CN100405528C - 利用电子束激励的放电光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光源(1),它具有充有填充气体的放电容器(12)并且具有设置在真空中或低气压区域中的电子束源(2),所述电子束源产生电子并推进电子通过入口箔(10)到达放电容器(12)中。按照本发明,可以在放电容器(12)内部产生电场。

Description

利用电子束激励的放电光源
技术领域
本发明涉及具有放电容器的光源,所述放电容器充有填充气体的以及设置在真空中或低气压区域中的电子束源,所述电子束源产生电子并推进电子通过入口箔到放电容器内部。
背景技术
从US-PS6,052,401已知这种光源。在放电容器内部有稀有气体。推入容器中的电子,以下称为一次电子,具有高动能,并能从原子中打出原子外层中存在的二次电子,以下称为二次电子。穿过箔的一次电子能够以级联的方式依次从数个原子中打出二次电子,然后才失去其动能。稀有气体离子经过数个反应步骤后改变成受激稀有气体分子,以下简称为受激态减光器或激发器。这种激发器自发分解,分解时发出紫外或UV线。这样,气体原子被引入的电子电离,电离能量最终转化成UV辐射子。电子束源和光源的效能都很低。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种改进的气体放电灯。具体地说,其效率,即所产生的光与消耗的功率比,应得以改进。
本发明提供一种气体放电灯,它具有充有填充气体的闭合放电容器,并且具有设置在真空或低压力区中的电子束源,所述电子束源产生电子并推进所述电子通过入口箔进入所述放电容器,其特征在于:可以在所述放电容器内部产生电场。按照本发明,可以在放电容器内部产生电场。除了上述过程,还可以在放电容器内部进行其它过程。
二次电子是自由电子,可在相互之间或与填充气体原子之间发生弹性碰撞。电子的能量平衡在很短的时间内自动进行调节,可以利用Maxwell速度分布用近似法来说明这种平衡。电子温度Te此处表示电子的平均动能。这些自由电子中的一部分具有足以激励原子的动能。自由电子与各原子电子壳层中的电子碰撞,因而转移它们随后由于在电场中加速而再次增长的动能。原子的电子吸收所述能量,跃迁到具有较高能级的外电子壳层。各电子壳层从中心开始向外依次编号。当电子落回较低能级时,能量以辐射方式释放。
这样,注入的电子启动了两个物理上不同的过程。一方面原子被电离,而另一方面原子被激励。这两种过程需要不同的能量。电子温度Te通过电离独立进行自身调节。但这个温度对于原子的有效激励并不是最佳值。由于电离需要显著地高于激励的能量,所以,所述电子温度对于有效激励,继而有效产生UV辐射来说是太高了。当放电容器内部的气体(以下称为气体容积)暴露在电场下时,可以通过电场来自由选择有效激励所需的电子温度Te。电子束主要用于在气体容积中产生载荷子以及电离气体的最初组态(以下称为等离子体)。气体容积中电场的用途还包括辉光放电。由于电场的缘故,原则上发射光线。减小用于产生电子束的功率。
在简单的实施例中,放电容器包括导电电极。电极以电容方式产生电场。放电容器内的电极可用AC或DC电压工作,放电容器外的电极用AC电压工作。
电极最好包括电介质。AC电压的频率可因电介质而降低。
在简单的实施例中,放电容器包括线圈。所述线圈产生感性AC电场。
放电容器最好包括微波谐振器。微波谐振器产生旋转场,使电子沿圆形路径旋转。
电子束源最好包括场致发射器。为此可以使用场致发射器阵列、表面发射器阵列或纳米管阵列。这样可以实现非常小的结构单元。所述阵列具有网格型结构或包括棱锥或触角的表面,电子从所述棱锥或触角的尖端释放。
电视显像管所用的传统的电子枪可以用来产生电子束。电子枪必需在高真空中工作,以免阴极被电离的残余气体所破坏。
填充气体最好包括稀有气体He、Ne、Ar、Kr、Xe中至少一种。稀有气体能电离,用来产生UV范围的光线并且作为用于产生载荷子的缓冲气体。
填充气体最好包括H2、N2、O2、F2、Cl2等气体中至少一种。
填充气体最好包括以下原子或分子形式的元素中的至少一种(这些元素在工作条件下全部或部分蒸发):Br、I、S、Se、Te、Po、P、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr和Ba。适合的稀有气体尤其是纯稀有气体或稀有气体和发光气体的混合气体。如果使用纯稀有气体,产生例如UV辐射的非常有效的方法是利用激发器辐射。如果使用稀有气体和发光气体的混合气体,例如氩/汞,可获得高亮度的灯。可供选择的发光气体是分子发光器,由于没有内部电极这些发光气体可以具有强烈的化学腐蚀性。所述气体发射可见光、UV或红外光。极大的优点在于可以利用电子束所激励的状态在电场中产生进一步的激励。例如,在电子束中产生的离子可以用来在电场中产生进一步的激励。有许多离子,例如Ba+、Rb+或Cs+,它们在可见光波长范围内,具有强跃迁。同样的原理也适用于由电子束大量产生的长寿命受激态的激励。一个简单的实例是上述氖气,利用电子束使其在第三电子壳层的第一受激能级(以下也称为3s级)被占据。从这一能级(由于因致密氖气中的再吸收,到基态的衰减受到强烈阻碍,故该能级具有非常长的有效寿命)开始,多个较高能级被电场激励,这些能级随后发射可见光波长范围内的光。在氦和氖混合气体中,有可能使氖的3s能级在更大程度上被占据。从由电子束大量产生的氦离子开始,可以通过一系列过程最终占据氖的3s态。可以容易地设置基于电子束和外加电场的系统,使得外部提供的电能中只有小部分用于电子束,例如10%,而大部分的能量,此时为90%,用于在电场中产生有效发射。
