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Technisches Gebiet
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Die Erfindung geht aus von einer Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2010/069678 ist eine keramische Elektrode bekannt, die als Schichtenfolge gestaltet ist und aus LaB6 oder CeB6 gestaltet ist. Eine derartige Schicht-Elektrode wird aufwendig mittels Trockenpressen, Spritzgussprozess oder Mehrlagentechnik hergestellt.
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In
WO2011/085839 ist die grundsätzliche Verwendung von keramischen Elektroden für Hochdrucklampen beschrieben. Dabei ist der Kopf oder ein Bereich des Kopfes aus keramischem Material des Typs Borid gefertigt. Eine geeignete technische Realisierung von keramischen Elektroden in Hochdruckentladungslampen ist bisher nicht erfolgt.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hochdruckentladungslampe bereitzustellen, die es ermöglicht, durch Verwendung eines keramischen Körpers eine hohe Lebensdauer für derartige Lampen zu erreichen eine hohe Beständigkeit gegen korrosive Füllung und Abbrand besitzt und wobei der keramische Körper insbesondere einen gut an ein keramisches Entladungsgefäß angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist und somit die Dichtigkeit verbessert. Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Die neuartige Hochdruckentladungslampe weist eine Elektrode auf, die als stiftförmiger keramischer Körper gestaltet ist, die ein Borid eines Seltenerdmetalls, ausgewählt aus Lanthan, Cer, Yttrium und Ytterbium umfasst. Insbesondere kann Elektrode und Durchführung als ein integrales Kombinationsteil gestaltet sein.
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Die neuartige Elektrode besitzt zumindest einen Schaft aus Keramik, der als Stift gestaltet ist. Als keramisches Material wird ein Borid aus Lanthan, Cer, Yttrium oder Ytterbium allein oder in Mischung verwendet. Derartige Verbindungen haben die chemisches Formel MB6. Dabei ist M mindestens eines der genannten Seltenerdmetalle.
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In der Regel ist die Elektrode ein reiner Stift, der konstanten Durchmesser aufweist. Die Form kann jedoch auch anders sein, beispielsweise abgeplattet. Es kann auch ein Kopf im vorderen Bereich der Elektrode, der der Entladung zugewandt ist, aufgesetzt sein. Insbesondere kann auch ein derartiger Kopf auf einem derartigen keramischen Material gefertigt sein. bevorzugt wird dazu LaB6 verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Stift ausreichend lang bemessen, dass ein vorderer Abschnitt die Aufgabe des Schafts und ein hinterer Abschnitt gleichzeitig die Aufgabe einer Durchführung wahrnehmen kann.
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Derartige verlängerte Stifte vereinen die Vorteile für Elektroden und Durchführung als ein einziges durchgehendes keramisches Bauteil. Die beiden Hauptvorteile derartiger Materialien sind ein günstiges, gut angepasstes thermisches Ausdehnungsverhalten und die geringe Elektronenaustrittsarbeit derartiger Materialien, die sich somit gleichzeitig nutzen lassen.
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Als neues Material für den Schaft bzw. das Kombinationsteil Schaft-Durchführung wird insbesondere ein keramisches Komposit auf Basis von LaB
6 verwendet. LaB6 hat eine Austrittsarbeit von 2,14 eV und einen elektrischen Widerstand von 15 µohm-cm. Der thermische Ausdehnungskoeffizient liegt bei 6,2 × 10
–6K
–1. Er ist somit kleiner als der Ausdehnungskoeffizient von reinem PCA, dieser beträgt α = 8,3·10
–6K
–1. Die wichtigsten Eigenschaften von LaB
6 sind denen von Wolfram gegenübergestellt, siehe Tab. 1. Tab. 1
Material | Wolfram | LaB6 | | |
Schmelztemperatur | 3600 °C | 2528 K | | |
Austrittsarbeit | 4,55 eV | 2,14 eV | | |
Wärmeleitfähigkeit | 170 W/mK | 47 W/mK | | |
thermischer Ausdehnungskoeffizient | 4,7 × 10–6/K | 6,2 × 10–6/K | | |
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Der besondere Vorteil der o.g. keramischen Materialien besteht in der Kombination von:
- 1) günstiger thermischer Ausdehnung, die eine weitgehende spannungsfreie und gasdichte Einbettung des Elektrodensystems in das Entladungsgefäß ermöglicht und
- 2) geringer Elektronenaustrittsarbeit mit resultierenden geringen Elektrodentemperaturen.
