DE69611257T2

DE69611257T2 - Entladungsvorrichtung mit einer Kathode mit einem Array von Mikro-Höhlungen

Info

Publication number: DE69611257T2
Application number: DE69611257T
Authority: DE
Inventors: Wojciech W. Byszewski; Amin N. Dharamsi; Frank E. Peterkin; Karl H. Schoenback
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1996-03-01
Publication date: 2001-04-26
Anticipated expiration: 2016-03-02
Also published as: EP0732719B1; CA2171649A1; US6072273A; EP1020887A2; EP1020887A3; DE69611257D1; US6518692B2; US5686789A; US6346770B1; US5939829A; US20020036461A1; EP0732719A1; JPH08339779A; CA2171649C

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Das allgemeine Konzept eines Entladungselements, das eine hohle Kathode bzw. eine Hohlkathode für eine gesteigerte Stromkapazität verwendet, ist im Stand der Technik offenbart. Eine Glimmentladung mit hohler Kathode unter Verwendung einer einzelnen nahezu sphärischen hohlen Kathode wird von A. D. White in Journal of Applied Physics. Band 30, Nr. 1, Mai 1959, S. 711-719 beschrieben. Der Autor berichtet über eine stabile Entlandung und eine vernachlässigbare Verschlechterung durch Zerstäubung. Die grundlegenden, zur Wirkung der hohlen Kathode beitragenden Mechanismen werden beschrieben in G. Schaefer et al., in Physics and Applications of Pseudosparks, editiert von M. A. Gundersen und G. Schaefer, Plenum Press, New York, 1990, S. 55-76. Messungen der zeitlichen Entwicklung von Hohlkathodenentladungen werden beschrieben von M. T. Ngo et al., in IEEE Transactions on Plasma Science. Band 18, Nr. 3, Juni 1990, S. 669-676.
Im Stand der Technik sind diverse Hohlkathodenstrukturen für Fluoreszenzlampen offenbart. Eine direkt beheizte Hohlkathode mit einer inneren Beschichtung eines emissionsfähigen Materials ist im US-Patent Nr. 4,523,125 von Andersen, erteilt am 11. Juni 1985, offenbart. Eine abgeschirmte Hohlkathode für Fluoreszenzlampen ist im US- Patent 4,461,970 von Andersen, erteilt am 24. Juli 1984, offenbart. Eine Hohlelektrode mit einer inneren Beschichtung eines emissionsfähigen Materials, das in der Dicke variiert, ist im US-Patent Nr. 2,847,605 von Byer, erteilt am 12. August 1958, offenbart. Eine kurze Bogenfluoreszenzlampe mit einer Hohlkathodenanordnung ist in US-Patent Nr. 4,093,893 von Anderson, erteilt am 6. Juni 1978, offenbart. Tiegelförmige Elektronen mit emittierendem Material zur Anwendung in einer Kaltkathodenfluoreszenzlampe sind im US-Patent Nr. 3,906,271 von Aptt, Jr. erteilt am 16. September 1975, und im US-Patent Nr. 3,969,279 von Kern, am 13. Juli 1976 erteilt, offenbart. Eine Fluoreszenzlampe, wobei ein Glühdraht innerhalb einer zylindrischen Abschirmung angeordnet ist, ist im US- Patent Nr. 2,549,355 von Winninghoff, erteilt am 17. April 1951, offenbart. Weitere Hohlkathodenentladungsgeräte sind in den US-Patenten Nr. 1,842,215 von Thomas, erteilt am 19. Januar 1932; im US-Patent Nr. 3,515,932 von King, erteilt am 2. Juni 1970; im US-Patent Nr. 4,795,942 von Yamasaki, erteilt am 3. Januar 1989, im US-Patent Nr. 3,390,297 von Vollmer, erteilt am 25. Juni 1968; und im US-Patent Nr. 3,383,541 von Ferreira, erteilt am 14. Mai 1968, offenbart.
Eine elektrische Entladungselektrode mit mehreren Röhren, die mit einem elektronenemittierenden Material gefüllt sind und in einer Metallmatrix eingebettet sind, ist im US- Patent Nr. 4,553,063 von Geibig et al., erteilt am 12. November 1985, offenbart.
Um unterschiedliche Anforderungen des Marktes zu erfüllen, wurden diverse Arten von Fluoreszenzlampen entwickelt. Zusätzlich zu herkömmlichen Röhrenfluoreszenzlampen für Büros und kommerzielle Anwendungen wurden kompakte Fluoreszenzlampen als Ersatz für Glühlampen entwickelt. Subminiaturisierte Fluoreszenzlampen finden in Anzeigen und allgemein für Beleuchtungen bei eingeschränktem Platzverhältnissen Anwendung.
Verschiedene Fluoreszenzlampen können unter sehr unterschiedlichen Entladungsbedingungen arbeiten. Die geringe Größe von subminiaturisierten Fluoreszenzlampen lässt keinen Heißkathodenbetrieb zu, wodurch effiziente Kaltkathodenstrahler notwendig sind. Der Puffergasdruck in subminiaturisierten Fluoreszenzlampen liegt oft in der Größenordnung von 100 Torr, um die Elektronenverluste an der Lampenwand zu begrenzen. Im Gegensatz dazu verwenden herkömmliche Fluoreszenzlampen typischerweise einen Druck in der Größenordnung von 0,5-2,0 Torr. Das Umweltbewusstsein hat die Untersuchung von anderen Lampenfüllmaterialien als Quecksilber notwendig gemacht. In quecksilberfreien Fluoreszenzlampen wird die Strahlung oft durch Excimere von inerten Gasen wie etwa Neon, Argon und Xenon erzeugt. Um Excimere zu bilden, wird ein Gasdruck von ungefähr 100 Torr benötigt. In subminiaturisierten Fluoreszenzlampen, die Kaltkathoden verwenden, kann die Betriebslebensdauer durch Zerstäubung begrenzt sein. Ferner können Strombeschränkungen die Lichtausbeute einschränken. Diese Tendenzen gaben Anlass zu verbesserten Kathodenanordnungen.
Die Hohlkathodenanordnungen, die im Stand der Technik offenbart sind, sind nicht für die Anwendung in subminiaturisierten Fluoreszenzlampen aufgrund ihrer relativ großen Größe und aufgrund des in subminiaturisierten Fluoreszenzlampen verwendeten relativ hohen Druckes geeignet.
Hohlkathoden wurden im Zusammenhang mit anderen Anwendungen, etwa als Anregungsquellen für Gaslaser, als Ionenquellen, als Plasmaströme, als Elektronenstrahlen und Plasmaschalter studiert. In jedem Fall wurde eine Kathode mit einer einzelnen relativ großen Öffnung oder einem Hohlraum bei niedrigem (unterhalb 1 Torr) Druck untersucht.
Eine Lichtquelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der US 3662214 bekannt. Gemäß diesem Dokument werden Mikrohohlräume in einem dielektrischen Element versiegelt.
Ferner offenbart EP 0210858 A2 eine Abscheidevorrichtung mit reaktivem Ionenätzen, das eine Kathode in der Form einer einzelnen Platte mit einer Matrix zylindrischer Hohlräume darin aufweist, wobei jeder Hohlraum ein Hohlkathodenglimmen erzeugt, wenn die Vorrichtung in Betrieb gesetzt wird.
Angesichts des zuvor gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtquelle bereitzustellen, die eine verbesserte Emissionseffizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Lichtquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Aufgrund der dielektrischen Schicht auf der Kathode kann eine Glimmentladung zwischen einer Kathode und einer Anode in den hohlen Bereichen der Kathode beendet werden anstatt auf deren Oberfläche. Diese Maßnahme liefert eine höhere Emissionseffizienz.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Jeder der Mikrohohlräume weist vorzugshalber eine Querschnittsdimension auf, die in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge von Elektronen in dem Gas liegt. Unter diesen Bedingungen vollführen die Elektronen innerhalb der Mikrohohlräume eine Schwingungsbewegung und erzeugen wesentlich höhere Ströme als eine ebene Kathode. Die Mikrohohlraumentladungen laufen unabhängig voneinander ab.
Der vorgeschriebene Druck für das Betreiben der Lichtquelle liegt vorzugsweise im Bereich von ungefähr 0,1 Torr bis zu Atmosphärendruck. Die Lichtquelle kann eine Entladungskammer zum Beibehalten des vorgeschriebenen Drucks umfassen. Wenn die Lichtquelle bei oder in der Nähe von Atmosphärendruck in Luft betrieben wird, ist die Entladungskammer nicht notwendig.
Die Lichtquelle umfasst eine dielektrische Schicht zwischen der Kathode und der Anode. Die dielektrische Schicht ist auf einer Oberfläche der Kathode angeordnet und ist mit Öffnungen versehen, die zu den Mikrohohlräumen ausgerichtet sind. Die dielektrische Schicht wird vorzugsweise verwendet, wenn der Abstand zwischen der Kathode und der Anode größer als ungefähr die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Gas ist. Die dielektrische Schicht gewährleistet, dass eine Glimmentladung zwischen der Kathode und der Anode in den Mikrohohlräumen endet.
Die Lampe umfasst vorzugsweise eine Phosphorbeschichtung an der inneren Oberfläche der lichtdurchlässigen Röhre. Die Phosphorbeschichtung emittiert Strahlung mit einem vorgeschriebenen Spektrum in Reaktion auf die durch die Entladung zwischen den ersten und zweiten Elektroden erzeugte Strahlung. Jeder der Mikrohohlräume weist vorzugshalber eine Querschnittsdimension auf, die in der Größenordnung der mittleren freien Weglange der Elektronen in dem Gas liegt. Die Lichtquelle kann weiterhin eine elektrische Einrichtung zum Einkoppeln elektrischer Energie zur Kathode und zur Anode mit einer Spannung und einem Strom zum Erzeugen von Mikrohohlraumentladungen in jedem Mikrohohlraum in der Kathode umfassen. Die Lichtquelle ist vorzugsweise als eine dünne flache Lichtquelle ausgestaltet.
Die Lichtquelle kann als eine flache Fluoreszenzlichtquelle mit einer Phosphorbeschichtung auf einem lichtdurchlässigen Bereich der Entladungskammer ausgebildet sein. Die Phosphorbeschichtung emittiert Strahlung mit einem vorgeschriebenen Spektrum in Reaktion auf die innerhalb der Mikrohohlräume erzeugten Strahlung.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Kathode der flachen Lichtquelle ein Drahtgitter mit voneinander beabstandeten Leitern, die die Mikrohohlräume definieren. Alternativ kann die Kathode ein leitfähiges Muster aufweisen, das auf einem lichtdurchlässigen Substrat ausgebildet ist, wobei das leitfähige Muster ein Gitter und beabstandete Leitungen umfasst.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung wird auf die begleitenden Zeichnungen hingewiesen; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Entladungsgeräts entsprechend einem Beispiel zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 einen Graphen des Stroms als eine Funktion der Spannung für die Entladungsvorrichtung, wodurch der starke Glimmmodus und der schwache Glimmmodus dargestellt wird;
Fig. 3 einen Experimentieraufbau zum Untersuchen der Entladungsvorrichtung;
Fig. 4 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit einem einzelnen Loch und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 2,5 cm;
Fig. 5 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit einem einzelnen Loch und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 5 cm;
Fig. 6 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit vier Löchern und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 2,5 cm;
Fig. 7 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit vier Löchern und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 5 cm;
Fig. 8 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit acht Löchern und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 2,5 cm;
Fig. 9 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit acht/Löchern und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 5 cm;
Fig. 10A einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit drei Löchern und einem Anoden-Kathoden-Abstand von 0,2 mm für Drücke im Bereich von 1,5 Torr bis 6 Torr und für den Schwachstromglimmmodus;
Fig. 10B einen Graphen des Stromes als eine Funktion des Druckes für den Schwachstrom-Glimmmodus bei 320 V für Dreilochentladungen und Einlochentladungen;
Fig. 11 einen Graphen der Spannung als eine Funktion des Stromes für eine Kathode mit vier Löchern bei einem Druck von 2 Torr, wobei ein Übergang zum Hochstrommodus gezeigt ist;
Fig. 12 eine vereinfachte schematische Ansicht einer subminiaturisierten Fluoreszenzlampe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 eine axiale Ansicht der Kathode in der subminiaturisierten Fluoreszenzlampe aus Fig. 12;
Fig. 14 eine schematische Querschnittsansicht eines Gaslasern unter Verwendung einer Entladungsvorrichtung zum optischen Pumpen für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 eine axiale Ansicht eines Arrays von Mikrohohlräumen;
Fig. 16 eine Teilquerschnittsansicht einer Entladungsvorrichtung, die als eine Excimerlichtquelle gemäß einem Beispiel zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 17 eine Teilquerschnittsansicht einer flachen Fluoreszenzlichtquelle gemäß einem Beispiel zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung;
Fig. 18 eine teilweise Darstellung der Maschenkathode aus Fig. 17; und
Fig. 19 eine Teilquerschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der flachen Fluoreszenzlichtquelle.

