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VERFAHREN ZUR VERMINDERUNG VON ALKALIVERLUSTEN DER
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ALKALIHALOGENID enthaltenden METALLHALOGENIDLAMPEN Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Verminderung von Alkaliverlusten der Alkalihalogenid
enthaltenden Metallhalogenidlampen, wobei ein Entladungsgefäß in der Metallhalogenidlampe
mit einem Uberzug zur Verminderung der Alkaliverluste versehen wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren sichert eine beaeutende Verminderung der Alkaliverluste von Natriumhalogenid
enthaltenden Metallhalogenidlampen, wobei aber die Verluste von anderen alkalischen
Metallen auch bedeutend vermindert werden können.
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Die Metallhalogenidlampen enthalten ein Entladungsgefäß, das aus
einem das Licht durchlassenden, hohe Wärmebeständigkeit besitzenden Material, vorzugsweise
aus Quarz hergestellt wird, elektrode zur Zufuhr des elektrischen Stroms, die
im
Entladungsgefäß eingelötet sind, Tragdrähte und andere bekannte Elemente, wobei
der Innenraum des Entladungsgefäßes mit einem Alkalihalogenid und insbesondere Natriumhalogenid
enthaltenden Gas erfüllt ist. Das Entladungsgefäß wird in einer äußeren Glocke angeordnet,
die mit einem Gas gefullt und zum Vakuum abgesaugt wird.
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Es ist bekannt, daß die Lebensdauer und die Farbenbeständigkeit der
Metallhalogenidlampen in bedeutendem Maße durch die Alkaliverluste des allgemein
aus Quarz hergestellten Entladungsgefäßes der Lampe beeinflußt wird. Als Folge vieler
Standpunkte entstand die Praxis der Anwendung von Natriumhalogenid zur Füllung des
Entladungsgefäßes, da der Verlust des Natriumhalogenids einen noch annehmbaren Wert
annimmt. Obwohl die Anuendung von Lithiumhalogeniden aus mehreren Standpunkten günstiger
sein wurde, bewirkt der kleine Iondurchmesser, daß der Verlust des Lithiums bedeutende
Werte annimmt.
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Die Alkaliverluste können'durch verschiedene Mechanismen erläutert
werden. Nach einer und in der Literatur als wichtigste benannten Erläuterung wird
die äußere Oberfläche des Entladungsgefäßes durch aus den in der Glocke der Lampe
angeordneten äußeren Elementen ausgestrahlte Photoelektronen erreicht, die elektrolytisch
leiten die Ionen des Natriums /und noch menr des Lithiums/ durch den Stoff des Entladungsgefäßes,
d.h. den Quarz lassen. hindurch. Die die Oberfläche des Entladungsgefäßes erreichenden
Ionen werden durch die Photoelektronen neutralisiert und die neutralen Atome als
Teilchen eines Dampfes verlassen die Oberfläche.
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Falls als Ladungsträger lediglich Elektronen auftreten,
bildet
der Quarz einen ausgezeichneten Isolator. Jedoch werden die Ladungen auch durch
die Natriumionen getragen, vermindert sich seine Isolationseffektivität, da die
Natriumionen im Quarz mit hoher Beweglichkeit versehen sind. Statt Quarz kann hartes
Glas oder Aluminiumoxid /als Saphir/ angewendet werden zur Begrenzung der obengenannten
Möglichkeit, jedoch sind diese Stofe entweder relativ sehr kostspielig oder bedeutend
gasdurchlässig.
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Die Verminderung der Alkaliverluste wurde schon mehrmals Di als Ziel
gesetzt. /US-PS 4 171 498 beschreibt eine Lösung, degemäß ein aus Quarz oder Hartglas
hergestelltes Rohr auf die inneren Bestandteile der Lape oder auf ihre niit dem
Entladungsgefäß benachbarten Teile . aufgezogen wird. DE-OS 16 39 084 enthält den
Vorschlag, zum selben Zweck ein aus Aluminiumoxid hergestelltes Rohr anzuwenden.
