一种包含一场致发射阴极的光源,和一种场致发射阴极的制作方法

专利名称：一种包含一场致发射阴极的光源,和一种场致发射阴极的制作方法
发明的领域本发明涉及一种光源，特别是涉及一种用于照明的光源。另外，本发明还涉及一种场致发射阴极。
发明的背景创造光总是强烈地吸引着人们。人们用巨大的努力去开发和改善不同的光源。
一种令人感兴趣的光源类型是荧光灯。它具有很多优点，但它因严重的缺点而受到损害。例如，在接通电源以后直至它开始工作全部发光为止总是存在有一延迟。它需要一复杂的控制装备，安装该控制装置需要占用空间。为了得到这种类型光源的光，不幸的是它必须使用具有负环境效果的材料。
阴极发光光源也是一种令人感兴趣的光源类型。从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，这种光源包括有一其内包含有一栅极和一用来发射电子的加热阴极的被抽真空的外壳。该外壳的内壁覆盖有一层电子敏感型的荧光物质。这种阴极发光灯具有基本与电灯相同的构形。
因为这种光源都具有一加热阴极，所以在开始光发射之前该阴极必须由一专门装置加热。
使用电子激励荧光物质来发光具有的效果与可比较的荧光灯相比产生的热更多。因此，如果用于光的发射和用所必须的热耗散的有效表面大则对它是有利的。在所述文献中所给出的阴极发光灯不具有最佳的表面。
在US，A，5588893(Kentucky Research and Investment Company Limited)中披露了上述第一段中所述类型的一光源。在一被抽真空的玻璃容器的内部安置有一场致发射阴极，在该玻璃容器的内表面上安置有一发光层。在该阴极和发光层之间提供有一调制器。该阴极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纤维。这种光源考虑到了最接近本发明的已有技术。US，A，5588893的内容作为参考在这里被引用。
但是，在最后所提及的已知光源中，电子仅仅在垂直于该基底的方向上被发射。另外，在该文献中没有指出如何以一有效利用成本的方式来产生该光源。
上述US，A，5588893(Kentucky Research and Investment CompanyLimited)还披露了一种上述类型的场致发射阴极。所披露的该阴极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纤维。该文献还披露了一种包括为了实现具有比以前的阴极更高效率的一阴极而对该发射表面进行处理的方法。认为这种阴极是本发明涉及的阴极最接近的已有技术。
另外，DE，C2，4002049(Deutsche Forschnungsanstalt für Luft-undRaumfahrt e.v)披露了一种包括一阴极的电致发射源，该阴极包含有很小的相互被分隔开的毡制成织物板，这些板可由毡制碳纤维所构成，并且被安置在一圆柱形阴极体上。该发射源用来照射一带有电子的介质。
US，A，4272699(Max-Planck-Gesellschaft Zur Forderung derWissenschaften e.v)披露了一种在用于诸如质谱仪或分子束检测器之类仪表的一电子撞击离子源中的场致发射阴极。该阴极具有角形构形，并且包括多束碳纤维，它们的发射表面朝内。
前述的已知场致发射阴极通常是复杂的脆弱的结构，特别是有关场致发射体的安装和连接更是如此。
可以发现由于这些阴极包含有纤维，如果这些纤维未可靠地附着在阴极上，则由于作用在阴极和栅极或阳极之间的电场而使个别纤维脱落。一旦纤维脱落，在多数情况中，这些纤维将被栅极吸引而导致阴极和栅极间的短路，直至一定时间之后由于由此而引起的电流通过该纤维而将该纤维烧掉为止。
