用於發光的配置和方法
2023-10-10 02:10:49 1
專利名稱：用於發光的配置和方法
技術領域：
本發明總體涉及陰極發光的光源。更特別是本發明涉及一種用於通過使用電子發射陰極和螢光物質進行發光的配置和方法。
背景技術：
一種類型的光源是螢光管。在螢光管中，氣體放電釋放紫外光(UV)到螢光材料上。光源遭受嚴重的缺陷。例如，在接通電源之後直到光源以滿功率輻射時總是有延遲。另外，需要複雜的控制設備，該設備需要空間並增加成本。同樣，不幸的是需要使用具有不利於環境的材料，例如汞。另外，螢光材料的選擇限制在UV敏感的材料上。大多數這種螢光材料釋放光譜形狀的光，對於眼睛和人體舒適程度來說不是最佳的。最後，此類型的光源經常是相當溫度敏感的，其中與處於高溫相比，處於低溫時在接通長時間之後發射強度顯著變弱。
另一類型的光源是陰極發光的光源。在陰極發光的光源中，或是通過加熱陰極，電子從陰極發射，因此熱發射電子，或是通過在陰極表面附近採用強電場，因此通過電場發射來發射電子。在陰極表面附近採用強電場的電場發射陰極光源的實例在US 5877588和US 6008575中得到披露。
熱發射陰極的主要缺陷在於在加熱陰極中損失大量的能量。電場和熱發射陰極兩者的主要缺陷在於，由於所有產生光的電子必須從陰極中發射出來，高發射電流造成陰極損耗。這意味著高電子電流必須從陰極表面上發射出來，使得陰極結構及其製造複雜化。另外，當前陰極發光的光源只在真空中操作，這需要圍繞光源的壁很厚。
發明內容
本發明的目的在於分別提供一種改進的光源和方法，與現有技術的光源相比，該光源提供更亮的光，並且至少沒有以上描述的某些缺陷。
按照本發明，分別通過所附權利要求限定的配置和方法，獲得該目的以及其他目的。
通過在陰極發光的光源內提供適用於電子雪崩放大的氣體，可以獲得更亮的光。另外，由於大多數電子從氣體中釋放而不從陰極表面發射，降低了來自陰極的發射電流，這簡化了陰極的構造並延長其壽命。
當填充氣體的光源內的壓力顯著高於真空時，填充是大氣壓力，光源壁可製成更薄，使得光源更輕。
在雪崩放大期間，除了電子之外，發射激勵螢光材料的UV光，造成其發光，每單元光輸出的總電子電流小於傳統的陰極發光的光源，從而簡化光源的結構。
由於通過改變雪崩電壓，方便地改變電場發射陰極和/或雪崩放大中的發射電流，光源可以方便地變暗。
本發明的其他特徵和優點將從下面給出實施例的詳細說明和附圖得以明白，附圖只通過說明給出，而不限制本發明。
圖1-6是按照本發明六個不同實施例的光源的截面圖；以及圖7-9是和本發明光源一起使用的三種不同的燈殼體的透視圖。
具體實施例方式
現在參考圖1A和1B說明本發明的第一實施例。
平面陰極發光的光源包括平面陰極1、平行於陰極1的平面陽極2和殼體4內的螢光層3。殼體4具有窗口10，使得光從光源射出。螢光層3布置在窗口10的內部，並且陽極2布置在面向陰極1的螢光層3的表面上。
殼體4進行氣密密封並填充適用於電子雪崩放大的氣體。散射體布置在殼體4外部(未示出)。散射體提供均勻的發光強度以便補償來自光源的不同區域的不同發光強度。
平面陰極1可以是受到激勵以便從其面向陽極2的表面1A發射電子的任何類型的陰極。它可具有平滑或不規則的表面。表面1A內的不規則性可例如通過採用雷射、蝕刻、機械粗化或沉積以產生不規則形狀的例如碳微管、微球等材料來形成。電子發射通過加熱陰極1以造成電子熱發射，或者通過在陰極1表面附近施加強電場以通過電場發射造成電子發射，來提供電子發射。與非加熱電場發射陰極相比，還可以加熱電場發射陰極，以通過施加較弱電場來提供電子發射。
