EP0383108A1 - Hochdruckentladungslampe für den Betrieb mit Wechselstrom - Google Patents
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- 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 is based on a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 1.
- the object of the invention is to provide a generic electrode, the blackening behavior of which does not impair the service life of the high-pressure lamp.
- the doping according to the invention enables the desired high constancy of the luminous flux over the lamp life, as is desirable for special applications (material testing, solar simulation, wafer irradiation).
- the xenon long-arc lamp shown in FIG A power of 6500 W is operated with an alternating current of 35 A.
- the lamp has an elongated cylindrical discharge vessel 1 with an internal diameter of approximately 7 mm, which is filled with xenon, an operating pressure of approximately 1.5 MPa being established.
- the discharge vessel 1 is melted on two sides.
- a round base 2 is fastened with a diameter adapted to the discharge vessel 1, which finally tapers to the diameter of an axially attached contact pin 3.
- a round base with a considerably larger diameter closes off the discharge vessel.
- the associated contact pin 5 also has a larger diameter than the counterpart on one side.
- the lamp is cooled with water and is therefore in a special cooling vessel (not shown).
- the two electrodes 6 are cylindrical. Their diameter is 6 mm, the total length is approximately 35 mm.
- the electrodes are about 160 mm apart. They are each melted down by means of two foils 7 and an intermediate washer (not visible). (For example, rod melting is also possible).
- the electrode is shown enlarged in FIG. 2. It consists of tungsten, which is doped with 1 wt .-% La2O3.
- the cylindrical main body 8 tapers on the discharge side in the manner of a truncated cone 9, the inclination of which is approximately 10 °.
- the first truncated cone 9 merges into a second truncated cone 10, the angle of inclination of which is approximately 45 °.
- both truncated cones 9, 10 is approximately the same and is approximately 1.5 mm.
- the circular surface 11 remaining on the discharge side, on which the arc attaches, has one Diameter of about 2 mm.
- the cylindrical main body 8 is ground on two opposite sides. A film is welded to each of the resulting broad sides 12, which are electrically conductively connected to the associated contact pin 5 (double-film melting).
- the narrow sides 14 maintain their original distance given as the diameter of the cylindrical body.
- a particularly good constancy of the burning behavior over the lamp life can be achieved if the distribution of the doping in the electrode increases towards the cylinder axis.
- the application of the invention is not limited to the exemplary embodiment shown. It is also suitable, for example, for short-arc lamps with mercury or rare gas filling.
- the tip of the electrode can also be designed as a hemisphere.
- the operating pressure is advantageously between 0.5 MPa and 2.5 MPa, especially for xenon lamps.
- higher operating pressures up to approx. 10 MPa are also conceivable.
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Abstract
Description
- Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Es ist bekannt, Hochdruckentladungslampen mit Elektroden aus Wolfram zu fertigen, das mit einem elektronenemittierenden Material dotiert ist. Üblicherweise wird ThO₂ als Dotiermaterial verwendet (z.B. DE-OS 37 23 271). Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere bei Lampentypen mit sehr hoher Wechselstrombelastung (ca. 20 - 60 A) bereits nach kurzer Zeit (20 bis 100 Stunden) größere Schmelzperlen an der Elektrodenkuppe auftreten können, die zu vorzeitiger Schwärzung der Innenwand des Lampenkolbens führen. Übersteigt die Perlengröße einen gewissen Wert, kühlt dadurch die restliche Elektrodenspitze ab und der Emitternachschub und die Möglichkeit des Entladungsbogens, einen neuen Ansatzpunkt zu finden, verschlechtern sich. Die Überhitzung der großen Schmelzperle führt zu Wolfram-Verdampfung, verbunden mit der Schwärzung des Kolbens. Dieses Problem entsteht erst bei hohen Strömen und hohen Betriebsdrücken, die mit einer Einschnürung des Bogens und einer Verkleinerung des Bogenansatzes (Brennfleck) verbunden sind, wodurch die Temperaturerhöhung des Brennflecks bewirkt wird.
- Anererseits ist die Eignung des Lanthan als Elektronenemitter bekannt. In der DE-OS 31 19 747 wird La₂O₃ als Bestandteil der Emitterpaste für die Wendel einer Leuchtstofflampe verwendet. Die DE-OS 24 54 569 beschreibt die Verwendung von La₂O₃ für die Kathode von Elektronenröhren. Bei diesen Anwendungen tritt jedoch das durch den Schmelzperlen-Mechanismus hervorgerufene Problem der Schwärzung nicht auf. Es handelt sich in allen Fällen um geringe Betriebsströme und geringe Betriebsdrücke.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Elektrode bereitzustellen, deren Schwärzungsverhalten die Lebensdauer der Hochdrucklampe nicht beeinträchtigt.
- Erfidnungsgemäß wird dies durch die Verwendung von Lanthanoxid als Dotiermaterial erreicht. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
- Ein Vorteil dieses Materials liegt darin, daß die Verwendung radioaktiver Materialien (Th) dadurch vermieden wird. Überraschenderweise hat sich außerdem beim Einsatz der erfindungsgemäßen Elektrode in Hochdruckentladungslampen, die z.B. mit Xenon oder mit Quecksilber betrieben werden, angezeigt, daß bei Wechselstrombetrieb ein Selbstreinigungseffekt auftritt. Eine zu Beginn des Lampenbetriebs auftretende Schwärzung im Lampenkolben im Bereich vor den Elektrodenkuppen verschwindet wieder nach ca. 50 Betriebsstunden. Die Lampenlebensdauer wird dadurch erheblich verlängert (typischer Wert 600 - 1200 Std.). Dieses Phänomen ist um so ausgeprägter, je höher der Betriebsstrom bzw. die Leistung ist.
