DE2502649A1

DE2502649A1 - Verbesserte elektrodenstruktur fuer hochstrom-niederdruck-entladungsvorrichtungen

Info

Publication number: DE2502649A1
Application number: DE19752502649
Authority: DE
Inventors: John M Anderson; Peter D Johnson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1975-01-23
Publication date: 1975-09-11
Also published as: AR202843A1; BR7500056A; BE826261A; GB1505142A; JPS50120180A; JPS5394492U; NL7502365A; US3883764A

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler PATENTANWALT

6 Frankfurt/Main 1, 21. Jan. 1975

Niddastraße 52 Vo./he.

Telefon (0611) 237220 Telex: 04-16759 mapat d Postscheck-Konto: 282420-602 Frankfurt/M.

Bankkontos 225/0389

Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

General Electric Company

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verbesserte Elektrodenstruktur für Hochstrom-Niederdruck-Entladungsvorrichtungen

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungsvorrichtungen und insbesondere auf verbesserte Elektrodenstrukturen für Hochstrom-Niederdruck-Entladungsvorrichtungen, die für eine erhöhte fotochemische Stimulation, Fluoreszenzlampen hoher Intensität und Gaslaser mit hoher Ausgangsleistung brauchbar sind.

Es hat sich gezeigt, daß Starkstrom-Niederdruckvorrichtungen in beispielsweise Quecksilber und anderen Metalldämpfen und inerten

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Gasen effiziente und intensive Quellen für ultraviolette Strahlung sind, welche in der Fotochemie und zahlreichen anderen Applikationen brauchbar ist. Das Erfordernis großer Entladungsströme (2 bis 50 Ampere oder mehr) bei einem niedrigen Gasdruck beansprucht oder überschreitet die Leistungsfähigkeiten "konventioneller Elektroden, übliche Elektroden von Fluoreszenzlampen sind beispielsweise in der Lage, Ströme bis zu drei oder vier Ampere für kurze Zeiträume zu liefern, wie sie bei experimentellen Arbeiten erforderlich sind. Es werden jedoch im allgemeinen zwei oder noch mehr Glühfäden an jeder Elektrode verwendet, wenn solche Stromdichten erforderlich sind. Diese Glühfäden sind jedoch nicht adäquat für höhere Ströme und längere Lebenszeiten, die für kürzlich entwickelte praktische Anwendungsfälle erforderlich sind. Ferner nimmt eine Vielzahl von Glühfäden einen solchen Raum ein, daß der Elektrodenabschnitt der Entladungsröhre im allgmeinen einen größeren Durchmesser haben muß als der Abschnitt, der von der tatsächlichen Gassäule eingenommen wird. Andere von außen erhitzte Kathoden, wie Barium-Aluminat-Vorratskathoden oder die massiven Wolfram-Thoriumfäden, die für Hochstrom-Gaslaser verwendet werden, sorgen zwar für den gewünschten Lichtbogenstrom, aber sie besitzen einen verminderten Gesamtwirkungsgrad, da sie größenordnungsmäßig 50 Watt oder mehr erfordern, um die Temperatur des Glühfadens auf einem brauchbaren Wert zu halten.

Ultraviolette Strahlung emittierende elektrische Lampen verwenden beispielsweise im allgemeinen eine Gasentladung mit Quecksilber als emittierende Spezies. Die meisten bekannten, für diesen Zweck verwendeten Vorrichtungen, die eine kleine Stromdichte, im allgemeinen weniger als 0,2 A/cm , und einen niedrigen Druck der emittierenden Spezies besitzen, im allgemeinen weniger als 1 Torr, haben eine Emission bei Wellenlängen oberhalb 2300 8, vorwiegend oberhalb der Wellenlänge von Quecksilber von 2537 8 , die so stark ist, daß sie gegenüber einer ultravioletten Emission dominiert. Die Verwendung von solchen elektrischen Lampen für fotochemische Reaktionen, wie beispiels-

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weise zum Vernetzen von Polymeren oder zum Aufbrechen polymerer Verbindungen, ist sehr ineffizient. Ferner emittieren andere ultraviolett strahlende Lampen, wenn sie bei hohen Drucken und großen Strömen betrieben werden, nur eine brauchbare Ultraviolettstrahlung bei Wellenlängen länger als 2300 8 .