平面陽極2對於高能電子來說是可穿透的，使得這種電子穿透陽極並衝擊螢光層3。平面陽極2可以是例如薄箔片或具有網格形狀。
另外，陽極2布置在螢光層3和殼體4之間，如圖1B所示。平面陽極2對於光是透明的，並可以由透明導體製成，或具有網格形狀。但是，陽極對於電子來說不必是透明的。在這種情況下陽極2可以是殼體4的一部分，其中例如殼體4可以由傳導材料製成，例如傳導玻璃或塑料。
螢光層3可包括單一材料或材料的混合物，例如Y2O2S:Eu、ZnS:Cu:Al和ZnS:Cl。
適用於電子雪崩放大的氣體可以例如是任何惰性氣體、氮氣或者惰性氣體和碳氫氣體的混合物，例如90％的氬和10％的甲烷。氣體最好處於大氣壓力下，但可以在負壓或過壓下，最好在0.001-20大氣壓的範圍內。
在使用期間，電壓U施加在陽極2和陰極1之間。電壓U應該足夠高，以便在電場發射的情況下造成電子從陰極1中發射。在所有情況下，電壓U應該足夠高，以便在氣體中雪崩放大電子。雪崩放大的電子朝著陽極2以及螢光層3加速。電子在螢光層3內吸收並因此激勵其螢光材料。在鬆弛期間，螢光層3發射明亮的可見光。
在雪崩放大期間，除了電子之外，也發射UV光，UV光可激勵螢光材料，使其發光。此物理過程可以和電子衝擊一起使用或分開使用，以產生光。
在氣體中使用雪崩放大的優點在於從陰極發射的電子通過陰極1和陽極2之間的電場加速，並使得氣體離子化，並且從氣體發射新的電子，該電子繼而加速並進一步使得氣體離子化。因此，發光的電子的主要部分來自氣體而不來自陰極，從而減小陰極的損耗。在氣體離子化過程中形成的正離子朝著使其中和並返回氣體的陰極漂移時該氣體用作催化劑。
在1大氣壓的壓力下以及通常1000伏的電壓下在氬和甲烷的氣體內在陽極2和陰極1之間使用1毫米的距離足以從陰極1發射電子，並雪崩放大發射的電子。
根據所需用途，光源的尺寸可顯著的變化，並且光源可製成具有正方形到非常細長的發光表面。
接著將參考圖2說明本發明的第二實施例。除了下面的說明之外，該第二實施例與第一實施例相同。
圖2的平面陰極發光的光源還包括定位在陽極2和陰極1之間的調製電極5，與陰極1相比，該電極最好靠近陽極2。最好是，調製電極5具有網格形狀，以便使得電子通過其中。
通過電場發射現象從陰極發射電子實現的電場通常低於用於電子雪崩放大的電場。因此，通過靠近陽極2設置調製電極5，可以獲得足夠強的電場，而不施加非常高的電壓，以便靠近陽極2對於從陰極1發射的電子進行雪崩放大。
通過在光源內設置調製電極，在氣體離子化過程中形成的正離子朝著使其中和並返回氣體的陰極漂移。
在使用期間第一電壓U1施加在調製電極5和陰極1之間，並造成電子從陰極1發射和/或造成從陰極1發射的電子加速。第二電壓U2施加在陽極2和調製電極5之間，並足夠高以便在氣體中雪崩放大發射的電子，並給其足夠高的動能，使得雪崩放大的電子能夠穿透陽極2並衝擊螢光層3，繼而發光。
接著參考圖3說明本發明的第三實施例。除了下面的說明之外，該第三實施例與第二實施例相同。
平面陰極發光的光源還包括定位在陽極2和調製電極5之間的雪崩電極6，與陽極2相比，該電極最好靠近調製電極5。最好是，雪崩電極6具有網格形狀，以便使得電子通過其中。格柵可用來形成調製電極5和雪崩電極6的網格形狀。電極5和6應該最好相互平行定位，並具有相互對齊的開口。
例如聚合物薄膜的電介質21可定位在調製電極5和雪崩電極6之間，以便使其以良好限定的距離隔開。電介質21可具有與格柵的開口準確相配的開口，或具有比格柵5和6的開口更寬或更窄的開口。當電介質21用來穩定電極5和6時，電極的格柵可通過對於電介質21進行金屬化來製造。
