CN1195420A - 陶瓷阴极放电灯 - Google Patents

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浜田宗光
武石明
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Abstract

一种通过一对陶瓷阴极之间的交变电压产生的放电而发射光的常寿命荧光灯。该灯用选自氩、氖、氪、氙和它们的混合物的气体实行密封,其密封气压在10乇至170乇之间的范围内。

Description

陶瓷阴极放电灯
本发明涉及作为液晶显示装置中底光的小尺寸荧光放电灯,和/或在传真机或扫描仪中用于阅读的光源。
近来,由于低功耗、小尺寸和轻重量,液晶显示装置(LCD)发展得很快。因此小尺寸荧光放电灯发展成为液晶显示的光源。类似地,由于它与白炽灯比较功耗低和寿命长,所以适用于白炽灯插座的荧光灯发展起来。
荧光灯分为使用热电子发射的电弧放电的热阴极荧光放电灯和使用二次电子发射的辉光放电的冷阴极荧光放电灯。热阴极荧光放电灯具有比冷阴极荧光放电灯低的阴极压降和高的输入功率光效率。此外,由于热电子发射,与冷阴极放电灯对比而言,前者具有较高亮度。因此,热电子放电灯适于用作提供大量光通量的光源,例如大型屏幕液晶显示装置中用作底光的光源,状如白炽灯的荧光灯,在传真机和扫描仪中供阅读用的光源。在现有技术热阴极灯中,已知的有一种荧光灯,其阴极是钨(W)丝圈涂上一部分过渡金属和包括钡在内的碱土金属(公开的日本专利59-75553),及其阴极具有用包括铝化钡在内的电子发射材料浸渍的多孔钨(公开的日本专利63-24539)。
由于液晶显示装置小而薄,所以灯本身必须薄。但是,在热阴极灯中预热是重要的,因此难于实现像冷阴极灯那样的薄结构。但公开的日本专利4-73858中所示的没有预热的薄结构的缺点是寿命短。
此外,由于放电运行中产生的汞离子和/或氩离子与阴极和溅射电子发射材料碰撞而出现的离子溅射,阴极受到损伤。因此在放电运行中电子发射材料消耗掉,不可能在长时间内获得稳定电弧。此外,溅射电子发射材料沾附在管子的内表面,使管子变黑,从而使光通量很快地减少。
本发明人曾提出过一种荧光灯,它具有日本专利公开6-103627中的陶瓷阴极,一个薄管和高亮度热阴极荧光灯,该灯通过防止在公开的日本专利2-186550中的陶瓷阴极材料的溅射和蒸发而具有延长的寿命,该灯的陶瓷阴极中如公开的日本专利4-43546和6-267404中那样在起始时间内容易从辉光放电过渡到电弧放电。
这些热阴极电灯的优点是容易从辉光放电过渡到电弧放电,寿命长,但它仍不能满足5-6千小时寿命的要求。
在这些现有技术的具有陶瓷阴极、内径为2.0mm、充以5乇压力氩气的荧光灯中,当灯电流为15mA时平均寿命短至约1,000小时。
本发明的一个目的是提供一种荧光放电灯,其具有陶瓷阴极,自起始时间至寿命终结的长时间内具有优质放电起动特性,薄管结构,高亮度和长寿命。
为达到以上目的,本发明提供一种荧光放电灯,其具有稀有气体氩、氖、氪或氙或它们的混合物在封装压力10-170乇下的陶瓷阴极。
所述陶瓷阴极最好包含第一成分、第二成分和第三成分;其中第一成分包括钡、锶和钙中至少一种,分别为氧化钡、氧化锶和氧化钙的形式和x克分子比的量;第二成分包括锆和钛中至少一种,分别为二氧化锆和二氧化钛的形式和y克分子比的量;及第三成分包括钽和铌中至少一种,分别为(1/2)(Ta2O5)和(1/2)(Nb2O5)的形式和z克分子的量;其中0.8≤x/(y+z)≤2.0,0.05≤y≤0.6,及0.4≤z≤0.95,以及所述阴极具有粒状颗粒的形式,颗粒表面具有钽或铌的碳化物和氮化物中至少一种,其直径为20μm-300μm,安装于导电外壳内。
本荧光放电灯具有如下优点:即使在灯的内径小和运行温度高的情况下,电子发射材料也不会飞溅或挥发;自起始时间至寿命终结时间内具有优良放电起始特性;高亮度;及长寿命。
图1A显示使用本发明的放电灯的结构,
图1B显示其中目前的放电灯用作液晶显示装置中的底光的系统结构,
图1C和1D显示本发明的放电灯两端的放大视图,
图1E显示具有多孔聚集形式的陶瓷阴极安装电子发射材料的结构,
图2至14显示灯的封装压力和寿命和亮度间的关系的实验结果。
图15显示氩的封装压力和电弧放电寿命间的关系,
图16显示氩的封装压力和灯表面亮度间的关系,
图17显示灯电流和电弧放电寿命间的关系,
图18显示电子发射材料和一个陶瓷阴极的生产步骤,以及
图19显示陶瓷阴极中粒状颗粒的平均直径与灯的寿命t1间的关系。
1.放电灯的一般说明
图1A至1E显示一种使用本发明的放电灯。
图1A显示一个放电灯30,它具有一个细长的灯泡4,其两端各有一个陶瓷电极1。阴极1通过一条引线自外部电路接收交变电压(例如30KHz),然后灯泡中的稀有气体离子轰击陶瓷阴极(粒状颗粒)以产生热量和发射热电子,从而在放电空间50中产生放电及使涂于灯泡4内的荧光物质发光。发出的光107通过灯泡4的壁射出。
图1B显示图1A的放电灯用作液晶显示装置的底光时的结构。
灯30有一反光器104。灯30的光进入光导105,该光导105具有一个将光反射向图中上方的反光器106。所反射的光由分布器108加以均匀分布,从而产生输出光110。输出光110用于照明液晶显示装置的后面。
图1B显示的情况是在光导的一端有一盏灯。另一可选方案是在光导的两端都各有一盏灯。
图1C和1D显示放电灯两端中一端的放大视图,及图1E显示陶瓷阴极1的放大视图,该阴极1具有一个有底的圆柱形阴极外壳2,其中含有聚集多孔物质3。在这些图中,数字4是一个由细长的玻璃管制成的灯泡。管的内表面用荧光物质涂上。一条导电引线9连至灯泡4的端部。
引线9具有一个扩大的空间10,由伸向放电空间的导电管6所包围。导电管6具有一个陶瓷阴极1,所述陶瓷阴极1的开口部分面向放电空间。因此陶瓷阴极1通过导电管6固定至引线9上。此外,在导电管6中有一个放置于所述扩大空间10和所述陶瓷阴极1之间的具有汞释放器8的金属管7。
导电管6中的汞释放器8具有众多缝隙或开口11以使汞释放器8中的汞蒸气通过所述开口11进入放电空间。
带底的圆柱形电极外壳2最好由与陶瓷阴极中电子发射材料相近的材料制成,以便电子发射材料与电极外壳2紧密接触。
电极外壳2的尺寸例如是内径0.9mm,外径1.4mm和长度2.0mm,或者内径1.5mm,外径2.3mm和长度2.0mm。
灯泡4充以氩气,气压约为70乇以供灯起弧。
2.放电气体和压力
表1至13显示当氩、氖、氪、氙或这些气体的混合物用于将灯起动放电时在每一种气体压力下电弧放电寿命和灯表面亮度的实验结果。
实验所用灯的外径为4mm、内径为3mm、长度为100mm,使用其色品度为x=0.3和y=0.3的三种波长型荧光物质。该陶瓷阴极具有的导电外壳的内径为1.5mm,外径为2.3mm,长度为2.0mm,内充以电子发射材料。
实验中所用电子发射材料是将在下面描述的表14中的样品18。
实验中的电源为30KHz和80伏的交变电压,而灯电流为30mA。
表1至4和图2至5所显示的例子中所用气体为:
纯氩,
纯氖,
纯氪,