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Das ermöglicht ein deutlich einfacheres Elektrodendesign als die bisher verwendeten Lösungen, indem die typischerweise unterschiedlichen Materialien für Elektrode und Durchführung jetzt durch ein einteiliges Bauelement aus demselben Material ersetzt werden können.
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Die verwendeten keramischen Materialien unterscheiden sich in ihrer Verarbeitbarkeit allerdings erheblich von den sonst genutzten Materialien.
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So können insbesondere die bekannten Verfahren zur Kontaktierung der Elektrode/Elektrodensystem mit der elektrischen Zuführung bzw. dem Lampengestell nicht genutzt werden. Stattdessen werden neuartige Verbindungstechniken angewandt, die einen geeigneten elektrischen, thermischen und mechanischen Kontakt zwischen keramischem Elektrodensystem und metallischer Stromzuführung/Lampengestell gewährleisten. Vorteile sind dabei insbesondere:
- – drastische Vereinfachung des Elektrodensystems, insbesondere da auf einen Kopf der Elektrode und eine separate Durchführung verzichtet werden kann;
- – Verwendung von keramischen, elektrisch leitfähigen Materialien mit niedriger Austrittsarbeit;
- – Senkung der Betriebstemperatur der Elektrodenspitze von 3200K auf nur noch 1800 bis 2000 K, was insbesondere das Schwärzungsverhalten und damit die Lebensdauer stark beeinflusst,
- – die Wärmeleitfähigkeit von LaB6 ist deutlich geringer als von Wolfram; damit ergibt sich ein deutlich geringerer Wärmetransport in die Lampenumgebung, insbesondere in die kritischen Zonen der Elektrodendurchführung;
- – gute Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Durchführung an das keramische Entladungsgefäß;
- – das Material der Durchführung bzw. der ganzen Elektrode ist direkt kompatibel mit dem Material des Entladungsgefäßes, was eine verbesserte Anbindung zwischen Elektrode und Entladungsgefäß ergibt im Sinne einer besseren mechanischen Stabilität und einer kompakteren Bauform;
- – höhere Lebensdauer (mindestens 20%, je nach Ausführungsform bis zu 100%), da eine Hauptausfallursache, die Undichtigkeit im Bereich der Kapillaren der Elektrodendurchführungen, robuster gestaltet werden kann;
- – höhere Energieeffizienz, da die Elektroden bei niedrigerer Temperatur betrieben werden und so weniger thermische Verluste haben.
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Die beschriebenen technischen Ausführungen von Elektrodensystemen auf Basis von keramischen Bauteilen erlauben die großtechnische Herstellung von Hochdruckentladungslampen mit den Vorteilen einer geringen Elektronenaustrittsarbeit und günstiger thermischen Ausdehnung.
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Die um etwa 2 eV niedrigere Austrittsarbeit von Materialien wie LaB6 gegenüber Wolfram führt zu einer experimentell bestimmten Temperaturerniedrigung an der Spitze der Elektrode von etwa 1300 K gegenüber Wolfram, für das der typische Wert 3100 K beträgt.
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Dies führt aufgrund der niedrigeren Wärmeleitfähigkeit und der niedrigeren Betriebstemperatur zu deutlich geringeren thermischen Verlusten, was gleichbedeutend mit höherer Effizienz ist. Dies hat wiederum zur Folge, dass der Energieeintrag in die Durchführung reduziert ist.
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Durch die niedrigere Arbeitstemperatur oder Betriebstemperatur und dem Umstand, dass LaB6 einen deutlich höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Wolfram hat, der erheblich näher an dem von Al2O3 liegt, insbesondere PCA, ergibt sich die Möglichkeit für eine deutlich kürzere Baulänge der Lampen, weil die Kapillare in ihrer Länge reduziert werden kann. Ein weiterer damit verbundener positiver Effekt resultiert in einem verringerten Totraumvolumen.
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Dies wiederum führt zu geringerer Farbstreuung und höherer Lebensdauer.
