JP2006261119A - 高輝度放電ランプ用のスロット付き電極 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度放電ランプにおいて、先端面積を増大することにより、定常状態のメンテナンス性を改善し、かつスポット付着を伴わず、良好な始動メンテナンス性を実現する電極を提供すること。
【解決手段】前記課題は高輝度放電ランプを、電極ヘッドの１つまたは複数の外面に設けられたグロー発生凹部とともに形成することによって解決される。
【選択図】図１

Description

本発明は電気ランプに関し、詳細には高輝度放電ランプに関する。さらに詳細には、本発明は高輝度放電ランプで使用するための電極に関する。

アーク放電ランプは通常、ロッドの内側端部に形成された中実のヘッドを有する電極を備えている。たとえば、多くのメタルハライド高輝度放電ランプでは、コイルが捲回された真っ直ぐなタングステンを有する電極が使用され、これによってヘッドが形成されている。動作中は、この捲回されたヘッドが比較的大きな面積を提供して、これから熱電子が放出される。このようにして、より低い温度で動作するより長寿命の電極が実現される。しかし不都合なことに、この中実のヘッドを初期に加熱するのは困難であり、ランプ始動が悪化することがある。捲回されたヘッドが過度に大きいと、高温のスポットモードのアーク付着が発生し、とりわけエミッタ材料が使用されていない場合、ランプの定常動作が劣化してしまう。また、コイル捲回された電極の性能の変動性は大きく、これは、ロッドとコイルとの間の熱結合が変動しやすいことに起因すると考えられている。これらの作用はすべて、電極の過度な蒸発およびスパッタリングを引き起こす。蒸発された電極材料はアーク管壁を黒化するので、良好な始動特性および良好な熱制御を実現する電極が必要である。

始動を改善して電極ヘッドの温度を低減する１つの手段に、電極にトリアを含有する手段がある。トリア含有の電極をメタルハライドの高輝度放電（ＨＩＤ）ランプで使用すると非常に良好な色が実現され、小さい容量で高効率が得られ、かつ電極の寿命が８０００〜２００００時間に達する。典型的にはこのような長寿命または高メンテナンス性は、電極にトリアエミッタをドープすることによって実現される。こうすることにより、電極の仕事関数が低減され、電極温度が低減される。しかし、トリアは環境上望ましくないと見なされている。トリアを取り除くことは、とりわけ電極が始動時および交流電流（ＡＣ）の定常動作中に、それによって発生する蒸発のために良好に作用しなければならない、メタルハライドランプを使用する一般的な照明アプリケーションでは困難である。したがって、良好な始動特性かつ良好な定常状態特性を有するトリアフリーの電極が必要とされている。

トリアフリー電極を使用して長寿命を実現するための最も一般的なアプローチは、通常のコイル捲回された電極構成を使用するが、エミッタ材料を使用しないことである。このような電極は、タングステンコイルが捲回されたタングステンロッドから成る。このタングステンコイルは、通常はタングステンロッドの先端近傍に捲回されている。陰極フェーズには、コイルの付加的な表面領域が付加的なアーク付着領域を形成し、これによって電極は、拡散的な付着モードで動作する。このことによって先端温度が低減される。というのも、所要電流を供給するのに必要とされる熱イオン放出が低減するからである。陽極フェーズでは先端温度は主に、高温プラズマ電子と電極のバルク金属との再結合からの熱の入力の均衡状態と、電極のステムの下方における放射損失および伝導損失とによって決定される。始動フェーズの最初の数秒の間に、コイルはグローフェーズおよび後続の熱イオンフェーズのための付着領域も形成する。トリアフリーの電極は、希土類／アルカリ性のメタルハライド充填物が使用される場合には、とりわけセラミックアーク管によって有利なパフォーマンスを提供することが実証されており、このことは希土類またはアルカリの蒸気がエミッタ物質として作用するためと考えられる。しかし、トリアエミッタなしで、広い範囲のメタルハライド充填物およびランプの種類にわたって電極の先端温度が比較的低い電極が非常に望まれている。

しかし、トリアフリーの電極のためのコイルおよびロッドの構成は多くの欠点を有する。最も重要な問題は、コイル‐ロッドシステムは大きな先端面積にあまり適していないということである。第１に、コイル巻線とコイルとロッドとの間の熱の接触面が不足していると、とりわけ部品が大きい場合、熱が効率的に伝達されない。その際、この接触面が局所的な加熱領域を引き起こすことがある。比較的高温の領域からの熱イオン放出が増加すると、局所的な熱流束が増大し、不所望のスポットアーク付着が発生してしまう。この動作モードは、タングステン電極においてエミッタなしで、非常に高い局所的な温度を有し、電極材料が過度に蒸発し、アークのフリッカが発生する。

大きなコイルに関する第２の問題は、始動が緩慢であることだ。中実のコイルおよびロッドへのパワー蓄積は、良好な熱イオン放出を発生するのに十分に高い値まで先端温度を急速に上げるのに十分な大きさではない。中実の電極コイルによって、グローステージに放電が残ることがある。このことはとりわけ、グロー‐アーク移行温度を低減するためにエミッタがない場合に問題である。ＵＳ６６１４１８７に、ロッドに対して良好なコンタクトが設けられたコイル構成を有する短いアーク水銀ランプが開示されている。ここでは、コイルの第２の部分はロッドに接触していない。この構成によってグロー‐アーク移行が改善され、始動時のロッドへの熱イオン放出の伝達が改善される。しかし、このコイル構成は複雑であり、ロッドとコイルとの間でタングステン粉末を焼結または溶融するステップと、段階的なコイル直径を形成する特別なコイル捲回ステップとを必要とする。

トリアフリー電極に関する別の構成も開示されている。ここでは、択一的な非放射性のエミッタ材料が使用される。RademacherによるＵＳ５１７１２５３１に、酸化ランタンエミッタを２０００Ｗのメタルハライドランプで使用することが記載されている。このエミッタは、多くの発光メタルハライド充填物と併用すると化学的に不安定であり、トリアよりも格段に急速に蒸発するので、長寿命の一般的な照明アプリケーションでは条件付きでしか使用できない。このエミッタはペレットとして供給され、電極コイルで包囲しなければならず、コストおよび複雑さが上昇してしまう。PollardによるＵＳ３９１６２４１には、先端に凹部が使用され、これによって水銀アークランプでは、エミッタ材料のディスペンサーが形成される。トリアフリーエミッタをメタルハライド放電ランプで使用すると、Rademacherと同じ欠点が生じ、凹部はエミッタを、放電ストリームによる直接的な接触から保護するためだけに使用される。DaemenによるＵＳ６０４６５４４には、３成分のエミッタが開示されている。ここではエミッタ材料は、焼結された電極またはペレットとして供給される。Daemenの記述によれば、蒸発の劣化が発生するので、焼結形態は多くのアプリケーションで有用ではない。ペレット形態もまた、該ペレットを指示するための付加的な構造体を必要とする。

いかなる付加的なエミッタ材料も有さない異なる電極構造をベースとする非放射性の電極に関するアプローチが、TheodorusによるＷＯ０１／８６６９３、YoshiharuによるＥＰ１０５６１１５、HaackeによるＷＯ０３／０６０９７４およびEggersによるＵＳ６４３７５０９に開示されている。Theodorusは、エミッタフリーのタングステン材料を使用することを開示している。ここでは第２のタングステンフィラメントコイルは、１次的な先端コイルによって完全に封入されており、これによってエミッタ材料を使用しない始動が支援される。この構成では、１次的なコイルの封入空間に起因してタングステンのスパッタリングが低減される。この構成によって始動時のメンテナンス性が向上されるが、製造の複雑さと、コイル先端に関する基本的な点は、解決されていない。

Yoshiharu特許では、コイルを中実のエミッタフリーのタングステンシリンダに置換することによる標準的なロッドおよびコイル電極の改善手段が開示されている。このタングステンシリンダは、ロッドに溶接されている。Yoshiharuによる電極は、大面積の最適な先端面積を実現することができない。というのも、このような大きな電極質量体を始動フェーズ中に加熱すると、長い電極表面にわたって長いグロー‐アーク移行が発生してしまうからである。このことはタングステンの過度なスパッタリングを引き起こし、これによってランプが黒化される。Haackeは、自動車用の放電ランプのための同様の電極を開示している。この電極は、大きな中実のヘッドを有する。この構成では、ヘッドは部分的に水晶アーク管に溶融されている。この構成によって、自動車アプリケーションにおける高電流の瞬時の光の要件の間に過熱が発生するのが防止されるが、高電力の一般的な照明シチュエーションには未だ適合できず、グロー‐アーク移行は困難である。さらに、自動車用のＨＩＤランプは非常に高い圧力で動作し、これによって壁の黒化が低減される。自動車用のＨＩＤランプの寿命要件は、一般的な照明用のＨＩＤランプより低い。Eggersは、単独または多重の中実の冷却体を使用してタングステンロッドを包囲し、該中実の冷却体がタングステンロッドにレーザ溶接されている構成が開示されている。しかし、ランプおよび電極の特別な条件が満たされなければ、先端面積が大きい条件では、Eggersによる構造は、始動に関して同様の問題を有する。Eggersに類似する冷却構造が、AltmannによるＵＳ６２１１６１５にも開示されている。しかしここでも、始動を改善するために必要なランプおよび電極の特別な条件に関する記述はない。さらに、これらの開示文献はすべて、スポット付着を伴わない定常状態のメンテナンス性を改善するために必要な、電極、ランプおよびバラストの特別な条件は開示されていない。

したがって、先端面積を増大することにより、定常状態のメンテナンス性を改善し、かつスポット付着を伴わず、良好な始動メンテナンス性を実現する電極を提供しなければならない。このことはとりわけ、比較的高電流の電極に当てはまる。さらに、最適なパフォーマンスの電極は、製造の変動性が低減されるという利点を有し、コンピュータシミュレーションによる最適化のために簡単な構造を有しなければならない。また、良好な寿命を有し、調光動作モード時のメンテナンス性が良好である電極を実現しなければならない。

前記課題は高輝度放電ランプを、電極ヘッドの１つまたは複数の外面に設けられたグロー発生凹部とともに形成することによって解決される。

高輝度放電ランプは、電極ヘッドの１つまたは複数の外面に設けられたグロー発生凹部とともに形成される。該高輝度放電ランプは、封入容量を定義する壁を有する透光性のランプエンベロープが備えられた標準的な構造とすることができる。少なくとも１つの電極アセンブリが封入されており、該高輝度放電ランプの外側からランプエンベロープ壁を貫通して延在し、該電極アセンブリの内側端部で封入容量に露出されている。発光ランプ充填物も、不活性充填ガスとともに封入されている。電極の内側端部は、最小スパン寸法ＳおよびＤの凹部深度を有する凹部によって形成される。ここでＳは、始動のグロー放電フェーズにわたって、選択された充填ガスの組成および圧力（低温）において、電子イオン化の平均自由経路より大きく、かつ陰極降下距離の２倍＋負のグロー距離より小さい。電極の凹部スパン間隔Ｓは、凹部深度Ｄより小さい。電極の内側端部（ヘッド）の外径ｄ_ｈは、可能な限り大きく形成される。これによって電極の先端温度が低減され、タングステンが該高輝度放電ランプの定常動作中に蒸発してランプエンベロープの内壁に付着するのが低減される。ヘッド直径ｄ_ｈとヘッド熱伝導度ｋ_ｈとの積と、シャフト直径ｄ_ｓとシャフト熱伝導度ｋ_ｓとの積との比を１より格段に大きくすることにより、不所望に高いスポットアーク付着温度への移行が回避され、ランプのメンテナンス性がより高くなる。

