專利名稱：生產(chǎn)場(chǎng)致發(fā)射陰極的方法、場(chǎng)致發(fā)射陰極及光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序生產(chǎn)用于一個(gè)光源的場(chǎng)致發(fā)射陰極的方法。它也涉及一種如此生產(chǎn)的場(chǎng)致發(fā)射陰極和一種包括這樣一種場(chǎng)致發(fā)射陰極的光源。
WO 96/25753涉及采用一個(gè)冷陰極的場(chǎng)致發(fā)射照明設(shè)備、和特別是一種根據(jù)以上的方法。場(chǎng)致發(fā)射照明設(shè)備具有優(yōu)于諸如熒光管之類的其他類型照明設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)，由于后者需要用于功能的復(fù)雜外部電氣設(shè)備，并且由于他們包含對(duì)環(huán)境有消極影響的材料。在熒光管中，采用氣體放電以便把輻射發(fā)射到又發(fā)射可見光的熒光材料上。場(chǎng)致發(fā)射照明設(shè)備另一方面允許包括環(huán)境無害材料，并且能使用更簡(jiǎn)單和更經(jīng)濟(jì)的設(shè)備運(yùn)行。
而且在WO 96/25753中，展望用在場(chǎng)致發(fā)射光源中的一個(gè)冷場(chǎng)致發(fā)射陰極具有便于得到用于電子場(chǎng)致發(fā)射的局部高電場(chǎng)強(qiáng)度的表面幾何形狀。進(jìn)一步展望，形成帶有一個(gè)具有便于電子場(chǎng)致發(fā)射的特定外形的場(chǎng)致發(fā)射陰極。進(jìn)一步預(yù)見，以這樣一種方式排列不規(guī)則體，從而得到高機(jī)械和電氣耐久性以及長(zhǎng)工作壽命和每表面面積單位的高能量發(fā)射。
根據(jù)WO 96/25753，這通過用低功函數(shù)材料的離子輻射纖維的發(fā)射端實(shí)現(xiàn)，以便降低發(fā)射端的電子功函數(shù)。該輻射步驟引起在發(fā)射端中的清晰不規(guī)則體。然后執(zhí)行一個(gè)改性步驟，以便把非常高和和清晰的不規(guī)則體排列成圓滑形狀，這將導(dǎo)致發(fā)射端有效和耐用，從而導(dǎo)致具有長(zhǎng)工作壽命的陰極。
根據(jù)引用文檔的方法導(dǎo)致一種功能良好的陰極，然而其制造復(fù)雜、耗時(shí)并因此較昂貴。
本發(fā)明的一個(gè)主要目的在于，提供一種用來生產(chǎn)用于一個(gè)光源的冷場(chǎng)致發(fā)射陰極的方法，該陰極不受以前已知方法的描述缺陷之害。而且一個(gè)一般目的在于，提供一種用來生產(chǎn)用于光源的有效和耐用冷場(chǎng)致發(fā)射陰極的方法。
該目的在根據(jù)以上的方法中通過權(quán)利要求1的特征化部分的特征實(shí)現(xiàn)。
制造用于場(chǎng)致發(fā)射光源的冷場(chǎng)致發(fā)射陰極的這種方法從根本上得以簡(jiǎn)化，并因此更經(jīng)濟(jì)。與已經(jīng)期望的相反，有可能避免根據(jù)先有技術(shù)的耗時(shí)和復(fù)雜步驟。
通過使激光束與發(fā)射本體的場(chǎng)致發(fā)射表面相接觸執(zhí)行的處理導(dǎo)致熱化學(xué)處理，保證更好的控制當(dāng)實(shí)施本發(fā)明方法時(shí)，相對(duì)于場(chǎng)致發(fā)射元件的生成尺寸和分布得到希望的結(jié)果。這與其中在輻射和改性步驟中的固有弱點(diǎn)不能保證在纖維束的各部分上的均勻結(jié)果的以前方法相反，這些纖維在實(shí)際中經(jīng)受處理。對(duì)于來自這種處理的良好結(jié)果的意外原因，由激光束能量的且沿與發(fā)射本體中的材料的稍微不均勻結(jié)構(gòu)組合的束長(zhǎng)度的協(xié)作作用解釋，其中在實(shí)際中不同區(qū)域具有不同的性質(zhì)。這些不同區(qū)域不同地響應(yīng)激光處理，這以后導(dǎo)致具有希望高和圓滑外形的不規(guī)則體的產(chǎn)生。
