DE102011009597A1

DE102011009597A1 - Entladungslampe

Info

Publication number: DE102011009597A1
Application number: DE102011009597A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Shimizu; Tomoyoshi Arimoto; Mitsuru Ikeuchi
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2031-01-28
Also published as: US20110181181A1; CN102142353A; JP2011154927A; JP5316436B2; US8390198B2; TWI438819B; KR20110088363A; KR101348475B1; TW201126565A; DE102011009597B4; CN102142353B

Abstract

Eine Entladungslampe mit ausgezeichneter Bogenstabilität und ausgezeichneter Haltbarkeit, in der die verwendete Menge an thoriertem Wolfram begrenzt ist, weist eine Anode (4) und eine Kathode (5) im Inneren eines Entladungsgefäßes (1) auf, wobei die Kathode (5) aus einem Teil (7) aus thoriertem Wolfram mit einem Wolframanteil von mindestens 90 Vol.-% und einem Hauptkörperteil (6) gebildet ist, der mit dem Teil (7) aus thoriertem Wolfram verbunden ist und aus reinem Wolfram besteht, und wobei das Verhältnis ST/S der Seitenfläche ST des Teiles (7) aus thoriertem Wolfram zur Seitenfläche S der Kathode (5) in einem Bereich von 0,005 bis 0,15 liegt, mit der Maßgabe, dass, wenn die Kathode (5) eine Länge (L) in der Kathodenachsrichtung von mehr als dem Doppelten des maximalen Kathodendurchmessers (D) besitzt, eine Seitenfläche S zur Berechnung des Verhältnisses ST/S verwendet wird, deren Breite als Abstand in der Kathodenachsrichtung von der Kathodenspitze (51), die der Anode (4) gegenüber liegt, das Doppelte des maximalen Durchmessers (D) der Kathode (5) beträgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entladungslampe und insbesondere eine Entladungslampe, bei der Thorium (Th) als Emitter in der Kathode verwendet wird.
Herkömmlicherweise werden Hochdruck-Quecksilberlampen als Lichtquelle in Belichtungsvorrichtungen für Flüssigkristalle oder Halbleiter verwendet, während Xenonlampen als Lichtquelle für Projektoren verwendet werden. Bei diesen Entladungslampen ist es notwendig, dass der Lichtbogen während des Betriebs stabil bleibt (Bogenstabilität) und dass über einen langen Zeitraum hinweg eine konstante Beleuchtungsstärke aufrechterhalten werden kann (Haltbarkeit). Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es notwendig, für die Elektroden ein Material mit ausgezeichneter Fähigkeit zum Zünden des Lichtbogens und ausgezeichneter Verschleißfestigkeit zu verwenden, insbesondere so genanntes thoriertes Wolfram (ThO₂-W), wobei mit Thoriumoxid (ThO₂) dotiertes Wolfram (W) als Material der Kathode verwendet wird ( JP-A-42-27213 (1967)).
In jüngster Zeit sind jedoch aufgrund ihrer Auswirkungen auf die Umwelt Einschränkungen bei der Verwendung radioaktiver Substanzen wie z. B. thoriertem Wolfram zu beachten, wobei die Entladungslampen selbstverständlich notwendige Anforderungen wie Bogenstabilität und Haltbarkeit zu erfüllen haben.
Das durch diese Erfindung zu lösende Problem besteht darin, eine Entladungslampe mit ausgezeichneter Bogenstabilität und ausgezeichneter Haltbarkeit zu schaffen, bei der die verwendete Menge an thoriertem Wolfram eingeschränkt wird.
