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Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp, welche beispielsweise als Lichtquelle bei einer UV-Bestrahlungs-Behandlung in der fotochemischen Industrie, bei der Halbleiterherstellung und dergleichen oder als Lichtquelle bei Projektionen wie bei einem Projektor oder dergleichen verwendet wird.
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5 ist eine Vorderansicht, welche die Anordnung eines Beispiels einer herkömmlichen Entladungslampe vom Kurzbogentyp schematisch zeigt.
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Eine Entladungslampe 40 vom Kurzbogentyp weist eine Auswölbung 42 sowie eine Leuchtröhre 41 auf. In der Auswölbung 42 ist ein im Wesentlichen ovaler Entladungsraum S gebildet. Die Leuchtröhre 41 besteht aus hermetisch abschließenden Teilen 43, 43, welche an die beiden Enden dieser Auswölbung 42 angrenzen und sich nach außen erstrecken. In dieser Leuchtröhre 41 sind eine Kathode 44 und eine Anode 45 gegenüberliegend angeordnet. Ferner ist in diese Leuchtröhre 41 wenigstens Edelgas in einer geeigneten Menge eingefüllt. In die Leuchtröhre 41 ist außerdem je nach Verwendungszweck der Lampe zusammen mit dem Edelgas eine geeignete Menge Quecksilber eingefüllt. Hierbei kann man als Edelgase, welche in die Leuchtröhre 41 eingefüllt werden, beispielhaft Xenon, Krypton, Argon und dergleichen nennen. Ein Sockel 48 ist am äußeren Ende des jeweiligen hermetisch abschließenden Teils 43 angeordnet.
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Die Kathode 44 weist einen sich verjüngenden Teil 44A auf, welcher im Wesentlichen kegelstumpfförmig ist und dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitzenseite (Anodenseite) hin verkleinert, sowie einen Rumpfteil 44B auf, der an diesen sich verjüngenden Teil 44A angrenzt, sich in der Achsrichtung nach hinten erstreckt und beispielsweise zylindrisch ist. Die Kathode 44 enthält einen Emitterstoff wie beispielsweise Thorium oder dergleichen.
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Bei einer derartigen Entladungslampe vom Kurzbogentyp 40 wird beim Starten der Lampe zwischen der Kathode 44 und der Anode 45 eine Hochspannung, beispielsweise von einigem kV bis einigem zehn kV, angelegt, wodurch zwischen der Kathode 44 und der Anode 45 ein Isolationsdurchschlag erfolgt. Danach erfolgt ein Übergang zu einer Lichtbogenentladung, und die Lampe wird betrieben.
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Nachfolgend wird das Entladungsphänomen beim Starten der Lampe konkret beschrieben.
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Unmittelbar nachdem der Isolationsdurchschlag zwischen der Kathode 44 und der Anode 45 erfolgte, wird auf einer Spitzenfläche 46 der Kathode 44 ein Lichtbogen-Startpunkt gebildet. Zwischen der Kathode 44 und der Anode 45 wird ein Lichtbogen in der Weise gebildet, dass er sich in der Achsrichtung bogenartig erstreckt. Nachfolgend wird der Grund für die Bildung des Lichtbogen-Startpunktes auf der Spitzenfläche 46 der Kathode 44 beschrieben.
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Dadurch, dass die Kathode 44 im Wesentlichen eine Kegelstumpfform aufweist, bei welcher der sich verjüngende Teil 44A vorhanden ist, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitzenseite verkleinert, konzentriert sich das elektrische Feld auf den Spitzenbereich, insbesondere auf den Kantenbereich auf der Spitzenfläche 46. Dadurch werden die Elektronen im Spitzenbereich leichter frei. Ferner erreicht, nachdem der Isolationsdurchschlag erfolgte und der Lichtbogen gebildet wurde, bei der Kathode 44 ihr Spitzenbereich die höchste Temperatur. Wie aus der Richardson-Dushmann'schen Gleichung ersichtlich wird, besteht die Tendenz, dass die Thermionenemissions-Kapazität sich entsprechend einer Temperaturerhöhung exponentiell erhöht. Die Elektronenemissions-Kapazität des Spitzenbereiches wird größer als im anderen Bereich der Kathode 44. Aus diesen und ähnlichen Gründen wird auf der Spitzenfläche 46 der Kathode 44 der Lichtbogen-Startpunkt gebildet.
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Bei einer Entladungslampe vom Kurzbogentyp 40 mit der vorstehend beschriebenen Anordnung gibt es jedoch, wie beispielsweise in 6 gezeigt wird, den Fall, dass beim Starten der Lampe der Zustand, in welchem der Startpunkt P des Lichtbogens A auf der Spitzenfläche 46 der Kathode 44 gebildet ist, nicht stabil fortbesteht, sondern der Startpunkt sich zu einer hinteren Position in der Achsrichtung – zum Beispiel zu einer Oberflächenposition des sich verjüngenden Teils 44A, welcher von der Spitzenfläche 46 entfernt ist, zur Oberflächenposition des Rumpfteils 44B oder dergleichen – bewegt und dass er sich entsprechend einer Temperaturerhöhung der Kathode 44 zur Spitzenseite hin bewegt. Das heißt, es kommt vor, dass das so genannte Schwankungsphänomen des Lichtbogens A auftritt.
