DE102010011980A1

DE102010011980A1 - Entladungslampe vom Kurzbogentyp

Info

Publication number: DE102010011980A1
Application number: DE102010011980A
Authority: DE
Inventors: Takeo Himeji-shi Matsushima; Yoshio Himeji-shi Kagebayashi
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-19
Publication date: 2010-10-07
Also published as: CN101847562A; KR20100108195A; JP2010232023A; US20100244689A1; TW201036025A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathode, bestehend aus einem Wolfram-Material, welches ein Elektronen-Emissionsmaterial enthält, mit einem sich verjüngenden Teil, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitze hin verringert und an dessen Spitze eine Spitzenfläche ausgebildet ist, in der eine kleine Öffnung vorhanden ist, die sich von der Spitzenfläche ausgehend in das Innere der Kathode erstreckt. Die kleine Öffnung auf der Spitzenfläche ist in der Weise ausgebildet, dass sie wenigstens zwei Wolfram-Kristallkörner überbrückt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp, welche die erfindungsgemäße Kathode umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp, welche für eine Lichtquelle zum Zweck einer Belichtung auf dem Gebiet der Herstellungen von Halbleitern sowie Flüssigkristallen und in ähnlichen Gebieten oder für eine Lichtquelle eines Filmprojektors, eines Digitalkinos und dergleichen angewendet wird.
Eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp, in welche Quecksilber eingefüllt ist, wird in Kombination mit einem optischen System als Lichtquelle einer Belichtungsvorrichtung mit einem hohen Sammelwirkungsgrad benutzt, weil sie einen kleinen Abstand zwischen den Spitzen eines Paares Elektroden, welche innerhalb einer Leuchtröhre gegenüberliegend angeordnet sind, aufweist, und weil sie einer Punktlichtquelle ähnlich ist. Ferner wird eine Kurzbogenlampe, in welche Xenon eingefüllt ist, als Lichtquelle für sichtbare Strahlung in einem Filmprojektor oder dergleichen verwendet. In den letzten Jahren wird sie auch als Lichtquelle für ein Digitalkino verwendet.
Bei diesen Kurzbogenlampen sind herkömmlicherweise solche weit bekannt, bei welchen die jeweilige Kathode ein Elektronen-Emissionsmaterial (nachfolgend auch einfach Emitter genannt) enthält. Ferner ist als Lampe, welche eine Kathode aufweist, die einen Emitter enthält, eine Lampe bekannt ( JP-A-11-96965 ), bei welcher die Kathode mit einer kleinen Öffnung zum Zuführen des Emitters versehen ist. 1 ist eine Gesamtansicht, welche eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp 1 zeigt. 7 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung, welche die Kathode der Entladungslampe vom Kurzbogentyp gemäß der JP-A-11-96965 zeigt.
In 1 besteht eine Leuchtröhre 10 der Entladungslampe vom Kurzbogentyp 1 aus Glas und weist einen im Wesentlichen kugelförmigen Emissionsteil 11 sowie hermetisch abschließende Teile 12 an seinen beiden Teilen auf. In einem Raum S, welcher innerhalb der Leuchtröhre 10 gebildet ist, ist ein Paar Elektroden, nämlich eine Kathode 20 und eine Anode 30, gegenüberliegend angeordnet. Die Kathode 20 und die Anode 30 sind so ausgeführt, dass an den Spitzen Hauptteile vorhanden sind, in die Achsteile 22, 32 eingefügt werden. Das Material der Kathode 20 ist Wolfram, welches Thoriumdioxid als Elektronen-Emissionsmaterial enthält.
Wie in 7 gezeigt, weist die Kathode 20 einen Hauptteil 21 an der Spitze auf. Am hinteren Ende des Hauptteils 21 ist eine Einfügungsöffnung 23 gebildet, welche dazu dient, den Achsteil 22 einzufügen. Die Spitze des Hauptteils 21 weist eine flache Spitzenfläche 25 auf, und zugleich ist auf dieser Spitzenfläche 25 eine kleine Öffnung 26 gebildet, welche sich in der Längsrichtung der Kathode erstreckt. Der in diese kleine Öffnung 26 gelangte Emitter wird unter Ausnutzung der Oberflächendiffusion auf der Innenumfangsfläche dieser kleinen Öffnung 26 aus der kleinen Öffnung 26 heraus nach außen abgegeben und einem Lichtbogen zugeführt.
