jù)本發(fā)明，可降低最佳冷點溫度值T申，填料壓力在此最佳冷點 溫度值T一達到最佳值。用于保持實質(zhì)上最大強度的燈的光輸出的根據(jù)本發(fā)明的燈的最佳 冷點溫度是如185°C。由于放電容器壁的溫度較低，所以可實現(xiàn)較少的熱損失。例如， 這可用于在較低功率密度時運行燈，而且還有機會獲得更高的輻射效 率。本發(fā)明的優(yōu)點的最佳證據(jù)來自于帶有和不帶有氫的弧光管的性能 的直接比較。示于圖2中的用于氯化銦放電的示例的曲線表明，若有氫的話，可將"冷點，，的T,，pt從^(rc降低到i85°c。同時，等離子體的效率從不帶有氫的44%增加到47%。并不改變等離子體的頻譜發(fā)射。在不加上氫的情況下，較冷的放電容器壁附近的氣體填料的自吸 收特征往往起到限制較低冷點溫度時的燈的功效的作用。在特定實施例中，用熔融石英制成放電容器，這種放電容器長度為25cm，直徑為2.5cm，并設有用導電材料制成的外電極。將放電容 器排空，然后同時將O.lmg的氯化銦和0.05mg的銦加入。而且也引入 在環(huán)境溫度下的以2.5hPa的壓力的氬。將0.2、 0.5或1的體積百分比 的氫加到氬緩沖氣體中。從外部源將具有1156MHz的頻率的高頻場加 入，并且在185。C的運行冷點溫度時測量最大等離子體效率。在圖2中，作為冷點溫度1\^的函數(shù)的等離子體效率連同獲得用 于無氫添加劑的燈的曲線一起示出。所給出的結(jié)果用于不同的運行時 間之后的充有2.5hPa的氬緩沖氣體的燈，這種氬緩沖氣體含有0%、 0.2%、 0.5 %和1%的氫。這些曲線表明，若有氫的話，T一從200。C降低到185。C。等離子 體的效率從不帶有氫的44%增加到47%。并不改變等離子體的頻譜發(fā) 射。


圖1示意性地示出了在低壓氣體放電燈中光的產(chǎn)生，這種低壓氣 體放電燈包括氣體填料，這種氣體填料含有加上氫的銦U)化合物。 圖2示出了作為低壓氣體放電燈的冷點T，,pt的函數(shù)的等離子體效率，與不含氫的燈相比，這種低壓氣體放電燈包括氣體填料，這種氣 體填料含有氯化銦和作為添加劑的不同量的氫。
權(quán)利要求
1.一種低壓氣體放電燈，所述低壓氣體放電燈設有氣體放電容器，所述氣體放電容器封閉氣體填料，所述氣體填料帶有放電保持成分，所述放電保持成分包括a)分子輻射體混合物，b)作為添加劑的氫，和c)緩沖氣體，所述低壓氣體放電燈還設有用于產(chǎn)生和保持低壓氣體放電的裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于氣相氫的 局部壓力介于O.lPa與5.0Pa之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述分子 輻射體混合物選自一個組，所述組由鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺的鹵化 物或它們的混合物形成。
4. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述氣體 填料還包括基本金屬，所述基本金屬選自由鋁、鎵、銦、鉈、錫和鍺 或它們的混合物所組成的組。
5. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述氣體 填料包括緩沖氣體，所述緩沖氣體選自由氦、氖、氬、氪、氙或它們 的混合物所組成的組。
6. 如權(quán)利要求5所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述緩沖 氣體在標稱運行時的局部壓力低于100hPa。
7. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述低壓 氣體放電燈包括磷光體涂層。
8. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述低壓 氣體放電燈包括紅外反射涂層。
9. 如權(quán)利要求1所述的低壓氣體放電燈，其特征在于所述用于 產(chǎn)生低壓氣體放電的裝置選自包括至少一個內(nèi)電極的裝置、包括至少 一個外電極的裝置和無電極裝置。
全文摘要
在設有氣體放電容器的低壓氣體放電燈中，氫的添加帶來如下好處等離子體效率的提高以及冷點溫度的降低，在這種冷點溫度實現(xiàn)最佳效率，這種氣體放電容器包括氣體填料，這種氣體填料帶有放電保持成分，這種放電保持成分包括a)分子輻射體混合物，b)作為添加劑的氫和c)緩沖氣體，這種低壓氣體放電燈還設有用于產(chǎn)生和保持低壓氣體放電的裝置。
文檔編號H01J61/70GK101213636SQ200680023841
公開日2008年7月2日 申請日期2006年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者A·G·R·科爾伯, R·希爾比格, S·施萬 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司