EP1043751A1 - Gasentladungslampe - Google Patents

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EP1043751A1
EP1043751A1 EP00201149A EP00201149A EP1043751A1 EP 1043751 A1 EP1043751 A1 EP 1043751A1 EP 00201149 A EP00201149 A EP 00201149A EP 00201149 A EP00201149 A EP 00201149A EP 1043751 A1 EP1043751 A1 EP 1043751A1
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EP
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gas discharge
discharge lamp
ceramic
coupling structures
doping
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EP00201149A
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French (fr)
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Detlev Hennings
Oliver Steigelmann
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
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Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Definitions

  • the invention relates to a gas discharge lamp with coupling structures made of ceramic.
  • a gas discharge lamp contains a radiation-transmissive discharge vessel, which encloses a discharge zone with a gaseous, ionizable filling. In this Discharge zone there are electrodes at a suitable distance.
  • Such a gas discharge lamp is known from US Pat. No. 5,654,606.
  • Metal electrodes were used as a sintered mixture of metal and ceramic material Coupling structure used.
  • the coupling structures are used to generate the gas in such gas discharge lamps Load carriers directly in the gas volume.
  • Small amounts of metal were added the ceramic materials used to ensure sufficient stability of the Coupling structures in the event of temperature fluctuations, such as when switching on such Ensure gas discharge lamp can occur.
  • the invention has for its object a gas discharge lamp with ceramic To provide coupling structures that have improved properties.
  • the object is achieved by a gas discharge lamp with coupling structures Ceramic, characterized in that the coupling structures made of a ferroelectric Are ceramics.
  • a ceramic material for such coupling structures must meet the following requirements: a hysteresis loop that is as rectangular as possible, a high dielectric constant ⁇ r and a high remanent polarization P r .
  • dielectrics have a low dielectric constant ⁇ r and a low field dependence ⁇ r (E).
  • An exception are some ferroelectric materials, in which ⁇ r changes abruptly at a critical field strength E c .
  • Discs made of ferroelectric materials which have a so-called non-linear behavior can be used as coupling structures in gas discharge lamps. These disks act as ceramic plate capacitors and when you create one AC voltage charges the inner surfaces. Due to the high, non-linear increase the capacitor charge becomes the ignition and the subsequent continuous operation the lamp causes.
  • the ferroelectric ceramic contains Ba (Ti lx Zr x ) O 3 with dopants from donor / acceptor combinations.
  • Ba (Ti lx Zr x ) O 3 with doping from donor / acceptor combinations is a ferroelectric material with the required non-linear properties.
  • small additions of donor / acceptor combinations result in high values for the remanent polarization P r and the dielectric constant ⁇ r .
  • these donor / acceptor-doped Ba (Ti lx Zr x ) O 3 ceramics have rectangular hysteresis loops.
  • the donor / acceptor combinations Mn 3+ and W 6+ or Yb 3+ and Nb 5+ or Yb 3+ and Mo 6+ or Mg 2+ and W 6+ or Mn 3+ and Nb 5+ or Yb 3+ and W 6+ or Mg 2+ and Nb 5+ or Mn 3+ and Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , Gd 3+ , Nd 3+ , Y 3+ .
  • BaZrO 3 reduces the coercive field strengths to E c ⁇ 100 V / mm in mixed crystals of the composition Ba (Ti lx Zr x ) O 3 .
  • This is advantageous in order to be able to use coupling structures with an operating voltage of 220 V in a thickness that have a sufficient dielectric strength.
  • the coercive field strength E c ⁇ 70 V / mm and the Curie temperature T c is with 90 ° C in a range that is still above the operating temperature of gas discharge lamps.
  • the Ba / (Ti, Zr, doping) ratio is between 0.997 and 0.998 lies.
  • the atomic ratio of the cations has a great influence on the properties of the ceramic.
  • the increase in dielectric constant ⁇ r is greatest as a function of E c or T c if the atomic ratio Ba / (Ti, Zr, doping) is slightly less than 1.
  • FIG. 1 shows a longitudinal side view of an exemplary gas discharge lamp.
  • a gas discharge lamp has a tubular discharge vessel 1, for example made of limestone glass, which surrounds a discharge zone 3 with a gaseous, ionizable filling.
  • a luminescent layer 2 is applied to the inner surface of the discharge vessel 1.
  • the gaseous, ionizable filling can contain, for example, mercury and argon.
