DE102015218878A1

DE102015218878A1 - Gleichstrom-Gasentladungslampe mit einer thoriumfreien Kathode

Info

Publication number: DE102015218878A1
Application number: DE102015218878.7A
Authority: DE
Inventors: Maria Nilius
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2017-03-30
Also published as: US10056245B2; US20170092478A1; CN106558470A; KR20170039595A; CN106558470B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Gasentladungslampe mit einer Anode und einer Kathode (100) umfassend ein erstes Kathodenteilstück (108), welches zumindest in einem Bereich der Kathode, welcher der Anode zugewandt ist und einen Bogenansatzbereich (104d) aufweist, innerhalb dessen bei einem bestimmungsgemäßen Lampenbetrieb ein zwischen der Kathode und der Anode brennender Lichtbogen ansetzt, die Oberfläche der Kathode bildet. Das erste Kathodenteilstück besteht aus Wolfram mit zumindest einem Emittermaterial zur Senkung der Austrittsarbeit von Elektronen aus der Kathode, die Kathode ist thoriumfrei ausgebildet. Das zumindest eine Emittermaterial weist eine Schmelztemperatur kleiner als 3200 K auf. Zumindest ein Teil der Oberfläche der Kathode außerhalb des Bogenansatzbereichs ist durch eine Diffusionsbarriere (106, 106a, 106b, 107) für das zumindest eine Emittermaterial gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Gasentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Kathoden von Gleichstrom-Gasentladungslampen (z.B. Quecksilberentladungslampen, Xenonentladungslampen) werden in der Regel dotiert, um deren Austrittsarbeit zu senken und so eine niedrigere Betriebstemperatur der Kathode zu erzielen. Standardmäßig wird hierfür ThO₂ als Emittermaterial verwendet, welches sich durch eine besonders hohe Verdampfungstemperatur auszeichnet. Ersatzstoffe (z.B. Oxide von Lanthaniden und/oder weitere Oxide, z.B. ZrO₂, HfO₂) können nun die Austrittsarbeit von W in vergleichbarem Maße reduzieren, siehe z.B. Manabu Tanaka et al 2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38 29 (2005). Demnach können z.B. durch Zusatz von 2Gew% La₂O₃ Spitzentemperaturen von ca. 3400K erreicht werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die in der nachfolgenden Tabelle gezeigten Werte der Temperatur der Spitze einer Wolframelektrode während des Betriebs eines frei brennenden Argonbogens unter Verwendung eines Pyrometrieverfahrens mit kontinuierlicher Wellenlänge experimentell ermittelt. Die Bogenlänge betrug hierbei 5 mm, das Schutzgas war Argon, der Konuswinkel der Kathode betrug 60°. In der ersten Spalte ist das Elektrodenmaterial angegeben, in der zweiten und dritten Spalte ist jeweils die Temperatur der Kathodenspitze in Kelvin angegeben für einen Kathodenstrom von 100 A sowie für einen Kathodenstrom von 200 A.

Elektrodenmaterial Temperatur [K] (100 A) Temperatur [K] (200 A)

Reines Wolfram 4062 4560

W-2% ThO₂ 3695 3723

W-2% La₂O₃ 3352 3481

Allerdings haben alle Ersatzstoffe eine um mehrere hundert Kelvin niedrigere Schmelztemperatur, so dass der Emitter im Betrieb viel stärker abdampft. Dies ist verdeutlicht in der nachfolgenden Tabelle, in der die Schmelztemperaturen einiger Oxide aufgelistet sind. Auch die Verdampfungsenthalpien und die Schmelztemperaturen der dazugehörigen Elemente sind in der Regel niedriger als bei Thorium, jedoch liegt nur ein sehr geringer Teil des Emitters elementar vor, weshalb die Schmelztemperaturen der Verbindungen aussagekräftiger sind.

	Verdampfungsenthalpie [kJ mol^–1]	Schmelzpunkt [K]		Siedepunkt [K]
Cer	319	1068		3716
Ce₂O₃			2503
Hafnium	661	2506		4876
HfO₂			3047
Lanthan	400	1193		3737
La₂O₃			2578
Neodym	284	1297		3373
Nd₂O₃			2593
Samarium	192	1345		2076
Sm₂O₃			2608
Scandium	305	1814		3103
Sc₂O₃			2758
Thorium	544	2115		5061
ThO₂			3363
Zirconium	582	2128		4682
ZrO₂			2950
Wolfram	423	3680

Die leichtere Abdampfung nicht thoriumhaltiger Emitter führt unter anderem zu einer starken Kolbenschwärzung und einer kürzeren Lampenlebensdauer. Durch diese schlechtere Performance konnten sich Kathoden mit Th-Ersatzstoffen noch nicht durchsetzen, obwohl sie aus Gründen des Umweltschutzes zu bevorzugen wären.
Unthorierte Kathoden haben sich im Lampenbereich noch nicht durchgesetzt. In der Patentliteratur sind zwar vielfach Alternativen zu Thoriumoxid beschrieben (z.B. Zusatz von Oxiden von La, Nd, Sm, Zr), allerdings treten bei diesen Kathoden dreierlei Probleme auf.

(1) Der Emittertransport zur Spitze ist in der Regel durch die höhere Emitterabdampfung an der Spitze nicht konstant. Folgender Prozess findet (periodisch) statt: Emitter verdampft an der Kathodenspitze, bedingt durch die niedrigere Verdampfungstemperatur von Thorium-Ersatzstoffen. Durch die Emitterverarmung steigt die Spitzentemperatur an. Schließlich ist sie so hoch, dass Emitter aus dem Volumenmaterial, dem sogenannten Bulk, wieder an die Spitze transportiert wird. Die Temperatur sinkt, der Nachtransport gerät ins Stocken. Der Emitter verdampft, die Spitze verarmt, die Temperatur steigt usw. Durch diesen Prozess wird die Austrittsarbeit an der Spitze permanent verändert, und es kommt zum Flickern der Lampe. Dieses Flickern äußert sich sowohl in Spannungs- als auch Intensitätsänderungen durch z.B. Bogenkontraktion oder veränderte Bogenansatzbereiche. Dadurch wird die Kathode für die meisten Anwendungen (Halbleiterbelichtung, Kino) unbrauchbar.
(2) Durch das Flickern und/oder durch eine generell niedrigere Verformungstemperatur kommt es zur Vergrößerung der Spitze und somit zum Intensitätsverlust.
(3) Gelingt es überhaupt, Lampen flickerfrei zu betreiben, ist der Emitternachtransport in der Regel so schnell, dass die Lampen extrem schwärzen. Deren Verwendung ist durch die somit stark verkürzte Lebensdauer nicht sinnvoll.

