DE2311620A1 - Kurzbogengasentladungslampe - Google Patents

Description

PHN. 619*! KTS/KVH.

_Λ>_;6. PHN- 6194

vom· 8- MärZ 1973

"Kurzbogengasentladungslampe"

Die Erfindung bezieht siclT auf eine Kurzbogenßasentladunßslampe, d.h. eine Entladungslampe, in der im Betrieb der Dampfdruck höher als 10 at und der Elektrodenabstand kleiner als der Höchstdurchmesser des Entladungsraumes ist. Die Gasfüllung, in der die Entladung erfolgt, besteht in den meisten Fällen im wesentlichen atis Quecksilber; sie kann jedoch auch aus einem Edelgas, wie Xenon, bestehen. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Elektrode für eine derartige Entladungslampe und auf ein Verfahren zur Herst ellung einer derartigen Elektrode,

Die Elektroden der Kurzbogengasentladungslampon bestellen meistens aus zwei mit den Spitzen einander gegenüber angeordneten Kegeln, zwischen denen in Hotrieb der

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Lampe der Lichtbogen brennt. Bei einer Lampe für Gleichstrcmbetrieb kann die als Anode wirksame Elektrode jedoch auch kugelförmig sein. Es ist nicht notwendig, dass die ganze Elektrode kegelförmig ist; auch Elektroden, die aus einem kegelförmigen Teil und einem anschliessonden z.B. zylindrischen Teil bestehen, werden nachstehend als kegelförmige Elektroden bezeichnet. Ferner werden in der nachfolgenden Beschreibung Elektroden mit einem kegeligen Endteil, bei dem die Kegelspitze z.B. kugelförmig abgerunder ist, als kegelförmige Elektroden betrachtet. Der Aufdruck "kegelförmige Elektrode" umfasst in dieser Beschreibung auch eine Elektrode, die am der Entladung zugewendeten Ende pyramidenförmig ausgebildet ist. Beim Einschalten einer derartigen Lampe entsteht zwischen den Elektroden ein Lichtbogen, der meistens nicht auf den Kegelspitzen, sondern an einer anderen Stelle der Elektrode ansetzt. Durch die Erhitzung der Elektroden infolge des Stromdurchganges wird die Entladungsbahn kürzer, bis beim Erreichen der Betriebstemperatur der Bogen ganz an den Spitzen der kegelförmigen Elektroden angreift. Es ergibt sich dabei eine sehr kleine leuchtende Flfiche, die ein helles Licht abstrahlt. Solche Lampen sind deshalb besonders gut geeignet zur Verwendung in optischen Systemen zur Projektionszwecken.

Da in einer Entladungslampe der beschriebenen Art die Elektroden im Betrieb thermisch sehr stark beansprucht werden, kommen für diese Elektroden nur· die Materialion in Betracht, die sehr hohe Temperaturen vertragen können.

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Doshalb bestehen die Elektroden meistens aus Wolfram oder aus einer Wolfram als Hauptelement enthaltenden Legierung. Es ist gewünscht, dass die Elektrode, die im Betrieb der Lampe als Kathode wirksam ist, ein niedriges Austrittspotential hat, so dass sich eine gute Elektronenemission ergibt. Wenn die Lampe für Wochselspannungsbetrieb bestimmt ist, sind beide Elektroden abwechselnd als Anode und Kathode wirksam. In diesem Falle müssen selbstverständlich beide Elektroden ein niedriges Austrittspotential haben. Eine häufig angewandte Massnahme zur Senkung des Austrittspotentials einer Elektrode ist die Verwendung der vorstehend erwähnten hitzebeständigen Materialien, insbesondere Wolfram, in thorierter Form, d.h. dass das Elektrodenmaterial eine kleine Menge Thoriumoxid, z.B. 1 bis 3 Gew.^, enthält. Das Thoriumoxid liefert im Betrieb der Lampe geringe Mengen an Thorium, das ein Material mit grosser Elektronenemission ist.

