DE2161173B2 - Oxydelektrode für elektrische Hochleistungs-Gasentladungslampen - Google Patents
Oxydelektrode für elektrische Hochleistungs-GasentladungslampenInfo
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Description
ttonen
3. Oxydeiektrode nach Anspruch 1, dadurch ao gekennzeichnet, daß das Elektronen emittierende
Material aus Ba4CaWO8 in der festen Lösungsphase
besteht
4. Oxydelektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronen emittierende as
Material aus Ba2CaWO8 besteht
5. Verwendung einer Oxydelektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für eine Hochleistungs-Natriumdampfgasentladungslampe,
welehe einen schlanken, rohrförmigen, länglichen
Keramikkolben (11), ein Paar in die Enden des Kolbens abgedichtet eingeführter Elektroden
(15), sowie eine Füllung a^s Natrium, Quecksilber
und einem Edelgas in dem Kolben umfaßt, wobei jede Elektrode (15) eine Drahtwendel (16,
19) aus Wolfram umfaßt auf der das Elektronen emittierende Material aufgebracht ist und die
Zwischenräume zwischen den Windungen der Wendel ausfüllt.
40
45
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Oxydelektrode für elektrische Hochleistungs-Gasentladungslampen,
bestehend aus einer Trägerstruktur fcus feuerfestem Metall und darauf aufgebrachtem
Elektronen emittierendem Material.
Eine solche Oxydelektrode ist z. B. aus der DT-AS 478 bekannt Das Elektronen emittierende
Material dieser bekannten Oxydelektrode besteht aas Bariumoxyd, Stroutiumoxyd und Calciumoxyd.
Ein solches nur aus Brdalkalioxyden bestehendes Elektronen emittierendes Material weist jedoch eine
ztt hohe Verdampfbarkeit auf.
Die DT-AS 1126 520 beschreibt einen elektrisch
isolierenden Ubemig für einen Heizdraht einer indirekt
geheizten Kathode einer Elektronenröhre, der es neben einer Vielzahl anderer Schwermetalloxyde
auch Wolframoxyd enthalten kann. Die Aufgabe eines solchen Heizdrahtes bei einer indirekt geheiz·
Hauptanteii aus einem 1 als Elektronen erait-
ιβ1 vww Lösung aus 50 Atom-
L und 50 Atomprozent Ba8SrWO,
β . «—iai.«™«*«™ zusammen
Matrix-
„_ enthält Obwohl,
_ in Spalte 3, ZeUe 30 bis 36, ausgeführt ist an Stelle der vorgenannten
MTonuBDi wum »,__:„! verwendet werden
K aocn uk ^- redurfwenden Ma-
tenais nachteUig, da dies die Bariumverbindung zum
metallischen Barium reduziert, das dann an die
oberfläche gelangt Dieses Banum ist auf Grund
2£ef iStfn VeTdampfbarkeit für die Anwendu
L Hocmeistungs-Gasenüadungslampen schädlich.
