CN110024078A - 适用于发射紫外线的场发射光源 - Google Patents
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Abstract
本发明一般涉及一种场发射光源，具体地涉及一种适用于发射紫外（UV）光的场发射光源。该光源具有紫外发射构件，该构件设有可电子激发的紫外发射材料。该材料为LuPO3:Pr3+、Lu2Si2O7:Pr3+、LaPO4:Pr3+、YBO3:Pr3+和YPO4:Bi3+中的至少一种。
Description
技术领域
本发明一般涉及一种场发射光源，具体地涉及一种适用于发射紫外（UV）光的场发射光源。
背景技术
紫外（UV）照明系统可以例如用于消毒、树脂固化和许多其他应用。大多数这样的紫外照明系统包括使用汞作为活性组分之一的紫外光源。存在替代方案，例如使用昂贵的准分子灯或者可以使用多个紫外LED。然而，现代紫外LED难以发射低于350 nm的紫外光。
汞基紫外照明的另外一个替代方案是，使用场发射光源技术。场发射是当在导电材料表面附近施加非常高的电场时发生的现象。该场将给予电子足够高的能量，使得电子从材料发射。
在US9288885中公开了可适用于紫外光发射的场发射光源的示例。在US9288885中，阴极布置在真空腔室中，具有例如玻璃璧，其中腔室内涂覆阳极导电层。此外，发光层沉积在阳极上。当在阴极和阳极导电层之间施加足够高的电位差时，产生足够高的电场强度，电子从阴极发射，并朝向阳极加速。当电子撞击发光层时，通常包括光粉，例如包括磷光体，将发射光子，该过程称为阴极发光。US9288885公开了由场发射光源发射的光源优选为白光，但是也可以发射紫外光。
尽管US9288885提供了汞基紫外照明的有趣且替代的方法，但是没有给出如何实现低于350 nm的有效紫外光发射的解决方案。因此，似乎需要使用场发射光源技术进一步改进紫外照明，特别是低于350 nm的紫外光发射的实施。
发明内容
根据本发明的一个方面，通过适用于发射紫外光的场发射光源至少部分地减轻上述情况，包括真空腔室，所述真空腔室包括紫外光透过部分，场发射阴极，包括多个纳米结构，场发射阴极布置在真空腔室内，阳极结构布置在真空腔室内，以及紫外发射构件，设有可电子激发的紫外发射材料，所述紫外发射构件布置在真空腔室内，其中，当在阳极结构和阴极之间施加电压时，可电子激发的紫外发射材料适于向紫外发射构件发射紫外光，因此从场发射阴极朝向阳极结构发射电子，由此紫外发射构件所发射的紫外光至少部分地通过紫外光透过部分发射至场发射紫外光源的外部，其中，可电子激发的紫外发射材料为LuPO3:Pr3+、Lu2Si2O7:Pr3+、LaPO4:Pr3+、YBO3:Pr3+和YPO4:Bi3+中的至少一种。
如上所述，根据本发明，提供了一种特别适用于紫外光发射的场发射光源，包括发明人已经识别为特别适用于场发射照明应用的紫外发射材料，其中由场发射阴极所发射的电子通过上述定义的可电子激发的紫外发射材料直接转换成紫外光。已知存在几种材料将较高能量的光子转换成UV光，但是这些材料通常不适合用于场发射照明应用（应用电子到紫外的直接转换）。
此外，与已知的基于场发射的紫外照明应用相比，上述限定的特别选择类型的可电子激发的紫外发射材料被推断为具有高耐久性，具有合适的寿命和相对高的效率。根据本发明，紫外光适用于具有至少部分低于350 nm的波长，优选地低于320 nm，更优选地，低至240 nm。然而，在一些实施例中，希望不发射低于240 nm的辐射，因为在某些国家中，例如德国，这些波长有时是不希望的，甚至被禁止用于饮用水消毒。
优选地，紫外发射构件与阳极结构相邻布置，或者设置为阳极结构的一部分。因此，实施见取决于手头的应用。从上文可以理解，紫外光通常会被紫外发射构件朝向紫外光透过部分发射，然后从紫外光源射出。因此，紫外发射构件可以集成至阳极结构（用作场发射光源的一个电极），或者类似地设置在阳极结构紧密相邻的位置。
