DE2626700A1 - Hochdruckgasentladungslampe und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents

Hochdruckgasentladungslampe und verfahren zu ihrer herstellung

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DE2626700A1 DE19762626700 DE2626700A DE2626700A1 DE 2626700 A1 DE2626700 A1 DE 2626700A1 DE 19762626700 DE19762626700 DE 19762626700 DE 2626700 A DE2626700 A DE 2626700A DE 2626700 A1 DE2626700 A1 DE 2626700A1
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Description

Ak:s; PHN 8048
Hochdruckgasentladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere eine Hochdruckquecksilberdampf- und Hochdrucknatriumdampfentladungslampe, mit einer strahlendurchlässigen Hülle, die Elektroden und ein ionisierbares Medium enthält, in dem die Entladung aufrechterhalten wird, wobei mindestens eine der Elektroden aus einem Träger aus hochschmelzendem Metall mit einem elektronenemittierenden Material besteht, das ein Erdalkalimetall und mindestens eines der Metalle Wolfram und Molybdän enthält. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung derartiger Hochdruckgasentladungslampen.
In Gasentladungslampen v/erden im allgemeinen thermionisch emittierende Elektroden angewandt, die aus einem Träger aus
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hochschmelzendem Metall bestehen, der mit einem elektronenemittierenden Material versehen ist. Dieses Material, auch Emitter genannt, emittiert Elektronen leichter als das Material des Trägers selbst. Anwendung eines Emitters bietet die Vorteile einer niedrigeren Zündspannung der Lampe und geringerer Elektrodenverluste im Betrieb der Lampe.
Allgemein bekannte Emitter sind Bariumoxyd und Mischungen von Bariumoxjrd mit einem oder mehreren der anderen Erdalkalioxyde Strontiumoxyd und Kalziumoxyd. Diese Emitter werden häufig in Niederdruckgasentladungslampen angewandt. In Hochdruckgasentladungslampen sind sie jedoch nicht anwendbar, weil sie durch den in diesen Lampen auftretenden kräftigeren Ionenbeschuß zerstäuben und durch die hohe Betriebstemperatur der Elektrode in diesen Lampen in hohem Ausmaß verdampfen. Für Anwendung in Niederdruckgasentladungslampen sind ferner Emitter auf Basis von Zirkonoxyd bekannt (siehe britische Patentschrift 472 648), denen geringe Mengen von Yttriumoxyd oder Seltenen Erdoxyden und gegebenenfalls Thoriumoxyd und Erdalkalioxyd zugesetzt worden sind. Diese Emitter erweisen sich jedoch in Hochdruckgasentladungslampen nicht sehr erfolgreich.
Bekannte, für Hochdruckgasentladungslampen geeignete Emitter (siehe US-PS 3 708 710) sind Erdalkaliwolframate der Formel Me^WOg, wobei Me Barium oder Mischungen aus Barium mit anderen Erdalkalimetallen darstellt und wobei geringe Abweichungen von der Stöchiometrie dieser Formel möglich sind. Besonders vorteilhafte Eigenschaften besitzen die Stoffe mit der Struktur von BapCaWOg. Diese ¥olframate, die zwar eine gewünschte niedrige Zündspannung der Lampe ergeben, besitzen aber weniger gute Emissionseigenschaften im Betrieb der Lampe. Um diese zu verbessern, werden diese Wolframatemitter in der Praxis zusammen mit Thoriuiüoxyd benutzt, von dem bekannt ist, daß es ein ausgezeichneter Emitter bei hoher Temperatur ist. Im allgemeinen
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enthält der Emitter dabei von 1 bis zu 2 Mol ThO2 pro Mol Wolframat. Mit Molybdaten analog den oben beschriebenen Wolframaten, nämlich Verbindungen der Formel Me JioO,-, können vergleichbare Emissionseigenschaften erhalten werden. Optimale Emissionseigenschaften im Betrieb der Lampe v/erden wiederum bei Anwendung dieser Molybdate in Verbindung mit Thoriumoxyd erreicht.
