一種包含一場致發射陰極的光源,和一種場致發射陰極的制作方法

專利名稱：一種包含一場致發射陰極的光源,和一種場致發射陰極的制作方法
發明的領域本發明涉及一種光源，特別是涉及一種用于照明的光源。另外，本發明還涉及一種場致發射陰極。
發明的背景創造光總是強烈地吸引著人們。人們用巨大的努力去開發和改善不同的光源。
一種令人感興趣的光源類型是熒光燈。它具有很多優點，但它因嚴重的缺點而受到損害。例如，在接通電源以后直至它開始工作全部發光為止總是存在有一延遲。它需要一復雜的控制裝備，安裝該控制裝置需要占用空間。為了得到這種類型光源的光，不幸的是它必須使用具有負環境效果的材料。
陰極發光光源也是一種令人感興趣的光源類型。從GB，A，2070849(TheGeneral Electric Company Limited)，GB，A，2097181(The General ElectricComany PLC)，GB，A，2126006(The General Electric Company PLC)和GB，A，2089561(General Electric Company Limited)中可知，這種光源包括有一其內包含有一柵極和一用來發射電子的加熱陰極的被抽真空的外殼。該外殼的內壁覆蓋有一層電子敏感型的熒光物質。這種陰極發光燈具有基本與電燈相同的構形。
因為這種光源都具有一加熱陰極，所以在開始光發射之前該陰極必須由一專門裝置加熱。
使用電子激勵熒光物質來發光具有的效果與可比較的熒光燈相比產生的熱更多。因此，如果用于光的發射和用所必須的熱耗散的有效表面大則對它是有利的。在所述文獻中所給出的陰極發光燈不具有最佳的表面。
在US，A，5588893(Kentucky Research and Investment Company Limited)中披露了上述第一段中所述類型的一光源。在一被抽真空的玻璃容器的內部安置有一場致發射陰極，在該玻璃容器的內表面上安置有一發光層。在該陰極和發光層之間提供有一調制器。該陰極包括有在一基底上以若干束安置并且最好是以一行列安置的碳纖維。這種光源考慮到了最接近本發明的已有技術。US，A，5588893的內容作為參考在這里被引用。
但是，在最后所提及的已知光源中，電子僅僅在垂直于該基底的方向上被發射。另外，在該文獻中沒有指出如何以一有效利用成本的方式來產生該光源。
上述US，A，5588893(Kentucky Research and Investment CompanyLimited)還披露了一種上述類型的場致發射陰極。所披露的該陰極包括有在一基底上以若干束安置并且最好是以一行列安置的碳纖維。該文獻還披露了一種包括為了實現具有比以前的陰極更高效率的一陰極而對該發射表面進行處理的方法。認為這種陰極是本發明涉及的陰極最接近的已有技術。
另外，DE，C2，4002049(Deutsche Forschnungsanstalt für Luft-undRaumfahrt e.v)披露了一種包括一陰極的電致發射源，該陰極包含有很小的相互被分隔開的氈制成織物板，這些板可由氈制碳纖維所構成，并且被安置在一圓柱形陰極體上。該發射源用來照射一帶有電子的介質。
US，A，4272699(Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung derWissenschaften e.v)披露了一種在用于諸如質譜儀或分子束檢測器之類儀表的一電子撞擊離子源中的場致發射陰極。該陰極具有角形構形，并且包括多束碳纖維，它們的發射表面朝內。
前述的已知場致發射陰極通常是復雜的脆弱的結構，特別是有關場致發射體的安裝和連接更是如此。
