CN104303260A - 用于在金属原子共振跃迁时产生辐射的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于在通过电弧放电激发的惰性气体和金属蒸气的混合物中在金属原子的共振跃迁时产生辐射的方法。所要求保护的发明的技术效果包括提高通过低压电弧放电激发的金属原子的共振跃迁时辐射源的效率和使用寿命。由于用于在低压电弧放电中在金属原子的共振跃迁时产生辐射的方法，实现了所述技术效果，该方法包括使用具有高频的交流极性纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物，放电激发实质上是使用方波电流脉冲来执行的，所述方波脉冲的占空比不大于2.0且持续时间不超过辐射金属原子的共振态的有效寿命。
Description
要求保护的技术方案涉及用于在惰性气体和金属蒸气的放电激发混合物中在金属原子共振跃迁(resonance transition)时产生辐射的方法，且可用于光化学、微电子、生态学(水和空气的纯化)、发光工程(荧光灯)和其他领域的应用。
当被放电激发时，金属原子的基态和第一激发态之间的电子跃迁可能是紫外(UV)和可见光谱范围内窄带辐射的高效来源。首先，由受激汞原子(共振跃迁61Р1―61S0,63Р1―61S0的波长大约为185nm和254nm)产生UV辐射，公知的Na电子对(duplet)52Р1/2―32S1/2(589.6nm)和52Р3/2―32S1/2(589.0nm)对应于可见光谱。主要关心这两种金属原子的共振辐射，并且这两种金属原子的共振辐射在各项应用中频繁使用。
关于这一点，已经具体研究了放电(在低压和高压下的辉光放电和电弧放电等)中激发上述跃迁的方法；已经获得了用于汞原子或钠原子和惰性气体的混合物中低压电弧放电的最有效参数。汞和钠(以及对于其他金属的蒸气)的共振态的激发和放电光学特性是相似的([1]:Rokhlin,G.N."Discharge Sourcesof Light".2nd Edition(第二版),reworked and supplemented(改编和增补).—M.:Energoatomizdat,1991,720pp.)。例如在评论([2]:Fabricant,V.A."SomeIssues of gas discharge optics".UFN,1947,V.32,Issue1,pp.1-25)中列出了考虑到辐射再吸收的汞以及汞和氩的混合物中放电的光学特性的具体描述。实验和理论计算[1,2]中已经示出了，在最佳条件下，通过放电激发低共振能级和亚稳能级的效率对于汞原子可达到约75％，对于钠原子大于80％，这使得各自的放电金属蒸气灯，首先是汞蒸气灯和钠蒸气灯成为预期的辐射源。用于在这类灯中激发放电的方法基本上是彼此相似的，包括结构上差别的主要差别与实现金属饱和蒸气最佳压力的温度相关。
公知的是，一种用于在金属原子(汞)共振跃迁时产生辐射的方法包括通过工业频率(50Hz)的交流纵向放电激发惰性气体和金属原子的低压混合物([1])。除了其他方面之外，该激发方法用在普遍公知的荧光汞蒸气灯中([1])。作为金属原子源，公知的方法使用保持在一定温度(对应于通常大约0.3÷1Pa的饱和金属蒸气压力)下的金属汞(金属钠)，而作为惰性气体，在几百Pa的压力下使用氩或氩氖混合物。金属蒸气灯通常是具有范围在15毫米至50毫米范围内的直径和0.3÷1.5米长度的圆柱；与金属蒸气最佳浓度对应的放电操作温度对于汞大约为45℃，而对于钠大约为280℃。
在上述条件下，由汞原子产生UV辐射的效率非常高—放电能量转换为254nm的汞原子共振跃迁的辐射的实际效率可达到25％，并且根据该公知方法的荧光汞蒸气灯的发光功效可达到70lm/W，钠灯的发光功效—200lm/W。使用工业频率的交流电流(即每10毫秒电流方向改变为相反方向)用于激发放电能够实际上完全排除汞的带正电离子(和结果，原子)迁移到“瞬时阴极”并排除沿着管长度方向的辐射不稳定性。而且，如果高纯度的石英或者在185nm范围内透明的其他材料用于制作汞蒸气灯管，则在放电中包括的高达6％的功率另外发光，且由此，根据公知方法的汞蒸气灯中UV辐射的总产生效率可达到大约30％。
