DE19956322A1 - Gasentladungslampe mit Oxidemitter-Elektrode - Google Patents

Abstract

Eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Niederdruckgasentladungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Elektrodenbeschichtung aus einem elektonenemittierenden Material, das eine Metallpulverzubereitung aus einem Pulver eines reduzierenden Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung mit einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin und deren Legierungen, und mindestens ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strotiumoxid und Bariumoxid, umfaßt, zeichnet sich durch einen gleichmäßigen Emissionsstrom und eine lange Lebensdauer aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Niederdruckgasentla­ dungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine Elektrodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das ein Metallpulver und mindestens ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, enthält, umfaßt.

Die Lichterzeugung in einer Gasentladungslampe beruht auf der Ionisation und der resul­ tierenden elektrischen Entladung der Atome des Füllgases der Lampe, wenn ein elektri­ scher Strom die Lampe durchfließt. Von den Elektroden der Lampe werden Elektronen emittiert, die durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden so stark beschleunigt, dass sie beim Zusammenstoß mit den Gasatomen diese anregen und ionisieren können. Bei der Rückkehr der Gasatome in ihren Grundzustand sowie bei der Rekombination von Elektronen und Ionen wird ein mehr oder weniger großer Teil der potentiellen Energie in Strahlung umgewandelt.

Die Menge der Elektronen, die von den Elektroden emittiert werden können, hängt von der Austrittsarbeit (work function) der Elektroden für Elektronen ab. Wolfram, das in der Regel als Elektrodenmetall verwendet wird, hat selbst eine relativ hohe Austrittsarbeit. Deshalb wird das Elektrodenmetall üblicherweise noch mit einem Material beschichtet, dessen Hauptaufgabe es ist, die elektronenemittierenden Eigenschaften des Elektrodenme­ tals zu verbessern. Charakteristisch für die elektronenemittierenden Beschichtungsmateri­ alien von Elektroden in Gasentladungslampen ist es, dass sie ein Erdalkalimetall enthalten, entweder in der Form des Erdalkalimetalloxids oder einer erdalkalimetallhaltigen Aus­ gangsverbindung (precursor) für das Erdalkalimetalloxid.

Niederdruckgasentladungslampen konventioneller Art sind somit in der Regel mit Elektro­ den ausgestattet, die aus Wolframdrähten mit einer elektronenemittierenden Beschichtung, die Oxide der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium enthält, bestehen. Um eine solche Elektrode herzustellen, wird ein Wolframdraht beispielsweise mit den Carbo­ naten der Erdalkalimetalle in einer Bindemittelzubereitung beschichtet. Während des Aus­ pumpens und Ausheizens der Lampe werden die Carbonate bei Temperaturen von etwa 1000°C in die Oxide umgewandelt. Nach diesem Abbrennen der Elektrode liefert sie be­ reits einen merklichen Emissionsstrom, der allerdings noch nicht stabil ist. Es folgt noch ein Aktivierungsprozess. Durch diesen Aktivierungsprozess wird das ursprünglich nichtlei­ tende Jonengitter der Erdalkalioxide in einen elektronischen Halbleiter verwandelt, indem Störstellen vom Donator-Typ in das Kristallgitter der Oxide eingebaut werden. Diese Stör­ stellen bestehen im wesentlichen aus elementarem Erdalkalimetall, z. B. Calcium, Stronti­ um oder Barium. Die Elektronenemission derartiger Elektroden basiert auf diesem Stör­ stellenmechanismus. Der Aktivierungsprozess hat den Zweck, eine genügende Menge von überschüssigem, elementarem Erdalkalimetall zu schaffen, durch das die Oxide in der elektronen­ emittierenden Beschichtung bei einer vorgeschriebenen Heizleistung den maxi­ malen Emissionsstrom liefern können.

Wichtig für die Funktion dieser Elektroden und die Lebensdauer der Lampe ist es, dass immer wieder erneut elementares Erdalkalimetall zur Verfügung steht. Die Elektrodenbe­ schichtung verliert nämlich während der Lebensdauer der Lampe ständig Erdalkalimetall, weil die Elektrodenbeschichtung insgesamt teils langsam verdampft, teils durch den Ionen­ strom in der Lampe abgesputtert wird.

