用于荧光灯管的全新第四代电子源(一)

小泽隆二，田亚葵

(北京天洋浦泰投资咨询有限公司，北京100089)

0 引言

电子源是运行FL管的先决条件，以下是真空装置中成熟电子源的简介:1884年，T.A.爱迪生在被加热到3 000℃以上的金属丝中发现了热电子发射，热电子是真空中的第一代(1G)电子源。通过在加热钨丝上覆盖超级氧化物(Mg，Ca，Sr，和/或 Ba)的微小颗粒，特别是BaO，钨丝的加热温度从3 000℃令人注目地下降到800℃，超级氧化物，它通过在低于10-5托压强的高真空中碳酸盐的分解产生，向真空中发射热电子。来自受热BaO颗粒的热电子发射属于1G电子源。来自受热BaO热电子的应用导致了真空电子管、CRT和其他真空器件的开发，他们采用低于10-5托的真空压强。1928年，R.H.Flower和 L.Nordheim报告了冷金属针尖(小于0.1 μm)在强电场(107V cm-1)下向真空发射电子。来自尖端的电子是真空中的第二代(2G)电子源。在气体发光和低压气体空间中电子流的早期研究中，采用来自针尖的2G电子源。最近，报道了两种完全不同的电子线路，(a)外ac驱动电路和(b)内dc电路，通过来自金属电极电场的帮助，在点亮FL管的运行中作为一个整体共存。在两种电路之间没有电子流动，点亮FL管内电路的电子源和电子收集源，在金属电极上的极化绝缘颗粒前面形成。极化绝缘颗粒上的电子源是点亮FL管内的第三代(3G)电子源。

市场上绝大多数荧光灯(FL)管采用带有BaO颗粒的钨丝线圈，而不是钨丝。自从1927年发明FL管以来，人们假设受热BaO颗粒向氩气体空间发射热电子已经超过90年。因此，采用带有BaO颗粒钨丝线圈的FL管被称为热阴极FL(HCFL)管。来自受热BaO颗粒的热电子发射，在开发用于电视应用的阴极射线管(CRT)过程中被广泛地研究。参考CRT的结论，我们有如下质疑:(1)真空压强为5托里来自BaO颗粒的热电子发射;(2)HCFL管中500 mA的大数量热电子电流;(3)为了在HCFL管内闭合电子线路，如何通过覆盖有电绝缘BaO颗粒的钨丝线圈来收集电子?电绝缘体无法从真空中收集电子。

根据有关CRT的大量研究，受热BaO层在低于10-7托的真空压强下稳定发射热电子。如果真空压强是5托，受热BaO颗粒会发生什么?在真空压强高于0.001托时，从受热BaO粒子发射热电子的能力会被立即破坏，在5托里的受热BaO粒子从不发射热电子。根据这一结果，点亮FL管内的HCFL是从不使用热电子的HCFL，HCFL管只是有名无实的HCFL管。尽管有名无实的HCFL管没有来自受热BaO粒子的热电子，在5托里的HCFL管仍然采用带有BaO粒子的钨丝线圈来点亮，在有名无实的HCFL管内的电子源是其他某些东西。来自CRT里电子枪的热电子发射量的最大值是2 mA，人们相信有名无实的HCFL管外ac电路的电流相当于内电路的电流。根据已经建立了90年的概念，有名无实的HCFL管内电路的电流大约是500 mA，有名无实的HCFL管中，来自受热BaO粒子大数量(500 mA)的电流是如何产生的?90多年来，这些都没有在出版物中给予解释。本报告将对点亮FL管内电子线路中电子源和电子收集源的不确定事物进行澄清，FL管采用带有BaO粒子的钨丝线圈。

1 实验

通过X-射线衍射分析确认，民用HCFL管内钨丝线圈上是纯BaO颗粒。然后，通过显微镜确定，覆盖有BaO粉(分析级)钨丝线圈样品的精细颗粒的平均尺寸是1 μm。民用BaO粉含有大尺寸和团块颗粒，精细BaO粉通过坩埚加热使BaCO2分解来生产。BaO颗粒是具有介电常数(ε=30)和密度(ρ=5.7 g·cm-3)的电绝缘体，单个BaO颗粒的平均重量是3×10-12g{=(3/4)πφ3ρ}。较轻的 BaO 颗粒的重量在准备适于FL管的钨丝线圈中具有优势。在钨丝线圈采用BaO粉的准备流程中，钨丝线圈曾经浸入BaO粉(100 g)、硝化纤维(1.5 g)和乙酸丁酯(150 g)溶液混合的泥浆中。泥浆必须含有原始BaO颗粒，如果泥浆含有大尺寸的团块(聚集)颗粒，实验结果将很难重复。在准备泥浆前，BaO颗粒的表面应该用乙酸丁酯浸湿，以避免在泥浆中有大的团块颗粒，这是泥浆准备中的老化流程。泥浆的配方可根据BaO粉的质量和钨丝线圈的节距进行调整，特别是线圈节距的间隙。将浸入的钨丝线圈从泥浆取出在空气中干燥。

