DE60217237T2

DE60217237T2 - Kathodenbeschichtung für thermionische Kathoden in Entladungslampen

Info

Publication number: DE60217237T2
Application number: DE60217237T
Authority: DE
Inventors: John-W. Danvers Shaffer
Original assignee: Osram Sylvania Inc
Current assignee: Osram Sylvania Inc
Priority date: 2001-08-27
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: US6603250B2; CA2390675A1; US20030048058A1; KR20030019090A; JP4681202B2; JP2003151490A; DE60217237D1; TW586134B; EP1288997B1; EP1288997A1; CN1407579A

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft elektronenemittierende Beschichtungen für Glühkathoden. Sie betrifft insbesondere solche Kathoden für Bogenentladungslampen. Sie betrifft zudem insbesondere solche Beschichtungen mit einer herabgesetzten Austrittsarbeit und somit herabgesetzten Lampenstarrspannungen und erhöhter Lampenlichtausbeute.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Glühkathoden werden als die Elektronenquelle in vielen Anwendungen verwendet, einschließlich Bogenentladungslichtquellen wie etwa Fluoreszenzlampen. Seit vielen Jahren haben diese Kathoden ein emittierendes Material verwendet, das auf eine Wolfram- oder ähnliche Wendel aufgebracht ist, die erhitzt wird, indem ein elektrischer Strom dort hindurch geschickt wird. Das emittierende Material ist als die Carbonate von Barium, Calcium, Strontium und gelegentlich Zirkoniumoxid aufgebracht worden, siehe beispielsweise US-A 2,963,450. Dieses Material wird danach während der Lampenbearbeitung einer thermischen Zersetzung unterzogen, wobei die Carbonate in die jeweiligen Oxide zerlegt werden.
Die Lebensdauer einer Fluoreszenzlampe wird in erster Linie durch die Verdampfungslebensdauer der Kathodenbeschichtung bestimmt. Der Dampfdruck von Bariumoxid als Funktion der Temperatur wird von der folgenden Gleichung beschrieben: log₁₀P_mm = (19.700/T) + 8,87, wobei T die Temperatur in Kelvin ist. Da die Verdampfungsrate eine derart stark temperaturabhängige Funktion ist, können sogar recht moderate Änderungen. bei der Kathodenarbeitstemperatur einen tiefgehenden Effekt auf die Lampenlebensdauer haben.
Es würde einen Fortschritt im Stand der Technik darstellen, wenn dieses emittierende Material so geändert werden könnte, daß man eine noch niedrigere Austrittsarbeit erhält, was im Fall von Fluoreszenzlampen zu einer niedrigeren Lampenentladungsspannung mit einer damit einhergehenden Erhöhung der Lampenlichtausbeute, reduzierter Kathodenhotspottemperatur, einer Reduktion bei der Lampenstartspannung und einer verlängerten Lebensdauer führen würde.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Operation von Glühkathoden zu verbessern.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine verbesserte Fluoreszenzlampe.
Diese Aufgaben werden in einem Aspekt der Erfindung durch die Bereitstellung einer elektronenemittierenden Beschichtung für eine Glühkathode gelöst, die die Oxide von Barium, Calcium, Strontium und wahlweise Zirkonium und eine effektive Menge an Siliziumcarbid zum Erhöhen des Elektronenemissionsvermögens der Beschichtung gegenüber der der gleichen Beschichtung ohne das Siliziumcarbid umfaßt.
Diese Aufgaben werden weiter durch die Bereitstellung einer Glühkathode gelöst, die eine Wolframwendel und eine elektronenemittierende Beschichtung auf der Wolframwendel umfaßt. Die Beschichtung umfaßt die Oxide von Barium, Calcium, Strontium und wahlweise Zirkonium und eine effektive Menge an Siliziumcarbid zum Erhöhen des Elektronenemissionsvermögens der Beschichtung gegenüber der der gleichen Beschichtung ohne das Siliziumcarbid.
Die Aufgaben werden noch weiterhin gelöst durch die Bereitstellung einer Bogenentladungslampe, die folgendes umfaßt: einen evakuierten, für elektromagnetische Energie durchlässigen Kolben; ein einen Bogen erzeugendes und aufrechterhaltendes Medium innerhalb des Kolbens und mindestens eine elektronenemittierende Glühkathode innerhalb des Kolbens, wobei die Kathode eine elektronenemittierende Beschichtung darauf aufweist, die Siliziumcarbid enthält.
