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Patent-Treuhand-Ges ells chaft für elektrische Glühlampen m.. b. H.,
München Elektrode für elektrische Hochdruckentladungslampen.
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Die Erfindung betrifft Elektroden aus thoriumoxydhaltigem Wolfram
für elektrische Hochdruckentladungslampen mit Gas-oder Dampffüllung. Diese Elektroden
sind aus thoriumoxydhaltigem Wolframpulver durch Pressen, Sintern, Hämmern und gegebenenfalls
Ziehen hergestellt und haben die Form eines Stabes mit einem Durchmesser von beispielsweise
etwa einem oder einigen Millimetern. Bei den für Hochdruckentladungslampen hoher
Leistungen erforderlichen größeren Elektrodenkörpern ist ein solcher thoriumoxydhaltiger
wolframstab gewöhnlich in einen metallenen Block oder Zylinder, beispielsweise aus
gesintertem Wolfram, eingesetzt oder von irgendwelchen anderen Metallteilen umhüllt
oder getragen.
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Es hat sich nun gezeigte daß diese bekannten Elektroden beim Betrieb
in elektrischen Hochdruckentladungslampen nicht immer voll befriedigen. In Lampen
mit einem im Verhältnis zu Elektroden-Durchmesser und-Abstand großen Gefäßdurchmesser
zeigte sich manchmal eine gewisse Unruhe des Bogens und eine vorzeitige Zerstörung
der Spitze der als Kathode dienende Elektrode. Ziel der Erfindung war es daher,
die Ursache dieser Mängel zu finden und zu beseitigen und Elektroden zu erhalten,
die ein ruhiges Brennen des Entladungsbogens immer gewährleisten und mit Sicherheit
eine ausreichend Lebensdauer haben.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Elektrode aus thoriumoxydhaltigem
Wolfram für elektrische Hochdruckentladungslampen aus großen, breiten, in Richtung
der Elektrodenachse gestreckten, miteinander verzahnten Kristallen besteht und die
Thoriumoxydteilchen das gesamte großkristalline Gefüge gleichmäßig in feiner Verteilung
durchsetzen und in den großen Kristallen dicht eingeschlossen sind.
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Man kann solche Elektroden dadurch erhalten, daß der Elektrodenkörper
mit einem Ausgangsgefüge, welches kleine, durch den Hämmer-und gegebenenfalls Ziehprozeß
d (Korraiertep in Achsrichtung gestreckte Kristalle ausweist ;, in reduzierender
Atmosphäre bis. zur vollständigen Rekristallisation und Bit dung großer Kristalle
geglüht wird.
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Die Erfindung überrascht insofern, als bekanntlich für die thoriumoxydhaltigen
Wolframkathoden von Elektronenröhren ein mikrokristallines Gefüge gefordert wirdt
in dessen Korngrenzen das Aktivatormaterial angereichert ist. Nur ein solches Gefüge
gewährleistet bei den Elektronenröhrenkathoden für längere Zeit das Gleichgewicht
zwischen der Anzahl der in der Zeiteinheit aus der Oberfläche austretenden und der
in der gleichen Zeit an die Oberfläche nachgeliefertenAktivatoratome.
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Eine Anwendung dieser im Elektronenröhrenbau gewonnenen Erfahrungen
mit thoriumoxydhaltigen Wolframelektroden auf Hochdruckentladungslampenelektroden
führt jedoch nicht zum Erfolg. Bei Hochdruokentladungslampen hat es sich nämlich
gezeigt. daß die Elektrodenspitze bei einem kleinkristallincm Gefüge zu schnell
an Thoriumoxyd verarmte wobei sich Lunker oder Poren bil-
| dent die eine Auflockerung des dichten Gefüges bewirken. Infolge
des Fehlens |
von Thoriumoxyd in der Elektrodenspitze und der Zerstörung ihres Gefüges setzt der
Entladungsbogen dann an anderen noch nicht zersetzten Stellen der Elektrode rund
um ihre inaktiv gewordene Spitze an und zeigt dadurch die beobachtete Unruhe.
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Bei den Elektroden nach der Erfindung wird dagegen eine Verarmung
an Thoriumoxyd durch Diffusion der Thoriumoxydteilchen in der Elektrode und Abdampfung
nach außen so stark gehemmte daß auch nach längerer Brenndauer nur in einer schmalen
Randzone der Elektrodenspitze ein Thoriumoxydverlust feststellbar ist. Die Verarmung
der Elektroden an Thoriumoxyd wird offensichtlich durch den dichten Einschluß und
die gleichmäßige Verteilung der Teilchen in den großen Kristallen gehemmt.
