DE19915616A1 - Gasentladungslampe - Google Patents
GasentladungslampeInfo
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Abstract
Die Erfindung beschreibt eine Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen (4) aus Ba(Ti¶1-x¶Zr¶x¶)O¶3¶ mit Donator/Akzeptor-Dotierungen. DOLLAR A Durch bestimmte Donator/Akzeptor-Kombinationen, einem optimierten Gehalt an Zirkon und einem optimierten atomaren Verhältnis der Kationen wird eine ferroelektrische Keramik erhalten, welche hohe Werte für die remanente Polarisation PÐ und die Dielektrizitätskonstante epsilon¶Ð¶, eine rechteckige Hystereseschleife und niedrige Koerzitivfeldstärken E¶c¶ aufweist. Bei Anlegen einer Wechselspannung an die ferroelektrischen Einkoppelstrukturen wird infolge der nichtlinearen Eigenschaften der Einkoppelstrukturen (4) die Zündung sowie der anschließende Dauerbetrieb der Lampe bewirkt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen aus Keramik.
Eine Gasentladungslampe enthält ein strahlungsdurchlässiges Entladungsgefäß, welches
eine Entladungszone mit einer gasförmigen, ionisierbaren Füllung umschließt. In dieser
Entladungszone befinden sich in geeignetem Abstand Elektroden.
Aus US 5 654 606 ist eine solche Gasentladungslampe bekannt. Anstelle der sonst üblichen
Metallelektroden wurde eine gesinterte Mischung aus Metall und keramischem Material als
Einkoppelstruktur verwendet. Durch Erzeugung einer hohen kapazitiven Spannung zwi
schen den Einkoppelstrukturen erfolgt in solchen Gasentladungslampen die Erzeugung der
Ladungsträger direkt im Gasvolumen. Die Zugabe von geringen Mengen Metall war bei
den verwendeten keramischen Materialien notwendig, um eine ausreichende Stabilität der
Einkoppelstrukturen bei Temperaturschwankungen, wie sie beim Einschalten einer solchen
Gasentladungslampe auftreten können, zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungslampe mit keramischen
Einkoppelstrukturen, die verbesserte Eigenschaften haben, zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen aus Ke
ramik, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelstrukturen aus einer ferroelektrischen
Keramik sind.
Ein keramische Material für solche Einkoppelstrukturen muß folgende Voraussetzungen
erfüllen: eine möglichst rechteckige Hystereseschleife, eine hohe Dielektrizitätskonstante εr
und eine hohe remanente Polarisation Pr.
Die meisten Dielektrika weisen eine geringe Höhe der Dielektrizitätskonstanten εr und
eine niedrige Feldabhängigkeit εr(E) auf. Eine Ausnahme bilden einige ferroelektrische
Materialien, bei denen sich εr bei einer kritischen Feldstärke Ec sprunghaft sehr stark
ändert.
Scheiben aus ferroelektrischen Materialien, welche ein sogenanntes nichtlineares Verhalten
aufweisen, können als Einkoppelstrukturen in Gasentladungslampen verwendet werden.
Diese Scheiben wirken als keramische Plattenkondensatoren und beim Anlegen einer
Wechselspannung laden sich die Innenflächen auf. Durch den hohen, nichtlinearen An
stieg der Kondensatorladung wird die Zündung sowie der anschließenden Dauerbetrieb
der Lampe bewirkt.
Es ist bevorzugt, daß die ferroelektrische Keramik Ba(Ti1-xZrx)O3 mit Dotierungen aus
Donator/Akzeptor-Kombinationen enthält.
Ba(Ti1-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen ist ein ferroelek-
trisches Material mit den geforderten nichtlinearen Eigenschaften. In Ba(Ti1-xZrx)O3-
Mischkristallkeramiken bewirken kleine Zusätze von Donator/Akzeptor-Kombinationen
hohe Werte für die remanente Polarisation Pr und die Dielektrizitätskonstante εr. Außer
dem besitzen diese Donator/Akzeptor-dotierten Ba(Ti1-xZrx)O3-Keramiken rechteckige
Hystereseschleifen.