Detaillierte Beschreibung

In Fig. 1 ist schematisch eine Entladungsvorrichtung dargestellt. Die Entladungsvorrichtung umfasst eine Kathode 10 und eine Anode 12, die innerhalb einer Entladungskammer 14 angebracht sind. Die Entladungskammer 14 ist typischerweise gasdicht abgeschlossen und enthält ein Gas mit einem vorgeschriebenen Druck P. Der Druck P liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr 0,1 Torr bis zum Atmosphärendruck. In einigen Fällen kann die Entladungskammer 14 eine Öffnung aufweisen, um einen Gasfluss oder den Durchgang eines geladenen Partikelstrahls, wie dies im folgenden beschrieben wird, zuzulassen. Im Allgemeinen hält die Entladungskammer 14 den Druck P zwischen der Anode 10 und der Kathode 12 innerhalb eines gewünschten Bereichs aufrecht. Wenn die Entladungsvorrichtung bei Atmosphärendruck in Luft betrieben wird, kann die Entladungskammer weggelassen werden. Eine Stromversorgung 18, die mit der Kathode 10 und der Anode 12 verbunden ist, liefert die elektrische Energie zu der Entladungsvorrichtung.
Die Kathode 10 umfasst ein elektrisch leitendes Material mit einem oder mehreren Löchern, die im Weiteren als Mikrohohlräume 20 bezeichnet werden. Vorzugsweise umfasst die Kathode 10 mehrere Mikrohohlräume 20 für eine vergrößerte Stromkapazität. Die Mikrohohlräume 20 sind in einer Oberfläche 22 der Kathode 10 ausgebildet, die flach oder gekrümmt sein kann und die der Anode 12 gegenüberliegt. Jeder Mikrohohlraum 20 besitzt einen Durchmesser D und erstreckt sich von der Oberfläche 22 in die Kathode 10. Wie unten beschrieben ist, wird der Durchmesser D jeder der Mikrohohlräume 20 so gewählt, um eine Mikrohohlraumentladung bei dem vorgeschriebenen Betriebsdruck innerhalb der Entladungskammer 14 zu unterstützen. Der Durchmesser D ist als der Durchmesser eines Querschnitts des Mikrohohlraums in einer Ebene parallel zur Oberfläche 22 und senkrecht zu einer Längsachse 24 des Mikrohohlraums 20 definiert. In manchen Fällen muss der Querschnitt des Mikrohohlraums nicht rund sein. Zum einfacheren Verständnis wird hierin aber vom Durchmesser D des Mikrohohlraums gesprochen. Wenn der Querschnitt nicht rund ist, ist es klar, dass die Querschnittsdimension in der unten beschriebenen Art und Weise gewählt wird, um eine Mikrohohlraumentladung zu unterstützen. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, können die Mikrohohlräume 20 an einem Ende geschlossen sein. Gemäß dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung können die Mikrohohlräume auch an beiden Enden offen sein.
Die Form der Mikrohohlräume ist nicht kritisch. Die Mikrohohlräume können beispielsweise durch Bohren gebildet werden, wodurch, zumindest anfänglich, eine im allgemeinen zylindrische Form definiert wird. Die Mikrohohlräume haben vorzugsweise in einer Ebene parallel zur Oberfläche 22 der Kathode 10 einen kreisförmigen Querschnitt.
Alternativ kann der Querschnitt des Mikrohohlraums oval, quadratisch, rechteckig oder schlitzförmig sein. Es hat sich gezeigt, dass sich die anfänglich zylindrische Form des Mikrohohlraums von selbst in eine sphärische Form durch Zerstäubung und Ablagerung umwandelt. Wenn der Mikrohohlraum entlang der Mikrohohlraumachse 24 keinen gleichmäßigen Durchmesser aufweist, wird der Durchmesser D an der Oberfläche 22 definiert. Die Lebensdauer der Mikrohohlraumkathode wird aufgrund einer geringen Hohlraumerosion aufgrund des Ausgleichs von Zerstäuben und Wiederabscheiden innerhalb des Mikrohohlraums als hoch eingeschätzt.
Der Durchmesser D des Mikrohohlraums 20 wird ausgewählt, um eine Mikrohohlraumentladung innerhalb jedes Mikrohohlraums 20 zu unterstützen. Genauer gesagt, der Durchmesser D wird so gewählt, dass das Kathodenfall- bzw. beschleunigungsgebiet, das sich von der inneren Wand des Mikrohohlraums erstreckt, in der Größenordnung des Lochradius liegt. Das Kathodenabfallgebiet ist als ein Gebiet erhöhten elektrischen Feldes in der Nähe der Kathodenoberfläche definiert. Die Intensität und Verteilung des elektrischen Feldes ist derart, dass die zur Kathode hin beschleunigten Ionen genügend Energie erhalten, um für eine Emission von Sekundärelektronen aus der Kathode zu sorgen, die für eine selbsterhaltende Glimmentladung notwendig sind. Die von der Kathodenoberfläche innerhalb des Mikrohohlraums emittierten Elektronen werden im Kathodenfallgebiet in Richtung der Mikrohohlraumachse 24 beschleunigt. Diese Elektronen kreuzen die Achse und treten in das Kathodenfallgebiet auf der gegenüberliegenden Seite der Achse ein, wo sie reflektiert und wieder quer zur Achse beschleunigt werden. Die oszillatorische Bewegung der sogenannten "Pendel"-Elektronen erlaubt es ihnen, den Großteil der im Kathodenabfallgebiet gewonnenen Energie durch Anregungs- und Ionisierungskollisionen innerhalb des Mikrohohlraums vor dem Driften zur Anode abzugeben. Die hohe Ionisationsrate in einem relativ kleinen Volumen bewirkt eine hohe Plasmadichte an der Entladungsachse innerhalb der Mikrohohlräume 20 und bewirkt daher einen hohen Strom. Eine "Mikrohohlraumentladung" tritt auf, wenn die Elektronen eine oszillatorische Bewegung innerhalb der Mikrohohlräume ausführen. Der hierin verwendete Begriff "Mikrohohlraum" bezeichnet ein Kathodenloch mit einem Querschnittsdurchmesser D in einer Ebene parallel zur Kathodenoberfläche. Der Lochdurchmesser D mal dem Druck P in der Entladungskammer muss im Bereich von 0,1 Torr-cm bis 10 Torr-cm, abhängig von der Gasart, dem Elektrodenmaterial und dem gewünschten Betriebsmodus (Stark- oder Schwachglimmmodus) liegen. In der Entladungsvorrichtung aus Fig. 1 lässt sich feststellen, dass der Strom mehrere Größenordnungen größer ist als der Strom für eine ebene Kathode und die Spannung geringer ist.
Die Bedingungen für eine Mikrohohlraumentladung in der oben beschriebenen Art sind erfüllt, wenn der Lochdurchmesser D in der Größenordnung der mittleren freien Weglange der Elektronen in dem Gas ist. Die mittlere freie Weglänge hängt von der Art des Gases und dem Gasdruck in der Entladungskammer 14 ab und ist näherungsweise gleich zu der Dimension des Kathodenfallgebiets. Optimale Mikrohohlraumentladungsbedingungen werden erhalten, wenn der Durchmesser D der Mikrohohlräume ungefähr zweimal die mittlere freie Weglange der Elektronen in dem Gas in der Entladungskammer beträgt. Es ist jedoch selbstverständlich, dass andere Werte des Durchmessers D innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung verwendet werden können. Vorzugsweise liegt der Durchmesser D in einem Bereich von ungefähr 0,1 bis 10 mal der mittleren freien Weglange der Elektronen in den Gas; der Durchmesser D ist allerdings nicht auf diesen Bereich eingeschränkt.
Die Entladungsparameter ändern sich mit dem Produkt des Drucks P und des Lochdurchmessers D. Der Bereich für P·D, für den die Mikrohohlraumentladung für Edelgase stabil ist, wurde in der Ordnung von 0,1 bis 10 Torr-cm ermittelt.
Es wird angenommen, dass der Hauptanteil des Mikrohohlraumentladungsstroms in einem Gebiet der Mikrohohlraumwand erzeugt wird, die sich von der Oberfläche 22 der Kathode 10 zu einer Tiefe von ungefähr dreimal dem Durchmesser D des Mikrohohlraums erstreckt. Es wird daher nur wenig zusätzlicher Strom erhalten, wenn die Tiefe L des Mikrohohlraums größer als ungefähr dreimal dem Durchmesser D ist. Es findet jedoch eine Mikrohohlraumentladung selbst dann statt, wenn die Tiefe L des Mikrohohlraums kleiner als der Durchmesser D ist, wobei der Entladungsstrom verringert ist.
Die Anzahl der Mikrohohlräume 20 wird so gewählt, um einen gewünschten Gesamtstrom bei der Betriebsspannung zu erzeugen. Es wurde herausgefunden, dass die Mikrohohlräume 20 dicht gepackt angeordnet werden können, ohne die unabhängige Betriebsweise der Entladungen nachteilig zu beeinflussen.
In Fig. 1 ist ebenfalls eine dielektrische Schicht 30 an der Oberfläche 22 der Kathode 10 dargestellt. Die dielektrische Schicht 30 wird insbesondere benötigt, wenn der Abstand S zwischen Kathode 10 und der Anode 12 größer als ungefähr dreimal die freie Weglänge der Elektronen in dem Gas ist. Wenn der Abstand S diesen Wert überschreitet und die dielektrische Schicht 30 nicht verwendet wird, kann die Glimmentladung zwischen der Kathode 10 und der Anode 12 anstatt in den Mikrohohlräumen 20 an der Oberfläche 22 der Kathode 10 enden. Vorzugsweise bedeckt die dielektrische Schicht 30 die Oberfläche 22 und umgibt die Mikrohohlräume 20. Die dielektrische Schicht 30 kann beispielsweise eine an der Oberfläche 22 befestigte Glimmerschicht sein, oder kann auf der Oberfläche unter Anwendung bekannter Abscheidetechniken aufgebracht werden. Wenn der Abstand S kleiner als ungefähr die mittlere freie Weglange der Elektronen in dem Gas ist, kann die dielektrische Schicht 30 weggelassen werden.
Die Anode 12 kann jede gewünschte Konfiguration aufweisen, die es ermöglicht, ein elektrisches Feld in der Nähe der Kathode 10 zu erzeugen. Vorzugsweise wird die Anode 12 eben ausgeführt und besitzt eine Fläche, die näherungsweise der Fläche der Kathode 10 entspricht, so dass der Abstand S zwischen der Kathode 10 und der Anode 12 über die Fläche der Oberfläche 22 näherungsweise gleichförmig ist. Die ebene Anode kann optional zu den Mikrohohlräumen ausgerichtete Löcher aufweisen, um einen Ausbreitungsweg für durch die Entladung erzeugte Strahlung, einen Gasfluss durch die Mikrohohlräume oder einen Elektronen- oder Ionenstrahl bereitzustellen.
