专利名称：放电灯用的冷阴极、具有这种冷阴极的放电灯和这种放电灯的运行方法
技术领域：
根据权利要求1的前叙部分，本发明涉及放电灯用的一种冷阴极，尤其是涉及这样的放电灯的冷阴极，这种灯是借助一种介质阻挡的放电而运行的。
在介质阻挡的放电情况下，至少一个电极与放电室是通过一个介质层分开的。
此外，根据权利要求9的前叙部分，本发明涉及一种具有此种冷阴极的放电灯，尤其涉及一种这样的放电灯，这种放电灯是借助一种介质阻挡的放电而运行的，由而并根据权利要求13的前叙部分，涉及运行这类放电灯的一种方法。
这里“放电灯”这个名称指的是发射光的发射器，就是说发射可见电磁辐射，或者还有紫外(UV)辐射以及真空紫外(VUV)辐射。
其中放电灯的电极的作用是提供保持独立放电所必要的自由电子数。这些电子主要由阴极提供(在用不变极性的电压下运行时，例如直流电压或单极性脉冲电压)或由瞬态阴极提供(在用变化极性的电压下运行时，例如交流电压或双极性脉冲电压)。此外，自由电子在位于(瞬态)阴极前面的阴极电位下降区内产生。
阴极电位下降区是以与电极间的其余空间相比显示高的场强为特征的，就是说在这个区域内，对阴极的电位下降较快。因此在阴极电位下降区自由电子的产生总是与相当高的功率变换率联系在一起的。从尽可能有效地产生可利用辐射的角度，就是说产生光或UV/VUV辐射，人们努力降低放电灯的阴极电位降。这就要求提高电子由阴极表面逸出的效率。
当前技术水平为了改善热电子发射，一种可能的方法是，把电极制成螺旋状、加热和必要时另外加上一层发射膏。这种比较昂贵的技术例如用于荧光灯中。此外，与这种所谓的热阴极相联系的缺点是，灯的有限的寿命和填充气体的加热。
专利DE-GM29501343公开了一种具有冷阴极的辉光荧光灯。为了减小阴极电位降在电极中掺杂了锰或镧。
专利US5418424叙述了一种具有光电阴极的VUV辐射源。在辐射源内部此外形成氙激元(Xe-Excimere)，这些激元产生短波VUV辐射。该光电阴极由一个50nm厚的、覆盖在一个不锈钢表面的光电发射层和一个与其平行的栅极组成。VUV辐射穿过栅极射到光电发射层上，并在那里借助光电效应释放出电子。随后光电子穿过栅极并借此维持着放电。这里的缺点是，所描述的产生电子的机理是建立在通过放电自身产生的VUV辐射基础上的。也就是在点燃放电期间，这种电子源还不能提供电子，或者提供的很有限。这种情况在脉冲运行放电时，对效率的负面影响很引人注意。
专利EP675520A2公开了一种缽状或杯状电极，用于汽车照明的小型化氖灯。电极内壁均匀地覆盖上一层发射层。
最后专利US5159238叙述了一种扁平的放电灯。该阴极包含导电氧化物微粒，这种微粒加入低熔点玻璃，例如铅玻璃中。
发明概述本发明的任务是，排除上述缺点并提出一种电极，这种电极在低的电极温度下，具有改进的电子发射特性。
根据本发明，此项任务是通过权利要求1的特征部分的特征解决的。发明的特别有利的实施结构是在有关的从属权利要求中说明的。
本发明的另一项任务是，提出一种放电灯，这种灯含有所述的阴极。根据本发明这项任务是通过权利要求9的特征部分的特征解决的。
最后本发明的另一项任务是，提出一种运行这样一种放电灯的方法。这项任务是根据本发明通过权利要求13的特征部分的特征解决的。
本发明的基本思想在于，将R、Miller和S.Savage所证实的铁电材料发射电子的性能(R、Miller和S.Savage,Journal of AppliedPhysics21,1960,662页及以后有关页)用于冷阴极，以期得到改善的电子发射特性。众所周知，释放电子的机理是建立在铁电体内部一种的极化快速变化的基础上。