可以發現由于這些陰極包含有纖維，如果這些纖維未可靠地附著在陰極上，則由于作用在陰極和柵極或陽極之間的電場而使個別纖維脫落。一旦纖維脫落，在多數情況中，這些纖維將被柵極吸引而導致陰極和柵極間的短路，直至一定時間之后由于由此而引起的電流通過該纖維而將該纖維燒掉為止。
發明的概要本發明的一個目的是分別提供一種光源和一種場致發射陰極，具有長壽命、高效和穩定性，能在低制造成本下生產。
這些和其它的目的通過在權利要求中描述的所述特征來實現。
本發明提供了一種光源，包括有一具有多層壁的被抽真空的容器，該容器的至少一部分包括有一外部玻璃層，在其至少一主要部分的內側涂覆有構成發光層的熒光層和構成一陽極的電導層，熒光層通過來自位于該容器內部的場致發射陽極的電子轟擊而發光，在陰極和陽極之間安置有用來建立電子發射所必須的電場的調制電極，該場致發射陰極包括一具有一中心軸的縱向延伸芯和從該芯延伸的場致發射體；該場致發射體被伸長并沿該芯的長度的至少一部分而分布；和該場致發射體從該芯徑向向外延伸并且具有提供場致發射表面的敞開端。實現了一種由于使用了一場致發射陰極而無須啟動周期，即當加上電源時立即開始發光的光源。還實現了一種具有無須使用具有負環境效果的材料的光源。
另外，本發明所述光源還可得到一具有簡單和堅固結構的場致發射陰極的光源。
本發明所述光源還可實現一具有大的有效光發射表面的光源。該表面的有效使用使得實現一相對于所產生的熱具有高的光發射的一光源成為可能。
本發明所述光源還實現了一種具有一高的和均勻光發射的光源。
另外，本發明所述光源，實現了一種具有一被改進了的光發射的光源。
本發明所述光源，實現了一種工作在較低電壓的光源。
另外，本發明所述光源，實現了一種具有高的和均勻光發射的光源。
另一方面，本發明還提供了一種簡單和堅固結構的場致發射陰極。該場致發射陰極用于光源中，包括有一基體和從該基體延伸的場致發射體，所述基體包括一具有中心軸的縱向延伸芯；該場致發射體被延長并沿該芯的長度的至少一部分而分布；和該場致發射體從該芯徑向向外延伸并且具有提供場致發射表面的敞開端。
根據本發明的另一方面可得到一種場致發射陰極，這種場致發射陰極提供了發射電子的高發射和均勻分布，特別是通過圍繞該陰極的一圓柱形表面發射電子的高發射和均勻分布。還實現了在場致發射表面之間具有很少干擾的陰極。
根據本發明的另一方面，還可得到一種場致發射陰極，這種場致發射陰極進一步提供了更為穩定的電子發射盡量減少了纖維脫落和影響該工作的有害風險。通過本發明的配置，由于作用在從該芯延伸的纖維的二部分的每一部分上的電場是基本上相等的，所以該力作用在每一纖維上。
附圖的簡要說明

圖1是根據本發明的光源的一實施例的部件分解圖；圖2是根據本發明的一陰極的一實施例的圖示；圖3是根據本發明的一陰極的另一實施例的圖示；圖4是根據本發明的一陰極的剖面視圖；圖5是根據本發明的另一陰極的剖面示圖；圖6是一調制電極或柵極的圖示；圖7以剖面圖的形式示出了一根據本發明的光源；圖8以剖面圖的形式示出了根據本發明的另一光源；圖9以剖面圖的形式示出了根據本發明的另一陰極的實施例的陰極元件；圖10示出了在圖9中所示出的該陰極元件的一部分；圖11示出了包含在圖9中所示的陰極元件的根據本發明另一實施例的一陰極在縱向剖視圖中的部分側視圖。
最佳實施例的說明參見圖1，圖1是根據本發明的一光源的一實施例的部件分解圖，這一光源由標號10指明，并且該光源是用于照明的。它包括一具有多層壁的容器，該容器的一層壁由標號20來表示。該壁20具有一被示為圓柱狀的外部玻璃層。圓筒20具有一由端蓋60所遮蓋的開口端21。在端蓋和圓筒20之間提供有一密封(未示出)，該密封是為了實現該容器的嚴密密封。在圓筒20的另一端22可安置一圓形壁作為圓筒壁20的延伸，也具有一玻璃外層。另外，端部22可以是開口并且具有類似于在端部21所安置的那樣的端蓋，也提供有一密封。該容器被密封，以便當容器被抽真空時保持所建立的真空。
