CN100372043C - 用于发光的配置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发光的配置，包括包括透明或半透明窗口(10)的气密密封壳体(4)；布置在所述壳体内并覆盖所述窗口至少主要部分的一层荧光物质(3)；布置在所述壳体内以便发射电子的电子发射阴极(1)；所述壳体填充适用于电子雪崩放大的气体；所述阴极和阳极在使用期间保持在电位下，使得所述发射的电子加速并在所述气体中雪崩放大；所述层布置成穿过所述窗口发光以响应雪崩放大的电子的冲击和/或响应暴露于紫外光下，紫外光是由于雪崩放大的电子和该气体之间的相互作用而在气体中发射的。

Description

用于发光的配置和方法
技术领域
本发明总体涉及阴极发光的光源。更特别是本发明涉及一种用于通过使用电子发射阴极和荧光物质进行发光的配置和方法。
背景技术
一种类型的光源是荧光管。在荧光管中，气体放电释放紫外光(UV)到荧光材料上。光源遭受严重的缺陷。例如，在接通电源之后直到光源以满功率辐射时总是有延迟。另外，需要复杂的控制设备，该设备需要空间并增加成本。同样，不幸的是需要使用具有不利于环境的材料，例如汞。另外，荧光材料的选择限制在UV敏感的材料上。大多数这种荧光材料释放光谱形状的光，对于眼睛和人体舒适程度来说不是最佳的。最后，此类型的光源经常是相当温度敏感的，其中与处于高温相比，处于低温时在接通长时间之后发射强度显著变弱。
另一类型的光源是阴极发光的光源。在阴极发光的光源中，或是通过加热阴极，电子从阴极发射，因此热发射电子，或是通过在阴极表面附近采用强电场，因此通过电场发射来发射电子。在阴极表面附近采用强电场的电场发射阴极光源的实例在US 5877588和US 6008575中得到披露。
热发射阴极的主要缺陷在于在加热阴极中损失大量的能量。电场和热发射阴极两者的主要缺陷在于，由于所有产生光的电子必须从阴极中发射出来，高发射电流造成阴极损耗。这意味着高电子电流必须从阴极表面上发射出来，使得阴极结构及其制造复杂化。另外，当前阴极发光的光源只在真空中操作，这需要围绕光源的壁很厚。
发明内容
本发明的目的在于分别提供一种改进的光源和方法，与现有技术的光源相比，该光源提供更亮的光，并且至少没有以上描述的某些缺陷。
按照本发明，分别通过所附权利要求限定的配置和方法，获得该目的以及其他目的。
通过在阴极发光的光源内提供适用于电子雪崩放大的气体，可以获得更亮的光。另外，由于大多数电子从气体中释放而不从阴极表面发射，降低了来自阴极的发射电流，这简化了阴极的构造并延长其寿命。
当填充气体的光源内的压力显著高于真空时，填充是大气压力，光源壁可制成更薄，使得光源更轻。
在雪崩放大期间，除了电子之外，发射激励荧光材料的UV光，造成其发光，每单元光输出的总电子电流小于传统的阴极发光的光源，从而简化光源的结构。
由于通过改变雪崩电压，方便地改变电场发射阴极和/或雪崩放大中的发射电流，光源可以方便地变暗。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从下面给出实施例的详细说明和附图得以明白，附图只通过说明给出，而不限制本发明。
图1-6是按照本发明六个不同实施例的光源的截面图；以及
图7-9是和本发明光源一起使用的三种不同的灯壳体的透视图。
具体实施方式
现在参考图1A和1B说明本发明的第一实施例。
平面阴极发光的光源包括平面阴极1、平行于阴极1的平面阳极2和壳体4内的荧光层3。壳体4具有窗口10，使得光从光源射出。荧光层3布置在窗口10的内部，并且阳极2布置在面向阴极1的荧光层3的表面上。
壳体4进行气密密封并填充适用于电子雪崩放大的气体。散射体布置在壳体4外部(未示出)。散射体提供均匀的发光强度以便补偿来自光源的不同区域的不同发光强度。
平面阴极1可以是受到激励以便从其面向阳极2的表面1A发射电子的任何类型的阴极。它可具有平滑或不规则的表面。表面1A内的不规则性可例如通过采用激光、蚀刻、机械粗化或沉积以产生不规则形状的例如碳微管、微球等材料来形成。电子发射通过加热阴极1以造成电子热发射，或者通过在阴极1表面附近施加强电场以通过电场发射造成电子发射，来提供电子发射。与非加热电场发射阴极相比，还可以加热电场发射阴极，以通过施加较弱电场来提供电子发射。