在一个实施例中，阳极结构包括导电层，所述导电层布置为在朝向场发射阴极的方向上至少部分地覆盖可电子激发的紫外发射材料。在这种构造中，导电层将有效地增加可电子激发的紫外发射材料的寿命，因为它可以减少紫外发射材料的充电并且还改善来自紫外发射材料的热分布和传输。然而，导电层应该足够薄，使得撞击阳极的电子将穿过该层而不损失任何显著部分的能量；如果发射这种情况，这种能量将不会转换为光子并丢失，从而导致整体能效降低。
该层有两种优选的金属，即是Ag（银）和Al（铝）。两者中，后者成本较低，元件更轻（允许较厚的层，因此更容易以相同的方式在相对较大的表面上沉积），并且对紫外光具有高反射率，由于其氧化物薄而更容易实现。在一个实施例中，铝层的厚度选择为大于50 nm，优选在60-110 nm之间。
根据本发明，纳米结构优选包括ZnO纳米结构和碳纳米管中的至少一种。多个ZnO纳米结构适用于具有至少1μm的长度。在另外一个实施例中，纳米结构优选地具有3-50μm范围内的长度和5-300μm范围内的直径。
优选地，紫外光透过部分包括石英、熔融石英、紫外透明硼硅酸盐和紫外透明软玻璃中的至少一种。由于它们对紫外光的固有透明性，这些材料是合适的。
用于消费者应用的电子能量小于10 kV，优选地小于9 kV，或者由轫致辐射所产生的X射线能够从灯中逃离（否则由阳极玻璃吸收）。然而，这些水平在某种程度上取决于玻璃厚度，因此，如果使用较厚的玻璃，可以允许更高的电压。
另一方面，如上所述，电子能量必须足够高以穿透导电层和反射层。因此，消费者应用的优选范围在7-9 kV，工业应用（可以接受一些软X射线的情形）的优选范围在7-15kV。
真空腔室需要处于部分真空下，使得从阴极发射的电子可以仅与气体分子的少量碰撞而转移到阳极。通常，真空空间可以抽真空至压力小于1x10-4托。吸气器构件优选包括活性材料的沉积物，其被提供用于完成和维持真空腔室内的真空。将吸气器包括并电连接至场发射阴极可能是合适的。
在本公开的一些实施例中，真空腔室可以形成为细长管，其中例如细长管的第一和第二端部相应地用玻璃塞密封。在此实施例中，吸气器构件可以布置在端塞处，端塞布置在细长管的第一端部处。作为替代方案，第一端部处的端塞包括杆部，并且吸气器构件布置在端塞的杆部处。或者，当使用石英或者熔融石英时，尤其常见的是，真空腔室被挤压以封闭腔室。
优选地，场发射光源可以布置为消毒系统的组件，下面将详细描述。消毒系统可以例如适用于处理流体、表面或者气体介质。本发明上下文中，所使用的表述“流体”也应当被广泛地解释，并且可以包括需要消毒的任何类型的流体，例如水。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了下面描述的实施例之外的实施例。
附图说明
从下面的详细描述和附图中将容易理解本发明的各个方面，包括其特定的特征和优点，其中：
图1示出根据本发明当前优选实施例的场发射紫外光源的立体图，
图2示出导电层的反射率曲线图，
图3概念性地示出一种用于处理流体的系统，包括如图1所示的场发射紫外光源，以及
图4a-f示出由不同磷光体材料所产生的不同发射光谱及相应的杀菌失活曲线。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于这里阐述的实施例；相反，提供这些实施例是为了彻底性和完整性，并且向发明人员充分传达了本发明的范围。相同的参考字符始终表示相同的元件。
现在参照附图，尤其是图1，示出了根据本发明优选实施例的管状场发射光源100。场发射光源100包括设有多个ZnO纳米结构104的导线102，纳米结构具有至少1μm的长度，导线102和多个ZnO纳米结构104一起形成场发射阴极106。在一个可能的实施例中，ZnO纳米结构104可以选择性地布置在间隔的突出（未示出）上。作为替代方案，还可以将ZnO纳米结构104替换为碳纳米管（CNT，未示出）。其他发射体材料同样是可能的，并且在本发明的范围内。
场发射光源100还包括阳极结构108，布置在场发射阴极106的附近。在场发射阴极106和阳极结构108之间所形成的腔室112被抽真空，从而在场发射阴极106和阳极结构108之间形成真空。
阳极结构108包括紫外透明材料114，例如石英、熔融石英、紫外透明硼硅酸盐（例如Schott 8337B）或者紫外透明软玻璃（例如Philips PH160）。其他透明材料同样是可能的并且在本发明的范围内。这种材料的例子是MgF2和蓝宝石。