Um das oben genannte Problem zu lösen, ist eine erfindungsgemäße Entladungslampe, bei der eine Anode und eine Kathode im Inneren eines Entladungsgefäßes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus einem Teil aus thoriertem Wolfram mit einem Wolframanteil von mindestens Vol.-90% und einem Hauptkörperteil gebildet ist, der mit dem Teil aus thoriertem Wolfram verbunden ist und aus reinem Wolfram besteht, wobei das Verhältnis S_T/S der Seitenfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram zur Seitenfläche S der Kathode mindestens 0,005 und höchstens 0,15 beträgt, mit der Maßgabe, dass, wenn die Kathode eine Länge in der Kathodenachsrichtung von mehr als dem Doppelten des maximalen Kathodendurchmessers besitzt, eine Seitenfläche S zur Berechnung des Verhältnisses S_T/S verwendet wird, deren Breite als Abstand in der Kathodenachsrichtung von der Kathodenspitze, die der Anode gegenüber liegt, das Doppelte des maximalen Durchmessers der Kathode beträgt.
Darüber hinaus ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Teil aus thoriertem Wolfram und der Hauptkörperteil diffusionsverschweißt sind.
Bei der Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Verwendung von thoriertem Wolfram reduziert werden, indem eine Kathode mit einem Verhältnis S_T/S der Seitenfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram zur Seitenfläche S der Kathode von mindestens 0,005 und höchstens 0,15 verwendet wird, wobei die Lampe bei einem Wolframanteil des Teiles aus thoriertem Wolfram von mindestens 90 Vol.-% mit ausgezeichneter Bogenstabilität und ausgezeichneter Haltbarkeit versehen werden kann.
Darüber hinaus kann bei der Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung durch Diffusionsschweißen des Teiles aus thoriertem Wolfram und des Hauptkörperteils der Teil aus thoriertem Wolfram derart mit dem Hauptkörperteil verbunden werden, dass es zu fast keiner Verringerung des im Teil aus thoriertem Wolfram enthaltenen Thoriumoxids (ThO₂) kommt. Da beim Diffusionsschweißen ein Schweißen bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt von Wolfram möglich ist, kann die Struktur des Teiles aus thoriertem Wolfram und des Hauptkörperteil beibehalten werden, und die Leistung der Kathode wird nicht beeinflusst, und darüber hinaus kann der Vorteil erzielt werden, dass eine Bearbeitung durch Schneiden auch nach dem Schweißen möglich wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
1 ist eine erklärende schematische Schnittdarstellung, die den Aufbau einer Entladungslampe zeigt.
2 ist eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung der Kathode der Entladungslampe in axialer Richtung.
3 ist eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung der Kathode der Entladungslampe in axialer Richtung.
4(a) und 4(b) sich schematische Ansichten einer Kathode, die die Seitenflächen. veranschaulichen, die zur Berechnung des Verhältnisses
1 zeigt eine Ausführungsform einer Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung. Um die Erklärung zu vereinfachen, wird in dieser Zeichnung nur der innere Aufbau des lichtdurchlässigen Teils 2 des Entladungsgefäßes 1 dargestellt. Der innere Aufbau der Dichtungsteile 3 ist nicht dargestellt.
Die Entladungslampe wird aus einem Entladungsgefäß 1 gebildet, das zur Gänze aus Quarzglas hergestellt ist und das einen annähernd kugelförmigen lichtdurchlässigen Teil 2 und Dichtungsteile 3 umfasst, die kontinuierlich an dessen beide Enden anschließend gebildet sind. Im Inneren des lichtdurchlässigen Teils 2 sind eine Anode 4 und eine Kathode 5 derart angeordnet, dass sie sich in Achsrichtung der Röhre des Entladungsgefäßes 1 erstrecken. Die vorderen Enden der beiden Elektroden sind mit einem Abstand von einigen Millimetern einander gegenüberliegend angeordnet. Im Innenraum des lichtdurchlässigen Teils 2 ist eine lichtemittierende Substanz oder ein Gas zum Aussenden von Licht eingeschlossen. Im Fall einer Hochdruck-Quecksilberlampe, die die Lichtquelle einer Belichtungsvorrichtung für Flüssigkristalle oder Halbleiter ist, sind Quecksilber (Hg) und Xenongas (Xe) oder Argongas (Ar) als Puffergas eingeschlossen. Im Fall einer Xenonlampe, die die Lichtquelle eines Projektors ist, ist Xenongas eingeschlossen. Bei einer Hochdruck-Quecksilberlampe beträgt die eingeschlossene Menge an Quecksilber 1 bis 70 mg/cm³, und die eingeschlossene Menge an Xenongas beträgt 0,08 bis 0,5 MPa. Die Anode 4 ist zur Gänze aus reinem Wolfram mit einem Wolframgehalt von mindestens 99,9 Gew.-% gebildet. Die Kathode wird später beschrieben.