Hinzu kommt daß auch die in der US-PS beschnetaTÄid»
Kathode für Elektronenröhren
vorgesehen ist . , . ,
Tn der GB-PS 714429 fet eine thermionische
Kathode für elektrische Enüadungsgeräte mit einer
Gas- oder Dampffüllung beschrieben Das Elektronen emittierende Material weist jedoch, wie sich
insbesondere aus dem Patentanspruch 1 der genannten GB-PS ergibt eine Mischung aus einem oder
mehreren Erdalkaliwolframaten der Formel 2^WO8
mit einem oder mehreren Erdalkalioxyden auf, wobei
die Wolframmenge in dieser Mischung im Bereich von 1 bis 10 Gewichtsprozent und vorzugsweise
bei etwa 4 Gewichtspro^nt liegt Damit weist auch dieses Elektronen emittierende Material einen
Gehalt an Erdalkalioxyden auf, der wegen seiner hohen Verdampfbarkeit nachteilig ist
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es demgegenüber, ein Elektronen emittierendes Material zu
finden, das sich neben einer großen Beständigkeit gegen Verdampfung und Ionenaufprall durchι eine
ausreichende Elektronenemission auszeichnet. Uberraschenderweiss wurde in der Erfindung festgestellt
daß die genannte Aufgabe bei einer Oxydelektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst werden
kann daß das Elektronen emittierende Material aus Zusammensetzungen des BaO-CaO-WO3-SyStCmS
besteht welche 43 bis 54 Molprozent BaO, 20 bis 30 Molnrozent CaO und 21 bis 27 Molprozent WO,
enthalten. Ein solches Elektronen emittierendes Material ist ein besseres Elektronen abgebendes Material
zur Verwendung in Hochleistungs-Gasentla dungslampen und insbesondere für Hochdruck
Natriumdampflampen als irgendein anderes der bis· her verfügbaren Materialien. Die Verbindung ist eu
sehr effektiver Elektronenemitter bei Temperature! oberhalb 1000° C. Dies ist möglicherweise auf dii
Tatsache zurückzuführen, daß sie Barium und CaI cium enthält welche beide gute Emittermaterialiei
sind und daß sie weiterhin zwei Bariumatome pn Molekül enthält, wobei Barium einer der aktivste!
Elektronenemitter ist Gleichzeitig ist Ba,CaW0 sehr stabil, und seine Verdampfungsgeschwindigkei
ist merklich niedriger als die von anderen barium
Eraitterraaterialien. Im Endresultat besitzen
unter Verwendung dieses Emisslonsroateeinen
höheren Wirkungsgrad, eine bessere Aufiterbaltung
der Leistung und eine längere Lebens-Brennstufen,
bis die Reaktion unter Überwachung (lurch Röntgendütraktiometrie abgeschlossen ist Es
wurde als ratsam empfunden, Proben von mehr als 1kg 4 Stunden lang bei 13000C zs brennen, dann
S erneut au mahlen und wiederum 6 Stunden lang bei 1300° C tu breaasa.
Das fertiggestellte Ba8CaWO9 wird in einem
Suspensionsmittel— Methanol kann bequemerweise verwendet werden — gemahlen und als Anstrich
besseres Verständnis dieser und weiterer Auf-Vorteile
und Gesichtspunkte der Erfindung sich an Hand der beispielhaften Ausföhrungs-
m im Zusammenhang mit den Abbildungen. „
Fig. 1 ist ein Dreistoff-Pbawn-Gleichgewichts- w auf dem blanken Blektrodenmetall aufgebracht An-.djagrammdesSywito»CaO~-BftO—WO8
bei einer dere Verfahren zur Aufbringung des Emissions-"
materials, wie beispielsweise die Vakuumimprägnie
rung, die Verwendung von Bindemitteln usw,
! (Temperatur von 1200° C;
Ir Fig. 2 zeigt «to Diagramm des gleichen Systems
ii 14000C und veranschaulicht das Verscbrael-
Fig. 3 zeigt ein Diagramm der Zusammensetzung
t des erfradungsgemäßen Materials;
\ Fig.4 zeigt eine mit AuBenkolben versehene
f Hochdrack-Natrium-Dampfiauage als Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines Endes des Bogenencladungsrohrs in vergrößertem Maßstab und
gibt die Einzelheiten der Elektrode wieder. , Das Material kann auf folgende Weise dargestellt
werden. Die Barium-Kalzium-Wolframat Ba2CaWO6
zur Verwendung als Emissionsmaterial kann"als eine einzelne Phase durch eine Vielzahl von Verfahren
dargestellt werden, die an sich auf dem chemischen und keramischen Gebiet bekannt sind. Das ein
sie an sich in der Elektrodenherstellung bekannt sind, sind erfolgreich angewendet worden.