  • Coupling structures 4 made of Ba (Ti lx Zr x ) O 3 with doping from donor / acceptor combinations are attached at a suitable distance on opposite sides of the discharge vessel 1 in the discharge zone 3.
  • the coupling structures 4 are each connected to a power supply 5, for example a metal pin.
  • the discharge vessel 1 is evacuated and filled via an integrated outflow opening 6. When an AC voltage is applied to the two coupling structures 4, which together act like a ceramic plate capacitor, the inner surfaces in the lamp are charged. The high, non-linear increase in the capacitor charge causes the ignition and subsequent continuous operation of the lamp.
  • the ferroelectric material for the coupling structures 4 must meet the following requirements: high values for the remanent polarization P r and the dielectric constant ⁇ r , a rectangular hysteresis loop, a Curie temperature T c above the operating temperature of the lamp and a coercive field strength below the operating voltage of 220 V. E c .
  • Ba (Ti lx Zr x ) O 3 with doping from donor / acceptor combinations is a material with the required non-linear properties.
  • Typical acceptor dopings are Mn 3+ , Fe 3+ , Cr 3+ , Mg 2+ and Lu 3+ , which are installed on the Ti 4+ and Zr 4+ sites of the perovskite lattice.
  • Suitable donors are Nb 5+ , W 6+ , Mo 6+ , Mo 5+ on the Ti 4+ and Zr 4+ sites and Y 3+ , Dy 3+ , Er 3+ , Nd 3+ and Gd 3 + on the Ba 2+ courses.
  • Mn 3+ and W 6+ (3: 1 to 2: 1) or Yb 3+ and Nb 5+ (1.5: 1) or Yb 3+ and Mo 6+ (2.5: 1) or Mg proved to be particularly advantageous 2+ and W 6+ (2.5: 1) or Mn 3+ and Nb 5+ (1.5: 1 to 1: 1) or Yb 3+ and W 6+ (2.5: 1) or Mg 2+ and Nb 5+ ( 1.5: 1) or Mn 3+ and Dy 3+ , Ho 3+ , Er 3+ , Gd 3+ , Nd 3+ , Y 3+ (1.5: 1 to 1: 1).
  • the zirconium content, the ratio of the cations and the sintering temperatures of the Manufacturing, the purity of the raw materials and the chemical homogeneity of the ferroelectric Materials influence the properties of the ceramic.
  • Ceramics made of pure BaTiO 3 have coercive field strengths of E c > 100 V / mm. In mixed crystals of the composition Ba (Ti lx Zr x ) O 3 , the coercive field strengths decrease to E c ⁇ 100 V / mm.
  • T c 130 ° C in pure BaTiO 3 by adding BaZrO 3 by 4 ° C per at.% Zr.
  • the coercive field strength E c ⁇ 70 V / mm and the Curie temperature T c is approximately 90 ° C.
  • the ratio of the cations can have a great influence on the properties.
  • BaTiO 3 the atomic ratio of Ba / Ti has a great influence on the sinterability and the dielectric properties of the ceramic.
  • Ba / Ti ⁇ 1 produces fine-grained ceramics with a high dielectric constant ⁇ r .
  • the dielectric constant ⁇ r increases as a function of E c or T c if the atomic ratio is slightly less than 1.
  • the sintering temperatures during production as well as the purity of the raw materials and the chemical homogeneity of the mixed crystal Ba (Ti lx Zr x ) O 3 have a decisive influence on the level of the dielectric constant ⁇ r as well as the remanent polarization P r and on the shape of the hysteresis loop. Even small impurities or incomplete mixing of the raw materials lead to a sharp reduction in the remanent polarization P r and to oblique hysteresis loops.

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  • Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
  • Discharge Lamp (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen (4) aus Ba(Til-xZrx)O3 mit Donator/Akzeptor-Dotierungen. Durch bestimmte Donator/Akzeptor-Kombinationen, einem optimierten Gehalt an Zirkon und einem optimierten atomaren Verhältnis der Kationen wird eine ferroelektrische Keramik erhalten, welche hohe Werte für die remanente Polarisation Pr und die Dielektrizitätskonstante εr, eine rechteckige Hystereseschleife und niedrige Koerzitivfeldstärken Ec aufweist. Bei Anlegen einer Wechselspannung an die ferroelektrischen Einkoppelstrukturen wird infolge der nichtlinearen Eigenschaften der Einkoppelstrukturen (4) die Zündung sowie der anschließende Dauerbetrieb der Lampe bewirkt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen aus Keramik.