Wenn eine hohe Spannung von zum Beispiel 20 kV zwischen den Elektroden einer derart aufgebauten Entladungslampe angelegt wird, kommt es zwischen den Elektroden zu einem Spannungsdurchschlag, es wird ein Entladungsbogen gebildet und die Lampe leuchtet. Im Fall einer Hochdruck-Quecksilberlampe wird Licht mit einem Linienspektrum ausgesendet, das hauptsächlich Licht mit einer i-Linie mit einer Wellenlänge von 365 nm oder einer g-Linie mit einer Wellenlänge von 435 nm umfasst, während im Fall einer Xenonlampe Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum mit Wellenlängen von 300 nm bis 1100 nm ausgesendet wird.
2 ist eine vergrößerte Darstellung der Kathode 5 der in 1 dargestellten Entladungslampe und stellt insbesondere den Schnittaufbau in Längsrichtung dar.
Die Kathode 5 umfasst einen Hauptkörperteil 6 aus reinem Wolfram und einen Teil 7 aus thoriertem Wolfram, der am vorderen Ende dieses Hauptkörperteils 6 vorgesehen ist, das an die Anode angrenzt. Der Hauptkörperteil 6 besteht aus reinem Wolfram mit einem Wolframgehalt von mindestens 99,9 Gew.-% und ist einstückig gebildet aus einem annähernd kegelstumpfförmigen Kegelteil 61, der sich in Richtung auf das an die Anode angrenzende vordere Ende allmählich verjüngt, und einem annähernd zylindrischen Körperteil 62, der an das hintere Ende dieses Kegelteils 61 anschließt.
Der Teil 7 aus thoriertem Wolfram besteht aus Wolfram (W) als Hauptbestandteil und enthält Thoriumoxid (ThO₂) als Emitter (ein Material, das leicht Elektronen aussendet), d. h. er ist aus thoriertem Wolfram (ThO₂-W) hergestellt. Konkret beläuft sich der Thoriumoxid-Gehalt auf 2 Gew.-%. Die Form des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 ist insgesamt kegelstumpfförmig, wobei das vordere Ende des Kegelstumpfes dem vorderen Ende der Anode 4 gegenüberliegend angeordnet ist, während das hintere Ende des Kegelstumpfes an das vordere Ende des Kegelteils 61 des Hauptkörperteils 6 diffusionsgeschweißt ist. Die Seitenfläche des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 weist die gleiche Neigung auf wie die Seitenfläche des Kegelteils 61 des Hauptkörperteils 6, so dass sie kontinuierlich ist, wobei die kegelstumpfförmige Form des vorderen Endes der Kathode insgesamt durch den Kegelteil 61 des Hauptkörperteils 6 und den Teil 7 aus thoriertem Wolfram gebildet wird.
Der Bereich der Kathode 5, in dem der Teil 7 aus thoriertem Wolfram vorgesehen ist, ist der Bereich der Bildung des Entladungsbogens oder der Bereich in der Nähe davon, d. h. der Bereich, der direkt dem Einfluss der Hitze durch den Bogen ausgesetzt ist. Wenn die Lampe leuchtet, wird daher das in dem Teil 7 aus thoriertem Wolfram enthaltene Thoriumoxid reduziert und wird zu Thoriumatomen. Die Thoriumatome diffundieren durch das Innere oder die Außenfläche des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 und bewegen sich in Richtung des vorderen Endes. Auf diese Weise wird es möglich, das vordere Ende der Kathode 5 stets mit Thorium zu versorgen, obwohl der Bereich, in dem der Teil 7 aus thoriertem Wolfram gebildet ist, in der gesamten Kathode einzig auf den Bereich des vorderen Endes beschränkt ist. Daher kann die Austrittsarbeit reduziert werden, und es kann eine Kathode mit einer ausgezeichneten Fähigkeit zum Zünden des Bogens und einer ausgezeichneten Verschleißfestigkeit erzielt werden.
