DE1088155B - Elektrode fuer elektrische Hochdruckentladungslampen - Google Patents

Description

; Die Erfindung bezieht sich auf Elektroden aus thoriumoxydhaltigem Wolfram für elektrische Hochdruckentladungslampen mit Gas- oder Dampffüllung. Diese Elektroden sind aus thoriumoxydhaltigem Wolframpulver durch Pressen, Sintern, Hämmern und gegebenenfalls Ziehen hergestellt und haben die Form eines Stabes mit einem Durchmesser von beispielsweise etwa einem oder einigen Millimetern. Bei den für Hochdruckentladungslampen hoher Leistungen erforderlichen größeren Elektrodenkörpern ist ein solcher thoriumoxydhaltiger Wolframstab gewöhnlieh in einen metallenen Block oder Zylinder, beispielsweise aus gesintertem Wolfram, eingesetzt oder von irgendwelchen anderen Metallteilen umhüllt oder getragen.

, Es hat sich nun gezeigt, daß diese bekannten Elektroden beim Betrieb in elektrischen Hochdruckentladungslampen nicht immer voll befriedigen. In Lampen mit einem im Verhältnis. zu "Elektrodendurchmesser und -abstand großen Gefäßdurchmesser zeigte sich manchmal eine gewisse Unruhe des Bogens und eine vorzeitige Zerstörung der Spitze der.als Kathode dienenden Elektrode. - "

Es ist bekannt, daß der Gehalt an Thoriumoxyd die sogenannte Verdampfung des Elektrodenmaterials beeinflußt. Der Thoriumoxydanteil soll über 2%, möglichst 5 oder 6%, betragen. Elektrodenkörper mit höherem Thoriumoxydgehalt würden wahrscheinlich die Verdampfung des Wolframs noch stärker hemmen, werden jedoch wegen der schweren Bearbeitbarkeit solchen Materials im allgemeinen nicht hergestellt. Die e.rwähnte Unruhe des Entladungsbogens wurde an Walframelektroden mit einem Thoriumoxydgehalt von ungefähr 5' Gewichtsprozent beobachtet, so daß sie eine andere Ursache als einen zu niedrigen Thoriumoxydgehalt haben mußte. Ziel der Erfindung war es daher, die Ursache dieser Mangel zu finden und zu beseitigen und Elektroden zu erhalten, die ein ruhiges Brennen des Entladungsbogens immer gewährleisten und mit Sicherheit eine ausreichende Lebensdauer haben. -

Die Erfindung besteht darin, daß die Elektrode aus thoHumpxydhaltigem Wolfram für elektrische Hochdruckentladungslampen aus großen, breiten, in Richtung der Elektrodenaehse gestreckten, miteinander verzahnten Kristallen besteht und die Thoriumoxydteilchen das gesamte großkristalline Gefüge gleichmäßig in feiner Verteilung durchsetzen und in den großen Kristallen dicht eingeschlossen sind.

Man kann solche Elektroden dadurch erhalten, daß der Elektrodenkörper mit einem Ausgangsgefüge, welches kleine, durch den Hammer- und gegebenenfalls Ziehprozeß deformierte, in Achsrichtung gestreckte Kristalle aufweist, in reduzierender Atmo-Elektrode für elektrische
Ho chdruckentladungslamp en

Anmelder;

Patent-Treuhand - Gesellschaft

für elektrische Glühlampen m.b.H.,

München 2, Windenmacherstr. 6

Dr. Johannes Gemsa, Berlin-Frohnau,
ist als Erfinder genannt worden

Sphäre bis zur vollständigen Rekristallisation und BiI-dung großer Kristalle geglüht wird.

Die Erfindung überrascht insofern, als bekanntlich für die thoriümoxydhaltigen Wolframkathoden von Elektronenröhren ein mikrokristallines Gefüge gefordert wird, in dessen Korngrenzen das Aktivatormaterial angereichert ist. Nur ein solches Gefüge gewähr^ leistet bei den Elektrönenröhrenkathoden für längere Zeit das Gleichgewicht zwischen der Anzahl der in der Zeiteinheit aus der Oberfläche austretenden und der in der gleichen Zeit an "die Oberfläche nachgelieferten Aktivatoratome.

Eine Anwendung dieser im Elektronenröhrenbau gewonnenen Erfahrungen mit thoriümoxydhaltigen Wolframelektroden auf Hochdruckentladungslampen^ elektroden führt jedoch nicht zum Erfolg. Bei Hochdruckentladungslampen hat es sich nämlich gezeigt, daß die Elektrodenspitze bei einem kleinkristallinen Gefüge zu schnell an Thoriumoxyd verarmt, wobei sich Lunker oder Poren bilden, die eine Auflockerung des dichten Gefüges bewirken. Infolge des Fehlens von Thoriumoxyd in der Elektrodenspitze und der Zerstörung ihres Gefüges setzt der Entladungsbogen dann an anderen, noch nicht zersetzten Stellen der Elektrode rund um ihre inaktiv gewordene Spitze an und zeigt dadurch die beobachtete Unruhe.

