CN102103975A - 灯阴极结构以及采用该阴极结构的气体放电灯 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种灯阴极结构以及采用该阴极结构的气体放电灯。根据本发明的灯阴极结构，其中，阴极框架结构由钨丝或钨的合金丝绕制而成；在所述阴极框架结构上涂有电子粉，电子粉上烧结形成有氧化物陶瓷涂层。

Description

灯阴极结构以及采用该阴极结构的气体放电灯

技术领域

本发明涉及一种灯阴极结构以及采用该阴极结构的气体放电

灯，并且本发明还涉及一种荧光灯系统。

背景技术

由于荧光灯的发光依靠阴极发射的高速电子与灯管内气体的原子碰撞产生电离作用，所以荧光灯阴极上具有能够提供电子发射的电子材料，该电子材料一般为三元碳酸盐电子粉。然而，在荧光灯启动时，由于有一个由辉光放电到弧光放电的过渡时间，这段时间往往会产生爆发性的高电压放电，使得阴极上的电子粉受到溅射，甚至使电子粉脱落；启动进入正常燃点后也有一个电子材料热蒸发较快的问题。如果试图对荧光灯进行调光，降低启动电压或改变电子板的工作频率，使导入灯管电流减小，阴极则长时间停留在辉光放电状态，阴极位降增大，而正离子的轰击不足以将阴极加热到正常弧光放电的工作温度，形成并自维持弧光放电的阴极热点，阴极失去热点停止发射热电子流，没有强大的热电子流发射来反制吸收前一周期自己刚发射出去但很快失去电子后的正离子的反向轰击；阴极整体温度急剧上升，表面的电子粉会很快被正离子轰击产生的电弧剥落尽，如果继续燃点荧光灯，钨就溅射到灯管两端并很快发黑。所以，荧光灯启动时电子粉受到溅射而脱落极大地降低了荧光灯的使用寿命。尤其是在将荧光灯用于调光应用中时，这一现象尤其严重，甚至使得调光不能实现。

而且，不仅仅荧光灯中存在上述问题，诸如紫外线灯、低压钠灯等低压气体放电灯的阴极结构都会存在这一问题，即电子粉受到溅射而脱落和正常燃点热蒸发较快的问题，从而极大地降低了灯的使用寿命；冷阴极的CCFL、霓虹灯和高压气体放电的金卤灯、高压钠灯、高压汞灯因溅射和热蒸发的原因而选用纯金属材料或在金属表面吸附一层“正电性”原子膜层做阴极。

为了解决这个问题，例如在名为“特制荧光灯阴极电子粉”的中国专利申请公开CN1581398A中，提出了通过电子粉材料的适当选择来提高电子的发射量以延长荧光灯的使用寿命，但是该技术方案并不能从根本上解决荧光灯启动时电子粉由于受到溅射而脱落的问题。

因此，希望提供一种能够解决荧光灯启动时电子粉由于受到溅射而脱落的问题的技术方案。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种灯阴极结构以及采用该灯阴极结构的荧光灯，其尤其适用于调光系统，并且其能够解决荧光灯启动时以及调光时电子粉由于受到溅射而脱落和正常燃点时热蒸发快的问题。

根据本发明的第一方面，提供了一种灯阴极结构，其中，阴极结构由钨丝或钨的合金丝绕制而成；在所述阴极结构上涂有电子粉，其特征在于：电子粉上烧结形成有氧化物陶瓷涂层。

根据本发明的灯阴极结构，电子粉被氧化物陶瓷层覆盖，从而该氧化物陶瓷层覆盖如同一个保护网将电子粉固定住，来有效地防止电子粉由于受到溅射而脱落和热蒸发快。

在本发明的实施例中，绕制阴极框架结构的钨丝或钨的合金丝首先被绕制成双螺旋或多螺旋的灯丝，随后对双螺旋或多螺旋的灯丝进行绕制以形成几何形状为圆柱状、圆筒状、喇叭筒状、圆球状、椭球状、橄榄球状、蘑菇状、尖锥状或螺旋弹簧状的阴极框架。具体地说，圆柱是实心的，而圆筒是空心的；椭球是规则的椭圆形，而椭橄榄球可以是不太规则(例如一头尖一头圆，尖头尖一些，圆头圆一些)。本发明对阴极的形状是有要求的，在不同类型的灯上会用到不同的形状，上述已例举了本发明所能够应用的形状。

在本发明的实施例中，阴极外径φ0.5mm～φ5mm，阴极框架结构由钨丝或钨的合金丝预先绕制成双螺旋或多螺旋结构的灯丝再用这种灯丝多匝绕制而成；阴极内部和表层上浸涂有电子粉，电子粉上形成有氧化物陶瓷层。本申请的发明人有利地发现，“阴极外径φ0.5mm～φ5mm”是一个最佳尺寸，但是在实际实施时，该尺寸可以更小，如在做管径2毫米以下的灯管时阴极外径还可以小于φ0.5mm；并且，在实施应用时，阴极外径大到5毫米应该是足够了的，更大阴极不好发挥效率，对管径粗功率大的灯管一端可以装两到三只分叉阴极。

