等離子體坩堝的密封的製作方法

2023-08-05 11:22:06 2

專利名稱：等離子體坩堝的密封的製作方法
技術領域：
本發明涉及等離子體坩堝的密封以及密封的等離子體坩堝。
背景技術：
在申請人的PCT/GB2008/003829中，已經描述且申請保護一種以微波能量為動力的光源，該源具有 透明材料的固態等離子體坩堝，該透明材料用於使光從中離開，該等離子體坩堝具有在該等離子體坩堝中的密封中空(void)，·圍繞該等離子體坩堝的法拉第罩，該罩至少部分透光，用於使光從該等離子體坩堝離開，同時該法拉第罩是微波封閉的，·在所述中空中的可由微波能量激發的材料的填充物，用於在其中形成發光等離子體，和 布置在等離子體坩堝中的天線，用於將等離子體感應的微波能量傳輸到填充物， 該天線具有·延伸到等離子體坩堝外部的連接，用於耦合至微波能量源；該布置使得來自該中空中的等離子體的光能夠傳播通過該等離子體坩堝並且經由該罩從等離子體坩堝中輻射出去。

發明內容
在上述申請中，申請人曾給出以下定義「透明」是指該術語描述為透明的材料是透明或者半透明的；「等離子體坩堝」是指[用於]包封等離子體的封閉體，當中空的填充物由來自天線的微波能量激發時，該等離子體位於中空中。在本申請中，申請人將繼續使用這些定義， 但須在密封時坩堝中沒有等離子體的環境下使用。因此，如此處使用，這些定義包括詞語 「用於」。在本申請中，申請人定義「被填充等離子體坩堝」是指把可激發的發光填充物密封在其中空內的透明等離子體坩堝。這樣的被填充等離子體坩堝可具有固定密封在坩堝中的天線，可以是在中空內， 或是在坩堝中的凹入型件內，天線被插入到該凹入型件內用於坩堝的使用。本發明的目的是提供一種改善的密封被填充等離子體坩堝的方法。根據本發明的一個方面，提供一種密封被填充等離子體坩堝的方法，包括以下步驟·提供具有敞開的中空的透明材料的等離子體坩堝，所述中空具有開口 ；·提供從坩堝的開口延伸出來的管，該管對坩堝氣密密封；·經由該管加入可激發材料到中空內；
·經由該管將中空抽真空；·經由該管引入惰性氣體到中空內；以及·通過在開口或靠近開口密封管來密封該中空，包封可激發材料和惰性氣體。優選地，所述密封步驟包括壓破和熔化所述管。然而，在一些實施例中，現在描述的插塞將不被使用，在其他實施例中·中空配置有用於中空的開口處的插塞的止擋，以及·插塞經由管被放置在開口內，靠於止擋，所述插塞和開口的形狀互補用於定位插塞以使其密封在開口內，並配以留隙和/或局部成形以允許氣體從流出及流入中空。在另一個替代方案中，插塞可被密封靠於坩堝的平面。在不使用插塞的情況下，管可被置於且熔化到坩堝的表面上。可替代地，管可被置於且熔化到位於中空的開口處的坩堝的表面內的配對孔中。在被填充等離子坩堝的一些應用中，坩堝可以被管所支撐，而管仍從坩堝中延伸出來。在其他應用中，在靠近密封處移去管且坩堝由其自身支撐。根據本發明的另一方面，提供一種被填充的等離子坩堝，具有·從被密封的開口處延伸出的管或其剩餘部分。從位於坩堝被密封的開口處的相對表面延伸出的第二管或其剩餘部分。在坩堝為石英的情況下，儘管可以通過模製或燒結來形成坩堝或管；但更方便的是用一塊石英製成坩堝，在其中機械加工出中空，並且通過加熱和熔化將石英管密封至該塊體。通過去尖方便地完成坩堝的最終密封，即局部加熱靠近坩堝的管，當其變軟時，使氣壓壓破它，撤去加熱並拉掉剩餘的管。為了在鑽孔後清理中空，特別是去掉可能干擾等離子體放電的特定雜質，優選超聲清洗中空，然後火焰拋光以增加透明度且防止裂紋擴展。為此，中空優選被完全貫通坩堝地鑽孔，然後在拋光後將其與管相對的端部密封。插塞可以熔化到開口中或至少被壓破且密封的管所保持。採用常規的火焰或氬離子火焰便於熔化石英管。通常，在有坩堝、管和插塞的情況下，三者的材料相同。在材料為多晶陶瓷的情況下，更容易在綠態(green state)下被模製且被燒至完成時的狀態。通過壓破和熔化管來密封坩堝比較難，使用插塞更適合。