EP0383108B1 - Hochdruckentladungslampe für den Betrieb mit Wechselstrom - Google Patents

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-A 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-A 31 19 747 wird La₂O₃ als Bestandteil der Emitterpaste für die Wendel einer Leuchtstofflampe verwendet. Die DE-A 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. Schließlich wird La₂O₃ gemäß der JP-A- 55-155457 auch als Bestandteil des elektronenemittierenden Materials bei einer Sinterelektrode verwendet. Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Lampe mit einer 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 Rundsockel 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)

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.
2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Lanthanoxids 0,5 bis 2 Gew.-% beträgt.
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.
4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromstärke 20 bis 60 A beträgt.
5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung im zylindrischen Körper von außen nach innen zunimmt.

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