通過在光源中設置調製電極和雪崩電極，在氣體離子化過程中形成的正離子分別朝著調製電極和雪崩電極漂移，其中它們進行中和並返回氣體。
在使用期間第一電壓U1施加在調製電極5和陰極1之間，並造成電子從陰極1發射和/或造成從陰極1發射的電子加速。第二電壓U2施加在雪崩電極6和調製電極5之間，並加速氣體中的發射電子，電壓U2可以足夠高以便雪崩放大發射的電子。第三電壓U3施加在陽極2和雪崩電極6之間，並且足夠高以便進一步雪崩放大以前放大的電子，或使得電子朝著陽極2漂移並穿透其中，從而衝擊螢光層3，繼而發光。
假設第二電壓U2雪崩放大電子，第三電壓U3可具有相反的電場，在雪崩電極6而不是陽極2上收集電子。在電極5和6之間的間隙內，通過雪崩效應形成UV光，從而照明螢光層3，而不以電子衝擊螢光層。當陽極2定位在螢光層3和窗口10之間或者當陽極2是殼體4的一部分時，這特別有利。
接著參考圖4A和4B說明本發明的第四實施例。
圓柱形陽極發光的光源包括具有圓形截面的杆電極1、具有環形截面的圓柱形陽極2和位於殼體(未示出)的螢光物質3。殼體具有窗口，使得管從光源射出。螢光層3可布置成覆蓋窗口的內部。陽極2最好布置在面向陰極1的圓柱形螢光物質3上。
殼體氣密密封並填充適用於電子雪崩放大的氣體。散射體(未示出)可布置在殼體外部，以便提供均勻的照明強度，從而補償來自光源的不同區域的不同的照明強度。
杆陰極1可具有與結合第一實施例描述的陰極表面類似的表面，即平滑或不規則。另外，陰極1可包括多個徑向延伸的纖維，例如碳纖維、碳微管、微球等，因此形成多個形成杆形的盤，如圖4B所示。
陽極2對於高能電子來說是可穿透的，使得這種電子穿透陽極2並衝擊螢光層3。陽極2可以是例如薄箔片或具有網格形狀。
距離、螢光物質、氣體含量和所施加電壓可以與所述的第一實施例那些相同。
該第四實施例描述成具有圓柱形對稱，但也可以具有球形對稱。
另外，該實施例可包括第二實施例所述的調製電極，並還包括第三實施例所述的雪崩電極和電介質。
如圖5所示，除了陰極1具有方形截面並且陽極2具有方形截面之外，本發明的第五實施例與第四實施例相同。
接著參考圖6說明本發明的第六實施例。除了以下說明之外，該第六實施例與第一實施例相同。
陰極1通過加熱器20加熱以便增強電子從陰極1的發射。
陽極2不是平面的，而具有部分平行於陰極1並部分垂直於陰極1的表面。因此，提供造成光在非平行平面內發射的電場(如圖6箭頭所示)。
另外，該實施例可包括第二實施例所述的調製電極，並還包括結合第三實施例描述的雪崩電極和電介質。
接著參考圖7-9說明不同類型的燈殼體。以上描述的散射體可包括在這種燈殼體內。
第一類型的燈殼體表示在圖7內，並包括燈安裝部件7和玻璃部件8。燈安裝部件7是不透明的，並將第一到第三實施例或第六實施例之一所述的光源保持在燈殼體內，並包括將燈殼體固定在牆壁、天花板或氣體支承件上的裝置。燈殼體還容納與光源相關的電子器件。玻璃部件8是透明或半透明的，並布置成保護光源，並接收從光源傳遞的光。
燈殼體的另一結構表示在圖8中，並包括燈安裝部件7和玻璃部件8。燈安裝部件7布置成將第四或第五實施例所述的光源保持在燈殼體內。玻璃部件8對於圓柱形的對稱軸線的徑向來說是透明、半透明或不透明的，並向上和/或向下開口。
燈殼體的又一結構表示在圖9中，並包括燈安裝部件7和玻璃部件8。燈安裝部件7是不透明的，並布置成將第四實施例的球形選擇例所述的光源保持在燈殼體內以及到天花板的燈殼體內。玻璃部件8是透明或半透明的。