Ein Nachteil der erwähnten Elektroden aus thoriertem Wolfram ist, dass die mit diesen Elektroden versehenen Lampen nach einer gewissen Betriebszeit (z.B. nach 500 Brennstunden) einen Mangel an Emissionsmaterial an der Elektrodenspitze aufweisen. Dieser Mangel entsteht durch eine zu geringe Nachlieferung von Thorium aus dem Elektrodenmaterial. Dies wird durch eine bei hoher Temperatur auftretende- Rekristallisierung der Elektrodenspitze verursacht, durch die die für Thoriumdiffusion verfügbare Fläche entlang den Kristallkorngrenzen stark herabgesetzt wird. Der Mangel an Emissionsmaterial an der Elektrodenspitze hat zur Folge, dass der

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Bogen, instabil wird, denn er greift an der Stelle auf der Kegelflache an, an der noch eine hinreichende Nachlieferung von Thorium erfolgt. Auch an dieser Stelle tritt dann eine Rekristallisierung auf, wodurch sich der Angriffspunkt wieder verschiebt. Die erwähnte Instabilität ist sehr störend, insbesondere bei Verwendung der Lampe zu Projektionszwecken.

Ein weiterer Nachteil von Elektroden aus thoriertem Wolfram besteht darin, dass die Elektrode nur verhältnismässig wenig Thorium enthalten kann, wodurch die für eine Diffusion zur Elektrodenspitze verfügbare Thoriummenge rasch erschöpft wird. Wenn die Menge an Thorium, das für die Elektronenemission effektiv wirksam sein kann, erschöpft ist, nimmt die Temperatur der Elektrode unzulässig hohe Werte an, wodurch die Elektrode verformt wird. Weiter ergibt sich infolge der dabei auftretenden sehr hohen Elektrodenteinperatur eine starke Verdampfung von Wolfram, so dass eine starke Schwärzung der Wand des Entladungsgefässes auftritt. Der erwähnte Nachteil könnte dadurch behoben werden, dass an Stelle von Thoriumoxid metallisches Thorium verwendet wird, das in einem Raum in der Elektrode untergebracht ist.

Um in Elektroden für Kurzbogengasentladungslampen einen grossen Vorrat an Elektronen emittierendem Material zu erhalten, ist es bekannt, kegelförmige Elektroden herzustellen, die mit einem Hohlraum versehen sind, in dem sich ein Elektronenemissionsmaterial, insbesondere Thoriumoxid befindet (siehe die Deutsche Patentschrift 733 986). Aus diesem Hohlraum erstreckt sich mindestens eine Bohrung zur Oberfläche der Elektrode, Durch diese Bohrungen kann Thorium

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diese Oberfläche erreichen. Diese bekannte Bauart hat den Nachteil, dass leicht zuviel Emissionsmaterial aus der Vorratskammer durch die Bohrungen auf die Elektrodenoberfläche gelangt, dort verdampft und schliesslich eine unannehmbare Schwärzung der Wand des Entladungsgefässes herbeiführt. Bei Verwendung von metallischem Thorium als Emissionsmaterial bei der bekannten Bauart ist der Thoriumvorrat in der Elektrode bereits nach wenigen Betriebsstunden völlig verschwunden, während die Lampe stark geschwärzt ist, weil das Thorium bei der Betriebstemperatur der Elektrode einen verhältnismässig hohen Dampfdruck hat.

Aus der Britischen Patentschrift 86^ 234 ist eine kegelförmige Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen bekannt, deren Kegel mit einem breiten offenen Schlitz versehen ist. Der Zweck des Schlitzes ist es, scharfe Kanten an der Elektrode zu erhalten, wodurch die Entladung mittels ^r: einer Hilfsentladung zwischen der Elektrode und einer in ihrer Nähe angeordneten Hilfselektrode leicht gezündet werden kann. Es wird erwähnt, dass die Oberfläche des Schlitzes mit einer Schicht aus Thorium als Emissionsmaterial überzogen sein kann. Es hat sich herausgestellt, dass mit dieser Elektrode der Nachteil einer instabilen Entladung verbunden ist, weil die Elektrode an der Spitze zwei Punkte hat, auf denen die Entladung wechselweise ansetzen kann. Ferner hat die Elektrode den Nachteil, dass, wenn Thorium verwendet wird, dieses Thorium rasch verdampft und eine Schwärzung des Entladungsgefässes herbeiführt.

