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Die vorliegende Erfindung betrifft Kurzbogen-Entladungslampen, und insbesondere betrifft sie Kurzbogen-Entladungslampen, bei denen ein Emitterteil, der Thoriumoxid umfasst, an der Kathode vorgesehen ist.
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Da quecksilberhaltige Kurzbogen-Entladungslampen einen kurzen Abstand zwischen den Spitzenenden eines Paars von Elektroden aufweisen, die einander gegenüberliegend in einer lichtaussendenden Röhre angeordnet sind, und annähernd punktförmige Lichtquellen darstellen, werden sie gewöhnlich als Lichtquelle für Belichtungsvorrichtungen verwendet, die durch Kombination mit einem optischen System eine hohe Fokussierungseffizienz aufweisen. Darüber hinaus werden xenonhaltige Kurzbogen-Entladungslampen als Lichtquellen für sichtbares Licht in Projektoren usw. verwendet, wobei sie in jüngster Zeit auch als Lichtquellen für das digitale Kino verwendet werden. Unter diesen Kurzbogen-Entladungslampen sind Lampen bekannt, die geeignet sind, die Elektronenemissionseigenschaften zu verbessern, indem ein Emittermaterial an der Kathode vorgesehen wird.
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In
JP-A-2010-33825 werden der Aufbau einer bekannten Kurzbogen-Entladungslampe und der Aufbau ihrer Kathode offenbart.
3 zeigt diese herkömmliche Technik, wobei
3(A) eine allgemeine Ansicht der Lampe ist und
3(B) den Aufbau ihrer Kathode zeigt. Wie in
3(A) dargestellt, sind eine Kathode
11 und eine Anode
12 aus Wolfram einander gegenüberliegend im Inneren einer lichtaussendenden Röhre
10 einer Kurzbogen-Entladungslampe
1 angeordnet. Eine lichtaussendende Substanz wie z. B. Quecksilber oder Xenon ist in der lichtaussendenden Röhre
10 eingeschlossen. In dieser Zeichnung wird ein Zustand dargestellt, bei dem die Kurzbogen-Entladungslampe
1 vertikal betrieben wird, in Abhängigkeit von der Anwendung gibt es aber auch Lampen, die horizontal betrieben werden.
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Der Aufbau der Kathode dieser Lampe ist in 3(B) dargestellt. Die Kathode 12 besteht aus einem Emitterteil 12a, der einen Emitter enthält, und einem damit einstückig gebildeten Hauptteil 12b. Dieser Elektronenemitterteil 12a ist aus Wolfram gebildet, das ein Emittermaterial wie z. B. Thoriumoxid enthält, während der Kathodenhauptteil 12b aus Wolfram mit hoher Reinheit gebildet ist. Dieses Verfahren zur Herstellung einer Lampe mit guten Elektronenemissionseigenschaften, wobei eine Emittersubstanz im Spitzenende der Kathode der Entladungslampe aufgenommen ist, ist bereits bekannt.
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In letzter Zeit wurden Beschränkungen erlassen, was den Verbrauch an Emittermaterial betrifft, wobei der Wunsch besteht, die Verwendung großer Mengen dieser Materialien zu vermeiden. Vom Standpunkt der sparsamen Verwendung von knappen Ressourcen wie Thorium und den Elementen der seltenen Erden aus gesehen wird die Verwendung großer Mengen nicht bevorzugt, und wenn Thorium als Emittermaterial verwendet wird, so ist darüber hinaus zu beachten, dass die Handhabung von Thorium gesetzlichen Regelungen unterworfen ist, da es sich um ein radioaktives Material handelt. Daher ist die Verwendung der Emittermaterial-Substanz so weit wie möglich einzuschränken, und es wurden verschiedene Entladungslampen entwickelt, bei denen die Emittersubstanz nur im Spitzenende der Kathode enthalten ist, wie dies in dem Beispiel des Stands der Technik der Fall ist.
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In Lampen dieses Typs, bei denen Thorium als Emittersubstanz verwendet wird, wird das Thoriumoxid, das in dem thorierten Wolfram des Spitzenendteils der Kathode enthalten ist, durch die Entwicklung einer hohen Temperatur an der Oberfläche der Kathode zu Thoriumatomen reduziert, wobei es zur äußeren Oberfläche hin diffundiert und zum vorderen Ende wandert, wo die Temperatur hoch ist, und verdampft. Dadurch kann die Austrittsarbeit vermindert werden, und die Elektronenemissionseigenschaften können verbessert werden.
