ИСТОЧНИК СВЕТА ВЫСОКОЙ ЯРКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК H01J63/06 H01J17/02 G09G3/10 

Изобретение относится к устройствам и способам создания источников света высокой яркости за счет облучения люминофоров электронным пучком.

При создании жидкокристаллических дисплеев, используемых в телевидении, переносных компьютерах, различного типа авиационных и автомобильных дисплеях, необходима задняя подсветка.

Задняя подсветка в этих системах обычно осуществляется с помощью миниатюрных флюоресцентных ламп. Во многих случаях задняя подсветка является наиболее значимым потребителем энергии в дисплейной системе. Все это делает необходимым создание эффективного подвижного источника света.

Эффективность ламп накаливания не увеличивается сколь-нибудь значительно за последние годы. Флюоресцентные газоразрядные лампы более эффективны, но они имеют ряд недостатков, которые нe могут быть преодолены, в частности ртутные загрязнения, возникающие при разрушении лампы.

Известны катодолюминесцентные лампы [1], состоящие из корпуса с прозрачным экраном, на котором расположен токопроводящий слой с нанесенным на него люминофором, и расположенным напротив него внутри корпуса катодом, в качестве которого используются полевые эмиссионные катоды. Источник напряжения, постоянного или переменного, подсоединенный к катоду, вызывает полевую эмиссию электронов с вершины иглообразных структур и затем их ускорение. Под действием высокого напряжения электроны притягиваются люминофором и вызывают его люминесценцию.

Предлагаемый источник света высокой яркости состоит из корпуса с прозрачным экраном, на котором расположен токопроводящий слой с нанесенным на него люминофором, и расположенным внутри корпуса катодом, катод выполнен плоским, между катодом и экраном на определенном расстоянии от катода расположен сетчатый анод, а корпус заполнен рабочим газом. Рабочим газом может быть инертный газ или смесь инертных газов.

Катод и анод могут быть выполнены из слабораспыляемых материалов.

Катод может быть выполнен сетчатым, и со стороны катода располагается дополнительный экран с расположенным на нем токопроводящим слоем и нанесенным на него люминофором.

В качестве люминофора может быть использован высокоэффективный фотолюминофор, при этом давление рабочего газа и параметры возбуждения должны выбираться оптимальными для возбуждения ультрафиолетового излучения рабочего газа.

Электронный пучок, возникающий в газовом разряде определенной конфигурации, предназначен для облучения соответствующего люминофора и генерации света последним. За счет подбора параметров в этой системе организуется открытый разряд, в котором существенная часть электронов существует в виде высокоэнергетического пучка. Эти электроны проходят сквозь сетку в дрейфовое пространство между сетчатым анодом и экраном, где тратят часть энергии на возбуждение и ионизацию газа. Положительные ионы и фотоны, образованные в дрейфовом пространстве, проникают обратно через сетчатый анод на катод и вызывают вторичную электронную эмиссию с его поверхности. Таким образом, плотность плазмы в разрядной области поддерживается на достаточно высоком уровне. Люминофор возбуждается пучком электронов, прошедших как сетчатый анод, так и дрейфовое пространство. В отличие от известных источников света возбуждение люминофора осуществляется за счет электронов, рожденных в результате вторичной эмиссии.

Предлагаемый источник является эффективным и высокоинтенсивным источником света.

Электрическое напряжение может быть приложено к источнику света как в стационарном, так и в импульсном режимах. В случае, когда используется импульсный режим, напряжение может быть выбрано достаточно высоким для возбуждения наиболее эффективных высоковольтных люминофоров. При этом удается избежать развития неустойчивости разряда и снизить энергозатраты.

При использовании фотолюминофора электронный пучок из открытого разряда генерирует ультрафиолетовое излучение из газа в дрейфовом пространстве, и это излучение преобразуется в видимый свет с помощью наиболее эффективных фотолюминофоров.

При выполнении катода сетчатым формирование обратного электронного пучка происходит за счет ионного слоя, возникающего за катодом. В этом случае люминофор размещается как за анодом, так и за катодом и источник излучает свет в обе стороны.

В предлагаемом источнике света используются, как правило, инертные газы и наиболее часто используется диапазон давлений 10² - 100 Top, но возможна их работа и при большем давлении.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображена конструкция источника света, на фиг. 2 приведены вольт-амперная и вольт-яркостная характеристики источника при использовании в качестве рабочего газа неона при давлении 0.5 Top, длительности импульса 15 мкс, частоте 3.3 кГц и гранатового люминофора. На фиг. 3 схематично изображена конструкция лампы, когда и катод и анод - сетчатые и люминофор возбуждается как прямым, так и обратным пучками электронов.

Лампа состоит из источника тока (1), корпуса (2), как правило, стеклянного, катода (3) из слабораспыляемого проводящего материала (например, молибден, вольфрам, тантал, нержавеющая сталь), сетчатого анода (4), также сделанного из слабораспыляемого материала, слоя люминофора (5), соответствующего энергии электронов, токопроводящего слоя (6) и прозрачного экрана (7), как правило, стеклянного.

Желательно, чтобы катод (3) был плоский и зеркально полирован.

