一种高通量平面光源产生的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种高通量平面光源产生的装置及方法，该装置的电极由一圆筒状阳极和一同轴布置的圆形棒状阴极组成，所述阳极圆筒一端封闭，另一端为石英透射窗气封；位于阴极发射端面附近的阳极圆筒壁面开有高温气体流出孔缝；在其两侧阳极圆筒壁面开有冷气体流入孔缝；阳极圆筒内充高压惰性气体；对阳极圆筒内施加轴向磁场；在阳极圆筒与阴极之间施加直流恒流电源，在阴极发射端面与阳极圆筒内壁面之间引燃电弧。该产生方法是通过磁场驱动电弧旋转和气体流动组织，控制电弧等离子体位形、阴极弧根和阳极弧根位形，将等离子体位形由短弧氙灯“钟罩形”变为“圆盘形”；本发明专利技术限制等离子体在轴向上的扩张，提高径向电流密度，增强发光功率和发光效率。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供，该装置的电极由一圆筒状阳极和一同轴布置的圆形棒状阴极组成，所述阳极圆筒一端封闭，另一端为石英透射窗气封；位于阴极发射端面附近的阳极圆筒壁面开有高温气体流出孔缝；在其两侧阳极圆筒壁面开有冷气体流入孔缝；阳极圆筒内充高压惰性气体；对阳极圆筒内施加轴向磁场；在阳极圆筒与阴极之间施加直流恒流电源，在阴极发射端面与阳极圆筒内壁面之间引燃电弧。该产生方法是通过磁场驱动电弧旋转和气体流动组织，控制电弧等离子体位形、阴极弧根和阳极弧根位形，将等离子体位形由短弧氙灯“钟罩形”变为“圆盘形”；本专利技术限制等离子体在轴向上的扩张，提高径向电流密度，增强发光功率和发光效率。【专利说明】
本专利技术属于气体放电光源的
，具体涉及，用于产生高通量连续辐照光，作为高通量平面光辐照和高通量太阳模拟器的光源。
技术介绍
高通量光源通过直接辐照器件表面产生高温，在各种不同环境、气氛下创造极端高温条件，是材料高温性能研究、热化学和光化学研究、太阳能光热/光电高效利用研究等领域的重要科学仪器，并且在许多特种材料(如纳米材料、耐高温材料等)的生产领域有特殊作用。目前，产生连续高通量辐照光的主要途径有:直接在户外通过太阳跟踪聚焦系统将太阳光聚焦，采用组成阵列的人工光源聚焦。后者大都以高压短弧氙灯为光源。太阳光聚焦的太阳炉光通量及光斑面积都可以很大。如欧盟太阳能热发电实验基地(PSA)建立的太阳炉系统,光斑直径20cm，能流密度达3000kW/m2(300()个太阳辐照度)。但该系统过于庞大复杂，仅反射镜面积就达140m2，难以推广应用。采用小型的碟式、槽式或菲涅尔透镜式聚光器，也可获得小面积的高辐照度。但是以自然界阳光为光源受环境影响大，稳定性差，光谱特性因地域、天气、季节、时间等多种因素而异，辐照均匀性及可调性差，使用极为不便，也不能成为测试标准光源。光谱分布接近太阳光谱辐射的高通量光源可以作为高通量太阳模拟器，是研究聚光太阳能的重要实验仪器，它可以提供稳定、可靠、方便的标准太阳能人工光源，且可成为太阳能应用产品的标准检测设备。短弧氙灯目前是最符合太阳光谱分布的人工高亮光源，部分红外谱段强于太阳辐射。现有的低通量太阳模拟器产品(低于40个太阳辐照度)多使用高压短弧氙灯为光源，经过对部分红外光谱段的过滤调整，使其符合太阳光谱分布，同时经过积分器和准直镜使辐照光斑均匀和准直，已有标准产品。连续辐射的高通量太阳模拟器几乎都是釆用短弧氙灯聚焦阵列直接模拟太阳光，不经光谱调整、辐照光斑均匀处理以及光线准直处理。如瑞士PSI (Paul Scherrer Institute)，采用10个15kW氙灯组成聚焦阵列，单个反射聚焦镜面直径大约lm，经光学聚焦后输出光斑直径为60mm，峰值11000kW/m2，平均能流密度6800kW/m2的光束，辐照物品表面理论最高温度(滞止温度)可以达到3300K。“氙灯阵列高通量太阳模拟器”一个显著缺点是辐照面光强非常不均匀，近似为高斯型分布，使用极为不便。其原因是短弧氙灯的电弧亮度分布极不均匀，而聚焦光斑处的光通量非常强，难以通过积分器改善光斑的均匀性。同时也存在体积庞大、设备系统复杂等问题。同时，大功率短弧氙灯的寿命不长，使得“氙灯阵列高通量太阳模拟器”运行成本过高。为了避免短弧氙灯阵列的这些缺点，瑞士的ETH工业研究所研究了一个以氩气长弧灯为光源，采用两级椭圆槽型聚焦，产生高通量矩形辐照光斑的高通量太阳模拟器。该系统由加拿大 VortexIndustry Ltd.公司制造，电弧长度约200mm，最大电弧功率200kW，最大辐射功率75kW，辐照强度在电弧轴线平行方向较均匀。辐照通量峰值达到4250kW/m2，实验辐照斑点最高温度达到3000K。