Diese Lösungen können nur bei manchen Bestandteilen effektiv sein, und bei kompliziertem
Aufbau, insbesondere im Falle der Anwendung einer Zündungselektrode ist die Benutzung
der Rohren praktisch nicht annehmbar. Bei Serienerzeugung von Lampen bewirkt das
Aufziehen der Ronre technologische Schwierigkeiten.
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In der US-PS 4 047 067 wird eine andere Lösung offenbart, nähmlich
die Anwendung eines aus Aluminiumoxid oder aus Aluminiumsilikat bestehenden Überzugs
auf der äußeren Oberfläche der des Entladungsgefäßes. Bei /US-PS 3 988 628 wurde
das selbe Problem durch Anwendung von Titanverbindungen bei Ausbildung des Überzugs
gelöst. Die vorgeschlagenen Überzüge könnten die Anforderungen nur teilweise erfüllen,
da auf der Oberfläche des Quarzes die Uberzuge bei hoher Arbeitstemperatur des Entladungs-
gefäßes
praktisch immer Spalten aufweisen. Die benötigte Dicke der Schicht wirft auch Probleme
auf. der Wie es aus /DE-OS 2 049 731 folgt, kann alile aus Siliziumnitrid auf der
inneren Oberfläche des Entladungsgefäßes hergestellte Schicht zweckmäßig sein, da
sie den Schutz des StolÏes, insbesondere des Quarzes des Entladungsgefäßes gegen
die Einwirkungen des verschmutzten Lichtbogens oder des Lichtbogens der nicht wohl
zugesetzten Entladungslampe gewährleistet. Die erwhhnten Lichtbogen neigen zur Einengung
und demzufolge zur Ausoiegung: der ausgebotene Lichtbogen bewirkt bei der Wand eine
hohe termische Belestung des Entladungsgefäßes oder einige Dissotiationsprodukte
können die Gasentladungsstrecke verlassen und die Wand angreifen. Das Siliziumnitrid
wird in Form einer Suspension auf die innere Wand des Entladungsgefäßes auebracht
und mit Wärmebehandlung befestigt. Die genannte uS enthalt keine Informationen darüber,
auf solche Weise die Siliziumnitridschicht auf weiteren Bestandteilen der Metallhalogenidlampe
und insbesondern auf der Kathode hergestellt werden soll. Zur Beschichtung der inneren
Oberfläche des Entladungsgefäßes wird die Methode des Niederschlags aus Dampf vorgeschlagen,
jedoch dauert die derartige Herstellung der Schicht zumindest 30 stunden, was in
der Massenerzeugung keineswegs annehmbar sein kann.
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Der Erf-ndung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem des Älkaliverlustes
bei den Metallhalogenidlenpen noch weiter zu vermindern, unter Sicherung der die
erforderlichen optischen Eigenschaften der Lampen.
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Die Erfindung beruht auf der aus der Halbleitertechnik wohl bekannten
Erkenntnis, daß das Siliziumnitrid eine elektrisch
wohl isolierende
Schicht bildet, die auch bei relativ hohen Temperaturen stabil verbleibt. Die Beweglichkeit
der Natriumionen in dem Siliziamnitrid ist klein, und die Schicht ist relativ leicht
herstellbar nicht nur auf der Oberfläche des Quarzes sondern auch auf metallischen
Bestandteilen, Das Wesen der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Siliziumnitridschicht
nicht im Innenraum, sondern auf der äußeren Oberfläche des Entladungsgefäßes herzustellen
ist, noch vor der Absaugung der Lampe.
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Die Dicke des Uberzuges beträgt vorzugsweise zwischen 30 und 200 nm.
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Es kann zweckmäßig sein, die metallischen Bestandteile vor der Herstellung
der Silizimnitridschicht mit einem Glasprekursor oder mit Aluminiumoxid zu beschichten.
