DE2530076A1

DE2530076A1 - Thoriumoxid-yttriumoxid-emissionsmischung fuer entladungslampen

Info

Publication number: DE2530076A1
Application number: DE19752530076
Authority: DE
Inventors: Ranajit Kumar Datta
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1975-07-05
Publication date: 1976-02-12
Also published as: US3919581A; JPS5114779A; JPS548995B2; GB1508827A; DE2530076C3; DE2530076B2

Description

Thoriumoxid-Yttriumoxid-Emissionsmischung für Entladungslampen

Entladungslampen hoher Intensität, wie beispielsweise Hochdruck-Quecksilber- und Metallhalogeniddampflampen haben sich als wertvolle Lichtquellen erwiesen. Auch wenn man einen relativ hohen Wirkungsgrad in Lumen/Watt von diesen Lampen erwarten kann, so sind Anlauf und Lebensdauer ein Problem geblieben und im allgemeinen ist eine hohe Spannung erforderlich, um die elektrische Entladung in Gang zu setzen.

Es sind wesentliche Anstrengungen in Versuche gesetzt worden, die zum Herstellen des Lichtbogens erforderliche Spannung zu senken. Die thermoionisch emittierenden Wolframelektroden, die

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in den meisten Entladungslampen verwendet werden, haben einen überzug aus einem Emissionsmaterial in der Form einer hochwarmfesten Pulvermischung, um die Arbeit zu vermindern, um den Lichtbogen bei einer kleineren Spannung zu starten. Der Prozeß des Senkens der Starterspannung durch Aufbringen von Materialien mit geringerer Arbeit auf die Elektrodenoberfläche ist als "Aktivation" bekannt und es besteht viel Literatur für die Kathodenaktivation in Theorie und Praxis. Bezüglich der Kathoden von in Rede stehenden Entladungslampen umfaßt die Literatur folgende Veröffentlichungen: E.S. Rittner, Philips Res. Reports, 8, 184 (1953); J-M. Lafferty, J. Appl. Phys. 22, 229 (195O; D.M. Speros, J. Electrochem. Soc, 106_} 791 (1959).

Die Suche nach besserem Elektrodenaktivierungsmaterial hat sich kontinuierlich fortgesetzt. Die Oxide Seltener Erden einschließlich ThOp und YpO^. sind getrennt oder zusammen als Emissionsmischung in Entladungslampen hoher Intensität verwendet worden wegen ihrer geringen Austrittsarbeit, dem niedrigen Dampfdruck und ihrer chemischen Kompatibilität mit den Lampenkomponenten und Lichtbogenmaterialien. Gewisse Metallhalogenidlampen, die NaI, TlI und InI als Lichtbogenmaterialien enthalten, verwendeten eine mechanische Mischung aus ThOp und ^ν ₂°3 ^{mit vier} Seltenen Erdoxiden für das Aktivationsmaterial. Eine solche Mischung, die sechs mechanisch gemischte Oxide enthielt, war nicht zufriedenstellend und in der Tat weniger zufriedenstellend als ThO₂ alleine. Gemäß der US-PS 3 530 327 sind die Oxide Seltener Erden am nützlichsten in Entladungslampen hoher Intensität, in denen die Halogenide der gleichen Seltenen Erden verwendet werden als Lichtbogenmaterialien, d. h. als die Materialien, durch deren Dämpfe die Lichtbogenentladung stattfindet. In allen diesen bisher bekannten Fällen wurde ein Seltenes Erdoxid oder eine mechanische Mischung von einem oder mehreren dieser Oxide (einschließlich ThOp und YpO₇.) als Emissionsmischung verwendet.

Erfindungsgemäß wird eine feste Lösung aus Yttriumoxid Y₃O₃ in dem Gitter von Thoriumoxid ThOp geschaffen, wobei ein der-

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artiges Material ein verbessertes Elektronenemissionsmaterial mit verbesserter Beibehaltung und Konstanz der Farbwiedergabe bildet, wenn es für die Elektroden-Aktivation in Metallhalogenidlampen verwendet wird. Die Menge von Y₂O., kann von einer kleinen Menge, die zur Verbesserung der Emissionscharakteristiken wirksam ist, bis zu etwa 50 Mol-% reichen. Es wurde gefunden, daß der Bereich von 5 bis 20 Mol-% von Y₃O gelöst in ThO₂ optimal ist.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine Seitenansicht von einer Metallhalogenidlampe, in der die Elektroden der Entladungsröhre mit einer Emissionsmischung gemäß der Erfindung aktiviert sind.

Figur 2 ist eine grafische Darstellung, die die Erhaltung (Lebensdauer) der Lampen gemäß der Erfindung mit konventionellen Lampen vergleicht, die Thoriumoxid für die Elektrodenaktivation verwenden.

Figur 3 ist eine grafische Darstellung, die die Erhaltung (Lebensdauer) der Lampen gemäß der Erfindung mit denjenigen Lampen verpleicht, die eine mechanische Mischung von sechs Oxiden verwenden.

