EP0116188B1 - Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckgasentladungslampenelektrode - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckgasentladungslampenelektrode Download PDF

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EP0116188B1
EP0116188B1 EP83201857A EP83201857A EP0116188B1 EP 0116188 B1 EP0116188 B1 EP 0116188B1 EP 83201857 A EP83201857 A EP 83201857A EP 83201857 A EP83201857 A EP 83201857A EP 0116188 B1 EP0116188 B1 EP 0116188B1
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EP
European Patent Office
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support
thickened part
laser
electrode
deposition
Prior art date
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Expired
Application number
EP83201857A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0116188A1 (de
Inventor
Horst Dr. Hübner
Hans Dr. Lydtin
Ludwig Dr. Rehder
Thomas Dr. Zaengel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Patentverwaltung GmbH
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Koninklijke Philips Electronics NV
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Filing date
Publication date
Application filed by Philips Patentverwaltung GmbH, Philips Gloeilampenfabrieken NV, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Patentverwaltung GmbH
Publication of EP0116188A1 publication Critical patent/EP0116188A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0116188B1 publication Critical patent/EP0116188B1/de
Expired legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02—Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022—Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
    • H01J61/06—Main electrodes
    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
    • H01J61/0732—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the construction of the electrode

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a high-pressure gas discharge lamp electrode, in which a thickening made of a high-melting metal, which optionally contains emitter material, is applied around an end of an elongate carrier consisting of a high-melting metal.
  • High-pressure gas discharge lamps consist of a gas-filled glass bulb in which two metal pins, the electrode pins, are arranged coaxially.
  • the actual light source is an arc that burns between the ends of the pins, the electrode tips. The electrodes are heated by the arc plasma.
  • Effective radiation cooling of the electrode tip can be achieved by enlarging the radiating surface, i.e. by thickening the electrode tip.
  • the volume and thus the heat capacity of the electrode tip is simultaneously increased, as a result of which the temperature of the electrode tip is stabilized over alternating voltage periods.
  • a larger surface area of the lamp bulb walls can also be guaranteed by increasing the radiant surface.
  • the thickening of the electrode tip enables curved but smooth electrode surfaces to be produced, as a result of which defined conditions can be created for the arc attachment points.
  • the electrodes usually consist of a lead-through pin or a foil / pin combination with a thickening of heavy metal, usually tungsten, adapted to the lamp structure at the tip of the electrode.
  • the thickening referred to there as the “electrode head”
  • the thickening is produced by compression molding and sintering tungsten powder, a metal carbide powder and a binder. During sintering, it is attached to a tungsten pencil as a carrier by shrinking and, after sintering, heated until it at least partially melts and takes the desired shape.
  • the electrode produced in this way has the shape of a lobe, that is to say an elongated object with a thicker end.
  • An electrode with a drop-shaped thickening or with a cap or tip thickening towards the end of the electrode is shown in FIG. 5 of DE-A-2 524 768.
  • the object of the invention is to mass-produce the electrode structures mentioned, both different material transitions and combinations as well as optimal shapes being achieved.
  • the thickening consists of a layer which is produced by reactive deposition from the gas phase.
  • the carrier e.g. a metal pin or lead wire, preferably consists of one of the metals niobium, molybdenum or tungsten and the applied thickening, e.g. a cap or crest, preferably made of tungsten.
  • the carrier for. B. a metal pin or lead wire, before applying the thickening, e.g. B. a cap or crest, provided with the same method with a protective layer against corrosion, preferably made of tantalum.
  • the thickening on a rotationally symmetrical carrier e.g. on a round pin.
  • a flat elongate support e.g. B. attached to a film strip.
  • the CVD process is controlled in such a way that a rotationally symmetrical, for example spherical, hemispherical or teardrop-shaped thickening is produced.
  • a rotationally symmetrical for example spherical, hemispherical or teardrop-shaped thickening.
  • an electrode structure for high-pressure gas discharge lamps is e.g. manufactured in that a cap or cap made of refractory metal that thickens towards the electrode end is applied to a fine feed wire by controlled deposition from the gas phase (CVD process).
  • CVD process gas phase
  • the layers produced with such processes have an extraordinarily high adhesion to the base substrate, are highly pure and almost reach the theoretical density of the corresponding elements.