Wenn die Stromversorgung 18 eine Wechselspannung zu der Entladungsvorrichtung liefert, kann die Anode 12 mit Mikrohohlräumen in der gleichen Weise wie die Kathode 10 ausgestattet sein. In der Wechselstromanordnung wird zur Vermeidung von Verwirrung die Kathode 10 als "Elektrode 10" und die Anode 12 als "Elektrode 12" bezeichnet. Die Elektrode 10 wirkt während jener Halbzyklen der Wechselspannung als Kathode, in denen die Elektrode 12 bezüglich zur Elektrode 10 positiv ist, und die Elektrode 12 wirkt während jener Halbzyklen der Wechselspannung als Kathode, in denen die Elektrode 10 gegenüber der Elektrode 12 positiv ist. Durch Ausbilden von Mikrohohlräumen in den Elektroden 10 und 12 wie oben beschrieben wurde, werden Mikrohohlraumentladungen in beiden Halbzyklen der Wechselspannung erhalten.
Das Gas in der Entladungskammer 14 kann beispielsweise ein inertes Gas wie etwa Argon, Neon oder Xenon sein. Es kann jedoch jedes beliebige gewünschte Gas einschließlich von Gasmischungen verwendet werden. Wie zuvor angemerkt wurde, liegt der Druck innerhalb der Entladungskammer 14 vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 0,1 Torr bis zum Atmosphärendruck. Eine Reihe von Anwendungen verwenden Drücke im Bereich von ungefähr 0,1 Torr bis 200 Torr.
Die Kathode 10 kann aus einem gewünschten leitenden Material hergestellt sein. Es werden jedoch Materialien bevorzugt, die eine hohe Rate an Sekundärelektronen bei Ionenbeschuss aufweisen. Zu geeigneten Materialien dieser Art gehören Wolfram, Bariumoxid, das in Wolfram eingebettet ist, thoriumlegiertes Wofram, Molybdän und mit Sauerstoff beschichtetes Aluminium. Materialien einschließlich von Materialmischungen, die durch eine geringe Elektronenaustrittsarbeit gekennzeichnet sind, sind als Kathodenmaterialien geeignet. Für den Fachmann auf diesem Gebiet sind andere geeignete Materialien, die diese Anforderungen erfüllen, wohl bekannt. In einer alternativen Ausführung sind die Innenflächen der Mikrohohlräume 20 mit Materialien beschichtet, die eine hohe Elektronenemissionsfähigkeit aufweisen, und der Rest der Kathode 10 ist aus einem beliebigen gewünschten leitenden Material hergestellt.
Die Entladungskammer 14 kann jede gewünschte Größe und Form aufweisen. Typischerweise ist die Entladungskammer gasdicht verschlossen, um den Druck P im Entladungsgebiet aufrechtzuerhalten. Die Kammer 14 kann, zumindest teilweise, aus einem Material hergestellt sein, das die durch die Entladung erzeugte Strahlung durchlässt. Somit kann beispielsweise die Entladungskammer 14 aus einem lichtdurchlässigen Material, etwa Glas oder Quarz hergestellt sein oder kann ein strahlungsdurchlässiges Fenster aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die Entladungskammer 14 so gestaltet sein, dass Gas mit einem Druck P durch das Entladungsgebiet strömt.
Die Stromversorgung 18 kann eine Gleichspannung, eine gepulste Spannung oder eine Wechselspannung an die Entladungsvorrichtung liefern. Bei einer Wechselspannung tritt lediglich bei einem Halbzyklus, wenn die Anode 12 bezüglich der Kathode 10 positiv ist, eine Mikrohohlraumentladung auf, wenn nicht beide Elektroden eine Mikrohohlraumanordnung, wie dies zuvor beschrieben wurde, aufweisen. Die benötigte Spannung liegt typischerweise in einem Bereich von ungefähr 300 bis 600 V. Die Mikrohohlraumentladungen weisen eine positive Spannung-Strom-(V-1)-Charakteristik über einen großen Bereich an Strömen und Spannungen auf, wodurch der Betrieb der Mikrohohlräume parallel ohne Ausgleichswiderstande möglich ist. Die Mikrohohlraumentladung wurde bis Strömen zu 200 bis 500 mA pro Mikrohohlraum beobachtet.
Es wurde festgestellt, dass die Mikrohohlraumentladungen zwei Glimmmodi bzw. Betriebsweisen aufweisen, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In einem schwachen Glimmmodus 36 bei relativ kleinen Spannungs- und Strompegeln ist die Plasmasäule an der Achse des Mikrohohlraums angesiedelt und erscheint als ein leichtes Glimmen in dem Mikrohohlraum. In einem starken Glimmmodus 38 füllt die Plasmasäule nahezu den gesamten Mikrohohlraum und erscheint als eine sehr helle Entladung im Mikrohohlraum. Der starke Glimmmodus tritt bei höheren Strom- und Spannungspegeln auf. Die Entladung schlägt abrupt vom schwachen Glimmmodus zum starken Glimmmodus um, wenn die Spannung erhöht wird. In beiden Moden sind die Entladungen stabil und beeinflussen sich nicht gegenseitig. Spektrale Messungen im Starkglimmmodus zeigen die Anwesenheit von Spektrallinien von dem Kathodenmaterial, wodurch nahegelegt wird, dass ein verstärktes Zerstäuben des Kathodenmaterials im Starkglimmmodus auftritt.
Neben den Gasionen tragen die Metallionen des zerstäubten Elektronenmaterials zum Stromfluss und zur Sekundärelektronenerzeugung an der Kathode bei.
Die Stark- und Schwachglimmmoden beziehen sich auf die Entladungen in den Mikrohohlräumen 20. Wenn die Kathode 10 und die Anode 12 einen Abstand S aufweisen, der größer als ungefähr die mittlere freie Weglänge der Elektronen in dem Gas ist, tritt eine Glimmentladung im Gebiet außerhalb der Mikrohohlräume 20 zwischen der Kathode 10 und der Anode 12 auf. Es wurde eine Versuchsreihe durchgeführt, um die Mikrohohlraum-Kathodenentladung in einer Argon-Quecksilber-Umgebung mit einem einzelnen und mehreren Kathodenlöchern zu untersuchen. Eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus ist in Fig. 3 gezeigt. Eine Testkammer war durch eine Glasröhre 100 mit einer Länge von 23 cm und einem Durchmesser von 4 cm definiert. Die Enden der Glasröhre 100 waren durch rostfreie Stahlblöcke 102 und 104 gasdicht verschlossen. Eine Kathode 110 und eine Anode 112, die innerhalb der Kammer angeordnet waren, konnten in ihrem Abstand zwischen 0,1 cm und 15 cm variiert werden. Es wurden Molybdänkathoden mit 1,4 und 8 Löchern mit 0,7 mm Durchmesser und 2,1 mm Tiefe verwendet. Es wurde ein Cober-Modell 605P Hochleistungspulsgenerator 116 verwendet, um einen 360 us Puls bei 30 Hz an die Kathode 110 zu liefern. Die Spannung über der Entladung wurde unter Verwendung einer Tektronix P-6015 100CX Hochspannungssonde gemessen und der Strom durch die Last wurde unter Verwendung einer Tektronix AM503 Stromsonde gemessen.
Es wurden unterschiedliche Gasdrücke, unterschiedliche Kaltpunkttemperaturen (Quecksilberdruck), unterschiedliche Elektrodenabstände und unterschiedliche Anzahl an Mikrohohlräumen untersucht. Fig. 4 zeigt die Spannungs-Strom-(V-1)-Charakteristiken einer Kathode mit einem einzelnen Mikrohohlraum mit einem Elektrodenabstand von 2,5 cm, einem Druck von 3 Torr einer Quecksilber-Argon-Mischung und Kaltpunkttemperaturen von 15ºC und 25ºC. Beim Schwachstrompegel, beispielsweise weniger als 240 mA bei T = 15ºC und weniger als 260 mA bei T = 25ºC, wurde eine Konstantspannungsentladung beobachtet. Es wurden positive V-1-Charakteristiken bei einem höheren Strompegel erhalten. Eine höhere Kaltpunkttemperatur fördert einen geringeren Strompegel, wenn die Spannung konstant gehalten wird. Bei einem größeren Elektrodenabstand verschwindet dieser Unterschied und die V-1-Charakteristiken überlappen sich. Fig. 5 zeigt die V-1-Charakteristiken einer Kathode mit einem einzelnen Mikrohohl raum mit einem Elektrodenabstand von 5,0 cm, einem Druck von 3 Torr und Kaltpunkttemperaturen von 15ºC und 25ºC. Der Schwellwertstrom für eine positive V-1-Charakteristik ist höher als für höhere Kaltpunkttemperaturen, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.
Fig. 6 zeigt die V-1-Charakteristiken einer Kathode mit vier Mikrohohlräumen mit einem Abstand von 2,5 cm zwischen den Elektroden, einem Druck von 3 Torr und Kaltpunkttemperaturen von 15ºC und 25ºC. Fig. 7 zeigt die V-1-Charakteristiken einer Kathode mit vier Mikrohohlräumen mit einem Elektrodenabstand von 5,0 cm, einem Druck von 3 Torr und Kaltpunkttemperaturen von 15ºC und 25ºC. Eine Entladung mit 4 Mikrohohlräumen zeigte unstabile Bedingungen bei niedrigen Strompegeln auf. Im Strombereich unterhalb von 300 mA bei 2,5 cm Elektrodenabstand und unterhalb von 250 mA bei 5,0 cm Elektrodenabstand änderte sich die vier Mikrohohlraum-Kathodenentladung nacheinander von dem Schwachglimmmodus in den Starkglimmmodus. Nachdem alle Entladungen im Starkglimmmodus arbeiteten, wurde die V-1-Charakteristik positiv und stabil. Alle vier Mikrohohlräume arbeiteten dann parallel mit ungefähr der gleichen Lichtintensität. Die Schwellwertstrompegel entsprechen jeweils 350 V und 375 V. Der Strom bei 25ºC war höher als der bei 15ºC, wenn die Spannung bei einem konstanten Wert gehalten wurde.
