RU2193802C2

RU2193802C2 - Optical radiation generating device

Info

Publication number: RU2193802C2
Application number: RU99110628/09A
Authority: RU
Inventors: А.Т. Рахимов; Ю.А. Манкелевич; В.В. Иванов; Т.В. Рахимова; Н.В. Суетин
Original assignee: ООО "Высокие технологии"
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2002-11-27

Abstract

FIELD: visible radiation sources for projectors, liquid-crystal screen illumination lamps, displays, light-panel components. SUBSTANCE: device has gas-filled chamber, cathode made in the form of strips, and anode both disposed in opposition to one another. Surfaces carrying electrodes including surfaces of electrodes proper are coated with photoluminescent phosphor. Distance L between electrodes is found considering it to equal electric - track length of electrons by selecting radiating gas pressure and voltage U between electrodes lower than I/e, where I is ionization potential of atoms or gas molecules; e is electron charge. Autoemission cathode used in device is assembled of parallel strips, width d of each strip being found from condition Ed = U, where E is electric field intensity near cathode strip surfaces sufficient to ensure desired autoemission; distance between strips is longer than or equal to L; strip may be made in the form of metal film deposited on insulating substrate covered in its turn with diamond- carbon or carbon film. EFFECT: enhanced efficiency of power-to- optical-beam conversion at low voltages, enhanced reliability and manufacturability of device. 4 cl, 1 dwg

Description

Источники оптического излучения находят широкое применение в промышленности. В частности, излучение вакуумного ультрафиолетового диапазона используется для травления резисторов в микроэлектронике, для стерилизации расходных материалов, инструментов и оборудования в медицине. Источниками видимого излучения различного спектрального состава являются осветительные приборы и различного рода информационные экраны. Одним из наиболее распространенных источников оптического излучения являются газоразрядные источники. Распространены, например, люминесцентные лампы видимого диапазона, представляющие собой обычно газовый разряд в благородном газе низкой плотности с добавками ртути, ультрафиолетовое излучение которого с помощью люминофора конвертируется в видимое излучение. Тот же принцип применяется и в производстве плазменных дисплеев, где используется тот же тип разряда, но без ртути и при более высоких давлениях газа. Широта применений делает важным создание эффективного, компактного источника оптического излучения. Sources of optical radiation are widely used in industry. In particular, vacuum ultraviolet radiation is used to etch resistors in microelectronics, to sterilize consumables, instruments and equipment in medicine. Sources of visible radiation of various spectral composition are lighting devices and various kinds of information screens. One of the most common sources of optical radiation is gas discharge sources. Visible fluorescent lamps, for example, are usually a gas discharge in a noble low-density gas with mercury additives, the ultraviolet radiation of which is converted by means of a phosphor into visible radiation. The same principle applies to the manufacture of plasma displays, where the same type of discharge is used, but without mercury and at higher gas pressures. The breadth of applications makes it important to create an effective, compact source of optical radiation.

Известное устройство оптического излучения малого давления, например флуоресцентная газоразрядная лампа [1], имеет ряд недостатков, в частности ртутные загрязнения, возникающие при разрушении лампы. The known device of optical radiation of low pressure, for example a fluorescent discharge lamp [1], has several disadvantages, in particular mercury pollution arising from the destruction of the lamp.

Известно устройство для получения оптического излучения, состоящее из камеры, заполненной излучающим газом, с расположенными напротив друг друга, по крайней мере, двумя электродами, катодом и анодом, по крайней мере, один из которых выполнен прозрачным для излучения [2]. Оптическое излучение возникает в результате возбуждения газа в разряде. Недостатком устройства является низкая эффективность преобразования электрической энергии в излучение. A device for producing optical radiation is known, consisting of a chamber filled with a radiating gas, with at least two electrodes located opposite each other, a cathode and an anode, at least one of which is transparent to radiation [2]. Optical radiation arises as a result of gas excitation in a discharge. The disadvantage of this device is the low efficiency of the conversion of electrical energy into radiation.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в оптическое излучение при низких напряжениях питания при высокой надежности и технологичности конструкции. The aim of the invention is to increase the efficiency of conversion of electrical energy into optical radiation at low supply voltages with high reliability and manufacturability.