In diesem Zusammenhang ist aus der EP 1 481 418 B8 eine Gleichstrom-Gasentladungslampe bekannt mit einem Entladungsgefäß, das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse aufweist, in die eine Anode und eine Kathode jeweils aus Wolfram gasdicht geschmolzen sind, und das eine Füllung aus zumindest einem Edelgas sowie eventuell Quecksilber besitzt. Zumindest das Material der Kathodenspitze enthält zusätzlich zum Wolfram Lanthanoxid La₂O₃ und mindestens ein weiteres Oxid aus der Gruppe Hafniumoxid HfO₂ und Zirkonoxid ZrO₂.
Die WO 2014/038423 A1 offenbart eine Kurzbogen-Entladungslampe, worin ein Seltenerdoxid als eine Emittersubstanz in einer Kathode einer Leuchtröhre enthalten ist, bei welcher eine Struktur bereitgestellt wird, in der das Seltenerdoxid als Emittersubstanz vor dem exzessiven Verdampfen von der Kathode bewahrt und daher dessen frühzeitige Erschöpfung verhindert werden kann. Eine Kathode schließt einen Kathodenkörper und eine Kathodenspitze ein, welche mit der Spitze des Kathodenkörpers verbunden ist, wobei der Kathodenkörper Wolfram umfasst, der ein Seltenerdoxid als Emittersubstanz enthält, und die Kathodenspitze umfasst Wolfram, welches keine Emittersubstanz enthält.
Die WO 2013/113049 A1 beschreibt eine Elektrode einer Hochdruck-Gasentladungslampe, die einen Kern aus Wolfram oder mit Kalium gedoptem Wolfram mit einem Durchmesser d_i und einen daran anschließenden Mantel mit einem Außendurchmesser d_a umfasst, wobei der Mantel zumindest bereichsweise aus einem Teilchenverbundwerkstoff mit einer Matrix aus Wolfram besteht und folgende Bedingung erfüllt ist: d_i ≤ d_a/3. Die dort beschriebene Elektrode soll sich durch eine deutlich geringere Bogenunruhe auszeichnen.
Bislang konnte nicht gezeigt werden, wie alle drei Aufgaben, nämlich Flickern (Bogenunruhe), Elektrodenrückbrand bzw. -verformung und Schwärzung des Lampenkolbens zusammen lösbar sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gleichstrom-Gasentladungslampe mit einer thoriumfreien Kathode bereitzustellen, welche im Hinblick auf Lampenlebensdauer und Lichtbogenstabilität ein Verhalten aufweist vergleichbar einer mit einer thorierten Kathode ausgestatteten Gleichstrom-Gasentladungslampe.
Diese Aufgabe wird durch eine Gleichstrom-Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung geht aus von einer Gleichstrom-Gasentladungslampe mit einer Anode und einer Kathode umfassend ein erstes Kathodenteilstück, welches zumindest in einem Bereich der Kathode, welcher der Anode zugewandt ist und einen Bogenansatzbereich aufweist, innerhalb dessen bei einem bestimmungsgemäßen Lampenbetrieb ein zwischen der Kathode und der Anode brennender Lichtbogen ansetzt, die Oberfläche der Kathode bildet. Dabei besteht das erste Kathodenteilstück aus Wolfram mit zumindest einem Emittermaterial zur Senkung der Austrittsarbeit von Elektronen aus der Kathode, wobei die Kathode thoriumfrei ausgebildet ist und das zumindest eine Emittermaterial eine Schmelztemperatur kleiner als 3200 K aufweist, insbesondere kleiner als 3100 K. Insbesondere handelt es sich um eine Gleichstrom-Hochdruckentladungslampe, bei welcher beim bestimmungsgemäßen Lampenbetrieb aus der Kathode Elektronen austreten und nach dem Durchgang durch das Lichtbogenplasma in die Anode eintreten.
Erfindungsgemäß wird eine Gleichstrom-Gasentladungslampe der gattungsgemäßen Art derart weitergebildet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche der Kathode außerhalb des Bogenansatzbereichs durch eine Diffusionsbarriere für das zumindest eine Emittermaterial gebildet ist.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass das erste Kathodenteilstück die einzige emitterhaltige Komponente der Kathode ist. Insbesondere kann durch das an der Oberfläche der Kathode frei liegende erste Kathodenteilstück eine Kathodenspitze umfasst sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass außer Wolfram kein Bestandteil der Kathode eine höhere Schmelztemperatur als 3100 K aufweist. Ein für die Diffusionsbarriere eingesetztes Material kann hier eine gegenüber dem Wolfram mit dem eingelagerten zumindest einen Emittermaterial deutlich reduzierte Beweglichkeit des Emittermaterials innerhalb der Diffusionsbarriere, insbesondere eine weitgehende Undurchdringlichkeit, aufweisen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das erste Kathodenteilstück einteilig aus einem Wolfram-Emittermaterial-Gemisch hergestellt ist, und das erste Kathodenteilstück zumindest in einem Überdeckungsbereich ringförmig von der Diffusionsbarriere umschlossen ist.
Der Überdeckungsbereich kann sich bevorzugt in einer axialen Richtung der Kathode, welche durch eine Verbindungslinie zwischen Anode und Kathode, insbesondere zwischen einer Spitze der Anode und einer Spitze der Kathode, gegeben ist, über eine vorgebbare Überdeckungslänge erstrecken. Bevorzugt kann die Überdeckungslänge mindestens 20% der Länge der Kathode in axialer Richtung betragen, insbesondere mindestens 50%. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kathode keine Verbindungen aufweist, deren Schmelztemperatur unter 2300 K liegt.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass das erste Kathodenteilstück innerhalb eines sich in axialer Richtung der Kathode erstreckenden Teilabschnitts von der Diffusionsbarriere ringförmig in radialer Richtung eingefasst ist, insbesondere dass die Diffusionsbarriere in dem Teilabschnitt als geschlossener Ring um das erste Kathodenteilstück herum angeordnet ist. Ebenso kann auch vorgesehen sein, dass die Diffusionsbarriere in tangentialer Richtung, d.h. entlang des Umfangs, Unterbrechungen aufweist, sodass in diesen unterbrochenen Bereichen innerhalb des Teilabschnitts das erste Kathodenteilstück frei an der Oberfläche der Kathode liegt. Der Teilabschnitt kann identisch zu dem Überdeckungsbereich sein. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Teilabschnitt nur einen Teil des Überdeckungsbereichs darstellt.
Üblicherweise wird das Emittermaterial in Form eines Emitteroxids oder mehrerer Emitteroxide eingebracht. Die zugesetzten Emitteroxide liegen in Wolfram-Verbundwerkstoffen in der Regel in Form von Agglomeraten vor. Diese befinden sich in den Wolfram-Kristalliten und auch zwischen deren Korngrenzen. Man kann davon ausgehen, dass insbesondere die Partikel in den Korngrenzen mobil sind und zu dem Emittertransport durch die Kathode beitragen. Dabei wird vermutet, dass die Diffusion hier nicht auf atomarer bzw. molekularer Ebene erfolgt, sondern als Teilchenverbund. In diesem Fall diffundieren die Emitterverbindungen besonders gut oberhalb ihrer Schmelztemperatur. Die bedeckte Fläche ist entscheidend für die Güte der Diffusionsbarriere.
Ein Bedecken der Kathode mit einem Material, das eine große Diffusionsbarriere für den Emitter darstellt, scheint aufgrund der oben gemachten Ausführungen auf den ersten Blick nicht vorteilhaft, da ja der Emittertransport über die Oberfläche zusätzlich eingeschränkt wird. Man strebt also überraschenderweise gerade das Gegenteil von dem an, was in der Literatur vorgeschlagen wird (Erniedrigung des Emitter-Transports statt Erhöhung). Die hier vorgeschlagene Bedeckung hat eher Ähnlichkeit mit den Ausführungen zur Kühlung von Anoden, siehe zum Beispiel DE 10 2009 021 235 A1 . Allerdings findet dort die Abdampfung (in diesem Fall im Wesentlichen von Wolfram) an der Spitze statt, und dies ist der wesentliche Unterschied zu der hier beschriebenen Entdeckung. Denn anders als erwartet, tragen bei den hier verwendeten thoriumfreien Kathoden die Mantelfläche und der Konus (abzüglich Spitzenbereich) hauptsächlich zur Schwärzung bei. Dies sei durch folgende Abschätzung und dazugehörigen experimentellen Nachweis im Versuch veranschaulicht:
Beispiel sei eine Kathode, wie sie z.B. für eine 3,5kW HBO-Lampe (Quecksilber-Kurzbogenlampen) verwendet wird. Bei solchen Kathoden bewegt sich die Spitzentemperatur im Bereich von 3300K. Im Konus nimmt die Temperatur exponentiell ab, so dass in 3mm Abstand von der Spitze nur noch 2300 bis 2500K gemessen werden. Über den restlichen Konus hin zum Mantelbereich fällt die Temperatur weiter ab und beträgt schließlich nur noch 1500K. Es sei nun der Bereich der Spitze bis zum Abstand von 3mm hinter dieser als Spitzenbereich bezeichnet, die restliche Kathode sei der Mantelbereich. Man kann vereinfacht folgende mittlere Temperaturen annehmen: 2800K im Spitzenbereich und 2000K im Mantelbereich. Die Oberfläche des Spitzenbereichs beträgt nun rund 1/20 der Manteloberfläche. Allerdings ist der mittlere Dampfdruck in diesem hinteren Bereich gut 900mal geringer als im Spitzenbereich (Berechnung nach der Clausius-Clapeyronschen Gleichung). Man würde also erwarten, dass die Spitze 40mal mehr zur Schwärzung der Lampe beiträgt als die Fläche von Konus und Mantel im Abstand von 3mm zur Spitze. Man beobachtet hingegen, dass eine Bedeckung des Mantelbereichs mit z.B. einer Keramikschicht, beispielsweise einer Mischung aus Wolfram und Zirkonoxid, die Schwärzung stark reduziert wird. Entgegen der Erwartung kann also eine Bedeckung des Mantels eine Kolbenschwärzung weitestgehend verhindern.
Bevorzugt weist die Kathode eine Oberflächenform auf, welche durch den Mantel eines Zylinders sowie durch die Mantelfläche eines Kegelstumpfs und die Deckfläche des Kegelstumpfs gebildet oder angenähert ist, wobei die Kathodenoberfläche innerhalb des Überdeckungsbereichs den Mantel des Zylinders und/oder die Mantelfläche des Kegelstumpfs zumindest teilweise umfasst.
Die Mantelfläche des Kegelstumpfs wird synonym auch als Konus bezeichnet, ebenso wird die Deckfläche des Kegelstumpfs auch synonym als (Kathoden-)Plateau bezeichnet. Insbesondere eine Diffusionsbarriere auf dem spitzennahen Konus zeigt eine hohe Wirksamkeit, weil die Kathode hier eine höhere Temperatur erreicht, was wiederum die Emitterabdampfung beschleunigt. Es ist daher davon auszugehen, dass bereits die Beschichtung des Konusbereichs zu einer wesentlichen Reduzierung der Degradation beiträgt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist ein ringförmiger Bereich der Oberfläche der Kathode um den Bogenansatzbereich herum, welcher eine Breite von mindestens 1 mm aufweist, frei von der Diffusionsbarriere. Um die Schwärzung zu minimieren, sollte eigentlich der gesamte Mantel und Konus bis hin zur Spitze abgedeckt werden, da ja in der Nähe des Kathodenplateaus besonders hohe Temperaturen beobachtet werden. In der Praxis erweist sich dies jedoch als ungünstig. Zum einen brennt die Kathode im Laufe der Lampenlebensdauer um einige Zehntel bis einige Millimeter zurück. Eine Diffusionsbarriere, die bis direkt an die Spitze reicht, würde hier beschädigt werden. Es könnte im Laufe der Brenndauer durch die verschiedenen Materialien zu einer Plateauverformung kommen, was in der Regel zu einer geringeren Strahldichte führt. Überdies kann die Diffusionsbarriere insbesondere bei Beschichtungen beim Zünden beschädigt werden, sodass Kolbenbeläge auftreten, die von der Barriere selbst herrühren. Aus den genannten Gründen sollte der Konus der Kathode in einem Abstand von mindestens 1 mm vom Plateau frei von einer Diffusionsbarriere sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Emittermaterial zumindest eines der folgenden Elemente auf: Lanthan (La), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Yttrium (Y), Cer (Ce), Scandium (Sc). Bevorzugt ist das zumindest eine Element als Oxid in das Emittermaterial eingebracht. Die Wirksamkeit der Diffusionsbarriere wurde insbesondere im Zusammenwirken mit Lanthanoxid, teilweise auch mit Zusatz von Zirkonoxid, als Emittermaterial untersucht und bestätigt. Bevorzugt weist das Emittermaterial außer diesen benannten Elementen keine weiteren Elemente mit Ausnahme von Sauerstoff (O) und Kohlenstoff (C) auf. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Emittermaterial keine üblicherweise eingesetzten Erdalkalimetalle, welche aufgrund der niedrigen Schmelz- und Siedepunkte noch eher zum Abdampfen neigen, enthält.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Konzentration des Emittermaterials im Bereich des ersten Kathodenteilstückes 1,0 bis 3,5 Gewichtsprozent beträgt, vorzugsweise 1,0 bis 3,0 %, insbesondere 1,5 bis 3,0 Gewichtsprozent.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Kathode zusätzlich Kohlenstoff aufweist, welcher über das Volumen der Kathode verteilt ist und/oder oberflächlich durch Karburierung zumindest eines Teils der Oberfläche der Kathode aufgebracht ist. Insbesondere kann der Kohlenstoff in dem Bereich des ersten Kathodenteilstücks vorliegen, wo er als Reduktionsmittel für das Emittermaterial (Oxid) wirken kann und somit dessen Diffusion in Richtung Spitze erleichtern kann.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass in dem Emittermaterial weitere Elemente außer Sauerstoff (O) und zumindest einem der Elemente Lanthan (La), Neodym (Nd), Samarium (Sm), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Yttrium (Y), Cer (Ce) oder Scandium (Sc) mit einer jeweiligen Konzentration kleiner als 0,1 Gewichtsprozent und/oder in Summe kleiner als 0,2 Gewichtsprozent vorliegen. Dadurch kann der Einfluss einer Belagsbildung infolge der Abdampfung zusätzlicher Emitterdotierungen reduziert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Diffusionsbarriere durch eine auf der Oberfläche der Kathode aufgebrachte Beschichtung mit einer Schichtdicke von mindestens 0,2µm, bevorzugt mindestens 1 µm ausgebildet, wobei die Beschichtung ein Metall und/oder mindestens eine Metallverbindung aufweist. Im Rahmen der Erfindung wurden eine Zirkonoxid-Wolfram-Beschichtung, sowie eine Wolfram-Beschichtung, jeweils mit einer Dicke von ca. 1 µm, welche durch Aufsintern erzeugt wurden, getestet. Für die Wirksamkeit der Schicht als Diffusionsbarriere ist keine vollständige Undurchlässigkeit gegenüber dem Emitter erforderlich. So konnte bei einer derart ausgebildeten Lampe am Ende der Lebensdauer Lanthan in sehr geringen Mengen auf der Außenseite der Beschichtung detektiert werden. Trotzdem verringerten diese Beschichtungen die Schwärzung erheblich. Andere Beschichtungen und Beschichtungsverfahren, beispielsweise PVD (physical vapor deposition), werden als ebenso wirksam erachtet. Es ist zu erwarten, dass sich eine geringere Porosität vorteilhaft auf die Eigenschaft als Diffusionsbarriere auswirkt. Eine obere Grenze für die Schichtdicke gibt es hinsichtlich der Wirksamkeit nicht. Allerdings zeigen dickere Schichten Nachteile bei der Herstellzeit (bei PVD) und der Haftung (PVD und Matrixverbundbeschichtung), sodass in der Praxis Dicken größer als 1 mm nicht sinnvoll erscheinen.
Bevorzugt kann die Beschichtung dazu ausgelegt sein, im Betrieb der Kathode eine höhere Abstrahlung im infraroten Spektralbereich als Wolfram und/oder als Wolfram mit dem zumindest einen Emittermaterial zu bewirken. Hierdurch kann eine verbesserte Wärmeabfuhr aus der Kathode realisiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung analog zu DE 10 2009 021 235 A1 ist die Beschichtung als Matrix-Schicht aus einem ersten Material ausgebildet, in der Partikel aus einem zweiten Material eingelagert sind, wobei der Extinktionskoeffizient des ersten Materials im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2000 nm kleiner als 0,1 ist und der Extinktionskoeffizient des zweiten Materials im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2000 nm größer als 0,1 ist. Der Extinktionskoeffizient (k) bezeichnet in der Optik den Imaginärteil des komplexen Brechungsindex. Er ist eine dimensionslose Größe für das Schwächungsvermögen eines Mediums. Je größer er ist, desto stärker wird die einfallende elektromagnetische Welle, beispielsweise Licht, vom Material aufgenommen (absorbiert). Der Extinktionskoeffizient (k) ist über den Realteil des komplexen Brechungsindex mit dem Absorptionsindex (κ) verknüpft. Durch eine Beschichtung, die die Kathodentemperatur reduziert, wird sowohl der Emittertransport an die Kathodenoberfläche als auch die Abdampfung verringert.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die Beschichtung zumindest eine der folgenden Verbindungen auf: Zirkoniumoxid (ZrO₂), Aluminiumnitrid (AlN), Magnesiumfluorid (MgF₂), Siliziumcarbid (SiC).
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass auf der Oberfläche der Kathode mindestens eine weitere Beschichtung aufgebracht ist. Mit anderen Worten ist die Beschichtung der Kathode somit zweiteilig ausgeführt. Es kann beispielsweise vorteilhaft sein, im Bereich der Kathodenspitze eine Beschichtung zu verwenden, die unempfindlich ist gegenüber einem falschen Bogenansatz, während in einem anderen Bereich eine möglichst gute Wärmeabstrahlung benötigt wird. Dies ist vor allem vorteilhaft bei Lampen mit einer hohen Quecksilberdichte, beispielsweise größer acht Milligramm pro Kubikzentimeter (> 8 mg/cm³), da der Bogen bei einem Neustart hier mit zunehmender Lebensdauer oft nicht auf dem Kathodenplateau ansetzt bzw. nicht dort stehen bleibt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Gasentladungslampe weist ein zweites Kathodenteilstück aus einem emitterfreien Material als Diffusionsbarriere auf, welches zumindest in dem Überdeckungsbereich die Oberfläche der Kathode bildet, wobei in dem zweiten Kathodenteilstück das erste Kathodenteilstück verpresst ist. Bevorzugt ist das erste Kathodenteilstück als Inlay in dem Spitzenbereich der Kathode ausgebildet und in dem zweiten Kathodenteilstück eingebettet, sodass nur ein spitzennaher Bereich des Inlays an der Oberfläche der Kathode freiliegt. Das zweite Kathodenteilstück kann hierbei als ringförmiger Mantel in einem sich in axialer Richtung der Kathode erstreckenden Teilbereich der Kathode ausgebildet sein, welcher das erste Kathodenteilstück umschließt, wobei sich der Mantel zumindest innerhalb des Überdeckungsbereichs in radialer Richtung bis zu der Oberfläche der Kathode erstreckt. Hierdurch ist eine besonders einfache Art der Herstellung der Kathode möglich, da auf eine aufwändige Verbindung zwischen dem ersten Kathodenteilstück und dem zweiten Kathodenteilstück verzichtet werden kann. Zwischen dem ersten Kathodenteilstück und dem zweiten Kathodenteilstück besteht eine Grenzfläche, die durch eine erhöhte Diffusionsgeschwindigkeit gekennzeichnet ist. Somit wird in diesem Fall ein im Vergleich zu einem gesinterten Material verbesserter Emittertransport beobachtet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Kathode ein zweites Kathodenteilstück aus einem emitterfreien Material als Diffusionsbarriere auf, welches zumindest in dem Überdeckungsbereich die Oberfläche der Kathode bildet, wobei in dem zweiten Kathodenteilstück das erste Kathodenteilstück eingefasst ist, wobei die Verbindung zwischen dem zweiten Kathodenteilstück und dem ersten Kathodenteilstück durch einen Sinterprozess hergestellt ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich das erste Kathodenteilstück über die gesamte Länge der Kathode in axialer Richtung. Durch einen derartigen, bei einer rotationssymmetrischen Anordnung koaxialen Aufbau des ersten Kathodenteilstücks und des zweiten Kathodenteilstücks ist eine stabile und zuverlässige Verbindung der beiden Kathodenteilstücke möglich. Insbesondere kann die Kathode in einem einzigen Sinterprozess hergestellt werden. Ein rotationssymmetrisch koaxialer Aufbau ist hierbei nicht erforderlich, ebenso kann das erste Kathodenteilstück außermittig innerhalb des zweiten Kathodenteilstücks angeordnet sein.
Es kann auch vorgesehen sein, sowohl durch ein zweites Kathodenteilstück als Diffusionsbarriere in Form eines Mantels, welcher das erste Kathodenteilstück zumindest über eine vorgebbare Länge ringförmig umgibt, als auch durch eine separat aufzubringende Beschichtung in der Größenordnung einiger Mikrometer bis maximal ein Millimeter zu kombinieren, um das Betriebsverhalten der Gasentladungslampe noch weiter zu verbessern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Gasentladungslampe eine quecksilberhaltige Füllung auf, wobei das Produkt aus Stromdichte in Ampere pro Quadratzentimeter und Quecksilberdichte in Gramm pro Kubikzentimeter mindestens 40,0 beträgt. In den Fällen, in denen das Produkt aus Quecksilberdichte (d_Hg) und Stromdichte (j) am Kathodenplateau (Deckfläche des Kegelstumpfs/Konus) größer als 40 ist, erweist sich die Diffusionsbarriere als besonders wirkungsvoll. Hier kann die Schwärzung stark reduziert werden, was nachfolgend in der Darstellung von Ausführungsbeispielen mit zugehörigen Messungen dargestellt wird. Die zugrundeliegende Stromdichte (j) ergibt sich dabei aus einem Lampenstrom bei Betrieb mit Nennleistung, für welche die Lampe dimensioniert ist, bezogen auf die Austrittsfläche des Lichtbogens aus der Kathode, entsprechend der üblichen Kathodenformausgestaltung also bezogen auf das Kathodenplateau. Formelmäßig stellt sich der Bereich folgendermaßen dar:
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich anhand der vorliegenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Berücksichtigung der beigefügten Figuren. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale und Funktionen.
Es zeigen:
1 in vereinfachter schematischer Darstellung ein mittels EDX ermitteltes Diagramm der Analyse des Kolbenbelags einer 4kW-Lampe;
2 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Strahlungsleistung von Quecksilberentladungslampen mit einer Leistung von 8,0 kW zum Vergleich des Schwärzungsverhaltens mit und ohne Beschichtung;
3 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Strahlungsleistung über der Brenndauer von Quecksilberentladungslampen mit einer Leistung von 3,5 kW zum Vergleich des Schwärzungsverhaltens;
4 den zeitlichen Verlauf der Strahlungsleistung von 8kW-Lampen mit unterschiedlich stark ausgeprägten Diffusionsbarrieren;
5 in vereinfachter schematischer Darstellung ein mittels EDX gewonnenes Diagramm zur Analyse einer Beschichtung einer 3,5kW-Lampe nach 1000h Brenndauer;
6a in vereinfachter schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kathode einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gasentladungslampe;
6b in vereinfachter schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Kathode einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gasentladungslampe;
7 in vereinfachter schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer Kathode einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gasentladungslampe;
8 in vereinfachter schematischer Darstellung (Schnitt) ein viertes Ausführungsbeispiel einer Kathode einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gasentladungslampe;
9 in vereinfachter schematischer Darstellung (Schnitt) ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Kathode einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gasentladungslampe; und
10 in vereinfachter schematischer Darstellung (Schnitt) ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Kathode einer erfindungsgemäßen Gleichstrom-Gasentladungslampe.
Nachfolgend werden kurz die allgemeine Wirkungsweise und die Ursache der Schwärzung dargestellt. Die Austrittsarbeit an der Kathodenspitze wird durch den Emitter (z.B. Lanthanide) gesenkt. Die Temperaturen an der Spitze sind dabei so hoch, dass auch ein Teil des Emitters verdampft. Der dadurch entstehende Konzentrationsgradient bewirkt, dass Emitter aus dem hinteren Teil der Kathode nachgeliefert wird, und zwar (a) durch Diffusion durch den Bulk, (b) durch Diffusion entlang der Korngrenzen und (c) durch Oberflächendiffusion.
