DE2409291B2 - Glimmentladungslampe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glimmentladungslampe mit enem Kolben, Elektroden, mit den Elektroden verbundenen Zuleitungen, wobei die Zuleitungen sich durch den Kolben erstrecken und in diesem hermetisch abgedichtet sind, und einer Füllgasmischung •us Neon und einem Edelgas mit höherem Atomge- *icht.

In der DT-PS 3 95 293 ist eine Kathodenglimmlichtlampe mit z. B. aus Helium oder Neon bestehender Kdelgasfüllung beschrieben. Dieser Edelgasfüllung aus Helium oder Neon soll eine geringe Menge eines Edelgases mit höherem Atomgewicht zugesetzt werden. Um den Spannungsabfall an den Elektroden zu verringern und dadurch einer unerwünschten Zerstäubung des Elektrodenwerkstoffes entgegenzuwirken. Die Eu diesem Zweck zugesetzte Menge eines Edelgases mit höherem Atomgewicht muß zwischen etwa 0,5 und 5% liegen, und es ist als einziges Edelgas mit höherem Atomgewicht Argon genannt.

Die DTPS 6 77 915 betrifft eine Neon-Leuchtröhre mit einer Betriebsstromstärke von weniger als 100 Milliampere und einer NeonlÜllung mit einem Füllgastlruck von 4 — 8 mm Hg. Aufgabe nach dieser PS ist es. eine steigende Kennlinie der Röhre zu erhalten, zu welchem Zweck der Neonfüllung des Füllgasdruckes von 4 —8 mm Hg ein Krypton- oder Xenonzusatz von 0,2 bis 0,5% hinzugegeben wird.

In einer Glimmentladungslampe fließt ein Strom zwischen den Elektroden, nachdem an dei Elektroden ein bestimmtes Potential gelegt ist. Diese Spannung ist als Zündspannnung bekannt. Eine einfache Erklärung dieser Erscheinung isi 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 Zündpotential, das zur Ionisation reinen Neongases bei einem Produkt aus Gasdruck und Molybdän-Elektrodenabstand von 2 cm · torr erforderlich ist, beträgt etwa IbO Volt und für reines Argongas etwa 170 Volt. Es war bekannt, daß eine Mischung von zwei Gasen, wie eine solche aus Neon und Argon, bei der das lonisationspotential des hinzugegebenen Gases Argon geringer ist, als der metastabile Zustand des

Grundgases Neon, eine Zündspannung hat, die geringer ist als das Zündpotentiäl jeden Gases. Diese Gaskombination nennt man eine Penning-Mischung.

Zusätzlich zu der geringen Zündspannung ist es erwünscht, eine Glimmentladungslampe zu haben, in der die Zündspannung während der Gebrauchsdauer des Gerätes relativ stabil ist. Zündspannungen haben die Neigung, während der Lebensdauer der Lampe allmählich anzusteigen, bis die erhöhte Zündspannung die Arbeitsspannung des Stromkreises übersteigt. Dies macht eine Glimmentladungslampe 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« genannt), und Argon hat ein lonisationspotential von 157eV, 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 lonisationspotentialcn von 14.0 bzw. 12.1 eV haben sehr \iel größere Energieunterschiede und daher ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens der Penning-Reaktion theoretisch sehr vermindert. Dementsprechend \uirde angenommen, daß die Zugabe von Xenon, welches die größte Energiedifferenz hat. die Zündspannung bis zu einem Punkt erhöhen würde, bei dem der Vorteil 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-Oxyd, von der Kathode verursacht. Diese Erosion ist abhängig von der Zerstäubungsausbeute bzw. -empfindlichkeit, nämlich der Zahl der Atome des Materials, welche die Elektrodenoberfläche unter dem Beschüß mit positiven Ionen bestimmter kinetischer Energie verlassen. Bekannte Daten /eigen, daß für ein gegebenes Elektrodenmaterial, wie Kupfer, die Zerstäubungsausbeute ansteigt, wenn das Atromgewicht ansteigt. Viele dieser Daten, wie z. B. die der Seiten 12b, 127 des Buches von G. F. W e s t ο η »Cold Cathode Discharge Tubes« vom Verlage ILIFE Books Ltd.. London, 1968, beziehen sich auf lonenenergien oberhalb von 100 eV. Es war jedoch kein Grund vorhanden anzunehmen, daß es unterhalb von 100 eV, dem ionenenergiebereich. der für Glimmentladungslampen von Bedeutung ist. zu Ergebnissen führen würde, die von denen zwischen 100 und 1000 cV 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.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Glimmentladungslainpe der eingangs genannten Art mii einer verlängerten Lebensdauer zu schaffen, wobei gleichzeitig die Neon-Emission weitgehend unverändert erhalten bleiben sollte. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß das Edelgas mit höherem Atomgewicht Xenon ist und daß der Xenongehalt zwischen 0,001 und 0,1 Vol.-% variieren kann. Dieser eng begrenzte Xenongehalt gemäß der vorliegenden Erfindung ist geeignet, aber auch erforderlich, eine längere Lebensdauer der Lampe zu gewährleisten und gleichzeitig die Neonemission der

Glimmlampe zu erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Xenon Gehalt zwi- ichen 0,01 und 0.1 Vol.-% variieren und insbesondere 0 I oder 0,01 Voi.-% betragen. '

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur eine Seitenansicht einer Clinimentladungslampe zeigt, welche Jas Füllgas verwendet.

