DE2409291A1 - Fuellgasmischung fuer glimmlampen - Google Patents

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt
6 Frankfurt/Main 1

Niddastr. 52

26. Februar Dr.Sb./cs-ro.

2625-LD-6383

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.

Füllgasmischung für Glimmlampen

Die vorliegende Erfindung betrifft Entladungsgeräte mit bestimmten Gps- oder Dampffüllungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Entla dungsgerät, das zwei Edelgase enthält, und zwar Neon und Xenon.

In einer Glimmlampe fließt ein Strom zwischen den Elektroden, nachdem an die Elektroden ein bestimmtes Potential gelegt ist. Diese Spannung ist als Zündspannung (breakdown voltage) bekannt. Eine einfache Erklärung dieses Phänomens ist die, daß das Gas zwischen den Elektroden bei einer bestimmten Spannung ionisiert wird und dann Strom leitet.

Verschiedene Gase wie Neon oder Argon erfordern verschiedene Spannungen, um ionisiert zu werden und Strom zu leiten. Das Zünd-

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potential, das zur Ionisation reinen Neongases bei einem Produkt aus Gasdruck und Molvbdän-Elektrodenabstand von 2 cm-torr erforderlich ist. beträgt etwa 160 Volt,und für reines Argonpas etwa 170 Volt. Es war bekannt, daß eine Mischung von zwei Gasen, wie eine solche aus Neon und Argon, bei der das Ionisationspotential des hinzugegebenen Gases Argon geringer ist, als der metastabile Zustand des Grundgpses Neon, eine Zündspannung hat, die geringer ist als das Zündpotential jedes Gases. Diese Gaskombinat ion nennt man eine Penning-Mischung.

Zusätzlich zu der geringen Zündspannung ist es erwünscht, eine Glimmlampe zu haben, in der die Zündspannung während der Gebrauchsdauer des Gerätes relativ stabil ist. Zündspannungen haben die Neigung, während der Lebensdauer der Lempe allmählich anzusteigen, bis die erhöhte Zündspannung die Arbeitsspannung des Stromkreises übersteigt. Dies macht eine Glimmlampe unbrauchbar für die Anwendung in dem speziellen Stromkreis, obwohl sie bei einer höheren Spannung noch funktionieren kann.

Gemäß bekannten Theorien würde die beste Penning-Mischung eine solche sein, die Neon als Grundgas und Argon als hinzugefügtes Gas verwendet. Neon hat einen metastabilen Zustand von 16,6 Elektronenvolt (nachstehend "eV^M genannt) und Argon hat ein Ionisationspotential von tP,7 eV, was eine Differenz von 0.9 eV ergibt. Dieser geringe Energieunterschied würde die rasche Ionisation der Argonatome durch die Penning-Reaktion gestatten. Andere Gase, wie Krypton und Xenon (mit Ionisationspotentialen von 14.0 bzw. 12.1 eV haben sehr viel größere Energieunterschiede und daher ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Penning-Reaktion theoretisch sehr vermindert. Dementsprechend wurde angenommen, daß die Zugabe von Xenon, welches die größte Energiedifferenz hat, die Zündspannung bis zu einem Punkt erhöhen würde, bei dem der Vor-

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teil des Penning-Effektes nur am Rande - wenn überhaupt - auftreten würde.

Der Anstieg der Zündspannung und die Verminderung der Lebensdauer der Lampe würde - so wurde angenommen - durch die allmähliche Erosion der Emissionsmaterialien, wie Barium-Strontium-Oxvd, von der Kathode verursacht. Diese Erosion ist abhängig von der Zerstäubungsausbeute bzw. -empfindlichkeit (sputtering yield), nämlich der Zahl der Atome des Materials welche die Elektrodenoberfläche unter dem Beschüß mit positiven Ionen bestimmter kinetischer Energie verlassen. Bekannte Daten zeigen, daß für ein gegebenes Elektrodenmaterial, wie Kupfer, die Zerstäubungsausbeute ansteigt, wenn das Atomgewicht ansteigt. Viele dieser Daten, wie z.B. die der Seiten 126, 127 des Buches von G.F.Weston "Cold Cathode Discharge Tubes" vom Verlage ILIFE Books Ltd., London. 1968, beziehen sich auf Ionenenergien oberhalb von 100 eV. Es war jedoch kein Grund vorhanden,anzunehmen, daß es unterhalb von 100 eV, dem Ionenenergiebereich, der für Glimmlampen von Bedeutung ist, zu Ergebnissen führen würde, die von denen zwischen 100 und 1000 eV abweichen. Da Argon die zweitgeringste Zerstäubungsgeschwindigkeit hat und Xenon die höchste, war zu erwarten, daß eine einen Argonzusatz enthaltende Neonlampe eine längere Lebensdauer haben würde.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Glimmentladungsgerät herzustellen, das ein Füllgas enthält, welches die Lebensdauer des Entladungsgerätes erhöht. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Entladungsgerätes, das ein Füllgas enthält, das die Gebrauchsdauer der Lampe vergrößert und gleichzeitig die Zündspannung bis zu einem Wert vermindert, der geringer ist als der die sonstige Füllung bildenden Gase.

