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Bereich der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell kathodolumineszierende Lichtquellen.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Anordnung und ein Verfahren
zum Emittieren von Licht durch Elektronen emittierende Kathoden
und fluoreszierende Substanzen.
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Hintergrund
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Eine
Art einer Lichtquelle ist die Leuchtstoffröhre. In der Leuchtstoffröhre emittiert
eine Gasentladung ultraviolettes (UV) Licht auf ein fluoreszierendes
Material. Die Lichtquelle hat erhebliche Nachteile. Zum Beispiel
entsteht immer eine Verzögerung nachdem
die Lichtquelle angeschaltet wird bis dass die Lichtquelle in voller
Kraft leuchtet. Weiterhin benötigt
sie komplizierte Steuerungsgeräte,
die Platz benötigen
und Kosten verursachen. Ferner ist es leider notwendig, Materialien,
wie beispielsweise Quecksilber, zu verwenden, die negative Umwelteinflüsse haben.
Des Weiteren beschränkt
sich die Wahl von fluoreszierendem Material auf UV-empfindliche Materialien.
Die meisten dieser UV-empfindlichen Materialien
emittieren Licht in einer Spektralform, die für das Auge und die menschliche
Behaglichkeit nicht optimal ist. Schließlich ist diese Art Lichtquelle
oft ziemlich temperaturempfindlich, dahingehend, dass die Intensität der Emission
eine lange Zeit nach dem Einschalten bei niedrigen Temperaturen
bedeutend schwächer
ist als bei hohen Temperaturen.
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Eine
andere Art Lichtquelle ist die kathodolumineszierende Lichtquelle.
In einer kathodolumineszierenden Lichtquelle werden Elektronen von
einer Kathode emittiert, entweder durch Heizen der Kathode, also
thermische Emission der Elektronen, oder durch die Anwendung eines
starken elektrischen Feldes in der Umgebung der Oberfläche der
Kathode, also Emission der Elektronen durch Feldemission.
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Beispiele
von Lichtquellen mit Feldemissionskathoden, die ein starkes elektrisches
Feld in der Umgebung der Oberfläche
der Kathode anwenden, sind in der
US
5877588 und der
US 6008575 offenbart.
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Der
Hauptnachteil einer thermischen Emissionskathode ist, dass eine
große
Menge Energie beim Heizen der Kathode verloren geht. Der Hauptnachteil sowohl
der Feldemissionskathode als auch der thermischen Emissionskathode
ist, dass hohe Emissionsströme
die Abnutzung der Kathode verursachen, da alle das Licht produzierenden
Elektronen von der Kathode emittiert werden müssen. Dies bedeutet, dass ein
hoher Elektronenstrom von der Oberfläche der Kathode emittiert werden
muss, was den Aufbau der Kathode und deren Produktion verkompliziert. Ferner
arbeiten die gegenwärtigen
kathodolumineszierenden Lichtquellen nur im Vakuum, was starke Wandungen
um die Lichtquelle erfordert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Lichtquelle
bzw. ein verbessertes Verfahren für helleres Licht, verglichen
mit Lichtquellen des Standes der Technik, bereitzustellen, ohne dass
wenigstens einige der vorbeschriebenen Nachteile gegeben sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird unter anderem dieser Zweck durch Anordnungen bzw. Methoden
erreicht, wie sie in den beiliegenden Ansprüchen definiert sind.
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Indem
ein Gas, das für
Elektronenlawinenverstärkung
in einer kathodolumineszierenden Lichtquelle geeignet ist, vorgesehen
wird, kann helleres Licht erreicht werden. Weiterhin wird der Emissionsstrom
der Kathode reduziert, da eine Mehrzahl der Elektronen von dem Gas
und nicht von der Oberfläche
der Kathode freigesetzt werden, was den Aufbau der Kathode vereinfacht
und deren Lebensdauer verlängert.