In den letzten Jahren tritt jedoch entsprechend einer Vergrößerung der Lampe infolge einer Erhöhung der Ausgangsleistung der Lampe der Nachteil auf, dass der Schwankungskoeffizient der Beleuchtungsintensität auf der Belichtungsfläche sich in kurzer Zeit vergrößert. Man kann sich vorstellen, dass dieser Nachteil deshalb auftritt, weil die Zufuhr des Emitters von der Kathodenseite zur Spitze mangelhaft wird.
Die Erfinder haben zur Beseitigung dieses Nachteils eine Kurzbogenlampe hergestellt, welche die in 7 gezeigte Kathode aufweist, und mit dieser einen Betriebstest durchgeführt. In der JP-A-11-96965 steht, dass bei der Lampe durch Versehen des Spitzenbereiches der Kathode mit einer vorgegebenen Öffnung die Oberflächendiffusion des Emitters vergrößert wird. Nach Vornahme dieser Anordnung wurde erwartet, den Mangel der Emitterzufuhr beseitigen zu können. Der Schwankungskoeffizient der Beleuchtungsintensität vergrößerte sich jedoch auch bei dieser Lampe. Die Lampe wurde zerstört und die Kathode analysiert, wodurch herausgefunden wurde, dass die an der Kathodenspitze gebildete kleine Öffnung verschwunden war. Ferner wurde der Hauptteil der Kathode in der Längsrichtung geschnitten, geschliffen und begutachtet, wodurch herausgefunden wurde, dass ein Kristallkorn den Austritt der kleinen Öffnung versperrt hatte. Andererseits wurde ein Betriebstest einer Lampe mit derselben Spezifikation durchgeführt, in einem Zustand vor dem Entstehen der Vergrößerung des Schwankungskoeffizienten der Beleuchtungsintensität die Kathode analysiert, wobei eine Lücke beobachtet wurde, auch wenn die kleine Öffnung dabei war, verschlossen zu werden.
Das heißt, man kann vermuten, dass die Kathodenspitze beim Betrieb eine hohe Temperatur erreicht, wodurch ein Wolfram-Kristallkorn durch einen Wärmetransport wächst und somit die kleine Öffnung versperrt, und dass dadurch keine Zufuhr des Emitters erfolgt, was dazu führt, dass der Lichtbogen instabil wird.
Die Erfindung wurde gemacht, um den vorstehend beschriebenen Nachteil im Stand der Technik zu beseitigen. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Entladungslampe vom Kurzbogentyp anzugeben, welche eine Kathode aufweist, bei welcher man verhindert, dass der Austritt einer kleinen Öffnung, die auf der Spitzenfläche der Kathode aus Wolfram angebracht ist, durch den Betrieb verschlossen wird, und so dem Lichtbogen auf stabile Weise ein Elektronen-Emissionsmaterial zugeführt und eine Schwankung der Beleuchtungsintensität verhindern kann.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Kathode gemäß Anspruch 1 sowie einer Entladungslampe vom Kurzbogentyp nach Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Entladungslampe vom Kurzbogentyp, die die erfindungsgemäße Kathode enthält, ist die Kathode innerhalb einer Leuchtröhre einer Anode gegenüberliegend angeordnet. Die Kathode besteht aus einem Wolfram-Material, welches ein Elektronen-Emissionsmaterial enthält Sie umfasst einen sich verjüngenden Teil, welcher in Richtung auf die Spitze im Durchmesser immer mehr abnimmt, eine Spitzenfläche, welche auf der Spitzenseite des sich verjüngenden Bereiches gebildet ist und eine kleine Öffnung aufweist, die sich von der Spitzenseite ausgehend in das Innere der Kathode erstreckt. Die kleine Öffnung ist auf ihrer Spitzenfläche in der Weise ausgebildet, dass sie wenigstens zwei Wolfram-Kristallkörner überbrückt.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist auf der Innenseite der kleinen Öffnung eine Wolframcarbidschicht angebracht ist.
