CN1669112A - 含有电极的低压气体放电灯 - Google Patents

Abstract

一种低压气体放电灯。这种灯装有密封的放电管，管内充有气体。这种灯还装有用来维持放电管内气体放电的电极。至少有一个电极置于放电管内，这个电极包括含有芯的线圈；芯由具有第一种负电性的第一种高熔点金属材料制成；此线圈还含有围绕绕组，此绕组由具有第二种负电性的第二种高熔点金属材料制成；此线圈在芯与绕组之间还有电子发射材料涂层；此线圈还带有电流供给。这种灯还装有用于起动和维持气体放电的装置。本发明还涉及电极。

Description

含有电极的低压气体放电灯

本发明涉及的是一种低压气体放电灯。这种灯装有密封的放电管，管内充有气体；这种灯还装有电极，用来维持放电管内的气体放电；至少有一个电极置于放电管内，这个电极包含由高熔点金属材料做成的线圈，它在电学上与电流供给相连接，此线圈还涂有电子发射材料；这种灯还装有能用来起动和维持气体放电的装置。

低压气体放电灯中光的产生，是基于当灯有电流通过时，灯内所充气体原子的电离和这些电离原子所导致的放电。这种灯的电极发射出电子，这些电子被电极间的电场高速加速，从而使它们与气体原子相碰撞时，能激发和电离气体原子。当气体原子回到它们的基态并发生电子和离子重新结合时，或多或少会有部分势能转化为辐射。

电极能发射出的电子数量与电极对电子的逸出功有关。钨这种金属有较高的逸出功，通常用来做电极金属。因此电极金属还常常涂上某种材料用来改善电极金属发射电子的性质。在气体放电灯中作为电极的电子发射涂层材料的特点是，它们含有碱土金属，此碱土金属或是以它的氧化物形式存在，或是以它的氧化物前身的形式存在，而这种前身是含有碱土金属的。因此，通常普通型的低压气体放电灯适于用带有电子发射涂层的钨丝来做电极，而此涂层含有碱土金属钙、锶和钡的氧化物。

为了制造这种类型的电极，钨丝通常在作粘合剂处理时涂上碱土金属碳酸盐。在灯的抽气和烘烤过程中，碳酸盐在温度约1000℃时转化为氧化物。碳酸盐以这种方式“烧掉”后，电极已能提供明显的发射电流，但此电流仍然是不稳定的，一般又跟着发生活化过程。活化过程将碱土金属氧化物的、原本是非导电的离子晶格，转化为电子半导体。在此过程中，施主型的杂质被结合进氧化物的晶格中，这些杂质基本上包含元素态的碱土金属，如钙、锶或钡。这种类型电极的电子发射也就是基于这种杂质机制。活化过程的目的是产生适当量过剩的元素态碱土金属，从而使电子发射涂层中的氧化物在规定的加热功率下产生最大的发射电流。

对这种电极的工作和灯的寿命来说，有不断更新的新鲜元素态碱土金属的供给是重要的。事实上，在灯的寿命期内电极的涂层确会不断地丢失碱土金属，因为涂层中的一部分基本上会慢慢地挥发掉，而还有一部分会被灯内的离子流溅射掉。

虽然在灯工作时，由于钨丝上碱土金属氧化物的还原，最初会有元素态碱土金属不断的再补给，然而，由于氧化钨、碱土金属硅酸盐或碱土金属钨酸盐形成的高电阻界面使钨丝钝化，最终会使这种再补给停止下来。

专利EP1104933试图解决这个问题。EP1104933描述了一种气体放电灯，它装有包含载体的电极，此载体是由选自钨和含钨合金的电极金属做成的。此电极还包含由第一种电子发射材料做成的第一个涂层，此电子发射材料含有选自氧化钙、氧化锶和氧化钡的一种碱土金属氧化物和选自氧化钪、氧化钇和氧化铕的一种稀土金属氧化物，其中稀土金属氧化物的含量为0.1重量％-10重量％。

然而，上述方案的缺点是如果电极金属过热，钡就会稍有挥发，因此电极也就失去了它的发射电子能力。

因此，本发明的目标就是提供一种具有长的寿命和改善的发射电流的低压气体放电灯。

根据本发明，有一种低压气体放电灯达到了这个目标。这种灯装有充有气体的密封放电管；装有用来维持放电管内气体放电的电极；至少有一个电极置于放电管内，该电极包括一个含有芯的线圈，芯由具有第一种负电性的第一种高熔点金属材料做成；此线圈还含有一个围绕绕组，此绕组由具有第二种负电性的第二种高熔点金属材料做成；在此线圈的芯和绕组之间有一电子发射材料涂层；此线圈带有电流供给；这种灯还装有用来引发和维持气体放电的装置。