在該容器的內側，安置有一調制電極或柵極30。它最好是圓柱形的并且沿該容器壁20軸向安置。下面將說明這種調制電極或柵極30的構成和功能。
在該調制電極或柵極的內側安置有最好為軸向安置的陰極40。這種陰極是一冷陰極，特別是一場致發射陰極。下面將進一步說明它的構成和功能。
該光源還包括具有電連接51-54的零件50。該零件50進一步包括有用來固定陰極40和調制電極或柵極30的裝置(未示出)。陰極和調制電極或柵極可被焊接到零件50上或者通過一種粘合劑，最好是一種電傳導粘合劑而被粘著到零件50上。它們還可以通過一夾緊裝置與零件50夾緊或通過一嚙合裝置與零件50嚙合。電連接裝置(未示出)還被安置在該零件上，用來分別連接該陰極40和調制電極或柵極30。這些連接裝置具有通過該零件延伸并且相互隔離的導電的終端銷釘52、53。另一終端銷釘51被連接到提供有導電指狀物或類似物54的一導電裝置上，在該光源的裝配狀態下它是與被提供在該容器的內側的一導電層25相接觸的，在下面將對其進一步說明。終端銷釘51-53均通過該端蓋而延伸，因此該端蓋具有開口。終端銷釘51-53相互間電絕緣，并且在該端蓋60中的相應開口被密封。在該容器壁20的另一端22可以安置一類似于零件50的零件，以支撐陰極40和調制電極或柵極30。但是，在另一端22，這種零件可以無須連接裝置而被構成。最好安置一類似于在端部21所安置并被提供密封的端蓋60以覆蓋在另一端22處的零件。當然，如果該零件不具有電連接裝置，則相應的端蓋將不具有饋通開口。作為在另一端22安置一支撐陰極40和調制電極或柵極30的另一種方案，一類似于端蓋60的端蓋本身可提供用于陰極40和調制電極或柵極30的支撐、固定或夾緊裝置。也可能是該圓筒壁20的延伸部分的一圓形壁具有支撐、固定或夾緊裝置。還有另一種方案是由陰極40和調制電極或柵極30本身被支撐和固定，在這種方式中在另一端無須有用于一支撐或固定裝置的零件50。
圖1中示出了陰極40的一實施例。但是，該陰極可以以多種方式來構成，在圖2和3中示出了其中的二種方式。在圖1、2和3中所示的陰極中都包括有一具有中心軸的縱向延伸芯和從該芯延伸的場致發射體42。該場致發射體42被延伸并且沿該芯41的長度的至少一部分而分布。在該實施例中示出，該場致發射體42是從該芯徑向朝外延伸并且具有提供場致發射表面的敞開端面的纖維。最好是，該纖維是市場上可買得到的聚丙烯腈碳纖維，或者它是包括碳的適合的材料，并且具有幾個μm范圍的直徑。使用碳纖維使該容器中具有足夠的適度的真空。在該場致發射表面該纖維參差不齊，并且為了改善該場致發射容量，在組裝該陰極之前，該場致發射表面將被進行處理。這種處理包括步驟通過向所述纖維施加一可變電場而改變所述場致發射表面，以便誘發自所述發射表面的場致發射，和增加所述可變電場，在這種方式中限制了所述場致發射表面參差不齊的惡化。
在圖4中，示出了根據本發明的一陰極的剖面圖，它表明該芯可由二條線43所構成。它表明了在該芯的二條線之間該纖維42中的一條纖維是如何獲得的。沿著該芯在二條線之間可獲得數千或數百條纖維。為了保證這些纖維更好地附著到該芯上，可以在該芯和纖維之間使用一粘合劑。所使用的粘合劑最好是電導型的。另外，如果線43被纏繞，則在線43之間所產生的夾緊力將安全地將該纖維42附著到芯41上。如果該線被纏繞，則纖維42將以螺旋形從該芯被延長。
