EP1104933A2 - Gasentladungslampe mit Oxidemitter-Elektrode - Google Patents

Gasentladungslampe mit Oxidemitter-Elektrode Download PDF

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EP1104933A2
EP1104933A2 EP00204147A EP00204147A EP1104933A2 EP 1104933 A2 EP1104933 A2 EP 1104933A2 EP 00204147 A EP00204147 A EP 00204147A EP 00204147 A EP00204147 A EP 00204147A EP 1104933 A2 EP1104933 A2 EP 1104933A2
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EP
European Patent Office
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oxide
coating
gas discharge
discharge lamp
group
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00204147A
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English (en)
French (fr)
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EP1104933A3 (de
Inventor
Georg Dr. Philips Corp. Intel.Prop.GmbH Gärtner
Willem Jacobus Dr. Van Den Hoek
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 Intellectual Property and Standards GmbH
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
Application filed by Philips Intellectual Property and Standards GmbH, Philips Corporate Intellectual Property GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Publication of EP1104933A2 publication Critical patent/EP1104933A2/de
Publication of EP1104933A3 publication Critical patent/EP1104933A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01J61/067—Main electrodes for low-pressure discharge lamps
    • H01J61/0675—Main electrodes for low-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode

Definitions

  • the invention relates to a gas discharge lamp, in particular a low-pressure gas discharge lamp, equipped with an electrode that consists of a support and a coating an electron emitting material which is an alkaline earth metal oxide selected from the Group calcium oxide, strontium oxide and barium oxide, and an oxide of a rare earth metal contains, includes.
  • the generation of light in a gas discharge lamp is based on the ionization and the resulting one electrical discharge of the atoms of the filling gas of the lamp when an electrical Electricity flows through the lamp. Electrons become from the electrodes of the lamp emitted and accelerated so strongly by the electric field between the electrodes, that when they collide with the gas atoms, they can excite and ionize them. When the gas atoms return to their basic state and when recombining Electrons and ions become a more or less large part of the potential energy in Radiation converted.
  • the amount of electrons that can be emitted by the electrodes depends on the work function of the electrodes for electrons.
  • Tungsten in the Usually used as an electrode metal has a relatively high work function. Therefore the electrode metal is usually coated with a material whose task it is to improve the electron-emitting properties of the electrode metal.
  • Characteristic of the electron-emitting coating materials of electrodes It is in gas discharge lamps that they contain an alkaline earth metal, either in the Form of the alkaline earth metal oxide or an alkaline earth metal-containing starting compound (precursor) for the alkaline earth metal oxide.
  • Low-pressure gas discharge lamps of a conventional type are therefore usually with electrodes equipped with tungsten wires with an electron-emitting coating, contains the oxides of the alkaline earth metals calcium, strontium and barium.
  • a tungsten wire is used, for example, with the Carbonates of the alkaline earth metals coated in a binder preparation. While pumping and baking the lamp, the carbonates at temperatures of about 1000 ° C converted into the oxides. After this "burning off” the electrode delivers they already have a noticeable emission current, which, however, is still unstable. It follows in generally another activation process. The activation process makes it original non-conductive ionic lattice of alkaline earth oxides in an electronic semiconductor transformed. Here, donor-type impurities become in the crystal lattice of the oxides built-in. These defects consist essentially of elemental alkaline earth metal, e.g. B. from calcium, strontium or barium.
  • the electron emission of such electrodes is based on this impurity mechanism.
  • the activation process has the purpose of to create sufficient amount of excess elemental alkaline earth metal by that the oxides in the electron-emitting coating at a prescribed Heating power can deliver the maximum emission current.
  • the electrode coating namely, continually loses alkaline earth metal during the life of the lamp, partly because the electrode coating evaporates slowly, partly due to the ion current is sputtered in the lamp.
  • the elemental alkaline earth metal is produced by reducing the alkaline earth oxide on the tungsten wire always supplied again during operation of the lamp. This subsequent delivery comes to a standstill, however, when the tungsten wire passes through a high-resistance interface (interface) made of tungsten oxide, alkaline earth silicate or alkaline earth tungstate is passivated.