Das elementare Erdalkalimetall wird durch Reduktion des Erdalkalioxids am Wolfram­ draht während des Betriebs der Lampe zunächst immer wieder nachgeliefert. Diese Nach­ lieferung kommt jedoch zum Stillstand, wenn der Wolframdraht mit der Zeit durch eine hochohmige Trennschicht (interface) aus Wolframoxid, Erdalkalisilikat oder Erdalkali­ wolframat passiviert wird.

Um in einer Leuchtstofflampe die Reduktion von Bariumoxid zu elementarem Barium zu verbessern, ist es aus DE 44 15 748 bereits bekannt, dass die elektronenemittierende Sub­ stanz neben Erdalkalimischcarbonat und Zirkonoxid weiterhin 3 bis 15 Gew.-% eines re­ duzierenden Metallpulvers mit einem hohen Schmelzpunkt enthält, wobei das reduzieren­ de Metallpulver aus wenigstens einem Metall der aus Tantal, Niob, Wolfram und Molyb­ dän bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und die elektronenemittierende Substanz so ver­ teilt ist, dass sie den gesamten Wicklungskern der Wendel bis hin zu den beiden Ab­ schlusswindungen der Mehrfachwendel aus Glühdraht ausfüllt.

Die Metallpulver aus Tantal, Niob, Wolfram oder Molybdän umgeben sich aber auch - eben so wie der Elektrodenträgerdraht - mit der Zeit mit einer passivierenden Trennschicht aus Wolframoxid, Erdalkalisilikat oder Erdalkaliwolframat, bzw. den entsprechenden Niob-, Tantal- oder Molybdänverbindungen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasentladungslampe, die eine verlän­ gerte Lebensdauer und einen verbesserten Emissionsstrom hat, zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Gasentladungslampe ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Elektrodenbe­ schichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das eine Metallpulverzubereitung aus einem Pulver eines reduzierenden Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung mit einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin und deren Legie­ rungen, und mindestens ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, umfaßt.

Gasentladungslampen mit derartigen Elektroden haben über eine langen Zeitraum hin eine gleichmäßige Elektronenemission, weil durch die Pulverbeschichtung des Metallpulvers mit einem Edelmetall wird eine Reaktion des Erdalkalioxids mit dem reduzierenden Metall während der Aktivierungsphase beim Herstellungsprozeß der Gasentladungslampe vermie­ den. Erst während des Betriebs der Gasentladungslampe diffundiert das reduzierende Me­ tall durch die Pulverbeschichtung aus einem Edelmetall und reduziert das Erdalkalioxid zu elementarem Erdalkalimetall. Durch die kontinuierliche Erdalkali-Nachführung wird eine Erschöpfung der Elektronenemission vermieden und gewährleistet, dass während des gan­ zen Betriebes der Lampe ausreichend metallisches Erdalkali freigesetzt wird. Der Emissi­ onsstrom ist einheitlich und gleichförmig und die Lebensdauer der Gasentladungslampe verlängert.

Die Elektroden in diesen Gasentladungslampen sind auch widerstandsfähig gegen Vergif­ tung. Die Ausschußrate in der Fertigung ist gering, da sich diese Elektroden leicht repro­ duzierbar herstellen lassen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Gasentladungslampe ist zwischen dem Trä­ ger und der ersten Elektrodenbeschichtung eine zweite Elektrodenbeschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet. Eine derartige Gasentladungslampe hat eine ver­ kürzte Zündphase, die darin enthaltene Elektrode eine niedrige Austrittsarbeit und eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit.

Es kann bevorzugt sein, dass die Metallpulverzubereitung aus einem Pulver aus einer Wolf­ ram-Iridium-Legierung mit einer Pulverbeschichtung aus Iridium besteht.

Es kann auch bevorzugt sein, dass das elektronenemittierende Material zusätzlich Zirkon­ oxid enthält.

Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat die Metallpulverzubereitung eine mittlere Korngröße d von 2.0 µm ≦ d ≦ 3.0 µm.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Figur und zweier Ausführungsbeispiele weiter erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch die Lichterzeugung in einer Leuchtstofflampe.