纯氙。
表5至10和图6至11所显示的例子中所用气体为:
氩(50%)和氖(50%)的混合物,
氩(50%)和氪(50%)的混合物,
氩(50%)和氙(50%)的混合物,
氖(50%)和氪(50%)的混合物,
氖(50%)和氙(50%)的混合物,
氪(50%)和氙(50%)的混合物。
表11至13和图12至14所显示的例子中所用气体为:
氩(90%)和氖(10%)的混合物,
氩(10%)和氖(90%)的混合物,
氩(40%)和氖(20%)和氪(20%)和氙(20%)的混合物。
实验中的气压为5,10,20,30,50,70,90,110,130,150,170和200乇。
表1至13中的信息分别示于图2至14中。在这些图中横轴显示气压(乇),及纵轴显示灯的寿命(小时)或亮度(cd/m2)。
                     表1纯氩Ar样品号  气压(Torr)    寿命(小时)    亮度(cd/m2)*1          5          *1500         380002          10           4200          390003          20           6200          400004          30           7000          415005          50           7700          430006          70           8500          450007          90           8200          460008          110          8100          455009          130          7800          4350010         150          7500          4180011         170          7400          4090012         200          6600         *36900
                    表2纯氖Ne样品号    气压(Torr)  寿命(小时)    亮度(cd/m2)*13         5           *800        *3550014         10           3500          3800015         20           4200          3850016         30           5200          3920017         50           5700          3990018         70           6500          4110019         90           6600          4200020         110          6400          3950021         130          6200          3870022         150          6000          3850023         170          5700          3810024         200          4200         *34500
               表3纯氪Kr样品号  气压(Torr)  寿命(小时)    亮度(cd/m2)*25         5         *1000        3820026         10          4000         3900027         20          5500         4000028         30          6200         4180029         50          7000         4400030         70          8100         4500031         90          8000         4350032         110         7700         4250033         130         7500         4200034         150         7300         4120035         170         7000         40000*36        200         5100        *36000
               表4纯氙Xe样品号   气压(Torr)  寿命(小时)    亮度(cd/m2)*37         5         *1600        3850038         10          3800         3930039         20          5800         4080040         30          6500         4260041         50          7500         4450042         70          7700         4450043         90          7400         4300044         110         7100         4250045         130         7000         4200046         150         6700         4120047         170         6600         40500*48        200         4900        *37100
                表5氩Ar(50%)和氖Ne(50%)样品号  气压(Torr)  寿命(小时)  亮度(cd/m2)*49       5         *1200      *3600050       10          3900        3900051       20          5700        3950052       30          6500        4020053       50          7500        4100054       70          8300        4200055       90          8000        4150056       110         7800        4050057       130         7600        4000058       150         7400        3880059       170         7200        38300*60      200         6700       *36300