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Bei dem oben beschriebenen Beispiel des Stands der Technik ist die Emittersubstanz, die zur Verbesserung der Elektronenemissionseigenschaften beiträgt, praktisch auf die Emittersubstanz beschränkt, die in einem sehr Flachen Bereich ausgehend von der Oberfläche des Spitzenendes der Kathode enthalten ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Menge an Emittersubstanz, die durch Wärmeleitung vom inneren Bereich der Kathode mit niedrigerer Temperatur an die Oberfläche des Kathoden-Spitzenendes geliefert wird, gering ist im Vergleich zur Menge an Emittersubstanz, die durch die Wärme der Oberfläche des Kathoden-Spitzenendes, wo die Temperatur am höchsten wird, verdampft und verbraucht wird. Auch wenn eine große Menge an Emittersubstanz im inneren Bereich der Kathode vorhanden ist, tritt somit das Phäromen auf, dass die Zulieferung vom inneren Bereich zur Oberfläche unzureichend wird, so dass an der Oberfläche ein Mangel an Emittersubstanz herrscht. Bei der oben beschriebenen bekannten Technik besteht somit das Problem, dass, obwohl Emittersubstanz im Kathoden-Spitzenende enthalten ist, diese Emittersubstanz nicht ausreichend genutzt wird, und dass es zu einem Rückgang der Elektronenemissionseigenschaften und zu einem Flackern kommt, wenn das Emittermaterial an der Oberfläche des Kathoden-Spitzenendes aufgebraucht ist.
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Angesichts der oben genannten Probleme der bekannten Technik ist es die Aufgabe dieser Erfindung, eine Kurzbogen-Entladungslampe zu schaffen, deren Kathode derart ausgebildet ist, dass eine Emittersubstanz im Spitzenende vorgesehen ist, wobei ein Mangel an Emittersubstanz an der Oberfläche der Kathode verhindert wird, indem eine effektive Nutzung der Emittersubstanz angestrebt wird, die im inneren Teil des Spitzenendes der Kathode vorhanden ist, wobei die Elektronenemissionseigenschaften trotz des Rückgangs der verfügbaren Menge an Emittersubstanz über einen langen Zeitraum hinweg aufrechterhalten werden, da dieser Rückgang durch eine ausreichende Nutzung der Emittersubstanz kompensiert wird, wobei damit eine Verlängerung der Flackerbeständigkeit der Lampe angestrebt wird.
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Zur Lösung der oben genannten Probleme wird gemäß dieser Erfindung eine Kurzbogen-Entladungslampe geschaffen, bei der eine Kathode und eine Anode einander gegenüberliegend im Inneren einer lichtaussendenden Röhre angeordnet sind und bei der die Kathode einen Hauptteil aus Wolfram und einen Emitterteil aus thoriertem Wolfram umfasst, der an den Hauptteil diffusionsgeschweißt ist, wobei lokal Zwischenräume an der Verbindungsfläche zwischen dem Hauptteil und dem Emitterteil gebildet werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform ist darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptteil einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser aufweist, dessen Spitzenende einen kleineren Durchmesser besitzt, und dass der Emitterteil an das Spitzenende dieses Abschnitts mit vermindertem Durchmesser diffusionsgeschweißt ist.
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Eine andere bevorzugte Ausführungsform ist darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt mit vermindertem Durchmesser inklusive des Emitterteils kegelförmig ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist darüber hinaus dadurch gekennzeichnet, dass die verbundene Stirnfläche von mindestens einem Teil, ausgewählt aus dem Hauptteil und dem Emitterteil, als raue Fläche mit Unebenheiten ausgebildet ist, und dass die Zwischenräume durch diese Unebenheiten gebildet werden.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung lokal Zwischenräume an der Verbindungsfläche zwischen dem Hauptteil und dem Emitterteil gebildet sind, wird das Kohlenmonoxid, das bei der Reduktionsreaktion zwischen dem in dem Emitterteil enthaltenen Thoriumoxid und dem in der Nähe befindlichen Kohlenstoff gebildet wird, über diese Zwischenräume in den Bereich außerhalb der Kathode ausgestoßen, wodurch die Reduktionsreaktion gefördert wird und das im inneren Bereich der Kathode befindliche Thoriumoxid effizient genutzt wird. Dadurch kommt es zu keinem Mangel an Thoriumoxid an der Oberfläche, und es kann eine Lampe mit langer Flackerbeständigkeit erzeugt werden, obwohl eine beschränkte Menge an Emittersubstanz enthalten ist.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen sind rein schematisch, und in ihnen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
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1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Elektrode der Entladungslampe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine vergrößerte schematische erklärende Ansicht eines Teils von 1.
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht einer bekannten Kurzbogen-Entladungslampe.