就碳纖維而論，該材料擁有取向的顯微結(jié)構(gòu)、或多或少排序的相，如石墨的晶體，在非晶碳的母體和表皮中提供高強(qiáng)度、彈性模量、傳導(dǎo)性及化學(xué)穩(wěn)定性。本發(fā)明展望通過激光處理的材料的改進(jìn)，由此晶體和非晶材料以這樣一種方式響應(yīng)激光處理，從而得到不規(guī)則體的希望外形。
而且，通過激光處理能改進(jìn)在有序相下的碳纖維表皮的電氣性質(zhì)。
在表面改性的同時(shí)成形本體的事實(shí)提供幾個(gè)另外的優(yōu)點(diǎn)。用激光輻射切削發(fā)射本體以便裁剪其尺寸、其長(zhǎng)度等；及同時(shí)用激光輻射改性發(fā)射表面，提供一種合理和經(jīng)濟(jì)的方法。這樣可以避免機(jī)械或類似切削，由此避免諸如變形體表面部分的機(jī)械切刖的缺陷。激光切削給出優(yōu)于諸如機(jī)械切削之類的機(jī)械成形的優(yōu)點(diǎn)，能把灰塵形成減小到最小。在包括根據(jù)先有技術(shù)生產(chǎn)的發(fā)射本體的光源中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于從發(fā)射本體的機(jī)械裁剪和切削發(fā)散的灰塵，降低效率和工作壽命。
而且，一種包括根據(jù)發(fā)明方法制造的場(chǎng)致發(fā)射陰極的照明設(shè)備將更有效，其中激光成形發(fā)射本體并且同時(shí)改性發(fā)射表面。其原因在于，經(jīng)陰極可以引導(dǎo)更大的電流，并且在其它條件類似的情況下由于表面更均勻，從光源可以發(fā)射比先有技術(shù)多的光。因此導(dǎo)致一種具有延長(zhǎng)工作壽命的更耐用光源。通過使發(fā)射表面更均勻，將導(dǎo)致更好的電子發(fā)射作用。這又導(dǎo)致較大的電流和以后較多的光。作為一種比較，據(jù)說，在纖維的情況下，根據(jù)本發(fā)明處理的纖維已經(jīng)表明允許大到通過根據(jù)先有技術(shù)的設(shè)備電流的五倍電流。這能使用以便建造具有比以前長(zhǎng)的工作壽命的光源和/或比以前更強(qiáng)的光源。均勻發(fā)射表面的提供也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榕c先有技術(shù)光源相比較光分布更均勻和舒適。
本發(fā)明能應(yīng)用于不同種類的場(chǎng)致發(fā)射本體，如根據(jù)WO 96/25753使用的那種股纖維、所謂的碳納米管(CNT)、所謂的金剛石狀碳(DLC)、諸如網(wǎng)狀玻璃碳(RVC)之類的多孔碳泡沫材料。經(jīng)受該方法的材料一般大都是碳材料，但其它類似功能材料可以用作發(fā)射本體材料。因而本發(fā)明不排除其他類似材料和其他本體形式。
基本上本發(fā)明是一個(gè)單步驟過程，其中同時(shí)進(jìn)行清洗、切削、成形及表面改性。
然而，在某些情況下，激光切削和某些改性表面可能需要進(jìn)一步的激光處理，以便得到更有效的發(fā)射表面。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，通過把預(yù)處理表面與另外的激光輻射接觸可以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，這種激光輻射可能具有除用于切削的第一激光輻射的不同種類、/或強(qiáng)度，以便優(yōu)化處理。
該方法也適用于諸如碳泡沫材料體之類的整體多孔體。通過互連薄結(jié)構(gòu)包括這樣一種本體，以便稱作整體結(jié)構(gòu)。通過激光切削或成形例如能成形為具有平面或圓柱形發(fā)射表面。改性生成表面以便得到與以上對(duì)于纖維已經(jīng)描述的相類似的最佳電子發(fā)射表面。這樣制造的場(chǎng)致陰極制造比較容易和便宜。
本發(fā)明也適用于由包含碳或類似作用材料的細(xì)線制成的編織結(jié)構(gòu)。
DE-A1-196 53 820描述了場(chǎng)致發(fā)射表面的生產(chǎn)，特別是對(duì)于平屏幕用途。根據(jù)該文檔，激光輻射，例如經(jīng)掩模技術(shù)，局部應(yīng)用于金剛石或金剛石狀碳層。這樣，將得到高于相鄰區(qū)域突起的區(qū)域，這在本發(fā)明的方面中是高度不想要的東西。