平面阳极2对于高能电子来说是可穿透的，使得这种电子穿透阳极并冲击荧光层3。平面阳极2可以是例如薄箔片或具有网格形状。
另外，阳极2布置在荧光层3和壳体4之间，如图1B所示。平面阳极2对于光是透明的，并可以由透明导体制成，或具有网格形状。但是，阳极对于电子来说不必是透明的。在这种情况下阳极2可以是壳体4的一部分，其中例如壳体4可以由传导材料制成，例如传导玻璃或塑料。
荧光层3可包括单一材料或材料的混合物，例如Y2O2S:Eu、ZnS:Cu:Al和ZnS:Cl。
适用于电子雪崩放大的气体可以例如是任何惰性气体、氮气或者惰性气体和碳氢气体的混合物，例如90％的氩和10％的甲烷。气体最好处于大气压力下，但可以在负压或过压下，最好在0.001-20大气压的范围内。
在使用期间，电压U施加在阳极2和阴极1之间。电压U应该足够高，以便在电场发射的情况下造成电子从阴极1中发射。在所有情况下，电压U应该足够高，以便在气体中雪崩放大电子。雪崩放大的电子朝着阳极2以及荧光层3加速。电子在荧光层3内吸收并因此激励其荧光材料。在松弛期间，荧光层3发射明亮的可见光。
在雪崩放大期间，除了电子之外，也发射UV光，UV光可激励荧光材料，使其发光。此物理过程可以和电子冲击一起使用或分开使用，以产生光。
在气体中使用雪崩放大的优点在于从阴极发射的电子通过阴极1和阳极2之间的电场加速，并使得气体离子化，并且从气体发射新的电子，该电子继而加速并进一步使得气体离子化。因此，发光的电子的主要部分来自气体而不来自阴极，从而减小阴极的损耗。在气体离子化过程中形成的正离子朝着使其中和并返回气体的阴极漂移时该气体用作催化剂。
在1大气压的压力下以及通常1000伏的电压下在氩和甲烷的气体内在阳极2和阴极1之间使用1毫米的距离足以从阴极1发射电子，并雪崩放大发射的电子。
根据所需用途，光源的尺寸可显著的变化，并且光源可制成具有正方形到非常细长的发光表面。
接着将参考图2说明本发明的第二实施例。除了下面的说明之外，该第二实施例与第一实施例相同。
图2的平面阴极发光的光源还包括定位在阳极2和阴极1之间的调制电极5，与阴极1相比，该电极最好靠近阳极2。最好是，调制电极5具有网格形状，以便使得电子通过其中。
通过电场发射现象从阴极发射电子实现的电场通常低于用于电子雪崩放大的电场。因此，通过靠近阳极2设置调制电极5，可以获得足够强的电场，而不施加非常高的电压，以便靠近阳极2对于从阴极1发射的电子进行雪崩放大。
通过在光源内设置调制电极，在气体离子化过程中形成的正离子朝着使其中和并返回气体的阴极漂移。
在使用期间第一电压U1施加在调制电极5和阴极1之间，并造成电子从阴极1发射和/或造成从阴极1发射的电子加速。第二电压U2施加在阳极2和调制电极5之间，并足够高以便在气体中雪崩放大发射的电子，并给其足够高的动能，使得雪崩放大的电子能够穿透阳极2并冲击荧光层3，继而发光。
接着参考图3说明本发明的第三实施例。除了下面的说明之外，该第三实施例与第二实施例相同。
平面阴极发光的光源还包括定位在阳极2和调制电极5之间的雪崩电极6，与阳极2相比，该电极最好靠近调制电极5。最好是，雪崩电极6具有网格形状，以便使得电子通过其中。格栅可用来形成调制电极5和雪崩电极6的网格形状。电极5和6应该最好相互平行定位，并具有相互对齐的开口。
例如聚合物薄膜的电介质21可定位在调制电极5和雪崩电极6之间，以便使其以良好限定的距离隔开。电介质21可具有与格栅的开口准确相配的开口，或具有比格栅5和6的开口更宽或更窄的开口。当电介质21用来稳定电极5和6时，电极的格栅可通过对于电介质21进行金属化来制造。
通过在光源中设置调制电极和雪崩电极，在气体离子化过程中形成的正离子分别朝着调制电极和雪崩电极漂移，其中它们进行中和并返回气体。
在使用期间第一电压U1施加在调制电极5和阴极1之间，并造成电子从阴极1发射和/或造成从阴极1发射的电子加速。第二电压U2施加在雪崩电极6和调制电极5之间，并加速气体中的发射电子，电压U2可以足够高以便雪崩放大发射的电子。第三电压U3施加在阳极2和雪崩电极6之间，并且足够高以便进一步雪崩放大以前放大的电子，或使得电子朝着阳极2漂移并穿透其中，从而冲击荧光层3，继而发光。