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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden gelöst durch die Verwendung eines speziellen Füllgases, dps Neon und Xenon enthält. Eine Lampe, die einen Kolben umfaßt, der zwei Elektroden enthält und mit den Elektroden verbundene Zuleitungen, die in dem Kolben abgedichtet sind, ist mit einer bestimmten Gasmischung aus Neon und Xenon gefüllt. Es wurde festgestellt, daß der Prozentgehalt des Xenons, der als Penning-Additiv wirkt und die Gebrauchsdnuer des Glimmentladungsgerätes verlängert, im Bereich von 0,001 -1,0 Vol-% liegt, wobei der Rest des Füllgases Neon ist.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Seitenansicht eines Glimmentlsdungsgerätes zeigt, welches das erfindungsgemäße Füll gps verwendet.

Die Glimmlpmpe tO. ist aufgebaut aus einem Kolben 11, den Elektroden 12 und 13. den Zuleitungsdrähten 14 und 15 und dem On'··' "hfuß (stern press) 16. Die erfindungsgemäße Lampe ist mit einem einzigartigen Füllgas aus Neon und Xenon unter einem vorbestimmten Druck gefüllt, und der Kolben ist verschlossen und abgeschmolzen (tipped off), wie bei 17 gezeigt. Die Elektroden 12 und 13 sind mit einer Mischung aus emittierendem Material, wie Barium-Strontium-Oxyd oder Barium-Azid, beschichtet. Diese Mischung emittierender Materialien weist stark Elektronen abgebende Teilchen auf und erleichtert daher die Entladung zwischen den Elektroden in die gasförmige Atmosphäre der Lampe.

Die Elektroden 12 und 13 sind in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet und der Kolben ist mit einem Gas von einem bestimmten Druck gefüllt. Verschiedene Einstellungen des Abstandes zwischen den Elektroden und des Druckes des Füllgases verursachen Variationen der Zündspannung. Die Auf-

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tragungen der Zündspannung gegen das Produkt aus Gasdruck und Elektrodenabstand für bestimmte Gase sind als Paschenkurven bekannt. ^c

Die Elektroden 12 und 13 können βus Nickel oder nickel beschichtetem Stahl bestehen. Sowohl Nickel als auch nickelbeschichteter Stahl haben eine Tendenz, Elektronen mit einer größeren Geschwindigkeit zu emittieren als die meisten anderen Metalle, obwohl auch solche andere Metalle verwendet werden können. Die Elektroden 12 und 13 sind mit den Zuleitungsdrähten 14 und 15 verbunden, die üblicherweise aus einem unter der Bezeichnung "Dumet" bekannten Draht hergestellt sind. Die Zuleitungen 14 und 15 sind bei der Quetschdichtung 16 hermetisch in dem Kolben abgedichtet. Das Füllgas nach der Erfindung wird dann mit einem Druck zwischen 20 und 150 mm Hg in den Kolben eingebracht und der Kolben verschlossen oder abgeschmolzen, wie durch den Rest 17 gezeigt.