Es ist bevorzugt, daß die Donator/Akzeptor-Kombinationen Mn3+ und W6+ oder Yb3+ und
Nb5+ oder Yb3+ und Mo6+ oder Mg2+ und W6+ oder Mn3+ und Nb5+ oder Yb3+ und W6+
oder Mg2+ und Nb5+ oder Mn3+ und Dy3+, Ho3+, Er3+ , Gd3+, Nd3+, Y3+ enthalten.
Diese Donator/Akzeptor-Kombinationen bewirken eine besonders starke Steigerung für
die Werte der Dielektrizitätskonstanten εr und der remanenten Polarisation Pr.
Es ist auch bevorzugt, daß der Gehalt an Zirkon in der ferroelektrischen Keramik x = 0.09
beträgt.
Durch den Zusatz von BaZrO3 zu BaTiO3 erniedrigen sich in Mischkristallen der Zusam
mensetzung Ba(Ti1-xZrx)O3 die Koerzitivfeldstärken auf Ec < 100 V/mm. Dies ist vorteil
haft, um bei einer Betriebsspannung von 220 V Einkoppelstrukturen in einer Dicke ver
wenden zu können, die eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Bei einem
Zirkon-Gehalt von x = 0.09 beträgt die Koerzitivfeldstärke Ec ≅ 70 V/mm und die Curie
temperatur Tc ist mit 90°C in einem Bereich, die noch über der Betriebstemperatur von
Gasentladungslampen liegt.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß das Verhältnis Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) zwischen 0.997 und
0.998 liegt.
In Perowskiten übt das atomare Verhältnis der Kationen einen großen Einfluß auf die
Eigenschaften der Keramik aus. In der Mischkristallreihe Ba(Ti1-xZrx)O3 ist die Erhöhung
der Dielektrizitätskonstanten εr in Abhängigkeit von Ec bzw. Tc am größten, wenn das ato
mare Verhältnis Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) geringfügig kleiner 1 ist.
Im folgenden soll die Erfindung anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispieles er
läutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 eine longitudinale Seitenansicht einer beispielhaften Gas
entladungslampe.
Gemäß Fig. 1 weist eine Gasentladungslampe ein röhrenförmiges Entladungsgefäß 1 bei
spielsweise aus Kalkglas auf, das eine Entladungszone 3 mit gasförmiger, ionisierbarer
Füllung umschließt. Auf der inneren Oberfläche des Entladungsgefäßes 1 ist eine lumi
neszierende Schicht 2 aufgebracht. Die gasförmige, ionisierbare Füllung kann zum Beispiel
Quecksilber und Argon enthalten. Einkoppelstrukturen 4 aus Ba(Ti1-xZrx)O3 mit Do
tierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen sind in geeignetem Abstand an gegen
überliegenden Seiten des Entladungsgefäßes 1 in der Entladungszone 3 angebracht. Die
Einkoppelstrukturen 4 sind jeweils mit einer Stromzuführung 5, beispielsweise einem
Metallstift, verbunden. Über eine integrierte Ausströmöffnung 6 wird das Entladungsgefäß
1 evakuiert und befüllt. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die beiden Einkoppel
strukturen 4, die zusammen wie ein keramischer Plattenkondensator wirken, werden die in
der Lampe liegenden Innenflächen aufgeladen. Der hohe, nichtlineare Anstieg der Kon
densatorladung bewirkt die Zündung sowie den anschließenden Dauerbetrieb der Lampe.
Das ferroelektrische Material für die Einkoppelstrukturen 4 muß folgende Voraussetzun
gen erfüllen: hohe Werte für die remanente Polarisation Pr und die Dielektrizitätskonstante
εr, eine rechteckige Hystereseschleife, eine über der Betriebstemperatur der Lampe
liegenden Curietemperatur Tc und eine unterhalb der Betriebsspannung von 220 V
liegende Koerzitivfeldstärke Ec.
