ИСТОЧНИК СВЕТА
LIGHT SOURCE

Изобретение относится к осветительной технике и может быть использовано для освещения, декоративной подсветки и световой сигнализации, в том числе с цветовым кодированием.
Принцип действия практически всех современных источников света подразумевает преобразование энергии электрического тока в световое излучение. Важнейшим параметром любого источника света является эффективность такого преобразования. В зависимости от физических принципов, используемых для получения видимого света, этот параметр может изменяться в широких пределах. В частности, энергетическая эффективность преобразования энергии в видимый свет в лампах накаливания составляет не более 5%, что соответствует светоотдаче 10-15 Лм/Вт. В связи с этим в настоящее время разрабатываются различные типы энергосберегающих источников света с более высокой эффективностью. В качестве замены ламп накаливания (ЛН) в мировой практике в основном используются компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) и светодиодные источники света (СД). Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.
7
Люминесцентные лампы (см. патент RU №2308783, МПК: H01J 61/56, H01J 61/34, опубл. 20.10.2007; см. патент RU №2354085, МПК: H05B 41/295, опубл. 27.06.2009; патент RU №2195744, МПК: H01J 61/44, H01J 61/04, опубл. 27.02.2002) содержат ядовитые соединения ртути, применение которых в бытовых приборах запрещено европейской директивой RoHS. В настоящее время действует исключение из директивы, разрешающее применение КЛЛ с содержанием ртути до 5 мг, однако с появлением реальной альтернативы их замены на экологически чистые энергосберегающие источники света это исключение может быть отменено. Светоотдача современных КЛЛ составляет 5-80 Лм/Вт при энергетической эффективности 20-25%. Меньшее значение соответствует лампам, имеющим высокий индекс цветопередачи, т.е. спектр излучения которых близок к оптимальному для человеческого глаза.
Светодиоды пока не нашли применения в бытовой осветительной технике. Причины в первую очередь экономические: светодиодный эквивалент 100-ватной ЛН стоит сегодня более 2000 руб. По мере расширения производства стоимость СД будет снижаться, однако по самым оптимистическим прогнозам она достигнет экономически приемлемого уровня не ранее 2015 г. Применение светодиодных источников света в бытовой аппаратуре осложняется также необходимостью использования стабилизированных источников питания и массивных металлических радиаторов для эффективного охлаждения кристалла. Серийные «белые» СД имеют практически ту же энергетическую эффективность, что и КЛЛ - 20-25%. Светоотдача серийных СД составляет от 60 до 120 Лм/Вт, однако СД с наивысшими значениями светоотдачи малопригодны для бытового освещения вследствие низкого значения индекса цветопередачи.
7
Разрабатываются и другие типы энергосберегающих источников света, один из которых способен составить конкуренцию КЛЛ и СД на рынке бытовых осветительных приборов. Это катодолюминесцентные высоковольтные лампы (КВЛ), в которых возбуждение люминофора производится потоком ускоренных электронов в вакууме. К наиболее важным качествам КВЛ как источников света, наряду с их высокой энергетической эффективностью, которая может достигать 30%, относятся полная экологическая безопасность, широкий диапазон цветности, широкий диапазон рабочих температур, устойчивость к колебаниям напряжения в электрической сети, возможность управления яркостью в широком диапазоне без снижения эффективности (см. патент №2260224, МПК: H01J 1/28, H01J 63/04, 20.04.2004).
8
9
В большинстве известных конструкций КВЛ электронный поток создается за счет использования эффекта полевой (автоэлектронной) эмиссии (см. патент ЕР №1498931, МПК: H01J 63/06, опубл. 23.09.2009). 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 электронной эмиссии с достаточной для практического использования плотностью тока требуется создание на их поверхности чрезвычайно высокой напряженности электрического поля (10-10 В/м). Это требует, в свою очередь, использования катодов, имеющих форму тонких острий или лезвий, способствующих локальному усилению электрического поля. Приемлемые с практической точки зрения значения напряжения требует создания острий и лезвий субмикрометрового масштаба, что существенно повышает стоимость их изготовления. При этом эмиссия электронов оказывается крайне нестабильной из-за высокой чувствительности таких острийных структур к условиям окружающей среды. Указанные обстоятельства существенно затрудняют использование острийных и лезвийных полевых катодов в приборах широкого назначения.