  • Most CVD processes are based on a metastable reactive gas mixture, which only reacts on the surface of the substrate to be coated, which is brought to a higher temperature, so that the desired substance separates out. In the case of well-studied tungsten deposition, this process can be done through the gross reaction to be discribed.
  • the structure and the homogeneity of the deposited layers depend crucially on the parameters pressure, temperature and substrate surface. If a substrate with deep indentations or pores is to be coated uniformly over the entire surface, the pressure and temperature must be chosen so low that there is also a uniform deposition in the pores or indentations.
  • the separation preferably takes place at the entrance of the pores, but hardly at the bottom of the pores (vd Brekel, Philips Res. Repts. Part I, 32 (1977) 118-133, Part II, 32 (1977) 134 -146).
  • the process parameters are selected with great advantage in the direction of a non-uniform layer thickness.
  • the coating can be controlled by the choice of pressure and temperature in such a way that preferably the pen tips are coated.
  • the morphology of the electrode pins contributes to a preferred deposition taking place at the edges and tips of the front pin end.
  • the method according to the invention thus allows the simultaneous production of large quantities of identical electrodes in a relatively simple manner (pin matrices with 50 50 pins can even be coated in the laboratory test with little effort). Furthermore, different materials can be deposited in succession or simultaneously in the same apparatus (emitter materials, protective layers).
  • the method is particularly suitable for the production of electrodes for miniaturized lamps, because relatively small pins can be provided with layer structures of sufficient thickness quickly and precisely. It is a particular advantage of the CVD coating that the pins can be of almost any shape, that is, they do not have to be rotationally symmetrical with respect to their longitudinal axis.
  • lead-through pins of electrodes are coated on the tip in a thermally heated CVD reactor.
  • the thickening according to an embodiment of the method according to the invention not only in the aforementioned case, but very generally particularly preferred, applied by laser-assisted deposition from the gas phase.
  • the pen is preferably heated with a powerful laser, in particular a CO 2 laser or an Nd-YAG laser.
  • the electrode tips protrude from a holder into a gas mixture which contains the components to be deposited in the form of a compound (for example W in the compound WF 6 ).
  • the electrode tip and the gas directly surrounding it are then heated by focusing a laser beam on the tip.
  • a preferred coating of the front tip is achieved without further measures because of the temperature drop occurring from the tip to the base in the holder.
  • This process variant is characterized in that both a high yield and a high separation speed are achieved.
  • a carrier wire which is passed through a reactor, is heated at discrete locations along its longitudinal axis by lateral laser radiation.
  • lateral laser radiation By focusing the laser radiation on the wire surface, only partial lengths of the wire are coated.
  • a uniform coating on the circumference is achieved either by rotating the wire or by laser irradiation from several directions. With the help of this coating method, thickening is applied to an endless wire at pre-selected intervals. The actual electrodes are then obtained by cutting them into corresponding sections.
  • the lamp electrodes have the structure outlined in FIG. 1. Because of the high temperatures, the thickening or electrode tip 1 usually consists of tungsten with or without doping which promotes electron emission. The thickening is attached to an electrode pin 2, which then merges into the lead-through part 3. 3 can be a pen, a foil, or a combination of both. While the pin 2 usually consists of tungsten or similar metals, the material of the lead-through part must be selected so that a gas-tight lead-through through the glass bulb 4 is possible.
  • FIG. 2 An example of an electrode structure with a rotationally symmetrical thickening or electrode tip 1 is shown in section in FIG. 2.
  • Fig. 3 the coating process is shown schematically.
  • Pins 2 made of heavy metal with diameters d from 0.05 to 1 mm are spaced a from 0.5 to 10 mm in the matrix-shaped holes 5 from 0.2 to 1.5 mm in diameter of a temperature-resistant substrate holder 6.
  • This holder 6 is heated together with the pins in a (not shown) CVD reactor isothermally to temperatures between 600 ° C and 1100 ° C.
  • the gaseous starting materials indicated by an arrow, such as WF 6 and H 2 are fed into the reactor at flow rates between 10 and 200sccm or 30 and 2000 sccm, where sccm means cubic centimeters per minute under normal conditions.
  • the pump output is regulated so that gas pressures of 1 to 50 mbar are set.
  • FIG. 4 schematically shows a device for a laser-assisted electrode coating.
  • a arranged in a reactor 7 pin 2 with a diameter of 0.05 to 1 mm protrudes 1 to 5 mm from a holder 6 and is flowed from the side with a gas mixture of WF 6 and H 2 , which through a gas inlet 8 in the Reactor is introduced.