  • DE 1 021 482 describes a method for producing an oxide cathode for low-pressure discharge lamps known whose activating substance from a mixture of barium oxide, Strontium oxide and calcium oxide exist, which are formed during the formation of the cathode Decomposition of the alkaline earth carbonates used as a starting substance as a result of heating arise, the alkaline earth carbonate mixture consisting of an inactive additive of at least one oxide of the following elements: titanium, germanium, aluminum and other elements of Group III of the Periodic Table of the Elements, in particular the rare earth metals, is added in such an amount that the total amount of Additional oxides in the finished cathode are at most equal to the amount in the least amount of alkaline earth metal oxide used and the cathode by heating up a temperature below 1000 ° C, preferably 800 ° to 900 ° C, is formed.
  • This process has the advantage that the carbonates decompose rapidly at low temperatures and the lamp does not contain carbon dioxide gas.
  • a gas discharge lamp equipped with an electrode, which is a carrier made of an electrode metal selected from the group of tungsten and the alloys containing tungsten, and a first coating from one first electron-emitting material, which is an alkaline earth metal oxide selected from the group calcium oxide, strontium oxide and barium oxide, and a rare earth metal oxide, selected from the group scandium oxide, yttrium oxide and europium oxide in one proportion a contains from 0.1 to 10% by weight.
  • an electrode which is a carrier made of an electrode metal selected from the group of tungsten and the alloys containing tungsten
  • a first coating from one first electron-emitting material which is an alkaline earth metal oxide selected from the group calcium oxide, strontium oxide and barium oxide, and a rare earth metal oxide, selected from the group scandium oxide, yttrium oxide and europium oxide in one proportion a contains from 0.1 to 10% by weight.
  • the passivation of the electrode metal is reduced in such a gas discharge lamp. so that alkaline earth metal is released from the oxide over a longer period of time and the work function of the electrode remains low. This is the ignition phase shortened the lamp.
  • the addition of a rare earth metal oxide causes selected from the group scandium oxide, yttrium oxide and europium oxide in a proportion a contains from 0.1 to 10 wt .-%, a reduction in the evaporation of elemental Alkaline earth metal and therefore an extended service life.
  • the electrode has both high initial emission as well as sufficient elemental alkaline earth metal over the entire Lamp life. The availability of sufficient elemental alkaline earth metal causes high poisoning resistance to oxygen at the same time.
  • a second coating from a second electron-emitting Material which is an alkaline earth metal oxide selected from the group calcium oxide, strontium oxide and barium oxide, and a rare earth oxide selected from the group scandium oxide, Contains yttrium oxide and europium oxide in a proportion b of 2.0 to 20% by weight, is arranged.
  • a between the carrier and the first coating third coating of a noble metal selected from the group rhenium, cobalt, Nickel, ruthenium, palladium, rhodium, iridium, and platinum.
  • a noble metal selected from the group rhenium, cobalt, Nickel, ruthenium, palladium, rhodium, iridium, and platinum.
  • the first electron-emitting material is zirconium oxide contains. It can also be preferred that the second electron-emitting material Contains zirconium oxide.
  • the first electron-emitting substance is a Metal powder preparation from a metal, selected from the group aluminum, silicon, Titanium, zirconium, hafnium, tantalum, molybdenum, tungsten and their alloys, with a powder coating made of a noble metal, selected from the group rhenium, Cobalt, nickel, ruthenium, palladium, rhodium, iridium and platinum.
  • a metal selected from the group aluminum, silicon, Titanium, zirconium, hafnium, tantalum, molybdenum, tungsten and their alloys
  • a noble metal selected from the group rhenium, Cobalt, nickel, ruthenium, palladium, rhodium, iridium and platinum.
  • Fig. 1 shows schematically the generation of light in a fluorescent lamp.
  • Gas discharge lamps can be divided into low-pressure lamps and high-pressure lamps become. They differ in the type of discharge stabilization.
  • Fig. 1 shows a low-pressure discharge lamp with mercury filling, e.g. a fluorescent lamp.
  • a gas discharge lamp consists of a glass tube 1 in rod, ring or U shape.
  • the electrodes 2 are located at the ends of the tube Two-pin base 3.
