RU2274924C1

RU2274924C1 - Cathodoluminescence light source (alternatives)

Info

Publication number: RU2274924C1
Application number: RU2004123613/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Николаевич Образцов (RU); Александр Николаевич Образцов
Original assignee: Александр Николаевич Образцов
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2006-04-20
Also published as: RU2004123613A

Abstract

FIELD: optical radiation sources for lighting and/or shaping pictures by means of various displays.

SUBSTANCE: proposed cathodoluminescence light source has field-effect cathode that functions as electron source, anode with specular light reflecting surface, and cathode-ray phosphor applied to specular light-reflecting surface of anode. Cathode and anode are disposed in evacuated case that has transparent surface so as to provide for irradiation of cathode phosphor on anode surface with electron beam and for escape of cathodoluminescence-caused light flux outside; anode surface has semi-cylindrical or close to cylindrical shape; cathode is made in the form of filament and is disposed, in effect, on longitudinal axis of anode. Case can be made in the form of sphere and anode surface may have hemispherical or close to hemispherical shape; cathode can be made in the form of spike and is disposed, in effect, in center of anode.

EFFECT: enhanced efficiency of electrical energy-to-light conversion, simplified design, facilitated manufacture of lamps.

7 cl, 12 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к источникам оптического излучения, используемым для освещения и/или для формирования изображений с помощью дисплеев различных конструкций и назначений.The invention relates to optical radiation sources used for lighting and / or for forming images using displays of various designs and purposes.

Предшествующий уровень техникиState of the art

Разнообразные источники света используются практически во всех областях деятельности человека. В подавляющем большинстве случаев принцип действия источников света подразумевает преобразование энергии электрического тока в свет. В зависимости от конкретного применения к источникам света предъявляются определенные требования по интенсивности и направленности излучения, спектральному составу, размерам и др. характеристикам. Важнейшим параметром любого источника света является эффективность преобразования электроэнергии в свет. В зависимости от физических принципов, используемых для получения света, параметры различных источников света могут изменяться в широких пределах. В частности, эффективность преобразования электроэнергии в видимый свет в лампах накаливания составляет не более 1%. Эффективность преобразования энергии в источники света на основе электролюминесценции различных видов сильно зависит от длины волны излучаемого света и варьирует от 0,01% для коротковолнового (синего) диапазона до 15% для длинноволнового (красного и инфракрасного) излучения. В различных газоразрядных светоизлучающих приборах эффективность преобразования энергии варьируется от 1 до 20% в зависимости от типа разряда и спектральных характеристик излучения. Газоразрядные источники используются, в частности, в качестве источников ультрафиолетового излучения для последующего получения видимого света за счет фотолюминесценции. Эффективность преобразования энергии ультрафиолетового излучения в видимое достигает 60%, что приводит к суммарной энергетической эффективности (т.е. эффективности преобразования электроэнергии в свет) фотолюминесцентных ламп на уровне 10%. Несмотря на относительно высокую энергетическую эффективность, фотолюминесцентные лампы имеют ряд недостатков. Существенным недостатком фотолюминесцентных ламп является использование в них ртути. Вместо ультрафиолета для возбуждения люминесценции могут использоваться пучки электронов. В таком катодолюминесцентном процессе эффективность преобразования энергии электронов в свет может достигать 35-40%. При этом общая эффективность катодолюминесцентных источников света определяется энергетическими затратами, требуемыми для создания соответствующего пучка электронов.A variety of light sources are used in almost all areas of human activity. In the vast majority of cases, the principle of operation of light sources involves the conversion of electric current energy into light. Depending on the specific application, certain requirements are imposed on light sources in terms of intensity and directivity of radiation, spectral composition, size, and other characteristics. The most important parameter of any light source is the efficiency of converting electricity into light. Depending on the physical principles used to produce light, the parameters of various light sources can vary widely. In particular, the efficiency of converting electricity to visible light in incandescent lamps is not more than 1%. The efficiency of converting energy to light sources based on electroluminescence of various types strongly depends on the wavelength of the emitted light and varies from 0.01% for the short-wave (blue) range to 15% for the long-wave (red and infrared) radiation. In various gas-discharge light-emitting devices, the energy conversion efficiency varies from 1 to 20%, depending on the type of discharge and the spectral characteristics of the radiation. Gas-discharge sources are used, in particular, as sources of ultraviolet radiation for the subsequent production of visible light due to photoluminescence. The efficiency of converting the energy of ultraviolet radiation into visible energy reaches 60%, which leads to a total energy efficiency (i.e., the efficiency of converting electricity to light) of photoluminescent lamps at 10%. Despite the relatively high energy efficiency, photoluminescent lamps have several disadvantages. A significant drawback of photoluminescent lamps is the use of mercury in them. Instead of ultraviolet, electron beams can be used to excite luminescence. In such a cathodoluminescent process, the conversion efficiency of electron energy into light can reach 35-40%. Moreover, the overall efficiency of cathodoluminescent light sources is determined by the energy costs required to create the corresponding electron beam.