在本发明的实施例中，所述氧化物陶瓷是由二氧化锆ZrO₂、三氧化二铝Al₂O₃、添加剂和塑化剂充分混合构成的陶瓷粉浆经过浸涂或灌浆模压制成生胚，然后高温或高温高压烧结而成的。

优选地，在所述陶瓷粉浆中(溶剂的质量未计入在内)，二氧化锆ZrO2的质量百分比为75％～99.5％，三氧化二铝Al2O3的质量百分比为0.1％-20％，所述添加剂的质量百分比为0.1％～15％，所述塑化剂的质量百分比为0.1％～8％。塑化剂中的溶剂的比例视其粉浆所需的比重另行计算，粉层涂得厚，粉浆比重大，溶剂的比例小；反之，粉层要求薄，粉浆比重小，溶剂的比例加得大。上述数值范围能够实现良好的效果。并且，试验证明在氧化物中，ZrO₂的熔点最高，因此可用到99.5％。

其中，所述的添加剂为Ti₂O₃、MgO、MnO、Y₂O₃、CaO、W、氧化钍等原料中的一种或几种。

所述塑化剂为粘接剂、增塑剂和溶剂。常用的粘接剂有石蜡、聚氧化乙烯和火棉，常用的增塑剂有甘油、草酸和黏土，溶剂为去离子水、无水乙醇、丙酮、醋酸乙酯和醋酸丁酯等。

具体地说，优选地，所述氧化物陶瓷层的厚度为10nm～100μm。

在本发明的实施例中，所述灯阴极结构为荧光灯阴极结构，并且所述荧光灯阴极为热阴极。并且，所述荧光灯阴极用钨丝作为基金属。而且，所述电子粉是三元碳酸盐。其中，所述绕制荧光灯阴极框架的灯丝具有单丝双螺旋、单丝三螺旋、缆索式三螺旋或主辅丝三螺旋结构。

根据本发明的第二方面，提供了一种气体放电灯，其采用了如本发明第一方面所述的灯阴极结构。

根据本发明的第三方面，提供了一种气体放电灯系统，其具有对气体放电灯进行控制的控制装置，其特征在于采用了如本发明第二方面所述的气体放电灯。

类似地，在本发明的第二方面和第三方面中，由于采用了根据本发明的灯阴极结构，电子粉被氧化物陶瓷层覆盖，从而该氧化物陶瓷层覆盖如同一个保护网将电子粉固定住；而且该陶瓷层是高温高压烧结出来的，电子粉包裹在陶瓷层内也经过了这种高温高压的过程其结构比传统工艺致密度高得多，因而可有效地防止电子粉由于受到溅射而脱落和正常燃点时的热蒸发。于是使得荧光灯具有超长寿命变得可能，甚至荧光灯的寿命能够提高达到10万小时的数量级。

进一步地，在本发明的实施例中，所述控制装置包括对所述气体放电灯进行调光的调光装置，从而形成可调光的气体放电灯系统。

现有的气体放电灯(具体地说，例如是热阴极荧光灯)往往不能适应现有的任意模式的调光，这主要是因为，热阴极荧光灯只能在弧光放电下工作，不能在辉光或辉弧过渡区工作；而满意的调光(如调到小于10％的光输出)导入灯管电流急剧减小，灯管进入辉光放电区工作。而辉光放电阴极位降升高，正离子冲击力加强、等离子体放电火花灼烧面积增大，短短的几秒钟就可以把阴极大面积灼伤，几个小时的连续燃点不仅可以把电子粉冲击至几乎全部脱落，而且连钨丝都有可能由于受到高温离子流冲击而烧毁。而在本发明中，根据本发明的灯阴极结构尤其有利于调光模式，原因在于，在本发明中，通过在电子粉的表面上烧结氧化物陶瓷层，使得电子粉在调光时由于受到其上所烧结而成的氧化物陶瓷层的保护不易烧毁脱落和蒸发，从而荧光灯能够适应现有的任意模式的调光，于是使得具有调光装置的荧光灯系统具有较长寿命，并易于操作和维护。

根据本发明的第四方面，还提供了一种制造荧光灯阴极的方法，其中在荧光灯阴极上涂覆了电子粉，其特征在于所述方法包括在电子粉的表面上烧结氧化物陶瓷的步骤。优选地，通过将由二氧化锆ZrO₂、三氧化二铝Al₂O₃、添加剂和塑化剂充分混合构成的陶瓷粉浆经过给荧光灯阴极框架浸涂或灌浆模压制成生胚，然后高温或高温高压烧结。

附图说明

图1示出了根据本发明的各个主要工艺步骤的流程图。

图2示意性地示出了实施例所采用的阴极基体的形状。

图3示意性地示出了形成了氧化物陶瓷之后的荧光灯阴极的结构。

图4a和图4b示意性地示出了阴极结构局部放大后的绕制和涂层结构的示意图。

图5示意性地示出了阴极的装架过程中的示意图。

图6示意性地示出了装配有调光电子板的荧光灯的示意图。

图7示意性地示出了非调光模式下根据本发明的荧光灯以及现有的荧光灯的通电测试比较结果。

图8示意性地示出了调光模式下根据本发明的荧光灯以及现有的荧光灯的通电测试比较结果.