但是公知方法的效率远不及最大可能值；而且，由于当灯寿命结束或者灯被损坏时，必须回收灯中处于液态的大量汞，且汞在室温下会快速蒸发，因此对于汞蒸气灯所述公知方法在生态上是危险的。而且，放电在50Hz频率交流电下在每半个周期开始和终止(这是因为，在没有电场的情况下，放电中的电子寿命是毫秒分数)，这需要在每个循环中重新开始放电并明显减少电极寿命，并且也会引起辐射功率的明显波动。而且，当将小电压提供给灯时，汞(钠)原子的激发功效低，并且由于电子与原子碰撞中的弹性损失，导致提供以放电的能量实际上全部转换成热量，这不仅降低了效率，也降低了可能的灯辐射功率(这是因为，由于当温度升高时饱和金属蒸气压力的快速上升导致了灯壁温度受限)。
最接近的技术方案(原型)是一种用于在低压纵向高频电弧放电中金属原子共振跃迁时产生辐射的方法，低压纵向高频电弧放电激发了惰性气体和金属蒸气的混合物。针对电弧汞蒸气灯最仔细地研究该方法，首先关于汞合金汞蒸气灯([3]：Kostyuchenko S.V.,Kuzmenko M.Ye.,Pecherkin V.Ya."Study ofoperation of powerful amalgam sources of low-pressure bactericide radiation at thefrequency of 40 kHz".The electronic journal(电子杂志)"Studied in Russia",2000,V.3,pp.1365-1372；http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2000/100.pdf)。
对于使用具有30-50kHz范围内准正弦泵频的公知方法的典型条件，放电等离子体的主要临时参数是：正弦激发的角频率ω～(2÷3)·105Hz受激原子寿命倒数(考虑到在公知方法中—金属蒸气—汞的最佳压力下辐射光子再吸收)1/τ*～(0,5÷1)·105Hz，放电中电子温度弛豫频率1/τе～(5÷7)·105Hz。超出受激原子寿命倒数的角频率下的放电激发(以及，此外，放电中的电子寿命倒数)导致在泵送周期期间电子浓度实际上不变，并且辐射(受激)原子的浓度和辐射功率都在(20÷30)％的限值内变化。由于激发速率与电子温度Те的非线性相关性，导致该浓度接近与一周期期间最大温度Те对应的值。同时，放电中电子温度弛豫的频率1/τе很高，使得在任一时刻Те都对应于施加的电场，结果，确保了高频放电中辐射粒子浓度处于较小的平均电子能量，也就是处于弹性损耗的较小值，于是，相应地，电能转换成光的效率升高。
实际上，在[3]中，当纵向放电受激原子和惰性气体(Ar/Ne)与汞蒸气的相同混合物处在电极间距离为1450mm的管内时，波长为～254nm的辐射产生效率在50Hz泵频下为大约33.6％，在40kHz泵频下为39.5％。而且，在高频电流下，阳极压降降低，阳极区降低的能量释放引起电极使用寿命增加。与此相似，降低的电子平均温度减小了原子的(分子的)离子向管壁的扩散速率，离子对壁的轰击也相当大程度上限定了当前金属蒸气灯的使用寿命。
由此，采用纵向高频准正弦放电用于在惰性气体和金属蒸气的混合物中的电弧放电中产生辐射能够明显升高辐射功效，大体上增加了电极和相应的灯的使用寿命，以及确保了电流变化周期中相当高的辐射稳定性。
在汞蒸气灯的情况下，使用汞合金作为汞原子源从根本上增加了这些灯的安全性。在室温下(和甚至高达50÷60℃)，在汞蒸气灯中使用的汞合金上方的汞饱和蒸气压力低，这种汞合金灯中的汞实际上完全处于束缚态(boundstate)，该灯具有蒸气为大约0.03mg每个灯，并且与“普通”汞蒸气灯中的几毫克汞(和更多)相比，如果灯破裂则这个量会传到空气。而且，与具有金属汞的灯中大约45℃相比，使用汞合金汞原子源能够使得在公知方法中在不复杂化在相同汞原子处的结构的情况下，升高气体混合物的操作温度至大约100℃，即明显增加了能量输入和所产生的UV辐射的线性功率。