Dh Glimmentladungsmaäpe 10 ist aufgebaut aus einem Kolben 11, den Elektroden 12 und 13, den Zuleitungsdrähten 14 und 15 und dem Quetschfuß 16. Die Lamp-e ist nur mit einem Füllgas aus Neon und Xenon unter einem vorbestimmten Druck gefüllt, und der Kolben ist verschlossen und abgeschmolzcn, wie bei 17 gezeig« Die Elektroden 12 und 13 sind mit einer Mischung aus emittierendem Material, wie Barium- Strontium-Oxyd oder Barium-Azii, beschichtet. Diese Mischung emulierender Maierialien weist stark Rick- «ronen abgebende Teilchen auf und erleichtert daher die Entladung /wischen ilen Elektroden in die gasförmige Atmosphäre der Lampe.

Die Elektroden 12 und 13 sind in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet ..· ,1 der Kolben ist mit einem Gas von einem bestimmen Druck gefüllt. Vfischiedene Einstellungen des Abstandes /■> >. lschen den Elektroden und des Druckes des FüHgases verursachen Variationen der Zündspannung. Die Auftragungen der Zündspannung gegen das IVodukt aus Gasdruck und Elektrodenabstand für bestimmte Gase sind als Paschenkurven bekannt.

Die Elektroden 12 und 13 können aus NnAeI oder nickclbeschichtciem Stahl bestehen. Sowohl Nickel aus auch nickclbeschichteter Stahl haben eine Tendenz., Elektronen mit einer größeren Geschwindigkeit /u emittieren, als die meisten anderen Metalle, obwohl mich solche anderen Metall verwendet werden können. Die Elektroden 12 und 13 sind mit den Zuleitungsdräh ten 14 und 15 verbunden. Die Zuleitungen 14 und 15 sind bei der Quetschdichtung 16 hermetisch in dem Kolben iibgedichtct. Das Füllgas wird dann mit einem Druck zwischen 20 und 1 50 mm Hg in den Kolben eingebracht und der Kolben verschlossen oder abgeschmol/en. wie dies an der Abschmel/spit/e 17 erkennbar ist.

Die Zündspannung kann als die Spannung /wischen den Elektroden 12 und 13 definiert werden, bei der das Füllgas ausreichend ionisiert wird, um einen Strom durch die Lampe zu leiten, der im allgemeinen in der Größenordnung von Milliampere liegt. Bei fortgesetz- ter Brenndauer beginnen die Lampen nach anfänglichem Altern oder Lagern für etwa 75- lOO Stunden, dem Stromdurchgang einen Widerstand entgegenzusetzen. Mit fortschreitender Zeit wird daher die Zündspannung höher und höher, bis sie einen Punkt erreicht, bei eiern der Stromkreis, in dem die Glimmeniladuiigslampe verwendet wird, die Lampe nicht langer erregen kann. Hin Beispiel dafür währe eine Indikatorlampe, die in einem 120-Volt-Haushaltsstromkreis verwendet wird. Wenn der Bereich der Zündspannungen für ein" <*> Haushaltsstromkreis-Indikatorlampe im Bereich von 100-105 liegen würde, würde die Zündspannung mt fortschreitender Zeit und Lampenalterung allmählich zunehmen und 120 Volt übersteigen und dabei die Lampe in dem speziellen Stromkreis unerregbar machen.

Die Erscheinung der erhöhten Zündspannung und der Gebrauchsdauer· der Glimmentladungslampe 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 auftreffenden 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. als die von Argon für ein gegebenes Elektrodenmaterial. Diese Daten wurden ermittelt für Energiestufen zwischen 100 und 1000 eV. Eine Extrapolation dieser Daten würde det. Fachmann zu der Annahme führen, daß die Zerstäubungsausbeute bei Energie von weniger als 100 eV für Xenon größer sein war.'/ als für Argon und daher für eine Lampe, bei der Xenon verwendet wird, eine kürzere Lebenszeit mit sich bringen wurde. Im Gegensatz /u dieser Hvpothese wurde festgestellt, daß die Zerstäubungsausbeute fur em Xenon· -lon geringer is' als die für ein Krvpton- lon oder ein -\i gon ·-lon. Aufgrund dieser verringerten Zerstäubungsausbeute wird die Emissionsnnschung mit einer geringeren Geschwindigkeit erodiert und der Anstieg der Zündspannung verlangsamt und somit die Gebrauchsdauer der Lampe erhöht.