注意，附图是示意性的，其仅仅用于说明本发明而不是限制本发明。而且，为了说明某些结构，附图并非按比例绘制。

具体实施方式

下文将参考附图来描述本发明的优选实施例。

以下描述了根据本发明的荧光灯阴极的制造过程以及将根据本发明的荧光灯阴极装配成荧光灯及荧光灯系统的过程。

图1示出了根据本发明的各个主要工艺步骤的流程图。

在步骤“灯丝烧制”中，首先，选择阴极的几何形状，阴极所绕制而成的几何形状有圆柱状、圆筒状、喇叭筒状、圆球状、椭球状、橄榄球状、蘑菇状、尖锥状和螺旋弹簧状。

并且，阴极外径为φ0.5mm-φ5mm，并且选择几毫克的钨丝，具体地说，如果采用直径是0.07～0.5mm的钨丝，按mg-₂₀₀，那么对于一条200mm的钨丝的重量，可用公式直径＝√mg×0.01817得出钨丝质量为14.84mg～757mg。并且，例如，可选择专利号为200410017780.7的中国专利申请《无灯丝热阴极荧光灯》所公开的荧光灯阴极结构。

在本实施例中，当采用传统的螺旋弹簧状的灯丝形状时，例如可选择专利申请号为200710143983.4的中国专利申请《荧光灯新式阴极》所公开的荧光灯阴极结构。优选的，采用主辅丝三螺旋结构，主丝粗细选择须与配套电子镇流器或电子变压器的性能及导入阴极电流相匹配。其关系由下式确定：

D＝0.15～0.17I k2/3

其中，Ik表示阴极导入电流；D表示钨丝直径。

在本实施例中选取系数范围0.15～0.17是考虑到灯丝构架是作为阴极基体框架而存在的，当然，本发明并不限于此，而是可根据情况来适当调整该系数。

将辅丝绕制成双螺旋弹簧状主要的功能是为了在阴极浸涂电子粉时能够涂覆尽量多的电子粉，而且缠绕时是藏在主丝的里面，与导入灯管阴极电流关系不大，因此，选取时是尽量取最小值，钨丝的直径优选地选取为φ0.07mm以下。

然后，绕制灯丝，第一二道是用钼丝作芯线，辅丝在钼芯线上缠绕完毕，再用绕制好第一道的辅丝在钼芯线上饶制第二道，完毕后，这经过两道绕制的辅丝当芯线，用主丝在这种芯线上再绕制。

在“阴极框架制作”的步骤中，用经过绕制加工而成的灯丝按照设计的意图制成圆柱状、圆筒状、喇叭筒状、圆球状、椭球状、橄榄球状、蘑菇状、尖锥状和螺旋弹簧状或其他形状的阴极基体(烧氢定形后再把芯线溶掉)。参见图2，其中依次分别示出了阴极的外形为圆柱形、圆筒形、喇叭筒状、圆球状、椭球状、橄榄球状、蘑菇状、尖锥状和螺旋弹簧状。

在“浸涂电子粉浆”步骤中，用手工或机械化将阴极框架基体浸涂电子粉。

在“陶瓷粉浆浸涂或灌浆”步骤中，用手工或机械化再浸涂由纯度99.9％～99.95％平均粒径13nm～9μm的二氧化锆ZrO₂、纯度99.9％～99.95％平均粒径13nm～25nm的三氧化二铝Al2O3，2％～15％的添加剂，0.1％～8％的粘接剂和塑化剂，与视其所需浓度而掺入溶剂稀释混合再球磨24小时以上而成的陶瓷粉浆。浸涂时视其所需的厚度采用单层或多层涂覆，当涂层要求较厚时，可选择较粗的二氧化锆ZrO₂的平均粒径，反之则选用细的。此外，根据灯的特性的要求，有可能陶瓷粉浆的主要原料只用一种ZrO₂或者Al₂O₃，这种情况下可增大添加剂的比例，以便于烧结和提高陶瓷层的导电等性能。如普通小功率11W左右的荧光灯，只要求寿命在10000小时左右，增大添加剂且涂层薄而可满足出厂初始有最佳的光效。

需要说明的是，术语“平均粒径”是本行业常用的术语，指粉状物中的颗粒绝大部分的直径。

图4a和图4b示意性地示出了阴极结构局部放大后绕制和涂层结构的示意图。图4a示出了制作阴极框架基金属灯丝之一的单丝双螺旋绕制的局部放大结构；图4b示意性地示出了单丝双螺旋涂覆后涂层的局部放大结构。

同时，在“陶瓷粉浆配方”步骤中，实施例中采用了由纯度99.9％～99.95％、平均粒径13nm～9μm的二氧化锆ZrO₂，纯度99.9％～99.95％、平均粒径13nm～25nm的三氧化二铝Al2O3和2％～15％添加剂与视其所需浓度而掺入的溶剂稀释混合再球磨24小时以上而成的陶瓷粉浆。添加剂为Ti₂O₃、MgO、MnO、Y₂O₃、CaO、W、氧化钍等原料中的一种或几种，总计占质量百分比为的2％～8％。塑化剂为粘接剂、增塑剂和溶剂。常用的粘接剂有石蜡、聚氧化乙烯和火棉，常用的增塑剂有甘油、草酸和黏土，溶剂为去离子水、无水乙醇、丙酮、醋酸乙酯和醋酸丁酯等构成的陶瓷粉浆，但是本发明并不限于上述数据的选择，而是可以根据情况做出调整。例如，优选地，二氧化锆ZrO₂的量的选择范围可以是75％～95％，三氧化二铝Al₂O₃的量的选择范围可以是5％～25％，添加剂的量的选择范围可以是2％～15％，塑化剂中的粘接剂和增塑剂的量的选择范围可以是3％～8％，溶剂的量的选择范围可以是80％～200％。

