RU2210140C2 - Способ и устройство для получения оптического излучения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области источников оптического излучения, находящих широкое применение в промышленности, а именно в микроэлектронике, в медицине, в производстве осветительных приборов. Техническим результатом является повышение яркости источников оптического излучения при низком напряжении питания. Генерация электронов осуществляется за счет их эмиссии с поверхности катода, а возбуждение излучения путем ускорения электронов в газовом промежутке напряжением между катодом и анодом до энергии выше энергии возбуждения излучающих уровней газа, но ниже напряжения зажигания самостоятельного разряда. Обеспечить условия, при которых значительная часть вложенной энергии идет на возбуждение излучающих состояний газа, можно, практически исключив ионизацию за счет выбора напряжения ниже потенциала ионизации газа. Устройство, обеспечивающее предлагаемый способ, состоит из камеры, выполненной излучающим газом, с расположенными напротив друг друга, по крайней мере, двумя электродами, катодом и анодом, при этом, по крайней мере, электродная поверхность, на которой расположены электроды, или электродная поверхность и поверхность самих электродов прозрачны для излучения. Отличие состоит в том, что давление излучающего газа определяется из условия выбора расстояния между электродами порядка энергетической длины пробега электрона. Катод может быть выполнен в виде термокатода, фотокатода и автоэмиссионного катода. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Источники оптического излучения находят широкое применение в промышленности. В частности, излучение вакуумного ультрафиолетового диапазона используется для травления резистов 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 способов и источников оптического излучения, созданных на их основе, являются газоразрядные источники. Распространены, например, люминесцентные лампы видимого диапазона, реализующие 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.

Известные способы получения оптического излучения малого давления, используемые, например, во флуоресцентных газоразрядных лампах [1], наиболее эффективны, но они имеют ряд недостатков, которые не могут быть преодолены, в частности ртутные загрязнения, возникающие при разрушении лампы.

Известен способ получения оптического излучения и источники на его основе, в котором эмитируемые катодом электроны ускоряются в вакуумном промежутке под действием приложенного к нему напряжения и возбуждают оптическое излучение катодолюминофора [2] . Основным недостатком источников на основе такого способа является низкая эффективность катодолюминесценции, особенно при низких напряжениях.

Известен способ, заключающийся в генерации электронов и возбуждении излучения в газоразрядном промежутке, и 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, одна из электродных поверхностей, на которой расположены электрод, или электродная поверхность и поверхность самих электродов прозрачны для излучения [3] . Оптическое излучение возникает в результате возбуждения газа в разряде. Недостатком известного способа и реализующего его устройства является низкая эффективность преобразования электрической энергии в излучение.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности преобразования электрической энергии в оптическое излучения при низких напряжениях питания.

Предлагаемый способ получения оптического излучения заключается в генерации потока электронов за счет их эмиссии с поверхности катода и возбуждении излучения за счет ускорения электронов в газовом промежутке приложенным между катодом и анодом напряжением до энергии выше энергии возбуждения излучающих уровней газа, но ниже напряжения зажигания самостоятельного разряда, а именно ниже напряжения, при котором становится существенной ионизация газа и, следовательно, возникают ограничения, связанные с появлением в газовом промежутке ионов: когда возникают дополнительные энергетические потери, связанные с установлением приэлектродных слоев, и снижается ресурс источника из-за возникающей бомбардировки катода энергичными ионами. Практически исключить ионизацию можно за счет выбора напряжения ниже потенциала ионизации газа.

Устройство для получения оптического излучения состоит из камеры, заполненной излучающим газом, например каким-либо благородным газом, и расположенных напротив друг друга, по крайней мере, двух электродов, катода и анода, по крайней мере, одна из электродных поверхностей, на которой расположены электроды, или электродная поверхность и поверхность самих электродов прозрачны для излучения. Давление газа определяется выбором расстояния между электродами порядка энергетической длины пробега электрона.

Излучение, полученное за счет возбуждения частиц газа электронами, может быть выведено через прозрачные поверхности или преобразовано в излучение другого диапазона за счет возбуждения излучающих состояний фотолюминофора. Возможно помещение фотолюминофора как на внутренних, так и на внешних сторонах электродных поверхностей, или электродных поверхностей и поверхностей самих электродов.

Для получения высокой эффективности данного способа 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.