- Dieser Effekt ist um so überraschender, als anfängliche Versuche bei mit Gleichstrom betriebenen Lampen (beim Einsatz des La₂O₃-dotierten Wolfram-Materials als Kathode) keinen Selbstreinigungseffekt zeigten und sich im Vergleich zur ThO₂-Dotierung das Betriebsverhalten verschlechterte. Die Ursache dieses Verhaltens ist derzeitnoch unklar, doch spielt offensichtlich der Wechselstrombetrieb eine entscheidende Rolle. Das schlechte Betriebsverhalten bei Gleichstrom erklärt auch, warum bisher trotz des Bedürfnisses, einen Ersatz für die Dotierung mit radioaktivem Thorium bei hochbelasteten Lampen zu finden und trotz der bekannten Tauglichkeit des Lanthanoxids bei Lampen mit geringer Strombelastung ein Einsatz bei Hochdruckentladungslampen hoher Leistung dem Fachmann nicht erfolgversprechend erschien. Die besondere Eignung des La₂O₃ tritt bei geringer Strombelastung nicht in Erscheinung.
- Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Dotierung die gewünschte hohe Konstanz des Lichtstroms über die Lampenlebensdauer, wie sie für spezielle Anwendungszwecke (Materialprüfung, Solarsimulation, Waferbestrahlung) wünschenswert ist.
- Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt
- Figur 1 eine mit Wechselstrom betriebene Xenonlangbogenlampe hoher Leistung
- Figur 2 eine für diese Lampe verwendete Elektrode
- Die Figur 1 dargestellte Xenonlangbogenlampe mit einer Leistung von 6500 W wird mit Wechselstrom von 35 A betrieben. Die Lampe weist ein langgezogenes zylindrisches Entladungsgefäß 1 mit einem Kolbeninnendurchmesser von ca. 7 mm auf, das mit Xenon gefüllt ist, wobei sich ein Betriebsdruck von etwa 1,5 MPa einstellt. Das Entladungsgefäß 1 ist zweiseitig eingeschmolzen. Auf der einen Seite ist ein Rundsokkel 2 mit einem an das Entladungsgefäß 1 angepaßten Durchmesser befestigt, der sich abschließend bis zum Durchmesser eines axial angebrachten Kontaktstiftes 3 verjüngt. Auf der anderen Seite schließt ein Rundsockel mit erheblich größerem Durchmesser das Entladungsgefäß ab. Der zu gehörige Kontaktstift 5 weist ebenfalls einen größeren Durchmesser als das Gegenstück auf der einen Seite auf. Die Lampe wird mit Wasser gekühlt und befindet sich deshalb in einem speziellen Kühlgefäß (nicht gezeigt).
- Die beiden Elektroden 6 sind zylindrisch geformt. Ihr Durchmesser beträgt 6 mm, die Gesamtlänge ca. 35 mm. Die Elektroden sind ca. 160 mm voneinander beabstandet. Sie sind jeweils mittels zweier Folien 7 und einer Zwischenscheibe (nicht sichtbar) eingeschmolzen. (Möglich ist beispielsweise auch eine Stabeinschmelzung). Die Elektrode ist vergrößert in Figur 2 dargestellt. Sie besteht aus Wolfram, das mit 1 Gew.-% La₂O₃ dotiert ist. Der zylindrische Hauptkörper 8 verjüngt sich entladungsseitig nach Art eines Kegelstumpfs 9, dessen Neigung etwa 10° beträgt. Der erste Kegelstumpf 9 geht in einen zweiten Kegelstumpf 10 über, dessen Neigungswinkel etwa 45° beträgt. Die Höhe beider Kegelstümpfe 9, 10 ist etwa gleich und beträgt etwa 1.5 mm. Die entladungsseitig verbleibende Kreisfläche 11, an der der Bogen ansetzt, besitzt einen Durchmesser von etwa 2 mm. Zur Einschmelzung hin ist der zylindrische Hauptkörper 8 auf zwei gegenüberliegenden Seiten angeschliffen. An jeder der resultierenden Breitseiten 12 ist eine Folie angeschweißt, die mit dem zugehörigen Kontaktstift 5 elektrisch-leitend verbunden sind (Doppelfolieneinschmelzung). Die Schmalseiten 14 behalten ihren ursprünglichen, als Durchmesser des zylindrischen Körpers gegebenen Abstand bei.
- Eine besonders gute Konstanz des Brennverhaltens über die Lampenlebensdauer läßt sich erzielen, wenn die Verteilung der Dotierung in der Elektrode zur Zylinderachse hin zunimmt.
- Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel. Sie ist beispielsweise auch für Kurzbogenlampen mit Quecksilber- oder Edelgasfüllung geeignet. Die Kuppe der Elektrode kann auch als Halbkugel ausgeführt sein.
- Der Betriebsdruck liegt vorteilhaft zwischen 0,5 MPa und 2,5 MPa, insbesondere für Xenonlampen. Bei der Anwendung auf Quecksilberhochdruckentladungslampen sind jedoch auch höhere Betriebsdrucke (bis ca. 10 MPa) denkbar.
Claims (5)
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