假设第二电压U2雪崩放大电子，第三电压U3可具有相反的电场，在雪崩电极6而不是阳极2上收集电子。在电极5和6之间的间隙内，通过雪崩效应形成UV光，从而照明荧光层3，而不以电子冲击荧光层。当阳极2定位在荧光层3和窗口10之间或者当阳极2是壳体4的一部分时，这特别有利。
接着参考图4A和4B说明本发明的第四实施例。
圆柱形阳极发光的光源包括具有圆形截面的杆电极1、具有环形截面的圆柱形阳极2和位于壳体(未示出)的荧光物质3。壳体具有窗口，使得管从光源射出。荧光层3可布置成覆盖窗口的内部。阳极2最好布置在面向阴极1的圆柱形荧光物质3上。
壳体气密密封并填充适用于电子雪崩放大的气体。散射体(未示出)可布置在壳体外部，以便提供均匀的照明强度，从而补偿来自光源的不同区域的不同的照明强度。
杆阴极1可具有与结合第一实施例描述的阴极表面类似的表面，即平滑或不规则。另外，阴极1可包括多个径向延伸的纤维，例如碳纤维、碳微管、微球等，因此形成多个形成杆形的盘，如图4B所示。
阳极2对于高能电子来说是可穿透的，使得这种电子穿透阳极2并冲击荧光层3。阳极2可以是例如薄箔片或具有网格形状。
距离、荧光物质、气体含量和所施加电压可以与所述的第一实施例那些相同。
该第四实施例描述成具有圆柱形对称，但也可以具有球形对称。
另外，该实施例可包括第二实施例所述的调制电极，并还包括第三实施例所述的雪崩电极和电介质。
如图5所示，除了阴极1具有方形截面并且阳极2具有方形截面之外，本发明的第五实施例与第四实施例相同。
接着参考图6说明本发明的第六实施例。除了以下说明之外，该第六实施例与第一实施例相同。
阴极1通过加热器20加热以便增强电子从阴极1的发射。
阳极2不是平面的，而具有部分平行于阴极1并部分垂直于阴极1的表面。因此，提供造成光在非平行平面内发射的电场(如图6箭头所示)。
另外，该实施例可包括第二实施例所述的调制电极，并还包括结合第三实施例描述的雪崩电极和电介质。
接着参考图7-9说明不同类型的灯壳体。以上描述的散射体可包括在这种灯壳体内。
第一类型的灯壳体表示在图7内，并包括灯安装部件7和玻璃部件8。灯安装部件7是不透明的，并将第一到第三实施例或第六实施例之一所述的光源保持在灯壳体内，并包括将灯壳体固定在墙壁、天花板或气体支承件上的装置。灯壳体还容纳与光源相关的电子器件。玻璃部件8是透明或半透明的，并布置成保护光源，并接收从光源传递的光。
灯壳体的另一结构表示在图8中，并包括灯安装部件7和玻璃部件8。灯安装部件7布置成将第四或第五实施例所述的光源保持在灯壳体内。玻璃部件8对于圆柱形的对称轴线的径向来说是透明、半透明或不透明的，并向上和/或向下开口。
灯壳体的又一结构表示在图9中，并包括灯安装部件7和玻璃部件8。灯安装部件7是不透明的，并布置成将第四实施例的球形选择例所述的光源保持在灯壳体内以及到天花板的灯壳体内。玻璃部件8是透明或半透明的。
所述所有的实施例可方便地设置有调光器。通过改变施加到光源上的电压，可以改变发射电流和/或雪崩放大，继而改变从光源发射的光的强度。
明显的是本发明可以多种方式进行改变。不认为这种变型偏离了本发明的范围。

Claims (29)

1.一种发光的装置，包括：
包括透明或半透明窗口(10)的气密密封壳体(4)；
布置在所述壳体内以便发射电子的电子发射阴极(1)；
以一定间隙与所述电子发射阴极(1)相对布置的阳极(2)；以及
和阳极(2)一起布置在所述壳体内并覆盖所述窗口至少主要部分的荧光物质层(3)；
其特征在于，
所述壳体填充适用于电子雪崩放大的气体；
所述阴极和阳极在使用期间保持在电位下，使得所述发射的电子加速并在所述气体中雪崩放大；以及