  • the inside of the glass tube is provided with a fluorescent layer 4, whose chemical composition is the spectrum of light or its color certainly.
  • the glass tube contains a small amount Mercury or mercury vapor, which stimulates to glow under operating conditions, the Hg resonance line at a wavelength of 253.7 nm in the ultraviolet range emitted.
  • the UV radiation emitted excites the phosphors in the phosphor layer to emit light in the visible area 5.
  • the lamp further comprises means for igniting and for operating such.
  • a gas discharge lamp according to the invention contains an electron-emitting electrode, the one support made of an electrode metal and a first coating, the one contains electron-emitting substance.
  • the carrier made of an electrode metal usually consists of tungsten or one Tungsten alloy, possibly with a molybdenum core.
  • the carrier can be used as a Wire, spiral, spiral, shaped as a corrugated wire, tube, ring, plate or ribbon. He will generally heated directly by the flow of electricity.
  • the support can be made of an electrode metal additionally a coating of a precious metal selected from the group rhenium, Cobalt, nickel, ruthenium, palladium, rhodium, iridium, platinum. It preferably consists of a 0.1 to 2 ⁇ m thick iridium or rhenium layer.
  • the raw mass for the electron-emitting substance of a first is placed on the carrier Coating applied.
  • the carbonates of the alkaline earth metals selected from the group calcium, strontium and Barium
  • a rare earth oxide selected from the group scandium oxide, yttrium oxide and europium oxide in a proportion of 0.1 to 10 wt .-% mixed.
  • the weight ratio of calcium carbonate: strontium carbonate: barium carbonate equal to 1: 1.25: .6 or 1: 12: 22 or 1: 1.5. 2.5 or 1: 4: 6.
  • the mixture of alkaline earth oxides and rare earth metal oxide can be coprecipitated be prepared by making a solution of the alkaline earth metal nitrate a water soluble Compound of the rare earth metals is added, and then by adding sodium carbonate the alkaline earth carbonates and the rare earth oxides are precipitated.
  • the electron-emitting material may contain other components, e.g. B. zirconia.
  • a metal powder of the metals can be made from the electron-emitting material from the group aluminum, silicon, titanium, zircon, hafnium, tantalum, molybdenum, tungsten and their alloys with a metal from the group of rhenium, rhodium, palladium, Iridium and platinum coated with a powder coating of iridium, rhenium, rhodium, Platinum, palladium nickel and cobalt is provided.
  • A is preferred Metal powder with an average grain size of 2-3 ⁇ m with a thickness of 0.1 to 0.2 ⁇ m Powder coating used.
  • CVD processes can be used as powder coating processes how to use fluid bed CVD. This coated metal powder becomes the raw mass attached.
  • the raw mass can also be mixed with a binder. It is then through Brushing, dipping, cataphoretic deposition or spraying are applied to the carrier.
  • a second electrode coating can be provided between the carrier and the first electrode coating be arranged, which are made of a second electron-emitting material, an alkaline earth metal oxide selected from the group calcium oxide, strontium oxide and barium oxide, and a rare earth oxide selected from the group scandium oxide, Contains yttrium oxide and europium oxide in a proportion b of 2.0 to 20 wt .-%.
  • the second electron-emitting material can also be zirconium oxide or Metal powder of the metals from the group aluminum, silicon, titanium, zircon, hafnium, Tantalum, molybdenum, tungsten and their alloys with a metal from the group Rhenium, rhodium, palladium, iridium and platinum, which are made with a powder coating Iridium, rhenium, rhodium, platinum, palladium nickel and cobalt is included.
  • the coated electrodes are melted into the lamp ends.
  • the electrodes are formed while the lamp is being evacuated and filled.
  • the electrode wire is heated to a temperature of 1000 ° C to 1200 ° C by direct current passage.
  • the alkaline earth carbonates are converted to the alkaline earth oxides with the release of CO and CO 2 and then form a porous sintered body.
  • the activation takes place, the purpose of which is to supply excess elemental barium embedded in the oxides.
  • the excess barium is created by reducing barium oxide.
  • barium oxide is reduced by the released CO or the carrier metal.
  • there is a current activation which enables the creation of the required free barium through electrolytic processes at high temperatures.