Ba(Ti1-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen ist ein Material
mit den geforderten nichtlinearen Eigenschaften. Typische Akzeptor-Dotierungen stellen
dabei Mn3+, Fe3+, Cr3+, Mg2+ und Lu3+ dar, die auf den Ti4+- und Zr4+-Plätzen des
Perowskitgitters eingebaut werden. Als Donatoren eignen sich Nb5+, W6+, Mo6+, Mo5+ auf
den Ti4+- und Zr4+-Plätzen und Y3+, Dy3+, Er3+, Nd3+ und Gd3+ auf den Ba2+-Plätzen.
Besonders vorteilhaft erwiesen sich die Kombinationen Mn3+ und W6+ (3 : 1 bis 2 : 1) oder
Yb3+ und Nb5+ (1.5 : 1) oder Yb3+ und Mo6+ (2.5 : 1) oder Mg2+ und W6+ (2.5 : 1) oder Mn3+
und Nb5+ (1.5 : 1 bis 1 : 1) oder Yb3+ und W6+ (2.5 : 1) oder Mg2+ und Nb5+ (1.5 : 1) oder Mn3+
und Dy3+, Ho3+, Er3+, Gd3+, Nd3+, Y3+ (1.5 : 1 bis 1 : 1).
Auch der Gehalt an Zirkon, das Verhältnis der Kationen sowie die Sintertemperaturen der
Herstellung, die Reinheit der Rohstoffe und die chemische Homogenität des ferroelek
trischen Materials beeinflussen die Eigenschaften der Keramik.
Keramiken aus reinem BaTiO3 weisen Koerzitivfeldstärken von Ec < 100 V/mm auf. In
Mischkristallen der Zusammensetzung Ba(T1-xZrx)O3 erniedrigen sich die Koerzitivfeld
stärken auf Ec < 100 V/mm.
Die ferroelektrische Curietemperatur erniedrigt sich von Tc = 130°C im reinen BaTiO3
bei Zugabe von BaZrO3 um 4°C pro at. % Zr. Bei einem Zirkon-Gehalt von x = 0.09
beträgt die Koerzitivfeldstärke Ec ≅7 0 V/mm und die Curietemperatur Tc liegt bei
ungefähr 90°C.
In Perowskiten kann das Verhältnis der Kationen einen großen Einfluß auf die Eigenschaf
ten nehmen. In BaTiO3 übt das atomare Verhältnis von Ba/Ti einen großen Einfluß auf
die Sinterbarkeit und die dielektrischen Eigenschaften der Keramik aus. So entstehen bei
Ba/Ti ≅ 1 feinkörnige Keramiken mit hoher Dielektrizitätskonstante εr. In Mischkristallen
der Zusammensetzung Ba(Ti0,91Zr0,09)O3 tritt eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten
εr in Abhängigkeit von Ec bzw. Tc auf, wenn das atomare Verhältnis geringfügig kleiner 1
ist.
Die Sintertemperaturen bei der Herstellung sowie die Reinheit der Rohstoffe und die
chemische Homogenität des Mischkristalls Ba(Ti1-xZrx)O3 haben entscheidenden Einfluß
auf die Höhe der Dielektrizitätskonstanten εr sowie der remanenten Polarisation Pr und auf
die Form der Hystereseschleife. Schon kleine Verunreinigungen oder unvollkommene
Vermischung der Rohstoffe führen zu einer starken Erniedrigung der remanenten Polari
sation Pr und zu schrägen Hystereseschleifen.
Claims (5)
1. Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen (4) aus Keramik,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einkoppelstrukturen (4) aus einer ferroelektrischen Keramik sind.
2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die ferroelektrische Keramik Ba(Ti1-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-
Kombinationen enthält.
3. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Donator/Akzeptor-Kombinationen Mn3+ und W6+ oder Yb3+ und Nb5+ oder Yb3+
und Mo6+ oder Mg2+ und W6+ oder Mn3+ und Nb5+ oder Yb3+ und W6+ oder Mg2+ und
Nb5+ oder Mn3+ und Dy3+, Ho3+, Er3+ , Gd3+, Nd3+, Y3+ enthalten.
4. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gehalt an Zirkon in der ferroelektrischen Keramik x = 0.09 beträgt.
5. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Verhältnis Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) zwischen 0.997 und 0.998 liegt.
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