                 表6氩Ar(50%)和氪Kr(50%)样品号  气压(Torr) 寿命(小时)  亮度(cd/m2)*61       5        *1300       3850062       10         4100        3930063       20         5900        4120064       30         6800        4210065       50         7500        4350066       70         7600        4180067       90         7500        4120068       110        7300        3980069       130        7200        3950070       150        7100        3930071       170        6900        38700*72      200        6000       *37400
                 表7氩Ar(50%)和氙Xe(50%)样品号  气压(Torr)  寿命(小时)  亮度(cd/m2)*73       5         *1800      3850074       10          4300       3900075       20          6500       4050076       30          7200       4180077       50          7800       4300078       70          7400       4250079       90          7500       4200080       110         7200       4170081       130         7200       4150082       150         7100       4080083       170         7000       40000*84      200         6300      *37500
              表8氖Ne(50%)和氪Kr(50%)样品号  气压(Torr) 寿命(小时)  亮度(cd/m2)*85      5         *1300      *3690086      10          3200        3950087      20          4200        4100088      30          4800        4200089      50          5700        4320090      70          6900        4330091      90          7800        4300092      110         7700        4220093      130         7200        4110094      150         6900        3980095      170         6600        38800*96     200         6200       *36900
                表9氖Ne(50%)和氙Xe(50%)样品号   气压(Torr)   寿命(小时)  亮度(cd/m2)*97         5         *1700       *3720098         10          3700         3900099         20          4800         41500100        30          5450         42000101        50          6200         42800102        70          7600         42900103        90          7500         42600104        110         7200         42000105        130         6900         41400106        150         6800         40300107        170         6400         38900*108       200         5900        *36800
                  表10氪Kr(50%)和氙Xe(50%)样品号   气压(Torr) 寿命(小时)  亮度(cd/m2)*109        5         *1400       *37200110        10          3600         38200111        20          4900         40800112        30          5700         42100113        50          6900         43500114        70          7800         43400115        90          7700         42300116        110         7500         41500117        130         7100         40700118        150         6600         39800119        170         6200         39000*120       200         5200        *37200