Bei den Elektroden nach der Erfindung wird dagegen eine Verarmung an Thoriumoxyd durch Diffusion der Thoriumoxydteilchen in der Elektrode und Abdampfung nach außen so stark gehemmt, daß auch nach längerer Brenndauer nur in einer schmalen Randzone der Elektrodenspitze ein Thoriumoxydverlust 'feststellbar ist. Die Verarmung der Elektroden an Thoriumoxyd wird offensichtlich durch den dichten Einschluß und die gleichmäßige Verteilung der Teilchen in den großen Kristallen gehemmt.

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Zur besseren Erläuterung der Erfindung wird auf die Abbildungen verwiesen, in denen Elektroden nach der Erfindung solchen gegenübergestellt sind, die nicht die Kennzeichen der Erfindung aufweisen und ein schlechtes Betriebsverhälten zeigten. Als Beispiel 5 sind Kathoden einer Xenon-Hochdruckentladungslampe mit einem tropfen- oder ellipsoidförmigen Gefäß von im Verhältnis zu Elektrodendurchmesser und -abstand großem Durchmesser für Gleichstrombetrieb mit einer Leistungsaufnahme von etwa 2 kW gewählt. Die Abbildungen sind, schematische Wiedergaben von Längsschnitten durch die Stabachse von Teilen dieser Kathoden in verschiedenen Herstellungs- und Betriebsstadien.

Fig. 1 zeigt die angeätzte SchKfffläche eines thoriumoxydhaltigen Wolframstabes in einem Vorstadium der Kathodenherstellung in etwa zehnfacher Vergrößerung und

Fig. 2 die angeätzte Sehlifffläche einer fertigen Kathode nach der Erfindung in etwa zehnfacher Vergrößerung;

Fig. 3 zeigt die angeätzte Sehlifffläche einer Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung nach 152 Betriebsstunden im Ausschnitt aus einem von der Spitze weiter entfernt liegenden Bereich in etwa 200facher Vergrößerung;

Fig. 4 zeigt den ungeätzten Längsschliff einer Kathode gemäß der Erfindung nach 900 Betriebsstunden im Ausschnitt in etwa 7Sfacher Vergrößerung;

Fig. 5 zeigt den ungeätzten Längsschliff einer Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung nach 152 Betriebsstunden im Ausschnitt in etwa 75facher Vergrößerung ;

Fig. 6 zeigt von der in Fig. 4 dargestellten Kathode einen Ausschnitt aus einem von der Spitze weiter entfernt liegenden Bereich in etwa 200facher Vergrößerung und

Fig. 7 einen entsprechenden Ausschnitt aus der in Fig. 5 dargestellten Kathode.

Alle dargestellten Wolframstäbe haben einen Thoriumoxydgehalt von ungefähr 5 Gewichtsprozent. Thoriumoxydhaltige Wolframstäbe können dadurch hergestellt werden, daß man dem Wolframpulver etwas Thoriumoxydpulver oder pulverisiertes metallisches Thorium beimischt und das Pulvergemisch nach bekannten Verfahren preßt, sintert, hämmert und gegebenenfalls zieht. Um eine besonders gleichmäßige Verteilung des Thoriumoxyds im Wolfram zu erreichen, ist es jedoch zweckmäßiger, nach ebenfalls bekannten Verfahren eine Thoriumverbindung in gelöster Form schon der Wolframsäure, dem Ausgangsmaterial für die Wolframherstellung, zuzusetzen.

Der gehämmerte Stab in Fig. 1 zeigt deutlich erkennbare, kleine, durch den Hämmerprozeß deformierte und mehr oder minder in Richtung der Stabachse gestreckte Kristalle 1. Der verhältnismäßig kurze Stab ist für den Ansatz der Bogenentladung bei 2 zugespitzt.

Fig. 2 zeigt die fertige Kathode nach der Erfindung. Der nur zum Teil dargestellte Kathodenkörper aus gesintertem Wolfram ist mit 3 bezeichnet. In ihn eingesetzt ist der thoriumoxydhaltige Wolframstab 4. Er wurde etwa 15 Minuten in einem mit einem Wolframglührohr versehenen Hochtemperaturofen in einer Wasserstoff-Stickstoff-Strömung bei 2800° C geglüht. Dabei wandelte sich das Hämmergefüge in Fig. 1 durch vollständige Rekristallisation in eine großkristalline Struktur mit großen, breiten, in Richtung der Stabachse gestreckten und miteinander verzahnten Kristallen 5 um. Das Thoriumoxyd 6 durchsetzt das gesamte Gefüge gleichmäßig und in feiner Verteilung. Die Teilchen 6 sind in den großen Kristallen 5 dicht eingeschlossen. Man kann auch an Stelle einer einmaligen Hochglühung eine Folge von Hochglühung, schwacher Verformung und wiederholter Hochglühung zur Erzeugung des erwünschten großkristallinen Gefüges anwenden.

