專利名稱：冷陰極低壓無汞紫外光氣體放電燈的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于氣體放電燈。
紫外光放電燈已被廣泛應用于醫(yī)療、育種、照明、化學工業(yè)的光化作用、大氣污染的檢測和票據(jù)及證券類的真?zhèn)伪鎰e等人類生活生產(chǎn)的各個方面。已有的紫外光放電燈從放電工作物質(zhì)上大體可以分為兩類一類是汞蒸氣，它的缺點是公眾所熟知的-生產(chǎn)中會污染環(huán)境，使用中會因汞蒸氣的泄漏和短波輻射給人體帶來嚴重傷害，汞紫外光管的體積也較大。另一類是非汞氣體，又分為惰性氣體(He、Ne、Ar、Kr、Xe)紫外光放電燈和氮氣紫外光放電燈(也即氮激光器)。它們的不足之處是，惰性氣體Xe放電不但需要很高的起輝電壓(幾千伏以上)和大電流，而且輻射最強的波段在可見光區(qū)，紫外線較弱，因此用作紫外光源時需加濾光片，使用不便，且能耗也大(R.貝克，W.恩利斯，K.居斯著，張麗娟譯，氣體和蒸氣激光光譜線表，科學出版社，1981，P66-79，CN1041667A)。惰性氣體He、Ne、Ar、Kr放電所產(chǎn)生的輻射波長小于200毫微米，屬極遠紫外區(qū)，只能在真空系統(tǒng)中使用，故應用范圍極其有限(CN1043037A)。氮氣分子激發(fā)放電所產(chǎn)生的輻射波長集中在紫外光區(qū)，是較理想的紫外光放電燈的工作物質(zhì)。但是，要實現(xiàn)氮分子激發(fā)放電需要很大的電流和很陡的高壓(15KV-20KV)脈沖，(高以智主編，激光實驗選編，電子工業(yè)出版社，1988，P47-54，74-81，316-317)，因此目前已有的氮激光器都是體積龐大，電極結(jié)構(gòu)復雜的系統(tǒng)，僅限于用作激光器件?，F(xiàn)有的紫外光放電燈從電陰極劃分，有冷陰極和熱陰極兩種，熱陰極的壽命遠較冷陰極的短。
本發(fā)明的目的是提供一種體積可以制作得很小的冷陰極的在低頻和低壓下就能實現(xiàn)放電的以氮氣或氮氣與惰性氣體混合氣為工作物質(zhì)的紫外光放電燈。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明放電燈的紫外光發(fā)射系統(tǒng)由純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合氣體、堿金屬蒸氣和用高熔點金屬電極(如Ta、或Mo、或W)制成的電極所構(gòu)成。在這一發(fā)射系統(tǒng)中堿金屬蒸氣在高熔點金屬材料電極上形成吸附膜，與該電極一起在放電狀態(tài)下構(gòu)成一個能發(fā)射出高密度電子的電子源，其中所選用的堿金屬以銫最理想。
本發(fā)明的制作過程是這樣的，根據(jù)所要求的功率和形狀，用高熔點金屬(如Ta、或Mo、或W)制成平板型、或空心圓柱型、或空心矩型、或直桿型電極，其尺寸大小由輸出功率的要求而定。將做好的電極封入留有充堿金屬蒸氣口、充氣口和排氣口的玻璃管中，然后封接到帶有堿金屬源和氮氣(或氮氣與惰性氣體混合氣)源的真空系統(tǒng)上，將系統(tǒng)抽到高真空度(10-5-10-6托)后，向玻璃管中充入堿金屬(如銫)蒸氣，堿金屬蒸氣充入量為在電極上復蓋0.5-1.0原子層，再接著充入純氮氣或氮氣與惰性氣體體積比為4∶0-4∶1的混合氣，使玻璃管中壓強為5-10托。在電極兩端加上交流電(50Hz)電壓，通過調(diào)節(jié)放電電壓值，同時觀察其放電情況，當燈的放電電壓和輸出功率達到設計要求時將玻璃管封口，一種新型的冷陰極低壓無汞紫外光氣體放電燈就制作完成。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有的優(yōu)點是由于堿金屬，特別是銫，是低功函數(shù)材料，當它們在高熔點金屬電極上形成吸附膜后，使電極表面功函數(shù)大大降低，成為一個極好的電子發(fā)射源。只要在附有堿金屬吸附膜的電極兩端加上低頻(如50Hz)低壓(如80-220伏)交變電壓，或直流電壓，存在于放電燈系統(tǒng)中的少數(shù)自由電子就開始向電極移動，并轟擊堿金屬原子。由于堿金屬原子具有較低的第一電離能，在一定能量的自由電子轟擊下發(fā)生電離而放出電子。這些被釋放的電子又加入運動的自由電子流，使電極空間的放電強度增強，堿金屬離子也開始向電極運動，并轟擊電極。隨著放電的增強，轟擊電極的自由電子數(shù)和離子數(shù)不斷增加，再加上堿金屬原子由于被激發(fā)放出較強的紅外線，使電極的局部溫度很快升高，當溫度升到足以使電極進入熱發(fā)射狀態(tài)時，該局部處將發(fā)射出大量的電子(因為此時的電極在堿金屬復蓋下電子逸出功很低，故熱發(fā)射效率很高)，在堿金屬和吸附了堿金屬薄膜的電極都發(fā)射電子的狀態(tài)下，形成具有高密度和較高能量的電子束。這一電子束與放電燈中的氮氣分子碰撞，把氮分子從基態(tài)激發(fā)到C態(tài)。