另外的優(yōu)點(diǎn)通過本發(fā)明得到，并且由借助于例子和參照附圖給出的實(shí)施例的如下詳細(xì)描述將明白。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一種場(chǎng)致發(fā)射光源，圖2以放大比例表示一個(gè)發(fā)射本體的發(fā)射表面，圖3表示根據(jù)一個(gè)第二實(shí)施例的一種場(chǎng)致發(fā)射光源，圖4示意表明根據(jù)本發(fā)明方法的第一實(shí)施例，及圖5示意表明根據(jù)本發(fā)明方法的第二實(shí)施例。
在根據(jù)本發(fā)明的一種最佳方法中，一種場(chǎng)致發(fā)射陰極由作為聚丙烯腈碳纖維可買到的纖維束制成。包含碳的其他適當(dāng)材料或具有在幾微米(μm)范圍中的直徑的類似材料可以同樣使用。如圖1中所示，一個(gè)光源表示成帶有纖維束1形式的場(chǎng)致發(fā)射陰極，所述束以矩陣形式布置，并且布置在一個(gè)導(dǎo)電基片17上。在與矩陣相同的平面上、且在其附近在十分之一毫米的量級(jí)上、及高于束1的發(fā)射端，提供有一根調(diào)制解調(diào)器電極12，帶有繞每個(gè)束對(duì)中的一個(gè)孔徑?；?7和調(diào)制解調(diào)器12停放在帶有一塊上部邊界玻璃板15和一塊下部邊界玻璃板16的真空玻璃容器內(nèi)的介電支撐18上。相對(duì)著束1和調(diào)制解調(diào)器12，在上部邊界15的內(nèi)側(cè)提供有一個(gè)陽(yáng)極層13和一個(gè)發(fā)光層14。陽(yáng)極層13、調(diào)制解調(diào)器12及基片17分別帶有電氣終端A、B、C，以便從束1經(jīng)調(diào)制解器孔徑向與陽(yáng)極層13連接的發(fā)光層14施加電壓引導(dǎo)電子。當(dāng)電子進(jìn)入發(fā)光層14時(shí)，發(fā)射光離開透明陽(yáng)極13和玻璃容器。
該光源也可以建造成二極管，即不帶有調(diào)制解調(diào)器。
重要的是，布置在基片17上的纖維束矩陣具有一個(gè)均勻表面，并且每個(gè)發(fā)射本體的表面提供有多個(gè)成形的不規(guī)則體，以便當(dāng)基片經(jīng)受電位時(shí)容易排斥電子。而且表面應(yīng)該提供有成形的、圓滑的不規(guī)則體，從而在使用期間所述不規(guī)則體的過分變形不會(huì)發(fā)生。這種變形否則對(duì)于光源工作壽命基本上是有害的。
根據(jù)本發(fā)明，包括基片17和纖維束的單元借助于激光成形和處理，由此準(zhǔn)確地切削纖維以形成整體均勻表面，通過激光處理的所述表面提供有希望圓滑的不規(guī)則體。如有必要，為了完成表面，通過例如用激光輻射掃描切削表面的輔助激光處理可能是希望的。
圖2表示一根纖維9在激光束切削和處理之后的輪廓10。發(fā)射端輪廓具有高而稍微圓滑的不規(guī)則體11。
圖3表示采用由碳泡沫材料制成的場(chǎng)致發(fā)射陰極21的場(chǎng)致發(fā)射光源20。一個(gè)調(diào)制解調(diào)器柵極指示為22，并且陽(yáng)極層指示為23，而磷層用24指示。發(fā)射陰極21、調(diào)制解調(diào)器柵極22、及作為23的陽(yáng)極層分別提供有終端A、B和C，以便使這些元件經(jīng)受適當(dāng)電位。均勻地切削表面25，以便提供一個(gè)基本上在一個(gè)平面內(nèi)的發(fā)射表面，并且借助于激光輻射切削到希望尺寸。如有必要，表面25用以后的激光輻射進(jìn)一步處理，以便完成發(fā)射表面。
如以上已經(jīng)指示的那樣，對(duì)于不同成形和否則不同的場(chǎng)致發(fā)射陰極可以使用該方法。在由WO 98/57344或WO 98/57345中所示的纖維或由碳泡沫材料的圓柱多孔體制成的、用于徑向發(fā)射的圓柱形陰極的情況下，發(fā)射表面的激光切削和/或處理通過例如轉(zhuǎn)動(dòng)陰極體和同時(shí)用激光束掃描施加。