Примерами катодолюминесцентных источников света могут служить различные катодолюминесцентные лампы, индикаторы, кинескопы, вакуумные люминесцентные приборы и т.п. Как правило, электронный пучок в этих устройствах создается за счет термоэлектронной эмиссии из нагретого до высокой температуры катода (см., например, патент Великобритании №2009492, патент РФ №2089007). Эффективность преобразования электроэнергии в свет в таких приборах имеет низкое значение из-за того, что значительная ее часть должна расходоваться на нагрев катода. При этом сложность изготовления, геометрические размеры, требования к условиям эксплуатации таких приборов существенно ограничивают области их применения. Использование в качестве источника электронов других видов стимулированной эмиссии электронов (фотоэмиссия, вторичная электронная эмиссия и т.п.) также не позволяет получить высокой эффективности преобразования энергии в свет.Examples of cathodoluminescent light sources include various cathodoluminescent lamps, indicators, picture tubes, vacuum fluorescent devices, etc. Typically, an electron beam in these devices is created by thermionic emission from a cathode heated to a high temperature (see, for example, UK patent No. 2009492, RF patent No. 2089007). The efficiency of converting electricity to light in such devices is of low importance due to the fact that a significant part of it should be spent on heating the cathode. At the same time, the complexity of manufacturing, geometric dimensions, requirements for the operating conditions of such devices significantly limit their scope. The use of other types of stimulated emission of electrons as a source of electrons (photoemission, secondary electron emission, etc.) also does not allow one to obtain high efficiency of energy conversion into light.

Альтернативный способ получения пучка электронов заключается в использовании эффекта полевой (или спонтанной) эмиссии. В отличие от термоэлектронной, фотоэлектронной и других видов стимулированной эмиссии полевая эмиссия электронов происходит без поглощения энергии в материале эмиттера (катода), что создает предпосылки для создания высокоэффективных источников света. Однако для получения с помощью полевых катодов электронных пучков с достаточной для практического использования плотностью тока требуется создание на их поверхности чрезвычайно высокой напряженности электрического поля (10⁸-10⁹ В/м). Такая напряженность поля требует, в свою очередь, использования высоких напряжений и/или катодов, имеющих форму тонких острий или лезвий, способствующую локальному усилению электрического поля. Приемлемые с практической точки зрения значения напряжения требуют создания острий и лезвий микрометрового и субмикрометрового масштаба, что существенно повышает стоимость их изготовления. При этом эмиссия электронов оказывается крайне нестабильной из-за высокой чувствительности таких микронных острийных структур к условиям окружающей среды. Указанные обстоятельства существенно затрудняют использование острийных и лезвийных полевых катодов в приборах широкого назначения.An alternative way to obtain an electron beam is to use the effect of field (or spontaneous) emission. In contrast to thermionic, photoelectronic and other types of stimulated emission, field electron emission occurs without energy absorption in the material of the emitter (cathode), which creates the prerequisites for creating highly efficient light sources. However, to obtain electron beams using field cathodes with a current density sufficient for practical use, it is necessary to create an extremely high electric field strength (10 ⁸ -10 ⁹ V / m) on their surface. Such field strengths, in turn, require the use of high voltages and / or cathodes in the form of thin tips or blades, contributing to local amplification of the electric field. The voltage values that are acceptable from a practical point of view require the creation of points and blades of a micrometer and submicron scale, which significantly increases the cost of their manufacture. In this case, electron emission is extremely unstable due to the high sensitivity of such micron tip structures to environmental conditions. These circumstances significantly complicate the use of tip and blade field cathodes in general-purpose devices.

