ДИОДНАЯ КАТОДОЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА
DIODE CATHODE-LUMINESCENT LAMP

Область техники
Изобретение относится к источникам света, предназначенным для обычного и декоративного освещения, использования в качестве индикаторов, в составе средств визуального отображения информации и для других целей, требующих использования оптического излучения.
Уровень техники
В настоящее время наиболее удобными и широко распространенными являются источники света, в которых энергия электрического тока преобразуется в оптическое излучение в результате того или иного физического явления.
Одним из таких явлений может быть катодолюминесценция, которая состоит в свечении материала катодолюминофора под действием бомбардирующих его электронов, обладающих определенной энергией. Наиболее широкое применение явление катодолюминесценции нашло в электронно-лучевых трубках (Жигарев А.А., Шамаева Г.Г. Электронно-лучевые и фотоэлектронные приборы. - М.: Высшая школа, 1982) и вакуумных люминесцентных индикаторах (Быстров Ю.А., Литвак И.И., Персианов Г.М. Электронные приборы для отображения информации. - М.: Радио и связь, 1985 г.). Доля потребляемой этими приборами энергии, которая преобразуется в свет, относительно невелика и находится на уровне, достаточном для выполнения их основной функции, которая состоит в визуальном отображении информации.
Также известны электровакуумные приборы, основным назначением которых является служить источниками света, создавая интенсивные потоки света с максимально высокой эффективностью преобразования электроэнергии в свет, в которых в качестве источника электронов используются накаливаемые катоды (заявка на патент GB 2126006, патент US 4,352,043). Последнее является недостатком таких ламп, поскольку снижает их общую энергетическую эффективность из-за потерь энергии, связанных с необходимостью нагрева катода до высокой температуры.
Также известны катодолюминесцентные лампы, использующие полевые катоды, которые не требуют нагрева для создания потока электронов (патент US 6,504,311). Конструктивной особенностью данных ламп является то, что катод, имеющий плоскую эмиттирующую поверхность, расположен в непосредственной близости от слоя катодолюминофора, покрывающего плоскую поверхность анода. При этом поверхности катода и анода параллельны друг другу, образуя плоский конденсатор. Такая конструкция приводит к ограничению величины напряжения, которое может быть приложено между катодом и анодом, а значит и к ограничению ускоряющего напряжения для электронов. При низком ускоряющем напряжении эффектвиность свечения катодолюминофора существенно снижается, что приводит к общему снижению энергетической эффектвиности таких ламп.
Данная проблема может быть устранена использованием триодной конфигурации катодолюминесцентных ламп (Y.Saito et al., Jpn. J. Appl. Phys. 1998, Vol.37, pp.L346-L348). В лампах такой конструкции эмиссия электронов из полевого катода достигается за счет приложения относительно низкого напряжения между катодом и расположенной непосредственно над его поверхностью сеткой. Высокое напряжение, приложенное между сеткой и анодом, на поверхности которого находится катодолюминофор, увеличивает энергию электронов до уровня, соответствующего максимально высокой эффективность свечения катодолюминофора. Однако в такой конструкции часть электронов, эмитированных катодом, перехватывается сеткой, что снижает общую эффективность лампы. Кроме этого триодная конструкция существенно сложнее в изготовлении по сравнению с диодной.