Bei der Erfindung wird durch die Anordnung der kleinen Öffnung auf der Kathoden-Spitzenfläche in der Weise, dass sie wenigstens zwei Kristalle überbrückt, erschwert, dass die kleine Öffnung durch das Wachstum des Kristallkorns verschlossen wird. Man kann somit den Emitter auf stabile Weise dem Spitzenbereich der Kathode zuführen. Ferner kann man erfindungsgemäß durch die Anordnung der Carbidschicht auf der Innenumfangsfläche der kleinen Öffnung den Oxid-Emitter reduzieren und die Zufuhrmenge durch die kleine Öffnung hindurch zum Lichtbogen hin vergrößern.
Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Teile. Dabei zeigen schematisch:
1 eine schematische Darstellung der Gesamtanordnung einer Entladungslampe vom Kurzbogentyp;
2(a) und (b) jeweils eine schematische Teilansicht der Kathode der Entladungslampe vom Kurzbogentyp gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, wobei 2(a) eine Querschnittsdarstellung in der Achsrichtung und 2(b) eine Ansicht ist, in welcher die Kathode von der Spitze her in der Längsrichtung betrachtet wird;
3 eine Ansicht zur Darstellung des Spitzenbereiches der erfindungsgemäßen Kathode;
4(a) und (b) jeweils eine schematische Darstellung der Position der schmalen Öffnung, welche im Spitzenbereich der erfindungsgemäßen Kathode angebracht ist;
5 eine Tabelle der Versuchsergebnisse der erfindungsgemäßen Kurzbogenlampe;
6(a) und (b) jeweils eine schematische Teilansicht der Kathode der Entladungslampe vom Kurzbogentyp gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
7 eine Querschnittsdarstellung der Kathode einer herkömmlichen Entladungslampe vom Kurzbogentyp.
1 ist eine schematische Darstellung der Anordnung einer erfindungsgemäßen Entladungslampe vom Kurzbogentyp. Eine Leuchtröhre 10 weist einen in der Mitte befindlichen, im Wesentlichen kugelförmig gebildeten Emissionsteil 11 auf sowie säulenförmige, hermetisch abschließende Teile 12 an den beiden Enden. In der Leuchtröhre 10 sind ein Hauptteil 21 einer Kathode 20 und ein Hauptteil 31 einer Anode 30 gegenüberliegend angeordnet, und es sind zugleich Emissionsstoffe eingefüllt.
Die Kathode 20 besteht aus dem Hauptteil 21 mit einem sich verjüngenden Teil, der seinen Durchmesser in Richtung auf den Hauptteil 31 der Anode 30 hin allmählich verkleinert, sowie aus einem stabförmigen Achsteil 22, welcher an die Basisseite des Hauptteils 21 angrenzt. Der Spitzenbereich des Achsteils 22 ist in eine Sacklochöffnung auf der Basisseite des Hauptteils 21 eingefügt.
Die Anode 30 besteht aus dem Hauptteil 31, auf dessen Spitzenseite eine Rundung gebildet ist, sowie aus einem stabförmigen Achsteil 32, welcher an die Basisseite dieses Hauptteils 31 angrenzt. Der Spitzenbereich des Achsteils 32 ist in eine Sacklochöffnung auf der Basisseite des Hauptteils 31 eingefügt.
Bei der Kathode 20 sowie der Anode 30 bestehen die jeweiligen Hauptteile 21, 31 sowie die jeweiligen Achsteile 22, 32 zwar aus voneinander unabhängigen Bauteilen. Die jeweiligen Hauptteile und die jeweiligen Achsteile können jedoch auch jeweils als ein einziges Bauteil miteinander einteilig gebildet sein.
Als Material der Kathode 20 sowie der Anode 30 wird Wolfram verwendet. Dieses Wolfram-Material enthält ein Elektronen-Emissionsmaterial. Als Elektronen-Emissionsmaterial kann man Thoriumdioxid (ThO₂), Yttriumoxid (Y₂O₃) oder Lanthanoxid (La₂O₃), Cer(III)-oxid oder Cerdioxid (Ce₂O₃ oder CeO₂), Gadoliniumoxid (Gd₂O₃), Dysprosiumoxid (Dy₂O₃), Samariumoxid (Sm₂O₃), Neodymoxid (Nd₂O₃) oder dergleichen als Oxid auf der Basis der Lanthanoid-Serie vorteilhaft verwenden. Im Wolfram ist beispielsweise Thoriumdioxid in einer Menge von ca. 2 Gew.-% enthalten. Wenn derartiges Elektronen-Emissionsmaterial enthalten ist, hat man die Wirkung, dass sich die Austrittsarbeit der Elektroden verringert und die Elektronenemission erleichtert wird.