在另一實施例中，如圖5所示，芯41由三條線構成。每一纖維42圍繞這些線中的一條線而被彎曲成一曲線。線43最好被纏繞并且通過該纖維的彎曲所產生的夾緊力將以有利的方式獲得該纖維。即使當該芯是由二條或多條被纏繞的線所形成時，也可使用一粘合劑。線43是由例如銅、鋼或其它適合的材料之類的電導材料所制成的，并且最好所具有的直徑能使該芯在纏繞操作之后保持在纏繞狀態而無須任何作用在該芯上的外力。纖維42最好保證處于該芯的中央部分，從而在每一側從該芯所延伸的每一纖維的長度基本相等。這些纖維最好具有基本相同的長度。如圖1-3中所示，該陰極的纖維42以螺旋形從各自的芯延伸。在圖1和2中，這種螺旋形是連續的，但是螺旋線的螺距是不同的。在圖3所示的該陰極中，該螺旋線被中斷，從而使該芯的某些區域沒有任何纖維。另外，通過選擇被纏繞線的節距、該纖維的分布和均勻性，該場致發射表面可被控制。
該調制電極或柵極30可以各種方式所構成，其中第一種方式示于圖1和第二種方式示于圖6。但是，最好是該調制電極是圓柱形的，以便實現在調制電極和該纖維的場致發射表面之間基本相同的距離。圖1中所示的調制電極是具有一基本為圓柱形式的像似籠子的電極。圖6中所示的調制電極最好是由二個環形物所支撐的金屬線網狀結構，二個環形物最好是在每一端有一金屬環形物。本領域的普通技術人員都了解，還存在有許多構成調制電極的其它方式。例如，該調制電極可以由二個絕緣體來支撐，每一絕緣體由環或一具有一盤狀形狀的板構成并被連接到該陰極的芯上，或連接到零件50上，或連接到另外的零件上，或連接到端蓋上。在絕緣體之間，平行于該陰極的芯可安置金屬線從而圍繞著該環狀物或盤狀板的圓周而分布。在該環形物或盤狀板范圍處這些線相互被連接。該調制電極的材料可以是任何用作制造柵極的適合的電導材料。
圖7示出了該光源在裝配狀態的剖視圖。如圖所示，在中心置有芯41的場致發射陰極40。從該芯以不同方向徑向向外延伸的纖維在它們的端部呈現場致發射表面。調制電極或柵極30圍繞該陰極，在該纖維的場致發射表面和調制電極之間具有一距離。這個距離取決于加到這些部件的電壓和場致發射體及它們的場致發射表面的構成和成分。但是，該距離是在毫米范圍內，例如為0.5-2mm。為了提供一穩定的工作，纖維最好是相等的長度，并且該陰極的直徑應是在幾個毫米至1厘米或更多些。例如，一陰極的直徑可為6-8mm。
該容器壁的圓柱形部分20圍繞陰極40和調制電極或柵極30。該圓柱形壁20包括外部玻璃層23，熒光層24(陰極發光熒光物質)和構成陽極的內層電導層25。該熒光層是一發光層，當電子轟擊該熒光層時發射可見光。該陽極最好由一可反射的電導材料，如鋁所制成。該導電指狀物54最好是與陽極25直接電接觸。通過將一鋁層覆蓋到熒光層，避免了由熒光物質的可能的蒸發而造成的對真空的有害影響。
在工作中，第一電壓被加到陰極40和調制電極或柵極30之間，而第二電壓被加到陰極40和陽極25之間。第二電壓高于第一電壓。從一可位于一機箱內的饋電和控制電路(未示出)所提供的電壓例如通過一普通的燈座而與主要部分相連。該饋電和控制電路將該電壓加到導電終端銷釘51-53，這些銷釘與饋電和控制電路相連。當該電壓被加上時，在陰極40和調制電極或柵極30之間建立一電場。這個電場足夠地強而導致來自該場致發射陰極40的場致發射表面的電子的場致發射。這些電子將加速并通過調制電極或柵極30的孔或開口并且進一步朝向陽極25。當它們離開調制電極或柵極30的區域并且由于該電場存在于調制電極和柵極30之間，則由于這些電子的運動能量而引起電子朝向陽極25的移動。因為這些電子具有高的運動能量并且陽極層相對地薄(μm數量級)，所以它們通過陽極從而進入熒光層，同時還具有足夠的運動能量以激勵該熒光物質發光，因而發射可見光。這些電子隨后返轉至陽極而被耗盡。除了光之外，電子轟擊也將導致圓筒壁20的發熱。玻璃層將提供熱的耗散。所加的電壓取決于使用的材料、陰極和調制電極或柵極30的構成。所加電壓是在kv的范圍內，第一電壓為幾kv，即1.5kv，第二電壓為幾kv，通常大約為4-6kv。第二電壓更取決于所使用的熒光物質的類型。新的熒光物質的類型不斷地被研制成功，為此，該電壓必須與所使用的特定熒光物質的類型相適應。改變熒光物質的類型，因而該電壓將導致圓筒壁的電流和發熱的變化。