Zur Frage, welcher dieser Prozesse der schnellste ist und damit für das Verhalten der Kathode die größte Bedeutung hat, gibt es in der Literatur unterschiedliche, sich teilweise widersprechende Aussagen. So wurde in Messungen für Thorium in Wolfram gefunden, dass die Geschwindigkeit der Oberflächendiffusion deutlich größer ist als die der Korngrenzendiffusion, wobei diese wiederum größer ist als die der Volumen- oder Bulkdiffusion, siehe z.B. „Bargel, H.J.; Schulze, G.: Werkstoffkunde; VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 5. Auflage (1988)“. In der WO 2015/128754 A1 wird hingegen davon ausgegangen, dass (zumindest für Yttrium in Wolfram) die Diffusion hauptsächlich entlang der Korngrenzen stattfindet.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit konnte nun gezeigt werden, dass es Diffusionsvorgänge über die Oberfläche sind, die für das Verhalten der Kathode eine entscheidende Rolle spielen. Die Temperatur der Kathode ist nämlich so hoch, dass ein Teil der über die Kathodenoberfläche diffundierenden Emitteratome abdampft und sich am Kolben niederschlägt. Dies führt ohne weitere Maßnahmen zu einer beträchtlichen Kolbenschwärzung, siehe 1, und damit wie oben beschrieben zu einer starken Reduktion der Lebensdauer.
Bei hoch belasteten Kathoden, wie sie in HBO-Lampen und in für Kinoprojektion eingesetzten XBO-Lampen (Xenon-Kurzbogenlampen) verwendet werden, treten Temperaturen auf, bei denen Emitter sowohl aus dem Mantel als auch von der Spitze verdampft. Während Th-haltige Kathoden nur eine schwache Abdampfung von Th bzw. ThO₂ aufweisen, ist die Abdampfung für Th-Ersatzstoffe wie z.B. La, Nd, Sm, Zr, Hf, Y, Ce, Sc sehr stark aufgrund der niedrigeren Verdampfungstemperatur der Emitter(-verbindungen). In der Regel sind dabei Emitterverbindungen wie z.B. Oxide zu betrachten, da die Emitter in Verbindung der Wolfram-Matrix hinzugefügt werden und – wenn überhaupt – nur zu einem sehr geringen Teil während des Lampenbetriebes in reduzierter oder elementarer Form vorliegen.
In der 1 ist ein Diagramm dargestellt, bei welchem auf der Abszisse eine Energie E von Röntgenquanten in Kiloelektronenvolt (keV) und auf der Ordinate eine Signalintensität in Abhängigkeit von der Energie E der Röntgenquanten aufgetragen ist. EDX steht hierbei für energiedispersive Röntgenspektroskopie (energy dispersive X-ray spectroscopy) und ist eine gängige oberflächensensitive Messmethode der Materialanalytik. Dabei werden die Atome einer Probe durch einen Elektronenstrahl einheitlicher Energie angeregt, welche dann Röntgenstrahlung mit einer für das jeweilige Element spezifischen Energie aussenden, die charakteristische Röntgenstrahlung. Diese Strahlung gibt Aufschluss über die Elementzusammensetzung der Probe. Das Diagramm zeigt einen Messkurvenverlauf 12, wobei die für das Element Lanthan charakteristischen Peaks mit La gekennzeichnet sind. Deutlich ist erkennbar, dass der Kolbenbelag fast ausschließlich aus dem hier als Emitter verwendeten Lanthan(-oxid) besteht. Weitere Peaks sind dem Glassubstrat zuzuordnen.
Ziel ist es, zur Verhinderung der Schwärzung des Lampenkolbens die Abdampfung des Emitters zu minimieren, indem dafür gesorgt wird, dass der Emitter nur an einem kleinen Teil der Oberfläche, nämlich spitzennah, vorliegen kann. Dort wird er zur Verringerung der Spitzentemperatur benötigt, während er im hinteren Bereich nicht für den Lampenbetrieb erforderlich ist. Eine solche Emitterverteilung wird erreicht, indem das emitterhaltige Material abgedeckt wird. In der einfachsten Ausführung wird dies durch eine Beschichtung erzielt, die als Diffusionsbarriere wirkt. Ebenso führt auch die Ummantelung mit einer massiven, nicht-emitterhaltigen Schicht aus z.B. Wolfram, zu der gewünschten Verringerung der Emitterabdampfung.
Im Folgenden sind nun zwei Beispiele gezeigt von Lampen, bei denen vorwiegend Lanthanoxid (La₂O₃) als Emitter verwendet wird. Die Konzentration an La₂O₃ ist mit 1,7–2,5 Gew% (Gewichtsprozent) dabei so hoch, dass ein flickerfreier Betrieb über die gesamte Lebensdauer möglich ist. Als Diffusionsbarriere wurde eine elektrisch nichtleitende Beschichtung gewählt, die eine Dicke von ca. 3 µm besitzt und deren Hauptbestandteile ein Metalloxid und Wolfram sind. Der Konusbereich mit einem Abstand von 2mm zur Spitze wurde in beiden Fällen unbedeckt gelassen. Während die eine Lampe eine Nennleistung von 8kW bei einer Stromdichte von 20A/mm² hat, wird die andere Lampe bei 3500W betrieben mit einer Stromdichte von ca. 330A/mm².
In beiden Fällen kann das Schwärzungsverhalten dieser Lampen durch eine Beschichtung der Kathode wesentlich verbessert werden (s. 2 und 3), so dass nach 1500 bzw. 1000h deutlich mehr Licht (9%-Punkte bzw. ca. 20%-Punkte) abgestrahlt wird. Damit bewegen sich die Lampen hinsichtlich der Schwärzung im Bereich von thorierten Lampen, kommen aber ohne radioaktives Emittermaterial aus.
Anhand der 2 kann das Schwärzungsverhalten für Quecksilberentladungslampen mit einer Leistung von 8,0 kW und einer Stromdichte von ca. 20A/mm² verglichen werden. Das Emittermaterial der Kathode basiert hierbei auf Lanthanoxid. Auf der Abszisse ist eine Brenndauer t in Stunden (h) aufgetragen, auf der Ordinate ist eine auf die jeweilige Anfangsstrahlungsleistung der zugehörigen Lampe bezogene Strahlungsleistung in einem Wellenlängenbereich zwischen 350 nm bis 450 nm aufgetragen. Ein erster Strahlungsleistungsverlauf 21 einer ersten Lampe ohne Beschichtung der Kathode sowie ein zweiter Strahlungsleistungsverlauf 22 einer zweiten Lampe mit Beschichtung sind im Vergleich zueinander aufgetragen, wobei aufgrund der jeweiligen Normierung auf die jeweilige Anfangsstrahlungsleistung beide Strahlungsleistungskurven 21, 22 bei 100% Strahlungsleistung bei einer Brenndauer t = 0 starten. Die Wirkung der Beschichtung ist in dem Diagramm deutlich zu erkennen. Nach einer Brenndauer von 1500 Stunden ist die zweite Strahlungsleistungskurve 22 infolge Schwärzung des Kolbens der Quecksilberentladungslampe auf 88% des Anfangswerts abgesunken, wohingegen die zweite Lampe ohne Beschichtung der Kathode infolge deutlich stärkerer Schwärzung einen Rückgang der Strahlungsleistung nach 1500 Brennstunden auf 79% des Anfangswerts aufweist.
3 zeigt das Schwärzungsverhalten für Quecksilberentladungslampen mit einer Leistung von 3,5 kW und einer initialen Stromdichte von ca. 330 A/mm². Das Emittermaterial der Kathode basiert auf Lanthanoxid. Die Beschichtung enthält Zirkonoxid. Wie bereits in der Darstellung der 2 ist auf der Abszisse die Brenndauer t in Stunden (h) aufgetragen und auf der Ordinate die Strahlungsleistung, normiert auf den jeweiligen Anfangswert in Prozent. Dargestellt ist jeweils der Kurvenverlauf für eine von vier Lampen, nämlich ein dritter Kurvenverlauf 31 einer dritten Lampe, ein vierter Kurvenverlauf 32 einer vierten Lampe, ein fünfter Kurvenverlauf 33 einer fünften Lampe sowie ein sechster Kurvenverlauf 34 einer sechsten Lampe. Die dritte und die vierte Lampe stellen jeweils ein Exemplar der gleichen Bauform dar, welche ohne eine Beschichtung der Kathode ausgeführt ist, wohingegen die fünfte und die sechste Lampe jeweils durch ein Exemplar einer Lampe mit einer Beschichtung der Kathode gegeben sind. Somit sind die dritte und die vierte Lampe sowie die fünfte und die sechste Lampe jeweils baugleich zueinander und unterscheiden sich in ihrem Schwärzungsverhalten lediglich durch Exemplarstreuungen. Dies ist in dem Diagramm gemäß der 3 gut erkennbar, der dritte Kurvenverlauf 31 und der vierte Kurvenverlauf 32 weisen bei einer Brenndauer t von 1000 Stunden einen Wert von 70% bzw. 67% des Anfangswerts auf, wohingegen der fünfte Kurvenverlauf 33 und der sechste Kurvenverlauf 34 nach der gleichen Brenndauer t von 1000 Stunden eine Strahlungsleistung von 91% bzw. 88% aufweisen.
4 zeigt das Schwärzungsverhalten dreier Lampen mit 8kW im Vergleich, nämlich einer siebten Lampe, welche keine Diffusionsbarriere aufweist, einer achten Lampe, welche eine zu 76% durch eine Diffusionsbarriere abgedeckte Kathode aufweist, sowie einer neunten Lampe, welche eine zu 97% mit einer Diffusionsbarriere abgedeckte Kathode aufweist. Die Diffusionsbarriere wurde hier in Form einer Beschichtung realisiert, die an dem hinteren Ende der Kathode beginnt. Das Diagramm zeigt einen siebten Kurvenverlauf 41, welcher das Verhalten der siebten Lampe ohne Diffusionsbarriere repräsentiert, einen achten Kurvenverlauf 42, welcher das Verhalten der achten Lampe mit einer Diffusionsbarriere auf dem Mantel repräsentiert, sowie einen neunten Kurvenverlauf 43, welcher das Verhalten der neunten Lampe mit einer Diffusionsbarriere auf dem Mantel und dem Konus repräsentiert. Die geringste Schwärzung zeigt demnach die neunte Lampe mit einer Strahlungsleistung von 89% nach 1500 Stunden Brenndauer, die achte Lampe zeigt nach der gleichen Brenndauer bereits einen Rückgang auf 83% der ursprünglichen Strahlungsleistung und die siebte Lampe einen Rückgang auf ca. 78%.
Die bedeckte Fläche ist entscheidend für die Güte der Diffusionsbarriere. Dies ist an einem Beispiel der drei 8kW-Lampen verdeutlicht. Eine Kathode hatte keine Diffusionsbarriere (siebte Lampe), die beiden anderen hatten eine Schicht als Diffusionsbarriere, und zwar entweder auf dem Mantel (achte Lampe) oder auf Mantel und Konus (neunte Lampe). Die stärkste Degradation zeigte die siebte Lampe ohne Diffusionsbarriere (–22%). Bei den Lampen mit Diffusionsbarriere verhielt sich diejenige deutlich besser, bei der die beschichtete Fläche größer war. Sie zeigte eine um 5%-Punkte verringerte Degradation (–12% im Vergleich zu –17%). Es sei nun die Summe aus Mantelfläche und Konusfläche im Folgenden mit „Außenfläche der Kathode“ bezeichnet. Dann waren bei der achten Lampe 76% der Außenfläche der Kathode mit einer Diffusionsbarriere versehen, bei der neunten Lampe waren es 97%. Der Vergleich zwischen der achten Lampe und der neunten Lampe zeigt, dass die Diffusionsbarriere auf dem spitzennahen Konus wesentlich wirksamer ist, weil die Kathode hier höhere Temperaturen erreicht, was wiederum die Emitterabdampfung beschleunigt. Man kann daher davon ausgehen, dass bereits die Beschichtung des Konusbereichs (hier 21% der Fläche) zu einer wesentlichen Reduzierung der Degradation beiträgt.
Als Diffusionsbarrieren wurden sowohl eine Zirconiumoxid(ZrO₂)-Wolfram-Beschichtung als auch eine Wolfram(W)-Beschichtung jeweils mit einer Dicke der durch Aufsintern aufgebrachten Schicht von ungefähr 3 µm getestet. Für die Wirksamkeit der Schicht als Diffusionsbarriere ist keine vollständige Undurchlässigkeit gegenüber dem Emitter erforderlich. So konnte bei der fünften Lampe am Ende der Lebensdauer Lanthan in sehr geringen Mengen auf der Außenseite der Beschichtung detektiert werden. Trotzdem verringerten diese Beschichtungen die Schwärzung erheblich. Andere Beschichtungen und Beschichtungsverfahren (z.B. physikalische Gasphasenabscheidung: PVD, „physical vapor deposition“) sollten ebenso wirksam sein. Generell wird erwartet, dass sich eine geringere Porosität vorteilhaft auf die Eigenschaft als Diffusionsbarriere auswirkt.
Eine obere Grenze für die Schichtdicke gibt es hinsichtlich der Wirksamkeit nicht. Allerdings zeigen dickere Schichten Nachteile bei der Herstellzeit (bei PVD) und der Haftung (PVD und Matrixverbundbeschichtung), so dass in der Praxis Dicken größer als 1mm nicht sinnvoll erscheinen.
