DE3123492A1 - "metallhalogenid-hochdruckbogenentladungslampe" - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Metallhalogenid-Hochdruckbogenentladungslampe.

In elektrischen Entladungslampen weisen die Kathoden gewöhnlich eine Basis oder einen Träger aus hochschmelzendem Material, gewöhnlich Wolfram, und Elektronen emittierendes Material auf diesem auf, wobei dieses Material aktiver ist als das Basismetall. In Metallhalogenid- oder Halogenlampen jedoch liefert die verdampfte Füllung eine hochreaktive Atmosphäre, und die Verwendung von Elektronen emittierenden Kathodenmaterialien in Metallhalogenid-Entladungslampen war durch eine solche Atmosphäre stark begrenzt. In derzeitigen, handelsüblichen Metallhalogenid- oder Halogenlampen ist die am allgemeinsten verwendete Füllung Natriumiodid und Scandiumjodid. Die gewöhnlich in Fluoreszenzlampen verwendeten Erdalkalioxide, wie BaO*SrO, oder die gewöhnlich in Hochdrucknatriumdampflampen verwendete Kombination aus Erdalkalimetall- und hochschmelzendem Metalloxid, , reagiert mit diesen Halogeniden unter Entglasung oder

• # · O »Ρ β «α*

Schwärzung der Lampenwandungen. Folglich hat die Beleuchtungsindustrie für solche Metallhalogenidlampen zu Kathoden Zuflucht genommen, die aus einer der folgenden Alternativen bestehen:

1. Reine Wolframelektroden,

2. Wolfram in Kombination mit Thorium,

3. Überzüge aus ThO₂*Y₂°3·

Während Kathoden der obigen Art die Probleme der Entglasung und der Schwärzung vermeiden, sind sie im Vergleich Kathoden unterlegen, die in anderen Arten von Entladungslampen verwendet werden, und belasten das Vorschaltgerät stärker.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Metallhalogenid- ■ Hochdruckbogenentladungslampe mit neuen und verbesserten Elektronen emittierender Materialien und überzügoizu schaffen, die sich zur Verwendung in Metallhalogenid- oder Halogenlampen und insbesondere in solchen Lampen, die Natriumjodid und Scandiumjodid-in der Füllung verwenden, eignen.

Es wurde nun gefunden, daß die Oxide des Scandiums und des Dysprosiums und die Boride des Thoriums, Scandiums und Lanthans in Metallhalogenid-Bogenlampen der obigen Art zu überlegenen Leistungen führen. Die Leistung wird insbesondere hinsichtlich der Senkung der Glimmspannung und der Glimmdauer verbessert. Der Glimmzustand tritt unmittelbar nach dem Zünden der Entladung ein und zeichnet sich durch eine höhere Spannung als die normale Lampenbetriebsspannung aus. Diese hohe Spannung beschleunigt Ionen, die die Kathode bombardieren und ein zerstörerisches Zerstäuben verursachen. Daher sollte die Glimmspannung so niedrig wie möglich und die Glimntdauer so kurz wie möglich sein.

Die verbesserten Emitter eignen sich besonders zur Verwendung in Metallhalogenidlampen geringer Stromstärke und verbesserter Leistung, wie in der US-PS 4 161 672 beschrieben.

Fig, 1 zeigt eine winzige Metallhalogenid-Bogenlampe, in

der die Erfindung ihren Ausdruck finden kann; Fig. 2 bis 6 sind Spannungs/Zeit- und Stromstärke/Zeit-Auf zeichnungen, gemessen an Lampen ähnlich Fig. 1. Für die Fig. 2 und 3 wurden herkömmliche Kathoden, verwendet, während für die Fig. 4 bis 6 eine Reihe erfindungsgemäßer Elektronen emittierender überzüge verwendet wurden.

Ein winziges Bogenrohr 1, in dem die Erfindung verkörpert werden kann, ist in Fig. 1 dargestellt und kann von der in der US-PS 4 161 672 offenbarten Art sein. Der Kolben besteht aus geschmolzenem Siliciumdioxid und umfaßt einen dünnwandigen,, zentralen Kolbenteil 2 mit auf gegenüberliegenden Seiten vorragenden Halsteilen. Die Zuleitungsdichtungen sind hergestellt, indem durch Wärmeerweichung, gegebenenfallsunterstützt durch Vakuum, der Quarz der Hälse 3, 4 auf die Molybdänblechteile 5, 6 der Elektrodenzuführungen zusammenfallen gelassen wurde. Die an die Bleche oder Folien geschweißten Leitungen 7, 8 reichen durch die Hälse nach außen hinaus, während die Elektrodenschäfte 9, 10 aus Wolfram, an die gegenüberliegenden Seiten der Bleche oder Folien angeschweißt, durch die Hälse in den Birnen- oder Kolben-J₅^ · teil ragen. Die Lampe ist für den Betrieb in einer Stromrichtung vorgesehen, und der Schaft 10, in einem kugeligen Ende 11 endend, genügt für eine Anode. Die Kathode umfaßt eine Wolframdrahtwendel (etwa 6 Windungen), die eng um den Schaft 9 bis zum Kugelende gewunden ist. Der Schaft endet an seinem distalen Ende in einer Masse oder einer Kugel 13, die so gebildet werden kann, daß zunächst der Schaft etwas länger als dargestellt gelassen und dann zurückgeschmolzen wird. Die Elektronen emittierenden Materialien, auf die sich die Erfindung bezieht, sind auf den Windungen der Wendel 12 aufgebracht oder füllen die Zwischenräume zwischen den Windungen und dem Schaft 9.