可以在插塞和坩堝之間的界面提供玻化材料以在二者之間提供可熔化的密封界面。方便地，玻料起初被提供在插塞上。玻料易於被雷射熔化，該雷射可被設置為穿過陶瓷材料聚焦到玻化材料上。在使用插塞的情況下，插塞和/或中空的開口的形狀被設計具有臺階，由此易於將插塞放置在位，且臺階提供止擋。插塞相對於其直徑可以是薄的-插塞以及開口一般為圓形截面-但其一般有明顯的厚度使得在其被固定時不能偏離在管內的對準。替代臺階構造，開口和插塞可以為錐形，錐體提供坐靠。該構造適合於抽真空，但可提供對惰性氣體引入的自密封。為此，可提供特定的氣體通道，其形狀為沿著插塞的淺的平面(flat)或槽。即使是臺階的構造，也期望提供這樣的淺的平面或槽，尤其用以避免在臺階處過早地封閉從而阻擋了惰性氣體的引入。方便地，且特別為了增強坩堝中可預測的微波諧振，將插塞的尺寸設計為當被放置在止擋上時與等離子體坩堝局部平齊。然而可以理解，如果插塞延伸到管中，更易於用於密封的熔化。靠著管壁進一步密封管，使用於可激發材料的冷凝空間更可預測。此處的考慮是管的剩餘部分適於提供冷點，在該冷點處可激發材料適於冷凝，並且對於該材料來說很重要的是有一表面能夠與中空連通，由此材料可以蒸發到中空內用以加入等離子體中。優選地，在使用時，管的剩餘部分被用作管道，電場脈衝經由該管道引入到坩堝內用於在其中初始放電。通常，中空位於坩堝的中心軸上。為了發光使用，被填充的等離子坩堝通常具有被天線佔用的凹入型件。該凹入型件可位於坩堝的中心軸上，與插塞相對或實際上在插塞中。無論在哪種情況下，中空和凹入型件通常為共軸的。可替代地，天線凹入型件可以偏置於中空的一側。


為了有助於理解本發明，現在通過示例並且參考附圖來描述其中的多個特定實施例，其中圖1是根據本發明的準備用於密封的坩堝和管的透視圖；圖2是圖1的坩堝和管的截面側視圖；圖3是被加熱用於密封在一起的坩堝和管的側視圖；圖4是類似的被加熱用於密封坩堝的管的側視圖；圖5與圖2相似，是根據本發明被密封的被填充等離子體坩堝；圖6為圖1的被填充等離子體坩堝在使用中的示意圖；圖7為與圖4相似的視圖，示出用於密封坩堝的管的可替換的加熱方式；圖8與圖5相似，是根據本發明的被填充等離子體坩堝的變形的示意圖；圖9與圖5相似，是根據本發明的被填充等離子體坩堝的另一種變形的示意圖；圖10與圖5相似，是根據本發明的被填充等離子體坩堝的又一種變形的示意圖。
具體實施例方式參考圖1至圖6，將要填充稀有氣體且要投入可激發等離子材料的石英坩堝1製成厚盤/短圓柱2，該厚盤/短圓柱2限制了最終坩堝的有效尺寸，並且具有在坩堝一端的開口處4敞開的中央中空3。開口處由一對配對孔5，6構成，位於內側的配對孔5比位於外側的配對孔6深，從而在半徑上有一明顯的增量7。通過雙側燃燒器9的加熱，將壁厚與增量標稱上相同的管8與圓柱體相連接。控制加熱和插入以保證在圓柱和管之間形成氣密密封，同時對進入內側配對孔5的貫穿於管中的整個內孔10的阻擋最小。在半徑等於圓柱直徑的四分之一之處，從與管延伸的坩堝的相同的一端，天線凹入型件11延伸進入圓柱。可激發材料的球12經由管落入中空內，然後圓柱形插塞13落入。孔10中有留隙直徑，並且靠在配對孔5和中空3之間的臺階上。為了給初始氣體提供從中空經過插塞的流通，具有沿插塞的長度的淺槽15，其在插塞內面16中延續至臺階的徑向範圍之外。管的遠端經由Y連接件連接至真空泵(本身未示出)，Y連接件具有用於連接至泵的第一閥門和接頭17和用於連接至被控制在負壓下的稀有氣體源(該源本身也未示出) 的第二閥門和接頭18。中空經由閥門17被抽真空，在抽真空後關閉。然後經由閥門18向中空填充稀有氣體，在填充後再次關閉。氣體能經由凹槽15到達中空。
