Катодолюминесцентный источник света (варианты)

Катодолюминесцентный источник света (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Изобретение относится к источникам оптического излучения, используемым для освещения и/или для формирования изображений с помощью дисплеев различных конструкций и назначений.

Предшествующий уровень техники

Разнообразные источники света используются практически во всех областях деятельности человека. В подавляющем большинстве случаев принцип действия источников света подразумевает преобразование энергии электрического тока в свет. В зависимости от конкретного применения к источникам света предъявляются определенные требования по интенсивности и направленности излучения, спектральному составу, размерам и др. характеристикам. Важнейшим параметром любого источника света является эффективность преобразования электроэнергии в свет. В зависимости от физических принципов, используемых для получения света, параметры различных источников света могут изменяться в широких пределах. В частности, эффективность преобразования электроэнергии в видимый свет в лампах накаливания составляет не более 1%. Эффективность преобразования энергии в источники света на основе электролюминесценции различных видов сильно зависит от длины волны излучаемого света и варьирует от 0,01% для коротковолнового (синего) диапазона до 15% для длинноволнового (красного и инфракрасного) излучения. В различных газоразрядных светоизлучающих приборах эффективность преобразования энергии варьируется от 1 до 20% в зависимости от типа разряда и спектральных характеристик излучения. Газоразрядные источники используются, в частности, в качестве источников ультрафиолетового излучения для последующего получения видимого света за счет фотолюминесценции. Эффективность преобразования энергии ультрафиолетового излучения в видимое достигает 60%, что приводит к суммарной энергетической эффективности (т.е. эффективности преобразования электроэнергии в свет) фотолюминесцентных ламп на уровне 10%. Несмотря на относительно высокую энергетическую эффективность, фотолюминесцентные лампы имеют ряд недостатков. Существенным недостатком фотолюминесцентных ламп является использование в них ртути. Вместо ультрафиолета для возбуждения люминесценции могут использоваться пучки электронов. В таком катодолюминесцентном процессе эффективность преобразования энергии электронов в свет может достигать 35-40%. При этом общая эффективность катодолюминесцентных источников света определяется энергетическими затратами, требуемыми для создания соответствующего пучка электронов.

Примерами катодолюминесцентных источников света могут служить различные катодолюминесцентные лампы, индикаторы, кинескопы, вакуумные люминесцентные приборы и т.п. Как правило, электронный пучок в этих устройствах создается за счет термоэлектронной эмиссии из нагретого до высокой температуры катода (см., например, патент Великобритании №2009492, патент РФ №2089007). Эффективность преобразования электроэнергии в свет в таких приборах имеет низкое значение из-за того, что значительная ее часть должна расходоваться на нагрев катода. При этом сложность изготовления, геометрические размеры, требования к условиям эксплуатации таких приборов существенно ограничивают области их применения. Использование в качестве источника электронов других видов стимулированной эмиссии электронов (фотоэмиссия, вторичная электронная эмиссия и т.п.) также не позволяет получить высокой эффективности преобразования энергии в свет.

Альтернативный способ получения пучка электронов заключается в использовании эффекта полевой (или спонтанной) эмиссии. В отличие от термоэлектронной, фотоэлектронной и других видов стимулированной эмиссии полевая эмиссия электронов происходит без поглощения энергии в материале эмиттера (катода), что создает предпосылки для создания высокоэффективных источников света. Однако для получения с помощью полевых катодов электронных пучков с достаточной для практического использования плотностью тока требуется создание на их поверхности чрезвычайно высокой напряженности электрического поля (10⁸-10⁹ В/м). Такая напряженность поля требует, в свою очередь, использования высоких напряжений и/или катодов, имеющих форму тонких острий или лезвий, способствующую локальному усилению электрического поля. Приемлемые с практической точки зрения значения напряжения требуют создания острий и лезвий микрометрового и субмикрометрового масштаба, что существенно повышает стоимость их изготовления. При этом эмиссия электронов оказывается крайне нестабильной из-за высокой чувствительности таких микронных острийных структур к условиям окружающей среды. Указанные обстоятельства существенно затрудняют использование острийных и лезвийных полевых катодов в приборах широкого назначения.