с
с
c
с
c
c
с
c
с
s
s
s
s
s
s
s
s
Достижение высокого ускоряющего напряжения в диодной конфигурации возможно с использованием конструкции вакуумных ламп, предложенной в патенте RU 2274924. Для этого диод выполняется в виде лампы с анодом и катодом, формирующими цилиндрический конденсатор. Катод, имеющий радиус (r) во много раз меньше радиуса анода (R), находится внутри анода на одной оси с ним. Слой катодолюминофора нанесен на внутреннюю поверхность анода. При подаче напряжения V между такими анодом и катодом на поверхности последнего создается электрическое поле Е=V/[r×ln(R/r)]. При величине напряжения (V) достаточно большой, чтобы электроны получили энергию, соответствующую оптимальным условиям для свечения катодолюминофора, величина поля (Е) оказывается оптимальной для автоэлектронной эмиссии, если радиус анода (R) во много раз больше радиуса катода (r). Например, при R=10 мм и r=0,5 мм величина поля Е=5 В/мкм достигается при напряжении V~7,5 кВ, что соответствует области эффективного свечения стандартных катодолюминофоров. Также, в соответствии с патентом RU 2274924, катодолюминесцентная лампа может быть выполнена в виде сферического диода, в котором анод имеет радиус R, а катод радиус r. При подаче напряжения V между такими сферическими электродами величина электрического поля на поверхности катода может быть вычислена по формуле E=V×R/[r×(R-r)]. Для значений V~7,5 кВ, R=10 мм и r=0,5 мм величина поля Е~15,8 В/мкм, что также приемлемо для получения эффективной полевой эмиссии. Недостатками таких ламп является то, что с уменьшением внешних габаритных размеров сильно уменьшается светящаяся поверхность, а значит и общее количество излучаемого света. Особенно сильно такое уменьшение светимости для сферических ламп. В тоже время при увеличении длины ламп цилиндрической конструкции возникают проблемы с креплением внутри них катодов. Лампы такого типа являются ближайшим аналогом настоящего изобретения.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков цилиндрической и сферической диодной конфигурации катодолюминесцентной лампы при одновременном увеличении общей энергетической эффективности катодолюминесцентного источника света, упрощении его конструкции и процедуры изготовления.
Указанные задачи решаются в данном изобретении конструкцией лампы, в которой анод и катод имеют форму соединенных в единое целое цилиндра и полусферы. При этом анод имеет полую конфигурацию, а катод располагается внутри анода так, что оси их цилиндрических частей и центры их полусферических частей совпадают.
В одном из вариантов анод выполнен в виде прозрачного электропроводящего слоя, на поверхность которого, обращенную к катоду, нанесен катодолюминофор.
В другом варианте анод выполнен в виде тонкой металлической пленки, расположенной на слое катодолюминофора, предварительно нанесенного на поверхность стеклянной колбы.
Катод целесообразно выполнять в виде цилиндрического стержня с полусферическим окончанием с одной стороны и с нанесенным на его поверхность слоем материала, имеющего высокую эффективность автоэлектронной эмиссии.
Целесообразно для увеличения интенсивности света в заданном направлении использовать катодолюминесцентную лампу совместно с отражателем света, собирающим и направляющим излучение лампы в заданном направлении.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 показывает один вариант катодолюминесцентной диодной лампы согласно изобретению в виде ее поперечного сечения вдоль центральной оси.
Фиг.2 показывает другой вариант катодолюминесцентной диодной лампы согласно изобретению в виде ее поперечного сечения вдоль центральной оси.
Фиг.3 показывает форму эквипотенциальных поверхностей для электрического поля, возникающего между анодом и катодом при подаче на них напряжения.
Фиг.4 показывает схематически катодолюминесцентную лампу с внешним светоотражателем.
Осуществление изобретения
-7
-6
Катодолюминесцентная диодная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде, схематически показанном на фиг.1. Для этого изготавливается стеклянная колба 1, имеющая цилиндрическую 2 и полусферическую 3 части, объединеные в единое целое. На внутреннюю поверхность колбы наносится электропроводящее прозрачное покрытие 4, например, в виде пленки из оксидов олова и свинца (IТО). Эта проводящая пленка выполняет роль анода 4. Для электрического соединения с анодом в боковую стенку стеклянной колбы вваривается электрод 5. На внутреннюю поверхность анода наносится слой катодолюминофора 6. По оси колбы размещается катод 7, выполненный в виде основания 8, изготовленного из электропроводящего материала (металла) и имеющего форму цилиндра с полусферическим окончанием. На поверхности основания 8 нанесена пленка 9 из материала, обладающего способностью к эффективной автоэлектронной эмиссии. В качестве такого материала могут использоваться, например, углеродные нанотрубки или наноразмерные кристаллиты графита. Катод 7 размещается так, чтобы его ось и центр полусферической части совпали с таковыми для анода 4. Катод закрепляется в необходимом положении с помощью ножки 10, выполненной из стекла с вваренным в нее электродом 11 для электрического соединения с катодом 7. Ножка 10 герметически плотно соединяется с колбой 1. Образованный замкнутый объем откачивается через стеклянную трубку 12, вваренную в ножку 10. После откачки до уровня вакуума порядка 10-10Торр трубка герметично заваривается.