  • the oxides When the lamp is operating, the oxides then slowly evaporate under ion bombardment in the focal spot.
  • a triple-wound tungsten wire is coated with iridium with a layer thickness of 1.0 ⁇ m.
  • iridium with a layer thickness of 1.0 ⁇ m.
  • 3% by weight of scandium oxide powder with an average grain size of 2 ⁇ m and 3% by weight of zirconium metal is added to a triple carbonate mixture of BaCO 3 : SrCO 3 : CaCO 3 in a ratio of 1.6: 1.25: 1 and processed into a suspension with butyl acetate and nitrocellulose. This suspension is used to coat the coated tungsten wire, which is then inserted into a lamp bulb and heated to 1000 ° C.
  • the carbonates of the alkaline earth metals change into their Oxides and the zirconium metal in zirconium oxide. This burn-in process can connect another activation process.
  • Such a lamp has a long service life, a shortened ignition phase, a low one Work function of 1.42 eV and an electrical conductivity improved by a factor of 2.
  • 3 wt .-% yttrium oxide powder with an average grain diameter of 2.5 microns is mixed with a triple carbonate of BaCO 3 : SrCO 3 : CaCO 3 in a ratio of 2.5: 1.5: 1, suspended with butyl acetate and nitrocellulose and spread on a double-coiled tungsten wire, which is then inserted into a lamp bulb and heated to 1000 ° C.
  • This burn-in process can be followed by an activation process.
  • Such a lamp is characterized by an extended service life and increased resistance to poisoning.
  • An electron-emitting mass is produced from a triple carbonate of Ba-CO 3 : SrCO 3 : CaCO 3 in a ratio of 6: 4: 1, to which 0.02% by weight of europium oxide powder is added by coprecipitation, and a further 3% by weight of europium oxide an average grain diameter of 4.0 ⁇ m.
  • the mixture is suspended with butyl acetate and nitrocellulose and spread on a triple-wound tungsten wire, which is then inserted into a lamp bulb and heated to 1000 ° C. This burn-in process can be followed by an activation process.
  • Such a lamp is characterized by an extended service life, increased resistance to poisoning and robust behavior when switched quickly.

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Abstract

Eine Gasentladungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall, ausgewählt aus der Gruppe des Wolframs und der wolframhaltigen Legierungen, und eine erste Beschichtung aus einem ersten elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, und ein Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil a von 0.1 bis 10 Gew.-% enthält, umfasst, zeichnet sich durch eine verlängerte Lebensdauer, eine erhöhte Vergiftungsresistenz und robustes Verhalten bei schnellem Schalten sowie eine kurze Zündphase aus. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Niederdruckgasentladungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger und eine Beschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, und ein Oxid eines Seltenerdmetalls enthält, umfasst.
Die Lichterzeugung in einer Gasentladungslampe beruht auf der Ionisation und der resultierenden elektrischen Entladung der Atome des Füllgases der Lampe, wenn ein elektrischer Strom die Lampe durchfließt. Von den Elektroden der Lampe werden Elektronen emittiert und durch das elektrische Feld zwischen den Elektroden so stark beschleunigt, dass sie beim Zusammenstoß mit den Gasatomen diese anregen und ionisieren können. Bei der Rückkehr der Gasatome in ihren Grundzustand sowie bei der Rekombination von Elektronen und Ionen wird ein mehr oder weniger großer Teil der potentiellen Energie in Strahlung umgewandelt.
Die Menge der Elektronen, die von den Elektroden emittiert werden können, hängt von der Austrittsarbeit (work function) der Elektroden für Elektronen ab. Wolfram, das in der Regel als Elektrodenmetall verwendet wird, hat eine relativ hohe Austrittsarbeit. Deshalb wird das Elektrodenmetall üblicherweise noch mit einem Material beschichtet, dessen Aufgabe es ist, die elektronenemittierenden Eigenschaften des Elektrodenmetalls zu verbessern. Charakteristisch für die elektronenemittierenden Beschichtungsmaterialien von Elektroden in Gasentladungslampen ist es, dass sie ein Erdalkalimetall enthalten, entweder in der Form des Erdalkalimetalloxids oder einer erdalkalimetallhaltigen Ausgangsverbindung (precursor) für das Erdalkalimetalloxid.
Niederdruckgasentladungslampen konventioneller Art sind somit in der Regel mit Elektroden ausgestattet, die aus Wolframdrähten mit einer elektronenemittierenden Beschichtung, die Oxide der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium enthält, bestehen.
Um eine solche Elektrode herzustellen, wird ein Wolframdraht beispielsweise mit den Carbonaten der Erdalkalimetalle in einer Bindemittelzubereitung beschichtet. Während des Auspumpens und Ausheizens der Lampe werden die Carbonate bei Temperaturen von etwa 1000°C in die Oxide umgewandelt. Nach diesem "Abbrennen" der Elektrode liefert sie bereits einen merklichen Emissionsstrom, der allerdings noch instabil ist. Es folgt im allgemeinen noch ein Aktivierungsprozess. Durch den Aktivierungsprozess wird das ursprünglich nichtleitende Ionengitter der Erdalkalioxide in einen elektronischen Halbleiter verwandelt. Dabei werden Störstellen vom Donator-Typ in das Kristallgitter der Oxide eingebaut. Diese Störstellen bestehen im wesentlichen aus elementarem Erdalkalimetall, z. B. aus Calcium, Strontium oder Barium. Die Elektronenemission derartiger Elektroden basiert auf diesem Störstellenmechanismus. Der Aktivierungsprozess hat den Zweck, eine genügende Menge von überschüssigem, elementarem Erdalkalimetall zu schaffen, durch das die Oxide in der elektronenemittierenden Beschichtung bei einer vorgeschriebenen Heizleistung den maximalen Emissionsstrom liefern können.
Wichtig für die Funktion dieser Elektroden und die Lebensdauer der Lampe ist es, dass immer wieder erneut elementares Erdalkalimetall zur Verfügung steht. Die Elektrodenbeschichtung verliert nämlich während der Lebensdauer der Lampe ständig Erdalkalimetall, weil die Elektrodenbeschichtung insgesamt teils langsam verdampft, teils durch den Ionenstrom in der Lampe abgesputtert wird.
Das elementare Erdalkalimetall wird durch Reduktion des Erdalkalioxids am Wolframdraht während des Betriebs der Lampe zunächst immer wieder nachgeliefert. Diese Nachlieferung kommt jedoch zum Stillstand, wenn der Wolframdraht mit der Zeit durch eine hochohmige Trennschicht (interface) aus Wolframoxid, Erdalkalisilikat oder Erdalkaliwolframat passiviert wird.
Aus DE 1 021 482 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Oxidkathode für Niederdruck-Entladungslampen bekannt, deren aktivierender Stoff aus einem Gemisch von Bariumoxid, Strontiumoxid und Calciumoxid besteht, welche bei der Formierung der Kathode durch Zersetzung der als Ausgangssubstanz verwendeten Erdalkalicarbonate infolge Erhitzung entstehen, wobei dem Erdalkalicarbonatgemisch ein nicht aktiver Zusatzstoff, bestehend aus mindestens einem Oxid der folgenden Elemente: Titan, Germanium, Aluminium und anderer Elemente der Gruppe III des Periodischen Systems der Elemente, insbesondere der seltenen Erdmetalle, zugesetzt wird, in einer solchen Menge, dass die Gesamtmenge der Zusatzoxide in der fertigformierten Kathode höchstens gleich ist der Menge des in der geringsten Menge verwendeten Erdalkalimetalloxids und die Kathode durch Erhitzung auf eine Temperatur unterhalb 1000°C, vorzugsweise 800° bis 900°C, formiert wird. Dies Verfahren hat den Vorteil, dass die Carbonate rasch bei niedrigen Temperaturen zersetzt werden und die Lampe kein Kohlensäuregas enthält.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasentladungslampe, die eine verlängerte Lebensdauer und einen verbesserten Emissionsstrom hat, zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Gasentladungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall, ausgewählt aus der Gruppe des Wolframs und der wolframhaltigen Legierungen, und eine erste Beschichtung aus einem ersten elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, und ein Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil a von 0.1 bis 10 Gew.-% enthält, umfasst.