形成被填充等離子坩堝的最後階段是由燃燒器19對管進行加熱。不斷加熱直到管的石英材料變軟並且氣壓高於稀有氣體的內壓使管自身壓破。坐靠在臺階14上的插塞稍微伸入管8內並且穿過坩堝一端的外面，如尺寸20所示。在該尺寸外進行加熱，由此當管壓破時，管收縮到插塞的外端角21上。因此，中空被雙重密封，其中插塞端部的任何剩餘空間22在角21處被相對於中空密封，並且在管的「去尖」 23處實現管的全封閉，當管壓破後，在該「去尖」 23處將管的遠端件從坩堝抽出。圖6示出了被安裝的該被填充等離子坩堝，其與圍繞其的法拉第罩C和延伸到天線凹入型件11中的、用以從其源S感應微波的天線A共同使用。為了起動中空中的等離子體放電，布置起動探頭P，以使其尖端T靠近於去尖23和坩堝後端之間的管的剩餘部M。在圖7所示的變形中，管更長並且起初在遠離坩堝本身的位置31處被密封並去尖，以在裝置中留住稀有氣體和可激發材料，這與申請人較早的燈泡密封專利No. EP 1，831，916中的方式相似。該裝置現可無需Y連接件而操作。然後如以上在插塞處的描述， 將管在32處密封並去尖。該布置易於處理要丟棄的管的中間長度33，從而便於一致的重複性生產。圖8中示出了另一種變形，其中起初形成的中空53是從坩堝圓柱52的端面501 至端面502的通孔。該孔被形成為在兩個面上都具有單獨配對孔561，562。在密封前，中空被超聲清洗，然後被火焰拋光以去掉在使用時可能會干擾等離子體放電的鑽屑、去掉裂紋延伸部位並改善透明度。拋光後，將管581，582密封到每個孔中。一根管581被密封並去尖以留出剩餘柱641。在如以上所述引入可激發材料和稀有氣體後，另一根也被密封。使用時，該變形可在坩堝的外部剩餘柱處提供冷點，從該冷點所在的端處收集光以便使用。這一端將比其另一端更涼，該另一端有在封套內的剩餘柱(未示出)，並且根據所使用的坩堝， 其具體情況可能有所變化。圖9示出另一個變形。在該變形中，中空73的兩端被插塞831，832以及管881，882 的剩餘部分841，842封閉。與圖8相比，該布置的優點在於，便於防止坩堝/管和管去尖的密封與中空內的氣體直接接觸，並且其支撐中空中央的等離子體。應注意，該變形在插塞遠離中空的兩端具有兩個空間821，822。儘管該管看起來被密封為形成在插塞的角81處的氣密密封，但可以預料該密封可能不是氣密的，以允許可激發材料冷凝到該空間中。因此，為了獲得最高性能，優選提供充分過量的可激發材料以完全充滿這些空間以及引入稀有氣體時所流經的插塞中的槽752，由於氣體不經其他槽引入，其他槽可不開槽。本發明不旨在限制於以上描述的實施例的具體細節。例如，臺階狀的配對孔和圓柱形插塞可以被互補的錐形鑽孔和插塞所替代。另外，期望可以通過在車床上實現密封操作以把管密封到坩堝，而不用配對孔6。圖10示出了這樣的等離子體坩堝。其具有通孔93和起初緊挨著被密封到坩堝的端面901，902上的兩根管981，982。在填充坩堝前，封閉一根管981。由於在去尖時管上沒有壓力差，其可以在玻璃工具機上實現以使其形成平端983。這允許等離子體中空在這一側的尺寸能被很好地限制。由於標準管的容差度和實用性，可以理解管901，902的內徑可以略超過鑽孔93的內徑。抽真空後，投料並填充氣體，另一根管902以類似的方式被去尖，然而可取的是使用較小的用於封閉的尺寸(less working to close dimensions)。使用時，平端983適於在最外，被法拉第罩(未示出)所覆蓋並暴露於大氣環境中。另一個去尖端適於被支撐結構所覆蓋(也未示出)。除了平端983外，申請人還成功地對半球形端進行了實驗。與帶通孔的坩堝(其可被用前述方式去除微小裂紋或實際上是厚壁管的一部分) 不同，在另一個替代方案中，如果可以不考慮在應用時產品的壽命問題，可以從石英片的一側進行鑽孔得到中空。而且可以設想坩堝由燒結材料製成。在這樣的例子中，單根管僅可以在中空的開口處周圍被對接並以所描述的方式密封。一般使用在2. 4GHz下工作的石英坩堝時，坩堝可以為圓柱形，直徑為49mm且厚度為21mm。並不嚴格規定中空的直徑，因此其可以在低功率時的Imm和高功率時的IOmm之間變化。申請人使用的密封管的壁厚在Imm和3mm之間。申請人還試驗了具有去尖的管的坩堝，該管從坩堝的表面起算的長度最高達30mm。優選返回至表面的去尖的管的內部長度在 0和IOmm之間。優選的距離為5mm。可以理解，該長度的管在其後續工藝和/或使用時便於保持坩堝。