In der 5 ist ein EDX-Diagramm der Beschichtung der fünften Lampe (3,5 kW) im Abstand von ca. 7 mm hinter der Spitze dargestellt. Dabei konnte am Ende der Lebensdauer Lanthan in sehr geringen Mengen auf der Außenseite der Beschichtung detektiert werden. Die zugehörigen charakteristischen Linien des Lanthans sind in der Figur markiert. Die Ordinate ist im Bereich von 0 bis ca. 10 skaliert. Das unspezifische Spektrum des Untergrunds in dem Bereich um 2 keV (Energie E der Röntgenquanten) ist in Richtung der Ordinate abgeschnitten und nicht vollständig dargestellt.
Nachfolgend sind in den 6a bis 10 bevorzugte Ausführungsformen von Kathoden 100 erfindungsgemäßer Gleichstrom-Gasentladungslampen dargestellt, welche in ihrer Formgebung in einer besonders bevorzugten Ausführungsform durch einen Rotationskörper gebildet sind, welcher einen Zylinder 102 und einen Kegelstumpf 104, welcher nachfolgend auch als Konus bezeichnet ist, umfasst.
In den 6a bis 10 jeweils eingeführte Bezugszeichen, insbesondere betreffend die Bemaßungen der Ausführungsformen der Kathoden 100, werden zur besseren Übersicht nur einmal eingeführt und gelten für erkennbar gleichartige Anordnungen, ohne dass diese nochmals explizit in der Beschreibung und/ oder der jeweiligen Figur aufgeführt werden.
Der Zylinder 102 weist eine Zylindergrundfläche 102g und eine Zylinderdeckfläche 102d mit einem Zylinderdurchmesser d1 sowie einen Mantel 102m mit einer Zylinderhöhe h1 auf. Der Kegelstumpf 104 weist eine Grundfläche 104g mit einem Kegeldurchmesser, welcher gleich dem Zylinderdurchmesser d1 sein kann, und eine nachfolgend auch als (Kathoden-)Plateau bezeichnete Deckfläche 104d mit einem Plateaudurchmesser d2 sowie eine Mantelfläche 104m auf. Der Kegelstumpf weist eine Höhe h2 auf, welche den Abstand der Grundfläche 104g von der Deckfläche 104d charakterisiert. Die von dem Kegelstumpf 104 abgewandte Zylindergrundfläche 102g ist auf der von einer (nicht dargestellten) Anode abgewandten Seite der Kathode 100 angeordnet. Ein Konuswinkel α ist durch den Winkel der gedachten Spitze des Kegelstumpfs 104 definiert, in der 6b ist zur besseren Darstellung der zugehörige, gleich große Gegenwinkel eingezeichnet.
Entsprechend der vereinfachten Darstellung der Kathoden 100 in den 6a bis 10 können diese einen rotationssymmetrischen Aufbau aufweisen, wobei die Rotationsachse durch einen ersten Mittelpunkt M1, welcher den Mittelpunkt der Zylindergrundfläche 102g darstellt, und einen zweiten Mittelpunkt M2, welcher den Mittelpunkt der Deckfläche 104d darstellt, definiert ist. Die Richtung dieser Achse durch die beiden Mittelpunkte M1, M2 wird als axiale Richtung bezeichnet. Eine Richtung senkrecht zu dieser Achse, welche außerdem senkrecht auf dem Mantel 102m steht, wird als radiale Richtung bezeichnet. Eine Richtung, welche senkrecht zu dieser Achse liegt und einen gemeinsamen Punkt mit dem Mantel 102m besitzt, wird als tangentiale Richtung bezeichnet.
Vereinfachend wird zur Erläuterung der Erfindung angenommen, dass sich der Bogenansatzbereich im Wesentlichen über die Ausdehnung der Deckfläche 104d erstreckt, also über das Kathodenplateau. Spitzennah bedeutet in diesem Zusammenhang in unmittelbarer Nähe zu der Deckfläche 104d.
Dies muss jedoch nicht zwangsläufig bei von dieser beschriebenen Grundform abweichenden Kathodenformen der Fall sein. Insbesondere wenn im Bereich des Kathodenplateaus komplexere Formgebungen vorliegen, kann der Bogenansatzbereich und der Bereich geometrischer Übergänge auseinanderfallen, wenn beispielsweise die Außenkontur des Rotationskörpers nicht mehr durch geradlinige Abschnitte, also ein Polygon, welches rotiert, erzeugbar sind, sondern durch gekrümmte Linien, beispielsweise eine konvexe oder eine konkave Linie oder Teile von Kreisbögen, welche dann in diesem Fall eine Kuppe erzeugen können. In einem derartigen Fall ist immer der tatsächliche Bogenansatzbereich für die Anordnung der Diffusionsbarriere zu berücksichtigen.
Überdies kann auch vorgesehen sein, dass der Kegelstumpf 104 durch mehrere, übereinander gestufte Kegelstümpfe (nicht dargestellt) realisiert ist, wobei eine jeweilige Grundfläche 104g einen kleineren Durchmesser aufweist als eine jeweilige darunter (in Richtung des Zylinders 102 betrachtet) liegende Deckfläche 104d. Ebenso kann auch vorgesehen sein, dass der Kegelstumpf 104 durch mehrere, übereinander angeordnete Kegelstümpfe gebildet ist, wobei der jeweilige Durchmesser einer jeweiligen Grundfläche 104g gleich ist zu dem jeweiligen Durchmesser der darunter liegenden Deckfläche 104d, wobei jeder der jeweiligen Kegelstümpfe einen individuellen Konuswinkel α aufweisen kann. In letzterem Fall ergibt sich für den Außenkonturverlauf des zusammengesetzten Kegelstumpfs 104 in axialer Richtung ebenso wie in radialer Richtung ein monoton stetiger Verlauf. Dagegen ist in dem zuvor genannten Beispiel der Verlauf der Außenkonturlinie des zusammengesetzten Kegelstumpfs 104 stufig.
Weiterhin kann die Kathode 100 insbesondere im Bereich des Kegelstumpfs 104 in tangentialer Richtung aufgebrachte Rillen in Form von Vertiefungen und/oder Erhöhungen gegenüber der Grundkontur aufweisen. Von der Erfindung umfasst sollen auch Ausgestaltungen der Kathodenoberfläche sein, bei denen eine Strukturierung in Form einer Schraubenlinie im Bereich des Kegelstumpfs 104 vorliegt.
Die dargestellte Form der Kathode stellt lediglich eine grundsätzliche Ausführungsform einer Kathodenkontur dar, insbesondere kann vorgesehen sein, dass Abweichungen von der dargestellten Kontur vorzugsweise im Bereich von Ecken und Kanten vorliegen, sowie durch zusätzliche, insbesondere in tangentialer Richtung verlaufende Strukturen auf der Oberfläche der Kathode ausgebildet sind. So können beispielsweise Rillen oder Stege ausgebildet sein, welche den Konturenverlauf unter die dargestellte Außenkonturbestehend aus der Zylindergrundfläche 102g, dem Mantel 102m, Mantelfläche 104m (Konus) und Deckfläche 104d (Plateau) – absenken oder über diesen hinaus erhöhen. Die Erfindung erstreckt sich somit auch auf komplexere Kathodenausgestaltungsformen mit Abweichungen von der stark vereinfachten Form des Zylinders 102 und des Kegelstumpfs 104 in radialer Richtung von bis zu plus/minus 25 Prozent (+/–25 %) der durch Mantel 102m und Mantelfläche 104m vorgegebenen Form.
Zu den einzelnen Ausführungsformen im Detail:
In der 6a ist eine Kathode 100 mit einer Diffusionsbarriere 106 dargestellt, welche durch einen schraffierten Bereich symbolisiert ist. Dabei erstreckt sich die Diffusionsbarriere 106 ausgehend von der Grundfläche 104g nur über einen Teil der Mantelfläche 104m, sodass ein Teil des Kegelstumpfs 104, also des Konus, mit einer Höhe x2 frei von der Diffusionsbarriere 106 bleibt. In gleicher Weise ist auf der anodenabgewandten Seite der Kathode ein freier Streifen auf dem Mantel 102m des Zylinders 102 mit einer Höhe x1 vorgesehen. Die Diffusionsbarriere 106 kann in Form einer Beschichtung vorliegen. Die unschraffierte Oberfläche kennzeichnet den Teil von Mantel 102m und Mantelfläche 104m mit emitterhaltigem Wolfram, welches an der Oberfläche der Kathode freiliegt. In dem schraffierten Bereich der Diffusionsbarriere 106 liegt kein Emitter an der Oberfläche vor, sondern beispielsweise die Beschichtung, die als Diffusionsbarriere 106 wirkt.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform gemäß der Darstellung in 6b ist die Kathode auf dem gesamten Mantel 102m vollständig mit der Diffusionsbarriere 106 bedeckt, die sich weiterhin über einen Teil des Kegelstumpfs 104 erstreckt, wodurch ein sich an die Deckfläche 104d anschließender Bereich (in axialer Richtung betrachtet) frei von der Diffusionsbarriere 106 bleibt.
7 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Kathode 100, bei welcher die Diffusionsbarriere 106 durch zwei unterschiedliche Beschichtungen 106a und 106b realisiert ist. Dabei ist eine erste Beschichtung 106a auf der Mantelfläche 104m, also dem Konus der Kathode, angeordnet und somit in unmittelbarer Nähe eines Bogenansatzbereichs des Lichtbogens, der zwischen der Anode und der Kathode 100 brennt, wobei der Bogenansatzbereich zumindest näherungsweise durch die Deckfläche 104d gegeben ist. Die Beschichtung 106a kann somit in vorteilhafter Weise auf die höhere Temperatur in unmittelbarer Nähe des Bogenansatzpunkts angepasst werden.
Die zweite Beschichtung 106b kann aufgrund ihrer größeren Entfernung von dem brennenden Lichtbogen im Hinblick auf andere Parameter optimiert werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Beschichtung 106a über der zweiten Beschichtung 106b aufgetragen ist und diese somit zumindest teilweise abdeckt. Ebenso kann alternativ vorgesehen sein, dass die zweite Beschichtung 106b über der ersten Beschichtung 106a aufgetragen ist und diese zumindest teilweise abdeckt. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass jede der beiden Beschichtungen 106a, 106b auf der Oberfläche der Kathode nebeneinander angeordnet sind mit keiner oder nur einer geringfügigen gegenseitigen Überdeckung.
In der 8 ist eine vierte bevorzugte Ausführungsform einer Kathode 100 dargestellt, welche einen Kern 108 aus emitterhaltigem Wolfram aufweist, der in einem Mantel 107 aus einem emitterfreien, hochschmelzenden Metall verpresst wird. Dieses Metall kann bevorzugt Wolfram sein. Der emitterfreie Mantel 107 bildet in dieser Ausführungsform die Diffusionsbarriere. Die Länge y ist der kleinste Abstand zwischen Kern 108 und Mantel 104m. In der vierten Ausführungsform ist der emitterhaltige Kern 108, welcher ausgehend von der Deckfläche 104d in axialer Richtung eine Kernlänge h3 aufweist, konzentrisch innerhalb der Kathode 100 angeordnet, wobei in dem dargestellten Beispiel die Kernlänge h3 größer ist als die Höhe h2 des Kegelstumpfs 104, sodass sich der Kern 114 nicht nur über den kompletten Bereich des Kegelstumpfs 104, sondern auch noch in einen Bereich des Zylinders 102 hinein erstreckt. Selbstverständlich kann die Kernlänge h3 auch kleiner als die Höhe h2 des Kegelstumpfs 104 sein, sodass sich der Kern 114 nur innerhalb des Bereichs des Kegelstumpfs 104 befindet. Zwischen dem emitterhaltigen Kern 108 und der Oberfläche des Mantels 102m des Zylinders 102 ergibt sich somit in radialer Richtung der kleinste Abstand y. Der Kern 108 kann in vorteilhafter Weise als Inlay in dem Körper der Kathode 100 verpresst sein.
In Ergänzung zu den Darstellungen der 6a, 6b und 7 ist eine Aussparung 110 dargestellt, welche von der Zylindergrundfläche 102g ausgeht, mit einem Durchmesser d4 und einer Länge h4, wobei diese Aussparung 110 zur Aufnahme einer Stromzuführung zu der Kathode 100 ausgelegt ist.
9 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform einer Kathode 100 mit einem emitterhaltigen Kern 108, der in einem emitterfreien Mantel 107 aus einem hochschmelzenden Metall, vorzugsweise Wolfram, gesintert ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass sich der emitterhaltige Kern 108 in axialer Richtung über die vollständige Länge der Kathode 100 erstreckt, d.h. die Länge h3 des Kerns gleich ist der Summe der Zylinderhöhe h1 und der Kegelstumpfhöhe h2. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser d4 der Aussparung 110 kleiner als der Durchmesser d3 des emitterhaltigen Kerns 108. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Durchmesser d4 der Aussparung 110 größer ist als der Durchmesser d3 des emitterhaltigen Kerns 108, sodass im Bereich der Zylindergrundfläche 102g der Kathode der emitterhaltige Kern 108 nicht freiliegt.
In einer sechsten bevorzugten Ausführungsform gemäß der 10 ist im Gegensatz zu der Darstellung in der 9 der emitterhaltige Kern 108 nicht notwendigerweise koaxial in der Kathode 100 angeordnet, vielmehr kann vorgesehen sein, dass der Kern 108 unsymmetrisch in der Kathode 100 angeordnet ist. Hierbei kann sich insbesondere der Vorteil einer einfacheren Herstellbarkeit der Kathode 100 ergeben.