In einer derartigen Gasentladungslampe ist die Passivierung des Elektrodenmetalls vermindert, so dass Erdalkalimetall über einen längeren Zeitraum hinweg aus dem Oxid freigesetzt wird und die Austrittsarbeit der Elektrode niedrig bleibt. Dadurch ist die Zündphase der Lampe verkürzt. Gleichzeitig bewirkt der Zusatz von einem Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil a von 0.1 bis 10 Gew.-% enthält, eine Verminderung der Abdampfung von elementarem Erdalkalimetall und damit eine verlängerte Lebensdauer. Die Elektrode hat sowohl eine hohe Anfangsemission als auch ausreichend elementares Erdalkalimetall über die gesamte Lebensdauer der Lampe. Die Verfügbarkeit von ausreichend elementarem Erdalkalimetall bewirkt gleichzeitig eine hohe Vergiftungsresistenz gegenüber Sauerstoff.
Diese vorteilhaften Wirkungen sind noch verstärkt, wenn zwischen dem Träger und der ersten Beschichtung eine zweite Beschichtung aus einem zweiten elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, und ein Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil b von 2.0 bis 20 Gew.-% enthält, angeordnet ist.
Besonders vorteilhafte Wirkungen werden erreicht, wenn Anteil a < Anteil b ist.
Es kann auch bevorzugt sein, dass zwischen dem Träger und der ersten Beschichtung eine dritte Beschichtung aus einem Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, und Platin, angeordnet ist. Eine derartige Gasentladungslampe hat eine verkürzte Zündphase, die darin enthaltene Elektrode eine verbesserte Leitfähigkeit.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass das erste elektronenemittierende Material Zirkonoxid enthält. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass das zweite elektronenemittierende Material Zirkonoxid enthält.
Außerdem kann es bevorzugt sein, dass die erste elektronenemittierende Substanz eine Metallpulverzubereitung aus einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silizium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung aus einem Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin, umfasst. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einer Figur und vier Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch die Lichterzeugung in einer Leuchtstofflampe.
Gasentladungslampen können in Niederdrucklampen und in Hochdrucklampen eingeteilt werden. Unterscheiden tun sie sich in der Art der Stabilisierung der Entladung. Fig. 1 zeigt beispielhaft eine Niederdruck-Entladungslampe mit Quecksilberfüllung, d.h. eine Leuchtstofflampe. Eine solche Gasentladungslampe besteht aus einem Glasrohr 1 in Stab-, Ring oder U-Form. An den Enden des Rohrs befinden sich die Elektroden 2. Als Anschluss dienen Zweistiftsockel 3. Die Innenseite des Glasrohrs ist mit einer Leuchtstoffschicht 4 versehen, deren chemische Zusammensetzung das Spektrum des Lichts bzw. dessen Farbton bestimmt. Das Glasrohr enthält neben einer Edelgasfüllung aus Argon eine geringe Menge Quecksilber bzw. Quecksilberdampf, der unter Betriebsbedingungen zum Leuchten angeregt, die Hg-Resonanzlinie bei einer Wellenlänge von 253,7 nm im Ultraviolettbereich emittiert. Die ausgesendete UV-Strahlung regt die Leuchtstoffe in der Leuchtstoffschicht zur Emission von Licht im sichtbaren Bereich 5 an.
Die Lampe umfasst weiterhin Mittel zum Zünden und zum Betreiben, z. B. eine Drosselspule und einen Starter.
Eine Gasentladungslampe nach der Erfindung enthält eine elektronenemittierende Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Beschichtung, die eine elektronenemittierende Substanz enthält, umfasst.
Der Träger aus einem Elektrodenmetall besteht üblicherweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, gegebenenfalls mit einer Molybdänseele. Der Träger kann als ein Draht, Wendel, Spirale, als Welldraht, Rohr, Ring, Platte oder Band geformt sein. Er wird im allgemeinen direkt durch den Stromfluss geheizt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann auf dem Träger aus einem Elektrodenmetall zusätzlich eine Beschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet sein. Bevorzugt besteht sie aus einer 0.1 bis 2 µm dicken Iridium- oder Rheniumschicht.