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Die aus Siliziumnitrid bestehende Schicht kann aus der Dampfphase
leicht hergestellt werden und sichert eine so bedeutende Verminderung der Alkaliverluste,
daß sogar die Anwendung von Litnium ermöglicht wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiter anhand beispielhafter
Ausführungen
., mit Hinweise auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es Zeigt i'ig. 1
das Schema einer Hochdruck-Metallhalogenidlampe, und Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt
der Hochdruck-Eetallhalogenldlampe.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei der Erzeugung von Metallhalogenidlampen
/Fig. 1/ verwirklicht. Im Innenraum der Lampe ist ein Entladungsgefäß 3 angeordnet,
das mit einer äußeren Glocke 4 umgeben wird. Die Lampe wird mittels eines Kopfes
5 gespeist.
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Von dem Kopf 5 werden Tragdrähte zum Entladungsgefäß 3 geführt, die
als Stromzufuhr des Entladungsgefäßes 3 dienen. Das Entlsdungsgefäß 3 wird von einer
Seite mit einer in einer Haspe 9 angegriE.enen und mit einem Band 8 gefangenen Kathode,
und von der anderen Seite mit einer anderen Haspe 9 und mit einer oberen Stütze
10 gestützt. Die Kathode ist mit einem Zündungswiderstand 11 und einem Bimetall
14 verbunden und ein Getter 12 wird im Innenraum der Lampe angeordnet, Es kann zweckmäßig
sein eine wärmereflektierende Schicht 15 auf dem Entladungsgefäß 3 anzuordnen und
an den Tragdraht 6 und insbesondere an dessen bei dem Entladungsgefäß 3 liegenden
Teil ein Quarzroiir 13 ocier ein keramisches Rohr aufzuziehen J2ig. 2./.
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Bei Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Siliziumnitridscnicht
1 auf der äußeren Oberfläche des Entladungsgefäßes 3, des Halterdrahts 6, der in
der Haspe 9 angegriffenen Kathode, der das Entladungsgefäß 3 von außen haltendea
Haspe 9 und des Quarzrohrs 13 oder des keramischen Rohrs hergestellt. Auf den metallischen
Elementen kann eine aus Glasprekursor oder aus Aluminiumoxid hergestellte Schicht
2 vorhanden sein.
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Zur radikalen Verminderung der Alkaliverluste wäre es am meisten
zweckmäßig eine genügend dicke Siliziumnitridschicht 1 auf der Oberfläche des Entladungsgefäßes
3 auszubilden. Diese Schicht darf jedoch nicht hergestellt werden, da die Quarzoberfläche
zum Tragen von Schichten mit einer einige Hunderte nm ausmachenden Dicke nicht geeignet
ist: die Schicht bekommt bei hoher Temperatur des Quarzes Risse. Die so dicke Schicht
führt selbst zur Verschlechterung der optischen Eigenschaften und dieser Prozeß
wird mit demEntstehen der Risse noch weiter vertieft.
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Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei Temperaturen des Quarzes
die Durchschlagfestigkeit der inneren Bestandteile der Lampe den notwendigen, zumindest
300...600 V betragenden Wert nicht erreichen kann. Deswegen besteht die zweckmäßige
Lösung in Vorbereitung einer Schicht mit kleineren, von 3u bis zu 200 nm betragenden
Dicke auf dem Entladungsgefäß 3 und einer Isolierung auf den metallischen Bestandteilen.
Die beiden Schichten werden aus Siliziumnitrid hergestellt. Falls die Metallhalogenidlampe
derart aufgebaut wird, daß während ihrer Arbeit die Temperatur der metallischen
Bestandteile einen hohen sogar 500 0C überschreitenden Wert annimmt, wollen diese
Bestandteile allgemein aus Eisen, Nickel oaer olibdänhergestellt werden, bei den
die Anwendung vom Siliziumnii;rid.mit der Gefahr der Entstehung von Metallischen
begleitet wird. In diesem Falle könne es zweckmäßig sein, die Oberfläche der metallischen
Bestandteile zu oxidieren, oder mit einem Glasprekursor oder mit A1203 zu beschichten.
