DE102009057546A1

DE102009057546A1 - Entladungslampe

Info

Publication number: DE102009057546A1
Application number: DE102009057546A
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Himeji-shi Ikeuchi; Tomoyoshi Himeji-shi Arimoto
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2008-12-22
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2010-09-16
Also published as: CN101794704A; KR20100073977A; JP2010146989A; JP5239828B2; CN101794704B; TW201025409A; US20100156294A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1), in dem eine Kathode (5) und eine Anode (4) in der Röhrenachsrichtung des Entladungsgefäßes (1) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Kathode (5) aus einem Material gebildet ist, bei dem ein Grundstoff aus metallischem Wolfram ein Lanthanoxid und ein Zirkoniumoxid enthält. Im Kathoden-Grundstoff aus metallischem Wolfram ist zudem Kohlenstoff in Form einer festen Lösung vorhanden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe mit einer großen Belastung sowie einer hohen Helligkeit. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Entladungslampe, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass als Kathodenmaterial zur Erleichterung der Elektronenemission ein Material verwendet wird, welches Lanthan (La) enthält.
Es ist bekannt, dass bei einer Entladungslampe, welche als Lichtquelle für eine Belichtungsvorrichtung verwendet wird, die zur Belichtung benutzt wird und bei welcher in einen Entladungsraum Quecksilber eingefüllt ist, sowie bei einer Entladungslampe, welche bei einem Filmprojektor und dergleichen als Lichtquelle verwendet wird und bei welcher in einen Entladungsraum Xenongas eingefüllt ist, eine vorteilhafte Elektronenemissions-Charakteristik dadurch gezeigt wird, dass eine Kathode, deren Hauptbestandteil Wolfram (W) ist, als Elektronenemissionsmaterial Lanthanoxid (La₂O₃) enthält. Bei einer Entladungslampe mit einer Kathode, welche als Elektronenemissionsmaterial Lanthanoxid (La₂O₃) enthält, wird es jedoch als nachteilig angesehen, dass aufgrund einer hohen Wärmebelastung, welche beim Betrieb auf die Kathode ausgeübt wird, Lanthan (La) frühzeitig verdampft und sich aufbraucht und dass infolgedessen keine stabile Entladung mehr aufrechterhalten werden kann.
In der JP-A-2006-286236 und US 7,569,994 B2 wird daher beschrieben, dass man unter Ausnutzung der Charakteristik, dass Zirconium (Zr), Hafnium (Hf) und dergleichen sich leichter mit Sauerstoff verbinden als Wolfram, die Bildung von Wolframoxid dadurch unterdrücken kann, dass wenigstens ein Oxid dieser Metalle zugemischt wird. Dies verhindert, dass Wolframoxid mit einem niedrigen Schmelzpunkt sich bei etwa der Betriebstemperatur der Kathode in einen flüssigen Zustand gerät. Somit erfolgt eine stabile Zufuhr dieses Elektronenemissionsmaterials über eine lange Zeit, und es wird möglich, eine stabile Entladung lange Zeit aufrechtzuerhalten.
Ferner wird in der US 7,279,839 B2 der Versuch beschrieben, durch einen Zusatz eines Oxides oder eines Carbides eine Verbesserung zu erzielen.
Es ist zwar durch Zusatz eines Metalloxids von Zirconium (Zr), Hafnium (Hf) und dergleichen möglich, zu verhindern, dass Lanthan (La) frühzeitig verdampft und sich aufbraucht. Die Reduktion des Elektronenemissionsmaterials, welches als Lanthanoxid (La₂O₃) enthalten ist, zu Lanthan ist jedoch unausreichend, und die Menge an Lanthan (La) ist nach wie vor nicht ausreichend, um eine Entladungslampe mit einer hohen Lebensdauer zu erhalten. Wenn Lanthan (La) fehlt, ist der Bedeckungsgrad der Lanthan(La)-Atome im Spitzenbereich der Kathode (Oberflächendichte der Lanthan-Atome, wenn eine Beschichtung mit einer monoatomaren Lage mit 1 bezeichnet wird) klein, wodurch man die Nachteile einer Vergrößerung der Austrittsarbeit, einer Erhöhung der Kathodentemperatur und somit einer Verformung derselben und des Entstehens von Flackern hat.
Die Erfindung wurde gemacht, um die vorstehend beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Entladungslampe mit einer Kathode anzugeben, welche als Elektronenemissionsmaterial Lanthanoxid (La₂O₃) enthält, bei welcher die Reduktion von Lanthanoxid (La₂O₃) beschleunigt und die Zufuhrmenge von Lanthan (La) vergrößert wird und welche eine lange Lebensdauer aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst mit der Entladungslampe nach Anspruch 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Entladungslampe, bei welcher in einem Entladungsgefäß eine Kathode sowie eine Anode in der Röhrenachsrichtung des Entladungsgefäßes gegenüberliegend angeordnet sind und bei welcher die Kathode aus einem Material gebildet ist, bei welchem in einem Grundstoff aus metallischem Wolfram ein Metalloxid des Lanthans und ein Metalloxid des Zirconiums enthalten sind. Zudem ist im Wolfram-Grundstoff der Kathode Kohlenstoff als feste Lösung vorhanden.
