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Elektrode für elektrische Hochdruckentladungslampen
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 andern Metallteilen umhüllt oder getragen.
Es hat sich nun gezeigt, 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 dienenden 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 ausreichende Lebensdauer haben.
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.
Man kann solche Elektroden dadurch erhalten, dass der Elektrodenkörper mit einem Ausgangsgefüge, welches kleine, durch den Hämmer- und gegebenenfalls Zishprozess deformierte, in Achsrichtung gestreckte Kristalle aufweist, in reduzierender Atmosphäre bis zur vollständigen Rekristallisation und Bildung gro- sser Kristalle geglüht wird.
Die Erfindung überrascht insofern, als bekanntlich für die thoriumoxydhaltigen Wolframkathoden von Elektronenröhren ein mikrokristallines Gefüge gefordert wird, 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 nachgelieferte Aktivatoratome.
Eine Anwendung dieser im Elektronenröhrenbau gewonnenen Erfahrungen mit thoriumoxydhaltigen Wolframelektroden auf Hochdruckentladungslampenelektroden führt jedoch nicht zum Erfolg. Bei Hochdruckentladungslampen hat es sich nämlich gezeigt, dass die Elektrodenspitze bei einem kleinkristallinen Gefüge zu schnell an Thoriumoxyd verarmt, wobei sich Lunker oder Poren bilden, 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.
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 gehemmt, 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
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die gleichmässige Verteilung der Teilchen in den grossen Kristallen gehemmt.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen Elektroden nach der Erfindung solchen gegenübergestellt 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 Vethältnis zu Elektroden-Durchmesser und-Abstand grossem Durchmesser für Gleichstrombetrieb mit einer Leistungsaufnahme von etwa 2 kW gewählt. Die Zeichnungen sind schematische Wiedergaben von Längsschnitten durch die Stabachse von Teilen dieser Kathoden in verschiedenen Herstellungs-und Betriebsstadien. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig.1 zeigt die angeätzte Schlifffläche eines thoriumoxydhaltigen Wolframstabes in einem Vorstadium der Kathodenherstellung in etwa zehnfacher Vergrösserung und Fig. 2 die angeätzte Schlifffläche einer fer- tigen Kathode nach der Erfindung in etwa zehnfacher Vergrösserung. 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 Vergösserung. 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. Fig. 6 zeigt von der in Fig. 4 dargestellten Kathode einen Ausschnitt aus einem von der Spitze weiter entfernt liegenden Be-
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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.
Der gehämmerte Stab in Fig. 1 zeigt deutlich erkennbare, kleine, durch den Hämmerprozess deformierte und mehr oder minder in Richtung der Stabachse gestreckte Kristalle l. Der verhältnismässig kurze Stab ist für den Ansatz der Bogenentladung bei 2 zugespitzt.
Fig. 2 zeigt die fertige Kathode nach der Erfindung. Der nur zum Teil dargestellte Kathodenkörper aus gesinterem Wolfram ist mit 3 bezeichnet. In ihn eingesetzt ist der thoriumoxydhaltige Wolframstab 4.
Er wurde etwa 15 Minuten in einem mit einem Wolframgli1hrohr versehenen Hochtemperaturofen in einer Wasserstoff-Stickstoff-Strömung bei 2800 C 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,
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füges anwenden.
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 andern kleinkristallinen Strukturen, bei denen die kleinen Kristalle in Achsrichtung gestreckt waren.
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.
Bei der Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung in Fig. 5 ist schon nach der kurzen Brenndauer
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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
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in der ursprünglichen Menge erhalten geblieben.
Bei der noch stärkeren Ausschnittsvergrösserung der erfindungsgemässen Kathode in Fig. 6 ist noch besser als in Fig. 2 zu erkennen, wie die Thoriumoxydteilchen 6 das gesamte grosskristalline Gefüge in gleicher Dichte durchsetzen. Die Teilchen 6 haben hier eine rundliche Form. Sie können aber auch in Längsrichtung des Stabes gestreckt sein.
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 andern Elektroden aus mit unruhigem Bogen brennenden Lampen finden sich die Thoriumoxydteilchen nicht nur in den Korngrenzen, sondern ragen auch in die in Achsrichtung gestreckten Kleinkristalle hinein. Es leuchtet ein, 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 zum Teil bis zum Schmelzpunkt erhitzten Wolfram durch das verdampfende Thoriumoxyd entstehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrode aus thoriumoxydhaltigem Wolfram für elektrische Hochdruckentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus grossen, breiten, in Richtung der Elektrodenachse gestreckten, miteinander verzahnten Kristallen besieht und die Thoriumoxydteilchen das gesamte grosskristalline Gefüge gleichmä- ssig in feiner Verteilung durchsetzen und in den grossen Kristallen dicht eingeschlossen sind.