Das in dem Teil 7 aus thoriertem Wolfram enthaltene Thorium verdampft auch durch die hohe Temperatur während des Betriebs. Doch das Thorium wird in dem Bogen zu Thoriumionen (Th⁺) ionisiert und durch seine eigene Polarität zur Kathode hingezogen. Durch die Wiederholung des Verdampfungszyklus in dem Bogen, die Ionisierung zu Thoriumionen und die Rückkehr zur Kathode 5 kann somit der Verbrauch des Thoriums verhindert werden.
Da im Fall einer gemäß der herkömmlichen Technologie hergestellten Kathode 5 Thorium auch ausgehend von anderen Bereichen als dem vorderen Ende der Kathode 5 verdampft, bildet sich eine große Menge an Thorium, das den Bogen nicht erreicht, womit die oben genannte Ionisierung nicht in demselben Ausmaß zu erwarten ist. Wenn sich das Thorium an der Innenwand des Entladungsgefäßes 1 niederschlägt, kommt es zu einer Trübung, wodurch das ausgesendete Licht blockiert wird, was zu einem Rückgang der Beleuchtungsstärke führt und die Ursache für eine kurze Lebensdauer ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Verdampfung des nicht zu dem oben genannten Zyklus beitragenden Thoriums vermindert, indem der Bereich, in dem der Teil 7 aus thoriertem Wolfram gebildet ist, einzig auf das vordere Ende der Kathode 5 beschränkt wird und indem ein Verhältnis zwischen diesem Bereich und der Seitenfläche der gesamten Kathode festgesetzt wird, wie dies aus dem unten erläuterten Versuch hervorgeht.
Das ausgehend von der Kathode 5 verdampfte Thorium wird zu Thoriumionen und kehrt zur Kathode 5 zurück, wie dies oben erwähnt wurde. Doch wenn die Temperatur der Kathode 5 übermäßig hoch ist, lagern sich die Thoriumatome an der Innenfläche des Entladungsgefäßes 1 an, die eine niedrige Temperatur im Inneren des Entladungsraums aufweist, reagieren mit dem Siliciumdioxid (SiO₂), das das Material ist, aus dem das Entladungsgefäß 1 gebildet ist, und bilden Verbindungen (Trübung). Um dieses Problem zu lösen, verhindert die vorliegende Erfindung einen übermäßigen Temperaturanstieg des vorderen Endes der Kathode, indem die Wärmeleitfähigkeit des Teiles aus thoriertem Wolfram 7, der Thoriumoxid enthält, erhöht wird.
Konkret weist der Teil 7 aus thoriertem Wolfram einen Wolframanteil von mindestens 90 Vol.-% auf. Insbesondere bei Entladungslampen, bei denen ein Strom von 1 kW und mehr angelegt wird, ist es notwendig, die Wärmeleitfähigkeit auch im Hinblick auf die Beständigkeit gegenüber einer hohen Wärmebelastung und nicht nur im Hinblick auf die oben erwähnte Entstehung einer Trübung zu erhöhen. Da eben auch Thoriumoxid in dem Teil 7 aus thoriertem Wolfram enthalten ist, ist es notwendig, nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Wolfram, sondern auch die Wärmeleitfähigkeit von Thoriumoxid zu berücksichtigen. Doch da die Wärmeleitfähigkeit von Thoriumoxid viel niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit des Wolframs, kann der Wolframanteil als Index für die Wärmeleitfähigkeit des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 verwendet werden. Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebene Erfindung ist durch einen Wolframanteil des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 von mindestens 90% gekennzeichnet. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit kann es auch als „hochwärmeleitfähiges thoriertes Wolfram” bezeichnet werden. Bei der in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Erfindung können Bogenstabilität und Haltbarkeit erzielt werden, indem nicht nur der Anteil des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 in der Kathode 5 (der Anteil an der Seitenfläche), sondern auch der Wolframanteil des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 festgelegt wird. Wenn bereits eine Konfiguration existierte, bei der thoriertes Wolfram nur am vorderen Endteil der Kathode 5 vorgesehen ist, könnte daher die gewünschte Wärmeleitfähigkeit mit einem niedrigen Wolframanteil nicht erreicht werden, wodurch die Probleme einer übermäßigen Verdampfung von Thorium ausgehend vom vorderen Ende der Kathode und einer Trübung des Entladungsgefäßes 1 unvermeidbar wären.