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Wenn der Startpunkt P des Lichtbogens A an der vorstehend beschriebenen Position gebildet wird, wird, wie vorstehend beschrieben wurde, der Lichtbogen A beispielsweise in der Weise gebildet, dass er sich entlang der Innenoberfläche der Leuchtröhre 41 bogenartig erstreckt. Dadurch wird ein Zustand erhalten, in welchem der Lichtbogen A der Innenoberfläche der Leuchtröhre 41 angenähert ist. Oder es wird in Abhängigkeit von den Anordnungsbedingungen sowie den Betriebsbedingungen der Lampe ein Zustand erhalten, in welchem der Lichtbogen A mit der Innenoberfläche der Leuchtröhre 41 in Kontakt ist. Als Folge davon treten folgende Nachteile auf.
- (1) Die Kontaktstelle des Lichtbogens A mit der Leuchtröhre 41 unterliegt einer Entglasung. Dadurch verringert sich der Lichtdurchlassgrad der Leuchtröhre 41. Die Intensität des von der Entladungslampe vom Kurzbogentyp 40 ausgestrahlten Lichtes wird deshalb ungleichmäßig. Als Folge davon wird die Beleuchtungsintensität auf einem Gegenstand, welcher mit dem Licht bestrahlt wird, ungleichmäßig. Im Fall beispielsweise einer Verwendung als Lichtquelle im Gebiet einer Halbleiterbelichtung kann man eine erwartete Behandlung nicht zuverlässig durchführen, weil eine Belichtungsungleichmäßigkeit auftritt. Im Fall einer Verwendung als Lichtquelle im Gebiet einer Projektion kann man kein Bild mit einer ausreichenden Helligkeit anbieten.
- (2) Durch einen Kontakt oder eine Annäherung des Lichtbogens A mit Hochtemperatur wird die Innenoberfläche der Leuchtröhre 41 rasch erwärmt. Dadurch entsteht ein Wärmeverzug. Infolge dieses Wärmeverzugs wird die Entladungslampe vom Kurzbogentyp 40 beschädigt.
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Das vorstehend beschriebene Schwankungsphänomen des Lichtbogens A tritt im Lauf einer wiederholten Verwendung der Lampe (Ein- oder Ausschaltbetrieb) immer deutlicher auf. Die Gründe hierfür bestehen in folgendem:
- (1) Während des Lampenbetriebs erreicht der Spitzenbereich der Kathode 44 eine hohe Temperatur von beispielsweise ca. 2000°C bis 2500°C. Der Spitzenbereich schmilzt, verdampft und verformt sich deshalb. Der Konzentrationsgrad des elektrischen Feldes verringert sich.
- (2) Der Emitterstoff, welchen die Kathode 44 enthält, trocknet im Lauf einer wiederholten Verwendung der Lampe aus. Die Elektronenemissions-Kapazität des Spitzenbereiches verringert sich deshalb.
- (3) Die Kristalle des Spitzenbereiches vergröbern sich durch den thermischen Einfluss, und die Korngrenzen zwischen den Kristallen vermindern sich. Dadurch wird der Emitterstoff schlechter zum Spitzenbereich geführt, und die Elektronenemissions-Kapazität des Spitzenbereiches verringert sich.
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Verschiedene Faktoren wie diese und ähnliche Gründe verursachen insgesamt ein Entstehen des Schwankungsphänomens des Lichtbogens A, da der Startpunkt P des Lichtbogens A sich häufiger zu einer Position außerhalb der Spitzenfläche 46 der Kathode 44 bewegt.
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Angesichts eines derartigen Nachteils wurde Technik offenbart (siehe beispielsweise
JP 2003-257 363 A ), bei welcher folgendles durchgeführt wird:
Wie beispielsweise in
7 gezeigt, bildet man bei einer Kathode
50, welche einen sich verjüngenden Teil
51 sowie einen Rumpf
52 aufweist, welcher an diesen sich verjüngenden Teil angrenzt, in dem sich verjüngenden Teil
51 einen konkaven Teil (konkaver Teil
55 in
7), einen Vorsprung oder dergleichen. Durch diesen konkaven Teil
55 oder einen Vorsprung wird unterbunden, dass der Startpunkt des Lichtbogens sich in der Achsrichtung hinter eine Stelle bewegt, an welcher der konkave Teil
55 oder der Vorsprung gebildet ist. Dadurch wird ein Entstehen des Schwankungsphänomens des Lichtbogens und auch eine Entglasung oder eine Beschädigung der Leuchtröhre verhindert.
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Selbst bei Verwendung der in der
JP 2003-257 363 A offenbarten Technik gibt es jedoch Fälle, in welchen der Lichtbogen-Startpunkt über die Stelle bei dem sich verjüngenden Teil
51 der Kathode
50, an welcher beispielsweise der konkave Teil
55 gebildet ist, hinweg geht, der Lichtbogen-Startpunkt sich beispielsweise zur Oberflächenposition des Rumpfs
52 der Kathode
50 bewegt und an dieser Stelle der Lichtbogen-Startpunkt gebildet wird. Man hat also den Nachteil, dass man eine Entglasung oder eine Beschädigung der Leuchtröhre infolge des Schwankungsphänomens des Lichtbogens nicht zuverlässig verhindern kann.