Предлагаемое устройство оптического излучения состоит из камеры, заполненной излучающим газом, например каким-либо благородным газом, с расположенными напротив друг друга, по крайней мере, двумя электродами - катодом и анодом. По крайней мере, одна из поверхностей, на которой расположены электроды, включающая поверхность самих электродов, прозрачна для излучения газа или излучения люминофора. Расстояние между электродами L определяется из условия равенства его энергетической длине пробега электрона путем подбора давления излучающего газа и напряжения U между электродами меньшим, чем I/е, где I - потенциал ионизации атомов или молекул газа, а е - заряд электрона. Катод выполнен автоэмиссионным в виде параллельных полос, ширина которых d определяется из условия Ed= U, где Е - напряженность электрического поля вблизи поверхности катодных полос, достаточная для обеспечения необходимой автоэмиссии, а расстояние между полосами больше или равно L, при этом полоса может быть выполнена в виде нанесенной на диэлектрическую подложку металлической пленки, покрытой в свою очередь алмазно-углеродной или углеродной пленкой. Поверхности, на которых расположены электроды, прозрачные для излучения газа, включая и поверхность самих электродов, могут быть покрыты фотолюминофором с внешней стороны. При выполнении поверхностей, на которых расположены электроды, включая и поверхность самих электродов, прозрачными для излучения люминофора, они покрыты фотолюминофором с внутренней стороны. The proposed optical radiation device consists of a chamber filled with a radiating gas, for example, some noble gas, with at least two electrodes located opposite each other - a cathode and an anode. At least one of the surfaces on which the electrodes are located, including the surface of the electrodes themselves, is transparent to gas radiation or phosphor radiation. The distance between the electrodes L is determined from the condition that its energy path of the electron is equal by selecting the pressure of the emitting gas and the voltage U between the electrodes less than I / e, where I is the ionization potential of atoms or molecules of the gas, and e is the electron charge. The cathode is made field-emission in the form of parallel strips whose width d is determined from the condition Ed = U, where E is the electric field strength near the surface of the cathode strips, sufficient to provide the necessary field emission, and the distance between the strips is greater than or equal to L, while the strip can be made in the form of a metal film deposited on a dielectric substrate, coated in turn with a diamond-carbon or carbon film. Surfaces on which electrodes are located that are transparent to gas emission, including the surface of the electrodes themselves, can be coated with photoluminophore from the outside. When performing surfaces on which the electrodes are located, including the surface of the electrodes themselves, transparent to the radiation of the phosphor, they are coated with a photophosphor on the inside.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для получения оптического видимого излучения, состоящее из источника питания (1), заполненной газом камеры (2), поверхностей (3), на которых расположены катод, выполненный в виде полос (4), и анод (5) и фотолюминофор (6). Полосы (4) катода должны быть выполнены из материала, который обеспечивает максимально высокую эффективность эмиссии электронов. The invention is illustrated in the drawing, which schematically shows a device for producing optical visible radiation, consisting of a power source (1), gas-filled chamber (2), surfaces (3) on which a cathode made in the form of strips (4), and an anode are located (5) and photoluminophore (6). The cathode strips (4) should be made of a material that provides the highest electron emission efficiency.

Для получения высокой эффективности необходимо обеспечить условия, при которых значительная часть вложенной энергии идет на возбуждение излучающих состояний газа. Этого можно добиться за счет выбора подходящего диапазона давлений газа и размеров устройства. Напряженность электрического поля у катода Е должна быть достаточно велика для появления значительного тока автоэмиссии (E ~ 2-10 В/мкм при использовании холодноэмиссионного пленочного катода). Выполнение автоэмиссионного катода в виде полос позволяет использовать условия радиального распределения напряженности электрического поля, за счет чего возможно подобрать такие расстояние между электродами, которые позволят обеспечить технологичность и надежность устройства. To obtain high efficiency, it is necessary to ensure the conditions under which a significant part of the energy input goes to the excitation of the emitting states of the gas. This can be achieved by choosing the appropriate range of gas pressures and device dimensions. The electric field at the cathode E should be large enough for the appearance of a significant field emission current (E ~ 2-10 V / μm when using a cold-emission film cathode). The implementation of the field emission cathode in the form of strips makes it possible to use the conditions of the radial distribution of the electric field strength, due to which it is possible to choose such a distance between the electrodes that will ensure the manufacturability and reliability of the device.

Излучение, полученное за счет возбуждения частиц газа электронами, может быть выведено через прозрачные электроды или преобразовано в излучение другого диапазона за счет возбуждения излучающих состояний люминофора. The radiation obtained due to the excitation of gas particles by electrons can be removed through transparent electrodes or converted into radiation of a different range due to the excitation of the emitting states of the phosphor.

