專利名稱：高能效燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高能效燈，并且更具體地，但并非排他地，涉及利用電子和氣體粒子的碰撞來產(chǎn)生光子的燈。
背景技術(shù)：
常規(guī)的燈包括白熾燈和包括熒光燈的各種放電燈。熒光燈包括被加熱至其明亮地發(fā)光的溫度的燈絲。放電燈通常包括填充一種合適的氣體(或多種氣體)的玻璃燈管，其中電子以其動能的一部分被轉(zhuǎn)移到氣體分子上的方式被加速，從而將其中的電子激發(fā)到合適的能級。然后，被激發(fā)的電子返回到它們初始能級，同時釋放光子。在量子物理學(xué)中這個過程是眾所周知的。熒光燈通常通過使用在其外壁上的涂層在被電子或紫外線輻射轟擊時發(fā)光或發(fā)出熒光來增強(qiáng)效果，從而可以將通過碰撞釋放的另外的不可見的能量轉(zhuǎn)化成可見光，并且提高效率。更具體地，氣體放電燈是借助通過電離氣體(即等離子體)進(jìn)行放電以生成光的人造光源的家族。通常，這樣的燈使用惰性氣體，例如氬、氖、氪或氙，或這些氣體的混合物。大多數(shù)燈被填充另外的材料，水銀，鈉，和/或金屬鹵化物。在操作中，氣體被電離，并且被燈管中電場加速的自由電子與氣體和金屬原子碰撞。在所述氣體和金屬原子周圍循環(huán)的一些電子被這些碰撞激發(fā)，將它們帶入更高的能級。當(dāng)電子回落到其初始狀態(tài)時，其發(fā)射光子，產(chǎn)生可見光或紫外線輻射。然后，紫外線輻射可以被如上討論的燈玻璃表面內(nèi)側(cè)上的熒光涂層轉(zhuǎn)換為可見光。熒光燈或許是最有名的氣體放電燈。氣體放電燈提供較長的壽命和較高的發(fā)光效率，但是與熒光燈相比制造更加復(fù)雜，并且它們需要電子設(shè)備提供通過氣體的適當(dāng)?shù)碾娏?。所有上述常?guī)燈的缺點(diǎn)是它們相對低的效率。熒光燈具有8%的效率，甚至最高效的熒光燈也很少超過22%。測量效率的另一個方法是以所使用的每瓦電能生成的流明計。標(biāo)準(zhǔn)的鎢絲白熾燈達(dá)到大約15流明/瓦，而鎢鹵素?zé)艨梢赃_(dá)到高達(dá)30流明/瓦，并且熒光燈達(dá)到100流明/瓦的最大值。高壓鈉燈產(chǎn)生150流明/瓦，并且低壓鈉燈甚至更高率，產(chǎn)生高達(dá)200流明/瓦，但是缺點(diǎn)在于它們提供非常差的顯色性，因此主要地被用作街道照明。在所有的情況下，相對大量的能量以熱能形式被轉(zhuǎn)化和消耗，這顯然是不理想的。在各種氣體放電燈中，在碰撞期間在電離氣體粒子中大量能量被損失掉，大部分電子未達(dá)到產(chǎn)生激發(fā)的適當(dāng)能量。應(yīng)當(dāng)指出的是人眼對黃色特別敏感，因此即使特定燈整體不是高效的，如果其產(chǎn)生不成比例數(shù)量的黃色，那么在流明/瓦方面它是更加高效的。標(biāo)準(zhǔn)熒光等管具有小于IV/厘米的電場，在其影響下離子從陽極移動至陰極。離子轟擊陰極，并且在通往陽極的路徑上具有較低能量的許多自由電子與氣體粒子碰撞從而不生成光子。氣體粒子電離本身是浪費(fèi)能量的?？傮w上，對于在陽極和陰極之間電子通道中的電子存在較少的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)施方式可以提供從陰極到陽極的路徑，其中可以對電子進(jìn)行控制，以便使電子的動能基本上保持在激發(fā)能量的范圍內(nèi)，從而在希望的光譜中高效地生成光。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種照明燈管(照明管，lighting tube)，具有第一端部和第二端部，在它們之間限定縱向長度，并且包括:沿所述燈管縱向安排的場陽極(anode)和場陰極(cathode)，以便提供電場；沿所述燈管縱向安排的磁體，以便提供磁場，所述磁體被安排成使得所述磁場基本上垂直于所述電場；電場和磁場一起提供沿所述燈管縱向的電子路徑，并且場陽極和/或場陰極在提供為在燈管玻璃上的平滑透明涂層，例如氧化錫涂層。可替代地，場陽極和場陰極中至少一個被成形以包括非均勻性。在實(shí)施方式中，場陰極包括所述成形以提供非均勻性。在實(shí)施方式中，磁場是基本上均勻的。在實(shí)施方式中，磁體以規(guī)則間隔安排，以便提供基本上均勻的場。在實(shí)施方式中，規(guī)則間隔具有15毫米的數(shù)量級。在實(shí)施方式中，電場具有200伏/厘米的數(shù)量級。在實(shí)施方式中，磁場具有在300高斯到1000高斯數(shù)量級內(nèi)的范圍。實(shí)施方式可以包括發(fā)射陰極，以便為路徑提供電子發(fā)射。在實(shí)施方式中，發(fā)射陰極是熱陰極，并且場陰極是冷陰極。在實(shí)施方式中，場陽極和場陰極中至少一個包括網(wǎng)格。在實(shí)施方式中，第一和第二端部被連接，以便提供連續(xù)路徑。所述燈可以是低壓燈管，并且可以具有2Tor、lTor和0.5Tor范圍內(nèi)的壓力。所述燈可以由直流電流操作。所述燈可以具有橫向直徑，并且其中縱向長度相對于橫向直徑的比率具有50:1或更大的數(shù)量級。根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式，提供了照明燈管，具有第一和第二端部并且包括:沿所述管縱向安排的場陽極和場陰極，以便提供電場；沿所述管縱向安排的磁體，以便提供磁場，所述磁體被安排成使得磁場基本上垂直于電場；電場和磁場一起提供沿所述管縱向的電子路徑；所述燈管是低壓燈管，具有不超過2Tor的壓力。發(fā)射陰極可以為該路徑提供電子發(fā)射。陰極可以是電子槍裝置的一部分，其中電子流量被格柵加速進(jìn)入燈管中。在實(shí)施方式中，電子槍被屏蔽，然后，等離子體可以在所述槍內(nèi)形成。在實(shí)施方式中，發(fā)射陰極是熱陰極。生成等離子體的發(fā)射的加速電子由氣體分子釋放另外的電子，從而增加電子流量。