放电容器包括磷光体最好,以便将所述UV辐射转换成可见光。
放电容器最好包括完全相对的两个镜面。镜面形成具有平行或稍凹表面的光学谐振体,用来为激光器产生相干光。
电子束源最好以脉冲方式工作。脉冲工作用来为激光器产生相干光。
附图说明
以下将参阅附图更详细地说明实施例,以便能更好地理解本发明,附图中:
图1示出具有外部电极的光源的截面图;
图2示出具有微波谐振器的第二光源的截面图;以及
图3示出具有内部电极的第三光源的截面图。
具体实施方式
图1示出光源1,以下也称为气体放电灯,它具有电子束源2和电极结构3,用以产生辉光放电。电子4从加热的阴极5发射出来,通过Wehnelt圆柱体7的小孔6,进入加速区8。在此电子4被朝向环形阳极9加速,以20keV的能量通过所述阳极。随后,电子通过300nm厚的SiN入口窗10,进入放电容器12的气体空间11(以下也称为气体容器)。电子4通过SiN窗10时损失的能量不大于10%,其余能量被强烈地局部约束存储在充有200mbar纯氖的气体空间11中。电子束电流等于大约0.1mA。每个电子束的电子在气体空间11中产生多个二次电子和离子,即大约500个,还有大量的高受激态。在气体容器12外面设置两个平面电极13和14,在这两个电极之间加上频率为13.6MHz的射频AC电场,平均电压为500V。二次电子基本上在射频AC电场中振荡,维持比电子束15的束电流高500倍的放电电流,即大约50mA。因此,大约25W功率容性耦合到等离子体中,而电子束15引入的是2W。振荡电子通过弹性碰撞调节均匀的电子温度,由于高频的缘故,所述电子温度在一个周期内几乎不变化。由于AC电场强度和氖压力之比很低,所以二次电子的电子温度此时很低,致使所述二次电子对电离不起作用,而仅对起源于长寿命受激氖态的有效激励以及对有效的光产生起作用。由于电子束15将负电荷引入放电容器12,所述这部分电荷通过结合到容器12中的接地线16释放掉。
所述系统的又一实施例如下:边长为5cm的立方放电容器12充有500mbar的氦和50mbar的氖。电子束15以0.1mA和20kV工作(对应于2W的功率)。每个一次电子产生大约500个二次电子和二次离子,即辉光放电的放电电流大约是束电流的500倍,即大约50mA。辉光放电具有50mA的平均电流和500V的平均电压(对应于25W的功率)。在0.25V/(cm Torr)这样低的电场和气体压力比的条件下,辉光放电几乎不引起任何电离;辉光放电具有稳定的有益特性。
第三实施例在容积为3x3x3cm3的气体空间11中在100mbar氩和5mg汞条件下工作。放电容器12在静止状态强加热,使得汞的蒸气压大约为1mbar。每个束电子在气体空间11中大抵产生多于500个氩离子和二次电子。在容器12外面设置两个氧化铟锡的平面透明电极13和14,在电极之间加有频率为27MHz的射频AC电场。二次电子基本上在射频AC电场中振荡并携带放电电流,此处大约为400mA。放电的平均电压大约为50V。于是,大约20W功率容性耦合到等离子体中,而电子束15仅提供了2W功率。振荡电子利用弹性碰撞调节均匀的电子温度,由于高频的缘故,所述温度在一个周期内几乎不变化。由于AC电场强度和氩压力之比很低,故二次电子的电子温度此时很低,使得所述电子对电离不起作用,仅对汞的激励以及对254nm的UV辐射的有效产生起作用。辉光放电功率转换到UV辐射的效率为70%。由于有小的结构尺寸,所以可以获得高的亮度。如果需要可见光,在放电容器内部可以加入磷光体来转换UV辐射。电子束在气体容积中产生载荷子,保持辉光放电均匀,并导致放电的即刻启动。汞可以用其他发光气体代替,其蒸气压在静止状态至少为几mTorr。在这方面特别令人感兴趣的是例如钠、锶和钡,因为这些原子在可见光波长范围内有很强的谱线,此外还有特别是例如溴化铟等分子发射器,其谐振发光处于或接近于可见光波长范围。
图2示出第二光源20,它具有电子束源2、气体空间11和微波谐振器21,它在2.45GHz频率下从外部引入辉光放电。引入的电场是旋转电场,电子沿各圆形路径段振荡。
图3示出第三光源30,它具有电子束源2、电极结构31和放电容器32。以分别伸入放电容器32内部的阴极33和阳极34的形式形成电极结构31的电极33和34。阴极33包括钨线圈35,阳极34包括平面金属板36。连接到电极33和34的电源线37、38和39结合到放电容器32中。将500V的DC电压加在阴极33和阳极34之间。借助辅助加热电流使阴极33灼热。二次电子是辉光放电电流的主要载荷子,辉光放电电流比束电流大约强500倍,即大约为50mA。二次电子在电场中向阳极34漂移,故而调节非常低的电子温度。由于在放电容器内部电子密度大致等于离子密度,并且由于电子在电场中更高的迁移率,故电子电流比离子电流强得多,必需从阴极33另外提供电子。辅助加热阴极33就可做到这一点。不需要附加的接地线,因为其功能已由阳极34实现。