За счет подбора рабочих параметров катода ток электронов поддерживается на заданном уровне. Эти электроны дрейфуют под действием напряжения, приложенного между полосами (4) катода и анодом (5) и вызывают возбуждение ультрафиолетового излучение газа, заполняющего камеру (2), с последующим возбуждением фотолюминофора (5). Постоянное или импульсное электрическое напряжение прикладывается от источника питания (1). Рабочий диапазон напряжений может быть от нескольких до десятков вольт. Минимальное напряжение определяется величиной порога возбуждения нижнего излучающего состояния, в ксеноне это 8.5 эВ, а максимальное - условием возникновения самостоятельного разряда. Яркость источника растет с увеличением напряжения между электродами, а при фиксированном напряжении с ростом величины электрического поля в зазоре. В случае импульсного напряжения яркость также может контролироваться частотой следования импульсов и изменением длительности импульса. By selecting the operating parameters of the cathode, the electron current is maintained at a given level. These electrons drift under the action of a voltage applied between the cathode strips (4) and the anode (5) and cause the ultraviolet radiation of the gas filling the chamber (2) to be excited, followed by the excitation of the photoluminophore (5). A constant or pulsed electrical voltage is applied from the power source (1). The working voltage range can be from several to tens of volts. The minimum voltage is determined by the excitation threshold of the lower radiating state, in xenon it is 8.5 eV, and the maximum is determined by the condition for the appearance of an independent discharge. The brightness of the source increases with increasing voltage between the electrodes, and at a fixed voltage with increasing electric field in the gap. In the case of a pulse voltage, the brightness can also be controlled by the pulse repetition rate and the change in pulse duration.

Предлагаемое устройство оптического излучения будет иметь широкий диапазон применений: от медицины до высоких технологий, где необходимы источники света разного спектрального диапазона с управляемой яркостью. Возможно использование предлагаемого устройства оптического излучения в проекторах, лампах подсветки жидкокристаллических экранов, дисплеях, элементах световых табло, где необходима высокая яркость, в компактных и автономных источниках света, где возможно использование только низкого напряжения. Оно может также использоваться в любых применениях, где важно иметь источник излучения с большой апертурой. The proposed optical radiation device will have a wide range of applications: from medicine to high technology, where light sources of different spectral ranges with controlled brightness are needed. It is possible to use the proposed optical radiation device in projectors, backlight lamps, LCD displays, displays, elements of light displays where high brightness is required, in compact and autonomous light sources where it is possible to use only low voltage. It can also be used in any application where it is important to have a large aperture radiation source.

Источники информации
1. Рохлин Г. Н. Разрядные источники света. Энергоатомиздат, 1991, стр. 392.Sources of information
1. Rokhlin G. N. Discharge light sources. Energoatomizdat, 1991, p. 392.

2. Добрецов Л.Н., Гамаюнова М.В. Эмиссионная электроника, Москва: Наука, 1966, стр. 245. 2. Dobretsov L.N., Gamayunova M.V. Emission Electronics, Moscow: Nauka, 1966, p. 245.

Claims

1. Device for receiving optical radiation from a chamber filled with a radiating gas, with at least two electrodes located opposite each other, a cathode and an anode, with at least one of the surfaces on which the electrodes are located, including the surface of electrodes, transparent to radiation, characterized in that the distance L between the electrodes is determined from the condition of equality of its energy path of the electron by selecting the pressure of the emitted gas and the voltage U between the electrodes is smaller, h I / e, where I is the ionization potential of atoms or molecules of a gas, e is the electron charge, and the cathode is made field-emission in the form of parallel conducting strips, the width d of which is determined from the condition Ed = U, where E is the electric field near the surface of the cathode strips sufficient to ensure field emission, and the distance between the bands is greater than or equal to L.

2. The device according to claim 1, characterized in that the strips are made in the form of a metal film deposited on a dielectric substrate, coated in turn with a diamond-carbon or carbon film.

3. The device according to p. 2, characterized in that at least the surface on which the electrodes are located, including the surface of the electrodes themselves, is made transparent for gas emission and is coated with a layer of photoluminophore from the outside.

4. The device according to p. 2, characterized in that at least the surface on which the electrodes are located, including the surface of the electrodes themselves, is made transparent to the radiation of the phosphor and is coated with a layer of photophosphor on the inside.