Известен катодолюминесцентный источник света, использующий в качестве полевого катода тонкую нить из электропроводящего материала (WO 97/07531). В лампе этого типа катод находится внутри вакуумированной стеклянной колбы. Внутренняя поверхность колбы имеет прозрачное электропроводящее покрытие, выполняющее роль анода. На это электропроводящее покрытие наносится слой катодолюминофора, испускающего свет под действием потока электронов. Одним из недостатков такой конструкции является то, что для обеспечения требуемой для эмиссии электронов достаточно высокой напряженности электрического поля при приемлемых для практического применения значениях напряжения между катодом и анодом для изготовления катода приходится использовать нити, имеющие чрезвычайно малый диаметр (от 1 до 15 микрометров). Низкая механическая прочность тонких нитей создает значительные проблемы при изготовлении катодов для таких источников света. Другим недостатком указанной конструкции катодолюминесцентных ламп является то, что наиболее эффективное возбуждение электронным пучком происходит с той стороны слоя катодолюминофора, которая обращена к катоду, т.е. внутрь стеклянной колбы. Таким образом, значительная часть светового потока поглощается в слоях катодолюминофора, расположенных ближе к прозрачной внешней поверхности колбы. Поглощение света приводит к потере части энергии и снижению общей эффективности ламп данного типа.A cathodoluminescent light source is known using a thin filament of electrically conductive material as a field cathode (WO 97/07531). In a lamp of this type, the cathode is located inside an evacuated glass bulb. The inner surface of the bulb has a transparent electrically conductive coating that acts as the anode. A layer of a cathodoluminophore emitting light under the influence of an electron flow is applied to this electrically conductive coating. One of the drawbacks of this design is that in order to provide a sufficiently high electric field strength required for electron emission at values of voltage between cathode and anode acceptable for practical application, it is necessary to use filaments having an extremely small diameter (from 1 to 15 micrometers). The low mechanical strength of thin threads creates significant problems in the manufacture of cathodes for such light sources. Another drawback of this design of cathodoluminescent lamps is that the most efficient excitation by the electron beam occurs on the side of the cathodoluminophore layer that faces the cathode, i.e. inside a glass flask. Thus, a significant part of the light flux is absorbed in the cathodoluminophore layers located closer to the transparent outer surface of the bulb. The absorption of light leads to the loss of part of the energy and reduce the overall efficiency of lamps of this type.

Известны углеродные материалы, в которых полевая эмиссия наблюдается при значительно более низкой напряженности электрического поля (10⁶-10⁷ В/м) за счет нанометровых размеров составляющих их структурных элементов, а также за счет специфических электронных свойств наноструктурированного углерода (WO 00/40508 А1). Использование таких материалов в качестве эмиттеров электронов (катодов) позволяет существенно снизить величину напряжения, прикладываемого между анодом и катодом для получения пучка электронов.Carbon materials are known in which field emission is observed at a significantly lower electric field strength (10 ⁶ -10 ⁷ V / m) due to the nanometer sizes of their structural elements, as well as due to the specific electronic properties of nanostructured carbon (WO 00/40508 A1 ) The use of such materials as electron emitters (cathodes) can significantly reduce the amount of voltage applied between the anode and cathode to obtain an electron beam.

Известен катодолюминесцентный источник света в виде цилиндрического вакуумного диода с полевым катодом в виде металлической проволоки диаметром 1 мм и с нанесенными на поверхность проволоки углеродными нанотрубками (J.-M.Bonard, Т.Stoeckli, О.Noury, A.Chatelain, Appl. Phys. Lett. 78, 2001, 2775-2777). Использование углеродных нанотрубок позволяет в этом случае снизить величину используемых в приборе напряжений. Одним из недостатков данного типа ламп является использование углеродных нанотрубок, изготавливаемых с применением металлического катализатора. Полученные таким способом нанотрубки имеют на своем конце частички металла, что требует дополнительной химической обработки для удаления этих частиц и получения требуемой эффективности эмиссии электронов. Другим недостатком таких ламп является то, что в них электронному возбуждению также подвергается слой катодолюминофора, расположенный на внутренней стороне цилиндрической стеклянной колбы. Часть излученного этим слоем света поглощается при прохождении света к прозрачной поверхности лампы, снижая общую эффективность преобразования электроэнергии в свет.Known cathodoluminescent light source in the form of a cylindrical vacuum diode with a field cathode in the form of a metal wire with a diameter of 1 mm and carbon nanotubes deposited on the surface of the wire (J.-M.Bonard, T. Stoeckli, O. Noury, A. Chatelain, Appl. Phys Lett. 78, 2001, 2775-2777). The use of carbon nanotubes allows in this case to reduce the magnitude of the voltage used in the device. One of the disadvantages of this type of lamp is the use of carbon nanotubes manufactured using a metal catalyst. The nanotubes obtained in this way have metal particles at their end, which requires additional chemical treatment to remove these particles and obtain the required electron emission efficiency. Another disadvantage of such lamps is that a cathodoluminophore layer located on the inside of a cylindrical glass bulb is also subjected to electronic excitation. Part of the light emitted by this layer is absorbed when light passes to the transparent surface of the lamp, reducing the overall efficiency of converting electricity into light.

