RU123578U1

RU123578U1 - CATODOLUMINESCENT LAMP

Info

Publication number: RU123578U1
Application number: RU2012126203/07U
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Силкин
Original assignee: Евгений Михайлович Силкин
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2012-12-27

Abstract

Катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров с установленными эмиттером и анодом, источник переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода, отличающаяся тем, что источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения.Cathodoluminescent lamp containing a vacuum flask made of optically transparent material with layers of cathodoluminescent phosphor, photoluminescent phosphor or a mixture of phosphors deposited on the surface or on a part of the surface, or introduced into the volume or part of the volume by particles of a cathodoluminophor, a photoluminophor or a mixture of phosphors with an emitter and an anode installed , the output terminals of which are connected to the terminals of the emitter and the anode, characterized in that the AC voltage source is made in the form of a generator of packets of voltage pulses of direct and reverse polarity, forming the corresponding half-waves of the AC voltage.

Description

Полезная модель относится к светотехнике и может быть использована при проектировании новых энергоэффективных источников света, в том числе, предназначенных для прямой замены ламп накаливания и ртутных газоразрядных ламп. Полезная модель направлена на повышение световой эффективности (отношение светового потока к общей потребляемой мощности) катодолюминесцентной лампы.The utility model relates to lighting engineering and can be used in the design of new energy-efficient light sources, including those intended for direct replacement of incandescent and mercury discharge lamps. The utility model is aimed at increasing luminous efficiency (ratio of luminous flux to total power consumption) of a cathodoluminescent lamp.

Известна катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность слоем катодолюминофора, с установленными эмиттером и анодом, источник постоянного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (Охонская Е.В., Федоренко А.С. Расчет и конструирование люминесцентных ламп: Учеб. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1997. - 184 c. - C.85, 86).Known cathodoluminescent lamp containing a vacuum flask of optically transparent material with a layer of cathodoluminophore deposited on the surface, with an emitter and anode mounted, a constant voltage source, the output terminals of which are connected to the conclusions of the emitter and anode (Okhonskaya E.V., Fedorenko A.S. Calculation and design of fluorescent lamps: Textbook - Saransk: Publishing House of Mordov Universities, 1997. - 184 pp. - C.85, 86).

Недостатком катодолюминесцентной лампы является низкая световая эффективность, что обусловлено низкой эффективностью катодолюминесценции (низким квантовым выходом) и недостатками конструкции устройства с источником постоянного напряжения. Удаление накопленного заряда со слоя катодолюминофора осуществляется, в первую очередь, за счет вторичной эмиссии, что не позволяет использовать наиболее эффективные катодолюминофоры и обеспечивать достаточно высокую энергию электронов. А применение дополнительного проводящего покрытия на слое катодолюминофора приводит к росту потерь энергии оптического излучения и снижению суммарного светового потока лампы.The disadvantage of a cathodoluminescent lamp is low light efficiency, which is due to the low efficiency of cathodoluminescence (low quantum yield) and design flaws of a device with a constant voltage source. The removal of the accumulated charge from the cathodoluminophore layer is carried out, first of all, due to secondary emission, which does not allow the use of the most efficient cathodoluminophores and provides a sufficiently high electron energy. And the use of an additional conductive coating on the cathodoluminophore layer leads to an increase in the energy loss of optical radiation and a decrease in the total luminous flux of the lamp.

Известна катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность слоем катодолюминофора, с установленными эмиттером и анодом, источник постоянного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (А.с.1730686 РФ, МКИ HOI J 65/04. Катодолюминесцентная лампа / В.С.Дручек, Т.А.Дякив, Т.В.Лахоцкий и др. - Заявл. 15.08.83. - Опубл. 30.04.92. - Бюл. №16).Known cathodoluminescent lamp containing a vacuum flask of optically transparent material with a cathodoluminophore layer deposited on the surface, with an emitter and anode mounted, a constant voltage source, the output terminals of which are connected to the terminals of the emitter and anode (A.p. 1730686 RF, MKI HOI J 65 / 04. Cathode-luminescent lamp / V.S. Druchek, T.A. Dyakiv, T.V. Lakhotsky and others - Application 15.08.83. - Publ. 30.04.92. - Bull. No. 16).

Известна катодолюминесцентная лампа, содержащая вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенным на поверхность слоем катодолюминофора, с установленными эмиттером и анодом, источник постоянного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода (Федоренко А.С. Люминесцентные лампы. - Саранск: Изд-во СВМО, 2009. - 333 с. - С.115, 116).Known cathodoluminescent lamp containing a vacuum flask of optically transparent material with a layer of cathodoluminophore deposited on the surface, with an emitter and anode mounted, a constant voltage source, the output terminals of which are connected to the conclusions of the emitter and anode (A. Fedorenko A. Fluorescent lamps. - Saransk: Publishing: -with SVMO, 2009 .-- 333 p. - S.115, 116).

