CN1219283A - 用于气体放电的冷电极 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有导电载体材料(1)的用于气体放电的冷电极,其中在载体材料(1)上沉积有发射涂层(3),发射涂层(3)的材料的光电逸出功比载体材料(1)的光电逸出功低,或者低于5.6×10-19焦耳/电子。发射涂层(3)特别地包含钇。电极优选是中空体的形式并且可被包围在玻璃体(8)中。

Description

用于气体放电的冷电极
本发明涉及一种具有导电材料的用于气体放电的电极。
长期以来,在利用中空阴极效应下用于气体放电的冷电极在例如电子管或照明目的的技术中是已知并已使用的(U.S.专利1125476;中空阴极效应参见文献例如Manfred von Ardenne(Hrsg),《物理效应和其应用》(“Effekte der Physik und ihre Anwendungen”),Verlag HarriDeutsch,Thun,Frankfurt/Main,1990)。
冷电极大多数在其内侧具有由碱土金属氧化物的混合物组成的涂层用于降低选出功(下面称作活化)(魏纳特原理(Principle of Wehnelti.J.1907))。因为在正常的环境条件氧化物是不稳定的,所以以碳酸盐的形式将发射涂层涂覆在电极的载体材料上,并且在低压和高温下,例如在载体材料灼烧的条件下转化为相应的氧化物。
在调节(conditioning)步骤时,具有相关缺陷的上述电极的电损失明显地取决于碳酸盐转化期间的边界条件以及在操作期间放电室中的剩余气体,该剩余气体降低发射能力(活化作用的中毒)。
本发明的目的是提供一种电极,其在处理期间对边界条件不敏感,并且在气体放电装置的整个寿命期间具有低的电损失和因此具有低的发热。
本发明的目的是这样达到的,发射涂层(3)材料的光电逸出功在低于570K,优选在低于420K的工作温度下比载体材料(1)的逸出功低。
因此,本发明解决方案的核心在于,在考虑到其逸出功的情况下,以特殊的方式选择发射电子的电极的涂层(“发射涂层”)。
该逸出功在通常260~450K的电极工作温度下比电极载体材料的逸出功低。不管载体材料如何,在0~500K的温度下,光电逸出功应小于5.6×10-19焦耳/电子。根据权利要求3具体使用的涂层材料是钇、镨或铷或它们的混合物。
光电逸出功被定义为光电量子能量,其是每个电子为从电极中释放出所必须消耗的能量(单位eV/电子或焦耳/电子)。
根据本发明,将具有低和高的光电逸出功的表面相结合。因此,通常在同时使用原则上已知的中空阴极效应下,发射电子层由具有比载体材料更低的光电逸出功的金属或半导体材料组成以代替在低温下具有高光电逸出功的氧化物。
本发明的优点是避免在电极表面上进行的不希望的化学反应。因此该电极在生产和调节期间几乎与气体氛围无关;既不会使活化材料中毒,并且也不会发生以后在转化反应中未完全完成的反应将反应产物释放进气体放电室的环境中。
通过使用具有低光电逸出功的相应化学惰性的材料(例如钇),在例如未培训的人员在制备和调节期间处理不当时,本发明的电极基本上免受不当处理的危害。同样可以避免迄今为止需要的、制备工艺非常昂贵的用于碳酸盐混合物的制备方法,从而导致显著的成本上的优势。
此外,通过测量表明,与尺寸和结构式样相同的使用氧化物混合物活化的电极相比,本发明的电极在操作时具有明显低的发热。
在各种不同的温度下测量光电逸出功的结果证明在T=300K的操作温度下本发明的电极具有显著低的光电逸出功(参见附图3)。
氧化物混合物,当热激发时,具有低的光电逸出功。在从多相的多种组分的绝缘固体(其电子能带结构具有间接的跃迁)中热电子发射时,点阵振动(声子)参与最小能带隙中的跃迁的激发(参考文献:例如JosephEichmeier,《现代真空电子学》(“ModerneVakuumelektronik”),Springer Verlag,Berlin1981)。
已发现,对于使用冷电极进行气体放电,光电逸出功对损失的确定是起决定性作用的参数;在一定的情况下该光电逸出功有别于热确定的逸出功。因为在冷电极中声子的能量显著低于热发射电极中的声子能量,所以在冷电极的情况下不能激发间接的能带跃迁。