发明的概要本发明的一个目的是分别提供一种光源和一种场致发射阴极，具有长寿命、高效和稳定性，能在低制造成本下生产。
这些和其它的目的通过在权利要求中描述的所述特征来实现。
本发明提供了一种光源，包括有一具有多层壁的被抽真空的容器，该容器的至少一部分包括有一外部玻璃层，在其至少一主要部分的内侧涂覆有构成发光层的荧光层和构成一阳极的电导层，荧光层通过来自位于该容器内部的场致发射阳极的电子轰击而发光，在阴极和阳极之间安置有用来建立电子发射所必须的电场的调制电极，该场致发射阴极包括一具有一中心轴的纵向延伸芯和从该芯延伸的场致发射体；该场致发射体被伸长并沿该芯的长度的至少一部分而分布；和该场致发射体从该芯径向向外延伸并且具有提供场致发射表面的敞开端。实现了一种由于使用了一场致发射阴极而无须启动周期，即当加上电源时立即开始发光的光源。还实现了一种具有无须使用具有负环境效果的材料的光源。
另外，本发明所述光源还可得到一具有简单和坚固结构的场致发射阴极的光源。
本发明所述光源还可实现一具有大的有效光发射表面的光源。该表面的有效使用使得实现一相对于所产生的热具有高的光发射的一光源成为可能。
本发明所述光源还实现了一种具有一高的和均匀光发射的光源。
另外，本发明所述光源，实现了一种具有一被改进了的光发射的光源。
本发明所述光源，实现了一种工作在较低电压的光源。
另外，本发明所述光源，实现了一种具有高的和均匀光发射的光源。
另一方面，本发明还提供了一种简单和坚固结构的场致发射阴极。该场致发射阴极用于光源中，包括有一基体和从该基体延伸的场致发射体，所述基体包括一具有中心轴的纵向延伸芯；该场致发射体被延长并沿该芯的长度的至少一部分而分布；和该场致发射体从该芯径向向外延伸并且具有提供场致发射表面的敞开端。
根据本发明的另一方面可得到一种场致发射阴极，这种场致发射阴极提供了发射电子的高发射和均匀分布，特别是通过围绕该阴极的一圆柱形表面发射电子的高发射和均匀分布。还实现了在场致发射表面之间具有很少干扰的阴极。
根据本发明的另一方面，还可得到一种场致发射阴极，这种场致发射阴极进一步提供了更为稳定的电子发射尽量减少了纤维脱落和影响该工作的有害风险。通过本发明的配置，由于作用在从该芯延伸的纤维的二部分的每一部分上的电场是基本上相等的，所以该力作用在每一纤维上。
附图的简要说明

图1是根据本发明的光源的一实施例的部件分解图；图2是根据本发明的一阴极的一实施例的图示；图3是根据本发明的一阴极的另一实施例的图示；图4是根据本发明的一阴极的剖面视图；图5是根据本发明的另一阴极的剖面示图；图6是一调制电极或栅极的图示；图7以剖面图的形式示出了一根据本发明的光源；图8以剖面图的形式示出了根据本发明的另一光源；图9以剖面图的形式示出了根据本发明的另一阴极的实施例的阴极元件；图10示出了在图9中所示出的该阴极元件的一部分；图11示出了包含在图9中所示的阴极元件的根据本发明另一实施例的一阴极在纵向剖视图中的部分侧视图。
最佳实施例的说明参见图1，图1是根据本发明的一光源的一实施例的部件分解图，这一光源由标号10指明，并且该光源是用于照明的。它包括一具有多层壁的容器，该容器的一层壁由标号20来表示。该壁20具有一被示为圆柱状的外部玻璃层。圆筒20具有一由端盖60所遮盖的开口端21。在端盖和圆筒20之间提供有一密封(未示出)，该密封是为了实现该容器的严密密封。在圆筒20的另一端22可安置一圆形壁作为圆筒壁20的延伸，也具有一玻璃外层。另外，端部22可以是开口并且具有类似于在端部21所安置的那样的端盖，也提供有一密封。该容器被密封，以便当容器被抽真空时保持所建立的真空。