Fig. 8 zeigt die V-1-Charakteristiken einer Kathode mit acht Mikrohohlräumen, Elektrodenabstanden von 2,5 cm, einem Druck von 3 Torr und Kaltpunkttemperaturen von 15ºC und 25ºC. Fig. 9 zeigt die V-1-Charakteristiken einer Kathode mit acht Mikrohohlräumen mit einem Elektrodenabstand von 5,0 cm, einem Druck von 3 Torr und Kaltpunkttemperaturen von 15ºC und 25ºC. Die Kathode mit 8 Mikrohohlräumen arbeitete in paralleler Weise und stabil für Ströme größer als 400 mA, entsprechend einer Spannung von 375 V bei einem Abstand von 2,5 cm (Fig. 8), und für Ströme höher als 500 mA, entsprechend einer Spannung von 350 bis 375 V bei einem Abstand von 5,0 cm (Fig. 9), nachdem alle acht Mikrohohlräume in den Starkglimmmodus übergeführt wurden. Der mit den acht Mikrohohlräumen erhaltene Strompegel ist lediglich geringfügig höher als der mit den vier Mikrohohlräumen. Beispielsweise arbeiten bei 450 V vier Mikrohohlräume bei 700 mA bei 15ºC und 800 mA bei 25ºC, wohingegen acht Mikroholräume bei jeweils knapp unter 950 mA und 950 mA für Temperaturen von 15ºC und 25ºC arbeiten.
Es wurde eine weitere Versuchsreihe mit einer Kathode mit drei Löchern durchgeführt, um den parallelen Betrieb von Mikrohohlraum-Kathodenentladungsvorrichtungen in Si tuationen zu untersuchen, in denen der Anoden-Kathoden-Abstand kleiner als der Mikrohohlraumdurchmesser war. Es wurden Kathodenlöcher mit einem Durchmesser von 0,7 mm und einer Tiefe von 2,1 mm in eine Molybdänscheibe gebohrt. Als Anode wurde eine Molybdänfolie von 12,7 um Dicke mit vier 2 mm Löchern verwendet. Die Anode und Kathode waren durch eine 0,2 mm dicke Glimmerabstandsschicht voneinander getrennt. Die Spannung und der Strom wurden in der zuvor in Verbindung mit den Fig. 4-9 beschriebenen Art und Weise gemessen. Fig. 10A zeigt die 1-V-Charakteristiken der Dreilochhohlkathodenentladung mit Drücken zwischen 1,5 Torr und 6 Torr. Die Entladung zeigte zwei Betriebsweisen, wobei die erste ein im Sub-mA-Bereich liegender instabiler Glimmmodus war, der durch die Punkte unterhalb von 1,0 mA in Fig. 10B angezeigt ist, und der zweite ein Schwachstromglimmmodus war, der durch die Punkte überhalb von 1,0 mA in Fig. 10B angezeigt ist. Die Entladung im instabilen Glimmmodus war ein leichtes Glimmen, das lediglich im Zentrum des Loches auftrat, und die Entladung im Schwachstromglimmmodus nahm etwa die Hälfte des Loches in Anspruch. Fig. 10B vergleicht die Strompegel bei einer gegebenen Spannung der Dreilochentladung mit einer Einlochentladung. Über den in Fig. 10B gezeigten Bereich der Drücke ist das Verhältnis des Dreilochstroms zum Einlochstrom ungefähr 3, wodurch die Multiplizität der Mikrohohlraumkathodenentladung angedeutet wird.
In einer weiteren Versuchsreihe mit vier Löchern mit den gleichen Abmessungen wie zuvor, wurde der Übergang zwischen dem Schwachstromglimmmodus und dem Hochstromglimmmodus beobachtet. Der Hochstromglimmmodus war eine sehr helle Entladung, die fast das gesamte Loch ausfüllte. Die Entladung begann mit einem leichten Glimmen in jedem der vier Löcher, und als die der Entladung zugeführte Spannung erhöht wurde, schlugen die Löcher individuell in den Starkglimmmodus um. Fig. 11 zeigt, dass bei 400 V über der Entladung ein Schwachglimmmodus erhalten wurde. Der Entladungsstrom erhöhte sich linear bis 500 V. Danach ging eines der Löcher in den Starkglimmmodus über und die Spannung verringerte sich auf 460 V. Die Entladung dauerte mit einem Loch im Starkglimmmodus an, bis 580 V erreicht waren. An diesem Punkt ging das zweite Loch in den Starkglimmmodus über und die Spannung verringerte sich auf 500 V. Bevor nicht 580 V erreicht waren, ging ein drittes Loch nicht in den Starkglimmmodus über. An diesem Punkt fiel die Spannung über der Entladung auf 480 V. Das vierte Loch ging in den Starkglimmmodus über, als die Entladungsspannung 540 V ereichte. An diesem Punkt fiel die Entladungsspannung auf 500 V.
Es wurden Spektren der Entladungen bei 3 Torr Argondruck aufgezeichnet. Ein ersts Spektrum wurde aufgenommen, als alle Löcher im Schwachglimmmodus waren, und ein zweites wurde aufgenommen, als drei Löcher im Starkglimmmodus waren. Die Entladungen enthielten bei Anwesenheit des Starkglimmmodus Molybdänlinien.
In den Fig. 12 und 13 ist eine Anwendung der Entladungsvorrichtungslampe der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Entladungsvorrichtung ist als eine Fluoreszenzlampe zur Erzeugung sichtbaren Lichtes ausgebildet. Die Fluoreszenzlampe umfasst eine erste Elektrode 210 und eine zweite Elektrode 212, die in einer lichtdurchlässigen Röhre 214, beispielsweise aus Glas hergestellt, gasdicht eingeschlossen sind. Die Elektroden 210 und 212 sind voneinander beabstandet und vorzugsweise an oder in der Nähe der gegenüberliegenden Enden der lichtdurchlässigen Röhre 214 angeordnet. Elektrische Leiter 216 und 218 erstrecken sich vom Äußeren der lichtdurchlässigen Röhre 214 jeweils zu den Elektroden 210 und 212 und erlauben eine Verbindung der Elektroden 210 und 212 mit einer elektrischen Energiequelle (nicht gezeigt). Die lichtdurchlässige Röhre 214 definiert eine abgeschlossene Kammer, die während des Betriebs auf einem gewünschten Druck gehalten wird. Die Leiter 216 und 218 sind durch Vakuumdurchführungen, die im Stand der Technik bekannt sind, geführt. Die lichtdurchlässige Röhre 214 enthält ein Füllmaterial zur Unterstützung einer Niederdruckentladung zwischen den Elektroden 210 und 212. Das Füllmaterial ist typischerweise eine inertes Gas wie etwa Neon, Argon oder Xenon und Quecksilberdampf. Typischerweise ist die Innenfläche der lichtdurchlässigen Röhre 214 mit einem Phosphormaterial beschichtet, das in Reaktion auf die durch die Entladung innerhalb der Röhre erzeugte Ultraviolettstrahlung sichtbares Licht emittiert. Es sind eine Reihe von Phosphormaterialien dem Fachmann wohlbekannt.
In der in den Fig. 12 und 13 dargestellten Ausführungsform umfasst die Elektrode 210 einen im Allgemeinen scheibenförmigen Leiter. Die Elektrode 210 besitzt vorzugsweise eine flache Oberfläche 226, die der Elektrode 212 gegenüberliegt, und besitzt eine ausreichende Dicke zum Ausbilden von Mikrohohlräumen. In der Oberfläche 226 der Elektrode 210 wird ein Array von Mikrohohlräumen 230 gebildet. Jeder Mikrohohlraum umfasst ein Loch mit einem vorgeschriebenen Durchmesser, das sich von der Oberfläche 226 in die Elektrode 210 erstreckt. Der Durchmesser jedes Mikrohohlraums 230 hängt von der Art des Gases und dem Betriebsdruck innerhalb der Entladungsvorrichtung ab. An der Oberfläche 226 der Elektrode 210 ist eine dielektrische Schicht 228 angeordnet. Die dielektrische Schicht 228 umgibt die Mikrohohlräume 230, deckt diese aber nicht ab.
In der Ausführungsform der Fig. 12 und 13 sind die Mikrohohlräume 230 an einem Ende geschlossen. Es liegt aber auch im Bereich der vorliegenden Erfindung, dass sich die Mikrohohlräume vollständig durch die Elektrode 210 erstrecken. Die Form der Mikrohohlräume ist nicht kritisch. Die Mikrohohlräume können beispielsweise durch Bohren gebildet werden, wodurch eine im Allgemeinen zylindrische Form definiert ist. Die Elektrode 210 kann aus einem beliebigen leitfähigen Material gebildet sein, ist aber vorzugsweise aus einem Material mit einer kleinen Austrittsarbeit gebildet, das eine hohe Elektronenemissionsfähigkeit aufweist.
Der Durchmesser D jedes Mikrohohlraums 230 wird so gewählt, abhängig vom Betriebsdruck P und der Gasart innerhalb der lichtdurchlässigen Röhre 214, um eine Mikrohohlraumentladung innerhalb jedes Mikrohohlraums 230 zu erzeugen. Insbesondere liegt der Durchmesser D jedes Mikrohohlraums vorzugsweise in der Ordnung der mittleren freien Weglänge von Elektronen in der lichtdurchlässigen Röhre 214. Für Edelgase ist diese Bedingung erfüllt, wenn das Produkt P·D im Bereich von ungefähr 0,1 bis 10 liegt, wobei der Druck P in Torr und der Durchmesser D in cm anzugeben ist. Der Betriebsdruck und die Gasart werden für gewöhnlich durch andere Gestaltungskriterien festgelegt, womit ein erlaubter Bereich an Durchmessern für die Mikrohohlräume festgelegt ist. Fluoreszenzlampen enthalten typischerweise Argon und Quecksilberdampf. Konventionelle Fluoreszenzlampen arbeiten typischerweise bei Drücken von 0,5 bis 2,0 Torr, wohingegen subminiaturisierte Fluoreszenzlampen bei Drücken von 20 bis 200 Torr betrieben werden können. Zum Beispiel haben in einer subminiaturisierten Fluoreszenzlampe mit einem Druck von Argon und Quecksilber im Bereich von 20 bis 200 Torr die Mikrohohlräume 230 vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,5 cm bis weniger als 50 um. Die Anzahl der Mikrohohlräume 230 wird so gewählt, um einen gewünschten Gesamtentladungsstrom zu erzeugen. Vorzugsweise sind die Mikrohohlräume relativ gleichmäßig über die Oberfläche 26 verteilt, und die Oberfläche 26 ist zwischen den Mikrohohlräumen mit der dielektrischen Schicht 228 bedeckt.
In der Fluoreszenzlampe wird die Strahlung, die die Phosphorbeschichtung auf der lichtdurchlässigen Röhre 214 stimuliert, in der positiven Säule zwischen den Elektroden 210 und 212 erzeugt. Die Mikrohohlräume dienen als eine Elektronenquelle und die Erzeugung der Strahlung innerhalb der Mikrohohlräume ist nicht wichtig. Daher wird die Mikrohohlraumkathode vorzugsweise im Schwachglimmmodus für Fluoreszenzlampenanwendungen betrieben.
