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(11) | EP 1 104 005 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Gasentladungslampe mit Oxidemitter-Elektrode |
| (57) Eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Niederdruckgasentladungslampe, ausgerüstet
mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Elektrodenbeschichtung
aus einem elektronenemittierenden Material, das eine Metallpulverzubereitung aus einem
Pulver eines reduzierenden Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silicium,
Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer
Pulverbeschichtung mit einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt,
Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin und deren Legierungen, und
mindestens ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid
und Bariumoxid, umfaßt, zeichnet sich durch einen gleichmäßigen Emissionsstrom und
eine lange Lebensdauer aus. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Niederdruckgasentladungslampe, ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine Elektrodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das ein Metallpulver und mindestens ein Erdalkalioxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, enthält, umfaßt.
[0002] 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, die 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.
[0003] 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 selbst eine relativ hohe Austrittsarbeit. Deshalb wird das Elektrodenmetall üblicherweise noch mit einem Material beschichtet, dessen Hauptaufgabe 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.
[0004] 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.
[0005] 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 nicht stabil ist. Es folgt noch ein Aktivierungsprozess. Durch diesen Aktivierungsprozess wird das ursprünglich nichtleitende Ionengitter der Erdalkalioxide in einen elektronischen Halbleiter verwandelt, indem Störstellen vom Donator-Typ in das Kristallgitter der Oxide eingebaut werden. Diese Störstellen bestehen im wesentlichen aus elementarem Erdalkalimetall, z. B. 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] Um in einer Leuchtstofflampe die Reduktion von Bariumoxid zu elementarem Barium zu verbessern, ist es aus DE 44 15 748 bereits bekannt, dass die elektronenemittierende Substanz neben Erdalkalimischcarbonat und Zirkonoxid weiterhin 3 bis 15 Gew.-% eines reduzierenden Metallpulvers mit einem hohen Schmelzpunkt enthält, wobei das reduzierende Metallpulver aus wenigstens einem Metall der aus Tantal, Niob, Wolfram und Molybdän bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und die elektronenemittierende Substanz so verteilt ist, dass sie den gesamten Wicklungskern der Wendel bis hin zu den beiden Abschlusswindungen der Mehrfachwendel aus Glühdraht ausfüllt.
[0009] Die Metallpulver aus Tantal, Niob, Wolfram oder Molybdän umgeben sich aber auch - eben so wie der Elektrodenträgerdraht - mit der Zeit mit einer passivierenden Trennschicht aus Wolframoxid, Erdalkalisilikat oder Erdalkaliwolframat, bzw. aus den entsprechenden Niob-, Tantal- oder Molybdänverbindungen.
[0010] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasentladungslampe, die eine verlängerte Lebensdauer und einen verbesserten Emissionsstrom hat, zu schaffen.
[0011] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Gasentladungslampe ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Elektrodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material, das eine Metallpulverzubereitung aus einem Pulver eines reduzierenden Metalls, ausgewählt aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung mit einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und Platin und deren Legierungen, und mindestens ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, umfaßt.
[0012] Gasentladungslampen mit derartigen Elektroden haben über eine langen Zeitraum hin eine gleichmäßige Elektronenemission, weil durch die Pulverbeschichtung des Metallpulvers mit einem Edelmetall wird eine Reaktion des Erdalkalioxids mit dem reduzierenden Metall während der Aktivierungsphase beim Herstellungsprozeß der Gasentladungslampe vermieden. Erst während des Betriebs der Gasentladungslampe diffundiert das reduzierende Metall durch die Pulverbeschichtung aus einem Edelmetall und reduziert das Erdalkalioxid zu elementarem Erdalkalimetall. Durch die kontinuierliche Erdalkali-Nachführung wird eine Erschöpfung der Elektronenemission vermieden und gewährleistet, dass während des ganzen Betriebes der Lampe ausreichend metallisches Erdalkali freigesetzt wird. Der Emissionsstrom ist einheitlich und gleichförmig und die Lebensdauer der Gasentladungslampe verlängert.
[0013] Die Elektroden in diesen Gasentladungslampen sind auch widerstandsfähig gegen Vergiftung. Die Ausschußrate in der Fertigung ist gering, da sich diese Elektroden leicht reproduzierbar herstellen lassen.