-7
-6
Катодолюминесцентная диодная лампа согласно изобретению может быть также выполнена в виде, схематически показанном на фиг.2. Для этого изготавливается стеклянная колба 1, имеющая цилиндрическую 2 и полусферическую 3 части, объединение в единое целое. На внутреннюю поверхность колбы наносится слой катодолюминофора 6. На внутреннюю поверхность слоя катодолюминофора 6 наносится электропроводящее покрытие 13, например, в виде пленки из алюминия. Эта проводящая пленка выполняет роль анода 4. Для электрического соединения с анодом в боковую стенку стеклянной колбы вваривается электрод 5. По оси колбы размещается катод 7, выполненный в виде основания 8, изготовленного из электропроводящего материала (металла) и имеющего форму цилиндра с полусферическим окончанием. На поверхности основания 8 нанесена пленка 9 из материала, обладающего способностью к эффективной автоэлектронной эмиссии. В качестве такого материала могут использоваться, например, углеродные нанотрубки или наноразмерные кристаллиты графита. Катод 7 размещается так, чтобы его ось и центр полусферической части совпали с таковыми для анода 4. Катод закрепляется в необходимом положении с помощью ножки 10, выполненной из стекла с вваренным в нее электродом 11 для электрического соединения с катодом 7. Ножка 10 герметически плотно соединяется с колбой 1. Образованный замкнутый объем откачивается через стеклянную трубку 12, вваренную в ножку 10, которая после откачки до уровня вакуума порядка 10-10Торр герметично заваривается.
При подаче между анодом 4 катодом 7 напряжения в пространстве между этими электродами возникает электрическое поле, эквипотенциальные поверхности 14 которого схематически показаны на фиг. 3. Схематически изображенные на этом чертеже катод и анод имеют радиусы r и R соответственно. В области, расположенной у поверхности цилиндрической части катода, конфигурация эквипотенциальных поверхностей близка к аналогичным для цилиндрического диода, а величина электрического поля может быть примерно определена по формуле E=V/[r×1n(R/r)]. В области, расположенной у поверхности полусферической части катода, конфигурация эквипотенциальных поверхностей близка к аналогичным для сферического диода, а величина электрического поля может быть примерно определена по формуле E=V×R/[r×(R-r)]. При подаче напряжения V, вызывающего автоэлектронную эмиссию из цилиндрической части катода 7, автоматически обеспечиваются условия и для автоэлектронной эмиссии из сферической части катода 7. При этом величина ускоряющего напряжения для электронов, достигающих поверхности анода 4, оказывается одинаковой и для цилиндрической, и для полусферической его частей.
В случае лампы, выполненной по варианту, представленному схематически на фиг.1, электроны вызывают свечение 15 катодолюминофора 6, которое выходит за пределы лампы через электропроводящий прозрачный анод 4.
В случае лампы, выполненной по варианту, представленному схематически на фиг.2, электроны проходят через электропроводящий слой 13, нанесенный поверх катодолюминофора 6, и вызывают свечение 15 последнего, которое выходит за пределы лампы.
Для того чтобы собрать излученный лампой свет 15 и направить его в заданном направлении, целесообразно использовать отражатель 16, который может быть выполнен в виде зеркала конической или иной формы, расположенного так, чтобы излучение от цилиндрической части лампы преимущественно направлялось вдоль ее оси в том же направлении, что и излучение от сферической части. Лампа с отражателем представлена на фиг.4, где схематически показаны отражатель 16, внешний контур лампы и направления потоков света 15, излучаемых лампой.
Общий поток света, излучаемого диодной катодолюминесцентной лампой согласно изобретению, определяется общей площадью ее поверхности, покрытой люминофором. Эта площадь складывается из площади цилиндрической части и площади полусферической части.
При необходимости уменьшения диаметра лампы длина ее цилиндрической части, а значит и площадь цилиндрической части могут быть увеличены, что позволяет сохранить общий поток излучаемого света. При необходимости уменьшения длины лампы может быть несколько увеличен ее диаметр, что также приведет к сохранению общего потока излучаемого света.
При необходимости катодолюминесцентные диодные лампы с отражателями света согласно изобретению могут быть компактно размещены рядом друг с другом так, чтобы оси их цилиндрических частей были параллельны, а центры полусферических частей находились примерно в одной плоскости. Световой поток, созданный такой системой ламп, будет определяться их общей светоизлучающей поверхностью, которая может иметь значительную величину благодаря предложенной в данном изобретении конструкции. При этом создается возможность увеличения внешних габаритов такого источника света до любого желаемого размера.