CN103210472B - 发光设备 - Google Patents
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Abstract
一种发光设备，包括：密封容器（1），密封容器（1）内填充有预设压力的混合气体，混合气体包括惰性气体和汞蒸汽；两个金属电极（2），分别设置在密封容器（1）的两端，金属电极（2）表面覆盖有隔热电绝缘层，隔热电绝缘层上设有加热孔，金属电极（2）通过加热孔暴露在惰性气体内，加热孔附近的惰性气体被加热后形成电晕空间，电晕空间为惰性气体形成的电子和带正电离子的电离空间。发光设备利用电晕空间作为发光的电子源，可有效降低发光设备的能耗，提高发光设备的发光效率。
Description
技术领域
本发明涉及光源技术，尤其涉及一种发光设备。
背景技术
荧光灯(Fluorescent Lamp，FL)是常用的节能灯具，主要包括玻璃管，玻璃管内设置有一对金属电极，且玻璃管的内部填充有作为放电气体的氩（Ar）气体和汞（Hg）蒸汽，另外，玻璃管的内壁上还涂布有适当厚度的荧光屏。荧光灯的发光原理是由金属电极作为电子源向气体空间中提供自由电子，利用与自由电子发生的非弹性碰撞，使气体原子受激而发出辐射，该辐射照射到荧光屏上形成可见光。
为了使荧光灯发光，需要电子源提供自由电子。现有技术中主要包括如下三代电子源，用于为荧光灯提供发光所需的自由电子：
第一代电子源是指爱迪生(Edison)于1884年发明的使用热电子发射的热阴极荧光放电灯管（Hot Cathode Fluorescent Lamp，HCFL）中使用的电子源。
第二代电子源是指福勒-诺德海姆（Flower-Nordheim）基于金属－真空间的穿隧效应而发射电子的原理，于1928年发明的吊钟型金属电极，用于冷阴极荧光放电灯管（Cold Cathode Fluorescent Lamp，CCFL）中，提供发光所需的自由电子。
上述的第一代电子源及第二代电子源均需要对金属电极持续通电加热，使其产生较高的电极压降，利用金属电极向真空释放电子，因此，使用第一代电子源和第二代电子源的荧光灯会产生较高的能耗。
第三代电子源是本发明人发明的，具体内容可参见本发明人提出的国际专利申请PCT/JP2007/70431及PCT/JP2007/74829。第三代电子源可以使用玻璃管内的内部电极或缠绕在玻璃管外壁上的外部电极。在金属电极产生的电场的影响下，玻璃管内的荧光体粒子会产生电介质极化，经电介质极化的粒子内的电荷的电位高于电极电位，在粒子前端部分处于高电位的表面聚积因放电气体电离而产生的自由电子作为第三代电子源。这种电子源能够消除金属电极上的压降，与前两代电子源相比，有利于降低能耗。
但是，现有第三代电子源仍然存在如下技术缺陷：使用第三代电子源的HCFL管需要从热阴极，例如加热的钨丝线圈上获得电子，并将这些电子直接注入FL管的气体空间内，这些电子需要较大的动能，使得荧光灯的点亮难度较大，且荧光灯工作时仍具有较高的能耗。
发明内容
本发明提供一种发光设备，可有效降低发光设备工作时的能耗，且发光设备的点亮方式简单。
本发明提供一种发光设备，包括：
密封容器，所述密封容器内填充有具有预设压力的混合气体，所述混合气体包括惰性气体，以及汞蒸气或氙气；
两个金属电极，分别设置在所述密封容器的两端，其中，所述金属电极表面覆盖有隔热电绝缘层，所述隔热电绝缘层上设有加热孔，所述金属电极通过所述加热孔暴露在所述惰性气体内；
其中，所述加热孔附近的惰性气体被加热后形成电晕空间，所述电晕空间为所述惰性气体被形成在所述两个金属电极之间的电离阈值的电场的作用下形成的电子和带正电离子的电离空间。
本发明提供的发光设备，其工作时的电子源为在金属电极附近产生的电晕空间，该电子源中的电子并不是直接来源于金属电极本身，发光设备内部的电子电路是通过两个电晕空间之间的电子运动形成，发光设备工作时，仅需要施加维持电晕空间存在的维持电压即可，且维持电压可具有较低的频率和电压值，因此，可有效降低发光设备的电能消耗，且发光设备可具有较高的发光效率；同时，本发明技术方案中电晕空间的产生是通过电场对加热的惰性气体作用形成的电离空间，发光设备的点亮阶段易于实现，可有效实现发光设备的首次点亮。
附图说明