由于C態(tài)輻射壽命(40nS)短于B態(tài)的壽命(10μS)，因此處于C態(tài)的激發(fā)電子向B態(tài)躍遷而自發(fā)輻射，放出紫外光。氮分子的振轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)決定了這種輻射的波長集中在3000-4000埃之間，也即在紫外光區(qū)。綜觀上述，本發(fā)明的優(yōu)點是1.由堿金屬原子，特別是銫原子，和高熔點金屬電極一起在放電時構(gòu)成能發(fā)射出高密度電子的電子源，工作時可提供大量電子，使系統(tǒng)的放電電壓大大降低，故本發(fā)明放電燈能在低頻低壓交變電壓或直流電壓下工作，而且體積可以制作得很小。
2.由于氮分子激發(fā)放電所產(chǎn)生的輻射的波長集中在紫外區(qū)，加上電極為冷陰極，故本發(fā)明放電燈電能損耗小，壽命很長。
3.由于排除了汞的存在，生產(chǎn)中既安全又不污染環(huán)境，氮分子發(fā)射的紫外光波長在3000-4000埃之間，對人體是安全的。
4.上述的物理過程都是在很短的時間內(nèi)完成的(＜1μS)，因此該放電燈的工作沒有宏觀的延時效應，一加電壓，立刻進入工作狀態(tài)，使用極為方便。
本發(fā)明放電燈可以應用于制作各種照明器件、顯示器件、輻射器件和激光器件。
實施例1用鉭金屬薄片制成一尺寸為10mm×5mm的平板電極和一尺寸為10mm×5mm×5mm的空心矩形電極，兩電極之間相距為2mm，將它們封入相應大小的玻璃管中，將該玻璃管抽真空至10-5托，并充入銫蒸氣使在電極上復蓋0.5-1.0原子層銫，再充入純氮氣，使玻璃管中壓強達到6托，經(jīng)放電電壓調(diào)節(jié)后封管制成一紫外光放電燈，可在50Hz交流電壓下工作，放電電壓只需80-100伏。
實施例2用直徑為0.4mm的鎢絲制成一高度為10mm，直徑為4mm的螺旋線電極和一高10mm，直徑1mm的直桿電極，直桿鎢棒置于螺旋線鎢絲正中間，將它們封在相應大小的玻璃管中，將玻璃管抽真空至10-6托，并充入銫蒸氣，使其在電極上復蓋0.5-1.0原子層銫，再充入體積比為4∶1的氮氣與氬氣的混合氣，使玻璃管中的壓強達到10托，經(jīng)放電電壓調(diào)節(jié)后封管制成一紫外光放電燈，在50Hz交流電壓下工作，放電電壓為100伏。
兩例中制得的放電燈所發(fā)射的紫外光，經(jīng)光譜儀測定其主峰有四個315.9，337.1，357.7和378.0(nm)，其中以337，1nm和357.7nm為最強。
權(quán)利要求
1.一種冷陰極低壓無汞紫外光氣體放電燈，其特征在于由純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合氣體、堿金屬蒸氣和高熔點金屬電極構(gòu)成放電燈的紫外光發(fā)射系統(tǒng)。
2.按照權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于在紫外光發(fā)射系統(tǒng)中，由堿金屬蒸氣在高熔點金屬電極上形成吸附膜，并與高熔點金屬電極一起在放電狀態(tài)時構(gòu)成一個能發(fā)射出高密度電子的電子源。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的氣體放電燈，其特征在于所用堿金屬為銫。
4.按照權(quán)利要求1或2所述的氣體放電燈，其特征在于充入堿金屬蒸氣的用量為在電極上復蓋0.5-1.0原子層。
5.按照權(quán)利要求1或2所述的氣體放電燈，其特征在于電極所使用高熔點金屬為Ta、或Mo、或W。
6.按照權(quán)利要求1或2所述的氣體放電燈，其特征在于電極的形狀為平板型、或空心矩形型、或螺旋線型、或直桿型，其尺寸大小由放電燈輸出功率而決定。
7.按照權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于充入純氮氣或氮氣與惰性氣體的混合氣的壓強為5-10托。
8.按照權(quán)利要求1所述的氣體放電燈，其特征在于所用氮氣與惰性氣體混合氣中氮氣與惰性氣體得體積比為4∶0-4∶1。
全文摘要
本發(fā)明屬于紫外光氣體放電燈，以純氮氣或氮氣與惰性氣體混合氣、堿金屬蒸氣和高熔點金屬電極構(gòu)成放電燈紫外光發(fā)射系統(tǒng)，在低頻低壓交變電壓或直流電壓下就能放電工作，產(chǎn)生300—400nm的紫外光，成品的體積可以制得很小，能耗也很小，可以用來制作各種照明器件、顯示器件、輻射器件和激光器件。
文檔編號H01J61/78GK1094541SQ93104870
公開日1994年11月2日 申請日期1993年4月29日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月29日
發(fā)明者周清, 趙守珍, 謝寶森 申請人:南開大學