Eine der Hauptschwierigkeiten bei ultraviolett strahlenden Lampen, die bei starken Strömen betrieben werden, ist die Schwärzung der Wände der Entladungsröhren, die durch eine Zerstäubung oder Verdampfung der Emissionsmischung oder des Metalls von der Elektrodenstruktur hervorgerufen wird. Als Folge dieser Schwärzung wird die Entladungsröhre undurchlässig für ultraviolette Strahlung und infolgedessen hört die Lampe nach einem kurzen Zeitraum auf, eine brauchbare ultraviolette Strahlung zu erzeugen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, eine Hochstrom-Niederdruck-Entladungslampe mit einer Elektrodenstruktur zu schaffen, die einen verbesserten Lampenwirkungsgrad liefert.

Kurz gesagt, wird erfindungsgemäß eine verbesserte Elektrodenstruktur für Hochstrom-Niederdruck-Entladungsvorrichtungen geschaffen, in denen die Elektrodenstruktur eine Oxide emittierende Mischung aufweist, die auf einen Glühfaden, aufgebracht ist, der in axialer Richtung innen in einem hohlen Zylinder aus.feuerfestem bzw. hochwarmfestern Metall angebracht ist. In einer evakuierbaren Hülle, die eine ausreichende Quecksilbermenge enthält, um bei Wandbetriebstemperaturen von 25 bis 80°C einen optimalen Quecksilberdampfdruck von etwa 2 χ 10 bis 0,1 Torr zu erzielen, wird die Emission einer im fernen Ultraviolett liegenden Strahlung hoher Intensität hauptsächlich bei einer Wellenlänge von 19^2 8 erreicht. Unter diesen Bedingungen werden Stromdichten in der Größenordnung von 2 bis 50 A/cm erzielt, wobei die ultraviolette Ausgangsgröße bei höheren Stromdichten stark verbessert wird.

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DIe Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Figur 1 ist eine horizontale Ansicht, in der gewisse Teile aufge-

d ii τ* Gpp s fc θ X11"
schnitten /sin5, von einer erfindungsgemäß aufgebauten Lampe, die für die Erzeugung einer ultravioletten Strahlung hoher Intensität geeignet ist.

Figur 2 ist eine perspektivische Teilansicht von einem Ausführungsbeispiel einer verbesserten Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine UV-Lampe mit einer evakuierbaren Umhüllung dargestellt, die insgesamt mit 10 bezeichnet ist. Die evakuierbare Umhüllung 10 ist vorzugsweise aus einem für ultraviolette Strahlung durchlässigen Material hergestellt, wie beispielsweise gebranntem Quarz, so daß die ultraviolette Strahlung frei durch die Umhüllung hindurchtritt. Die evakuierbare Umhüllung 10 enthält Endteile 11 bzw. 12, die jeweils eine Elektrodenanordnung 13 tragen. Die Elektrodenanordnungen weisen Einführungs- und Halterungsteile I¹I und 15 auf, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen und durch die Endteile 11 bzw. 12 hindurchführen. Die Endteile und 12 sorgen für eine abgestufte Dichtung an den Enden der evakuierbaren Umhüllung 10.

Der gewünschte Strom und die Spannung zum Betrieb der Lampe werden von einer Leistungseinspeisung geliefert, die den Anforderungen der Lampe im Betrieb genügt und eine Reihe von Formen annehmen kann. Als Beispiel ist in Figur 1 ein den Strom regelnder Transformator 16 mit einer Primärwicklung 17 und einer Sekundärwicklung Ιθ gezeigt. Die Primärwicklung 17 ist mit einer geeigneten Strom- und Spannungsquelle verbunden, und die Sekundärwicklung 18 steht mit den Elektroden 15 an jedem Ende der evakuierbaren Umhüllung 10 in Verbindung.

