CN101217098B - 超高频无极放电灯光源 - Google Patents

Abstract

一种超高频无极放电光源，由无极放电灯、感应线圈和超高频发生电路电路板组成，无极放电灯置于空心的绝缘骨架中心，绝缘骨架外套有感应线圈，感应线圈连接超高频发生器电路板，无极放电灯是在密封玻璃或石英管中充入氢气、氘气和惰性气体或者它们的混合气，超高频发生器工作在50MHz～150MHz，利用超高频电离灯中气体发光。本发明超高频无极放电灯光源，稳定性高，自吸小，发射强度大，光源寿命长，能低压顺利启动，可以用为气相色谱仪光离子化检测器光源，原子吸收分光光度计的背景光源以及质谱仪中的光致电离源等，还能用来产生臭氧并用于光清洗、光氧化、水净化等处理。

Description

超高频无极放电灯光源

技术领域

本发明涉及涉及一种特殊光源，特别涉及一种试验设备用超高频无极放电灯光源

背景技术

无极放电灯英文名称为“Electrodeless Discharge Lamp”，又称外置电极灯(ExternalElectrode Lamp)，由于没有灯丝或电极进入灯泡内，不会有漏气或灯丝失效等故障，因而寿命特别长。这些灯能产生窄线和无自吸的高强度光谱。

高频气体放电按照外加高频电场角频率ω与电子有效碰撞频率υ的相对大小，可以分成ω＜＜υ、ω≌υ、ω＞＞υ三种情况。对于无极气体放电灯的激发也有这三种情形。

目前，市售包括专利无极放电灯光源装置如下：

1.无极放电灯工作频率均为100KHz以下，这种在低频内工作并激发灯内的气体分子而发光，是一种低压冷光灯，适用于小型化，像手持设备上使用。这种灯依靠电容耦合激发等离子体发光。灯内高频气体放电时ω＜＜υ，电子在高频电场下的运动象一群蜜蜂随风飘动一样向高频电场的瞬时阳极漂移；电场反向时又反向漂移。这类放电属于高频电场直接激发的E型放电，在E型放电中，通常基本的导电电流由位移电流和传导电流共同组成，放电由高频电场激发，传导电流并不闭合，放电比较弱，并且由于发光点在灯管中心，容易产生自吸收，导致发光强度比较低。

2.被誉为绿色新光源的高频无极照明灯，工作频率为2.5～3.0MHz，常用2.65MHz，工作电压在300V以上。其灯管是一个真空放电腔体，它的一端设置汞齐(固汞)，放电腔内填充缓冲放电气体，形成连续的闭合放电环路，放电腔通过环形铁氧体磁芯的中心轴线。事实上，放电腔成为变压器的次级，通过对环绕放电腔外铁氧体磁芯上的线圈交变的高频正弦电压，使电能藕合进放电腔，通过线圈的电流产生稳定的磁通量，进而又沿放电腔产生感应电压来维持放电，使汞离子气化产生的紫外线激发稀土三基色荧光粉发出可见光的。

3.用微波激发，采用商品微波发生器频率2450MHz，石英管放置在微波谐振腔内，微波电磁场通过波导腔提供激发能量。在激发时灯的温度升高，产生大量的热，所以空腔内应通空气进行适当冷却。

上述2和3类放电属于H型放电，其中基本的导电电流具有闭合曲线的形式，它是由交变磁场感应的环形电场激发的，该放电可以调节得很强，类似于弧光放电，该电离气体可以 看成是变压器短路的次级回路。弧光放电是一种自持放电，主要特点是维持电压很低，放电的电流密度很大。当放电条件合适时能产生“集肤效应”，使无极放电灯的放电集中在灯壁上进行，所以灯的辐射只经过极薄的一层原子蒸气，共振线的自吸可以大大减小。无论是辐射强度或灯的寿命，都随激发频率的增大而增加，但是激发频率增大导致无极放电灯温度升高，而温度的变动将会导至发射强度的波动，光谱发射便不稳定。一般来说，

1.用射频(100KHz～100MHz)稳定性高，自吸很小。

2.用微波(＞100MHz，常用2450MHz)，输入功率转化成为辐射的效率高，输出强度大有效使用寿命长。

所以现有的无极放电灯光源不能同时满足稳定性高，自吸小，发射强度大，光源寿命长，能低压顺利启动的要求。

发明内容

本发明提供一种稳定性高，自吸小，发射强度大，光源寿命长，能低压顺利启动的超高频无极放电灯光源。

为实现上述目的，本发明采用以下设计方案：

无极放电灯是在直径5～12mm，长40～60mm的石英或玻璃管(视所使用的光谱区而定)中抽成真空并充入压力为67-200Pa的氢气，氘气和惰性气体以及它们的混合气。