图1为本发明发光设备实施例的结构示意图；
图2为本发明发光设备中产生的第四代电子源之间的电子运动方向的示意图；
图3为本发明实施例一中金属电极的结构示意图；
图4为本发明实施例一中钨丝线圈的实物图；
图5A为利用钨丝线圈实现的发光设备的示意图；
图5B为图5A中不包括荧光管的放大示意图；
图5C为图5B中电极的放大示意图；
图6A为本发明发光设备实施例一中点火阶段钨丝线圈的实物图；
图6B为本发明利用钨丝线圈实现的发光设备点火后电极一端的示意图；
图7为图6A中钨丝线圈在维持阶段的实物图；
图8为本发明发光设备实施例二中金属电极的结构示意图；
图9为本发明发光设备实施例三中金属电极的结构示意图；
图10为本发明发光设备实施例四中金属电极的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明发光设备是利用第四代电子源为发光设备提供发光所需的自由电子，具体地，其是利用金属电极附近产生的电晕空间作为电子源，其中金属电极的表面覆盖有隔热电绝缘层，并具有裸露的加热孔，该金属电极通过加热孔裸露在惰性气体内，当金属电极加热时，加热孔附近的惰性气体就会被加热，而加热的惰性气体可在电离阈值的电场作用下，形成电子和带正电离子的电离空间，该电离空间即为电晕空间。本发明发光设备即是利用该第四代电子源，在第四代电子源之间形成稳定的电流，来激发发光设备内的气体原子而发光。本发明发光设备可为荧光灯或LCD背光源，具体地，下面将以荧光灯为例对本发明发光设备技术方案进行详细的说明。
图1为本发明发光设备实施例的结构示意图；图2为本发明发光设备中产生的第四代电子源之间的电子运动方向的示意图。如图1和图2所示，本实施例发光设备包括：作为密封容器的FL管1，FL管1内填充有混合气体，该FL管1内还设置有两个金属电极2，分别位于FL管1的两端；混合气体具有预设压力，且该混合气体包括惰性气体和汞蒸气；金属电极2表面覆盖有隔热电绝缘层，且隔热电绝缘层上设有加热孔，使得金属电极2可通过加热孔暴露在惰性气体内，即在金属电极2上有微小裸露金属点被惰性气体包围；该加热孔附近的惰性气体被加热后可形成电晕空间，具体地，该电晕空间为加热的惰性气体被形成在两个金属电极2之间的电离阈值的电场的作用下形成的电子和带正电离子的电离空间；此外，为使得发光设备可发出白色的可见光，在FL管1的内壁上涂覆有荧光屏。
本实施例中，如图2所示，在金属电极2的裸露金属点20附近产生电晕空间时，两个金属电极2的电晕空间之间就会有电子运动，从而在FL管内部形成一电子电路，该电子电路就形成了FL管发光所需的自由电子，可见，本实施例发光设备的自由电子是由电晕空间作为电子源来提供的。
本实施例中，在加热设备的两个金属电极2处形成有电晕空间后，可在两个金属电极2之间施加一交流电压，作为发光设备进行发光时的维持电压，以保持两个金属电极2的电晕空间，并在两个电晕空间之间形成稳定的电流，以激发FL管1内的汞蒸气，被激发的汞蒸气会发出蓝光，并在FL管1内壁上涂覆的荧光屏的作用下发出白色的可见光，以便用于照明。具体来说，本发明发光设备进行发光通常需要两个阶段：点火阶段和维持阶段，所谓的点火阶段，就是通过加热加热孔附近的惰性气体，并在两金属电极2之间的电场的作用下产生电晕空间，即在FL管内形成发光所需的第四代电子源；所谓的维持阶段，就是在两金属电极2处产生有电晕空间后，在两金属电极2之间施加一维持电压，以维持形成在金属电极2处的电晕空间，使发光设备可持续、稳定的工作。
下面将分别对本实施例中发光设备的金属电极、FL管内的惰性气体、发光设备的点火阶段以及维持阶段进行说明。
一、金属电极
金属电极是形成电晕空间，即第四代电子源的重要部件，该金属电极覆盖有隔热电绝缘层，且在该隔热电绝缘层上开设有加热孔，金属电极通过该加热孔与FL管内的惰性气体接触，使金属电极可具有微小的裸露金属点暴露在惰性气体空间内。
图3为本发明实施例一中金属电极的结构示意图；图4为本发明实施例一中钨丝线圈的实物图。本实施例中的金属电极2为一钨丝金属电极，加热孔设置在钨丝金属电极的端部，具体地，如图3和图4所示，该金属电极2包括钨丝线圈21，钨丝线圈21上涂覆有隔热电绝缘层211，且钨丝线圈21的端部设置有加热孔212，使得钨丝线圈21的端部具有裸露金属点20；钨丝线圈21两端分别固定在支撑架213上，以利用支撑架213来实现钨丝线圈的固定。