Ближайшим к настоящему изобретению по своей технической сущности является катодолюминисцентный источник света по авторскому свидетельству СССР №1686535. Он содержит вакуумированный корпус, по крайней мере часть которого прозрачна, и размещенные в нем анод, поверхность которого выполнена зеркально отражающей свет, перекрывает часть внутренней поверхности корпуса и покрыта слоем катодолюминофора, и по меньшей мере один катод, создающий электронный пучок.Closest to the present invention in its technical essence is a cathodoluminescent light source according to USSR copyright certificate No. 1686535. It contains an evacuated casing, at least part of which is transparent, and an anode placed in it, the surface of which is specularly reflecting light, covers part of the inner surface of the casing and is covered with a layer of cathodoluminophore, and at least one cathode that creates an electron beam.

Часть внутренней поверхности корпуса и соответствующая ей поверхность анода имеют форму параболоида, а катод установлен в его фокусе.Part of the inner surface of the casing and the corresponding surface of the anode are in the form of a paraboloid, and the cathode is mounted at its focus.

При такой конфигурации анода и таком размещении катода, максимальная напряженность электрического поля, а значит, максимальная эмиссия катода и плотность пучка электронов на поверхности анода будут находиться в области на пересечении геометрической оси лампы с поверхностью анода. При этом световой поток, возникший в этой наиболее интенсивно облучаемой электронами области анода и отраженный от него, будет экранироваться катодом, расположенным на пути его распространения.With this configuration of the anode and this arrangement of the cathode, the maximum electric field strength, and therefore the maximum cathode emission and electron beam density on the anode surface, will be in the region at the intersection of the geometric axis of the lamp with the anode surface. In this case, the light flux arising in this region of the anode most intensely irradiated by electrons and reflected from it will be screened by the cathode located on the path of its propagation.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачей настоящего изобретения является устранение указанного выше недостатка источника света по авторскому свидетельству 1686535 и повышения за счет этого световой отдачи источника.The objective of the present invention is to eliminate the above disadvantage of a light source according to copyright certificate 1686535 and increase due to this light output of the source.

Указанные задачи решаются настоящим изобретением благодаря иной конфигурации поверхности анода.These problems are solved by the present invention due to a different surface configuration of the anode.

В одном из вариантов изобретения анод имеет цилиндрическую (полуцилиндрическую, или близкую к ней) форму поверхности, при этом катод имеет форму нити, расположенной по продольной оси анода.In one embodiment of the invention, the anode has a cylindrical (semi-cylindrical, or close to it) surface shape, while the cathode has the shape of a thread located along the longitudinal axis of the anode.

В другом варианте изобретения анод имеет форму сферы (полусферы или близкую к ней поверхность), а катод выполнен в виде острия, размещенного в центре или вблизи центра сферической поверхности анода.In another embodiment of the invention, the anode has the shape of a sphere (hemisphere or a surface close to it), and the cathode is made in the form of a tip located in the center or near the center of the spherical surface of the anode.

Источник света может быть снабжен размещенным в прозрачном вакуумируемом корпусе основанием, в котором выполняются или канавки, или полусферические углубления, поверхность тех и других является зеркально отражающей и которые выполняют функции анода, а катоды выполнены или в виде нитей, расположенных над канавками, вдоль них, или в виде острий, размещенных над центрами полусферических углублений.The light source can be equipped with a base placed in a transparent evacuated casing, in which either grooves or hemispherical recesses are made, the surface of both of them is mirror reflective and which perform the functions of the anode, and the cathodes are made either in the form of threads located above the grooves along them, or in the form of points located above the centers of hemispherical recesses.

Катод целесообразно выполнять создающим электронный пучок в результате полевой эмиссии.The cathode is advisable to perform creating an electron beam as a result of field emission.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

ФИГ.1 показывает вариант цилиндрической лампы согласно изобретению, вид сбоку (1а), с торца (1б) и в перспективе (1в).FIG. 1 shows a variant of a cylindrical lamp according to the invention, a side view (1a), from the end (1b) and in perspective (1c).