這表明在圖4中。一個(gè)使其圓周表面提供有要成形和改性的材料的圓柱體30繞其軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)激光器31用激光輻射-虛線，掃描可繞一個(gè)軸線樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的體的表面，從而激光射線基本上跟隨圓柱體30的切線。這樣成形本體，由此通過激光輻射的作用除去高于某一高度突出的材料，并且根據(jù)以上解釋改性。
一種可選擇的方法表明在圖5中，其中用來自激光器33的激光輻射掃描一個(gè)平面體32。通過激光器相對(duì)于在要成形和改性的上表面處的本體的橫向移動(dòng)得到掃描。得到與在圖4中表明的方法中的相同效果。
根據(jù)本身已知的方法通過運(yùn)動(dòng)諸如反射鏡和透鏡之類的光學(xué)器件也可以得到激光射線的掃描。就本發(fā)明而論，因而重要的是，沿要處理的表面取向激光輻射，從而在彎曲表面的情況下與該表面相切，或者在是平面的情況下與表面方向重合。
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，能控制生成材料的純度和/或某些想要特性的添加，從而可以把不同性質(zhì)給出到發(fā)射表面。這稱作蝕刻。這取決于在處理期間在被處理體周圍的氣氛的成分，并且取決于光束強(qiáng)度和光點(diǎn)大小以及氣氛的流動(dòng)特性。在惰性氣氛中，能實(shí)現(xiàn)非晶碳的蒸發(fā)或升華。在氧或氫存在的情況下，可能有非晶碳的催化石墨化。在包括氮或空氣的氣氛中，在適中流動(dòng)氣氛中可以形成帶有鍵合氧和/或氮的表面團(tuán)。在高流動(dòng)氣氛條件下，可以執(zhí)行高溫腐蝕。
也有可能采用本身已知的過程把物質(zhì)添加到發(fā)射表面上，以便改變其性質(zhì)。
本發(fā)明可以包括在涉及其他本身已知步驟的方法中，如在以前描述的PCT文檔中提到的那些。在用例如聚合材料表面處理碳纖維的情況下，并且如果需要除去這種表面處理材料，則這在某些情況下能在激光處理期間或者否則在任何其他適當(dāng)過程中的熱處理過程中已經(jīng)得到。
原則上，可以使用具有足夠強(qiáng)度和工作在可見光區(qū)域或靠近該區(qū)域的任何種類的激光器。光束可以具有圓形或橢圓形截面或任何其他適當(dāng)截面。激光束的配置可以適于要改性的材料。
對(duì)于切削、蝕刻及表面處理的整個(gè)過程，作為一個(gè)例子，對(duì)于0.1-10kW/mm2的束強(qiáng)度可以使用在約0.01-0.1m/s范圍中的進(jìn)給。可以采用可買到的JAG和在約100-1000W之間的二極管激光器。光束可以脈動(dòng)或不脈動(dòng)。通過在由激光輻射處理的材料發(fā)射表面中的多余材料的蒸發(fā)和局部熔化實(shí)現(xiàn)發(fā)射本體的成形。這樣導(dǎo)致清潔效果。存在的少量過多材料以及可能的其他不穩(wěn)定材料通過蝕刻效應(yīng)固定或者被蒸發(fā)。如此清潔的、沒有松散顆粒的表面增大穩(wěn)定性和生成光源的工作壽命。
可以成形到任何希望形狀。作為例子，可以形成平的和圓柱形的本體。通過激光束相對(duì)于體(圖5)的、或可選擇地要成形和改性的本體相對(duì)于靜止激光束的橫向線性掃描移動(dòng)，可以生產(chǎn)平發(fā)射表面(具有沿平面的發(fā)射部分)。除上述方法(圖4)之外的形成圓柱發(fā)射表面(帶有沿圓柱表面的發(fā)射部分)的方法作為例子或者相對(duì)于靜止激光束轉(zhuǎn)動(dòng)要成形和改性的本體，或者使激光束變成相對(duì)于本體的圓形橫向掃描路徑。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)用于一個(gè)光源、且包括至少一個(gè)帶有一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射表面的場(chǎng)致發(fā)射本體的場(chǎng)致發(fā)射陰極的方法，其中該方法包括改性所述發(fā)射表面，以便提供在在每個(gè)所述表面中的至少一個(gè)電場(chǎng)發(fā)射不規(guī)則體處，該方法的特征在于，至少一個(gè)激光束被引入以成形本體并且同時(shí)接觸場(chǎng)致發(fā)射表面，及由此提供對(duì)于本體表面的改性處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)于纖維形式的至少一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射本體執(zhí)行它。