Demgegenüber zeigt Fig. 3 die Struktur einer Kathode aus einer mit unruhigem Bogen brennenden Lampe. Sie weist kleine, nur wenig in Längsrichtung gestreckte, polygonale Kristallite 7 auf, die mit glatten Korngrenzen aneinanderstoßen. Ein schlechtes Betriebsverhalten zeigten auch Elektroden mit anderen kleinkristallirien Strukturen, bei denen die kleinen Kristalle in Achsrichtung gestreckt waren.

Im Laufe des Betriebes der Kathode nach der Erfindung wird die Spitze allmählich abgetragen, und nach 900 Betriebsstunden, also nahezu am Ende der vorgeschriebenen Lebensdauer, erscheint die Ansatzstelle des Entladungsbogens bei 8 in Fig. 4 abgeflacht. Die Thoriumoxydteilchen 6 sind bis nahe an die Oberfläche 8 noch in der ursprünglichen Menge und der gleichmäßigen Verteilung vorhanden. Nur eine schmale Randzone 9 von 50 bis 80 Mikron Dicke bei einem Stabdurchmesser von etwa 45 Millimetern ist praktisch thoriumoxydfrei.

Bei der Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung in Fig. 5 ist schon nach der kurzen Brenndauer von 152 Stunden die Spitze, weit stärker abgeflacht und angegriffen. Es ist deutlich die starke Zersetzung des Gefüges in der abgeflachten Kathodenspitze und ihre schwammartige, stark porige Beschaffenheit zu erkennen. Die Spitze hängt riuf noch lose mit der Unterlage zusammen und erscheint in der Schliffebene schon völlig abgehoben. Sie ist praktisch frei von Thoriumoxydteilchen. Nur in dem im Betrieb kalter gebliebenen Bereich der Kathode unterhalb der abgehobenen Spitze sind die Thoriumoxydteilchen 10 noch in der ursprünglichen Menge erhalten geblieben. %

Bei der noch stärkeren Ausschnittsvergrößerung der erfindungsgemäßen Kathode in Fig. 6 ist noch besser als in Fig. 2 zu erkennen, wie die Thoriumoxydteilchen 6 das gesamte großkristalline Gefüge in gleicher Dichte durchsetzen. Die Teilchen 6 haben hier eine rundliche Form. Sie können aber auch in Längsrichtung des Stabes gestreckt sein.-

Bei der Kathode ohne die Kennzeichen der Erfindung in Fig. 7 ist das Thoriumoxyd nur in den Korngrenzen der Kristallite 7 zeilen- oder punktförmig eingelagert, wie beim Vergleich mit Fig. 3 ohne weiteres zu erkennen ist. In anderen Elektroden aus mit unruhigem Bogen brennenden Lampen finden .sich die Thoriumoxydteilchen nicht nur-in den Korngrenzen, sondern ragen auch in die in Achsrichtung gestreckten Kleinkristalle hinein. Es leuchtet ein, daß die Thoriumoxydteilchen 10 in beiden Fällen unter der Einwirkung des Entladungsbogens schneller und heftiger aus dem Metall austreten als bei einem Einschluß innerhalb der großen Kristalle5. Die zahlreichen, miteinander verbundenen Korngrenzen der Kristallite? bilden gewissermaßen ein Netzwerk kleinster, an die Oberfläche führender Kapillaren, da eine schnelle Verarmung der Kathode an Thoriumoxyd begünstigt. Da die Kathodentemperatur im Betrieb an der Spitze am höchsten ist, werden die Thoriumoxydteilchen 10 dort am schnellsten verdampfen. Die Folge ist der aus Fig. 5 ersichtliche frühzeitige Thoriumoxydverlust der Kathodenspitze und die Bildung von Poren, die in dem weichen, örtlich zum Teil bis zum Schmelzpunkt er-

hitzten Wolfram durch das verdampfende Thoriumoxyd entstehen.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrode aus thoriumoxydhaltigem Wolfram für elektrische Hochdruckentladungslampen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus großen, breiten, in Richtung der Elektrodenachse gestreckten, miteinander verzahnten Kristallen besteht und die Thoriumoxydteilchen das gesamte großkristalline Gefüge gleichmäßig in feiner Verteilung durchsetzen und in den großen Kristallen dicht eingeschlossen sind.

2. Verfahren zur Herstellung von Elektroden aus thoriumoxydhaltigem Wolfram für elektrische

Hochdruckentladungslampen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrodenkörper bei einem Durchmesser von etwa 1 mm und darüber mit einem Ausgangsgefüge, welches kleine, durch den Hämmer- und gegebenenfalls Ziehprozeß deformierte, in Achsrichtung gestreckte Kristalle aufweist, in reduzierender Atmosphäre bis zur vollständigen Rekristallisation und Bildung großer Kristalle bei einer Temperatur von etwa 2000° C und darüber geglüht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
' Britische Patentschrift Nr. 569 651;
Philips Technische Rundschau, Bd. 19, 1957/58, S. 113 bis 121.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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