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Da
der Druck in einer gasgefüllten
Lichtquelle erheblich höher
als Vakuum ist, üblicherweise
atmosphärischer
Druck, können
die Wandungen der Lichtquelle dünner
erstellt werden, was die Lichtquelle leichter macht.
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Da
während
der Lawinenverstärkung
neben Elektronen auch UV-Licht
emittiert wird, welches das fluoreszierende Material anregen kann
und so Lichtemission verursacht, ist der gesamte Elektronenstrom
pro Einheit der Lichtausbeute geringer als in einer konventionellen
kathodolumineszierenden Lichtquelle, was die Bauweise der Lichtquelle
vereinfacht.
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Da
es einfach ist, den Emissionsstrom in einer Feldemissionskathode
und/oder in der Lawinenverstärkung
zu ändern,
indem eine Lawinenspannung geändert
wird, kann die Lichtquelle ohne weiteres gedämpft werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die
folgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen und die begleitenden
Abbildungen deutlich, die nur zur Erläuterung gegeben werden, und
daher die vorliegende Erfindung nicht beschränken, und in denen:
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1–6 Querschnitte
der Seitenansichten von Lichtquellen gemäß sechs verschiedenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind; und
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7–9 Perspektivansichten
dreier verschiedener Lampengehäuse
sind, die zusammen mit den Lichtquellen vorliegender Erfindung verwendet
werden können.
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Detaillierte Beschreibung
der Ausführungsformen
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Eine
erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 1A und 1B beschrieben.
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Eine
kathodolumineszierende Lichtquelle umfasst eine planare Kathode 1,
eine planare Anode 2 parallel zur Kathode 1 und
eine fluoreszierende Schicht 3 innerhalb eines Gehäuses 4.
Das Gehäuse 4 hat
ein Fenster 10, durch das Licht der Lichtquelle austreten
kann. Die fluoreszierende Schicht 3 ist auf der Innenseite
des Fensters 10 angeordnet, und die Anode 2 ist
auf der zur Kathode 1 weisenden Oberfläche der fluoreszierenden Schicht 3 angeordnet.
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Das
Gehäuse 4 ist
hermetisch versiegelt und mit einem für Elektronenlawinenverstärkung geeigneten
Gas gefüllt.
Ein Diffusor kann außerhalb
des Gehäuses 4 angeordnet
sein (nicht dargestellt). Ein Diffusor sorgt für einen Ausgleich der Leuchtintensität, um unterschiedliche
Leuchtintensität
an unterschiedlichen Stellen der Lichtquelle auszugleichen.
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Die
planare Kathode 1 kann jede Art Kathode sein, die zum Emittieren
von Elektronen von ihrer zur Anode 2 weisenden Oberfläche 1A angeregt
werden kann. Sie kann eine glatte oder unregelmäßige Oberfläche haben. Unregelmäßigkeiten
in der Oberfläche 1A können z.B.
durch Bestrahlung mit Laserlicht, Ätzungen, mechanische Aufrauung
oder die Ablagerung von Materialien, die Unregelmäßigkeiten
produzieren, wie z.B. Kohlenstoffnanoröhren, Fulerene etc., geschaffen
werden. Das Emittieren von Elektronen wird entweder durch das Heizen
der Kathode 1 bewirkt, was ein thermisches Emittieren der
Elektronen verursacht, oder es wird ein starkes elektrische Feld
in der Umgebung der Oberfläche
der Kathode 1 angelegt, was ein Emittieren der Elektronen
durch Feldemission verursacht. Es ist weiterhin möglich, eine
Feldemissionskathode zu heizen, um ein Emittieren von Elektronen
unter Anwendung eines niedrigeren elektrischen Feldes zu erreichen,
verglichen mit einer nicht geheizten Feldemissionskathode.
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Die
planare Anode 2 ist für
energiereiche Elektronen durchlässig,
um solchen Elektronen zu ermöglichen,
die Anode zu durchdringen und die fluoreszierende Schicht 3 zu
bombardieren. Die planare Anode 2 kann z.B. eine dünne Folie
oder maschenartig sein.