図１に、アーク放電ランプ１０の断面が示されている。始動時および定常状態時のメンテナンス性が改善された高輝度放電ランプ１０は、透光性のランプエンベロープ１２から作製される。このランプエンベロープ１２は、封入容量１６を定義する壁１４を有する。少なくとも１つの電極アセンブリ１８が封入されており、エンベロープ１２の外側からランプ壁１４を貫通して、該電極アセンブリの内側端部で封入容量１４に露出されている。エンベロープ容量１６には、不活性充填ガスを含むランプ充填物２０も封入されている。この充填ガスは、単位Ｐａで表されるｐの低温充填圧力を有する。電極アセンブリ１８は、１つまたは複数のグロー放電誘起凹部２４が設けられたヘッド２２によって形成された内側端部を有する。このグロー放電誘起凹部は、最小スパン寸法ＳおよびＤの凹部深度を有する。

エンベロープ１２は、当該分野で公知の透光性の材料から形成される。この透光性の材料は、たとえば水晶、多結晶アルミナ（ＰＣＡ）、サファイアまたは同様の放電ランプエンベロープ材料である。特定のエンベロープ材料を選択するのは、設計上の選択事項である。本出願人は、水晶または成形されたＰＣＡを推奨する。

封入容量１６には、充填物２０が封入されている。この充填物２０は金属ハロゲン化物であるか、または該当分野で公知の同様の添加化合物である。本発明はとりわけ、水銀フリーのランプの始動を行うのに有利なので、充填物２０には水銀はほとんど、または全く使用されない。ここに記載された電極ヘッド２２の構成は、水銀充填化合物とともに使用することもできる。充填物には、不活性ガスが含まれている。当該分野では通常、アルゴン、クリプトン、キセノンおよび別の気体、およびこれらの組み合わせが不活性充填ガスとして使用される。キセノンの熱伝導性は比較的低いので、キセノンを水銀フリーの化合物で使用するのが有利であるが、アルゴンは一般的に、上記で挙げられたガスの中で最も低コストであるため、アルゴンが有利である。充填ガスは、測定単位Ｐａで表される低温（３２℃）充填圧ｐを有する。一般的に、有利な低温充填圧ｐは数ｋＰａ〜数十ｋＰａである。

エンベロープ壁１４を貫通して封止されて挿入されるのは、少なくとも１つの電極１８であり、有利には２つの電極１８である。電極１８は、ランプエンベロープ外側から軸方向に、該ランプエンベロープ壁１４を貫通して、ヘッド２２の内側の最端部で封入容量１６に露出されるまで延在する。水晶アーク管では、有利な電極１８は、モリブデンロッドから形成された外側端部を有する。電極アセンブリの有利な中間部分は、当該分野で公知のようなモリブデンシートから作製され、エンベロープ１２に封止されて、気密シールが形成される。セラミックのアーク管では、公知のような電極フィードスルーアセンブリの中間部分は、サーメット製またはモリブデン製のロッドに溶接された電極から成り、この電極はさらに、ニオブロッドに溶接されている。このニオブロッドが、ランプに対して外側にあるアーク管のセラミック製のキャピラリ部分で気密シールを形成する。ヘッド２２を有する電極の内側端部が、封入容量１６内部まで延在している。この内側端部は有利には、中実のトリアフリーのタングステンから作製される。内側の電極部分は、トリアがドープされたタングステンによって形成することもできるが、この構成の利点は、トリアのドープを回避できることである。

電気的なバラストによって、ランプ全体に給電される。このバラストは、充填ガスが降伏してアーク放電が発生するのに十分な電圧および電流で電力を供給し、始動中にグロー放電を維持するのに十分に高い開路電圧を供給しなければならない。このバラストはまた、固定的であるかまたは調整されるｒｍｓ電流を定常動作中に供給し、ランプが所望のパワーで動作するようにしなければならない。波形は、直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）であるか、またはこれらの種々の公知の変形形態である。厳密なＡＣ波形は電極動作に関してクリティカルでないと考えられているが、とりわけ矩形波動作の方が正弦波動作よりも、アーク付着およびメンテナンス性に関して幾つかの利点を有する。ＤＣ動作が別の利点を有する幾つかのアプリケーションもある。

図２は、グロー発生凹部３２を有する従来の電極ヘッド３０の断面を、一部切り離して示している。このヘッド３０は、軸方向の側部凹部３２の領域を定義する外表面を有する一体形のボディとして形成されており、この側部凹部３２が始動中に高電流（中空陰極）グロー放電を誘起する。凹部３２は、封入されたエンベロープ容量において開放端で開放されている。この有利な実施形態では凹部３２は、場合によって軸方向の中央線（凹部のような穿孔の場合）または中央面（中央線のような溝の場合）によって比較的深い空洞を定義する内壁部分を有する。有利な実施形態では凹部３２は、場合によって凹部中央線または凹部中央面に対して４５°の垂線により、内部の側壁を定義する。理想的には側壁の垂線は、場合によって中央線または中央面に対して垂直であり、たとえば垂直に穿孔された穿孔にあるか、または垂直にフライス加工された溝である。凹部の側壁は、電子放出を行うための表面積Ａを有する。凹部の最小スパン間隔Ｓは、中央線または中央面に対して凹部開口で交差する最小間隔の垂線である。垂直に穿孔された穿孔の場合、スパン間隔Ｓは穿孔直径である。垂直に切削された溝の場合、スパン間隔Ｓは横方向の溝幅である。曲線または斜線を含む開口が設けられた凹部の場合、スパン寸法は、曲線を含む開口側壁が中央線または中央面から４５°以上の垂線を有する最小スパン直径とされる。ここで有利な凹部側壁は、たとえば深い穴または狭い裂け目のような、最大で最小幅よりも深い空洞を定義する。凹部３２は、凹部開口に隣接するヘッド３０の表面に対して平行に測定される、最小スパン寸法３４を有する。スパン間隔３４はその際、電極ヘッド３０の表面で凹部３２の中心点と交差する最小間隔である。

最小スパン寸法は、単位ｃｍで測定される間隔Ｓを定義する。有利なスパン間隔３４は主に、充填ガス材料と充填ガス圧力によって決定される。有利なスパン間隔３４は、始動のグロー放電フェーズ中、電子イオン化の最大平均自由経路以上であり、かつ、最小陰極降下間隔の２倍＋負のグロー間隔より小さい。このことは、選択された充填ガス組成および（低温）充填ガス圧力に完全に当てはまる。通常、この平均自由電子経路は計算され、充填ガス組成と、電極付近のガスの局所的な密度とに依存する。最小陰極降下間隔および負のグロー間隔は、凹部なしで同様に形成され充填物および圧力の同様の条件で動作する電極ヘッドと同様に測定される。始動フェーズ中のスパン間隔の下方の最大の境界は、熱イオン電極温度（典型的には、２２００Ｋ〜３０００Ｋ）における電子平均自由経路によって規定される。これは、理想的な気体の法則と、既知のイオン化断面とによって簡単に決定される。凹部スパン間隔３４の大きさは、充填ガス材料が凹部３２内で始動中にイオン化されるように選択される。しかし、スパッタリングされる材料が基本的に凹部３２内に残留し、大きな出口の開口を通過して移動して封入容量１６に大量に侵入しないように、凹部３２が十分に狭くされている構成も有利である。

凹部３２はさらに、スパン間隔３４の中心点から横方向に電極軸３８の方向に測定される深度３６を有する。深度３６は、凹部３２の横方向の深さである。有利な凹部３２の深度３６は、電極先端４０から電極ステム４２までの所望の熱伝導と実質的に干渉し合うことないように、可能な限り深い。凹部３２が深いほど、露出されて電子を放出する内壁面積は大きくなる。したがって、凹部内部で生成され始動中にグロー放電発生を維持するためのイオンは多くなる。凹部３２が過度に深いかまたは過度に幅広である場合、電極の先端から該電極の別の領域内の封止領域までの熱抵抗を低減することにより、凹部が設けられた部分の上昇した熱抵抗を補償しなければならない。一般的に、軸３８に沿った電極全体の熱抵抗が標準的な電極全体の熱抵抗と同等であり、シールへ伝導される適正なパワーが典型的な先端動作温度で供給されるのであれば、ヘッド３０を通り電極軸３８に対して横方向にとられた最小断面積は、個別の設計ニーズに適うように調節される設計パラメータである。ここで有利な深度３６は、有利なスパン間隔３４より大きいが（Ｄ＞Ｓ）、一般的には、動作温度でランプの寿命にわたってヘッドの構造上の完全性を低減するほど大きくはない。有利なのは、グロー放電がヘッド３０の側部全体にわたって対称的に引き起こされることである。したがって、複数の個別の凹部を、ヘッド３０の周部に均等に分布することができる。ここではたとえば、真っ直ぐな穿孔がヘッドを比較的対称的に包囲するか、または１つまたは複数の細長い凹部が包囲する。まとめられた溝または螺旋状の溝を使用して凹部を形成することができる。平行な表面を有する溝が有利であるが、溝によって形成された空洞を使用してイオン化を増強するために必要というわけではない。円錐状の部分または曲線を含む部分によってヘッドを形成することができ、その際には、ヘッドが正確な円筒である必要はない。有利には、先端４０の断面積と、ヘッド３０の最小断面積と、ステムの長さ４２と、ステムの直径４４とを調節することにより、最低限の電極蒸発が実現されると同時に、定常動作中に拡散的な付着が維持される。一般的に電極の内側端部４０の外径（ヘッド直径＝ｄ_ｈ）は可能な限り大きくされ、それと同時に、ヘッド直径ｄ_ｈとヘッドの熱伝導度ｋ_ｈとの積と、シャフト直径ｄ_ｓとシャフトの熱伝導度ｋ_ｓとの積との比が、特定の最低限の制約を満たすのに十分な大きさになるように選択される。これによって、定常動作中に不所望のスポットアーク付着へ移行されるのが回避される。このことは、以下に記載されている。このようなスポット付着により、電極材料の過度な蒸発ひいては壁の黒化が発生する。しかしこの比が過度に大きくなると、陰極降下が低減し、ショットキー作用が低減し、陽極フェーズにおける熱放散が低減するので、電極先端が過熱する。したがって、電極先端温度を最小にする値の有利な範囲が存在する。

図３に、グロー発生凹部を有する有利な電極ヘッド４６の断面が、一部切り離されて示されている。図３に示されたこの実施形態は、長手軸を対称軸として回転対称的になっている。有利な実施形態では電極ヘッド４６は、機械加工されたトリアフリーのタングステンボディから作製される。この実施形態ではタングステン電極に、重量で１００万分の６０〜７０の割合のカリウムがドープされており、これがランプ動作中に、グレイン成長が安定化されるのに寄与する。カリウムドーピングは、電極構造をランプ寿命にわたって安定的に維持するのに有利である。有利な実施形態では、電極はシングルピースのタングステンから製造され、標準的な研磨技術によって成形されて、電極先端からずれた場所に１つまたは複数の狭い溝が形成される。こうするために使用される周知の硬い研磨材に含まれるのは、酸化アルミニウム、ダイアモンドおよび立方晶窒化ホウ素である。レーザ切除を使用して、電極ヘッドを機械加工することもできる。機械加工された放射状の溝は、隣接する壁部分を有し、これによって、残ったコアへの熱伝導が良好になる。別の製造アプローチに、粉末形状のボディの焼結がある。これはAltmannによるＵＳ６２１１６１５に記載されているが、微細構造の安定性のために十分に高い密度を達成するためには、高温アイソスタティックプレス（ＨＩＰ）等の付加的な成形ステップが必要である。ステム４８は、ステム直径５０（値＝ｄ_ｓ）および軸長さ５２（値＝ｈ_ｓ）を有する。ステム４８は、一般的に円筒形に成形されるヘッド４６に結合される。このヘッド４６は、比較的大きな外径５４（値＝ｄ_１）を有する。ヘッド４６の面に、内側最先端部５６から間隔５８（値＝ｈ_１）だけずれて、少なくとも１つの放射状の溝６０が機械加工により形成されている。この溝６０は、軸方向の幅６２（値＝ｈ_１）を有する。放射状の溝６０は、内径６４（値＝ｄ_２）を有する。ここでは最小スパン間隔Ｓは、溝６０にわたる軸方向の間隔６２（値＝ｈ_２）であり、凹部深度Ｄは、ヘッド直径ｄ_１の半分−ヘッドの内径ｄ_２の半分である。したがって、Ｄ＝（ｄ_１−ｄ_２）／２である。