因为线圈芯和围绕芯的绕组是由具有不同负电性的高熔点金属材料制成的，所以线圈的二种功能，也即导电和不断地还原电子发射涂层是相互分离的，还原主要发生在具有较低负电性的材料中。由于这两种过程是分开的，所以线圈作为一个整体既能使发射机制得到较好的优化，同时又能使电子发射物质得到有效的利用。

在本发明的一个实施方案中，线圈芯是由具有较高负电性的第一种高熔点材料组成，而围绕绕组是由具有较低负电性的第二种高熔点材料组成。

用来做线圈芯的具有较高负电性的第一种高熔点材料最好选自钨和钨与锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素的合金；而用来做围绕绕组的具有较低负电性的第二种高熔点材料最好选自锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素。

这个实施方案对有低的灯电流(气体放电电流)的低压气体放电灯特别合适。因为这种灯中电极的温度也低，使用具有较低负电性的材料甚至在低的温度下也能引起还原反应，并能防止从电子发射涂层中产生任何不必要有的组分挥发。

在本发明对有低气体放电电流的低压气体放电灯的一种特别优选的实施方案中，围绕绕组含有锆而电子发射材料含有钡和锶。在此实施方案中，电子发射涂层最好是不合钙的发射体。

在本发明的另一种实施方案中，线圈芯由具有较低负电性的第一种高熔点材料制成，而围绕绕组由具有较高负电性的第二种高熔点材料制成。

对具有较低负电性的第一种高熔点材料做的芯来说，此高熔点材料最好选自钨和钨与锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素；而用来做围绕绕组的具有较高负电性的第二种高熔点材料最好是选自铼、钴、镍、铷、钯、铑、铱、锇、铂。

这个实施方案特别适合于具有高灯电流(气体放电电流)的低压气体放电灯。因为这种灯中电极温度也比较高，使用有高负电性的材料能防止发生过度的还原反应。

在本发明的进一步实施方案中，电子发射材料涂层含有聚合的多钨酸钡。这个实施方案是值得注意的，因为它简化了低压气体放电灯的活化，并能产生改进的电子发射。

本发明还涉及到电极，它包括含有芯的线圈，芯由具有第一种负电性的第一种高熔点金属材料制成；此线圈还含有由具有第二种负电性的第二种高熔点金属材料制成的围绕绕组；此线圈还有涂在芯和围绕绕组之间的电子发射材料涂层以及电流供给。

通过下文描述的具体实施方案将会使以上有关本发明的说明以及其他方面变得一清二楚，并根据这些实施方案将它们解释清楚。

在附图中：

图1用实例显示了一种小巧的低压气体放电灯。

图2详细显示了一种电极。

图1用实例显示了一种小巧的低压气体放电灯，它带有安装低压气体放电灯2的灯座1。这个灯座装有灯帽3，灯帽有接触点3a和3b。灯座内还装有引发装置4，此引发装置与接触点3a和3b相连。这种灯还包含用于起动和工作的装置，如扼流圈和起动器。

低压气体放电灯装有气体放电管5，放电管是用气体密封方法密封的。

此气体放电管的内壁涂有荧光物质层5’，此荧光物质的化学组成决定了光谱或光的颜色。气体放电管内充有能电离的气体，通常充混有少量汞或汞蒸汽的惰性气体氩，所充的气体在工作条件下能被激发而发光，并在紫外光区253.7nm波长处发射出汞的共振线。所发出的紫外辐射能激发荧光层中的荧光物质，从而在可见光区发出光。

根据本发明的一种气体放电灯还包含发射电子的电极6a和6b，它们用来维持气体放电管内的放电。

电极6a和6b中至少有一个是置于气体放电管5内的。在示于图1的实施方案中，二个电极均置于气体放电管内，它们分别装在U型气体放电管的两端50a和50b。

电极6a和6b各自包含线圈60a和60b，线圈与电流供给7a、7a′、7b、7b′在电路上相连接。

图2详细显示了二个电极中的一个电极6a，另一个电极6b在结构上与6a相同。电极6a的线圈60a有一个由三匝三级螺旋管组成的围绕绕组，此三级螺旋管由57匝次级螺旋管组成，此次级螺旋管依次由绕在初级螺旋管上的导线组成。在此围绕绕组中心的空间插有一根粗的芯线(图2中未示出)。在线圈60a的端头区域62a，63a和62a′，63a′之间的有一中心区域61a，此中心区域有45匝次级螺旋管，在此中心区域涂有电子发射材料。线圈6a的两端分别固定在二个环形框架70a和70a′上，这二个框架分别装在电流供给7a和7a′的端头上。