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Alternativ
ist die Anode 2 zwischen der fluoreszierenden Schicht 3 und
dem Gehäuse 4 angeordnet,
wie in 1B dargestellt. Die planare
Anode 2 muss dann für
Licht durchlässig
sein und kann aus einem transparenten Leiter gefertigt oder maschenartig
sein. Jedoch muss die Anode nicht für Elektronen durchlässig sein.
Die Anode 2 kann in diesem Fall Teil des Gehäuses sein,
z.B. kann das Gehäuse 4 aus
einem leitenden Material gefertigt sein, z.B. leitendem Glass oder
Plastik.
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Die
fluoreszierende Schicht 3 kann aus einem einzelnen Material
bestehen oder aus einem Gemisch aus Materialien, z.B. ein Gemisch
aus Y2O2S:Eu, Zns:Cu:Al
und ZnS:Cl.
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Ein
für die
Elektronenlawinenverstärkung
geeignetes Gas kann z.B. jedes Edelgas, Stickstoff oder ein Edelgas
gemischt mit einem Kohlenwasserstoff sein, wie etwa 90% Argon und
10% Methan. Das Gas steht vorzugsweise unter atmosphärischem Druck,
kann sich jedoch auch bei Unter- oder Überdruck befinden, vorzugsweise
zwischen 0,001–20 atm.
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Beim
Einsatz wird eine Spannung U zwischen der Anode 1 und der
Kathode 2 angelegt. Die Spannung U sollte hoch genug sein,
damit Elektronen im Falle der Feldemission von der Kathode 1 emittiert
werden. Die Spannung U sollte in jedem Fall hoch genug sein, um
die Elektronen im Gas lawinenartig zu verstärken. Die lawinenartig verstärkten Elektronen
werden in Richtung der Anode 2 und so zur fluoreszierenden
Schicht 3 beschleunigt. Die Elektronen werden von der fluoreszierenden
Schicht 3 aufgenommen und regen so deren fluoreszierendes
Material an. Durch Relaxation emittiert die fluoreszierende Schicht 3 ein
helles sichtbares Licht.
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Während der
Lawinenverstärkung
wird neben Elektronen auch UV-Licht emittiert, das das fluoreszierende
Material anregt, und es zum Emittieren von Licht bringt. Dieser
physikalische Prozess kann zusammen mit der Elektronenbombardierung
oder separat benutzt werden, um Licht zu produzieren.
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Ein
Vorteil bei der Verwendung von Lawinenverstärkung in einem Gas ist, dass
von der Kathode emittierte Elektronen von einem elektrischen Feld zwischen
der Kathode 1 und der Anode 2 beschleunigt werden
und das Gas ionisieren, und neue Elektronen von dem Gas emittiert
werden, welche wie derum beschleunigt werden und das Gas weiter ionisieren.
Daher stammt der Hauptteil der Licht gebenden Elektronen von dem
Gas und nicht von der Kathode, was die Abnutzung der Kathode vermindert.
Das Gas wirkt wie ein Katalysator, da positive Ionen, die während der
Ionisierung des Gases entstehen, in Richtung der Kathode treiben,
wo sie neutralisiert werden und zum Gas zurückgehen.
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Bei
der Verwendung eines Abstandes von 1 mm zwischen der Anode 2 und
der Kathode 1 in einem Gas aus Argon und Methan bei einem
Druck von 1 atm. ist üblicherweise
eine Spannung von 1000 V ausreichend, um Elektronen von der Kathode 1 zu emittieren,
und die emittierten Elektronen lawinenartig zu verstärken.
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Die
Abmessungen der Lichtquelle können erheblich
variieren, abhängig
vom beabsichtigten Verwendungszweck, und die Lichtquelle kann mit quadratischen
bis zu sehr lang gestreckten, Licht emittierenden Oberflächen hergestellt
werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug zu 2 beschrieben.
Diese zweite Ausführungsform
ist mit Ausnahme des Folgenden mit der ersten Ausführungsform
identisch.
