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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Entladungslampe mit
einem zylindrischen Schaft und einer an den zylindrischen Schaft
anschließenden Spitze.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen
einer derartigen Elektrode für eine
Entladungslampe sowie eine entsprechende Entladungslampe.
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Stand der Technik
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Die
Kathoden von DC-Hochdruckentladungslampen, wie beispielsweise HBO-Lampen (Quecksilberdampflampen)
oder XBO-Lampen (Xenonlampen), bestehen in der Regel aus Wolfram,
das mit Thoriumoxid dotiert ist. Der Anteil des Thoriumoxids beträgt dabei
ca. 0,4 bis etwa 2 Gewichtsprozent. Da Thoriumoxid ein radioaktiver
Stoff ist, kann auch bei thorierten Wolfram-Elektroden Radioaktivität nachgewiesen
werden. Gesetzliche Bestimmungen regeln den Umgang mit radioaktiven
Stoffen. Ist eine kritische Aktivität erreicht, so sind geänderte Kennzeichnungspflichten
und Maßnahmen
beim Umgang mit diesen Stoffen erforderlich. Die Dotierung von Kathoden
mit Thoriumoxid hat die Funktion, die Austrittsarbeit an der Kathodenspitze
zu erniedrigen, wodurch im Lampenbetrieb eine geringere Kathodenspitzentemperatur
erreicht werden kann. Damit verbunden wird im Laufe der Lampenlebensdauer
der auftretende Kathodenrückbrand
reduziert, was sich für
den Anwender positiv in einer geringeren Abnahme des Nutzlichtstroms
bzw. der Nutzlichtstrahlung bemerkbar macht.
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Eine
Zunahme der Lampenleistung erfordert in der Regel eine Vergrößerung der
Kathodenabmessungen, um die Temperatur und damit verbunden den Elektrodenrückbrand
möglichst
gering zu halten. Bei Entladungslampen bis zu einer Leistung von
etwa 5 kW kann die gesamte Kathode bzw. der Kathodenkopf aus thoriertem
Material hergestellt werden, ohne den Grenzwert der Aktivität zu überschreiten.
Bei Leistungen von mehr als 8 kW ist dies nicht mehr möglich.
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Eine
aus dem Stand der Technik bekannte Kathode ist in 1 gezeigt.
Bei einer Kathode 1', die
wegen ihrer Größe und ihres
Thoriumgehalts in der Gesamtaktivität oberhalb der kritischen Grenze liegen
würde,
wird die Aktivität
durch die Verwendung von zwei mechanisch miteinander verbundenen
Materialien eingestellt, von denen eines mit Thoriumoxid dotiert
ist. Die Kathode 1' umfasst
dazu einen vorderen Spitzenbereich 11', welcher aus einem thorierten Werkstoff
gefertigt ist. Dieser Block 11' ist auf einen zweiten, in Längsrichtung
dahinter angeordneten Bereich 12' aufgesetzt, welcher aus thoriumfreien
Material ausgebildet ist. Die in 1 gezeigte
Kathode 1' ist
in ihrer Herstellung relativ aufwendig. Die beiden Teile 11' und 12' der Kathode 1' werden relativ
aufwendig verbunden, wobei dazu beispielsweise eine Lötung oder
Verschraubung vorgesehen ist. Neben dieser relativ aufwendigen Herstellung
und Zusammenfügung
können
bei einer derartig ausgebildeten Kathode 1' Startprobleme der Entladungslampe
auftreten. Diese können
dadurch verursacht werden, dass ein Ansetzen des Lichtbogens im
Verbindungsbereich zwischen diesen beiden Teilen 11' und 12' auftreten kann
und nicht wie erforderlich an dem vordersten Ende des Spitzenbereichs 11'.
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Darstellung der Erfindung
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Daher
ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Elektrode für eine Entladungslampe
sowie ein Verfahren zu schaffen, mit welchem die Elektrode aufwandsärmer hergestellt
werden kann und darüber hinaus
die kritische Grenze im Hinblick auf die Aktivität des Materials dieser Elektrode
im erforderlichen Bereich zu halten. Des Weiteren ist es auch Aufgabe, eine
entsprechende Entladungslampe mit einer derartigen Elektrode sowie
ein Herstellungsverfahren einer derartigen Entladungslampe zu schaffen.