Eine Gasentladungslampe enthält ein strahlungsdurchlässiges Entladungsgefäß, welches eine Entladungszone mir einer gasförmigen, jonisierbaren Füllung umschließt. In dieser Entladungszone befinden sich in geeignetem Abstand Elektroden.
Aus US 5 654 606 ist eine solche Gasentladungslampe bekannt. Anstelle der sonst üblichen Metallelektroden wurde eine gesinterte Mischung aus Metall und keramischem Material als Einkoppelstruktur verwendet. Durch Erzeugung einer hohen kapazitiven Spannung zwischen den Einkoppelstrukturen erfolgt in solchen Gasentladungslampen die Erzeugung der Ladungsträger direkt im Gasvolumen. Die Zugabe von geringen Mengen Metall war bei den verwendeten keramischen Materialien notwendig, um eine ausreichende Stabilität der Einkoppelstrukturen bei Temperaturschwankungen, wie sie beim Einschalten einer solchen Gasentladungslampe auftreten können, zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasentladungslampe mit keramischen Einkoppelstrukturen, die verbesserte Eigenschaften haben, zur Verfügung zu stellen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen aus Keramik, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelstrukturen aus einer ferroelektrischen Keramik sind.
Ein keramische Material für solche Einkoppelstrukturen muß folgende Voraussetzungen erfüllen: eine möglichst rechteckige Hystereseschleife, eine hohe Dielektrizitätskonstante ε r und eine hohe remanente Polarisation Pr.
Die meisten Dielektrika weisen eine geringe Höhe der Dielektrizitätskonstanten ε r und eine niedrige Feldabhängigkeit ε r(E) auf. Eine Ausnahme bilden einige ferroelektrische Materialien, bei denen sich ε r bei einer kritischen Feldstärke Ec sprunghaft sehr stark ändert.
Scheiben aus ferroelektrischen Materialien, welche ein sogenanntes nichtlineares Verhalten aufweisen, können als Einkoppelstrukturen in Gasentladungslampen verwendet werden. Diese Scheiben wirken als keramische Plattenkondensatoren und beim Anlegen einer Wechselspannung laden sich die Innenflächen auf. Durch den hohen, nichtlinearen Anstieg der Kondensatorladung wird die Zündung sowie der anschließenden Dauerbetrieb der Lampe bewirkt.
Es ist bevorzugt, daß die ferroelektrische Keramik Ba(Til-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen enthält.
Ba(Til-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen ist ein ferroelektrisches Material mit den geforderten nichtlinearen Eigenschaften. In Ba(Til-xZrx)O3-Mischkristallkeramiken bewirken kleine Zusätze von Donator/Akzeptor-Kombinationen hohe Werte für die remanente Polarisation Pr und die Dielektrizitätskonstante ε r. Außerdem besitzen diese Donator/Akzeptor-dotierten Ba(Til-xZrx)O3-Keramiken rechteckige Hystereseschleifen.
Es ist bevorzugt, daß die Donator/Akzeptor-Kombinationen Mn3+ und W6+ oder Yb3+ und Nb5+ oder Yb3+ und Mo6+ oder Mg2+ und W6+ oder Mn3+ und Nb5+ oder Yb3+ und W6+ oder Mg2+ und Nb5+ oder Mn3+ und Dy3+, Ho3+, Er3+, Gd3+, Nd3+, Y3+ enthalten.
Diese Donator/Akzeptor-Kombinationen bewirken eine besonders starke Steigerung für die Werte der Dielektrizitätskonstanten ε r und der remanenten Polarisation Pr.
Es ist auch bevorzugt, daß der Gehalt an Zirkon in der ferroelektrischen Keramik x = 0.09 beträgt.
Durch den Zusatz von BaZrO3 zu BaTiO3 erniedrigen sich in Mischkristallen der Zusammensetzung Ba(Til-xZrx)O3 die Koerzitivfeldstärken auf Ec < 100 V/mm. Dies ist vorteilhaft, um bei einer Betriebsspannung von 220 V Einkoppelstrukturen in einer Dicke verwenden zu können, die eine ausreichende Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Bei einem Zirkon-Gehalt von x = 0.09 beträgt die Koerzitivfeldstärke Ec ≅ 70 V/mm und die Curietemperatur Tc ist mit 90 °C in einem Bereich, die noch über der Betriebstemperatur von Gasentladungslampen liegt.