Die Zündspannung kann als die Spannung zwischen den Elektroden und 13 definiert werden, bei der dps Füllgas ausreichend ionisiert wird, um einen Strom durch die Lampe zu leiten, der im allgemeinen in der Größenordnung von Milliampere liegt. Bei fortgesetzter Brenndauer beginnen die Lampen nach anfänglichem Altern oder Lagern für etwa 75 - 100 Stunden, dem Stromdurchgang einen Widerstand entgegenzusetzen. Mit fortschreitender Zeit wird daher die Zündspannung höher und höher, bis sie einen Punkt erreicht, bei dem der Stromkreis, in dem die Glimmlampe oder das Gasentladungsgerät verwendet wird, die Lampe nicht länger erregen kann. Ein Beispiel dafür wäre eine Indikatorlampe, die in einem 120-Volt-Haushaltsstromkreis verwendet wird. Wenn der Bereich der Zündspannungen für eine Haushaltsstromkreis-Indikatorlampe im Bereich von 100 - 105 liegen würde, würde die Zündspannung mit fortschreitender Zeit und Lampenalterung allmählich zunehmen und 120 Volt übersteigen und dabei die Lampe in dem speziellen Stromkreis unerregbar machen.

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Dps Phänomen der erhöhten Zündspannung und der Gebrauchsdpuer der gasgefüllten Entladungslampe ist untersucht worden, um Wege zu ermitteln, die Gebrauchsdauer der Lampe durch Verzögern der Zunahme der Zündspannung zu verlängern. Es wird angenommen, daß Erosion oder Zerstäubung des emittierenden Mischmaterials auf der Kathode stark verantwortlich ist für die Zunahme der Zündspannung. Ergebnisse von Massenspektrometer-Untersuchungen zeigen, daß diese Erosion verursacht wird durch auf die Kathode auftreffende Ionen und weiter, daß diese Ionen vorwiegend die Atomionen des Penning-Additivs in der Gasmischung sind.

Wie bereits angedeutet, zeigen die verfügbaren Daten betreffend die Zerstäubungsausbeute, daß die Zerstäubungsausbeute von Xenon größer ist eis die von Argon für ein gegebenes Elektrodenmaterial. Diese Daten wurden ermittelt für Energiestufen zwischen 100 und 1000 eV. Eine Extrapolation dieser Daten würde den Fachmann zu der Annahme führen, daß die Zerstäubungsausbeute bei Energien von weniger als tOO eV für Xenon größer sein würde als für Argon und daher für eine Lampe, bei der Xenon verwendet wird, eine kürzere Lebenszeit mit sich bringen würde. Im Gegensatz zu dieser Hypothese wurde festgestellt, daß die Zerstäubungsausbeute für ein Xenont.

Ion geringer ist als die für ein Krvpton - Ion oder ein Argon - Ion. Aufgrund dieser verringerten Zerstäubungsausbeute wird die Emissionsmischung mit einer geringeren Geschwindigkeit erodiert und der Anstieg der Zündspannung verlangsamt und somit die Gebrauchsdauer der Lumpe erhöht.

Ein anderes unerwartetes Ergebnis der Zugabe von Xenon unter Bildung einer Penning-Mischung ist die Größe der Zunehme der Zündspannung einer mit Neon-Xenon gefüllten Lampe, verglichen mit einer mit Neon-Argon gefüllten Lampe. Die Größe der Zündspannung ist z.T. abhängig von der Differenz zwischen d·«

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Ionisationspotential und dem metastabilen Energiezustand des Grundgases, in diesem FpI Ie Neon (vergl. Seiten IB und 19 des o.g. Buches von G.F. Weston. "Cold Cptho* Discharge Tubes"). Der Unterschied zwischen Neon und Argon beträgt 0,9 eV und der zwischen Neon und Xenon 4,6 eV. Vergleicht man die Differenz zwischen Argon und Xenon, so kann festgestellt werden, daß die eine fünfmal größer ist r>ls die andere. Obwohl die Beziehung zwischen Zündspannung und Gasart nicht vollständig linear ist, wurde bisher angenommen, daß die Verwendung von Xenon die Zündspannung in einem solchen Maße erhöhen würde, daß die Mischung die Zündspannung des reinen Gases ohne Additiv erreichen würde, was selbstverständlich im Gegensatz zum Hauptzweck der Verwendung einer Penning-Mischung steht.