Известен катодолюминесцентный источник света, использующий в качестве полевого катода тонкую нить из электропроводящего материала (WO 97/07531). В лампе этого типа катод находится внутри вакуумированной стеклянной колбы. Внутренняя поверхность колбы имеет прозрачное электропроводящее покрытие, выполняющее роль анода. На это электропроводящее покрытие наносится слой катодолюминофора, испускающего свет под действием потока электронов. Одним из недостатков такой конструкции является то, что для обеспечения требуемой для эмиссии электронов достаточно высокой напряженности электрического поля при приемлемых для практического применения значениях напряжения между катодом и анодом для изготовления катода приходится использовать нити, имеющие чрезвычайно малый диаметр (от 1 до 15 микрометров). Низкая механическая прочность тонких нитей создает значительные проблемы при изготовлении катодов для таких источников света. Другим недостатком указанной конструкции катодолюминесцентных ламп является то, что наиболее эффективное возбуждение электронным пучком происходит с той стороны слоя катодолюминофора, которая обращена к катоду, т.е. внутрь стеклянной колбы. Таким образом, значительная часть светового потока поглощается в слоях катодолюминофора, расположенных ближе к прозрачной внешней поверхности колбы. Поглощение света приводит к потере части энергии и снижению общей эффективности ламп данного типа.

Известны углеродные материалы, в которых полевая эмиссия наблюдается при значительно более низкой напряженности электрического поля (10⁶-10⁷ В/м) за счет нанометровых размеров составляющих их структурных элементов, а также за счет специфических электронных свойств наноструктурированного углерода (WO 00/40508 А1). Использование таких материалов в качестве эмиттеров электронов (катодов) позволяет существенно снизить величину напряжения, прикладываемого между анодом и катодом для получения пучка электронов.

Известен катодолюминесцентный источник света в виде цилиндрического вакуумного диода с полевым катодом в виде металлической проволоки диаметром 1 мм и с нанесенными на поверхность проволоки углеродными нанотрубками (J.-M.Bonard, Т.Stoeckli, О.Noury, A.Chatelain, Appl. Phys. Lett. 78, 2001, 2775-2777). Использование углеродных нанотрубок позволяет в этом случае снизить величину используемых в приборе напряжений. Одним из недостатков данного типа ламп является использование углеродных нанотрубок, изготавливаемых с применением металлического катализатора. Полученные таким способом нанотрубки имеют на своем конце частички металла, что требует дополнительной химической обработки для удаления этих частиц и получения требуемой эффективности эмиссии электронов. Другим недостатком таких ламп является то, что в них электронному возбуждению также подвергается слой катодолюминофора, расположенный на внутренней стороне цилиндрической стеклянной колбы. Часть излученного этим слоем света поглощается при прохождении света к прозрачной поверхности лампы, снижая общую эффективность преобразования электроэнергии в свет.

Ближайшим к настоящему изобретению по своей технической сущности является катодолюминисцентный источник света по авторскому свидетельству СССР №1686535. Он содержит вакуумированный корпус, по крайней мере часть которого прозрачна, и размещенные в нем анод, поверхность которого выполнена зеркально отражающей свет, перекрывает часть внутренней поверхности корпуса и покрыта слоем катодолюминофора, и по меньшей мере один катод, создающий электронный пучок.

Часть внутренней поверхности корпуса и соответствующая ей поверхность анода имеют форму параболоида, а катод установлен в его фокусе.

При такой конфигурации анода и таком размещении катода, максимальная напряженность электрического поля, а значит, максимальная эмиссия катода и плотность пучка электронов на поверхности анода будут находиться в области на пересечении геометрической оси лампы с поверхностью анода. При этом световой поток, возникший в этой наиболее интенсивно облучаемой электронами области анода и отраженный от него, будет экранироваться катодом, расположенным на пути его распространения.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного выше недостатка источника света по авторскому свидетельству 1686535 и повышения за счет этого световой отдачи источника.