Da der Lichtbogen mit der Kathodenspitze in Kontakt kommt, erreicht das Wolfram mit einer niedrigen Dichte wegen seiner schlechten Wärmeleitung eine hohe Temperatur, wodurch die Spitze abgenutzt wird. Als Wolfram-Material, welches für die Kathode verwendet wird, ist deshalb Wolfram-Material mit einer Dichte von mindestens 18 g/cm³, bevorzugt mindestens 19 g/cm³, vorteilhaft.
Der Hauptemissionsstoff, welcher eingefüllt wird, ist Quecksilber, dessen Einfüllmenge beispielsweise bei mindestens 1 mg/cm³ liegt. Im Fall einer Einfüllung von Quecksilber kann man zudem als Hilfsgas auch 0,01 MPa bis 1 MPa (Raumtemperatur) Edelgas, beispielsweise wenigstens eines von Xenongas, Argongas und Kryptongas, einfüllen.
Der einzufüllende Hauptemissionsstoff kann auch ein Edelgas sein. Beispielsweise wird mindestens 0,5 MPa (Zimmertemperatur) Xenongas eingefüllt.
In den jeweiligen hermetisch abschließenden Teilen 12 an den beiden Enden der Leuchtröhre ist jeweils eine in der Zeichnung nicht dargstellte Molybdänfolie eingelegt, welche an den Achsteil der Elektrode elektrisch angeschlossen ist. Somit wird eine gasdicht hermetisch abschließende Anordnung gebildet. Vom Außenende des jeweiligen hermetisch abschließenden Teils 12 steht ein Außenanschluss 13 über, welcher an die Molybdänfolie elektrisch angeschlossen ist. Dieser Außenanschluss 13 ist an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Speisevorrichtung angeschlossen, durch die Strom zugeführt wird.
Die hermetisch abschließende Anordnung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Anordnung beschränkt. Im Fall einer Entladungslampe für einen Filmprojektor, in welche hauptsächlich Xenon eingefüllt ist, wird keine Folie verwendet, und der Achsteil der Elektrode wird durch ein Gradientenglas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, welcher sich vom Wärmeausdehnungskoeffizienten des für die Leuchtröhre verwendeten Glases unterscheidet, unmittelbar hermetisch abgeschlossen.
2(a) und (b) zeigen jeweils in einer Ansicht die Kathode der Entladungslampe vom Kurzbogentyp gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. 2(a) ist eine Querschnittsdarstellung, in welcher der Hauptteil der Kathode entlang der Längsrichtung geschnitten ist. 2(b) ist eine Ansicht, in welcher die Spitze dieses Kathoden-Hauptteils in der Längsrichtung betrachtet wird.
Der Hauptteil 21 der Kathode 20 weist einen größeren Durchmesser auf als der Achsteil 22 und ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet. Er weist einen sich verjüngenden Teil 24 auf, dessen Durchmesser in Richtung auf seine Spitze hin kleiner wird. An der Spitze des sich verjüngenden Teils 24 ist eine Spitzenfläche 25 gebildet, welche beispielsweise eben ist. In dem in dieser Zeichnung gezeigten Fall ist der Hauptteil 21 kegelstumpfförmig gebildet. Der Kegelwinkel des sich verjüngenden Teils 24 liegt bei 40° bis 90°, beispielsweise bei 60°.
Die kleine Öffnung 26 weist auf der Spitzenfläche 25 ihr Öffnungsende auf und ist entlang der Längsrichtung der Kathode 20 ausgebildet. Der Durchmesser der Spitzenfläche 25 (nachfol gend auch Spitzendurchmesser genannt) liegt bei 0,4 mm bis 3 mm, beispielsweise bei 1,2 mm. Der Innendurchmesser der kleinen Öffnung 26 (nachfolgend auch Öffnungsdurchmesser genannt) liegt bei 0,08 mm bis 1 mm, beispielsweise bei 0,1 mm. Man kann zwar die kleine Öffnung 26 normalerweise mit einem kreisförmigen Querschnitt auf einfache Weise herstellen. Sie kann jedoch auch einen rechteckigen oder sonstigen Querschnitt aufweisen.
