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Sinterelektrode
Die Erfindung bezieht sich aufSinterelektroden für Gas-und/oder Dampfentladungslampen, vorzugs- weise Hochdruckentladungslampen, deren Sinterkörper mindestens eines der Oxyde des Barium, Calcium,
Thorium und mindestens ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram, Molybdän enthält.
Es sind sogenannte Vorratskathoden bekannt, die aus einem porösen Sinterkörper eines Metalls von hohem Schmelzpunkt bestehen, in dem Oxyde der Erdalkalimetalle und des Aluminiums eingebettet sind.
Auch sind solche Kathoden für elektrische Entladungsgefässe nicht mehr neu, bei denen ein poröser Sin- terkörper aus schwer schmelzendem Metall wie Wolfram oder Molybdän mit emissionsfördemden Substan- zen durchsetzt ist und bei dem der Kathodenkörper wechselweise aug Schichten von Thoriumverbindun- gen und schwer schme1zendenMetallen aufgebaut und mit einer Deckschicht aus Wolfram oder Molybdän versehen ist. Bei diesen Elektroden soll eine Vorratskathode geschaffen werden, bei der innerhalb eines porösen Mantels die prozentuale Menge der emissionsfördemden Substanz nicht beschränkt ist.
Bei allen bekannten Elektroden dieser Art handelt es sich um poröse Vorratskathoden, die entweder eine zu hohe
Zündspannung, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, erfordern oder aber meistens wäh- rend der Betriebsbrennzeit der Lampe infolge zu starker Zerstäubung zur vorzeitigen Schwärzung des Ent- ladungsgefässes neigen.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, eine Elektrode zu schaffen, bei der im Sinterkörper eine
Trennung der Funktionen einerseits beim Zünden und anderseits während der Brennzeit herbeigeführt wird.
Bekanntlich ist zum Zünden ein Emitter von geringer Elektronenaustrittsarbeit, d. h. leichter Emissions- fähigkeit und während der Betriebsbrennzeit ein Emitter hoher Temperaturfestigkeit, d. h. geringer Verdampfungsgeschwindigkeit der Emitterbestandteile erwünscht, wenn sie auch eine höhere Elektronenaustrittsarbeit besitzen. Mit einem über sein gesamtes Volumen und seine gesamte Oberfläche homogenen Sinterkörper ist eine derart unterschiedliche Funktion einerseits beim Zünden und anderseits während der Betriebsbrennzeit bei Gas-und/oder Metalldampfentladungslampen nicht zu erreichen. Wendelelektroden, welche mit Emitter getränkt werden, zünden meist gut, zeigen aber auch eine starke Verdampfung des Emitters während des Betriebs der Lampe und schwärzen den Kolben vorzeitig.
Die geforderten Eigenschaften werden bei einer Sinterelektrode gemäss der Erfindung dadurch erhalten, dass die Oberfläche des um einen Elektrodenstift aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram oder Molybdän gepressten sinterkörpers Zonen verschiedener Verdampfungsgeschwindigkeit und verschiedener Elektronenaustrittsarbeit aufweist. Diese Sinterkörperzonen, die also mindestens an der Oberfläche des Sinterkörpers vorhanden sind, besitzen in sich homogene Emissionsgemische.
Nach dem Entladungsraum hin, wo die Elektroden Temperaturen von 1800 bis 23000C aufweisen, ist die temperaturfestere Zone höhererelektronenaustrittsarbeit angeordnet, während die Zonen niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit an der vom Entladungsraum abgewendeten Seite der Elektroden vorgesehen sind, wo möglichst nur Temperaturen von 1050 bis 13000C auftreten.
Während die bekannten Sinterelektroden zum Teil mehrere Schichten übereinander enthalten mit dem Ziel, der äussersten Schicht eine möglichst niedrige Austrittsarbeit zu geben, weisen die Elektroden nach der Erfindung Schichten unterschiedlicher Verdampfungsgeschwindigkeit undAustrittsarbeit der Emitterbestandteile an der Oberfläche nebeneinander auf, mit der Absicht, den verschiedenen Aufgaben der Elektroden in der Gasentladung-Zündung und Betrieb - gerecht zu wer-
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. den. Die Anordnung der verschiedenen Zonen kann in der Weise erfolgen, dass die Sinterkörperzone nied- rigerer Elektronenaustrittsarbeit als Schicht in axialer Richtung von der Entladung entfernter hinter der
Zone höherer Elektronenaustrittsarbeit angeordnet ist.