Gasentladungslampen können in Niederdrucklampen und in Hochdrucklampen eingeteilt werden. Unterscheiden tun sie sich in der Art der Stabilisierung der Entladung. Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Niederdruck-Entladungslampe mit Quecksilberfüllung, d. h. eine Leucht­ stofflampe. Eine solche Gasentladungslampe besteht aus einem Glasrohr 1 in Stab-, Ring oder U-Form. An den Enden des Rohrs befinden sich die Elektroden 2. Als Anschluß die­ nen Zweistiftsockel 3. Die Innenseite des Glasrohrs ist mit einer Leuchtstoffschicht 4 ver­ sehen, deren chemische Zusammensetzung das Spektrum des Lichts bzw. dessen Farbton bestimmt. Das Glasrohr enthält neben einer Edelgasfüllung aus Argon eine geringe Menge Quecksilber bzw. Quecksilberdampf, der unter Betriebsbedingungen zum Leuchten ange­ regt, die Hg-Resonanzlinie bei einer Wellenlänge von 253,7 nm im Ultraviolettbereich emittiert. Die ausgesendete UV-Strahlung regt die Leuchtstoffe in der Leuchtstoffschicht zur Emission von Licht im sichtbaren Bereich 5 an.

Die Lampe umfaßt weiterhin Mittel zum Zünden und zum Betreiben, z. B. eine Drossel­ spule und einen Starter.

Eine Gasentladungslampe enthält eine elektronenemittierende Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Elektrodenbeschichtung aus einem elektronen­ emittierenden Material umfaßt.

Der Träger aus einem Elektrodenmetall besteht üblicherweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, gegebenenfalls mit einer Molybdänseele, Molybdän, Niob, Tantal und deren Legierungen. Er kann auch aus Nickel, Platin, Silicium, Magnesium, Aluminium oder deren Legierungen bestehen. Der Träger kann als Draht, Wendel, Spirale, als Well­ draht, Rohr, Ring, Platte oder Band geformt sein. Er wird üblicherweise direkt durch den Stromfluß geheizt.

Auf dem Träger aus einem Elektrodenmetall kann eine Beschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet sein. Bevorzugt besteht sie aus einer 0.1 bis 2 µm dicken Iridi­ um- oder Rheniumschicht.

Auf diesen Träger wird die Rohmasse für das elektronenemittierende Material aufgebracht. Zur Herstellung der Rohmasse werden die Carbonate der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium gemahlen und gegebenenfalls miteinander und mit Zirkonmetall­ pulver gemischt. Typischerweise beträgt das Gewichtsverhältnis von Calciumcarbonat: Strontiumcarbonat: Bariumcarbonat: Zirkon gleich 25,2 : 31,5 : 40,3 : 3. Weiterhin wird ein Metallpulver der Metalle aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafni­ um, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen mit einem Metall aus der Grup­ pe Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin mit einer Pulverbeschichtung aus einem Edelmetall wie Rhenium, Nickel, Kobalt, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridi­ um oder Platin versehen. Bevorzugt wird ein Metallpulver mit einer mittleren Korngröße von 2-3 µm mit einer 0.1 bis 0.2 µm dicken Pulverbeschichtung verwendet.

Als Pulverbeschichtungsverfahren können CVD-Verfahren wie Fluid-Bed-CVD eingesetzt werden. Dieses beschichtete Metallpulver wird der Rohmasse beigefügt.

Die Rohmasse kann noch mit einem Bindemittel gemischt werden. Sie wird dann durch Pinseln, Tauchen, kataphoretische Abscheidung oder Sprühen auf den Träger aufgebracht.

Die beschichteten Elektroden werden in die Lampenenden eingeschmolzen. Während des Evakuierens und Füllens der Lampe werden die Elektroden formiert. Der Elektrodendraht wird durch direkten Stromdurchgang auf eine Temperatur von 1000°C bis 1200°C er­ hitzt. Bei dieser Temperatur werden die Erdalkalicarbonate zu den Erdalkalioxiden unter Freisetzung von CO und CO₂ umgesetzt und bilden dann einen porösen Sinterkörper.

Nach diesem "Abbrennen" der Elektroden erfolgt die Aktivierung, die den Zweck hat, überschüssiges, in die Oxide eingelagertes, elementares Erdalkalimetall zu liefern. Das über­ schüssige Erdalkalimetall entsteht durch Reduktion von Erdalkalimetalloxid. Bei der eigentlichen Reduktionsaktivierung wird das Erdalkalioxid durch das freigesetzte CO oder das Trägermetall reduziert. Hinzu kommt eine Stromaktivierung, die das erforderliche freien Erdalkalimetall durch elektrolytische Vorgänge bei hohen Temperaturen erreicht.

