DE3041548A1

DE3041548A1 - Leuchtstoffroehren mit von einem kathodenschirm umgebenen kathoden

Info

Publication number: DE3041548A1
Application number: DE19803041548
Authority: DE
Inventors: Aake Dipl.-Ing. Karlskrona Björkman
Original assignee: Lumalampan AB
Current assignee: Auralight AB
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-11-04
Publication date: 1981-05-21
Also published as: FI68928C; FR2473785B1; NO812294L; GB2077033B; CH649653A5; CS250206B2; FI812128L; NO153946C; DK158177B; FI68928B; SE435332B; AU6570480A; BE886030A; FR2473785A1; SE7909213L; AU543221B2; YU283980A; HU181318B; ATA547480A; ES263202U

Description

Patentarwri:

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DARMSTADT

3.11.80 K

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Leuchtstoffröhren mit von einem Kathodenschirm umgebenen Kathoden

Die Erfindung betrifft eine Leuchtstoffröhre mit an den Enden eines länglichen Entladungsraumes fest angeordneten Kathoden, die von elektrisch isolierten Kathodenschirmen aus elektrisch leitendem Material umgeben sind.

Die Lebensdauer einer Leuchtstoffröhre, gemessen in Brennstunden, wird in der Hauptsache durch die Lebensdauer ihrer Kathoden bestimmt. Sobald die Kathoden einen gewissen Teil ihres aus Erdalkalienoxiden bestehenden Emissionsoxids verloren haben, nimmt ihre Fähigkeit zur Elektronenemission in einem solchen Maße ab, daß sich die Leuchtstoffröhre entweder nicht in Betrieb setzen läßt oder auch in eine "Blinkphase" gerät, bei der das restliche Emissionsoxid schnell zerstäubt wird.

Es ist bekannt, daß in den Mischkristallen des Emissionsoxids gelöstes überschüssiges Barium den Erdalkalienoxiden Halbleiter-Eigenschaften verleiht und die Austrittsarbeit der Elektronen vermindert. Dieses überschüssige Barium wird durch eine chemische Reaktion zwischen Bariumoxid und Wolfram nach folgender Formel gebildet:

6 BaO + W -* Ba₃WO₆ + 3 Ba

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Das entstandene Bariumwolframat bildet während der Lebensdauer der Kathoden eine Zwischenschicht zwischen dem Wolfram und dem eigentlichen Emissionsoxid, während Barium kontinuierlich dampfförmig durch das Oxid hindurchgeht.

Die Bariumwolframat-Schicht bewirkt eine Dämpfung der Reaktion nach obenstehender Formel, d.h. sie vermindert die Bildung von Barium. Die Folge davon ist, daß bei kontinuierlichem Brennen eine normale Leuchtstoffröhre erst nach etwa 30.000 Stunden das Barium restlos verdampft. Die Beanspruchungen der Kathoden beim Einschalten sind jedoch so hoch, daß die Lebensdauer bei normaler Anwendung der Leuchtstoffröhre um den Faktor 2-3 reduziert wird, d.h. um eine durchschnittliche Einschaltdauer von jeweils 2 bis 3 Stunden.

Der Verlust des als Emissionsstoff dienenden Kathodenmaterial und die damit verbundene Verkürzung der Lebensdauer werden grundsätzlich durch drei verschiedene Vorgänge verursacht, und zwar

1. Abtransport von Emissionsoxid infolge Beschüsses mit Ionen, besonders im Zusammenhang mit zu niedriger Kathodentemperatur;

2. Verdampfen des Emissionsoxids und

3. chemische Reaktionen zwischen dem Emissionsoxid und gasförmigen Verunreinigungen in der Leuchtstoffröhre.

Bei der Konstruktion einer Leuchtstoffröhre für außerordentlich lange Lebensdauer in Verbindung mit einer beachtlichen Anzahl von Zünd- und Löschvorgängen müssen diese drei Ursachen beachtet werden.

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Abtransport von Emissionsstoff infolge Beschüsses mit Ionen setzt grundsätzlich voraus, daß kein Atom, das die Kathodenoberfläche verläßt, jemals zur Kathode zurückkehrt. Das ist jedoch nur im Vakuum der Fall. In Wirklichkeit ist die Kathode in einer normalen Röhrenkonstruktion von einer Edelgasatmosphäre mit einem Druck von etwa 2,5 ' 10 Pa umgeben. Aus diesem Grund ist die freie, mittlere Bewegungsstrecke der von der Oberfläche losgelösten Atome und Moleküle bedeutend kürzer als die Entfernung zwischen der Kathode und der Röhrenwand. Daraus ergibt sich, daß viele von den losgelösten Atomen und Molekülen zurückgeworfen werden und wieder auf die Kathodenoberfläche fallen, was eine wesentliche Verminderung des StoffVerlustes bewirkt. Diese Verminderung ist jedoch unzulänglich, wenn es sich um Kathoden für langlebige Leuchtstoffröhren handelt.