Eine alternative Methode der Darstellung besteht darin, daß man die gemahlene Suspension nach dem
ersten obigen Schritt unmittelbar auf die Elektrode aufbringt Die Reaktion der Bestandteile findet im
ao Inneren der Lampe während des normalen Abdichtvorganges
statt, der bei hoher Temperatur in einem Vakuumofen durchgeführt wirr'. Gase, die sich aus
der Reaktion ergeben, werden drrch das Absaugsystem des Ofens abgeführt, und die Verbindung
Ba2CaWO6 wird unmittelbar auf den Elektroden
oder in den Zwischenräume- zwischen den Windungen
der Elektrodenwendeln gebildet. Die Bildung von Ba2CaWO6 außerhalb der Lampe nach dem
ersten Verfahren wird bevorzugt, da das Material
fachste Verfahren besteht darin, die richtigen An- 30 dann durch eine Reihe chemischer und physikalischer
teile von Bariumkarbonat, Kalziumkarbonat und Messungen begutachtet werden kann, um ein optientweder
Wolframoxyd (WO3, WO297) oder Wolf- males Verhalten zu gewährleisten,
ramsäure entsprechend einem molaren Verhältnis Eine Betrachtung der Phasen-Beziehungen, der
von 2:1:1 bei irgendeiner Temperatur im Bereich Abdampfgeschwindigkeiten und der Austrittsarbeit
zwischen 1000 und 15000C so lange miteinander 35 für die Elektronenemission für die verwandten Zureagieren
zu lassen, bis die Reaktion abgeschlossen sammensetzungen macht es möglich, die bevorzugten
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ist. Es wird nachstehend im Umriß ein geeignetes Verfahren zur Synthese geringer Probenmengen
(50 g) des Materials gegeben:
Es wird eine Aluminiumdioxyd-Mühle und eine genügende Menge Azeton oder Alkohol zur
Herstellung einer halbflüssigen Konsistenz des Materials in der Mühle verwendet, und eine
Zusammensetzungen gemäß der Erfindung darzulegen. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß Ba2CaWO6 die
einzige vorhandene Dreistoff-Verbinduig in dem System CaO—BaO—WO3 ist. Alle anderen Verbindungen
an den Rändern des Diagramms sind Zweistoff-Verbindungen. Es gibt drei Bereiche der
festen Lösungen in dem Dreistoff-System bei 1200° C wie in F i g. 1 angedeutet. Die Ba2CaWO6-
Einsatzmenge von BaCO3, CaCO3 und WO297 45 Phase ist die gewünschte Verbindung. Jedoch sind
(Molekulargewicht 231,38) in den molaren An- auch Emissionsmaterialien, die aus der Phase
' " ' - - - - Ba2CaWO6 fest—gelöst bestehen, oder eine Phase
fest—gelöst mit geringem Anteil von binären Phasen
ebenfalls zufriedenstellend.
F i g. 2 zeigt Zusammensetzungen in dem System, welche bei 14000C teilweise oder vollständig geschmolzen
sind. Gemäß der Erfindung werden als ungeeignet alle Zusammensetzungen ausgeschlossen,
die bei den Betriebstemperaturen der Elektrode 3. Das Pulver wird in einen Aluminiumdioxyd- 55 oder bei den beim Verschließen des Entladungs-Tiegel
gebracht und in Luft von Zimmertempe- rohres erhaltenen Temperaturen schmelzen.
■ ■'" ■ - ' * Auf der Grundlage der vorstehenden Erwägungen
und der Betrachtungen der gemessenen Verdampfifflgsgesehwindigkeit
und Austrittsarbeiten ist in der F i g. 3 der Bereich für die Zusammensetzung abgegrenzt,
welcher um die Verbindung Ba2CaWO6
herum liegt und in dem das zufriedenstellende Emissionsmaterial anzutreffen ist Zusammensetzungen
rechts von der Linie abc mit relativ hohem Gehalt
teilen 2:1:1 wird 2 Stunden lang in der Kugelmühle gemahlen.