ФИГ.2 показывает вариант сферической лампы согласно изобретению.FIG. 2 shows an embodiment of a spherical lamp according to the invention.

ФИГ.3 показывает вариант плоской лампы согласно изобретению, содержащий несколько катодов и анодов (3а и 3б - вид в перспективе и в плане варианта лампы с нитевидными катодами и 3в и 3 г - то же с катодами в форме острий).FIG. 3 shows a variant of a flat lamp according to the invention containing several cathodes and anodes (3a and 3b are a perspective view and in plan view of a variant of a lamp with filamentous cathodes and 3b and 3 g are the same with cathodes in the form of points).

ФИГ.4 - то же, в корпусе.FIG.4 is the same in the case.

ФИГ.5 показывает вольт-амперные характеристики цилиндрической лампы, изготовленной согласно изобретению.FIG.5 shows the current-voltage characteristics of a cylindrical lamp made according to the invention.

ФИГ.6 показывает зависимость яркости свечения от напряжения для лампы согласно изобретению.FIG.6 shows the dependence of the brightness of the glow on the voltage for the lamp according to the invention.

Примеры осуществления изобретенияExamples of carrying out the invention

Катодолюминесцецтная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде цилиндрического вакуумного диода, схематически показанного на ФИГ.1. Для этого изготавливается цилиндрическая стеклянная колба 1, на часть внутренней цилиндрической поверхности которой наносится слой алюминия или другого металла с хорошими светоотражающими свойствами 2. Этот зеркальный слой металла имеет электрическое соединение с электродом, выведенным на внешнюю поверхность колбы 3. На зеркальный слой металла наносится слой катодолюминофора 4. Внутри колбы размещается полевой катод в виде металлической цилиндрической проволоки 5 с нанесенным на нее слоем углеродного материала 6, имеющего высокую эффективность полевой эмиссии электронов. Целесообразно использовать в качестве углеродного материала пленку, состоящую из наноразмерных кристаллитов графита и углеродных нанотрубок в соответствии с WO 00/40508 A1. Катод целесообразно располагать по продольной оси колбы. Катод электрически соединяется с электродом, выходящем на внешнюю поверхность колбы 7. Диаметр проволоки для изготовления катода и диаметр цилиндрической колбы выбираются таким образом, чтобы обеспечить при заданных рабочих напряжениях, прикладываемых между анодом и катодом, уровень напряженности электрического поля на поверхности катода, требуемый для создания эмиссионного электронного тока заданной величины. Например, для указанного выше углеродного материала в соответствии с WO 00/40508 A1 требуемая напряженность поля (F), равная или превышающая 1,25 г 10⁶ В/м, может быть получена при напряжении (V), равном или больше 4 кВ, приложенном между катодом диаметром d=1 мм и анодом диаметром D=20 мм в соответствии с известной формулой F=V/[d ln(D/d)]. Соответственно при приложении напряжения более 4 кВ эмитированные из катода электроны будут ускоряться в межэлектродном промежутке и вызывать свечение катодолюминофора, нанесенного на поверхность анода. Благодаря наличию зеркальной отражающей поверхности анода световой поток катодолюминесценции 8 будет направлен в сторону прозрачной (неметаллизированной) части поверхности стеклянной колбы 9. В лампе могут использоваться дополнительные электроды (не показаны), предназначенные для управления пучком электронов (фокусировка, отклонение, модуляция). После закрепления всех электродов внутри лампы последняя вакуумируется до требуемого уровня и герметизируется. Для поддержания требуемого уровня вакуума в течение длительного времени в лампе может использоваться геттер.The cathodoluminescent lamp according to the invention can be made in the form of a cylindrical vacuum diode, schematically shown in FIG. For this, a cylindrical glass bulb 1 is made, on a part of the inner cylindrical surface of which a layer of aluminum or another metal with good reflective properties 2 is applied. This mirror layer of metal is electrically connected to an electrode brought to the outer surface of the bulb 3 . A cathodoluminophore layer 4 is deposited on the mirror metal layer. Inside the flask is placed a field cathode in the form of a metal cylindrical wire 5 with a layer of carbon material 6 deposited on it, which has a high efficiency of field emission of electrons. It is advisable to use as a carbon material a film consisting of nanosized graphite crystallites and carbon nanotubes in accordance with WO 00/40508 A1. The cathode should be placed along the longitudinal axis of the bulb. The cathode is electrically connected to an electrode facing the outer surface of the bulb 7 . The diameter of the wire for the manufacture of the cathode and the diameter of the cylindrical flask are selected in such a way as to ensure, at given operating voltages applied between the anode and cathode, the level of electric field strength on the cathode surface required to create an emission electron current of a given magnitude. For example, for the above carbon material in accordance with WO 00/40508 A1, the required field strength (F) equal to or greater than 1.25 g 10 ⁶ V / m can be obtained at a voltage (V) equal to or greater than 4 kV, applied between the cathode with a diameter of d = 1 mm and the anode with a diameter of D = 20 mm in accordance with the well-known formula F = V / [d ln (D / d)]. Accordingly, when a voltage of more than 4 kV is applied, the electrons emitted from the cathode will accelerate in the interelectrode gap and cause a glow of the cathodoluminophore deposited on the surface of the anode. Due to the presence of a mirror reflecting surface of the anode, the luminous flux of the cathodoluminescence 8 will be directed towards the transparent (non-metallized) part of the surface of the glass bulb 9 . The lamp may use additional electrodes (not shown) designed to control the electron beam (focusing, deflection, modulation). After fixing all the electrodes inside the lamp, the latter is evacuated to the required level and sealed. To maintain the required vacuum level for a long time, a getter can be used in the lamp.