同様に形成された連続的なラジアル状の溝をヘッド４６に沿って設け、ディスク部分と溝部分との連続をヘッド４６に沿って作製することができる。２つの溝および３つのディスクが、図３に示されている。これらのディスク部分のうちいずれかが特に薄い場合、コア部分またはステム部分に熱を伝導することができない。その際には、これらのうち最も狭幅のディスクが最初に加熱され、電子を比較的自由に放出する。ヘッド４６の後部が最も狭幅（最も高温）の部分である場合、アーク放電は不所望に、このヘッド４６の後部に付着する。先端５６（有利には）へのアーク付着を保証するためには、第１のディスク部分５８が最小の軸方向厚さ（値＝ｈ_１）を有するのが有利である。このことは、グロー放電を発生するための要件でも、始動を改善するための要件でもなく、このことはむしろ、定常ランプ動作のために有利である。

電極の動作のために重要な条件は、始動中に中空陰極タイプの放電が、隣接するディスク部分間に定義された凹部６０内で形成されるように、凹部６０の寸法および希ガス圧力を選択することである。中空陰極放電が凹部６０内で形成されることは、幾つかの利点を有する。中空陰極放電は、従来の電極の周部に形成される比較的通常のグロー放電に近い電圧を有するが、格段に高い電流を維持できる。電流が高くなると、始動中に行われる電極へのパワーの蓄積が増大し、グロー‐アーク時間が短縮される。パワーの蓄積は、大きな加熱質量体を典型的なグロー‐アークの始動順序で加熱するのが困難である大きな直径の先端ひいては比較的高電流の電極において望ましい。このことはとりわけ、高電流の蒸発のアークの形成が電極材料を迅速に腐食するために望ましくない水銀フリーの充填物において有利である。水銀含有充填物の場合、蒸発アークは一般的に、凝縮された水銀の飛沫で形成される。このような飛沫は電極に影響することがなく、陽極フェーズ加熱の改善により、始動において有利になる。中空陰極放電の第２の利点は、スパッタリングされた材料は、アーク管壁よりむしろ凹部６０内部に沈殿されることである。第３にアーク付着は、始動中にコイルから異なる電極構造体へ移動しなくてもよいことである。このことによって、始動がより制御され、始動中の蒸発の容易度が低くなる。

凹部内に中空陰極放電を形成するための最低限の要件は、凹部の内壁（ディスク表面）から凹部の反対側（最も隣接するディスク壁）へ放出された２次的な放出電子がディスク間で移動するディスク間の移動距離が平均的に、反対側の電極方面に到達する前に少なくとも１つのイオン化衝突を発生するのに十分であるように、最小スパン距離Ｓが選択されることである。最大の制約は、凹部の最小スパン距離Ｓが、負のグロー距離の深度全体＋陰極降下距離の２倍を超えてはならないことである。この陰極降下距離は、同様の充填条件で、凹部を有さない同様の電極の電極先端（５８）の表面（第１のディスク表面）に沿って形成される陰極降下距離から測定される。この凹部距離の条件は、電極が室温（Ｔ_ａｍｂ＝３００Ｋ）近くから典型的な熱電子温度（ドープされていないエミッタで、Ｔ_{ｔｈｅｒｍ}＝２８００Ｋ）まで加熱されるグロー‐アーク移行全体にわたって遵守しなければならない。この有利な実施形態において、表１（図４）に示されているようなスロット付きの電極を有するＨＱＩランプ、増大される電流の幅およびエネルギーの蓄積が、１２０Ｐａ・ｃｍ〜１２００Ｐａ・ｃｍのスパン距離（Ｓ）×圧力（ｐ）の値（Ｓｐ）の範囲で観察されている。ここでは実際の低温充填圧力の変動は、４〜４０ｋＰａ（３０〜３００ｔｏｒｒ）のアルゴンである。最大のエネルギー蓄積は、６００〜８００Ｐａ・ｃｍの範囲で行われる。８００Ｐａ・ｃｍを超えると、エネルギー蓄積はなお有意に増大されるが、電圧が上昇し始め、中空陰極グローよりもむしろ異常なグローの兆候を示すようになる。増大された電圧の要件により、バラスト設計がより複雑になり、より不利になる。また８００Ｐａ・ｃｍを上回ると、完全なグロー‐アーク移行全体にわたって中空陰極放電を維持するのも、より困難になる。この実験による結果が、図５および図６に示されている。図５には、表１（図４）に示されたスロット付き電極を有するＨＱＩランプにおける中空陰極電流が、約８００Ｐａ・ｃｍの最大のＳｐに到達するのが示されている。図６には、中空陰極エネルギーの同様の特性が示されている。

これらの（低温充填）Ｓｐ範囲と公知の文献による値とを比較するため、数式（１ａ）における下限は、アルゴンに対する１つの推定値の理論的なオーダ以内、Ｓｐ＞３．５（Ｔ_{ｔｈｅｒｍ}／Ｔ_ａｍｂ）Ｐａ・ｃｍで、３３Ｐａ・ｃｍ（Ｔ_{ｔｈｅｒｍ}＝２８００Ｋ、およびＴ_ａｍｂ＝３００Ｋ）＝微小中空陰極放電の１つの実験上の限界である７０Ｐａ・ｃｍに近い。微小中空放電の実験的な上限は、約６７０Ｐａ・ｃｍである。公知の文献による値は、流体システムにおける動作圧力に基づいており、ランプの実験で使用される圧力に相応する。ここで観察された比較的高い値はおそらく、スロットの異なるジオメトリに拠るものであり、公表されているデータの多くは、円筒状のホールまたは平行なプレートで形成された中空陰極放電から得られたものである。アルゴンに関するこのような考察に基づいて、ｃｍで表されるスパン距離ＳおよびＰａで表される希ガス圧力ｐは近似的に、以下のような室温条件を満たさなければならない：
７０＜Ｓｐ＜１２００Ｐａ・ｃｍ 数式１ａ‐アルゴン
また、アルゴン以外の不活性ガスも、中空陰極放電を形成するのに有利である。しかし、Ｓｐの制限は文献では未だ公表されていない。したがって、上限および下限をスケーリングすることにより、電極凹部内で有利な中空陰極動作を行うためのＳｐ範囲の推定値を得る。下限はイオン化断面に対して反比例するので、既知のイオン化断面にしたがってスケーリングすることができる。別の不活性ガスによるこのような推定を行うためには、ガスの温度および密度が固定的であると仮定し、５０〜２００ｅＶで得られる断面の最大値の範囲を使用する。別の不活性ガスのＳｐの上限を推定するためには、各ガスにごとに、異常なグローシース距離Ｉ_ｓおよび負のグロー距離Ｉ_ｎｇの別個の推定が必要である。異常なグローに関する周知のvon Engle-Steebeckモデルを使用すると、１０Ａ／ｃｍ^２の典型的な電流密度で、約Ｉ_ｓｐ＝２０Ｐａ・ｃｍという、シース厚さと充填圧力との積が得られる。数式１ａ‐アルゴンで、この量の２倍をＡｒ上限から減算すると、１１６０Ｐａ・ｃｍという、最大の負のグロー距離と充填圧力との積が得られる。このようにして負のグロー距離は、実験によるアルゴン値から、以下の比例式にしたがってスケーリングされる：
ｐｌ_ｎｇ∝（１／σ_ｉｏｎ）（Ｖ_ｃ／Ｖ_ｉｏｎ）
ここでσ_ｉｏｎは、所与の不活性ガスの平均的なイオン化断面である。Ｖ_ｃは異常なグローの際の陰極降下であり、負のグローにおける初期の電子エネルギーに相応する。Ｖ_ｉｏｎは、不活性ガス原子のイオン化エネルギーである。最終的なＳｐ上限は、von Engle-Steebeckモデルから計算されるような予測されたシース厚さと圧力との積ｌｓｐの２倍を加算することによって得られる。一般的にシース厚さと圧力との積は、負のグローと圧力との積より格段に小さい。以下で、ヘリウム、ネオン、クリプトンおよびキセノンに関してこれらの推定の結果を挙げる：
５０３＜Ｓｐ＜１５０００Ｐａ・ｃｍ （数式１ａ‐ヘリウム）
２４０＜Ｓｐ＜４８００Ｐａ・ｃｍ （数式１ａ‐ネオン）
４０＜Ｓｐ＜８８０Ｐａ・ｃｍ （数式１ａ‐クリプトン）
３５＜Ｓｐ＜８４０Ｐａ・ｃｍ （数式１ａ‐キセノン）
有利なガスは、アルゴン、クリプトンおよびキセノンである。その理由は、これらのガスのイオン化ポテンシャルが比較的低いからである。これによって、所与の中空陰極電圧で達成できる電流密度が高くなり、バラストに必要とされる面積が小さくなる。またイオン化ポテンシャルが低いことにより、降伏電圧の要件も低くなり、このことによってバラストがより低コストになる。また比較的低いＳｐ範囲は、典型的な始動ガス圧力および電極寸法に比較的適している。

凹部深度Ｄは、スパッタリングされた電極材料を含むのに十分でなければならない。この材料は、典型的にはタングステンである。一般的にタングステンの残留は、凹部深度Ｄが最小スパン距離Ｓより大きい場合に起こる。有利な凹部は、開放されているよりも比較的深く、これによって、凹部内でスパッタリングされる材料は、凹部内壁に良好に沈着できるようになり、凹部から出てランプ内のそれ以外の場所に沈着することはなくなる。この有利な凹部を可能な限り深くすることにより、グロー放電によって発生される電流を最大にすることもできる。したがって有利には、凹部深度は以下の数式を満たす：
Ｓ＜Ｄ 数式１ｂ
凹部深度Ｄが増大すると、電極ヘッドのこの部分の熱抵抗が増大する。しかし、このことが必ずしも、電極先端の過熱を引き起こすわけではない。電極ヘッドの増大された熱抵抗は、ほぼ常に、別の部分の熱抵抗の低減によって補償される。たとえば、シャフト長さ５２を縮小することができる。電極全体の熱的な選定に関しては後の部分で、定常状態の考察で補足する。最大凹部深度にかかる主な制約は、電極の構造上の統合性が動作中に、ランプの寿命全体にわたって妥協されないことである。

始動のための重要な基準は、グローによって凹部内に供給される熱入力が、定常動作中に電極に入力される時間平均された熱より幾らか大きいことである。このことによって、始動中に電極の加熱不足が発生することなく、熱電子放出に到達できないということがなくなる。Ｐ_ｈｃが、凹部内で発生する「中空陰極」状のグローから入力される熱であり、Ｐ_ｓｓが、定常動作中に電極に入力される時間平均された熱であるとすると、０．５Ｐ_ｈｃ＞１．５Ｐ_ｓｓが、始動中に熱電子の引き継ぎが良好に行われるのを保証する。このことは、凹部内で発生する中空陰極状の放電の加熱が空間的により分布されることによる。この半分の係数は、グローフェーズ時の加熱が、ＡＣ動作時の陰極１／２サイクルからのみ成ることによるものである。このことは、水銀蒸発アークによって付加的な陽極加熱を供給するための凝縮された水銀を電極に有さないという最悪のケースを仮定している。電極の寸法をさらに制約するために、中空陰極放電の電力束をｑ_ｈｃ＝Ｐ_ｈｃ／Ａ_ｒＮ_ｓと定義する。ここではＡ_ｒは、スロットの開口（たとえば図３の凹部６０）の境界を形成する内表面の面積であり、この面積にスロットまたは凹部の底部の面積は含まれない。Ｎ_ｓは、前記スロットの数である。４００Ｗのスロット付の電極において、１３．３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）の公称ガス充填圧力で実験を行った結果、各陰極１／２サイクル（ＡＣ動作）ごとに中空陰極放電から得られる電力束ｑ_ｈｃは、ｑ_ｈｃ＝２．５ｋＷ／ｃｍ^２のオーダにあり、２０ｋＰａ（１５０ｔｏｒｒ）で約４ｋＷ／ｃｍ^２まで上昇する。始動中には、相応のランプ電圧はほぼ中空陰極電圧Ｖ_ｈｃであり、放電ランプ内で発生する比較的通常の異常グローと異なり、電流軸上では比較的固定的である。これらの実験で、１３〜４０ｋＰａ（１００〜３００ｔｏｒｒ）の範囲で、３００＜Ｖ_ｈｃ＜３４０Ｖになることも判明した。一般的に、イオン化ポテンシャルおよびイオン移動度に関してアルゴンに類するガス、たとえばキセノンまたはクリプトンを、種々の文献の研究結果に基づいて考察すると、１〜１０Ａ／ｃｍ^２の典型的な中空陰極電流密度で、２００Ｖ＜Ｖ_ｈｃ＜４００Ｖと予測される。