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In der
US 2003/0 042 853 A1 wird eine Kurzbogen-Entladungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 beschrieben. Die
JP 2003-223 865 A beschreibt eine Anode, die zur Verbesserung der Kühlwirkung auf ihrer Außenumfangsfläche Rillen aufweist. Entladungslampen mit Elektroden, deren Außenumfangsfläche Rillierungen aufweist, sind ebenfalls in der
DE 200 05 534 U1 und der
GB 2 107 921 A beschrieben.
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Die Erfindung wurde gemacht, um den vorstehend beschriebenen Nachteil beim Stand der Technik zu beseitigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Entladungslampe anzugeben, bei welcher man ein Entstehen des Schwankungsphänomens des Lichtbogens beim Starten der Lampe zuverlässig verhindern kann, bei welcher man dadurch eine Entglasung sowie eine Beschädigung der Leuchtröhre verhindern kann, bei welcher man deshalb das Maß der Verringerung der Lichtintensität gering halten kann und bei welcher man Licht mit einer gleichmäßigen Intensität über eine lange Zeit mit Sicherheit erhalten kann.
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Die Aufgabe wird durch die Entladungslampe gemäß Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Bei der erfindungsgemäßen Entladungslampe, welche eine Leuchtröhre aufweist, in welcher ein Entladungsraum gebildet und in welcher eine Kathode und eine Anode gegenüberliegend angeordnet sind, weist die Kathode einen sich verjüngenden Teil auf, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitze verkleinert. In dem sich verjüngenden Teil ist über dessen gesamten Umfang in der Umfangsrichtung ein Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet, welcher konkav-konvexe Teile aufweist, die aus Gruppen konvexer Teile bestehen, die in Achsrichtung der Kathode nebeneinander angeordnet sind, wobei die konkav-konvexen Teile im Querschnitt, welcher die Mittelachse der Kathode einschließt, in der Weise angeordnet sind, dass die Eckpunkte eines jeden konvexen Teils sich auf der Innenseite der Kantenlinie des sich verjüngenden Teils befindet und die Mantelkurve, welche die Eckpunkte verbindet, bezüglich der Mittellinie der Kathode konvex ist.
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Ferner wird die Aufgabe bei einer erfindungsgemäßen Entladungslampe dadurch vorteilhaft gelöst, dass in dem Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bei der Kathode konkav-konvexe Teile an zwei Stellen an Positionen gebildet sind, welche in der Achsrichtung voneinander entfernt sind.
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In der erfindungsgemäßen Entladungslampe weist die Kathode einen sich verjüngenden Teil auf, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitze verkleinert. In diesem sich verjüngenden Teil ist ein Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern gebildet, welcher über den gesamten Umfang in der Umfangsrichtung der Kathode konkav-konvexe Teile mit einer bestimmten Form aufweist. Durch diese Maßnahme kann durch die Anordnung der konkav-konvexen Teile an sich, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bilden, sowie durch die Anordnung des gesamten Bereiches mit unterschiedlichen Durchmessern das elektrische Feld beim Starten der Lampe auf die konkav-konvexen Teile konzentriert werden, selbst wenn das Ein- oder Ausschalten der Lampe wiederholt wird und dadurch die Elektronenemissions-Kapazität im Spitzenbereich der Kathode verringert ist. Man kann deshalb mit Sicherheit verhindern, dass der Startpunkt des zwischen der Kathode und der Anode gebildeten Lichtbogens in der Achsrichtung sich hinter diesen Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bewegt. Dadurch kann man ein Entstehen des Schwankungsphänomens des Lichtbogens mit Sicherheit verhindern und als Folge davon eine Entglasung oder eine Beschädigung der Leuchtröhre. Man kann deshalb Licht mit einer gleichmäßigen Intensität über eine lange Zeit mit Sicherheit ausstrahlen.
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Ferner kann man durch die Anordnung, bei welcher in dem Bereich mit unterschiedliches Durchmessern bei der Kathode die konkav-konvexen Teile an zwei Stellen an Positionen gebildet sind, welche in Achsrichtung voneinander entfernt sind, die vorstehend beschriebene Wirkung noch zuverlässiger erhalten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigen schematisch:
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1 eine Vorderansicht der Anordnung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Entladungslampe vom Kurzbogentyp,
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2 eine Vorderansicht der Anordnung der Kathode der in 1 gezeigten Entladungslampe vom Kurzbogentyp in einer vergrößerten Darstellung,
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3 eine Querschnittdarstellung, welche wesentliche Teile der in 2 gezeigten Kathode in einer vergrößerten Darstellung zeigt;
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4 eine Vorderansicht eines weiteren Anordnungsbeispiels der Kathode der erfindungsgemäßen Entladungslampe vom Kurzbogentyp,
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5 eine Vorderansicht, welche die Anordnung eines Beispiels einer herkömmlichen Entladungslampe vom Kurzbogentyp zeigt,
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6 eine schematische Darstellung eines Zustandes, in welchem beim Starten der Lampe der Lichtbogen-Startpunkt an einer Stelle gebildet ist, welche sich von der Spitzenfläche der Kathode entfernt hat, und
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7 eine Vorderansicht der Anordnung der Kathode eines weiteren Beispiels einer herkömmlichen Entladungslampe vom Kurzbogentyp.
