[发明专利]一种高通量平面光源产生的装置及方法

权利要求书

1.一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。

2.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于：在阳极（2）和阴极（1）之间施加以直流电源，电源正极与阳极相连，电源负极与阴极相连；在阴极发射端部（4）与圆筒状阳极（2）内壁的阳极弧根贴附区（20）之间引发电弧等离子体（3）；轴向磁场（17）与电弧径向电流产生的洛伦兹力驱动电弧高速旋转，与冷气体产生强烈的对流，驱散电弧，在轴向位置位于阴极发射端附近产生分散的等离子体云；随着电弧电流增大和轴向磁场增强，等离子体高速旋转流动的使等离子体云在径向和周向分布均匀，充满阳极圆筒内截面，在阳极的圆筒内形成角向均匀分布的圆盘状电弧等离子体发光源。

3.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，在阳极弧根贴附区以外的阳极圆筒（2）内壁面和封闭端（7）内表面镀全反射膜，形成导光筒。

4.根据权利要求1或3所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，圆盘等离子体发光源的辐射光直接或经导光筒收集在透射窗（9）外侧形成均匀的平面光源或均匀的辐照面。

5.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，在圆筒状阳极（2）的圆筒壁内开气体回流冷却通道（12），该通道与高温气体流出孔缝（11）、第一冷气体流入孔缝（13）以及第二冷气体流入孔缝（14）相连通，从高温气体流出孔缝（11）流入的高温气体在此冷却通道（12）处冷却，冷却后的气体分别经第一冷气体流入孔缝（13）以及第二冷气体流入孔缝（14）返回阳极的圆筒的内腔。

6.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，为了提高光辐射利用效率，在圆盘等离子体靠阳极圆筒封闭端一侧设置一反射镜（10），将圆盘等离子体向阳极圆筒封闭端辐射的光反射回等离子体、被等离子体吸收从而进一步增强等离子体辐射，或透过等离子体直接或经弧室壁面反射到透射窗外侧辐照面上；为了提高光的利用效率，反射镜（10）位置宜靠近等离子体，反射光会大部分返回等离子体或透过等离子体；反射镜设计成与电极同轴的旋转曲面，曲面开口方向朝向光源透射窗口，反射镜底部中心开一圆孔，棒状阴极（1）从中穿过，反射镜任意一点法线及延长线均与阴极轴线相交于阴极发射端外，让阴极附近的等离子体辐射通过镜面反射之后直接或通过镀反射膜的壁面反射到透射窗（9）外侧，而不再辐射到阴极上。

7.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，电极烧蚀产生的金属蒸汽随高温气体流出阳极圆筒内腔，在阳极圆筒内腔外冷却沉积，从第一、第二冷气体流入孔缝（13，14）流入的两股洁净的冷气体（15，16），对阳极圆筒壁面及反射镜起尘埃隔离保护作用，对透射窗起热隔离和尘埃隔离保护作用。

8.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，所述圆筒状阳极（2）的阳极弧根贴附区（20）镶嵌金属圆环，在所述金属圆环圆周开径向的用于导流的所述高温气体流出孔缝（11）；所述金属圆环由耐高温的导电材料制成。

9.根据权利要求1所述的一种高通量平面光源产生的装置，其特征在于，在阳极圆筒外绕电磁线圈（5）；将阳极圆筒两端法兰（7、8）设计为导磁材料，在电磁线圈外用导磁材料将两法兰（7、8）联通；用于在阳极圆筒（2）内腔产生轴向磁场（17）。

10.一种高通量平面光源产生的方法，该方法利用权利要求1和权利要求2至9中任意项所述的高通量平面光源的产生装置，其特征在于，该产生方法是通过气体流动组织，控制电弧等离子体的弧柱位形、阴极弧根位形和阳极弧根位形，将等离子体弧柱位形由短弧氙灯“钟罩形”变为扁平的“圆盘形”，将阴极弧根由收缩的“点”变为扩散型“环”或“面”分布，同时阳极弧根均匀分布在阳极圆筒壁面四周，产生一个发光面积更大、辐射强度更高的圆盘形等离子体光源，从而提高辐射功率和辐射效率，提高发光面的均匀性，并通过简单光筒收集，在辐射窗口形成均匀的平面光源。所述气体的流动组织是通过磁场驱动电弧旋转驱散电弧，在阳极圆筒内形成角向均匀分布的圆盘状等离子体；一方面旋转的电弧均匀加热阴极发射端部表面和周边，使阴极发射端面温度上升，达到在阴极发射端部周边或阴极发射端部整个表面产生热电子发射的条件，与周向均匀分布的圆盘等离子体结合，形成在阴极发射端部边缘呈环状或在阴极端部呈面状分布的扩散型阴极弧根；另一方面，高速旋转流动和径向流动圆盘等离子体与阳极圆筒（2）内壁阳极弧根贴附区（20）紧密接触形成周向均匀分布的阳极弧根；高速旋转流动的等离子体产生的径向射流，从阳极壁面高温气体流出孔缝（11）流出，限制了等离子体在阳极壁附近的横向（轴向）发展；补充冷气体分别从第一冷气体流入孔缝（13）和第二冷气体流入（14）流入阳极圆筒内腔，从圆盘等离子体两侧补充进入等离子体高温区域，与等离子体径向流动耦合，进一步从轴向压缩圆盘状等离子体阴极弧根、弧柱以及阳极弧根，整体上显著提高圆盘状等离子体密度，从而产生高亮度的平面光源。