Катодолюминесцентная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде сферического вакуумного диода, схематически показанного на ФИГ.2. В этом случае лампа изготавливается из стеклянной колбы сферической формы 10. На часть внутренней поверхности колбы наносится светоотражающее металлическое покрытие 11, выполняющее роль анода. Поверхность анода покрывается слоем катодолюминофора 12. Катод выполняется в виде острия с поверхностью, близкой к сферической 13. Поверхность катода покрывается углеродной пленкой 14, аналогичной предыдущему примеру. Сферическая часть катода, покрытая углеродной пленкой, располагается в точке, расположенной по существу в центре колбы. Катод и анод электрически соединяются с электродами, выходящими на внешнюю поверхность стеклянной колбы 15 и 16. Так же как и в предыдущем случае, возникший вследствие катодолюминесценции световой поток 17 выходит из лампы через оставшуюся неметаллизированной часть ее поверхности. В случае сферической лампы формула, связывающая геометрические характеристики лампы (диаметр катода - d и анода - D), приложенное напряжение (V) и напряженность электрического поля, имеет вид: F=2VD/[d(D-d)]. В соответствии с этой формулой сферическая конфигурация позволяет получить требуемую напряженность поля на поверхности катода при использовании меньших напряжений или при уменьшении геометрических размеров электродов лампы по сравнению с цилиндрической конфигурацией.The cathodoluminescent lamp according to the invention can be made in the form of a spherical vacuum diode, schematically shown in FIG. 2. In this case, the lamp is made of a glass bulb of a spherical shape 10 . A reflective metal coating 11 , acting as an anode, is applied to part of the inner surface of the flask. The surface of the anode is covered with a layer of cathodoluminophore 12 . The cathode is made in the form of a tip with a surface close to spherical 13 . The surface of the cathode is covered with a carbon film 14, similar to the previous example. The spherical part of the cathode, covered with a carbon film, is located at a point located essentially in the center of the bulb. The cathode and anode are electrically connected to the electrodes facing the outer surface of the glass bulb 15 and 16 . As in the previous case, the light flux 17 resulting from cathodoluminescence exits the lamp through the remaining non-metallized part of its surface. In the case of a spherical lamp, the formula relating the geometric characteristics of the lamp (cathode diameter d and anode diameter D), applied voltage (V) and electric field strength has the form: F = 2VD / [d (Dd)]. In accordance with this formula, the spherical configuration allows to obtain the required field strength on the cathode surface when using lower voltages or by reducing the geometric dimensions of the lamp electrodes compared to the cylindrical configuration.