本发明提出一种具有夹层结构的冷阴极。其中在两个导电平面之间，例如用平板、薄片、薄膜或其它同类实现的平面之间，设置一种铁电材料，例如由铅-锆-钛酸盐(PZT)或铅-镧-锆-钛酸盐(PLZT)形成的一种陶瓷。其一个或两个平面都具有至少一个或多个开孔，例如以多孔薄板、金属丝网格或一种相应的覆盖上的薄层的形式。在开孔处，铁电材料是未被覆盖的，所以由铁电体产生的自由电子可以穿过这些孔到达放电装置的阳极方向。为简单起见，下面对本发明的夹层式冷阴极也称为夹层阴极。
在放电灯运行期间，在两个导电平面上，施加一系列快速交变的电压脉冲。所以夹层阴极象电容器一样起作用，其中两个平面相当于电容器的电极。在此种类比中，铁电体起电容器介质的作用。以这种方式在铁电体内实现了开始所述快速极化变化。
夹层阴极，尤其是铁电层制成薄层是有利的，以便能使极化变化所需的电压脉冲的幅度尽可能小。该层厚度的典型值小于1mm，优先在约10μm和0.2mm的范围内。
这种夹层阴极可以用于各种类型的冷阴极放电灯中。本发明的冷阴极展示其优越的作用，不取决于阳极是否具有一种介电阻挡层。在这种应用中，唯一起作用的是，在放电容器内，夹层阴极自身没有介电阻挡层。在此，夹层阴极的几何形状，应尽可能最佳地与放电容器的几何形状匹配。
管状放电灯中，例如开始所述DE-GM29501343的辉光荧光灯或如EP700074中所公开的辉光荧光灯，夹层阴极被制成空心柱体形状。夹层阴极的金属内外壁各具有一电流引线。两条电流引线被气密地由放电容器向外引出。从而有可能将快速交变电压脉冲引到夹层阴极。
同样有利的是把这种夹层阴极应用在这样一种放电灯中，这种放电灯以一种一侧介电阻挡的放电运行。夹层阴极被安装在放电容器内部，例如将其直接覆盖在内壁上。阳极被覆盖在外壁上或者安置在放电容器的内部。不过在后一种情况下，阳极是通过另一个介质，例如一层薄的玻璃，与真正的放电分开的。
夹层阴极的一个优点在于可精确控制释放电子的时间点。通过对快速极化变化或放电的电压信号的时间调整，即可以提高产生有效辐射的效率。这一点特别适合于根据WO94/23442的、无论如何以已经改进的有效辐射效率为特征的脉冲放电灯。该效率的提高是直接在点燃气体放电前，通过在夹层阴极的表面上有效地准备足够多的电子实现的。
对于介电阻挡放电中同样应用的交流电压的激发，在应用本发明的夹层阴极时，该效率的提高当然是受到限制的，因为这里在每个第二阶段，该夹层阴极起阳极作用，并且因此在那里被释放的电子对放电没作贡献。
在脉冲运行的介电阻挡放电的情况下，本发明的运行方法如下首先在夹层阴极的两个电的引线端加上一个具有快速交变极性的电压信号。一旦基于由此作用的铁电体的快速极化变化，在夹层阴极表面上释放出足够多的电子时，就在夹层阴极和阳极之间加上一适当极性的电压脉冲。于是电子沿着阳极的方向被加速并从而点燃放电。
下面借助几个实施例进一步说明本发明，这些附图是图1a具有夹层结构的铁电电子发射器的、本发明的条状冷阴极的平面图，图1b沿图1a中夹层阴极AA线的横截面图，图2a一种有图1的条状夹层阴极的UV/VUV扁平辐射器平面图，图2b沿图2a中UV/VUV平面辐射器BB线的横截面图，图3按图2电极排列的电气接线原理图，图4a脉冲运行方式下，放电灯电极上所加电压时间曲线的一个片段，图4b根据本发明的运行方法，在夹层阴极的电极上所加的与图4a相关的电压时间曲线。