In Hochdruckgasentladungslampen, die mit einem besonders aggressiven Gas gefüllt sind, beispielsweise Hochdruckquecksilberdampf entladungslampen, die neben Quecksilber ein oder mehrere Metallhalogenide enthalten, können Emitter, die Erdalkalioxyd- oder Erdalkaliverbindungen enthalten, nicht angewandt werden, weil diese Emitter von·den Halogenen oder Halogeniden angegriffen werden. Bei derartigen Lampen ist man daher auf den Gebrauch von Thoriumoxyd als Emitter angewiesen. Die niederländische Patentanmeldung 69 03692 beschreibt weiter den Gebrauch Seltener Erdoxyde als Emitter in derartigen Lampen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Lampen erst bei verhältnismäßig hohen Spannungen zünden.
Emittierende Werkstoffe, die Thorium oder Thoriumoxyd enthalten, haben den großen Nachteil, daß sie radioaktiv sind, so daß ihre Anwendung und Verarbeitung viele medizinische und railieuhygienische Schwierigkeiten mit sich bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckgasentladungslampe mit einer Elektrode aus einem emittierenden Material zu schaffen, das die gleichen vorteilhaften Zündeigenschaften wie die Erdalkaliwolframat- oder Molybdateinitter liefert. Dabei sind die Emissionseigenschaften im Betrieb der Lampe zu verbessern, wobei die Verwendung von Thorium oder Thoriumoxyd vermieden wird.
Diese Aufgcibe wird bei einer Hochdruckgasentladungslampe
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eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst» daß das elektronenemittierende Material im wesentlichen aus mindestens einer oxydischen Verbindung besteht, die mindestens eines der Seltenen Erdoxyde, Erdalkalioxyd in einer Menge von 0,66 bis zu 4 Mol pro Mol Seltenes Erdoxyd, und mindestens eines der Oxyde von Wolfram und Molybdän in einer Menge von 0,25 bis zu 0,40 Mol pro Mol Erdalkalioxyd enthält, wobei das Erdalkalioxyd zu mindestens 25 Mol % aus Bariumoxyd besteht.
Die Hülle einer erfindungsgemäßen Lampe kann aus Glas mit hohem SiOp-Gehalt, aus Quarzglas oder aus Aluminiumoxyd, entweder in dicht gesinterter oder in kristalliner Form, bestehen. In der Hülle befinden sich ein ionisierbares Medium und im allgemeinen zwei Elektroden, zwischen denen im Betrieb die Entladung erfolgt. Die Elektroden sind mit einem vakuumdicht durch die Hülle herausgeführten Stromzuführungselement verbunden. Mindestens eine der Elektroden, und im allgemeinen beide Elektroden, besteht aus einem Träger aus hochschmelzendem Metall, meistens Wolfram oder auch Molybdän oder Tantal. Die Elektrode ist dabei mit einem emittierenden Material versehen, das erfindungsgemäß im wesentlichen aus einer oder mehreren oxydischen Verbindungen besteht, die Wolfram- und/oder Molybdänoxyd, Erdalkalioxyd und Seltenes Erdoxyd in den oben angeführten Mengen enthalten. Außer der erwähnten oxydischen Verbindung oder Verbindungen kann der Emitter weitere geringe Mengen anderer Stoffe enthalten, beispielsweise bis zu 5 Mol % SiOp und bis zu 5 Mol % eines oder mehrerer der Metalle Zr, Ti und Al als solche oder in Form der Oxyde dieser Metalle. Weiter kann der Emitter bis zu ungefähr 10 Mol % metallisches W und/oder Mo enthalten. Unter den Seltenen Erden seien hier Yttrium und die Elemente mit der Atomnummer von 57 (Lanthan) bis zu 7I1 (Lutetium) verstanden.