圖8示出了根據本發明的在裝配狀態的一光源的另一實施例的剖視圖。陰極40′和調制電極30′基本上與圖7相同。與圖7的不同之處是壁20′的各層的配置。它包括一外層玻璃層23′，玻璃層23′通過構成陽極25′的電導透明材料而覆蓋在它內側的至少一個主要部分上。陽極25′隨后安置在內側的熒光層24′上。陽極由例如氧化錫或氧化銦所制成。為了使得電導指狀物54可能與陽極25′建立直接的電接觸，陽極25′的某些區域沒有由熒光物物質所覆蓋。另外，與陽極接觸的電導表面可以加到該熒光層上。這些表面很小，不會干擾該光源的工作，但是有足夠的尺寸以建立與電導指狀物54的電接觸。
圖8所示的這個實施例的工作基本上與圖7所示的實施例的工作是相同的。但是，在離開該調制電極或柵極30的區域之后，這些電子將首先擊中該熒光層并且激勵它發光，并且隨后由陽極所耗盡。因為這些電子首先擊中該熒光層并且在它的擊中該熒光層之前它們不通過該陽極，所以在陰極和陽極之間所加的電壓比在圖7所示的實施例中要低大約1-2kv。
圖9-11示出了一陰極的第三實施例。這個陰極是由陰極元件49的縱向行所構成的。如圖9中所示，每一陰極元件包括一對環形盤44、45，其中一盤44提供有一在它的中心開口處構成支撐另一環形盤45的中心、軸向管狀延伸。在該環形盤之間接有纖維42。最好是，纖維42被夾緊在每一對的二個環形盤之間，并且環形盤45被保持在與相鄰環形盤44的管狀延伸相摩擦緊握的位置上。該纖維可以通過在該纖維和任一盤或和兩盤之間的一粘合劑的作用而交替地被附著在其上。在圖10中，示出了該纖維41是相對于環形盤44而被安置的。該陰極元件被層疊地堆積到桿46上，并且通過在該桿的每一端的墊圈47和螺帽48而被緊固，或者通過任何其它適當的方法而被緊固。桿46和環形盤最好是由電導材料而制成。桿可以例如由鋼所制成。如果使用粘合劑，該粘合劑最好是電導型的。
雖然借助于上面的例子對本發明作了說明，但是普通技術人員都清楚的是除了所披露之外的許多其它的變化都可能落入該權利要求的范圍之內。
應注意的是雖然這些實施例包括對于在該光源中的電連接和各部分支撐的某些細節，但如像本領域普通技術人員所了解的那樣，這些內容也可以其它方式所構成，并且不限制本發明的范圍。
權利要求
1.一種光源，包括有一具有多層壁的被抽真空的容器，該容器的至少一部分包括有一外部玻璃層(23，23′)，在其至少一主要部分的內側涂覆有構成發光層的熒光層(24，24′)和構成一陽極的電導層(25，25′)，熒光層(24，24′)通過來自位于該容器內部的場致發射陰極(40，40′)的電子轟擊而發光，在陰極(40，40′)和陽極(25，25′)之間安置有用來建立電子發射所必須的電場的調制電極，其特征是該場致發射陰極(40，40′)包括一具有一中心軸的縱向延伸芯(41，41′)和從該芯(41，41′)延伸的場致發射體(42，42′)；該場致發射體(42，42′)被伸長并沿該芯(41，41′)的長度的至少一部分而分布；和該場致發射體(42，42′)從該芯(41，41′)徑向向外延伸并且具有提供場致發射表面的敞開端。
2.如權利要求1的光源，其中該容器具有一圓柱形形狀。
3.如權利要求1或2的光源，其中該調制電極(30，30′)包括圍繞該場致發射陰極(40，40′)的一導電的基本為圓柱形的結構。