               表11氩Ar(90%)和氖Ne(10%)样品号  气压(Torr)   寿命(小时)    亮度(cd/m2)*121        5        *1300         *37500122        10         4000           38600123        20         5000           40700124        30         6100           42200125        50         7500           43500126        70         8400           45000127        90         8200           44500128        110        8000           44000129        130        7700           43500130        150        7400           42000131        170        7200           41000*132       200        6000          *37500
                 表12氩Ar(10%)和氖Ne(90%)样品号   气压(Torr)  寿命(小时)  亮度(cd/m2)*133        5        *900        *35500134        10         3200         38100135        20         4200         38400136        30         5250         39500137        50         5850         40900138        70         6700         42200139        90         6900         42000140        110        6500         41000141        130        6400         40000142        150        6200         38700143        170        5900         38000*144       200        4200        *36900
                    表13氩Ar(40%),氖Ne(20%),氪Kr(20%)和氙Xe(20%)样品号   气压(Torr)  寿命(小时)  亮度(cd/m2)*145        5        *1600       *38500146        10         3900         39100147        20         5200         40300148        30         6500         41500149        50         8000         43200150        70         7900         43000151        90         7500         42500152        110        7500         42000153        130        7300         41700154        150        7000         41300155        170        6900         40800*156       200        6300        *37800
在这些表中,带有符号(*)的样品不在本发明范围之内,及带有符号(*)的数据也不包括在本发明范围之内。
电弧放电寿命定义为灯不能保持电弧放电而转变为辉光放电之前灯在上述条件下连续放电的时间,灯表面亮度以cd/m2表示,这是单位强度。
本发明的数字限制为:电弧放电寿命长于2000小时及亮度高于38000cd/m2。因此其电弧放电寿命小于2000小时或其亮度小于38000cd/m2的样品不在本发明范围之内。
因此,当氩是100%(纯氩)时,由于其电弧放电寿命的原因,样品1(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品12(气压为200乇)不在本发明范围内。
当氖是100%时,由于其电弧放电寿命和亮度的原因,样品13(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品24(气压为200乇)不在本发明范围内。
当氪是100%时,由于其电弧放电寿命的原因,样品25(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品36(气压为200乇)不在本发明范围内。
当氙是100%时,由于其电弧放电寿命的原因,样品37(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品48(200乇)不在本发明范围内。
对氩(50%)和氖(50%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命和亮度的原因,样品49(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品60(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氩(50%)和氪(50%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命的原因,样品61(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品72(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氩(50%)和氙(50%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命的原因,样品73(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品84(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氖(50%)和氪(50%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命和亮度的原因,样品85(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品96(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氖(50%)和氙(50%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命和亮度的原因,样品97(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品108(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氪(50%)和氙(50%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