2. Der Inhalt wird durch Einlassen eines Stickstoff- oder Luftstioms in die Mühle getrocknet,
das Pulver wird durch ein Nylonnetz von den Kugeln getrennt und 2 Stunden lang bei 1100C
getrocknet
ratür auf 12000C aufgeheizt, 4 Stunden lang
bei 1200° C gehalten und wieder auf Zimmertemperatur abgekühlt
Das erhaltene Material ist weich und leicht zerreibbar, d. h., es tritt nur eine sehr geringe Sinterung
auf. Röntgendißraktiometrie des Pulvers zeigt, daß
die Reaktion abgeschlossen ist, und es wird dabei —
nur die Verbindung Ba2CaWO6 beobachtet. Das 65 an WO3 sind nicht erwünscht da sie, wie zuvor
Material besitzt eine geringfügig von der weißen erklärt bei den Betriebstemperaturen der Elektrode
Farbe abweichende Körperfarbe. Die Vorbereitung
erößerer Proben erfordert zusätzliche Mahl- und
erößerer Proben erfordert zusätzliche Mahl- und
erklärt, bei den Betriebstemperatu
schmelzen. Ebenso sind ihre Elektronenemission und ihre Verdampfungsgeschwindigkeit nicht akzeptier-
schmelzen. Ebenso sind ihre Elektronenemission und ihre Verdampfungsgeschwindigkeit nicht akzeptier-
bar. Zusammensetzungen links der Linie def und auf den Elektrodenwendeln durch Anstreichen oder
solche, die einen relativ geringen Gehalt an BaO alternativ durch Eintauchen der Wendeln in die
aufweisen, besitzen eine Verdampfungsgeschwindig- Suspension aufgebracht werden. Das Material Wird
keit, die um ein Vielfaches größer ist als die von dabei hauptsächlich in den Zwischenräumen zwi-BajCaWÖg. Jeder anfänglich vorhandene Vorteil 5 sehen den Windungen der äußeren und inneren Wendieser Zusammensetzung infolge der höheren Elek* del und der inneren Wendel und des Stabes 17 auf'
tronenemission geht sehr schnell verloren, da das genommen.
reiches der festen Löslichkeit vorhanden ist und ver- wird während der Herstellung der Lampe als Ab^
dampft Zusammensetzungen oberhalb der linie gbh ίο, laßrohr verwendet. Nachdem die Gasfüllung und das
mit einem molaren Anteil von CaO oberhalb 0,30 Natrium-Queoksilberamalgam in das Bogenentlasind nicht erwünscht infolge der unzureichenden dungsrohr eingebracht worden sind, wird das AbIaB-Elektronenemission. rohr 18 hermetisch abgequetscht durch eine Kalt·
• Der schraffierte, viereckige Flächenbereich um schweißung bei 22 und dient anschließend als Vor*
den Punkt Ba1CaWO0 definiert die bevorzugten Zu· 15 rat für kondensiertes Natriumamalgam. Das obere
sammensetzungen und enthält die Einphasen-Ver- Rohr 18' besitzt keine öffnung in das Bogen·
bindungen Ba1CaWO4, das einphasige Ba1CaWO8 entladungsrohr 11 und wird verwendet, um eine
in fester Lösung, oder Gemische der Phase geringe Menge von Yttrium-Metall (nicht gezeigt)
Ba2CaW8 mit binären Phasen, welche durch die aufzunehmen, welches als Getter dient. Das Ende
Phasengleichgewichts-Beziehungen bestimmt sind. 30 des Rohres wird verschlossen durch eine Quetsch·
Die Grenzlinien des schraffierten Bereiches um- stelle 23, die nicht hermetisch abgedichtet zu sein
fassen Gemische in dem BaO—CaG-WOj-System, braucht. Die dargestellte Lampe ist beschränkt auf
welche 43 bis 54 Molprozent BaO, 20 bis 30 Mol- den Betrieb in einer Lage, in der sich der Sockel
Prozent CaO und 21 bis 27 Molprozent WO8 ent- unten befindet, wobei sich das längere Ablaßrohf
halten. Bevorzugte Zusammensetzungen innerhalb «5 18, welches zwecks Kondensierung des Amalgams
des schraffierten Bereiches erstrecken sich längs der in diesem Rohr der kälteste Teil des Bogenentla-Verbindungslinie BaO-Ba4CaWOj und ihrer Ver- dungsrohres 11 sein muß, dann an der untersten ■
längerung über die Dreistoff-Verbindung hinaus und Stelle befindet
besitzen ein molares Verhältnis von BaO: CaO: WO, Das Bogenentladungsrohr 11 ist gehaltert im \