本发明的涂层材料仅有几乎直接的能带跃迁和小的能带隙,这使得不非得有高能量的声子参与激发过程。
在一本发明的实施方案中,将电极作成中空体,特别是杯状的中空体,在该中空体的内侧存在发射涂层(3)。因此,除了本发明的涂层的优点之外,可以以积极的方式利用中空阴极效应。该中空体可特别地具有杯子的形状,并且在中空体的内侧存在发射涂层,在这里产生电子的发射。
在中空体电极的另一实施方案中,发射涂层(3)具有比电极的其余表面,特别是中空体的外表面,更低的光电逸出功。因此,在发射涂层上获得集中的电子发射。
根据本发明的一其它实施方案,中空体外侧的载体材料(1)上提供有优选由镍或铂组成的表面层(4),该层具有高的光电逸出功,优选高于8.0×10-19焦耳/电子。这可以有利地通过避免放电漫延至载体外侧和因此造成的电极毁坏来提高电极的工作寿命。
本发明的另一实施方案是,载体材料(1)具有低的光电逸出功,优选低于6.4×10-19焦耳/电子,其优点是可以省去电极室内侧的特殊涂层,因为载体材料和涂层材料是相同的。
优选地载体材料包含金属,特别是铁。就其组成来看,特别优选的是载体材料由金属组成。
此外,发射涂层(3)可以掺杂以降低光电逸出功(与纯材料相比),优选包括浓度为10-5at%~1at%的掺杂物,例如钙、铯或钡。由此与使用纯材料相比,可以实现逸出功的进一步降低和因此通过缩小电子能带结构中的能带隙而引起的损失的进一步降低。
另外优选,载体材料(1)的部分表面具有电绝缘层(4)以抑制电子或离子流。其优点是完全抑制来自载体材料外侧的电子流,并因此提高电极的寿命。
可以使用电绝缘的、耐温度和真空的材料优选陶瓷涂覆面向气体放电的电极部分。其具有有利的作用,即阻止从面向气体放电的边缘开始的电极的活性材料或载体材料的雾化。
根据本发明,同样可以在由电极构成的中空室的开口中布置一具有凸缘的电绝缘外罩(9),布置的方式应使该凸缘盖住气体放电方向上的开口的边缘。由此,特别是在所描述的避免雾化的同时,在由绝缘材料组成的圆柱形室中使用电极时,可以形成例如环状通道。它阻止有害的和因此是不希望的放电向载体外侧和供电引线的漫延。
此外,由电极构成的中空室的开口的面向气体放电的边缘可以这样成形,以使得降低开口处的电场梯度,优选通过弯曲或卷边。由此,可以部分地降低雾化速度,而无需其它的生产工艺元件。
此外,电极可以被优选作成圆柱体状的玻璃体(8)包围。在本发明的一优选实施方案中,电极在玻璃体(8)中通过由导热性差的绝缘材料优选陶瓷或云母组成的环(10)定中心。因此,电极在圆柱体状玻璃体中的居中可以避免在机械应力下(例如碰撞、敲打)或者在单面热应力下(例如在电极调节时可能发生)的玻璃破碎。
此外,优选在金属杯、中空圆柱体或中空锥体的内部产生至少部分无场空间。由此适合使用现存的结构已知的生产工具来制备本发明装置的载体。
此外,本发明的装置可设计成这样,即至少在载体材料(1)的部分表面上提供有结合反应性气体的材料(吸气剂),其例如在调节电极时被活化。它的优点是,通过化学和/或物理结合可能由放电容器或电极体释放的反应性气体或蒸汽来在工作中防止气体放电的稀有气体的气氛被污染。
用于涂覆载体材料(1)的材料可以以氢化物,优选氢化钇的形式被涂覆。在调节电极时,在释放氢气的同时该氢化物被转化为金属形式。因此,这是有利的,因为在如含水银的放电灯例如高压日光灯蓄热(Rrgeneration)时产生的发热和灼烧过程中避免了放电室中存在的活性物质的氧化。
下面参照实施例详细描述本发明:
附图1表示本发明的示例性实施方案。这里描述的是电极的纵剖面。为了清楚地说明没有按比例显示涂层的厚度。
本发明的电极由载体(1)组成,其中该载体(1)例如由铁制备,并为杯状和具有面向气体放电的开口(2)。
在载体(1)的内侧具有低光电逸出功材料的层(3),例如钇,其是通过机械、化学和/或物理涂覆方法(例如压印、滚压、蒸汽喷镀、溅镀、电镀、喷射)涂覆的,而外表面(4)用高光电逸出功的材料例如镍或铂涂覆。
在载体(1)的呈半球形的封闭端以本身已知的方式例如通过点焊接固定供电引线(5)。
附图2表示以本身已知的结构式样安装在圆柱体状玻璃体(8)中的本发明电极(作为气体放电容器的一部分用于例如高压日光灯中)示例性的纵剖面。这里供电引线在心柱(6)中与玻璃体(8)真空密封地融合。
附加地融入心柱(6)的玻璃管(7)可以用于在附图2中未示出的气体放电容器的抽真空。该电极通常借助于玻璃体(8)安装在气体放电容器上。
此外,附图2显示具有例如由陶瓷制成的绝缘保护环(9)的载体(1)的开口(2),其中该保护环以本身已知的方式通过挤压、滚花、滚压、轧制固定在载体(1)上。
同样示例性地描述了在保护环(9)和载体(1)之间的例如由云母制成的附加的定中心环(10)。该定中心环保证电极在圆柱体状玻璃体(8)的中心位置。可例如通过使该定中心环(10)具有切口或类似物而偏离圆环状,以便使通过连接管(7)有利地进行电流技术上的气体放电容器的抽真空成为可能。
附图3显示所测的各种商业上可得到的电极和本发明的一实施方案的光电逸出功的对比结果。在图3中
电极序号 电极的构造(载体材料:铁)
    1 无活化材料
    2~4 由不同制造商提供的商业上可得到的电极,具有由碱土金属氧化物组成的活化材料
    5 具有含有钇的活化材料的本发明电极

Claims (19)

1、具有导电载体材料(1)的用于气体放电的电极,其中在载体材料上涂覆有发射涂层(3),其特征在于,发射涂层(3)的材料的光电逸出功在低于570K,优选在低于420K的电极工作温度下比载体材料(1)的光电逸出功低。
2、具有导电载体材料(1)的用于气体放电的电极,其中在载体材料上涂覆有发射涂层(3),其特征在于,发射涂层(3)材料的光电逸出功在200~500K的温度下,优选260~450K的温度下小于5.6×10-19焦耳/电子。
3、具有导电载体材料(1)的用于气体放电的电极,其中在载体材料上涂覆有发射涂层(3),其特征在于,发射涂层(3)包括钇、镨、铈或铷或它们的混合物。
4、根据权利要求1~3之一的电极,其特征在于,发射涂层(3)由导体或半导体材料组成。
5、根据权利要求1~4之一的电极,其特征在于,将该电极至少部分设计成中空体,特别是杯状,并且发射涂层(3)位于中空体的内侧。
6、根据权利要求5的电极,其特征在于,发射涂层(3)的光电逸出功比电极其余表面的光电逸出功低。
7、根据权利要求5或6的电极,其特征在于,中空体外侧的载体材料(1)上提供有优选由镍或铂组成的表面层(4),该层具有高的光电逸出功,优选高于8.0×10-19焦耳/电子。
8、根据权利要求1~7之一的电极,其特征在于,载体材料(1)具有低的光电逸出功,优选低于5.6×10-19焦耳/电子。
9、根据权利要求1~8之一的电极,其特征在于,载体材料(1)是金属,特别是铁。
10、根据权利要求1~9之一的电极,其特征在于,发射涂层(3)含有掺杂物以降低-与纯材料相比-光电逸出功,优选包含浓度为10-5at%~1at%的掺杂物钙、铯或钡。
11、根据权利要求1~10之一的电极,其特征在于,载体材料(1)的部分表面具有电绝缘涂层(4)以抑制电子或离子流。
12、根据权利要求5~11之一的电极,其特征在于,使用电绝缘的、耐温度和真空的材料优选陶瓷涂覆面向气体放电的电极部分。
13、根据权利要求5~12之一的电极,其特征在于,在由电极构成的中空室的开口中布置一具有凸缘的电绝缘外罩(9),布置的方式应使得该凸缘盖住气体放电方向上的开口的边缘。
14、根据权利要求5~13的之一的电极,其特征在于,使由电极构成的中空室的开口的面向气体放电的边缘这样成形,以使得降低开口处的电场梯度,优选通过弯曲或卷边。
15、根据权利要求1~14之一的电极,其特征在于,电极被优选作成圆柱体状的玻璃体(8)包围。
16、根据权利要求15的电极,其特征在于,电极在玻璃体(8)中通过由导热性差的绝缘材料优选陶瓷或云母制成的环(10)定中心。
17、根据权利要求5~16之一的电极,其特征在于,在金属杯、中空圆柱体或中空锥体的内部产生至少部分无场空间。
18、根据权利要求1~17之一的电极,其特征在于,至少在载体材料(1)的部分表面上覆以结合反应性气体的材料(吸气剂)。
19、根据权利要求1~18之一的电极,其特征在于,用于涂覆载体材料(1)的材料以氢化物,优选氢化钇的形式被涂覆,在调节电极时,在释放氢气的同时该氢化物被转化为金属形式。
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