トリアフリーの電極を、２８００Ｋ〜２９００Ｋの望ましい（トリアフリー）電極温度で動作する１５０ＷのＨＩＤランプおよび４００ＷのＨＩＤランプの構成でシミュレーションすると、単位Ａアンペアの所与の電流Ｉにおける典型的な定常状態パワーは、ＡＣ（交流電流）動作でほぼＰ_ｓｓ＝３〜１０Ｗ／Ａの間で変動する。熱入力Ｐ_ｓｓの値が格段に高くなると、通常、効率的なＨＩＤ光源において電極に許容範囲外の損失が発生する。以下の数式（２），（４ａ）および（４ｂ）は、どのようにＰ_ｓｓを近似的に計算するかを示している。最悪のケースの引き継ぎ要件に基づくと、１３．３ｋＰａで、平均的なＡＣ電極加熱パワーでＰ_ｓｓ＝１０Ｗ／Ａであり、測定される中空陰極電力束は２．５ｋＷ／ｃｍ^２である。所与の定常動作ランプ電流Ｉで満たされる、凹部の活性化領域Ａ_ｒで熱電子の引き継ぎが行われるための条件およびこのようなスロットの数Ｎ_ｓは、ほぼ以下の通りである：
Ｎ_ｓＡ_ｒ／ｌ＞０．０１２（ｃｍ^２／Ａ） 数式１ｃ
純粋なＤＣ動作の場合、中空陰極加熱は始動中、連続的に行われる。したがって始動中の最小熱入力は、効率的に倍増される。しかし、定常状態Ｐ_ｓｓ中に有利に電極を加熱するための上限も高くなる。というのも、高い過渡的な陰極降下が、以下の数式８ａおよび８ｂに示されているように消去されるからである。したがって数式１ｃは、ＡＣ動作およびＤＣ動作に関する大まかな基準である。

図３の有利な実施形態では、凹部面積Ａ_ｒ＝０．５π（ｄ_１２‐ｄ_２２）である。図４は、標準的な形態を有する電極を備えたランプと、図３に示された（スロット付の）一般的な形態を有する電極を備えたランプの、関連の寸法および動作条件を示す表１である。表１に示されたスロット付のＨＱＩ電極（正弦波動作）では、パワー蓄積面積はＮ_ｓＡ_ｒ／ｌ＝０．０１６ｃｍ^２／Ａである。この要件は、定常状態の電極加熱のパワー要件が１０Ｗ／Ａを下回る場合には、幾らか緩和される。これと同様に、２０Ｗ／Ａを下回る比較的低いＰ_ｓｓでＤＣ始動フェーズまたはＤＣ定常状態の熱入力が行われるということは、数式１ｃで得られる面積より小さいパワー蓄積面積を使用できることを意味する。またこの要件は、平均的な加熱パワーの要件が１０Ｗ／Ａ（ＡＣ）または２０Ｗ／Ａ（ＤＣ）を超える場合に、より厳しくなる。

有利な始動および熱電子アークへの引き継ぎを行うための第４の要件は、電極の他のどの領域よりも先行して、電極の内側端部４８が加熱されて熱電子を放出することである。換言すると、電極の最も内側のディスク５８が放散するパワーは、凹部放電（中空陰極状の放電）によって該電極の端部に供給されるパワーを上回ってはならない。このようにしないと、最も内側のディスク５８は電極ヘッドに対して冷却表面となり、比較的高い温度はヘッド上の別の場所に発生してしまう。最も内側のディスク５８が他のすべてのディスクより先行して熱電子を放出するのを保証するためには、該ディスクへ入力される入力パワーが熱放出されるパワーを上回らなければならない。一般的に、先端５６で発生する損失の別のソース、たとえばガスを通って行われる伝導は無視できる。図３の有利な実施形態では、先端５６に供給される中空陰極加熱と放出される部分との比は、１より大きい：
0.5×{1−(d_２/d_１)^２}/(1＋4h_１/d_１)×q_ｉｎ/εσ_ＢT^４≒7.5×{1−(d_２/d_１)^２}/(1＋4h_１/d_１)＞1
数式１ｄ
ここでは、ε＝０．３７はタングステンヘッドの放射率を表し、σ_Ｂ＝５．６７×１０^−１２Ｗ ｃｍ^−２Ｋ^−４はシュテファン・ボルツマン定数を表し、温度Ｔ≒２９００Ｋは、タングステン電極の先端温度の合理的な上限として選択されたものである。ほぼ２．５ｋＷ／ｃｍ^２のグロー熱ｑ_ｉｎが使用される。表１に示された実験によるスロット付の電極によって、上記数式が満たされる。

数式１ａ〜１ｄに表されているような、凹部およびディスクの寸法、ならびに希ガスアーク管圧力にかかるこれらの制約は、凹部内で高電流のグロー放電を発生するために有利な条件を含んでおり、始動フェーズ中にグローから熱電子アークへの完全な移行を可能にする。これらの条件が、ここで請求されている発明が従来技術と異なる主な点である。とりわけ、JansenによるＵＳ３３０３３７７、EggersによるＵＳ６４３７５０９、およびAltmannによるＵＳ６２１１６１５には、内側のディスク凹部から発生する中空陰極状の放出は開示されていない。これらの従来技術では、冷却体が開示されているだけである。

数式１ａ〜１ｄによって、向上された始動と電極寸法と材料特性とに関する有利な制約が得られるのに対し、バラスト波形の要件は、図３に示された電極の定常状態の特性もトリアを使用せずに改善されるように定義される。図２および図３に示された電極構造は、熱的な選択の点で著しいフレキシビリティを有する。先端温度は、大きな面積の先端５６を使用することによって低減することができると同時に、電極全体の熱損失をほぼ独立して調整することもできる。伝導による熱損失は、ステム４８および６２のようなスロット直径によって調整される。放射表面積および表面温度を制限することにより、全体的な放射損失が調整される。熱損失を電極先端面積に依存せずに調整できることも、ここで請求されている本発明が従来技術と異なる点である。

一般的に、特定のランプを考察すると、電極の損失、陰極降下および電極の別の設計パラメータが規定される。しかし図３に示された電極構造は、幾つかの制約が満たされた場合のみ、ほぼ最適な動作条件を達成する。これらの制約は、とりわけエミッタフリーの電極に適用されるが、トリアを含むエミッタを有する電極にこれらの制約を適用するとメンテナンス性が改善され、温度分布が得られ、ドープされた電極のグレイン構造によって、エミッタが陰極表面へ均一かつ十分に搬送されるようになる。

図３に示された電極が、熱電子放出によって所望のランプ電流を、より低い定常状態先端温度で支援するためには、先端５６の面積を大きくしなければならない。このことは、全体の電流密度ｊと、陰極降下Ｖ_ｃと、先端温度Ｔとの間の関係によって明らかである：
ｊ＝ｊ_ｅ（Ｖ_ｃ，Ｔ）（１＋Ｖ_ｃ／Ｖ_ｉ） 数式２
ここでｊ_ｅ（Ｖ_ｃ，Ｔ）は、熱電子放出によって生成される電子電流密度（Ａ／ｃｍ^２）であり、陰極降下および温度の関数である。温度が電流密度に依存することは周知であり、正の指数関数的に大きく依存する。陰極降下Ｖ_ｃに依存するのは、熱電子放出の電界の上昇による（ショットキー作用）。局所的な電界と陰極降下との間の精確な関連は、シースが衝突するか衝突しないかということと、ランプの動作圧力とに依存する。一般的に陰極降下Ｖｃの温度依存性は、熱電子放出の明示的な温度依存性より格段に弱い。陰極降下と電極表面に発生する局所的な電界との間の関連性に関する詳細は、文献の記載から得られる。所与の陰極電流Ｉおよび付着面積Ａ_ａで、電流密度は以下のようになる：
ｊ＝Ｉ／Ａ_ａ 数式３
陰極付着は、電極表面が熱電子放出全体の電流のうち最も多くを供給する場所で発生し、付着面積Ａ_ａは、電極の最も高温の領域の約１００〜２００Ｋ以内にある表面から成る。したがって付着面積Ａ_ａは、先端とその周囲の高温の表面を含む。図３に示された実施形態では、これはまず先端５６の内表面であり、最も内側のディスクの側面、図３に示された距離５８も含む。

数式２は、陰極降下が固定的であり電流密度が減少すると、先端温度が低減することを示す。蒸発レートは温度に指数関数的に依存するので、先端温度が僅かに低減するだけで、蒸発面積を増大しても、定常動作中に発生するランプの壁の黒化の総量が低減する。したがって、先端およびその周囲の表面の面積を拡大することにより、壁の黒化を低減し、陰極降下を調整することができる。さらに、凹部６０によって付着面積Ａ_ａは増大され、蒸発する電極材料のうち幾らかがとらえられる。これらの表面は、陰極シース内のイオンと、陽極フェーズ中に捕捉された電子とによって得られたエネルギーから加熱される。電極が陰極フェーズ中に常に電流Ｉ_ｄｃによって加熱されるＤＣ動作の場合、定常動作中に入力される全体の平均的な熱は、以下の通りである：

数式４ａ
ここではφは、電極の（ショットキー低減された）仕事関数である。正および負の半サイクル双方で対称的な電流Ｉ_ａｃを有するＡＣ波形の場合、電極に入力される全サイクルの平均的な熱入力Ｐ_ｓｓ（Ｗ）は、以下の数式によって近似的に得られる：

数式４ｂ
上線は、各半サイクルで得られるｒｍｓ平均を示す。量ψ_ｅは電子エンタルピーであり、約２．５Ｔ_ｅである。ここではＴ_ｅ≒０．５〜１ｅＶは、陰極近傍のプラズマの電子温度である。数式４ｂ中の最初の項は、平均的な陽極フェーズ加熱を表し、第２の項は平均的な陰極フェーズ加熱を表す。数式４ｂでは動作周波数は、電極構造のおおよその熱的な応答より格段に速いことが前提とされる。４００Ｗまでの実際のＨＩＤ電極では、３０Ｈｚを上回る波形の周波数は明らかにＡＣの法則にある。定常状態のＩ_ｐのランプピーク電流および陰極降下ピーク電圧Ｖ_ｐを供給するバラストによって動作するためには、電気的な波形のパワーを記述するために典型的に使用される異なる波形係数ｆによって、ｒｍｓ値とピーク値とを関連づける。矩形波のバラスト電流波形および正弦波のバラスト電流波形の特別なケースでは、