在實(shí)施方式中，發(fā)射陰極與場陰極隔開。在實(shí)施方式中，第一和第二端部被連接，以便提供連續(xù)路徑。所述照明燈管可以具有橫向直徑，并且縱向長度相對于橫向直徑的比率可以具有100:1的數(shù)量級。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供了照明方法，包括:在具有縱向長度的密閉空間內(nèi)；提供基本上均勻的磁場， 提供電場，在一個實(shí)施方式中所述電場是均勻的，并且在可替代的實(shí)施方式中，包括非均勻性，電場和磁場被設(shè)置成沿縱向長度彼此正交；以及將發(fā)射陰極放置在縱向長度的位置，以便在正交場的影響下提供電子沿縱向長度行進(jìn)。所述方法可以包括選擇場的值，以便將電子動能限于希望波長光子的激發(fā)能量，從而提供將電子碰撞高效地轉(zhuǎn)化成光子。所述方法可以包括在發(fā)射陰極提供不超過20mA/平方厘米的電流密度。所述方法可以包括向發(fā)射陰極提供電力，所述電力不超過提供給燈總電力比例的組的一個成員，該組由以下組成:50%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%和5%。除非另外限定，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。本文提供的材料、方法和實(shí)施例僅是示例性的，并非旨在進(jìn)行限制。本文使用的詞語“示例性的”是指“用作例子、示例或說明”。描述為“示例性的”任何實(shí)施方式不必解釋為比其他實(shí)施方式優(yōu)選或有利，和/或排除結(jié)合來自其他實(shí)施方式的特征。本文使用的詞語“可選地”是指“在一些實(shí)施方式中提供，而在其他實(shí)施方式中不提供”。本發(fā)明的任何具體實(shí)施方式
可以包括多個“可選的”特征，除非這樣的特征發(fā)生沖突。


在此僅以舉例方式，通過參考附圖，對本發(fā)明進(jìn)行說明。現(xiàn)在詳細(xì)地專門參考附圖，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)的是示出的細(xì)節(jié)是作為舉例，并且僅用于本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的說明性討論的目的，而且被提出以便提供被認(rèn)為是對于本發(fā)明原理和概念方面最有用和最容易理解的說明的事物。在這個方面，不想示出比對本發(fā)明的基本理解所需要的更詳細(xì)的本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，結(jié)合附圖的說明使本領(lǐng)域的技術(shù)人員明白在實(shí)踐中如何體現(xiàn)本發(fā)明的幾個形式。在附圖中:圖1是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，具有交叉電場和磁場的燈管的簡化示意圖；圖2是顯示在交叉的電場和磁場中典型電子路徑的理論圖；圖3A是在圖1的交叉的電場和磁場中帶電粒子的電子路徑上的速度或動能的理論圖；圖3B是常規(guī)放電燈的能量的理論圖；圖3C是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的燈的能量的理論圖；圖3D是說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式提供無限電子路徑(infinite electronpath)的劈開的管形燈的示意圖4是構(gòu)建成提供圖1所示種類的電子路徑的燈的透視圖；圖5是顯示圖4的燈的端部細(xì)節(jié)的簡化圖；圖6是說明用于發(fā)射電子的熱離子陰極、用于保持沿?zé)艄茈妶龅木W(wǎng)格場陰極和場陽極，以及相應(yīng)連接器的簡化圖；圖7是說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式與磁體一起裝配到燈管中，并有待用密封帽密封的圖6的部件的簡化圖；圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，圖7的組件從陰極下面的視圖的簡化圖；圖9是顯示沒有密封帽的圖7組件并且示出構(gòu)件支架的簡化圖；圖10是說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式、在插入燈管中之前電極和磁體與構(gòu)件支架保持在一起的簡化圖；圖11是將陰極、陽極和磁體保持在一起的圖10的構(gòu)件支架中的一個的特寫細(xì)節(jié);圖12示出被插入到燈管中的圖11的組件，為了清楚起見，將右手的磁體和陽極移開；圖13是根據(jù)本發(fā)明燈的第二實(shí)施方式的矩形管的簡化圖，其中該矩形管接受陽極和陰極的插入以及外部安裝磁體；圖14是顯示帶有外部安裝的磁體的圖13的矩形管的簡化圖，所述磁體被安裝在外部圓管中；圖15是顯示陽極和陰極內(nèi)部安裝在矩形管內(nèi)以及利用構(gòu)件支架外部安裝磁體的簡化圖；圖16是顯示帶有對于根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的燈的縱向電極的環(huán)形管的簡化圖；圖17是顯示安裝在圖16的環(huán)形管上的網(wǎng)格陰極的簡化圖并且顯示其上的電連接；圖18示出蓋子被移開的圖16的環(huán)形燈的外殼；圖19示出利用構(gòu)件支架在圖16的環(huán)中安裝陽極和陰極；圖20示出如圖19所示安裝的陽極和陰極，其中添加磁體，整體被插入到圖18的外殼中；圖21是顯示用于針對環(huán)形管安裝的陽極和陰極的電連接器的簡化圖；圖22是顯示根據(jù)圖3D的實(shí)施方式的分隔管形燈(split tube lamp)的簡化圖；圖23是顯示如何根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式構(gòu)建分隔管形燈的簡化剖切圖；圖24是圖23的剖切圖的另外的透視圖；圖25是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的分隔管形燈的透視圖，其中所述分隔遵循紙張的平面；圖26是圖25的分隔管形燈的透視圖，其中所述分隔從端部向上觀看；以及圖27是顯示用于圖1的燈管的變體電子槍的簡化圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明實(shí)施方式包括由燈管、低壓氣體和彼此成直角以便沿?zé)艄荛L度以可控加速方式加速粒子的電場和磁場組成的燈。