  • the heating takes place with a laser beam 10 focused by a concave mirror 9, which is coupled into the reactor space through a window 11 that is transparent to the laser beam.
  • Another type of focusing can of course also be used.
  • the laser power is regulated so that the part of the radiation absorbed in the pen heats it up to temperatures between 600 and 1500 ° C.
  • the pen temperature is measured pyrometrically through additional windows (not shown).
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment for the laser-heated electrode coating.
  • several electrode pins 2 are arranged in a holder 6 similar to a revolver drum.
  • the holder can be rotated so that the electrodes are successively rotated and coated in the laser beam 10.
  • Holders 6 with attached pins 2 are brought one after the other to the reactor 7 and flanged with springs 12 in a vacuum-tight manner. After the pen has been coated, the holder is lifted off and the finished electrode is removed. Then the next holder can be flanged.
  • no long cooling times need to be taken into account before opening the reactor, because the electrode cools down very quickly after the laser is switched off due to the small heat capacity.
  • FIG. 7 An exemplary embodiment for the lateral laser irradiation is shown in FIG. 7.
  • a carrier wire 13 is gradually drawn through gas-tight bushings 14 into a reactor 7 and is heated from the side by a focused laser beam 10 through a window 11.
  • a partial zone of the wire is then coated.
  • the wire is transported in the direction indicated by an arrow by the desired electrode pin length and the next thickening 15 is applied.
  • the thickened carrier wire is led out of the reactor e.g. via a lock (not shown). This enables quasi-continuous electrode production.
  • the electrode pins are obtained from the carrier wire 13 by cutting the wire on one side of each thickening 15.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Discharge Lamp (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckgasentladungslampenelektrode, bei dem eine Verdickung aus einem hochschmelzenden Metall, das gegebenenfalls Emittermaterial enthält, um ein Ende eines aus einem hochschmelzenden Metall bestehenden länglichen Trägers angebracht wird.
  • Hochdruckgasentladungslampen bestehen aus einem gasgefüllten Glaskolben, in dem zwei Metallstifte, die Elektrodenstifte, koaxial angeordnet sind. Eigentliche Lichtquelle ist ein Lichtbogen, der zwischen den Enden der Stifte, den Elektrodenspitzen, brennt. Die Elektroden werden durch das Lichtbogenplasma geheizt.
  • Die wichtigsten Gesichtspunkte für den Aufbau der Lampenelektroden sind:
    • - Die Elektroden müssen gasdicht und temperaturbeständig aus dem Lampenkolben herausgeführt werden.
    • - Es muss gewährleistet sein, dass der Lichtbogen einen definierten Ansatzpunkt hat, der eine für die notwendige Elektronenemission hinreichende Temperatur aufweist.
    • - Die Elektroden müssen in ihren heissen Bereichen eine definierte strahlende Oberfläche (Radiator) besitzen, die zusammen mit der eigentlichen Stromzuführung den Wärmehaushalt der Elektroden bestimmt und zur Aufnahme von Emittermaterial dienen kann.
    • - Um eine hohe Leuchtdichte zu erzielen, sind hohe Bogenströme zu realisieren, die wiederum zu einer starken Elektrodenaufheizung führen (Bogenendverluste). Die Aufheizung, der Elektroden begünstigt zwar die Elektronenemission, darf aber materialbedingte Grenzen nicht überschreiten. Eine optimale Ausregelung zwischen diesen Randbedingungen kann dadurch erfolgen, dass die Kühlung durch Abstrahlung bestimmt wird. Dies hat auch den Vorteil, dass die Wanddurchführung thermisch nicht übermässig belastet wird.
  • Eine effektive Strahlungskühlung der Elektrodenspitze erreicht man durch eine Vergrösserung der strahlenden Oberfläche, also durch eine Verdickung der Elektrodenspitze. Dadurch wird gleichzeitig das Volumen und damit die Wärmekapazität der Elektrodenspitze erhöht, wodurch eine Stabilisierung der Temperatur der Elektrodenspitze über Wechselspannungsperioden erreicht wird. Durch die Vergrösserung der strahlenden Oberfläche kann auch eine gleichmässigere Flächenbelastung der Lampenkolbenwände gewährleistet werden. Weiter ermöglicht die Verdickung der Elektrodenspitze die Herstellung gekrümmter, aber glatter Elektrodenoberflächen, wodurch definierte Verhältnisse für die Bogenansatzpunkte geschaffen werden können.