Der Wolframanteil P wird mit „P = a(1 – x)/19,3” angegeben. Die Dichte (g/cm³) des thorierten Wolframs, das den Teil 7 aus thoriertem Wolfram bildet, ist a, das Gewichtsverhältnis von Thoriumoxid in Bezug auf das thorierte Wolfram ist x und die Dichte (g/cm³) von Wolfram ist 19,3. a(1 – x) ist die Masse, die Wolfram in 1 cm³ thoriertem Wolfram einnimmt, und der Anteil P, für den der obige Term durch 19,3 (g/cm³), d. h. die Dichte von Wolfram, dividiert wird, steht für den Volumenanteil, der in dem thorierten Wolfram von Wolfram eingenommen wird. Da wie oben erwähnt die Wärmeleitfähigkeit von thoriertem Wolfram fast zur Gänze aus dem Wolfram resultiert, wird die Wärmeleitfähigkeit von thoriertem Wolfram besser, wenn das vom Wolfram eingenommene Volumen, d. h. der Anteil P, steigt.
Anschließend soll ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung der Kathode 5 der Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt werden. Zuerst wird für den Hauptkörperteil 6 ein Kegelteil 61 gebildet, indem der Seitenteil von zylindrischem Wolfram zugeschnitten wird. Für den Teil 7 aus thoriertem Wolfram wird ein primärer Pressling gebildet, indem gemischtes Pulver, bestehend aus Emitterpulver (Thoriumoxidpulver) und Wolframpulver, in eine Metallform eingefüllt und gepresst wird. Dieser primäre Pressling wird gesintert. Dabei wird das Sintermaterial einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Wolframanteil zu erhöhen. Konkret wird das auf eine hohe Temperatur erhitzte Sintermaterial durch einen Hammer oder dergleichen gesenkgeschmiedet. Wenn der Wolframanteil mindestens 90 Vol.-% erreicht hat, wird der Sinterkörper zugeschnitten und in die gewünschte Form, zum Beispiel die Form eines Kegelstumpfes, gebracht.
Anschließend werden der Hauptkörperteil 6 und das Teil 7 aus thoriertem Wolfram miteinander verschweißt. Zuerst werden die vordere Endfläche des Kegelteils 61 des Hauptkörperteils 6 und die hintere Seite des Teils, welcher der Teil 7 aus thoriertem Wolfram wird, zusammengefügt und durch das Anlegen eines elektrischen Stroms erhitzt, während sie von der Unterseite des Hauptkörperteils 6 und der Oberseite des Teiles 7 aus thoriertem Wolfram zusammengedrückt werden. Konkret wird die Schweißtemperatur auf etwa 50 bis 60% der Schmelztemperatur des Materials in absoluter Temperatur (K) eingestellt, während die Presskraft auf etwa 20 bis 40% der Streckgrenze des Materials bei der Schweißtemperatur in einem Vakuum von einigen 10 Pa eingestellt wird. Diese Bedingung wird so lange aufrechterhalten und das Diffusionsschweißen wird so lange fortgesetzt, bis eine Schrumpfung im Ausmaß von etwa 0,2 bis 0,3 mm erreicht ist.