Die Verwendung der hier beschriebenen Erfindung führt zu einer Reduzierung der Austrittsarbeit, einem Herabsetzen von Kathodenspannungen und einer längeren Lebensdauer für Lampen, in der sie eingesetzt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die einzelne Figur ist eine schematische Darstellung einer Fluoreszenzlampe, teilweise im Schnitt, die die Erfindung verwendet.
BESTE WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung zusammen mit anderen und weiteren Aufgaben, Vorteilen und Fähigkeiten davon wird auf die folgende Offenbarung und beigefügten Ansprüche in Verbindung mit der oben beschriebenen Zeichnung Bezug genommen.
Nun ausführlicher auf die Zeichnung eingehend wird in der Figur eine Fluoreszenzlampe mit einem evakuierten, für elektromagnetische Energie durchlässigen Kolben 1 gezeigt. Unter elektromagnetischer Energie wird Strahlung in den sichtbaren oder unsichtbaren Teilen des Spektrums verstanden, und sie beinhaltet ohne Einschränkung Ultraviolettstrahlung. Eine Leuchtstoffbeschichtung 2 kann auf der inneren Oberfläche des Kolbens vorgesehen sein. Ein Elektrodenfuß 3 dichtet die Enden des Kolbens ab. Der Elektrodenfuß umfaßt die Aufweitung 4 und die Fußdruckdichtung (Fußquetschungsdichtung) 5, durch die sich die Zuleitungsdrähte 6 und 7 erstrecken. Er enthält außerdem den Pumpstengel 8. Die Elektrodenwendel 9, die bevorzugt aus Wolfram besteht, ist mit der Oxidpaste der Erfindung beschichtet. Elementares Quecksilber oder ein Amalgam und eine geeignete Atmosphäre sind innerhalb des Kolbens vorgesehen, um einen Bogen zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, wenn die Lampe in Betrieb ist, wie in der Technik bekannt ist.
Im allgemeinen wird die emittierende Beschichtung der Erfindung hergestellt, indem eine Suspension aus den gemischten Carbonaten von Barium, Calcium und Strontium zusammen mit Zirkoniumdioxid hergestellt wird. Die Materialien werden in einer Essigsäureamylester-Trägersubstanz zusammen mit Cellulosetrinitrat als Bindemittel gemahlen. Die so ausgebildete Kathodenbeschichtungssuspension wird dann auf Wolframwendeln aufgebracht.
Bei einer bestimmten Ausführungsform wurde die Beschichtungssuspension auf die Wolframwendeln von 13-Watt-Doppelröhren-Fluoreszenzlampen aufgebracht. Das mittlere getrocknete Beschichtungsgewicht betrug 1,50 mg. Nachdem sie einer thermischen Zersetzung während der Lampenverarbeitung unterzogen worden sind, werden die Carbonate in die jeweiligen Oxide zerlegt. Die Zusammensetzung der endgültigen resultierenden emittierenden Oxidbeschichtung betrug in Gewichtsprozent Bariumoxid 48,1, Strontiumoxid 38,36, Calciumoxid 6,86 und Zirkoniumoxid 6,77.
Testlampen wurden hergestellt, indem eine Menge der oben beschriebenen Beschichtungssuspension genommen und einem pulverförmigen Siliziumcarbid mit einer betakristallographischen Struktur und mit einer Teilchengröße von 1 μm zugesetzt wurde. Die zugesetzte SiC-Menge war derart, daß sie 10 Vol.-% der endgültigen Oxidbeschichtung umfaßte. Die Testlampen und die Kontrollampen wurden identisch und am gleichen Tag verarbeitet. Die durchschnittliche getrocknete Beschichtung auf den Testlampen betrug 1,36 mg.
Die Test- und Kontrollampen wurde 20 Stunden lang auf einem Standardlebensdauergestell betrieben und dann mit einem Photometer ausgemessen. Wenngleich die Testgröße gering war, zeigte sich, daß die Unterschiede bei Lampenspannung und Lichtausbeute bei dem 95-%-Vertrauensniveau gemäß dem standardmäßigen Student-t-Test statistisch signifikant waren. Die Ergebnisse sind in TABELLE I gezeigt.
TABELLE I
"STUNDE NULL"-Lampenentladungsspannungstest
Unter Verwendung der gleichen modifizierten und unmodifizierten Kathodenbeschichtungssuspensionen, wie sie für den Test in Tabelle I verwendet wurden, wurden zusätzliche Test- und Kontrollampen von dem 13-Watt-Doppelröhrentyp hergestellt. Die durchschnittlichen getrockneten Beschichtungsgewichte für diese Testlampen betrugen jeweils Kontrolle 2,6 mg und Test 2,5 mg.