此外，还需要调整粉浆使得其Ph值在3～4之间，具体方法是用柠檬酸来调解，Ph值在3~4之间时二氧化锆和三氧化二铝颗粒表面带正电荷，细小的颗粒相互排斥，均匀分散。

随后，在“粉浆混合”步骤中，在陶瓷粉浆的料备好之后，先取几分之一的大料(注意，术语“大料”是相对于“小料”的一个专业术语，是配方时常用术语，大料专指一个配方中用得多的质量百分比为大的材料，这里是指二氧化锆和三氧化二铝)与添加剂充分混合，再把混合好的料与其余大料混合；再取二分之一的溶剂与粘接剂混合均匀，另外的一半溶剂与上述混合好的大料拌匀之后倒入与粘接剂混合的溶剂，最后加入增塑剂就可进球磨罐球磨。球磨罐和球一般选择用氧化铝钢玉制作的，待磨料装入量为球磨罐容量的70％～80％，料：球：溶剂的质量比应控制在1∶(1～1.4)∶(0.8～1.2)；如果配方比较稀时应适当留出一些溶剂，待球磨好之后在添入搅拌均匀即可。球磨时间一般为24小时，在满足细度的前提下尽量缩短，避免球磨过程中引入杂质。

这样，在“陶瓷粉浆浸涂或灌浆”之后的“压制生胚”步骤中，首先将涂覆有陶瓷粉浆的阴极摆放在耐火耐压的匣体中，再把匣体置入高压釜中充入高压气体压制胚体，气体最好是杂质含量＜2ppm的高压空气，也可用普通氮气、氩气来替代，气体的压力在10Mpa以上，条件允许的情况下可以选择40～100Mpa，因为压力越大压制出来的胚体越容易达到烧结所需的致密度。压制时视其所选用的塑化剂的成分和气体适当加温，例如塑化剂中引入了石蜡，气体又是高压空气，加温到50℃就开始融化，便于压制；再提高温度接近500℃，不仅仅石蜡因高压空气中氧气的作用燃烧挥发掉了，电子粉中的火棉也燃烧挥发掉了，就可免除后道工序的排(石)蜡和烤(火棉)胶。冷压制胚体的时间一般在30分钟完成，如果需要排蜡和烤胶加温了，要在接近500℃的高温区维持15分钟左右，让(石)蜡和烤(火棉)胶充分炭化烧除挥发。再关掉加热电源让被压制后的胚体随高压釜冷却。

冷压制的胚体则需要排蜡和烤胶。在“排蜡和烤胶”步骤中，排蜡和烤胶可同时进行，方法是将压制好的摆放阴极胚体的耐火耐压的匣体从高压釜中取出，再在胚体的周周围围埋上有经过1200℃～1300℃煅烧过的氧化铝粉，经900℃煅烧过的氧化镁，经过800℃～1200℃煅烧过的石英粉等作吸附剂。优选地是nm级的氧化铝粉，粉体颗粒越细，比表面积越大，吸附力越强。再把匣体置入高压釜中加温，室温～100℃，石蜡融化阶段，升温20℃～40℃/h，而且要充分保温，目的是使整个胚体均匀受热，石蜡慢慢融化，液体排蜡开始向吸附剂排放；100℃～160℃液态石蜡充分向吸附剂渗透和迁移，120℃～300℃吸附剂表面的石蜡蒸发和炭化挥发，这一阶段升温10℃～30℃/h，在200℃～300℃时保温并同时通风，让蜡和胶蒸发和炭化挥发；300℃～400℃升温20℃～40℃/h，400℃～500℃要快速升温，把剩余的蜡和胶烧除，并且避免阴极的基金属钨丝氧化。冷压制胚体后再排蜡和烤胶所需时间较长，但质量更有保障，适合制作大体积的调光用阴极；一般要求的采用压烧同时进行就可以了。

该步骤中的最后一道工序是在烧结炉内烧结阴极。在“阴极分解、出气和激活”和“烧结”步骤中，本发明对不同要求的阴极分别采用三种不同的烧结方法：真空烧结、气氛烧结和热压烧结。其中，分解是一种化学反应，它的反义是还原，分解的反应式是向右进行的；在分解电子粉的同时要把分解出来的二氧化碳用泵抽走，即出气，否则会化学反应会向左进行还原；随后，在分解干净之后再对电子粉进行激活。