Указанная катодолюминесцентная лампа является наиболее близкой по технической сущности к полезной модели и выбрана в качестве прототипа.The specified cathodoluminescent lamp is the closest in technical essence to a utility model and is selected as a prototype.

Недостатком катодолюминесцентной лампы является низкая световая эффективность, что обусловлено низкой эффективностью катодолюминесценции (низким квантовым выходом) и недостатками конструкции устройства с источником постоянного напряжения. Удаление накопленного заряда со слоя катодолюминофора осуществляется, в первую очередь, за счет вторичной эмиссии, что не позволяет использовать наиболее эффективные катодолюминофоры и обеспечивать достаточно высокую энергию электронов. А применение дополнительного проводящего покрытия на слое катодолюминофора приводит к росту потерь энергии оптического излучения и снижению суммарного светового потока лампы. Повышение энергии электронов вызывает рост температуры катодолюминофора, приводящий к снижению его эффективности и «выгоранию» слоя.The disadvantage of a cathodoluminescent lamp is low light efficiency, which is due to the low efficiency of cathodoluminescence (low quantum yield) and design flaws of a device with a constant voltage source. The removal of the accumulated charge from the cathodoluminophore layer is carried out, first of all, due to secondary emission, which does not allow the use of the most efficient cathodoluminophores and provides a sufficiently high electron energy. And the use of an additional conductive coating on the cathodoluminophore layer leads to an increase in the energy loss of optical radiation and a decrease in the total luminous flux of the lamp. An increase in electron energy causes an increase in the temperature of the cathodoluminophore, leading to a decrease in its efficiency and “burnout” of the layer.

Полезная модель направлена на решение задачи повышения световой эффективности катодолюминесцентной лампы, что является целью полезной модели.The utility model is aimed at solving the problem of increasing the luminous efficiency of a cathodoluminescent lamp, which is the purpose of the utility model.

Указанная цель достигается тем, что катодолюминесцентная лампа содержит вакууммированную колбу из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, или введенным в обьем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером и анодом, источник переменного напряжения, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода, источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения.This goal is achieved by the fact that the cathodoluminescent lamp contains a vacuum flask of optically transparent material with layers of a cathodoluminophore, photoluminophore or a mixture of phosphors deposited on the surface or on a part of the surface, or particles of a cathodoluminophore, photoluminophore or a mixture of phosphors introduced into the volume or partially, with installed emitters and the anode, an AC voltage source, the output terminals of which are connected to the terminals of the emitter and the anode, the AC voltage source is made in the form for generators of voltage pulses packets forward and reverse polarity, forming the corresponding half-wave alternating voltage.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение световой эффективности катодолюминесцентной лампы, что обусловлено новыми принципами электропитания и люминесценции, устройства и новыми элементами в конструкции лампы, работой катодолюминофора с более высоким квантовым выходом, возможностью применения более эффективного катодолюминофора, применением слоя фотолюминофора, обеспечивающего преобразование ультрафиолетового излучения, возникающего при питании переменным напряжением, в дополнительное излучение в видимом диапазоне, отсутствием вероятности возникновения ионного пятна на слое катодолюминофора (аноде) и необходимости использования специальных проводящих покрытий, эффективным периодическим удалением накопленного заряда с поверхности катодолюминофора в процессе работы, снижением требований к предельному вакууммированию колбы, снижением температуры частей и люминофорных слоев. Световой поток катодолюминесцентной лампы возрастает в 4-5 раз при равной потребляемой мощности.A significant difference characterizing the utility model is an increase in the luminous efficiency of a cathodoluminescent lamp, which is due to new principles of power supply and luminescence, devices and new elements in the lamp design, the operation of a cathodoluminophore with a higher quantum yield, the possibility of using a more efficient cathodoluminophore, and the use of a photoluminophore layer that provides conversion ultraviolet radiation that occurs when powered by alternating voltage, in an additional radiation s in the visible range, the probability of a lack of ion spots on katodolyuminofora layer (anode) and the need for special conductive coatings effective periodic removal of accumulated charge from the surface katodolyuminofora during operation, reduced requirements for limiting vakuummirovaniya flask, lower temperature parts and phosphor layers. The luminous flux of the cathodoluminescent lamp increases by 4-5 times with equal power consumption.