im Bereich zwischen 1,9:1:1 und 2,1:1:1. 30 Inneren des äußeren Kolbens mit Hilfe einer Halte- i
Eine Natriumdampf-Gasentladunplampe hoher rung, die aus einem einzelnen Stab 25 besteht, wel- j
Intensität als Ausführongsform der Erfindung ist in eher sich von der Zuleitung 7 am Fußende über die \
der Fig.4 mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Sie ganze Länge des Kolbens bis zu einer Einstülpung
umfaßt einen äußeren glasartigen Kolben oder 26 am Kuppelende erstreckt und an dieser letzteren
Hülle 2 in Form einer länglichen Birne. Der Hals 3 35 mit Hilfe einer federnden Klammer 27 verankert ist
des Kolbens 2 ist durch einen eingestülpten Fuß 4 Die Endkappe 13 des Bogenentladunprohres 11 ist
verschlossen, welcher noch einen Quetschteil S be- an dem Rahmen durch ein Band 29 verbunden, wähsitzt. Durch diesen Teil S hindurch erstrecken sich rend die Endkappe 12 mit der Zuleitung 6 über das
starre Zuleitungsdrähte 6 und 7, die an ihren äuße- Band 30 und den Haltestab 31 angeschlossen ist
ren Enden mit der Schraubhülse 8 und dem Mitten- 40 Der Raum zwischen den beiden Kolben wird erkontakt 9 eines konventionellen Schraubsockels ver- wünschterweise evakuiert, um Wärme zu konserbunden sind. vieren. Dies wird vor der dichten Verschließung des
Der innere Kolben oder das Bogenentladungsrohr äußeren Kolbens vorgenommen. Ein Getter, gell ist aus gesintertem Keramikmaterial in Form von eigneterweise ein Legierungspulver von Barium—
polykristallinem Aluminiumdioxyd hoher Dichte ge- 45 Aluminium, wird in mit Nuten versehene Ringe 32
maß USA.-Patent 3 026201 hergestellt oder aus gepreßt und wird nach der Abdichtung entflammt,
irgendeinem anderen lichtdurchlässigen keramischen um ein hohes Vakuum zu gewährleisten.
Material, das in der Lage ist, dem Angriff durch Bei der Herstellung des Bogenentladungsrohres 11
Natriumdampf bei hohen Temperaturen zu wider- werden die inneren Teile der metallischen Endkap-„stehen. Die Enden des Entladungsrohres 11 sind jo pen aus Niob, welche mit dein Alummiumdioxyd-Hufch fingermitartige Endkäppen 12» 13 aus Niob- ;Rohr hn Eingriff stehen, mit eher Dichtungsmasse
metall verschlossen, welche an dem Aluminium- überzogen, die hauptsächlich Aluminiumoxyd und
dioxyd hermetisch abgedichtet nut Hufe emer glas- Kalziumoxyd und einen geriageren Anteil von
artigen Abdichtungsmasse angebracht sind, welche Magnesrämoxyd enthält Die Dichtungsmasse wird
bezüglich ihrer Dicke bei 14 m Fig.5 übertrieben 55 zunächst an den Endkappen aufgebracht, und dann
dargestellt ist werden die Endkappen auf das Alunrimrandioxvd-
Thermionische Elektroden 15 sind in den Enden Rohr angesetzt und die Teile in einen elektrischen
des Bogenentladungsronres 11 gebaltert Wie am Vakuumofen gebracht Die Temperatur wird geringbesten aus Fig. 2 ersichtlich, umfaßt die Elektrode fügig oberhalb des Schmelzpunktes der Dichtungseine innere Wendel 16, die aus Wolframdraht 17 60 masse erhöht, welcher oberhalb 14000C liegt. Die
gewickelt ist, der in das Ende eines Niobrohres 18 Elektroden können zuvor mit dem voHständig zur
eingekröpft oder angeschweißt ist, welches seiner- Reaktion gebrachten Ba2CaWO. als Suspension in
seits durch die Endkappe hindurch eingeschweißt Methanol beschichtet werden, oder, alternativ dazu,
ist Die mittleren Windungen in der inneren Wende! können die nicht miteinander zur Reaktion gebrach-16 sind auseinandergespreizt, und die äußere Wen- 65 ten Materialien als Suspension auf die Elektrode
del 19 aus Wolframdraht ist über die innere Wendel aufgebracht werden, und die Reaktion kann dann
16 geschraubt Die Mischung des Elektronen eraitu'e- in dem elektrischen Ofen gleichzeitig mit der Herrenden Materials, weiche Ba2CaWO8 enthält, kann stellung der Abdichtung stattfinden.
