Катодолюминесцентный источник света

 

Изобретение относится к источникам света высокой яркости. Катодолюминесцентный источник света состоит из вакуумированного корпуса с прозрачным экраном. На прозрачном экране расположен токопроводящий слой, являющийся анодом. На токопроводящий слой нанесен люминофор. Внутри корпуса напротив токопроводящего слоя расположен фотокатод, который выполнен плоским. Между катодом и экраном приложено ускоряющее напряжение. Люминофор содержит как минимум две компоненты. Одна из компонент обеспечивает люминесценцию видимого излучения, а другая - ультрафиолетового с длиной волны, обеспечивающей работу фотокатода. Соотношение этих компонент подбирается таким образом, чтобы обеспечить самоподдержание тока при приложении между катодом и анодом определенного напряжения. Катод должен быть выполнен из материала, который обеспечивает максимально высокую эффективность фотоэмиссии, однако не отравляется люминофором. В корпусе может быть расположен стартовый эмиттер или между анодом и фотокатодом может быть расположена по крайней мере одна сетка. Катод обычно выполняется полированным. Корпус может быть заполнен рабочим газом. Давление рабочего газа и параметры возбуждения выбираются оптимальными для возбуждения ультрафиолетового излучения рабочего газа. Техническим результатом является повышение эффективности источника света высокой яркости на основе использования дешевых фотокатодов. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к источникам света высокой яркости.

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.

Известные флюоресцентные газоразрядные лампы [1] наиболее эффективны, но они имеют ряд недостатков, которые не могут быть преодолены, в частности ртутные загрязнения, возникающие при разрушении лампы.

Известны катодолюминисцентные источники света [2], 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 постоянного или переменного напряжения, 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.

Недостатками катодолюминисцентных источников света являются весьма высокая стоимость изготовления автокатодов и малый ресурс их работы.

Целью предлагаемого изобретения является создание простого эффективного источника света высокой яркости на основе использования высокоэффективных, но достаточно дешевых фотокатодов.

Предлагаемый катодолюминисцентный источник света состоит из вакуумированного корпуса с прозрачным экраном, на котором расположен прозрачный токопроводящий слой, являющийся анодом, с нанесенным на него люминофором, и расположенным внутри корпуса плоским фотокатодом. Люминофор содержит по крайней мере две компоненты. Одна из них обеспечивает люминисценцию видимого излучения, а другая ультрафиолетового. Соотношение этих компонент подбирается таким образом, чтобы обеспечить самоподдержание тока при приложении между катодом и анодом определенного напряжения, при этом рабочее напряжение также выбирается из условий обеспечения самоподдержание тока между катодом и анодом. Для обеспечения стабильности запуска в корпусе может быть расположен стартовый эмиттер.

Для снижения требований к эффективности фотокатода при сохранении высокоэффективности источника, корпус может быть заполнен рабочим газом, при этом давление рабочего газа выбираются из условия обеспечения ионизационного размножения электронов.

С целью управления фототоком между анодом и фотокатодом может быть расположена по крайней мере одна сетка.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен катодолюминисцентный источник света.

Катодолюминисцентный источник света состоит из источника тока (1), корпуса (2), как правило стеклянного, фотокатода (3), слоя (4) люминофоров, содержащего частицы (5) компоненты люминофора, генерирующих под действием пучка электронов соответствующей энергии ультрафиолетовое излучение, и частицы (6) компоненты люминофора, генерирующих видимое излучение, прозрачного для видимого излучения токопроводящего слоя (7), являющегося анодом, и прозрачного экрана (8), как правило, стеклянного.

Фотокатод (3) должен быть выполнен из материала, который обеспечивает максимально высокую эффективность фотоэмиссии, при этом однако не отравляется люминофором. За счет подбора параметров в этой системе организуется самоподдерживающийся ток фотоэлектронов. Эти электроны ускоряются напряжением, приложенным между фотокатодом (3) и токопроводящим слоем (7), являющимся анодом, бомбардируют слой (4) люминофоров, где тратят большую часть Энергии на возбуждение видимого излучения, а часть на возбуждения ультрафиолетового излучения такой длины волны, на которой достаточно эффективно работает фотокатод. Фотоны ультрафиолетового излучения попадают на фотокатод (3) и вызывают фотоэлектронную эмиссию с его поверхности. Таким образом, плотность тока поддерживается на достаточно высоком уровне. В отличие от известных источников света возбуждение люминофора осуществляется за счет электронов, рожденных в результате фотоэмиссии.

Желательно, чтобы плоский катод (3) был зеркально полирован, так чтобы отражать видимое излучение. Расстояние между фотокатодом (3) и анодом выбирается таким, чтобы возникающая в зазоре напряженность электрического поля не приводила к паразитной автоэмиссии. Верхний предел зазора ограничен боковыми потерями ультрафиолетового излучения.

Смесь компонентов люминофора (4) может быть нанесена одним из традиционных способов и выбирается в зависимости от предназначения катодолюминисцентного источника света. Соотношение частиц (5) и (6) компонентов слоя (4) люминофоров выбирается, исходя из необходимости самоподдержания тока. Электрическое напряжение прикладывается от источника (1). Напряжение может быть от 1 кВ до 20-30 кВ. Минимальное напряжение определяется порогом поддержания тока, а максимальное - эффективностью люминофора.

