WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 5 04;05;07;12 Широкоапертурный катодолюминесцентный источник света на основе открытого разряда © Е.А. Муратов, А.Т. Рахимов, Н.В. Суетин Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцина, 119899 Москва, Россия e-mail: muratov@dnph.phys.msu.su (Поступило в Редакцию 17 июня 2003 г.) Обсуждается возможность создания эффективного источника света большой яркости с использованием открытого разряда (ОР). Представлены экспериментальные результаты, полученные в ходе исследований световых характеристик различных катодолюминесцентных экранов. Возбуждение люминофорных покрытий осуществлялось электронным пучком, который инициируется плоским катодно-сеточным инжектором в инертной газовой среде. Обсуждаются возможности использования непрерывного и периодического способов возбуждения газовой среды светового излучателя для реализации устойчивого режима горения ОР.

Использование „зеркального“ способа возбуждения люминофорного покрытия экрана позволило достичь довольно высоких эначений яркости и световой эффективности по сравнению с соответствующими характеристиками для катодолюминофоров.

Конструктивное исполнение катодно-сеточного узла излучателя не имеет принципиальных ограничений при реализации больших размеров площади инжектора электронов, что является перспективным для создания источников света большой апертуры.

Введение собой плоский (или сетчатый) металлический катод и сетчатый анод, расположенные параллельно с малым Разработка и создание эффективных, конструктивно зазором. Источник света является газонаполненным припростых, дешевых и долговечных источников света (ИС) бором. При этом важно отметить, что рабочей газовой для различных применений являются определяющим насредой являются только инертные газы без примесей правлением в развитии современной светотехники. Очепаров ртути или других элементов, обычно использувидно, что в различных областях целевого использоваемых в газоразрядных источниках света. За счет подния к источникам излучения предъявляются существенбора параметров в такой системе организуется разряд, но различные требования по яркости, цветовой гамв котором большая часть электронов существует в виде ме излучения, энергетической эффективности, ресурсу, высокоэнергетического пучка, который, проходя через размерам, диаграмме направленности светового потока сетку (анод), возбуждает люминофор.

и т. д. Зачастую эти требования взаимно противоречивы Для измерения основных характеристик предлагаеи не могут быть удовлетворены с использованием уже мого источника света, главной из которых является имеющихся ИС.

эффективность преобразования электрической энергии Авторами был предложен [1] новый газорязрядный в световую, нами было создано несколько экспериисточник света на основе так называемого открытого ментальных образцов, отличающихся в основном конразряда (ОР) [2]. Принципиальной особенностью этого структувными характеристиками электродных узлов и источника света является использование прямого возгабаритами прибора в целом. На рис. 1 представлена буждения люминофорного экрана электронным пучком, принципиальная схема, поясняющая работу источника на формирование которого идет более 80% полной света на основе ОР.

энергии, вложенной в разряд [3]. Отметим, что благодаря Электрическое напряжение подводится к катоду именно этим свойствам открытый разряд неоднократно устройства 3 от высоковольтного источника питания 1, использовался для эффективного возбуждения активной который может работать как в непрерывном, так и среды газовых лазеров [4].

в импульсно-периодическом режимах. В этом случае электродная система катод–сетка является инжектором электронов с энергией, равной величине приложенного Описание конструкции источника к катоду напряжения. Эти электроны проходят сквозь Предлагаемый источник света может быть выпол- сетку в дрейфовое пространство (между сетчатым анонен в стеклянном или металлокерамическом корпусе дом и экраном), где тратят часть энергии на возбуждес прозрачным экраном, покрытым люминофором. Хи- ние и ионизацию газа. Положительные ионы и фотоны, мический состав люминофорного покрытия определяет образованные в дрейфовом пространстве, проникают цветовую гамму излучения (R, G, B, Y и т. п.). Электрод- обратно через сетчатый анод и вызывают вторичную ная система излучателя довольно проста и представляет электронную эмиссию непосредственно с поверхности 122 Е.А. Муратов, А.Т. Рахимов, Н.В. Суетин Рис. 1. Схема светового источника на основе открытого разряда. 1 — источник напряжения; 2 —корпус излучателя (стекло, керамика); 3 —катод, 4 —сетка (анод); 5 — люминофорное покрытие; 6 — проводящий слой ITO; 7 —экран (стекло).

Рис. 2. Зависимость яркости свечения лампы (B) и тока на экран (I) от плотности газовой среды. Площадь экрана 20 cm2.

Водород, люминофор ZnS : Cu, Al.

катода. Таким образом поддерживается ОР, в котором основная часть электронов формируется в виде высокоэнергетического пучка, который в свою очередь возбуждает люминофорное покрытие экрана лампы.

Энергетические характеристики и режимы работы источника света Как уже отмечалось, генерация электронного пучка возникает при подаче на катод отрицательного напряжения от источника питания. Минимальное напряжение, при котором реализуется ОР, определяется порогом зажигания разряда, а величина допустимого максимального значения ограничена областью устойчивости самого разряда.

Исследовались два режима поддержания разряда — непрерывный и импульсно-периодический.

Эксперименты с использованием непрерывного режиРис. 3. Зависимость яркости (B) и энергетической эффективма генерации электронного пучка позволили получить ности () источника света от давления рабочего газа. Водород, высокие уровни света (несколько тысяч kd/m2). Важно люминофор ZnS : Cu, Al.

заметить, что такие высокие яркости сегодня получают только в лампах с добавками ртути, натрия или серы.