Nach der Verarbeitung wurden die Lampen zum Verteilen des Quecksilbers einige Minuten lang in einen 120°C-Ofen gesetzt. Dann wurde die Lampenentladungsspannung nach einer Minute Betrieb an einem magnetischen 60-Hertz-Sofortstartvorschaltgerät gemessen. Selbst bei der geringen Testgröße zeigte ein Student-t-Test, daß die Ergebnisse statistisch signifikant sind mit einer geschätzten Fehlerwahrscheinlichkeit von unter 0,001. Diese Ergebnisse sind in TABELLE II gezeigt.
TABELLE II
"STUNDE NULL"-Lampenstartspannungstest
Die Startspannung der oben in TABELLE II gezeigten Testlampen wurde bei 60 Hz unter Verwendung des von einem Variac angesteuerten magnetischen Sofortstartvorschaltgeräts gemessen. Die zum Einleiten einer Entladung in der Lampe erforderliche Mindestspannung wurde gemessen, während die Eingangsspannung zu dem Vorschaltgerät langsam hochgefahren wurde. Auch hier wurde gezeigt, daß die Ergebnisse mit einer geschätzten Fehlerwahrscheinlichkeit von unter 0,001 statistisch signifikant waren. Die Ergebnisse sind in TABELLE III gezeigt.
TABELLE III
Um den Effekt unterschiedlicher Konzentrationen an Siliziumcarbid in der Kathodenbeschichtung auszuwerten, wurden mehrere modifizierte Testchargen mit den in TABELLE IV gezeigten Zusätzen an Siliziumcarbid hergestellt.
TABELLE IV
Die Zusammensetzung der Kontrollkathodenbeschichtung in Gewichtsprozent der Oxide nach der Zersetzung betrug etwa 57,5 Bariumoxid, 28,5 Strontiumoxid, 15,0 Calciumoxid und 5,0 Zirkoniumdioxid. Der nichtflüchtige Gehalt der Kontrollsuspension betrug 66 Prozent.
Die sowohl für den Test als auch die Kontrolle verwendeten Lampen waren von Sylvania erhältliche 26-Watt-Dulux-D/E-Lampen und wurden aus der in TABELLE IV aufgeführten Suspension hergestellt. Die Lampen wurden auf einem Lebensdauertestgestell betrieben, und fünf von jeder Gruppe wurden bei 100 Stunden und 200 Stunden wie in TABELLE V gezeigt mit einem Photometer ausgemessen.
TABELLE V
Statistische ANOVA-Einwegeanalysen der Testgruppenergebnisse relativ zu der Kontrollgruppe wurden beim Niveau 0,05 durchgeführt. Jene Testergebnisse, die bei dem Niveau 0,05 eine statistische Signifikanz zeigten, wurden mit einem Sternchen bezeichnet. Diese Ergebnisse bei diesen Testgruppierungen zeigen einen klaren Vorteil von dem Zusatz von Siliziumcarbid zu der Kathodenbeschichtung.
Kathodenhotspottemperaturtest Nr. 1
Zusätzliche Test- und Kontrollampen vom gleichen Typ wie oben (d.h. 26-Watt-Dulux-D/E) wurden zum gleichen Zeitpunkt unter Verwendung der in TABELLE V gezeigten Suspensionen hergestellt. Diese letzteren Lampen wurden mit einem klaren leuchtstoff freien Bereich an den Lampenenden hergestellt, um eine Beobachtung der Kathode beim Betrieb zu gestatten. Sie wurden dann 300 Stunden lang auf einem Lebensdauertestgestell betrieben. Die Temperatur des Hotspots an jeder Kathode wurde dann mit einem MicroOptical Pyrometer gemessen, während die Lampen von einem magnetischen Vorschaltgerät bei 60 Hz angesteuert wurden. Die Identität der Testgruppenkathodenbeschichtungen ist identisch zu der des in TABELLE V gezeigten vorausgegangenen Tests. Die Signifikanz der Kathodenhotspottemperatur gegenüber der der Kontrollgruppe wie durch die Einwege-ANOVA gezeigt, ist wieder durch Sternchen gezeigt. Die Gruppen 1 und 3 sind beim Niveau 0,05 signifikant; Gruppe 5 beim Niveau 0,001 und Gruppe 6 beim Niveau 0,02. Wieder zeigt sich trotz der verwendeten kleinen Testgruppen eine hohe statistische Signifikanz. Diese Ergebnisse sind in TABELLE VI gezeigt.
