DE2626700C2 - Hochdruckgasentladungslampe und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Hochdruckgasentladungslampe und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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- H—ELECTRICITY
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Description
45
Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Hochdruck-Entladungslampe, die aus einem Träger aus
hochschmelzendem Metall mit einem elektronenemittierenden Material besteht, das mindestens eine
oxydische Verbindung enthält, die mindestens ein Erdalkalioxid und mindestens ein Oxid von Wolfram
und Molybdän aufweist. Der Träger kann aus Wolfram, Molybdän oder Tantal bestehen.
In Gasentladungslampen werden im allgemeinen thermionisch emittierende Elektroden angewandt, die
aus einem Träger aas hochschmelzendem Metall bestehen, der mit einem elektronenemittierenden
Material versehen ist. Dieses Material, auch Emitter genannt, emittiert Elektronen leichter als das Material
des Trägers selbst. Die Anwendung eines Emitters bietet die Vorteile einer niedrigeren Zündspannung der
Lampe und geringerer Elektrodenverluste im Betrieb der Lampe.
Allgemein bekannte Emitier sind Bariumoxid und Mischungen von Bariumoxid mit Strontiumoxid und/
oder Kalziumoxid. Diese Emitter werden häufig in Niederdruck-Entladungslampen angewende·.. In Hoch
druck-Entladungslampen sind sie jedoch nicht anwendbar, weil sie durch den in diesen Lampen auftretenden
kräftigeren lonenbeschuß zerstäuben und durch die hohe Betriebstemperatur der Elektrode in diesen
Lampen in hohem Maße verdampfen. Für die Anwendung in Niederdruck-Entladungslampen sind
ferner Emitter auf Basis von Zirkonoxid bekannt (GB-PS 4 72 648), denen geringe Mengen von Yttriumoxid oder Seltenen Erdoxiden und ,gegebenenfalls
Thoriumoxid und Erdalkalioxid zugesetzt wurden sind.
Diese Emitter erweisen sich jedoch in Hochdruck-Entladungslampen nicht erfolgreich.
Bekannte, für Hochdruck-Entladungslampen geeignete Emitter (US-PS 37 08 710) sind Erdalkaliwolframate der Formel MejWOe, wobei Me Barium oder
Mischungen aus Barium mit anderen Erdalkalimetallen darstellt und geringe Abweichungen von der Stöchiometrie dieser Formel möglich sind. Besonders vorteilhafte Eigenschaften besitzen die Stoffe mit der Struktur
von BaiCaWOs. Diese Wolframate, die zwar eine
gewünschte niedrige Zündspannung der Lampe ergeben, besitzen aber weniger gute Emissionseigenschaften
im Betrieb der Lampe. Um diese zu verbessern, werden
diese Wolframatemttter in der Praxis zusammen mit Thoriumoxid benutzt, von dem bekannt ist, daß es ein
ausgezeichneter Emitter bei hoher Temperatur ist Im allgemeinen enthält der Emitter dabei 1 bis 2 Mol ThO2
pro Mol Wolframat Mit Molybdaten analog den oben beschriebenen Wolframaten, nämlich Verbindungen der
Formel Me3MoOe, können vergleichbare Emissionseigenschaften erhalten werden. Optimale Emissionseigenschaften im Betrieb der Lampe werden wiederum bei
Anwendung dieser Molybdate in Verbindung mit Thoriumoxid erreicht
In Hochdruck-Entladungslampen, die mit einem besonders aggressiven Gas gefüllt sind, beispielsweise
Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen, die neben Quecksilber ein oder mehrere Metallhalogenide
enthalten, können Emitter, die Erdalkalioxid- oder Erdalkaliverbindungen enthalten, nicht angewandt werden, weil diese Emitter von öen Halogenen oder
Halogeniden angegriffen werden. Bei derartigen Lampen ist man daher auf den Gebrauch von Thoriumoxid
als Emitter angewiesen. Die NL-OS 69 03692 beschreibt weiter den Gebrauch Seltener Erdoxide als
Emitter in derartigen Lampen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Lampen erst bei verhältnismäßig
hohen Spannungen zünden.