透明结构114又设置有能够将电子能量转换成紫外光子的材料层116，下文橙汁为磷光体。这些材料的实例是LuPO3:Pr3+、Lu2Si2O7:Pr3+、LaPO4:Pr3+、YBO3:Pr3+和YPO4:Bi3+。其他类似材料可能同样可行。
为了实现完整的电路并同时允许紫外光子离开光源，在磷光体层116的顶部沉积薄的导电层118。所选择的铝具有相对轻的原子质量，这意味着甚至相对低的动能的电子可以在很大程度上穿过铝膜。铝对紫外线也有很高的反射率。当电子穿过铝膜撞击紫外发射磷光体，所发射的光子将在所有方向上辐射。为了不在光源结构内部产生所产生光子的额外的吸收损失，铝层也像镜子一样起作用。为了具有高反射率，且作为良好的镜子，铝的厚度通常必须大于50 nm。此外，铝将改善热传输。热量主要靠近磷光体表面产生，即是，靠近铝层。因此，该层的功能是三倍的。
铝的替代材料是银（Ag）。然而，银具有更高的原子质量，因此将更大程度地阻碍电子。还可以使用其他导电材料，但是大多数导电材料在紫外辐射的反射或者更高原子质量上产生损失。
为了封闭腔室并保持真空，管100的端部用玻璃塞120、122堵塞。这些玻璃塞120、122不一定必须是紫外透明的，并且还用作包含电反馈通过所需以在阳极（具体地，导电层118和外部连接器124）和阴极106的导线102之间建立外部接触。在图1的图示中，导线102和连接器124示出为在管状场发射光源100的下端延伸到外部。然而，应当理解，导线102和/或连接器124也可以或者替代地在管状场发射光源100的上端延伸到外部。
另外，端塞之一，例如端塞122，可以包含管126，用于将腔室112抽真空中真空水平。一旦腔室112被抽真空，管126被加热熔断。这些端塞120、122通常用于普通荧光灯，主要要求是材料的热性能必须类似于紫外透明材料114的热性能，且使用相对高的温度熔融在一起。因此，各个膨胀系数之间较大的差异将导致应力甚至开裂。
为了实现并且特别是维持1x10-4托或者更好的真空，非常希望使用吸气器128。吸气器可以安装在一个端塞上，例如端塞124。典型的吸气器可以是意大利的SAES吸气器SP777。
用于消费者应用的能量应小于10 kV，优选地小于9 kV，或者由韧致辐射所产生的软X射线能够从灯中逸出（否则由阳极玻璃吸收）。然而，这些水平在某种程度上取决于玻璃厚度，因此，如果使用较厚的玻璃，则可以允许更高的电压。
另一方面，能量必须足够高以穿透导电层和反射层。因此，消费者应用的优选范围为7-9 kV，工业应用（其中可以接受一些软X射线）的优选范围为7-15 kV。优选地，DC信号（直流电）可以用于驱动场发射光源100；然而，在一些实施例中，也可以应用AC（交流电）信号。在场发射光源100的操作期间，用于产生上述限定范围内的电压的电源（未示出）可以施加至导线102和连接器124。
工作能量（工作电压）主要由纳米结构的详细几何形状（高度、宽度/最小半径，距离）、光源100的集合形状以及阴极106和阳极108之间的距离设定。
对于铝，反射导电层的厚度确定在50-100 nm的范围内。反射率曲线如图2所示。可以看出，反射率在超过50 nm达到其稳定最大值。允许表面上发生一些厚度变化，目标值应该设置60-70 nm作为低端，90-110 nm作为高端，所有这些取决于确切的期望工作电压，进而由应用决定。
应该注意的是，使用给定输入功率要求，较高的工作电压可能是有益的，较高的电压导致较低的电流密度。电流密度与磷光体的强度退化直接相关，其中受控累积电荷被认为是该退化的主要原因。使用较高能量的第二个好处是效率通常随着电压的增加而增加，可能是以为光子在阴极发光微晶中更深地产生，而较低比例的电子（特别是二次电子）到达微晶的表面（表面上将发生非辐射复合过程）。
最后转向图3，示出包括管状场发射光源100的可能实施例。具体地，在图3中，示出了流体紫外消毒系统300的横截面视图。应该注意的是，整个系统通常可能包含不同种类的过滤器和其他组件。这里仅描述了紫外线消毒部分。如上所述的场发射紫外光源100可以设置为系统300的专用（或者多个中的一个）紫外光源。
诸如水的流体通过入口302进入消毒管然后进入布置为接收一定量流体的容器。场发射光源100接通并由电子驱动单元306通电。在一些实施例中，消毒管可以包括各种结构或者装置以提供湍流，以进一步确保所有生物体经受尽可能大量的紫外辐射，这些结构和装置也未示出。电子驱动单元306又连接到电源308，例如墙壁电插座或类似物。电源还可以与消毒管或者光源集成在一起。水通过紫外光源100，并通过出口310离开。紫外强度可以通过紫外传感器312监测，紫外传感器连接至电驱动单元306，其保护系统以获得足够的紫外强度以确保充分消毒。电子驱动单元306还可以控制可变阀（未示出），因此通过使用紫外强度来确定其最大值来控制流速。其他传感器可以包括温度和压力传感器（未示出）。
应当理解的是，在一些实施例中，可以将紫外光源100组合在流体紫外消毒系统300内，从而允许进一步改进流体处理。此外，使用紫外场发射光源100的其他应用也是可能的，包括例如空气消毒、表面消毒、胶水固化等，同样是可能的，且所描述的系统实施例方式同样有效。对于本领域技术人员来说显而易见的是，缩放和所描述的实施例的不同组合是直截了当的。作为示例，出于实际原因，附图示出了具有相似尺寸和形状的光源，但是它们可能实际上具有完全不同的尺寸以及不同的形状因子。此外，在这些系统中可能存在额外的光源。
现在参照图4a-4f，提供图3所示的示例性消毒系统用于去除大肠杆菌的结果的实例。需要注意，所有测量的失活曲线显示相对减少作为UV剂量的函数以进行比较，因此，垂直轴显示大肠杆菌在每毫升菌落形成单位（CFU/ml）的剩余浓度（表示为N）与照射前的初始浓度（表示为N0）之间的比率的对数，因此表示为log(N/N0)。
在图4a中，提供来自UVC场发射光源的发射光谱，UVC场发射光源设有第一磷光体材料（光粉）用于紫外光发射。在图4a中，磷光体材料被选择为LuPO3:Pr3+磷光体材料（或等同物）。在图4b中，示出相应的失活曲线，用于水消毒，其中没有明显的拖尾可见。
在图4c中，使用Lu2Si2O7:Pr3+磷光体材料形式的第二磷光体材料，图4d示出相应的失活曲线。可以看出，图4d中，已经实现了几乎8个数量级的失活，即99.999999%的细菌已经失活。
最后转向图4e和4f，使用LaPO4:Pr3+磷光体材料形式的第三磷光体材料，且示出相应的失活曲线。进一步所公开的可电子激发紫外发射材料YBO3:Pr3+和YPO4:Bi3+提供了类似于图4a-f中所示的结果。
综上所述，本发明涉及一种适于发射紫外光的场发射光源，包括真空腔室，真空腔室包括紫外光透过部分，场发射阴极包括多个纳米结构，场发射阴极布置在真空腔室内，阳极结构布置在真空腔室内，以及紫外发射构件，设有可电子激发的紫外发射材料，紫外发射构件布置在真空腔室内，其中，在阳极结构和阴极之间施加电压时，可电子激发的紫外发射材料适用于朝向紫外发射构件发射紫外光，由此，紫外发射构件所发射的紫外光至少部分地通过紫外光透过部分发射到场发射紫外光源的外部，其中，可电子激发的紫外发射材料为LuPO3:Pr3+、Lu2Si2O7:Pr3+、LaPO4:Pr3+、YBO3:Pr3+和YPO4:Bi3+中的至少一种。
根据本发明，提供了一种特别适用于紫外光发射的场发射光源，包括发明人已经识别为特别适用于场发射照明应用的紫外发射材料。与已知的基于场发射的紫外照明应用相比，上述限定的特别选择类型的可电子激发的紫外发射材料被推断为具有高耐久性，具有合适的寿命和相对高的效率。
尽管附图可以示出方法步骤的特定顺序，但是步骤的顺序可以与所描绘的顺序不同。另外，可以同时或部分同时执行两个或更多个步骤。这种变化将取决于所选择的软件和硬件系统以及设计者的选择。所有这些变化都在本公开的范围内。同样地，软件实现可以利用标准编程技术来完成，该技术具有基于规则的逻辑和其他逻辑，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。另外，即使已经参考本发明的具体示例性实施例描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的改变，修改等将变得显而易见。