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Die
planare kathodolumineszierende Lichtquelle in 2 umfasst
weiterhin eine Modulatorelektrode 5, die zwischen der Anode 2 und
der Kathode 1 positioniert ist, vorzugsweise näher zur
Anode 2 als zur Kathode 1. Vorzugsweise hat die
Modulatorelektrode 5 eine maschenartige Form, um Elektronen durchzulassen.
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Ein
elektrisches Feld, das für
das Emittieren eines Elektrons von einer Kathode durch Feldemission
erforderlich ist, ist normalerweise niedriger als ein elektrisches
Feld für
Lawinenverstärkung
von Elektronen. Indem die Modulatorelektrode 5 in der Nähe der Anode 2 vorgesehen
wird, kann daher ein ausreichend hohes elektrisches Feld erhalten
werden, ohne sehr hohe Spannung anwenden zu müssen, um die Elektronen, die
von der Kathode 1 emittiert werden, lawinenartig in der
Nähe der
Anode 2 zu verstärken.
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Indem
eine Modulatorelektrode in der Lichtquelle vorgesehen wird, treiben
positive Ionen, die während
der Ionisierung des Gases entstehen, in Richtung der Kathode, wo
sie neutralisiert und werden und zum Gas zurückgehen.
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Eine
erste Spannung U1 wird während
des Gebrauchs zwischen der Modulatorelektrode 5 und der
Kathode 1 angelegt, und bewirkt das Emittieren von Elektronen
von der Kathode 1 und/oder die Beschleunigung der von der
Kathode 1 emittierten Elektronen. Eine zweite Spannung
U2 wird zwischen der Anode 2 und der Modulatorelektrode 5 angelegt,
und ist hoch genug, um die emittierten Elektronen lawinenartig in
dem Gas zu verstärken
und ihnen ausreichende kinetische Energie zu geben, so dass die
lawinenartig verstärkten
Elektronen in der Lage sind, die Anode 2 zu durchdringen
und die fluoreszierende Schicht 3 zu bombardieren, welche
als Reaktion darauf Licht emittiert.
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Als
nächstes
wird eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 3 beschrieben.
Diese dritte Ausführungsform
ist mit Ausnahme des Folgenden mit der zweiten Ausführungsform
identisch.
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Die
planare kathodolumineszierende Lichtquelle umfasst weiterhin eine
Lawinenelektrode 6, die zwischen der Anode 2 und
der Modulatorelektrode 5 angeordnet wird, vorzugsweise
näher an
der Modulatorelektrode 5 als an der Anode 2. Vor zugsweise
hat die Lawinenelektrode 6 eine maschenartige Form, um
Elektronen durchzulassen. Um die maschenartige Form der Modulatorelektrode 5 und
der Lawinenelektrode 6 zu erreichen, können Gitter verwendet werden.
Die Elektroden 5 und 6 sollten vorzugsweise parallel
zueinander angeordnet sein und miteinander ausgerichtete Öffnungen
haben.
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Ein
Dielektrikum 21, wie Polyamidfilm, kann zwischen der Modulatorelektrode 5 und
der Lawinenelektrode 6 angeordnet werden, um sie auf einen wohl
definierten Abstand zu halten. Das Dielektrikum kann Öffnungen,
die denen des Gitters genau entsprechen, aufweisen, oder Öffnungen
ausweisen, die breiter oder schmaler als die Öffnungen der Gitter 5 und 6 sind.
Wenn ein Dielektrikum 21 benutzt wird, um die Elektroden 5 und 6 zu
stabilisieren, können die
Gitter der Elektroden hergestellt werden, indem das Dielektrikum 21 metallisiert
wird.
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Indem
eine Modulatorelektrode und eine Lawinenelektrode in der Lichtquelle
vorgesehen werden, treiben die während
der Ionisierung des Gases entstandenen positiven Ionen zu der Modulatorelektrode
bzw. Lawinenelektrode, wo sie neutralisiert werden und zu Gas übergehen.