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Als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung stellt Figur 2 die Elektrodenanordnung 13 dar, die einen am Ende offenen Zylinder 21 und einen Oxid emittierenden überzogenen Glühfaden 23 umfaßt. Wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird, arbeitet die gesamte Elektrodenanordnung 13 bei Wechselstromerregung abwechselnd als eine Kathode und dann als eine Anode. Der Zylinder 21 ist vorzugsweise aus einem hochwarmfesten Metall hergestellt, wie beispielsweise Molybdän, Tantal, Wolfram, Rhenium oder irgendeinem anderen Metall mit einem vernachlässigbaren Dampfdruck bei Temperaturen von etwa 1200 bis 1300⁰C. Als Beispiel kann der aus einem feuerfesten Metall bestehende Zylinder 21 eine Wanddicke zwischen 1 und 5 um, einen Durchmesser von etwa 0*5 bis 2,0 cm und eine axiale Ausdehnung von etwa dem 2- oder 3-fachen Durchmesser besitzen.

Figur 2 stellt auch den Einführungs- und Halterungsteil 15 dar, der in den Zylinder 21 hineinragt und an der inneren Oberfläche der Zylinderwand durch geeignete Mittel befestigt ist, wie beispielsweise durch Punktschweißen. Der Einführungs- und Halterungsteil 15 weist an seinem einen Ende einen Halterungsstab 22 auf, der senkrecht zu dem Halterungsteil 15 verläuft, um das eine Ende des Glühfadens 23 zu tragen, der in der Form einer Wendel dargestellt ist. Das andere Ende des Glühfadens wird von dem Einführungs- und Halterungsteil 14 getragen. Wie in Figur 2 gezeigt ist, ist der Wendelfaden 23 koaxial in dem Zylinder 21 angebracht und enthält einen überzug 24 aus einer emissiven Mischung, wie sie beispielsweise in Fluoreszenzlampen mit großer Ausgangsleistung verwendet werden. Diese emissiven Mischungen enthalten im allgemeinen ein oder mehrere Erdalkalioxide oder ein oder mehrere Oxide der Seltenen Erden oder ein oder mehrere Oxide von Thorium, Yttrium,/Hafnium oder Tantal. Das Glühfadenmaterial selbst ist ebenfalls nicht kritisch und kann Materialien umfassen wie beispielsweise Wolfram, Tantal oder Rhenium.

Vor dem Betrieb der Lampe muß die innere Wand des Zylinders 21 mit einer ausstrahlenden Mischung überzogen werden. Dies kann

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beispielsweise dadurch erreicht werden, daß für einen ausreichenden Stromfluß durch den emlssiven überzogenen Glühfaden 23 gesorgt wird,, um eine höhere als normale Temperatur von beispielsweise etwa 11OO°C für die oben angegebene emittierende Erdalka-limischung zu erreichen. Aufgrund dieser Erhitzung diffundiert die ausstrahlende Mischung zur Innenwand des Zylinders 21 und liefert auf diesem einen überzug. Nachdem der überzug aufgebracht worden ist, werden die Einführungs- und Halterungsteile 14 und 15 elektrisch miteinander verbunden, wie es in Figur 1 dargestellt ist.

Die Lampe wird ferner mit einem niedrigen Druck eines inerten Gases wie Krypton, Argon oder Neon und einer ausreichenden Menge an Quecksilber 25 gefüllt. Die Menge des verdampfbaren Quecksilbers, das als Füllung 25 vorliegt, reicht aus, um einen Quecksliberdampfdruck von 2 χ 10~^J bis 0,1 Torr bei Betriebswandtemperaturen von 25 bis 80°C zu erzeugen. Das inerte Gas befindet sich auf einem niedrigen Druck wie beispielsweise 0,5 bis 25 Torr und vorzugsweise etwa 2 bis 5 Torr von Krypton. Die Erregung des emittierenden Quecksilbers wird stark vergrößert durch Wechselwirkungen mit einem Partialdruck von Kryptongas. Die erhöhte Erregung führt zu einer stark vergrößerten Emissionsintensität.