Яркость источника преимущественно контролируется частотой следования импульсов, изменением длительности импульса и амплитуды напряжения.

Источник работает следующим образом. Между катодом (3) и анодом прикладывается высокое напряжение (U), большая часть электронов, рожденных в результате фотоэмиссии с фотокатода (3) и ускоренных приложенным напряжением, попадая на частицы (6) одной из компонент слоя (4) люминофоров, вызывает его свечение в видимом диапазоне. Часть электронов попадет на частицы (5) другой компоненты слоя (4) люминофоров и потратит энергию на генерацию ультрафиолетового излучения. Облучение фотокатода (3) ультрафиолетовым излучением из слоя (4) люминофоров приводит к рождению электронов за счет фотоэффекта.

Пусть плотность тока на люминофор - j, α₁ - эффективность люминофора в видимом диапазоне, α₂ - эффективность люминофора в УФ диапазоне, γ₁ - коэффициент фотоэмиссии в видимом диапазоне, γ₂ - коэффициент фотоэмиссии в УФ диапазоне.

Излучение экрана в видимом диапазоне будет I₁ = α₁jU (1) а в ультрафиолетовом - I₂ = α₂jU (2) Тогда ток фотоэлектронов в плоском случае: j_ф = (γ₁α₁+γ₂α₂)jU/2 (3) Из условия сохранения полного тока получим условия самоподдержания тока: (γ₁α₁+γ₂α₂)U/2 ≥ 1 (4) При фиксированных γ и α неравенство (4) дает пороговое значение напряжения: U_t = 2(γ₁α₁+γ₂α₂)^-1 (5)
При U ≥ U_t ток будет нарастать до тока насыщения люминофора. Таким образом, коммутация небольшого напряжения вблизи U_t позволяет управлять работой источника, что особенно важно для дисплеев.

Одной из проблем при включении такого источника может быть генерация первичного электрона. В принципе, это может быть случайный электрон, рожденный в результате естественной радиации, однако для стабилизации запуска желательно иметь внешний стартовый источник электронов или ультрафиолетового излучения. В качестве такого источника может выступать как маленький термоэмиттер, полевой эмиттер, источник ионизационного излучения и т.п. Выключение источника происходит при снижении напряжения ниже U_t.

Другая конструкция источника содержит дополнительно между фотокатодом и анодом сетку (сетки). Роль сетки состоит в управлении фототоком с помощью подачи на сетку запирающего напряжения. В этом случае напряжение на аноде может быть существенно больше U_t, а управление и выключение тока определяется напряжением на сетке. Конструкция, содержащая сетку, позволяет отказаться от внешней запускающей подсветки, т.к. при больших значениях напряжения время запуска спонтанным электроном будет очень коротким. Кроме того, управляя сеткой, можно резко снизить фототок, но не выключать его совсем, что обеспечит наличие в зазоре минимально необходимого числа электронов.

Содержание УФ люминофора определяется формулой (5), в частности, если фотокатод имеет достаточно большую эффективность на длине волны, соответствующей длине волны люминесценции люминофора, то УФ люминофор может быть не нужен.

С целью снижения требований к эффективности фотокатода может быть использовано ионизационное усиление тока. Для этого зазор между фотокатодом и анодом заполняется газом при таком давлении, которое обеспечивало бы ионизационное размножение электронов, но не приводило бы к развитию пробоя. Газ может служить также дополнительным источником ультрафиолетовых фотонов. Площадь предлагаемого источника света легко может быть увеличена, и пропорционально будет увеличено количество света.

Предлагаемый источник является эффективным, простым и высокоинтенсивным источником света высокой яркости.

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 проекторах, 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 использования предлагаемого источника света как простого и эффективного источника, который к тому же не вызывает загрязнений.

Источники информации
1. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света. Энергоатомиздат, 1991, с. 392.

2. Патент США N 4818914, МПК G 09 С 3/10, 1989.

Формула изобретения

1. Катодолюминесцентный источник света, содержащий вакуумированный корпус с прозрачным экраном, расположенными внутри корпуса напротив друг друга прозрачным анодом в виде токопроводящего слоя, размещенного на прозрачном экране и покрытого люминофором, и катодом, отличающийся тем, что катод выполнен в виде плоского фотокатода, а люминофор содержит по крайней мере две компоненты частиц люминофоров, одна из которых обеспечивает люминесценцию видимого излучения, а другая обеспечивает люминесценцию ультрафиолетового излучения с длиной волны, обеспечивающей работу фотокатода, при этом соотношение компонент частиц люминофоров и рабочее напряжение выбираются из условий обеспечения самоподдержания тока между катодом и анодом.

2. Катодолюминесцентный источник света по п.1, отличающийся тем, что в корпусе расположен стартовый эмиттер.

3. Катодолюминесцентный источник света по п.1, отличающийся тем, что между анодом и фотокатодом расположена по крайней мере одна сетка.

4. Катодолюминесцентный источник света по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что катод выполнен полированным.

5. Катодолюминесцентный источник света по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что корпус заполнен рабочим газом, при этом давление рабочего газа выбирается из условия обеспечения ионизационного размножения электронов.

РИСУНКИ

Рисунок 1