DE19721432A1 - Elektroden und Lampen - Google Patents

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Kaltkathodenelektroden für Entladungslampen.

Entladungslampen besitzen zwei Elektroden, die voneinander innerhalb einer abgedichteten Umhüllung, welche ein Entladungsgas oder eine Gasmischung bei reduziertem Druck beinhaltet, beabstandet sind. Wenn eine ausreichende Spannung an den beiden Elektroden angelegt wird, wird eine Entladung innerhalb des Gases erzeugt, was zu Strahlung führt. Gewöhnlich ist die Strahlung vorrangig im UV- oder VUV- Bereich, so daß bei Bedarf an sichtbarem Licht die Umhüllung mit einem phosphoreszierenden Material überzogen ist, welches unter UV-Bestrahlung fluoresziert, um sichtbares Licht zu erzeugen.

Die Elektroden können beheizt werden, so daß Elektronen von der Kathode durch Primäremission abgestrahlt werden. Im Gegensatz dazu führt bei Kaltkathodenelektroden Ionenbombardement der Kathode zu einer Sekundäremission von Elektronen. Obwohl Heißkathodenlampen eine größere elektrische Effizienz besitzen, haben Kaltkathoden den Vorteil einer längerer Elektrodenlebensdauer. Ein Beispiel einer Kaltkathodenlampe ist z. B. in GB 2244855 beschrieben. Aufgrund der relativ geringen elektrischen Effizienz von Kaltkathodenlampen ist alles, was zur Steigerung der Produktion von Elektronen der Kathode führt, für die Leistungsfähigkeit der Lampe besonders wichtig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine verbesserte Kaltkathodenelektrode und eine Lampe, welche eine verbesserte Elektrode enthält, verfügbar zu machen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Kaltkathodenelektrode für eine Entladelampe angeboten, welche dadurch charakterisiert ist, daß die Elektrode eine exponierte Oberfläche besitzt, welche im wesentlichen aus Diamantmaterial besteht, so daß die Sekundärelektronenerzeugung gesteigert wird.

Die Elektrode besitzt vorzugsweise ein Metallsubstrat, wie z. B. Molybdän, Titan oder Nickel. Die Diamantoberfläche wird durch eine Diamantschicht auf dem Substrat gebildet. Die Oberfläche kann glatt oder aufgerauht sein. Die Elektrode kann hohl sein und die Oberfläche kann sich auf der Innenseite einer Röhre aus Diamantmaterial befinden. Die Elektrode kann ein spiralförmiges Metallsubstrat und eine Beschichtung im wesentlichen aus Diamantmaterial auf dem Spiralsubstrat besitzen. Die Elektrode kann ein Nickelsubstrat besitzen, wobei die Diamantoberfläche durch eine Beschichtung gebildet wird, welche ausreichend dünn ist, um für Photonen durchlässig zu sein, wodurch den Photonen ermöglicht wird, das Nickelsubstrat zu treffen und das Eindringen von Elektronen vom Nickel in den Diamanten zu unterstützen.

Eine Kaltkathodenentladungslampe, welche entsprechend der vorliegenden Erfindung zwei Elektroden besitzt, wird nun an Hand von Beispielen unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden.

Fig. 1 ist ein teilweiser seitlicher Querschnitt der Lampe;

Fig. 2 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Kathode der Lampe; und

Fig. 3 bis 6 sind seitliche Querschnittsansichten von alternativen Kathoden der Lampe.

Unter Bezug auf Fig. 1 besitzt eine Kaltkathodenentladungslampe eine röhrenförmige Glasumhüllung 1 mit kreisförmigem Querschnitt, welche zwei Elektroden 2 und 3 beinhaltet, welche sich an entgegengesetzten Enden der Umhüllung befinden und durch einen Entladungsabstand getrennt sind. Die Umhüllung 1 ist an ihren Enden abgedichtet, um ein Volumen von Entladungsgas oder einer Gasmischung bei einem Druck größer als 1 torr und vorzugsweise zwischen 1 torr und 20 torr einzuschließen. Dieser Druck ist beträchtlich höher als der Druck in den Feldemissionsvorrichtungen mit etwa 10^-7 torr, wo es notwendig ist, die Menge geladener Ionen, welche die Kathode bombardieren, auf ein Minimum zu reduzieren. Auf ihrer Innenseite ist die Umhüllung 1 mit einer Schicht 4 aus Phosphormaterial beschichtet. Die Elektroden 2 und 3 sind mit einer Stromversorgung 5 verbunden, welche eine Wechselspannung zwischen den Elektroden bereitstellt, so daß jede Elektrode alternierend als Kathode arbeitet.