Es ist aber auch möglich, die Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit beispielsweise als besondere Pille vorzuformen, zu pressen und ge- gebenenfalls vorzusintern und dann auf der dem Entladungsraum zugewendeten Fläche und auf den Sei- ten mit der Sinterkörperschicht höherer Elektronenaustrittsarbeit einzuhüllen. Dem Emissionsgemisch für die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit ist gemäss der weiteren Ausbildung der Erfindung ein grösserer Prozentsatz Wolframpulver zugemischt als der Sinterkörperzone niedrigerer Elektronenaustrittsar- beit.
Als vorteilhaft hat sich für die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit ein Gemisch von
5 Ba0. 2 AI, 0, mit 70-98 Gew.-%, vorzugsweise 90 Gew.-%, Wolframpulver erwiesen, worin der Alu- miniumgehalt 0,05 - 1%, vorzugsweise 0,1 Gew.-% betragen kann. Ein anderes vorteilhaftes Emissionsgemisch für die Sinterkörperzone höherer Elektronenaustrittsarbeit besteht aus Bariumoxyd, Calciumoxyd, Thoriumoxyd und fein verteiltem Siliciumoxyd, dem 60-95 Gew.-%, vorzugsweise 80 Gew.-% Wolframpulver beigemischt ist. Eine weitere Herabsetzung der Schwärzung des Entladungskolbens kann durch Beimischung von 0,05 bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 1 Gew.-% ZrO erreicht werden.
Ein günstiges Emissions gemisch für die Sinterkörperzone niedriger Elektronenaustrittsarbeit hat sich aus einer Mischung von Bariumoxyd, Calciumoxyd, Thoriumoxyd und Siliciumoxyd ergeben, dem bis zu ou ! U Gew.-%, vorzugsweise 30-40 Gew.-%, Wolframpulver beigemischt ist. Als Ausgangsmaterial der Emissionsgemische ohne den Zusatz von Wolframpulver hat sich eine Mischung von 40-70 Gew.-% Thoriumoxyd, 10-40 Gew. -0/0 Bariumcarbonat, 5-20 Gew. -0/0 Calciumcarbonat und 0, 5-5, 0 Gew.-% Siliciumdioxyd erwiesen.
Zweckmässig ragt das der Entladung zugewendete Ende des Elektrodenkernstiftes mindestens bis in die Zone höherer Elektronenaustrittsarbeit hinein und wird gegebenenfalls nur von einer dünnen Schicht des Sinterkörpers überdeckt oder ragt noch soweit aus dem Sinterkörper heraus, wie sein Durchmesser gross ist. Der Entladungsbogen sucht sich zur Erzielung eines möglichst geringen Spannungsabfalles zum Ansatz eine Fläche in der Nähe des Elektrodenstiftes aus, da der Sinterkörper selbst einen relativ hohen Widerstand hat. Die äusseren Abmessungen des Sinterkörpers werden zweckmässig so bestimmt, dass seine Temperatur im Bogenansatzbereich etwa 1800-23000C und im zurückliegenden Zündteil, d. h. in dem vom Bogenansatz entfernten Teil etwa 1050-1300 C. beträgt.
Das Verhältnis von Durchmesser zur Länge des Sinterkörpers ist vorteilhaft mit Rücksicht auf den Anlauf der Entladung möglichst niedrig, d. h. ein kurzer Sinterkörper ergibt eine kurze Anlaufzeit. Der Durchmesser des Elektrodenkemstiftes verhält sich zum Durchmesser des Sinterkörpers etwa wie 1 : 2-1 : 5. Der Pressdruck soll so gewählt werden, dass der
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dassAusführungsbeispiels gemäss der Erfindung sind in der Zeichnung teilweise schematisch veranschaulicht.
Fig. I zeigt einen Brenner 1 einer Quecksilberhochdrucklampe, bei dem in bekannter Weise die Elektrodenkemstifte 4 der Elektroden 2 unter Zwischenschaltung von Molybdänfolien 3 in die Enden der Lampe eingequetscht sind. In den Fig. 2-4 sind verschiedene Ausführungen der Sinterelektrode gemäss der Erfindung in stark vergrössertem Massstab dargestellt.