На рис. 2 приведены измеренные значения яркости в зависимости от давления газа и газоразрядного напряжения. Как видно из рисунка, уровень яркости источника отслеживает величину плотности тока пучка на люминофорный экран и линейно растет с увеличением давления газа. Однако повышение давления газа приводит к нежелательному падению энергетической эффективности источника света (рис. 3), что связано с ростом потерь энергии электронов в газе. Более того, дальнейшее повышение газового давления нарушает устойчивое и однородное горение разряда.

На рис. 4 приведены данные, показывающие, что яркость источника света можно повысить также за счет увеличения энергии электронов (мощности электронного пучка). При этом избежать развития неустойчивости разряда в условиях повышенного напряжения на катоде Рис. 4. Зависимость яркости источника и мощности электронного пучка от напряжения на катоде. Водород, люминонам может помочь использование квазинепрерывного фор ZnS : Cu, Al.

режима инициирования электронного пучка.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Широкоапертурный катодолюминесцентный источник света на основе открытого разряда источника, а при увеличении энергии электронов наблюдается ее рост.

С целью более эфффективного использования светоизлучающей способности люминофора на практике часто используется метод, позволяющий максимально полно использовать высвечивание всей суммарной поверхности слоя люминофора. Сэтой цельюприменяется дополнительное напыление тонкого слоя Al на люминофор со стороны падающего электронного пучка. При этом свет возбужденного слоя люминофора, излучаемый в направлении дрейфового пространства, отражается от пленки Al и, проходя обратно через достаточно тонкий люминофорный слой (8-10 µs), вносит дополнительный вклад в излучение экрана прибора. Возбуждение люмиРис. 5. Зависимость яркости лампы (B), мощности пучка нофора при этом осуществляется электронами с энергиэлектронов (P) и энергетической эффективности прибора в целом (c) от давления рабочей газовой среды. Площадь ей, превышающей энергетический порог прозрачности экрана лампы 20 cm2. Гелий, люминофор ZnS : Cu, Al.

алюминиевого покрытия.

Рис. 6. Зависимость яркости (B) и энергетической эффекРис. 7. Зависимость яркости (B) и эффективности источника тивности излучателя (c) от давления газовой среды. Гелий, света (c) от энергии электронного пучка для различных люминофор ZnS : Cu, Al.

давлений газа. Гелий, люминофор ZnS : Cu, Al.

Действительно, применение квазинепрерывного режима поддержания ОР (длительность импульсов возбуждения 10 µs, частота следования 1-10 kHz) позволило осуществить устойчивый режим работы прибора при повышенном давлении газа и сравнительно низких значениях энергии пучка. Однако, как уже отмечалось, с увеличением плотности газа мы вновь сталкиваемся с экспериментальным фактором падения энегетической эффективности источника (рис. 5).

Экспериментальные результаты, представленные на рис. 6 и 7, получены в условиях импульсно-периодического режима инициирования электронного пучка и наглядно демонстрируют характер зависимости яркости излучения светового источника от плотности газовой среды и величины напряжения на катоде прибора. ОчеРис. 8. Зависимость яркости (B), эффективности источника видно, чтобы достичь значительных уровней яркости, света (c) и мощности электронного пучка (P) от напряцелесообразно использовать в первую очередь более жения на катоде (при использовании отражающего алюмиэнергетичные электронные пучки. Тем более что при ниевого покрытия люминофорного слоя). Аргон, люминофор увеличении давления газа резко падает эффективность „КБ=3“+Al.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 124 Е.А. Муратов, А.Т. Рахимов, Н.В. Суетин На рис. 8 приведены экспериментальные данные, которые наглядно демонстрируют, что в данном случае „включение люминофора“ происходит при значениях напряжения на катоде прибора, превышающих 3 kV (что определяется толщиной пленки Al).

Использование так называемого „зеркального эффекта“ позволило нам достичь значительных уровней яркости источника света ( 25.000 kd/m2) при сравнительно высокой энергетической эффективности ( 35 lm/V).

Заключение Экспериментальные данные, представленные в настоящей работе, являются определяющими для реализации проекта создания мощного светового источника с использованием ОР в инертной газовой среде. Простота конструкции и дешевизна элементарной базы испточника могут в определенном смысле иметь коммерческий интерес в создании таких излучателей. Площадь светового поля источника на основе открытого разряда легко может быть увеличена, что дает возможность использования его для создания широкоапертурных излучателей высокой интенсивности.

Более того, предпочтительным оказывается то обстоятельство, что в процессе эксплуатации подобные источники могут со временем лишь медленно тускнеть (ресурс катода и деградация газовой среды), а не перегорать мгновенно.

Перечислим возможные области применения световых источников на основе ОР: светофоры, дорожные указатели, информационные табло, бегущая строка, рекламные щиты, световая разметка взлетно-посадочной полосы, авиационные и автомобильные дисплеи и т. п.

Немаловажным является тот факт, что эксплуатация прибора данного типа исключает наличие экологически вредных компонент в газовой среде излучателя (в отличие от люминесцентных ламп с ртутным наполнением).

Авторы выражают особую благодарность Д. В. Лопаеву за помощь в проведении экспериментов и полезные обсуждения полученных результатов.

Список литературы [1] Муратов Е.А., Рахимов А.Т., Суетин Н.В. // Патент РФ2155416. 2002. Патент US6005343. 1999.

[2] Бохан П.А., Сорокин А.Р. // ЖТФ. 1985. Т. 55. Вып. 1.

С. 88–95.

[3] Kovalev A.S., Mankelevich Yu.A., Muratov E.A. еt al. // J. Vac.

Sci. Tech. 1992. Vol. A 10(4). P. 1086–1091.

[4] Бутенин В.М. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов. М.: РФФИ, 1998. Гл. 9. С. 510–540.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.