图1a,1b在平面图及在沿AA线的横截面图中，示意性示出条状夹层阴极1。该约2mm宽的夹层阴极1包括一个底层2，一个盖层3以及一个设置在底层和盖层之间的铁电层4。该铁电层4包括一个约100μm厚的PZT(Blei-Zirkon-Titanat，铝锆钛酸盐)基片。底层2和盖层3由铂组成，它各以约1μm的厚度覆盖在铁电基片4的上侧和下侧。盖层3以规则的约200μm的距离具有200×200μm2尺寸的正方形开孔5。为了在放电灯中运行，底层2和盖层3分别与一根电流引线连接(未示出)。为了使夹层阴极1从其开孔5中向外发射电子，则该两根电流引线与一电压源连接(未示出)，该电压源提供一种具有高速极性变化的电压信号。
图2a和2b用示意图示出一UV/VUV扁平辐射器6(就是说扁平放电灯)的平面图和沿BB线的横截面图，这种灯是针对高效发射UV或VUV辐射设计的。该扁平辐射器6包括一个具有矩形基面的扁平放电容器7、一个按照图1的条状夹层阴极1和两个条状金属阳极8。该放电容器7本身是由一个矩形底板9和一个长圆形槽状盖10(在图2a中未示出)组成，两者都是用玻璃制成的。底板9和盖10在它们周边的棱区是气密地相互连接在一起的。并且这样把扁平辐射器的填充气体封闭在内。填充气体包括填充压力为10kPa的氙气。阳极8有相同的宽度，并且与夹层阴极1相同相互平行地覆盖在底板9的内壁上。与夹层阴极1的区别是两个阳极8完全由一玻璃层11所覆盖，其厚度约为150μm。
在另一方案中(未示出)盖10的内壁被覆盖了一种荧光材料或者荧光材料混合物，该材料把放电所产生的UV/VUV辐射转变为可见光。在此方案中涉及的是一种扁平荧光灯，这种灯适用于一般照明或显示器，例如LCD(液晶显示)的背景照明。
为了说明具有夹层阴极的放电灯的运行方法，在图3中示意地示出图2的装置及其电气布线。其中相同的字符有相同的含意。夹层阴极1的电极，即底层2和盖层3，与第一个提供一个电压信号U1的电压源12各一输出电极连接。阳极8(为简单起见只示出了一个条形阳极的横截面)与一个提供一个电压信号U2的一个第二电压源13的第一电极连接。此外，夹层电极1的盖层3还与第二电压源13的第二电极连接。
图4a和4b用一个脉冲运行的放电实例同样说明本发明运行方法的原理。它们分别示出图3中所提到的两个电压信号U1和U2的时间曲线。分别示出的只是原理上无限序列的电压脉冲中的一个电压脉冲。其中重要的是两个电压信号U1和U2的时间同步。第一个电压信号U1是这样选的，使它在时间点t2时快速转换极性，并且因此使电子由铁电层4开始释放。随后，也就是说在一个较后的时间点t3＞t2有效地开始电压信号U2的一个电压脉冲，该脉冲将被释放的电子沿通向阳极8的方向加速，并且由此而起动并维持放电。电压信号U1的极性变换的持续时间约为500ns或者更少，在这里该持续时间是作为两个在时间点t1和t4前后跟随的电压脉冲的峰值之间的时间间距Δt=t4-t1计算的。典型值为100ns数量级或几个100ns。
权利要求
1．放电灯的冷阴极，尤其是借助一种介电阻挡放电运行的放电灯，其特征在于，该冷阴极(1)具有两个导电的，相互面对着的电极(2,3)，在这两个电极(2,3)之间设置一个铁电体(4)，其中至少电极之一(3)具有一个或者多个开孔(5)，以便在运行时，借助在两个电极(23)上加的快速改变极性的电压，通过开孔(5)释放出电子，这些电子适用于起动及维持放电灯的放电。
2．根据权利要求1的冷阴极，其中电极(2,3)和铁电体(4)形成一个平面形的或条形的结构，和其中铁电体(4)的盖面和底面分别向着相互面对着的电极(2,3)的一个内侧。
3．根据权利要求2的冷阴极，其中，平面形结构被成形为空心柱体。