可控加速可以在可見光和/或紫外線范圍內(nèi)將電子動能保持在適于產(chǎn)生光子的水平。粒子的碰撞從而生成光子，并且?guī)缀跸x子化、熱生成
坐坐寸寸O電場可以設(shè)計成稍微不均勻的，以便輔助粒子的加速。燈的設(shè)計和結(jié)構(gòu)能夠以這種方式制成，從而減少、或甚至防止在燈內(nèi)在粒子之間碰撞期間的放電和離子化。其中可以避免放電和離子化的方式之一是構(gòu)造發(fā)射陰極，使得發(fā)射的電子的電流密度小于200mA/平方厘米。此外，發(fā)射陰極能夠以這種方式構(gòu)造和供電，使得其可以消耗燈總電力的少于50%。更具體地，發(fā)射陰極可以消耗少于40%，或少于35%，或少于30%，或少于25%，或少于20%，或少于15%，或少于10%或少于5%的燈總能量，在每種情況下產(chǎn)生更高效率的照明。在發(fā)射陰極處關(guān)于電流密度一點(diǎn)是，更高的電流密度易于導(dǎo)致在陰極上產(chǎn)生電子云，然后其抑制其他電子的發(fā)射。較低的電流密度避免電子云的形成，并且電子以個體形式起作用，從而使得該過程更有效率。通過參考附圖及其相應(yīng)的描述，可以更好地理解根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的原理和操作。在詳細(xì)解釋本發(fā)明至少一個實(shí)施方式之前，應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明并不將其應(yīng)用限于在下面描述中提出的以及在附圖中說明的構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和安排的細(xì)節(jié)。本發(fā)明可以是其他實(shí)施方式或以各種方式實(shí)踐或?qū)嵤６覒?yīng)當(dāng)理解的是本文采用的短語和術(shù)語是用于描述目的，而不應(yīng)認(rèn)為是限制性的?，F(xiàn)在參考圖1，其是說明具有第一端部12和第二端部13的照明燈管10的剖面的概圖。場陽極14和場陰極16沿?zé)艄芸v向地安排，以便提供電場。磁體20和22沿?zé)艄芸v向安排，以便提供磁場，并且磁場關(guān)于陽極和陰極安排，使得產(chǎn)生的磁場基本上正交于磁場。電場和磁場可以一起提供沿?zé)艄芸v向地螺旋的電子路徑(如下面將詳細(xì)描述的)。電子路徑沿圖中的X維度螺旋并被建立，使得在燈管一個端部發(fā)射的端子可以沿電子路徑行進(jìn)到該燈管的遠(yuǎn)端?，F(xiàn)在參考圖2，其是顯示當(dāng)電子放置在燈管內(nèi)部的正交電場和磁場中時，認(rèn)為電子遵循的典型路徑的理論圖。電子在路徑上螺旋并在低速狀態(tài)(當(dāng)電場將電子朝向陽極徑向地加速時)與高速狀態(tài)(當(dāng)磁場沿?zé)艄艿拈L度吸引加速的電子時)之間循環(huán)。由于磁場吸引電子遠(yuǎn)離陽極，由于電場的加速被降低，并且電子的動能水平可以被控制。這樣的電子路徑的想法是以這種方式控制電子通道，以便確保任何一個電子可以提供不像每個標(biāo)準(zhǔn)電子放電燈一樣盡可能多的碰撞，而是產(chǎn)生盡可能多的光子。為此目的，提供了電極和強(qiáng)電場(垂直于強(qiáng)磁場)。如所述，在缺少與氣體粒子碰撞的情況下，螺旋路徑確保電子的速度和能量保持合理穩(wěn)定。如果電子不與任何其他粒子碰撞，那么其將行進(jìn)燈管的全長并保持能量。如果在燈管中存在與不帶電荷的氣體粒子的低能量碰撞，那么存在彈性碰撞，并且?guī)缀鯖]有能量損失。但是如果碰撞交出能量，那么發(fā)射光子，并且電子降低其能量。由于沒有運(yùn)動，磁場對電子不具有任何影響，而相反地，電場開始將電子向上朝向該燈管的陽極加速。當(dāng)電子加速時，磁場開始再次發(fā)揮作用，電子被吸引到燈管的縱向方向中。電子很快返回到其可以發(fā)射光子的能級?，F(xiàn)在參考圖3A，其是顯示在缺少碰撞的情況下，在電子路徑中電子的速度或動能水平的簡化圖。該速度和動能可以在最大值與零之間循環(huán)?，F(xiàn)在返回圖1，場陽極14與場陰極16中的一個或另一個可以提供為網(wǎng)格，而不是固體。網(wǎng)格的使用具有兩個效果，首先電場是不均勻的，其有助于加速粒子，其次生成的光能夠離開該燈管。在一個實(shí)施方式中，場陰極被制成網(wǎng)格，而陽極可以是反射的。在另一個實(shí)施方式中，陽極和陰極兩者，或者僅僅是陽極，可以由網(wǎng)格制成。磁場可以是基本上均勻的(例如由于以規(guī)則間隔放置磁體造成的)，并且由于上述網(wǎng)格，電場可以是基本上不均勻的。例如，磁體能夠以15mm數(shù)量級的規(guī)則間隔放置，從而給出300高斯的場。電場可以是200伏/厘米的數(shù)量級。在圖1中，發(fā)射陰極18提供電子發(fā)射。發(fā)射陰極可以與場陰極隔開，并且可以提供將電子基本上點(diǎn)發(fā)射到燈管空間。典型地，發(fā)射陰極是熱陰極。根據(jù)陰極材料，發(fā)熱陰極可以保持在800到1000度。鎢可以比其更熱。