Versuche haben ergeben, daß mit" einem erfindungsgemäßen emittie-
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renden Material bei Anwendung in Hochdruckgasentladungslampen nahezu die gleichen vorteilhaften Emissionseigenschaften wie mit den bekannten Erdalkaliwolframat und Thoriumoxyd enthaltenden Emittern erreicht werden. Ein großer Vorteil der erfinduagsgeinäßen Emitter ist, daß sie keine radioaktiven Stoffe enthalten, so daß alle dem Gebrauch derartiger Stoffe anhaftenden Nachteile vermieden werden. Es wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Lampen auch im Dunkeln gut zünden, was wegen der Abwesenheit eines radioaktiven Stoffes im Emitter nicht zu erwarten war.
Das Erdalkalioxyd und das Wolfram- und/oder Molybdänoxyd ist im erfindungsgemäßen Emitter, wenigstens zum größten Teil, als eine oder mehrere der oxydischen Verbindungen Me7(W, Mo)Og vorhanden, wobei Me die Erdalkalimetalle Barium, Kalzium und Strontium darstellt und wobei mindestens 25 Mol % von Me Barium ist. Es sei angenommen, daß die Seltenen Erdoxyde als solche oder in Form einer oxydischen Verbindung im erfindungsgemäßen Emitter vorhanden ist.
Bevorzugt werden erfindungsgemäße Lampen mit einem emittierenden Material, das mindestens eines der Oxyde von Yttrium, Cer und Lanthan enthält, und wobei das Erdalkalioxyd in einer Menge von 1,5 bis zu 3 Mol pro Mol der Seltenen Erdoxyde vorhanden ist. Mix diesen Zusammensetzungen werden nämlich sehr gute Emissionseigenschaften und eine große Beständigkeit des Emitters unter Betriebsbedingungen in der Lampe erhalten.
Die besten Ergebnisse werden mit einem emittierenden Material erreicht, das Yttriumoxyd enthält, und wobei das Erdalkalioxyd (in einer Menge von 1,5 bis zu 3 Mol pro Mol YpO^) aus nahezu äquimolaren Mengen an BaO einerseits und SrO und/oder CaO andererseits besteht.
Eine bevorzugte Ausführungsforrn einer erfindungsgemäßen Lampe HIN 8048 - 6 -
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ist eine Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe, bei der das ionisierbare Medium Quecksilber und ein Edelgas enthält. In diesen Lampen werden die Elektroden verhältnismäßig hoch belastet und es zeigt sich, daß sich die betreffenden emittierenden Materialien hervorragend bewähren.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lampe mit gleichfalls im Betrieb hochbelasteten Elektroden ist. eine Hochdrucknatriumdampfentladungslampe, in der das ionisierbare Medium Natrium, Quecksilber und ein Edelgas enthält.
Die emittierenden Materialien für die erfindungsgemäßen Lampen können auf verschiedene Weise erhalten v/erden. Es ist beispielsweise möglich, den Emitter mit Hilfe einer Feststoffreaktion aus einer Mischung von Ausgangsstoffen bei hoher Temperatur zu bilden. Bei einem vorteilhaften Verfahren zum Herstellen einer Hochdruckgasentladungslampe wird ein Elektrodenträger aus Wolfram mit einer Suspension versehen, die die Grundstoffe für das elektronenemittierende Material enthält, wonach der Elektrodenträger einer Wärmebehandlung unterworfen wird, und wird der Elektrodenträger in einer Lampenhülle angeordnet und die Lampenhülle mit einem ionisierbaren Medium gefüllt. Erfindungsgemäß wird hierbei eine Suspension benutzt, die als Grundstoffe von 20 bis 60 Mol % mindestens eines der Seltenen Erdoxyde von 40 bis 80 Mol % Erdalkalikarbonat, von denen mindestens 25 Mol % des Karbonates Bariumkarbonat ist, und bis zu 10 Mol % Wolfram enthält; der Elektrodenträger wird auf eine Temperatur von 1500 bis 21000C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt.