Figur 4 ist ein Abschnitt von einem CIE-Farbtondiagramm, das die betriebliche Farblinie der Lampe gemäß der Erfindung mit einer üblichen durch Thoriumoxid aktivierten Lampe vergleicht .

Das Emissionsmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine feste Lösung von Y₂ ⁰^t ^{in dem} ThO -Gitter, die wie folgt hergestellt werden kann:

Es werden entsprechende Mengen von Y₂O, und Th(NO^)₁, '4H„0 abgewogen und die Mischung wird in verdünnter Salpetersäure gelöst.

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Th(NO₇.)^ ·4HpO ist löslich in Wasser bei Raumtemperatur, wogegen YpO.. sich in warmer verdünnter Salpetersäure löst. Die zwei Materialien können getrennt gelöst und die Lösungen später gemischt werden. Die gemischte Lösung sollte in einem Kühlgerätfür mehrere Stunden tiefgekühlt sein. Die Metallionen (Th,Y) können nun als Oxalate ausgeschieden werden, indem langsam eine übersättigte Lösung von Oxalsäure in die tiefgekühlte Nitratlösung zugesetzt wird, die in einem Eisbad gehalten wird. Die Nitratlösung sollte konstant gerührt werden, damit die Oxalate keine Klumpen bilden. Die Ausscheidung wird nun filtriert, gut gewaschen und bei 120° für mehrere Stunden getrocknet. Die feine Ausscheidung, die in einem Platintiegel enthalten ist, wird zu Oxiden erhitzt bei 900⁰C

ür mehrere Stunden. Die gekühlte Oxidmischung wird nun gemahlen, gemischt und erneut erhitzt bei 1500⁰C für 3 bis 4 Stunden.

Das aus dem vorstehenden Herstellungsverfahren hervorgehende Material zeigt bei einer Röntgenstrahlen-Beugungsanalyse nur eine Phase, nämlich feste ThOp-Lösung. Es ist bekannt, daß die Löslichkeit von Y₂°3 ^{im Tn0} ₂~^Gi'^{fcter mit der} letzten Sintertemperatur zunimmt (V.Subbarao et al, J.Amer. Ceramic Soc, Vol. 48, No. 9, 1965). Somit können bei I5OO und l600°C etwa 12 bzw. 20 MoI-Ji Y₂O in dem ThO₂~Gitter gelöst sein.

Die Beständigkeit der ThO„-Emission beginnt sich zu verbessern, sobald die kleinste Menge Y₃O, in das Gitter eingefügt ist. Somit kann die Menge von YpO-, von einer kleinen Menge, die zur Verbesserung der Emissionscharakteristiken wirksam ist, bis zu etwa 50 MoX—Jt reichen, welches die größte Menge ist, die in der Praxis in ThO» inkorporiert werden kann. In Abhängigkeit von der Feinheit des Mahlens, der Innigkeit der Mischung und der Reaktionszeit und -temperatur kann weniger als das gesamte Y₂O, in feste Lösung im ThOp gehen. In diesem Fall ist das dabei entstehende Material eine Mischung von Y₃ ⁰^ ^{unii e}^^ne feste Lösung von Y₂O, in ThOp. Das letzte Material hat die verbesserten Charakteristiken. Es wurde gefunden, daß der Bereich von 5 bis 20 MoI-JS Y₂°3 gelöst in ThO₂ als eine einphasige feste Lösung optimal ist.

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Um eine Elektrode zu aktivieren, wird das gesinterte Material gemischt mit Aceton, Alkohol oder einem anderen organischen Binder zu einem Brei und für mehrere Stunden gemahlen, um eine homogene Suspension geeigneter Teilchengröße zu bilden. Die Metallelektrode wird mit dem Emissionsmaterial überzogen, indem sie bis zu einer vorbestimmten Tiefe in die Suspension eingetaucht wird; dann wird sie getrocknet und loses Emissionsmaterial wird abgebürstet. Die Menge des Emissionsmaterials auf der Elektrodenoberfläche variiert gemäß den Größen der Lampe (Leistung). der Lichtbogenkammer der Kathode usw. und sie kann eingestellt werden, indem Paktoren wie die Dichte der Suspension und die Teilchengröße gesteuert werden. Der organische Binder wird ausgebrannt und die Elektrode wird entgast, indem sie in dem Temperaturbereich von 1200 bis 1900⁰C in einem Vakuum gebrannt und gesintert wird, bevor sie in die Lichtbogenröhre eingesetzt wird.