Eine Reduktion der Schwärzung ist in nachfolgender Tabelle in Abhängigkeit von einem Produkt aus Stromdichte j und Quecksilberdichte d_Hg für mehrere Lampenexemplare dargestellt. Dabei zeigt die erste Spalte „Nr.“ die Nummer der jeweiligen Lampe, die zweite Spalte „P“ die Leistung der Lampe in Watt (W), die dritte Spalte das jeweils verwendete Material der Elektroden, die vierte Spalte „j·d_Hg“ das Produkt aus Stromdichte j (in A/cm²) und Quecksilberdichte d_Hg (in g/cm³) in A∙g/cm⁵, die fünfte Spalte „Beschichtung“ das Vorhandensein der Diffusionsbarriere, jeweils gekennzeichnet durch „X“ für vorhanden und “-„ für nicht vorhanden, sowie die sechste Spalte „^“ die Verbesserung der integrierten Strahlleistung des jeweiligen Lampenmusters durch Kathode mit Diffusionsbarriere, bezogen auf die Ausführung ohne Diffusionsbarriere in Prozentpunkten.

Nr.	P	Material	j·d_Hg	Beschichtung	^
1a	8000	A	118,9	X	12,0%
1b		A	118,9	-	12,0%
2a	8000	A	166,4	X	13,0%
2b		A	166,4	-	13,0%
3a	4300	A	124,2	X	11,0%
3b		A	124,2	-	11,0%
4a	12000	A	143,4	X	15,0%
4b		A	143,4	-	15,0%
5a	3500	B	77,1	X	21,0%
5b		B	77,1	-	21,0%
6a	3500	B	79,2	X	22,0%
6b		B	79,2	-	22,0%
7a	3500	C	39,3	X	1,0%
7b		C	39,3	-	1,0%
8a	4500	C	42,5	X	3,0%
8b		C	42,5	-	3,0%