'Die Elektrode nach Fig. 2 besteht aus einem Elektrodenkemstift 4, um den ein aus zwei Zonen 5 und 6 verschiedenerEmulsionsgemische bestehender Sinterkörper herumgepresst und dann fest zusammengesintert ist. Die Zone 5 ist in der Lampe an der vom Entladungsraum abgewendeten Seite der Sinterelektrode vorgesehen und besteht aus einem Emissionsgemisch niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit, d. h. höherer Emissionsfähigkeit. Während- und kurz nach der Zündung setzt der Bogen an dieser Zone an. Die Zone 6 ist in der Lampe nach dem Entladungsraum hin angeordnet und besteht aus einem temperaturfesteren Emissionsgemisch, geringerer Vordampfungsgeschwindigkeit, d. h. höherer Elektronenaustrittsarbeit.
Der Bogen setzt während des Anlaufs, solange der Druck niedrig ist, wegen seines geringen Gradienten dort an, wo der Kathodenfall am kleinsten ist (Zonen 5). Wenn mit dem Druck der Gradient steigt, springt schliesslich der Bogen zu den näher an der Entladung liegenden Zonen 6 über, weil dadurch die Summe von Spannungsabfall im Bogen plus Kathoden- und Anodenfall geringer wird.
Bei der Darstellung der Elektrode nach Fig. 3 ist die Zone 5 aus einem Emissionsgemisch niedrige- rer Elektronenaustrittsarbeit nach der dem Entladungsraum zugewendeten Fläche und nach den Seiten von der Zone 6 höherer Elektronenaustrittsarbeit eingehüllt. Fig. 4 stellt eine Elektrode dar, bei der das Emissionsgemisch der Zone 5 allmählich in diejenige der Zone 6 übergeht. Bei der Elektrode nach Fig. 2 und 3 Ist der Elektrodenkernstift 4 nach der Entladungsseite hin von einer nur dünnen Schicht des Sinter-
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körpers überdeckt, während bei der Elektrode nach Fig. 4 der Sinterkörper mit dem Elektrodenkernstift glatt abschliesst.
Die Emissionszonenschichten sind hier als Pulvergemisch nacheinander in die Pressform gefüllt, bei einem Druck von zirka 3000 kg/cm gepresst und dann bei Temperaturen bis auf etwa 23000C herauf gesintert. Das Ausgangsmaterial für das Emissionsgemisch ohne den Zusatz von Wolframpulver be-
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verteiltem Sitz. Für die Sinterkörperzone 5 niedrigerer Elektronenaustrittsarbeit ist diesem vorstehend angegebenen Emissionsgemisch40 Gew. -0/0 Wolftampulver, bezogen auf das Gesamtgemisch, beigemengt.
FürdieSinterkorperzone 6höhererElektronenaustrittsarbeitist demEmissionsgemisch 80 Gew.-% Wolfram- pulver, ebenfalls auf das Gesamtgemisch bezogen, beigegeben. Der Elektrodenkemstift 4 besteht aus
Wolfram und hat bei einer 50W-Quecksilberhochdrucklampe einen Durchmesser von 0,6 mm, während der Durchmesser des Sinterkörpers 2 mm beträgt. Bei Lampen für andere Belastungen weichen die Ab- messungen des Elektrodenkernstiftes und des Sinterkörpers selbstverständlich von den angegebenen Wer- ten entsprechend ab.
Die Emissionsgemische werden nur langsam verbraucht und sind daher für viele 1000 Zündungen und
Brennstunden ausreichend, während der Entladungskolben nur wenig geschwärzt wird. Die Zündspannung liegt bei diesenSinterelektroden niedriger als bei andern bekannten Entladungslampen. Beim Anlauf der
Lampe tritt keinGleichrichtereffekt auf. Die Entladung brennt nach der Zündung in einem ruhigstehenden
Bogen ; es tritt nur ein geringer Gleichstromanteil und geringere Hochfrequenzstörung als bei den üblichen
Elektroden auf. Bei grossen Lampenstückzahlen sind die Kosten für die Herstellung der Sinterelektroden nach der Erfindurg geringer als für bisher bekannte Elektroden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Sinterelektrode für Gas- und/oder Dampfentladungslampen, insbesondere Hochdruckentladungs- lampen, deren Sinterkörper mindestens eines der Oxyde des Barium, Calcium, Thorium und mindestens ein hochschmelzendes Metall wie Wolfram, Molybdän enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober- fläche des um einem Elektrodenstift aus einem hochschmelzenden Metall wie Wolfram, Molybdän ge- presstensinterkörperszonen (5, 6) verschiedener Verdampfungsgeschwindigkeit und verschiedener Elektronenaustrittsarbeit aufweist.