数式５ａ
ｒｍｓ値は、以下の数式によって得られる：

数式５ｂ
電極ヘッドに入力される熱は、平均的な全体の放射損失と、下方のステムからシール領域の熱シンクまでの伝導損失とによって均衡化される。熱電子励起された０．１〜１０Ａ／ｍｍ^２の典型的な電流密度を、ドープされていない（エミッタを含まない）陰極によって供給するためには、数式２では、２５００〜３０００Ｋの範囲内にある先端温度が必要とされる。実際の温度は電流密度に依存し、金属ハロゲン化物の蒸気のイオン化エネルギー、蒸気の組成、動作圧力、および電極近傍のプラズマに関する関連の詳細に対しては弱い依存性を有する。数式４ａまたは４ｂにおける陰極降下は、必要な先端温度で必要なエネルギー均衡状態Ｐ_ｓｓ（熱入力）を供給するように調節される。したがって所与の電流において、大きな熱損失を有する電極の陰極降下は、小さい損失を有する電極より大きい。ステムと異なる直径の比較的大きな複数のディスクとから成る任意の電極に関連してこの思想を説明するため、図３に示された電極の軸方向の各セグメントに番号を付与する。最も内側のディスク（図３では４８）から開始してステムの方向に、ｋ＝１，２，．．．Ｎと番号付与する。ここではＮは、ステムを含むセグメントの総数である。ｋ＝１と示されるディスクは最も内側のディスクであり、アークと直接接触する。熱平衡状態は、ＤＣ動作およびＡＣ動作でそれぞれ、以下の関係式によって表される：

数式６ａ‐ＤＣ陰極

数式６ｂ‐ＡＣ陰極
数式６中の量θは、（動作温度での）電極構造体の有効な軸方向の熱抵抗である。θの厳密な形には放射損失が含まれるので、θは電極の軸面上の温度分布に依存する。固定的な熱伝導度Ｋ_ｋ、断面積Ａ_ｋおよび厚さｈ_ｋ（または、ステムの場合には長さ）を有する構造体として各ディスクおよびステムを近似すると、θを表す以下の式が得られる：

数式７
係数ａ_ｋは、先端（セグメント１）からディスクの中央部（またはステム）までの領域ｋに広がる電極表面から放射されるパワー全体の割合である。ｋ＝Ｎである場合、ａ_Ｎは電極全体からの全放射損失である。図３に示された電極を参照すると、Ａ_Ｎはステムの断面積を示し、ｋ_Ｎは該ステムの熱伝導度を示している。また、ｄ_Ｎ＝ｄ_ｓ、ｈ_Ｎ＝ｈ_ｓであることも述べておく。実際には、温度分布の第１次の推定結果を使用して放射損失を求める。約２８００Ｋの先端温度によってシミュレーションを行うと、典型的には、電極へ入力される全パワーのうち約３０〜４０％が熱放射によって失われ、その大部分は、約２５００Ｋを上回る電極の部分で失われることが示される。これは、ａ_Ｎ＝０．３〜０．４に相応する。実際には、数式２，３，６および７によって得られる先端温度の解は、数値で求めなければならない。

これらの結果で、ロッド構造も、コイルを有するロッド（ＨＩＤランプで通常使用されるようなもの）でさえ、なぜ最適な定常状態温度に到達できないかが理解できる。ロッドに関しては、熱抵抗は（放射損失も伴って）θ＝ｈ_１／（ｋ_１・Ａ_１）（１−ａ_１），（Ｎ＝１）となる。このロッドの結果をエネルギー均衡状態の数式６に代入すると、直径を増大して電流密度を低減し、ひいては先端温度を低減することにより、必要な加熱パワーＰ_ｓｓが上昇するという問題が発生することが示される。コイルが先端で使用される場合、コイルワイヤの直径は通常、合理的な熱的および機械的な統合性を維持するために、ロッドの直径に比例する。したがって実際には、コイル構成でさえ、先端表面積が増大することにより加熱パワーを上昇させてしまう。それに対して、ヘッド３０（図２）を含むことにより、独立的に先端面積を増大し、先端に対して必要な加熱パワーを上昇することなく定常状態の先端温度を低減することができる。図３に示された実施形態ではこのことは、ステム直径ｄ_ｓを先端直径ｄ_ｈより小さくすることによって達成される。中空陰極状の放電を発生する凹部を含むことにより、先端面積を増大できると同時に、始動を抑止することがない。さらに数式７で、中空陰極始動を改善するためにスロット深度（ｄ_１‐ｄ_２）を大きくすることが、定常状態のパフォーマンスに対して悪影響を及ぼすことにはならないことが示される。深いスロットの上昇された抵抗は、ステム直径ｄ_ｓを僅かに大きくするか、またはステム長さｈ_ｓを低減することによって補償される。

図３に示されたフレキシブルな構成は、従来の電極構成を上回る度合いの、定常状態の電極パフォーマンスの最適化を可能にすると同時に、始動時の中空陰極放電の条件に適っている。基礎となっているコンセプトは、先端面積を増大すると同時に、電極全体の熱抵抗を調節して合理的な陰極降下を実現することである。陰極降下が大きいと、シース内のイオンによって搬送される電流の量が増大するので、熱イオン電子によって搬送される電流の必要な割合が減少する。その結果、数式２で陰極降下を大きくすると、先端温度は低減される。陰極降下を大きくするためには、数式４に示されているように、シースが電極へ供給する加熱パワーを増大しなければならない。しかし、過度な陰極降下は幾つかの理由のために望ましくない。第１に、即座に大きな陰極降下が行われるとスパッタリングが発生し、先端温度が比較的低くなっているにもかかわらず壁が黒化されることが周知になっている。典型的なスパッタリング閾値は約５０Ｖであり、イオンの種類、電極材料および電極温度に依存する。実際には、閾値近くの高温のスパッタリングは良好でないという調査の結果が出ているので、ピーク陰極降下を２０Ｖ〜３０Ｖに制限しなければならない。さらに、電極に供給される加熱パワーを増大すると、ランプの発光プラズマから電力が排出されて電極に戻されることにより、ランプ効率が低減してしまう。このような電極加熱損失はとりわけ、水銀フリーのランプにおいて重要である。典型的には、所与のランプ電力において、このランプの動作電流は水銀含有ランプより高い。所望の陰極降下の範囲に基づくと、数式４ａ，４ｂ，５ａおよび１５ｂにおいて、供給されるｒｍｓ電流あたりの電極入力パワーの大まかな上限Ｌ_ｅが、以下の数式によって得られる：
Ｌ_ｅ＜２５Ｗ／Ａ 数式８ａ‐ＤＣ陰極
Ｌ_ｅ＜１２Ｗ／Ａ 数式８ｂ‐ＡＣ陰極
数式８ａおよび８ｂは、ＨＩＤランプにおける有利な基準であるが、電極の動作に関しては重要でない。一般的には、凹部放電（中空陰極）によるグローフェーズからの最悪のケースの引き継ぎを支援するために、Ｌ_ｅ＜１０Ｗ／Ａ（ＡＣ）またはＬ_ｅ＜２０Ｗ／Ａ（ＤＣ）を使用したい場合もある。

所望の陰極降下、またはこれに相応して数式８ａおよび８ｂにおいて電極の所望の熱入力が得られれば、理論的な結果を使用して、アーク付着が拡散モードにとどまるために、電極構成にかかる別の制約を決定することができる。ここで優先事項は、単位Ｗ／ｃｍ^２で表される先端への熱流束が限界値を超えてはならないことである。この限界値は、材料の仕事関数および先端表面で得られる。このようにしないと、先端表面に発生する温度または熱流束の小さな変動がシースによって増幅され、拡散的なアーク付着が不安定になる。その結果として発生したアーク付着は、一般的には格段に高い温度で生じる格段に高温のスポットアーク付着に凝縮され、電極材料の蒸発が過度になる。非トリアエミッタを含む電極の場合、エミッタ材料はスポットモードでも蒸発する。トリアエミッタは独特であり、使用可能なタングステンエミッタのうちで最も低い蒸発圧力のうち１つを有し、スポット付着で良好なメンテナンス性を実現することができる。しかし、凹部の放出発生構造の１つの対象は、トリアが環境上望ましくない特性を有するために、トリアを排除することである。

より望ましい拡散アーク付着のためにトリアフリーの電極を構成するため、電極に関する条件を満たして、安定的な拡散アーク付着を保証しなければならない。この分析は、陰極シースからの境界層の熱流束の時間に依存する変動と、その結果として電極先端に生じる伝導される熱の分布の時間に依存する変動とを調べることによって数式化される。同様の取り扱いが、文献にも記載されている。電気的および熱的な絶縁面を有する円筒状の表面の場合には、
ｄ_１／２Ｋ_１×δｑ／δＴ＜β_１０ 数式９
である場合に、所望の拡散モードが小さい変動で安定的に維持されるという基本的な結果になる。ここではＫ_１は、電極材料の直径ｄ_１の先端における熱伝導度であり、ｋ＝１は最も内側のディスクである。微分δｑ／δＴは、電極先端への正味の熱流束（Ｗ／ｃｍ^２）の偏導関数であり、シース領域からのイオン加熱、電子冷却、および電極表面からの放射冷却を含む。偏導関数δｑ／δＴは、一定のシース電圧および先端温度Ｔで求められる。係数β_１０＝１．８４１２は、整数次のベッセル関数の微分の第２のゼロであり、Ｊ_ｍ′（β_ｍｎ）＝０である。数式９の結果には、ドーパントの蒸発や電極表面における不均一なエミッタ材料分布等の作用は含まれていないことに留意すべきである。それゆえ、エミッタを含む電極へのアーク付着では、付加的な実験が必要である。

図３（または図２）に示された電極の側部からの熱電子放出を大まかに説明するために、側部における加熱が先端近傍の変動の増幅（または不安定性）に寄与することが前提とされる。付着面積Ａ_ａと先端面積Ａ_１との比は、オーバフィル率ηとして定義される：
η＝Ａ_ａ／Ａ_１ 数式１０
一般的にこのオーバフィル率は、円筒状の先端で、２＜η＜３の範囲にある。数式２および６の結果を使用して、拡散の安定性の条件は、以下のように表される：
Ｋ_ｓｔａｂ≡２／（πｄ_１Ｋ_１θ）（γ／η）（１−Ｔ_０／Ｔ）δ＜β_１０
数式１１ａ‐ＤＣ

数式１１ｂ‐ＡＣ
補正値γは、不安定性に寄与する電極の側部の加熱を説明する付加的な係数である。一般的にこの補正係数は、オーバフィル率１＜γ＜ηを下回らなければならない。増幅係数δは、偏導関数δｑ／δＴを求めることによって得られる係数である。ここでは、電子は熱電子放出によって形成されることが前提とされる。この増幅係数δは近似的に、

数式１２
ここでφ_ｗは、ショットキー補正された電極先端材料の仕事関数である。ショットキー補正の温度依存性および放射冷却の比較的小さい影響は、無視されている。これら２つの影響によって、安定性係数δは低減され、拡散付着はより安定的になる。エミッタ材料なしのタングステン電極の場合、係数δは約２０である。

数式１１ａおよび１１ｂは、数式７と関連して、図３のジオメトリを使用する場合の拡散モード付着の予期されなかった幾つかの特徴を示す。図３に示された電極の最も重要な特徴は、先端直径を大きくすることにより拡散モード（Ｋ_ｓｔａｂ＜β１０）を維持できることである。このことは、ステム直径の２乗と先端直径との比を固定的に維持することによって行われる。

数式１３

数式１１ａおよび１１ｂの第２の特徴は、この安定性がバラストに幾らか依存することである。有利な実施形態において安定性がバラストの波形にどのように依存するかは、最も安定的なものから最も不安定なものへの順序で、ＤＣ＞ＡＣ矩形波＞ＡＣ正弦波となっている。したがって、構成制約の所与の組み合わせでは、正弦波よりも矩形波の方が、安定的な付着を達成する際の熱抵抗は低く、メンテナンス性をさらに改善できる。物理的にこのことを期待できるのは、波形がダイナミックになるほど、電極は全波形サイクル中に、より冷却および加熱されるからである。このことによって、陰極降下のずれが大きくなり、瞬時のピーク熱流束の程度が大きくなり、これによって数式９に示されているように不安定性が生じる。安定性の結果（数式１１）の第３の特徴は、電極の先端Ｋ１の熱伝導度を該電極の他の部分に対して、とりわけ熱抵抗が高い部分に対して上昇することによっても、拡散モードの安定性が改善されることである。先端領域における高い熱伝導度によって、熱流がいかなる温度変動にもさらされなくなる。そうしないと、この温度変動はシースによって増幅されてしまう。