Emittierende Werkstoffe, die Thorium oder Thoriunioxid enthalten, haben den Nachteil, daß sie radioaktiv
sind, so daß ihre Anwendung und Verarbeitung viele medizinische und milieuhygienische Schwierigkeiten
mit sich bringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode für eine Hochdruck-Entladungslampe mit
einem emittierenden Material zu schaffen, das die gleichen vorteilhaften Zündeigenschaften wie die
Erdalkaliwolframat- oder Molybdatemitter liefert. Dabei sind die Emissionseigenschaften im Betrieb der
Lampe zu verbessern, wobei die Verwendung von Thorium oder Thoriumoxid vermieden wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Elektrode eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß
die oxydische Verbindung weiter mindestens eines der Oxide der Seltenen Erden enthält und die Erdalkalioxide
in einer Menge von 0,66 bis 4 Mol pro Mol Oxid der Seltenen Erden und die Oxide von Wolfram und
Molybdän in einer Menge von 0,25 bis 0,40 Mol pro Mol
Erdalkalioxid vorhanden sind, wobei das Erdalkalioxid zumindest 25 Mol-% aus Bariumoxid besteht.
Unter den Seltenen Erden seien hier Yttrium und die
Elemente mit der Atomnummer von 57 (Lanthan) bis 71 (Lutetium) verstanden,
Versuche haben ergeben, daß mit einem erfindungsgemäßen emittierenden Material bei Anwendung in
Hochdruck-EiHladungslampen nahezu die gleichen vorteilhaften Emissionseigenschaften wie mit den
bekannten Erdalkaliwolframat und Thoriumoxid enthaltenden Emittern ei reicht werden. Ein großer Vorteil der
erfindungsgemäßen Elektroden ist, daß sie keine radioaktiven Stoffe enthalten. Es wurde gefunden, daß
Lampen mit erfindungsgemäßen Elektroden auch im Dunkeln gut zünden, was wegen Fehlens eines
radioaktiven Stoffes im Emitter nicht zu erwarten war. Das Erdalkalioxid und das Wolfram- und/oder
Molybdänoxid können — wenigstens zum größten Teil — als eine oder mehrere der oxidischen Verbindungen
Me3(W, Mo)O6 vorhanden sein, wobei Me die Erdalkalimetalle Barium, Kalzium und Strontium darstellt und
mindestens 25 MoI-% von Me Barium ist. Die Seltenen
Erdoxide kennen als solche oder in Form einer oxidischen Verbindung vorhanden sein.
Bevorzugt werden erfindungsgemäße Elektroden mit einer oxidischen Verbindung, die mindestens eines der
Oxide von Yttrium, Cer und Lanthan enthält, und wobei
das Erdalkalioxid in einer Menge von 1,5 bis zu 3 MoI pro Mol der Seltenen Erdoxide vorhanden ist Mit
diesen Zusammensetzungen werden gute Emissionseigenschaften und eine große Beständigkeit des Emitters
unter Betriebsbedingungen in der Lampe erhalten.
Die besten Ergebnisse werden mit einer oxydischen Verbindung erreicht, die Yttriumoxid enthält, und wobei
das Erdalkalioxid (in einer Menge von 1,5 bis 3 Mol pro Mol Y2O3) aus nahezu äquimolaren Mengen an BaO
einerseits und SrO und/oder CaO andererseits besteht. Die emittierenden Materialien für die erfindungsgemäßen Elektroden können auf verschiedene Weise
erhalten werden. Es ist beispielsweise möglich, den Emitter mit Hilfe einer Feststoffreaktion aus einer
Mischung von Ausgangsstoffen bei hoher Temperatur zu bilden. Ein vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen
einer Elektrode, bei dem der Träger aus Wolfram mit einer Suspension versehen wird, weiche die Grundstoffe
für das elektronenemittierende Material enthält, wonach der Träger einer Wärmebehandlung unterworfen
wird, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension als Grundstoffe 20 bis 60 Mol-%
mindestens eines der Oxide der Seltenen Erden, 40 bis 80 Mol-% Erdalkalikarbonat, wovon mindestens 25
Mol-% Bariumkarbonat is»t, und bis zu 10 Mol-% Wolfram enthält und daß der Träger auf eine
Temperatur von 1500 bis 21000C in einer inerten oder
reduzierenden Atmosphäre erhitzt wird.