優(yōu)選材料是氧化鈹，其在大約1000度下是良好的電子發(fā)射體，并且可以比其他材料更高效地加熱到這個溫度。典型地，有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員會選擇使用最少的整體能量并發(fā)射合適量的電子的陰極材料。陰極可以提供尖端放電。這與在整個區(qū)域放電的現(xiàn)有燈形成對比。如在常規(guī)燈中發(fā)現(xiàn)的，雪崩放電(avalanche discharge)消耗能量用于離子化，以及用于產(chǎn)生具有不適于光生成的隨機(jī)能量的電子，即，它們的能量分布是不可控的，從而它們對光產(chǎn)生較低的貢獻(xiàn)。實(shí)際上，它們主要生成熱量。如本文所解釋的，本發(fā)明實(shí)施方式在系統(tǒng)中并不增殖帶電荷粒子的數(shù)量，并且發(fā)射的電子的數(shù)量基本上是被陽極接收的數(shù)量。由于在氣體中存在的電子云，最初可以接收更多電子，但是最終達(dá)到平衡狀態(tài)。通過檢查常規(guī)放電燈和本發(fā)明實(shí)施方式的燈的能量分布，可以最好地理解上述說明。放電燈的能量分布如圖3B所示。由O表示的‘步驟函數(shù)’是由碰撞橫截面函數(shù)理想地激發(fā)的，兩者之間的重疊部分是光子形成的指示。如可見，僅相對小部分(尾部)的能量分布函數(shù)重疊σ函數(shù)，從而給出相對小的光子形成。圖3C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的燈的希望的能量分布。在圖3C情況下重疊部分明顯更大，因此激發(fā)的可能性和預(yù)期效率更大。應(yīng)當(dāng)指出的是在相應(yīng)于圖3Β的電子隨機(jī)運(yùn)動的情況下，在與氣體分子隨機(jī)碰撞期間，經(jīng)歷激發(fā)能量損失的任何電子損失由電場提供給它的能量的大約37%。碰撞常常不生成光子，因此，對于系統(tǒng)而言能量被損失掉。本發(fā)明實(shí)施方式力求確保碰撞的范圍減少到產(chǎn)生光子或僅僅是彈性的那些，使得激發(fā)能量的基本上所有損失都直接進(jìn)入光子生產(chǎn)。有利的能量分布(其將碰撞范圍減少至產(chǎn)生光子或全部具有彈性的那些)可以認(rèn)為是由于將力施加到強(qiáng)電場中運(yùn)動的電子上的磁場，從而限制和控制電子可以獲得的最大能量(如下面將更詳細(xì)地解釋的)。在圖3Β和3C中:dN=在ε至ε+de之間的電子數(shù)N=在任何給定時間燈管內(nèi)電子總數(shù)。負(fù)責(zé)電子發(fā)射的熱離子陰極可以具有相對大的足夠區(qū)域，使得電子發(fā)射密度并不大。與常規(guī)放電類型燈相比，低電子密度可以允許電子流入燈管中并執(zhí)行如圖2和3A所述的運(yùn)動。熱離子陰極是燈管壽命的主要限制。一般來說，可以通過選擇陰極上材料的量來選擇在20，000至100，000小時之間的壽命。該燈管可以是低壓燈管，以便碰撞是可控的，并且不會發(fā)生碰撞增殖。碰撞增殖會引發(fā)離子化，而沒有光子的任何相應(yīng)的產(chǎn)生，從而降低燈的效率。一般來說，氣體放電燈在大約5Tor下操作。本發(fā)明燈可以在低于2Tor下操作，甚至更有效地在低于ITor下操作，并且在0.5Tor下發(fā)現(xiàn)更高水平的效率。該燈管可以由直流電流(DC)操作?？v向長度相對于橫向半徑的效率比具有100:1的數(shù)量級。在實(shí)施例中，比率是100:1。更高的比率是可能的，但是需要更強(qiáng)的磁體。電極可以是縱向的，具有超過20:1的比率。長度寬度關(guān)系的規(guī)則可能是由于電子描述的電弧(它具有長度與寬度之間的π關(guān)系)。一般來說，為了產(chǎn)生一個光子可能需要大約100個電弧。對于希望的60cm燈管長度，可以使用大約0.6cm的陽極陰極(發(fā)射陰極)距離。對于40cm燈管長度，可以使用大約0.4cm的陽極陰極距離。對于IOcm的燈管長度，陽極與陰極之間的距離對于實(shí)際的燈來說太小。上述比率適用于直管。參考圖3D，其示出燈管如何以產(chǎn)生無窮盡的電子路徑的方式構(gòu)建，從而排除燈管長度的需求，并使得能夠在幾乎任何合理的光譜和燈尺寸下實(shí)現(xiàn)最大效率。該燈管可以是分隔管，由此陰極或陽極沿該燈管的中心定位(如通過參考標(biāo)號30表示的)并且被其他電極32環(huán)繞，使得電子在無窮盡的循環(huán)中沿著并圍繞中心電極30運(yùn)動。其他形狀，例如環(huán)形、橢圓形或類似形狀是可能的，在下面的圖20中討論環(huán)形。本質(zhì)上，該燈管變成在一個或更多點(diǎn)具有點(diǎn)電子發(fā)射的無窮盡軌道(如在下面更詳細(xì)描述的)。如所述，本文描述的燈結(jié)構(gòu)目的在于在燈內(nèi)提供對電子通道的改善控制。提供沿該燈管整個長度的通道。具體的發(fā)射陰極或熱離子陰極18A被提供為電子源，但是額外的場陰極16沿?zé)艄艿拈L度延伸，以便保持相對于相應(yīng)場陽極14的電場。電子路徑可以確保任何電子可以提供盡可能多的光子。與典型的放電燈的lV/cm相比，沿該燈管長度的電極提供200V/cm數(shù)量級的相對強(qiáng)的電場。磁體提供300高斯數(shù)量級的相對強(qiáng)的磁場，該磁場與電場成直角。該磁體可以放置在燈結(jié)構(gòu)的氣體填充部件外面。它們之間的兩個場限定碰撞之間電子的螺旋路徑，并且使單個電子的速度-能量關(guān)系保持穩(wěn)定。如果電子不與氣體粒子碰撞，其可以行進(jìn)該燈管的全長并保持其能量。如果發(fā)生與氣體粒子的低能量碰撞，那么該碰撞是彈性的和高效的，并且不產(chǎn)生能量損失(如上所述)。然而，如果碰撞釋放能量，那么產(chǎn)生光子，并且該粒子暫時慢下來。磁場停止對現(xiàn)在靜止的粒子產(chǎn)生任何影響，但是電場開始對其加速，并且該粒子沿電場線朝向燈管的外壁運(yùn)動。