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1 zeigt den Aufbau der Kathode der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß dieser Erfindung. Die Kathode 2 umfasst einen Hauptteil 3 aus Wolfram und einen durch Diffusionsschweißen mit seinem vorderen Ende verbundenen Emitterteil 4. Das Diffusionsschweißen ist ein Festphasen-Verbindungsverfahren, bei dem Metalle aufeinander angeordnet werden und im festen Zustand unterhalb des Schmelzpunkts derart erhitzt und gepresst werden, dass es zu keiner plastischen Verformung kommt und die Atome der verbundenen Teile diffundieren.
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Der Hauptteil 3 besteht aus reinem Wolfram mit einer Reinheit von zum Beispiel 99,99 Gew.-%, während der Emitterteil 4, für den Thoriumoxid (ThO2) als Emittersubstanz in Wolfram als Hauptkomponente inkorporiert wurde, aus so genanntem thoriertem Wolfram besteht. Der Thoriumoxidgehalt beträgt zum Beispiel 2 Gew.-%.
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Normalerweise wird das Thoriumoxid im thorierten Wolfram, aus dem der Emitterteil 4 gebildet ist, zu Thoriumatomen reduziert, wenn während des Betriebs der Lampe eine hohe Temperatur erreicht wird, wobei es zur äußeren Oberfläche hin diffundiert und zum vorderen Ende wandert, wo die Temperatur hoch ist, und verdampft. Dadurch kann die Austrittsarbeit vermindert werden, und die Elektronenemissionseigenschaften können verbessert werden.
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Der Emitterteil 4 weist insgesamt eine annähernd kegelstumpfförmige Form auf. Er ist an den Abschnitt 3a mit vermindertem Durchmesser des Hauptteils 3 geschweißt, und seine Spitzenendfläche ist gegenüber einer nicht dargestellten Anode angeordnet. Der Durchmesser des Abschnitts 3a mit vermindertem Durchmesser des Hauptteils 3 wird kleiner, je mehr man sich an das Spitzenende annähert, wobei in der Zeichnung die Form konisch zulaufend ist. Auch die Form des Emitterteils 4 ist eine entsprechende konisch zulaufende Form. Die Form des Abschnitts 3a mit vermindertem Durchmesser des Hauptteils 3 ist jedoch nicht auf diese konisch zulaufende Form beschränkt, sondern dieser kann auch eine gekrümmte Form aufweisen, und auch das Spitzenende des Emitterteils 4 kann eine so genannte kugelförmige gekrümmte Form aufweisen. Darüber hinaus ist dargestellt, dass der Emitterteil 4 an den Abschnitt 3a mit vermindertem Durchmesser des Hauptteils 3 geschweißt ist, wobei er aber in Abhängigkeit von der allgemeinen Form der Kathode auch an den säulenförmigen Abschnitt des Hauptteils 3 geschweißt sein kann.
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Bei der vorliegenden Erfindung sind Zwischenräume 6 auf lokale Weise an der Verbindungsfläche zwischen dem Hauptteil 3 und dem Emitterteil 4 der Kathode 2 gebildet, wie dies in 2 dargestellt ist. Was diese Zwischenräume 6 betrifft, so wird die zu verbindende Fläche von mindestens einem Teil, ausgewählt aus dem Hauptteil 3 und dem Emitterteil 4, durch die Bildung von Unebenheiten aufgeraut, wobei durch diese Unebenheiten die Zwischenräume 6 gebildet werden. Der arithmetische Mittenrauwert Ra der aufgrund dieser Unebenheiten rauen Fläche liegt im Bereich von 0,4 a bis 6,3 a. Die andere Fläche kann eine so genannte Spiegelfläche sein, sie kann aber auch mit einer mittleren arithmetischen Rauheit von zum Beispiel 0,012 a bis 6,3 a mäßig rau sein. Dadurch werden Zwischenräume 6 mit einer Größe von einigen μm an der Verbindungsfläche zwischen dem Hauptteil 3 und dem Emitterteil 4 gebildet.
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Wie oben erklärt, entsteht während des Betriebs der Lampe eine Reduktionsreaktion mit den fest im Wolfram gelösten Kohlenstoffatomen an der Oberfläche des Thoriumoxids in dem thorierten Wolfram, aus dem der Emitterteil 4 besteht. Es wird Thorium gebildet, und gleichzeitig wird Kohlenmonoxid erzeugt. ThO2 + 2C ⇄ Th + 2CO
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Wenn der Druck des Kohlenmonoxids steigt, kommt die oben genannte Reaktion zum Stillstand, und es kommt zu keiner weiteren Bildung von Thorium. Das erzeugte Kohlenmonoxid ist fest in dem umgebenden Wolfram gelöst. CO ⇄ [C]w + [O]w
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Hier ist [C]w der fest im Wolfram gelöste Kohlenstoff, und [O]w ist der fest im Wolfram gelöste Sauerstoff. Wenn [C]w und [O]w im Wolfram wandern und nach außen diffundieren, sinkt der Kohlenmonoxiddruck, und die Reduktion von Thoriumoxid wird fortgesetzt. D. h. die Geschwindigkeit der Reduktion von Thoriumoxid wird durch die Diffusion von [C]w und [O]w bestimmt.