Повышение световой эффективности катодолюминесцентной лампы является полученным техническим результатом, обусловленным новым принципом устройства, особенностями новой конструкции и новыми элементами лампы, то есть, отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемой катодолюминесцентной лампы являются существенными.The increase in luminous efficiency of a cathodoluminescent lamp is a technical result due to the new device principle, features of the new design and new lamp elements, that is, the hallmarks of the utility model. Thus, the distinguishing features of the claimed cathodoluminescent lamp are significant.

На рисунке приведена типовая конструкция катодолюминесцентной лампы.The figure shows a typical design of a cathodoluminescent lamp.

Катодолюминесцентная лампа содержит вакууммированную колбу 1 из оптически прозрачного материала с нанесенными на поверхность или на часть поверхности слоями катодолюминофора 2, фотолюминофора 3 или смеси люминофоров, или введенным в объем или в часть объема частицами катодолюминофора, фотолюминофора или смеси люминофоров, с установленными эмиттером 4 и анодом 5, источник переменного напряжения 6, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера и анода. Источник переменного напряжения выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения.The cathodoluminescent lamp contains an evacuated flask 1 of an optically transparent material with layers of the cathodoluminophore 2, photoluminophore 3 or a mixture of phosphors deposited on the surface or part of the surface, or particles of a cathodoluminophore, photoluminophore or mixture of phosphors introduced into the volume or part of the volume, with emitter 4 and the anode installed 5, an AC voltage source 6, the output terminals of which are connected to the terminals of the emitter and the anode. The AC voltage source is made in the form of a generator of packets of voltage pulses of direct and reverse polarity, forming the corresponding half-waves of alternating voltage.

Катодолюминесцентная лампа в установившемся режиме работает следующим образом. При подаче переменного напряжения от источника 6, выходные выводы которого подключены к выводам эмиттера 4 и анода 5, на положительном полупериоде (потенциал анода 5 выше потенциала эмиттера 4, выполняющего функцию катода) электроны с эмиттера 4 ускоряются электрическим полем и бомбардируют поверхность слоя катодолюминофора 2, вызывая его свечение в видимой области оптического спектра. Одновременно торможение электронов приводит к интенсивному излучению в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовое излучение воздействует на слой фотолюминофора 3 (или смеси люминофоров), вызывая его интенсивное свечение. В отрицательный полупериод выходного напряжения источника 6 (обратная полярность, потенциал анода 5 ниже потенциала эмиттера 4, выполняющего функцию катода) электроны, осевшие на поверхности слоя катодолюминофора 2, и электроны, возникшие за счет вторичной эмиссии ускоряются электрическим полем и переносятся на эмиттер. В результате торможения электронов генерируется излучение в ультрафиолетовой области. Ультрафиолетовое излучение воздействует на слой фотолюминофора 3 (или смеси люминофоров), вызывая его свечение, аналогично положительному полупериоду. Одновременно в отрицательный полупериод с поверхности катодолюминофора 2 удаляются осевшие в положительном полупериоде с эмиттера 4 ионы. Таким образом, исключается опасность возникновения на светящейся поверхности колбы 1 ионного пятна, снижающего прозрачность материала для оптического излучения и разрушающего вещество катодолюминофора 2.The cathodoluminescent lamp in steady state operates as follows. When applying alternating voltage from a source 6, the output terminals of which are connected to the terminals of the emitter 4 and the anode 5, at a positive half-cycle (the potential of the anode 5 is higher than the potential of the emitter 4 acting as a cathode), the electrons from the emitter 4 are accelerated by the electric field and bombard the surface of the cathodoluminophore layer 2, causing it to glow in the visible region of the optical spectrum. At the same time, electron deceleration leads to intense radiation in the ultraviolet region. Ultraviolet radiation acts on the layer of photoluminophore 3 (or a mixture of phosphors), causing its intense glow. In the negative half-cycle of the output voltage of source 6 (reverse polarity, the potential of the anode 5 is lower than the potential of the emitter 4, which performs the function of a cathode), the electrons deposited on the surface of the cathode phosphor layer 2 and the electrons resulting from the secondary emission are accelerated by the electric field and transferred to the emitter. As a result of electron deceleration, radiation is generated in the ultraviolet region. Ultraviolet radiation acts on the layer of photoluminophore 3 (or a mixture of phosphors), causing it to glow, similar to the positive half-cycle. At the same time, ions deposited in the positive half-cycle from the emitter 4 are removed from the surface of the cathode luminophore 2 in the negative half-period. Thus, the risk of the appearance on the luminous surface of the bulb 1 of an ion spot is eliminated, which reduces the transparency of the material for optical radiation and destroys the substance of the cathodoluminophore 2.