标号列表
1.光源
2.电子束源
3.电极结构
4.电子
5.阴极
6.小孔
7.Wehnelt圆柱体
8.加速范围
9.环形阳极
10.入口窗
11.气体空间
12.放电容器
13.电极
14.电极
15.电子束
16.导线
20 光源
21 微波谐振器
30 光源
31 电极结构
32 放电容器
33 阴极
34 阳极
35 钨线圈
36 平面金属板
37 电源线
38 电源线
39 电源线

Claims (23)

1.一种光源,它具有:
气体放电灯,其具有充有填充气体的闭合放电容器(12,32),
设置在真空中或低压力区中的电子束源(2),所述电子束源(2)产生电子(4)并推进所述电子通过入口箔(10)进入所述放电容器(12,32),
其特征在于:该光源还包括:
用于在所述放电容器(12,32)内部产生电场的装置。
2.如权利要求1所述的光源,其特征在于:用于在所述放电容器(12,32)内部产生电场的装置包括导电电极(13,14,33,34)。
3.如权利要求1所述的光源,其特征在于:用于在所述放电容器(12,32)内部产生电场的装置包括线圈。
4.如权利要求1所述的光源,其特征在于:用于在所述放电容器(12,32)内部产生电场的装置包括微波谐振器(21)。
5.如权利要求1所述的光源,其特征在于:所述电子束源(2)包括场致发射器。
6.如权利要求1所述的光源,其特征在于:所述充填气体包括稀有气体He、Ne、Ar、Kr、Xe中至少一种。
7.如权利要求1所述的光源,其特征在于:所述充填气体包括H2、N2、O2、F2、Cl2气体中至少一种。
8.如权利要求6所述的光源,其特征在于:所述充填气体包括H2、N2、O2、F2、Cl2气体中至少一种。
9.如权利要求1所述的光源,其特征在于:所述填充气体至少包括在工作条件下全部或部分蒸发的、原子或分子形式的以下元素之一:Br、I、S、Se、Te、Po、P、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr和Ba。
10.如权利要求6所述的光源,其特征在于:所述填充气体至少包括在工作条件下全部或部分蒸发的、原子或分子形式的以下元素之一:Br、I、S、Se、Te、Po、P、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr和Ba。
11.如权利要求7所述的光源,其特征在于:所述填充气体至少包括在工作条件下全部或部分蒸发的、原子或分子形式的以下元素之一:Br、I、S、Se、Te、Po、P、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr和Ba。
12.如权利要求8所述的光源,其特征在于:所述填充气体至少包括在工作条件下全部或部分蒸发的、原子或分子形式的以下元素之一:Br、I、S、Se、Te、Po、P、As、Sb、Zn、Cd、Hg、In、Tl、Li、Na、K、Rb、Cs、Sr和Ba。
13.如权利要求1所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
14.如权利要求6所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
15.如权利要求7所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
16.如权利要求8所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
17.如权利要求9所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
18.如权利要求10所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
19.如权利要求11所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
20.如权利要求12所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括磷光体。
21.如权利要求1到20中任一项所述的光源,其特征在于:所述放电容器(12、32)包括两个完全相对的镜面。
22.如权利要求1到20中任一项所述的光源,其特征在于:所述电子束源(2)以脉冲方式工作。
23.如权利要求21所述的光源,其特征在于:所述电子束源(2)以脉冲方式工作。
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