Es ist weiterhin bevorzugt, daß das Verhältnis Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) zwischen 0.997 und 0.998 liegt.
In Perowskiten übt das atomare Verhältnis der Kationen einen großen Einfluß auf die Eigenschaften der Keramik aus. In der Mischkristallreihe Ba(Til-xZrx)O3 ist die Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten ε r in Abhängigkeit von Ec bzw. Tc am größten, wenn das atomare Verhältnis Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) geringfügig kleiner 1 ist.
Im folgenden soll die Erfindung anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispieles erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 eine longitudinale Seitenansicht einer beispielhaften Gasentladungslampe.
Gemäß Fig. 1 weist eine Gasentladungslampe ein röhrenförmiges Entladungsgefäß 1 beispielsweise aus Kalkglas auf, das eine Entladungszone 3 mit gasförmiger, ionisierbarer Füllung umschließt. Auf der inneren Oberfläche des Entladungsgefäßes 1 ist eine lumineszierende Schicht 2 aufgebracht. Die gasförmige, ionisierbare Füllung kann zum Beispiel Quecksilber und Argon enthalten. Einkoppelstrukturen 4 aus Ba(Til-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen sind in geeignetem Abstand an gegenüberliegenden Seiten des Entladungsgefäßes 1 in der Entladungszone 3 angebracht. Die Einkoppelstrukturen 4 sind jeweils mit einer Stromzuführung 5, beispielsweise einem Metallstift, verbunden. Über eine integrierte Ausströmöffnung 6 wird das Entladungsgefäß 1 evakuiert und befüllt. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die beiden Einkoppelstrukturen 4, die zusammen wie ein keramischer Plattenkondensator wirken, werden die in der Lampe liegenden Innenflächen aufgeladen. Der hohe, nichtlineare Anstieg der Kondensatorladung bewirkt die Zündung sowie den anschließenden Dauerbetrieb der Lampe.
Das ferroelektrische Material für die Einkoppelstrukturen 4 muß folgende Voraussetzungen erfüllen: hohe Werte für die remanente Polarisation Pr und die Dielektrizitätskonstante ε r, eine rechteckige Hystereseschleife, eine über der Betriebstemperatur der Lampe liegenden Curietemperatur Tc und eine unterhalb der Betriebsspannung von 220 V liegende Koerzitivfeldstärke Ec.
Ba(Til-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen ist ein Material mit den geforderten nichtlinearen Eigenschaften. Typische Akzeptor-Dotierungen stellen dabei Mn3+, Fe3+, Cr3+, Mg2+ und Lu3+ dar, die auf den Ti4+ - und Zr4+-Plätzen des Perowskitgitters eingebaut werden. Als Donatoren eignen sich Nb5+, W6+, Mo6+, Mo5+ auf den Ti4+ - und Zr4+-Plätzen und Y3+, Dy3+, Er3+, Nd3+ und Gd3+ auf den Ba2+-Plätzen. Besonders vorteilhaft erwiesen sich die Kombinationen Mn3+ und W6+ (3:1 bis 2:1) oder Yb3+ und Nb5+ (1.5:1) oder Yb3+ und Mo6+ (2.5:1) oder Mg2+ und W6+ (2.5:1) oder Mn3+ und Nb5+ (1.5:1 bis 1:1) oder Yb3+ und W6+ (2.5:1) oder Mg2+ und Nb5+ (1.5:1) oder Mn3+ und Dy3+, Ho3+, Er3+, Gd3+, Nd3+, Y3+ (1.5:1 bis 1:1).
Einfluß der Dotierungen in Ba(Ti0.91Zr0.09)O3 (Σ Verunreinigungen ≅ 750 ppm, Tsinter = 1450 °C, Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) = 0.9975)
Dotierung [mol%] ε r(Tc) ε r(Ec) Pr [µC/cm2] Ec [V/mm]
- 61000 760000 13 70
0.15 Mn3+ / 0.10 Nb5+ 85000 1300000 14 60
0.10 Mn3+ / 0.05 W6+ 90000 1500000 15 60
0.15 Mn3+ / 0.1 Y3+ 90000 1400000 15 60
0.15 Yb3+ / 0.1 Mo6+ 900000 1300000 15 60
0.15 Yb3+ / 0.005 W6+ 1100000 2000000 16 60
0.15 Mn3+ / 0.1 Mo3+ 95000 1500000 15 60
0.15 Mg2+ / 0.1 Nb5+ 120000 3000000 17 65
0.15 Mg2+ / 0.05 W6+ 120000 2800000 17 60
Auch der Gehalt an Zirkon, das Verhältnis der Kationen sowie die Sintertemperaturen der Herstellung, die Reinheit der Rohstoffe und die chemische Homogenität des ferroelektrischen Materials beeinflussen die Eigenschaften der Keramik.