Указанные задачи решаются настоящим изобретением благодаря иной конфигурации поверхности анода.

В одном из вариантов изобретения анод имеет цилиндрическую (полуцилиндрическую, или близкую к ней) форму поверхности, при этом катод имеет форму нити, расположенной по продольной оси анода.

В другом варианте изобретения анод имеет форму сферы (полусферы или близкую к ней поверхность), а катод выполнен в виде острия, размещенного в центре или вблизи центра сферической поверхности анода.

Источник света может быть снабжен размещенным в прозрачном вакуумируемом корпусе основанием, в котором выполняются или канавки, или полусферические углубления, поверхность тех и других является зеркально отражающей и которые выполняют функции анода, а катоды выполнены или в виде нитей, расположенных над канавками, вдоль них, или в виде острий, размещенных над центрами полусферических углублений.

Катод целесообразно выполнять создающим электронный пучок в результате полевой эмиссии.

Краткое описание чертежей

ФИГ.1 показывает вариант цилиндрической лампы согласно изобретению, вид сбоку (1а), с торца (1б) и в перспективе (1в).

ФИГ.2 показывает вариант сферической лампы согласно изобретению.

ФИГ.3 показывает вариант плоской лампы согласно изобретению, содержащий несколько катодов и анодов (3а и 3б - вид в перспективе и в плане варианта лампы с нитевидными катодами и 3в и 3 г - то же с катодами в форме острий).

ФИГ.4 - то же, в корпусе.

ФИГ.5 показывает вольт-амперные характеристики цилиндрической лампы, изготовленной согласно изобретению.

ФИГ.6 показывает зависимость яркости свечения от напряжения для лампы согласно изобретению.

Примеры осуществления изобретения

Катодолюминесцецтная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде цилиндрического вакуумного диода, схематически показанного на ФИГ.1. Для этого изготавливается цилиндрическая стеклянная колба 1, на часть внутренней цилиндрической поверхности которой наносится слой алюминия или другого металла с хорошими светоотражающими свойствами 2. Этот зеркальный слой металла имеет электрическое соединение с электродом, выведенным на внешнюю поверхность колбы 3. На зеркальный слой металла наносится слой катодолюминофора 4. Внутри колбы размещается полевой катод в виде металлической цилиндрической проволоки 5 с нанесенным на нее слоем углеродного материала 6, имеющего высокую эффективность полевой эмиссии электронов. Целесообразно использовать в качестве углеродного материала пленку, состоящую из наноразмерных кристаллитов графита и углеродных нанотрубок в соответствии с WO 00/40508 A1. Катод целесообразно располагать по продольной оси колбы. Катод электрически соединяется с электродом, выходящем на внешнюю поверхность колбы 7. Диаметр проволоки для изготовления катода и диаметр цилиндрической колбы выбираются таким образом, чтобы обеспечить при заданных рабочих напряжениях, прикладываемых между анодом и катодом, уровень напряженности электрического поля на поверхности катода, требуемый для создания эмиссионного электронного тока заданной величины. Например, для указанного выше углеродного материала в соответствии с WO 00/40508 A1 требуемая напряженность поля (F), равная или превышающая 1,25 г 10⁶ В/м, может быть получена при напряжении (V), равном или больше 4 кВ, приложенном между катодом диаметром d=1 мм и анодом диаметром D=20 мм в соответствии с известной формулой F=V/[d ln(D/d)]. Соответственно при приложении напряжения более 4 кВ эмитированные из катода электроны будут ускоряться в межэлектродном промежутке и вызывать свечение катодолюминофора, нанесенного на поверхность анода. Благодаря наличию зеркальной отражающей поверхности анода световой поток катодолюминесценции 8 будет направлен в сторону прозрачной (неметаллизированной) части поверхности стеклянной колбы 9. В лампе могут использоваться дополнительные электроды (не показаны), предназначенные для управления пучком электронов (фокусировка, отклонение, модуляция). После закрепления всех электродов внутри лампы последняя вакуумируется до требуемого уровня и герметизируется. Для поддержания требуемого уровня вакуума в течение длительного времени в лампе может использоваться геттер.