當(dāng)粒子加速時，該磁場開始具有更大的影響，給予沿該燈管長度的加速。對于有限長度的燈管，根據(jù)該燈管的長度與寬度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)能量效率，最佳的能量輸出在大約100:1的長度寬度比。對于無限長度的燈管(即環(huán)形管)，沒有發(fā)現(xiàn)等效的寬度長度關(guān)系。在典型的氣體放電燈中，大約5Tor的氣體壓力是典型的。然而,本發(fā)明實(shí)施方式可以使用顯著更低的氣體壓力，0.5到ITor的范圍是典型的。更高的壓力是可能的，但是在某些情形下，可能需要不實(shí)用的薄燈。寬度方面的一個限制條件是需要提供足夠高的磁場。寬度越大，提供給定磁場所需要的磁體越大。再次參考圖1，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的縱向高效非放電氣體填充燈10可以包括填充有氣體或氣體組合的燈管12。該氣體可以包括，例如氖、或氬，以及甚至金屬蒸汽，例如鈉或汞，或任何其他蒸汽。應(yīng)當(dāng)清楚的是，燈管12可以是不同形狀和尺寸(盡管利用上述比率實(shí)現(xiàn)改善的效率)。場和發(fā)射陰極16和18分別與陽極14分隔開(通常通過將它們放置在燈管的相對面)。如所述能夠以網(wǎng)格形式提供的場陰極16可以放置在燈結(jié)構(gòu)的氣體填充部件的外面(在燈管的玻璃壁之內(nèi)或之外)。同樣適用于場陽極和磁體。在下面圖13-15中說明磁體在氣體填充部件外面但是在外玻璃壁內(nèi)的實(shí)施方式。可以通過橫過陽極14和陰極16、18施加DC或AC電壓，來產(chǎn)生電場，從而在y方向上存在平均強(qiáng)度(V/a)的電場，其中‘a(chǎn)’是陽極14與陰極16、18之間的距離。一對相對的磁體可以限定磁北20和磁南22，從而提供橫過燈管12的磁場。如在圖1中可見，磁場的方向基本上垂直于電場方向(沿z方向)。可以根據(jù)燈管12內(nèi)的氣體或氣體組合和其他參數(shù)以及氣體壓力以這種方式來限定電場與磁場之間的比率，即基本上防止離子化和放電，并改善整體效率。如上所述，離子化和放電使用燈內(nèi)的能量，而不必提供光子。如即將解釋的，沿路徑控制通道通過確保電子不達(dá)到離子化或放電所需要的能級，因此基本上所有的碰撞是彈性的和能量節(jié)約的，或者它們發(fā)射光子。電子可以從發(fā)射陰極發(fā)射。電子可以經(jīng)受在燈管中建立的空間非均勻或均勻的，但是周期性的電場。一旦其開始加速，其也經(jīng)受磁場，并曲線進(jìn)入所述燈管的縱向方向。在場的影響下，電子可以連續(xù)地獲得動能直到其達(dá)到最大值，接著動能降低到最小值(下面將更詳細(xì)地說明)。圖3示出在缺少碰撞的情況下，電子的加速減速循環(huán)。該循環(huán)周期性地重復(fù)直到電子撞擊氣體粒子。如果滿足某些條件，電子向氣體粒子傳遞導(dǎo)致氣體原子中電子最終激發(fā)的能量數(shù)量，從而引起光子發(fā)射。電子可以提供碰撞而靜止或慢下來，但是接著在電場的影響下開始加速。一旦其具有足夠的運(yùn)動，其開始被磁場影響，并且循環(huán)再次開始。在燈管12中自由電子運(yùn)動的控制是基于以下事實(shí)，即在電磁環(huán)境中任何帶電荷的粒子的軌道取決于電場和磁場的方向(在不出的實(shí)施方式中，電場和磁場是彼此垂直的)以及兩個場的比率。在示例性實(shí)施方式中，兩個場的比率使得任何自由電子可以獲得的最大動能(根據(jù)圖3a)可以在3eV至8eV之間，或更具體地在5eV至7eV之間。通過施加限定強(qiáng)度和比率的磁場連同空間非均勻的周期性電場一起來限制燈管12中自由電子的動能。在燈中受限的動能連同低壓一起基本上防止離子化和放電。此外，合并的場并不允許發(fā)射的電子在直線上朝向陽極進(jìn)行其運(yùn)動，但是如在圖2中所示它們的軌道螺旋在能量方面是周期性的，在X方向上移動。如圖2所示，電子可以主要地沿X方向運(yùn)動，但是在I方向上，其不可以超過最大高度Ay。如果電子的最大能量是大約7或8eV，那么電子的最大高度達(dá)不到陽極14。簡言之，電子并未到達(dá)陽極14，除非其達(dá)到大約V/3eV的激發(fā)能級，其中V是陽極陰極電壓。在磁場結(jié)束的路徑的末端，然后電子可以撞擊陽極，但是僅有3eV等級的能量，因此避免了濺射，從而延長了燈管的壽命?，F(xiàn)在更詳細(xì)地考慮碰撞。當(dāng)撞擊氣體粒子時，電子會慢下來并轉(zhuǎn)向。如果電子的動能小于氣體分子的最小激發(fā)能量，該碰撞是彈性的。如果動能高于氣體分子的最小激發(fā)能量，則激發(fā)能量被轉(zhuǎn)移到氣體粒子，并且釋放出光子。如果選擇陽極14與陰極16、18之間的電壓至所述的300V，則在可見范圍內(nèi)光子所需要的激發(fā)能量是3eV，原則上忽略有可能從陰極18發(fā)射的單個電子產(chǎn)生100個光子的‘彈性’碰撞損失。電子的縱向螺旋路徑可以限制自由電子的能量達(dá)到某一最大值，這消除離子化和放電，并確保碰撞是彈性的或具有如上所述的適合用于產(chǎn)生光子的激發(fā)能量。這與其中自由電子的運(yùn)動是隨機(jī)的并且沒有任何限制機(jī)制的常規(guī)放電燈相對。與這些常規(guī)燈中的氣體粒子碰撞可以在任何一種或所有能量級，因此隨機(jī)地激發(fā)粒子至不同的激發(fā)等級。因此，一些碰撞可以產(chǎn)生可見光。其他碰撞可以產(chǎn)生紫外光，并且又其他的碰撞可以引起離子化或放電，而沒有產(chǎn)生相應(yīng)的光子，并且其他的碰撞并未達(dá)到所需的激發(fā)等級。然后，這些常規(guī)燈中的電子以它們隨機(jī)的能級撞擊陽極14，而更高能量的撞擊產(chǎn)生熱量并導(dǎo)致濺射。