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Eine
erste Spannung U1 wird während
des Gebrauchs zwischen der Modulatorelektrode 5 und der
Kathode 1 angelegt, und bewirkt das Emittieren von Elektronen
von der Kathode 1 und/oder die Beschleunigung der von der
Kathode 1 emittierten Elektronen. Eine zweite Spannung
U2 wird zwischen der Lawinenelektrode 6 und der Modulatorelektrode 5 angelegt,
und beschleunigt die emittierten Elektronen im Gas; möglicherweise
kann die Spannung U2 hoch genug sein, um eine lawinenartige Verstärkung der emittierten
Elektronen zu bewirken. Eine dritte Spannung U3 wird zwischen der
Anode 2 und der Lawinenelektrode 6 angelegt, und
ist hoch genug, um entweder die vorher verstärken Elektronen weiter lawinenartig
zu verstärken,
oder um die Elektronen zu und durch die Anode 2 zu treiben,
und die fluoreszierende Schicht 3 zu bombardieren, welche
in Reaktion darauf Licht emittiert.
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Vorausgesetzt,
dass die zweite Spannung U2 die Elektronen lawinenartig verstärkt, kann
die dritte Spannung U3 ein umgekehrtes elektrisches Feld haben,
das die Elektronen auf der Lawinenelektrode anstatt auf der Anode 2 sammelt.
In dem Zwischenraum zwischen den Elektroden 5 und 6 entsteht
durch die Lawinenwirkung UV-Licht, welches die fluoreszierende Schicht 3 beleuchtet,
ohne sie mit Elektronen zu bombardieren. Dies ist besonders vorteilhaft,
wenn die Anode 2 zwischen der fluoreszierenden Schicht 3 und
dem Fenster 10 angeordnet ist, oder wenn die Anode 2 ein
Teil des Gehäuses 4 ist.
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Eine
vierte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf 4A und 4B beschrieben.
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Eine
zylindrische kathodolumineszierende Lichtquelle umfasst eine Stabkathode 1,
die einen kreisförmigen
Querschnitt hat, eine zylindrische Anode 2, die einen ringförmigen Querschnitt
hat, und eine zylindrische fluoreszierende Substanz 3 innerhalb
eines Gehäuses
(nicht dargestellt). Das Gehäuse
hat ein Fenster, das Licht von der Lichtquelle austreten lässt. Die
fluoreszierende Schicht 3 kann so angeordnet sein, dass
sie die Innenseite des Fensters überdeckt.
Die Anode 2 ist vorzugsweise zur Kathode 1 weisend
auf der zylindrischen fluoreszierenden Substanz angeordnet.
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Das
Gehäuse
ist hermetisch versiegelt und mit einem für Elektronenlawinenverstärkung geeigneten
Gas gefüllt.
Ein Diffusor (nicht dargestellt) kann außerhalb des Gehäuses angeordnet
sein, um für
einen Ausgleich der Leuchtintensi tat zu sorgen, um unterschiedliche
Leuchtintensität
an unterschiedlichen Stellen der Lichtquelle auszugleichen.
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Die
Stabkathode 1 kann eine ähnliche Oberfläche haben,
wie die Kathodenoberfläche,
die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform oben beschrieben
wurde, d.h. glatt Order unregelmäßig. Alternativ
kann die Kathode 1 auch aus einer Vielzahl von Fasern bestehen,
z.B. Kohlefasern, Kohlenstoffnanoröhren, Fulerene usw., die sich
radial erstrecken, und so in einer Vielzahl von Scheiben eine Stabform
bilden, wie in 4B dargestellt.
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Die
Anode 2 ist für
energiereiche Elektronen durchlässig,
um solchen Elektronen zu ermöglichen, die
Anode 2 zu durchdringen und die fluoreszierende zylindrische
Schicht 3 zu bombardieren. Die Anode 2 kann z.B.
eine dünne
Folie oder maschenartig sein.