С целью создания источника излучения с регулируемыми в каждой отдельной пространственной точке цветовыми параметрами люминофор наносят в виде RGB триад, заполняющих каждую отдельную точку.

С целью дополнительного управления током между анодом и катодом может быть расположен, по крайней мере, один сетчатый электрод.

Необходимая скорость эмиссии электронов катодом может быть обеспечена различными способами. В случае автоэмиссионного катода напряженность электрического поля у катода Е должна быть достаточно велика для появления значительного тока автоэмиссии (Е ~ 2-10 В/мкм при использовании холодноэмиссионного пленочного катода).

В случае термоэмиссионного катода давление газа и напряжение на разряде ограничены условием не только отсутствия значительной ионизации газа, но и допустимой величиной потерь энергии на нагрев катода и недопустимостью перегрева люминофора. Для минимизации этих потерь необходимо использовать низкотемпературный термоэмиссионный катод, размещенный внутри камеры, а также газ с малой теплопроводностью, например ксенон.

В случае фотокатода появляется ограничение на величину минимального напряжения разряда U. Оно должно быть выбрано таким образом, чтобы обеспечить достаточную фотоэмиссию электронов с катода при условии отсутствия ионизации в межэлектродном промежутке:

где γ_ph - коэффициент фотоэмиссии с катода, γ_ph≈0,1 в лучших фотокатодах;

- средняя энергия в электрон-вольтах, необходимая для образования одного фотона, η - кпд преобразования поступающей в устройство энергии в энергию оптического излучения, β - геометрический фактор. Например, в ксеноне при оптимальной величине приведенного электрического поля и β=2 получим η≈0.9,

и U>130 В.

Изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображено устройство для получения оптического видимого излучения, состоящее из источника питания 1, заполненной газом камеры 2, катода 3, анода 4 и люминофора 5. Катод 3 должен быть выполнен из материала, который обеспечивает максимально высокую эффективность эмиссии электронов.

За счет подбора рабочих параметров катода ток электронов поддерживается на заданном уровне. Эти электроны дрейфуют под действием напряжения, приложенного между катодом 3 и анодом 4, и вызывают возбуждение и ультрафиолетовое излучение газа, заполняющего камеру 2, с последующим возбуждением люминофора 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.

Устройство оптического излучения на основе предлагаемого способа 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.

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

2. Добрецов Л. Н. , Гамаюнова М.В. Эмиссионная электроника. М.: Наука, 1966, стр.245.

3. Дисплеи. Под редакцией Жака Панкова. М.: Мир, 1982, стр.123-126.

Claims (10)

1. Способ получения оптического излучения, заключающийся в генерации электронов и последующем возбуждении излучения в газе, отличающийся тем, что генерацию электронов проводят за счет их эмиссии с поверхности катода, а возбуждение излучения проводят путем ускорения электронов в газовом промежутке напряжением между катодом и анодом до энергии выше энергии возбуждения излучающих уровней газа, но ниже напряжения зажигания самостоятельного разряда.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что генерацию электронов и их последующее ускорение в газовом промежутке осуществляют напряжением, величина которого меньше чем I/е, где I - потенциал ионизации атомов или молекул газа, а е - заряд электрона.

3. Устройство для получения оптического излучения, состоящее из камеры, заполненной излучающим газом, с расположенными напротив друг друга, по крайней мере, двумя электродами, катодом и анодом, при этом, по крайней мере, одна из электродных поверхностей, на которой расположены электроды, или электродная поверхность и поверхность самих электродов прозрачны для излучения, отличающееся тем, что давление излучающего газа определяется из условия выбора расстояния между электродами порядка энергетической длины пробега электрона.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что катод выполнен в виде автоэмиссионного катода.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что автоэмиссионный катод выполнен в виде холодноэмиссионого пленочного катода, содержащего подложку с нанесенным на нее нанокристаллическим алмазно-углеродным пленочным эмиттером электронов.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что катод выполнен в виде фотокатода.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что катод выполнен в виде термокатода.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из электродных поверхностей, на которой расположены электрод, или электродная поверхность и поверхность самих электродов покрыты слоем люминофора с внешней или с внутренней стороны.

9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что, по крайней мере, одна из электродных поверхностей, на которых расположены электроды, или электродная поверхность и поверхность самих электродов покрыты с внешней или внутренней стороны триадами люминофоров заполняющих каждую отдельную точку поверхности.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что между катодом и анодом расположен, по крайней мере, один сеточный электрод.