Расстояние между катодом и сетчатым анодом, как правило, находится в интервале 0.5-2 мм. Если это расстояние больше, то возможно развитие самостоятельного разряда между катодом и сетчатым анодом. Нижний предел теоретически не ограничен, но практически трудно выдерживать однородно зазор менее 0.5 мм на диаметре порядка 10 мм. Сетка, желательно, должна иметь прозрачность не ниже 80%, что означает, что только 20% поверхности - материал сетки. Если прозрачность ниже 50%, то большая часть тока электронов будет уходить на сетку. Прозрачность выше 90% трудно осуществить из-за слабой механической прочности такой сетки. Сетка может быть сделана как из проволоки, так и из пластины с системой отверстий. В случае использования проволоки предпочтителен диаметр 20-30 мкм с шагом ячейки около 500. Хотя возможен шаг до размера зазора катод - сетка. Люминофор (5) может быть нанесен одним из традиционных способов и выбирается в зависимости от режима функционирования лампы. В стационарном случае используются низковольтные люминофоры, в импульсном режиме - высоковольтные, а режиме генерации ультрафиолета - фотолюминофоры. Корпус (2) вакуумируется при выбранном давлении рабочего газа, который, как правило, инертный (гелий, неон, аргон, ксенон или их смеси).

Используется диапазон давлений 10^-2-100 Top, но возможна работа и при большем давлении.

Электрическое напряжение прикладывается от источника (1). Если источник постоянный, то напряжение может меняться преимущественно в диапазоне 500 В - 10 кВ. Если источник импульсный, то напряжение может быть от 1 кВ до 20-30 кВ. Минимальное напряжение определяется порогом зажигания разряда, а максимальное - устойчивостью разряда. Оба эти предела зависят как от геометрических параметров разряда, так и от сорта и давления газа, частоты и скважности подачи напряжения. Длина импульса может варьироваться, но наиболее часто используются импульсы длительностью 10-20 мкс и следуют с частотой 10 Гц-20 кГц. Яркость источника преимущественно контролируется частотой следования импульсов, хотя возможен контроль и изменением длительности импульса и амплитуды напряжения. Люминофор, как правило, помещается на расстоянии 1-3 см от сетчатого анода. Это расстояние определяется с одной стороны длиной пробега электронов, а с другой - условием поддержания открытого разряда.

Источник работает следующим образом. Между катодом (2) и сетчатым анодом (3) прикладывается высокое напряжение, большая часть электронов, рожденных в результате вторичной эмиссии с катода, пройдет через высокопрозрачную сетку в дрейфовое пространство и попадет на люминофор, что вызовет его свечение. Часть энергии электроны потратят на ионизацию и возбуждение газа в дрейфовом пространстве. Положительно заряженные ионы диффундируют в область катод - сетка, ускоряются там и вызывают вторичную эмиссию с катода. Облучение катода светом из дрейфового пространства может приводить к рождению дополнительных электронов за счет фотоэффекта. В типичном случае около 80% тока переносится пучком электронов.

Площадь источника света на основе открытого разряда легко может быть увеличена, и пропорционально будет увеличено количество света.

Применение таких источников возможно в авиационных и автомобильных дисплеях, где необходимы источники света, которые со временем будут только тускнеть, а не перегорать мгновенно. Возможно использование предлагаемого источника света в проэкторах, элементах световых табло, где необходима высокая яркость. В некоторых применениях важно иметь возможность увеличивать размеры источника для получения большой полной интенсивности излучения. Во всех случаях возможно использование предлагаемого источника света как простого и эффективного источника, который к тому же не вызывает загрязнений.

Источники информации
1. Патент US N 4818914.

Источник света высокой яркости состоит из корпуса с прозрачным экраном, на котором расположен токопроводящий слой с нанесенным на него люминофором, и расположенным внутри корпуса катодом. Катод выполнен плоским, между катодом и экраном на определенном расстоянии от катода расположен сетчатый анод, а корпус заполнен рабочим газом. Рабочим газом может быть инертный газ или смесь инертных газов. Катод и анод могут быть выполнены из слабораспыляемых материалов. Катод может быть выполнен сетчатым, и со стороны катода располагается дополнительный экран с расположенным на нем токопроводящим слоем и нанесенным на него люминофором. В качестве люминофора может быть использован высокоэффективный фотолюминофор. Давление рабочего газа и параметры возбуждения выбираются оптимальными для возбуждения ультрафиолетового излучения рабочего газа. Техническим результатом является повышение эффективности источника света. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Источник света высокой яркости, содержащий корпус с прозрачным экраном, на котором расположен токопроводящий слой с нанесенным на него люминофором, и расположенным напротив него внутри корпуса катодом, отличающийся тем, что на расстоянии 0,5 - 2 мм от катода между катодом и экраном расположен сетчатый анод, а корпус заполнен рабочим газом при давлении 1 - 100 Торр, а между катодом и анодом приложено постоянное напряжение в диапазоне 500 В - 10 кВ, или импульсное напряжение в диапазоне 20 - 30 Кв. 2. Источник света по п.1, отличающийся тем, что рабочим газом является инертный газ или смесь инертных газов. 3. Источник света по п.1, отличающийся тем, что катод и анод сделаны из слабораспыляемых материалов. 4. Источник света по п.1, отличающийся тем, что катод выполнен сетчатым, со стороны катода расположен дополнительный экран с расположенным на нем токопроводящим слоем с нанесенным на него люминофором. 5. Источник света по п.1, отличающийся тем, что в качестве люминофора использован фотолюминофор.