Das „Diffusionsschweißen” ist ein Festphasen-Verbindungsverfahren, bei dem die Metalle an den Flächen zusammengefügt und derart erhitzt und gepresst werden, dass es im festen Zustand unterhalb des Schmelzpunkts zu keiner plastischen Verformung kommt und die Atome der verbundenen Teile diffundieren.
Da beim Diffusionsschweißen eine Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 2000°C durchgeführt wird und eine Erhitzung bis zum Schmelzpunkt von Wolfram (etwa 3400°C) wie zum Beispiel beim Schmelzschweißen nicht notwendig ist, kommt es zu fast keiner Reduktion des im Teil 7 aus thoriertem Wolfram enthaltenen Thoriumoxids (ThO₂). Da die Struktur des Hauptkörperteils 6 und des Teiles 7 aus thoriertem Wolfram beibehalten werden kann, kommt es auch zu keinem negativen Einfluss auf die Leistung der Kathode. Da sich die Struktur der Kathode 5 nicht verändert, ist auch nach dem Schweißen eine Bearbeitung des Hauptkörperteils 6 und des Teiles 7 aus thoriertem Wolfram durch Schneiden möglich.
Die Tatsache, dass der Hauptkörperteil 6 und der Teil 7 aus thoriertem Wolfram der Kathode 5 diffusionsgeschweißt sind, kann überprüft werden, indem bestätigt wird, dass die verschweißten Flächen der beiden Teile nicht geschmolzen sind und dass die Wolfram-Kristallkörner gewachsen und miteinander verschweißt sind. Konkret werden die Schweißflächen des Hauptkörperteils 6 und des Teiles aus thoriertem Wolfram 7 mit einem Mikroskop vergrößert. Wenn Kristallkörner vorhanden sind, die derart gewachsen sind, dass sie die Verbindung zwischen dem Hauptkörperteil 6 und dem Teil 7 aus thoriertem Wolfram überqueren, kann davon ausgegangen werden, dass die beiden Teile durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden sind.
3 zeigt den Aufbau der Kathode einer Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei aber ein anderer Aufbau als in 1 dargestellt ist. Konkret wurden im Fall der in 1 dargestellten Kathode 5 die hintere Endfläche (Bodenfläche) eines kegelstumpfförmigen Teils aus thoriertem Wolfram 7 und die vordere Endfläche eines Hauptkörperteils 6 aus reinem Wolfram mit ungefähr dem gleichen Durchmesser verschweißt. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht der Teil 7 aus thoriertem Wolfram jedoch aus einem zylindrischen Körperteil 710 und einem vorderen Endteil 720. Der zylindrische Körperteil 710 des Teiles 70 aus thoriertem Wolfram wird in eine Ausnehmung 630 im Hauptkörperteil 60 eingefügt. Das vordere Ende des Teiles 70 aus thoriertem Wolfram kann konisch sein wie in der Zeichnung, es kann aber auch kegelstumpfförmig sein.
Anschließend soll ein Versuch beschrieben werden, der die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Es wurde die Dauer der Aufrechterhaltung der Beleuchtungsstärke einer Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung mit der in 1 dargestellten Konfiguration gemessen, wobei das Oberflächenverhältnis der Seitenfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram zur Seitenfläche S der Kathode verändert wurde. Als Vergleichslampe wurde eine Entladungslampe verwendet, bei der die gesamte Kathode aus thoriertem Wolfram bestand, wobei auch bei dieser Lampe die Dauer der Aufrechterhaltung der Beleuchtungsstärke gemessen wurde. Die Dauer der Aufrechterhaltung der Beleuchtungsstärke war der Zeitraum, der verstrich, bis die Beleuchtungsstärke auf 50% des Wertes der ursprünglichen Beleuchtungsstärke sank, wobei die Lampe ständig in Betrieb war. Bei den für den Versuch verwendeten Lampen wurde nur der Volumenanteil des Teiles aus thoriertem Wolfram an der Kathode verändert, während die Gesamtform und das Gesamtvolumen der Kathoden gleich blieben. Auch die übrige Konfiguration neben der Kathode war vollständig gleich.