一般的に、最良のメンテナンス性は、バラスト波形、ランプの物理的な大きさの制限、スパッタリング、および電極への損失等の別の構成基準によって、先端を可能な限り大きく形成し、熱抵抗を可能な限り低くして、２０〜３０Ｖを下回るピークを有する、より高い陰極降下を達成する場合に実現される。

最低限の要件として、数式１１ａおよび１１ｂは、ステム直径とステム熱伝導との積を、先端直径と先端熱伝導との積より小さくしなければならないことを示している（数式１ａ〜１ｄ）。こうすることにより、中空陰極基準に則した放電発生凹部を有する電極の改善されたメンテナンス性を利用できるようになる：
Ｋ_１ｄ_１＞Ｋ_Ｎｄ_Ｎ 数式１４
図３の有利な実施形態の主な特徴を確認するため、実験を行った。表１（図４）に示された電極は、上記の研削技術を使用して製造された。比較のため、中実（トリアフリー）の調整電極の寸法、コイル形（トリアフリー）の調整電極の寸法、コイル形（トリア含有）の調整電極の寸法も、同様に示されている。電極は、水晶（ＨＱＩ）およびセラミックス（ＨＣＩ）のアーク管用に製造された。

グロー発生凹部を有する電極がグロー‐アーク移行に及ぼす影響を検証するため、表１（図４）に示された凹部付のＨＣＩ電極を、２つの異なる調整電極と比較した。第１の調整は、カリウムドープされた直径０．７５ｍｍのタングステンロッド（重量で約１００万分の６０〜７０）標準的な電極である。このタングステンロッドは、０．２６ｍｍのワイヤ直径を有する５巻きの単層コイルを有する。このコイルは先端に設けられており、始動時および定常状態で熱電子放出に寄与する。第２の調整は、表１に示されたＨＣＩの凹部付の電極と形状、材料および寸法が同じである中実の先端電極である。しかしこの中実の先端電極には、凹部は設けられていない。凹部なしのこの電極は、表面積が比較的大きいという利点を有するが、始動フェーズ中に中空陰極放電を形成する構造を有さない。すべてのランプに、２５ｍｇの希土類のヨウ化塩と、４２ｍｇの水銀と、１３．３ｋＰａ（１００ｔｏｒｒ）のアルゴン始動ガスとが充填されている。スロット付の電極のための適切なＳｐ（ｈ_２ｐ）は、３７０Ｐａ・ｃｍ（３Ｔｏｒｒ・ｃｍ）である。セラミックアーク管は、４００Ｗのセラミックボールタイプのエンベロープ（OSRAM PowerBall^ＴＭ）の構成であり、約２０ｍｍのアークギャップを有する。ここで使用されるランプは、標準的な可調整の遅延タイプのＭ‐１３５磁気バラストで動作する。

表２（図７）に結果が示されている。凹部（スロット）付の電極は、０．３秒の平均グロー‐アーク時間を有し、標準的な中実の電極と比較して６０％改善されており、標準的なコイル先端を有する電極と比較して２０％改善されていた。エネルギー蓄積も同じような特性を見せており、隣接するディスク間で発生する中空陰極放電が肯定的な作用を有することを示した。凹部（スロット）付の電極では平均的なグロー‐アークエネルギー入力が３９．８Ｊであり、標準的な中実の電極によって必要とされるエネルギーの４１％、コイル先端を有する標準的な電極によって必要とされるエネルギーの８４％であった。この結果は、スロット付の構造を付加することにより、グロー‐アーク特性が大きく改善されることを示している。

択一的な構成でＨＱＩ電極に対するランプを、２０．７ｍｇのＮａＩと、３．１ｍｇのＳｃＩ_３と、５２．９ｍｇの水銀と、４１００Ｐａ（３１ｔｏｒｒ）の圧力のアルゴンが充填された４００Ｗの水晶アーク管から構成した。相応のＳｐ（ｈ_２ｐ）は、１２０Ｐａ・ｃｍ（０．９ｔｏｒｒ・ｃｍ）である。

放電発生凹部を有するヘッド成形された構成が電極温度を低減し、ひいては定常状態のメンテナンス性を改善することを示すため、赤外線イメージングを使用して電極温度分布を測定した。図８は、側面からの最大電極先端温度を、表１に３つのケースで示されたＨＱＩ電極に対する電流の関数として示す線グラフである。第１の調整は、凹部付のＨＱＩ電極と同じであるが、凹部を有さない（中実）。第２の調整電極は直径０．９ｍｍのトリア含有のロッドであり、先端から約２．８ｍｍの（トリアフリーの）コイルを有する。該ロッドの挿入長さは、８．５ｍｍである。第３の調整電極は、カリウムドープされた直径０．８ｍｍのトリアフリーのロッドであり、このロッドは先端から約２．８ｍｍのトリアフリーのコイルを有する。該ロッドの挿入長さは総じて８．５ｍｍである。すべての電極が、４００Ｗの水銀アーク管内に取り付けられている。これらを測定するため、ランプを矩形波の電子的なバラストで動作させた。前記の典型的なロッド電極およびコイル電極の先端の寸法が大きいことにより、該ロッド電極およびコイル電極は定常状態時に、純粋なロッド電極として作用する。

この結果は、３．５Ａの電流が選択された凹部付の電極の先端温度は、トリア含有のコイル付電極と等しいことを示している。このことは、仕事関数を低減するためのいかなるエミッタ材料も使用せずに実現される。凹部付ヘッドの電極は、０．８ｍｍのコイル付トリアフリー電極の先端温度よりも低い２００Ｋの先端温度を有する。このことは、大きな面積の先端を使用することにより、典型的なロッド構成よりも格段に先端温度を低減できることを示している。１．５ｍｍの直径を有する純粋なロッドの熱入力の要件は、許容範囲以上に高く、このようなロッドはスポットモードで動作すると予測される。しかも、中実の先端電極の温度はスロット付の電極より低いが、中実の先端電極の始動特性は不十分である。これは表２に示されている。したがって表２（図７）のデータは、図４に示されたトリアフリー（エミッタフリー）の電極の始動特性および定常状態特性は、標準的なトリア含有電極と同様に良好であることを示している。図８に示された結果はまた、凹部付先端の電極および中実の先端の電極の２Ｄ境界層の計算結果を示している。これは、測定結果と非常に一致している。いずれのケースでも、この測定では付着モードは拡散モードであった。

凹部付の電極はさらに、所望の始動特性および定常状態特性の双方を供給する凹部構造の他に、中実の同等の先端電極と比較して、拡散付着の安定性も改善する。アークの安定性が改善されることにより、調光時のメンテナンス性も改善される。というのも、比較的低い電流はスポット動作を引き起こす傾向にあるからだ。凹部付の電極の安定性を検証するために実験を行った。表２に示されたランプのためのＭ‐１３５バラスト上の電圧波形を監視することによって、陰極で発生する拡散からスポットへの移行を示す電圧の不連続性を、マイクロ秒の時間スケールで観察した。定常状態ではバラストのトランス飽和特性が、低いランプパワー係数でランプを作動する傾向にあり、スポットモードへの移行を引き起こす。垂直に動作するランプの場合、凹部付のランプでは１．８Ａ ｒｍｓの電流で、一方の電極において拡散からスポットへの移行が発生し、２．６Ａ ｒｍｓの電流で、他方の電極において拡散からスポットへの移行が発生した。このことは中実の先端では、両電極における３．２Ａ ｒｍｓの閾値に相応する。標準的なコイル付電極は、１．８Ａ ｒｍｓで一方の電極のみで移行（波形の１つの位相）を示したので、その点ではまだ良好である。しかし、トリアを含まない標準的な電極では、凹部付の種類のメンテナンス性は改善されていない。

ここで求められた推定値によって、ＨＱＩランプ内に設けられた電極はセラミックより安定的でない（Ｋ_ｓｔａｂが大きい）ことが予測される。というのも、ＨＱＩランプでは基準温度Ｔ_０が比較的低く、ＨＱＩの場合には有効長さが比較的短いからである。ＨＱＩアーク管では、基準温度はシール温度であるのに対し、ＨＣＩでは基準温度は、毛管体との直接的な熱コンタクトを形成する前に、付加的なフィードスルー部品に電極が溶接されている場所の温度である。スロット付の電極の安定性係数は幾らか低いので、スロット付の電極の安定特性は比較的良好である。このことは、正弦波のバラストでＨＣＩ電極を観察した結果と一致する。また表１には、矩形波の方が正弦波より安定的であるという推定が得られ、これは矩形波バラストで行われた温度測定と量的に一致する。

凹部付の電極の定常状態のパフォーマンスをテストするため、表１に示された、ｄ_ｈ＝１．５ｍｍであるスロット付のトリアフリーのＨＱＩ‐Ｔ ４００Ｗのランプと、トリア含有の調整ＨＱＩランプとで連続的な寿命テストを行った。すべてのランプが、水平方向に動作するものである。ヘッド直径がｄ_ｈ＝１．１ｍｍであるスロット付のトリアフリー電極を有するＨＱＩランプと、ヘッド直径がｄ_ｈ＝１．３ｍｍであるスロット付のトリアフリー電極を有するＨＱＩランプとを検証した。スロットの作用を調べるため、スロット付の電極と同じ寸法を有する中実の電極を備えた同一のＨＱＩランプも付加的に検証した。すべてのランプが、３．５Ａの公称電流で動作する５０Ｈｚのチョークバラストで検証された。１５００時間の動作後、アーク付着に関して次のような結果が観察された。すべてのトリア含有電極が、しばしば見られるようにスポットモード付着で動作するのが確認された。中実のトリアフリー電極はほぼすべて、スポットモードアーク付着で動作したか、またはある程度収縮されたアーク付着で動作した。スロット（凹部）付のトリアフリー電極はすべて、拡散モードで動作し、このことはＨＣＩランプの前記の観察と矛盾しない。唯一の例外は、ｄ_ｈ＝１．５ｍｍの電極の表面のうち１つに非対称的な蒸発を示す、ある程度のＸ線が検出された。これは、水平方向の動作ポジションとは関係ないと思われる。これらのランプで測光パラメータおよび電気的パラメータを、０時間、１００時間、５００時間、１０００時間および１５００時間で測定した。１５００時間での結果は、以下のように要約できる。スロット（凹部）付の電極を有するランプでは１００時間と比較して、ｄ_ｈ＝１．１ｍｍの電極およびｄ_ｈ＝１．３ｍｍの電極では９５％の平均的な光束（光束維持率）が観察され、ｄ_ｈ＝１．５ｍｍの電極では９０％の平均的な光束が観察された。これらの結果は、トリア含有の調整ランプと同等に良好であるか、またはそれよりも良好である。トリア含有の調整ランプの光束維持率は、８５〜９０％であった。中実のヘッドの最も良好な結果（ｄ_ｈ＝１．１ｍｍ）は、７０％未満の光束維持率を示した。これはおそらく、スポットモード付着によると考えられる。スロット付電極を有するランプでは電圧上昇は見られず、先端エッジから適切な蒸発が見られただけであった（Ｘ線による）。実際、電圧はこの時間にわたって、５〜８Ｖ減少した。調整ランプおよび中実の電極では、５〜１０Ｖの適切な電圧上昇に近い電圧上昇が観察され、先端におけるスポット付着からの蒸発の量は適切だった。したがってこの寿命テストのデータにより、図３に示された凹部付のトリアフリー電極の実施形態は少なくとも、希ガス充填物を含まないコイルを有するトリア含有の電極と同等に良好なメンテナンス性を提供することが確認される。このデータは、拡散モード付着の調整の際に凹部が有利であることを示している。ここに記載されたコンセプトの多くは、放電発生凹部を有する電極の別の実施形態にも適用することができる。凹部付の電極の第２の実施形態では、ステム部分および先端部分は、異なる耐熱性の材料から形成される。その際にはステムは、凹部付の先端部分Ｋ_１の熱伝導度より低い熱伝導度Ｋ_Ｎを有する耐熱性の材料から形成される。

第３の実施形態が図９に示されている。ここでは凹部の代わりに、先端ボディの頂部に設けられた１つまたは複数の空洞領域が使用され、これによって、同等の中空陰極作用が実現される。この空洞領域は、機械的な穿孔またはレーザによる穿孔によって形成される。このような空洞領域は、始動中の中空陰極放電のための要件を満たさなければならない。アルゴンのバッファガスの場合、空洞の直径ｄ_ｈおよび該空洞の深度ｌ_ｈは、以下の条件を満たさなければならない。
７０＜ｄ_ｈｐ＜１２００ Ｐａ・ｃｍ 数式６ａ
凹部の深度Ｄは、スパッタリングされたタングステンを該凹部内部に包括し、十分な電流を供給するために十分に大きくなければならない：
Ｄ＞ｄ_ｇ 数式６ｂ
図１０に示された第４の実施形態では、このような空洞凹部領域は先端ボディの前面に設けられる。これは単独で設けられるか、または先端ボディの頂部の空洞領域とともに設けられる。電極７０は中実のボディとして形成され、ヘッド７４を該電極７０の最も内側の端部で担持する内側のステム７２を有する。ヘッド７４は、扁平な端面７６を有することができる。端面７６には、孔、スロット、スリットまたは溝等の１つまたは複数の凹部が形成される。この凹部を、軸方向に延在する穿孔８０とすることができる。穿孔８０は、最小スパン距離（直径）８２および深度８４を有する。直径８２は、電子イオン化の最大平均自由経路よりも大きく、かつ始動のグロー放電フェーズ全体にわたって、選択された充填ガスの組成および圧力において、最小陰極降下の２倍＋負グロー距離を下回る。深度８４は、有利にはスパン間隔８２より大きい。サイズおよび形状の規定を遵守すれば、複数のこのような穿孔を前面７６に設け、溝、スロットおよび同様の開口を使用できることが理解できる。

図１１の第５の実施形態では、図３に示された有利な実施形態の平行な溝の代わりに、扁平かつ非平行な面または曲面から成る溝が使用され、中空陰極グローが形成される表面間の距離は変動している。したがって、ＳＰは溝の各部分ごとに異なり、これによって中空陰極作用を生成するための圧力の範囲がより大きくなる。このことは始動中に有利であり、電極の加熱から発生するガスの希薄化が、ガス密度に大きな変動を生じさせる。このような構成により、中空陰極放電が始動フェーズ中に、溝の特定の部分で最適に形成される。

凹部は、種々の択一的な形状を有することができ、図２に示されたような開口状の穿孔、または図３に示されたような溝とすることができる。図１０に、択一的に有利な電極ヘッド７６の部分的に除去された断面が示されている。この電極ヘッド７６の前面には、穿孔凹部８０が形成されている。それ以外の凹部スパン８２および凹部深度８４は、上記の説明に記載されている通りである。スパン寸法は、ランプの寿命または製造の変動性に起因して、実際のランプ条件において一層最適なスパン寸法が得られるように、変化することができる。図１１は、変動的な凹部スパン寸法を有する択一的に有利な電極ヘッドを示す、部分的に除去された側面図である。リードディスク８４は正弦波状の面によって形成され、この面は歯列状またはこれと同じような波打つ面とされ、これによって、凹部を挟んで反対側の面と関連して、８６および８８のような異なるスパン寸法が得られる。図１２は、択一的に有利な電極ヘッド９０を示す、部分的に除去された側面図である。この電極ヘッド９０は、螺旋状の凹部９２を有する。この凹入溝は環状でなくてもよいが、この溝をヘリカル状にすることによって、付着が軸方向の広がりで流れるのをより容易にすることができる。ここでもスパン寸法９２は、上記の条件に準じている。図１３は、エミッタコーティング１０２を有する択一的に有利な電極ヘッド１００を示す、部分的に除去された断面図である。種々の実施形態のうちどの電極にも、酸化物エミッタ材料をドープすることができる。図１３には、エミッタ材料に浸漬コーティングされた電極のステムおよびヘッド１００が示されており、このエミッタ材料によってコーティング層１０２が形成される。使用できるエミッタコーティングには、ＴｈＯ_２、Ｌａ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＣｅＯ_２および関連の酸化物等である、周知の高温エミッタドーパントが含まれる。エミッタ材料は、トリア含有電極で通常行われるように、電極に直接含まれる。このようなドープされた電極の仕事関数は低いので、エミッタ材料の蒸発が有意でない温度よりも先端温度を低減することができる。こうすることにより、ランプの平均寿命にわたって単層による表面のカバーが実現される。ドープされた電極の温度は、大きな先端面積を形成し、かつ電極の許容範囲内の熱入力および陰極降下を有する最初の５つの実施形態のうち１つを使用しても低くすることができる。

図１４は、軸方向の凹入溝１１２を有する電極ヘッド１１０の前面図である。この凹入溝は、電極ヘッドの側面に沿って軸方向に延在する。図１５は、前面に環状の凹入溝１２２を有する電極ヘッド１２０の前端を示す図である。電極の前面に形成された環状の凹部１２２は、上記の条件を満たすスパン幅１２４および深度を有する。

上記の実施形態で説明された電極および充填ガスを有するランプは有利には、正弦波励振（電流）で動作する。これによって、拡散モード動作のためにステム直径または熱入力の範囲の上方が拡大される。矩形波による励振によって、先端直径の限界にかかる制約が比較的少ないことにより、メンテナンス性がさらに改善され、なおかつ拡散モード動作を実現できる。また、前記の実施形態で説明された陰極および充填ガスを有するランプは、有利にはＤＣバラストによって動作する。このことによって、拡散モード動作のためのステム直径または熱入力の上方の範囲をさらに拡大することができる。またＤＣ動作によって、ステム直径の限界にかかる制約がさらに少なくなることにより、メンテナンス性がさらに改善され、なおかつ拡散モードを実現できる。上記の実施形態で説明された陰極および充填ガスを有するランプは始動中、有利にはＡＣバラストで準ＤＣ位相で動作する。このことにより、有効な中空陰極加熱作用がＡＣ始動と比較して倍増される。準ＤＣの始動位相を使用するバラストによってＡＣ動作を行うことにより、グロー‐アーク時間が短縮され、メンテナンス性が改善される。

一般的に、放電発生凹部を有する電極は、ここに開示された実施形態の幾何的な構成に制限されず、螺旋状の構成、または対角線上の構成、またはここに開示された基準によるすべての別の構成のうちいずれかの構成等である、択一的なジオメトリを有する凹部も含まれる。

有利な電極構成では、成形または機械加工されたタングステンの単体が使用される。これによって、始動および定常状態のメンテナンス性が改善される。コイルを使用しないので、電極特性をより良好に繰り返すことができ、ひいてはランプごとの寿命の変動が改善される。この実施形態は、正弦波または矩形波によるバラストで動作するが、これらの波形に限定されない。最後にこの構成は、低電流で、エミッタ酸化物を含有しない電極が不所望なスポット付着に移行してメンテナンス性が不足する可能性のある調光アプリケーションに有利である。

ここで電極構造の有利な実施形態と見なされる構成を図示および説明したが、当業者であれば、請求の範囲によって定義された本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更および修正を行えることが理解できる。

アーク放電ランプの断面図である。 グロー発生凹部を有する一般的な電極ヘッドの断面を、一部切り離して示す図である。 グロー発生凹部を有する有利な電極ヘッドの断面を、一部切り離して示す図である。 標準的な形態を有する電極を備えたランプの関連の寸法および動作条件と、図３の一般的な（スロット付の）形態を有する電極を備えたランプの関連の寸法および動作条件を示す表である。 図３に示された実施形態におけるピーク陰極電流を圧力の関数として示す図である。 図３に示された種類の電極を使用する半サイクルの陰極エネルギーの平均をランプ圧力の関数として示す図である。 標準的な電極を有するランプと、図３に示された形態を有する電極を備えたランプの、グロー‐アーク（ＧＴＡ）時間およびエネルギーを示す表である。 異なる電極の種類において測定された、電流に対する電極先端温度の測定結果を示す図である。 電極ヘッドの前面に形成されたシャフト凹部を有する、択一的手段として有利な電極ヘッドの断面を、一部切り離して示す図である。 穿孔タイプの凹部を有する電極の側面図である。 凹部のスパン寸法が変動的である、択一的手段として有利な電極ヘッドの側面を、一部切り離して示す図である。 螺旋状の凹部を有する、択一的手段として有利な電極ヘッドの側面を、一部切り離して示す図である。 エミッタコーティングを有する、択一的手段として有利な電極ヘッドの断面を、一部切り離して示す図である。 軸方向の凹入溝を有する電極ヘッドの端面の前面図である。 前面に環状凹入溝を有する電極ヘッドの端面の前面図である。

符号の説明

１０ 高輝度アーク放電ランプ
１２ エンベロープ
１４ 壁
１６ 封入容量
１８ 電極アセンブリ
２０ ランプ充填物
２２，４６，７４，９０，１００，１１０，１２０ 電極ヘッド
２４ グロー放電誘起凹部
３０ 従来の電極ヘッド
３２ グロー発生凹部
３４ 最小スパン間隔
３８ 電極軸
４０ 電極先端
４２，４８，７２ 電極ステム
４４ 電極ステムの直径
５０ ステム直径
５２ 軸長さ
５４ ヘッドの外径
５６ 内側最先端部
６０ 放射状の溝
６２ 溝６０の軸方向の幅
６４ 溝６０の内径
７０ 電極
７６ ヘッド７４の端面
８０ 穿孔
８２ 穿孔８０の最小スパン距離
８４ 穿孔８０の深度
９２ 螺旋状の凹部
１０２ コーティング層
１１２ 軸方向の凹入溝
１２２ 環状の凹入溝
１２４ 凹入溝１２２のスパン幅

Claims (21)