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Es ist auch eine Konstruktion nahezu völlig ohne Kapillar-Totraum möglich, was erstmals eine ungesättigte Füllung für das Entladungsgefäß mit all ihren Vorteilen, wie z.B. der Dimmbarkeit, erlaubt.
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Hinzu kommt, dass ein Material wie LaB6 korrosionsbeständig gegen Seltenerd-Jodide als Bestandteil der Füllung ist. Dadurch wird die Lebensdauer weiter erhöht.
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Insgesamt ergeben sich also Vorteil durch die niedrigere Betriebstemperatur, verringerte thermische Verluste, höhere Effizienz, Einsparung von elektrischer Energie, geringe Farbstreuung, höhere Zuverlässigkeit, hohe Beständigkeit gegen Korrosion.
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Insbesondere kann eine Füllung verwendet werden, die frei von Quecksilber ist.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung in Form einer numerierten Aufzählung sind:
- 1. Hochdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß und einer Elektrode, die in einem Ende des Entladungsgefäßes gehaltert ist, wobei die Elektrode einen als längsgestreckten stiftförmigen Körper gestalteten Schaft aufweist, wobei die Elektrode Teil eines Elektrodensystems ist, das auch eine Durchführung umfasst, unter deren Mitwirkung das Ende des Entladungsgefäßes gasdicht abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schaft ein elektrisch leitfähiges keramisches Borid eines Metalls umfasst, das zumindest Lanthan, Cer, Yttrium oder Ytterbium allein oder in Kombination umfasst.
- 2. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Schaft zylindrisch oder abgeplattet ist.
- 3. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorderer Abschnitt des stiftförmigen Körpers als Schaft und ein integral daran angesetzter hinterer Abschnitt als Durchführung wirkt.
- 4. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung mittels Glaslot im Ende abgedichtet ist.
- 5. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Körper mit einem elektrisch leitenden Anschlussteil mittels Stumpfschweißung und/oder über eine verbindende Hülse verbunden ist.
- 6. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussteil eine Stromzuführung, ein Gestellteil oder eine Hülse mit Buchse ist.
- 7. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus keramischem Material, insbesondere Al2O3 oder Dy2Al5O12 oder AlN, hergestellt ist.
- 8. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus PCA gefertigt ist.
- 9. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß aus Quarzglas hergestellt ist.
- 10. Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß mittels einer Quetschung verschlossen ist, wobei im Ende des Entladungsgefäßes eine verbindende Hülse oder ein verbindendes Gewendel eingebettet ist, das die Verbindung des Körpers zu einem Anschlussteil sicherstellt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 eine Metallhalogenidlampe schematisch;
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2 eine neuartige Ausführungsform des Endbereichs;
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Gestaltung eines Endbereichs;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Gestaltung eines Endbereichs;
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5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Gestaltung eines Endbereichs;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Gestaltung eines Endbereichs.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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Ein Ausführungsbeispiel einer Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 1 zeigt 1. Sie hat ein keramisches Entladungsgefäß 2, das zweiseitig verschlossen ist. Es ist längsgestreckt und hat zwei Enden 3 mit Abdichtungen. Im Innern des Entladungsgefäßes sitzen zwei Elektroden 4 einander gegenüber. Die Abdichtungen sind als Kapillaren ausgeführt, in denen jeweils eine Durchführung 6 mittels Glaslot 19 abgedichtet ist (schematisch dargestellt). Aus der Kapillare 5 ragt jeweils das Ende der Durchführung 6 hervor nach außen. Die Durchführung ist entladungsseitig mit der zugeordneten Elektrode 4 in bekannter Weise verbunden. Sie ist über eine Stromzuführung 7 und eine Quetschung 8 mit Folie 9 mit einem Sockelkontakt 10, verbunden. Der Kontakt 10 sitzt am Ende eines das Entladungsgefäß umgebenden Außenkolbens 11.
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2 zeigt als Ende des Entladungsgefäßes eine Kapillare 5, in die eine stiftförmige Elektrode aus Lanthanhexaborid (LaB6)eingesetzt ist. Dabei übernimmt ein vorderer Abschnitt 41 des Stifts 20 aus Lanthanhexaborid (LaB6) die Funktion der Elektrode, insbesondere des Schafts der Elektrode, während ein hinterer Abschnitt 42 des Stifts 20 die Funktion der Durchführung aus dem keramischen Entladungsgefäß übernimmt. Es handelt sich also um einen Stift, der genügend lang ist,
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um mit seinem vorderen Abschnitt in das Entladungsvolumen hineinzuragen und gleichzeitig mit seinem hinteren Abschnitt einen beträchtlichen Teil der Kapillare auszufüllen. Im allgemeinen sollte der hintere Abschnitt des Stifts mindestens 50% der axialen Länge der Kapillare ausfüllen. Die weitgehend spannungsfreie und gasdichte Einbettung erfolgt in bekannter Weise durch ein Glaslot 19, das einen wesentlichen Teil des hinteren Abschnitts dichtend umhüllt.
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Der Stift 20 kann dabei als längsgestrecktes Bauteil mit nicht näher eingegrenzter Geometrie verstanden werden, es kann sich insbesondere um einen zylindrischen Stift oder auch abgeplatteten Stift handeln.
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Der hintere Abschnitt der keramischen Elektrode ist mit einer metallischen äußeren Stromzuführung
21 bzw. einem Bauteil des Lampengestells verbunden. Die Verbindung erfolgt zur Gewährleistung des elektrischen, thermischen und mechanischen Kontaktes durch Einstecken oder auch Einpressen des hinteren Abschnitts in eine Bohrung
22 wie im Prinzip bereits aus
DE10256389 und DE-GM
DE202004013922 bekannt oder durch eine Laserschweißung. Zum Einpressen kann der hinteren Abschnitt ggf. einen vorstehenden Zapfen mit verringertem Durchmesser aufweisen.
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In einem Ausführungsbeispiel verbindet eine Laserschweißung den hinteren Abschnitt des keramischen Stifts mit der metallischen Stromzuführung, wobei die Querschnitte von Stift und Stromzuführung nicht einheitlich sein müssen. Die Laserschweißung wird bevorzugt als Stumpfschweißung ausgeführt. Die zuverlässige Verbindung der Materialien von Stift und Stromzuführung beruht dabei auf dem Aufschmelzen und Eindringen des schmelzflüssigen Metalls der Stromzuführung in oberflächennahe Schichten der Keramik des Stifts.
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Wird in einem entsprechend größerem Querschnitt der Stromzuführung eine Bohrung 22 zur Aufnahme der keramischen Elektro-de eingebracht wie in 2 dargestellt, so kann auch eine Kombination aus Einstecken/Einpressen und zusätzlichem Verschweißen der Materialien mittels o.g. Laserschweißung angewandt werden.
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Der so entstandene Bereich einer Verbindung zwischen Stift und Stromzuführung kann sowohl außerhalb des keramischen Entladungsgefäßes positioniert sein als auch innerhalb einer Kapillare am Ende des Entladungsgefäßes aus Keramik angeordnet sein (wie in 2 dargestellt).
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Die Einbettung und Abdichtung des Elektrodensystems in der Kapillare des keramischen Entladungsgefäßes erfolgt mittels Glaslot, wobei das Glaslot insbesondere in Höhe der keramischen Elektrode angewendet wird. Der Bereich der Einbettung kann jedoch ebenfalls die Verbindungsstelle zwischen keramischem Stift und Stromzuführung bzw. Lampengestell mit umfassen.
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3 zeigt ebenfalls einen keramischen Stift 20, der gleichzeitig die Funktion von Elektrode und Durchführung in einem keramischen Entladungsgefäß 2 wahrnimmt. Die Verbindung zwischen Stift 20 und metallischer Stromzuführung 21 (bzw. Lampengestell) wird hier durch eine metallische Hülse 25, z.B. aus Nb oder Nb/Zr, geschaffen, die die Enden der beiden zu verbindenden Bauteile 20 und 21 aufnimmt. Hülse 25 und Stromzuführung 21 bzw. Lampengestell werden typischerweise verschweißt, können aber auch durch Einstecken/Einpressen fixiert werden wie oben bereits beschrieben. Die Verbindung der Hülse 25 zur keramischen Elektrode kann durch einfaches Einstecken/Einpressen erfolgen, oder aber durch Laserschweißung verbessert werden, wobei hier Aufschmelzen des Metalls und Eindringen des dann schmelzflüssigen Metalls in oberflächennahe Schichten des keramischen Stifts 20 erfolgt.