图5A为利用钨丝线圈实现的发光设备的示意图；图5B为图5A中不包括荧光管的放大示意图；图5C为图5B中电极的放大示意图。如图5A～图5C所示，该发光设备为钨丝灯100，该钨丝灯100的灯座上设置有两个电极101，该两个电极101位于荧光管的两端；电极101为钨丝线圈，其中中部线圈102外表涂覆有隔热电绝缘层，端部线圈103未涂覆隔热电绝缘层，使得电极的端部线圈103处为裸露金属点。
本实施例中，所述的隔热电绝缘层211为具有电绝缘性和隔热性的薄膜层，且该隔热电绝缘层211可在1000°C时具有热稳定性，在温度大于800°C时不与金属电极2发生化学反应。具体地，该隔热电绝缘层211可由具有高电绝缘性及隔热性的无机氧化物或盐类化合物制成，其中，所述的无机氧化物可包括：BeO、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、Al2O3、SiO2、GeO2、TiOx、ZrO2、CoO2、NiO2、TaO2、SnO2、MoO3、O3以及稀土氧化物（如Y2O3、La2O3、CeO2、Pr2Ox、Sm2O3、Gd2O3、Tb2Ox、Dy2O3、Yb2O3等）；所述的盐类化合物可包括：铝酸盐、硅酸盐、钨酸盐、钛酸盐，此外，上述所列无机氧化物的钨酸盐和普通的荧光粉也可用于制备隔热电绝缘层211。
优选地，本实施例采用BaO颗粒涂层作为隔热电绝缘层211。这是因为：BaO材料具有较大的热容量、介电常数（ε=30）和密度（ρ=5.7gcm-3），其具有较好的电绝缘性和隔热性，且所使用的BaO颗粒可为化学级制备而不通过BaCO3在真空中的沉积制备。
本实施例中，钨丝线圈21上形成的加热孔212可通过以下方式获得：将钨丝线圈21在混有绝缘隔热颗粒（BaO颗粒）、火棉胶溶液及有机溶剂（如乙酸丁酯）的混合浆中浸蘸后取出；将钨丝线圈21在空气中进行干燥；在干燥过程中，通过钨丝线圈21的间隙中的绝缘隔热颗粒对有机溶剂的毛细管作用，使有机溶剂从钨丝线圈21的端部向该钨丝线圈21的内部快速流动，从而将位于钨丝线圈21端部的绝缘隔热颗粒携带至钨丝线圈的内部，进而使钨丝线圈的端部裸露形成加热孔212。
本实施例中，隔热电绝缘层不会将电子发射到真空中，当将电压施加在该金属电极时，隔热电绝缘层的电绝缘粒子具有感生的极化，这些极化的粒子也不会发射电子。同时，该隔热电绝缘层可用于隔热，使得金属电极上产生的温度会集中于裸露金属点，可在该裸露金属点产生高温。
本实施例中，在金属电极2上形成加热孔，以便将金属电极2可通过加热孔裸露在惰性气体内，该加热孔的直径大小直接决定金属电极2的裸露金属点的大小，为保证本实施例金属电极附近可有效地产生电晕空间，加热孔的直径要设置为合适值，优选地，本实施例中加热孔的直径可为0.1mm～5mm，即将裸露金属点的直径可介于0.1mm至5mm之间。
二、惰性气体
本实施例中，FL管1内的惰性气体为化学活性较差、不易与其他物质发生化学反应的气体，如：氩（Ar）气、氖（Ne）气、氦（He）气或氪（Kr）气，或前述任意气体的任意混合。其中，优选Ar气和Ne气，且本实施采用Ar气以对本实施例进行说明，当采用其它惰性气体时，可具有与采用Ar气相同或类似的作用。
三、点火阶段
点火阶段是将FL管内的两金属电极产生电晕空间，实现发光设备的首次点亮、发光，该点火阶段包括对金属电极附近的惰性气体进行加热，以及在两金属电极之间形成电离阈值的电场，使得被加热的惰性气体形成电晕空间。
本实施例中，金属电极2可在焦耳热作用下，加热加热孔附近的惰性气体；或者，在施加在两个金属电极2之间的预设频率点火电压作用下，金属电极2通过加热孔被电子频繁碰撞产生热量，加热加热孔附近的惰性气体。下面分别对两种加热方式进行说明：
采用焦耳热进行加热时，主要是利用施加在金属电极2上的电压，利用金属电极产生的焦耳热，使得金属电极上加热孔处裸露金属点产生高温，并通过加热孔加热加热孔附近的惰性气体，直到产生的金属电极上的裸露金属点处产生的热量可使惰性气体原子电离。具体地，可在两金属电极上施加一定电压，使金属电极上裸露在惰性气体的裸露金属点加热到约800℃的高温，从而使得惰性气体可在该高温的作用下产生电离，其中，在对惰性气体的加热过程中，惰性气体中被加热的气体原子与未被加热气体原子通过对流形成加热空间，以Ar气为例，该加热空间被导热系数为3.9x10-5cal/cm·sec·deg的氩原子热隔离包围，加热空间中的氩原子被均匀加热到指定温度，当超过气体原子的电离阈值温度时，在施加在金属电极两端的电场的作用下，气体原子被激发、电离形成电晕空间。