Wie das Ergebnis des Versuchs zeigt, war die Haltbarkeit annähernd gleich wie im Fall der Vergleichslampe, wenn das Oberflächenverhältnis S_T/S zwischen der Seitenfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram und der Seitenfläche S der Kathode mehr als 0,15 betrug. Wenn das Oberflächenverhältnis S_T/S der Seitenfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram zur Seitenfläche S der Kathode höchstens 0,15 betrug, war die Haltbarkeit der Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung länger als jene der Vergleichslampe. Wenn das Verhältnis S_T/S kleiner als 0,005 war, wurde der Bogen extrem instabil. Dies wird darauf zurückgeführt, dass der Thoriumgehalt niedrig ist.
Als Ergebnis konnte bestätigt werden, dass ein Oberflächenverhältnis S_T/S zwischen der Oberfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram und der Oberfläche S der Kathode in einem Bereich von 0,005 bis 0,15 zumindest zu einer besseren Haltbarkeit und einer besseren Bogenstabilität führt als bei bekannten Lampen.
Die vorliegende Erfindung kann im Wesentlichen durch die Oberfläche der Seitenfläche spezifiziert werden, wie z. B. die Seitenfläche des Teiles aus thoriertem Wolfram und die Seitenfläche der Kathode. Da sich jedoch die Form des vorderen Endes des Teiles aus thoriertem Wolfram mit fortschreitender Betriebszeit verändert und die Grenze zwischen der Seitenfläche und der vorderen Endfläche unklar wird, wird bei der vorliegenden Erfindung auch die Oberfläche des vorderen Endes zur Seitenfläche des Teiles aus thoriertem Wolfram gerechnet.
Der oben genannte Versuch wurde mit einer Xenonlampe durchgeführt, als der gleiche Versuch jedoch mit einer Hochdruck-Quecksilberlampe durchgeführt wurde, so zeigte sich Folgendes: Was die Verbesserung der Haltbarkeit und der Bogenstabilität im Vergleich zu einer bekannten Lampe, d. h. einer zur Gänze aus thoriertem Wolfram bestehenden Kathode betrifft, so wurden mit der Hochdruck-Quecksilberlampe die gleichen Ergebnisse erzielt, wenn das Oberflächenverhältnis S_T/S zwischen der Seitenfläche S_T des Teiles aus thoriertem Wolfram und der Seitenfläche S der Kathode im Bereich von 0,005 bis 0,15 lag.
Bei der bekannten Entladungslampe wurde die Konzentration an thoriertem Wolfram an der Kathodenoberfläche mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie gemessen, und zwar mit einer neuen Entladungslampe, die nur kurze Zeit in Betrieb war, und einer Entladungslampe in ihrem Endstadium nach langer Betriebszeit. Als Ergebnis zeigte sich, dass die Thoriumkonzentration bei der letztgenannten Entladungslampe bis zu einer Länge von etwa dem Doppelten des Durchmessers des Körperteils der Kathode gesunken war, d. h. dass das Thorium verdampft war, was jedoch die Länge jenseits des doppelten Durchmessers betrifft, so zeigte sich, dass die Thoriumkonzentration im Vergleich zu einer neuen Entladungslampe praktisch unverändert geblieben war. Dies bestätigt, dass die Verdampfung des Thoriums in der Kathode in dem Bereich erfolgt, der bis zum Doppelten des Durchmessers des Körperteil der Kathode reicht. Dies bedeutet auch für das Oberflächenverhältnis S_T/S, was die Seitenfläche S der Kathode betrifft, dass die Länge auf ein Maß bis zum doppelten Durchmesser des Körperteils der Kathode beschränkt werden sollte.