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1 ist eine Vorderansicht, welche die Anordnung eines Beispiels einer erfindungsgemäßen Entladungslampe vom Kurzbogentyp schematisch zeigt. 2 ist eine Vorderansicht, welche die Anordnung der Kathode der in 1 gezeigten Entladungslampe vom Kurzbogentyp in einer vergrößerten Darstellung zeigt. 3 zeigt wesentliche Teile der in 2 gezeigten Kathode in einer vergrößerten Querschnittdarstellung.
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Diese Entladungslampe vom Kurzbogentyp 10 weist eine Leuchtröhre 11 auf, welche eine Auswölbung 12, die einen beispielsweise im Wesentlichen ovalen Entladungsraum S bildet, sowie hermetisch abschließende Teile 13, 13 aufweist, die an die beiden Enden dieser Auswölbung 12 angrenzen und sich nach außen erstrecken. In diese Leuchtröhre 11 sind eine Kathode 20 sowie eine Anode 15, welche jeweils beispielsweise aus Wolfram bestehen, gegenüberliegend angeordnet. Zugleich ist wenigstens ein Edelgas wie beispielsweise Xenongas oder dergleichen in einer geeigneten Menge eingefüllt. Man kann ferner in die Leuchtröhre 11 je nach Verwendungszweck der Lampe zusammen mit dem Edelgas eine geeignete Menge Quecksilber einfüllen. Hierbei ist das in die Leuchtröhre 11 einzufüllende Edelgas nicht auf Xenongas beschränkt, sondern man kann Argongas, Kryptongas oder weitere herkömmlicherweise vorteilhaft verwendete Edelgase verwenden. Ein Sockel 17 ist jeweils am äußeren Ende jedes hermetisch abschließenden Teils 13 angeordnet.
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Bei der Anode 15 weist der Spitzenbereich beispielsweise eine im Wesentlichen halbkugelige Form auf, weil so die von der Kathode 20 emittierten Elektronen mit einem hohen Wirkungsgrad aufgefangen werden können. Die Kathode 20 weist einen beispielsweise kegelstumpfförmigen, sich verjüngenden Teil 21 auf, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitze verkleinert, sowie einen zylindrischen Rumpfteil 22, welcher an diesen sich verjüngenden Teil 21 angrenzt und sich nach hinten erstreckt.
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Bei dieser Entladungslampe vom Kurzbogentyp 10 ist in dem sich verjüngenden Teil 21 der Kathode 20 ein Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 über den gesamten Umfang in der Umfangsrichtung gebildet.
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Konkret ist der Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bei der Kathode 20 in der folgenden Weise angeordnet:
- – Es sind beispielsweise sägezahnförmige konkav-konvexe Teile 31A, 31B an zwei Stellen angeordnet, welche aus Gruppen 32 konvexer Teile bestehen, die in Achsrichtung der Kathode 20 nebeneinander angeordnet sind, wobei
- – im Querschnitt, welche die Mittelachse C der Kathode 20 einschließt, der Eckpunkt eines jeweiligen konvexen Teils 33 von der Kantenlinie R des sich verjüngenden Teils 21 aus gesehen auf deren Innenseite positioniert ist, und
- – die Mantelkurve L, welche die jeweiligen Eckpunkte verbindet, bezüglich der Mittellinie C der Kathode 20 konvex ist.
- – Es ist ein glatter Teil 35 angeordnet, dessen eines Ende angrenzt an einen konvexen Teil 33A am hinteren Ende der Anordnung der konvexen Teile 33 des konkav-konvexen Teils 31A von der Spitze her gesehen, dessen anderes Ende zugleich an einen konvexen Teil 33B am äußersten vorderen Ende der Anordnung der konvexen Teile 33 des konkav-konvexen Teils 31B auf der Seite des hinteren Endes angrenzt und dessen Oberfläche im Wesentlichen glatt ist.
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Der Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 ist also in der Weise angeordnet, dass die konkav-konvexen Teile 31A, 31B, welche jeweils eine bestimmte Form aufweisen und welche sich an zwei Stellen befinden, über den glatten Teil 35 in der Achsrichtung voneinander getrennt sind.
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Der Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 der Kathode 20 kann beispielsweise in der folgenden Weise gebildet werden.