Die Suspension von Grundstoffen (beispielsweise in Butylazetat, in dem Nitrozellulose als Binder gelöst ist) braucht bei diesem Verfahren kein VJOIfram zu enthalten. Das für die Bildung von Wolframat erforderliche Wolfram wird bei diesem Verfahren vollständig oder teilweise vom Elektrodenträger während der Wärmebehandlung geliefert. Die Elektrode i:?nn auf die oben tot:c;:r:'c
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bene Weise vollständig .fertiggestellt; und darauf in die Lampenhülle gebracht werden. Weiter ist es möglich, den Elektrodenträger mit der erwähnten Suspension zu versehen, wonach die Elektrode in die Lampenhülle eingebaut wird und die Wärmebehandlung der Elektrode in der Lampe erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Äusführungsbeispiele und einer Anzahl von Messungen näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine erfingungsgemäße Hochdruckquecksilberdampf entladungslampe ,
Fig. 2 im Schnitt eine erfindungsgemäße Hochdrucknatriumdampfentladungslampe und
Fig. 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die Elektrode der Lampe nach Fig. 1.
Die Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Fig. 1 hat eine Quarzglashülle 1, die an beiden Enden durch Quetschungen und 3 abgeschlossen ist. Mit Hilfe von Molybdänfolien 4 und 5 sind die Stromzuleitungen 6 unf 7 aus Wolfram vakuumdicht in die Hülle 1 eingeführt. An den Stromzuleitungen 6 und 7 sind Elektrodenträger 8 bzw. 9 befestigt. Diese Elektrodenträger bestehen aus einer doppelgewickelten Spirale aus Wolfram. Die Elektrodenträger sind mit einem erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Material versehen (in dieser Figur nicht sichtbar). In der Hülle 1 befindet sich ein ionisierbares Medium, das aus Quecksilber und einer geringen Menge eines oder mehrerer Edelgase als Startgas besteht. In der Nähe der Elektrode 8 befindet sich weiter eine Hilfselektrode 10, die aus einem gleichfalls mittels einer Molybdänfolie vakuumdicht herausgeführten Wolframdraht besteht. Die Hilfselektrode 10 ist außor-
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halb der Lampe über einen Widerstand mit der Elektrode 9 (nicht in der Zeichnung dargestellt) elektrisch verbunden. In den meisten Fällen wird die in Fig. 1 dargestellte Lampe in einem Außenkolben untergebracht, dessen Innenwand mit einer Leuchtschicht versehen sein kann.
Fig. 2 zeigt eine erfingunsgemäße Hochdrucknatriumdampfentladungslampe mit einer Hülle 11 aus dicht gesintertem Aluminiumoxyd. Niobröhrchen 12 und 13, die mit einem Schmelzglas in Endteile der Hülle 11 vakuumdicht eingeschmolzen sind, dienen als Stromzuleitungen für die Elektrodenträger 14 und 15. Diese Elektrodenträger bestehen aus Wolframspiralen und sind mit einem erfindungsgemäßen elektronenemittierenden Material versehen. Die Träger 14 und 15 sind an Wolframstiften befestigt, die selbst wieder mit den Röhren 12 und 13 verbunden sind. In der Hülle 11 ist als ionisierbares Medium Quecksilber und Natrium und weiter eine geringe Edelgasmenge als Startgas vorhanden. Auch diese Lampe wird in der Praxis meist in einem Außenkolben angeordnet (in der Zeichnung nicht dargestellt).
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die Elektroden 8 und 9 nach Fig. 1. Die Stromzuleitung ist mit 16 bezeichnet. Der Elektrodenträger ist eine doppelgewickelte Spirale, die aus einer hinlaufenden Wicklung 18 besteht, die in eine rücklaufende Wicklung 19 übergeht. Der Emitter 17 befindet sich vorwiegend im Raum zwischen der Zuleitung 16 und der Wicklung 18 und zwischen den beiden Wicklungen 18 und 19.