Erhöhung
Air Anfangsleistung
der Lampe in Lumen pro Watt
Zeit bis stur stationären stabilen Betriebslage der Bogenentladung
Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung
(100 bis 6000 Std.)..
Wirkungsgrad
bei 6000 Std.
Endschwärzung
bei 6000 Std
Auf der Elektrode verbliebenes Emissions·'
material nach
6000 Std
Spannungsanstieg
bei 10 000 Std
Spannungsanstieg
bei 14000Std ....
■Wirkungsgrad
Standardmischung
S Sek.
?,2V/1000Std.
84V* merklich
65 "/β 40 V
10 000 Std.
BBiCaWO1
3·/.
0,5 Sek.
1 V/1000 Std.
94·/·
geringfügig
geringfügig
95·/·
5.5 V
7.6 V 89·/·
14 000 Std.
Die nebenstehende Tabelle gibt einen Vergleich des Betriebsverhaltens von vorstehend beschriebenen
Lampen, welche einmal die bisher verwendete Standardmischung von fimissionsmaterial verwenden
s und andererseits das erfindungsgemäße Material Ba8CaWO, enthalten. Die Standardmischung bestand aus Bariumthorat BaThO., dem 0,1 g Atom
Thorium pro Mol zugefügt wird, d. h. BaThO. +0,1 Th.
le Entsprechend der 1. Zeile der Tabelle ergab sich
im Vergleich zu einer Standardmischung von Emittermaterial, wie sie bei konventionellen Lampen
verwendet wird, eine Erhöhung der Anfangsleistung (Lumen pro Watt) beim erstmaligen Einschalten der
tJ Lampe mit dem erfindungsgemäßen Bariums—Kalzium—Wolframat von 3 ·/·,
Verschiedenste Zusammensetzungen in dem schraffierten Bereich, welcher um den Punkt
Ba8CaWO8 der Fig. 3 herum liegt, sind erprobt
worden und haben Ergebnisse geliefert, die denjenigen von anderen Emissiönsmaterialien weit überlegen sind.
Hochdrack-NatriumOampflampen insbesondere
zeigen ein weit überlegenes Betriebsverhalten bei
a5 Verwendung eines Emissionsmaterials, das entweder
aus reinem Ba8CaWO, oder aus Materialien mil
molaren Verhältnissen von BaO: CaO: WO8 im Bereich zwischen 1,9:1:1 bis 2,1 *. 1:1 liegt
Claims (2)
161
Patentaneprllobe:
Hosh-
♦v*«»«^^«™«*««««^—r—, bestehend aus
einer Tragerstruktur aus feuerfestem Metall und
darauf aufgebrachtem Elektronen emittierendem Material, dadurch gekennzeichnet, daß
das Elektronen emittfereBde MsierM aus Zwarn- χ»
sammensetzen des BSaO^CaO—WaO.f§ystems
besteht, welche 43 bis 54 Molprozent BaO, 20 bis 30 Molprozent CaO und 21 bis 27 Molprozent
WO5 enthalten.
2. Oxydelektrode nach Ansprach 1, dadurch i&
gekennzeichnet daß die Elektronen emittierenden Materialien ein Molarverhältnis von
BaO: CaO: WO8 im Bereich zwischen L$: 1:1
jedach lediglich in der Abgabe
Wt aber ^ der Abpbe von
der Oxydelektrode nach der
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |