用于熒光燈管的全新第四代電子源(一)

小澤隆二，田亞葵

(北京天洋浦泰投資咨詢(xún)有限公司，北京100089)

0 引言

電子源是運(yùn)行FL管的先決條件，以下是真空裝置中成熟電子源的簡(jiǎn)介:1884年，T.A.愛(ài)迪生在被加熱到3 000℃以上的金屬絲中發(fā)現(xiàn)了熱電子發(fā)射，熱電子是真空中的第一代(1G)電子源。通過(guò)在加熱鎢絲上覆蓋超級(jí)氧化物(Mg，Ca，Sr，和/或 Ba)的微小顆粒，特別是BaO，鎢絲的加熱溫度從3 000℃令人注目地下降到800℃，超級(jí)氧化物，它通過(guò)在低于10-5托壓強(qiáng)的高真空中碳酸鹽的分解產(chǎn)生，向真空中發(fā)射熱電子。來(lái)自受熱BaO顆粒的熱電子發(fā)射屬于1G電子源。來(lái)自受熱BaO熱電子的應(yīng)用導(dǎo)致了真空電子管、CRT和其他真空器件的開(kāi)發(fā)，他們采用低于10-5托的真空壓強(qiáng)。1928年，R.H.Flower和 L.Nordheim報(bào)告了冷金屬針尖(小于0.1 μm)在強(qiáng)電場(chǎng)(107V cm-1)下向真空發(fā)射電子。來(lái)自尖端的電子是真空中的第二代(2G)電子源。在氣體發(fā)光和低壓氣體空間中電子流的早期研究中，采用來(lái)自針尖的2G電子源。最近，報(bào)道了兩種完全不同的電子線(xiàn)路，(a)外ac驅(qū)動(dòng)電路和(b)內(nèi)dc電路，通過(guò)來(lái)自金屬電極電場(chǎng)的幫助，在點(diǎn)亮FL管的運(yùn)行中作為一個(gè)整體共存。在兩種電路之間沒(méi)有電子流動(dòng)，點(diǎn)亮FL管內(nèi)電路的電子源和電子收集源，在金屬電極上的極化絕緣顆粒前面形成。極化絕緣顆粒上的電子源是點(diǎn)亮FL管內(nèi)的第三代(3G)電子源。

市場(chǎng)上絕大多數(shù)熒光燈(FL)管采用帶有BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈，而不是鎢絲。自從1927年發(fā)明FL管以來(lái)，人們假設(shè)受熱BaO顆粒向氬氣體空間發(fā)射熱電子已經(jīng)超過(guò)90年。因此，采用帶有BaO顆粒鎢絲線(xiàn)圈的FL管被稱(chēng)為熱陰極FL(HCFL)管。來(lái)自受熱BaO顆粒的熱電子發(fā)射，在開(kāi)發(fā)用于電視應(yīng)用的陰極射線(xiàn)管(CRT)過(guò)程中被廣泛地研究。參考CRT的結(jié)論，我們有如下質(zhì)疑:(1)真空壓強(qiáng)為5托里來(lái)自BaO顆粒的熱電子發(fā)射;(2)HCFL管中500 mA的大數(shù)量熱電子電流;(3)為了在HCFL管內(nèi)閉合電子線(xiàn)路，如何通過(guò)覆蓋有電絕緣BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈來(lái)收集電子?電絕緣體無(wú)法從真空中收集電子。

根據(jù)有關(guān)CRT的大量研究，受熱BaO層在低于10-7托的真空壓強(qiáng)下穩(wěn)定發(fā)射熱電子。如果真空壓強(qiáng)是5托，受熱BaO顆粒會(huì)發(fā)生什么?在真空壓強(qiáng)高于0.001托時(shí)，從受熱BaO粒子發(fā)射熱電子的能力會(huì)被立即破壞，在5托里的受熱BaO粒子從不發(fā)射熱電子。根據(jù)這一結(jié)果，點(diǎn)亮FL管內(nèi)的HCFL是從不使用熱電子的HCFL，HCFL管只是有名無(wú)實(shí)的HCFL管。盡管有名無(wú)實(shí)的HCFL管沒(méi)有來(lái)自受熱BaO粒子的熱電子，在5托里的HCFL管仍然采用帶有BaO粒子的鎢絲線(xiàn)圈來(lái)點(diǎn)亮，在有名無(wú)實(shí)的HCFL管內(nèi)的電子源是其他某些東西。來(lái)自CRT里電子槍的熱電子發(fā)射量的最大值是2 mA，人們相信有名無(wú)實(shí)的HCFL管外ac電路的電流相當(dāng)于內(nèi)電路的電流。根據(jù)已經(jīng)建立了90年的概念，有名無(wú)實(shí)的HCFL管內(nèi)電路的電流大約是500 mA，有名無(wú)實(shí)的HCFL管中，來(lái)自受熱BaO粒子大數(shù)量(500 mA)的電流是如何產(chǎn)生的?90多年來(lái)，這些都沒(méi)有在出版物中給予解釋。本報(bào)告將對(duì)點(diǎn)亮FL管內(nèi)電子線(xiàn)路中電子源和電子收集源的不確定事物進(jìn)行澄清，F(xiàn)L管采用帶有BaO粒子的鎢絲線(xiàn)圈。

