JP2011513909A - 高効率ガス充填ランプ - Google Patents

Abstract

陽極と、陽極から離れて置かれた陰極とを含み、陰極から陽極に電子を移動させるように陽極及び陰極を横切って電界が適用される、ガスを充填された管、及び管を横切って磁界を与えるための磁化手段を含むガス充填ランプであって、磁界の方向が電界の方向に垂直であり、電界と磁界の間の比率が管内のガスに依存して予め決められており、その結果、電界及び磁界を受けた陰極から放出された電子が、最大の運動エネルギーに到達するまで電界から運動エネルギーを連続的に得ることができ、磁界によって最小の運動エネルギーに到達し、このサイクルが、電子がガスの原子に衝突するまで周期的に繰り返され、それらの衝突の幾つかにおいて電子が原子にエネルギーを与え、かくして得られたガスの原子中の電子の励起が光を生じる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高効率ガス充填ランプに関する。

従来の放電ランプ（蛍光又は他のタイプ）は一般的に、好適なガス（単数又は複数）を充填されたガラス管を含み、電子が、それらの運動エネルギーの一部がガスの原子（又は分子）に移されるように加速され、それによってその中の電子を好適なエネルギーレベルまで励起し、かくしてそれらの基底レベルに落ちるときにそれらは光子を作る。この工程は量子物理学において良く知られている。

しかしながら、このような従来のランプの主な問題は、それらの相対的な効率の低さであり、それは一般的に約８％〜１２％でありうる。結果として、相対的に高い量のエネルギーが熱エネルギーとして変換及び消失される。それは理想的でないことは明らかである。

それゆえ、本発明の目的は、従来の放電及び他のタイプのランプの上述の欠点に対処したガス充填ランプを提供することにある。

本発明の第一態様によれば、陽極と、陽極から離れて置かれた陰極とを含み、陰極から陽極に電子を移動させるように陽極及び陰極を横切って電界が適用されることができる、単一ガス又はガスの組み合わせを充填された管、及び管を横切って磁界を与えるための磁化手段
を含むガス充填ランプであって、
磁界の方向が電界の方向に実質的に垂直であり、電界と磁界の間の比率が管内の単一ガス又はガスの組み合わせに依存して実質的に予め決められており、その結果、電界及び磁界を受けた陰極から放出された電子が、最大の運動エネルギーに到達するまで電界から運動エネルギーを連続的に得ることができ、磁界によって最小の運動エネルギーに到達し、このサイクルが、電子がガスの原子に衝突するまで周期的に繰り返され、それらの衝突の幾つかにおいて電子が原子にエネルギーを与え、かくして得られたガスの原子中の電子の励起が光を生じることを特徴とするガス充填ランプが提供される。

電界と磁界の間の比率は、自由電子が獲得する最大運動エネルギーが３ｅＶ〜１８ｅＶであるように選択されることができる。

陰極は第一陰極と第二陰極とを含むことができ、第一陰極は少なくとも電子の放出を容易にするように配置され、第二陰極は陽極とともに第二陽極と陽極の間の電界を発生するように配置される。

第二陰極は管の外側に位置されることができる。

磁化手段は、北磁極と南磁極を規定する少なくとも一つの磁石を含むことができる。

一実施態様では、管内のガスはネオン、アルゴン、ナトリウム、水銀、又はそれらの類似ガスのうちの一つ又は組み合わせであることができる。

電界及び磁界はそれぞれ実質的に均一な電界及び磁界であることができる。

磁界は双方向磁界であることができる。

電界は交流（ＡＣ）電圧によって発生されることができる。

本発明の第二態様によれば、単一ガス又はガスの組み合わせを充填された管を含むガス充填ランプを操作する方法であって、この方法は、管の陽極及び陰極を横切って電界を適用して陰極から陽極に電子を移動させること、及び
磁化手段によって管を横切って磁界を適用すること
を含み、
適用された磁界が電界の方向に実質的に垂直であり、電界と磁界の間の比率が管内の単一ガス又はガスの組み合わせに依存して実質的に予め決められており、その結果、電界及び磁界を受けた陰極から放出された電子が、最大の運動エネルギーに到達するまで電界から運動エネルギーを連続的に得ることができ、磁界によって最小の運動エネルギーに到達し、このサイクルが、電子がガスの原子に衝突するまで周期的に繰り返され、それらの衝突の幾つかにおいて電子が原子にエネルギーを与え、かくして得られたガスの原子中の電子の励起が光を生じることを特徴とする方法が提供される。