Эмиттер 4 может функционировать с использованием принципа термоэлектронной эмиссии (подогреваемый катод), фото- или автоэлектронной эмиссии. Принцип работы катодолюминесцентной лампы при этом не изменяется. Наиболее эффективна автоэлектронная эмиссия. Выходная частота источника переменного напряжения 6 и форма выходного напряжения выбираются из условий эффективности конструкции источника и обеспечения максимальной энергии ультрафиолетового излучения.The emitter 4 can operate using the principle of thermionic emission (heated cathode), photo- or field emission. The principle of operation of the cathodoluminescent lamp does not change. The most effective field emission. The output frequency of the AC voltage source 6 and the shape of the output voltage are selected from the conditions of the efficiency of the source design and the maximum energy of ultraviolet radiation.

Источник переменного напряжения 6, как отмечено выше, выполнен в виде генератора пакетов импульсов напряжения прямой и обратной полярности, образующих соответствующие полуволны переменного напряжения. Форма и амплитуда и длительность импульсов в пакетах может быть любой, в частности, прямоугольной. Изменение формы и длительности импульсов приводит к изменению эффективности катодолюминесцентной лампы. Импульсы положительной полярности (положительный полупериод) могут иметь большую амплитуду и длительность, чем импульсы положительной полярности. Число импульсов в пакетах также может быть разным. В том числе, пакет может состоять и из одного импульса в положительном и отрицательном полупериоде. Наибольшая эффективность обеспечивается при числе импульсов 50-70 для положительной (прямой) и 10-30 для отрицательной (обратной) полярности полуволн переменного напряжения питания.The source of alternating voltage 6, as noted above, is made in the form of a generator of packets of voltage pulses of forward and reverse polarity, forming the corresponding half-waves of alternating voltage. The shape and amplitude and duration of the pulses in the packets can be any, in particular, rectangular. Changing the shape and duration of the pulses leads to a change in the efficiency of the cathodoluminescent lamp. Pulses of positive polarity (positive half-cycle) can have a larger amplitude and duration than pulses of positive polarity. The number of pulses in packets can also be different. Including, the packet can consist of one pulse in the positive and negative half-cycle. The greatest efficiency is provided when the number of pulses is 50-70 for positive (direct) and 10-30 for negative (reverse) polarity of the half-waves of the alternating supply voltage.

В результате импульсного питания катодолюминесцентной лампы на каждом полупериоде переменного напряжения возможно значительно повысить энергию электронов не подвергая слои люминофоров перегреву и деградации.As a result of the pulsed power supply to the cathodoluminescent lamp at each half-cycle of alternating voltage, it is possible to significantly increase the electron energy without subjecting the phosphor layers to overheating and degradation.

По сравнению с прототипом существенно повышается световая эффективность катодолюминесцентной лампы. Это обеспечивается за счет работы заявляемой катодолюминесцентной лампы с новыми принципами электропитания на переменном токе с формированием пакетов импульсов напряжения питания на каждом полупериоде, устройства и новыми элементами в конструкции лампы, функционирования катодолюминофора с более высоким квантовым выходом, возможности применения более эффективного катодолюминофора, применения дополнительного слоя фотолюминофора, обеспечивающего преобразование ультрафиолетового излучения, возникающего при питании переменным (импульсным) напряжением, в дополнительное излучение в видимом диапазоне, отсутствия вероятности возникновения ионного пятна на слое катодолюминофора (аноде) и необходимости использования специальных проводящих покрытий, эффективного периодического удалением накопленного заряда с поверхности катодолюминофора в процессе работы, снижения требований к предельному вакууммированию колбы, снижения температуры нагрева частей лампы и слоев люминофоров. Источник переменного напряжения имеет меньшее число ступеней преобразования энергии, следовательно, он энергетически более экономичен и эффективен. В источнике электропитания новой лампы отсутствует высоковольтный выпрямитель. В результате, суммарный световой поток катодолюминесцентной лампы возрастает в 4-5 раз при равной мощности, потребляемой от сети (и, соответственно, повышается световая эффективность).Compared with the prototype, the luminous efficiency of a cathodoluminescent lamp is significantly increased. This is ensured by the operation of the inventive cathodoluminescent lamp with new principles of AC power supply with the formation of packets of voltage supply pulses at each half-cycle, the device and new elements in the lamp design, the functioning of the cathodoluminophore with a higher quantum output, the possibility of using a more efficient cathodoluminophore, the use of an additional layer photoluminophore, providing the conversion of ultraviolet radiation arising from the power supply of a variable (imp voltage), additional radiation in the visible range, the absence of the likelihood of an ion spot on the cathodoluminophore layer (anode) and the need for special conductive coatings, effective periodic removal of the accumulated charge from the surface of the cathodoluminophore during operation, reducing the requirements for the ultimate evacuation of the flask, lowering the temperature heating parts of the lamp and layers of phosphors. A source of alternating voltage has a smaller number of stages of energy conversion, therefore, it is energetically more economical and efficient. There is no high voltage rectifier in the power supply of the new lamp. As a result, the total luminous flux of the cathodoluminescent lamp increases by 4-5 times with equal power consumed from the network (and, accordingly, the light efficiency increases).