Die Aufgabe wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung dadurch gelöst, dass die Kathode aus einem Spitzenbereich, einem sich verjüngenden Bereich und einem Rumpf besteht und die Konzentration des Kohlenstoffes, welcher im Spitzenbereich als feste Lösung vorhanden ist, höher ist als die Konzentration des Kohlenstoffes, der im sich verjüngenden Bereich als feste Lösung vorhanden ist. Bevorzugt liegt die Konzentration des als feste Lösung vorliegenden Kohlenstoffes im Spitzenbereich etwa 3 mm (±10%) entfernt von der Oberfläche in einem Bereich von 20 bis 100 Gew.-ppm und im sich verjüngenden Bereich etwa wenigstens 3 mm (±10%) entfernt von der Oberfläche in einem Bereich von 5 bis 20 Gew.-ppm.
In der erfindungsgemäßen Entladungslampe schreitet dadurch, dass in der Kathode, welche als Elektronenemissionsmaterial Lanthanoxid (La₂O₃) enthält, Kohlenstoff (C) als feste Lösung gelöst ist, die Reduktion von Lanthanoxid (La₂O₃) auch an Stellen fort, an welchen beim Betrieb der Entladungslampe die Temperatur vergleichsweise niedrig ist, und man kann somit Lanthan (La) erzeugen. Man kann somit den Bereich, welcher die Zufuhrquelle von Lanthan (La) darstellt, im Vergleich zu einer Kathode, die keinen Kohlenstoff (C) als feste Lösung enthält, erweitern, und man kann die Zufuhrmenge von Lanthan (La) vergrößern und eine Entladungslampe mit einer hohen Lebensdauer anbieten.
In der Entladungslampe gemäß der Weiterbildung der Erfindung, in der die Konzentration des Kohlenstoffs (C) im Spitzenbereich der Kathode, welche beim Betrieb eine hohe Temperatur erreicht, erhöht ist, kann der CO-Partialdruck in der Nähe der Lanthanoxid-Teilchen erhöht und die Reduktionsreaktion unterdrückt werden. Man kann das Abfließen von Lanthan (La) unterdrücken und den Abbau des Spitzenbereiches der Kathode reduzieren. Da der sich verjüngende Bereich der Kathode auch beim Betrieb keine so hohe Temperatur wie der Spitzenbereich erreicht, wird die Konzentration des Kohlenstoffes (C) stärker gesenkt als im Spitzenbereich und die Reduktionsreaktion somit beschleunigt. Das im sich verjüngenden Bereich erzeugte Lanthan (La) diffundiert entlang der Korngrenzen des Wolframs (W) und wird dem Spitzenbereich der Kathode zugeführt, so dass das Entstehen von Flackern infolge einer ungenügenden Lanthanmenge verhindert wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Zeichnung weiter beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittsdarstellung der Anordnung eines Beispiels der erfindungsgemäßen Entladungslampe;
2 eine Gleichgewichtsdiagramm von Wolfram (W) und Kohlenstoff (C) und
3 eine schematische vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts des Gleichgewichtsdiagramms der 2, in dem der Anteil Kohlenstoffes (C) in sehr gering ist.
1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung der Anordnung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Entladungslampe, welche als Lichtquelle einer Belichtungsvorrichtung verwendet wird und bei welcher in einen Entladungsraum Quecksilber eingefüllt ist. Die Leuchtröhre 2, welche einen Teil des Entladungsgefäßes 1 bildet, ist aufgeschnitten dargestellt, um ihre Innenstruktur zu zeigen.
Die Entladungslampe weist ein Entladungsgefäß 1 auf, welches beispielsweise aus einem lichtdurchlässigen Material wie beispielsweise Quarzglas oder dergleichen besteht und eine im Wesentlichen kugelförmige Leuchtröhre 2 sowie hermetisch abschließende Röhren 3 aufweist, welche an gegenüberliegende Enden der Leuchtröhre 2 angrenzen und sich von dieser nach außen erstrecken. Im Entladungsgefäß 1 sind eine Anode 4 sowie eine Kathode 5, welche jeweils beispielsweise aus Wolfram bestehen, in der Röhrenachsrichtung des Entladungsgefäßes 1 gegenüberliegend angeordnet. Die Kathode 5 besteht aus einem Spitzenbereich 51, welcher gegenüber der Anode 4 angeordnet ist, aus einem sich verjüngenden Bereich 52, der in Richtung auf den Spitzenbereich 51 seinen Durchmesser verringert, sowie aus einem zylindrischen Rumpf 53.