[0014] Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Gasentladungslampe ist zwischen dem Träger und der ersten Elektrodenbeschichtung eine zweite Elektrodenbeschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet. Eine derartige Gasentladungslampe hat eine verkürzte Zündphase, die darin enthaltene Elektrode eine niedrige Austrittsarbeit und eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit.
[0015] Es kann bevorzugt sein, dass die Metallpulverzubereitung aus einem Pulver aus einer Wolfram-Iridium-Legierung mit einer Pulverbeschichtung aus Iridium besteht.
[0016] Es kann auch bevorzugt sein, dass das elektronenemittierende Material zusätzlich Zirkonoxid enthält.
[0017] Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform hat die Metallpulverzubereitung eine mittlere Korngröße d von 2.0 µm ≤ d ≤ 3.0 um.
[0018] Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Figur und zweier Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
[0020] 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.
[0021] Die Lampe umfaßt weiterhin Mittel zum Zünden und zum Betreiben, z. B. eine Drosselspule und einen Starter.
[0022] Eine Gasentladungslampe enthält eine elektronenemittierende Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall und eine erste Elektrodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material umfaßt.
[0023] Der Träger aus einem Elektrodenmetall besteht üblicherweise aus Wolfram oder einer Wolframlegierung, gegebenenfalls mit einer Molybdänseele, Molybdän, Niob, Tantal und deren Legierungen. Er kann auch aus Nickel, Platin, Silicium, Magnesium, Aluminium oder deren Legierungen bestehen. Der Träger kann als Draht, Wendel, Spirale, als Welldraht, Rohr, Ring, Platte oder Band geformt sein. Er wird üblicherweise direkt durch den Stromfluß geheizt.
[0024] Auf dem Träger aus einem Elektrodenmetall kann 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.
[0025] Auf diesen Träger wird die Rohmasse für das elektronenemittierende Material aufgebracht. Zur Herstellung der Rohmasse werden die Carbonate der Erdalkalimetalle Calcium, Strontium und Barium gemahlen und gegebenenfalls miteinander und mit Zirkonmetallpulver gemischt. Typischerweise beträgt das Gewichtsverhältnis von Calciumcarbonat : Strontiumcarbonat : Bariumcarbonat : Zirkon gleich 25,2 : 31,5 : 40,3 : 3. Weiterhin wird 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 mit einer Pulverbeschichtung aus einem Edelmetall wie Rhenium, Nickel, Kobalt, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium oder Platin versehen. Bevorzugt wird ein Metallpulver mit einer mittleren Korngröße von 2-3 pm mit einer 0.1 bis 0.2 µm dicken Pulverbeschichtung verwendet.
[0026] Als Pulverbeschichtungsverfahren können CVD-Verfahren wie Fluid-Bed-CVD eingesetzt werden. Dieses beschichtete Metallpulver wird der Rohmasse beigefügt.
[0027] Die Rohmasse kann noch mit einem Bindemittel gemischt werden. Sie wird dann durch Pinseln, Tauchen, kataphoretische Abscheidung oder Sprühen auf den Träger aufgebracht.
[0028] 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 Erdalkalimetall zu liefern. Das überschüssige Erdalkalimetall entsteht durch Reduktion von Erdalkalimetalloxid. Bei der eigentlichen Reduktionsaktivierung wird das Erdalkalioxid durch das freigesetzte CO oder das Trägermetall reduziert. Hinzu kommt eine Stromaktivierung, die das erforderliche freien Erdalkalimetall durch elektrolytische Vorgänge bei hohen Temperaturen erreicht.
[0029] Das fertig formierte elektronenemittierende Material kann bevorzugt 2 bis 20 Gewichtsprozent einer Metallpulverzubereitung enthalten. Der Zirkonoxidgehalt kann zwischen Null und 10 Gew.-% liegen.