Keramiken aus reinem BaTiO3 weisen Koerzitivfeldstärken von Ec > 100 V/mm auf. In Mischkristallen der Zusammensetzung Ba(Til-xZrx)O3 erniedrigen sich die Koerzitivfeldstärken auf Ec < 100 V/mm.
Die ferroelektrische Curietemperatur erniedrigt sich von Tc = 130 °C im reinen BaTiO3 bei Zugabe von BaZrO3 um 4 °C pro at.% Zr. Bei einem Zirkon-Gehalt von x = 0.09 beträgt die Koerzitivfeldstärke Ec ≅ 70 V/mm und die Curietemperatur Tc liegt bei ungefähr 90 °C.
In Perowskiten kann das Verhältnis der Kationen einen großen Einfluß auf die Eigenschaften nehmen. In BaTiO3 übt das atomare Verhältnis von Ba/Ti einen großen Einfluß auf die Sinterbarkeit und die dielektrischen Eigenschaften der Keramik aus. So entstehen bei Ba/Ti ≅ 1 feinkörnige Keramiken mit hoher Dielektrizitätskonstante ε r. In Mischkristallen der Zusammensetzung Ba(Ti0.91Zr0.09)O3 tritt eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten ε r in Abhängigkeit von Ec bzw. Tc auf, wenn das atomare Verhältnis geringfügig kleiner 1 ist.
Einfluß des atomaren Verhältnisses Ba/(Ti,Zr) in Ba(Ti0.91Zr0.09)O3 (Σ Verunreinigungen ≅ 750 ppm, Tsinter = 1450 °C)
Ba/(Ti,Zr) ε r(Tc) ε r(Ec)
0.999 28000 150000
0.998 53000 470000
0.997 61000 650000
0.995 45000 380000
0.990 38000 260000
Die Sintertemperaturen bei der Herstellung sowie die Reinheit der Rohstoffe und die chemische Homogenität des Mischkristalls Ba(Til-xZrx)O3 haben entscheidenden Einfluß auf die Höhe der Dielektrizitätskonstanten ε r sowie der remanenten Polarisation Pr und auf die Form der Hystereseschleife. Schon kleine Verunreinigungen oder unvollkommene Vermischung der Rohstoffe führen zu einer starken Erniedrigung der remanenten Polarisation Pr und zu schrägen Hystereseschleifen.
Einfluß der Rohstoffreinheit und der Sintertemperatur auf die Dielektrizitätskonstante ε r bei der Curietemperatur Tc und bei der Koerzitivfeldstärke Ec in Ba(Ti0.91Zr0.09)O3
Σ Verunreinigungen [ppm] Tsinter [°C] ε r(Tc) ε r(Ec)
5000 1325 16000 50000
5000 1450 22000 110000
750 1325 18000 70000
750 1450 36000 210000

Claims (5)

  1. Gasentladungslampe mit Einkoppelstrukturen (4) aus Keramik,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Einkoppelstrukturen (4) aus einer ferroelektrischen Keramik sind.
  2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die ferroelektrische Keramik Ba(Til-xZrx)O3 mit Dotierungen aus Donator/Akzeptor-Kombinationen enthält.
  3. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Donator/Akzeptor-Kombinationen Mn3+ und W6+ oder Yb3+ und Nb5+ oder Yb3+ und Mo6+ oder Mg2+ und W6+ oder Mn3+ und Nb5+ oder Yb3+ und W6+ oder Mg2+ und Nb5+ oder Mn3+ und Dy3+, Ho3+, Er3+, Gd3+, Nd3+, Y3+ enthalten.
  4. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Gehalt an Zirkon in der ferroelektrischen Keramik x = 0.09 beträgt.
  5. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Verhältnis Ba/(Ti,Zr,Dotierungen) zwischen 0.997 und 0.998 liegt.
EP00201149A 1999-04-07 2000-03-28 Gasentladungslampe Withdrawn EP1043751A1 (de)

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