DE3920628A1 - Elektrodenlose leuchte zur kopplung mit einer kleinen lampe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine verbesserte elektrodenlose Leuchte zur Kopplung von starken elektrischen Feldern mit einer sehr kleinen Lampe.

Elektrodenlose Leuchten sind wohlbekannt und sind häufig mit einem Mikrowellenhohlraum versehen, in dem ein Lampenkolben mit einem plasmabildenden Medium angeordnet ist. Wird dem Hohlraum Mikrowellenenergie zugeführt, dann wird die Lampe gezündet, und das von ihr ausgesendete Licht verläßt den Hohlraum durch ein Gitterelement, das typischerweise eine Fläche des Hohlraums bildet. Vgl. z.B. die US-Patentschriften 45 32 427, 44 85 332 und 46 83 525, sowie die anhängige verwandte Anmeldung Nr. 7 57 976, die elektrodenlose Leuchten offenbaren.

Bei der oben beschriebenen Art der elektrodenlosen Leuchte hat die typischerweise verwendete Lampe einen Durchmesser von 3/4′′ oder mehr. Wird die Verwendung einer kleineren Lampe, z. B mit einem Durchmesser von 1/2′′ oder weniger gewünscht, dann koppeln, wie sich herausgestellt hat, die beim Stand der Technik verwendeten Hohlräume nicht gut, mit dem Ergebnis, daß die Strahlung, die von der Lampe ausgesendet wird, nicht intensiv genug ist.

Man nimmt an, daß der Grund hierfür darin liegt, daß das Verhältnis der Oberfläche zu dem Volumen der Lampe sich umgekehrt zu dem Durchmesser der Lampe verhält. Wenn also die Lampe kleiner wird, erhöht sich dieses Verhältnis mit dem Ergebnis, daß bei Mikrowellenenergie-Erregung des plasmabil­ denden Mediums in der Lampe ein gößerer Flächeninhalt pro Volumeneinheit zur Energieabsorbtion von dem erregten Gas zur Verfügung steht. Die Wärmeübertragung zur Lampe erhöht sich also tendenziell bei kleineren Lampen, und ein Feld, das ein geeignetes Strahlungsniveau aus einer größeren Lampe erzeugt, ist nicht in der Lage, ein solches mit einer kleineren Lampe zu erzeugen.

Während elektrodenlose Leuchten, die koaxiale Übertragungs­ leitungen anstelle von Mikrowellenhohlräumen verwenden, schon vorgeschlagen worden sind, und während diese Leuchten sich mit kleineren Lampen koppeln können, vgl. z.B. die US-Patent­ schriften Nr. 39 43 403 und 39 93 927, können solche Lampen darin Nachteile aufweisen, daß sie aufgrund ihrer Charakteri­ stik einen Teil der Lampenausgangsleistung verdunkeln und außerdem zu einer Lichtbogenbildung führen können.

Es ist also eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrodenlose Leuchte bereitzustellen, die einen Mikro­ wellen-Hohlraum verwendet, und die starke Mikrowellenfelder mit einer sehr kleinen Lampe mit einem Durchmesser von 1/2′′ oder weniger koppelt.

Gemäß der Erfindung haben die Erfinder erkannt, daß die Höhe des Hohlraums konventioneller Ausdehnung wesentlich vermin­ dert werden kann, um eine deutliche Erhöhung des elektrischen Feldes in dem Bereich der kleinen Lampe zu erreichen, nach der Beziehung
C=A/d,
in der C = Kapazität
A = Plattenfläche
D = Plattentrennung (Höhe des Hohlraums),
wenn ein Mikrowellenmodus gewählt wird, der unabhängig von der Höhe des Hohlraums ist und elektrische Feldlinien aufweist, die parallel zu der Höhe verlaufen.

Dies führt zu einem kürzeren Leuchtenhohlraum als bis jetzt bekannt ist, mit dem Endergebnis, daß Strahlungsniveaus von der kleinen Lampe ausgesendet werden, die höher sind als die, die beim Stand der Technik erzeugt werden können.

In den angefügten Zeichnungen ist

Fig. 1 ein Modusdiagramm für einen geraden kreisförmigen Zylinder,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels der Erfindung,

Fig. 3 eine Darstellung der elektrischen Feldlinien in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung noch eines Ausführungs­ beispiels der Erfindung,

Fig. 6 eine Bilddarstellung eines bevorzugten Ausführungs­ beispiels der Erfindung,

Fig. 7 ein Detail des Ausführungsbeispiels aus Fig. 6,

Fig. 8 ein Detail des in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 6 verwendeten Wellenleiters,

Fig. 9 eine Bilddarstellung eines weiteren Ausführungsbei­ spiels der Erfindung.