In den Innenraum des Entladungsgefäßes 1 sind Quecksilber sowie ein Puffergas als Emissionsstoff oder Starthilfegas jeweils mit einer vorgegebenen Einfüllmenge eingefüllt. Als Puffergas ist beispielsweise Xenongas eingefüllt. Die Einfüllmenge des Quecksilbers liegt beispielsweise innerhalb eines Bereiches von 1 mg/cm³ bis 70 mg/cm³, beispielsweise bei 22 mg/cm³. Die Einfüll menge des Xenongases liegt beispielsweise innerhalb eines Bereiches von 0.05 MPa bis 0.5 MPa, beispielsweise bei 0.1 MPa.
Durch Anlegen einer Hochspannung von beispielsweise 20 kV an die Elektroden der Entladungslampe, nämlich die Anode 4 und die Kathode 5, treten Elektronen von der Kathode 5 zur Anode 4 hin aus, wodurch zwischen den Elektroden ein Isolationsdurchschlag entsteht. Darauf folgend wird ein Entladungs-Lichtbogen gebildet, wodurch Licht ausgestrahlt wird, welches beispielsweise eine i-Linie mit einer Wellenlänge von 365 nm sowie eine g-Linie mit einer Wellenlänge von 435 nm enthält.
Für die Anode 4 wird reines Wolfram mit einer Reinheit von beispielsweise mindestens 99.99 Gewichts-% verwendet. Der Hauptbestandteil der Kathode 5 ist Wolfram, wobei die Reinheit beispielsweise bei knapp 98 Gewichts% liegt. Im Grundstoff aus metallischem Wolfram der Kathode 5 sind als Elektronenemissionsmaterial ein Lanthanoxid und als Stabilisator zur Stabilisierung des Elektronenemissionsmaterials ein Zirkoniumoxid enthalten. Ferner ist im Wolfram (W) Kohlenstoff (C) als feste Lösung gelöst.
Das Lanthanoxid (La₂O₃), welches in der Kathode 5 enthalten ist, ist ein Elektronenemissionsmaterial. Durch seine Reduktion wird der Sauerstoff entfernt, und Lanthanatome bewegen sich innerhalb des Wolframs, erreichen den Spitzenbereich 51 der Kathode 5 und bilden dort eine Beschichtung, wodurch eine monoatomar beschichtete Elektronenemissions-Elektrode entsteht. Das heißt, durch den Überzug des Spitzenbereiches 51 der Kathode 5 mit einer monoatomaren Schicht Lanthan (La) verringert sich die Austrittsarbeit der Kathode 5, und die Betriebstemperatur der Kathode 5 sinkt, wodurch man die Lebensdauer der Kathode 5 verlängern kann.
Das in der Kathode 5 enthaltene Zirconiumoxid (ZrO₂) ist ein Stabilisator für das Elektronenemissionsmaterial, welches die Bildung einer flüssigen Phase aufgrund der Absenkung des Schmelzpunktes durch Bildung von Wolframoxid verhindern kann. Wenn kein Zirconium oder ähnliches vorhanden ist, reagiert der Sauerstoff (O₂), welcher durch die Reduktion des Lanthanoxides (La₂O₃) entsteht, mit Wolfram (W) zu Wolframoxid (WO₃). Hierdurch tritt der Nachteil auf, dass das Wolframoxid (WO₃) mit dem Lanthanoxid (La₂O₃) eine Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt bildet, dass sich durch Bildung einer flüssigen Phase die Transportgeschwindigkeit des Emitters rasch erhöht und dieser schnell verbraucht wird.
Man setzt deshalb Zirconiumoxid (ZrO₂) zu, wobei Zirconium (Zr), welches leichter mit Sauerstoff reagiert als Wolfram (W), als Sauerstoff-Letter fungiert und die Bildung von Wolframoxid (WO₃) unterdrückt. Da keine Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt mehr gebildet wird, wird die Bildung einer flüssigen Phase bei etwa der Betriebstemperatur der Kathode 5 verhindert. Somit kann man verhindern, dass Lanthan (La) verdampft und frühzeitig aufgebraucht wird.
Kohlenstoff (C), welcher in der Kathode 5 enthalten ist, ist nicht in Form eines Carbides mit einem metallischen Element, sondern als Element vorhanden, welches im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst ist. Unter dem Begriff ”feste Lösung” soll ein Zustand verstanden werden, in welchem, selbst bei einem Einschluss anderer Atome in die Kristallstruktur des Metalls, diese unter Beibehaltung der ursprünglichen Kristallstruktur in einem festen Zustand vermischt sind. Konkret ist es eine feste interstitielle Lösung, bei welcher Kohlenstoff (C) mit seinem kleinen Atomradius in die Lücken zwischen den Atomen des metallischen Kristallgitters des Wolframs (W) eingeschoben ist.
