TW586134B - Electron emissive coating for a thermionic cathode, and arc discharge lamp - Google Patents

Description

586134 五、 發明說明 ( 1) 發 明 背 景 • 發 明 領 域 本 發 明 係 有 關 一 種 用 於 熱 離 子 陰 極 之 電 子 放 射 塗 層 〇 特 別 的 是 本 發 明 係 有 關 用 於 電 弧 放 電 燈 的 追 類 的 陰 極 〇 更 特 別 的 是 係 揭 示 此 類 塗 層 倶 有 降 低 工 作 函 數 而 因 此 降 低 電 燈 的 起 動 電 壓 和 增 加 電 燈 的 效 率 〇 a 關 技 術 說 明 熱 離 子 陰 極 係 用 在 包 含 諸 如 螢 光 燈 之 類 電 弧 放 電 光 源 的 很 多 應 用 中 當 作 電 子 源 〇 多 年 來 這 類 陰 極 使用 塗 覆 於 錫 或 類 似 線 圈 上 的 放 射 材料 9 而 以 通 過 該 線 圈 的 電 流 進 行 加 熱 所 塗 覆 的 放 射 材料 有 像 鋇 鈣 > 總 的 碳 酸 鹽 且 偶 而 會 用 到 氧 化 鉻 〇 隨 後 令 這 類 材料在 燈 製 作 期 間 接 受 熱 擊 穿 作 用 y 因 此 將 各 碳 酸 鹽 分 解 成 個 別 的 氧 化 物 0 螢 光 燈 的 使 用 壽 命 基 本 上 係 由 該 陰 極 塗 層 的 蒸 發 壽 命 定 出 的 0 氧 化 鋇 表 爲 溫 度 函 數 的 蒸 氣 壓 係描 述 成 下 列 方 程 式 ·· logic 丨m = :-(19 ，700/T) +8.87 ， 其4 1 T指的是克氏溫 度 (k) 〇 由 1於 、Μ :發 :連 [率 :是 •種 [強 [的 1溫 L度 ：相 1依 :函 丨數， 故即 使 是 在 陰 極 操 作 溫 度 上 的 Itb 微 改 變 也 能 在 燈 的 m 命 上 出 現 深 遠 的 效 應 〇 假 如 能 改 變 這 種 放 射 材料 以 提 供 更 低 的 工 作 函 數 〇 在 螢 光 燈 的 例 子 將 導 致 較 低 電 燈 放 電 電 壓 且 同 時 增 加 電 燈 效 ’ 減 少 陰 極 熱 點 的 溫 度 > 降 低 電 燈 起 動 電 壓 並 增 加 壽 口 P 〇 發 明 之 簡 單 說 明 - 3-

586134 五、 發明說明 ( 2) 因 此 y 本 發 明 的 的 是 免 除 習 知 設 計的 缺 點 Ο 本 發 明 的 另 —* 巨 的 是 強 化 熱 離 子 陰 極 的作 業 〇 另 一 個 發 明 的 是 改 善 螢 光 燈 〇 在本 發 明 的 某 一 觀 點 上 5 這 ith 巨 的 兀 成係 藉 由 提 供 一 種 用 於 熱 離 子 陰 極 的 電 子 放 射 塗 層 ， 其 中包括 鋇 鈣 > 緦 及 選 用 之 鉻 的 氧 化 物 以 及 有 效 量 額 的 碳 化 矽 以 便 使 該 塗 層 的 電 子 放 射 性 超 越 不 含 碳 化 矽 之 類 似 塗 層 的 電 子 放 射 性 0 這 些 a 的 可 進 一 步 藉 由 提 供 一 種 包 括 鶴 線 圈 以 及 該 鶴 線 圈 上 之 電 子 放射 塗 層 的 熱 離 子 陰 極 而 兀 成 0 該 塗 層 係 包括 鋇 、 鈣 鋸 及 CBB m 用 之 Wo 的 氧 化 物 以 及 有 效 量 額 的 碳 化 矽 以 便 使 該 塗 層 的 電 子 放 射 性 超 越 不 含 碳 化 矽 之 類 似 塗 層 的 電 子 放 射 性 〇 這 些 目 的 還 可 進 一 步 藉 由 提 供 一 種 電 弧 放 電 燈 而 兀 成 這 種 電 弧 放 電 燈 係 包 括 ·· 已 排 空 之 電 磁 能 量 傳 輸 封 套 9 落在 該 封 套 之 內 的 電 弧 產 生 及 維 持 用 媒 體 9 以 至 少 —· 個 落在 該 封 套 之 內 的 熱 離 子 電 子 放 射 陰 極 ， 該 陰 極 具 有 塗 覆 其 上 含有 碳 化 矽 的 電 子 放 射 塗 層 0 此 中 說 明 的 本 發 明 應 用 會 得 到 減 低 工 作 函 數 降 低 陰 極 電 壓 以 及 加 長 所 用 燈 管 的 壽 命 〇 圖 示 簡 單 說 明 此 中 的 單 一 附 圖 係 用 以 表 現 一 種 使 用 本 發 明 之 螢 光 燈 的 部 分 截 面 示 意 圖 0 發 明 的 詳 細 說 I - 4-