采用预设频率点火电压进行加热时，主要是利用施加在两金属电极的预设频率的电压，使得金属电极可在具有较高预设频率的作用下，使裸露在惰性气体内的裸露金属点，可在电子频繁碰撞下，产生热量，从而依靠该产生的热量加热加热孔附近的惰性气体，直到惰性气体达到电离状态，其中，点火电压的频率可设定在20KHz～70KHz，下面将对预设频率的点火电压对金属电极附近的惰性气体进行加热做进一步的说明。
本实施例采用点火电压的频率高于20KHz，例如，60KHz，即施加在两个金属电极之间的点火电压的频率高于20KHz，且该点火电压具有较高的电压值，例如300V，这样，在FL管内的金属电极附近的气体就会在高电压作用下被电离，而Ar原子电离的结果是在该FL管内金属电极周围产生大量的自由电子和正离子，在金属电极附近产生的大量电子可在两金属电极之间电场的作用下形成流光电子。具体地，在两金属电极之间电场作用下，如FL管长度为50cm，直径为15mm的密封管时，形成电场的电压为300V时，金属电极裸露在惰性气体部分的微小裸点附近的Ar气体空间内会产生流光电子，且初始流光电子的产生条件与通过焦耳热产生的电晕空间相同，金属电极的微小裸点直接通过这些流光电子的靶加热，在60KHz的点火电压的作用下即可将金属电极附近的惰性气体被加热至形成电晕空间所需的温度。
通常来说，当施加在两金属电极之间的电压的频率低于1KHz时，Ar原子的初始电离（即形成电晕空间时）是利用焦耳热方式实现加热的；而在施加的电压的频率高于1KHz时，Ar原子的初始电离是由高频率的电场作用而实现加热的，不管是利用焦热加热还是预设频率点火电压作用形成的电晕空间原理是相同的，即被加热的惰性气体空间，在电场作用下电离形成的电离空间。
当金属电极附近的惰性气体被加热到一定温度时，即可在施加在金属电极之间的预设电离阈值的电场作用下形成电晕空间，通常，可在两金属电极之间施加大于或等于300V的交流电压，以便在两金属电极之间形成等于或大于电离阈值的电场。实际应用中，可能根据实际需要在两金属电极之间施加合适的电压，以在两金属电极之间形成所需的电场，具体地，可根据不同的金属电极、FL管的形状、尺寸，以及隔热电绝缘层的材料等，施加合适的电压。本领域技术人员可以理解的是，本实施例中所述的点火电压和产生预设电离阈值的电场的电压可为施加在量金属电极上的同一电压，且利用焦耳热进行加热金属电极时施加的电压也可称为点火电压。
本实施例中，在金属电极附近形成的电晕空间中，Ar原子被激发后形成受激原子Ar*；Ar原子被电离后形成自由电子和正离子Ar+；除此之外，仍然存在未被激发也未被电离的Ar原子。其中，仅有受激原子Ar*能够发射肉眼可见的天蓝色光，而其他粒子发出的光均不可见。除了在金属电极上的加热的微小裸露金属点之外。该空间中的真空通过Ar+被电中和。该加热空间中的自由电子可轻松地在FL管内加热的氩空间内继续移动，而该空间中的自由电子是用于FL管发光所需的第四代电子源。在电晕空间周围的气体原子之间的真空中的负电场也被Ar+中和，取自电晕空间的电子轻松地在真空中移动并与Ar原子碰撞，从而产生Ar+以及自由电子。该中和的真空延伸到整个Ar气体空间，以使进入的电子以大约105cm sec-1的速度朝向该电子收集源移动，在FL管内形成一电子电路。这就提供了这些FL管中的Ar气体的瞬时发光（点火）。如图2所示，金属电极上裸露在惰性气体微小裸点会被加热成红色，而电晕空间就形成于红色点金属前面不远处，随着电子的加速，这种Ar气体发光立即传播到该FL管内的整个Ar气体空间，氩原子发出天蓝色光。