Die Elektrode 210 ist so gestaltet, um als eine Kathode zur Aussendung von Elektronen zu dienen, wenn diese negativ bezüglich zur Elektrode 212 vorgespannt wird. Für typische Fluoreszenzlampenanwendungen wird die Elektrode 212 mit einem Array an Mikrohohlräumen und einer dielektrischen Schicht in der gleichen Weise wie die Elektrode 210 hergestellt. In dieser Anordnung wird eine Wechselspannung an die Leiter 216 und 218 angelegt. Die Elektrode 210 fungiert als eine Kathode während jener Halbzyklen der Wechselspannung, in denen die Elektrode 212 gegenüber der Elektrode 210 positiv ist, und die Elektrode 212 fungiert als eine Kathode während jener Halbzyklen der Wechselspannung, in denen die Elektrode 210 gegenüber der Elektrode 212 positiv ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrode 212 nicht mit einem Array an Mikrohohlräumen ausgestattet und besitzt einen Aufbau einer konventionellen Anode. In dieser Ausführungsform fungiert die Elektrode 212 ständig als eine Anode und die Elektrode 212 fungiert ständig als eine Kathode. In dieser Anordnung wird zwischen den Leitern 216 und 218 eine Gleichspannung oder Pulsfolge angelegt.
Die Elektroden 210 und 212 werden vorzugsweise aus einem Material mit einer hohen Rate an Sekundäremission bei Ionenbeschuss hergestellt. Zu bevorzugten Materialien gehören Wolfram, in Wolfram eingebettetes Bariumoxid, thoriumlegiertes Wolfram und Molybdän. Materialien, einschließlich von Materialmischungen, die durch eine geringe Elektronenaustrittsarbeit gekennzeichnet sind, sind als Elektrodenmaterialien geeignet. In den Fluoreszenzlampen der Fig. 12 und 13 können eine Reihe verschiedener Gase verwendet werden. Zu bevorzugten Gasen gehören Quecksilberdampfgemisch mit einem inerten Gas wie etwa Argon oder Krypton, ein inertes Gas wie etwa Neon, ohne Quecksilberdampf, ein Excimer eines inerten Gases wie etwa Xe&sub2;, Schwefel oder Selendämpfe und Verbindungen davon.
In einem Beispiel ist die in den Fig. 12 und 13 dargestellte Fluoreszenzlampe als eine subminiaturisierte Fluoreszenzlampe ausgebildet. Die lichtdurchlässige Röhre 214 besitzt einen Außendurchmesser von 7 mm und der Abstand zwischen den Elektroden 210 und 212 beträgt ungefähr 100 mm. Die Röhre 214 enthält Argon und Quecksilber bei einem Druck von ungefähr 100 Torr. Jede der Elektroden 210 und 212 besitzt einen Durchmesser von ungefähr 5 mm und ist ungefähr mit 20 Mikrohohlräumen 230 versehen. Die Mikrohohlräume besitzen Durchmesser von ungefähr 50 um. Es wird erwartet, dass die Lampe im Schwachglimmmodus bei ungefähr 300 V und bei einem Strom von ungefähr 200 mA arbeitet. In einem weiteren Beispiel der Fluoreszenzlampe ist die lichtdurchlässige Röhre 214 100 mm lang und besitzt einen Außendurchmesser von 3 mm. Die Röhre 214 enthält Argon und Quecksilber bei einem Druck von ungefähr 50 Torr. Jede der Elektroden 210 und 212 besitzt einen Durchmesser von ungefähr 1 mm und ist mit ungefähr 10 Mikrohohlräumen 230 versehen. Die Mikrohohlräume besitzen einen Durchmesser von ungefähr 50 um. Von der Lampe wird erwartet, dass diese im Schwachglimmmodus bei ungefähr 400 V und einem Strom von ungefähr 5 mA pro Mikrohohlraum arbeitet. Im Allgemeinen kann der Abstand zwischen den Elektronen zwischen 10 cm und 100 cm, der Druck zwischen 1 und 200 Torr, der Mikrohohlraumdurchmesser zwischen 10 und 1000 um und die Anzahl der Mikrohohlräume von 5 bis 50 variieren, um Ströme von 5 bis 100 mA und Spannungen von 20 bis 500 V zu erhalten. Der Bereich der ausgewählten Parameter liefert Entladungsbedingungen mit einem Minimum an Elektrodenzerstäubung, einer maximalen Lichtausbeute (10 bis 1000 Lumen) und einer verlängerten Lebensdauer (500 bis 5000 Stunden). Dieser Bereich wird durch die Bedingungen und Anwendungen für subminiaturisierte Fluoreszenzlampen definiert.
Die Fluoreszenzlampe der Fig. 12 und 13 wurde in Zusammenhang mit subminiaturisierten Fluoreszenzlampen beschrieben, die relativ kleine Abmessungen besitzen und bei relativ hohem Druck arbeiten. Die Kathode mit einem Array an Mikrohohlräumen ist jedoch nicht auf die Anwendung in subminiaturisierten Fluoreszenzlampen beschränkt. Die Kathode mit einem Array an Mikrohohlräumen kann in einer beliebigen Fluoreszenzlampe verwendet werden, in der der Betriebsdruck eine Anordnung von geeignet dimensionierten Mikrohohlräumen zulässt, um die gewünschten Betriebseigenschaften zu erhalten. Die Größe und Anzahl der Mikrohohlräume wird für einen gegebenen Be triebsdruck und Stromanforderungen ausgewählt. Ferner kann die Phosphorbeschichtung an der lichtdurchlässigen Röhre weggelassen werden, wenn die Entladung innerhalb der Röhre ein gewünschtes Strahlungsspektrum erzeugt. Es liegt innerhalb des Bereichs der Erfindung, unterschiedliche Füllmaterialien zu verwenden. Insbesondere können quecksilberfreie Fluoreszenzlampen leichter mit dem Mikrohohlraum-Kathoden- Arraysystem erreicht werden, da die erwartete Elektronenenergie-Verteilungsfunktion durch die hochenergetischen Elektronen angehoben wird und daher eine Anregung höherer Energiezustände von Gasen, die als typische Quecksilberersatz betrachtet werden, gefördert wird. In dieser Entladungsanordnung ist die Ionisation ebenfalls verstärkt. Die Kathode mit einem Array an Mikrohohlräumen kann optional geheizt werden, um die Elektronenemission weiterhin zu erhöhen.
Eine weitere Anwendung der Entladungsvorrichtung ist eine Excimertampe, die Strahlung im tiefen Ultraviolettbereich, typischerweise im Wellenlängenbereich von 80-200 nm, erzeugt. Die Excimerlampe kann für Wasserreinigung, Pasteurisierung, Abfallbehandlung und Oberflächenbehandlung von Materialien verwendet werden. Die Excimerlampe arbeitet typisch bei relativ hohem Druck, in der Größenordnung von 100 Torr oder größer, und enthält ein Gas, etwa Xenon oder Neon, das bei hohen Drücken Dimere bildet. Zu weiteren geeigneten Gasen gehören alle anderen Edelgase und Mischungen aus Edelgasen mit Halogenen. Zum Betrieb bei Drücken in der Größenordnung von einer Atmosphäre besitzen die Mikrohohlräume Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 100 um. Die Excimerlampe kann jede beliebige gewünschte Gestaltung aufweisen wie etwa beispielsweise die in Fig. 1 gezeigte Entladungsvorrichtung. Alternativ kann die Excimerlampe eine Ausgestaltung ähnlich zu der Fluoreszenzlampe, die in Fig. 12 gezeigt ist, oder den flachen Lichtquellen, die in den Fig. 17 und 19 gezeigt sind, aufweisen. Da im Allgemeinen der Teil der Entladung außerhalb des Mikrohohlraums nicht zur Excimerstrahlung beiträgt, kann dieser weggelassen werden, wodurch eine flache Lichtquelle mit einem Anoden-Kathoden-Abstand, der kleiner als die mittlere freie Weglänge des Elektrons ist, gebildet werden kann. Ein Teil oder die gesamte Entladungskammer ist aus einem Material wie etwa Quarz, hergestellt, das ultraviolette Strahlung bei der innerhalb der Entladungskammer erzeugten Wellenlänge durchlässt. Diese tiefe Ultraviolettstrahlung kann innerhalb der Lampe in sichtbare Strahlung durch einen speziell gestalteten Phosphor umgewandelt werden. Obwohl zum jetzigen Zeitpunkt der Wirkungsgrad einer derartigen Lampe geringer als der Wirkungsgrad einer standardmäßigen Fluoreszenzlampe ist, macht es diese umweltfreundliche Lampenfüllung trotzdem zur attraktiven Alternative.
Die Excimerlampe kann ebenfalls eine Ausbildung als eine Mikrohohlraumentladungsanordnung, wie dies in Fig. 16 gezeigt ist, aufweisen. Eine leitende Kathode 400 ist mit einem Array an Mikrohohlräumen 402, 404, 406, etc. versehen wie dies zuvor in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Eine Anode 410 ist von der Kathode 400 durch eine dielektrische Schicht 412 beabstandet. Eine zweite dielektrische Schicht 414 ist an der gegenüberliegenden Oberfläche der Anode 410 ausgebildet. Die Anode 410 kann ein dünner Metallfilm sein. Die Anode 410 und die dielektrischen Schichten 412 und 414 können beispielsweise durch Sputter-Abscheidung auf der Kathode 400 gebildet werden. Die Anode 410 und die dielektrischen Schichten 412 und 414 besitzen Öffnungen, die zu allen Mikrohohlräumen 402, 404, 406, etc. ausgerichtet sind.
Eine weitere Anwendung der Entladungsvorrichtung ist ein Miniaturgaslaser. Wie zuvor erläutert wurde, wird angenommen, dass der erhöhte Strom der Hohlraumkathodenentladungen im Vergleich mit Glimmentladungen zwischen ebenen parallelen Elektroden aus der hohen Ionisationsrate nichtthermischer Elektronen herrührt, die zwischen gegenüberliegenden Kathodenoberflachen innerhalb des Kathodenloches oszillieren. Die hochenergetischen Elektronen können zum transversalen Pumpen von Miniaturgaslasern verwendet werden, die bei Gasdrücken von bis zu einer Atmosphäre betrieben werden. Diese Miniaturgaslaser, die in ihrer Größe nahezu mit Halbleiterlasern vergleichbar sind, können über einen weiten Spektralbereich, der in den Ultraviolettbereich hineinreicht, emittieren. Von den Hohlraumkathoden-entladungsgepumpten Lasern wird erwartet, dass sie einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Aufgrund der geringen Hohlraumerosion aufgrund eines Gleichgewichts von Zerstäuben und Wiederabscheidung im Kathodenloch wird eine lange Lebensdauer erwartet.