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Auch hier erfolgt die weitgehend spannungsfreie und gasdichte Einbettung und Abdichtung durch ein Glaslot 19 innerhalb der keramischen Kapillare. Wieder kann die Verbindungsstelle im Bereich der Hülse 25 auch außerhalb der Kapillare positioniert werden und dort in Glaslot eingebettet sein.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer stiftförmigen keramischen Elektrode 26 in einem keramischen Entladungsgefäß 27. Hier handelt es sich um ein zylinderförmiges keramisches Entladungsgefäß mit hohem Aspektverhältnis und konstantem Durchmesser auch an den Enden, wie es typisch für Natriumhochdrucklampen ist. Eine metallische Hülse 29 mit einer den Stift 26 aufnehmenden nach innen zeigenden Buchse 28 ist hier derart ausgeformt, dass die Buchse 28 die keramische Elektrode 26 aufnimmt. An der Seitenwand der Hülse wird die gasdichte Verbindung zum Ende des Entladungsgefäß 27 mittels Glaslot 19 sicherstellt.
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In diesem Ausführungsbeispiel kommt es nicht darauf an, dass der thermischen Ausdehnungskoeffizient von Stift und Entladungsgefäß, meist PCA, aufeinander abgestimmt sind. 5 zeigt die Verwendung keramischer Elektroden in Hochdruckentladungslampen mit einem Entladungsgefäß 30 aus Quarzglas. Die keramische Elektrode 31 wird hier durch eine Stumpfschweißung mit einer metallischen Stromzuführung 32, insbesondere aus Nb oder Nb/Zr verbunden.
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Alternativ sind auch die Verbindungstechniken gemäß 3 und 4 möglich. Das gasdichte Verschließen des Endes des Entladungsgefäßes erfolgt im Falle eines Gefäßes 30 aus Quarzglas durch Erweichen und Zuquetschen des äußeren Endes des Entladungsgefäßes. Dabei kann die Verbindungsstelle 45 zwischen keramischer Elektrode und Stromzuführung in die Quetschung 37 eingebettet sein oder in den Entladungsraum hinein reichen.
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Das Auftreten von kritischen thermischen Spannungen zwischen Elektrodensystem und Quarzglas-Brenner wird in bekannter Weise durch Verwendung einer Molybdän-Folie 35 vermieden. Diese sitzt bezogen auf die Verbindungsstelle 45 zur Elektrode hinter dieser und ist daher weiter vom Entladungsvolumen abgewandt. An die Folie 35 ist außen in bekannter Weise eine Zuführung 36 angesetzt, die aus der Quetschung 37 herausragt. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Abdichtung eines Entladungsgefäßes 30 aus Quarzglas, wobei die keramische Elektrode 31 mit der metallischen Stromzuführung 32 stumpf kontaktiert wird. Hier kommt als Verbindungsmittel zwischen Stromzuführung und Elektrode ein Gewendel 40 aus Wolfram zum Einsatz, dessen Innendurchmesser derart gewählt ist, dass darin sowohl der keramische Elektrodenstift 31 als auch die Stromzuführung 32 eingepresst werden kann.
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Das Auftreten von kritischen thermischen Spannungen zwischen Elektrodensystem und Quarzglas-Brenner wird wieder in bekannter Weise durch Verwendung einer Molybdän-Folie 35 vermieden. Diese sitzt bezogen auf die Verbindungsstelle 45 hinter dieser und ist daher vom Entladungsvolumen abgewandt.
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Das hier dargestellte Elektrodensystem ist sowohl für Entladungsgefäße aus Al2O3, speziell PCA, wie auch aus Quarzglas gut geeignet. Die neuartige Elektrode kann auch für Entladungsgefäße aus anderen Materialien wie insbesondere AlN, AlON oder Dy2O3 verwendet werden. Hier empfiehlt sich für die Elektrode der Einsatz von Mischungen aus LaB6/AlN, LaB6/AlON oder LaB6/Dy2O3. Insbesondere sollte der Anteil des leitfähigen LaB6 dabei jeweils über der Perkolationsgrenze liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/069678 [0002]
- WO 2011/085839 [0003]
- DE 10256389 [0037]
- DE 202004013922 U1 [0037]