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Diese
Aufgaben werden durch eine Elektrode, welche die Merkmale nach Patentanspruch
1 aufweist, sowie eine Entladungslampe, welche die Merkmale nach
Patentanspruch 10 aufweist, gelöst. Darüber hinaus
werden die Aufgaben auch durch ein Verfahren, welches die Merkmale
nach Patentanspruch 16 aufweist, gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Elektrode
für eine Entladungslampe
umfasst einen zylindrischen Schaft und eine an diesen zylindrischen
Schaft anschließende
Spitze. In Längsrichtung
der Elektrode ist ein Kern ausgebildet, welcher zumindest bereichsweise
von einem Mantel umgeben ist. Der Kern wird dabei von einem ersten
Materialbereich gebildet, wobei der Kern von einem zweiten, den
Mantel bildenden Materialbereich umgeben ist, wobei die Materialbereiche in
ihren Zusammensetzungen verschieden sind. Durch eine derartige Strukturgebung
der Elektrode kann die Herstellung dieser vereinfacht werden und insbesondere
der Verbindungsbereich zwischen den beiden Materialbereichen und
somit zwischen dem Kern und dem Mantel aufwandsärmer ermöglicht werden. Darüber hinaus
kann mit einer derartigen Elektrode auch den gesetzlichen Anforderungen
im Hinblick auf die Grenze der kritischen Aktivität der Materialien
und insbesondere des ersten Materialbereichs genüge getan werden.
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Bevorzugt
erstreckt sich der Kernbereich über
die gesamte Länge
des Schafts und der Spitze, wodurch ein in Längsrichtung der Elektrode vollständig durchlaufender
Kernbereich als erster Materialbereich ausgebildet ist. Es kann
auch vorgesehen sein, dass sich der Kern und somit der erste Materialbereich
nur teilweise über
die gesamte Länge
der Elektrode erstreckt. Der Kern ist somit im Wesentlichen vollständig eingebettet
in dem Mantel angeordnet.
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Bevorzugt
ist der Kern lediglich an einem vorderen Ende der Spitze über eine
vorgebbare Länge
freigelegt. Der erste Materialbereich ist somit in vorteilhafter
Weise lediglich an diesem vorderen Ende freiliegend, in dem sich
der Mantel und somit der zweite Materialbereich nicht über die
gesamte Länge der
Elektrode erstreckt. Die Betriebsbedingungen der Lampe und insbesondere
die Kathodenspitzentemperatur kann dadurch reduziert werden. Nicht zuletzt
kann dadurch auch das Ansetzen des Lichtbogens örtlich sehr fokussiert und
darüber
hinaus auch im gewünschten
Bereich der Elektrode gehalten werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise wird die Elektrode und insbesondere
die Ausgestaltung der Materialbereiche sowie insbesondere die Verbindung zwischen
dem ersten Materialbereich und dem zweiten Materialbereich durch
einen Sinterprozess ausgebildet. Daher ist eine aufwendig zu installierende mechanische
Verbindung, wie dies im Stand der Technik beispielsweise durch Lötung oder
Verschraubung der Fall ist, bei dieser Elektrode nicht mehr erforderlich.
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Der
erste Materialbereich ist in bevorzugter Weise in Längsrichtung
der Elektrode um deren Längsachse
ausgebildet und zentriert in der Elektrode angeordnet. Diese mittige
Anordnung des stabförmigen
Kerns ermöglicht
dann die Ausgestaltung eines den Kern gleichmäßig umgebenden Mantels, wodurch
in Bezug auf die Längsachse
eine symmetrische Ausbildung möglich
ist. Auch dadurch kann die Funktionsweise der Elektrode positiv
beeinflusst werden.
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Der
erste Materialbereich ist in vorteilhafter Weise aus einem Wolframmaterial
ausgebildet, welches thoriumhaltig ist und somit insbesondere mit Thoriumoxid
dotiert ist. Das Wolframmaterial des ersten Materialbereichs kann
jedoch auch mit allen anderen Materialien, welche als Elektrodenwerkstoff geeignet
sind, dotiert sein. Beispielsweise kann auch eine Dotierung des
Wolframmaterials mit Lanthanoxid oder Yttriumoxid oder anderen bekannten
Dotierungen und Zumischungen erfolgen. Der erste Materialbereich
kann jedoch auch aus einem anderen Material oder einer anderen Materialkombination
ausgebildet sein.