如上所述，圖1示出燈的矩形結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在參考圖4，其是構(gòu)建成提供圖1所示種類的電子路徑的燈的透視圖。管形燈40包括可以容納發(fā)射陰極的第一端部42。場陽極和場陰極在相對側(cè)沿?zé)艄艿拈L度延伸，以建立電場，并且磁體被放置以與電場成直角建立磁場。如所述，沿所述燈管建立電子路徑。圖5示出圖4燈的端部視圖50。電連接52將正DC電壓提供到陽極上。電連接54將負(fù)DC連接提供到陰極上。圖6是陽極和陰極的剖切視圖并且顯示相應(yīng)連接。陽極62可以在距離燈端部約5mm處由分隔件64分隔,從而在熱尚子陰極66上產(chǎn)生分開的電場。網(wǎng)格陰極68連同熱尚子陰極66 —起被一同連接到負(fù)電壓電勢上。熱離子陰極66被進(jìn)一步連接到加熱電源上?，F(xiàn)在參考圖7，其示出其中燈元件作為單個單元組件70插入到燈管72中的實(shí)施方式。單元組件72包括由構(gòu)件支架82保持在一起的場陽極74，網(wǎng)格場陰極76，發(fā)射陰極78，以及磁體80。插入之后，該燈管用密封帽84密封，將空氣抽空并填充合適的氣體?，F(xiàn)在參考圖8，其是從陰極下面觀看的圖7的燈管的視圖。部件給予與圖7相同的參考標(biāo)號，并且除非為了理解本圖，它們將不再次說明。網(wǎng)格陰極允許在燈管中生成的光從燈管通過。光可以直接地通過并通過網(wǎng)格通過反射通過，以便提供照明。圖9是顯示沒有密封帽并由構(gòu)件支架82在燈管72內(nèi)保持在一起的圖7組件的簡化圖。圖10示出單元組件70的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。構(gòu)件支架或連接器82夾緊陽極74和陰極76(處于限定的間距)。延伸臂105將磁體80牢牢地保持在陽極與陰極之間限定的空間的相對側(cè)。圖11更詳細(xì)地示出構(gòu)件支架100之一。兩個磁體80通過夾緊臂105分別附連到支架82的側(cè)面102和104上。圓形熱離子陰極78和網(wǎng)格場陰極76朝向支架底部附連在凹口 106中。陽極74附連到支架頂部的相應(yīng)凹口 108上，在這個具體實(shí)施例中，為離開陰極0.9cm距離。圖12示出單元組件被插入并且陽極和右手磁體被移走以示出上述網(wǎng)格陰極的燈管72。光可以通過網(wǎng)格陰極從燈發(fā)出?，F(xiàn)在參考圖13，其示出矩形管。更通常地，可以考慮平行管(parallelpiped)。燈管或平行管130具有矩形橫截面，并且陽極和陰極插入其中。接著，該燈管填充氣體。在圖13的實(shí)施方式中，磁體安裝在矩形管的外面，并且整體安裝在圓形橫截面的外管內(nèi)(如下面將說明的)。移向圖14，利用支架132，將磁體80安裝在燈管130的周圍。接著，將整體放置在第二、圓形管140內(nèi)，并用密封帽142密封。圖15更詳細(xì)地示出圖14的結(jié)構(gòu)。陽極74和場陰極76以及熱離子陰極78原位示于矩形管130內(nèi)。支架132安裝在燈管外面并緊緊地固定在其上。磁體80在任一側(cè)安裝在支架132的臂144中?，F(xiàn)在參考16，其示出本發(fā)明另外實(shí)施方式的環(huán)形管160。場陽極和場陰極分別是環(huán)形軌道162和164，并且提供磁體166(其說明圓的圓周的片段)。發(fā)射陰極168可以放置在環(huán)上的任意位置，從而提供電子的點(diǎn)發(fā)射，然后這些電子在無窮盡路徑中環(huán)繞燈管行進(jìn)。如果需要的話，可以將額外的發(fā)射陰極添加在環(huán)上的其他位置。圖17是說明安裝在環(huán)形管160上的網(wǎng)格陰極以及顯示與陰極的電連接170的簡化圖。圖18示出頂蓋180被移走的環(huán)形管160，包括陽極、陰極和磁體的組件可以被裝配到其中(如參考下面附圖可以說明的)。圖19示出由支架190保持在一起的陽極162和陰極164。支架190包括支架臂192，并且磁體可以裝配到支架臂192中，以便形成環(huán)形組件。圖20是元件，場陽極162、網(wǎng)格場陰極164、環(huán)形磁體166以及被插入到玻璃管160中的電子發(fā)射陰極168以及可以密封的蓋子180的分解圖。這些元件由支架190保持在一起。圖21示出保持陽極162、網(wǎng)格場陰極164和發(fā)射陰極168的支架190，并且示出用于陰極的電連接170和用于陽極的電連接210。反射體可以與光配合，或結(jié)合成陽極或磁體的內(nèi)表面。在一個實(shí)施方式中，磁體是由包埋在玻璃中的鐵粒子制成的透明磁體。為了高效率，上述實(shí)施方式使用永磁體和DC電源，但是還可能使用電磁體和AC電源?，F(xiàn)在參考圖22，其是顯示根據(jù)圖3D實(shí)施方式的分隔管形燈的簡化圖。在圖22中，玻璃管220在中心分隔件222的任意一側(cè)容納低壓惰性氣體。中心分隔件222將玻璃管內(nèi)的空間分成被提供電場的柵格223環(huán)繞的兩個腔室。中心分隔件并未到達(dá)燈管的端部，使得兩個腔室在端部連接，形成用于電子的單個連續(xù)軌道。在任一側(cè)的磁體224和226提供垂直的磁場。從第一端部230向燈提供電連接228?，F(xiàn)在參考圖23，其是顯示如何根據(jù)本發(fā)明實(shí)施實(shí)施方式構(gòu)建分隔管形燈的簡化剖切圖。中心分隔件222沿中心軸延伸，并被陰極柵格223環(huán)繞。發(fā)射陰極232裝配在陰極柵格內(nèi)。圖24是與圖23所示相同的剖切圖(但是從不同角度截取的)。圖25是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的分隔管形燈(split tube lamp)的透視圖,其中所述分隔222遵循紙張的平面。圖26是圖25的分隔管形燈的透視圖，其中所述分隔222從端部向上觀看?