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有限公司，北京100089)

0 引言

電子源是運行FL管的先決條件，以下是真空裝置中成熟電子源的簡介:1884年，T.A.愛迪生在被加熱到3 000℃以上的金屬絲中發現了熱電子發射，熱電子是真空中的第一代(1G)電子源。通過在加熱鎢絲上覆蓋超級氧化物(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℃，超級氧化物，它通過在低于10-5托壓強的高真空中碳酸鹽的分解產生，向真空中發射熱電子。來自受熱BaO顆粒的熱電子發射屬于1G電子源。來自受熱BaO熱電子的應用導致了真空電子管、CRT和其他真空器件的開發，他們采用低于10-5托的真空壓強。1928年，R.H.Flower和 L.Nordheim報告了冷金屬針尖(小于0.1 μm)在強電場(107V cm-1)下向真空發射電子。來自尖端的電子是真空中的第二代(2G)電子源。在氣體發光和低壓氣體空間中電子流的早期研究中，采用來自針尖的2G電子源。最近，報道了兩種完全不同的電子線路，(a)外ac驅動電路和(b)內dc電路，通過來自金屬電極電場的幫助，在點亮FL管的運行中作為一個整體共存。在兩種電路之間沒有電子流動，點亮FL管內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亮FL管內的第三代(3G)電子源。

市場上絕大多數熒光燈(FL)管采用帶有BaO顆粒的鎢絲線圈，而不是鎢絲。自從1927年發明FL管以來，人們假設受熱BaO顆粒向氬氣體空間發射熱電子已經超過90年。因此，采用帶有BaO顆粒鎢絲線圈的FL管被稱為熱陰極FL(HCFL)管。來自受熱BaO顆粒的熱電子發射，在開發用于電視應用的陰極射線管(CRT)過程中被廣泛地研究。參考CRT的結論，我們有如下質疑:(1)真空壓強為5托里來自BaO顆粒的熱電子發射;(2)HCFL管中500 mA的大數量熱電子電流;(3)為了在HCFL管內閉合電子線路，如何通過覆蓋有電絕緣BaO顆粒的鎢絲線圈來收集電子?電絕緣體無法從真空中收集電子。

根據有關CRT的大量研究，受熱BaO層在低于10-7托的真空壓強下穩定發射熱電子。如果真空壓強是5托，受熱BaO顆粒會發生什么?在真空壓強高于0.001托時，從受熱BaO粒子發射熱電子的能力會被立即破壞，在5托里的受熱BaO粒子從不發射熱電子。根據這一結果，點亮FL管內的HCFL是從不使用熱電子的HCFL，HCFL管只是有名無實的HCFL管。盡管有名無實的HCFL管沒有來自受熱BaO粒子的熱電子，在5托里的HCFL管仍然采用帶有BaO粒子的鎢絲線圈來點亮，在有名無實的HCFL管內的電子源是其他某些東西。來自CRT里電子槍的熱電子發射量的最大值是2 mA，人們相信有名無實的HCFL管外ac電路的電流相當于內電路的電流。根據已經建立了90年的概念，有名無實的HCFL管內電路的電流大約是500 mA，有名無實的HCFL管中，來自受熱BaO粒子大數量(500 mA)的電流是如何產生的?90多年來，這些都沒有在出版物中給予解釋。本報告將對點亮FL管內電子線路中電子源和電子收集源的不確定事物進行澄清，FL管采用帶有BaO粒子的鎢絲線圈。

1 實驗

通過X-射線衍射分析確認，民用HCFL管內鎢絲線圈上是純BaO顆粒。然后，通過顯微鏡確定，覆蓋有BaO粉(分析級)鎢絲線圈樣品的精細顆粒的平均尺寸是1 μm。民用BaO粉含有大尺寸和團塊顆粒，精細BaO粉通過坩堝加熱使BaCO2分解來生產。BaO顆粒是具有介電常數(ε=30)和密度(ρ=5.7 g·cm-3)的電絕緣體，單個BaO顆粒的平均重量是3×10-12g{=(3/4)πφ3ρ}。較輕的 BaO 顆粒的重量在準備適于FL管的鎢絲線圈中具有優勢。在鎢絲線圈采用BaO粉的準備流程中，鎢絲線圈曾經浸入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塊(聚集)顆粒，實驗結果將很難重復。在準備泥漿前，BaO顆粒的表面應該用乙酸丁酯浸濕，以避免在泥漿中有大的團塊顆粒，這是泥漿準備中的老化流程。泥漿的配方可根據BaO粉的質量和鎢絲線圈的節距進行調整，特別是線圈節距的間隙。將浸入的鎢絲線圈從泥漿取出在空氣中干燥。

圖1 鎢絲線圈準備流程

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

圖2中的鎢絲線圈置于FL管中，被檢驗玻璃管長50 cm，外直徑15 mm。為了在光學顯微鏡下觀察電極，被檢驗的FL管兩端的熒光屏被去掉5 cm。FL管采用常規生產工藝生產，Ar=5托。

圖2 帶有BaO顆粒理想鎢絲線圈的照片

2 結果與討論

圖3 通過焦耳熱鎢絲線圈的實驗安排

未點亮FL管內鎢絲線圈的加熱已經確認是通過焦耳熱，這是熱能W=vi=i2R，這里R是鎢絲線圈的電阻，i是鎢絲里的ac電流。鎢絲線圈的焦耳熱是在有名無實的HCFL管中已經建立的傳統流程。圖3說明鎢絲線圈被焦耳加熱的實驗構造。鎢絲線圈與100 V的ac電源串聯，鎢絲線圈的加熱速度可以通過不同的電阻手動改變，在光學顯微鏡(X5)下觀察鎢絲線圈的加熱溫度。以下是觀察發現。

鎢絲每單位長度有均勻的阻抗，但是，通過給線圈加載電壓，帶有BaO顆粒的鎢絲線圈受熱不均勻。線圈末端的裸金屬斑點迅速加熱到平衡溫度，而帶有BaO顆粒的鎢絲線圈則緩慢地加熱到平衡溫度。經過長時間，整個線圈到達平均溫度。通過加載高電壓使得鎢絲線圈迅速加熱，裸金屬斑點和帶有BaO顆粒鎢絲線圈的不同加熱速度被放大。在直接應用ac 100 V下，裸金屬斑點在幾秒內迅速加熱到平衡溫度(850℃)，而帶有BaO顆粒的鎢絲線圈則需要幾分鐘。為什么不平衡加熱出現在單位長度具有相同阻抗R的指定鎢絲線圈中?裸金屬斑點肯定是通過鎢絲的焦耳熱加熱，帶有BaO顆粒的鎢絲線圈需要對BaO顆粒加熱，它具有大的熱容量。裸金屬斑點與BaO顆粒覆蓋區域之間的不同加熱速度，隨鎢絲線圈上BaO粒子的量顯著變化。可重復的結果只能在如圖2所示的理想鎢絲線圈中獲得。通過100 V電源的應用，鎢絲線圈的不平衡加熱隨以下條件明顯變化:(1)鎢絲的直徑，(2)對于指定鎢絲直徑的鎢絲線圈的繞組節距，(3)對于指定線圈BaO粒子的數量。在任何一種情況下，通過長于幾分鐘的加熱，裸金屬斑點和帶有BaO顆粒的鎢絲線圈部分趨于相同的等效溫度(850℃)。未點亮FL管的發光啟動需要鎢絲線圈里裸金屬斑點不平衡加熱，點亮的FL管不使用鎢絲線圈的焦耳熱。