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，布置每個(gè)激光束，以在改性發(fā)射表面時(shí)同時(shí)切削每根纖維。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，對(duì)于一個(gè)整體多孔體執(zhí)行它。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，由一種碳泡沫材料生產(chǎn)本體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由碳納米管形成本體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由包含編織碳線的材料生產(chǎn)本體。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，用另外的激光處理進(jìn)一步改性表面。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，布置激光以掃描發(fā)射表面。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用在可見光區(qū)域中或靠近其的激光。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，使用約0.1-10kW/mm2的激光束強(qiáng)度。
12.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在切削和/或處理期間以約0.01-0.1m/s的速度運(yùn)動(dòng)激光束。
13.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在大氣條件下執(zhí)行激光處理。
14.根據(jù)以上權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，在惰性氣氛條件下執(zhí)行激光處理。
15.一種場(chǎng)致發(fā)射陰極，其特征在于，它通過根據(jù)權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)所述的方法生產(chǎn)。
16.一個(gè)激光源，包括一個(gè)真空容器，帶有提供有一個(gè)發(fā)光層和一個(gè)形成一個(gè)陽(yáng)極的導(dǎo)電層的至少一個(gè)壁；一個(gè)場(chǎng)致陰極；及用來產(chǎn)生用于來自陰極的電子發(fā)射的電場(chǎng)，該光源的特征在于，它包括根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種場(chǎng)致發(fā)射陰極。
全文摘要
一種生產(chǎn)用于一個(gè)光源、且包括至少一個(gè)帶有一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射表面的場(chǎng)致發(fā)射本體的場(chǎng)致發(fā)射陰極的方法,其中該方法包括改性所述發(fā)射表面,以便提供在在每個(gè)所述表面中的至少一個(gè)電場(chǎng)發(fā)射不規(guī)則體。該方法的不同之外在于,把至少一個(gè)激光束引入以成形本體并且同時(shí)接觸場(chǎng)致發(fā)射表面,及由此提供對(duì)于本體表面的改性處理。本發(fā)明也涉及一種如此生產(chǎn)的場(chǎng)致發(fā)射陰極和一種包括這樣一個(gè)場(chǎng)致發(fā)射陰極的光源。
文檔編號(hào)H01JGK1361918SQ0081017
公開日2002年7月31日 申請(qǐng)日期2000年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月10日
發(fā)明者甘納·弗斯伯格, 卡爾－哈肯·安德森 申請(qǐng)人:光實(shí)驗(yàn)室股份公司