Im Betrieb wird die Lampe durch Anlegen einer Netzspannung, die irgendeine gewünschte Höhe haben kann, aber zweckmäßigerweise 120 oder 2¹JO Volt beträgt, an die Primärwicklung des Erregertransformators 16 gestartet. Das erste Anlegen der Spannung bewirkt eine Erregung des Kryptons, das sofort die Quecksilberatome ionisiert, welche die Entladung einleiten. Die Festlegung eines ausreichenden Quecksilberdruckes gestattet dessen Ionisierung und bewirkt eine übertragung der Entladung auf das Quecksilber als leitende Spezies. Bei diesen niedrigen Drucken und hohen Stromdichten wird eine effiziente Emission von fotochemisch brauchbarer Strahlung von weniger als 2000 A und speziell bei 1849 und 1942 S erhalten.

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Um die Emission der Lampen bei 19^2 S zu optimieren, wird die Kolbenwandtemperatur, d. h. die minimale Temperatur des Inneren der Kolbenwand besteht bei stationärem Betrieb, in dem Bereich von etwa 15 bis 1OO°C und vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 25 bis 8O°C gehalten für eine optimale Emission einer Quecksilberionenstrahlung von|l9¹12 A. Diese bevorzugte Temperatur erzielt einen Betriebsdruck des Quecksilbers innerhalb der Umhüllung in dem Bereich von etwa 2 χ 10"^ Torr bis 0,1 Torr.

Die Stromdichte innerhalb der Lampe wird ebenfalls in dem gewünschten Bereich gehalten durch geeignetes Einstellen des Gesamtstromes durch die Entladung und den Durchmesser des engen, für ultraviolette Strahlung durchlässigen Teiles dei» Lampenhülle. Der Gesamtstrom wird durch äußere Impedanzen gesteuert und eingestellt, um eine maximale Ausgangsgröße von den strahlenden spektroskopischen Zuständen der strahlenden Spezies zu erhalten.

Im allgemeinen können Lampen mit einem Elektrodenaufbau gemäß der Erfindung bei Wechselspannungsbetrieb ohne Schwierigkeiten bei Spannungen von 20 bis 200 Volt und Stromdichten zwischen

■ 2
etwa 2 und 50 A/cm und in einem bevorzugten Bereich zwischen

ρ
etwa 5 und 25 A/cm arbeiten. Eine typische Lampenkonfiguration zur Erzielung eines derartigen Betriebes, nämlich eine Stromdichte

2 · — ⁷J

von etwa 10 A/cm und ein Druck von etwa 3 x 10 ^J Torr, kann auf einfache Weise in einer Lampenhülle mit einem Innendurchmesser innerhalb des für ultraviolette Strahlung durchlässigen Bereiches von' etwa I¹J mm und einer Länge von etwa 15 cm zwischen den Kathodenstrukturen erhalten werden.

Mit der Elektrodenstruktur gemäß der Erfindung betriebene Lampen zeigen zahlreiche Vorteile gegenüber Lampen mit bekannten Elektroden . Beispielsweise haben Lampen mit erflndungsgemäß aufgebauter Elektrodenstruktur eine ungewöhnlich hohe Intensität der Emission an der 19^2 S-Linie. Ein weiterer Vorteil der Lampen mit erfindungsgemäß aufgebauten Elektrodenstrukturen besteht darin, daß

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bei Stromdichten oberhalb etwa 3 A/cm die Entladung den zylindrischen Elektrodenteil 21 in einem völlig zerstreuten (hohle Kathode) Modus einnimmt, der für eine Hochstrom-Ausgangsgröße und eine geringe Elektrodenbeschädigung sorgt. Es wird angenommen, daß dies der ausstrahlenden Mischung zuzurechnen ist, die auf die Innenseite des Zylinders während der Aktivierung aufgedampft wird und die gestattet, daß die gesamte Elektrodenstruktur als eine Kathode arbeitet. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Elektrodenstruktur ist eine zusätzliche Punktion, die durch den Zylinder 21 geliefert wird, daß nämlich der Zylinder jede nachfolgend verdampfte oder zerstäubte emissive Mischung abfängt, wodurch eine Schwärzung der Wände der Umhüllung verhindert wird. Beispielsweise zeigte eine Lampe ähnlich der in Figur 1 gezeigten, die bei einem Entladungsstrom von 10 Ampere betrieben wurde, eine vernachlässigbare Schwärzung der Umhüllung ohne merkliche Verminderung der UV-Ausgangsgröße nach 500 Betriebsstunden .