Beispiel I
Es wurden zehn Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen der anhand der Fig. 1 beschriebenen Art mit einer Leistungsaufnähme von 400 Watt hergestellt. Die Elektroden dieser Lampen, die aus spiralisierten, auf Wolframstromzuleitungen befestigten Elektrodenträgern aus Wolfram bestehen, wurden mit den Grundstoffen für ein elektronenemittierendes Material nach der
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Erfindung versehen. Dies erfolgte mit Hilfe einer Suspension von YpO7, BaCO7 und CaCO7 im Molarverhältnis von 1 : 1 : 1 in einem Suspensionsmedium, das aus Butylazetat besteht, in dem eine geringe Nitrozellulosemenge gelöst ist. Die Elektrodenträger wurden in diese Suspension getaucht und nach dem Trocknen an der Außenseite von überflüssigein Material durch Bürsten gereinigt. Darauf wurden die Elektroden in einer reduzierenden Atmosphäre auf 18000C erhitzt, wobei sich das Emittermaterial bildet. Die auf diese Weise erhaltenen Elektroden wurden in die Lampenhüllen eingebracht und die Lampen dann auf übliche Yfeise fertiggestellt. Von diesen Lampen wurden fünf in Hellglas-Außenkolben angeordnet. Die übrigen fünf Lampen wurden in je einem Glasaußenkolben montiert, der an der Innenseite mit einer roten Leuchtstoffschicht bedeckt war (mit Europium aktiviertem Yttriumvanadatphosphatborat). Messungen an diesem Lampen über die ersten 4000 Brennstunden sind in der Tabelle 1 verzeichnet. In der Tabelle sind die Zündspannung (V^) in Volt, der Lichtstrom (L) in Lra/V/ und die Lampenspannung (V-^ ) in Volt zu verschiedenen. Zeitpunkten während der Lebensdauer für die Lampen ohne Leuchtschicht in der Spalte Ia (hell) und für die Lampen mit Leuchtschicht in der Spalte Ib (bedeckt) angegeben. Die angegebenen Meßwerte sind Mittelwerte für 5 Lampen. Die Tabelle gibt weiter vergleichsweise die Meßwerte von Bezugslampen unter Ref (hell) und Ref (bedeckt). Die Bezugslanipen sind auf gleiche V/eise wie die erfindungsgemäßen Lampen hergestellt, allerdings mit einer bekannten Suspension von Ausgangsstoffen für den Emitter, die ThO2, BaCO, und CaCO7 in einem Molarverhältnis von 1:1:1 enthielt.
BeJSpJeI-II
Analog der Beschreibung für Beispiel I wurden fünf Hochdruckquecksilbei^ampfentladungslampen, jetzt jedoch vom 125 Watt Typ, hergestellt. Vielter wurde für diese Lampen eine Suspension von Ausgangsstoffen für den Emitter angewandt, die Y?07, BaCO7 und CaCO-, in einem Molarver-hältriio 1:2:2 enthielt.
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Die Lampen wurden in einem mit Leuchtstoff bedeckten Außenkolben angeordnet. Messungen an diesen Lampen zu verschiedenen Zeitpunkten für den ersten Teil der Lebensdauer (Mittelwert von 5 Lampen) sind in der Tabelle 2 unter II (bedeckt) zusammengefaßt. Vergleichsweise sind unter Ref (bedeckt) wiederum die Meßdaten von Lampen erwähnt, die mit der im Beispiel I angegebenen bekannten Emittersuspension erhalten worden sind, im übrigen den erfindungsgemäßen Lampen völlig gleich sind.
Beispiel III
Analog der Beschreibung für Beispiel I wurden fünf 125 W-Lampen hergestellt. Die bei diesen Lampen benutzte Suspension von Ausgangsstoffen für den Emitter enthielt Y^ oEun ^1Ox, BaCO-z und CaCO^ in einem Molarverhältnis von 1:1:1.
Die Lampen wurden in einem hellen Außenkolben angeordnet. Messungen an diesen Lampen sind in der Tabelle 2 unter III (hell) verzeichnet. Messungen an Bezugslampen (gleich den erfindungsgemäßen Lampen, jedoch mit dem bekannten Emitter) sind unter Ref (hell) erwähnt.