但是，根据公知方法的金属蒸气灯的效率较惰性气体和金属蒸气混合物中低压放电的潜在可能性低很多，还关心增加金属蒸气灯的使用寿命，首先是具有辐射的高线性功率的灯。
所要求保护的发明的技术效果是在低压电弧放电中激发的金属原子共振跃迁时辐射源的功效和使用寿命的增加。
由于以下事实获得该技术效果：用于在低压电弧放电中金属原子共振跃迁时产生辐射的方法包括通过高频的交流纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物，实质上通过占空比不大于2.0且持续时间不超过辐射金属原子共振态的有效寿命的矩形电流脉冲来实施该放电激发。
所要求保护的技术方案的主要观点是确保与公知方法中相同，具有相同(或接近)激发功效的放电激发功率，但是放电等离子体中的电子浓度较低。
金属原子受激态的电子淬灭在首先降低大功率共振灯的功效上起重要作用是公知的。例如，具有低电子浓度和关于钠蒸气浓度人工加热至最佳温度的低电流钠灯能够实现高达400lm/W的发光功效([1])，该发光功效是比较的大功率钠灯的两倍高。与此相似，汞合金汞蒸气灯中高频放电电流自3A降低至大约1.5A引起大约254nm处的辐射效率从大约35％增加至大约41-42％，或者增加至1.2倍([4]：Pecherkin V.Ya."Study of UV-radiation drop mechanismsand the service life of UV-radiation sources with a low-pressure mercury arc".Abstract of the thesis for Candidate of Physico-Mathematical Sciences(物理数学科学的候选人的论文摘要).M.:MPhTI,2007,23pp.)。如所要求保护的技术方案的作者已经发现的，进一步降低汞合金汞蒸气灯中的放电电流能够在大约0.5A的电流和独立加热汞合金的情况下获得高于50％的效率。此处，我们也应当强调受电弧放电激发的低压汞蒸气灯和钠灯的工艺之间的类似之处。
但是，在公知的变形中，增加效率包括明显降低由电弧放电和所发出的光功率引起的电功耗，这没有实际意义。为实际目的，必须升高辐射功效而不降低辐射功率，在所要求保护的发明中实现了这一点。
当根据该原型激发放电时，放电中的电压U和电流I根据正弦定律实际变化：
在此，相移是最小值且是偶数，根据([3])，电压和电流同相， (更精确地，在从0.92至0.98的范围内)。在该情况下，放电等离子体中的功耗W和电子浓度Ne为：
W＝U0I0/2；Ne～I0/U0 (2),
第二关系式由电流密度的公式得到，这里是电子电荷，μ是电子迁移率，是考虑到对于高频泵送在放电中实际恒定的电子浓度，在放电中的场强度(L是电极间距离)。
我们假设，对于相同组分气体混合物，交流脉冲G的相同电压U0和占空比，使用实质上矩形的电流脉冲可实现相同泵送功率。实质上，脉冲的矩形形状意味着每一分立脉冲中电流(或电压)从零至最大值90％的值的上升和下降时间明显小于脉冲持续时间，例如，总上升和下降时间不超出总脉冲持续时间的10-15％。这种情况下，脉冲的占空比等于具有不同极性的脉冲上升沿之间的时间与分立脉冲(例如，半高处)的持续时间之间的关系。
对于上述模式，放电泵送功率为：
W＝U0I1/G (3),
这里，I1是实质上矩形泵送脉冲的电流振幅(假设单独定义放电的电功耗，则可认为该等式也是占空比的形式定义)。通过比较表达式(2)和(3)，适当考虑到相似电场强度下相似电子迁移率，我们可以发现当由实质上矩形脉冲ne泵送时放电的电子浓度之间的关系，并且根据如下原型：
ne＝Ne·(G/2) (4)