1 實(shí)驗(yàn)

通過(guò)X-射線(xiàn)衍射分析確認(rèn)，民用HCFL管內(nèi)鎢絲線(xiàn)圈上是純BaO顆粒。然后，通過(guò)顯微鏡確定，覆蓋有BaO粉(分析級(jí))鎢絲線(xiàn)圈樣品的精細(xì)顆粒的平均尺寸是1 μm。民用BaO粉含有大尺寸和團(tuán)塊顆粒，精細(xì)BaO粉通過(guò)坩堝加熱使BaCO2分解來(lái)生產(chǎn)。BaO顆粒是具有介電常數(shù)(ε=30)和密度(ρ=5.7 g·cm-3)的電絕緣體，單個(gè)BaO顆粒的平均重量是3×10-12g{=(3/4)πφ3ρ}。較輕的 BaO 顆粒的重量在準(zhǔn)備適于FL管的鎢絲線(xiàn)圈中具有優(yōu)勢(shì)。在鎢絲線(xiàn)圈采用BaO粉的準(zhǔn)備流程中，鎢絲線(xiàn)圈曾經(jīng)浸入BaO粉(100 g)、硝化纖維(1.5 g)和乙酸丁酯(150 g)溶液混合的泥漿中。泥漿必須含有原始BaO顆粒，如果泥漿含有大尺寸的團(tuán)塊(聚集)顆粒，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將很難重復(fù)。在準(zhǔn)備泥漿前，BaO顆粒的表面應(yīng)該用乙酸丁酯浸濕，以避免在泥漿中有大的團(tuán)塊顆粒，這是泥漿準(zhǔn)備中的老化流程。泥漿的配方可根據(jù)BaO粉的質(zhì)量和鎢絲線(xiàn)圈的節(jié)距進(jìn)行調(diào)整，特別是線(xiàn)圈節(jié)距的間隙。將浸入的鎢絲線(xiàn)圈從泥漿取出在空氣中干燥。

圖1 鎢絲線(xiàn)圈準(zhǔn)備流程

隨著鎢絲線(xiàn)圈從泥漿中取出，浸入的鎢絲線(xiàn)圈的全部面積都被BaO顆粒所覆蓋，如圖1(a)所示。在顯微鏡(X5倍)下仔細(xì)觀察覆蓋BaO層的干燥過(guò)程，特別是鎢絲線(xiàn)圈的末端。乙酸丁酯從鎢絲線(xiàn)圈揮發(fā)到空氣中。在干燥過(guò)程中，鎢絲線(xiàn)圈兩端的溶液通過(guò)線(xiàn)圈節(jié)距的毛細(xì)管作用向鎢絲線(xiàn)圈中間區(qū)域運(yùn)動(dòng)。在干燥過(guò)程的最后階段，鎢絲線(xiàn)圈兩端的運(yùn)動(dòng)溶液變成強(qiáng)烈流動(dòng)，流向鎢絲線(xiàn)圈的里邊。溶液的強(qiáng)烈流動(dòng)將較輕重量(2×10-10g)的BaO顆粒帶到鎢絲線(xiàn)圈的里邊，在末端留下裸鎢絲線(xiàn)圈。攜帶BaO顆粒的結(jié)果，鎢絲線(xiàn)圈里的微小BaO顆粒被帶走，如圖1(b)所示。鎢絲線(xiàn)圈完全干燥后，鎢絲線(xiàn)圈的末端沒(méi)有BaO顆粒，在干燥鎢絲線(xiàn)圈的一端產(chǎn)生了裸鎢絲金屬微小區(qū)域，有時(shí)是兩端都有。圖2顯示鎢絲線(xiàn)圈不均勻含有BaO顆粒，在末端有裸鎢絲線(xiàn)圈的照片。所生產(chǎn)鎢絲線(xiàn)圈的可變因素是:(1)顆粒尺寸和BaO粉的分布;(2)泥漿的粘稠度;(3)鎢絲線(xiàn)圈的長(zhǎng)度;(4)鎢絲線(xiàn)的直徑;(5)鎢絲線(xiàn)圈的直徑;(6)鎢絲線(xiàn)圈單位長(zhǎng)度的繞組節(jié)距;(7)鎢絲線(xiàn)圈的變形;(8)線(xiàn)圈的層數(shù)(2倍和3倍);(9)鎢絲線(xiàn)圈干燥時(shí)的傾斜角度。這些因素在試驗(yàn)中得到控制。