2 ist eine Darstellung eines Gleichgewichtsdiagramms des Wolframs (W) und des Kohlenstoffes (C) (nach: S. V. Nagender Naidu et al., Phase Diagrams of Binary Tungsten Alloys, Indian Institute of Metals, 1991, S. 37–50). Die Abszissenachse stellt das Verhältnis des Wolframs (W) zu Kohlenstoff (C) dar und die Ordinatenachse die Temperatur.
Aus dem Gleichgewichtsdiagramm wird ersichtlich, dass je nach Anteil des Kohlenstoffs (C), welcher im Wolfram (W) enthalten ist, sich der Zustand verändert, in welchem der Kohlenstoff (C) eingemischt ist. Der mittlere, untere Bereich (a) der graphischen Darstellung zeigt einen Zustand, in welchem der Anteil des Kohlenstoffs (C) bei 30% bis 50% und die Temperatur bei höchstens 2700°C liegt. Man kann erkennen, dass ein Carbid als Verbindung von Wolfram (W) und Kohlenstoff (C), beispielsweise Wolframcarbid (WC), gebildet wird. Der linke Bereich (b) der graphischen Darstellung zeigt einen Zustand, in welchem der Anteil des Kohlenstoffs (C) sehr gering ist und die Temperatur bei ca. 2700°C liegt. Man kann erkennen, dass der Kohlenstoff (C) keine Verbindung bildet, sondern dass er im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst und als Element vorhanden ist. Man nennt einen derartigen Zustand in (b) feste Lösung, bei welcher wenigstens zwei Arten Elemente sich ineinander lösen und das Ganze als gleichmäßige feste Phase vorliegt.
3 ist eine vergrößerte Darstellung des Bereiches mit sehr geringem Kohlenstoffanteil des Gleichgewichtsdiagramms der 2 (nach: S. V. Nagender Naidu et al., Phase Diagrams of Binary Tungsten Alloys, Indian institute of Metals, 1991, S. 37–50).
Die linke Seite (b) mit einem sehr geringen Kohlenstoffanteil stellt die feste Phase dar, während der Bereich rechts oben (α), wo der Anteil des Kohlenstoffes (C) relativ groß und die Temperatur hoch ist, einen Zustand darstellt, in welchem die Festlösungsphase mit der Flüssigphase gemischt ist. Im Bereich rechts unten (β) ist der Anteil des Kohlenstoffes (C) relativ groß und die Temperatur niedrig. Hier sind Festlösungsphase und Carbid gemischt. Man kann aus der Grenzlinie zwischen dem Zustand (α), in welchem die Festlösungsphase mit der Flüssigphase gemischt sind, und der Festlösungsphase (b) ablesen, dass der Schmelzpunkt sinkt, wenn der Anteil des Kohlenstoffs (C) sich vergrößert. Da die Nachbarschaft des Spitzenbereiches 51 der Kathode 5 beim Betrieb eine hohe Temperatur von ca. 3000°C erreicht, ist es erforderlich, das Einmischverhältnis des Kohlenstoffs (C) gering zu halten, um zu verhindern, dass die Kathode 5 beim Betrieb schmilzt. Man kann aus dem Gleichgewichtsdiagramm ablesen, dass die Konzentration des Kohlenstoffs bei höchstens 100 Gew.-ppm (ca. 0.15 Gew.%) liegen darf, um ein Schmelzen der Kathode 5 beim Betrieb der Entladungslampe zu verhindern.
Bei Anwendung des vorstehend Beschriebenen auf eine Kathode 5, bei welcher im Grundstoff des metallischen Wolframs Kohlenstoff (C) als feste Lösung gelöst wurde, wurde ein Versuch durchgeführt, in dem festgestellt wurde, dass die Lebensdauer der Entladungslampe verbessert wurde. Man kann vermuten, dass der Grund der Verbesserung darin liegt, dass das nachstehend beschriebene Phänomen auftritt.