Figur 1 zeigt eine ansonsten übliche Metallhalogenidlampe 1 von 400 Watt, in der das verbesserte Emissionsmaterial gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Die Lampe umfaßt einen äußeren Glaskolben 2, in dem eine Lichtbogenröhre 3 aus Quarz mit Elektroden 4 und 5 enthalten ist, die an gegenüberliegenden Enden eingedichtet sind. Die Lichtbogenröhre enthält eine ion.¹ ^i erb are Füllung, wie beispielsweise Quecksilber, Natriumjodid, Thallium jodid, Indiumjodid und ein inertes Startergas wie Argon. Wie in der Figur dargestellt ist, können die Elektroden aus zwei Schichten aus Wolframdrahtwindungen über Wolframschaften 6,7 bestehen, die durch die üblichen Molybdänfolien mit den Einführungsleitern 8, 9 verbunden sind. Die Elektroden sind mit der ThO₂-Y₃O.,-Emissionsmischung überzogen, die auch xn gewünschter Weise die Zwischenräume zwischen den Windungen in den zwei Schichten füllt. Die Einführungsleiter der Lichtbogenröhre sind mit äußeren Leitern 10, 12 verbunden, die durch die Preßdichtung 12 der Glashalterung 13 des äußeren Kolbens 2 abgedichtet sind. Die äußeren Leiter sind ihrerseits extern mit den Kontaktflächen des Schraubsockels 14 verbunden, der an dem Halsende des Kolbens angebracht ist.

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Metallhalogenidlampen, die das Emissionsmaterial gemäß der Erfindung verwenden, zeigen eine bessere Lebensdauer und einen höheren Wirkungsgrad als die bekannten Lampen. In Figur 2 stellt die ausgezogene Linie 20 die Lebensdauer von 400 Watt-Lampen dar, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, wobei das ThO^-Y 0 -Emissionsmaterial gemäß der Erfindung verwendetest, während die gestrichelte Linie 21 die Charakteristiken von Vergleichslampen zeigt, die reines ThO_? als Emissionsmischung verwenden. Es sind viele andere Entladungslampen hoher Intensität in der Literatur beschrieben, und das ThO ·YpO,-Material gemäß der Erfindung kann als eine Langzeitquelle thermoionischer Elektronen in diesen Lampen verwendet werden.

In Figur 3 zeigt die ausgezogene Linie 22 die Lebensdauer der 400-Watt-Lampen wie sie in Figur 1 dargestellt sind, wobei die Emissionsmischung gemäß der Erfindung verwendet ist. Im Vergleich dazu ist die Lebensdauer von Lampen, die mit der vorstehend erwähnten mechanischen Mischung aus sechs Oxiden hergestellt sind, durch die gestrichelte Linie 23 dargestellt.

Zusätzlich zu der verlängerten Lebensdauer zeigt das Emissionsmaterial gemäß der Erfindung auch eine verbesserte Farbe und eine geringere Verschiebung der Farbwiedergabe von Lampen, die das erfindungsgemäße Emissionsmaterial verwenden. In Figur 4, die ein Ausschnitt aus dem 1931 Commission Internationale d'Eclairage Farbtondiagramm ist, stellt die ausgezogene Kurve 24 die FarbwMergabe mit der Lebensdauer einer Lampe dar, die die ThO ·YO,-Emissionsmischung verwendet, während die gestrichtelte Kurve 25 die Charakteristiken einer üblichen Lampe unter Verwendung/reinem ThOp darstellt. Die in Klammern gesetzten Zahlen neben den Punkten geben die Lebensdauer in Stunden an diesen Punkten an. Es ist ersichtlich, daß die Lampe gemäß der Erfindung weniger Verschiebung in der Farbe von 100 bis 4000 Stunden und weniger Umkehr in der Farbe von 4000 bis 8000 Stunden hat. Die Änderung in der Lampe gemäß der Erfindung hat auch die Tendenz, parallel zur Linie des schwarzen Körpers zu verlaufen, was eine wünschenswerte Charakteristik ist.

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Claims

Ansprüche

1./Elektrode für eine Lichtbogen-Entladungsvorrichtung mit einem —' hochwarmfesten Metallsubstrat, gekennzeichnet durch ein auf dem Metallsubstrat getragenes elektronenemittierendes Material, das eine feste Lösung von YpO-, in ThO₂ aufweist,

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil von YpO, in dem Bereich von einer kleinen Menge, die zur Verbesserung der Emissionscharakteristiken wirksam ist, bis zu etwa 50 MoI-JS in ThO₂ liegt.

3· Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Anteil von YpO, in dem Bereich von 5 bis 20 MoI-? in ThO₂ liegt.

Ii. Elektrische Hochdruck-Entladungslampe mit einem lichtdurchlässigen Kolben, in dem an gegenüberliegenden Enden Elektroden aus hochwarmfestern Metall abgedichtet sind und der ein ionisierbares Medium wie Quecksilber, Metallhalogenid und ein inerstes Gas bei niedrigem Druck enthält, dadurch gekennzeichnet , daß auf den Elektroden ein elektronenemittierendes Material getragen ist, das eine feste Lösung von Y₂°3 ^{ln Tn0} ₂ aufweist.

5. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus hochwarmfesten Metall Wolframwindungen aufweisen, die um einen Wolframschaft herunu-gewiekelt sind, und das elektronenemittierende Material auf die Windungen überzogen und in den Zwischenräumen zwischen den Windungen angeordnet ist.

6. Lampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die ionisierbare Füllung Natrium-, Thallium- und Indiumjodide umfaßt.

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