在该容器的内侧，安置有一调制电极或栅极30。它最好是圆柱形的并且沿该容器壁20轴向安置。下面将说明这种调制电极或栅极30的构成和功能。
在该调制电极或栅极的内侧安置有最好为轴向安置的阴极40。这种阴极是一冷阴极，特别是一场致发射阴极。下面将进一步说明它的构成和功能。
该光源还包括具有电连接51-54的零件50。该零件50进一步包括有用来固定阴极40和调制电极或栅极30的装置(未示出)。阴极和调制电极或栅极可被焊接到零件50上或者通过一种粘合剂，最好是一种电传导粘合剂而被粘着到零件50上。它们还可以通过一夹紧装置与零件50夹紧或通过一啮合装置与零件50啮合。电连接装置(未示出)还被安置在该零件上，用来分别连接该阴极40和调制电极或栅极30。这些连接装置具有通过该零件延伸并且相互隔离的导电的终端销钉52、53。另一终端销钉51被连接到提供有导电指状物或类似物54的一导电装置上，在该光源的装配状态下它是与被提供在该容器的内侧的一导电层25相接触的，在下面将对其进一步说明。终端销钉51-53均通过该端盖而延伸，因此该端盖具有开口。终端销钉51-53相互间电绝缘，并且在该端盖60中的相应开口被密封。在该容器壁20的另一端22可以安置一类似于零件50的零件，以支撑阴极40和调制电极或栅极30。但是，在另一端22，这种零件可以无须连接装置而被构成。最好安置一类似于在端部21所安置并被提供密封的端盖60以覆盖在另一端22处的零件。当然，如果该零件不具有电连接装置，则相应的端盖将不具有馈通开口。作为在另一端22安置一支撑阴极40和调制电极或栅极30的另一种方案，一类似于端盖60的端盖本身可提供用于阴极40和调制电极或栅极30的支撑、固定或夹紧装置。也可能是该圆筒壁20的延伸部分的一圆形壁具有支撑、固定或夹紧装置。还有另一种方案是由阴极40和调制电极或栅极30本身被支撑和固定，在这种方式中在另一端无须有用于一支撑或固定装置的零件50。
图1中示出了阴极40的一实施例。但是，该阴极可以以多种方式来构成，在图2和3中示出了其中的二种方式。在图1、2和3中所示的阴极中都包括有一具有中心轴的纵向延伸芯和从该芯延伸的场致发射体42。该场致发射体42被延伸并且沿该芯41的长度的至少一部分而分布。在该实施例中示出，该场致发射体42是从该芯径向朝外延伸并且具有提供场致发射表面的敞开端面的纤维。最好是，该纤维是市场上可买得到的聚丙烯腈碳纤维，或者它是包括碳的适合的材料，并且具有几个μm范围的直径。使用碳纤维使该容器中具有足够的适度的真空。在该场致发射表面该纤维参差不齐，并且为了改善该场致发射容量，在组装该阴极之前，该场致发射表面将被进行处理。这种处理包括步骤通过向所述纤维施加一可变电场而改变所述场致发射表面，以便诱发自所述发射表面的场致发射，和增加所述可变电场，在这种方式中限制了所述场致发射表面参差不齐的恶化。
在图4中，示出了根据本发明的一阴极的剖面图，它表明该芯可由二条线43所构成。它表明了在该芯的二条线之间该纤维42中的一条纤维是如何获得的。沿着该芯在二条线之间可获得数千或数百条纤维。为了保证这些纤维更好地附着到该芯上，可以在该芯和纤维之间使用一粘合剂。所使用的粘合剂最好是电导型的。另外，如果线43被缠绕，则在线43之间所产生的夹紧力将安全地将该纤维42附着到芯41上。如果该线被缠绕，则纤维42将以螺旋形从该芯被延长。