命和亮度的原因,样品109(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品120(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氩(90%)和氖(10%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命和亮度的原因,样品121(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品132(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氩(10%)和氖(90%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命的原因,样品133(气压为5乇)不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品144(气压为200乇)不在本发明范围内。
对氩(40%),氖(20%),氪(20%)和氙(20%)的混合物而言,由于其电弧放电寿命的原因,样品145不在本发明范围内,及由于其亮度的原因,样品156(气压为200乇)不在本发明范围内。
气压范围为10乇至170乇的其它样品都在本发明范围内。
本发明的效果描述于图15至图17,其中氩用作灯的放电起始气体。
图15显示氩气密封气压(乇)与电弧放电寿命之间的关系曲线,其中密封气压用横轴表示,其范围为5乇至200乇(曲线(a))。图15中的虚线(b)显示的关系曲线是当钨(W)灯丝用作荧光放电灯中阴极时的情况。
图16显示在横轴上表示的氩气密封气压(乇)与表面亮度的关系曲线。
图17显示当氩气密封气压保持为90乇时灯电流(横轴)与电弧放电寿命的关系曲线。
如图17中所示,当灯电流处于10mA至50mA的范围内时,电弧放电寿命长于7000小时。相反,当如图17中虚线曲线所示,阴极由钨丝制成时,电弧放电寿命较短,它在灯电流30mA时为4000小时,在灯电流20mA时为6000小时,只在灯电流10mA时才和本发明相同。
3.陶瓷阴极的结构
图18中描述了陶瓷阴极的生产步骤,生产步骤本身与普通陶瓷的生产步骤相同。
要准备如下起始材料。
(1)第一成分包括以钡、锶和钙的碳酸盐形式出现的BaCO3、SrCO3和CaCO3
(2)第二成分包括锆和钛的氧化物ZrO2和TiO2
(3)第三成分包括钽和铌的氧化物Ta2O5和Nb2O5
上述元素的其它氧化物、碳酸盐、和/或草酸盐也可使用。
(4)所述起始材料(1)、(2)和(3)按预定混合比例称重量。
(5)这些称过的起始材料用球磨、研磨或共沉淀的方法混合起来。接着通过热干燥过程或冷冻干燥过程使它们干燥。
(6)这些混合的材料在800℃-1300℃温度下焙烧,可用粉状材料也可用成形材料进行焙烧。
(7)焙烧的材料用球磨机研成细粉。
(8)所述细粉使用水溶液加工成粒状颗粒,所用水溶液包括例如聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙二醇(PEG)、或聚乙烯氧化物(PEO)那样的有机粘合剂。例如,可通过喷射干燥法,挤压颗粒法,旋转颗粒法,或砂浆/捣锤法实现该过程,当然,制做粒状颗粒的过程不限于上述方法。
(9)将加工成的粒状颗粒在不加压情况下填入具有一个底的圆柱表电极外壳,该外壳由类似于Ba(Zr,Ta)O3的半导体陶瓷制成,它具有高熔点并能经受溅射。
(10)填充了粒状颗粒的电极外壳在1400℃-2000℃温度下烧结。烧结操作时的周围气体为如氩或一氧化碳的还原性气体,如氩或氮的惰性气体,或者还原性气体和惰性气体的混合物。在电子发射表面有碳覆盖时,最好用如氩或一氧化碳的还原性气体。
(11)作为烧结操作的结果,获得图1E中所示陶瓷阴极1,它的带底的圆柱形电极外壳内具有Ba(Zr,Ta)O3的聚集型多孔结构3。
如烧结温度低于1400℃,则不会产生钽和铌的碳酸盐、氮化物和氧化物中的一种的导电面或半导电面。如烧结温度高于2000℃,则电子发射材料不能保持如图1E所示的粒状颗粒。
因此,烧结温度最好在1400℃至2000℃的范围内。
上面叙述中的聚集型多孔结构定义为通过烧结和固化过程形成的其中固体颗粒在接触点上相互接触的多孔结构,例如烧结金属或高温耐热砖那样。
可以通过真空蒸发过程将一层导电层和半导电层涂覆在烧结的聚集型多孔结构的表面上。
在上述过程中,通过在还原气氛下的烧结操作或真空蒸发操作,在聚集型多孔结构的表面上形成由钽和铌的碳酸盐、氮化物和氧化物中的至少一种所制成的导电层或半导电层。
电子发射材料表面上产生的物相包括钽和铌的碳酸盐、氮化物和氧化物中的至少一种,或者另一替代方案是,它可以是这些元素的固体溶解物。
根据本发明,电子发射材料包括直径范围为20μm至300μm,其表面用钽和铌的碳酸盐和氮化物中至少一种涂覆的粒状颗粒,所述颗粒包括第一成分、第二成分和第三成分;其中第一成分具有钡、锶和钙中至少一种,分别为氧化钡、氧化锶和氧化钙的形式和x克分子比的量;第二成分具有锆和钛中至少一种,分别为二氧化锆和二氧化钛的形式和y克分子比的量;及第三成分具有钽和铌中至少一种、分别为(1/2)(Ta2O5)和(1/2)(Nb2O5)的形式和z克分子比的量,其中满足以下条件:0.8≤x/(y+z)≤2.0,0.05≤y≤0.6,及0.4≤z≤0.95。(涉及陶瓷阴极成分的实验)
起始材料为BaCO3,SrCO3,CaCO3,ZrO2,TiO2,Ta2O5和Nb2O5。这些起始材料按预定比例称重量,并在20小时内通过球磨进行湿混合。然后该产物在80-130℃下干燥,并在约100MPa的成形压力下成形。其次,在大气压力下和800-1300℃温度下焙烧两小时。所得颗粒用球磨精细研磨20小时,在80-130℃下干燥,然后加进包含聚乙烯醇的水溶液以便使用杵和白生产粒状颗粒。如此获得的粒状颗粒用筛子加以分类,以获取平均直径约90μm的颗粒。接着由Ba-Ta-Zr-O的组的材料制成的带底圆柱形陶瓷外壳中在不加压情况下填入如此获得的粒状颗粒,及将碳粉加入所述外壳。最后,带有颗粒的外壳在氮气流环境中烧结,从而获得具有表14至表17中所示成分的陶瓷阴极。
因此产生了使用陶瓷阴极的荧光灯,及对一盏灯进行连续点燃试验。
下面对荧光灯的连续点燃试验进行评价。当荧光灯用作液晶显示装置中的底光光源时,不论它是直接在下型还是边缘照明型,灯壁温度最好低于90℃。当温度超过90℃时,包括反光器、配光器、光导的底光元件很快地变坏,因此这情况不实用。
因此灯电压和所耗功率随点灯小时增长而增长,所以荧光灯的壁面温度也随点灯小时增长而增长。壁面温度到达90℃的时刻t1被测量以用作灯寿命的判别准则,以供连续点燃试验评价用。
用如下方式测量灯的壁面温工。我们先使用一个红外辐射型温度记录计测量灯的温度分布,发现灯管端部附近温度最高。因此将一个K热电偶直接固定在灯管端附近的部分12上面(图1C),并在温度保持在25℃的房间内测量灯的壁面温度。
连续点燃试验情况如下。