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung beträgt der Kathodenabfall (Spannungsabfall) bei Betrieb in dem hohlen Kathodenmodus nur einige Volt, d. h. weniger als vier Volt. Demgegenüber zeigen bekannte Elektroden Spannungsabfälle von mehr als 7 Volt. Demzufolge haben Entladungslampen mit erfindungsgemäß aufgebauten Elektroden einen verminderten Leistungsabfall an den Elektroden, der zu geringeren Kathodentemperaturen führt, d. h. beispielsweise in der Größenordnung von 1000°C bei einem Strom von 10 Ampere. Da ferner die Elektroden gemäß der Erfindung in einem hohlen Kathodenmodus betrieben werden, wird eine besser zerstreute (diffuse) Entladung von einem vieljgrößeren effektiven Oberflächenbereich (Im wesentlichen die gesamte Elektrodenstruktur) geschaffen, wodurch die Elektrodenbeschädigung und die Schwärzung der Elektrodenröhrenwand auf ein Minimum verringert wird.

Vorstehend wurde eine neue und verbesserte Elektrodenstruktur beschrieben, die eine diffuse Entladung von einem großen Ober-

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flächenbereich liefert, die niedrigere Kathodentemperaturen, längere Lebenszeiten und einen verminderten Kathodenabfall im Vergleich zu konventionellen Glühfadenkathoden zur Folge hat.

Bei einer Verwendung in einer im fernen Ultraviolett strahlenden

2 Lampe bei Stromdichten im Bereich von 2 bis 50 A/cm emittieren

diese Lampen eine Strahlung vorwiegend bei einer Wellenlänge von 19^2 8.

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Claims

- 10 Artsprüche

ΛHochstrom-Niederdruck-Entladungsvorrichtung mit einer evakuierbaren umhüllung, in der ein Partialdruck eines ionisierbaren Materials vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß eine Elektrodenstruktur einen Zylinder (21) aus hochwarmfestem Metall, einen mit einer emissiven Mischung überzogenen Glühfaden (23), der koaxial in dem Zylinder (21) angeordnet ist, Mittel (I¹I, 15) zur Halterung des Glühfadens (23) Innerhalb des Zylinders (21) und Mittel (Ιό) aufweist zum Anlegen einer Spannung an die Elektrodenstruktur zur Herstellung einer elektrischen Entladung in der Umhüllung (10).

2. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenstruktur in einer evakuierbaren Umhüllung (10) angeordnet ist, die einen Partialdruck von Krypton, Xenon oder Argon in dem Bereich von etwa 0,5 bis 5 Torr und eine unter Lampenbetriebsbedingungen ausreichende Quecksilbermenge enthält, um einen Quecksilberpartialdruck von etwa 2 χ 10"^ bis 0,1 Torr aufrechtzuerhalten.

3. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrodenstruktur bei Betriebsbedingungen verwendbar ist, bei denen der kälteste Abschnitt der Umhüllung auf einer Temperatur von etwa 25 bis 80°C gehalten ist.

k. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenwand des Zylinders (21) einen Überzug aus einer ausstrahlenden Mischung aufweist.

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b. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Entladung ionisiertes Quecksilber umfaßt, das bei Erregung durch Stromdichten

2 "

von etwa 2 bis 50 A/cm ultraviolette Strahlung bei Wellenlängen emittiert, die kürzer als 2000 8 sind.

b. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlung vorwiegend bei 19^2 8 liegt.

7. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das hochwarmfeste Metall aus Molybdän, Tantal, Wolfram oder Rhenium besteht.

8. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß durch den Zylinder (21) eine Abscheidung von verdampfter oder zerstäubter ausstrahlender Mischung, die von dem Glühfaden (23) emittiert wird, auf den Wänden der evakuierbaren Umhüllung im wesentlichen verhindert ist.

9. Entladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Glühfaden (23) spiralförmig gewickelt ist und mit seinen Enden Mittel zur Halterung des Glühfadens (23) verbunden sind.

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