  • Um diese Bedingungen zu erfüllen, bestehen die Elektroden üblicherweise aus einem Durchführungsstift oder einer Folien/Stiftkombination mit einer dem Lampenaufbau angepassten Verdickung aus Schwermetall, üblicherweise Wolfram, an der Elektrodenspitze.
  • Es ist bekannt, derartige Strukturen aus mehreren Formteilen aus z.T. verschiedenen Materialien durch Verschweissen oder Umwickeln von verspanntem Draht herzustellen (DE-A-2 835 904).
  • Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist aus der DE-A-2 524768 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Verdickung, dort «Elektrodenkopf» genannt, durch Formpressen und Sintern von Wolframpulver, einem Metallcarbidpulver und einem Bindemittel hergestellt, beim Sintern durch Schrumpfen an einem Wolframstift als Träger befestigt und nach dem Sintern solange erhitzt, dass sie wenigstens teilweise schmilzt und die gewünschte Form annimmt. Die so hergestellte Elektrode weist die Form einer Keule, also eines länglichen Gegenstands mit dickerem Ende, auf. Eine Elektrode mit tropfenförmiger Verdickung bzw. mit einer sich zum Elektrodenende hin verdickenden Kappe oder Kuppe ist in Fig. 5 der DE-A-2 524 768 dargestellt.
  • Die Nachteile dieser mechanischen Verfahren sind:
    • - Viele z.T. aufwendige Einzelprozesse und
    • - fertigungstechnische Schwierigkeiten bei der Herstellung von sehr kleinen Strukturen für miniaturisierte Entladungslampen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Elektrodenstrukturen in Massenproduktion herzustellen, wobei sowohl unterschiedliche Material- übergänge und -kombinationen als auch optimale Formgebungen erzielt werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Verdickung aus einer Schicht besteht, die durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase erzeugt wird.
  • Der Träger, z.B. ein Metallstift oder ein Zuleitungsdraht, besteht vorzugsweise aus einem der Metalle Niob, Molybdän oder Wolfram und die aufgebrachte Verdickung, z.B. eine Kappe oder Kuppe, vorzugsweise aus Wolfram.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Träger, z. B. ein Metallstift oder ein Zuleitungsdraht, vor dem Aufbringen der Verdikkung, z. B. einer Kappe oder Kuppe, mit dem gleichen Verfahren mit einer Schutzschicht gegen Korrosion, vorzugsweise aus Tantal, versehen.
  • Beim erfindungsgemässen Verfahren ist es ferner vorteilhaft, die Verdickung durch simultane Abscheidung mit einem Emittermaterial, insbesondere Thorium, zu dotieren.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Verdickung an einem rotationssymmetrischen Träger, z.B. an einem runden Stift, erzeugt. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, die Verdickung an einem flachen länglichen Träger, z. B. an einem Folienstreifen, anzubringen.
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, insbesondere bei Anwendung eines rotationssymmetrischen Trägers, wird das CVD-Verfahren derart gesteuert, dass eine rotationssymmetrische, z.B. eine kugel-, halbkugel-oder tropfenförmige, Verdickung entsteht. In manchen Fällen, insbesondere bei Anwendung eines flachen Trägers, ist es vorteilhaft, eine biradiale Verdickung an dem Träger zu erzeugen.
  • Eine Elektrodenstruktur für Hochdruckgasentladungslampen wird erfindungsgemäss z.B. dadurch hergestellt, dass auf einem feinen Zuleitungsdraht eine sich zum Elektrodenende hin veradickende Kappe oder Kuppe aus hochschmelzendem Metall durch kontrollierte Abscheidung aus der Gasphase (CVD-Verfahren) aufgebracht wird.
  • Die Technik der Abscheidung von Schwermetallen einzeln oder auch simultan mit anderen Komponenten auf unterschiedliche Träger bzw. Substrate mit Hilfe der CVD-Technik ist hinreichend bekannt (z.B. W.A. Bryant, J.Mat.Sci.12 (1977) 1285-1306). In Applied Physics Letters 38, No. 7,1 (1981) 572-574 ist beschrieben, wie aus Molybdän oder Wolfram bestehende 1/4 11m dicke Metallisierungen auf einem Si-Substrat zur Bildung einer VLSI-Schaltung angebracht werden. In der Lampentechnik sind jedoch auf diese Art und Weise bisher nur Drähte für Glühlampen hergestellt worden (US-A-575 002; J. Electrochem. Soc. 96 (1949) 318-333).