所述荧光物质层(3)布置成发射穿过所述窗口的光，以响应雪崩放大的电子的冲击和/或响应在紫外光下的暴露，紫外光是由于雪崩放大的电子和该气体之间的相互作用而在气体中发射的。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极是热发射阴极，而所述装置包括用于加热所述阴极由此发射电子的加热器装置(20)。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极是电场发射阴极，而所述阳极在使用中保持在高于所述阴极的电位的电位下，使得电子可以从所述阴极发射。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极在使用中保持在高于所述阴极的电位的电位下，以便从所述阴极产生电子发射，并且其中所述装置包括用于加热所述阴极由此有助于产生所述电子发射的加热器装置(20)。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，包括布置在所述阳极和所述阴极之间的调制电极，所述调制电极在使用中保持在高于所述阴极电位并低于所述阳极电位的电位下，以便在所述阴极和所述调制电极之间产生用于所述电子发射的第一电场，并且在所述调制电极和所述阳极之间产生用于发射电子的所述雪崩放大的第二电场。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，与所述阴极相比，所述调制电极更靠近所述阳极布置。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，包括布置在所述调制电极和所述阳极之间的雪崩电极(6)，所述雪崩电极在使用中保持在高于所述调制电极的电位并低于所述阳极的电位的电位下，以便在施加不同电位的两个不同步骤中产生所述雪崩放大。
8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，包括布置在所述调制电极和所述阳极之间的雪崩电极(6)，所述雪崩电极在使用中保持在高于所述调制电极的电位并高于所述阳极的电位的电位下，以便在所述雪崩电极上收集所述雪崩放大的电子。
9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，电介质(21)布置在所述调制电极和所述雪崩电极之间，以便将调制电极和所述雪崩电极保持在一定距离上。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述调制电极和所述雪崩电极设置成所述电介质上的金属化物。
11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，与所述调制电极相比，所述雪崩电极更靠近所述阳极布置。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极布置在面向所述阴极的所述荧光物质层上，并且所述阳极对于所述雪崩放大电子来说可以穿透。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极布置在所述荧光物质层和所述壳体之间，并且所述阳极对于光来说是透明的。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阴极具有面向所述阳极并具有不规则粗糙度的表面。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括多个阴极。
16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述荧光物质包括单一材料、或者多种材料的混合物。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述荧光物质包括Y2O2S:Eu、ZnS:Cu:Al和ZnS:Cl的混合物。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阳极和所述阴极具有平行关系、圆柱形对称关系或球形对称关系。
19.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述壳体由散射体包围。