通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现对所公开实施例的变型。此外，在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
Claims (20)
1.一种场发射光源，适用于发射紫外光，包括：
- 真空腔室，所述真空腔室包括紫外光透过部分，
- 场发射阴极，包括多个纳米结构，所述场发射阴极布置在真空腔室内；
- 阳极结构，设置在真空腔室内；以及
- 紫外发射构件，设有可电子激发的紫外发射材料，所述紫外发射构件布置在真空腔室内，
其中，当在阳极结构和阴极之间施加电压时，可电子激发的紫外发射材料适于向紫外发射构件发射紫外光，由此紫外发射构件所发射的紫外光至少部分地通过紫外光透过部分发射至场发射紫外光源的外部，其中，可电子激发的紫外发射材料为LuPO3:Pr3+、Lu2Si2O7:Pr3+、LaPO4:Pr3+、YBO3:Pr3+和YPO4:Bi3+中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的场发射光源，其特征在于，所述紫外光透过部分包括石英、熔融石英、紫外透明硼硅酸盐和紫外透明软玻璃中的至少一种。
3.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述纳米结构包括ZnO纳米结构和碳纳米管中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的场发射光源，其特征在于，多个ZnO纳米结构适于具有至少1 μm的长度。
5.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述紫外发射构件与阳极结构相邻布置。
6.根据权利要求1-4中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述紫外发射构件为阳极结构的部分。
7.根据权利要求6所述的场发射光源，其特征在于，所述阳极结构包括导电层，布置为在朝向场发射阴极的方向上至少部分地覆盖可电子激发的紫外发射材料。
8.根据权利要求7所述的场发射光源，其特征在于，所述导电层可反射紫外光。
9.根据权利要求7和8中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述导电层包括铝层。
10.根据权利要求9所述的场发射光源，其特征在于，所述铝层的厚度超过50 nm，优选地，在60-100 nm之间。
11.根据权利要求7和8中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述导电层包括银层。
12.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，在场发射阴极和阳极结构之间施加的电压电平选择在5-15 kV之间，优选地小于10 kV，最优选地在5-8 kV之间。
13.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，真空腔室内的真空度低于1x10-4托。
14.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述真空腔室形成为细长管。
15.根据权利要求14所述的场发射光源，其特征在于，所述细长管的第一和第二端部相应地用玻璃塞密封。
16.根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，还包括吸气器构件。
17.根据权利要求15所述的场发射光源，其特征在于，还包括吸气器构件，布置在细长管的第一端部的端塞处。
18.根据权利要求17所述的场发射光源，其特征在于，第一端部处的端塞包括杆部，并且所述吸气器构件布置在端塞的杆部处。
19.根据权利要求16和17中任意一项所述的场发射光源，其特征在于，所述吸气器构件电连接至场发射阴极。
20.一种消毒系统，包括根据前面权利要求中任意一项所述的场发射光源。
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