  • Die mit solchen Verfahren erzeugten Schichten weisen eine ausserordentlich hohe Haftung auf dem Grundsubstrat auf, sind hochrein und erreichen nahezu die theoretische Dichte der entsprechenden Elemente. Bei den meisten CVD-Prozessen wird von einem metastabilen reaktiven Gasgemisch ausgegangen, welches erst an der auf eine höhere Temperatur gebrachten Oberfläche des zu beschichtenden Substrates reagiert, so dass sich der gewünschte Stoff abscheidet. Im Falle der gut untersuchten Wolfram-Abscheidung kann dieser Prozess durch die Bruttoreaktion
    Figure imgb0001
    beschrieben werden. Die Struktur und die Homogenität der abgeschiedenen Schichten hängen entscheidend von den Parametern Druck, Temperatur und Substratoberfläche ab. Soll ein Substrat mit tiefen Einbuchtungen oder Poren auf der gesamten Oberfläche gleichmässig beschichtet werden, müssen Druck und Temperatur so niedrig gewählt werden, dass auch eine gleichmässige Abscheidung in den Poren bzw. Ausbuchtungen erfolgt. Werden Druck und Temperatur höher gewählt, erfolgt die Abscheidung vorzugsweise am Eingang der Poren, dagegen kaum am Boden der Poren (v.d. Brekel, Philips Res. Repts. Part I, 32 (1977) 118-133, Part II, 32 (1977) 134-146).
  • Während bei den üblichen Anwendungen des CVD-Verfahrens die Prozesssteuerung so erfolgt, dass eine gleichmässige Beschichtung resultiert, werden erfindungsgemäss mit grossem Vorteil die Prozessparameter in Richtung auf eine nicht gleichmässige Schichtdicke gewählt.
  • Werden beispielsweise Elektrodenstifte aus dem Material für die Kolbendurchführung mit geringem Abstand zueinander so aufgestellt, dass die Stifte nur mit einer Hälfte in das reaktive Gasvolumen eines CVD-Reaktors ragen, so kann die Beschichtung durch die Wahl von Druck und Temperatur so gesteuert werden, dass vorzugsweise die Stiftspitzen beschichtet werden. Zu diesem erwünschten Effekt kommt als weiterer Vorteil hinzu, dass bei den erforderlichen Schichtdicken von 50 bis 500 µm die Morphologie der Elektrodenstifte dazu beiträgt, dass eine bevorzugte Abscheidung an den Kanten und Spitzen des vorderen Stiftendes stattfindet.
  • Damit erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren auf relativ einfache Weise die gleichzeitige Herstellung grosser Mengen von identischen Elektroden (Stiftmatrizen mit 50 50 Stiften sind sogar schon im Laborversuch ohne grossen Aufwand zu beschichten). Weiter können verschiedene Materialien nacheinander oder simultan in der gleichen Apparatur abgeschieden werden (Emittermaterialien, Schutzschichten). Das Verfahren ist besonders für die Herstellung von Elektroden für miniaturisierte Lampen geeignet, weil relativ kleine Stifte schnell und exakt mit Schichtstrukturen ausreichender Dicke versehen werden können. Dabei ist es ein besonderer Vorteil der CVD-Beschichtung, dass die Stifte von nahezu beliebiger Form sein können, also nicht rotationssymmetrisch in bezug auf ihre Längsachse sein müssen.