上記方法は、自由電子が獲得する最大運動エネルギーが３ｅＶ〜１８ｅＶであるように電界と磁界の間の比率を決定することを含むことができる。

上記方法は、陰極と陽極を横切って交流（ＡＣ）電圧を適用して電界を発生させることを含むことができる。

図１は、本発明の一実施形態による高効率ガス充填ランプの透視概略図を示す。

図２は、図１に示されたガス充填ランプ内の電子の動きの図を示し、動きは、磁界がページの方に向けられるとき、左から右に示される。

図３は、図１に示されたガス充填ランプを通って動く電子の運動エネルギー対時間を表すグラフを示す。

図４は、ランプの陽極及び陰極に平行な想像上の表面を示す図１のランプの一部の概略図を示す。

図５は、高効率ガス充填ランプの別の実施形態の一部の透視概略図を示す。

まず図１を参照すると、高効率ガス充填ランプ１０は、単一のガス又はガスの組み合わせを充填された管１２を含む。一実施形態では、ガスはネオン、アルゴン、ナトリウム、水銀又は別の他の蒸気を含むことができる。

管１２は異なる形状及びサイズであることができることは理解されるだろう。

管１２は次に、陽極１４と、第一陰極１６及び第二陰極１８に分割されることができる陰極を含むことができる。第一陰極１６は電子の放出の役割を有し、第二陰極１８は陽極１４とともに電子を陽極１４の方へ加速するために必要な電界を作る役割を有する。第一及び第二陰極１６，１８はともに、陽極から離れて配置されている。第二陰極１８はランプ構成のガス充填部の外に配置されてもよい。他の例では、第一陰極１６は管１２の外側に配置されてもよい。

ｙ方向に電界の強度（Ｖ／ａ）が存在するように陽極１４及び陰極１６，１８を横切ってＤＣ又はＡＣ電圧のいずれかを適用することによって電界が発生されてもよい。ここで「ａ」は陽極１４と陰極１６，１８の間の距離である。

北磁極２０と南磁極２２を規定する一対の対向する磁石（又は単一の磁石）の形の磁化手段は、管１２を横切って磁界を与える。図１でわかるように、磁界の方向はｚ方向に沿って電界の方向に実質的に垂直である。

一実施形態では、電界と磁界の間の比率は、管１２内のガス又はガスの組み合わせ、及び他のパラメータに依存して実質的に予め決定され、従って電界及び磁界を受けた陰極から放出された電子は、運動エネルギーの最大値に到達するまで電界から運動エネルギーを連続的に得ることができ、次いで最小値に減少される。図３に示されたように、このサイクルは電子がガスの原子に衝突するまで周期的に繰り返され、その場合において電子は原子にある量のエネルギーを与え、かくして得られたガスの原子中の電子の励起が光を生じる。同じ電子でのこの工程は、電子が陽極１４に到達するまで多くの光を生成し続ける。

管１２内の自由電子の動きの制御は、電磁環境下で荷電された粒子の軌道が電界及び磁界（それらは示された例では互いに垂直である）の方向、及び電界と磁界の比率に依存することに基づく。一実施形態では、電界と磁界の比率は、（図３に従って）自由電子が獲得しうる最大運動エネルギーが３ｅＶ〜１８ｅＶであるようなものである。

制御工程は、磁界（それは極めて規定された強度で適用されなければならない）が放出された電子を陽極の方に直線の動きで進むことを可能にせず、それらの軌道が図２に示されたように曲がり、ｘ方向に変位を持つエネルギーの周期運動であることに基づく。

図２に示されるように、電子は主としてｘ方向に沿って動くことができるが、ｙ方向では電子は特定の長さΔｙを越えることができない。もし電子の最大エネルギーが約３ｅＶであるなら、電子は約Ｖ／３個の電子を励起しない限り陽極１４に到達することができず、陽極１４に到達すると、電子はそれに衝突せず、スパッタリングが避けられるように３ｅＶのオーダーのエネルギーだけを持ち、それによって管の寿命を長くする。

従って、原子に当たるとき、電子は遅くなり、原子に当たらなかったときにとったであろうコースとは異なるコースをとる。もし電子の運動エネルギーがガス原子の最小励起エネルギーより小さいなら、この工程は繰り返されるだろう。もし陽極１４と陰極１６，１８の間の電圧が３００Ｖを選択され、可視範囲で光子を得るための励起エネルギーが３ｅＶであるなら、陰極１８から放出された一つの電子によって原理的には１００個の光子を作ることができる。

磁界ベクトルの方向の電子のドリフトは、適用される磁界方向が一定（即ち、単方向）であるときに起こりうることが注意される。このドリフトが望ましくないとき（電子密度の損失を起こす）、ドリフトを補償するために双方向磁界が適用されることができる。

電界はまた、交流であることができ（即ち、必ずしもＤＣである必要がない）、これはまた、光を作るガス原子（又は分子）の所望の励起に寄与しない陽極１４の方への望ましくないドリフトを補償することができる。