4.如權利要求1-3中的任一權利要求的光源，其中該發光層(24)被安置在玻璃層(23)和陽極(25)之間；和該陽極由用來反射自發光層(24)所發射的光的一反射材料所制成。
5.如權利要求1-3中的任一權利要求的光源，其中該陽極(25′)被安置在玻璃層(23′)和發光層(24′)之間；和該陽極(25′)由一透明材料制成。
6.如權利要求1-5中的任一權利要求的光源，其中所述場致發射體(42，42′)在不同的方向從該芯(41，41′)向外徑向延伸。
7.如權利要求1-6中的任一權利要求的光源，其中該場致發射表面是圍繞該芯(41，41′)而基本均勻分布的。
8.如權利要求1-7中的任一權利要求的光源，其中該場致發射體(42，42′)具有基本相同的長度。
9.如權利要求1-8中的任一權利要求的光源，其中該場致發射陰極(40，40′)具有由該場致發射表面所限定的一基本為圓柱體的外型。
10.如權利要求1-9中的任一權利要求的光源，其中該場致發射體(42，42′)是碳化物。
11.如權利要求1-10中的任一權利要求的光源，其中在所述場致發射表面具有不規則的所述場致發射體(42，42′)通過將可變電場加到所述場致發射體(42，42′)而改變所述場致發射表面進行處理，從而從所述發射表面誘發電場發射，并且增加所述可變電場，在這種方式中限制了所述場致發射表面的不規則的惡化。
12.一種場致發射陰極(40)為了發光目的而用于一光源中，包括有一基體和從該基體延伸的場致發射體，其特征是所述基體包括一具有中心軸的縱向延伸芯(41)；該場致發射體(42)被延長并沿該芯(41)的長度的至少一部分而分布；和該場致發射體(42)從該芯(41)徑向向外延伸并且具有提供場致發射表面的敞開端。
13.如權利要求12的場致發射陰極(40)，其中該芯包括一桿(46)；該場致發射體(42)是碳纖維；和所述碳纖維被附著到環形盤(44，45)上。
14.如權利要求12的場致發射陰極(40)，其中該芯包括一桿(46)；該場致發射體(42)是碳纖維；和所述碳纖維被夾在環形盤(44，45)之間。
15.如權利要求13的場致發射陰極，其中每一纖維的中央部分被附著到該環形盤上；和每一纖維展現有二個場致發射表面，每一端有一場致發射表面。
16.如權利要求14的場致發射陰極，其中每一纖維的中央部分被附著到該環形盤上；和每一纖維展現有二個場致發射表面，每一端有一場致發射表面。
全文摘要
一種包含一場致發射陰極的光源和一種場致發射陰極。一種光源,包括有一具有多層壁的被抽真空的容器,該容器的至少一部分包括有一外部玻璃層(23,23’),在其至少一主要部分的內側涂覆有構成發光層的熒光層(24,24’)和構成一陽極的電導層(25,25’),熒光層(24,24’)通過來自位于該容器內部的場致發射陰極(40,40’)的電子轟擊而發光,在陰極(40,40’)和陽極(25,25’)之間安置有用來建立電子發射所必須的電場的調制電極。該場致發射陰極(40,40’)包括一具有一中心軸的縱向延伸芯(41,41’)和從該芯(41,41’)延伸的場致發射體(42,42’)。該場致發射體(42,42’)被伸長并沿該芯(41,41’)的長度的至少一部分而分布。該場致發射體(42,42’)從該芯(41,41’)徑向向外延伸并且具有提供場致發射表面的敞開端。
文檔編號H01J1/304GK1264491SQ9880726
公開日2000年8月23日 申請日期1998年6月10日 優先權日1997年6月13日
發明者維塔利·S·卡夫塔諾夫, 亞歷山大·L·薩沃羅夫, 伊夫金尼吉·P·謝欣, 簡·奧爾斯福斯 申請人:萊特拉伯公司