在另一实施例中，如图5所示，芯41由三条线构成。每一纤维42围绕这些线中的一条线而被弯曲成一曲线。线43最好被缠绕并且通过该纤维的弯曲所产生的夹紧力将以有利的方式获得该纤维。即使当该芯是由二条或多条被缠绕的线所形成时，也可使用一粘合剂。线43是由例如铜、钢或其它适合的材料之类的电导材料所制成的，并且最好所具有的直径能使该芯在缠绕操作之后保持在缠绕状态而无须任何作用在该芯上的外力。纤维42最好保证处于该芯的中央部分，从而在每一侧从该芯所延伸的每一纤维的长度基本相等。这些纤维最好具有基本相同的长度。如图1-3中所示，该阴极的纤维42以螺旋形从各自的芯延伸。在图1和2中，这种螺旋形是连续的，但是螺旋线的螺距是不同的。在图3所示的该阴极中，该螺旋线被中断，从而使该芯的某些区域没有任何纤维。另外，通过选择被缠绕线的节距、该纤维的分布和均匀性，该场致发射表面可被控制。
该调制电极或栅极30可以各种方式所构成，其中第一种方式示于图1和第二种方式示于图6。但是，最好是该调制电极是圆柱形的，以便实现在调制电极和该纤维的场致发射表面之间基本相同的距离。图1中所示的调制电极是具有一基本为圆柱形式的像似笼子的电极。图6中所示的调制电极最好是由二个环形物所支撑的金属线网状结构，二个环形物最好是在每一端有一金属环形物。本领域的普通技术人员都了解，还存在有许多构成调制电极的其它方式。例如，该调制电极可以由二个绝缘体来支撑，每一绝缘体由环或一具有一盘状形状的板构成并被连接到该阴极的芯上，或连接到零件50上，或连接到另外的零件上，或连接到端盖上。在绝缘体之间，平行于该阴极的芯可安置金属线从而围绕着该环状物或盘状板的圆周而分布。在该环形物或盘状板范围处这些线相互被连接。该调制电极的材料可以是任何用作制造栅极的适合的电导材料。
图7示出了该光源在装配状态的剖视图。如图所示，在中心置有芯41的场致发射阴极40。从该芯以不同方向径向向外延伸的纤维在它们的端部呈现场致发射表面。调制电极或栅极30围绕该阴极，在该纤维的场致发射表面和调制电极之间具有一距离。这个距离取决于加到这些部件的电压和场致发射体及它们的场致发射表面的构成和成分。但是，该距离是在毫米范围内，例如为0.5-2mm。为了提供一稳定的工作，纤维最好是相等的长度，并且该阴极的直径应是在几个毫米至1厘米或更多些。例如，一阴极的直径可为6-8mm。
该容器壁的圆柱形部分20围绕阴极40和调制电极或栅极30。该圆柱形壁20包括外部玻璃层23，荧光层24(阴极发光荧光物质)和构成阳极的内层电导层25。该荧光层是一发光层，当电子轰击该荧光层时发射可见光。该阳极最好由一可反射的电导材料，如铝所制成。该导电指状物54最好是与阳极25直接电接触。通过将一铝层覆盖到荧光层，避免了由荧光物质的可能的蒸发而造成的对真空的有害影响。
在工作中，第一电压被加到阴极40和调制电极或栅极30之间，而第二电压被加到阴极40和阳极25之间。第二电压高于第一电压。从一可位于一机箱内的馈电和控制电路(未示出)所提供的电压例如通过一普通的灯座而与主要部分相连。该馈电和控制电路将该电压加到导电终端销钉51-53，这些销钉与馈电和控制电路相连。当该电压被加上时，在阴极40和调制电极或栅极30之间建立一电场。这个电场足够地强而导致来自该场致发射阴极40的场致发射表面的电子的场致发射。这些电子将加速并通过调制电极或栅极30的孔或开口并且进一步朝向阳极25。当它们离开调制电极或栅极30的区域并且由于该电场存在于调制电极和栅极30之间，则由于这些电子的运动能量而引起电子朝向阳极25的移动。因为这些电子具有高的运动能量并且阳极层相对地薄(μm数量级)，所以它们通过阳极从而进入荧光层，同时还具有足够的运动能量以激励该荧光物质发光，因而发射可见光。这些电子随后返转至阳极而被耗尽。除了光之外，电子轰击也将导致圆筒壁20的发热。玻璃层将提供热的耗散。所加的电压取决于使用的材料、阴极和调制电极或栅极30的构成。所加电压是在kv的范围内，第一电压为几kv，即1.5kv，第二电压为几kv，通常大约为4-6kv。第二电压更取决于所使用的荧光物质的类型。新的荧光物质的类型不断地被研制成功，为此，该电压必须与所使用的特定荧光物质的类型相适应。改变荧光物质的类型，因而该电压将导致圆筒壁的电流和发热的变化。