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Man bildet an einer vorgegebenen Stelle in dem sich verjüngenden Teil 21 der Kathode 20 einen ringförmigen Rillenteil (konkaven Teil), dessen Querschnitt im Wesentlichen trapezförmig ist und sich über den Gesamtumfang in Umfangsrichtung der Kathode 20 erstreckt, beispielsweise mit Hilfe einer Schleifmaschine oder dergleichen. Man bildet in dem jeweiligen Kantenbereich dieses ringförmigen Rillenteils – mit anderen Worten in Bereichen, welche die Grenzlinien zwischen der Oberfläche des sich verjüngenden Teils 21 und den Neigungsebenen der ringförmigen Rillenteile enthalten – konkave Teile 34 beispielsweise durch eine Laserbearbeitung oder dergleichen, welche sich über den Gesamtumfang in der Umfangsrichtung erstrecken und aus ringförmigen Rillen mit einem beispielsweise im Wesentlichen V-förmigen Querschnitt mit einer kleineren Breite als die ringförmigen Rillenteile bestehen. Dadurch wird die Unterseite des ringförmigen Rillenteils als glatter Teil 35 ausgebildet und zugleich werden über diesem glatten Teil 35 konkav-konvexe Teile 31A, 31B an zwei Stellen gebildet, welche voneinander entfernt sind. Somit wird ein Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 mit einer vorgegebenen Form gebildet. Hierbei ist der konvexe Teil 33A, welcher am hinteren Ende bei dem konkav-konvexen Teil 31A auf der Spitzenseite gebildet wird, unter Ausnutzung der Neigungsebene des ringförmigen Rillenteils angeordnet. Die ringförmige Rille mit einem V-förmigen Querschnitt, welche sich am letzen Ende befindet, ist in der Praxis in der Nähe des Kantenbereiches des ringförmigen Rillenteils gebildet. Dies gilt auch bei dem konkav-konvexen Teil 31B auf der Seite des hinteren Elektrodenspitzenendes ebenfalls. Der konvexe Teil 33B, welcher an der äußersten Spitze gebildet ist, wird unter Ausnutzung der Neigungsebene des ringförmigen Rillenteils angeordnet.
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Die Tiefe d1 des glatten Teils 35, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30, ausgehend von der Oberfläche (Kantenlinie) des sich verjüngenden Teils 21, bildet, sowie die Tiefe d2 des jeweiligen konkaven Teils 34 bei den konkav-konvexen Teilen 31A, 31B, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bilden, können entsprechend den Anordnungsbedingungen und den Betriebsbedingungen der Lampe auf geeignete Weise eingestellt werden, solange sie Größen aufweisen, bei welchen man eine Heizfläche sicherstellen kann, die zur Vermeidung eines Schmelzens des Spitzenbereiches groß genug ist.
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Es ist vorteilhaft, dass die Stelle, an welcher der Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 in dem sich verjüngenden Teil 21 gebildet wird, eine dem Spitzenbereich möglichst angenäherte Stelle ist, wenn für den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 eine Heizfläche mit einer ausreichenden Größe sichergestellt wird.
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Nachfolgend werden die Zahlenwerte bei der Entladungslampe vom Kurzbogentyp 10 mit der vorstehend beschriebenen Anordnung gezeigt.
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Es liegen:
- – der maximale Außendurchmesser der Leuchtröhre 11 bei 45 mm bis 300 mm;
- – das Innenvolumen der Leuchtröhre 11 bei 40 cm3 bis 16000 cm3;
- – der Abstand zwischen der Kathode 20 und der Anode 15 bei 3.5 mm bis 50 mm;
- – die Gesamtlänge (Länge in der Achsrichtung) des sich verjüngenden Teils 21 der Kathode 20 bei 3 mm bis 55 mm;
- – der Spitzenwinkel des sich verjüngenden Teils 21 der Kathode 20 (Verjüngungswinkel θ) bei 30 bis 80°;
- – die Gesamtlänge des Rumpfteils 22 der Kathode 20 bei 1 mm bis 100 mm;
- – der Durchmesser des Rumpfteils 22 der Kathode 20 bis 5 mm bis 30 mm;
- – eine Tiefe d1 des glatten Teils 35, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bildet, ausgehend von der Oberfläche des sich verjüngenden Teils 21, bei 0.3 mm bis 3 mm;
- – eine Breite W1 des glatten Teils 35, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bildet, (Länge in der Achsrichtung entlang der Oberfläche des sich verjüngenden Teils 21) bei 0.3 mm bis 15 mm;
- – eine Tiefe d2 der konkaven Teile 34, 34 der konkav-konvexen Teile 31A, 31B, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bilden, bei 0.2 mm bis 2 mm;
- – Breiten W2, W2 der konkav-konvexen Teile 31A, 31B, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bilden, bei 0.3 mm bis 10 mm;
- – die Anzahl der konvexen Teile 33 bei den konkav-konvexen Teile 31A, 31B bei größer/gleich 3 und
- – der Abstand zwischen den Eckpunkten der benachbarten konvexen Teile 33 bei 0.1 mm bis 0.4 mm.
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Im Fall einer Verwendung als Lichtquelle im Gebiet der Projektion wird die Einfüllmenge des Edelgases auf einen Druck in einem Bereich von 0.1 MPa bis 4 MPa bei einer Bezugstemperatur von 300 K festgelegt. Im Fall einer Verwendung als Lichtquelle im Gebiet der Halbleiter-Herstellung wird die Einfüllmenge des Edelgases auf einen Druck in einem Bereich von 0.01 MPa bis 1 MPa bei einer Bezugstemperatur von 300 K festgelegt, und die Einfüllmenge des Quecksilbers liegt bei 1 mg/cm3 bis 100 mg/cm3.