Die Seitenoberflächen S und S_T sind in 4(a) und 4(b) veranschaulicht. 4(a) zeigt eine Kathode 5 mit einer relativ geringen Länge L. Die Länge L ist der Abstand in der Kathodenachsrichtung von der Kathodenspitze 51 bis zu dem der Kathodenspitze gegenüberliegenden Ende der Kathode. Im Falle der Kathode 5 der 4(a) ist die Länge L geringer als das Doppelte des maximalen Durchmessers D der Kathode. Erfindungsgemäß umfasst die Kathode 5 einen Teil 7 aus thoriertem Wolfram und einen Hauptkörperteil 6 aus reinem Wolfram. Die Seitenoberfläche des Teils 7 aus thoriertem Wolfram ist S_T und wird durch die Fettschraffur verdeutlicht. Die Seitenoberfläche S_T umfasst die laterale Oberfläche des Teils 7 aus thoriertem Wolfram und die kreisförmige Oberfläche der Kathodenspitze 51. Die Seitenoberfläche des Hauptkörperteils 6 ist durch die dünnere Schraffur gekennzeichnet und mit S_W bezeichnet. Im vorliegenden Fall umfasst sie die laterale Oberfläche vom Teil 7 aus thoriertem Wolfram bis hin zum hinteren Ende der Kathode 5. Die Seitenoberfläche S der Kathode 5 besteht aus den Seitenoberflächenbereichen S_T des Teils 7 aus thoriertem Wolfram und S_W des Hauptkörperteils 6.
4(b) zeigt eine Kathode 5 relativ großer Länge L. Hier ist die Länge L mehr als doppelt so groß wie der maximale Durchmesser D der Kathode 5. Während die Seitenoberfläche S_T des Teils 7 aus thoriertem Wolfram grundsätzlich derjenigen der kürzeren Kathode der 4(a) entspricht, entspricht die Seitenoberfläche S der Kathode 5, die zur Berechnung des Verhältnisses S_T/S eingesetzt wird, nicht der Seitenoberfläche des gesamten Hauptkörperteils 6. Wie im vorstehenden Abschnitt [0037] beschrieben, bleibt die Wolframkonzentration in dem Teil des Hauptkörpers 6 praktisch konstant, der jenseits des Doppelten des maximalen Kathodendurchmessers D liegt. Entsprechend muss dieser rückwärtige Bereich der Kathode 5 bei der Berechnung des Verhältnisses S_T/S nicht berücksichtigt werden. Daher wird die Seitenoberfläche S, die zur Berechnung verwendet wird, auf einen Maximalwert beschränkt, der der Seitenoberfläche S entspricht, deren Breite, d. h. Abstand von der Kathodenspitze 51, in der Kathodenachsrichtung dem Doppelten des maximalen Durchmessers D der Kathode 5 entspricht. Konkret werden also nur die in 4(b) schraffierten Seitenoberflächenbereiche S_T plus S_W zur Berechnung des Verhältnisses S_T/S verwendet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 42-27213 A [0002]

Claims

Entladungslampe, bei der eine Anode (4) und eine Kathode (5) im Inneren eines Entladungsgefäßes (1) vorgesehen sind, wobei die Kathode (5) aus einem Teil (7) aus thoriertem Wolfram mit einem Wolframanteil von mindestens 90 Vol.-% und einem Hauptkörperteil (6) gebildet ist, der mit dem Teil (7) aus thoriertem Wolfram verbunden ist und aus reinem Wolfram besteht, und wobei das Verhältnis S_T/S der Seitenfläche S_T des Teiles (7) aus thoriertem Wolfram zur Seitenfläche S der Kathode (5) in einem Bereich von 0,005 bis 0,15 liegt, mit der Maßgabe, dass, wenn die Kathode eine Länge (L) in der Kathodenachsrichtung von mehr als dem Doppelten des maximalen Kathodendurchmessers (D) besitzt, eine Seitenfläche S zur Berechnung des Verhältnisses S_T/S verwendet wird, deren Breite als Abstand in der Kathodenachsrichtung von der Kathodenspitze (51), die der Anode (4) gegenüber liegt, das Doppelte des maximalen Durchmessers (D) der Kathode beträgt.
Entladungslampe nach Anspruch 1, wobei der Teil (7) aus thoriertem Wolfram und der Hauptkörperteil (6) diffusionsverschweißt sind.