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Wenn die Verbindung zwischen dem reinen Wolfram (Hauptteil 3) und dem thorierten Wolfram (Emitterteil 4) eng ist und keine Zwischenräume 6 an der Verbindungsfläche 5 vorhanden sind, müssen sich [C]w und [O]w im Wolfram verteilen, wodurch die Diffusionsgeschwindigkeit äußerst langsam ist. Daher wird der Kohlenmonoxiddruck im Wolfram in der Nähe des thorierten Oxids hoch, und die Reduktionsreaktion kommt zum Stillstand. Wenn andererseits Zwischenräume 6 an der Verbindungsfläche 5 gebildet sind, diffundieren [C]w und [O]w im Wolfram nicht über eine lange Strecke hinweg, sondern erreichen innerhalb kurzer Zeit die Zwischenräume 6, und es wird Kohlenmonoxid gebildet. Da Kohlenmonoxid gasförmig ist, diffundiert es extrem rasch. Daher wird das Kohlenmonoxid, das die Zwischenräume 6 erreicht hat, von den Zwischenräumen 6 in den Bereich außerhalb der Kathode ausgestoßen, der Kohlenmonoxiddruck im Wolfram sinkt, und die Reduktionsreaktion von Thorium wird gefördert.
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Nun soll ein Beispiel für das Verfahren zur Herstellung der Kathode erläutert werden. Es werden thoriertes Wolfram mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 5 mm sowie reines Wolfram mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 20 mm bereitgestellt. Durch die Regulierung der Schneidegeschwindigkeit und der Zufuhrgeschwindigkeit beim Drehvorgang wird die Oberflächenrauheit von mindestens einer Verbindungsfläche des thorierten Wolframs und des reinen Wolframs auf eine mittlere Rauheit, bezogen auf die Mittellinie, im Bereich von 0,4 a bis 6,3 a eingestellt. Anschließend werden die Flächen aus thoriertem Wolfram und reinem Wolfram zusammengefügt, und es wird ein axialer Kompressionsdruck im Vakuum von etwa 2,5 kN angelegt. Darüber hinaus wird die Temperatur des Verbindungsbereichs durch Anlegen eines Stroms auf etwa 2000°C gebracht, und das thorierte Wolfram und das reine Wolfram werden etwa 5 Minuten lang diffusionsgeschweißt. Dadurch werden an der Verbindungs-Grenzfläche 5 innerhalb des oben genannten Oberflächenrauheitsbereichs Zwischenräume 6 mit einer Größe von einigen μm gebildet.
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Durch Zuschneiden des Materials nach dem Diffusionsschweißen wird eine Kathode 2 hergestellt, deren Spitzenende der Emitterteil 4 (thoriertes Wolfram) und deren hinteres Ende der Hauptteil 3 (reines Wolfram) ist. Das Vorhandensein der Zwischenräume 6 kann beobachtet werden, indem ein Querschnitt der verbundenen Kathode geschliffen wird und mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) oder einem Metallmikroskop oder dergleichen betrachtet wird.
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Da, wie oben erklärt, gemäß der vorliegenden Erfindung Zwischenräume an der Verbindungsfläche zwischen dem Kathodenhauptteil (Wolfram) und dem Emitterteil (thoriertes Wolfram) gebildet werden, kann das Kohlenmonoxid, das bei der Reaktionsreaktion zwischen dem Thoriumoxid des Emitterteils und Kohlenstoff gebildet wird, rasch durch Diffusion eliminiert werden, und der Kohlenmonoxiddruck im Wolfram kann niedrig gehalten werden, wodurch die Reduktionsreaktion gefördert wird und das im Inneren der Kathode vorhandene Thoriumoxid effizient genutzt werden kann. Somit wird nicht nur das Thoriumoxid an der Oberfläche der Kathode verwendet, wodurch ein kurzer Lebenszyklus aufgrund eines Schwunds an Emittersubstanz verhindert werden kann. Auf diese Weise kann ein Kathodenaufbau erzielt werden, der geeignet ist, den Verbrauch an Emittersubstanz zu verringern, wie dies in der heutigen Gesellschaft verlangt wird, wobei mit dieser konkreten Konfiguration trotz eines Aufbaus, bei dem der Emitterteil an den Kathodenhauptteil-Abschnitt mit vermindertem Durchmesser geschweißt ist, über einen ausreichend langen Zeitraum hinweg die Funktion der Verhinderung eines Flackerns erfüllt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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