真空烧结在本发明中是最常用和最简便的方法，因为这种方法可以把对阴极上涂覆的三元碳酸盐电子粉的“分解、出气与激活和烧结”在一个炉内一道同步完成。这种方法的前道部分属于氧化物阴极的集中分解和激活，其操作工艺要求可以参见中国实用新型专利《气体放电灯氧化物电极的集中分解与激活装置》，实用新型专利号：200420022345.9。本技术工艺操作特征在于：工件置于炉内以后，同时打开真空泵抽气和加热电源加热；在温度升到550℃～600℃时使系统真空度达到10^-1～10^-2，3～5分钟后把温度提高到750℃～800C，系统真空度维持在10^-1～10^-2，3～5分钟后把温度提高到900℃～950℃，(此时阴极上涂覆的三元碳酸盐电子粉的分解、出气已完毕，激活则与后面的烧结同步进行)2～3分钟后把温度提高到1250C～1400℃，此时需要达到一个高的真空度，最低要求维持在10^-2～10^-3，如果能够达到10^-3～10^-4以上，其温度可以走上限值1550℃或更高一点，其烧结效果会更佳。具体的保温温度和时间要依工件瓷料的成分性质来决定，这是因为大多数功能陶瓷烧成的温度范围只有10℃～30℃，个别的仅有5℃～10℃。严格控制保温温度及相应的保温时间是烧结工艺的关键。可根据实际操作中的情况来建立合理的温度制度。1400℃～1550℃整个烧结时间1～2个小时，烧结完毕之后先关掉加热电源，温度低于800℃后再关真空泵，让工件随炉冷却。

气氛烧结分为中性气氛烧结和还原气氛烧结两种。中性气氛烧结是工件置于炉内以后，先打开真空泵抽气，在系统真空度达到10-2～10-3之后再充入高纯氮气或氩气0.15～0.35Mpa，再打开加热电源升温至1500℃～1650℃，在1500℃～1650℃这个温区保温1～2个小时，具体的保温温度和保温时间要依工件瓷料的成分性质来决定，其原因同上述。还原气氛烧结是在烧氢炉中进行，烧结气氛采用真空湿H2，烧结温度1600℃～1910℃，保温时间15分钟～2个小时，具体的保温制度要求同上述。

热压烧结。热压烧结是在升温烧结过程中，同时对阴极胚体施加压力的烧结工艺。对有些无压难以烧结的材料，如Al2O3，可以采用这种工艺在较低的温度下烧结，一般可比无压烧结的烧结温度降低100C～200℃左右，因为无压烧结推动力是粉体的表面能，当粉体粒子为5～10μm时，这种推动力大约是1～7Kpa。热压烧结所加压力在0.1～0.155Mpa，比无压烧结推动力大20～100倍，但其操作的必要条件是在高温高压高真空烧结炉中进行。

首先，将胚体工件摆放在耐火耐压的匣体中，再把匣体置入烧结炉中，打开真空泵抽气和加热电源加热，当温度达到400℃～500℃和真空度达到10^-2～10^-3时充入1～2Mpa的惰性气体(最佳是氦气，因为氦气在惰性气体中属于小分子气体，扩散性强，可以在胚体材料氧化物晶格内自由扩散，而不会像氩这样的大分子气体，在氧化物晶格内不易自由扩散最终残留在胚体中。其次是氮气，但同样条件下用氮气加压烧结出来的阴极，其致密度不如氦气的，对要求相对低一些的产品也可满足其要求)。当温度上升到700℃～800℃惰性气体的压力提高到9～10Mpa，1000℃～1100℃惰性气体的压力提高到19～20Mpa，1200℃～1250℃惰性气体的压力提高到30～32Mpa，1450℃～1500℃惰性气体的压力提高到39～40Mpa，之后保温1～2个小时。在1450℃～1500℃这个温区和39～40Mpa的压力保温1～2个小时对绝大部分阴极胚体材料都可以达到致密化的要求；但如上述大多数功能陶瓷烧成的温度范围只有10℃～30℃，个别的仅有5℃～10℃，所以在1450℃～1500℃这个温区只是一个宽泛的大范围，要根据阴极胚体材料的组成成分和实际试验烧结的情况，调整保温范围，严格控制保温温度及相应的保温时间是烧结工艺的关键所在。

具体可选的上述加压方式是随温度的升高逐步加压，还可以一次性加到设计压力，这种方式主要是针对胚体材料没有添加添加剂掺杂，质量是高纯度的，这种高纯度材料在低温低压下烧结只要表面扩散而很少体积扩散，而表面扩散只能改变气孔形状不能引起颗粒中心距的逼近。所以，要尽可能地在压力一步到位之后快速从低温升到高温以创造体积扩散的条件。针对高纯纳米材料烧结普遍存在“阀值”，即在一定温度下，外压必须大于一定值才能促进材料的致密化；而低于这一值时，外压的作用可以忽略不计。如烧结纳米ZrO₂时，所用压力高达300～400Mpa以上(而且压力越高烧结致密度越高)，而低的外加压力如上述设定的40Mpa对提高致密度没有作用。这种情况无疑要采用十分昂贵的烧结炉和辅助设施，对推广本技术十分不利。而本行业所用真空器件大多数是光谱级的高纯材料，尤其本发明大量使用高纯的纳米材料，针对这种特点，优选地，采用引入添加剂掺杂。因为高纯的纳米材料是固相烧结，不存在液相，陶瓷粉料通常通过扩散传质而烧结。这种扩散传质实际上是材料颗粒烧结晶体空位浓度高的部分(通常两颗粒的结界处，即所谓的颈部)向空位浓度低的部分扩散，而质点(离子)向相反方向扩散，使物料易于烧结，如Al2O3中添加Ti2O3、MgO、MnO等后，就显著地促进了烧结。