1. 高輝度放電ランプにおいて、
   透光性のランプエンベロープと、少なくとも１つの電極アセンブリと、充填材料と、充填ガスとを有し、
   該ランプエンベロープは、封入容量を定義する壁を有しており、
   該少なくとも１つの電極アセンブリは封入されて、該高輝度放電ランプの外側からランプエンベロープ壁を貫通して、該電極アセンブリの内側端部で前記封入容量に対して露出されるまで延在し、
   該充填材料は封入容量に封入されており、電力が供給されることによって励起されて発光するものであり、
   該充填ガスは封入容量に封入されており、単位Ｐａで表されるｐの低温充填圧力を有し、
   電極の内側端部は、凹部容量と該凹部容量から封入容量への開口とを有する凹部を定義する表面を有する、統合的に形成されたボディ（ヘッド）であり、
   該表面はさらに、凹部開口にわたって測定される最小凹部スパン寸法Ｓと、Ｄの凹部深度とを定義し、
   Ｓは、選択されたランプ充填ガスの組成および（低温）充填ガス圧力において、始動時のグロー放電フェーズ中に、電子イオン化平均自由経路より大きく、かつ最小陰極降下間隔の２倍＋負グロー間隔より小さくなるように構成されていることを特徴とする、高輝度放電ランプ。
2. 凹部は、ヘッドの側部の内部まで延在する穿孔の形態を有する、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
3. 凹部は、ヘッドの前面の内部まで延在する穿孔の形態を有する、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
4. 凹部は、ラジアル状の溝の形態を有する、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
5. 凹部は、異なるスパン寸法を有する、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
6. 凹部は、螺旋状の溝の形態を有する、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
7. 凹部は、軸方向の溝の形態を有する、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
8. 充填ガスは、低温（３００Ｋ）圧力ｐを有するアルゴンであり、
   ７０Ｐａ・ｃｍ＜Ｓｐ＜１２００Ｐａ・ｃｍとなるように構成されている、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
9. 最小スパン間隔Ｓは、凹部深度Ｄより小さい、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
10. 電極のヘッドの外径がｄ_１であり、該ヘッドの熱伝導度がＫ_１であり、電極のステムの直径がｄ_Ｎであり、該ステムの熱伝導度がＫ_Ｎであるとすると、
    Ｋ_１ｄ_１＞Ｋ_Ｎｄ_Ｎ
    となるように構成され、ここでは、
    Ｋ_１＝Ｗ／ｃｍ／Ｋで表される、電極のヘッドの熱伝導度
    ｄ_１＝ｃｍで表される、該電極ヘッドの直径
    Ｋ_Ｎ＝Ｗ／ｃｍ／Ｋで表される、電極のステムの熱伝導度
    ｄ_Ｎ＝ｃｍで表される、該電極のステムの直径
    である、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
11. 凹部は、最小スパン間隔Ｓを有し、
    充填ガスはヘリウムであり、
    充填ガスの低温充填圧力をｐとすると、
    ５３０Ｐａ・ｃｍ＜Ｓｐ＜１５０００Ｐａ・ｃｍとなるように構成されている、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
12. 凹部は、最小スパン間隔Ｓを有し、
    充填ガスはネオンであり、
    該充填ガスの低温充填圧力をｐとすると、
    ２４０Ｐａ・ｃｍ＜Ｓｐ＜４８００Ｐａ・ｃｍとなるように構成されている、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
13. 凹部は、最小スパン間隔Ｓを有し、
    充填ガスはアルゴンであり、
    該充填ガスの低温充填圧力をｐとすると、
    ７０Ｐａ・ｃｍ＜Ｓｐ＜１２００Ｐａ・ｃｍとなるように構成されている、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
14. 凹部は、最小スパン間隔Ｓを有し、
    充填ガスはクリプトンであり、
    該充填ガスの低温充填圧力をｐとすると、
    ４０Ｐａ・ｃｍ＜Ｓｐ＜８８０Ｐａ・ｃｍとなるように構成されている、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
15. 凹部は、最小スパン間隔Ｓを有し、
    充填ガスはキセノンであり、
    該充填ガスの低温充填圧力をｐとすると、
    ３５Ｐａ・ｃｍ＜Ｓｐ＜８４０Ｐａ・ｃｍとなるように構成されている、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
16. 凹部は、最小スパン間隔Ｓを有し、
    充填ガスはアルゴンであり、
    該充填ガスの低温充填圧力をｐとし、凹部深度をＤとすると、Ｓ＜Ｄであるように構成されており、
    ここでは、Ｓ＝ｃｍで表される凹部のスパン間隔、Ｄ＝ｃｍで表される凹部の深度である、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
17. ＤＣ放電ランプを作動する方法であって、
    熱電子アークへの引き継ぎを保証し、
    該ＤＣ放電ランプは、定常状態放電電流Ｉ_ｓｓ（Ａ）と、アルゴンまたはクリプトンまたはキセノンの不活性ガス充填物と、請求項１に記載された電極とを有し、
    該不活性ガス充填物は、低温充填圧力ｐを有し、
    該電極は、数Ｎ_ｓの凹部を有し、
    各凹部は、面積Ａ_ｒとスパン間隔Ｓとを有する形式の方法において、
    ａ）降伏から熱電子アークの兆候まで、陰極への始動パワーＰ_ｈｃを供給し、ここでは、
    Ｐ_ｈｃ＞１．５Ｐ_ｓｓ（Ｗ）
    Ｉ_ｈｃ＞Ｐ_ｈｃ／Ｖ_ｈｃ
    ２００Ｖ＜Ｖ_ｈｃ＜４００Ｖ
    であり、ここでは、
    Ｐ_ｈｃ＝単位Ｗで表される始動パワー
    Ｉ_ｈｃ＝単位Ａで表される始動電流
    Ｖ_ｈｃ＝中空陰極放電中のランプ電圧
    であるステップと、
    ｂ）熱電子アークが形成された後、電流Ｉ_ｓｓを有する定常状態Ｐ_ｓｓを供給し、ここでは、
    ３Ｉ_ｓｓ＜Ｐ_ｓｓ＜２０Ｉ_ｓｓ（Ｗ）であり、
    ここでは、Ｉ_ｓｓ＝単位Ａで表される、熱電子アークの形成後の公称定常状態ランプ電流
    であるステップとを有することを特徴とする方法。
18. ＡＣ放電ランプを作動する方法であって、
    熱電子アークへの引き継ぎを保証し、
    該ＡＣ放電ランプは、定常状態ｒｍｓ放電電流Ｉ_ｓｓ（Ａ）と、アルゴンまたはクリプトンまたはキセノンの不活性ガス充填物と、請求項１に記載された電極とを有し、
    該不活性ガス充填物は、低温充填圧力ｐを有し、
    該電極は、数Ｎ_ｓの凹部を有し、
    各凹部は、面積Ａ_ｒとスパン間隔Ｓとを有する形式の方法において、
    ａ）降伏から熱電子アークの兆候まで、陰極への平均的な始動パワーＰ_ｈｃを供給し、ここでは、
    ０．５Ｐ_ｈｃ＞１．５Ｐ_ｓｓ（Ｗ）
    Ｉ_ｈｃ＝Ｐ_ｈｃ／Ｖ_ｈｃ
    ２００Ｖ＜Ｖ_ｈｃ＜４００Ｖ
    であり、ここでは
    Ｐ_ｈｃ＝単位Ｗで表される、時間平均的な始動パワー
    Ｉ_ｈｃ＝単位Ａで表される、ｒｍｓ始動電流
    Ｖ_ｈｃ＝中空陰極の半サイクル中のｒｍｓランプ電圧
    であるステップと、
    ｂ）熱電子アークが形成された後、ｒｍｓ電流Ｉ_ｓｓを有する定常状態Ｐ_ｓｓを供給し、ここでは、
    ３Ｉ_ｓｓ＜Ｐ_ｓｓ＜１０Ｉ_ｓｓ（Ｗ）
    であり、ここでは、
    Ｉ_ｓｓ＝単位Ａで表される、熱電子アークの形成後の公称定常状態ランプｒｍｓ電流
    であるステップとを有することを特徴とする方法。
19. アルゴン、クリプトンまたはキセノンの不活性ガス充填物は、低温充填圧力ｐを有し、
    請求項１記載の電極が設けられており、
    Ｎ_ｓＡ_ｒ／Ｉ_ｓｓ＞０．０１２ｃｍ^２／Ａ
    であるように構成され、ここでは、
    Ｎ_ｓ＝凹部の数
    Ａ_ｒ＝凹部の面積
    Ｉ_ｓｓ＝単位Ａで表される、熱電子アークの形成後の公称定常状態ランプｒｍｓ電流（ＤＣまたはＡＣ）
    である、請求項１記載の高輝度放電ランプ。
20. 高輝度放電ランプを作動する方法であって、
    透光性のランプエンベロープを有し、
    該透光性のランプエンベロープは、封入容量を定義する壁を有し、
    該高輝度放電ランプは、少なくとも１つの電極アセンブリと、充填材料と、充填ガスとを有し、
    該少なくとも１つの電極アセンブリは封入されて、該高輝度放電ランプの外側からランプエンベロープ壁を貫通して、該電極アセンブリの内側端部で前記封入容量に対して露出されるまで延在し、
    該充填材料は封入容量に封入されており、電力が供給されることによって励起されて発光するものであり、
    該充填ガスは封入容量に封入されており、単位Ｐａで表されるｐの低温充填圧力を有し、
    電極の内側端部は、面積を有する側部を備えた凹部と、該凹部容量から封入容量への開口とを定義する表面とを有する、統合的に形成されたボディ（ヘッド）であり、
    該表面はさらに、凹部開口にわたって測定される最小凹部スパン寸法Ｓと、Ｄの凹部深度とを定義し、
    Ｓは、始動時のグロー放電フェーズ中、選択されたランプ充填ガスの組成および（低温）充填ガス圧力において、電子イオン化平均自由経路より大きく、かつ最小陰極降下距離の２倍＋負グロー距離より小さく、
    ａ）陰極フェーズ中、凹部内でグロー放電を発生するのに十分なピリオドで、
    Ｐ_ｈｃ＞２５００Ｎ_ｓＡ_ｒ（Ｗ）
    であるように、始動パワーを供給するステップと、
    ｂ）バラストから始動パワーの次に、定常状態ｒｍｓ電流Ｉ_ｓｓを高輝度放電ランプへバラストから供給して、アーク放電を発生し、ここでは、
    面積／Ｉ_ｓｓ＞０．０１２ｃｍ^２／Ａ
    であり、ここでは、
    Ｐ_ｈｃ＝バラストから高輝度放電ランプへ、ＡＣサイクルの陰極部分で供給されるパワーであるか、またはＤＣサイクルで陰極へ供給されるパワー
    面積＝ｃｍ^２で表される、凹部に面する側部の壁面積全体
    Ｉ_ｓｓ＝単位Ａで表される、バラストから高輝度放電ランプへ供給される定常状態ｒｍｓ電流
    であるステップを有することを特徴とする方法。
21. 高輝度放電ランプを作動する方法であって、
    透光性のランプエンベロープと、少なくとも１つの電極アセンブリと、少なくとも１つの電極アセンブリと、充填材料と、充填ガスとを有し、
    該ランプエンベロープは、封入容量を定義する壁を有しており、
    該少なくとも１つの電極アセンブリは封入されて、該高輝度放電ランプの外側からランプエンベロープ壁を貫通して、該電極アセンブリの内側端部で前記封入容量に対して露出されるまで延在し、
    該充填材料は封入容量に封入されており、電力が供給されることによって励起されて発光するものであり、
    該充填ガスは封入容量に封入されており、単位Ｐａで表されるｐの低温充填圧力を有し、
    電極の内側端部は、複数のＮ個の同様の凹部を定義する表面を有する、統合的に形成されたボディ（ヘッド）を有し、
    各凹部は、凹部面積と、凹部容量と、該凹部容量から封入容量への開口とを定義する側壁とを有し、
    前記側壁はさらに、凹部開口にわたって測定される最小凹部スパン寸法Ｓと、Ｄの凹部深度とを定義し、
    Ｓは、始動時のグロー放電フェーズ中、選択されたランプ充填ガスの組成および（低温）充填ガス圧力で、電子イオン化平均自由経路より大きく、かつ、最小陰極降下間隔の２倍＋負グロー間隔より小さく、
    ａ）陰極フェーズ中に、凹部内でグロー放電を発生するのに十分なピリオドで、
    Ｐ_ｈｃ＞２５００Ｎ_ｓＡ_ｒ（Ｗ）
    となるように、始動パワーを供給するステップと、
    ｂ）バラストから始動パワーの次に、定常状態ｒｍｓ電流Ｉ_ｓｓを高輝度放電ランプへバラストから供給して、アーク放電を発生し、ここでは、
    Ｎ_ｓＡ_ｒ／Ｉ_ｓｓ＞０．０１２ｃｍ^２／Ａ
    であり、ここでは、
    Ｐ_ｈｃ＝バラストから高輝度放電ランプへ、ＡＣサイクルの陰極部分で供給されるパワーであるか、またはＤＣサイクルで陰極へ供給されるパワー
    Ａ_ｒ＝ｃｍ^２で表される、１つの凹部の側部の面積
    Ｎ_ｓ＝ヘッドに設けられた凹部の数
    Ｉ_ｓｓ＝単位Ａで表される、定常状態ｒｍｓ電流
    であることを特徴とする方法。

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