Der im Wolfram (W) als feste Lösung gelöste Kohlenstoff (C) reagiert mit Lanthanoxid (La₂O₃), welches ebenfalls im Wolfram (W) enthalten ist, in der folgenden Weise und reduziert somit das Lanthanoxid (La₂O₃). La₂O₃ + 3C ⇆ 2La + 3CO
Das Lanthan (La) als Element, welches durch die Reduktion erzeugt wurde, diffundiert entlang der Korngrenzen des Wolframs (W) und gelangt zum Spitzenbereich 51 der Kathode 5. Andererseits existiert Kohlenmonoxid (CO), welches bei der Reduktion erzeugt wurde, als Gas in den Lücken im Wolfram (W), in welchen Metalloxidkörner einschließlich Lanthanoxid (La₂O₃) vorhanden sind. Wenn die Reduktion des Lanthanoxides (La₂O₃) fortschreitet, vergrößert sich auch die Menge des Kohlenmonoxides (CO), und der Druck des Kohlenmonoxides (CO) in den Lücken erhöht sich. Wenn ein derartiger Zustand erreicht wird, zerfällt das Kohlenmonoxid (CO) dort, wo es mit Wolfram (W) in Kontakt ist, in Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O), welche jeweils im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst werden. Durch eine derartige sekundäre Reaktion (CO C + O) wird der Kohlenstoff (C) wiederholt genutzt, so dass man auch bei einer kleinen Menge das Lanthanoxid (La₂O₃) in ausreichendem Maß reduzieren kann. Da der durch die Reduktion des Lanthanoxides (La₂O₃) erzeugte Sauerstoff (O₂) mit dem Kohlenstoff reagiert und Kohlenmonoxid (CO) erzeugt, was die Bildung von Wolframoxid (WO₃) unterdrückt, wird auch verhindert, dass Lanthan (La) verdampft und frühzeitig aufgebraucht wird.
Da der Kohlenstoff (C) nicht in Form eines Carbides als Verbindung mit einem metallischen Element, sondern als Element vorhanden ist, welches im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst ist, ist es nicht erforderlich, den Kohlenstoff (C) vom metallischen Element zu trennen. Da bei einer Verwendung des Kohlenstoffs (C) als Reduktionsmittel keine Energie nötig ist, um den Kohlenstoff freizusetzen, erfolgt auch an Stellen mit einer relativ niedrigen Temperatur eine Reduktionsreaktion des Lanthanoxides (La₂O₃).
Wenn Kohlenstoff (C) in Form eines Carbides enthalten ist, ist es in Teilen der Kathode 5 örtlich unregelmäßig verteilt. Wenn der Kohlenstoff (C) jedoch als feste Lösung gelöst ist, ist der Kohlenstoff (C) in geringer Menge gleichmäßig überall in der Kathode 5 vorhanden. Der Kohlen stoff (C) ist deshalb unmittelbar benachbart zum Lanthanoxid (La₂O₃) vorhanden, welches an jeder Stelle der Kathode 5 vorhanden ist. Man kann somit die Reduktionsreaktion des Lanthanoxides (La₂O₃) ohne Beeinträchtigung durchführen.
Dadurch, dass in die Kathode 5, welche als Elektronenemissionsmaterial Lanthanoxid (La₂O₃) enthält, Kohlenstoff (C) als feste Lösung gelöst ist, schreitet auch an Stellen, an welchen beim Betrieb der Entladungslampe die Temperatur relativ niedrig ist, die Reduktion des Lanthanoxides (La₂O₃) fort, und man kann somit Lanthan (La) erzeugen. Wenn in der Kathode 5 Kohlenstoff nicht als feste Lösung gelöst ist, kann man den Bereich, welche die Zufuhrquelle von Lanthan (La) darstellt, vergrößern. Man kann somit die Zufuhrmenge des Lanthans (La) vergrößern und eine Entladungslampe mit einer langen Lebensdauer anbieten.
Im Fall einer Verwendung von Lanthanoxid (La₂O₃) als Elektronenemissionsmaterial erhöhte sich bisher aufgrund mangelhafter Lanthanmenge infolge einer nicht in ausreichendem Maß fortschreitenden Reduktion die Temperatur der Spitze der Kathode 5, so dass eine Anwendung für eine große Entladungslampe, welcher eine große Leistung zugeführt wird, nicht möglich war. Es ist jedoch möglich, wenn der Anode 4 Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) zugesetzt werden und in die Kathode 5 Kohlenstoff (C) diffundiert wird, bei einer Anwendung von Lanthanoxid (La₂O₃) als Elektronenemissionsmaterial selbst in einer großen Entladungslampe, welcher eine große Leistung zugeführt wird, Lanthan (La) in ausreichendem Maß zuzuführen.
Bevorzugt wird die Kathode 5 zu ausgebildet, dass die Konzentration des Kohlenstoffes, welcher im Spitzenbereich 51 als feste Lösung gelöst ist, höher ist als die Konzentration des Kohlenstoffes, der im sich verjüngenden Bereich 52 als feste Lösung gelöst ist. Eine Überprüfung ergab, dass die Lebensdauer der Entladungslampe dadurch noch länger wurde. Man kann vermuten, dass der Grund für die Verlängerung darin liegt, dass das folgende Phänomen auftritt.