Im Fall eines zu großen Durchmessers der kleinen Öffnung verringert sich der Flächeninhalt der Spitzenfläche, und die Stromdichte erhöht sich. Die Kathodenspitze verformt sich durch eine Temperaturerhöhung häufiger. Das Wachstum der Wolfram-Kristallkörner wird beschleunigt. Es ist deshalb vorteilhaft, die vorstehend beschriebenen Bereiche einzuhalten.
Auf der Seite der Basis des Hauptteils 21 ist eine Einfügungsöffnung 23 gebildet, welche dazu dient, den Achsteil 22 einzufügen. Der Achsteil 22 wird darin eingefügt.
Außer einer Ebene kann die Spitzenfläche 25 auch die nachfolgend beschriebene Fläche sein.
3 ist eine vergrößerte Querschnittsdarstellung der Kathode zur Darstellung eines weiteren Beispiels der Spitzenfläche. Wie in 3 gezeigt, ist an der Spitze der Kathode 20 eine Spitzenfläche 25 als Kugelfläche gebildet. Da auch auf dieser Spitzenfläche 25 während des Betriebs ein Lichtbogen gebildet wird, kann man im Hinblick auf die Bildung der kleinen Öffnung 26 und die stabile Zufuhr des Emitters dieselbe Wirkung erhalten.
Der in der Kathode 20 enthaltene Emitter ist in Form eines Oxids im Metall vorhanden. Der Emitter wird im Hochtemperaturbereich reduziert und bewegt sich von der Innenseite der Kathode durch eine Korngrenzendiffusion oder eine Transgranular-Diffusion zur Oberfläche, oder er bewegt sich durch eine Oberflächendiffusion innerhalb der Oberfläche.
Bei einer Kathode 20 ohne kleine Öffnung 26 diffundiert der im sich verjüngenden Teil 24 enthaltene Emitter zur Oberfläche und wird der Spitzenfläche 25 der Kathode 20 zugeführt. Wegen der hohen Temperatur in der Nachbarschaft der Spitze verschwindet jedoch viel Emitter, ohne der Spitzenfläche 25 zugeführt zu werden. Auch der Emitter, welcher ohne zu verschwinden die Spitzenfläche 25 der Kathode 20 erreicht, kann der Kathodenspitze nicht mehr auf stabile Weise zugeführt werden, weil die Zufuhr dadurch stagniert, dass die Quelle des Emitters, der an die Oberfläche des sich verjüngenden Teils 24 abgelagert ist, sich immer mehr erschöpft. Somit entsteht ein Mangel an Emitter auf der Spitzenfläche 25.
Wenn innerhalb der Spitzenfläche 25 eine kleine Öffnung 26 vorhanden ist, grenzt die Oberfläche innerhalb der kleinen Öffnung 26 an die Spitzenfläche an. Zugleich ist die Mündung der kleinen Öffnung 26 auch ein Ort, in welchem während des Betriebs ein Lichtbogen gebildet wird. Man kann deshalb den Emitter von der Oberfläche der Innenumfangsfläche der kleinen Öffnung 26 ausgehend einer Position, an welcher ein Lichtbogen gebildet wird, durch eine Oberflächendiffusion oder eine Gasphasendiffusion zuführen.
Der von der Innenseite der kleinen Öffnung 26 zugeführte Emitter wird ferner notwendigerweise dem Lichtbogen zugeführt. Der im Lichtbogen verdampfte Emitter kehrt wieder zur Kathode zurück, da er kationisch wird. Somit wird sein Verschwinden erschwert.
Die kleine Öffnung 26 wird deshalb zu einer Bahn für eine Zufuhr des Emitters zum Spitzenbereich der Kathode aus dem Inneren des Hauptteils 21 der Kathode. Man kann somit den Emitter noch stabiler zuführen als bei einer Zufuhr, welche von der Außenoberfläche oder von der Spitze der Kathode 20 ausgehend durchgeführt wird.
Im Fall einer Anordnung der kleinen Öffnung im sich verjüngenden Teil 24 unterliegt der von hier geförderte Emitter demselben Prozess wie bei der Kathode ohne kleine Öffnung 26, wodurch ein Mangel an Emitter auf der Spitzenfläche 25 hervorgerufen wird.