，F(xiàn)在參考圖27，其是說明針對圖1燈管修改的電子槍250的簡化示意圖。發(fā)射陰極252被放置在具有電子引出網(wǎng)格陽極(electrons extraction mesh anode) 256的屏蔽盒254內(nèi)，所述電子引出網(wǎng)格陽極256帶正電荷，用于從陰極引出電子。在實(shí)施方式中，網(wǎng)格由氧化鎂MgO構(gòu)造，其具有當(dāng)被撞擊時產(chǎn)生另外電子的特性。網(wǎng)格陽極256可以是位于陰極10至30mm之間的柵格，并具有相對于陰極的正電壓。柵格相對于熱離子陰極定位，以便沿所述燈管水平地吸出電子，并起電子槍的作用。電子槍以局部放電的原理工作。在陰極周圍的屏蔽體254增強(qiáng)電子流量并允許局部放電。沒有屏蔽體的話，由于電磁場的影響，電流會降低。場陽極258和場陰極260位于如前所述的燈管的相對側(cè)，并提供正交于磁場的電場。電子以箭頭262的方向穿過網(wǎng)格被發(fā)射。 在減緩空間電荷效應(yīng)的進(jìn)一步修改中，提供橫向取向的陰極或提供橫過電子槍區(qū)域?qū)挾仍谄渲g具有間隔的多個分開的陰極。它們之間的間隔減緩空間電荷效應(yīng)并阻止發(fā)射的電子彼此干擾，或防止發(fā)射另外的電子。電子槍因此形成在10至30mm之間的燈管，典型地是20mm，并在燈管內(nèi)產(chǎn)生等離子體。陰極越熱，等離子體越強(qiáng)。位于燈管端部的256處的柵格從作為整體的等離子體中吸出電子，通過電子形成的作用，氣體被添加到來自陰極的電子中，從而增加流量。在可替代的實(shí)施方式中，屏蔽盒可被省略。在這種情況下，不發(fā)生局部放電，但是從陰極通過熱離子發(fā)射被發(fā)射的電子仍然被柵格加速。當(dāng)依賴熱離子發(fā)射時，柵格可以被放置更靠近陰極，所述距離在0.5mm至2_之間。進(jìn)一步修改是使用涂有氧化錫的玻璃作為場陰極和陽極。氧化錫的薄層是透明的，因此不像前面實(shí)施方式的網(wǎng)格，其不干擾照明效果。雖然這樣的氧化錫薄層具有某種程度的電阻，陽極和場陰極不要求導(dǎo)電，僅要求用來提供電場。前面實(shí)施方式的網(wǎng)格導(dǎo)致非均勻的電場。然而，氧化錫涂層能夠提供均勻的場。應(yīng)當(dāng)清楚的是為了清楚起見，在分開的實(shí)施方式的上下文中描述的本發(fā)明的某些特征也能夠以組合方式提供于單個實(shí)施方式中。相反地，為了簡潔起見，在單個實(shí)施方式的上下文中描述的本發(fā)明的各種特征也可以分開地或以任何合適的子組合方式提供。雖然結(jié)合其具體實(shí)施方式
已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行描述，應(yīng)當(dāng)清楚的是許多替換、修改和變體對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言應(yīng)當(dāng)是清楚的。因此，旨在包括落在本發(fā)明附屬權(quán)利要求的精神和廣泛范圍內(nèi)的所有這些替換、修改和變換。在此，本說明書提及的所有出版物、專利、和專利申請都通過引用整體結(jié)合到本發(fā)明說明書中，其程度就像每個單獨(dú)的出版物、專利或?qū)＠暾埍幻鞔_地或個別地指出通過引用結(jié)合在此一樣。此外，在本申請中任何提及的引用或識別不應(yīng)當(dāng)被解釋為承認(rèn)這類參考可用作本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種照明燈管，具有第一端部和第二端部，在它們之間限定了縱向長度，并且包括: 沿所述燈管縱向安排的場陽極和場陰極，以便提供電場； 沿所述燈管縱向安排的磁體，以便提供磁場，所述磁體被安排成使得所述磁場基本上垂直于所述電場； 所述電場和磁場一起提供沿所述燈管縱向的電子路徑，并且其中所述場陽極和所述場陰極中至少一個包括在所述燈管表面上的平滑涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，其中所述磁場是基本上均勻的。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明燈管，其中所述磁體以規(guī)則間隔安排，以便提供所述基本上均勻的場。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的照明燈管，其中所述規(guī)則間隔具有15mm的數(shù)量級。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，其中所述電場具有200伏/cm的數(shù)量級。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，其中所述磁場具有在300高斯至1000高斯的數(shù)量級內(nèi)的范圍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，進(jìn)一步包括發(fā)射陰極，用來為所述路徑提供電子發(fā)射。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明燈管，其中所述發(fā)射陰極包括多個分立的陰極和橫過所述槍寬度的插入間隔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明燈管，進(jìn)一步包括所述發(fā)射陰極附近的柵格，用于加速來自所述發(fā)射陰極的電子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的照明燈管，其中所述柵格包括氧化鎂。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的照明燈管，進(jìn)一步包括在所述發(fā)射陰極周圍的屏蔽體。