Der Druck des Kohlenmonoxides (CO), welches zwischen den Kristallen als Gas vorhanden ist, wird desto höher, je höher die Konzentrationen des Kohlenstoffes (C) und des Sauerstoffes (O) sind, welche in Wolfram (W) als feste Lösung gelöst sind. Da die Reduktion des Lanthanoxides, welche durch die chemische Gleichung La₂O₃ + 3C ⇆ 2 La + 3CO dargestellt ist, eine Gleichgewichtsreaktion ist, werden die Reduktionsreaktion des Lanthanoxides im Wolfram (W) und das Austreten des Lanthans (La) als Emitter desto mehr unterdrückt, je höher die Konzentration des Kohlenmonoxides (CO) ist. Je höher die Konzentration des Kohlenstoffes (C) ist, welcher im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst ist, desto höher wird der Partialdruck des Kohlenmonoxides (CO), wodurch die Reduktionsreaktion des Lanthanoxides (La₂O₃) unterdrückt wird. Da die Reduktionsreaktion des Lanthanoxides auch von der Temperatur abhängt, kann man durch eine Erhöhung der Konzentration des Kohlenstoffes (C) im Spitzenbereich 51 der Kathode 5, welche beim Betrieb eine hohe Temperatur erreicht, die Reduktionsreaktion unterdrücken, das Austreten des Lanthans (La) unterdrücken und den Abbau des Spitzenbereiches 51 der Kathode 5 unterdrü cken. Andererseits erreicht der sich verjüngende Bereich 52 in der Nachbarschaft des Spitzenbereiches 51 der Kathode 5 auch beim Betrieb keine so hohe Temperatur wie der Spitzenbereich 51, so dass sich die Konzentration des Kohlenstoffes (C) mehr verringert als im Spitzenbereich 51 und somit die Reduktionsreaktion sich beschleunigt. Das im sich verjüngenden Bereich 52 erzeugte Lanthan (La) diffundiert entlang der Korngrenzen des Wolframs (W) und gelangt zum Spitzenbereich 51 der Kathode 5, wodurch ein Entstehen von Flackern aufgrund einer mangelhaften Lanthanmenge verhindert wird.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung einer Kathode 5 beschrieben, bei welcher Kohlenstoff (C) als feste Lösung im Wolfram (W) gelöst ist.
Das Wolfram als Kathodenmaterial wird durch einen Pulvermetallurgie-Prozess gebildet. Als erstes wird Pulver mit unterschiedlichen mittleren Korngrößen in der Weise gemischt, dass das bereitgestellte Wolframpulver eine entsprechende Verteilung der Korngröße erhält. Man setzt ihm ein Bindemittel wie Stearinsäure oder dergleichen zu, füllt hiermit eine Gießform, verpresst und erhält so einen stabförmig kompaktierten Körper. Anschließend erhöht man in einer Wasserstoff-Atmosphäre allmählich die Temperatur und entfernt das Bindemittel. Dann erhöht man die Temperatur weiter und erhält so einen provisorisch gesinterten Körper. Wenn dabei der Taupunkt des Wasserstoffes niedrig ist, vergrößert sich die Restmenge des aus dem Bindemittel stammenden Kohlenstoffes (C), so dass man durch eine Regulierung des Taupunktes des Wasserstoffes die Dotierungsmenge des Kohlenstoffes (C) regulieren kann.
Man kann ferner dadurch, dass man zu Anfang den Taupunkt des Wasserstoffes niedrig hält und die Restmenge des aus dem Bindemittel stammenden Kohlenstoffes (C) groß hält und am Ende des provisorischen Sinterns feuchten Wasserstoff mit einem hohen Taupunkt zuströmen lässt, den restlichen Kohlenstoff (C) in der Nähe der Oberfläche der Kathode beseitigen und einen provisorisch gesinterten Körper erhalten, dessen Kohlenstoff-Konzentration im Bereich der Mitte hoch und in der Umgebung der Spitze niedrig ist.
Ferner kann man durch ein Stromsinterung des provisorisch gesinterten Körpers in Wasserstoff einen gesinterten Stab erhalten. Im Prozess des Sinterns verringert sich die Menge des Kohlenstoffes (C), welcher im Wolfram (W) enthalten ist. Da das Verhältnis der Verringerung sich in Abhängigkeit von der Dicke des provisorisch gesinterten Körpers, der Verteilung der Korngröße des Ausgangspulvers, der scheinbaren Dichte des provisorisch gesinterten Körpers, der Sintertemperatur (fließender Strom) sowie der Sinterdauer verändert, wird durch eine Regulierung des Taupunktes des Wasserstoffes und durch Zugabe eines Überschusses entsprechend der gewünschten Verringerung beim provisorischen Sintern ein gesinterter Stab aus Wolfram erhalten, welcher eine gewünschte Kohlenstoffmenge aufweist.