6
7
Известны углеродные материалы, в которых полевая эмиссия наблюдается при значительно более низкой напряженности электрического поля (10-10 В/м) за счет нанометровых размеров составляющих их структурных элементов, а также за счет специфических электронных свойств наноструктурированного углерода (см., например, патент US №7432643, МПК: H01J 1/62, опубл. 07.11.2008). Использование таких материалов в качестве эмиттерного покрытия катодов позволяет существенно снизить величину напряжения, прикладываемого между анодом и катодом для получения эмиссии электронов.
Наиболее близким аналогом-прототипом по технической сущности является известный катодолюминесцентный источник света в виде вакуумного диода с полевым катодом из проволоки диаметром 1 мм с нанесенными на поверхность проволоки углеродными нанотрубками (см. J.M.Bonard, Т.Stoeckli, O.Noury, A.Chatelain, Apple. Phys. Lett. 78, 2001, 2775-2777).
Однако электровакуумные приборы с автоэлектронными катодами из углеродных материалов пока не нашли сколько-нибудь значительного распространения в мире. Это объясняется необходимостью существенного улучшения технологии изготовления указанных катодов для получения приемлемых значений долговечности и воспроизводимости их характеристик в серийном производстве.
Сущность изобретения в следующем. Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании простой дешевой в изготовлении конструкции экономичного катодолюминесцентного источника света, пригодной для массового изготовления на существующих производствах ламп накаливания и/или катодолюминесцентных индикаторов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в известном источнике света, содержащем вакуумную оболочку, по крайней мере, частично прозрачную для прохождения света и, по крайней мере, частично покрытую внутри электропроводящим слоем и слоем люминофора, образующими анод, внутри вакуумной оболочки расположен, по крайней мере, один прямонакальный оксидный катод с внешними выводами, прямонакальный оксидный катод выполнен в виде прямолинейной нити, при этом длина нити прямонакального оксидного катода не менее максимального размера участка, покрытого люминофором.
Кроме того, вакуумная оболочка выполнена в виде стеклянного цилиндра, внутренняя поверхность стеклянного цилиндра покрыта прозрачным электропроводящим слоем и люминофором, а прямонакальный оксидный катод расположен вдоль оси цилиндра; на поверхность слоя люминофора нанесена тонкая металлическая пленка, прозрачная для электронов; вакуумная оболочка выполнена в виде стеклянного цилиндра, одна часть внутренней поверхности стеклянного цилиндра, образующая анод, покрыта непрозрачным, отражающим свет, металлическим слоем, на поверхность металлического слоя нанесен слой люминофора, а другая часть внутренней поверхности стеклянного цилиндра выполнена прозрачной; вакуумная оболочка выполнена из двух плоских пластин, рамки, герметично соединяющей пластины по периферии, и задающей расстояние между двумя пластинами, прямонакальные оксидные катоды расположены между пластинами на расстоянии, обеспечивающем равномерный засев анода электронами; на внутреннюю поверхность одной из плоской пластины нанесен непрозрачный, отражающий свет металлический слой, на поверхность металлического слоя нанесен слой люминофора, а вторая пластина имеет прозрачное окно для вывода светового излучения люминофора; дополнительно введена металлическая пластина с развитой поверхностью, имеющая высокую теплопроводность, металлическая пластина плотно расположена на внутренней стороне анодной стеклянной пластины вакуумной оболочки, на поверхность металлической пластины нанесен слой люминофора; вторая пластина имеет на внутренней поверхности прозрачное для света электропроводящее покрытие и расположена на близком расстоянии от прямонакальных оксидных катодов, что позволяет в определенных пределах управлять величиной электрического тока в источнике света (лампе).