12.根據(jù)權(quán)利要求7所述的照明燈管，其中所述發(fā)射陰極是熱陰極，并且所述場陰極是冷陰極。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，其中所述平滑涂層包括氧化錫的透明層。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，其中所述第一和第二端部被連接，以便提供連續(xù)路徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，是低壓燈管。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的照明燈管，具有不超過由以下組成的組中一個成員的壓力:2Tor>ITor 和 0.5Tor。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，由直流電流操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的照明燈管，具有橫向直徑，并且其中所述縱向長度相對于所述橫向直徑的比率具有50:1或更大的數(shù)量級。
19.一種照明燈管，具有第一端部和第二端部，在它們之間限定縱向長度，并且包括: 沿所述燈管縱向安排的場陽極和場陰極，以便提供電場； 沿所述燈管縱向安排的磁體，以便提供磁場，所述磁體被安排成使得所述磁場基本上垂直于所述電場； 電子槍，包括發(fā)射陰極，和電子加速柵格，所述電子加速柵格被定位用于將來自所述電子槍的電子加速到沿所述燈管 縱向的電子路徑中，所述路徑由所述電場和所述磁場一起限定。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的照明燈管，進(jìn)一步包括在所述發(fā)射陰極周圍的屏蔽體。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的照明燈管，其中所述發(fā)射陰極包括多個分立的陰極和橫過所述槍寬度的插入間隔。
22.—種照明燈管，具有第一端部和第二端部，在它們之間限定縱向長度，并且包括: 沿所述燈管縱向安排的場陽極和場陰極，以便提供電場； 沿所述燈管縱向安排的磁體，以便提供磁場，所述磁體被安排成使得所述磁場基本上垂直于所述電場； 所述電場和磁場一起提供沿所述燈管縱向的電子路徑，并且其中所述場陽極和所述場陰極中至少一個被成形以包括非均勻性。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的照明燈管，其中所述場陰極包括所述成形以提供非均勻性。
24.一種照明燈管，具有第一端部和第二端部，并且包括: 沿所述燈管縱向安排的場陽極和場陰極，以便提供電場； 沿所述燈管縱向安排的磁體，以便提供磁場，所述磁體被安排成使得所述磁場基本上垂直于所述電場； 所述電場和磁場一起提供沿所述燈管縱向的電子路徑； 所述燈管是具有不超過2Tor壓力的低壓燈管。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的照明燈管，具有不超過由以下組成的組中一個成員的壓力=ITor 和 0.5Tor。
26.根據(jù)權(quán)利要求24所述的照明燈管，進(jìn)一步包括發(fā)射陰極，以便為所述路徑提供電子發(fā)身寸。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的照明燈管，其中所述發(fā)射陰極是熱陰極。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的照明燈管，其中所述發(fā)射陰極與所述場陰極隔開。
29.根據(jù)權(quán)利要求24所述的照明燈管，其中所述第一和第二端部被連接，以便提供連續(xù)路徑。
30.根據(jù)權(quán)利要求24所述的照明燈管，具有橫向直徑，并且其中所述燈管的縱向長度相對于所述橫向直徑的比率具有100:1的數(shù)量級。
31.一種照明方法，包括: 在具有縱向長度的有限空間內(nèi): 提供不超過2Tor的低壓； 提供基本上均勻的磁場， 提供電場， 所述電場和磁場被設(shè)置成沿所述縱向長度彼此正交； 以及將發(fā)射陰極放置在所述縱向長度的位置，以便在所述正交場的影響下，提供電子沿所述縱向長度行進(jìn)。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括選擇所述場的值，以便將電子動能限于期望波長的光子的激發(fā)能量，從而提供電子碰撞至光子的有效轉(zhuǎn)化。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括在所述發(fā)射陰極提供不超過20mA/平方厘米的電流密度。
34.根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進(jìn)一步包括為所述發(fā)射陰極提供電力，所述電力不超過提供給所述燈的總電力的比例的組的一個成員，所述組由以下組成:50%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10 % 和 5%。
全文摘要
一種照明燈管，其提供從陽極(14)至陰極(16)的路徑，其中電子的動能基本上保持在可見光子的激發(fā)能量范圍內(nèi)，尤其是黃色光的激發(fā)能量范圍內(nèi)。磁體(20、22)被安排成提供基本上垂直于陽極與陰極之間電場的磁場。沿所述路徑正交的電場和磁場提供了將電子加速，但限制最大動能的值?？梢栽谒鰺艄苤刑峁┑蛪簹怏w。
文檔編號H01J61/70GK103081057SQ201180041224
公開日2013年5月1日 申請日期2011年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者亞伯拉罕·埃馬努埃爾 申請人:耶合-奧燈具創(chuàng)造有限公司