586134 五、 發明說明 ( 3) 爲 了 更 淸 楚 地 了 解 本 發 明 連同其他及 進 一 步 的 巨 的、 優 點 及 功 能 > 可 參 照 下 列 揭 示內容及所 附 串 請 專 利 範圍 結 合 上 述 圖 示 加 以 說 明 〇 現在 以 更 特 殊 的 方 式 參 照 附圖，其中 顯 示 了 —» 種 含有 已 排 空 之 電 磁 能 里 傳 輸 封 套 1的螢光燈 0 厂 電 磁 能 量」 —^ 詞 指 的 是 落 在 光 譜 之 可 見 光或不可見 光 部 分 內 的 輻射 且 在 不 設 限 下 包含 紫 外 線 輻 射。可將磷 塗 層 2 設 置 在該 封 套 的 內 側 表 面 上 〇 以 電 極 桿3封住該 封 套 的 各 端 點。 該 電 極 桿 3 係包 括 閃 光 片 4 及桿壓（塞）封彳 m 5， 1以及透 過 此 而 延 伸 的 引 入 電 線 6 和 7。其中也- 含有排: 氣j 管 8 〇 令 電 極 線 圈 9(較 佳 的 是 由 鶴 構成的）塗覆有本發明的氧 化 物 〇 在 該 封 套 內 設 置 有 元 素汞或汞合 金 以 及 適 用 的大 氣 以 便 在 操 作 該 燈 時 產 生 並維持電弧 作 用 如 同 習知 設 計 中 所 熟 知 的 一 般 〇 一 άη* 而 言 本 發 明 的 放 射 性塗層，係 藉 由 產 生 由 鋇、 鈣 Λ 總 的 碳 酸 鹽 連 同 二 氧 化 鉻混合而成 之 懸 浮 液 而 製備 的 〇 該 材 料係在 戊 院 基 醋 酸 鹽媒液內連 同 當 作 黏 結 劑的 二 硝 酸 鹽 纖 維 素 一 起 磨 碾 成 的。然後將 如 是 形 成 的 陰極 塗 層 懸 浮 液 塗 覆 到 各 錫 線 圈 上。 在 某 一 特 定 實 施 例 中 ， 係 將這種塗層 懸 浮 液 塗 覆 到13 瓦 雙 管 螢 光 燈 的 鶴 線 圈 上 0 其平均的乾 燥 塗 層 重 量 是 1 . 50 毫克（mg)。 在製 !作 ：燈 ：期 丨間接受熱擊 ：穿 丨作用 !之 •後 :，使 各 碳 酸 鹽 分 解 成 個 別 的 氧 化 物。最後得 到 之 放 射 性 氧化 物 塗 層 的 組 成 物 依 其 重 量 %分別是48.1 -5- 重 旦 里 %的; 氧/ ί匕鋇

五、發明說明（4) ，3 8.3 6重量％的氧化緦，6.86重量％的氧化鈣，以及 6.7 7重量％的氧化錐。 各測試燈係取用某一數量之上述塗層懸浮液並加入具 有石.晶體結構且粒子尺寸爲1微米之粉末碳化矽。其中 所加碳化矽的數量係使之包括最後氧化物塗層的1 〇容 積％。依完全相同的方式且在同一天製作出各測試燈及 控制燈。各測試燈上的平均乾燥塗層重量爲1.36毫克 〇 在標準使用壽命工作台上操作各測試及控制燈達20 小時，然後以光度計進行量測。雖則測試規模很小，然 而吾人可藉由標準的學生t-測試中以95 %的信心位準顯 示出在燈管電壓及功效上的差異明顯地達到令人滿意的 結果。其結果如表I所示。