Die radial beschleunigen nichtthermischen Elektronen in einer zylindrischen Mikrohohlraumentladung geben den Hauptteil ihrer Energie dicht an der Achse des Kathodenlochs ab. Diese Energie liegt nahe an der Energie für ungebundene Elektronen, die dem Wert der angelegten Spannung entspricht. Für Mikrohohlraumentladungen im Submillimeterbereich beträgt die Vorwärtsspannung ungefähr 100 bis 500 V. Eine Elektronenenergie von einigen zehn bis einigen hundert Elektronenvolt ist zur Stoßionisation und Anregung von Atomen und Molekülen optimal. Die meisten Wirkungsquerschnitte für die Anregung weisen bei diesem Wert einen Spitzenwert auf. Wenn die Mikrohohlraumentladung zum Pumpen von Laser verwendet wird, liegt die höchste Anregungsrate der oberen Laserzustände an der Achse des Kathodenlochs mit einem steilen Abfall in Richtung zur Wand des Mikrohohlraums. Für Mikrohohlraumentladungen, in denen das ursprünglich zylindrische Kathodenloch sich aufgrund von Zerstäubung und Wiederabscheidung von Elektrodenmaterial in ein sphärisches Loch umwandelt, tritt die maximale Energiedeposition anstatt entlang einer Trennlinie an einem Elektronentrennpunkt auf. Um diese inhomogene Verteilung zu vermeiden, wird das Kathodenloch in ihrer Länge auf eine Abmessung hin verkürzt, die deutlich geringer als ihr Durchmesser ist. Für einen Durchmesser von 100 um ist eine Kathodenlochlänge von ungefähr 25 um geeignet. Transversales Pumpen mit Mikrohohlraumkathodenentladungen liefert eine Klasse von Gaslasern, die nahezu so kompakt wie Halbleiterlaser ist. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Geräte ist der geringe Rauschpegel der Laserintensität im Vergleich zu Lasern, die mit konventionellen Entladungen gepumpt werden. Das Rauschen kann um zwei Größenordnungen verringert werden.
Der Helium-Neonlaser ist besonders geeignet für das Pumpen mittels Mikrohohlraumentladung, da experimentelle Ergebnisse in Kapillarröhren mit Durchmessern von ungefähr 1 mm zeigen, dass eine optimale Verstärkung erhalten wird, wenn das Produkt des Druckes mit dem Abstand 0,36 Torr-cm beträgt, ein Wert der dicht an dem optimalen Produkt des Druckes und des Durchmessers für eine Betriebsweise mit Mikrohohlraumkathode liegt. Die optimalen Relativdrücke von Helium und Neon hängen lediglich vom Entladungsdurchmesser ab. Für einen mit Mikrohohlräumen mit einem Durchmesser von 100 um gepumpten Helium-Neonlaser beträgt der optimale Druck 36 Torr, wobei 32 Torr Helium und 4 Torr Neon beitragen. Es wird erwartet, dass die optimale Leistung dieses Lasern bei ungefähr 0,5 uW für eine 0,5 mm lange Hohlraumkathode mit einem Durchmesser von 100 um, die kontinuierlich gepumpt wird, beträgt.
Es wird angenommen, dass Mikrohohlraumentladungen ideal als Pumpquellen für Metallionenlaser mit Metallen wie etwa Cadmium, Silber, Gold, Blei und anderen geeignet sind. Mikrohohlraumentladungen liefern Metallionen über kontinuierliches Verdampfen anstelle von chemischen Prozessen, um einen ausreichenden Metalldampfdruck zu er zeugen. Ein Lasereffekt vom Ultraviolettbereich bis zum nahen Infrarotbereich wurde mit Pumpen mit Hohlraumkathoden in diversen Metallionenlasern gezeigt.
Die Mikrohohlraumkathodenentladungsvorrichtung dieser Erfindung kann ebenfalls zum Pumpen von Edelgasionenlasern verwendet werden. Der Wert des Produkts aus Druck und Entfernung für Edelgasionenlaser liegt dicht beim optimalen Druck-Durchmesserwert für Mikrohohlraumentladungen. Eine Mikrohohlraumkathodenentladung mit Mikrohohlräumen mit einem Durchmesser von 100 um kann einen Gaslaserpumpen, der nahe bei Atmosphärendruck betrieben wird. Mikrohohlraumkathodenentladungen können ebenfalls als Pumpquellen für Stickstofflaser und Edelgashalogenidexcimerlaser verwendet werden.
In Fig. 14 ist ein Querschnitt eines Miniaturgaslasers gezeigt, der von einer einzelnen Mikrohohlraumentladung gepumpt wird. Mikrohohlraumentladungselemente 300, 302 und 304 sind entlang einer optischen Achse 306 des Lasers gestapelt. Es können verschiedene Anzahlen von Mikrohohlraumentladungselementen verwendet werden, um gewünschte Lasereigenschaften zu liefern. Die Entladungselemente 300, 302 und 304 sind zwischen einem total reflektierenden Spiegel 310 und einem teilweise reflektierenden Spiegel 312 angeordnet. Der teilreflektierende Spiegel 312 lässt das Durchdringen eines Laserstrahls 314 von dem Laser zu. Die Reflexionseigenschaft des Spiegels 310 und 312 sind für die Betriebswellenlänge des Lasers festgelegt.
Das Entladungselement 300 umfasst eine Kathode 320 und eine Anode 322, die durch eine erste dielektrische Schicht 324 beabstandet sind. Eine zweite dielektrische Schicht 326 ist an der gegenüberliegenden Oberfläche der Anode 322 ausgebildet. Die Kathode 320 ist mit einem Mikrohohlraum 330 versehen, der einen Durchmesser aufweist, der so auf der Grundlage der Gasart und des Gasdruckes im Entladungsgebiet ausgewählt ist, um eine Mikrohohlraumentladung zu unterstützen. Zum Betrieb nahe am Atmosphärendruck liegt der Durchmesser der Mikrohohlraumentladung 330 vorzugsweise in der Größenordnung von ungefähr 10 um. Wie zuvor angemerkt wurde, beträgt die Tiefe des Mikrohohlraums 330 vorzugsweise weniger als dessen Durchmesser, um ein relativ gleichmäßiges Pumpen entlang der optischen Achse 306 zu gewährleisten. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Kathode 320 eine Dicke in der Größenordnung von 25 um. Die Anode 322 und die dielektrischen Schichten 324 und 326 weisen Öff nungen aus, die mit dem Mikrohohlraum 330 ausgerichtet sind, um einen ungehinderten Ausbreitungsweg entlang der Achse 306 bereitzustellen. Die Anode 322 und die dielektrischen Schichten 324, 326 können beispielsweise durch Aufdampfen auf die Kathode 320 gebildet werden. Die Entladungselemente 302 und 304 weisen den gleichen Aufbau wie das Entladungselement 300 auf. Die Entladungselemente 300, 302 und 304 sind zueinander mit Mikrohohlraumen 330 so angebracht, um eine laminierte Entladungsstruktur zu liefern. Wie zuvor bemerkt wurde, können in dem Miniaturgaslaseraus Fig. 14 mehr oder weniger Entladungselemente verwendet werden.
In Fig. 15 ist eine axiale Ansicht eines Arrays von Mikrohohlraumen, die als ein Array von Miniaturgaslasern angeordnet sind, dargestellt. Das Laserarray umfasst Arrayelemente 340, 342, 344, etc., wovon jedes in der in Fig. 14 und der oben beschriebenen Weise aufgebaut sein kann. Das Laserarray kann eine beliebige gewünschte Anzahl an Elementen aufweisen und kann ein regelmäßiges Muster aus Zeilen und Spalten oder kann eine unregelmäßige Struktur aufweisen. Jedes Entladungselement des Laserarrays kann unter Verwendung herkömmlicher Mikrolithografietechniken hergestellt sein. Die Entladungselemente können miteinander verbunden werden, um die in Fig. 14 gezeigte laminierte Struktur zu bilden. Das Laserarray erzeugt mehrere Laserstrahlen.
In einer weiteren Anwendung wird das Mikrohohlraumkathodenentladungsarray als eine Elektronenquelle oder als eine Ionenquelle verwendet. Wie zuvor beschrieben wurde, werden innerhalb der Mikrohohlräume der Mikrohohlraumkathode Elektronen und Ionen erzeugt. Gemäß Fig. 16 werden innerhalb der Mikrohohlräume 402, 404, 406, etc. erzeugte Elektronen in einer durch einen Pfeil 420 angedeuteten Richtung beschleunigt und Ionen werden in einer durch den Pfeil 422 angezeigten Richtung beschleunigt.
In einer weiteren Anwendung der Entladungsvorrichtung wird das Mikrohohlraumarray in einer dünnen flachen Lichtquelle, typischerweise eine Fluoreszenzlichtquelle, verwendet. In dieser Anwendung ist die Mikrohohlraumkathode aus einem Gitter an Leitern etwa einem Drahtgeflecht, hergestellt, die Abstände aufweisen, die vorzugsweise im Submillimeterbereich liegen. Die Kathode befindet sich in unmittelbarer Nähe einer ebenen Anode. Die flache Lichtquelle kann beispielsweise als Hintergrundlicht einer Anzeige verwendet werden. Die Mikrohohlräume sind anstatt als zylindrische Löcher als Ringe ausgebildet. Die Mikrohohlräume werden gemäß der Erfindung, wie zuvor beschrie ben wurde, ausgebildet, weisen aber kleine axiale Abmessungen auf, die im Wesentlichen kleiner als ihre Querschnittsabmessungen sind. Die Mikrohohlräume sind an beiden Enden offen, aber dies ist nicht unbedingt notwendig. Die Gleichmäßigkeit der Entladungsverteilung in den Mikrohohlräumen hängt von der Gasart, dem Gasdruck, der angelegten Spannung und dem Maschenabstand oder der Gittergröße ab. Obwohl die Lichtquelle als flach beschrieben wird, ist es selbstverständlich, dass die Komponenten in einer gewünschten Form gebogen sein können.
Anzeigesysteme, die Flüssigkristalle verwenden, erfordern eine gewisse Form der Hintergrundbeleuchtung. Dies wird herkömmlicher Weise durch röhrenförmige Fluoreszenzlampen mit optischen Elementen wie etwa Reflektoren, Kollimatoren und Zerstreuern erreicht. Die Entladungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird verwendet, indem ein Array an Mikrohohlraumentladungen direkt hinter einer Phosphorbeschichtung angeordnet wird, um eine relativ homogene Beleuchtung zu erreichen. Die Mikrohohlraumkathode kann aus einem Metallgeflecht mit Öffnungen im Submillimeterbereich bestehen, das zwischen der Phosphorbeschichtung und einer ebenen Metallanode angeordnet ist.
Aufgrund der positiven Spannungs-Strom-Eigenschaften der Mikrohohlraumentladung ist es möglich, diese parallel zu betreiben. Die Mikrohohlräume müssen nicht notwendigerweise eine ausgedehnte Tiefe im Kathodenmaterial aufweisen, sondern können die Form eines Ringes besitzen. Selbst die zylindrische Form der Mikrohohlräume ist nicht eine Vorbedingung für Mikrohohlraumkathodenentladungen. Die Mikrohohlraumform kann quadratisch, rechteckig oder wabenförmig sein. Somit können Metallgeflechte mit Öffnungen im Submillimeterbereich in einer Mikrohohlraumkathodenanordnung verwendet werden. Die Anode kann ein flacher Leiter sein, der von der Kathode mit einem Abstand angeordnet ist, der vergleichbar oder kleiner als die Querschnittsdimensionen der Mikrohohlräume ist.