Diese kleine Öffnung 26 ist eine sehr kleine Öffnung mit einem Innendurchmesser von beispielsweise ca. 0,1 mm. Wie vorstehend beschrieben wurde, wachsen die Kristallkörner durch einen Wärmetransport des Wolframs, wodurch die Öffnung häufig verschlossen wird. Die Erfinder haben daher zur Beseitigung dieses Nachteils, dass die kleine Öffnung verschlossen wird, folgenden Versuch durchgeführt.
Zunächst wurde als Material der Kathode ein Wolframstab, welchem 2 Gew.-% Thoriumdioxid zugesetzt wurde, auf eine vorgegebene Länge geschnitten und in der Weise bearbeitet, dass ein Durchmesser der Spitze von 1,2 mm sowie ein Kegelwinkel von 60° erhalten wurde. Anschließend wurde dieser Hauptteil im Vakuum und bei mindestens 2000°C wärmebehandelt. Danach wurde die Spitzenfläche der Kathode unter Verwendung einer wässrigen Lösung von Kaliumferricyanid und Natriumhydroxid geätzt, um die Beobachtung der Kristallgrenzen zu erleichtern.
Die Position der kleinen Öffnung wurde eingestellt und eine Funkenabtragung durchgeführt, um sie nur innerhalb eines einzigen Kristallkorns auszubilden, das auf der Spitzenfläche der Kathode sichtbar ist. Es wurde also eine Kathode hergestellt, in der eine kleine Öffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,1 mm und einer Öffnungstiefe von 5 mm gebildet ist.
Ferner wurde mit derselben Prozedur in der Weise die Position reguliert und eine Funkenabtragung durchgeführt, dass die kleine Öffnung auf der Spitzenfläche der Kathode zwei bis vier Kristallkörner überbrückt. Es wurde also eine Kathode hergestellt, bei welcher eine kleine Öffnung mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,1 mm und einer Öffnungstiefe von 5 mm gebildet ist.
4(a) und (b) zeigen jeweils in einer schematischen Darstellung die Position der kleinen Öffnung 26, welche auf der Spitzenfläche 25 der Kathode 20 erzeugt ist.
In den Zeichnungen sieht man jeweils auf der Vorderseite die Oberfläche der Spitzenfläche 25 der in 2(b) gezeigten Kathode in einer vergrößerten Darstellung. In der Nähe der Mitte der Spitzenfläche 25 ist die kleine Öffnung 26 erzeugt. Die unregelmäßigen Linien auf der Spitzenfläche 25 verdeutlichen die Korngrenzen der Wolfram-Kristallkörner.
Die aus Wolfram bestehende Kathode 20 ist eine Ansammlung einer Vielzahl metallischer Kristallkörner, wobei die Korngrenzen auch auf der Oberfläche sichtbar sind.
4(b) ist eine Ansicht, welche eine kleine Öffnung 26 zeigt, die auf der Spitzenfläche 25 innerhalb eines einzigen Kristallkorn ausgebildet ist. Die kleine Öffnung 26 ist nur innerhalb eines einzigen Kristallkorns G3 gebildet, während sie die sonstigen Kristallkörner nicht berührt.
4(a) ist eine Ansicht, welche eine kleine Öffnung 26 zeigt, die auf der Spitzenfläche 25 zwei Kristalle überbrückt. Die kleine Öffnung 26 ist in der Weise gebildet, dass sie Kristallkörner G1 und G2 über eine zwischen diesen gebildete Kristallkorngrenze GB1 hinweg überbrückt.
Unter Verwendung dieser Kathoden wurden Lampen mit einer Quecksilber-Einfüllmenge von 4 mg/cm³ hergestellt, und bei einer Lampen-Eingangsleistung von 5,5 kW wurde ein Betriebs-Lebensdauertest durchgeführt. Wenn während des Lampenbetriebs eine Schwankung der Beleuchtungsintensität entsteht, schwankt auch die Lampenspannung, so dass der Einfachheit halber die Zeit bis zur Entstehung einer Spannungs-Schwankung ausgewertet wurde.
5 ist eine Tabelle, welche die Relation zwischen der Anzahl an Kristallen, welche die kleine Öffnung auf der Spitzenfläche überbrückt, und der Zeit ab Betriebsstart bis zur Entstehung einer Spannungs-Schwankung bei dem Betriebs-Lebensdauertest für die jeweilige Lampe darstellt.
