DE69920171T2

DE69920171T2 - Entladungslampe

Info

Publication number: DE69920171T2
Application number: DE69920171T
Authority: DE
Inventors: K. Peter BACHMANN; Bernd Rausenberger; Howard Wilson; Albrecht Kraus; Norbert Braun
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1999-11-17
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2019-11-18
Also published as: DE69920171D1; CN1289449A; EP1051736A1; EP1051736B1; US6534919B1; WO2000033351A1; JP2002531921A

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe, ausgerüstet mit einem ein Gas enthaltenden gasdichten Entladungsgefäß und mit Elektroden, wobei zumindest eine der genannten Elektroden umfasst

– einen ersten Teil, der zum Anschluss an einen Pol einer Speisespannungsquelle geeignet ist und der im Betrieb mit der Entladung in der Entladungslampe kapazitiv gekoppelt ist,
– einen aus einem ersten dielektrischen Material gebildeten zweiten Teil, wobei dieser zweite Teil mit dem ersten Teil verbunden ist und im Betrieb der Entladungslampe in Kontakt mit der Entladung steht.

Eine derartige Entladungslampe ist aus US 2.624.858 bekannt. Bei der bekannten Entladungslampe wird der erste Teil beider Elektroden aus Metall oder abgeschiedenem Graphit gebildet. Der zweite Teil der Elektroden ist relativ dick und die Dielektrizitätskonstante M des ersten dielektrischen Materials ist höher als 100. Beim Betrieb der Lampe ist die Betriebsspannung, die an den ersten Teil der ersten Elektrode und den ersten Teil einer zweiten Elektrode angelegt wird, mittels des zweiten Teils der ersten Elektrode und des zweiten Teils der zweiten Elektrode kapazitiv mit der Entladung gekoppelt. Beide Elektroden bilden während des Betriebs der Lampe kapazitive Widerstände. Diese kapazitiven Widerstände machen die Strom/Spannungskennlinie der Entladungslampe positiv, sodass ein separates externes Vorschaltgerätelement entfallen kann. Da die Dielektrizitätskonstante M des ersten dielektrischen Materials höher als 100 ist, sind die kapazitiven Widerstände beider Elektroden relativ niedrig, sodass die Lampe bei relativ niedrigen Frequenzen (z.B. kleiner als 500 kHz) betrieben werden kann. Ein wichtiger Nachteil der bekannten Entladungslampe ist jedoch, dass praktisch jedes Material, dass eine hohe Dielektrizitätskonstante hat, auch eine relativ hohe Elektronenaffinität hat. Wegen dieser hohen Elektronenaffinität haften Elektronen relativ stark an der Oberfläche der zweiten Teile der Elektroden. Dies führt zu einer relativ hohen Lampenspannung, einer entsprechend gerin gen Lichtausbeute der Lampe und auch zu Schwärzung der Wandung des Entladungsgefäß in der Nähe der Elektroden.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Entladungslampe mit relativ hoher Lichtausbeute und einer relativ geringen Schwärzung des Entladungsgefäßes zu verschaffen, die im Betrieb kapazitiv mit einer Speisespannungsquelle gekoppelt ist und die mit niederfrequenter Speisespannung (kleiner als 500 kHz) betrieben werden kann.
Eine Entladungslampe der eingangs erwähnten Art ist daher gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenaffinität des ersten dielektrischen Materials negativ ist.
Es hat sich gezeigt, dass die negative Elektronenaffinität des ersten dielektrischen Materials bewirkt, dass die Lichtausbeute einer erfindungsgemäßen Entladungslampe relativ hoch ist. In der Praxis ist die Dielektrizitätskonstante des ersten dielektrischen Materials sehr häufig relativ niedrig, z.B. niedriger als 10. Um die kapazitiven Widerstände der Elektroden akzeptabel niedrig zu halten, ist es häufig notwendig, die Dicke des dielektrischen Materials in Richtung des Lampenstroms relativ klein zu wählen, d.h. kleiner als 100 μm, während die besten Ergebnisse mit Dicken kleiner als 1 μm erhalten worden sind. Sehr gute Ergebnisse sind für erfindungsgemäße Entladungslampen erhalten worden, bei denen das erste dielektrische Material aus der durch Diamant, AlN, AlGaN und BN gebildeten Gruppe gewählt ist.
Da in der Praxis der zweite Teil der Elektrode relativ dünn ist, ist es häufig wünschenswert, elektrische Isolierung des ersten Elektrodenteils von der Entladung zu realisieren, indem ein dritter Teil verwendet wird, der aus einem zweiten dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante M höher als 100 und vorzugsweise höher als 1000 besteht, wobei der dritte Teil der Elektrode zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil liegt und in Kontakt mit sowohl dem ersten Teil als auch dem zweiten Teil der Elektrode steht.
Vorzugsweise umfasst der erste Teil einer Elektrode in einer erfindungsgemäßen Entladungslampe eine ebene metallische Schicht, während der zweite Teil ein Plättchen aus dem ersten dielektrischen Material parallel zu der ebenen metallischen Schicht umfasst. Falls die Elektrode einen dritten Teil umfasst, kann dieser dritte Teil bequem reali siert werden, sofern er Plättchen aus dem zweiten dielektrischen Material parallel zum ersten und zweiten Teil der Elektrode umfasst.
Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass es wünschenswert ist, wenn die Elektrode einen Träger umfasst, um der Elektrodenkonstruktion mechanische Festigkeit zu geben, wobei der genannte Träger parallel zum zweiten Elektrodenteil steht. Der Träger kann ein gesonderter Teil der Elektrode sein, aber es ist auch möglich, dass der Träger vom ersten Elektrodenteil gebildet wird.
Falls die Elektrode einen dritten Teil umfasst, kann der Träger auch von diesem dritten Teil gebildet werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. 1 der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Entladungslampe und
2 zeigt eine schematische Darstellung von drei alternativen Elektrodenkonfigurationen, die in einer erfindungsgemäßen Entladungslampe verwendet werden können.
In 1 ist 1 eine Entladungsröhre, die ein Gas enthält. 5, 7 und 4 bilden zusammen eine Elektrode und sind ein erster, zweiter bzw. dritter Teil dieser Elektrode. 3 sind Kontakte zum Anschluss an die Pole einer Speisespannungsquelle. Die Kontakte 3 sind mit den ersten Teilen jeweiliger Elektroden verbunden. 2 gibt den von den Elektroden und dem Entladungsgefäß umschlossenen Raum an, wo beim Betrieb der Entladungslampe die Entladung herrscht. 7 gibt einen gasdichten Verschluss zwischen den Elektroden und der Entladungsröhre an. In dieser Ausführungsform bilden die Elektroden, die Entladungsröhre und die Abdichtungen zwischen der Entladungsröhre und den Elektroden zusammen ein gasdichtes Entladungsgefäß.
Die Elektroden wurden folgendermaßen hergestellt. Ein Plättchen aus Glas (Corning 7059) wurde mittels Aufdampfung mit einer Schicht aus Titan mit einer Dicke von ungefähr 100 nm bedeckt. Das Glasplättchen einschließlich der Titanschicht wurde 30 Minuten lang bei einer Temperatur von 600 °C in einer reduzierenden Atmosphäre behandelt. Während dieser Behandlung erfolgt Diffusion von Titan in das Glas, was zu einer elektrisch leitfähigen und mechanisch stabilen Titanschicht führt. Als Nächstes wurde die Titanschicht mit Diamantpulver geschliffen, um Diamantteilchen in die Oberfläche der Ti tanschicht einzubringen. Das Plättchen wurde dann mittels eines bei einer Temperatur von 650 °C und einem Druck von 15 Torr ausgeführten Mikowellen-CVD-Prozesses mit einer Diamantschicht bedeckt. Die Leistung der Mikrowellen betrug 800 Watt und es wurde eine Gasmischung verwendet, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthielt. Die Dicke des Diamantplättchen betrug ungefähr 300 nm und es war H-terminiert, was bedeutet, dass seine Oberfläche mit Wasserstoff bedeckt war. Indem eine Maske verwendet wurde, wurde realisiert, dass der Durchmesser der Diamantschicht geringfügig größer war als der Innendurchmesser der Entladungsröhre. Die Titanschicht und die Diamantschicht wurden mit der Entladungsröhre 1 gasdicht verbunden, indem ein bleihaltiges Glas bei einer Temperatur von ungefähr 650 °C verwendet wurde. Das Lampengefäß wurde evakuiert und mit 5 mg Quecksilber und 3 mbar Argon gefüllt. In den in dieser Entladungslampe verwendeten Elektroden bildet die Titanschicht einen ersten Teil, die Diamantschicht einen zweiten Teil und das Glas einen Träger der Elektrode. Mit Hilfe von UV-Photoelektronenspektroskopie wurde für die mit Wasserstoff bedeckte Diamantschicht eine Elektronenaffinität von ungefähr – 1 eV ermittelt.
In allen drei Elektrodenkonfigurationen 1, 2 und 3 in 2 ist A ein erster Elektrodenteil, der eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material wie z.B. einem Metall ist. C ist ein zweiter Teil der Elektrode, der aus einem ersten dielektrischen Material gebildet wird. Der Teil C ist mit dem Teil A verbunden und der Teil C steht im Betrieb der Lampe mit der Entladung in Kontakt. In allen Ausführungsformen ist W die Wandung des gasdichten Entladungsgefäßes. In den Ausführungsformen 1 und 3 ist der zweite Elektrodenteil C direkt mit dem ersten Elektrodenteil A verbunden. In Ausführungsform 2 bildet B einen dritten Elektrodenteil, der aus einem zweiten dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante M höher als 100 und vorzugsweise höher als 1000 gebildet ist, wobei der dritte Teil der Elektrode zwischen dem ersten Teil A und dem zweiten Teil C liegt und in Kontakt mit sowohl dem ersten Teil A als auch dem zweiten Teil C der Elektrode steht. In Ausführungsform 3 ist B ein aus einem dielektrischen Material gebildeter Träger, der in Kontakt mit dem ersten Teil A der Elektrode steht. Die Elektrodenkonstruktion in Ausführungsform 3 von 2 ist derjenigen von 1 sehr ähnlich. Während des Lampenbetriebs sind die Pole einer Speisespannungsquelle elektrisch mit dem ersten Teil A der Elektrode verbunden.