Катодолюминесцентная лампа согласно изобретению может быть выполнена в виде плоского прибора с несколькими катодами и анодами. ФИГ.3 показывает схематически светоизлучающий конструктивный элемент плоской лампы, содержащий катоды и аноды. В этом случае анод лампы может быть выполнен в виде пластины 18 с одним или несколькими углублениями цилиндрического 19 или сферического 20 профиля. Указанная пластина может быть изготовлена из проводящего светоотражающего материала или из изолятора (например, стекла) с последующей его металлизацией. Слой металлизации может быть сплошным 21 или выполнен в виде отдельных электрически изолированных участков 22. На светоотражающую поверхность анода наносится слой катодолюминофора. Катод, так же как и в предыдущих вариантах, выполняется в виде электропроводящих нитей 23 или острий 24 с нанесенным на них слоем углерода, обеспечивающего требуемые электронные эмиссионные характеристики. Указанные нити размещаются над поверхностью анодной пластины так, чтобы обеспечить возникновение катодолюминесценции под действием эмитированных электронов. Для механического закрепления нитей на заданном расстоянии от анода могут использоваться стеклянные или кварцевые волокна 25. Катодные нити и нити с острийными катодами укладываются на эти волокна в перпендикулярном им направлении. Указанные эмитирующие и изолирующие нити могут быть заранее закреплены друг относительно друга, образуя единую сетку. В последнем случае такая сетка из катодных и изолирующих нитей укладывается на анодную пластину, образуя диодную конфигурацию.The cathodoluminescent lamp according to the invention can be made in the form of a flat device with several cathodes and anodes. FIG. 3 shows a schematically light emitting structural element of a flat lamp comprising cathodes and anodes. In this case, the lamp anode can be made in the form of a plate 18 with one or more recesses of a cylindrical 19 or spherical 20 profile. The specified plate can be made of a conductive reflective material or from an insulator (eg glass) with its subsequent metallization. The metallization layer may be continuous 21 or made in the form of separate electrically isolated sections 22 . A cathodoluminophore layer is applied to the reflective surface of the anode. The cathode, as in previous versions, is made in the form of electrically conductive threads 23 or spikes 24 with a carbon layer deposited on them, providing the required electronic emission characteristics. These filaments are placed above the surface of the anode plate so as to ensure the occurrence of cathodoluminescence under the action of emitted electrons. For mechanical fastening of the threads at a predetermined distance from the anode, glass or quartz fibers 25 can be used. Cathode filaments and filaments with pointed cathodes are laid on these fibers in a direction perpendicular to them. These emitting and insulating threads can be pre-fixed relative to each other, forming a single grid. In the latter case, such a grid of cathode and insulating filaments is laid on the anode plate, forming a diode configuration.

После механического закрепления нитеобразного катода относительно анодной пластины вся конструкция в сборе помещается в герметизируемый корпус, имеющий прозрачную поверхность для вывода света. ФИГ.4 схематически показывает плоскую лампу, содержащую светоизлучающий элемент с анодами 26 и катодами 27 с разделяющими их диэлектрическими волокнами 28. Герметичный корпус лампы 29 содержит электрические вводы для подсоединения катодов 30, анодов 31 и других электродов. Герметичный корпус лампы имеет прозрачное окно для вывода потока света 32.After mechanically securing the filamentous cathode relative to the anode plate, the entire assembly is placed in a sealed housing having a transparent surface for light output. FIG. 4 schematically shows a flat lamp containing a light emitting element with anodes 26 and cathodes 27 with dielectric fibers 28 separating them. The sealed lamp housing 29 contains electrical inputs for connecting the cathodes 30 , anodes 31 and other electrodes. The sealed lamp housing has a transparent window for outputting a stream of light 32 .

ФИГ.5 показывает вольт-амперные характеристики (ВАХ), полученные для цилиндрической лампы, изготовленной согласно изобретению. При этом катод лампы выполнен в виде никелевой проволоки диаметром 1 мм с нанесенным на него слоем углеродного эмитирующего материала, длина катода 40 мм; анод представляет собой металлизированную поверхность на внутренней стороне стеклянной колбы диаметром 20 мм, ширина металлизированной области 20 мм, длина 40 мм. Указанные ВАХ представлены в виде зависимости тока (I) от напряжения (V) (фиг.5а) и в координатах Фаулера-Нордхейма (т.е. логарифм отношения I/V² от 1/V) (фиг.5б). В последнем случае зависимость имеет типичный для полевой эмиссии электронов линейный характер.FIG.5 shows the current-voltage characteristics (CVC) obtained for a cylindrical lamp made according to the invention. In this case, the lamp cathode is made in the form of a nickel wire with a diameter of 1 mm with a layer of carbon emitting material deposited on it, the cathode length is 40 mm; the anode is a metallized surface on the inner side of a glass bulb with a diameter of 20 mm, the width of the metallized region of 20 mm, length 40 mm These CVCs are presented in the form of the dependence of current (I) on voltage (V) (Fig. 5a) and in the Fowler-Nordheim coordinates (i.e., the logarithm of the ratio I / V ² versus 1 / V) (Fig. 5b). In the latter case, the dependence has a linear character typical of field emission of electrons.