图8示出了根据本发明的在装配状态的一光源的另一实施例的剖视图。阴极40′和调制电极30′基本上与图7相同。与图7的不同之处是壁20′的各层的配置。它包括一外层玻璃层23′，玻璃层23′通过构成阳极25′的电导透明材料而覆盖在它内侧的至少一个主要部分上。阳极25′随后安置在内侧的荧光层24′上。阳极由例如氧化锡或氧化铟所制成。为了使得电导指状物54可能与阳极25′建立直接的电接触，阳极25′的某些区域没有由荧光物物质所覆盖。另外，与阳极接触的电导表面可以加到该荧光层上。这些表面很小，不会干扰该光源的工作，但是有足够的尺寸以建立与电导指状物54的电接触。
图8所示的这个实施例的工作基本上与图7所示的实施例的工作是相同的。但是，在离开该调制电极或栅极30的区域之后，这些电子将首先击中该荧光层并且激励它发光，并且随后由阳极所耗尽。因为这些电子首先击中该荧光层并且在它的击中该荧光层之前它们不通过该阳极，所以在阴极和阳极之间所加的电压比在图7所示的实施例中要低大约1-2kv。
图9-11示出了一阴极的第三实施例。这个阴极是由阴极元件49的纵向行所构成的。如图9中所示，每一阴极元件包括一对环形盘44、45，其中一盘44提供有一在它的中心开口处构成支撑另一环形盘45的中心、轴向管状延伸。在该环形盘之间接有纤维42。最好是，纤维42被夹紧在每一对的二个环形盘之间，并且环形盘45被保持在与相邻环形盘44的管状延伸相摩擦紧握的位置上。该纤维可以通过在该纤维和任一盘或和两盘之间的一粘合剂的作用而交替地被附着在其上。在图10中，示出了该纤维41是相对于环形盘44而被安置的。该阴极元件被层叠地堆积到杆46上，并且通过在该杆的每一端的垫圈47和螺帽48而被紧固，或者通过任何其它适当的方法而被紧固。杆46和环形盘最好是由电导材料而制成。杆可以例如由钢所制成。如果使用粘合剂，该粘合剂最好是电导型的。
虽然借助于上面的例子对本发明作了说明，但是普通技术人员都清楚的是除了所披露之外的许多其它的变化都可能落入该权利要求的范围之内。
应注意的是虽然这些实施例包括对于在该光源中的电连接和各部分支撑的某些细节，但如像本领域普通技术人员所了解的那样，这些内容也可以其它方式所构成，并且不限制本发明的范围。
权利要求
1.一种光源，包括有一具有多层壁的被抽真空的容器，该容器的至少一部分包括有一外部玻璃层(23，23′)，在其至少一主要部分的内侧涂覆有构成发光层的荧光层(24，24′)和构成一阳极的电导层(25，25′)，荧光层(24，24′)通过来自位于该容器内部的场致发射阴极(40，40′)的电子轰击而发光，在阴极(40，40′)和阳极(25，25′)之间安置有用来建立电子发射所必须的电场的调制电极，其特征是该场致发射阴极(40，40′)包括一具有一中心轴的纵向延伸芯(41，41′)和从该芯(41，41′)延伸的场致发射体(42，42′)；该场致发射体(42，42′)被伸长并沿该芯(41，41′)的长度的至少一部分而分布；和该场致发射体(42，42′)从该芯(41，41′)径向向外延伸并且具有提供场致发射表面的敞开端。
2.如权利要求1的光源，其中该容器具有一圆柱形形状。
3.如权利要求1或2的光源，其中该调制电极(30，30′)包括围绕该场致发射阴极(40，40′)的一导电的基本为圆柱形的结构。