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Der
zweite Materialbereich ist bevorzugt aus einem Wolframmaterial und
thoriumfrei ausgebildet.
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Durch
das Verfahren kann auch bei relativ großen Elektroden im ersten Materialbereich
ein homogen gemischter Werkstoff erzeugt werden.
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Es
kann eine Elektrode, insbesondere eine Kathode, hergestellt werden,
welche aus einem Kompositwerkstoff, insbesondere einem Wolfram-Kompositwerkstoff,
ausgebildet ist. Dieser Kompositwerkstoff weist in seinem inneren,
achsennahen Kern bevorzugterweise einen thorierten Materialbereich
auf, während
der darüber
liegende Mantel thoriumfrei ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung kann
eine Elektrode mit einer deutlich geringeren Radioaktivität im Vergleich
zu einer gleichgroßen
Elektrode aus vollständig
thoriertem Wolfram geschaffen werden. Auch im Hinblick auf das Rückbrandverhalten
zeichnet sich bei der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Elektrode
kein im Vergleich zur aus dem Stand der Technik bekannten Elektrode
nachteiliges Verhalten auf.
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Darüber hinaus
kann auch ein falsches Ansetzen des Lichtbogens an der Verbindungsstelle, wie
dies bei der Kathode 1' gemäß 1 der
Fall ist, verhindert werden. Ein weiterer Vorteil dieser vorgeschlagenen
Komposit-Elektrode
besteht auch darin, dass im Verlauf der Lebensdauer das Auftreten
eines falschen Lichtbogenansatzes, z. B. an der Kathodenkante bei
Neustart der Entladungslampe, vermieden wird. Der Grund hierfür ist darin
zu sehen, dass der Lichtbogen bevorzugt an Stellen mit erniedrigter Austrittsarbeit
ansetzt und somit bevorzugt in thorierten Materialbereichen. Da
jedoch bei der bevorzugten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Elektrode der
Mantel nicht thoriert ist, kann auch hier kein Lichtbogen ansetzen.
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Vorzugsweise
ist das Verhältnis
des Durchmessers des Kerns der Elektrode zum Durchmesser der gesamten
Elektrode im Wertebereich zwischen 0,1 und 0,7. Besonders bevorzugt
ist dabei ein Wert von etwa 0,4. Durch diese Dimensionierung kann
ein Optimum im Hinblick auf die Größe der Kathode sowie deren
optimales Betriebsverhalten und auch den erforderlichen gesetzlichen
Bestimmungen im Hinblick auf die kritische Aktivität erreicht
werden.
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Die
Elektrode weist in vorteilhafter Ausführung einen Durchmesser größer oder
gleich 12 mm, insbesondere größer oder
gleich 15 mm, auf.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Entladungslampe, insbesondere
eine Hochdruckentladungslampe, welche eine erfindungsgemäße Elektrode
oder eine vorteilhafte Ausführung
davon umfasst. Bevorzugt ist die Entladungslampe derart ausgebildet,
dass sie eine elektrische Leistung größer gleich 4 kW, insbesondere
größer gleich
5 kW, aufweist. Besonders vorteilhaft erweist sich die vorgeschlagene
Elektrode für
Entladungslampen, welche sogar elektrische Leistungen größer 8 kW
aufweisen. Durch die Ausgestaltung der Elektrode kann auch bei Entladungslampen
mit derartigen Leistungen der Grenzwert der Aktivität eingehalten
werden.
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Die
Entladungslampe kann als Quecksilberdampflampe oder als Xenonlampe
ausgebildet sein. Bei einer Ausgestaltung als Quecksilberdampflampe kann
die Quecksilberkonzentration bevorzugt größer oder gleich 8 mg/ccm, insbesondere
größer oder gleich
10 mg/ccm, sein. Ist die Entladungslampe als Xenonlampe ausgebildet,
ist ein Xenon-Kaltfülldruck bevorzugterweise
größer 6 bar,
insbesondere größer 8 bar.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum
Herstellen einer Elektrode für
eine Entladungslampe wird die Elektrode mit einem zylindrischen Schaft
und einer an den zylindrischen Schaft anschließenden Spitze ausgebildet.