Die Suspension der Grundstoffe (beispielsweise in Butylazetat, in dem Nitrozellulose als Binder gelöst ist)
braucht bei diesem Verfahren kein Wolfram zu enthalten. Das für die Bildung von Wolframat
erforderliche Wolfram wird bei diesem Verfahren eo vollständig oder teilweise vom Elektrodenträger während der Wärmebehandlung geliefert. Die Elektrode
kann auf die oben beschriebene Weise vollständig fertiggestellt und darauf in den Lampenkolben gebracht
werden. Weiter ist es möglich, den Elektrodenträger mit der erwähnten Suspension zu versehen, wonach die
Elektrode in den Lampenkolben eingebaut wird und die Wärmebehandlung der Elektrode in der Lampe erfolgt.
Pie Erfindung wird nachstehend anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele und
einer Anzahl von Messungen näher erläutert Es zeigt
Fi g, 1 schematisch eine Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe,
F i g. 2 im Schnitt eine Hochdrucknatriumdampfentladungslampe und
F i g, 3 in vergrößertem Maßstab einen Schnitt durch die Elektrode der Lampe nach F i g, 1,
Die Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe
nach F i g. 1 hat einen Quarzglaskolben 1, der an beiden Enden durch Quetschungen 2 und 3 abgeschlossen ist.
Mit Hilfe von Molybdänfolien 4 und 5 sind die Stromzuleitungen 6 und 7 aus Wolfram vakuumdicht in
den Kolben 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 elektronenemittierenden Material versehen (in dieser Figur nicht sichtbar). Im Kolben 1 befindet sich
ein ionisierbares Medium, das aus Quecksilber und einer
geringen Menge eines oder mehrerer Edelgase als Zündgas besteht. In der Nähe der Eletorode 8 befindet
sich weiter eine Hilfselektrode 10, die aus einem gleichfalls mittels einer Molybdänfolie vakuumdicht
herausgeführten Wolframdraht besteht Die Hilfselektrode 10 ist außerhalb der Lampe über einen
Widerstand mit der Elektrode 9 (nicht in der Zeichnung dargestellt) elektrisch verbunden. In den meisten Fällen
wird die in F i g. 1 dargestellte Lampe in einem Außenkolben untergebracht, dessen Innenwand mit
einer Leuchtstoffschicht versehen sein kann.
Fig.2 zeigt eine Hochdrucknatriumdampfentladungslampe mit einem Kolben 11 aus dicht gesintertem
Aluminiumoxyd, Niobröhrchen 12 und 13, die mit einem Schmelzglas in Endteile des Kolbens 11 vakuumdicht
eingeschmolzen sind, dienen als Stromzuleitungen für die Elektrodenträger 14 und 15. Diese Elektrodenträger
bestehen aus Wolframwendeln und sind mit einem elektronenemittierenden Material versehen. Die Träger
14 und 15 sind an Wolframstiften befestigt die selbst wieder mit den Röhrchen 12 und 13 verbunden sind. Im
Kolbe α 11 ist als ionisierbares Medium Quecksilber und
Natrium und weiter eine geringe Edelgasmenge als Zündgas vorhanden. Auch diese Lampe wird in der
Praxis meist in einem Außenkolben angeordnet (in der Zeichnung nicht dargestellt).