无极放电灯置于感应线圈中间，工作时，电磁能由绕于灯管外部的螺线管耦合进入灯内，由于螺线管感应线圈电磁场是均匀变化的，灯内充满等离子发光体，光强度大，辐射均匀。

无极放电灯的激发频率介于射频和微波之间，采用超高频的电磁能激发，工作频率为50MHz～150MHz，即兼顾了射频激发稳定性高，自吸小的特点，又兼顾了微波激发输出强度大有效使用寿命长的特点；另外一方面，采用超高频激发，点火电压峰峰值可以降到几百伏以内。

高频功率发生器，也即高频电子镇流器，它是高频无极放电灯最主要的组成部分，采用的电路形式为单管LC自激振荡方式，没有变压器，只使用一个功率晶体管。

采用光敏传感器控制无极放电灯的启动。

高频功率发生器启动电压和工作电压采用两个二极管D1和D2进行无缝切换，这两个二极管还能有效地防止高频功率电子发生器产生的峰峰值浪涌电压干扰供电电源。

本发明超高频无极放电灯光源，稳定性高，自吸小，发射强度大，光源寿命长，能低压顺利启动，可以用为气相色谱仪光离子化检测器光源，原子吸收分光光度计的背景光源以及质谱仪中的光致电离源等，还能用来产生臭氧并用于光清洗、光氧化、水净化等处理。

附图说明

图1是本发明超高频无极气体放电光源原理图；

图2是本发明超高频无极气体放电光源结构示意图；

图3是本发明超高频无极气体放电光源耦合方案一的原理图；

图4是本发明超高频无极气体放电光源耦合方案二的原理图；

图5是本发明超高频无极气体放电光源耦合方案三的原理图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明超高频无极气体放电光源，下面结合实施例作更详尽的说明。

图2是本发明超高频无极气体放电光源的结构示意图，超高频无极光源由无极放电灯4、感应线圈2、绝缘骨架1和电路板3组成，无极放电灯4置于空心的绝缘骨架1中心，绝缘骨架1外套有感应线圈2，感应线圈2连接电路板3，绝缘骨架1架在绝缘支架6上、用固定螺丝7和底座8相连接，

无极放电灯由直径13mm，长40～60mm的石英玻璃管，抽成真空并充入压力为67-200Pa的混合的惰性气体，混合气体成分由1％～10％的氪气和90％～99％的氦气或氖气组成。

感应线圈选用直径0.8，长度60cm铜丝(外表面最好镀银以减少导线上的集肤效应)，线圈在绝缘骨架上绕7.5匝，D＝17cm，L＝16cm如图4所示，从剩余铜丝从线圈两端引到高频功率电子发生器印刷线路板上，感应线圈距离线路板大约10cm左右。

电路板3上有超高频功率发生电路、检测控制启动电路和供电电路。图1为本发明超高频无极气体放电光源的电路图。

超高频功率发生电路为单管LC自激振荡电路，由功率管Q1、电感L2、电容C3、C4组成，偏置电阻R1、R2、R3为功率管Q1提供直流工作点，旁路电容C6为电阻R6的旁路电容，隔离电感L1为隔离电感，防止高频泄漏，LC自激振荡电路工作频率为50MHz～150MHz，超高频功率发生电路和感应线圈2间采用耦合电容C5耦合。

供电电路包括启动电压电路S2和工作电压电路S1，都是通过AC/DC或DC/DC产生的浮地电压，启动电压电路S2和工作电压电路S1分别通过二极管D2、D1连接超高频功率发生器，一固态继电器SSR(也可使用可控硅)分别连接启动电压电路S1和工作电压电路S2，控制电压间的无缝切换。

检测控制启动电路包括光敏传感器D3和放大电路U1和比较电路U2，放大电路U1和比较电路U2串接，比较电路U2的输出连接到供电电路中的固态继电器SSR的输入端。

检测控制启动电路中的光敏传感器D3可采用光敏二极管、光敏三极管等，本实施例中采用的光敏二极管。光敏二极管检测无极放电灯是否已经点亮，如果没有点亮，放大器U1输出接近地电位电压，比较器U2输出高电平信号控制固态继电器SSR导通。启动电压电路S2输出启动电压，通过二极管D2给高频功率发生器供电，高频功率发生器产生自激振荡，感应线圈内产生100M Hz左右的电磁波，此时启动电压电路S2输出600mA左右的电流。电磁场能量耦合进无极放电灯内，灯内的气体雪崩电离形成等离子体发光，光敏二极管感应光信号形成光电流，放大器U1输出电压高于U2比较器反相端输入的参考电压，比较器U2输出低电平信号，固态继电器SSR截止，启动电压电路S2关断，工作电压电路S1输出工作电压，通过二极管D1给高频功率电子发生器供电，此后一直维持无极放电灯点亮状态，工作电压电路S1输出的工作电流在300mA左右。