In Längsrichtung der
Elektrode wird ein einen Kern bildender erster Materialbereich ausgebildet
und es wird ein zumindest bereichsweise den Kern umgebender Mantel ausgebildet,
wobei der Mantel durch einen zweiten Materialbereich, welcher in
seiner Zusammensetzung vom ersten Materialbereich verschieden ist, ausgebildet
wird. Durch dieses Verfahren kann eine Elektrode geschaffen werden,
welche den gesetzlichen Bestimmungen im Hinblick auf die kritische
Aktivität
der Materialien der Elektrode genügt und dennoch aufwandsarm
hergestellt werden kann. Insbesondere sind bei dieser Ausgestaltung
die beiden Materialbereiche in vorteilhafter Weise durch einen Sinterprozess
erzeugt, wodurch die mechanische Verbindungen zwischen den Materialien
nicht mehr in zumindest einem weiteren separaten, aufwendigen und
im Hinblick auf das Zusammenfügen
relativ ungenauen Fertigungsschritt ausgebildet werden muss. Dadurch
kann auch eine Entladungslampe hergestellt werden, welche eine derartig
ausgebildete Elektrode umfasst, wodurch auch Entladungslampen mit
sehr hohen elektrischen Leistungen den Grenzwert der Aktivität der Materialien
der Elektrode nicht überschreiten.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Elektrode sowie der erfindungsgemäßen Entladungslampe
sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Herstellen einer Elektrode sowie als vorteilhafte Ausgestaltungen
zum Herstellen einer Entladungslampe mit einer derartigen Elektrode
anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Kathode;
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2 eine
Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Elektrode; und
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3 eine
Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Hochdruckentladungslampe.
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Bevorzugte Ausführung der
Erfindung
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2 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung durch eine als Kathode 1 ausgebildete
Elektrode. Die Kathode 1 umfasst eine Spitze 11,
welche im Ausführungsbeispiel
kegelförmig
ausgebildet ist. Die Spitze 11 geht in einen zylindrischen
Schaft 12 über.
In Längsrichtung
der Kathode 1 und somit in Richtung der Längsachse
A weist die Kathode 1 eine Länge I1 auf, welche sich aus
der Länge
I2 des zylindrischen Schafts 12 und der Länge I3 der
Spitze 11 zusammensetzt. Die gezeigte Ausgestaltung ist
lediglich beispielhaft und kann sowohl in den Längenverhältnissen als auch in den Formgebungen
variieren.
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Wie
aus der Darstellung in 2 zu erkennen ist, umfasst die
Kathode 1 einen Kern 13, welcher im Ausführungsbeispiel
mittig und zentriert in der Kathode 1 angeordnet ist und
somit im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse
A ausgebildet ist. Im Ausführungsbeispiel
erstreckt sich der Kern 13, welcher durch einen ersten
Materialbereich ausgebildet ist und im Ausführungsbeispiel aus einem thoriumhaltigen
Wolframmaterial ausgebildet ist, über die gesamte Länge der
Kathode 1. Der Kern 13 ist mit Thoriumoxid dotiert.
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Dieser
Kern 13 ist von einem Mantel 14 umlaufend umgeben,
wobei der Mantel 14 durch einen zweiten Materialbereich
gebildet ist, welcher im Ausführungsbeispiel
thoriumfreies Wolframmaterial ist.
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In
der gezeigten Ausführung
erstreckt sich der Kern 13 an einem vorderen Ende der Spitze 11 über den
Mantel 14 hinaus. Es wird dabei ein erhabener Bereich ausgebildet,
welcher sich über
die Länge I4 über den
Mantel 14 hinaus erstreckt. In diesem vorderen Bereich
ist der Kern 13 somit über
diese Länge
I4 freiliegend angeordnet und nicht von dem Mantel 14 umgeben.
Sowohl die schematisch dargestellten Längen I1 bis I4 als auch die
jeweiligen Verhältnisse
dieser Längen
I1 bis I4 zueinander sind lediglich beispielhaft und können ebenfalls
situationsabhängig
und bedarfsabhängig
anderweitig ausgebildet sein. Ebenso kann vorgesehen sein, dass
sich der Kern 13 nicht über
die gesamte Länge
I1 der Kathode 1 erstreckt, sondern beispielsweise sich
nur im Bereich der Spitze 11 erstreckt und ausgehend von dem
vorderen Ende der Spitze 11 beispielsweise sich über die
Länge I3
erstreckt. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich dieser Kern 13 ausgehend
von der Spitze 11 noch bis in den zylinderförmigen Schaft 12 hinein
erstreckt.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist dieser Kern 13 stiftartig ausgebildet und weist über die
Länge I1
einen im Wesentlichen gleichen Durchmesser d1 auf. Lediglich im
vorderen Ende der Spitze 11 und somit über die Länge I4 ist dieser Kern 13 konusförmig und somit
verjüngt
ausgebildet. Diese stiftartige Ausgestaltung des Kerns 13 ist
nicht zwingend und der Durchmesser d1 sowie die Formgestaltung des Kerns 13 können auch
anderweitig gestaltet sein. Insbesondere kann der Durchmesser d1
auch im Bereich des Schaftes 12 und den dann in die Spitze 11 hineinragenden
Bereich variieren.