Wie bereits zuvor dargestellt, kann die äußere Formgebung der Kathode variieren, beispielsweise durch eine Abrundung des Kegelstumpfs 104 zu einer Kuppe und/oder eine Glättung/Verschleifung eines Kantenübergangs an der Grundfläche 104g / Zylinderdeckfläche 102d von dem Kegelstumpf 104 zu dem Zylinder 102. Ebenso können beliebige Oberflächenstrukturierungen vorhanden sein, Flanken konvex oder konkav ausgebildet sein und gegebenenfalls weitere Abstufungen, Schlitze, Stege oder ähnliche konstruktive Merkmale ergänzt sein, ohne von der grundsätzlichen Form abzuweichen.
Die Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Erläuterung der Erfindung und sind für diese nicht beschränkend. Insbesondere die Art und das Aufbringungsverfahren der Diffusionsbarriere 106 können beliebig gestaltet sein, ohne den Gedanken der Erfindung zu verlassen.
Somit wurde voranstehend gezeigt, wie eine Kathode 100 für Entladungslampen ohne Verwendung von Thorium ausgebildet sein kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1481418 B8 [0006]
WO 2014/038423 A1 [0007]
WO 2013/113049 A1 [0008]
DE 102009021235 A1 [0019, 0029]
WO 2015/128754 A1 [0051]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Manabu Tanaka et al 2005 J. Phys. D: Appl. Phys. 38 29 (2005) [0002]
Bargel, H.J.; Schulze, G.: Werkstoffkunde; VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 5. Auflage (1988) [0051]