根据本发明电极通常包含一个芯和一个围绕绕组。

电极中的芯可以是导线、线圈、螺旋管、波纹线、管、环、板或带，它通常直接由电流加热。

作为围绕绕组的线圈可以包含一根或多根导线(笼形线)。也可以将大量的导线编成绞线用来做围绕绕组。我们还知道，在电极中芯线首先有以大的节距围绕着它绕的导线，然后，围绕绕组再以小的节距绕在这个整体上面。

带有用编起来的导线做成的芯，并在芯的外面还有附加绕组的那种电极也已制造出来。

已知有的电极形式是其中绕组的各根导线不是简单地互相绕成环而连接成绞线，而是实际上编织在一起。在编织中，处于外层的各根导线不是只以一个方向围着芯绕，而是或是交替地以这个或那个方向围着芯绕，或是大量的各根导线先编在一起做成绞线，然后绞线用编织的方式依次围着芯绕，也即交替地用顺时针和反时针方向进行编织。

我们还知道电极也可由已编成绞线的导线组成，也即首先将导线做成密实的绞线形式，这种绞线包含芯线和由同样直径的六根分开的导线组成的第一层，而这些导线中有一些以后会发生化学分解。因此，这些以后会分解的导线在材料上与其它导线是不同的。

并不需要总是将芯线留在里面，事实上它可以参与导线之间在位置上的互换。

能用来做电极的高熔点金属材料，不但决定于要有好的导电性和好的逸出功，而且还要决定于它的负电性。

用来做线圈芯的高熔点金属材料通常由钨或带有一定量钼(如需要)的钨合金组成。其中最佳选择是0.01重量％-1重量％的铪、锆或钛加入钨中形成的合金。这些加入的元素起到还原剂的作用，它们能进一步增强高熔点金属材料的还原反应。用来做芯的具有较高负电性的第一种高熔点材料，最好选自钨和钨与锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素的合金中的一种。

在本发明的一种实施方案中，用来做围绕绕组的高熔点金属材料是具有较低负电性的第二种高熔点材料，它选自锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素的组，此方案对有低的灯电流的灯特别合适。

在本发明的另一种实施方案中，用来做围绕绕组的高熔点金属材料是具有较高负电性的第二种高熔点材料，它选自铼、钴、镍、铷、钯、铑、铱、锇和铂的组。

在本发明的一种实施方案中，高熔点金属材料也可以由一种基底材料组成，其上涂有选自铼、钴、镍、铷、钯、铑、铱、锇和铂中的一种贵金属涂层，此涂层最好由0.1-2μm厚的铱或铼层组成。

根据本发明用来做围绕绕组的各根导线可以用同一种材料，如钨。然而，为了特定的目的，在绕组中也可能用些其它材料的导线，如除了用一定数量的钨线外，也用一些钽、锆或其他金属导线。

在芯和围绕绕组之间一般留有连续的间隙，以便改善电子发射材料涂层的附着性。

用作第一涂层的电子发射物质的原始材料是涂于芯和围绕绕组之间的线圈上的。为了制造用于这个涂层的原始材料，将选自钙、锶和钡的碱土金属的碳酸盐与选自氧化钪、氧化钇和氧化铕的稀土金属氧化物相混合，其中稀土金属氧化物占0.1重量％-10重量％。碳酸钙∶碳酸锶∶碳酸钡典型的重量比为：1∶1.25∶6或1∶12∶22或1∶1.5∶25或1∶4∶6。

碱土金属氧化物和稀土金属氧化物的混合也可以通过共沉淀来产生，即在碱土金属硝酸盐中加入水溶液性的稀土金属化合物，然后通过加入碳酸钠来沉淀出碱土金属碳酸盐和稀土金属氧化物。