20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，包括使得所述电位改变由此改变从所述荧光物质层发射的光的电子器件。
21.一种两件式灯壳体，包括如权利要求1-20任一项所述的装置、支承所述装置的保持件和围绕所述装置的散射体。
22.一种在装置中发光的方法，该装置包括：
包括透明或半透明窗口(10)的气密密封壳体(4)；
布置在所述壳体内以便发射电子的电子发射阴极(1)；
以一定间隙与所述电子发射阴极(1)相对布置的阳极(2)；以及
和阳极(2)一起布置在所述壳体内并覆盖所述窗口至少主要部分的荧光物质层(3)；
其中所述壳体填充适用于电子雪崩放大的气体；
所述阴极和阳极在使用期间保持在电位下，使得所述发射的电子加速并在所述气体中雪崩放大；以及
所述荧光物质层(3)布置成发射穿过所述窗口的光，以响应雪崩放大的电子的冲击和/或响应在紫外光下的暴露，紫外光是由于雪崩放大的电子和该气体之间的相互作用而在气体中发射的；
该方法的特征在于以下步骤：
将所述阳极和所述阴极保持在电位下，使得电子从所述阴极发射，从所述阴极发射的电子在所述气体中雪崩放大，并且所述雪崩放大的电子布置成冲击所述荧光物质，该荧光物质发光以响应被所述雪崩放大的电子冲击和/或响应在紫外光下的暴露。
23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述装置还包括调制电极(5)，并且所述方法包括以下步骤：
将所述调制电极保持在高于所述阴极的电位并低于所述阳极的电位的电位上，使得所述电子从所述阴极发射，并且所述发射的电子在施加不同电位的两个不同步骤中进行所述的雪崩放大。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述装置还包括雪崩电极(6)，并且所述方法包括以下步骤：
将所述雪崩电极保持在高于所述调制电极的电位并低于所述阳极的电位的电位下，使得所述雪崩放大在施加不同电位的两个不同步骤中进行。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述装置还包括雪崩电极(6)，并且所述方法包括以下步骤：
将所述雪崩电极保持在高于所述调制电极电位并高于所述阳极电位的电位下，使得所述雪崩放大的电子在所述雪崩电极上进行收集。
26.如权利要求22-25任一项所述的方法，包括改换所述电位由此改变从所述荧光物质发射光的步骤。
27.一种在装置中发光的方法，该装置包括：
包括透明或半透明窗口(10)的气密密封壳体(4)；
布置在所述壳体内以便发射电子的电子发射阴极(1)；
以一定间隙与所述电子发射阴极(1)相对布置的阳极(2)；以及
和阳极(2)一起布置在所述壳体内并覆盖所述窗口至少主要部分的荧光物质层(3)；
其中所述壳体填充适用于电子雪崩放大的气体；
所述阴极和阳极在使用期间保持在电位下，使得所述发射的电子加速并在所述气体中雪崩放大；以及
所述荧光物质层(3)布置成发射穿过所述窗口的光，以响应雪崩放大的电子的冲击和/或响应在紫外光下的暴露，紫外光是由于雪崩放大的电子和该气体之间的相互作用而在气体中发射的；
该方法的特征在于以下步骤：
加热所述阴极，使得电子从所述阴极发射；以及
将所述阳极和所述阴极保持在电位下，使得从所述阴极发射的电子在所述气体中雪崩放大，并且所述雪崩放大的电子布置成冲击所述荧光物质，该荧光物质发光以响应被所述雪崩放大的电子冲击和/或响应在紫外光下的暴露。
28.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述装置还包括调制电极(5)，并且所述方法包括以下步骤：
将所述调制电极保持在高于所述阴极的电位并低于所述阳极的电位的电位上，使得所述电子从所述阴极发射，并且所述发射的电子在施加不同电位的两个不同步骤中进行所述的雪崩放大。
29.如权利要求27所述的方法，其特征在于，所述装置由散射体包围，从而均匀从所述装置发射的光的光分布中的不规则性。
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