Die Verdampfung des Emissionsoxids ist bei Dauerbetrieb relativ konstant, erfolgt aber mit gesteigerter Geschwindigkeit nach jeder Einschaltung und in den darauf folgenden Minuten, was auf die erhöhte Kathodentemperatur zurückzuführen ist.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Kathode für eine langlebige Leuchtstoffröhre so zu konstruieren, daß verdampfte Atome und Moleküle in großem Umfang auf die Kathodenoberfläche zurückgeworfen werden und auch die Kathodentemperatur während der Einschaltphase mäßig bleibt, um eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß der Kathodenschirm aus einer Dose besteht, die mit einer Scheibe aus elektrisch isolierendem Material verschlossen ist, die in der Mitte ein Loch von einem Durch-

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messer hat, der bei Einhaltung eines vorgegebenen Wertes der Einschaltspannung der Röhre so klein wie möglich gewählt ist, und deren Boden eine öffnung von einem Querschnitt hat, der mindestens ebenso groß wie der Querschnitt des Loches der Scheibe ist.

Mit einer Anordnung dieser Art wird eine stark gesteigerte Reflexion der von der Kathodenoberfläche sowohl durch Ionenbeschuß als auch durch Verdampfen losgelösten Atome und Moleküle auf diese Oberfläche erzielt.

Der Kathodenschirm besteht vorzugsweise aus Eisen oder Nickel. Die Scheibe, die aus einem Werkstoff bestehen muß, der bei Ionenbeschuß nicht zu Staub zerfällt, wird vorzugsweise aus Glimmer angefertigt.

Um die Schwärzung der Röhreninnenwand möglichst zu reduzieren, soll das Loch in der Scheibe einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen. Ein allzu kleiner Lochdurchmesser bewirkt jedoch, daß die Einschaltspannung der Leuchtstoffröhre in unerwünschter Weise ansteigt. Deshalb ist es besser, wenn das Loch in der Scheibe einen Durchmesser hat, der möglichst klein und unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderung gewählt wird, daß die Einschaltspannung der Röhre nicht über einen festgelegten Wert ansteigen darf. Bei einer normalen Leuchtstoffröhre von 38 mm Röhrendurchmesser hat sich ein Lochdurchmesser von 10 - 12 mm am besten bewährt.

Da unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem Emissionsoxid und gasförmigen Verunreinigungen in der Röhre die Lebensdauer der Röhre stark verkürzen können, ist es von größter Bedeutung, daß man bei der Herstellung der Röhre

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ein wirksames Pumpverfahren einsetzt, um alle Spuren von artfremden Gasen zu entfernen. Man weiß aus Erfahrung, daß der wirksamste Pumpvorgang in einem Pumpautomaten erzielt wird, in dem der Unterdruck bei hoher Hitze mit "internem Pumpen" kombiniert wird, das durch Eintropfen von Quecksilber in die heiße Leuchtstoffröhre zustande gebracht wird. Beim Auftreffen der Quecksilbertropfen auf die Innenwand der Leuchtstoffröhre werden sie wie bei einer Explosion verdampft und erzeugen eine Pumpwirkung durch Diffusion im Entladungsraum. Dabei werden Verunreinigungen äußerst effektiv abtransportiert. Eine Voraussetzung für die Entwicklung dieses Vorgangs in ausreichendem Umfang ist jedoch, daß der Kathodenschirm diesen geschilderten Pumpvorgang nicht behindert. Aus diesem Grund soll die öffnung am Boden des Kathodenschirms einen Querschnitt haben, der mindestens ebenso groß wie der des Loches in der Scheibe ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Hinweis auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen

Fig. 1 ein Ende einer Leuchtstoffröhre mit einer nach der Erfindung abgeschirmten Kathode;

Fig. 2a und 2b den dosenförmigen Kathodenschirm im Längsschnitt bzw. gegen den Boden gesehen;

Fig. 3 den Grundriß der Glimmerscheibe zum Abdecken

des dosenförmigen Kathodenschirms;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Einschaltspannung und des Schwärzungsgrades vom Lochdurchmesser der Glimmerscheibe darstellt.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch das eine Ende einer länglichen Leuchtstoffröhre in vergrößertem Maßstab gezeigt.

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Die Glaswand 1 der Röhre ist an ihrem Ende in herkömmlicher Weise mit einem Fuß 2 verschlossen, der zugleich als Träger der Kathodenstützen 4 für die gewendelte Kathode 3 der Röhre dient. Diese Stützen sind elektrisch leitend und mit den im Fuß 2 eingeschmolzenen Anschlußdrähten 5 verbunden, durch die Strom durch die Kathode 3 zu deren Erhitzung fließen kann. Die Kathode 3 umgibt ein Kathodenschirm 6, der vorzugsweise aus Eisen oder Nickel hergestellt wird. Der Schirm 6 wird von einer im Fuß 2 eingeschmolzenen Stütze 7 getragen und ist elektrisch von der Kathode 3 isoliert.