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Bei der Entladungslampe vom Kurzbogentyp 10 mit der vorstehend beschriebenen Anordnung weist die Kathode 20 einen sich verjüngenden Teil 21 auf, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitze hin verkleinert. In diesem sich verjüngenden Teil 21 ist über den Gesamtumfang in der Umfangsrichtung der Kathode 20 ein Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 gebildet, in welchem an zwei unterschiedlichen Stellen konkav-konvexe Teile 31A, 31B mit einer bestimmten Form durch einen glatten Teil 35 mit einer bestimmten Entfernung voneinander getrennt gebildet sind. Durch diese Maßnahme wird ein Bereich mit einer diskontinuierlichen Feldstärke gebildet, in welchem die Kontinuität der Feldstärke unterbrochen wird. Man erhält somit den Effekt einer Konzentration des elektrischen Feldes durch den ringförmigen konkaven Teil mit einer relativ großen Breite, welcher den glatten Teil 35 bildet, sowie den Effekt einer Konzentration des elektrischen Feldes durch die konkav-konvexen Teile 31A, 31B, welche aus ringförmigen Rillen mit einer kleineren Breite als dieser ringförmige Rillenteil bestehen.
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Das heißt, man hat eine Anordnung, bei welcher sich der Konzentrationsgrad des elektrischen Feldes der konkav-konvexen Teile 31A, 31B, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bilden, erhöht. Zugleich ist der glatte Teil 35 mit einer größeren Breite als die ringförmigen Rillen, welche die konkav-konvexen Teile 31A, 31B bilden, das heißt, mit einer großen Bewegungsstrecke, die für den Durchgang des Lichtbogen-Startpunktes benötigt wird, an den konkav-konvexen Teil 31A auf der Spitzenseite angrenzend gebildet. Man kann deshalb den Lichtbogen-Startpunkt, welcher sich von der Spitzenfläche 23 entfernt hat, in dem konkav-konvexen Teil 31A auf der Spitzenseite vorläufig verweilen lassen.
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Wenn bei der Kathode 50 mit der beispielsweise in 7 gezeigten Anordnung eine Anordnung vorgenommen wird, bei welcher einfach mehrere ringförmige Rillen mit derselben Form in der Achsrichtung nebeneinander angeordnet sind, tritt deshalb nur der Effekt einer Konzentration des elektrischen Feldes durch die einzelnen ringförmigen Rillenteile unabhängig vom Effekt durch die anderen ringförmigen Rillenteile auf. Der Nachteil, dass man die Bewegung des Lichtbogen-Startpunktes nicht unterbinden kann, tritt deshalb nicht auf. Man kann somit eine Bewegung des Lichtbogen-Startpunktes in der Achsrichtung hinter die Stelle, an welcher der Teil mit unterschiedlichen Durchmessern 30 gebildet ist, mit Sicherheit verhindern und den Lichtbogen-Startpunkt entsprechend einer Temperaturerhöhung des Spitzenbereiches der Kathode 20 schnell zur Spitzenfläche 23 der Kathode 20 bewegen. Dadurch kann man ein Entstehen des Schwankungsphänomens des Lichtbogens mit Sicherheit verhindern und eine Entglasung oder eine Beschädigung der Leuchtröhre 11 infolge des Schwankungsphänomens des Lichtbogens mit Sicherheit verhindern. Man kann deshalb Licht mit einer gleichmäßigen Intensität über eine lange Zeit mit Sicherheit ausstrahlen.
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Man kann die vorstehend beschriebene Wirkung ferner durch die Anordnung noch zuverlässiger erhalten, bei welcher in dem Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bei der Kathode 20 die konkav-konvexen Teile 31A, 31B mit einer bestimmten Form an zwei Stellen über den glatten Teil 35 mit einer Entfernung voneinander gebildet sind.
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Vorstehend wurde zwar ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lampeneinheit beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführung beschränkt, sondern man kann ihr verschiedene Änderungen hinzufügen.
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Die Form der konkav-konvexen Teile, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bei der Kathode bilden, sowie die Form des glatten Teils sind beispielsweise nicht speziell beschränkt, sondern man kann die konkav-konvexen Teile 31A, 31B, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern 30 bilden, auch mit spiralförmigen Rillen bilden, wie beispielsweise in 4 gezeigt. Ferner kann man den glatten Teil 35 nicht flach, sondern krummflächig bilden. Auch durch derartige Anordnungen kann man in der Praxis eine ausreichende Wirkung erhalten.
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Es ist ausreichend, wenn der glatte Teil, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bildet, einen Bereich darstellt, dessen Feldstärke zur Feldstärke der mit den konkav-konvexen Teilen versehenen Bereichen diskontinuierlich ist. Man kann in dem glatten Teil beispielsweise auch ringförmige Rillen oder Vorsprünge, welche sich in der Umfangsrichtung erstrecken, bilden.