Fun andere¹ unerwartetes Ergebnis d<jr Zugabe von Xenon unter Bildung einer Penning-Mischung ist die Größe der Zunahme der Zündspannung einer mit Neon-Xenon gefüllten Lampe, verglichen mit einer mit Neon-Argor, gefüllten Lampe. Die Größe der Zündspannung ist /. I. abhängig von der Differenz /wischen dem lonisationspoteniial und dem metastabilen F.nergiezusiand des Grundgases, in diesem Lalle Neon (vgl. Seiten 18 und 14 des obengenannten Buches von G. F. Weston. »Cold Cathode Discharge Tubes»). Der Unterschied /wischen Neon und Argon beträgt 0.9 eV unci der zwischen Neon und Xenon A.b eV. Vergleicht man die Differenz zwischen Argon und Xenon, so kann festgestellt werden, daß die eine fünfmal großer ist als die andere. Obwohl die Beziehung /wischen Zündspannung und Gasart nicht vollständig linear ist. wurde bisher angenommen, daß die Verwendung von Xenon die Zündspannung in einem solchen Maße erhöhen würde, daß 'ie Mischung die Zündspannung des reinen Gases ohne Additiv erreichen würde, was selbstverständlich im Gegensatz zum Haupt/weck der Verwendung einer Penning-Mischung steht.

Wie durch Untersuchungen festgestellt wurde, hai eine Glimmentladungslampe, in der eine Mischung aus Neon und 0.1 Vol.-"/» Argon verwendet wird, eine Zündspannung im Bereich von 70-80 Volt und eine Glimmentladungslampe, in der eine Mischung von Neon und 0.1 Vol.-% Xenon verwendet wird, eine Zündspannung von nur 75-85 Volt. Die anderen Größen, die die Zündspannung beeinflussen, wie Füllgasdruck und Elektrodenabstand, wurden bei den obigen Untersuchungen konstant gehalten.

Die derzeit vertriebenen Glimmentladungslampen werden üblicherweise in Stromkreisen von 120 Volt oder weniger eingesetzt. Bestimmte Glimmentladungslampen werden als Indikatorlampen für Haushaltsgeräte verwendet, wie die General Electric C2A-Neon glimmentladungslampe, 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.-°/o der Mischung ausmachte. Diese spezielle Mischung des Xenons erhöhte die Lebensdauer der C2A-Lampe und ergab auch einen engeren Bereich für die Zündspannung.

Fine andere Glimmentladungslampenait. die General Electric 5AM-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 5ΛΜ-Β-Lampe hat einen Elektrodenabstand von 1.1 mm und wurde mit einer Pcnning-Mischung unter einem Druck von 120 Torr gefüllt. Die spezielle Mischung, die am wirksamsten hinsichtlich der Verlängerung der Gebrauchsdaucr der Lampe und der Stabilisierung des Bereiches der Zündspannungen war. enthielt Neon und 0.1 VoL-⁰O Xenon. Auf der Grundlage dieser und anderer Versuche wird angenommen, daß cine verbesserte IVnning-Mischimg. die Neon und /wischen 0.001 und 1,0 Vol.-% Xenon enthalt, wirksam zur Verlängerung der Lebensdauer der Lampe bei gleichzeitiger Aulrechterlialtung einer verringerten Zünspannung für die verschiedenen Arten von Gascntladungsgeräten verwendet werden kann.

Die Ergebnisse von Verglcichsuntersuchungen der SAH-B-Lampe. gefüllt mit Penning-Mischimgen aus Neon und 0.1 Vol.-°/o Argon. Neon und 0.1 Vol.-¹Vo Krypton und Neon und 0.1 VoL-⁰Ai Xenon, zeigten, dal?

ίο die Lebensdauer der Lampe, die Argon enthielt. 12b5 Stunden betrug, die mit Krypton hatte eine Lebensdauer von 2440 Stunden und die Xenon enthaltende Lampe eine solche von 2b00 Stunden. Diesen Ergebnissen kann entnommen werden, daß «.'ic 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 10¹V verlangen gegenüber einer mit krypton gefüllten Lampe. Die ursprüngliche Zündspannung der \enonhal-

2C tigen Lampe erhöhte sich von 75 auf 85 Volt, verglichen mit einem Bereich von 70-80 Volt fur cine mit Krypton gefüllte Lampe.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche: 2409

1. Glimmentladungslampe mit einem Kolben, Elektroden, mit den Elektroden verbundenen Zuleitungen, wobei die Zuleitungen sich durch den Kolben erstrecken und in diesem hermetisch abgedichtet sind, und einer Füllgasmischung aus Neon und einem Edelgas mit höherem Atomgewicht, dadurch gekennzeichnet, da3 das Edelgas mit höherem Atomgewicht Xenon ist und daß der Xenongehalt von 0,001 bis 0,1 Vol.-°/o variieren kann.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Xenon zwischen 0,01 und 0,1 VoI.-°/o variieren kann.

3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Xenongehalt 0,1 Vol.-% beträgt.

4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Xenonanteil 0,01 Vol.-% beträgt.