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Die Erfindung bezweckt, eine Kurzbogengasentladungslampe mit einer Elektrode zu schaffen, die zur Herabsetzung des Austrittspotentials mit einem Vorrat an einem Elektronenemissionsraaterial versehen ist und mit der während der Lebensdauer der Lampe eine stabile Entladung erhalten wird.

Eine Kurzbogengasentladungslampe geraäss der Erfindung hat ein Entladungsgefäss, das mit einer Gasfüllung, in der die Entladung stattfindet, und mit zwei einander gegenüber angeordneten Elektroden aus einem hochschmelzenden Metall versehen ist, wobei das der Entladung zugekehrte Ende mindestens einer der Elektroden kegelförmig ist und eine auf der Kegelachse liegende Aussparung aufweist, in der sich eine Thoriurametallmenge befindet, und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung in axialer Richtung bis in eine derartige Entfernung von der verschlossenen Kegelspitze erstreckt, dass im Betrieb der Lampe der Transport des Thoriummetalls zur Kegelspitze im wesentlichen durch Diffusion durch das Elektrodenmaterial hindurch erfolgt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine stabil brennende Lampe erzielbar ist, wenn eine kegelförmige Elektrode Verwendung findet, die metallisches Thorium enthält, wobei die Diffusion des Thoriums im wesentlichen zur Elektrodenspitze geführt wird. Dabei muss das Thorium, wenigstens in der Nähe der Elektrodenspitze, ausreichend abgeschirmt sein, so dass eine unzulässig grosse Verdampfung von Thorium verhütet wird. Bei einer Lampe gemäss der Erfindung hat die Elektrode einen Thoriumvorrat, der gross genug

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ist, um während der ganzen Lebensdauer die Elektrodenspitze mit dem gut Elektronen emittierenden Thorium zu versehen. Die Zufuhr von Thorium zur Elektrodenspitze bei brennender Lampe erfolgt längs der Kristallgrenzen des Elektrodenmaterials· Dabei wird diese Zufuhr vorwiegend in der Richtung nach der Elektrodenspitze geführt, so dass die Lampe während der gesamten Lebensdauer eine stabile Entladung aufweist. Die Spitze der Elektrode bei einer erfindungsgemässen Lampe ist geschlossen, so dass die Entladung nicht auf dem Thoriumvorrat selbst ansetzen kann. Dadurch wird eine unerwünscht grosse Verdampfung von Thorium verhindert. Die das Thorium enthaltende Aussparung braucht jedoch nicht völlig gegen den Entladungsraum abgeschlossen zu sein. Sie kann an weiter von der Kegelspitze entfernten Stellen, an denen die Temperatur im Betrieb der Lampe erheblich niedriger als die Temperatur an der Kegelspitze ist, mit dem Entladungsraum in Verbindung stehen. In diesem Falle ist es möglich, dass eine geringe Diffusion von Thorium längs der Kegeloberfläche stattfindet.

Vorzugsweise hat die Aussparung in einer Elektrode einer Lampe geraSss der Erfindung die Form eines engen Schlitzes, dessen Schnitt senkrecht zur Kegelachse nahezu rechteckig ist. Dieser Schlitz steht mit der Kegeloberfläche in Verbindung, ist aber an der Kegelspitze durch eine Press-Schweissverbindung geschlossen. Diese Schweissverbindung bietet eine gute Abschirmung des Thoriumvorrats gegen den Entladungsbogen. Die Elektrode hat den weiteren Vorteil, dass infolge der Schweissverbindung Kristallgrenzen, die im Elektrodenmaterial vorhanden oder durch Rekristallisierung