Bei Lampen 1 und 2 ist die Anzahl der überbrückten Kristalle 1. Das heißt, es sind Lampen, welche jeweils eine Kathode aufweisen, bei welcher eine kleine Öffnung gebildet ist, die über die Kristallkorngrenzen nicht mindestens zwei Kristallkörner überbrückt. Lampen 3, 4 und 5 sind Lampen, welche jeweils eine Kathode aufweisen, bei welcher eine kleine Öffnung gebildet ist, die mehrere Kristalle überbrückt. Wie in 5 gezeigt, trat sowohl bei der Lampe 1 als auch bei der Lampe 2 nach 637 Stunden bzw. 512 Stunden eine Spannungsschwankung auf. Bei den Lampen 3, 4 und 5 war auch nach Ablauf von 1200 Stunden keine Spannungs-Schwankung aufgetreten. Es wurde daher herausgefunden, dass es in Abhängigkeit von der Position, an welcher die kleine Öffnung gebildet ist, bei der Beleuchtungsintensitäts-Schwankungs-Lebensdauer Unterschiede um wenigstens den Faktor 2 gibt.
Nach Abschluss des Testes wurden die Kathoden der Lampen 1 und 2 herausgenommen und ihre Spitzenflächen beobachtet. Daraus wurde ersichtlich, dass die kleinen Öffnungen verschlossen waren. Diese Kathoden wurden in der Längsrichtung geschnitten, poliert und begutachtet. Daraus wurde ersichtlich, dass das Öffnungsende der kleinen Öffnung von einem Kristallkorn abgedeckt war.
Andererseits wurde auch die Spitzenfläche der Lampe 3 begutachtet. Dabei sah es so aus, als wenn die kleine Öffnung bis auf die Korngrenzen verschlossen war. Auch diese Kathode wurde in der Längsrichtung geschnitten und begutachtet. Hierbei zeigte sich, dass das Öffnungsende der kleinen Öffnung dabei war, von dem Kristall verschlossen zu werden, dass jedoch eine Lücke vorhanden war, welche aus dem Inneren der kleinen Öffnung zum Äußeren der Kathode durchlief und welche anscheinend eine Korngrenze war.
Anhand des vorstehend beschriebenen Sachverhalts kann man sich vorstellen, dass im Fall einer Anordnung einer kleinen Öffnung nur innerhalb eines einzigen Kristallkorns die Mündung der kleinen Öffnung durch ein Kristallwachstum infolge eines Wärmetransportes versperrt wurde, dass somit keine Zufuhr des Emitters erfolgte, dass der Lichtbogen instabil wurde und dass frühzeitig eine Spannungsschwankung entstand.
Andererseits kann man sich Folgendes vorstellen. Wenn die kleine Öffnung wenigstens zwei Kristallkörner überbrückt, wachsen beide Kristalle und vergrößern sich so stark, dass die kleine Öffnung verschlossen wird. Da jedoch die Kristallkorngrenzen vorhanden sind, vereinigen sich die Kristallkörner nur schwer. Da ferner über die Lücke zwischen diesen Emitter zugeführt wird, stabilisiert sich der Lichtbogen, und es entsteht deshalb keine Spannungsschwankung.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Sachverhalt wird die in der Wolframkathode, welche den Emitter enthält, gebildete kleine Öffnung bei der Erfindung in der Weise gebildet, dass sie auf der Spitzenfläche wenigstens zwei Wolfram-Kristallkörner überbrückt. Die kleine Öffnung wird durch diese Maßnahme nicht vollständig verschlossen, und man kann Emitter zuführen und den Lichtbogen stabilisieren.
Man kann die Kathode beispielsweise auch durch das nachstehend beschriebene Verfahren herstellen.
Als erstes schneidet man für das Material des Hauptteils der Kathode einen Wolframstab, welchem ein Emitter zugegeben wurde, auf eine vorgegebene Länge zu.
Als nächstes bildet man an der Spitze des Wolframstabs durch eine spanabhebende Verarbeitung die Spitzenfläche und den Kegelwinkel. Danach bringt man zuerst in der Nähe der Mitte der Spitzenfläche durch eine Funkenabtragung eine kleine Öffnung an. Der Durchmesser der kleinen Öffnung liegt bei 0,08 bis 1 mm. In diesem Stadium wird die Form des Hauptteils der Kathode vervollständigt.