TABELLE VI
Kathodenhotspottest Nr. 2
Der zweite Kathodenhotspottest wurde mit ähnlichen 26-Watt-Dulux-D/E-Lampen durchgeführt; es wurden andere Wolframwendeln sowie Argonpuffergasdrücke von 4,5 und 3,0 torr verwendet. Die Kathodenbeschichtungen mit dazwischenliegenden Konzentrationen an Siliziumcarbid, d.h. Chargen 2 und 6, wurden mit der Kontrollbeschichtung Nr. 4 verglichen. Nach 150 Betriebsstunden wurden die Hotspottemperaturen wie oben gemessen. Die geringe Testgruppengröße und die resultierenden vergleichsweise großen Standardabweichungen in diesem Test führten dazu, daß nur eine der Siliziumcarbidgruppen nach ANOVA eine Signifikanz bei dem Niveau 0,05 zeigte. Die Ergebnisse sind in TABELLE VII gezeigt.
TABELLE VII
Diese Testergebnisse zeigen, daß der Zusatz von Siliziumcarbid zu den Mischoxidkathodenbeschichtungen bei Aufbringen auf Niederdruckentladungseinrichtungen wie etwa Fluoreszenzlampen Vorzüge hinsichtlich reduzierter Hotspottemperaturen bietet, die sich in vergrößerter Lampenlebensdauer und einer offensichtlich herabgesetzten Kathodenabfallspannung äußern, die die Lampenlichtausbeute erhöht.
Zudem hat es sich gezeigt, daß die reduzierte Austrittsarbeit eine Anwendbarkeit auf alle Formen von Glühkathoden aufweist, wodurch diese Einrichtungen eine längere Lebensdauer erhalten.
Der optimale Prozentsatz an Siliziumcarbid zur Verwendung in Kathodenbeschichtungen wird mit großer Wahrscheinlichkeit von einer Anwendung zur anderen variieren. Es wird jedoch erwartet, daß meßbare Vorzüge sich aus einem oder einigen wenigen Gewichtsprozent bis zu 40% oder höher auf der Basis des Endgewichts der vorliegenden Oxide ergeben.
Somit wird durch die vorliegende Erfindung ein neues emittierendes Kathodenmaterial, neue Kathoden und neue Bogenentladungslampen, speziell Fluoreszenzlampen, bereitgestellt.
Wenngleich die Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, die gegenwärtig als bevorzugt angesehen werden, versteht der Fachmann, daß daran zahlreiche Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung wie durch die beigefügten Ansprüche definiert abzuweichen.

Claims

Elektronenemittierende Beschichtung, die die Oxide von Barium, Calcium, Strontium und Zirkonium und eine effektive Menge an Siliziumcarbid zum Erhöhen des Elektronenemissionsvermögens der Beschichtung gegenüber der der gleichen Beschichtung ohne das Siliziumcarbid umfaßt.
Elektronenemittierende Beschichtung nach Anspruch 1, wobei die Oxide von Barium, Calcium, Strontium und Zirkonium ein erstes Material bilden, das etwa 48,1 Gew.-% Bariumoxid, etwa 6,86 Gew.-% Calciumoxid, etwa 38,36 Gew.-% Strontiumoxid und etwa 6,77 Gew.-% Zirkoniumoxid umfaßt und das Siliziumcarbid etwa 10 Vol.-% des ersten Materials umfaßt.
Glühkathode, die folgendes umfaßt: eine elektronenemittierende Beschichtung, die die Oxide von Barium, Calcium, Strontium und Zirkonium und eine effektive Menge an Siliziumcarbid zum Erhöhen des Elektronenemissionsvermögens der Beschichtung gegenüber der der gleichen Beschichtung ohne das Siliziumcarbid umfaßt.
Glühkathode nach Anspruch 3, weiterhin umfassend eine Wolframwendel (9), wobei sich die elektronenemittierende Beschichtung auf der Wolframwendel befindet.
Bogenentladungslampe, die folgendes umfaßt: einen evakuierten, für elektromagnetische Energie durchlässigen Kolben (1); ein einen Bogen erzeugendes und aufrechterhaltendes Medium innerhalb des Kolbens und mindestens eine Glühkathode innerhalb des Kolbens, wobei die Kathode eine Kathode nach Anspruch 4 ist.
Bogenentladungslampe nach Anspruch 5, wobei die Lampe eine Fluoreszenzlampe ist.