超高频发生器和感应线圈之间可以采用多种方式耦合：

图3显示了一种耦合方式的电路图。耦合电容C5接在感应线圈的一端L和功率管Q1的基极间，感应线圈的另一端H接在功率管Q1的正电源上。由于电气元件参数差异以及装配工艺上的差异，可通过可调电容C3轻微调谐，达到电路输出最强的谐振状态。

图4显示了第二种耦合方式的电路图。谐振电容C5接在感应线圈的一端H和超高频功率电子发生器的正电源间，感应线圈的另一端L接在功率管Q1的基极，工作原理与第一实施例相同。

图5显示了第三种耦合方式的电路图。去掉了谐振电容C5，感应线圈的一端L接功率管Q1的基极，另一端H悬空。是采用分布电容代替耦合电容C5，关键在于超高频功率发生器印刷线路板和感应线圈、以及无极放电灯一体化安装方式：超高频功率发生器的正电源的印刷线路板导线在环形线路板的内侧边缘，感应线圈从环形印刷线路板中心孔穿入，电源正极和感应线圈形成分布电容，替代谐振电容C5。

这样，高频功率电子发生器印刷线路板与感应线圈及感应线圈里面的无极放电灯能够集中装配在一起，如图1所示。

而在前两种耦合方案中，高频功率发生器印刷线路板与感应线圈及感应线圈里面的无极放电灯则可以分开一段距离。视实际应用情况，可选用本发明装置不同实施例方案。

本发明的第三个实施例应用在气相色谱仪光离子化检测器光源，其仪器性能超群就是本发明装置优越性的最好的证明。

虽然本发明已经参考特定优选实施例作出说明，但本领域的技术人员能够做出各种变更和修饰，都不脱离本发明的实质精神和范围。

Claims (8)

1.一种超高频无极放电光源，其特征在于：所述超高频无极光源由无极放电灯(4)、感应线圈(2)和电路板(3)组成，无极放电灯(4)是在直径5～12mm，长40～60mm的密封石英或玻璃管中充入压力为67-200Pa的氢气、氘气和惰性气体或者它们的混合气，所述电路板(3)上有超高频功率发生电路为套在无极放电灯(4)外的感应线圈(2)供电，提供超高频电磁能激发无极放电管(4)，超高频功率发生电路由功率管(Q1)、电感(L2)、电容(C3、C4)组成，功率管(Q1)的基极和发射极分别设有偏置电阻(R1、R2、R3)，旁路电容(C6)和隔离电感(L1)，LC自激振荡电路工作频率为50MHz～150MHz。

2.根据权利要求1所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述放电灯(4)置于空心的绝缘骨架(1)中心，绝缘骨架(1)外套有感应线圈(2)，感应线圈(2)为等间距螺旋线圈。

3.根据权利要求2所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述超高频功率发生电路和感应线圈(2)间采用耦合电容(C5)耦合。

4.根据权利要求3所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述电路板(3)上有供电电路和检测控制启动电路。

5.根据权利要求4所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述供电电路包括启动电压电路(S1)和工作电压电路(S2)，都是通过AC/DC或DC/DC产生的浮地电压，所述启动电压电路(S1)和工作电压电路(S2)分别通过二极管(D1、D2)连接所述超高频功率发生电路，一固态继电器(SSR)分别连接所述启动电压电路(S1)和工作电压电路(S2)，控制电压间的无缝切换。

6.根据权利要求5所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述检测控制启动电路包括光敏传感器(D3)、放大电路(U1)和比较电路(U2)，放大电路(U1)和比较电路(U2)串接，所述比较电路(U2)的输出连接到所述供电电路中的固态继电器(SSR)的输入端。

7.根据权利要求6所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述耦合电容(C5)采用穿心电容，连接在感应线圈和功率管(Q1)的集电极或基极之间。

8.根据权利要求6所述的超高频无极放电光源，其特征在于：所述耦合电容(C5)采用感应线圈与正电源的分布电容替代。

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