灯长度:100mm
灯外部直径:3mmφ
灯电流:15mA
变流器:30Khz(无预热电路)
                             表14
样品号        样品成分
            (克分子比)         t1     备注
       BaO  ZrO2(1/2)Ta2O5(小时)
*1     0.5   0.5    0.5       900     发射材料不足
*2     0.7   0.05   0.95      1000    发射材料不足
*3     0.7   0.1    0.9       1200    发射材料不足
*4     0.7   0.2    0.8       1400    发射材料不足
*5     0.7   0.4    0.6       1200    发射材料不足
*6     0.7   0.6    0.4       1200    发射材料不足
*7     0.8   0.025  0.975     700     颗粒被破坏
 8     0.8   0.05   0.95      2900
 9     0.8   0.1    0.9       3100
 10    0.8   0.4    0.6       2900
 11    0.8   0.6    0.4       2700
*12    0.8   0.8    0.2       900     无碳酸盐,无氮化物
 13    0.9   0.1    0.9       4100
 14    0.9   0.4    0.6       3900
*15    1     0.025  0.975     500     颗粒被破坏
 16    1     0.05   0.95      3200
 17    1     0.1    0.9       4300
 18    1     0.2    0.8       5000
 19    1     0.3    0.7       4500
 20    1     0.4    0.6       4200
*21    1     0.7    0.3       1500    无碳酸盐,无氮化物
*22    1     0.8    0.2       1200    无碳酸盐,无氮化物
*23    1     0.95   0.05      300     无碳酸盐,无氮化物
 24    1.2   0.1    0.9       4100
 25    1.2   0.2    0.8       4400
*26    1.2   0.625  0.375     1500    无碳酸盐,无氮化物
*27    1.4   0.025  0.975     500     颗粒被破坏
 28    1.4   0.1    0.9       3900
 29    1.4   0.2    0.8       4800
 30    1.4   0.3    0.7       4400
 31    1.5   0.1    0.9       4000
 32    1.5   0.4    0.6       3800
*33    1.6   0.025  0.975     600     颗粒被破坏 34    1.6   0.05  0.95   270035    1.6   0.1   0.9    350036    1.6   0.4   0.6    360037    1.6   0.6   0.4    290038    1.7   0.5   0.5    2600*39    1.7   0.9   0.1    300     无碳酸盐,无氮化物*40    2     0.025 0.975  300     颗粒被破坏41    2     0.05  0.95   210042    2     0.2   0.8    260043    2     0.4   0.6    250044    2     0.6   0.4    2100*45    2.5   0.1   0.9    2400    管壁变黑*46    2.5   0.4   0.6    300     管壁变黑
*样品不在本发明范围内
t1=在连续点燃试验中管壁温度到达90℃的时刻
当管壁严重变黑时,亮度减低,则该灯不能使用。
                    表15样品号        样品成分
          (克分子比)                t1    备注
 BaO   SrO CaO  ZrO2(1/2)(Ta2O5)(小时)*47   0      0.7     0     0.1   0.9   1300    发射不足*48   0      0       0.7   0.1   0.9   1100    发射不足*49   0.233  0.233   0.233 0.1   0.9   1000    发射不足50   0      0.8     0     0.05  0.95  240051   0      0.8     0     0.6   0.4   250052   0      0       0.8   0.05  0.95  240053   0      0       0.8   0.6   0.4   240054   0.267  0.267   0.267 0.05  0.95  310055   0.267  0.267   0.267 0.6   0.4   300056   0      0.9     0     0.1   0.9   410057   0      0.9     0     0.4   0.6   390058   0      0       0.9   0.1   0.9   370059   0      0       0.9   0.4   0.6   360060   0.3    0.3     0.3   0.1   0.9   380061   0.3    0.3     0.3   0.4   0.6   420062   0      1       0     0.2   0.8   5000*63   0      1       0     0.95  0.05  200     无碳酸盐,无氮化物64   0      0       1     0.2   0.8   5000*65   0      0       1     0.95  0.05  300     无碳酸盐,无氮化物66   0.333  0.333   0.333 0.2   0.8   5000*67   0.333  0.333   0.333 0.95  0.05  20      无碳酸盐,无氮化物68   