本発明の本質的部分は、自由電子のエネルギーを（特定の最大値に）制限することであり、管１２内の（ガス）原子又は分子の励起に向かってそれらのエネルギーを（全部又は一部）送出しない限り、陽極１４に到達することができる電子が存在しないことである。それは、可視光が最初に作られない限り、電界から引き出されるエネルギーが全くないことを意味する。これは、従来の放電ランプとは対照的である。従来の放電ランプでは、自由電子の動きがランダムであり（即ち、制限するメカニズムがない）、それによって原子をランダムに様々なレベルの励起で（即ち、可視光又は紫外光で）励起するか又は原子の励起を起こさずに相対的に高いエネルギーで陽極１４に衝突し、それゆえ光なしで熱だけを作る。それはまさに前述した低効率の理由である。

ランプの物理的形状は示されたように必ずしも平行六面体である必要はないが、自由電子エネルギーを（上述の制限内で）制限する上述の原理が満足されない限り、いかなる形状もとることができることが理解されるだろう。

一実施形態では、電界と磁界は実質的に均一である。ランプ１０が平行六面体である図４を参照すると、電極に平行ないかなる直線の想像上の表面２５を横切る電界も実質的に均一である。電界に垂直である磁界もまた、実質的に均一である。

図５を参照すると、円柱形ランプが参照番号３０によって示されている。この特別に示された実施形態では、電界は、円柱形ランプ３０内の想像上の円柱体３２を形成するいかなる表面を横切っても（即ち、いかなる表面に垂直にしても）実質的に均一である。従って、それは、電界に垂直な、それゆえ想像上の円柱体３２の表面に沿った磁界もまた実質的に均一であることに従う。

電界と磁界の両方の均一性及び垂直性が本発明にとって極めて重要であることが理解されるだろう。

また、本発明の主要な特徴は、陽極と陰極が管１２内の電子の動き（軌道）に全て沿って広がることであることも注意されるだろう。

提案されるランプの高い効率は、熱損失が少ないこと、従って電気エネルギーを節約することを意味する。

Claims (12)

1. 陽極と、陽極から離れて置かれた陰極とを含み、陰極から陽極に電子を移動させるように陽極及び陰極を横切って電界が適用されることができる、単一ガス又はガスの組み合わせを充填された管、及び
   管を横切って磁界を与えるための磁化手段
   を含むガス充填ランプであって、
   磁界の方向が電界の方向に実質的に垂直であり、電界と磁界の間の比率が管内の単一ガス又はガスの組み合わせに依存して実質的に予め決められており、その結果、電界及び磁界を受けた陰極から放出された電子が、最大の運動エネルギーに到達するまで電界から運動エネルギーを連続的に得ることができ、磁界によって最小の運動エネルギーに到達し、このサイクルが、電子がガスの原子に衝突するまで周期的に繰り返され、それらの衝突の幾つかにおいて電子が原子にエネルギーを与え、かくして得られたガスの原子中の電子の励起が光を生じることを特徴とするガス充填ランプ。
2. 電界と磁界の間の比率が、自由電子が獲得する最大運動エネルギーが３ｅＶ〜１８ｅＶであるように選択されることを特徴とする請求項１に記載のガス充填ランプ。
3. 陰極が第一陰極と第二陰極とを含み、第一陰極が少なくとも電子の放出を容易にするように配置され、第二陰極が陽極とともに第二陰極と陽極の間の電界を発生するように配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のガス充填ランプ。
4. 第二陰極が管の外側に位置されることを特徴とする請求項３に記載のガス充填ランプ。
5. 磁化手段が、北磁極と南磁極を規定する少なくとも一つの磁石を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス充填ランプ。
6. 管内のガスがネオン、アルゴン、ナトリウム、水銀、又はそれらの類似ガスのうちの一つ又は組み合わせであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス充填ランプ。
7. 電界及び磁界がそれぞれ実質的に均一な電界及び磁界であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のガス充填ランプ。
8. 磁界が双方向磁界であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のガス充填ランプ。
9. 電界が交流（ＡＣ）電圧によって発生されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のガス充填ランプ。
10. 単一ガス又はガスの組み合わせを充填された管を含むガス充填ランプを操作する方法であって、この方法は、管の陽極及び陰極を横切って電界を適用して陰極から陽極に電子を移動させること、及び
    磁化手段によって管を横切って磁界を適用すること
    を含み、
    適用された磁界が電界の方向に実質的に垂直であり、電界と磁界の間の比率が管内の単一ガス又はガスの組み合わせに依存して実質的に予め決められており、その結果、電界及び磁界を受けた陰極から放出された電子が、最大の運動エネルギーに到達するまで電界から運動エネルギーを連続的に得ることができ、磁界によって最小の運動エネルギーに到達し、このサイクルが、電子がガスの原子に衝突するまで周期的に繰り返され、それらの衝突の幾つかにおいて電子が原子にエネルギーを与え、かくして得られたガスの原子中の電子の励起が光を生じることを特徴とする方法。
11. 自由電子が獲得する最大運動エネルギーが３ｅＶ〜１８ｅＶであるように電界と磁界の間の比率を決定することを含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 陰極と陽極を横切って交流（ＡＣ）電圧を適用して電界を発生させることを含むことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。

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