添加添加剂还有一个好处是可以使阴极表层的陶瓷改性，如在Al2O3中添加钼，烧结后在Al2O3基体上有MoO3存在会增大压应力。陶瓷表面裂纹受表面残余应力的影响很大，拉应力会促进裂纹的生成和发展，而压应力则使气断裂韧性得以提高。如在ZrO₂中添加Ti₂O₃可以增加阴极表层陶瓷的导电性能，这是由于陶瓷材料表层生成的钛氧化物的导电性能较高的缘故，这可降低阴极发射的逸出功，增加电子发射能力，提高荧光灯的光效。

总之，阴极表层陶瓷层的设计、制备、烧结是一个及其复杂的过程，其研究领域属于功能陶瓷或被称为先进陶瓷的范畴。现在技术对这个领域的研究最早主要集中在陶瓷合金刀具，近来对该领域的研究也出现在了航空航天、导弹卫星、汽车发动机、电子半导体等重大学科和行业。但是，现在技术对功能陶瓷机理的研究并没有提出过一个完善的理论，现有技术更没有具体地提出过本发明所提出的对阴极表层陶瓷层的设计、制备、烧结这样的一套完善的技术方案。

由此，在荧光灯阴极上形成了烧制而成的氧化物陶瓷。图3示意性地示出了形成了氧化物陶瓷之后的荧光灯阴极的结构。其中，图3a为圆筒形阴极的剖面示意图，图3b为喇叭筒形阴极的示意图，图3c为螺旋弹簧状的灯丝阴极的示意图。

在“阴极装架”步骤中进行阴极的装架。具体地说，普通管径采用传统的喇叭芯柱封装，超细管径采用专利申请号为200610031032.3的中国专利申请《一种T2～T1热阴极荧光灯制作方法》中所介绍的双导丝芯柱。上述这两种芯柱的一根导丝与阴极夹丝连接(参见图5a)，另一根导丝的内导丝(外导丝剪掉以免封口之后难得辨认，更不能与阴极的导丝短接)用来固定套在阴极上的金属环(参见图5b)。这个金属环由熟铁制作，外圆滚花(增加外表面积和凹凸不平，便于灯管熄灭后微粒汞的吸附-即把这个环当辅汞齐用)后内外镀镍防锈，内圆面再涂覆锆铝16长效吸气剂。如果是作调光灯用，金属环的内圆真空蒸镀钛或铝，氧化气氛下定型之后变成氧化钛或氧化铝都非常耐离子轰击；因为在灯内这个环套在阴极上，调光调低之后，灯不是在辉光放电区就是辉弧过渡区工作，这时阴极失去热点停止发射热电子流，没有强大的热电子流发射来反制吸收前一周期自己刚发射出去但很快失去电子后的正离子的回扑轰击；金属环套在阴极上实际上通过气体导电与阴极电连接，成为阴极的一个附属部分，分散阻挡吸收一部分离子对阴极轰击的能量，减小阴极的溅射。对于采用螺旋弹簧状的阴极可按传统热阴极夹丝的方法夹住阴极(灯丝)的两端毛头，这种方法适合做普通不调光的荧光灯(如CFL)，也不必装金属环打高频除气，与传统的排气设备无论是长排还是圆排车都能接轨，排气烤管温度达到之后通过两根外导丝给阴极(灯丝)通通电加加热，就把阴极在储藏、装夹、封口等后道工序吸附的潮气除掉了。

采用本发明的技术方案的优点还在于排气速度可大大加快。现有技术中的48工位的圆排车时速1200只，从13到43工位都是给阴极通电分解用的，但是每3秒钟出一只灯，30个工位通电分解的时间也才一分半钟，从理论到实践都无法满足分解的时间的要求，而被迫采用大电流分解，这样使得电子粉太松散而无法具有长寿命。相反，本发明技术方案的阴极由于能够完全分解并充分激活，从而大电流通电约10秒钟就能彻底除气，所以圆排车的速度可以提高3～5倍，达到时速3600～6000只，并且所生产的产品质量也能得到改善。另一方面，采用本发明的技术方案还能极大地降低成本，具体地说，圆排车占灯管生产线成本的一大半，而应用本发明技术方案生产效率提高，节约能源，节省在圆排车方面的花费。并且，现有技术中，长排是依靠操作人员各自对电子粉分解进行控制，从而产品一致性得不到保障，而且出了失效产品无法获知失效原因；相反，利用本发明的技术方案则能解决上述问题，并且极大地减少了现有技术中的通电时间，且消除了现有技术中长排常见的5％左右的黄黑头。

在“封口和排气”步骤中，在封口之后进行排气，封口、排气工艺均可参照传统CCFL冷阴极荧光灯的方法进行，只是在排气车上增加一道高频加热金属环工序，达到烘烤环内的阴极去气(阴极在装架、封口等工艺过程以及保管之中再次吸附的水蒸气或OH根的目的)。