Wie schon oben erwähnt wurde, erkannten die Erfinder der vor­ liegenden Anmeldung, daß ein Modus gewählt wird, der elek­ trische Feldlinien bereitstellt, die parallel zur Höhe des Hohlraums verlaufen, und wenn das Vorhandensein eines solchen Modus unabhängig von der Höhe des Hohlraums ist, dann kann die Höhe des Hohlraums mit konventioneller Höhe wesentlich vermindert werden, um ein erheblich stärkeres elektrisches Feld nahe der Lampe bereitzustellen.

Fig. 1, die ein Modusdiagramm für einen geraden kreiszylin­ drischen Hohlraum darstellt, in dem
D = Hohlraumdurchmesser
L = Länge (Höhe) des Hohlraums
F = Frequenz ist,
zeigt deutlich, daß der TM₀₁₀-Modus unabhängig von der Höhe des Hohlraums ist. Ebenso resultiert dieser Modus in elek­ trischen Feldlinien, die parallel zur zylindrischen Achse des Hohlraums verlaufen.

Es wurde also in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein gerader kreisförmiger Zylinder verwendet, der im TM₀₁₀-Modus arbeitet, und die Höhe des Hohlraums wurde so abgestimmt, daß das Feld in dem Zentralbereich des Hohlraums am stärksten ist.

Dieses Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt, wo der Hohlraum 2 die zylindrische Wand 4 mit den Enden 6 und 8 aufweist, die jeweils ein Gitter sein können, das im wesent­ lichen durchlässig für das Licht ist, das von der Leuchte ausgesendet wird, während es im wesentlichen undurchlässig für die Mikrowellenenergie ist. Alternativ kann eines der Enden aus festem Metall bestehen, während das andere ein Gitter sein kann.

Die Lampe 10 hat einen Durchmesser von etwa 1/2′′ oder weniger und befindet sich etwa im Durchmesserzentrum des Hohlraums; jedoch braucht sie sich nicht genau auf halber Höhe befinden.

Das Magnetron 12 erzeugt Mikrowellenenergie, die in dem er­ läuternden Ausführungsbeispiel bei 2450 Mhz liegt. Dieses ist durch den rechteckigen Wellenleiter 14 mit dem Schlitz 16 in der Seitenwand des zylindrischen Hohlraums gekoppelt.

Die Lampe 10 wird von einem Arm 20 gehalten, der sich durch einen Motor 22 drehen läßt, um für wirkungsvolle Kühlung zu sorgen, wenn die Lampe bei ihrer Drehung mit (nicht darge­ stellten) Druckluftströmen beaufschlagt wird.

Das elektrische Feld in dem Hohlraum 2 ist in Fig. 3 gezeigt. Man kann sehen, daß dieses Feld in axialer Richtung des Hohl­ raums liegt und im Hohlraumzentrum am stärksten ist. Außerdem verstärkt sich das Feld, wenn die Höhe des Hohlraums abnimmt, bis ein Maximalfeld für eine Lampe mit einem gegebenen Durch­ messer erhalten wird.

Die resultierende Leuchte verwendet einen Hohlraum, dessen Höhe beträchtlich niedriger ist als die des bisher verwende­ ten. So beträgt die Höhe des Hohlraums in der zylindrischen Leuchte nach dem Stand der Technik 2,6′′, die sich mit einer Lampe mit einem Durchmesser von 3/4′′ koppelt, während die Höhe des Hohlraums der Lampe nach der vorliegenden Erfindung, die sich mit einer Lampe mit einem Durchmesser von 1/2′′ koppelt, nur 1,06′′ beträgt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung betrug der Lampen-Innendurchmesser 13 mm, die Länge des Hohlraums 1,06′′, während sein Durchmesser 3,4′′ betrug.

Die Prinzipien der Erfindung lassen sich genauso auf Hohl­ räume mit anderer Gestalt anwenden. Fig. 4 zeigt z.B. einen rechteckigen Hohlraum mit geringer Höhe zur Kopplung mit einer sehr kleinen Lampe, die im TE_10m-Modus betrieben wird.