Claims

Entladungslampe, ausgerüstet mit einem ein Gas enthaltenden gasdichten Entladungsgefäß und mit Elektroden, wobei zumindest eine der genannten Elektroden umfasst – einen ersten Teil (5, A), der zum Anschluss an einen Pol (3) einer Speisespannungsquelle geeignet ist und der im Betrieb mit der Entladung in der Entladungslampe kapazitiv gekoppelt ist, – einen aus einem ersten dielektrischen Material gebildeten zweiten Teil (6, C), wobei dieser zweite Teil mit dem ersten Teil verbunden ist und im Betrieb der Entladungslampe in Kontakt mit der Entladung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenaffinität des ersten dielektrischen Materials negativ ist.
Entladungslampe nach Anspruch 1, bei der der erste Teil (5, A) eine ebene Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material, vorzugsweise einem Metall, und der zweite Teil ein Plättchen aus dem ersten dielektrischen Material parallel zu der ebenen metallischen Schicht umfasst.
Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Dicke des zweiten Teils in Richtung des Lampenstroms kleiner als 100 μm ist, vorzugsweise kleiner als 1 μm.
Entladungslampe nach Anspruch 1, bei der die Elektrode einen dritten Teil (B) umfasst, der aus einem zweiten dielektrischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante M höher als 100 und vorzugsweise höher als 1000 besteht, wobei der dritte Teil der Elektrode zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil liegt und in Kontakt mit sowohl dem ersten Teil als auch dem zweiten Teil der Elektrode steht.
Entladungslampe nach Anspruch 2 und 4, bei der der dritte Teil parallel zum ersten und zweiten Teil der Elektrode ein Plättchen aus dem zweiten dielektrischen Material umfasst.
Entladungslampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste dielektrische Material aus der durch Diamant, AlN, AlGaN und BN gebildeten Gruppe gewählt ist.
Entladungslampe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, in der die Elektrode einen Träger (4) umfasst, um der Elektrodenkonstruktion mechanische Festigkeit zu geben, wobei der genannte Träger parallel zum zweiten Elektrodenteil steht.
Entladungslampe nach Anspruch 7, bei der der Träger durch den ersten Elektrodenteil gebildet wird.
Entladungslampe nach Anspruch 4 und 7, bei der der Träger durch den dritten Elektrodenteil gebildet wird.