Unter Bezug auf Fig. 2 besitzen die Elektroden 2 und 3 eine Platte oder ein Substrat 20 eines Materials wie Molybdän oder Titan. Die Platte 20 ist an ihrer Rückseite auf einem Träger 21 befestigt, welcher über das Ende der Umhüllung heraussteht und einen Strompfad zu den Elektroden bietet. Die Elektroden 2 und 3 sind axial innerhalb der Umhüllung 1 montiert, wobei sich die Vorderseiten der Elektroden einander gegenüber liegen. Die Vorderseite der Platte 20 jeder Elektrode ist mit einer dünnen glatten Schicht 22 eines hochreinen Diamantmaterials durch einen CVD-Prozeß beschichtet.

Das Diamantmaterial der Schicht 22 hat eine sehr hohe sekundäre Elektronenausschüttung verglichen mit konventionellen Kaltkathodenemissionsbe­ schichtungen. Das bedeutet, daß das Kathodenspannungsabfall in der Lampe reduziert ist, wodurch der Gesamtstromverbrauch der Lampe reduziert werden kann. Diamant ist außerdem chemisch sehr stabil. Dies reduziert die Materialmenge, welche aus den Kathoden durch Ionenbombardement herausgeschlagen wird, wodurch die Kontamination der Entladung reduziert wird. Es vermindert außerdem die Menge von herausgeschlagenem Material, welche sich auf dem Phosphor 4 ablagert, so daß die Transmissionseigenschaften des Phosphors nicht so schnell vermindert werden wie in konventionellen Lampen, wodurch die Lampenlebensdauer gesteigert wird. Diamant besitzt außerdem eine sehr hohe thermische Leitfähigkeit, so daß Wärme, die durch das Ionenbombardement entsteht, schnell ohne Überhitzung selbst bei relativ hohen Strömen auf das Substrat 20 abgeleitet wird.

Die Elektroden können zahlreiche unterschiedliche Formen annehmen, wie in Fig. 3 als Beispiel gezeigt. In diesem Beispiel besitzt die Elektrode 2′ eine Platte oder ein Substrat 25, welches gleich wie die Platte 20 in Fig. 2 ist, außer daß die Vorderseite 26 durch eine Reihe von Rillen oder ähnlichen Profilen aufgerauht ist. Die Diamantschicht 27 wird über dieser aufgerauhten Oberfläche 26 gebildet, so daß es der Oberfläche folgt und selbst an seiner Vorderseite rauh ist. Diese aufgerauhte, profilierte Oberfläche bildet im Ergebnis eine Reihe kleiner Vertiefungen über die Oberfläche der Elektrode, was bekannterweise zu einer Steigerung der Elektronenproduktion führt.

Fig. 4 zeigt eine weitere Elektrode 2′′ in Form einer hohlen Muschel oder eines Bechers 30 aus einem Metall wie Molybdän oder Titan. Der Becher 30 ist an seinem rückseitigen Ende, wo er getragen wird, geschlossen und an seiner Vorderseite geöffnet, wobei sich die Vorderseiten der beiden Elektroden einander gegenüberliegen. Die Innenseite der Elektrode ist mit einer Schicht 31 aus Diamantmaterial beschichtet.

Fig. 5 zeigt ebenfalls eine hohle Elektrode 2′′′ mit einer Röhre 40 aus Diamantmaterial. Diese Röhre 40 kann dadurch gebildet werden, daß ein Diamantfilm auf einem Keramik- oder Metallkern gebildet wird, der dann anschließend weggeätzt wird, um den Diamant als Röhre übrig zu lassen. Die äußere Oberfläche der Röhre 40 ist mit einer Schicht 41 eines Metalls mit hoher Austrittsarbeit beschichtet und das rückseitige Ende der Röhre ist durch einen Metallstopfen 42 geschlossen, welcher am Träger 43 befestigt ist, durch welchen die Elektrode getragen wird.