  • Beim erfindungsgemässen Verfahren werden z.B. Durchführungsstifte von Elektroden in einem thermisch geheizten CVD-Reaktor an der Spitze beschichtet. Um zu vermeiden, dass nicht nur die Stifte, sondern auch die Reaktoroberflächen beschichtet werden (Reduktion der effektiven Ausbeute) und um die Beschichtungsdauer zu verkürzen (für 500 11m dicke Schichten liegen die Beschichtungszeiten je nach Prozessbedingungen zwischen 200 und 500 min), wird die Verdickung nach einer nicht nur im zuvor erwähnten Falle, sondern ganz allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens durch laserunterstützte Abscheidung aus der Gasphase aufgebracht. Dabei wird der Stift vorzugsweise mit einem leistungsstarken Laser, insbesondere einem CO2-Laser oder einem Nd-YAG-Laser, aufgeheizt.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel dieser bevorzugten Verfahrensvariante ragen die Elektrodenspitzen aus einem Halter heraus in ein Gasgemisch, das die abzuscheidenden Komponenten in Form einer Verbindung enthält (z. B. W in der Verbindung WF6). Die Heizung der Elektrodenspitze und des sie direkt umgebenden Gases erfolgt dann dadurch, dass ein Laserstrahl auf die Spitze fokussiert wird. Durch die Einkopplung der Laserstrahlung von der Elektrodenstirnseite her wird wegen des über dem Elektrodenstift auftretenden Temperaturabfalles von der Spitze bis zum Sockel im Halter ohne weitere Massnahmen eine bevorzugte Beschichtung der vorderen Spitze erzielt. Diese Verfahrensvariante zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl eine hohe Ausbeute als auch eine hohe Abscheidegeschwindigkeit erzielt wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der laserunterstützten Elektrodenherstellung wird ein Trägerdraht, der durch einen Reaktor geführt wird, an diskreten Stellen entlang seiner Längsachse durch seitliche Laserbestrahlung aufgeheizt. Durch Fokussieren der Laserstrahlung auf die Drahtoberfläche werden nur Teillängen des Drahtes beschichtet. Eine gleichmässige Beschichtung auf dem Umfang wird entweder durch Drehen des Drahtes oder durch Laserbestrahlung aus mehreren Richtungen erreicht. Mit Hilfe dieser Beschichtungsweise werden an einem endlosen Draht in vorgewählten Abständen Verdickungen angebracht. Die eigentlichen Elektroden werden dann durch Zertrennen in entsprechende Teilstükke erhalten.
  • Gegenüber den nach dem bisherigen Stand der Technik hergestellten Elektroden weisen die mit CVD-Verfahren hergestellten Elektroden für Gasentladungslampen die folgenden Vorteile auf:
    • - Die Materialzusammensetzung kann bei Benutzung der konventionellen CVD-Technik weitgehend variiert werden, wodurch z. B. vielfältige Dotierungsmöglichkeiten eröffnet werden.
    • - Der Träger, also z. B. der Metallstift bzw. Zuleitungsdraht, muss nicht rotationssymmetrisch in bezug auf seine Längsachse sein.
    • - Die Form der Verdickung kann durch Wahl der CVD-Abscheidebedingungen mit geringem Aufwand variiert werden. Dies ist bei mechanischen Verfahren nur begrenzt möglich.
    • - Das Kuppenmaterial ist kompakt und homogen, so dass bei hohen thermischen Belastungen keine Störungen durch Gasausbrüche o.ä. zu erwarten sind.
    • - Die Elektroden können mit engen Toleranzen in grossen Mengen gleichzeitig hergestellt werden.
    • - Die Grösse der Elektroden wird nicht durch mechanische Fertigungstechniken eingeschränkt. Eine Miniaturisierung ist leicht durchführbar.
    • - Bei konventionellen Elektroden muss der Durchführungsteil aus mit dem Lampenkolben kompatiblem Material gefertigt werden, dessen Temperaturbeständigkeit deutlich niedriger als die des Elektrodenstiftes sein kann. Bei CVDgefertigten Elektroden können Durchführungsteil und Elektrodenstift aus dem gleichen Material bestehen. Hier wird die Verträglichkeit zwischen Lampenkolben und Durchführungsteil durch eine zusätzliche CVD-Beschichtung erzielt. Elektroden, die mit dem laserunterstützten CVD-Verfahren hergestellt werden, bieten folgende weitere Vorteile:
    • - Es wird durch die lokal begrenzte Aufheizung nur der Bereich der Elektrodenkuppe beschichtet.
    • -Schnelle Fertigung aufgrund hoher Ausbeuten und grosser Wachstumsraten (mehr als 10 µm/ min im Vergleich zu 1 pm/min Abscheidegeschwindigkeit bei konventionellen CVD-Verfahren).
    • - Da die CVD-Abscheidung temperaturabhängig ist, wird das Profil der abgeschiedenen Verdikkung durch die mit dem Laser erzeugte Temperaturverteilung geprägt (d.h. an den heissesten Stellen wird im allgemeinen am meisten abgeschieden).