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Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Abbildungen
verwiesen) in denen Elektroden nach der Erfindung solchen gegenüber gestellt sind,
die nicht die Kennzeichen der Erfindung aufweisen und ein schlechtes Betriebsverhalten
zeigten. Als Beispiel sind Kathoden einer Xenon-Hochdruckentladungslampe mit einem
tropfen-oder ellipsoidförmigen Gefäß von im Verhältnis zu Elektroden-Durchmesser
und-Abstand großem Durchmesser für Gleichstrombetrieb mit einer Leistungsaufnahme
von etwa 2 kW gewählt. Die Abbildungen sind schematische Wiedergaben von LM. ngsschnitten
durch die Stabachse von Teilen dieser Kathoden in ver-
| . f |
| schiedenen Herstellungs-und Betriebsstadien. Einander entsprechende
Teile sind |
in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Fig. 1 zeigt die angeätzte Schlifffläche eines htoriumoxydhaltigen
Wolframstables in einem Vorstadium der Kathodenherstellung in etwa zehnfache Vergrößerung
und Fig. 2 die angeätzte Schlifffiäche einer fertigen Kathode nach der Erfindung
in etwa zehnfacher Vergrößerung.
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Fig. 3 zeigt die angeätzte Schlifffläche einer Kathode ohne die Kennzeichen
der Erfindung nach 152 Betriebsstunden im Ausschnitt aus einem von der Spitze weiter
entfernt liegenden Bereich in etwa 200-facher Vergrößerung.
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Fig. 4 zeigt den ungeätzten Längsschliff einer Kathode gemäß der
Erfindung nach 900 Betriebsstunden im Ausschnitt in etwa 75-facher Vergrößerung.
Fig. 5 zeigt den ungeätzten Längsschliff einer Kathode ohne die Kennzeichen der
Erfindung nach 152 Betriebsstunden im Ausschnitt in etwa 75-facher Vergrößerung.
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Fig. 6 zeigt von der in Fig. 4 dargestellten Kathode einen Ausschnitt
aus einem
| - von der Spitze weiter entfernt liegenden Bereich in etwa
200-*facher Vergrößerung und |
Fig. 7 einen entsprechenden Ausschnitt aus der in Fig. 5 dargestellten Kathode.
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Alle dargestellten Wolframstäbe haben einen Thoriumoxydgehalt von
ungefähr 5 Gewichtsprozente Thoriumoxydhaltige Wolframstäbe können dadurch hergestellt
werden, daß man dem Wolframpulver etwas Thoriumoxydpulver oder pulverisiertes metallisches
Thorium beimischt und das Pulvergemisch nach bekannten Verfahren praßt, sintert
hämmert und gegebenenfalls zieht.
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Um eine besonders gleichmäßige Verteilung des Thoriumoxyds im Wolfram
zu erreichen, ist es jedoch zweckmäßiger, nach ebenfalls bekannten Verfahren eine
Thoriumverbindung in gelöster Form schon der wolframsäure, dem Ausgangsmaterial
für die Wolframherstellung, zuzusetzen.
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Der gehämmerte Stab in Fig. 1 zeigt deutlich erkennbare, klein durch
den Hämmerprozeß deformierte und mehr oder minder in Richtung der Stabachse gestreckte
Kristalle 1. Der. verhältnismäßig kurze Stab ist für den Ansatz der Bogenentladung
bei 2 zugespitzt.
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Fig. 2 zeigt die fertige Kathode nach der Erfindung. Der nur z. T.
dargestellte Kathodenkörper aus gesintertem Wolfram ist mit 3 bezeichnet. In ihn
eingesetzt ist der thoriumoxydhaltige Wolframstab 4. Er wurde etwa 15 Minuten in
einem mit einem Wolframglührohr versehenen Hochtemperaturofen in einer Wasserstoff-Stickstoff-Strömung
bei 28000G geglüht. Dabei wandelte sich das Hämmergefüge in Fig. 1 durch vollständige
Rekristallisation in eine großkristalline
Struktur mit großen,
breiten in Richtung der Stabachse gestreckten und miteinander verzahnten Kristallen
5 um. Das Thoriumoxyd 6 durchsetzt das gesamte Gefüge gleichmäßig und in feiner
Verteilung. Die Teilchen 6 sind in den großen Kristallen 5 dicht eingeschlossen.