權利要求
1.一種密封被填充等離子體坩堝的方法，包括以下步驟 提供具有敞開的中空的透明材料的等離子體坩堝，所述中空具有開口 ； 提供從坩堝的開口延伸出來的可熔化為透明材料的材料的管且將該管氣密密封至與中空連通的坩堝； 經由該管加入可激發材料到中空內； 經由該管對中空抽真空； 經由該管引入惰性氣體到中空內；和 通過在開口或靠近開口處密封管來密封該中空，包封可激發材料和惰性氣體。
2.如權利要求1所述的密封方法，其中所述密封步驟包括壓破和熔化所述管。
3.如權利要求2所述的密封方法，其中所述管被置於且被熔化到坩堝的表面上。
4.如權利要求3所述的密封方法，其中所述管被置於且被熔化到位於中空的開口處的坩堝的表面內的配對孔中。
5.如權利要求1或2所述的密封方法，包括在開口處放置可熔化為透明材料的材料的插塞的步驟，其中所述密封步驟包括熔化插塞到坩堝。
6.如權利要求5所述的密封方法，其中所述插塞被置於且被熔化到坩堝的表面上。
7.如權利要求5所述的密封方法，其中所述插塞被置於且被熔化到位於中空的開口處的坩堝的表面內的配對孔中，所述插塞和開口的形狀互補用於定位插塞以使其密封在開口內，並配以留隙和/或局部成形以允許氣體流出及流入中空。
8.如前面任一權利要求所述的密封方法，其中所提供的管和插塞為與坩堝相同的透明材料。
9.如前面任一權利要求所述的密封方法，包括在之前未鑽孔的透明坩堝中形成中空的初始步驟。
10.如前面權利要求1至8中任一項所述的密封方法，包括密封中空的相對端的初始步驟，所述透明坩堝之前具有通孔。
11.如權利要求10所述的密封方法，其中密封中空的相對端的初始步驟包括將初始的管氣密密封至與中空連通的坩堝且壓破和熔化該初始的管。
12.如前面任一權利要求所述的密封方法，包括超聲清洗和火焰拋光所述中空的初始步驟。
13.如前面權利要求1至6任一項所述的或從屬於權利要求1至6任一項的權利要求 8至12中任一項所述的密封方法，其中所述密封或每個密封的形成使中空的端部與將管密封於其上的坩堝的表面平齊。
14.如前面權利要求1至4任一項所述的或從屬於權利要求1至4任一項的權利要求 8至12中任一項所述的密封方法，其中所述密封或每個密封的形成使中空的一部分延伸超出將管密封於其上的坩堝的表面，由此給中空的填充物提供冷點。
15.如前面任一權利要求所述的密封方法，包括在坩堝密封處分離所述管或每個管的遠離坩堝的一部分的步驟。
16.如前面權利要求1至14中任一項所述的密封方法，不包括在坩堝密封處分離所述管或每個管的遠離坩堝的任何部分的步驟。
17.如前面任一權利要求所述的密封方法，其中透明的坩堝材料為多晶陶瓷。
18.如前面權利要求1至17中任一項所述的密封方法，其中透明的坩堝材料為石英。
19.根據權利要求1至18中任一項所述的密封方法密封的被填充等離子坩堝，所述坩堝具有 從坩堝的被密封的開口處延伸出的管或其剩餘部分。
20.如權利要求19所述的被填充等離子坩堝 從位於坩堝兩端的坩堝的被密封的開口處延伸出的管或其剩餘部分。
全文摘要
一種等離子體坩堝(92)具有通孔(93)和緊挨著被密封到坩堝的端面(901，902)上的兩根管(981，982)。在填充坩堝前，封閉一根管(981)。由於在去尖時管上沒有壓力差，其可以在玻璃工具機上實現以使其形成平端(983)。抽真空後，投料並填充氣體，另一根管(902)以類似的方式被去尖。
文檔編號H01J65/04GK102388430SQ201080008889
公開日2012年3月21日 申請日期2010年2月22日 優先權日2009年2月23日
發明者A·S·尼特, A·薩迪克, B·普雷斯頓, E·C·奧德爾, H·桑德 申請人:塞拉維申有限公司