0      1.5     0     0.1   0.9   410069   0      1.5     0     0.4   0.6   370070   0      0       1.5   0.1   0.9   350071   0      0       1.5   0.4   0.6   370072   0.5    0.5     0.5   0.1   0.9   450073   0.5    0.5     0.5   0.4   0.6   3700*74   0      1.6     0     0.025 0.975 500     颗粒被破坏75   0      1.6     0     0.05  0.95  260076   0      1.6     0     0.6   0.4   2600*77   0       0      1.6    0.025  0.975 500   颗粒被破坏78   0       0      1.6    0.05   0.95  270079   0       0      1.6    0.6    0.4   2500*80   0.533   0.533  0.533  0.025  0.975 800   颗粒被破坏82   0.533   0.533  0.533  0.05   0.95  250082   0.533   0.533  0.533  0.6    0.4   3200*83   0       2.5    0      0.1    0.9   2200  管壁变黑*84   0       0      2.5    0.1    0.9   2200  管壁变黑*85   0.833   0.833  0.833  0.1    0.9   2300  管壁变黑
*样品不在本发明范围内
t1=连续点燃试验中管壁温度到达90℃的时刻
当管壁严重变黑时,亮度减低,则该灯不能使用。
                表16样品号        样品成分
          (克分子比)              t1    备注
  BaO   ZrO2 TiO2(1/2)(Ta2O5)(小时)*86   0.7   0.05   0.05     0.9      1500   发射不足87   0.8   0.025  0.025    0.95     230088   0.8   0.3    0.3      0.4      230089   0.9   0.05   0.05     0.9      370090   0.9   0.2    0.2      0.6      380091   1     0.1    0.1      0.8      5000*92   1     0.475  0.475    0.05     50     无碳酸盐,无氮化物93   1.5   0.05   0.05     0.9      400094   1.5   0.2    0.2      0.6      4200*95   1.6   0.013  0.013    0.974    120    颗粒被破坏96   1.6   0.025  0.025    0.95     220097   1.6   0.3    0.3      0.4      2200*98   2.5   0.05   0.05     0.9      1800   管壁变黑
                  表17样品号        样品成分
         (克分子比)          t1(小时) 备注
 BaO ZrO2(1/2)(Ta2O5)(1/2)(Nb2O5)*99  0.7  0.1   0           0.9      1300   发射不足*100 0.7  0.1   0.45        0.45     1200   发射不足101 0.8  0.05  0           0.95     2300102 0.8  0.6   0           0.4      2400103 0.8  0.05  0.425       0.425    2700104 0.8  0.6   0.2         0.2      2500105 0.9  0.1   0           0.9      3700106 0.9  0.4   0           0.6      3500107 0.9  0.1   0.45        0.45     4000108 0.9  0.4   0.3         0.3      4200109 1    0.2   0           0.8      4900110 1    0.2   0.4         0.4      5000*111 1    0.95  0           0.05     120    无碳酸盐,无氮化物*112 1    0.95  0.025       0.025    100    无碳酸盐,无氮化物113 1.5  0.1   0           0.9      3500114 1.5  0.1   0.45        0.45     4300115 1.5  0.4   0           0.6      3600116 1.5  0.4   0.3         0.3      4000*117 1.6  0.025 0           0.975    400    颗粒被破坏*118 1.6  0.025 0.478       0.4875   700    颗粒被破坏119 1.6  0.05  0           0.95     2300120 1.6  0.05  0.425       0.425    2900121 1.6  0.6   0           0.4      2400122 1.6  0.6   0.2         0.2      2800*123 2.5  0.1   0           0.9      2000   管壁变黑*124 2.5  0.1   0.45        0.45     2000   管壁变黑
t1=连续点燃试验中管壁温度到达90℃的时刻
当管壁严重变黑时,亮度减低,则该灯不能使用。
样品12、21、22、23、26、39、63、65、67、92、111和112的寿命t1小于1500小时。我们用微区域x射线衍射分析仪和SEM(扫描电子显微镜)观察这些样品的陶瓷阴极表面,发现没有钽和铌的碳酸盐或氮化物的物相。因此,假定陶瓷阴极材料被离子溅射很快地弄坏了。由于这些样品的寿命t1短,所以它们不适于实际应用。