4．根据权利要求2或3的冷阴极，其中，在铁电体(4)上的盖层和底层上直接覆盖电极(2,3)，使该冷阴极具有一种夹层式的结构(1)。
5．根据权利要求1的冷阴极，其中，铁电体(4)的厚度小于1mm，优先在约50μm和500μm之间的范围。
6．根据权利要求1的冷阴极，其中，电极(2,3)由金属，特别是铂构成。
7．根据权利要求1的冷阴极，其中，至少电极之一(3)的开孔(5)是用一种栅状或网状结构实现的。
8．根据权利要求1的冷阴极，其中，铁电体(4)由铅-锆-钛酸盐(PZT)或铅-镧-锆-钛酸盐(PLZT)构成。
9．放电灯(6)，该放电灯具有至少部分透明的、和用填充气体填充的封闭(7)的或由一种气体或混合气体流经的开放的、不导电材料构成的放电容器，和具有一个或多个排列在放电容器内的负极性(阴极)的电极(1)，以及具有一个或多个正极性(阳极)电极(8)，其特征在于，这个或这些电极(1)具有权利要求1至8之一的特征。
10．根据权利要求9的放电灯，其中，阴极(1)在放电容器(7)的内壁上是如此条状排列的，使阴极(1)上的开孔(5)指向放电容器(7)的内部。
11．根据权利要求9的放电灯，其中，这个或这些阳极(8)与放电容器(7)的内部是分开的，或者有时是相互通过介电材料(11)分开的。
12．根据权利要求11的放电灯，其中，这个(些)阳极(8)在放电容器(7)的内壁上是条状排列的，和各阳极条(8)用一个介电层(11)全面覆盖。
13．运行具有权利要求9特征的一种放电灯(6)的方法，它以下列方法步骤为特征，-输入具有快速极性变换的一个随时间变化的第一电压信号(U1)，-输入一个随时间变化的第二电压信号(U2)，-第一和第二信号的同步是这样进行的，使第二信号(U2)幅度数值的增加，跟随在第一信号(U1)的快速极性变换之后，-第一电压信号(U1)加在冷阴极(1)的电极(2,3)上，用这种方法使冷阴极(1)在每次极性变换时，穿过开孔(5)释放电子，-第二电压信号(U2)这样加在放电灯(6)的阳极(8)和冷阴极(1)上，使得每当第二电压信号(U2)幅度数值增加时，所释放的电子沿着阳极(8)的方向加速，并因此为起动及维持放电作出贡献。
14．根据权利要求13的方法，其中，第一电压信号(U1)的极性变化的持续时间小于约500ns。
15．根据权利要求13的方法，其中，第二随时间变化的电压信号(U2)由以间歇时间分开的电压脉冲组成。
16．根据权利要求15的方法，其中，脉冲宽度在0.1μs和10μs之间的范围内，优先在0.5μs和5μs之间的范围内。
17．根据权利要求15或16的方法，其中，脉冲重复频率在1kHz和1MHz之间的范围内，优先在10kHz和100kHz之间的范围内。
18．根据权利要求13的方法，其中，第二随时间变化的电压信号(U2)由一个交变电压组成。
全文摘要
放电灯的,尤其是借助一种介电阻挡放电运行的放电灯(6)的冷阴极(1),具有两个导电的、相互面对着的电极,在这两个电极之间,夹层式地设置有一个铁电体,至少电极之一具有一个或多个开孔。在运行时,在两个电极上施加一个具有快速变换极性的电压。通过这种方法,在铁电体的表面释放出电子,这些电子在放电灯的运行电压作用下,穿过开孔向着灯的阳极(8)被加速,并且于起动及维持灯(6)的放电。
文档编号H01J61/54GK1210620SQ97192198
公开日1999年3月10日 申请日期1997年12月10日 优先权日1996年12月11日
发明者F·沃尔克梅尔, L·希茨施克 申请人:电灯专利信托有限公司