新塗層 控制 ^ Μ (測試二k制） 燈的數目 6 2 平均電壓 61.88 63.15 -1.27 平均電流（安培） 0.2739 0.2709 + 0.003 平均瓦特數 13.88 14.09 -0.21 平均流明數 800 801 0 平均流明/瓦特 57.66 56.85 + 0.81 表I 「零時i燈管放電電懕測試 使用表I測試中相同的經修正或未修正陰極塗層懸浮 液製備額外之1 3瓦雙管型式的測試及控制燈。其平均 乾燥塗層重量分別是控制燈爲2 · 6毫克，測試燈爲2.5 毫克。在製作之後將各燈放進120°C的烤爐內數分鐘以 586134 五、發明說明（5) 分散汞。然後在以6 0赫之瞬間起動電磁安定器上作業1 分鐘之後量測各燈的放電電壓，即使以小規模的學生t-測試也明顯呈現出令人滿意的結果，其估計的誤差機率 是小於0.0 0 1。這些結果係如表II所示。

測試 控制 (測試—控制） 燈的數目 6 2 —— 平均放電電壓 66.75 70.75 -4.0 表II 「零時i燈管起動電懕測試 使用由可變變壓器驅動的電磁瞬間起動安定器以60 赫量測如表II所示各測試燈的起動電壓。在燈內啓動放 電作用所需要的最小電壓是隨著輸入到安定器之電壓緩 慢地斜坡上升而量測得的。這裡也同樣明顯地呈現出令 人滿意的結果，其估計的誤差機率是小於0.001。其結 果係如表III所示。

測試 控制 差異 (測試-控制） 燈的數目 4 6 平均起動電壓 456,2 474.5 -18.3 表III 爲了評估不同濃度的碳化矽在陰極塗層內的效應，製 備了數個經修正的測試組，其碳化矽之添加量係如表IV 所示。 586134 五、發明說明（6) 塗層（及測試燈）組 一微米克數，ySSiC加每1〇克的陰極塗層懸浮 1 0.1 1 2 0.29 3 0.52 4(控制） 0 二微米克數，aSiC加每10克的陰極塗層懸浮 5 0.11 6 0.29

表IV 該控制陰極在跟隨著擊穿作用之後的組成物以氧化物 的重量％表出如下：氧化鋇是大槪5 7.5重量％，氧化緦 爲2 8 · 5重量。/〇，氧化鈣爲1 5 · 0重量％，二氧化鉻爲5 · 0 重量％，該控制懸浮液的非揮發內含物佔了 66%。 用於測試及控制的燈都是可購自Sylvania公司的26 瓦Dulux D/E燈且係由如表IV所示的懸浮液製成的。在 壽命測試工作台上操作各燈，並在1 00小時及200小時時 以光度計量測每一組中的五個燈，其結果係如表V所示。 使用塗層： 平均 燈電壓，100小時 標準差電壓 平均 光通量/瓦 標準差 光通量/瓦 1 109.7 0.540 67.9 0.565 2 110.7 0.688 67.8 0.729 3 110.3 0.942 67.9 0.821 4(控制） 111.0 1.022 67.1 0.662 5 109.6 1.324 68.1* 0.631 6 109.3 1.461 69.6* 0.221 200小時 1 108.1 0.981 66.1 0.549 2 108.4 1.268 66.4 0.319 3 108.2 1.122 67.1* 0.824 4(控制） 109.1 0.958 65.7 0.570 5 107.1* 0.789 66.9* 0.488 6 106.3* 1.381 69.0* 0.577 586134 五、發明說明（7) 表V 在該測試組相對於該控制組的結果上，以0.05的位準 施行單程ANOVA的統計分析。在0.05位準上顯示具有 統計重要性的測試結果係由*號標示出。這些測試組上 的結果呈現出將碳化矽加到陰極塗層上有明顯的益處。 陰極熱點之溫度測試# 1 同時以如表V所示之陰極懸浮液製作具有上述相同型 式（亦即26瓦Dulux D/E)的額外測試及控制燈。這些燈 係各端點上製作出透光的無磷區域以容許在作業期間對 陰極進行觀測。然後在壽命測試工作台上操作300小時 。然後以MicroOptical公司的高溫計在以60赫之磁性 安定器驅動該燈量測每一個陰極熱點上的溫度。 其測試組陰極塗層的相似性是與前述如表V所示之測 試組完全相同的。其陰極熱點溫度相對於該控制組之陰 極熱點溫度的重要性係由單程ANOVA分析標示出，且 再次由*符號標示出。第1和第3組在0.05位準上顯得 很重要，而第5組則在0.001位準上且第6組係在0.0 2 位準上顯得很重要。再次呈現出具有高度統計重要性， 雖則使用的是很小的測試組。這些結果係如表VI所示。