Таким образом:
1. Источник света, представляющий собой вакуумный объем любой формы с оболочкой, по крайней мере, частично прозрачной для прохождения света и, по крайней мере, частично покрытой внутри электропроводящим слоем, на который нанесен люминофор, образующими анод. Внутри вакуумной оболочки расположен, по крайней мере, один прямонакальный оксидный катод, обеспечивающий засев поверхности люминофора электронами. Вакуумная оболочка может быть выполнена в виде любой геометрической формы. Прямонакальный оксидный катод выполнен в виде прямолинейной нити, при этом длина нити прямонакального оксидного катода не менее (т.е. больше) максимального размера участка (области), покрытого люминофором.
2. Вакуумная оболочка согласно п.1 выполнена в виде стеклянного цилиндра, внутренняя поверхность которого, образующая анод, покрыта прозрачным для света электропроводящим слоем, на который нанесен люминофор. По оси цилиндра расположен прямонакальный оксидный катод, сформированный на базе, например, вольфрамового керна диаметром 8-30 мкм.
3. На поверхность слоя люминофора согласно п.2 нанесен тонкий металлический слой, прозрачный для электронов, обладающий высокой энергией и отражающий образующийся световой поток сквозь стекло наружу.
4. Вакуумная оболочка по п.1 выполнена в виде стеклянного цилиндра, часть внутренней поверхности которого, образующая анод, покрыта непрозрачным, отражающим внутрь прибора свет металлическим слоем, на который нанесен люминофор. Остальная часть внутренней поверхности баллона оставлена прозрачной и служит оптическим окном для вывода светового излучения.
5. Вакуумная оболочка согласно п.1 образована двумя плоскими пластинами, например, стеклами и расположенной по периферии вакуумной оболочки рамкой, задающей расстояние между двумя плоскими пластинами. Между плоскими пластинами на заданном расстоянии с шагом, обеспечивающим равномерный засев анода электронами, располагаются прямонакальные оксидные катоды.
6. Внутренняя поверхность согласно п.5 одного из плоских пластин (анодной пластины) покрыта непрозрачным, отражающим свет металлическим слоем, на который нанесен люминофор.
7. На внутренней стороне стеклянной анодной пластины согласно п.5 плотно закреплена металлическая пластина с развитой поверхностью, имеющая высокую теплопроводность, на которую нанесен слой люминофор.
8. Второе стекло согласно п.6 с нанесенным на внутреннюю поверхность прозрачным для света электропроводящим слоем, располагается на близком расстоянии от прямонакальных оксидных катодов, что позволяет в определенных пределах управлять величиной электрического тока в источнике света - лампе.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен схематично источник света, вакуумная оболочка которого выполнена в виде стеклянного цилиндра.
На фиг.2 изображен схематично источник света, вакуумная оболочка которого выполнена в виде двух плоских пластин, например, стеклянных, с рамкой по периметру.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - вакуумная оболочка;
2 - электропроводящий слой;
3 - внешний вывод анодной платы;
4 - люминофор;
5 - прямонакальный оксидный катод;
6 - эмитирующий слой;
7 - внешние выводы прямонакального оксидного катода;
8 - световой поток источника света;
9 - прозрачная часть колбы, через которую проходит световой поток 8 - оптическое окно;
10 - первая стеклянная пластина;
11 - вторая стеклянная пластина;
12 - рамка;
13 - металлический слой;
14 - прозрачное проводящее покрытие;
15 - анод.
В источнике света согласно изобретению вакуумная оболочка 1 выполнена в виде стеклянного цилиндра (см. фиг.1), на часть внутренней поверхности стеклянного цилиндра нанесен электропроводящий слой 2, например, из алюминия или другого металла с хорошими светоотражающими свойствами. Этот зеркальный слой металла имеет электрическое соединение с электродом, выведенным на внешний вывод 3 анодной платы. Анод 15 образован электропроводящим слоем 2 и слоем люминофора 4. На зеркальный электропроводящий слой 2 нанесен слой люминофора 4, образующие анод 15. Внутри вакуумной оболочки 1 размещен прямонакальный оксидный катод 5 в виде прямолинейной нити, при этом длина нити превышает максимальный размер участка, покрытого люминофом. Поверхность металлической проволоки покрыта эмитирующим слоем 6 из материала, имеющего высокую эффективность термоэмиссии электронов, например оксидов Ва, Са, Sr. Прямонакальный оксидный катод 5 целесообразно располагать по продольной оси стеклянного цилиндра - колбы. Концы прямонакального оксидного катода 5 электрически соединяются с электродами, выходящими на торцы колбы - внешние выводы 7 прямонакального оксидного катода 5. Диаметр цилиндрической стеклянной колбы - вакуумной оболочки 1 выбирают таким образом, чтобы обеспечить при заданных напряжениях, прикладываемых между анодом 15 и прямонакальным оксидным катодом 5 эмиссионный ток заданной величины. Благодаря наличию зеркальной отражающей поверхности анода 15, образованного электропроводящим слоем 2 и слоем люминофора 4, световой поток 8 катодолюминесценции будет направлен в сторону прозрачной (не металлизированной) части поверхности вакуумной оболочки 1 - цилиндрической стеклянной колбы.
На фиг.2 изображен схематично источник света, вакуумная оболочка которого выполнена из двух плоских пластин 10 и 11 и рамки 12, герметично соединяющей плоские пластины 10 и 11 по периферии и задающей расстояние между плоскими пластинами 10 и 11. Плоская пластина 10 может быть выполнена из металла, металлизированного стекла или керамики. На металлическую поверхность нанесен слой люминофора 4, образующие анод 15. Металлический слой 13 на стеклянной или керамической плоской пластине 10 может быть выполнен сплошным или состоящим из электрически изолированных участков - анодов 15, имеющих индивидуальные внешние выводы. Прямонакальные оксидные катоды 5 выполнены в виде металлических, например, вольфрамовых нитей с нанесенным на них оксидным слоем 6, обеспечивающим требуемые эмиссионные характеристики. Нити прямонакальных оксидных катодов 5 размещаются над поверхностью плоской пластины 10 с анодами 15 так, чтобы обеспечить равномерный засев анодов 15 эмитированными электронами. Плоская пластина 11 имеет прозрачное проводящее покрытие 14. Вакуумная оболочка 1 (герметичный корпус) источника света имеет прозрачное окно для вывода светового потока 8.
Источник света работает следующим образом.
Через внешние выводы 7 на прямонакальный оксидный катод 5 подается напряжение. Эмитированные из прямонакального оксидного катода 5 электроны ускоряются в межэлектродном пространстве и вызывают свечение люминофора 4, нанесенного на поверхность анода 15, образованного нанесением на электропроводящий слой 2 слоя люминофора 4. Световой поток 8 выходит через светопроницаемый участок на объект освещения.
Источник света в соответствии с настоящим изобретением представляет собой новый тип светоизлучающих приборов - ламп с повышенной, по сравнению с лампами накаливания, энергетической эффективностью. Лампы данного типа могут использоваться для бытового и промышленного освещения, световой сигнализации и других целей, замещая известные источники света.
Предлагаемый источник света, выполненный согласно изобретению, имеет:
- более высокую эффективность, чем лампы накаливания;
- меньшую стоимость в перерасчете на световой поток, чем светодиодные светильники;
- не содержат ядовитые компоненты и экологически опасные материалы в отличие от люминесцентных ламп.
С помощью соответствующего выбора катодолюминофора источники света данного типа могут обеспечить свет с заданными спектральными характеристиками без использования светофильтров, сохраняя высокую энергетическую эффективность.