F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die Elektroden 8 und 9 nach F i g. 1. Die Stromzuleitung ist mit 16 bezeichnet.
Der Elektrodenträger ist eine doppelgewickelte Wendel, 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.
Es wurden zehn Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen der anhand der F i g. 1 beschriebenen Art
mit einer Leistungsaufnahme von 400 Watt hergestellt. Die Elektroden diese' Lampen, die aus wendeiförmigen,
auf Wolframstromzuleitungen befestigten Elektrodenträgern aus Wolfram bestehen, wurden mit den
Grundstoffen für ein elektronenemittierer.df s Material
nach der Erfindung versehen. Dies erfolgte mit Hilfe einer Suspension von Y2O3, BaCOi und CaCO3 im
Molarverhaltiiis von I . ' : I in einem Siispensionsme.üum, das aus Butylazetat besteht, in dem eine geringe
Nitrozelliilosemenge gelöst ist. Die Eleklrodenträger
wurden indiese Suspension getaucht und nach dem Trocknen an der Außenseite von überflüssigem
Material durch Bürsten gereinigt. Darauf wurden die Elektroden in einer reduzierenden Atmosphäre auf
1800T erhitzt, wobei sich das Emittermaterial bildet. Die auf diese Weise erhaltenen Elektroden wurden in
die Lampenkolben eingebracht und die Lampen dann auf übliche Weise 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 rot emittierenden Leuchtstoffschicht bedeckt war (mit
Europium aktiviertem Yttriumvanadatphosphatborat). Messungen an diesen Lampen über die ersten 4000
Brennstunden sind in der Tabelle I verzeichnet. In der Tabelle sind die Zündspannung (V111n) in Volt, der
Lichtstrom (L)\n Lm/W und die Lampenspannung (Vi1)
in Volt zu verschiedenen Zeitpunkten während der Lebensdauer für die Lampen ohne Leuchtstoffschicht in
der Spalte la (hell) und für die Lampen mit Leuchtstoffschicht 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 Bezugslampen sind auf gleiche Weise wie
die Lampen mit den Elektroden nach der Erfindung hergestellt, allerdings mit einer bekannten Suspension
von Ausgangsstoffen für den Emitter, die ThOj. BaCOj
und CaCOj in einem Molarverhältnis von 1:1:1 μ
enthielt.
Analog der Beschreibung für Beispiel I wurden fünf Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen, jetzt
jedoch vom 125-Watt-Typ, hergestellt. Weiter wurde für diese Lampen eine Suspension von Ausgangsstoffen
für den Emitter angewandt, die Y^Oi. BaCOi und CaCO1
in einem Molarverhältnis 1:2:2 enthielt.
Die Lampen wurden in einem mit Leuchtstoff bedeckten Außenkolben angeordnet. Messungen an
diesen Lampen zu verschiedenen Zeitpunk'en für den ersten Teil der Lebensdauer (Mittelwert von 5 Lampen)
sind in der Tabelle 2 unter Il (bedeckt) zusammengefaßt. Vergleichsweise .ind unter Ref (bedeckt) wiederum die
Meßdaten von Lampen erwähnt, die mit der im Beispiel I angegebenen bekannten Emittersuspension erhalten
worden sind, im übrigen den Lampen mit den Elektroden nach der Erfindung völlig gleich sind.
Analog der Beschreibung für Beispiel i wurden fünf 125-W-Lampen hergestellt. Die bei diesen Lampen
benutzte Suspension von Ausgangsstoffen für den Emitter enthielt YiqEuoiOj. BaCOi und CaCO1 in einem
Molarverhältnis von I : 1 : I.
Die Lampen wurden in einem hellen Außenkolben angeordnet. Messungen an diesen Lampen sind in der
Tabelle 2 unter III (hell) verzeichnet. Messungen an Bezupslampen (gleich den Lampen mit den Elektroden
nach der Erfindung, jedoch mit dem bekannten Emitter)
sind unter Ref (hell) erwähnt.