圖2中的鎢絲線(xiàn)圈置于FL管中，被檢驗(yàn)玻璃管長(zhǎng)50 cm，外直徑15 mm。為了在光學(xué)顯微鏡下觀察電極，被檢驗(yàn)的FL管兩端的熒光屏被去掉5 cm。FL管采用常規(guī)生產(chǎn)工藝生產(chǎn)，Ar=5托。

圖2 帶有BaO顆粒理想鎢絲線(xiàn)圈的照片

2 結(jié)果與討論

圖3 通過(guò)焦耳熱鎢絲線(xiàn)圈的實(shí)驗(yàn)安排

未點(diǎn)亮FL管內(nèi)鎢絲線(xiàn)圈的加熱已經(jīng)確認(rèn)是通過(guò)焦耳熱，這是熱能W=vi=i2R，這里R是鎢絲線(xiàn)圈的電阻，i是鎢絲里的ac電流。鎢絲線(xiàn)圈的焦耳熱是在有名無(wú)實(shí)的HCFL管中已經(jīng)建立的傳統(tǒng)流程。圖3說(shuō)明鎢絲線(xiàn)圈被焦耳加熱的實(shí)驗(yàn)構(gòu)造。鎢絲線(xiàn)圈與100 V的ac電源串聯(lián)，鎢絲線(xiàn)圈的加熱速度可以通過(guò)不同的電阻手動(dòng)改變，在光學(xué)顯微鏡(X5)下觀察鎢絲線(xiàn)圈的加熱溫度。以下是觀察發(fā)現(xiàn)。

鎢絲每單位長(zhǎng)度有均勻的阻抗，但是，通過(guò)給線(xiàn)圈加載電壓，帶有BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈受熱不均勻。線(xiàn)圈末端的裸金屬斑點(diǎn)迅速加熱到平衡溫度，而帶有BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈則緩慢地加熱到平衡溫度。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，整個(gè)線(xiàn)圈到達(dá)平均溫度。通過(guò)加載高電壓使得鎢絲線(xiàn)圈迅速加熱，裸金屬斑點(diǎn)和帶有BaO顆粒鎢絲線(xiàn)圈的不同加熱速度被放大。在直接應(yīng)用ac 100 V下，裸金屬斑點(diǎn)在幾秒內(nèi)迅速加熱到平衡溫度(850℃)，而帶有BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈則需要幾分鐘。為什么不平衡加熱出現(xiàn)在單位長(zhǎng)度具有相同阻抗R的指定鎢絲線(xiàn)圈中?裸金屬斑點(diǎn)肯定是通過(guò)鎢絲的焦耳熱加熱，帶有BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈需要對(duì)BaO顆粒加熱，它具有大的熱容量。裸金屬斑點(diǎn)與BaO顆粒覆蓋區(qū)域之間的不同加熱速度，隨鎢絲線(xiàn)圈上BaO粒子的量顯著變化?？芍貜?fù)的結(jié)果只能在如圖2所示的理想鎢絲線(xiàn)圈中獲得。通過(guò)100 V電源的應(yīng)用，鎢絲線(xiàn)圈的不平衡加熱隨以下條件明顯變化:(1)鎢絲的直徑，(2)對(duì)于指定鎢絲直徑的鎢絲線(xiàn)圈的繞組節(jié)距，(3)對(duì)于指定線(xiàn)圈BaO粒子的數(shù)量。在任何一種情況下，通過(guò)長(zhǎng)于幾分鐘的加熱，裸金屬斑點(diǎn)和帶有BaO顆粒的鎢絲線(xiàn)圈部分趨于相同的等效溫度(850℃)。未點(diǎn)亮FL管的發(fā)光啟動(dòng)需要鎢絲線(xiàn)圈里裸金屬斑點(diǎn)不平衡加熱，點(diǎn)亮的FL管不使用鎢絲線(xiàn)圈的焦耳熱。