Дополнительно, по сравнению с прототипом, за счет применения заявляемого принципа, упрощается конструкция катодолюминесцентной лампы, может быть оптимизирована технология ее изготовления и снижена цена. Анод катодолюминесцентной лампы может быть размещен как на внутренней, так и на внешней стороне вакууммированной колбы, что невозможно реализовать в известных конструкциях ламп аналогов и прототипа. Последнее предоставляет возможности по существенному упрощению технологии производства заявляемой катодолюминесцентной лампы.Additionally, in comparison with the prototype, due to the application of the claimed principle, the design of the cathodoluminescent lamp is simplified, its manufacturing technology can be optimized and the price reduced. The anode of the cathodoluminescent lamp can be placed both on the inner and on the outer side of the evacuated bulb, which is impossible to implement in the known lamp designs of analogues and prototype. The latter provides opportunities to significantly simplify the production technology of the inventive cathodoluminescent lamp.

За счет возможного снижения рабочей температуры, степени загрязнения поверхности и деградации люминофорных слоев (частиц люминофора или смеси люминофоров) в процессе длительной эксплуатации не только повышается предельная световая эффективность лампы, но и снижается временной спад светового потока (при длительной эксплуатации устройства), что является дополнительным преимуществом новой катодолюминесцентной лампы, по сравнению с прототипом.Due to the possible reduction of the operating temperature, the degree of surface contamination and the degradation of the phosphor layers (phosphor particles or a mixture of phosphors) during continuous operation, not only increases the maximum luminous efficiency of the lamp, but also reduces the temporary decay of the light flux (during prolonged use of the device), which is additional advantage of the new cathodoluminescent lamp, compared with the prototype.

По сравнению с прототипом значительно увеличивается срок службы новой катодолюминесцентной лампы. Это достигается за счет увеличения срока службы эмиттера, люминофорных слоев и материала вакууммированной колбы. Срок службы новой катодолюминесцентной лампы может составлять более 20 тыс. часов. При этом спад светового потока в течение срока службы не превышает 8%.Compared with the prototype, the service life of the new cathodoluminescent lamp is significantly increased. This is achieved by increasing the service life of the emitter, the phosphor layers and the material of the evacuated flask. The service life of a new cathodoluminescent lamp can be more than 20 thousand hours. In this case, the decrease in luminous flux during the service life does not exceed 8%.

По сравнению с прототипом, дополнительно, может быть снижен вес устройства за счет улучшения конструкции частей и исключения выходного высоковольтного выпрямителя из структуры источника питания переменного тока катодолюминесцентной лампы. Лампа может также иметь меньший объем и, следовательно, вес из-за уменьшения потерь энергии на нагрев частей и слоев люминофора.Compared with the prototype, in addition, the weight of the device can be reduced by improving the design of the parts and eliminating the output high-voltage rectifier from the structure of the AC power source of a cathode fluorescent lamp. The lamp may also have a smaller volume and, consequently, weight due to the reduction of energy losses due to heating of the parts and layers of the phosphor.

По сравнению с прототипом расширяется область применения новой катодолюминесцентной лампы за счет снижения весогабаритных показателей и повышения надежности работы, а также увеличения предельного срока эксплуатации и возможности применения более дешевых и качественных люминофоров.Compared with the prototype, the scope of application of the new cathodoluminescent lamp is expanding due to a decrease in weight and size indicators and increased reliability, as well as an increase in the maximum service life and the possibility of using cheaper and better phosphors.

Claims

A cathodoluminescent lamp containing a vacuum flask made of an optically transparent material with layers of a cathodoluminophore, photoluminophore or a mixture of phosphors deposited on the surface or on a part of the surface, or particles of a cathodoluminophore, photoluminophore or a mixture of phosphors with an emitter and anode installed, an alternating voltage source the output terminals of which are connected to the terminals of the emitter and the anode, characterized in that the AC voltage source is made in the form of a generator aets of voltage pulses of direct and reverse polarity, forming the corresponding half-waves of alternating voltage.