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während des Betriebes entstanden sind, eine bevorzugte
Richtung zur Elektrodenspitze bin aufweisen. Infolgedescon
verläuft die Diffusion von Thorium praktisch ausschliesslich in der Richtung nach der Elektrodenspitze. Weiter hat diese
Elektrode den Vorteil, dass sie sich während der Herstellung der Lampe gut entgasen lässt, weil der Schlitz und das darin befindliche Thoriummetall mit dem Entladungsraum in Verbindung stehen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer Lampe
geraäss der Erfindung hat die Elektrode einen Schlitz von der vorstehend beschriebenen Gestalt, dessen Breite mit dem
Abstand von der tfegelspitze zunimmt. Die Höchstbreite des
Schlitzes beträgt mindestens 0,05 mm und höchstens das 0,25-fache des Durchmessers der Kogelgrundflache, und die Tiefe
des Schlitzes hat einen Wert zwischen dem k- und dem 50-fachen der maximalen Breite. VorzugsAieise betragt die maximale Breite des Schlitzes höchstens das 0,10-fache des Durchmessers der Kegelgrundfläche, während die Tiefe des Schlitzes einen Wert zwischen dem 15-fachen und dem 20-fachen der maximalen Breite hat.

Als Material für die Elektrode bei einer Lampe genuiss der Erfindung wird vorzugsweise Wolfram oder eine als Hauptelement Wolfram enthaltende Legierung verwendet, weil diese
Materialien hohe Temperaturen vertragen können. Die erwähnten Materialien können auch in thorierter Form verwendet werden.

Eine Elektrode geraäss der Erfindung wird vorzugsweise gemäss einem Verfahren nach der Erfindung hergestellt,

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bei dem ein zylindrischer Stab oder Draht aus einem hochschmelzenden Metall (z.B. Wolfram) an einem Ende mit einem engen rechteckigen Schlitz versehen wird, z.B. durch Schleifen. Dieser Schlitz, der auf der Achse des Stabes oder Drahtes liegt, erstreckt sich in radialer und axialer Richtung bis zu der Aussenoberflache des Stabes oder Drahtes. Der Schlitz wird dann ganz oder teilweise mit metallischem Thorium, z.B. in Form einer Thoriumplatte, gefüllt. Danach wird der Schlitz mittels einer Press-Schweissverbindung, z.B. durch Punktschweissen, am Ende des Stabes oder Drahtes geschlossen. Schliesslich wird das Ende.in Form eines Kegels mit dem gewünschten Oeffnungswinkel und der gewünschten Abrundung gestaltet. Dies kann beispielsweise durch Schleifen erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Ausführungsform einer Kurzbogengasentladungslampe getnäss der Erfindung,

Fig. 2 in vergrössertem Masstab die als Kathode dienende Elektrode der Lampe nach Fig.1.

Die Lampe der Fig. 1 ist eine Kurzbogenxenonentladungslampe, die im Betrieb eine Leistung von etwa 1600 Watt aufnimmt. Die Lampe ist als Gleichstromlampe ausgeführt und enthält innerhalb des mit Xenon gefüllten Entladungsgefässes aus Quarzglas einen Anodenkörper 2 aus Wolfram, der an der vakuumdicht herausgeführten Stromzuleitung 3 aus Wolfram befestigt ist. Die Kathode ist mit k bezeichnet, und besteht aus einem zylindrischen Stab mit einem Durchmesser von 3 mm.

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Der Stab 4 besteht aus Wolfram, das einige Prozente Thoriumoxid enthält. Die Elektrode h hat ein kegelförmiges Ende 5 und ist gemäss der Erfindung mit einem Schlitz 6 versehen. Dieser Schlitz 6 ist an der Spitze geschlossen und enthält einen Thoriummetallvorrat.