由此，如果使用具有占空比G<2的实质矩形的脉冲，则可以在与原型中相同(或较大)电压下实现相同放电泵送功率，于是，放电中的电子浓度将降低。而且，放电中的电压保持意味着所考虑的泵送变量中的辐射能级的激发效率将不低于公知方法，而且，结果，共振辐射的产生功效将增加。结果，可使用较小泵送功率获得相同辐射功率(且这是除灯的功效之外的灯的一项主要特性)，也就是具有甚至更小的电流(电子浓度)，这进一步增加了灯的效率。
而且，较小的电子浓度和相应的离子浓度自动确保管壁较少的离子轰击，这增加了管壁的使用寿命。相似地，放电电流较小的振幅值降低了电极上施加的负载，由此增加了电极的使用寿命。
但是，不能实现激发低压纵向电弧放电的上述模式。一般来说，通过具有低占空比(G<2)的实质上矩形的脉冲泵送电弧放电导致放电电压明显降低(与正弦泵送相比)，并且不增加产生共振辐射的效率。还必须考虑，在放电中的相似电压振幅下和实质上矩形脉冲的低占空比下，该周期的平均电子温度高于正弦泵送期间的，且由此，弹性损耗的部分也较高(每“一个电子”)。
所要求保护的技术方案的作者已经实现了在实验上限定条件范围，在该条件范围下，由具有低占空比的实质上矩形的脉冲进行的放电激发在与高频正弦泵送实际相同的电压下发生。如该作者已经确定的，单个泵送脉冲的持续时间必须比辐射共振态的有效(考虑到辐射的再吸收和通过放电电子混合了共振能级和亚稳能级)寿命短。在所述的条件下，不同极性的连续脉冲之间间隔的持续时间也不超出辐射共振态的有效寿命。
可通过解相应辐射转移方程和金属原子受激能级的动力学来确定辐射共振态的寿命，或者从实验上通过在“灵敏”关闭激发之后测量金属蒸气灯的辐射功率的时间相关性，或者通过在泵送周期期间测量辐射变化来确定辐射共振态的寿命。
电弧汞蒸气灯中63Р1共振能级的典型寿命是从10微秒至20微秒(此处，由于该能级的瞬时寿命为大约0.1微秒，因此辐射再吸收很重要)，在电弧钠灯中电子对的典型寿命是从5微秒至10微秒。
如上所述，使用较长持续时间的泵送脉冲导致降低的放电电压(和激发功效)。与此相似，已经证实使用接近1的占空比，即在不同极性脉冲之间实际上无间隔地快速转换电流方向，等效于具有电极间相应压降和激发功效的连续泵送模式。反过来，使用实质上矩形脉冲的接近2的占空比产生具有相同或者甚至稍低功效的接近正弦模式的激发模式。
由此，因为产生具有相应缩短沿的较短脉冲已经不能提供优势，而是表现出更复杂的技术问题，因此在低压汞蒸气灯中分立的、实质上矩形的电弧放电激发脉冲的持续时间不超过12÷15微秒，优选3÷7微秒。低压钠灯中分立的、实质上矩形的激发脉冲的持续时间不超过7÷10微秒，优选3÷5微秒。优选的脉冲占空比为1.4÷1.6。
以下，将依据不以任何形式限制本发明的实例且参考附图解释本发明，附图中：
图1：根据本发明的一般激发脉冲形状；1-放电电流(电压)的形状，2(线AA’)-电流脉冲的上升沿，3(线KK’)-电流脉冲的下降沿，5(线AB)-不同极性的脉冲之间的时间间隔，6(线CD)-分立激发的脉冲(半高处)的持续时间。
基于图1的指示，脉冲占空比G＝AB/CD，并且对于具有短沿的脉冲，当AA’，KK’<<AK(A'K')时，在确定并非准确的矩形脉冲的持续时间时一定的随意性不会导致占空比的明显变化。例如，具有等边梯形形状的脉冲具有AA'＝KK'＝0.04·AK，这时占空比如由“底”确定为1.5，占空比如由“半高”(G＝AB/СD)确定为大约1.57(差别小于5％)。
实例
具有106厘米电极间距离的汞合金汞蒸气灯在两种模式下由纵向放电激发：在大约31kHz的频率下高频正弦泵送，和根据本发明的泵送。
分立的、实质上矩形的脉冲的持续时间在半高处为4.2微秒，并且上升沿和下降沿的电流(电压)持续时间不大于0.15微秒。产生一个极性脉冲的频率是80kHz，对应于大约1.5占空比。惰性气体混合物Ne/Ar＝30％/70％的压力为大约220Pa。
对两种模式选择汞蒸气的最佳压力；压力为大约1Pa，稍高于用于正弦泵送的压力，其中所使用的汞合金的操作温度为大约102-104℃，对于根据本发明的泵送，汞合金的最佳温度为96-98℃。