ORIGINAL INSPECTS*
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1 Messung : a b e 1 1 e 1 Ref Ref
Brenn Ia Ib hell bedeckt
stunden Vign (V) hell bedeckt 130 130
O L(Lm/W) 127 132 54,1 59,4
Vla (V) 53,6 59,4 135 135
Vign (V) 137 137 132 137
100 L (Lm/iSO 132 132 53,4 57,5
Via (V) 53,2 57,2 139 138
vign (ν) 139 •138 138 137
1000 L (Lm/W) 133 135 52,1 54,1
Vla (V) 52,0 54,1 140 138
Vign (V) 139 139 147 148
4000 L (Lm/W) 140 143 51,1 50,0
Vla (V) 50,6 51,3 137 140
139 140
Tabelle
Brenn
stunden
Messung II
bedeckt
Ref
bedeckt
III
hell
Ref
hell
100 Vign (V)
L (Lm/W)
Via (V)
127
49,6
120
137
49,0
121
132
45,4
116
137
44,1
122
1000 Vign (V)
L (Lm/W)
Via (V)
133
45,6
118
147
47,2
122
137
44,0
114
143
43,5
124
3000 Vign (V)
L (Lm/W)
Vla (V)
137
44,2
118
145
46,1
121
147
41,5
117
147
43,4
122
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- 12 ORIGINAL INSPECTED

Claims (6)

  1. Patentansprüche:
    M.y Hochdruckgasentladungslampe mit einer strahlendurchlässigen Hülle, die Elektroden und ein ionisierbares Medium enthält, in dem die Entladung aufrechterhalten wird, wobei mindestens eine der Elektroden aus einem Träger aus hochschmelzendem Metall mit einem elektronenemittierenden Material besteht, das ein Erdalkalimetall und mindestens eines der Metalle Wolfram und Molybdän enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronenemittierende Material im wesentlichen aus mindestens einer oxydischen Verbindung besteht, die mindestens eines der Seltenen Erdoxyde, Erdalkalioxyd in einer Menge von 0,66 bis zu 4 Mol pro Mol Seltenes Erdoxyd und mindestens eines der Oxyde von Wolfram und Molybdän in einer Menge von 0,25 bis zu 0,40 Mol pro Mol Erdalkalioxyd enthält, wobei das Erdalkalioxyd zu mindestens 25 Mol % aus Bariumoxyd besteht.
  2. 2. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierende Material mindestens eines der Oxyde von Yttrium, Cer und Lanthan und Erdalkalioxyd in einer Menge von 1,5 bis zu 3 Mol pro Mol Seltenes Erdoxyd enthält.
  3. 3. Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierende Material Yttriumoxyd und weiter nahezu äquimolare Bariumoxydmengen einerseits und Strontiumoxyd- und/oder Kalziumoxydmengen andererseits enthält.
  4. 4. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das ionisierbare Medium Quecksilber und ein Edelgas enthält.
  5. 5. Hochdrucknatriumdampfentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der das ionisierbare Medium Natrium} Quecksilber und ein Edelgas enthält.
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  6. 6. Verfahren zum Herstellen einer Hochdruckgasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3» 4 oder 5, bei der ein Elektrodenträger aus Wolfram mit einer Suspension versehen wird, die die Grundstoffe für das elektronenemittierende Material enthält, wonach der Elektrodenträger einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wonach der Elektrodenträger in einer Lampenhülle angeordnet und die Lampenhülle mit einem ionisierbaren Medium versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension als Grundstoffe von 20 bis 60 Mol % mindestens eines der Seltenen Erdoxyde von 40 bis 80 Mol % Erdalkalikarbonat, wobei mindestens 25 Mol % des Karbonates Bariumkarbonat ist, und bis zu 10 Mol % Wolfram enthält, und daß der Elektrodenträger auf eine Temperatur von 1500 bis 2100 C in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt wird.
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    609^83 / Π 3 0 Λ
    Leerseite
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