陰極塗層 使用 線圈數量 已測 平均熱點溫度 K 標準差 1 6 1030* 12.7 2 6 1035 22.0 3 6 1026* 17.5 4(控制） 6 1062 24.6 5 6 1002* 19.8 6 6 1018* 25.6 表VI

586134 五、發明說明（8 ) 極熱i丨之溫度測試# 2 第二次的陰極熱點測試係以類似的26瓦Dulux燈進 行的；其中使用了不同的鎢線圈，以及氣體壓力爲4.5 和3 · 0托的氬緩衝氣體。將具有中間位準之碳化矽的陰 極塗層，亦即第2和第6組與第4控制塗層作比較。在 1 5 0小時的作業之後，依上述方式量測各熱點溫度。此 一測試在很小的測試組規模以及得到相當大之標準差下 ，只有一種碳化矽組在AN OVA70.05位準上呈現出重要 性。其結果係如表VII所示。

陰極使用塗層： 4.5托氬 線圈數 已測 平均熱點溫度 K 標準差 2 6 1038 43.7 4(控制） 6 1093 43.7 6 6 1056 15.3 3.0托氬 2 6 1027 16.9 4(控制） 6 1075 49.1 6 6 1028 18.1 表VII 這些測試結果顯示了將碳化矽加到混合氧化物陰極塗 層內，如用應用在諸如螢光燈之類低壓放電裝置的情形 一般，會提供減低熱點溫度的益處，這會被轉換成增加 燈的使用壽命，且會明顯降低陰極的下落電壓而增加了 燈的功率。 此外，已顯示了減小其工作函數可應用在所有形式的 熱離子陰極上，因此爲這些裝置提供了更長的壽命。 用在陰極塗層內之碳化矽的最佳化百分比最可能會因

•10- 586134 五、發明說明（9) 應用而改變。不過，以所出現氧化物的最後重量爲基礎 ’可預期的量測益處會發生在從1到數個重量％上達40 或更高的重量％。 因此，本發明提供了一種新的陰極放射材料，新的陰 極以及新的放電燈特別是螢光燈。 雖則目前已說明並顯示的是本發明的較佳實施例，對 熟悉習知設計的人而言很明顯的是可在不偏本發明所附 申請專利範圍之架構下可作各種改變及修正。 兹考符號之說明 1 · · • ••電磁能量傳輸封套 2 · · • ·.磷塗層 3 · · • · •電極桿 4 · · • · ·閃光片 5 · · • ··桿壓（塞）封籤 6,7 · • · · ·引入電線 8 · · • · •排氣管 9 · · • · ·電極線圈 -11-

Claims (1)

1. 586134 六、申請專利範圍 第91116981號「用於熱離子陰極之電子放射塗層，及電 弧放電燈」專利案 (92年9月修正） 六申請專利範圍： L 一種用於熱離子陰極之電子放射塗層，包括： 鋇、鈣、緦及锆的氧化物以及有效量額之碳化矽 以增加該塗層的電子放射性，使之超越未加碳化矽 之類似塗層的電子放射性。 2·如申請專利範圍第1項之電子放射塗層，其中由該 鋇、鈣、鋸及鉻的氧化物形成的第一材料係包括大 約48.1 %重量的氧化鋇、大約6.86%重量的氧化鈣， 大約38 .36%重量的氧化鋸，和大約6. 7 7%重量的氧 化鉻，且該碳化矽佔了該第一材料的大約10體積％ 〇 3· —種熱離子陰極，係包括： 一鎢線圈；及 一電子放射塗層，係塗覆於該鎢線圈上，且該塗 層包括有鋇、鈣、緦及銷的氧化物以及有效量額之 碳化矽以增加該塗層的電子放射性，使之超越未加 碳化矽之類似塗層的電子放射性。 4· 一種電弧放電燈，係包括： 一排空電磁能量傳輸封套； 一塡充該封套內之電弧產生及維持用媒體；以及 586134 六、申請專利範圍 裝置於該封套內的至少一個熱離子 ，其上具有含碳化矽的電子放射塗層。 5.如申請專利範圍第 4項之電弧放電燈 燈係一種螢光燈。 I子放射陰極 ，其中該放電