所述所有的實施例可方便地設置有調光器。通過改變施加到光源上的電壓，可以改變發射電流和/或雪崩放大，繼而改變從光源發射的光的強度。
明顯的是本發明可以多種方式進行改變。不認為這種變型偏離了本發明的範圍。
權利要求
1.一種發光的配置，包括包括透明或半透明窗口(10)的氣密密封殼體(4)；布置在所述殼體內並覆蓋所述窗口至少主要部分的一層螢光物質(3)；布置在所述殼體內以便發射電子的電子發射陰極(1)；以及其特徵在於，所述殼體填充適用於電子雪崩放大的氣體；所述陰極和陽極在使用期間保持在電位下，使得所述發射的電子加速並在所述氣體中雪崩放大；以及所述層布置成穿過所述窗口發光以響應雪崩放大的電子的衝擊和/或響應暴露於紫外光下，紫外光是由於雪崩放大的電子和該氣體之間的相互作用而在氣體中發射的。
2.如權利要求1所述的配置，其特徵在於，所述陰極是熱發射陰極，而所述配置包括用於加熱所述陰極由此發射電子的加熱器裝置(20)。
3.如權利要求1所述的配置，其特徵在於，所述陰極是電場發射陰極，而所述陽極在使用中保持在高於所述陰極的電位的電位下，使得電子可以從所述陰極發射。
4.如權利要求1所述的配置，其特徵在於，所述陽極在使用中保持在高於所述陽極的電位的電位下，以便從所述陰極產生電子發射，並且其中所述配置包括用於加熱所述陰極由此有助於產生所述電子發射的加熱器裝置(20)。
5.如權利要求3或4所述的配置，其特徵在於，包括布置在所述陽極和所述陰極之間的調製電極，所述調製電極在使用中保持在高於所述陰極電位並低於所述陽極電位的電位下，以便在所述陰極和所述調製電極之間產生用於所述電子發射的第一電場，並且在所述調製電極和所述陽極之間產生用於發射電子的所述雪崩放大的第二電場。
6.如權利要求5所述的配置，其特徵在於，與所述陰極相比，所述調製電極更靠近所述陽極布置。
7.如權利要求5或6所述的配置，其特徵在於，包括布置在所述調製電極和所述陽極之間的雪崩電極(6)，所述雪崩電極在使用中保持在高於所述調製電極的電位並低於所述陽極的電位的電位下，以便在不同電場的兩個不同步驟中產生所述雪崩放大。
8.如權利要求5或6所述的配置，其特徵在於，包括布置在所述調製電極和所述陽極之間的雪崩電極(6)，所述雪崩電極在使用中保持在高於所述調製電極的電位並高於所述陽極的電位的電位下，以便在所述雪崩電極上收集所述雪崩放大的電子。
9.如權利要求7或8所述的配置，其特徵在於，電介質(21)布置在所述調製電極和所述雪崩電極之間，以便將調製電極和所述雪崩電極保持在良好限定的距離上。
10.如權利要求9所述的配置，其特徵在於，所述調製電極和所述雪崩電極設置成所述電介質上的金屬化物。
11.如權利要求7-10任一項所述的配置，其特徵在於，與所述調製電極相比，所述雪崩電極更靠近所述陽極布置。
12.如權利要求1-11任一項所述的配置，其特徵在於，所述陽極布置在面向所述陰極的所述螢光層上，並且所述陽極對於所述雪崩放大電子來說可以穿透。
13.如權利要求1-11任一項所述的配置，其特徵在於，所述陽極布置在所述螢光層和所述殼體之間，並且所述陽極對於光來說是透明的。
14.如權利要求1-13任一項所述的配置，其特徵在於，所述陰極具有面向所述陽極的不規則表面。
15.如權利要求1-14任一項所述的配置，其特徵在於，包括多個陰極。
16.如權利要求1-15任一項所述的配置，其特徵在於，所述螢光物質包括單一材料或材料的混合物，例如Y2O2S∶Eu、ZnS∶Cu∶Al和ZnS∶Cl的混合物。
17.如權利要求1-16任一項所述的配置，其特徵在於，所述陽極和所述陰極具有平面、圓柱形或球形對稱。
18.如權利要求1-17任一項所述的配置，其特徵在於，所述殼體由散射體包圍。
19.如權利要求1-18任一項所述的配置，其特徵在於，包括使得所述電位改變由此改變從所述螢光層發射的光的電子器件。
20.一種兩件式燈殼體，包括如權利要求1-19任一項所述的配置、支承所述配置的保持件和圍繞所述配置的散射體。
21.一種在裝置中發光的方法，該裝置包括適用於電子雪崩放大的氣體、螢光物質(3)、電子發射陰極(1)和陽極(2)，其特徵在於以下步驟將所述陽極和所述陰極保持在電位下，使得電子從所述陰極發射，從所述陰極發射的電子在所述氣體中雪崩放大，並且所述雪崩放大的電子布置成衝擊所述螢光物質，該螢光物質發光以響應被所述雪崩放大的電子衝擊和/或響應暴露於紫外光，紫外光是由於雪崩放大的電子和該氣體之間的相互作用而在該氣體內發射的。
22.如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述裝置還包括調製電極(5)，並且所述方法包括以下步驟將所述調製電極保持在高於所述陰極的電位並低於所述陽極的電位的電位上，使得所述電子從所述陰極發射，並且所述發射的電子在兩個不同的電場下進行所述的雪崩放大。
23.如權利要求22所述的方法，其特徵在於，所述裝置還包括雪崩電極(6)，並且所述方法包括以下步驟將所述雪崩電極保持在高於所述調製電極的電位並低於所述陽極的電位的電位下，使得所述雪崩放大在不同電場的兩個步驟中進行。
24.如權利要求22所述的方法，其特徵在於，所述裝置還包括雪崩電極(6)，並且所述方法包括以下步驟將所述雪崩電極保持在高於所述調製電極電位並高於所述陽極電位的電位下，使得所述雪崩放大的電子在所述雪崩電極上進行收集。
25.如權利要求21-24任一項所述的方法，包括改換所述電位由此改變從所述螢光物質發射光的另外步驟。
26.一種在裝置中發光的方法，該裝置包括適用於電子雪崩放大的氣體、螢光物質(3)、電子發射陰極(1)和陽極(2)，其特徵在於以下步驟加熱所述陰極，使得電子從所述陰極發射；以及將所述陽極和所述陰極保持在電位下，使得從所述陰極發射的電子在所述氣體中雪崩放大，並且所述雪崩放大的電子布置成衝擊所述螢光物質，該螢光物質發光以響應被所述雪崩放大的電子衝擊和/或響應暴露於紫外光，紫外光是由於雪崩放大的電子和該氣體之間的相互作用而在該氣體內發射的。
27.如權利要求26所述的方法，其特徵在於，所述裝置還包括調製電極(5)，並且所述方法包括以下步驟將所述調製電極保持在高於所述陰極的電位並低於所述陽極的電位的電位上，使得所述電子從所述陰極發射，並且所述發射的電子在兩個不同的電場的兩個步驟中進行所述的雪崩放大。
28.如權利要求21-27任一項所述的方法，其特徵在於，所述裝置由散射體包圍，從而均勻從所述裝置發射的光的光分布中的不規則性。
全文摘要
本發明涉及一種發光的配置，包括包括透明或半透明窗口(10)的氣密密封殼體(4)；布置在所述殼體內並覆蓋所述窗口至少主要部分的一層螢光物質(3)；布置在所述殼體內以便發射電子的電子發射陰極(1)；所述殼體填充適用於電子雪崩放大的氣體；所述陰極和陽極在使用期間保持在電位下，使得所述發射的電子加速並在所述氣體中雪崩放大；所述層布置成穿過所述窗口發光以響應雪崩放大的電子的衝擊和/或響應暴露於紫外光下，紫外光是由於雪崩放大的電子和該氣體之間的相互作用而在氣體中發射的。
文檔編號H01J17/00GK1618113SQ02828020
公開日2005年5月18日 申請日期2002年12月10日 優先權日2001年12月11日
發明者T·弗蘭克 申請人:光實驗室公司