Ferner kann man auch durch eine Entladung die Konzentration des Kohlenstoffes erhö hen, welcher im Spitzenbereich 51 als fester Körper gelöst ist. Nach Fertigstellen der Kathodenform wird in einer Argonatmosphäre bei Normaldruck eine Entladung an der Kathodenspitze erzeugt, und man reguliert den Strom in der Weise, dass die Spitzentemperatur ca. 2500 K erreicht. Danach ändert man das Gas in eine Mischung, in welcher dem Argon höchstens 13 Pa Methan zugemischt sind, und hält die Entladung ca. 1 Stunde lang aufrecht. Durch diese Behandlung kann man in ca. 3 mm des Spitzenbereiches 51 die Konzentration des Kohlenstoffes, welcher als feste Lösung gelöst ist, erhöhen.
Als nächstes wird ein Analyseverfahren zum Nachweis des Kohlenstoffes (C) im Kathodenmaterial Wolfram (W) als feste Lösung beschrieben.
Aus dem in 3 gezeigten Gleichgewichtsdiagramm ergibt sich, dass sich, unabhängig von der Temperatur, kein Carbid aus dem im Wolfram (W) enthaltenen Kohlenstoff (C) bildet, sondern Kohlenstoff (C) im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst ist, wenn seine Menge bei höchstens 100 Gew.-ppm liegt. Ergibt eine Analyse von Wolfram (W) als Kathodenmaterial, dass Kohlenstoff (C) enthalten ist und seine Menge bei höchstens 100 Gew.-ppm liegt, kann man behaupten, dass Kohlenstoff (C) im Wolfram (W) als feste Lösung gelöst ist.
Das Analyseverfahren zur Ermittlung der Menge des Kohlenstoffes (C), welcher im Wolfram (W) enthalten ist, beruht auf den Normen des Japanischen Institutes der Wolfram- und Molybdän-Industrie, und zwar dem Verfahren zur Analyse von Wolfram und Molybdän sowie der Untersuchungsmethode 16 zur quantitativen Bestimmung des Gesamtkohlenstoffgehaltes. Als quantitative Methode des Gesamtkohlenstoffes werden genannt: a) Brennen–Dielektrizitätskonstanten-Methode, b) Brennen-Elektrizitätsmethode, c) Brennen-elektrothermische Leitfähigkeitsmethode, d) Brennen-Infrarotabsorptionsmethode (integral) sowie e) Brennen-Infrarotabsorptionsmethode (zyklische Methode). Man kann jede der Methoden anwenden.
Nachfolgend wird Methode a) Brennen-Dielektrizitätskonstanten-Methode beschrieben.
Man zermahlt die Kathode 5 zu Wolframpulver und erwärmt diese Probe in einer Sauerstoff-Luftströmung. Der Kohlenstoff wird oxidiert und ergibt Kohlendioxid, welches in einer konstanten Menge einer Natriumhydroxid-Lösung absorbiert. Durch Messung der Veränderung der Leitfähigkeit der Lösung vor und nach der Absorption kann man den Anteil des Kohlenstoffes ermitteln.
Die in 1 gezeigte Entladungslampe wurde als Entladungslampe beschrieben, in welche Quecksilber eingefüllt ist. Man kann jedoch auch in einer Entladungslampe, deren Einfüllstoff statt Quecksilber nur Xenongas ist und welche in einem Filmprojektor oder dergleichen als Lichtquelle verwendet wird, die erfindungsgemäße Kathode, bei welcher Kohlenstoff (C) als feste Lösung gelöst ist, verwenden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
VERSUCHSBEISPIEL
Unter Verwendung einer Kathode, welche dadurch hergestellt wurde, dass man in einem Material mit einem Grundstoff aus metallischem Wolfram, in dem ein Lanthanoxid und ein Zirkoniumoxid enthalten sind, Kohlenstoff als feste Lösung löst, wurde eine Xenon-Kurzbogenlampe hergestellt und die Lampenspannung bei einem Betrieb bis zu 1000 Stunden gemessen.
Nachfolgend wird die Anordnungen der Kathode sowie der Xenon-Kurzbogenlampe dargestellt.
Spezifikation

– Einfüllgas: Xenon (Xe) 0.65 MPa (Ruhedruck)
– Stromzufuhr: 2 kW
– Kathode: Länge in der Achsrichtung 15 mm, Außendurchmesser des Rumpfs: 6 mm
– Winkel des sich verjüngenden Bereiches 40°
– Hauptbestandteil Wolfram, Zusatz von 2 Gew.% La₂Zr₂O₇

Als Versuchsobjekt 1 wurde eine Kathode aus einem Material bereitgestellt, bei welchem Kohlenstoff mit einer Konzentration von ca. 10 Gew.-ppm in Wolfram als feste Lösung gelöst wurde. Als Versuchsobjekt 2 wurde eine Kathode aus einem Material bereitgestellt, bei welchem Kohlenstoff in einem Spitzenbereich, welcher ca. 3 mm von der Oberfläche entfernt ist, mit einer Konzentration von ca. 50 Gew.-ppm und in einem sich verjüngenden Bereich und ca. 3 mm von der Oberfläche entfernten Bereich mit einer Konzentration von ca. 10 Gew.-ppm in Wolfram als feste Lösung gelöst ist. Ferner wurde als Vergleichsbeispiel eine Kathode aus einem Material bereitgestellt, bei welchem kein Kohlenstoff in Wolfram als feste Lösung gelöst wurde.
