DE19915616A1 - Gasentladungslampe - Google Patents

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 ε_r und eine hohe remanente Polarisation P_r.

Die meisten Dielektrika weisen eine geringe Höhe der Dielektrizitätskonstanten ε_r und eine niedrige Feldabhängigkeit ε_r(E) auf. Eine Ausnahme bilden einige ferroelektrische Materialien, bei denen sich ε_r bei einer kritischen Feldstärke E_c 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(Ti_1-xZr_x)O₃ mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen enthält.

Ba(Ti_1-xZr_x)O₃ mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen ist ein ferroelek- trisches Material mit den geforderten nichtlinearen Eigenschaften. In Ba(Ti_1-xZr_x)O₃- Mischkristallkeramiken bewirken kleine Zusätze von Donator/Akzeptor-Kombinationen hohe Werte für die remanente Polarisation P_r und die Dielektrizitätskonstante ε_r. Außer­ dem besitzen diese Donator/Akzeptor-dotierten Ba(Ti_1-xZr_x)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 ε_r und der remanenten Polarisation P_r.

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(Ti_1-xZr_x)O₃ die Koerzitivfeldstärken auf E_c < 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 E_c ≅ 70 V/mm und die Curie­ temperatur T_c 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(Ti_1-xZr_x)O₃ ist die Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten ε_r in Abhängigkeit von E_c bzw. T_c 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(Ti_1-xZr_x)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 P_r und die Dielektrizitätskonstante ε_r, eine rechteckige Hystereseschleife, eine über der Betriebstemperatur der Lampe liegenden Curietemperatur T_c und eine unterhalb der Betriebsspannung von 220 V liegende Koerzitivfeldstärke E_c.

Ba(Ti_1-xZr_x)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).

Tabelle 1

Einfluß der Dotierungen in Ba(Ti_0,91Zr_0,09)O₃ (Σ Verunreinigungen ≅ 750 ppm, T_sinter = 1450°C, Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) = 0.9975)

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 E_c < 100 V/mm auf. In Mischkristallen der Zusammensetzung Ba(T_1-xZr_x)O₃ erniedrigen sich die Koerzitivfeld­ stärken auf E_c < 100 V/mm.

Die ferroelektrische Curietemperatur erniedrigt sich von T_c = 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 E_c ≅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 ε_r. In Mischkristallen der Zusammensetzung Ba(Ti_0,91Zr_0,09)O₃ tritt eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten ε_r in Abhängigkeit von E_c bzw. T_c auf, wenn das atomare Verhältnis geringfügig kleiner 1 ist.

Tabelle 2

Einfluß des atomaren Verhältnisses Ba/(Ti,Zr) in Ba(Ti_0,91Zr_0,09)O₃ (Σ Verunreinigungen ≅ 750 ppm, T_sinter = 1450°C)

Die Sintertemperaturen bei der Herstellung sowie die Reinheit der Rohstoffe und die chemische Homogenität des Mischkristalls Ba(Ti_1-xZr_x)O₃ haben entscheidenden Einfluß auf die Höhe der Dielektrizitätskonstanten ε_r sowie der remanenten Polarisation P_r und auf die Form der Hystereseschleife. Schon kleine Verunreinigungen oder unvollkommene Vermischung der Rohstoffe führen zu einer starken Erniedrigung der remanenten Polari­ sation P_r und zu schrägen Hystereseschleifen.

Tabelle 3

Einfluß der Rohstoffreinheit und der Sintertemperatur auf die Dielektrizitäts­ konstante ε_r bei der Curietemperatur T_c und bei der Koerzitivfeldstärke E_c in Ba(Ti_0,91Zr_0,09)O₃

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(Ti_1-xZr_x)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.