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
    • Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Seite einer Entladungslampe,
    • Fig. 2 eine Elektrodenstruktur im Schnitt,
    • Fig. 3 eine schematische Darstellung des Beschichtungsverfahrens und
    • Fig. 4 bis 7 schematische Darstellungen von Ausführungsformen des lasergestützten bzw. lasergeheizten Beschichtungsverfahrens.
  • Die Lampenelektroden haben den in Fig. 1 skizzierten Aufbau. Wegen der hohen Temperaturen besteht die Verdickung bzw. Elektrodenkuppe 1 üblicherweise aus Wolfram mit oder ohne die Elektronenemission fördernden Dotierungen. Die Verdickung ist auf einem Elektrodenstift 2 angebracht, der dann in das Durchführungsteil 3 übergeht. 3 kann ein Stift, eine Folie oder eine Kombination von beiden sein. Während der Stift 2 üblicherweise aus Wolfram oder ähnlichen Metallen besteht, muss das Material des Durchführungsteils so gewählt werden, dass eine gasdichte Durchführung durch den Glaskolben 4 möglich ist.
  • In Fig. 2 ist ein Beispiel für eine Elektrodenstruktur mit einer rotationssymmetrischen Verdikkung bzw. Elektrodenkuppe 1 im Schnitt dargestellt.
  • In Fig. 3 ist das Beschichtungsverfahren schematisch dargestellt. Stifte 2 aus Schwermetall mit Durchmessern d von 0,05 bis 1 mm stehen mit Abständen a von 0,5 bis 10 mm in den matrixförmig angeordneten Lochbohrungen 5 von 0,2 bis 1,5 mm Durchmesser eines temperaturbeständigen Substrathalters 6. Dieser Halter 6 wird zusammen mit den Stiften in einem (nicht dargestellten) CVD-Reaktor isotherm auf Temperaturen zwischen 600°C und 1100°C aufgeheizt. Die durch einen Pfeil angedeuteten gasförmigen Ausgangsmaterialien wie z.B. WF6 und H2 werden mit Durchflussmengen zwischen 10 und 200sccm bzw. 30 und 2000 sccm in den Reaktor geleitet, wobei sccm Kubikzentimeter pro Minute bei Normalbedingungen bedeutet. Die Pumpleistung wird so reguliert, dass sich Gasdrücke von 1 bis 50 mbar einstellen.
  • In Fig. 4 ist eine Vorrichtung für eine lasergestützte Elektrodenbeschichtung schematisch dargestellt. Ein in einem Reaktor 7 angeordneter Stift 2 mit Durchmessern von 0,05 bis 1 mm ragt 1 bis 5 mm aus einem Halter 6 heraus und wird von der Seite mit einem Gasgemisch aus WF6 und H2 umströmt, das durch einen Gaseinlass 8 in den Reaktor hineingeleitet wird. Von der Stirnseite des Reaktors her erfolgt die Aufheizung mit einem durch einen Hohlspiegel 9 fokussierten Laserstrahl 10, der durch ein für den Laserstrahl durchlässiges Fenster 11 in den Reaktorraum eingekoppelt wird. Selbstverständlich kann auch eine andere Art der Fokussierung angewendet werden. Die Laserleistung ist so ausgeregett, dass der im Stift absorbierte Teil der Strahlung diesen auf Temperaturen zwischen 600 und 1500°C aufheizt.
  • Die Stifttemperatur wird durch zusätzliche Fenster (nicht dargestellt) pyrometrisch gemessen.
  • Höhere Drücke sind möglich, jedoch ist zu beachten, dass die in das Gas eingekoppelte Laserleistungsdichte noch nicht zu starker Ausscheidung von Wolfram in der Gasphase führt. Dem kann durch einen stark konvergenten Strahlengang vorgebeugt werden. Bei hinreichend kurzen Diffusionslängen muss eine «Vorkeimung» in der Gasphase auch nicht unbedingt nachteilig sein, sondern kann zu besonders feinkristalliner Abscheidung bei hoher Geschwindigkeit führen.
  • In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für die lasergeheizte Elektrodenbeschichtung dargestellt. Hier sind mehrere Elektrodenstifte 2 in einem revolvertrommelähnlichen Halter 6 angeordnet. Der Halter kann gedreht werden, so dass die Elektroden nacheinander in der Laserstrahl 10 gedreht und beschichtet werden.