In Fig. 17 ist eine Teilquerschnittsansicht einer flachen Lichtquelle dargestellt. Eine Entladungskammer 500 umfasst eine lichtdurchlässige Wand 502 und eine leitende Wand 504. In der Ausführungsform aus Fig. 17 sind die lichtdurchlässige Wand 502 und die leitende Wand 504 ebene, parallele beabstandete Schichten und sind dicht zueinander angeordnet. Die lichtdurchlässige Wand 502 und die leitende Wand 504 sind um ihre Ränder abgedichtet, um ein gasdichtes Entladungsvolumen zu definieren. In der Entladungskammer ist eine Kathode zwischen der lichtdurchlässigen Wand 502 und der leitenden Wand 504 angeordnet. Es kann eine Phosphorbeschichtung 506 auf der inneren Oberfläche der lichtdurchlässigen Wand 502 aufgetragen sein. In der Entladungskammer 500 ist ein Gas bei einem vorgeschriebenen Druck dicht eingeschlossen.
In der Ausführungsform aus Fig. 17 ist die Kathode ein elektrisch leitendes Maschengitter 508. Das Maschengitter 508 umfasst Gitter aus beabstandeten Drähten oder andere leitende Streifen, die eine Vielzahl an Mikrohohlräumen definieren. Genauer gesagt, gemäß Fig. 18 definieren Drähte 510, 512, 514 und 516 einen Mikrohohlraum 520. Die Drähte 510 und 512 sind parallel zueinander und senkrecht zu den Drähten 514 und 516. Der Mikrohohlraum 520 im Beispiel aus Fig. 18 besitzt eine quadratische Querschnittsform mit Seitenlängen, die gleich dem Abstand zwischen den Maschendrähten sind. Die axiale Tiefe des Mikrohohlraums 520 ist definiert durch die Durchmesser der Maschendrähte 510, 512, 514 und 516. Die Drähte der Maschenanordnung 508 definieren in ähnlicher Weise ein Array an Mikrohohlräumen, etwa Mikrohohlräume 522, 524, 526, etc.. Der Abstand zwischen benachbarten Mikrohohlräumen ist durch den Maschendrahtdurchmesser festgelegt.
Das Maschengitter 508 ist von der lichtdurchlässigen Wand 502 durch eine dielektrische Abstandsschicht 530 beabstandet und ist von der leitenden Wand 504 durch eine dielektrische Abstandsschicht 532 getrennt. Selbstverständlich können die dielektrischen Abstandsschichten 530 und 532 je nach Erfordernis angeordnet sein, um einen gewünschten Abstand des Maschengitters 508 mit Bezug zur lichtdurchlässigen Wand 502 und der leitenden Wand 504 aufrechtzuerhalten. Die dielektrischen Abstandsschichten 530 und 532 können beispielsweise in Form von ähnlichen Streifen ausgebildet sein.
Während des Betriebs wird eine Spannung zwischen dem Maschengitter 508, die als Kathode der Entladungsvorrichtung dient, und der leitenden Wand 504, die als die Anode dient, angelegt. Es wird in jedem der Mikrohohlräume 520, 522, 524, 526, etc., die durch das Maschengitter 508 definiert sind, eine Mikrohohlraumentladung erzeugt. Die durch die Mikrohohlraumentladungen erzeugte Strahlung stimuliert die Phosphorbeschichtung 506 zum Aussenden von sichtbarem Licht. Das von der Phosphorbeschich tung 506 emittierte Licht dringt durch die lichtdurchlässige Wand 502 und erscheint damit als eine im Allgemeinen gleichmäßige ebene Lichtquelle.
In der Lichtquelle aus Fig. 17 kann das Füllgas ein Edelgas mit Quecksilberdampf sein, wobei die Emission im Ultraviolettbereich dominant ist. Zu anderen geeigneten Gasen gehören inerte Gase wie etwa Xenon, Krypton und Argon oder deren Excimere, die im Ultraviolettbereich, im sichtbaren Bereich oder in einer Kombination aus sichtbarem und Ultraviolettbereich emittieren. Die Mikrohohlraumkathodenentladung verstärkt den Hochenergieschwanz in der Elektronenenergieverteilungsfunktion, wodurch eine effizientere Anregung von Excimerzuständen als in konventionellen Entladungen möglich ist. Molekulare Gase wie etwa Stickstoff, Sauerstoff oder Luft und Schwefel- oder Selendämpfe und deren Mischungen mit inerten Gasen können in flachen Lichtquellen verwendet werden. Der Gasdruck hängt vom Durchmesser der Kathodenlöcher ab. Für ein Gitter mit 200 um Öffnungen und einer Drahtdicke von 50 um, liegt der Druck vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bis 500 Torr. Die angelegte Spannung liegt in der Größenordnung von 400 V als Gleichspannung oder in gepulster Form. Vorzugsweise liegt der Gitterabstand in einem Bereich von 10 bis 500 um, was von der Gasart und dem Gasdruck abhängt. Wenn es nicht notwendig ist, die Wellenlänge der in den Mikrohohlräumen erzeugten Strahlung zu ändern, kann die Phosphorbeschichtung 506 weggelassen werden.
Es wurden Experimente durchgeführt, um die Gasentladung zwischen einer ebenen Elektrode und einer Maschenelektrode für die Anwendung als eine flache Lichtquelle zu untersuchen. Der Versuchsaufbau umfasste eine Vakuumkammer mit einer planaren Anode aus Wolfram mit Barium imprägniert, und ein Nickelmaschengitter mit quadratischen Öffnungen von 0,206 mm Breite, die von 0,044 mm breiten Metallstegen oder Streifen von 0,0014 mm Dicke beabstandet waren. Der Abstand zwischen den Elektroden lag in der Größenordnung von 0,15 mm, der durch eine Glimmerschicht mit einer Öffnung von ungefähr 2,5 mm bestimmt war. Das Gas war Luft bei einem Druck von 37,5 Torr. Ein Spannungspuls mit einem Abfall von ungefähr 10% über die gesamte Dauer von 0,4 ms wurde an die Elektroden angelegt und der Strom durch die Entladung wurde mittels eines Stromsensorwiderstandes aufgezeichnet. Gleichzeitig wurde die Entladung mittels einer CCD-Kamera, die mit einem Vergrößerungssystem verbunden war, beobachtet.
Die Ergebnisse waren wie folgt. Bei einer angelegten Spannung von 384 V und bei einem negativ vorgespannten Maschengitter wurde zu Beginn des Pulses ein Strom von 33 mA gemessen. Der Strom fiel auf die Hälfte dieses Wertes während der Dauer des Spannungspulses ab, wodurch eine nichtlineare Abhängigkeit des Stromes von der Spannung angedeutet wird. In den Maschenöffnungen entwickelten sich Entladungen. Zwei Arten von Entladungen wurden beobachtet: Eine schwache Entladung im Zentrum der Maschenöffnungen in den meisten der Löchern und eine helle zentral angeordnete Entladung bei einer kleinen Anzahl von Löchern. Mit ansteigender Zahl an Pulsen wurden die schwachen Entladungen heller und die anfänglich hellen Entladungen verloren an Intensität. Während der Übergangsphase von inhomogener zu einer mehr homogeneren Lichtverteilung änderte sich der Strom nicht wesentlich. Ein kontinuierlicher Betrieb in diesem Modus führt zu einer deutlichen Erosion des Maschengitters. In einem weiteren Experiment war nach mehr als 500000 Pulsen der 0,0014 breite Steg an der Stelle der hellsten Entladung vollkommen erodiert. Diese Ergebnisse zeigen, dass die flache Lichtquelle in einem Schwachglimmmodus betrieben werden muss, um Erosion zu vermeiden. Dies gewährleistet ebenfalls eine lange Lebensdauer und eine bevorzugte Anwendung als Beleuchtungsquelle. Experimente mit umgekehrter Polarität (die ebene Elektrode 504 fungiert als die Kathode) zeigten ein homogenes Glimmen bei Strömen kleiner als 16 mA und eine verringerte Intensität bei der obenerwähnten gleichen Spannung und Druck.
In Fig. 19 ist eine alternative Ausführungsform der flachen Lichtquelle gezeigt. Gleiche Elemente der Fig. 17 und 19 haben die gleichen Bezugszeichen. In der Ausführungsform aus Fig. 19 ist eine Kathode 550 als ein leitendes Muster auf einem transparenten Substrat 552 ausgebildet. Die Kathode 550 umfasst ein Gitter aus beabstandeten Leitern 556, 558, 560, etc., die Mikrohohlräume 564, 566, etc., definieren. Das leitende Muster der Kathode 550 kann jeden beliebigen gewünschten Aufbau zum Definieren einer Vielzahl von Mikrohohlräumen aufweisen. Das leitende Muster kann unter Verwendung herkömmlicher Mikrolithografietechniken gebildet werden. In der Ausführungsform aus Fig. 19 fungiert das Substrat 552 als ein Befestigungselement für die Kathode 550. In anderer Hinsicht ist die Entladungsvorrichtung aus Fig. 19 ähnlich zu derjenigen, die in Fig. 17 gezeigt und oben beschrieben ist.
Die flachen Lichtquellen aus den Fig. 17 bis 19 können eine Dicke in der Größenordnung von einem Millimeter aufweisen. Wie zuvor angemerkt wurde, können die in den Fig. 17 bis 19 gezeigten Lichtquellen flach sein oder eine gewünschte Krümmung aufweisen.
Im Allgemeinen können die Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung im Schwachglimmmodus und im Starkglimmmodus betrieben werden, wie dies zuvor beschrieben wurde. Lediglich der Schwachglimmmodus verspricht allerdings eine lange Lebensdauer und eine Betriebsweise, die durch das Füllgas bestimmt ist. Im Starkglimmmodus ist die Lebensdauer beschränkt und der Elektrodendampf bestimmt die Eigenschaften der Entladung. Dies kann erwünscht sein, wenn eine Metalldampfstrahlung benötigt wird.
Obwohl die gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsformen betrachteten Ausführungsformen als die vorliegende Erfindung beschrieben wurden, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass diverse Änderungen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie sie in den nachfolgenden Patentansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Lichtquelle mit:

einer verschlossenen lichtdurchlässigen Röhre (214) mit einem Gas bei einem vorgeschriebenen Druck P;

einer ersten Elektrode (210), die in der Röhre (214) angebracht ist;

einer zweiten Elektrode (212), die in der Röhre (214) angebracht und von der ersten Elektrode (210) beabstandet ist; und

einer elektrischen Einrichtung zum Einkoppeln elektrischer Energie in die erste und zweiten Elektroden (210, 212),

dadurch gekennzeichnet, dass

die erste Elektrode (210) einen Leiter mit mehreren Mikrohohlräumen (230) darin umfasst, wobei jeder Mikrohohlraum (230) Abmessungen aufweist, die ausgewählt sind, um eine Mikrohohlraumentladung bei dem vorgeschriebenen Druck (P) zu unterstützen;

die erste Elektrode (210) weiterhin eine dielektrische Schicht (228) auf dem Leiter umfasst, wobei die dielektrische Schicht (228) Öffnungen aufweist, die zu den Mikrohohlräumen (230) ausgerichtet sind, und dass

die elektrische Einrichtung verwendet ist, elektrische Energie in die erste und zweite Elektrode (210, 212) bei einer Spannung und einem Strom zur Erzeugung von Mikrohohlraumentladungen in jedem der Mikrohohlräume (230) einzukoppeln.

2. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jeder Mikrohohlraum (230) einen Durchmesser D so aufweist, dass P·D im Bereich von ungefähr 0,1 bis 10 Torr-cm liegt.

3. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jeder Mikrohohlraum (230) eine Querschnittsdimension aufweist, die in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge der Elektronen in dem Gas liegt.

4. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei jeder Mikrohohlraum (230) ein Volumen umfasst, das von dem Leiter der ersten Elektrode (210) umschlossen ist mit Ausnahme einer Öffnung, die zur zweiten Elektrode (212) hinweist.

5. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei der vorgeschriebene Druck im Bereich von ungefähr 0,1 bis 200 Torr liegt.

6. Die Lichtquelle nach Anspruch 5, wobei jeder Mikrohohlraum (230) einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 10 um bis 1 cm aufweist.

7. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei der Leiter der ersten Elektrode (210) ein Material ist, das gewählt wird aus Wolfram, thoriumlegierten Wolfram und Molybdän.

8. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei der Leiter der ersten Elektrode (210) eine Materialzusammensetzung ist, die durch eine niedrige Elektronenaustrittsarbeitsfunktion gekennzeichnet ist.

9. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode (210) eine Oberfläche (226) aufweist, die auf die zweite Elektrode (212) weist und wobei die Mikrohohlräume (230) in der Oberfläche (226) ausgebildet sind.

10. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei das Gas Argon und Quecksilberdampf umfasst.

11. Die Lichtquelle nach Anspruch 10, die weiterhin eine Phosphorbeschichtung auf einer Innenoberfläche der lichtdurchlässigen Röhre (214) umfasst, wobei die Phosphorbeschichtung Strahlung emittiert mit einem vorgeschriebenen Spektrum in Reaktion auf die innerhalb der Röhre (214) erzeugte Strahlung.

12. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die zweite Elektrode (212) einen Leiter mit mehreren darin ausgebildeten Mikrohohlräumen aufweist, wobei jeder der Mikrohohlräume Abmessungen aufweist, die ausgewählt sind, um eine Mikrohohlraumentladung bei dem vorgeschriebenen Druck zu erzeugen.

13. Die Lichtquelle nach Anspruch 12, wobei die elektrische Einrichtung eine Einrichtung zum Einkoppeln von Wechselspannungsenergie in die ersten und zweiten Elektroden umfasst.

14. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die elektrische Einrichtung eine Einrichtung (216, 218) zum Einkoppeln von Gleichspannungsenergie in die ersten und zweiten Elektroden umfasst.

15. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die elektrische Einrichtung eine Einrichtung (216, 218) zum Einkoppeln gepulster elektrischer Energie in die ersten und zweiten Elektroden umfasst.

16. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, die als eine Subminiaturfluoreszenzlampe ausgebildet ist, wobei der vorgeschriebene Druck im Bereich von ungefähr 1 bis 200 Torr liegt und jeder der Mikrohohlräume (230) einen Durchmesser von weniger als 1 mm aufweist.

17. Die Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei das Gas aus einem inerten Gas, aus Quecksilberdampfgemisch mit einem inerten Gas, aus einem Excimer eines inerten Gases, aus Schwefeldampf, aus Selendampf und Mischungen davon ausgewählt ist.