4.如权利要求1-3中的任一权利要求的光源，其中该发光层(24)被安置在玻璃层(23)和阳极(25)之间；和该阳极由用来反射自发光层(24)所发射的光的一反射材料所制成。
5.如权利要求1-3中的任一权利要求的光源，其中该阳极(25′)被安置在玻璃层(23′)和发光层(24′)之间；和该阳极(25′)由一透明材料制成。
6.如权利要求1-5中的任一权利要求的光源，其中所述场致发射体(42，42′)在不同的方向从该芯(41，41′)向外径向延伸。
7.如权利要求1-6中的任一权利要求的光源，其中该场致发射表面是围绕该芯(41，41′)而基本均匀分布的。
8.如权利要求1-7中的任一权利要求的光源，其中该场致发射体(42，42′)具有基本相同的长度。
9.如权利要求1-8中的任一权利要求的光源，其中该场致发射阴极(40，40′)具有由该场致发射表面所限定的一基本为圆柱体的外型。
10.如权利要求1-9中的任一权利要求的光源，其中该场致发射体(42，42′)是碳化物。
11.如权利要求1-10中的任一权利要求的光源，其中在所述场致发射表面具有不规则的所述场致发射体(42，42′)通过将可变电场加到所述场致发射体(42，42′)而改变所述场致发射表面进行处理，从而从所述发射表面诱发电场发射，并且增加所述可变电场，在这种方式中限制了所述场致发射表面的不规则的恶化。
12.一种场致发射阴极(40)为了发光目的而用于一光源中，包括有一基体和从该基体延伸的场致发射体，其特征是所述基体包括一具有中心轴的纵向延伸芯(41)；该场致发射体(42)被延长并沿该芯(41)的长度的至少一部分而分布；和该场致发射体(42)从该芯(41)径向向外延伸并且具有提供场致发射表面的敞开端。
13.如权利要求12的场致发射阴极(40)，其中该芯包括一杆(46)；该场致发射体(42)是碳纤维；和所述碳纤维被附着到环形盘(44，45)上。
14.如权利要求12的场致发射阴极(40)，其中该芯包括一杆(46)；该场致发射体(42)是碳纤维；和所述碳纤维被夹在环形盘(44，45)之间。
15.如权利要求13的场致发射阴极，其中每一纤维的中央部分被附着到该环形盘上；和每一纤维展现有二个场致发射表面，每一端有一场致发射表面。
16.如权利要求14的场致发射阴极，其中每一纤维的中央部分被附着到该环形盘上；和每一纤维展现有二个场致发射表面，每一端有一场致发射表面。
全文摘要
一种包含一场致发射阴极的光源和一种场致发射阴极。一种光源,包括有一具有多层壁的被抽真空的容器,该容器的至少一部分包括有一外部玻璃层(23,23’),在其至少一主要部分的内侧涂覆有构成发光层的荧光层(24,24’)和构成一阳极的电导层(25,25’),荧光层(24,24’)通过来自位于该容器内部的场致发射阴极(40,40’)的电子轰击而发光,在阴极(40,40’)和阳极(25,25’)之间安置有用来建立电子发射所必须的电场的调制电极。该场致发射阴极(40,40’)包括一具有一中心轴的纵向延伸芯(41,41’)和从该芯(41,41’)延伸的场致发射体(42,42’)。该场致发射体(42,42’)被伸长并沿该芯(41,41’)的长度的至少一部分而分布。该场致发射体(42,42’)从该芯(41,41’)径向向外延伸并且具有提供场致发射表面的敞开端。
文档编号H01J1/304GK1264491SQ9880726
公开日2000年8月23日 申请日期1998年6月10日 优先权日1997年6月13日
发明者维塔利·S·卡夫塔诺夫, 亚历山大·L·萨沃罗夫, 伊夫金尼吉·P·谢欣, 简·奥尔斯福斯 申请人:莱特拉伯公司