Die Lampenspannungen bei Verwendungen der jeweiligen Kathoden wurden mittels der Koeffizienten der Spannungsfluktuation miteinander verglichen. Der Zeitpunkt, zu welchem nach Starten des Betriebs ein stationärer Zustand erreicht wurde, wurde als Startpunkt bezeichnet. Am Startpunkt (0 h) sowie zu Zeitpunkten, an denen die vom Startpunkt ausgehend gemessene kontinuierliche Betriebszeit 100 Stunden (100 h), 200 Stunden (200 h), 500 Stunden (500 h) sowie 1000 Stunden (1000 h) betrug, wurde die Spannungsfluktuationskoeffizienten gemessen. Hierbei soll unter dem Begriff Spannungsfluktuation einen Wert verstanden werden, welcher dadurch erhalten wird, dass die Differenz zwischen dem maximalen Wert und dem minimalen Wert der Spannungswellenform während 10 Sekunden durch einen mittleren Wert dividiert wurde.
Das Versuchsergebnis ist in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1

0 h 100 h 200 h 500 h 1000 h

Versuchsobjekt 1 1.2% 1.3% 1.4% 1.5% 2.2%

Versuchsobjekt 2 1.3% 1.2% 1.5% 1.4% 1.7%

Vergleichsbeispiel 1.3% 1.2% 3.2% 5.1% 8.3%
Eine Xenonlampe wird in einem Filmprojektor und dergleichen als Lichtquelle verwendet. Da bei einer Vergrößerung der Schwankung der Beleuchtungsintensität ein Flackern auf der Bildfläche auftritt, wird die Lampenlebensdauer in der Weise festgelegt, dass die Schwankung der Beleuchtungsintensität als Bezug genommen wird. Die Spannungsfluktuation kann als alternative Charakteristik der Schwankung der Beleuchtungsintensität verwendet werden. Wenn die Spannungsfluktuation 5% überschreitet, vergrößert sich die Schwankung der Beleuchtungsintensität, und dies wird als Ende der Lampenlebensdauer bewertet.
Nach diesen Kriterien liegt die Lebensdauer der Xenonlampe gemäß dem Vergleichsbeispiel bei ca. 500 Stunden. Die Lebensdauer der Xenonlampen der Versuchsobjekte 1, 2 mit den Kathoden, in welchen Kohlenstoff als feste Lösung gelöst ist, liegt jedoch bei mindestens 1000 Stunden. Insbesondere bleibt bei der Xenonlampe des Versuchsobjektes 2, bei welcher die Konzentration des Kohlenstoffes im Spitzenbereich hoch ist, die Spannungsfluktuation auch nach einem Betrieb von 1000 Stunden niedrig. Man kann vermuten, dass diese Xenonlampe eine längere Lebensdauer hat.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2006-286236 A [0003]
- US 7569994 B2 [0003]
- US 7279839 B2 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- S. V. Nagender Naidu et al., Phase Diagrams of Binary Tungsten Alloys, Indian Institute of Metals, 1991, S. 37–50 [0025]
- S. V. Nagender Naidu et al., Phase Diagrams of Binary Tungsten Alloys, Indian institute of Metals, 1991, S. 37–50 [0027]

Claims

Entladungslampe mit einem Entladungsgefäß (1), in dem eine Kathode (5) und eine Anode (4) in der Röhrenachsrichtung des Entladungsgefäßes (1) gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Kathode (5) aus einem Material gebildet ist, bei dem ein Grundstoff aus metallischem Wolfram ein Lanthanoxid und ein Zirkoniumoxid enthält, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathoden-Grundstoff aus metallischem Wolfram Kohlenstoff in Form einer festen Lösung vorhanden ist.
Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (5) aus einem Spitzenbereich (51), einem sich verjüngenden Bereich (52) und einem Rumpf (53) besteht und die Konzentration des Kohlenstoffes, welcher im Spitzenbereich (51) als feste Lösung vorhanden ist, höher ist als die Konzentration des Kohlenstoffes, der im sich verjüngenden Bereich (52) als feste Lösung vorhanden ist.
Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Kohlenstoffes im Spitzenbereich (51) etwa 3 mm entfernt von der Oberfläche in einem Bereich von 20 bis 100 Gew.-ppm und im sich verjüngenden Bereich (52) etwa wenigstens 3 mm entfernt von der Oberfläche in einem Bereich von 5 bis 20 Gew.-ppm liegt.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Xenon-Entladungslampe mit in das Entladungsgefäß eingefülltem Xenongas ist.