样品7、15、27、33、40、74、77、80、95、117和118的寿命t1小于800小时。这些样品不能通过在还原气氛下的烧结保持颗粒状态,因此,没有储存热量用于形成弧点。放电是不稳定的,这些样品寿命t1短,因此不实用。
样品1、2、3、4、5、6、47、48、49、86、99和100具有短寿命t1,因为它们缺少电子发射材料BaO、SrO、和/或CaO,因此不实用。此外,样品45、46、83、84、85、98、123和124的缺点是管壁变黑以致表面亮度减低和光通量减低。因此这些样品不实用。
至于样品8-11、13、14、16-20、24、25、28-32、34-38、41-44、50-62、64、66、68-73、75、76、78、79、81、82、87-91、93、94、96、97、101-110、113-116和119-122,我们用微区域x射线衍射分析仪和SEM观察陶瓷阴极表面,观察到钽和铌的碳酸盐和氮化物中至少一种。同时观察到这些样品的阴极材料保持颗粒状态。
因此,样品8-11、13、14、16-20、24、25、28-32、34-38、41-44、50-62、64、66、68-73、75、76、78、79、81、82、87-91、93、94、96、97、101-110、113-116和119-122保持颗粒状态和在通过在还原气氛下烧结所形成的阴极表面上形成了钽和铌的碳酸盐和氮化物中的一种。同时寿命t1长于2100小时,而且管壁不变黑。因此这些样品适合于用作陶瓷阴极。(管电流和平均颗粒直径的关系)
生产一个使用根据本发明的阴极的荧光灯,并在管电流和平均颗粒直径的不同参数下观察一系列形成电弧点的颗粒。其结果示于表18中。用于试验的样品是表14中的样品18。使用Keyence公司制造的Hyper显微镜将颗粒数计数。
当形成电弧点的颗粒数为1时,这意味着电弧点尺寸近似地与平均颗粒直径符合,电弧点不移动,这是最稳定的。用于保持稳定电弧放电的管电流在5mA-500mA范围内。在表18中发现,当平均颗粒直径在20μm至300μm范围内时,形成稳定电弧点,放电持续很长时间。当管电流如上描述而平均颗粒直径小于20μm时,电弧点很快地移动,同时放电不稳定,以及当平均颗粒直径大于300μm时,没有足够的用于获得热电子发射所需热量,因此它趋向于转变为辉光放电。在表18中,不稳定放电定义为五分钟内电弧点移动,稳定放电定义为至少10小时内电弧点不稳定,以及辉光放电定义为没有形成电弧点,但整个阴极都放电。
                      表18
                        管电流(mA)
                 5.0        15          30          50          100          300        500平均颗粒直径  10    不稳定      不稳定      不稳定      不稳定      不稳定      不稳定      不稳定(μm)      20    3-4         不稳定      不稳定      不稳定      不稳定      不稳定      不稳定
          30    1-2         2-3         3-4         不稳定      不稳定      不稳定      不稳定
          50    1(稳定)     1-2         3-4         不稳定      不稳定      不稳定      不稳定
          70    一部分颗粒  1(稳定)     1-2         2-3         3-4         不稳定      不稳定
          100   一部分颗粒  一部分颗粒  1(稳定)     1-2         3-4         3-4         不稳定
          150   辉光放电    一部分颗粒  一部分颗粒  1(稳定)     1-2         2-3         2-3
          200   辉光放电    辉光放电    一部分颗粒  一部分颗粒  1(稳定)     1-2         1-2
          300   辉光放电    辉光放电    辉光放电    辉光放电    一部分颗粒  1(稳定)     1(稳定)
          500   辉光放电    辉光放电    辉光放电    辉光放电    辉光放电    一部分颗粒  一部分颗粒
不稳定:电弧点在五分钟内移动
稳定:电弧点在至少10小时内不移动
辉光放电:不生成电弧点,但整个电极都放电(平均颗粒直径与灯寿命的关系)
图19显示具有表14中样品18的阴极的荧光灯用于试验时,平均颗粒直径与灯寿命t1的关系,其连续试验条件与以前相同。图19中,当管电流为15mA和平均颗粒直径为70μm时,寿命t1最大。自表18可明显地看出,当管电流为15mA和平均颗粒直径为70μm时,电弧点最为稳定。当电弧点稳定时,管壁温度不升高,稳定电弧放电能长时间保持。
如上所述,当根据管电流选择颗粒直径而决定荧光灯的阴极材料时,管壁不变黑和无温升,稳定电弧放电能长时间保持。
如上所述,在具有陶瓷阴极的荧光灯中保持密封气压在10乇至170乇间,可获得具有高亮度和长寿命的荧光灯。
此外,根据本发明的用于荧光灯的阴极使管壁较少变黑,管壁无温升,及稳定电弧放电长时间保持。当根据灯管电流选择颗粒直径时,可有效地获得热电子,电弧点较少移动,因此获得稳定电弧放电。

Claims (4)

1.一种陶瓷阴极荧光放电灯,
包括:
一个在其内表面上涂覆荧光体的灯泡,
一个陶瓷阴极,具有一个包括导电氧化物的聚集型多孔结构的电子发射材料的带底的圆柱形外壳,所述导电氧化物具有包括钡、锶和钙中至少一种的第一成分,包括锆和钛中至少一种的第二成分,和钽和铌中至少一种的第三成分,表面上涂覆着钽或铌的碳酸盐、氮化物和氧化物中至少一种的导电或半导电层,
密封在所述灯泡中的稀有气体,以及
所述稀有气体的密封气压在10乇至170乇的范围内。
2.根据权利要求1的陶瓷阴极荧光放电灯,其中所述稀有气体是选自纯氖气、纯氩气、纯氪气、纯氙气和所述气体的混合物中的一种。
3.根据权利要求1的陶瓷阴极荧光放电灯,其中少量汞包含在所述灯泡中。
4.根据权利要求1的陶瓷阴极荧光放电灯,其中所述陶瓷阴极具有第一成分,第二成分和第三成分,所述第一成分包括钡、锶和钙中至少一种、分别为BaO、SrO和CaO的形式和x克分子比,所述第二成分包括锆和钛中至少一种,分别为ZrO2和TiO2的形式和y克分子比,所述第三成分包括钽和铌中至少一种,分别为(1/2)(Ta2O5)和(1/2)(Nb2O5)的形式和z克分子比,使之满足0.8≤x/(y+z)≤2.0,0.05≤y≤0.6和0.4≤z≤0.95的关系,所述陶瓷阴极具有其直径在20μm至300μm范围内和由钽和铌的碳酸盐和氮化物中至少一种形成表面的粒状颗粒,及所述陶瓷阴极安装于导电外壳内。
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