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Es ist nicht erforderlich, dass die konkav-konvexen Teile, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bilden, an zwei Stellen gebildet sind. Es ist ausreichend, wenn sie zumindest an die Spitzenseite der Kathode in dem glatten Teil angrenzen.
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Nachfolgend werden Versuchsbeispiele beschrieben, welche für eine Bestätigung der Wirkung der Erfindung durchgeführt wurden. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Herstellungsbeispiel 1 einer Lampe vom Kurzbogentyp
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Entsprechend der in 1 gezeigten Anordnung wurde eine erfindungsgemäße Entladungslampe vom Kurzbogentyp hergestellt. Nachfolgend wird diese Entladungslampe vom Kurzbogentyp ”Lampe A” genannt, und es werden die konkrete Anordnung dieser Lampe A sowie ihre Spezifikation beschrieben.
Leuchtröhre (11): maximaler Außendurchmesser: 100 mm
Innenvolumen: 600 cm3
Kathode (20): Material: thoriertes Wolfram, in welchem als Emitterstoff Thorium enthalten ist.
Gesamtlänge (Länge in der Achsrichtung) des sich verjüngenden Teils (21): 15.6 mm
Spitzenwinkel (θ) des sich verjüngenden Teils: 60°
Gesamtlänge des Rumpfteils (22): 34.4 mm
Durchmesser des Rumpfteils: 20 mm
Anordnung des Bereichs mit unterschiedlichen Durchmessern (30): sägezahnförmige konkav-konvexe Teile (31A, 31B) an zwei Stellen sind über einen glatten Teil (35) voneinander entfernt gebildet.
Position, an welcher der konkav-konvexe Teil (31A) auf der Spitzenseite gebildet ist: eine Stelle, welche sich bezüglich der Achsrichtung um 2 mm hinter der Spitzenfläche der Kathode befindet.
Oberflächenform des glatten Teils, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bildet: flach
Tiefe (d1) des glatten Teils ausgehend von der Oberfläche des sich verjüngenden Teils: 0.5 mm
Breite (W1) des glatten Teils: 1.7 mm
Form des jeweiligen konkav-konvexen Teils, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bildet: ringförmige Rille mit einem V-förmigen Querschnitt
Tiefe (d2) des jeweiligen konkaven Teils (34) der konkav-konvexen Teile: 0.5 mm
Breite (W2) des jeweiliger konkav-konvexen Teils: 1.2 mm
Anzahl der konvexen Teile (33) bei den konkav-konvexen Teile: 6
Abstand zwischen den Eckpunkten der benachbarten konvexen Teile (33) bei den konkav-konvexen Teilen: 0.15 mm
Anode (15): maximaler Außendurchmesser: 30 mm
Gesamtlänge: 50 mm
Abstand zwischen der Kathode (20) und der Anode (15): 10 mm
Eingefülltes Gas: Xenongas
Einfüllgasdruck: 0.90 × 105 Pa
Quecksilbermenge: 20 mg/cm3
Eingangsleistung: 10 kW
Lampenspannung im stabilen Zustand (zu Anfang): 90 V
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Herstellungsbeispiel 2 einer Lampe vom Kurzbogentyp
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Eine erfindungsgemäße Entladungslampe vom Kurzbogentyp mit derselben Anordnung wie die Lampe A wurde hergestellt, abgesehen von der Verwendung einer Kathode mit einer nachstehend beschriebenen Anordnung (siehe 4) für die bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsbeispiel 1 erhaltene Lampe A. Nachfolgend wird diese Entladungslampe vom Kurzbogentyp ”Lampe B” genannt, und es wird die Anordnung der Kathode bei dieser Lampe B beschrieben.
Anordnung des Bereichs mit unterschiedlichen Durchmessern (30): sägezahnförmige konkav-konvexe-Teile (31A, 31B) an zwei Stellen sind über einen glatten Teil (35) voneinander entfernt gebildet.
Position, an welcher der konkav-konvexe Teil (31A) auf der Spitzenseite gebildet ist: eine Stelle, welche sich bezüglich der Achsrichtung um 2 mm hinter der Spitzenfläche der Kathode befindet.
Oberflächenform des glatten Teils, welcher den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bildet: kugelflächig
Maximale Tiefe des glatten Teils ausgehend von der Oberfläche des sich verjüngenden Teils: 0.6 mm
Breite (W3) des glatten Teils: 0.6 mm
Form der konkav-konvexen Teile, welche den Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern bilden: spiralförmige Rillen mit einem V-förmigen Querschnitt
Anzahl der konvexen Teile (33) bei den konkav-konvexen Teilen: 6
Abstand zwischen den Eckpunkten der benachbarten konvexen Teile bei den konkav-konvexen Teilen: 0.15 mm
Tiefe des jeweiligen konkaven Teils (34) bei den konkav-konvexen Teilen: 0.5 mm
Breite (W4) des jeweiligen konkav-konvexen Teils: 0.9 mm
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Herstellungsbeispiel 3 einer Lampe vom Kurzbogentyp
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Eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp zum Vergleichszweck mit derselben Anordnung wie die Lampe A, abgesehen von der Verwendung einer Kathode mit der in 7 beschriebenen Anordnung für die bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsbeispiel 1 erhaltene Lampe A, wurde hergestellt. Nachfolgend wird diese Entladungslampe vom Kurzbogentyp ”Lampe C” genannt, und es wird die Anordnung der Kathode bei dieser Lampe C beschrieben.