如图2所示，本实施例金属电极为阴极时，电晕空间中的Ar原子之间的真空中的负电场被正离子Ar+中和，而产生的自由电子可以在FL管内继续移动并与Ar原子碰撞；在中和电场中随电子轨迹再次产生Ar+以及自由电子，从而可以构成电子源所需的大量自由电子。被中和的真空延伸到整个电晕空间，在电场的作用下，自由电子e-以大约105cm/s的速度朝向位于FL管内另一端作为阳极的金属电极2移动，具有低于11eV的动能的这些移动电子到达该阳极后会与该阳极附近形成的电晕空间中的Ar+重新组合以变回到Ar原子，这就提供了这些FL管中的Ar气体的瞬时发光，即点亮，可以看出，本实施例中在两金属电极的裸露金属点20附近产生有电晕空间时，即可将FL管点亮发光，这就是点火阶段。
图6A为本发明发光设备实施例一中点火阶段钨丝线圈的实物图；图6B为本发明利用钨丝线圈实现的发光设备点火后电极一端的示意图。如图6A所示，当金属电极的裸露金属点20附近形成电晕空间的过程中，在15倍的光学显微镜下可以观察到，当惰性气体的气体原子的温度超过电离阈值温度时，钨丝线圈21的裸露金属点20被快速加热至橙色到红色的温度，而钨丝线圈21上涂覆有BaO颗粒的部分仍然很暗，没有发光。从图中可以看到，在红色的加热点周围空间中的氩原子伴随着天蓝色光突然被点亮，然后，在该FL管的整个体积中的氩气立即点亮为天蓝色光，从而实现发光设备的首次点亮。
另外，经过仔细观察可以发现：Ar原子的发光并不限于与钨丝线圈的红色点直接接触的Ar原子。已加热的Ar原子具有与未加热的Ar原子的对流，使已加热的Ar原子分布在适当尺寸的空间内，即天蓝色光内。该空间的中心是被加热的金属电极的裸露金属点，该加热的空间即是本实施例所述的电晕空间。其中，电晕空间的直径大小通常在0.5cm～1cm左右，由被加热的裸露金属点，即加热孔的大小决定。如图6B所示，加热的钨丝线圈A附近会形成电晕空间，该电晕空间即为本发明实施例中的第四代电子源，在FL管的两端分别形成的第四代电子源之间，就会形成FL管发光所需的自有电子，使得FL管可以发光。
本实施例中，点火阶段可实现对发光设备的初始点亮，使得发光设备可正常发光，而要保持这种发光，使发光设备稳定、持续的发光，则需要下面的维持阶段来实现。
四、维持阶段
维持阶段是通过在两金属电极之间施加具有一定频率的维持电压，使金属电极附近产生的电晕空间可持续存在，以保证FL管可稳定、持续的发出可见光。本实施例中，不管是利用焦热加热还是预设频率点火电压作用形成电晕空间，只要在Ar原子的点火，即形成电晕空间后，通过在两金属电极之间施加一定频率的维持电压，即可保持电晕空间的存在。
图7为图6A中钨丝线圈在维持阶段的实物图。在两金属电极形成电晕空间实现点火后，可将施加在两金属电极之间的电压转换为维持电压，例如100V，发光设备即可进入维持阶段。维持阶段中，在两金属电极之间施加的维持电压的作用下，可保持两金属电极处形成的电晕空间，即维持第四代电子源的存在，如图7所示，在维持阶段，钨丝线圈裸露金属点仍旧会观察到电晕空间的存在，在钨丝线圈的裸露金属点仍旧会产生氩气被点亮的天蓝色光。
本实施例中，所述的维持电压为交流电压，该维持电压可具有较小的电压数值和较小的工作频率，利用该维持电压即可保证发光设备的运行，维持两金属电极附近产生的电晕空间的存在。下面将对维持阶段的原理进行说明。
在气体原子的点火（发光）即在金属电极处产生电晕空间后，Ar空间具有高密度电子，这些电子具有Ar原子的电离，这种电离是Ar空间内的移动电子的碰撞的结果。金属电极在点火阶段形成电晕空间后，在施加的ac电流作用下被加热的Ar气体空间内形成有流光电子，这些流光电子不再具有在原子之间的中和的真空中移动的难度，因此，在FL管内形成的电子电路中的电子的表现中应考虑这些电子的平均自由行程。
而FL管内气体空间中的移动电子的平均自由行程主要是由Ar原子之间的真空距离确定，且该距离对应于的这些电子与气体原子的散射距离。当FL管中的Ar原子处于低压力时，在气体空间内的这些移动电子将它们的平均自由行程延长，具有长的平均自由行程的这些电子在两金属电极之间的电场下以较小的偏离继续移动。因此，这些移动电子通过金属电极之间的电场累积，在阳极附近的这些累积的电子（处于高密度）形成这些流光电子，就像电子束或者来自云中的负电荷的雷电的早期阶段那样；处于短程中的这些流光电子继续移动并且优先撞击在该正极（阳极）处的钨丝线圈的裸露金属点，该部分是FL管中的空间内的最接近于接地的点，且这些流光电子并不撞击由BaO所覆盖的钨丝线圈，因为这部分是电绝缘层。