电子发射材料中也可以包含其它组分，它们可以选自氧化钛、氧化锆、氧化铪、氧化铈和氧化镧这些二元氧化物。

电子发射材料中也可以包含其它组分，它们可以选自三元和四元氧化物Ba₃WO₆、Ba₂CaWO₆、BaY₂O₄、Ba₄Ta₂O₉、Ba₂TiO₄和BaZrO₃。

加入这些其它组分可以使电子发射材料分散得更均匀，同时它们也使电子发射材料得到更均匀的还原。

电子发射材料中也可以加入粉末型的金属，它们可选自铝、硅、钛、锆、铪、钽、钼、钨及这些金属与选自金属铼、铑、钯、铱和铂的合金，这些金属粉末还带有由铱、铼、铑、铂、钯、镍或钴组成的粉末涂层。最好使用带有0.1-0.2μm厚粉末涂层且平均颗粒大小为2-3μm的金属粉末。化学气相淀积(CVD)方法或流化床化学气相淀积方法可用作粉末涂层的处理。将这种带有涂层的金属粉末加入到原始材料中。

原始材料还可与粘合剂混合，可用刷、浸、阳离子电泳沉积或喷的办法将粘合剂加到基底材料上。

将预先做好的电极与灯的端头熔合在一起。电极在灯的抽气和充气过程中得到了老化。通过直接通电使电极的导线加热到1000-1200℃，在此温度下，碱土金属碳酸盐转化为碱土金属氧化物，同时释放出CO和CO₂，然后形成多孔、烧结的实体。在这种电极‘烧掉’过程后，就发生活化，活化的目的是产生过量的元素态钡结合到氧化物中。过量的钡是通过氧化钡的还原产生的，在还原过程中也就进行了适当的活化，此时氧化钡被放出的CO或基底金属还原。除此之外，还有电流活化，也就是通过高温下的电解过程来产生所需要的游离态钡。

在本发明的另一种实施方案中，电子发射材料的涂层含有作为游离态钡供体的物质，它们是带有聚合钨酸盐阴离子的钡的三元、四元、五元或一般的复合盐。

这些聚合钨酸盐的特点是它们的阴离子是钨的单氧基酸、钨的同多氧基酸或钨和另一元素的杂多氧基酸，所述另一元素取自含钛、锆、铪、钽、钇、和铈这个系列，它在杂多氧基酸中起杂原子的作用。

根据本发明，盐的阴离子有不同的结构和价态，它们所具有的结构与pH值密切相关。在碱性溶液中它们基本上是以单氧基阴离子形式存在，而当pH值降低时，它们就缩合成同多氧基阴离子。在聚合盐中存在大量不同结构的阴离子也是可能的。

钨酸盐除了含有钡以外，还可以含有一种或多种其它碱土金属作为阳离子，这些碱土金属选自镉和锰。

根据此实施方案，在灯的活化过程中，碱土金属碳酸盐热裂解为二元碱土金属氧化物。

在灯工作时，由于受到离子的轰击，在电极的热点电子发射材料就会慢慢地挥发掉。

Claims (7)

1.一种低压气体放电灯，它装有气体密封的放电管，管内充有气体，还装有用来维持放电管内气体放电的电极；至少有一个电极安装在放电管内，并包括一个含有芯的线圈，此芯由具有第一种负电性的第一种高熔点金属材料制成；此线圈还含有一个围绕绕组，该绕组由具有第二种负电性的第二种高熔点金属材料制成；在芯和绕组之间还有电子发射材料涂层；该线圈还带有电流供给；这种灯还装有用来引发和维持气体放电的装置。

2.权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：芯是由具有较高负电性的第一种高熔点材料组成，而围绕绕组是由具有较低负电性的第二种高熔点材料组成。

3.权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：芯是由具有较高负电性的第一种高熔点材料组成，这种材料选自钨和钨与锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素的合金；而围绕绕组是由具有较低负电性的第二种高熔点材料组成，这种材料选自锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素。

4.权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：芯是由具有较低负电性的第一种高熔点材料组成，而围绕绕组是由具有较高负电性的第二种高熔点材料组成。

5.权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于：芯是由具有较低负电性的第一种高熔点材料组成，这种材料选自钨和钨与锆、铪、钛、钇、钪、镧或镧系元素的合金；而围绕绕组是由具有较高负电性的第二种高熔点材料组成，这种材料选自铼、钴、镍、铷、钯、铑、铱、锇、铂。

6.权利要求1的低压气体放电灯，其特征在于作为电子发射材料的涂层包含聚合的多钨酸钡。

7.一种电极，它包括含有芯的线圈，此芯是用具有第一种负电性的第一种高熔点金属材料制成；此线圈还含有围绕绕组，此绕组是由具有第二种负电性的第二种高熔点金属材料制成；此线圈在芯和绕组之间还有作为电子发射材料的涂层；此线圈还有电流供给。