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Dadurch
kann insbesondere im Hinblick auf den Einsatz der Elektrode in Lampen,
welche relativ hohe elektrische Leistungen aufweisen und insbesondere
elektrische Leistungen größer 8 kW
aufweisen, eine bedarfsgerechte Ausgestaltung insbesondere des Kerns 13 ermöglicht werden,
welche dann auch den gesetzlichen Bestimmungen im Hinblick auf die
Grenzwerte der Radioaktivität
genügen.
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Beispielsweise
kann hier auch vorgesehen sein, dass der Kern 13 insbesondere
im Bereich der Spitze 11 aufgeweitet ausgebildet ist und
somit praktisch aufgeweitet an die schrägen Ränder der Spitze 11 mündet. Ausgehend
von dem in 2 im unteren Bereich des zylinderförmigen Schaftes 12 gezeigten Durchmesser
d1 würde
bei einer derartigen Ausgestaltung eine Vergrößerung, insbesondere eine kontinuierliche
Vergrößerung,
des Durchmessers d1 des Kerns 13 in Richtung zur Spitze 11 und
insbesondere in Richtung zum vorderen Bereich dieser Spitze 11, bis
die Randbereiche des Kerns 13 an die schrägen Kanten
der Spitze 11 münden,
ausgebildet sein. Von dort bis zur Endlänge I1 würde dann wieder eine Abnahme
des Durchmessers des Kerns 13 aufgrund der schrägen Kanten
der Spitze 11 einhergehen, wie dies in 2 über die
Länge I4
beispielhaft gezeigt ist. Es könnte
auch vorgesehen sein, dass diese kontinuierliche Aufweitung und
somit die kontinuierliche Vergrößerung des
Durchmessers des Kerns 13 erst mit dem Übergang von dem Schaft 12 in
die Spitze 11 beginnt und nach oben hin fortgesetzt wird.
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Neben
dem in 2 eingezeichneten Durchmesser d1 des Kerns 13 ist
auch der gesamte Durchmesser d2 der Kathode 1 gezeigt.
Im Ausführungsbeispiel
weist das Verhältnis
zwischen dem Durchmesser d1 und dem Durchmesser d2 einen Wert 0,4 auf.
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Die
in 2 gezeigte Kathode 1 ist durch einen
Sinterprozess hergestellt, wobei insbesondere die beiden Materialbereiche
und somit der Kern 13 und der Mantel 14 durch
den Sinterprozess verbunden werden. Die Kathode 1 ist somit
als Komposit-Elektrode ausgebildet und aus einem Wolfram-Kompositwerkstoff
hergestellt.
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In 3 ist
in schematischer Weise eine Hochdruckentladungslampe I gezeigt,
welche eine Kathode 1 gemäß der Ausgestaltung in 2 aufweist.
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Darüber hinaus
ist eine Anode 2 ausgebildet, wobei die Kathode 1 an
einem Haltestab 3 und die Anode 2 an einem Haltestab 4 befestigt
sind. Diese Haltestäbe 3 bzw. 4 münden dann
jeweils in weitere Befestigungselemente 5 bzw. 6,
beispielsweise Quarzstäbe.
Diese genannten Komponenten der Hochdruckentladungslampe I sind
in einem Entladungsgefäß 7 aus
Quarzglas angeordnet, wobei insbesondere die Anode 2 und
die Kathode 1 in einem elliptisch ausgebildeten Entladungskolben 71 angeordnet
sind. Die Haltestäbe 3 und 4 sind
mit einer nicht dargestellten Molybdänfolie verbunden, welche in
die rohrförmigen
Enden des Entladungsgefäßes 7 vakuumdicht
eingeschmolzen ist. Darüber
hinaus umfasst die Hochdruckentladungslampe Anschlusssockel 8 und 9.