Fig. 6 zeigt eine röhrenförmige Elektrode 60, welche aus einem spiralförmigen Nickeldraht 61 mit einer Diamantbeschichtung 62 gebildet wird. Nickel wird für den Draht 61 benutzt, weil seine kristallographische Struktur eng zu der von Diamant paßt, was die Bildung eines Niedrigspannungsdiamantfilmes ermöglicht. Nickel ist außerdem mit der Herstellung von Entladungslampen kompatibel. Die Elektrode 60 wird durch enges Wickeln des Drahtes in eine Spirale auf einem Bügel und anschließendes Bilden einer Diamantschicht auf der Spirale hergestellt. Während der Wachstumsphase der Diamantbildung nimmt die Dicke des Diamanten zu und der Platz zwischen benachbarten Schleifen des diamantbeschichteten Drahtes wird kleiner. Während der Ablagerungszeit wird ein Zustand erreicht, in dem der Abstand durch Diamant überbrückt wird, da sich aneinandergrenzende Filmstrukturen verbinden. Wenn der Diamantfilm auf aneinandergrenzenden Schleifen sich verbindet, verhindert dies weiteres Wachstum des Diamantfilms auf der inneren Oberfläche der Elektrode. Am Ende des Ablagerungsprozesses besitzt die gesamte Elektrode daher an ihrer Innenseite eine dünnere Diamantschicht als an ihrer Außenseite. Die Herstellung einer diamantbeschichteten Röhre auf diese Art und Weise aus einem Heliumdraht führt zu einer kontinuierlichen Beschichtung aus CVD Dünnfilmdiamant.

Eine dünne Diamantschicht, die für UV- und sichtbare Strahlung transparent ist, hat den Vorteil, daß der Nickeldraht Elektronen in den Diamanten als Reaktion auf Photonen, welche durch den Hohlkathodeneffekt im Inneren der Elektrode erzeugt werden, abstrahlen kann. Dies erhöht die effektive sekundäre Elektronenemission aus der Diamantoberfläche weiter.

Zahlreiche andere Formen der Elektrode sind möglich. Die Lampe muß nicht notwendigerweise gerade, sondern könnte beispielsweise eine gekrümmte Röhre oder von planarer Form sein.

Claims (9)

1. Kaltkathodenelektrode für eine Entladelampe, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2, 3, 2′, 2′′, 2′′′, 60) eine freiliegende Oberfläche (22, 26, 31, 40, 62) im wesentlichen aus Diamantmaterial besitzt, um die sekundäre Elektrodenausschüttung zu erhöhen.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2, 3, 2′, 2′′, 2′′′, 60) ein Metallsubstrat (20, 25, 30, 41, 61) besitzt, und daß die Diamantoberfläche (22, 26, 31, 40, 62) durch eine Diamantschicht auf dem Substrat gebildet wird.

3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat (20, 25, 30, 41, 61) aus Molybdän, Titan oder Nickel ist.

4. Elektrode nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (22, 31, 40, 62) im wesentlichen glatt ist.

5. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (26) rauh ist.

6. Elektrode nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (30, 40, 60) hohl ist.

7. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche auf der Innenseite einer Röhre (40, 62) aus Diamantmaterial ist.

8. Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (60) ein spiralförmiges Metallsubstrat (61) und eine Beschichtung (62) aus Diamantmaterial auf dem Spiralsubstrat besitzt.

9. Elektrode nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (60) ein Nickelsubstrat (61) besitzt und daß die Diamantoberfläche durch eine Schicht (62) gebildet wird, welche ausreichend dünn ist, um für Photonen transparent zu sein, um dadurch Photonen zu gestatten, das Nickelsubstrat zu treffen und die Abstrahlung von Elektronen aus dem Nickel in den Diamant (62) zu fördern.