Eine typische sehr kleine Metallhalogenid-Bogenlampe für eine Lampe von 35 Watt kann eine ellipsenförmige Birne oder einen ellipsenförmigen Kolben von etwa 7 mm Außendurchmesser haben; der Innendurchmesser beträgt etwa 6 mm und die innere Länge unabhängig von Unregelmäßigkeiten etwa 7 mm, was zu einem Entladungsvolumen von 0,1 bis 0,15 cm³ führt. Eine geeignete Füllung für den Mantel umfaßt Argon oder anderes Inertgas bei einem Druck von einigen 10 mbar (Torr), um als Startgas zu dienen, und eine Füllung mit Quecksilber und den Metallhalogeniden NaJ und ScJ₃. Die Füllung kann über einen der Hälse vor dem Einschmelzen der zweiten Elektrode in die Bogenkammer eingebracht werden. Zur Herstellung einer fertigen Lampe wird das dargestellte Bogenrohr gewöhnlich innerhalb eines äußeren Schutzmantels (nicht dargestellt) angebracht, der entweder evakuiert oder mit einem inaktiven Gas gefüllt ist und mit einem Träger ausgestattet ist, der Kontaktanschlüsse aufweist, mit denen die Zuführungen 7, 8 verbunden sind.

In den Fig. 2 bis 6 zeigen die oberen Aufzeichnungen die Glimmspannung und die unteren Aufzeichnungen den Elektrodenstrom, beide gegen eine Zeitskala aufgetragen, von verschiedenen Kathoden in Bogenrohren, wie in Fig. 1 veranschaulicht. Die Aufzeichnungen wurden durch Photographieren des Schirms eines lange nachleuchtenden Kathodenstrahloszilloskops erhalten, das in den Bogenrohr-Betriebsschaltkreis in der in der US-PS 3 249 859 beschriebenen Weise geschaltet war. In jeder Photographie ist eine zweite Aufzeichnung der ersten überlagert, erhalten durch einen zwei- · ten Start des Bogenrohrs, nachdem es sich auf Raumtemperatur hatte abkühlen können. Das zusammenfallen oder dessen Fehlen bei den Aufzeichnungen zeigt die Reproduzierbarkeit oder die unregelmäßige Leistung an.

Die den Messungen zugrundeliegenden Prinzipien sind in der vorgenannten Patentschrift ausführlich beschrieben und können wie folgt zusammengefaßt werden: Wenn die Aufzeichnungen der Spannung gegen die Zeit der Entladung durch eine Lampe genommen werden, an die eine verhältnismäßig geringe Überspannung, die zum Zünden ausreicht, angelegt wird, können'drei verschiedene Spannungsniveaus unterschiedlicher Dauer beobachtet werden. Das erste Niveau, als Plateau A in der Patentschrift bezeichnet, entspricht einem formativen Zeitabstand für den Zusammenbruch', zuweilen als Emissionstotzeit bekannt. Sie ist gewöhnlich kurz und verschwindet praktisch, wenn die angelegte Spannung bei offenem Kreis erheblich über die Zusammenbruchsspannung der Lampe hinausgeht. In den Figuren 2 bis 6 ist das erste Niveau nicht zu sehen und das zweite Niveau scheint am linken Rand zu beginnen und ist das zuerst beobachtete. Es wird als Plateau B in der Patentschrift bezeichnet und entspricht einer Periode generalisierter Emission von der Kathode, häufig als Glimmemissionsphase bezeichnet. Das dritte Niveau, das das zweite in den Fig. 2 bis 6 ist, ist in der Patentschrift als Plateau C bezeichnet. Es zeichnet sich durch eine Zusammenziehung der Entladung an der Kathode zu einem heißen Fleck aus und wird häufig als Bogenphase bezeichnet. Die Bogenphase ist von unbegrenzter Dauer und stellt die normale Betriebsweise der Lampe dar und dauert so lange, wie die Lampe eingeschaltet ist. Die Glimmphase, die unmittelbar nach der Zündung folgt, zeichnet sich durch eine höhere Spannung als die normale Betriebsspannung der Lampe aus. Die hohe Glimmspannung beschleunigt Ionen, die die Kathode bombardieren und zerstörerisches Zerstäuben verursachen. Daher sollte die Glimmphase zeitlich so weit wie möglich verkürzt und die Glimmspannung so niedrig wie

möglich sein.