Anschließend wird der Hauptteil im Vakuum bei mindestens 2000°C wärmebehandelt. Durch diese Wärmebehandlung erfolgt nun eine Rekristallisation der Kristallkörner, wodurch sie in gewissen Maß wachsen. Da die kleine Öffnung jedoch vor der Wärmebehandlung gebildet wurde, wird ein Zustand erhalten, in welchem die Kristallkörner auch nach der Wärmebehandlung die Korngrenzen überbrücken. Durch derartige Bildung der kleinen Öffnung vor der Wärmebehandlung kann man auch ohne Regulierung der Position, an welcher die kleine Öffnung gebildet wird, eine kleine Öffnung bilden, welche wenigstens zwei Kristallkörner überbrückt.
6(a) und (b) zeigen jeweils in einer Querschnittsdarstellung eine Kathode einer Entladungslampe vom Kurzbogentyp gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Diese Figuren unterscheiden sich nur in dem Punkt von 2(a), dass eine Carbidschicht 27 angeordnet ist, so dass die sonstige Beschreibung weggelassen ist.
In 6(a) ist auf der Innenumfangsfläche der kleinen Öffnung 26, welche im Hauptteil 21 der Kathode gebildet ist, eine Carbidschicht 27 gebildet. Diese Carbidschicht 27 ist eine Schicht von Wolframcarbid, welche durch Carbonisierung von Wolfram, welches das Kathodenmaterial ist, erzeugt wird.
Da der der Kathode zugesetzte Emitter ein Oxid ist, muss er reduziert werden, um als Emitter zu fungieren. Die Reduktion wird normalerweise zwar im Bereich mit einer hohen Temperatur durchgeführt. Da in dieser Wolframcarbidschicht der Oxid-Emitter jedoch mittels des Kohlenstoffs bei einer relativ niedrigen Temperatur reduziert wird, kann man den Emitter schnell zuführen.
In 6(b) ist die Carbidschicht 27 in der Nähe der Spitze der kleinen Öffnung 26 nicht ausgebildet und keine Carbidschicht 28 vorhanden. Der Grund hierfür liegt darin, dass ein Schmelzen des Wolframcarbides infolge des niedrigen Schmelzpunktes durch den Lichtbogen verhindert werden soll. Ferner ist es nicht vorteilhaft, auf der Außenoberfläche wie des sich verjüngenden Teils 24 des Hauptteils 21 der Kathode eine Carbidschicht 27 anzuordnen. Der Grund hierfür liegt darin, dass der auf der Wolframcarbidschicht der Außenoberfläche reduzierte Emitter ein milchiges Eintrüben verursacht, wenn er sich löst und in den Emissionsraum abgegeben wird.
Durch die vorstehend beschriebene Kathode kann man den Sauerstoff des Oxid-Emitters reduzieren und dem Inneren des Lichtbogens direkt zuführen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 11-96965 A [0003, 0003, 0007]

Claims

Kathode, bestehend aus einem Wolfram-Material, welches ein Elektronen-Emissionsmaterial enthält, mit einem sich verjüngenden Teil, dessen Durchmesser sich in Richtung auf die Spitze hin verringert und an dessen Spitze eine Spitzenfläche ausgebildet ist, in der eine kleine Öffnung vorhanden ist, die sich von der Spitzenfläche ausgehend in das Innere der Kathode erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die kleine Öffnung auf der Spitzenfläche in der Weise ausgebildet ist, dass sie wenigstens zwei Wolfram-Kristallkörner überbrückt.
Kathode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die kleine Öffnung in der Richtung ihres Durchmessers über wenigstens eine Korngrenze zwischen zwei Wolfram-Kristallkörnern erstreckt.
Kathode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite der kleinen Öffnung zumindest abschnittsweise mit einer Wolframcarbidschicht versehen ist.
Kathode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wolframcarbidschicht im an die Spitzenfläche der Kathode angrenzenden Bereich der Innenseite der kleinen Öffnung nicht vorhanden ist.
Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der kleinen Öffnung in einem Bereich von 0,08 bis 1 mm liegt.
Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronen-Emissionsmaterial ausgewählt ist aus Thoriumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid und einem Lanthanoidenoxid, insbesondere Ceroxid, Gadoliniumoxid, Dysprosiumoxid, Samariumoxid und Neodymiumoxid.
Entladungslampe vom Kurzbogentyp mit einer Leuchtröhre, in der eine Kathode und eine Anode einander gegenüberliegend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Kathode nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ist.