进一步地，可在第七步骤中匹配调光电子板或普通电子板。具体地说，在无需进行调光的应用中，可装配普通电子板。而在希望进行调光的应用中，可装配调光电子板，调光电子板可采用例如图6所述的调光结构，但是本发明并不限于所采用的调光电子板。

具体地说，图6示意性地示出了装配有调光电子板的荧光灯的示意图。在图6中，图中两只开关三极管VT1与VT2组成有源半桥支路，电容C3与C4组成无源半桥支路，半桥的中点电压为直流电压的一半，即为E/2。两个半桥的配合工作，使灯管启动并持续供给灯管LC振荡的能量，保持灯管稳定燃点发光。调光原理：Dimmer(前级调光器，图上未示出)调节输入电压的平均值，当前级调光使输入电压降低时，在变压器T2的反馈线圈T2b产生的电动势降低，使开关管退出饱和导通的时间常数延长，从而降低开关频率，频率高(约35KHz)导入灯管电流最大光输出最大，频率低(约10KHz)灯管电流最小光输出最小。这种频率高低电流大小的变化使得灯管的光输出有明暗的变化，达到调光的目的。

本发明尤其有利于使用在调光模式下，这是因为，在本发明中，通过在电子粉的表面上形成氧化物陶瓷，使得电子粉在调光时不易脱落和热蒸发，从而荧光灯能够适应现有的任意模式的调光，于是使得具有调光装置的荧光灯系统具有较长寿命，并由于无需经常更换灯泡而易于操作和维护。

在没有调光的情况下对根据本发明的荧光灯以及现有的荧光灯进行通电测试比较，所得到的数据可参见附图7中的图表，其中示出了根据本发明制作的长寿命荧光灯(表中A组)与现有的CFL(表中B组)光电参数测试比较。可以看出，根据本发明的具有氧化物陶瓷阴极的热阴极荧光灯和现有热阴极荧光灯各项测试参数比较，使用寿命大大延长。

具体地说，图7的表中的数据是每个规格的灯开关和燃点试验分别取其10只的平均值，从燃点5000小时后每种灯的平均光效计算其流明维持率，再综合开关次数按国标(国标流明维持率小于70％视同寿终)判断其有效寿命。如普通CFL的15W、30W、105W燃点5000小时后流明维持率都接近70％，最多再点1000把小时就会低于70％，开关次数虽然在10000以上，判断寿命也只6000小时；而7W在5000小时后还有76.4％的流明维持率，虽开关次数仅8000次，判断却是8000小时寿命。本技术的第一组灯在5000小时后还有80％以上的流明维持率，而且开关次数都在25000次以上，判断是15000小时；第二组灯在5000小时后还有86％以上的流明维持率，而且开关次数都在35000次以上，判断是30000小时；第三组灯在5000小时后还有91.3％以上的流明维持率，而且开关次数都在78000次以上，判断是50000小时。

附图8中的图表进一步示出了在任意模式调光下，根据本发明的荧光灯以及现有的荧光灯的通电测试比较结果，其中示出了根据本发明技术制作的调光灯(A组)与其他各种调光灯(B组)光电参数测试比较表，B组所采用的是床头灯调光常用的普通白炽灯泡壳(最大直径Φ60mm)的玻罩灯型为例。可以看出在模式调光下，采用了根据本发明的荧光灯阴极的荧光灯的寿命大大延长了。

具体地说，图8的表二中的数据是每组规格的灯10只同时做调光和燃点试验，然后取其平均值。从燃点1000小时后每种灯的平均光效计算其流明维持率，再按国标(国标流明维持率小于70％视同寿终)判断其有效寿命，再评价其调光性能、最大光通、成本、对通用调光白炽灯的替代性和推广的可能性。普通白炽灯在试验中已经烧毁6只，判断平均寿命为1000小时，CCFL和本技术的灯通过1000小时燃点流明维持率在90％以上，判断寿命在12000小时，调压CFL通过1000小时燃点流明维持率不到80％，判断寿命在3000小时，调频CFL通过1000小时燃点流明维持率在82.6％，判断寿命在5000小时；从调光性能来说普通白炽灯、CCFL以及本技术的灯最小光通能够调到最大光通的1％以下，性能最佳，调频CHL能够调到11.5％，性能居中，调压CFL只能调到20％最差。综合上述能够和普通白炽灯一样用于已经广泛使用的调光器Dimmer调光，并且达到满意调光效果的荧光灯只有CCFL和本技术产品，但CCFL光效光通都不高，装在普泡灯罩内最大光通才300多流明，比40W普泡的光通还低，只能用于要求低的场合；调频调光虽然能够调到接近10％，电子线路复杂体积大成本高，还不能直接用普通调光器Dimmer调光，必须专用的调光器，不利于推广普及；调压调光的CFL最低只能调到20％，灯管粗还没法带罩，也只能用于档次低的地方。所以，本发明所提供的产品是替代普通白炽灯调光的最佳选择，有极大的推广普及价值。