Fig. 2 zeigt die Kathode der Lampe der Fig. 1 in stark vergrSssertem Masstab im Schnitt. Die zylindrische Kathode aus thoriertem Wolfram hat einen kegelförmigen Endteil 12, Das Ende der Kathode weist eine Aussparung 14 auf, die durch Ausschleifen eines rechteckigen Schlitzes erzeugt worden ist. Dieser Schlitz ist teilweise mit einer Thoriumplatte ausgefüllt. Der Schlitz ist durch eine Punktschweissverbindung 16 am Ende geschlossen. Infolge dieser Punktschweissung hat der Schlitz eine Breite, die mit dem Abstand von der Spitze zunimmt. Die Elektrodenspitze 13 wird im Betrieb der Lampe mit Thoriummetall versehen, das aus dem Thoriumvorrat 15 herrührt und zwar durch Diffusion im wesentlichen längs der Kristallebenen, z.B. längs der Punktschweissebene 16, die sich in der Richtung zur Spitze 13 erstrecken. Die Kegelgrundfläche der Kathode 11 hat einen Durchmesser von 3 mm. Der Schlitz 14 hat eine Tiefe von etwa 3 mm und eine maximale Breite von etwa 0,15 mm, Es stellt sich heraus, dass eine Lampe von der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Bauart während ihrer ganzen Lebensdauer (etwa 2000 Brennstunden) eine stabile Entladung hat.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE;

   S
   1 . . Kurzbogengasentladungslampe mit einem Entladungsgefäss, das mit einer Gasfüllung, in der die Entladung erfolgt, und mit zwei einander gegenüber angeordneten Elektroden aus einem hochschmelzenden Metall versehen ist, wobei das der Entladung zugekehrte Ende mindestens einer der Elektroden kegelförmig ist und eine auf der Kegelachse liegende Aussparung hat, in der sich eine Thoriummetallmenge befindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung in axialer Richtung bis in eine derartige Entfernung von der abgeschlossenen Kegelspitze erstreckt, dass im Betrieb der Lampe ein Transport von Thoriumnietall zur Kegelspitze im wesentlichen durch Diffusion durch das Elektrodenmaterial hindurch erfolgt.

   2. Kurzbogengasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung die Form eines engen Schlitzes hat, dessen senkrecht zur Kegelachse geführter Schnitt nahezu rechteckig ist, welcher Schlitz mit der Kegeloberfläche in Verbindung steht und an der Kegelspitze durch eine Press-Schweissverbindung geschlossen ist.

   3. Kurzbogengasentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite dos Schlitzes mit dem Abstand von der Kegelspitze zunimmt, dass die maximale Breite des Schlitzes mindestens 0,05 "im und höchstens das 0,25-fache des Durchmessers der Kegelgrundflache beträgt, und dass die Tiefe des Schlitzes gleich dem Α-fachen bis 50-fachen der maximalen Breite ist.

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   h, Kurzbogcngasentladungslampe nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Breite des Schlitzes höchstens das 0,10-fache des Durchmessers der KegelgrundflSclie betrSgt und dass die Tiefe des Schlitzes gleich dem 15- bis 25-fachen der maximalen Breite ist.

   5. Kurzbogengasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, oder k_t dadurch gekennzeichnet, dass das kegelförmige Ende der Elektrode aus Wolfram, aus einer Legierung, die als Hauptelement Wolfram enthält, oder aus diesen Materialien in thorierter Form besteht.

   6. Mit Elektronen emittierendem Thoriummetall versehene Elektrode bestimmt für eine Kurzbogengasentladungslampe nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,

   7. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zylindrischer Stab oder Draht aus einem hochschmelzenden Metall an einem Ende mit einem engen rechteckigen Schlitz versehen wird, der auf der Achse des Stabes oder Drahtes liegt und sich in radialer und-· axialer Richtung bis zur Aussenoberflache des Stabes oder Drahtes erstreckt, dass der Schlitz ganz oder teilweise mit metallischem Thorium gefüllt wird, wonach er mittels einer Press-Schweissverbindung am Ende des Stabes oder Drahtes geschlossen wird, und dass das Ende schliesslich, z.B. durch Schleifen, kegelförmig gestaltet wird.

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