Катодолюминесцентная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде сферического вакуумного диода, схематически показанного на ФИГ.2. В этом случае лампа изготавливается из стеклянной колбы сферической формы 10. На часть внутренней поверхности колбы наносится светоотражающее металлическое покрытие 11, выполняющее роль анода. Поверхность анода покрывается слоем катодолюминофора 12. Катод выполняется в виде острия с поверхностью, близкой к сферической 13. Поверхность катода покрывается углеродной пленкой 14, аналогичной предыдущему примеру. Сферическая часть катода, покрытая углеродной пленкой, располагается в точке, расположенной по существу в центре колбы. Катод и анод электрически соединяются с электродами, выходящими на внешнюю поверхность стеклянной колбы 15 и 16. Так же как и в предыдущем случае, возникший вследствие катодолюминесценции световой поток 17 выходит из лампы через оставшуюся неметаллизированной часть ее поверхности. В случае сферической лампы формула, связывающая геометрические характеристики лампы (диаметр катода - d и анода - D), приложенное напряжение (V) и напряженность электрического поля, имеет вид: F=2VD/[d(D-d)]. В соответствии с этой формулой сферическая конфигурация позволяет получить требуемую напряженность поля на поверхности катода при использовании меньших напряжений или при уменьшении геометрических размеров электродов лампы по сравнению с цилиндрической конфигурацией.

Катодолюминесцентная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде плоского прибора с несколькими катодами и анодами. ФИГ.3 показывает схематически светоизлучающий конструктивный элемент плоской лампы, содержащий катоды и аноды. В этом случае анод лампы может быть выполнен в виде пластины 18 с одним или несколькими углублениями цилиндрического 19 или сферического 20 профиля. Указанная пластина может быть изготовлена из проводящего светоотражающего материала или из изолятора (например, стекла) с последующей его металлизацией. Слой металлизации может быть сплошным 21 или выполнен в виде отдельных электрически изолированных участков 22. На светоотражающую поверхность анода наносится слой катодолюминофора. Катод, так же как и в предыдущих вариантах, выполняется в виде электропроводящих нитей 23 или острий 24 с нанесенным на них слоем углерода, обеспечивающего требуемые электронные эмиссионные характеристики. Указанные нити размещаются над поверхностью анодной пластины так, чтобы обеспечить возникновение катодолюминесценции под действием эмитированных электронов. Для механического закрепления нитей на заданном расстоянии от анода могут использоваться стеклянные или кварцевые волокна 25. Катодные нити и нити с острийными катодами укладываются на эти волокна в перпендикулярном им направлении. Указанные эмитирующие и изолирующие нити могут быть заранее закреплены друг относительно друга, образуя единую сетку. В последнем случае такая сетка из катодных и изолирующих нитей укладывается на анодную пластину, образуя диодную конфигурацию.

После механического закрепления нитеобразного катода относительно анодной пластины вся конструкция в сборе помещается в герметизируемый корпус, имеющий прозрачную поверхность для вывода света. ФИГ.4 схематически показывает плоскую лампу, содержащую светоизлучающий элемент с анодами 26 и катодами 27 с разделяющими их диэлектрическими волокнами 28. Герметичный корпус лампы 29 содержит электрические вводы для подсоединения катодов 30, анодов 31 и других электродов. Герметичный корпус лампы имеет прозрачное окно для вывода потока света 32.