处于半周期内的这些流光电子的方向朝向该阳极金属电极（正极）而不是该阴极金属电极（负极）。这些流光电子周期性地撞击所施加的频率（如具有50Hz的5x10-3sec）的半周期中的同一靶，而并不撞击在随后的半周期（5x10-3sec）内的靶。由于覆盖有BaO绝缘材料层的钨丝线圈具有大的热容量，且钨丝线圈被具有非常低热传导的氩原子所包围，所以，钨丝线圈在2x10-2sec时间内可保持其上微小裸点金属加热点的合适温度。随着每个半周期，流光电子对微小裸金属进行周期性加热，使得加热设备可在50Hz的维持电压运行频率下，即可为钨丝线圈的处形成电晕空间保持合适的温度，从而维持两金属电极处行程的电晕空间（即第四代电子源），保证发光设备可正常的工作。
由于用于流光电子的出现的ac电压随着可用的电子的高密度而降低，这种降低的电压对应于维持电压。若FL管的金属电极保持点火电压，则形成的流光电子的能量太高，金属电极上裸露的微小裸金属点的靶加热到高温，被加热到高温的裸金属点将会蒸发。为了避免加热的金属在这些高温的蒸发，必须将施加到金属电极的ac电压降低至该维持电压，而通过该维持电压产生的流光电子的位置并不随着FL管的长度和直径而变化。实际应用中，维持电压一般应低于100V，这是因为：在维持电压较高时，例如300V时，FL管内的流光电子会使金属电极的裸露金属点快速加热，使钨丝线圈蒸发。通常，在采用钨丝线圈的金属电极时，发光设备的维持电压一般可在高于90V时即可保持金属电极附近的电晕空间，同时，维持电压还可随着钨丝线圈上的涂覆的BaO粉末的量而变化，因此，根据实际需要可设定合适的维持电压，以保证设备可稳定运行，同时可具有较小的能耗。
以上可以看出，本实施例中发光设备正常工作，需要维持点火阶段形成的电晕空间，即第四代电子源。在通过将以高于20kHz的高频率的高压的短脉冲施加到金属电极的Ar气体空间，或者，利用焦耳热产生电晕空间后，施加到金属电极的ac电压可被切换至ac维持电压。
本实例中，金属电极的裸金属点形成电晕空间后，为了FL管的运行，应在FL管的两侧保持有电晕空间，因此，需要用ac维持电压运行发光设备，该维持电压需要具有一定的频率，且维持电压的频率可被降至低频率，以降低发光设备运行时的功率消耗。具体地，该维持电压的频率可介于50Hz与200Hz之间，通常采用50Hz频率的维持电压。实际应用中，若将维持电压的频率从50KHz降至100Hz，则功率消耗将被降至以50KHz运行的功率消耗的1x10-3倍。此外，通过将施加的维持电压为脉冲波而不是正弦波也可进一步地降低功率消耗。
本实施例中，FL管内混合气体的压力对电晕空间的保持，以及FL管的工作寿命均有影响。在FL管内Ar气体压力低于5托时，这些流光电子变成了长平均自由行程的高密度。钨丝线圈的微小裸点的蒸发被长平均自由程的流光电子加速，而蒸发的钨金属会沉积在FL管的荧光屏上，荧光屏上沉积的钨金属层将Ar原子保持在其中，从而使该FL管中的Ar气体压力降低。Ar气体压力的降低延长这些电子的平均自由行程。在该气体压力低于3托时，具有延长的平均自由行程的这些电子突然形成电弧电流。其结果是，软化的钨丝线圈由于其机械强度而折断。对于这些FL管的长工作寿命而言，FL管中的气体压力应尽可能地具有高压力。优选地，本实施例中，FL管内填充的惰性气体的压力可为20托～200托之间，实际应用中，可根据需要在FL管内填充合适压力的惰性气体。
综上，本实施例发光设备中电子源为在金属电极附近产生的电晕空间，该电子源中的电子并不是直接来源于金属电极本身，发光设备内部的电子电路是通过两个电晕空间之间的电子运动形成，发光设备工作时，仅需要维持电晕空间的维持电压即可，且维持电压可具有较低的频率和电压值，因此，可有效降低发光设备的电能消耗，且发光设备可具有较高的发光效率；同时，本实施例中电晕空间的产生是通过电场对加热的惰性气体作用形成的电离空间，发光设备的点亮阶段易于实现，可有效实现发光设备的首次点亮。
图8为本发明发光设备实施例二中金属电极的结构示意图。与上述图1至图7所示实施例技术方案不同的是，本实施例中的金属电极为平板金属电极，包括金属平板22，该金属平板22上涂覆有隔热电绝缘层221，加热孔222设置在金属平板22的表面。
本实施中，所述的金属平板22采用较薄且具有较小直径的板，且该金属平板22可具有较缓慢的热传导性能。其中，金属平板22的厚度可介于0.2mm与0.7mm之间，优选地，本实施例采用的金属平板22的厚度介于0.3mm与0.5mm之间；金属平板的直径可介于1.0mm与15cm之间，优选地，本实施例采用的金属平板22的直径可介于2mm与5mm之间。
本实施例中，涂覆在金属平板22表面的隔热电绝缘层221可由Y2O3粒子组成，该Y2O3粒子具有较大的介电常数（ε=12），可有效降低发光设备的点火电压和维持电压。
图9为本发明发光设备实施例三中金属电极的结构示意图。与上述图1至图7所示实施例技术方案不同的是，本实施例中的金属电极为杆状金属电极，包括金属杆23，该金属杆23上涂覆有隔热电绝缘层231，加热孔232设置在金属杆23的端部。
本实施例中，金属杆23的长度可介于3mm至15mm之间，金属杆23的直径可介于0.5mm至3mm之间，优选地，金属杆23的长度可介于5mm至10mm之间，金属杆23的直径可介于0.7mm至1.5mm之间。且加热孔232可通过精细砂纸研磨得到。
图10为本发明发光设备实施例四中金属电极的结构示意图。与上述图1至图7所示实施例技术方案不同的是，本实施例中的金属电极为杯形金属电极，包括杯形金属体24，该杯形金属体24上涂覆有隔热电绝缘层241，加热孔242设置在杯形金属体24的底部。
本实施例中，根据FL管的内径，杯形金属体的24的内径可介于1mm与10mm之间，杯形金属体24的厚度可介于0.05mm与1mm之间，优选地，本实施例杯形金属体24的厚度介于0.2mm与0.5mm之间。
本实施例中，杯形金属体24的底部应具有圆锥形或锥形的形状，而不是板状，且杯形金属体24的外壁涂覆有隔热电绝缘层241，杯形金属体24的顶边缘也可涂覆有隔热电绝缘层241，加热孔242设置在杯形金属体24的底部，这样，位于杯形金属体24底部的微小裸金属点蒸发的金属沉积在杯形金属体24的内表面上的绝缘体粒子层或膜上，蒸发的金属并不会沉积在FL管的荧光屏的表面上。因此，在金属电极周围的这些荧光屏不会随着工作时间而因蒸发的金属变黑。本实施例中，杯形金属体24底部金属的厚度应比侧壁的厚度厚，以提高发光设备工作寿命。
上述图8～图10所示的实施例中，各形状的金属电极均可通过端部设置的金属杆25安装在FL管内，且该金属杆25可具有与FL管的玻璃的热膨胀系数相适应的热膨胀系数。
本实施例中，上述的发光设备也可以是LCD背光源，其可具有与上述FL管相同的发光原理和类似的结构，在此不再赘述。
为对本发明有更好的了解，下面对本发明技术方案的技术原理进行说明。
传统采用第三代电子源的HCFL管从热阴极（如加热的钨线圈）上获得电子，并且将这些电子直接注入FL管的气体空间内。电子是具有负电荷（1.6x10-19库仑）的粒子，因此电子易受到电场的影响。气体空间由独立的气体原子形成，单个的气体原子保持电中性。此处在讨论中忽略了气体空间，实际上是气体原子之间的真空，该气体空间具有这些电子外壳中的轨道电子的电场（>105eV·cm-1），这些轨道电子的电场延伸到气体原子之间的真空。为了进入气体原子之间的真空，所注入的电子必须具有大于105eV·cm-1的动能。因此利用第三代电子源的FL管需要提供较高的能量以提供这些动能。
在HCFL的开发中，FL管的开发人员在将电子从阴极注入到气体原子之间的真空中时遇到了负场。此外，FL中的普通的荧光屏也不可避免地具有负电荷，这些负电荷通过库仑排斥拒绝电子接近荧光屏。
FL管的开发人员通过尝试错误方法努力寻找气体发光的点火的解决方法，而不是理论上的解决方法。此外，热阴极（涂覆在钨线圈上的BaO层）的应用使他们的努力更加混乱。他们一直相信已从钨线圈上的加热的BaO取得热电子。以下假设从热阴极取得电子的情况下描述这些电子进入气体原子之间的真空的机理。
而本发明人却发现另一种事实，即FL管中气体原子之间的真空中气体原子的轨道电子的负场通过这些正离子的存在而被中和。氩原子通过具有高动能（～200eV）的这些移动电子被电离，该动能大于这些气体原子的电离能量（15.7eV）。具有轻质量的这些电子从所产生的位置移出并到达该真空。而处于重质量的这些正离子停留在所产生的位置周围。在这些正离子周围的这些轨道电子的负场通过这些正离子的正电场被中和。