Wie durch Untersuchungen festgestellt wurde, hat eine Lampe, in der eine Mischung aus Neon und 0,1 Vol.-% Argon verwendet wird, eine Zündspannung im Bereich von 70 - 80 Volt und eine Lampe, in der eine Mischung von Neon und 0,1 Vol.-% Xenon verwendet wird, hat eine Zündspannung von nur 75 - 85 Volt. Die anderen Größen, die die Zündspannung beeinflussen, wie Füllgasdruck und Elektroden»bstand, wurden bei den obigen Untersuchungen konstant gehalten.

Die derzeit"vertriebenen Glimmlampen werden üblicherweise in Stromkreisen von 120 Volt oder weniger eingesetzt. Bestimmte Lampen werden ρIs Indikatorlampen für Haushaltsgeräte verwendet, wie die General Electric C2A-Neonglimmlampe, die eine Zündspannung von 120 Volt oder weniger haben kann. Die C2A-Lampe hat einen Elektrodenabstand von 0,7 mm und wurde bei einem Druck von 38 Torr mit einer Penning-Gasmischung gefüllt, die Neon und Xenon enthielt, wobei das Xenon 0,01 Vol.-% der Mischung ausmachte. Diese spezielle Mischung des Xenons erhöhte die Lebensdauer der C2A-Lampe und ergab auch einen engeren Bereich für die Zündspannung.

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Eine andere Lampenart, die General Electric FAH-B-Lampe, wird als Bestandteil eines Stromkreises verwendet, wobei weniger Nachdruck gelegt wird auf die Lichtabgabe und mehr auf die Lebensdauer der Lampe und die Zündspannung. Die 5AH-B-Lampe hat einen Elektrodenabstand von 1,1 mm und wurde mit einer Penning-Mischung unter einem Druck von 120 Torr gefüllt. Die spezielle Mischung, die rm wirksamsten hinsichtlich der Verlängerung der Gebrauchsdpuer der Lampe und der Stabilisierung des Bereiches der Zündspannungen war, enthielt Neon und 0,1 Vol.~% Xenon. Auf der Grundlage dieser und anderer Versuche wird angenommen, daß eine verbesserte Penning-Mischung, die Neon und zwischen 0,001 und 1,0 Vol.-% Xenon enthält, wirksam zur Verlängerung der Lebensdauer der Lampe bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer verringerten Zündspannung für die verschiedenen Arten von Gasentladungsgeräten verwendet werden kann.

Die Ergebnisse von Vergleichsuntersuchungen der FAH-B-Lampe, gefüllt mit Penning-Mischungen aus Neon und 0,1 Vol.-% Argon, Neon und 0,1 Vol.-% Krypton und Neon und 0,1 Vol.-% Xenon, zeigten, daß die Lebensdauer der Lampe, die Argon enthielt, 1265 Stunden betrug, die mit Krypton hatte eine Lebensdauer von 2440 Stunden und die Xenon enthaltende Lampe eine solche von 2600 Stunden. Diesen Ergebnissen kann entnommen werden, daß die Verwendung von Xenon die erwartete Lebensdauer der Lampe etwa verdoppelt, verglichen mit einer Lampe, die mit Argon gefüllt ist, und die Lebensdauer der Lampe um etwa 10% verlängert gegenüber einer mit Krvpton gefüllten Lampe. Die ursprüngliche Zündspannung der xenonhaltigen Lampe erhöhte sich von 75 auf 85 Volt, verglichen mit einem Bereich von 70 - 80 Volt für eine mit Krypton gefüllte Lampe.

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Claims (5)

1. Patenta nsprüche

   l.j Glimmentladungslampe mit einem Kolben, Elektroden, mit den Elektroden verbundenen Zuleitungen, wobei die Zuleitungen sich durch den Kolben erstrecken und in diesem hermetisch abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben ein Penning-Mischungs-Füllgas aus Neon und Xenon enthält, bei dem das Xenon variieren kann zwischen O.OOt und 1.0 Vol.-%.
2. 2. Lampe nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet , daß das Xenon zwischen 0,001 und 0,1 Vol.-% variieren kann.
3. 3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichne t , daß das Xenon zwischen 0,01 und 0,1 Vol.-% variieren kann.
4. 4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Xenongehalt 0,1 Vol.-% beträgt.
5. 5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Xenonanteil 0,01 Vol.-% beträgt,

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