Brennstunden
Messung
Ia hell Ib bedeckt
Ref hell
Ref
bedeckt
100
1000
4000
| y,gn (V) | 127 | 132 | 130 |
| L (Lm/W) | 53,6 | 59,4 | 54,1 |
| V1. (V) | 137 | 137 | 135 |
| Vitn (V) | 132 | 132 | 132 |
| L (Lm/W) | 53,2 | 57,2 | 53,4 |
| V1. (V) | 139 | 138 | 139 |
| **» (y) | 133 | 135 | 138 |
| L (Lm/W) | 52,0 | 54,1 | 52,1 |
| Ki. (V) | 139 | 139 | 140 |
| K*. (V) | 140 | 143 | 147 |
| L(LmAV) | 50,6 | 51,3 | 51,1 |
| V,. (V) | 139 | 140 | 137 |
130
59,4
135
59,4
135
137
57,5
138
57,5
138
137
54,1
138
54,1
138
148
50,0
140
50,0
140
| Tabelle 2 | Messung | II bedeckt | Ref bedeckt | ΙΠ hell | Ref hell |
| Brennstunden | V*. (V) L(LmAV) K,. (V) |
127 49.6 120 |
137 49,0 121 |
132 45,4 116 |
137 44,1 122 |
| 100 | |||||
| F-oitset/ung | Km (V) | Il hcdcckt | kcl hcdcckl | III hell | RoI hell | ■'ι |
| Hrcnmiunden | L (Lm/W) | 133 | 147 | 137 | 143 | |
| 1000 | V,. (V) | 45,6 | 47,2 | 44,0 | 43,5 | ¥ |
| Km (V) | 118 | 122 | 114 | 124 | ||
| ί. (Lm/W) | 137 | 145 | 147 | 147 | ||
| 3000 | V1. (V) | 44,2 | 46,1 | 41,5 | 43,4 | |
| 118 | 121 | 117 | 122 | |||
| Hierzu l Blatt Zeichnungen | ||||||
230 266/143
Claims (4)
1. Elektrode fttr eine Hochdruck-Entladungslampe, die aus einem Träger aus hochschmelzendem
Metall mit einem elektronenemittierenden Material besteht, das mindestens eine oxydische Verbindung
enthält, die mindestens ein Erdalkalioxid und mindestens ein Oxid von Wolfram und Molybdän
aufweist,dadurch gekennzeichnet,daß die to
oxydische Verbindung weiter mindestens eines der Oxide der Seltenen Erden enthält und die Erdalkalioxide in einer Menge von 0,66 bis 4 Mol pro Mol
Oxid der Seltenen Erden und die Oxide von Wolfram und Molybdän in einer Menge von 0,25 bis 0,40 MoI
pro Moi Erdalkalioxid vorhanden sind, wobei das Erdalkalioxid zumindest 25 Mol-% aus Bariumoxid
besteht.
2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydische Verbindung mindestens
eines der Oxide von Yttrium, Cer und Lanthan und ErdalkaJioxid in einer Menge von 1,5 bis zu 3 Mol
pro Mol Seltenes Erdoxid enthält
3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oxydische Verbindung Yttriumoxid
und weiter nahezu äquimolare Bariumoxidmengen einerseits und Strontiumoxid- und/oder Kalziumoxidmengen andererseits enthält
4. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Träger aus
Wolfram mit einer Suspension versehen wird, welche die Grundstoffe für das elektronenemittierende Material enthält, wonach der Träger einer
Wärmebehandlung untervwfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension als Grundstoffe 20
bis 60 Mol-% mindestens lines der Oxide der Seltenen Erden, 40 bis 80 Mol-% Erdalkalikarbonat,
wovon mindestens 25 Mol-% Bariumkarbonat ist, und bis zu 10 Mol-% Wolfram enthält und daß der
Träger auf eine Temperatur von 1500 bis 2100° C in *o
einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt wird.
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