[發明專利]用于生成電磁輻射的設備和方法

有效

• 申請號: 201280070365.0
• 申請日: 2012-02-24
• 公開（公告）號: CN104145321A
• 公開（公告）日: 2014-11-12
• 發明（設計）人: 阿馬爾·B·坎達爾;大衛·馬爾科姆·卡姆;姆拉登·本布洛維奇;彼得·朗貝西斯
• 申請（專利權）人: 馬特森技術有限公司
• 主分類號: H01J61/10
• 分類號: H01J61/10;H01J61/04;H01J61/35;H01J61/52
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 康建峰;陳煒

技術領域

本發明涉及用于生成電磁輻射的設備和方法。更具體而言，各示意性實施方式涉及沿著電弧管或機殼的內表面具有液體渦流的弧光燈。

背景技術

弧光燈被用來產生用于廣泛的多種目的電磁輻射。典型的傳統的直流(DC)弧光燈包括兩個電極，即陰極和陽極，陰極和陽極被安裝在通常稱為電弧管的石英機殼內。機殼被填充有惰性氣體，如氙氣或氬氣。電源被用于維持電極之間的連續等離子電弧。在等離子電弧內，等離子體被高電流經由粒子碰撞加熱到高溫，并且以與在電極之間流動的電流對應的強度發射電磁輻射。

最大功效類型的弧光燈是所謂的“水壁”弧光燈，在“水壁”弧光燈中，液體(例如水)以切向速度循環經過電弧室，以形成沿著電弧室機殼的內表面流動的渦旋液壁(“水壁”)。渦旋液壁將電弧通過其放電的惰性氣體柱的周邊冷卻。這種冷卻效果制約了電弧直徑并且為電弧提供正動態阻抗。渦旋液壁的高流速確保該冷卻效果在電弧放電的整個長度上近似恒定，導致均勻的電弧條件以及電磁輻射在空間上的均勻發射。從渦旋液壁徑向向內緊鄰維持惰性氣體的渦流，以使電弧穩定。渦旋液壁有效地從機殼的內表面除去熱量，并且還吸收紅外線，由此降低被機殼吸收的電磁輻射量。渦旋液壁還除去由電極蒸發或濺射的任何材料，以防止機殼變暗。認為授予Nodwell等人的、與本申請具有共同發明人的美國專利第4,027,185號首次公開了水壁弧光燈，上述專利通過引用合并入本文。授予Camm等人的美國專利第4,700,102號、授予Camm等人的美國專利第4,937,490號、授予Parfeniuk等人的美國專利第6,621,199號、授予Camm等人的美國專利第7,781,947號以及Camm等人的美國專利申請公開第2010/0276611號公開了對這種水壁弧光燈的進一步改進，上述專利與本申請具有共同的發明人并且與本申請屬于相同的申請人，以上專利均通過引用合并入本文。

由于以上提及的渦旋液壁的效果，這種水壁弧光燈能夠具有比其他類型的弧光燈高得多的功率通量。例如，以上提及的授予Nodwell等人的美國專利第4,027,185號公開并且構想了在140千瓦上運行，并且隨后由本申請的受讓人制造的水壁弧光燈已經達到在高達500千瓦上連續運行，并且在高達6兆瓦上脈沖或閃光運行。與此相比，其他類型的弧光燈的功效通常低整整一個數量級，其連續輸出通常限于幾十千瓦。

這種高功率水壁弧光燈的很多應用只需要在短時間段(如若干秒鐘)內運行。例如，如被共同擁有的美國專利第6,941,063號所公開的那樣，在對半導體晶片的閃光輔助快速熱退火中，可以激發氬等離子水壁弧光燈連續地輻射半導體晶片不超過若干秒鐘，以將晶片以介于250℃每秒與400℃每秒之間的變化速率以近乎等溫方式從室溫加熱到范圍在600℃與1250℃之間的某個中間溫度。當達到該中間溫度時，另一氬等離子水壁弧光燈被激發，以產生突然的高功率照射閃光，從而以超過每秒100,000℃的變化速率將設備的側面加熱到更高的退火溫度，該照射閃光可以具有例如約1毫秒的持續時間。這樣，在每個退火周期中，水壁弧光燈可以被激發的持續時間的范圍從1毫秒到若干秒鐘，在退火周期之間具有長的冷卻周期。

發明內容

本發明人研究了在比先前通常的應用中涉及的水壁弧光燈更具挑戰性的條件下達更長時間段的水壁弧光燈的連續運行。這種條件被認為是任何其他類型的弧光燈以前從未遇到過的，這是因為由于其他類型的弧光燈的功率輸出明顯較低，所以其不能造成這種條件。

例如，本發明人研究了作為覆層工藝中使用的激光或焊接覆層頭的可替代物的水壁弧光燈，由此將各種類型的涂層熔凝到金屬結構上。該金屬結構可以包括鋼管道、鋼管、鋼板或鋼條或者任何其他金屬結構，這些金屬結構的耐久性和壽命受到腐蝕或磨損的不利影響。涂層可以包括例如耐腐蝕的合金、耐磨損的合金、金屬陶瓷、陶瓷或者金屬粉末。涂層被沉積在金屬結構上，然后弧光燈對涂層進行熱處理，以使涂層冶金地結合到金屬結構上。

一些這種覆層應用(例如，如將耐腐蝕涂層結合到管的內表面上)提出了一定的挑戰。對于這種工藝，可以給水壁弧光燈配備專用反射器來引導由矩形束中的電弧發射的基本上所有電磁輻射。然后，將水壁弧光燈插入管內，使射束指向下方，并且在將弧光燈沿著管的中心軸線逐漸向前移動時使該管相對于管的中心軸線旋轉，由此沿著管的整個內表面掃描射束并且將涂層冶金地結合到管上。有利的是，通過使水壁弧光燈一次連續達若干個小時在100千瓦至500千瓦的功率級上運行，可以顯著地增加產量，超出了傳統的激光或焊接覆層工藝。