Fig. 2 bezieht sich auf eine Kathode mit einer dicht gewickelten Wolframwendel, die nicht überzogen und blank ist. Es zeigt sich, daß die Glimmspannung über 190 V hinausgeht,und die Glimmdauer bis fast zu 300 ms reicht; die Wolframelektrode mit nicht überzogener dichter Wendel kann als schlechtester Fall angesehen werden. In Fig. 3 ist die gleiche Elektrode in herkömmlicher Weise mit ThO₀-Y₉O-. als emittierendem Material überzogen. Die sich

Z, Z* Ct

auf die nicht überzogene Kathode der Fig. 2 beziehende Verbesserung liegt hauptsächlich in der Herabsetzung der Glimmdauer auf etwa 250 ms, und eine der Aufzeichnungen zeigt eine geringe Senkung der Glimmspannung auf etwa 175 V. Fig. 3 zeigt die beste Leistung, die nach der. Z\zrA der Technik erzielbar ist; sie ist etwas unregelmäßig, wie aus dem Fehlen des Zusammenfaliens der Spuren hervorgeht.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen, daß die· Glimmspannung oder die Glimmdauer oder beide durch die Verwendung der Oxide und Boride gemäß der Erfindung erheblich gesenkt werden. Fig; zeigt das Verhalten, wenn die Wolframelektrode mit dichter Wendel, mit Dy^Oo als emittierendem Material überzogen ist; die Verbesserung liegt in der Herabsetzung der Glimmspannung, die auf 120 V fällt. Die Glimmdauer bei etwa 260 ms ist praktisch unverändert.

In Fig. 5 ist die.Wolframelektrode mit dichter Wendel mit Thoriumtetraborid, ThB₄, als emittierendem Material überzogen. Die Glimmspannung wird auf etwa 115V und die Dauer der Glimmphase auf etwa 210 ms reduziert. Weitere Tests mit Thoriumhexaborid, Lanthanhexaborid und Scandiumdiborid zeigen ähnliche Verbesserungen in der Senkung der Glimmspannung und Glimmdauer.

BAD ORIGINAL

In Fig. 6 ist die dicht gewickelte Wolframwendel mit Sc₂O₃ als emittierendem Material überzogen; die Glimmspannung wird auf etwa 105 V und die Dauer der Glimmphase auf etwa 180 ms herabgesetzt.

In allen vorstehenden Beispielen wurden die aktivierenden Materialien als Pulver hergestellt und dann zu Suspensionen in einer Lösung von Nitrocellulose in Amylacetat verarbeitet. Die Elektroden wurden durch Eintauchen in die Suspension überzogen; dann wurden die überzogenen Elektroden in Luft etwa 1 h bei 100⁰C und dann in Argon 10 min bei 740⁰C gebrannt. Nach dem Brennen der Elektroden wurden keine besonderen Vorkehrungen getroffen; sie wurden der Atmosphäre frei ausgesetzt, und die Lampen wurden unter Anwendung von Standard-Herstellungstechniken gefertigt.

Die Herabsetzung der Glimmspannung und der Glimmdauer, wie sie erfindungsgemäß erzielt wird, führt zur Erwartung einer erheblichen Verbesserung der Wartung, insbesondere bei sehr kleinen Bogenlampen, die häufig gestartet werden, und vorläufige Lebensdauertests zeigen an, daß diese Erwartungen erfüllt werden.

Leerseite

Claims (4)

1. Ansprüche

   Metallhalogenid-Hochdruckbogenentladungslampe mit einem Kolben aus hochschmelzendem, lichtdurchlässigen Material mit einer beim Betrieb zu verdampfenden Füllung aus ■ Quecksilber und Metallhalogenid und Inertgas von geringem Druck zur Zünderleichterung,

   einem Paar einander gegenüberstehender, bogenuhterhaltender, in den Kolben eingeschmolzener Elektroden, von denen wenigstens eine als Kathode dient und ein Basisteil aus Wolfram und hiervon getragenes, elektronenemittierendes Material aufweist,

   dadurch gekennzeichnet, .daß das elektronenemittierende Material ausgewählt ist unter den Oxiden des Scandiums oder Dysprosiums, den Boriden des Thoriums, den Boriden des Scandiums und den Boriden des Lanthans.
2. 2. Lampe nach Anspruch 1, deren Kathodenbasisteil eine Spule aus Wolframdraht um den Wolframschaft aufweist, und wobei das elektronenemittierende Material einen überzug auf der Spule bildet oder in deren Zwischenräumen liegt.
3. 3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, deren Metallhalogenid der Füllung NaJ und ScJ₃ umfaßt.
4. 4. Lampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche für den Betrieb in einer Stromrichtung, deren Kolben aus geschmolzenem Siliciumdioxid besteht und die ein Volumen nicht über 1 cm hat, und d< Füllung NaJ und ScJ₃ umfaßt.

   nicht über 1 cm hat, und deren Metallhalogenid der