Es ist wohl bekannt, daß eine Leuchte nach ihrem Start gegen­ über dem Hohlraum eine andere Impedanz aufweist als vor dem Start, und die Betriebsart wird dadurch etwas beeinflußt. Deshalb wird für die vorliegende Offenbarung angenommen, daß die genannten Modi vorhanden sind, ehe die Leuchte den Be­ trieb beginnt.

Noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Hohlraum 30 eine Seitenwand auf, die aus einem oder mehreren Segmenten 32, 34 besteht, von denen jedes ein konischer Ab­ schnitt ist, und von denen jeder eine reflektierende Innen­ fläche aufweist. Die Enden des Hohlraums weisen jeweils Gitter 36 und und 38 auf, während hinter dem Hohlraum ein äußerer Reflektor 40 angeordnet ist, der ebenfalls aus Segmenten bestehen kann. Ebenso kann ein äußerer Reflektor­ teil 42 vor dem Hohlraum angeordnet sein, und dieser kann ebenfalls segmentiert sein.

Die Wirkung der reflektierenden Seitenwand des Hohlraums 32, 34 und der rückwärtigen und vorderen äußeren Reflektoren 40 und 42 soll einen Gesamtreflektor gewünschter Gestalt bereitstellen, um das von der Lampe 37 ausgesendete Licht zu reflektieren. Der Reflektor ist als aus Segmenten bestehend dargestellt, er kann jedoch statt dessen eine mehr oder weniger durchgängige Oberfläche aufweisen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer elektrodenlosen Leuchte nach der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Eine Lampe 56 ist in dem zylindrischen Hohlraum 52 mit dem Kopp­ lungsschlitz 66 in der zylindrischen Seitenwand angeordnet. Das Magnetron 68 sorgt für die Mikrowellenenergie, die durch den Wellenleiter 70 mit dem Hohlraum gekoppelt ist. Der Wel­ lenleiter ist um das Magnetron gebogen, wie aus Fig. 8 deut­ lich wird, und besteht aus den Teilen 71, 72 und 73, die bezüglich einander gebogen sind.

Die Lampe 56 wird von dem Lampenarm 58 gehalten, der von dem Motor 60 gedreht wird, während Druckluft aus der Düse 62 auf die Lampe beaufschlagt wird, um sie zu kühlen. Fig. 7 zeigt deutlich, daß der Lampenarm in einem Winkel (von 110° bis 130°) zur Richtung des elektrischen Feldes angeordnet ist, was zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über der Lampe im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 führt, wo der Lampenarm rechtwinklig zur Richtung des elek­ trischen Feldes liegt. Während in Fig. 6 nur eine Kühldüse 62 gezeigt ist, können zusätzliche Düsen verwendet werden, und in einem Ausführungsbeispiel befand sich eine zweite Düse unter der Düse 62 in Fig. 6.

Fig. 9 stellt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hohlraum mit quadratischem Querschnitt dar. In diesem Ausführungsbeispiel wird Energie von dem Magnetron 88 durch den Wellenleiter 92 über den Kupplungsschlitz 94 mit dem Hohlraum 82 gekoppelt, während der Lampenarm 87 die Lampe 86 so hält, daß sie in einem Winkel zum elektrischen Feld gedreht werden kann, der ungleich 90° ist. Diese Lampe ähnelt der in Fig. 4 gezeigten und ist im TE₁₀₁-Modus zu betreiben.

Die Erfindung offenbart also verbesserte elektrodenlose Leuchten, die es ermöglichen, starke elektrische Felder mit kleinen Lampen zu koppeln.

Claims (17)

1. Elektrodenlose Leuchte, die ein starkes Mikrowellenfeld mit einer sehr kleinen Lampe mit einem Durchmesser von etwa 1/2′′ oder weniger koppelt, gekennzeichnet durch
einen Mikrowellenhohlraum, der einen Querschnitt regelmäßiger Gestalt aufweist sowie eine Höhenausdehnung, die rechtwinklig zu dem Querschnitt liegt,
eine sehr kleine Lampe mit einem Durchmesser von etwa 1/2′′ oder weniger, die ein plasmabildendes Medium enthält, das in dem Hohlraum in einem Bereich nahe des Zentrums des Hohlraum- Querschnitts angeordnet ist,
eine Einrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenenergie einer vorgewählten Frequenz sowie
eine Wellenleiter-Einrichtung zur Kopplung der Mikrowellen­ energie mit dem Hohlraum,
wobei die Abmessungen des Hohlraums in einem solchen Verhält­ nis zu der Frequenz der Mikrowellenenergie stehen, daß die Leuchte in einem solchen Vor-Start-Modus betrieben wird, der unabhängig von der Höhe des Mikrowellenhohlraums ist, und der elektrische Feldlinien umfaßt, die parallel zu der Höhenaus­ dehnung des Hohlraums in dem Bereich nahe dem Zentrum des Hohlraum-Querschnitts verlaufen, und
wobei darin die Höhe des Hohlraums gering genug ist, um in dem Bereich nahe dem Zentrum des Hohlraum-Querschnitts ein starkes Mikrowellenfeld zur Kopplung mit der sehr kleinen Lampe mit einem Durchmesser von 1/2′′ oder weniger bereitzu­ stellen.

2. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum die Gestalt eines geraden kreis­ förmigen Zylinders aufweist, und daß der Modus, in dem die Leuchte betrieben wird, der TM₀₁₀- Modus ist.

3. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum die Gestalt eines rechteckigen Parallelepipeds aufweist, und daß der Modus, in der die Leuchte betrieben wird, der TE₁₀₁- Modus ist.

4. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Querschnitt des rechteckigen Parall­ elepipeds quadratisch ist.

5. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum einen zugehörigen Kopplungsschlitz aufweist, der in der gekrümmten zylindrischen Wand des Hohl­ raums angeordnet ist.

6. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Längsausdehnung des Kupplungsschlitzes in der Umfangsrichtung der Wand des Hohlraums liegt.

7. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß die vorgewählte Mikrowellenfrequenz bei 2450 Mhz liegt,
daß der Durchmesser der Lampe etwa 1/2′′ beträgt,
daß der Durchmesser des Hohlraums etwa 3,4′′ beträgt, und
daß die Höhe des Hohlraums etwa 1,06′′ beträgt.

8. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum durch eine zylindrische Wand aus festem Material gebildet wird, sowie durch zwei Zylinderen­ den, die jeweils in getrennten Flächen liegen, die recht­ winklig zu der Höhenausdehnung des Hohlraums verlaufen, und worin jedes Ende aus einem Gittermaterial gemacht ist, das im wesentlichen durchlässig für das Licht ist, das von der Lampe ausgesendet wird, während es im wesentlichen undurchlässig für Mikrowellenstrahlung ist.

9. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zylindrische Hohlraum jeweils Enden auf­ weist, die aus Gittermaterial gebildet sind, das im we­ sentlichen durchlässig für das Licht ist, das von der Lampe ausgesendet wird, während es im wesentlichen undurchlässig für Mikrowellenstrahlung ist.

10. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet,
daß der Hohlraum aus einer Seitenwand und zwei Enden gebildet ist, und
daß die Seitenwand die Gestalt wenigstens eines konischen Abschnitts aufweist, und
daß sie wenigstens an der Innenseite des Hohlraums aus re­ flektierendem Material gebaut ist.

11. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seitenwand die Gestalt einer Vielzahl von konischen Abschnitten aufweist, von denen alle wenigstens an der Innenseite des Hohlraums aus reflektierendem Material bestehen.

12. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Enden aus Gittermaterial bestehen, das im wesentlichen durchlässig für das Licht ist, das von der Lampe ausgesendet wird, und im wesentlichen undurchlässig für die Mikrowellenstrahlung, und daß sich ein Teilreflektor von jedem Hohlraumende erstreckt.

13. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenleitereinrichtung so gebogen ist, daß sie die Einrichtung zur Erzeugung der Mikrowellenenergie um­ greift.

14. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenleitereinrichtung drei rechte Winkel umfaßt.

15. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wellenleitereinrichtung einen geraden rechteckigen Wellenleiter mit einem Schlitz in der Längsaus­ dehnung des Wellenleiters aufweist, um es der Mikrowellen­ energie zu erlauben, aus dem Wellenleiter auszutreten und in den Hohlraum einzutreten.

16. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lampe drehbar an einem Lampenarm gehalten wird, der in einem anderen Winkel als 90° bezüglich der Richtung der elektrischen Feldlinien angeordnet ist.

17. Elektrodenlose Leuchte nach Anspruch 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lampe drehbar an einem Lampenarm gehalten wird, der in einem anderen Winkel als 90° bezüglich der Richtung der elektrischen Feldlinien angeordnet ist.