Man kann auch an Stelle einer einmaligen Hochglühung eine Folge von Hochglühung,
schwacher Verformung und wiederholter Hochglühung zur Erzeugung des erwünschten
großkristallinen Gefüges anwenden.
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Demgegenüber zeigt Fig. 3 die Struktur einer Kathode aus einer mit
unruhigem Bogen brennenden Lampe. Sie weist kleine, nur wenig in Längsrichtung gestreckte,
polygonale Kristallite 7 auf, die mit glatten Korngrenzen aneinanderstoßen. Ein
schlechtes Betriebsverhalten zeigten auch Elektroden mit anderen kleinkristallinen
Strukturen bei denen die kleinen Kristalle in Achsrichtung gestreckt waren.
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Im Laufe des Betriebes der Kathode nach der Erfindung wird die Spitze
allmählich abgetragen, und nach 900 Betriebsstunden, also nahezu am Ende der vorgeschriebenen
Lebensdauer, erscheint die Ansatzstelle des Entladungsbogens bei 8 in Fig. 4 abgeflacht.
Die Thoriumoxydteilchen 6 sind bis nahe an die Oberfläche 8 noch in der ursprünglichen
Menge und der gleichmäßigen Verteilung vorhanden. Nur eine schmale Randzone 9 von
50 bis 80 Mikron Dicke bei einem Stabdurchmesser von etwa 45 Millimetern ist praktisch
thoriumoxydfrei.
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Bei der Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung in Fig. 5 ist
schon nach der kurzen Brenndauer von 152 Stunden die Spitze weit stärker abgeflacht
und angegriffen. Es ist deutlich die starke Zersetzung des Gefüges in der abgeflachten
Kathodenspitze und ihre schwammartige, stark porige Beschaffenheit zu erkennen.
Die Spitze hängt nur noch lose mit der Unterlage zusammen und erscheint in der Schliffebene
schon völlig abgehoben. Sie ist praktisch frei von Thoriumoxydteilchen. Nur in dem
im Betrieb kälter gebliebenen'Bereich der Kathode unterhalb der abgehobenen Spitze
sind die Thoriumoxydteilchen 10 noch in der ursprünglichen Menge erhalten geblieben.
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Bei der noch stärkeren Ausschnittsvergrößerung der erfindungsgemäßen
Kathode in Fig. 6 ist noch besser als in Fig. Z zu erkennen, wie die Thoriumo. xydteilchen
6 das gesamte großkristalline Gefüge in gleicher Dichte durchsetzen.
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Die Teilchen 6 haben hier eine rundliche Form. Sie können aber auch
in Längsrichtung des Stabes gestreckt sein.
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Bei der Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung in Fig. 7 ist
das Thoriumoxyd nur in den Korngrenzen der Kristallite 7 zeilen-oder punktförmig
eingelagert, wie beim Vergleich mit Fig.. 3 ohne weiteres zu erkennen ist. In anderen
Elektroden aus mit unruhigem Bogen brennenden Lampen finden sich die Thoriumoxydteilchen
nicht nur in den Korngrenzen, 5 sondern ragen auch in die in Achsrichtung gestreckten
Kleinkristalle hinein. Es leuchtet ei% daß die Thoriumoxydteilchen 10 in beiden
Fällen unter der Einwirkung des Entladungsbogens schneller und heftiger aus dem
Metall austreten als bei einem Einschluß innerhalb der großen Kristalle 5. Die zahlreichen,
miteinander verbundenen Korngrenzen der Kristallite 7 bilden gewissermaßen ein Netzwerk
kleinster, an die Oberfläche führender Kapillaren, das eine schnelle Verarmung der
Kathode an Thoriumoxyd begünstigt. Da die Kathodentemperatur im Betrieb an der Spitze
am höchsten ist, werden die Thoriumoxydteilchen 10 dort am schnellsten verdampfen.
Die Folge ist der aus Fig. 5 ersichtliche frühzeitige Thoriumoxydverlust der Kathodenspitze
und die Bildung von Poren die in dem weichen, örtlich z. T. bis zum Schmelzpunkt
| erhitzten Wolfram durch das verdampfende Thoriumoxyd entstehen. |