  • Fig. 6 skizziert eine Anordnung für den kontinuierlichen Betrieb. Dabei werden nacheinander Halter 6 mit angesetzten Stiften 2 an den Reaktor 7 herangeführt und mit Federn 12 vorvakuumdicht angeflanscht. Nachdem der Stift beschichtet ist, wird der Halter abgehoben und die fertige Elektrode entnommen. Dann kann der nächste Halter angeflanscht werden. Im Gegensatz zu den konventionellen Beschichtungsanordnungen sind vor dem Öffnen des Reaktors keine langen Abkühlzeiten zu beachten, denn die Elektrode kühlt nach dem Abschalten des Lasers wegen der kleinen Wärmekapazität sehr schnell ab.
  • Ein Ausführungsbeispiel für die seitliche Laserbestrahlung ist in Fig. 7 dargestellt. Dabei wird ein Trägerdraht 13 durch gasdichte Durchführungshülsen 14 schrittweise in einen Reaktor 7 gezogen und in diesem durch einen fokussierten Laserstrahl 10 durch ein Fenster 11 von der Seite aufgeheizt. Es erfolgt dann eine Beschichtung einer Teilzone des Drahtes. Nach Fertigstellung dieser Teilbeschichtung wird der Draht in der durch einen Pfeil angedeuteten Richtung um die gewünschte Elektrodenstift-Länge weitertransportiert und die nächste Verdickung 15 wird angebracht. Das Herausführen des mit Verdickungen versehenen Trägerdrahts aus dem Reaktor erfolgt z.B. über eine Schleuse (nicht dargestellt). Damit ist eine quasikontinuierliche Elektrodenherstellung möglich. Die Elektrodenstifte werden aus dem Trägerdraht 13 durch Trennen des Drahtes auf einer Seite jeder Verdickung 15 erhalten.
  • Zur Herstellung von Elektroden wurden Drahtstücke aus verschiedenen Materialien nach den oben beschriebenen Verfahren mit Wolfram derart beschichtet, dass die erwünschten Verdickungen an den Elektrodenspitzen entstanden. An den unteren Enden blieben die Drahtstücke dagegen unbeschichtet und waren somit für eine gasdichte Durchführung durch den Lampenkolben geeignet. Beispiele hierfür sind:
    • Wolfram auf Molybdändraht
    • (Drahtdurchmesser 300 11m,
    • Kuppendurchmesser 760 11m)
    • Wolfram auf Niobdraht
    • (Drahtdurchmesser 300 pm,
    • Kuppendurchmesser 1200 pm)
    • Wolfram auf Wolframdraht
    • (Drahtdurchmesser 50 11m,
    • Kuppendurchmesser 450 11m).

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung einer Hochdruckgasentladungslampenelektrode, bei dem eine Verdickung aus einem hochschmelzenden Metall, das gegebenenfalls Emittermaterial enthält, um ein Ende eines aus einem hochschmelzenden Metall bestehenden länglichen Trägers angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdikkung aus einer Schicht besteht, die durch reaktive Abscheidung aus der Gasphase erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem der Metalle Niob, Molybdän oder Wolfram und die erzeugte Verdickung aus Wolfram besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger vor dem Erzeugen der Verdickung mittels des gleichen Abscheidungsverfahrens mit einer Schutzschicht gegen Korrosion, insbesondere aus Tantal, versehen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung durch simultane Abscheidung mit einem Emittermaterial, insbesondere Thorium, dotiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung an einem rotationssymmetrischen Träger erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung an einem flachen Träger erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine rotationssymmetrische Verdickung an dem Träger erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine biradiale Verdickung an dem Träger erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung durch laserunterstützte Abscheidung aus der Gasphase erzeugt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mit einem C02-Laser aufgeheizt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger mit einem Nd-YAG-Laser aufgeheizt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdickung durch seitliche Laserbestrahlung diskreter Stellen eines endlosen Trägerdrahtes erzeugt wird und die Elektroden durch Trennen des Trägerdrahtes auf einer Seite jeder Verdickung erhalten werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger mehrere Stifte in einem Revolverhalter angeordnet sind und nacheinander mit dem Laser aufgeheizt werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Träger mehrere Stifte in Haltern nacheinander an den Reaktor herangebracht, angeflanscht, die Stifte beschichtet und die Halter wieder abgenommen werden.
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