EP0383108A1 - High-pressure discharge lamp for operation with an alternating current - Google Patents

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    • 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

The discharge tube contains two electrodes (6) of tungsten doped with lanthanum oxide. The electrode dome is formed such that a first truncated cone (9) tapers to a second truncated cone (10). <IMAGE>

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungs­lampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a high-pressure discharge lamp according to the preamble of claim 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.It is known to manufacture high-pressure discharge lamps with electrodes from tungsten which is doped with an electron-emitting material. ThO₂ is usually used as a doping material (e.g. DE-OS 37 23 271). It has now been shown that, in particular in the case of lamp types with a very high AC load (approx. 20-60 A), larger melting beads can appear on the electrode tip after a short time (20 to 100 hours), which lead to premature blackening of the inner wall of the lamp bulb. If the bead size exceeds a certain value, the remaining electrode tip cools down and the emitter supply and the possibility of the discharge arc deteriorating become worse. The overheating of the large melting bead leads to tungsten evaporation, combined with the blackening of the piston. This problem arises only at high currents and high operating pressures, which are associated with a constriction of the arc and a reduction in the size of the arc (focal spot), which causes the temperature of the focal spot to increase.

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.On the other hand, the suitability of lanthanum as an electron emitter is known. In DE-OS 31 19 747 La₂O₃ used as part of the emitter paste for the filament of a fluorescent lamp. DE-OS 24 54 569 describes the use of La₂O₃ for the cathode of electron tubes. In these applications, however, the problem of blackening caused by the bead mechanism does not arise. In all cases, the operating currents and operating pressures are low.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Elektrode bereitzustellen, deren Schwärzungsverhalten die Lebensdauer der Hochdrucklampe nicht beein­trächtigt.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.

Erfidnungsgemäß wird dies durch die Verwendung von Lanthanoxid als Dotiermaterial erreicht. Weitere vor­teilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteran­sprüchen.According to the invention, this is achieved by using lanthanum oxide as the doping material. Further advantageous refinements can be found in the subclaims.

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.An advantage of this material is that it avoids the use of radioactive materials (Th). Surprisingly, when using the electrode according to the invention in high-pressure discharge lamps, which are operated, for example, with xenon or with mercury, it has been found that a self-cleaning effect occurs in AC operation. A blackening in the lamp bulb in the area in front of the electrode tips that occurs at the start of lamp operation disappears again after approx. 50 operating hours. This extends the lamp life considerably (typical value 600 - 1200 hours). The higher the operating current or the power, the more pronounced this phenomenon is.

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.This effect is all the more surprising since initial attempts with lamps operated with direct current (when using the La₂O₃-doped tungsten material as cathode) showed no self-cleaning effect and the operating behavior deteriorated compared to the ThO₂-doping. The cause of this behavior is currently unclear, but AC operation obviously plays a crucial role. The poor operating behavior with direct current also explains why, despite the need to find a replacement for the doping with radioactive thorium in lamps with high loads and despite the known suitability of lanthanum oxide for lamps with low current loads, use with high-power discharge lamps of high power did not appear promising to the person skilled in the art . The special suitability of La₂O₃ does not appear at low current loads.

Weiterhin ermöglicht die erfindungsgemäße Dotierung die gewünschte hohe Konstanz des Lichtstroms über die Lampenlebensdauer, wie sie für spezielle Anwendungs­zwecke (Materialprüfung, Solarsimulation, Waferbe­strahlung) wünschenswert ist.Furthermore, 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).

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
The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. It shows
  • Figure 1 is an AC powered xenon long arc lamp of high power
  • Figure 2 shows an electrode used for this lamp

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).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. On one side, 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. On the other hand, 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).

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.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 °. The height of 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. For melting, 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.

Eine besonders gute Konstanz des Brennverhaltens über die Lampenlebensdauer läßt sich erzielen, wenn die Verteilung der Dotierung in der Elektrode zur Zylin­derachse hin zunimmt.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.

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.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.

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.The operating pressure is advantageously between 0.5 MPa and 2.5 MPa, especially for xenon lamps. When used on high-pressure mercury discharge lamps, however, higher operating pressures (up to approx. 10 MPa) are also conceivable.

Claims (5)

1. Hochdruckentladungslampe für den Betrieb mit Wech­selstrom, bestehend aus einem Entladungsgefäß (1), das zwei Elektroden (6) aus dotiertem Wolfram und ein Füllgas enthält, wobei die Elektroden (6) elektrisch-­leitend mit einem oder mehreren Sockelteilen (2, 4) verbunden sind, und wobei die Elektroden einen zylin­drischen Körper (8) aufweisen, der sich entladungs­seitig verjüngt, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotiermaterial Lanthanoxid (La₂O₃) verwendet wird.1. High-pressure discharge lamp for operation with alternating current, consisting of a discharge vessel (1) which contains two electrodes (6) made of doped tungsten and a filling gas, the electrodes (6) being electrically conductive with one or more base parts (2, 4) are connected, and wherein the electrodes have a cylindrical body (8) which tapers on the discharge side, characterized in that lanthanum oxide (La₂O₃) is used as the doping material. 2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Lanthanoxids 0,5 bis 2 Gew.-% beträgt.2. High-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the proportion of lanthanum oxide is 0.5 to 2 wt .-%. 3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Bereich eine Kuppe ist, die aus einem ersten Kegelstumpf (9) und einem darauf aufgesetzten zweiten Kegelstumpf (10) besteht.3. High-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the tapering region is a dome which consists of a first truncated cone (9) and a second truncated cone (10) placed thereon. 4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke 20 bis 60 A beträgt.4. High-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the current intensity is 20 to 60 A. 5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung im zylindrischen Körper von außen nach innen zunimmt.5. High-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the doping in the cylindrical body increases from the outside inwards.
EP90102024A 1989-02-15 1990-02-01 High-pressure discharge lamp for operation with an alternating current Expired - Lifetime EP0383108B1 (en)

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