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Abstände, fluoreszierende
Substanz, Gasinhalte und angelegte Spannungen können mit denen der oben beschriebenen
ersten Ausführungsform identisch
sein.
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Diese
vierte Ausführungsform
wurde in einer symmetrischen Form beschrieben, kann aber alternativ
eine sphärische
Symmetrie ausweisen.
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Weiterhin
kann diese Ausführungsform
auch eine Modulatorelektrode, wie in der zweiten Ausführungsform
beschrieben, enthalten, und ferner eine Lawinenelektrode und ein
Dielektrikum, wie in der dritten Ausführungsform beschrieben.
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Eine
fünfte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in 5 dargestellt,
ist mit der vierten Ausführungsform
identisch, außer,
dass die Kathode 1 einen quadratischen Querschnitt hat
und dass die Anode einen quadratischen Querschnitt 2 hat.
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Eine
sechste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf 6 beschrieben.
Diese sechste Ausführungsform ist
mit Ausnahme des Folgenden mit der ersten Ausführungsform identisch.
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Die
Kathode 1 wird mittels eines Heizers 20 geheizt,
um das Emittieren der Elektronen von der Kathode 1 zu verstärken.
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Die
Anode 2 ist nicht planar, sondern hat eine Oberfläche teilweise
parallel zur Kathode 1 und teilweise rechtwinklig zur Kathode 1.
Daher ein elektrisches Feld (in 6 durch
Pfeile dargestellt) bildend, das Lichtemission in nichtparallelen
Ebenen bewirkt.
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Weiterhin
kann diese Ausführungsform
eine Modulatorelektrode beinhalten, wie sie die zweite Ausführungsform
umfasst, und kann ferner eine Lawinenelektrode und ein Dielektrikum,
wie im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschrieben, enthalten.
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Verschiedene
Arten von Lampengehäusen werden
als nächstes
mit Bezug auf 7–9 beschrieben.
Ein Diffusor, wie oben beschrieben, kann in solch einem Lampengehäuse enthalten
sein.
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Eine
erste Art Lampengehäuse
ist in 7 dargestellt, und beinhaltet eine Lampenfassung 7 und
ein Glasteil 8. Die Lampenfassung 7 ist lichtundurchlässig und
nimmt eine Lichtquelle, z.B. eine der ersten bis dritten Ausführungsform
oder der sechsten Ausführungsform,
innerhalb des Lampengehäuses auf,
und enthält
Mittel, um das Lampengehäuse
an einer Wand, einer Decke oder einer anderen Halterung zu befestigen.
Das Lampengehäuse
kann auch die mit der Lichtquelle verbundene Elektronik aufnehmen.
Das Glasteil 8 ist lichtdurchlässig oder transluzent und ist
so angeordnet, dass die Lichtquelle geschützt wird und Licht von der
Lichtquelle ausgesendet werden kann.
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Eine
andere Konstruktion des Lampengehäuses ist in 9 dargestellt,
und enthält
eine Lampenfassung 7 und ein Glasteil 8. Die Lampenfassung 7 ist
lichtundurchlässig
und so angeordnet, dass sie eine Lichtquelle, z.B. die sphärische Alternative
der vierten Ausführungsform,
in dem Lampengehäuse
und das Lampengehäuse
an der Decke hält. Das
Glasteil 8 ist lichtdurchlässig oder transluzent.
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Alle
oben beschriebenen Ausführungsformen
können
ohne Umstände
mit einem Dimmer versehen werden. Indem eine an die Lichtquelle
angelegte Spannung verändert
wird, kann der Emissionsstrom und/oder die Lawinenverstärkung verändert werden,
was wiederum die Intensität
des von der Lichtquelle emittierten Lichtes verändert.
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Es
ist offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung auf eine Vielzahl
von Weisen variiert werden kann. Solche Variationen können nicht
als Abweichung von dem Umfang der vorliegenden Erfindung betrachtet
werden, sofern solche Variationen in den durch die Ansprüche umfassten
Schutzbereich fallen.