Auf den Träger wird die Rohmasse für die elektronenemittierende Substanz einer ersten Beschichtung aufgebracht. Zur Herstellung der Rohmasse für diese Beschichtung werden die Carbonate der Erdalkalimetalle, ausgewählt aus der Gruppe Calcium, Strontium und Barium, mit einem Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil a von 0.1 bis 10 Gew.-% gemischt. Typischerweise ist das Gewichtsverhältnis von Calciumcarbonat : Strontiumcarbonat : Bariumcarbonat gleich 1 : 1.25 : .6 oder 1 : 12 : 22 oder 1 : 1.5. 2.5 oder 1 : 4 : 6.
Alternativ kann das Gemisch aus Erdalkalioxiden und Seltenerdmetalloxid durch Copräzipitation hergestellt werden, indem einer Lösung der Erdalkalinitrate eine wasserlösliche Verbindung der Seltenerdmetalle zugefügt wird, und dann durch Zugabe von Natriumcarbonat die Erdalkalicarbonate und die Seltenerdmetalloxide gefällt werden.
Das elektronenemittierenden Material kann weitere Komponenten enthalten, z. B. Zirkonoxid.
Weiterhin kann dem elektronenemittierenden Material ein Metallpulver der Metalle aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen mit einem Metall aus der Gruppe Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin, das mit einer Pulverbeschichtung aus Iridium, Rhenium, Rhodium, Platin, Palladium Nickel und Kobalt versehen ist, beigefügt werden. Bevorzugt wird ein Metallpulver mit einer mittleren Korngröße von 2-3 µm mit einer 0.1 bis 0.2 µm dicken Pulverbeschichtung verwendet. Als Pulverbeschichtungsverfahren können CVD-Verfahren wie Fluid-Bed-CVD eingesetzt werden. Dieses beschichtete Metallpulver wird der Rohmasse beigefügt.
Die Rohmasse kann noch mit einem Bindemittel gemischt werden. Sie wird dann durch Pinseln, Tauchen, kataphoretische Abscheidung oder Sprühen auf den Träger aufgebracht.
Zwischen dem Träger und der ersten Elektrodenbeschichtung kann eine zweite Elektrodenbeschichtung angeordnet sein, die aus einem zweiten elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, und ein Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil b von 2.0 bis 20 Gew.-% enthält, besteht.
Auch das zweite elektronenemittierende Material kann zusätzlich Zirkonoxid oder ein Metallpulver der Metalle aus der Gruppe Aluminium, Silizium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen mit einem Metall aus der Gruppe Rhenium, Rhodium, Palladium, Iridium und Platin, das mit einer Pulverbeschichtung aus Iridium, Rhenium, Rhodium, Platin, Palladium Nickel und Kobalt versehen ist, enthalten.
Die beschichteten Elektroden werden in die Lampenenden ein geschmolzen. Während des Evakuierens und Füllens der Lampe werden die Elektroden formiert. Der Elektrodendraht wird durch direkten Stromdurchgang auf eine Temperatur von 1000°C bis 1200°C erhitzt. Bei dieser Temperatur werden die Erdalkalicarbonate zu den Erdalkalioxiden unter Freisetzung von CO und CO2 umgesetzt und bilden dann einen porösen Sinterkörper. Nach diesem "Abbrennen" der Elektroden erfolgt die Aktivierung, die den Zweck hat, überschüssiges, in die Oxide eingelagertes, elementares Barium zu liefern. Das überschüssige Barium entsteht durch Reduktion von Bariumoxid. Bei der eigentlichen Reduktionsaktivierung wird Bariumoxid durch das freigesetzte CO oder das Trägermetall reduziert. Hinzu kommt eine Stromaktivierung, die die Schaffung des erforderlichen freien Bariums durch elektrolytische Vorgänge bei hohen Temperaturen ermöglicht.
Beim Betrieb der Lampe verdampfen die Oxide dann langsam unter dem Ionenbombardement im Brennfleck.