在将大于20kHz的高频率电压施加到电极时，在这些电极周围的这些Ar气体被电离。因此，在这些电极附近的气体空间的负场通过这些被正电离的离子被部分地中和。然后，第一个电子可进入在这些电极附近的真空中。具有这种高动能（>20eV）的电子与气体原子弹性碰撞并将其电离。所散射的电子以及来自阴极的后来的电子以105cm·sec-1的速度向更远的氩空间移动。移动电子将该移动行程中的许多气体原子电离并激发。这是氩原子在FL管中发光（点火）。实际上，气体发光的点火的触发由于这些电极周围的电离气体原子而被分配给这些正离子（不可见）。已出版的教科书中对用于气体发光的点火的初始电子的要求的难以理解的评述已通过被正电离的气体离子的存在而详细说明。
具有大于105eV·cm-1的动能的取自热阴极的这些电子直接进入已被中和的真空中。惰性气体的电离能量低于20eV。因此，进入气体原子之间的真空中的这些电子产生气体原子的大量的电离（不可见），以及通过具有小于电离能量的动能的散射的电子的气体原子的激发。仅有受激的气体原子产生这些光。因此，由FL管中的轨道电子导致的该真空中的负场由这些正离子完全而瞬时地中和，而且被中和的气体空间成为了正电柱。用精密的探针并不能够检测到以（10-8cm）排序的单个电子和正离子的分布已通过等离子体对正电柱进行了说明，该正电柱实际上是移动电子行程，从宏观上来讲，该本发明中形成的电晕空间中的等离子体是电子、正离子和中性气体原子的均匀混合物。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (12)
1.一种发光设备，其特征在于，包括：
密封容器，所述密封容器内填充有具有预设压力的混合气体，所述混合气体包括惰性气体，以及汞蒸气；
两个金属电极，分别设置在所述密封容器的两端，其中，所述金属电极表面覆盖有隔热电绝缘层，所述隔热电绝缘层上设有加热孔，所述金属电极通过所述加热孔暴露在所述混合气体内；
其中，所述加热孔附近的惰性气体在点火阶段被加热后形成电晕空间，所述电晕空间为所述惰性气体被形成在所述两个金属电极之间的电离阈值的电场的作用下形成的电子和带正电离子的电离空间，在所述两个金属电极处产生有所述电晕空间后，在维持阶段在所述两个金属电极之间施加一维持电压，以维持形成在所述两个金属电极处的所述电晕空间，其中，在所述点火阶段采用的点火电压的频率高于20KHz，所述维持电压的频率介于50Hz与200Hz之间；所述密封容器内填充的惰性气体的压力为20托～200托；
所述加热孔的直径为0.1mm～5mm。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于，所述加热孔的直径为1mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于，所述惰性气体为氩气、氖气、氦气、氪气中的一种或者任意两种以上的混合气体。
4.根据权利要求1所述的发光设备，其特征在于，所述发光设备为荧光灯，或者，所述发光设备为LCD背光源。
5.根据权利要求1～4任一所述的发光设备，其特征在于，所述金属电极为平板金属电极，所述平板金属电极上涂覆有所述隔热电绝缘层，所述加热孔设置在所述平板金属电极的表面。
6.根据权利要求5所述的发光设备，其特征在于，所述平板金属电极的厚度为0.3～0.5mm。
7.根据权利要求1～4任一所述的发光设备，其特征在于，所述金属电极为杆状金属电极，所述杆状金属电极上涂覆有所述隔热电绝缘层，所述加热孔设置在所述杆状金属电极的端部。
8.根据权利要求7所述的发光设备，其特征在于，所述杆状金属电极的直径为0.7mm～1.5mm。
9.根据权利要求1～4任一所述的发光设备，其特征在于，所述金属电极为杯形金属电极，所述杯形金属电极上涂覆有所述隔热电绝缘层，所述加热孔设置在所述杯形金属电极的底部。
10.根据权利要求9所述的发光设备，其特征在于，所述杯形金属电极的厚度为0.2mm～0.5mm。
11.根据权利要求1～4任一所述的发光设备，其特征在于，所述金属电极为钨丝金属电极，所述加热孔设置在所述钨丝金属电极的端部。
12.根据权利要求11所述的发光设备，其特征在于，所述钨丝金属电极端部的钨丝的直径大于被隔热电绝缘层覆盖的钨丝的直径。
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