用于寄存信号的示波器能够确定每0.06微秒在λ＝254nm处的电流、电压和辐射功率值。通过对放电功耗的瞬时值积分来确定泵送功率，相似地确定平均辐射功率。
在大约205W的正弦泵送功率和134÷135V(电流振幅≈3.15A)的放电电压振幅的情况下，所测量的辐射功率为≈74W，对应于大约36％的汞蒸气灯效率。当使用由具有上述参数和132÷134V的电压振幅的实质上矩形的脉冲进行泵送时，辐射功率为≈73÷74W(电流振幅≈2.1А)，泵送功率大约为181W，这对应于≈40.7％(与高频正弦泵送相比，增长～13％)的效率。与高频正弦泵送的±30％相比，所要求保护的技术方案的实施例中的周期的辐射功率变化不超出±5％。
当实质矩形脉冲的持续时间增加到10微秒并且保持脉冲占空比为大约1.5(产生一个极性的脉冲频率为≈33.5kHz)时，与正弦泵送相比，汞合金汞蒸气灯的效率增长不超出～3％，脉冲的电压振幅降低到≈130V，并且该周期内的光强度变化增长到±20％。
采用要求保护的用于通过电弧放电大功率低压汞蒸气灯进行激发的技术方案提供了与通过相同放电电压下的高频正弦泵送获得的辐射功率相等的辐射功率，并且降低了≈35％的电流振幅(和电子浓度)，这能明显增加管的使用寿命以及电极使用寿命，并且在共振辐射产生效率方面增加了1.1÷1.15倍。
必须注意，由于流动到壁的离子与离子浓度与其二极性扩散系数的乘积成正比，因此，通过根据所要求保护的发明放电等离子体中较小浓度的电子/离子，可以降低低压汞蒸气灯中的气体压力。公知的是，汞蒸气灯的功效和功率随着惰性气体压力的降低而增加，这能进一步增加根据所要求保护的发明的电弧汞蒸气灯的效率和功率，而不会降低其使用寿命。
由此，本专利申请的作者从效率和使用寿命的方面，已经实现了用于通过具有由纵向放电激发的惰性气体和金属蒸气的混合物的低压电弧灯产生共振辐射的最佳条件。提出的技术方案还能够总体上增加电极、保护涂层和灯的使用寿命。所要求保护的激发条件与时下使用的那些实质不同，而且，反驳了几万赫兹频率下正弦泵送模式是最佳的且较使用准直流更有效的言论([3],[5]:Drop P.C.,Polman J."Calculation on the effect of supply frequency on the positivecolumn of a low-pressure Hg-Ar AC discharge".Journal Physics D:AppliedPhysics,1972,V.5,pp.562-568)，能够得出所要求保护的技术方案满足“新颖性”和“实质区别”的规定的结论。
为了实现一些可能的特定需求，本领域技术人员可将改变引入到由具有实质矩形的电流脉冲的高频交流纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物的上述变形中，但是不脱离由权利要求保护的方案。特别是，所要求保护的技术方案也可应用于具有放电(辐射体积)的非柱形形状、改变的组成(成分比)和/或气体混合物压力等的金属蒸气灯。
Claims (3)
1.一种用于在低压电弧放电中在金属原子共振跃迁时产生辐射的方法，包括通过高频交流纵向放电激发惰性气体和金属蒸气的混合物，其特征在于：通过占空比不大于2.0且持续时间不超过辐射金属原子的共振态有效寿命的实质矩形电流脉冲激发放电。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由占空比在1.3至1.7范围内，优选1.4至1.6范围内的实质矩形脉冲激发放电。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属原子是汞原子，并且一个方向的分立的、实质矩形电流脉冲的持续时间不大于12微秒，优选为3微秒至7微秒。
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