Das fertig formierte elektronenemittierende Material kann bevorzugt 2 bis 20 Gewichts­ prozent einer Metallpulverzubereitung enthalten. Der Zirkonoxidgehalt kann zwischen Null und 10 Gew.-% liegen.

Ausführungsbeispiel 1

Ein dreifach gewendelter Wolframdraht wird mit Rhenium mit einer Schichtdicke von 1 µm beschichtet. Für die elektronenemittierende Beschichtung wird Wolframpulver mit einer mittleren Korngröße von 3 µm im Fluid-Bed-CVD-Verfahren mit einer Rhenium­ schicht mit einer Schichtdicke von 0.1 µm überzogen. Tripelcarbonat bestehend aus Cal­ ciumcarbonat, Strontiumcarbonat und Bariumcarbonat im Gewichtsverhältnis 1 : 1.25 : 1.6 wird mit 3 Gew.-% Zirkonmetallpulver und 10 Gew.-% des mit Rhenium beschich­ teten Wolframpulvers und einer Bindemittelzubereitung aus Nitrocellulose und Butylace­ tat gemischt. Der mit Rhenium beschichtete Wolframdraht wird mit dieser Emissionsmas­ se bestrichen, dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt. Beim Aus­ heizen der Elektrode wandeln sich die Carbonate der Erdalkalimetalle in deren Oxide und das Zirkonmetallpulver in Zirkonoxid um. Diesem Einbrennprozess kann sich noch eine Aktivierung mittels Reduktionsaktivierung oder Stromaktivierung anschließen.

Eine derartige Lampe hat eine kurze Zündphase, die Emitterelektrode eine niedrige Aus­ trittsarbeit von 1.42 eV und eine um den Faktor 2 verbesserte Leitfähigkeit.

Ausführungsbeispiel 2

Ein dreifach gewendelter Wolframdraht wird mit Rhenium mit einer Schichtdicke von 1 µm beschichtet. Für die elektronenemittierende Beschichtung wird Wolframpulver mit einer mittleren Korngröße von 3 µm im Fluid-Bed-CVD-Verfahren mit einer Rhenium­ schicht mit einer Schichtdicke von 0.1 µm überzogen. Tripelcarbonat bestehend aus Cal­ ciumcarbonat, Strontiumcarbonat und Bariumcarbonat im Gewichtsverhältnis 1 : 1.25 : 1.6 wird mit 3 Gew.-% Zirkonmetallpulver und 10 Gew.-% des mit Rhenium beschich­ teten Wolframpulvers und einer Bindemittelzubereitung aus Nitrocellulose und Butylace­ tat gemischt. Der mit Rhenium beschichtete Wolframdraht wird mit dieser Emissionsmas­ se bestrichen, dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt. Beim Aus­ heizen der Elektrode wandeln sich die Carbonate der Erdalkalimetalle in deren Oxide und das Zirkonmetallpulver in Zirkonoxid um.

Eine derartige Lampe hat eine kurze Zündphase, die Emitterelektrode eine niedrige Aus­ trittsarbeit von 1.42 eV und eine um den Faktor 2 verbesserte Leitfähigkeit.

Obwohl die Erfindung anhand eines Leuchtstofflampe beschrieben wurde, ist ihre Ver­ wendung nicht auf diesen Typ der Gasentladungslampen beschränkt, sondern kann bei­ spielsweise auch für andere Niederdruckgasentladungslampen verwendet werden.

Claims (5)

1. Gasentladungslampe ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elekt­ rodenmetall und eine erste Elektrodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das eine Metallpulverzubereitung aus einem Pulver eines reduzierenden Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Mo­ lybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung mit einem Edel­ metall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rho­ dium, Iridium und Platin und deren Legierungen, und mindestens ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, umfaßt.

2. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Träger und der ersten Elektrodenbeschichtung eine zweite Elektroden­ beschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet ist.

3. Leuchte mit Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulverzubereitung aus einem Pulver aus einer Wolfram-Iridium-Legierung und einer Pulverbeschichtung aus Iridium besteht.

4. Leuchte mit Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulverzubereitung eine mittlere Korngröße d von 2.0 µm ≦ d ≦ 3.0 µm hat.

5. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronenemittierende Material zusätzlich Zirkonoxid enthält.