图1 钨丝线圈准备流程

随着钨丝线圈从泥浆中取出，浸入的钨丝线圈的全部面积都被BaO颗粒所覆盖，如图1(a)所示。在显微镜(X5倍)下仔细观察覆盖BaO层的干燥过程，特别是钨丝线圈的末端。乙酸丁酯从钨丝线圈挥发到空气中。在干燥过程中，钨丝线圈两端的溶液通过线圈节距的毛细管作用向钨丝线圈中间区域运动。在干燥过程的最后阶段，钨丝线圈两端的运动溶液变成强烈流动，流向钨丝线圈的里边。溶液的强烈流动将较轻重量(2×10-10g)的BaO颗粒带到钨丝线圈的里边，在末端留下裸钨丝线圈。携带BaO颗粒的结果，钨丝线圈里的微小BaO颗粒被带走，如图1(b)所示。钨丝线圈完全干燥后，钨丝线圈的末端没有BaO颗粒，在干燥钨丝线圈的一端产生了裸钨丝金属微小区域，有时是两端都有。图2显示钨丝线圈不均匀含有BaO颗粒，在末端有裸钨丝线圈的照片。所生产钨丝线圈的可变因素是:(1)颗粒尺寸和BaO粉的分布;(2)泥浆的粘稠度;(3)钨丝线圈的长度;(4)钨丝线的直径;(5)钨丝线圈的直径;(6)钨丝线圈单位长度的绕组节距;(7)钨丝线圈的变形;(8)线圈的层数(2倍和3倍);(9)钨丝线圈干燥时的倾斜角度。这些因素在试验中得到控制。

图2中的钨丝线圈置于FL管中，被检验玻璃管长50 cm，外直径15 mm。为了在光学显微镜下观察电极，被检验的FL管两端的荧光屏被去掉5 cm。FL管采用常规生产工艺生产，Ar=5托。

图2 带有BaO颗粒理想钨丝线圈的照片

2 结果与讨论

图3 通过焦耳热钨丝线圈的实验安排

未点亮FL管内钨丝线圈的加热已经确认是通过焦耳热，这是热能W=vi=i2R，这里R是钨丝线圈的电阻，i是钨丝里的ac电流。钨丝线圈的焦耳热是在有名无实的HCFL管中已经建立的传统流程。图3说明钨丝线圈被焦耳加热的实验构造。钨丝线圈与100 V的ac电源串联，钨丝线圈的加热速度可以通过不同的电阻手动改变，在光学显微镜(X5)下观察钨丝线圈的加热温度。以下是观察发现。

钨丝每单位长度有均匀的阻抗，但是，通过给线圈加载电压，带有BaO颗粒的钨丝线圈受热不均匀。线圈末端的裸金属斑点迅速加热到平衡温度，而带有BaO颗粒的钨丝线圈则缓慢地加热到平衡温度。经过长时间，整个线圈到达平均温度。通过加载高电压使得钨丝线圈迅速加热，裸金属斑点和带有BaO颗粒钨丝线圈的不同加热速度被放大。在直接应用ac 100 V下，裸金属斑点在几秒内迅速加热到平衡温度(850℃)，而带有BaO颗粒的钨丝线圈则需要几分钟。为什么不平衡加热出现在单位长度具有相同阻抗R的指定钨丝线圈中?裸金属斑点肯定是通过钨丝的焦耳热加热，带有BaO颗粒的钨丝线圈需要对BaO颗粒加热，它具有大的热容量。裸金属斑点与BaO颗粒覆盖区域之间的不同加热速度，随钨丝线圈上BaO粒子的量显著变化。可重复的结果只能在如图2所示的理想钨丝线圈中获得。通过100 V电源的应用，钨丝线圈的不平衡加热随以下条件明显变化:(1)钨丝的直径，(2)对于指定钨丝直径的钨丝线圈的绕组节距，(3)对于指定线圈BaO粒子的数量。在任何一种情况下，通过长于几分钟的加热，裸金属斑点和带有BaO颗粒的钨丝线圈部分趋于相同的等效温度(850℃)。未点亮FL管的发光启动需要钨丝线圈里裸金属斑点不平衡加热，点亮的FL管不使用钨丝线圈的焦耳热。