Ausführungsbeispiel 1
Ein dreifach gewendelter Wolframdraht wird mit Iridium mit einer Schichtdicke von 1.0 µm beschichtet. Für die elektronenemittierende Beschichtung wird 3 Gew.-% Scandiumoxidpulver mit einer mittleren Korngröße von 2 µm und 3 Gew.-% Zirkonmetall zu einem Tripelcarbonat-Gemisch aus BaCO3: SrCO3: CaCO3 im Verhältnis von 1.6 : 1.25 : 1 zugefügt, gemischt und mit Butylacetat und Nitrocellulose zu einer Suspension verarbeitet. Mit dieser Suspension wird der beschichtete Wolframdraht bestrichen, der dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt wird.
Beim Ausheizen der Elektrode verwandeln sich die Carbonate der Erdalkalimetalle in deren Oxide und das ZIrkonmetall in Zirkonoxid um. Diesem Einbrennprozess kann sich noch ein Aktivierungsprozess anschließen.
Eine derartige Lampe hat eine lange Lebensdauer, eine verkürzte Zündphase, eine niedrige Austrittsarbeit von 1.42 eV und eine um den Faktor 2 verbesserte elektrische Leitfähigkeit.
Ausführungsbeispiel 2
5 Gew.-% Scandiumoxid wird einem Tripelcarbonat aus BaCO3 : SrCO3 : CaCO3 im Verhältnis von 22 : 12 : 1 beigemischt, mit Butylacetat und Nitrocellulose suspendiert und auf einen zweifach gewendelten Wolframdraht aufgestrichen, der dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt wird. Diesem Einbrennprozess kann sich noch ein Aktivierungsprozess anschließen.
Ausführungsbeispiel 3
3 Gew.-% Yttriumoxidpulver mit einem mittleren Korndurchmesser von 2.5 µm wird einem Tripelcarbonat aus BaCO3 : SrCO3 : CaCO3 im Verhältnis von 2.5 : 1.5 : 1 beigemischt, mit Butylacetat und Nitrocellulose suspendiert und auf einen zweifach gewendelten Wolframdraht aufgestrichen, der dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt wird. Diesem Einbrennprozess kann sich noch ein Aktivierungsprozess anschließen. Eine derartige Lampe zeichnet sich durch eine verlängerte Lebensdauer und eine erhöhte Vergiftungsresistenz aus.
Ausführungsbeispiel 4
Eine elektronenemittierende Masse wird hergestellt aus das einem Tripelcarbonat aus Ba-CO3 : SrCO3 : CaCO3 im Verhältnis von 6 : 4 : 1, dem 0.02 Gew.-% Europiumoxidpulver durch Kopräzipitation beigefügt sind, und weiteren 3 Gew.-% Europiumoxid mit einem mittleren Korndurchmesser von 4.0 µm. Die Mischung wird mit Butylacetat und Nitrocellulose suspendiert und auf einen dreifach gewendelten Wolframdraht aufgestrichen, der dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt wird. Diesem Einbrennprozess kann sich noch ein Aktivierungsprozess anschließen. Eine derartige Lampe zeichnet sich durch eine verlängerte Lebensdauer, eine erhöhte Vergiftungsresistenz aus und robustes Verhalten bei schnellem Schalten aus.

Claims (7)

  1. Gasentladungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall, ausgewählt aus der Gruppe des Wolframs und der wolframhaltigen Legierungen, und eine erste Beschichtung aus einem ersten elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariurnoxid, und ein Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil a von 0.1 bis 10 Gew.-% enthält, umfasst.
  2. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen dem Träger und der ersten Beschichtung eine zweite Beschichtung aus einem zweiten elektronenemittierenden Material, das ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, und ein Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Scandiumoxid, Yttriumoxid und Europiumoxid in einem Anteil b von 2.0 bis 20 Gew.-% enthält, angeordnet ist.
  3. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Anteil a < Anteil b ist.
  4. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen dem Träger und der ersten Beschichtung eine dritte Beschichtung aus einem Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, und Platin, angeordnet ist.
  5. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das erste elektronenemittierende Material Zirkonoxid enthält.
  6. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zweite elektronenemittierende Material Zirkonoxid enthält.
  7. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die erste elektronenemittierende Substanz eine Metallpulverzubereitung aus einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silizium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung aus einem Edelmetall, ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin, umfasst.
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