Ausführungsbeispiel 1
[0030] Ein dreifach gewendelter Wolframdraht wird mit Rhenium mit einer Schichtdicke von 1 µm beschichtet. Für die elektronenemittierende Beschichtung wird Wolframpulver mit einer mittleren Korngröße von 3µm im Fluid-Bed-CVD-Verfahren mit einer Rheniumschicht mit einer Schichtdicke von 0.1 µm überzogen. Tripelcarbonat bestehend aus Calciumcarbonat, Strontiumcarbonat und Bariumcarbonat im Gewichtsverhältnis 1 : 1.25 : 1.6 wird mit 3 Gew.-% Zirkonmetallpulver und 10 Gew.-% des mit Rhenium beschichteten Wolframpulvers und einer Bindemittelzubereitung aus Nitrocellulose und Butylacetat gemischt. Der mit Rhenium beschichtete Wolframdraht wird mit dieser Emissionsmasse bestrichen, dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt. Beim Ausheizen der Elektrode wandeln sich die Carbonate der Erdalkalimetalle in deren Oxide und das Zirkonmetallpulver in Zirkonoxid um. Diesem Einbrennprozess kann sich noch eine Aktivierung mittels Reduktionsaktivierung oder Stromaktivierung anschließen. Eine derartige Lampe hat eine kurze Zündphase, die Emitterelektrode eine niedrige Austrittsarbeit von 1.42 eV und eine um den Faktor 2 verbesserte Leitfähigkeit.
Ausführungsbeispiel 2
[0031] Ein dreifach gewendelter Wolframdraht wird mit Rhenium mit einer Schichtdicke von 1 µm beschichtet. Für die elektronenemittierende Beschichtung wird Wolframpulver mit einer mittleren Korngröße von 3µm im Fluid-Bed-CVD-Verfahren mit einer Rheniumschicht mit einer Schichtdicke von 0.1 µm überzogen. Tripelcarbonat bestehend aus Calciumcarbonat, Strontiumcarbonat und Bariumcarbonat im Gewichtsverhältnis 1 : 1.25 : 1.6 wird mit 3 Gew.-% Zirkonmetallpulver und 10 Gew.-% des mit Rhenium beschichteten Wolframpulvers und einer Bindemittelzubereitung aus Nitrocellulose und Butylacetat gemischt. Der mit Rhenium beschichtete Wolframdraht wird mit dieser Emissionsmasse bestrichen, dann in einen Lampenkolben eingesetzt und auf 1000°C erhitzt. Beim Ausheizen der Elektrode wandeln sich die Carbonate der Erdalkalimetalle in deren Oxide und das Zirkonmetallpulver in Zirkonoxid um.
Eine derartige Lampe hat eine kurze Zündphase, die Emitterelektrode eine niedrige Austrittsarbeit von 1.42 eV und eine um den Faktor 2 verbesserte Leitfähigkeit.
1. Gasentladungslampe ausgerüstet mit einer Elektrode, die einen Träger aus einem Elektrodenmetall
und eine erste Elektrodenbeschichtung aus einem elektronenemittierenden Material,
das eine Metallpulverzubereitung aus einem Pulver eines reduzierenden Metalls, ausgewählt
aus der Gruppe Aluminium, Silicium, Titan, Zirkon, Hafnium, Tantal, Molybdän, Wolfram
und deren Legierungen, mit einer Pulverbeschichtung mit einem Edelmetall ausgewählt
aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium und
Platin und deren Legierungen, und mindestens ein Erdalkalimetalloxid, ausgewählt aus
der Gruppe Calciumoxid, Strontiumoxid und Bariumoxid, umfaßt.
2. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Träger und der ersten Elektrodenbeschichtung eine zweite Elektrodenbeschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet ist.
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen dem Träger und der ersten Elektrodenbeschichtung eine zweite Elektrodenbeschichtung aus einem Edelmetall ausgewählt aus der Gruppe Rhenium, Kobalt, Nickel, Ruthenium, Palladium, Rhodium, Iridium, Platin, angeordnet ist.
3. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallpulverzubereitung aus einem Pulver aus einer Wolfram-Iridium-Legierung und einer Pulverbeschichtung aus Iridium besteht.
dadurch gekennzeichnet,
dass die Metallpulverzubereitung aus einem Pulver aus einer Wolfram-Iridium-Legierung und einer Pulverbeschichtung aus Iridium besteht.
4. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
die Metallpulverzubereitung eine mittlere Korngröße d von 2.0 µm ≤ d ≤ 3.0 µm hat.
dadurch gekennzeichnet,
die Metallpulverzubereitung eine mittlere Korngröße d von 2.0 µm ≤ d ≤ 3.0 µm hat.
5. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektronenemittierende Material zusätzlich Zirkonoxid enthält.
dadurch gekennzeichnet,
dass das elektronenemittierende Material zusätzlich Zirkonoxid enthält.