Form des konkaven Teils (55): ringförmige Rille mit einem trapezförmigen Querschnitt
Position, an welcher der konkave Teil gebildet ist: eine Stelle, welche sich bezüglich der Achsrichtung um 2 mm hinter der Spitzenfläche der Kathode befindet.
Tiefe des konkaven Teils: 0.5 mm
Breite des konkaven Teils: 0.15 mm
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Herstellungsbeispiel 4 einer Lampe vom Kurzbogentyp
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Eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp zum Vergleichszweck mit derselben Anordnung wie die Lampe A wurde hergestellt, abgesehen von der Verwendung einer Kathode für die bei dem vorstehend beschriebenen Herstellungsbeispiel 1 erhaltene Lampe A mit einer Anordnung, bei welcher kein Bereich mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet ist. Nachfolgend wird diese Entladungslampe vom Kurzbogentyp ”Lampe D” genannt. Die Abmessung des sich verjüngenden Teils sowie die Abmessung des Rumpfteils der Kathode bei dieser Lampe D sind mit der Größe der Lampe A identisch.
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Versuchsbeispiel
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Ein Versuch, bei welchem man die vorstehend beschriebenen Lampen A bis D jeweils sechs Stunden lang ununterbrochen betreibt und sie danach zwei Stunden lang ausschaltet, wurde 150-mal wiederholt. Zu einem Zeitpunkt, zu welchem dieser Versuch zum 50. Mal durchgeführt wurde, zu einem Zeitpunkt, zu welchem dieser Versuch zum 100. Mal durchgeführt wurde, sowie zu einem Zeitpunkt, zu welchem dieser Versuch zum 150. Mal durchgeführt wurde, wurde die Entstehungshäufigkeit des Schwankungsphänomens des Lichtbogens beim Starten der Lampe visuell bestätigt. Zugleich hat man zu einem Zeitpunkt, zu welchem dieser Versuch zum 50. Mal durchgeführt wurde, zu einem Zeitpunkt, zu welchem dieser Versuch zum 100. Mal durchgeführt wurde, sowie zu einem Zeitpunkt, zu welchem dieser Versuch zum 150. Mal durchgeführt wurde, visuell bestätigt, ob eine Entglasung der Leuchtröhre entstanden ist oder nicht. Nachfolgend wird anhand von Tabelle 1 das Ergebnis gezeigt. Hierbei soll man unter dem Begriff ”Entstehungshäufigkeit des Schwankungsphänomens des Lichtbogens” eine gezählte Häufigkeit verstehen, mit welcher sich beim Starten der Lampe der Startpunkt des Lichtbogens von der Spitzenfläche der Kathode zur Oberflächenposition des Rumpfteils der Kathode bewegt hat (beispielsweise eine Häufigkeit, mit welcher der in
6 gezeigte Zustand erreicht wird), TABELLE 1
| | Versuchshäufigkeit (Anzahl) | Entstehungshäufigkeit des Schwankungsphänomens des Lichtbogens (gesamt) | Entstehen einer Entglasung der Leuchtröhre (Ja oder Nein) |
| Lampe A | 50 | 0 | Nein |
| 100 | 0 | Nein |
| 150 | 0 | Nein |
| Lampe B | 50 | 0 | Nein |
| 100 | 0 | Nein |
| 150 | 0 | Nein |
| Lampe C | 50 | 0 | Nein |
| 100 | 3 | Nein |
| 150 | 11 | Ja |
| Lampe D | 50 | 2 | Nein |
| 100 | 13 | Ja |
| 150 | 59 | Ja |
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Wie vorstehend beschrieben wurde, hat man für die erfindungsgemäßen Lampen A und B folgendes bestätigt:
- – Das Entstehen des Schwankungsphänomens des Lichtbogens wird mit Sicherheit verhindert.
- – Das Entstehen einer Entglasung der Leuchtröhre infolge des Schwankungsphänomens des Lichtbogens wird mit Sicherheit verhindert.
- – Man kann deshalb eine gewünschte Leistungsfähigkeit der Lampe über eine lange Zeit erhalten.
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Bei den Lampen C und D zum Vergleichszweck wurde dagegen folgendes bestätigt:
- – Die Entstehungshäufigkeit des Schwankungsphänomens des Lichtbogens erhöht sich entsprechend einer Zunahme de Häufigkeit des Ein- oder Ausschaltbetriebs der Lampe (Versuchshäufigkeit).
- – Eine Entglasung der Leuchtröhre entsteht bei der Lampe C zum Zeitpunkt nach 150-maliger Versuchsdurchführung.
- – Eine Entglasung der Leuchtröhre entsteht bei der Lampe D zum Zeitpunkt nach 100-maliger Versuchsdurchführung.