ФИГ.6 показывает зависимость яркости свечения лампы (В) от напряжения, приложенного между анодом и катодом (V). Данная зависимость относится к случаю лампы с катодолюминофором, имеющем состав - Gd₂O₂S:Tb (производство - NICHIA Corp.).FIG.6 shows the dependence of the brightness of the glow of the lamp (B) on the voltage applied between the anode and cathode (V). This dependence refers to the case of a lamp with a cathodoluminophore having the composition - Gd ₂ O ₂ S: Tb (manufactured by NICHIA Corp.).

Произведенная по приведенным на ФИГ.5 и 6 данным оценка показывает, что в лампах, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, эффективность преобразования электроэнергии в свет достигает 30%, что значительно превышает эффективность всех других известных источников света.The evaluation made according to the data in FIGS. 5 and 6 shows that in lamps manufactured in accordance with the present invention, the efficiency of converting electricity to light reaches 30%, which is significantly higher than the efficiency of all other known light sources.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Катодолюминесцентный источник света в соответствии с настоящим изобретением представляет собой новый тип светоизлучающих приборов (ламп). Конструкция ламп, изготовленных в соответствии с настоящим изобретением, позволяет получить значительно более высокую эффективность преобразования электроэнергии в свет по сравнению с другими известными типами источников света. Лампы данного типа могут использоваться для различных целей, замещая известные источники света. Лампы данного типа имеют существенное преимущество перед известными источниками света в случаях, когда требуется создать высокую освещенность при минимальном выделении тепла. В конструкции данных ламп и при их изготовлении не используются ядовитые или экологически опасные материалы. С помощью соответствующего выбора катодолюминофора лампы данного типа могут обеспечить свет с заданными спектральными характеристиками, сохраняя высокую энергетическую эффективность. Лампы предложенной конструкции могут быть использованы в жидкокристаллических дисплеях и индикаторах, обеспечивая их низкое энергопотребление и яркость. Лампы данного типа с электрически изолированными анодами могут служить в качестве дисплеев, индикаторов и т.п.приборов для отображения визуальной информации.The cathodoluminescent light source in accordance with the present invention is a new type of light-emitting devices (lamps). The design of the lamps made in accordance with the present invention, allows to obtain a significantly higher efficiency of converting electricity to light in comparison with other known types of light sources. Lamps of this type can be used for various purposes, replacing known light sources. Lamps of this type have a significant advantage over known light sources in cases where it is required to create high illumination with minimal heat. No toxic or environmentally hazardous materials are used in the design of these lamps and in their manufacture. With the appropriate choice of a cathodoluminophore, lamps of this type can provide light with predetermined spectral characteristics, while maintaining high energy efficiency. Lamps of the proposed design can be used in liquid crystal displays and indicators, ensuring their low power consumption and brightness. Lamps of this type with electrically isolated anodes can serve as displays, indicators, etc. devices for displaying visual information.

Claims

1. A light source containing an evacuated casing, at least a portion of the surface of which is transparent, and at least one anode placed therein, the surface of which facing the cathode is mirror-reflective, covers part of the inner surface of the casing and is coated with a layer cathodoluminophore, and at least one cathode generating an electron beam, characterized in that the anode has a semi-cylindrical or close to it surface shape, the cathode has the shape of a filament and is located essentially along the longitudinal axis of the anode.

2. The light source according to claim 1, characterized in that the cathode is made creating an electron beam as a result of field emission.

3. The light source according to claim 1 or 2, characterized in that it has several anodes having a shape close to semi-cylindrical, placed on an essentially flat base or made in this base, and the cathodes are made in the form of threads located above indicated anodes along them.

4. A light source containing an evacuated housing, at least part of the surface of which is transparent, and at least one anode placed therein, whose surface facing the cathode is mirror-reflective, covers part of the inner surface of the housing and is coated with a cathode phosphor layer , and at least one cathode creating an electron beam, characterized in that the casing has a spherical shape, the anode has a hemispherical or close to it surface shape, the cathode has a tip shape and is located essentially in the center of the anode.

5. The light source according to claim 4, characterized in that the cathode is made creating an electron beam as a result of field emission.

6. The light source according to claim 4 or 5, characterized in that it has several anodes having a shape close to hemispherical, placed on an essentially flat base or made in it, and the cathodes are made in the form of points located above said anodes, essentially in the center of them.