Wie Fig. 2a und 2b am deutlichsten erkennen lassen, hat der Kathodenschirm 6 die Form einer Dose, deren Boden mit einer länglichen Öffnung 8 zum Einsetzen der Kathodenwendel 3 und gewisser Teile der Kathodenstützen 4 versehen ist. Die offene Seite der Dose wird mit Hilfe einer Glimmerscheibe 9 verschlossen.

Wie Fig. 3 erkennen läßt, ist die Glimmerscheibe 9 mit einem Mittenloch 10, vorzugsweise von kreisrunder Form, versehen.

Für eine normale Leuchtstoffröhre von 38 mm Rohrdurchmesser hat die Dose eine Höhe von 13 mm und einen Durchmesser von 21 mm. Die Glimmerscheibe ist 0,10 bis 0,15 mm dick, und ihr Loch 10 hat einen Durchmesser von 10-12 mm. Kleinere Lochdurchmesser vermindern zwar die Schwärzung der Röhreninnenwand, steigern aber gleichzeitig die Einschaltspannung auf unzulässige Werte; größere Lochdurchmesser vermindern die Einschaltspannung nur noch unbedeutend, steigern aber die Schwärzung der Röhreninnenwand wesentlich. Das ist aus Fig. 4 ersichtlich, in der einerseits die Einschaltspannung U in Volt und andererseits der Schwärzungsgrad S in Abhängigkeit vom Durchmesser D^₀ des Loches 10 in mm angegeben ist.

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Es ist wichtig, daß die Lochscheibe 9 aus Glimmer oder einem anderen elektrisch nicht leitenden, keine Gase entwickelnden Werkstoff besteht. Wenn die Scheibe beispielsweise aus Eisen wäre, würde nämlich der Ionenbeschuß weiteres Zerstäubungsmaterial liefern und dadurch die Röhreninnenwand stärker schwärzen.

Die beschriebene Konstruktion bietet noch einen Vorteil, und zwar während der Halbperioden, in denen die Wendel 3 als Anode dient. Da die Entladung durch die mit einem Loch versehene Glimmerscheibe 9 hindurchgehen muß, entsteht eine starke Steigerung der Elektronendxchte in der Nähe der als Anode dienenden Wendel 3, wobei der Anodenfall reduziert wird. Das bewirkt eine niedrigere Kathodentemperatur und dadurch auch eine verminderte Verdampfungsgeschwindigkeit.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es wünschenswert, daß die Röhre mit Hilfe eines Pumpvorgangs evakuiert wird, bei dem der Unterdruck mit "internem Pumpen" durch Aufprallen von Quecksilbertropfen auf die heiße Röhre kombiniert wird. Ein solcher Tropfen ist schematisch bei 11 in Fig. dargestellt. Wenn der Tropfen Wand 1 und/oder Fuß 2 der erhitzten Leuchtstoffröhre trifft, wird er schlagartig verdampft, und der dabei entstehende Quecksilberdampf strömt schnell nach oben. Die Pfeile 12, 13 deuten schematisch die in diesem Zusammenhang wesentlichsten Strömungsbahnen des Dampfes an. Damit das an der Emissionsschicht vorhandene Kohlendioxid - entstanden durch Umwandlung von Karbonaten in Oxide r- wirksam mitgerissen wird, und damit das interne Pumpen eine starke Wirkung ausübt, darf der dem Pfeil 13 folgende Quecksilberdampf nicht durch die aus dem Kathodenschirm 6 und der Glimmerscheibe 9 bestehende Konstruktion gehindert werden. Aus diesem Grund soll der Lochdurchmesser

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der Glimmerscheibe 9 größer als 10 mm sein (gilt für Leuchtstoffröhren mit dem Röhrendurchmesser 38 mm). Außerdem muß die Bodenöffnung 8 des Kathodenschirms 6 einen Querschnitt haben, der mindestens ebenso groß wie der Lochquerschnitt der Glimmerscheibe 10 und vorzugsweise noch größer ist.

Die beschriebene Kathodenkonstruktion ergibt bei unveränderter normaler Brennzeit von 3 Stunden je Einschaltung eine 3-4fach längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmliehen Leuchtstoffröhren, wie Vergleichsmessungen gezeigt haben.

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Claims

Patentansprüche

Leuchtstoffröhre mit an den Enden eines länglichen Entladungsraumes fest angeordneten Kathoden, die von elektrisch isolierten Kathodenschirmen aus elektrisch leitendem Material umgeben ist, dadurch g e kennzeichnet, daß der Kathodenschirm aus • einer Dose (6) besteht, die mit einer Scheibe (9) aus elektrisch isolierendem Material verschlossen ist, die in der Mitte ein Loch (10) von einem Durchmesser hat, der bei Einhaltung eines vorgegebenen Wertes der Einschaltspannung der Röhre so klein wie möglich gewählt ist, und deren Boden eine Öffnung (8) von einem Querschnitt hat, der mindestens ebenso groß wie der Querschnitt des Loches (10) der Scheibe (9) ist.
2. Kathodeneinheit gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekenn.zeichnet, daß der Kathodenschirm

(6) aus Eisen oder Nickel besteht.
3. Kathodeneinheit gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (9) aus Glimmer besteht.

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