由于电弧为氩弧，电弧存在较多的紫外辐射和红外辐射，并且色温高于太阳色温，完全不能满足太阳模拟 器光谱分布的要求，作为高温光热、光化学研究不失为一个较好的高通量光源。但这项技术还有一个非常大的问题:在氩气电弧与石英管壁之间采用水膜冷却，不可避免带来水汽对电弧和电极的影响，尤其是电极寿命受到影响。早在1954年，Bauer就报道了他研究的氙灯 ? 到上世纪70~80年代已形成非常成熟的系列产品，大量用于电影放映、投影仪等显色指数要求较高场合，也用于高级汽车前大灯。短弧氙灯结构见图1所示。由于电弧稳定需求，阴极通常设计成锥形，阳极为较大的平端面。阴极弧根位于阴极尖端，依靠收缩的阴极弧根产生的阴极射流来稳定电弧。因此，在氙灯(电极轴)水平放置时，由重力作用引起的对流作用使电弧向上飘动，容易引起电弧不稳定，降低氙灯使用寿命，甚至烧坏泡壳。同时，为了保证氙灯的稳定性，不可能将电弧拉的很长。短弧氙灯产品设计最大电弧长度约12.5mm，功率可以达到30kW。短弧氙灯的电弧稳定的机制决定了氙灯宜选择竖直安装，阴极在下，阳极在上。这个限制使其在应用时的光路设计上多有不便。实际上，大功率短弧氙灯为一亮度分布极不均匀倒立的“钟罩形”光源(图1 (a))。阴极尖端附近有一个极高亮点，色温最高，辐射最强。随着离开阴极距离加长，弧柱直径增大，色温降低，辐射光通量迅速降低。在阴极极端面到距离阴极尖端0.07L (L为电极间距)之间的光辐射功率占灯总辐射功率70%以上。提高短弧氙灯功率和亮度的一个主要方法是提高工作气压，从而提高电流密度及等离子体密度。小型灯泡的工作气压最大可以达到6MPa，大功率灯泡的工作气压也达到2MPa。由于工艺上的原因，短弧氙灯功率越大，选择的工作气压越低。由于氙灯色温主要取决于电弧电流密度(等离子体密度)，而电弧电流密度主要取决于工作气压。因此作为太阳模拟器的光源，氙灯的工作气压大约为3MPa，相应氙灯功率大约为15kW。根据能量最小原理，电弧自动收缩到最小直径。随着电流增大，电弧直径增大，弧柱电流密度略有增加，色温增加很小，阴极弧根和阳极弧根的电流密度随电流增加也有所增加。因此短弧氙灯在较大工作电流变化范围内色温几乎不变，亮度随电流增加略高于I次方正比增加。实际上，由于短弧氙灯阴极形状的影响，阴极弧根往往呈现强烈收缩的形态，电弧与阴极接触区域电流密度极大，工作电流的增加可能使电极温度升高达到电极烧蚀速率快速增加的临界值，造成阴极的严重烧蚀，限制了短弧氙灯功率的提高。限制短弧氙灯功率提高的另一个原因是石英泡壳的耐压及冷却问题:功率增大，所需泡壳散热面积(正比于r2)增加更大；而泡壳容积增大，泡壳所受应力增加，要求泡壳厚度增加；而泡壳增厚则会降低导热性能，耐压问题与散热问题相互矛盾。影响短弧氙灯寿命主要因素有:(1)电极烧蚀引起的电弧不稳和引弧电压提高；(2)阴极尖端前高亮区电流密度减小，从而使发光亮度降低；(3)金属蒸汽在泡壳上的沉积使辐射功率降低和泡壳吸热增加，从而烧坏泡壳；(4)石英泡壳与金属电极之间的焊接密封损坏。文献报道了一种磁旋转电弧等离子体平面光源初步研究结果。装置的基本结构为同轴电极电弧等离子体发生器，棒状内电极为阴极，圆筒状外电极为阳极，固定阴极与阳极的一端为气体导入端，另一端为气体流出端，在气体流出端为光源输出端。在阳极外施加电磁线圈以在阳极圆筒内产生轴向磁场，或米用永久磁体在阳极圆筒内产生轴向磁场。电弧在棒状阴极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，该装置的电极由一圆筒状阳极（2）和一同轴布置的圆形棒状阴极（1）组成；所述圆筒状阳极（2）的圆筒的一端封闭，另一端由石英透射窗口（9）气闭；所述阴极（1）的一端由绝缘支撑（6）安装在封闭端中心，另一端为阴极发射端（4），位于所述圆筒状阳极（2）的圆筒内；轴向位置位于所述阴极（1）发射端附近的所述圆筒状阳极（2）的圆筒内壁为阳极弧根贴附区（20）；在阳极弧根贴附区的阳极圆筒壁上沿圆周开有与阳极圆筒内腔贯通的高温气体流出孔缝（11），高温气体沿此高温气体流出孔缝流出阳极圆筒内腔；在高温气体流出孔缝（11）两侧分别开有与阳极圆筒内腔贯通的补充冷气体流入第一冷气体流入孔缝（13）及第二冷气体流入孔缝（14），两股补充冷气体（15，16）分别从第一冷气体流入孔缝（13）和第二冷气体流入孔缝（14）流入阳极圆筒内腔；对阳极圆筒内腔施加轴向磁场（17）；在阳极的圆筒内填充0.1～10MPa气压。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：夏维东，王城，胡芃，夏维珞，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：