Claims

Gleichstrom-Gasentladungslampe, mit – einer Anode und – einer Kathode (100) umfassend ein erstes Kathodenteilstück (108), welches zumindest in einem Bereich der Kathode, welcher der Anode zugewandt ist und einen Bogenansatzbereich (104d) aufweist, innerhalb dessen bei einem bestimmungsgemäßen Lampenbetrieb ein zwischen der Kathode und der Anode brennender Lichtbogen ansetzt, die Oberfläche der Kathode bildet, – wobei das erste Kathodenteilstück aus Wolfram mit zumindest einem Emittermaterial zur Senkung der Austrittsarbeit von Elektronen aus der Kathode besteht, – wobei die Kathode thoriumfrei ausgebildet ist, und – das zumindest eine Emittermaterial eine Schmelztemperatur kleiner als 3200K aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – zumindest ein Teil der Oberfläche der Kathode außerhalb des Bogenansatzbereichs durch eine Diffusionsbarriere (106, 106a, 106b, 107) für das zumindest eine Emittermaterial gebildet ist,
Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kathodenteilstück einteilig aus einem Wolfram-Emittermaterial-Gemisch hergestellt ist, und – das erste Kathodenteilstück zumindest in einem Überdeckungsbereich ringförmig von der Diffusionsbarriere umschlossen ist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine Oberflächenform aufweist, welche durch den Mantel (102m) eines Zylinders (102) sowie durch die Mantelfläche (104m) eines Kegelstumpfs (104) und die Deckfläche (104d) des Kegelstumpfs gebildet oder angenähert ist, wobei die Kathodenoberfläche innerhalb des Überdeckungsbereichs den Mantel des Zylinders und/oder die Mantelfläche des Kegelstumpfs zumindest teilweise umfasst.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Bereich (x2, xa2) der Oberfläche der Kathode um den Bogenansatzbereichs herum, welcher eine Breite von mindestens 1 mm aufweist, frei von der Diffusionsbarriere (106, 106a, 106b, 107) ist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Emittermaterial zumindest eines der folgenden Elemente aufweist: • La, • Nd, • Sm, • Zr, • Hf, • Y, • Ce, • Sc.
Entladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Element als Oxid in das Emittermaterial eingebracht ist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Emittermaterials im Bereich des Bogenansatzbereichs (104d) 1,0 bis 3,5 Gewichtsprozent beträgt, vorzugsweise 1,0 bis 3,0 Gewichtsprozent, insbesondere 1,5 bis 3,0 Gewichtsprozent.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode zusätzlich Kohlenstoff aufweist, welcher über das Volumen der Kathode verteilt ist, und/oder oberflächlich durch Karburierung zumindest eines Teils der Oberfläche der Kathode aufgebracht ist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diffusionsbarriere (106, 106a, 106b, 107) durch eine auf der Oberfläche der Kathode (100) aufgebrachte Beschichtung (106, 106a, 106b) mit einer Schichtdicke von mindestens 0,2 µm ausgebildet ist, wobei die Beschichtung ein Metall und/oder mindestens eine Metallverbindung aufweist.
Entladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (106, 106a, 106b) dazu ausgelegt ist, im Betrieb der Kathode (100) eine höhere Abstrahlung im infraroten Spektralbereich als Wolfram und/oder als Wolfram mit dem zumindest einen Emittermaterial zu bewirken.
Entladungslampe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (106, 106a, 106b) als Matrix-Schicht aus einem ersten Material ausgebildet ist, in der Partikel aus einem zweiten Material eingelagert sind, wobei der Extinktionskoeffizient des ersten Materials im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2000 nm kleiner als 0,1 ist und der Extinktionskoeffizient des zweiten Materials im Spektralbereich zwischen 600 nm und 2000 nm größer als 0,1 ist.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (106, 106a, 106b) zumindest eine der folgenden Verbindungen aufweist: • ZrO₂, • AlN, • MgF₂, • SiC.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der Kathode (100) mindestens eine weitere Beschichtung aufgebracht ist.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein zweites Kathodenteilstück (107) aus einem emitterfreien Material als Diffusionsbarriere (106, 106a, 106b, 107), welches zumindest in dem Überdeckungsbereich die Oberfläche der Kathode (100) bildet, wobei in dem zweiten Kathodenteilstück das erste Kathodenteilstück (108) verpresst ist.
Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein zweites Kathodenteilstück (107) aus einem emitterfreien Material als Diffusionsbarriere (106, 106a, 106b, 107), welches zumindest in dem Überdeckungsbereich die Oberfläche der Kathode (100) bildet, wobei in dem zweiten Kathodenteilstück das erste Kathodenteilstück (108) eingefasst ist, wobei die Verbindung zwischen dem zweiten Kathodenteilstück und dem ersten Kathodenteilstück durch einen Sinterprozess hergestellt ist.
Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine quecksilberhaltige Füllung, wobei das Produkt aus Stromdichte in A/cm² und Quecksilberdichte in g/cm³ mindestens 40,0 beträgt.