Auf den metallischen Bestandteilen sind die Siliziumnitridchichten mit benötigter
Dicke vorzubereiten, da bei diesen Teilen die optischen Forderungen keine Rolle
spielen. Die Vorbereitung und
Anwendung von Glasprekursoren wurde
in der Fachliteratur, z.B. DE-OS 29 31 062 oder US-PS 3 927 224 beschrieben.
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Falls die Metallhalogenidlampe in einer Umgebung von hoher Temperatur
angewendet wird, oder manche ihrer Bestandteile eine hohe Arbeitstemperatur aufweisen,
sollen die in der Nachbarschaft des £ntladungsgefäßes 3 angeordneten metallischen
Bestandteile intensid von der Temperatur geschützt werden. Zum Schutz kann zweckmäßig
ein Quarzrohr 13 oder ein keramisches Rohr angewendet werden, das von außen und
auf der inneren Oberfläche mit einer Siliziurnnitridschicht versehen wird. In diesem
Falle vergrößert sich die Durchschlagfestigkeit des Innerraums der Metallhalogenidlampe,
aa das Quarzrohr 13 oder das keramische Rohr werden des Vorhandenseins der Siliziumnitridschicht
1 den Weg der Natriumionen zum Stoff des Rohrssperrt und diese Ionen zu keinen Ladungsträgern
werden können.
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der Die Siliziumnitridschicht wird zweckmäßig aus Dampfphase abgesondert.
Das Herstellungaverfahren ist in der Halbleitertechnologie wohl bekannt.
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Beispiel 1 Zur Prüffung des Verfahrens werden je 10 Metallhalogenidlampen
in drei gruppen vorbereitet. Die Gas--füllung der Lampen enthält als Zusatzstoffe
NaJ, TlJ und InJ. Das Indium wird zweckmäßig iu metallischem und nicht in halogenisiertem
Zustand eingeführt.
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In erster Gruppe bekommen das Entladunusgefäß 3 und die benachbarten
Elemente keinen Schutz. In der zweiten Gruppe wird der Tragdraht 6 bei dem Entladungsgefäß
3 mit einem Quarzrohr 13 versehen In der dritten Gruppe wird aus Dampfphase eine
entspre-
chende Schicht aus Siliziumnitrid auf dem Entladungsgefäß
3 hergestellt, und der Tragäraht 6 mit einem getrockneten Glasprexursor gemäß der
DE-OS 29 31 062 beschichtet und nachdem mit Siliziumnitridschicht überzogen. Vor
der Montage werden uie Uberzuge der ditten Gruppe in den Schweißpunkten entfernt,
wird in der notwendigen Stelle das quarzrohr 13 eingezogen, wobei das Quarzrohr
13 dem Entladungsgefäß 3 ähnlich mit einer Siliziumnitridschicht versehen wird.
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Aus den vorigen Untersuchungen ist wohl bekannt, daß auf die Alkaliverluste
die Ein- und Ausschaltungen keine Wirkung machen, deswegen konnen die Lampen in
einem kontinuierlichen Betrieb kontrolliert werden. Die Bemessungen bewiesen, daß
die Lampen der ersten Gruppe hohe Alkaliverluste schon nach den ersten 500 Arbeitsstunden
zeigen, die Farbe der Lampe verändert sich in bedeutendem Maße, und falls im Raum
der Glocke 4 kein Getter 12 vorhanden ist, häuft sich das Hydrogen in einer relativ
großen Menge zusammen.
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In der zweiten Gruppe werden die Veränderungen lediglich nach 1500
bis 2000 Arbeitsstunden wichtig und in der dritten Gruppe lediglich nach etwa 6000
Arbeitsstunden. Falls die äußere Glocke mit einem entsprechenden Gas gefüllt wird,
vergrößern sich die erwähnten Zeitdauern mit etwa mindestens 50 %.
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Die Me tsllhal ogenidlampeu, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
hergestellt werden, zeigen eine bedeutende Ver...inderung der Alkaliverluste und
durdh Anwenaung des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Anwendung des Lithiums auch
ermöglicht.
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L e e r s e i t e