ФИГ.5 показывает вольт-амперные характеристики (ВАХ), полученные для цилиндрической лампы, изготовленной согласно изобретению. При этом катод лампы выполнен в виде никелевой проволоки диаметром 1 мм с нанесенным на него слоем углеродного эмитирующего материала, длина катода 40 мм; анод представляет собой металлизированную поверхность на внутренней стороне стеклянной колбы диаметром 20 мм, ширина металлизированной области 20 мм, длина 40 мм. Указанные ВАХ представлены в виде зависимости тока (I) от напряжения (V) (фиг.5а) и в координатах Фаулера-Нордхейма (т.е. логарифм отношения I/V² от 1/V) (фиг.5б). В последнем случае зависимость имеет типичный для полевой эмиссии электронов линейный характер.

ФИГ.6 показывает зависимость яркости свечения лампы (В) от напряжения, приложенного между анодом и катодом (V). Данная зависимость относится к случаю лампы с катодолюминофором, имеющем состав - Gd₂O₂S:Tb (производство - NICHIA Corp.).

Произведенная по приведенным на ФИГ.5 и 6 данным оценка показывает, что в лампах, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, эффективность преобразования электроэнергии в свет достигает 30%, что значительно превышает эффективность всех других известных источников света.

Промышленная применимость

Катодолюминесцентный источник света в соответствии с настоящим изобретением представляет собой новый тип светоизлучающих приборов (ламп). Конструкция ламп, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, позволяет получить значительно более высокую эффективность преобразования электроэнергии в свет по сравнению с другими известными типами источников света. Лампы данного типа могут использоваться для различных целей, замещая известные источники света. Лампы данного типа имеют существенное преимущество перед известными источниками света в случаях, когда требуется создать высокую освещенность при минимальном выделении тепла. В конструкции данных ламп и при их изготовлении не используются ядовитые или экологически опасные материалы. С помощью соответствующего выбора катодолюминофора лампы данного типа могут обеспечить свет с заданными спектральными характеристиками, сохраняя высокую энергетическую эффективность. Лампы предложенной конструкции могут быть использованы в жидкокристаллических дисплеях и индикаторах, обеспечивая их низкое энергопотребление и яркость. Лампы данного типа с электрически изолированными анодами могут служить в качестве дисплеев, индикаторов и т.п.приборов для отображения визуальной информации.

1. Источник света, содержащий вакуумируемый корпус, по крайней мере, часть поверхности которого прозрачна, и размещенные в нем, по меньшей мере, один анод, поверхность которого, обращенная к катоду, выполнена зеркально отражающей свет, перекрывает часть внутренней поверхности корпуса и покрыта слоем катодолюминофора, и, по меньшей мере, один катод, создающий электронный пучок, отличающийся тем, что анод имеет полуцилиндрическую или близкую к ней форму поверхности, катод имеет форму нити и расположен по существу по продольной оси анода.

2. Источник света по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен создающим электронный пучок в результате полевой эмиссии.

3. Источник света по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет несколько анодов, имеющих форму, близкую к полуцилиндрической, размещенных на, по существу, плоском основании или выполненных в этом основании, а катоды выполнены в виде нитей, расположенных над указанными анодами, вдоль них.

4. Источник света, содержащий вакуумируемый корпус, по крайней мере часть поверхности которого прозрачна, и размещенные в нем, по меньшей мере, один анод, поверхность которого, обращенная к катоду, выполнена зеркально отражающей свет, перекрывает часть внутренней поверхности корпуса и покрыта слоем катодолюминофора, и, по меньшей мере, один катод, создающий электронный пучок, отличающийся тем, что корпус имеет сферическую форму, анод имеет полусферическую или близкую к ней форму поверхности, катод имеет форму острия и расположен по существу в центре анода.

5. Источник света по п.4, отличающийся тем, что катод выполнен создающим электронный пучок в результате полевой эмиссии.

6. Источник света по п.4 или 5, отличающийся тем, что он имеет несколько анодов, имеющих форму, близкую к полусферической, размещенных на, по существу, плоском основании или выполненных в нем, а катоды выполнены в виде острий, расположенных над указанными анодами, по существу в центре их.