而且，虽然以荧光灯为示例说明了本发明的原理，但是本领域技术人员可以理解的是，与荧光灯同属于低压气体放电灯的紫外线灯、低压钠灯、冷阴极的CCFL及霓虹灯等可以直接使用本发明的技术方案；金卤灯、高压钠灯、高压汞灯虽属于高压气体放电，但依然需要高效率的阴极，所以也可使用本发明的技术方案提供的电极，并且本发明的技术方案为小功率陶瓷金卤灯进入家庭普通照明调光提供了目前技术条件下最优化的阴极。

具体来说，如紫外线灯在每次全球性的传染病流行时都会大量使用，但是紫外线灯是用石英玻管制成，排气时石英管需用煤氧火或氢氧火把对灯管直接烧烤到1000℃以上除气，灯还没有做成灯管内的电子粉就已经受损，所以，至今紫外线灯的设计寿命仅1000小时。如果改用本发明的技术方案提供的电极，可以抗住这种高温烧烤，使设计寿命达到3000~5000小时。再如小功率陶瓷金卤灯可以无汞，从理性的角度来分析，是盖过热门的LED，最具有潜质的未来光源，进入家庭普通照明调光使用也只是时间迟早的问题。但目前光效偏低，从节能来说VS传统CFL还没有形成替代优势。如Philips产品20W陶瓷金卤灯因所用阴极发射效率低，光效现在仅60lm/W，如改用本发明的技术方案提供的电极预计可以提高30％，达到80lm/W左右。这样便可以推进这一最具有潜质的未来光源加速成为当今绿色环保低碳照明的主力产品。

对于本领域技术人员来说明显的是，可在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行各种改变和变形。所描述的实施例仅用于说明本发明，而不是限制本发明。本发明并不限于所述实施例，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (18)

1.一种灯阴极结构，其中，阴极框架结构由钨丝或钨的合金丝绕制而成；在所述阴极框架结构上涂有电子粉，其特征在于：电子粉上烧结形成有氧化物陶瓷涂层。

2.如权利要求1所述的灯阴极结构，其中，绕制阴极框架结构的钨丝或钨的合金丝首先被绕制成双螺旋或多螺旋的灯丝，随后对双螺旋或多螺旋的灯丝进行绕制以形成几何形状为圆柱状、圆筒状、喇叭筒状、圆球状、椭球状、橄榄球状、蘑菇状、尖锥状或螺旋弹簧状的阴极框架。

3.如权利要求1所述的灯阴极结构，其中，阴极外径为φ0.5mm～φ5mm。

4.如权利要求1所述的灯阴极结构，其中，所述氧化物陶瓷是由二氧化锆ZrO₂、三氧化二铝Al₂O₃、添加剂和塑化剂充分混合构成的陶瓷粉浆经过浸涂或灌浆模压制成生胚，然后高温或高温高压烧结而成的。

5.如权利要求4所述的灯阴极结构，其中，在所述陶瓷粉浆中，二氧化锆ZrO₂的质量百分比为75％～99.5％，三氧化二铝Al₂O₃的质量百分比为0.1％-20％，所述添加剂的质量百分比为0.1％～15％，所述塑化剂的质量百分比为0.1％～8％。

6.如权利要求4所述的灯阴极结构，其中，所述添加剂为Ti₂O₃、MgO、MnO、Y₂O₃、CaO、W、氧化钍等原料中的一种或几种。

7.如权利要求4所述的灯阴极结构，其中，所述塑化剂为粘接剂、增塑剂和溶剂。

8.如权利要求7所述的灯阴极结构，其中，粘接剂选自石蜡、聚氧化乙烯和火棉，增塑剂选自甘油、草酸和黏土，溶剂选自去离子水、无水乙醇、丙酮、醋酸乙酯和醋酸丁酯。

9.如权利要求1所述的灯阴极结构，其中，所述灯阴极结构被用作荧光灯阴极结构。

10.如权利要求1所述的灯阴极结构，其中，所述氧化物陶瓷 层的厚度为10nm～100μm。

11.如权利要求9所述的灯阴极结构，其中，所述荧光灯阴极为热阴极。

12.如权利要求2所述的灯阴极结构，其中，绕制而成的螺旋弹簧状阴极框架结构具有单丝双螺旋、单丝三螺旋、缆索式三螺旋或主辅丝三螺旋结构。

13.如权利要求1所述的灯阴极结构，其中，所述电子粉是三元碳酸盐。

14.一种气体放电灯，其采用了如权利要求1至11之一所述的灯阴极结构。

15.一种气体放电灯系统，其具有对气体放电灯进行控制的控制装置，其特征在于所述气体放电灯系统采用了如权利要求15所述的气体放电灯。

16.如权利要求15所述的荧光灯系统，其中所述控制装置包括对所述气体放电灯进行调光的调光装置。

17.一种制造如权利要求1至11之一所述的灯阴极结构的方法，其中在灯阴极上涂覆了电子粉，其特征在于所述方法包括在电子粉的表面上烧结氧化物陶瓷的步骤。

18.如权利要求17所述的方法，其中，通过将由二氧化锆、三氧化二铝、添加剂和塑化剂所构成的陶瓷粉浆经过高温高压烧结来形成所述氧化物陶瓷。 

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