EP1481417A1 - Mercury short arched lamp with a cathode containing lanthanum oxide - Google Patents

Mercury short arched lamp with a cathode containing lanthanum oxide

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EP1481417A1
EP1481417A1 EP03717130A EP03717130A EP1481417A1 EP 1481417 A1 EP1481417 A1 EP 1481417A1 EP 03717130 A EP03717130 A EP 03717130A EP 03717130 A EP03717130 A EP 03717130A EP 1481417 A1 EP1481417 A1 EP 1481417A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cathode
mercury
mercury short
pressure discharge
filling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03717130A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Lars Menzel
Dietmar Ehrlichmann
Wolfgang Spielmann
Gerhard Leichtfried
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Plansee SE
Osram GmbH
Original Assignee
Plansee SE
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Plansee SE, Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH filed Critical Plansee SE
Publication of EP1481417A1 publication Critical patent/EP1481417A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01J61/02—Details
    • H01J61/04—Electrodes; Screens; Shields
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    • H01J61/073—Main electrodes for high-pressure discharge lamps
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    • H01J61/0737—Main electrodes for high-pressure discharge lamps characterised by the material of the electrode characterised by the electron emissive material
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    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/84—Lamps with discharge constricted by high pressure
    • H01J61/86—Lamps with discharge constricted by high pressure with discharge additionally constricted by close spacing of electrodes, e.g. for optical projection

Definitions

  • the invention relates to a mercury short-arc high-pressure discharge lamp for direct current operation with a discharge vessel which has two diametrically opposed necks into which an anode and a cathode made of tungsten are melted in a gas-tight manner and which contains a filling made of mercury and at least one noble gas ,
  • Such lamps are used in particular for microlithography in the semiconductor industry for the exposure of wafers.
  • the mercury short-arc high-pressure discharge lamps used for the exposure process have to deliver a high light intensity in the ultraviolet wavelength range - in some cases limited to a few nanometers - with the light generation being limited to a small space.
  • a direct current gas discharge with a short electrode spacing This creates a plasma with high light emission in front of the cathode. Due to the strong electrical energy coupling into the plasma, electrode temperatures are generated which lead to material damage, particularly in the cathode.
  • Such cathodes thus far preferably contain a doping of thorium oxide Th0 2 , which is reduced to thorium Th during lamp operation, occurs in this metallic form on the cathode surface and there leads to a reduction in the work function of the cathode.
  • the lowering of the work function is accompanied by a reduction in the operating temperature of the cathode, which leads to a longer service life of the cathode, since less cathode material evaporates at lower temperatures.
  • Th0 2 as a dopant is due to the fact that the evaporation of the dopant is relatively low and therefore leads to little disruptive precipitation in the lamp bulb (blackening, deposits).
  • the excellent suitability of Th0 2 correlates with a high melting point of the oxide (3323 K) and metal (2028 K).
  • Th0 2 The decisive disadvantage of using Th0 2 is its radioactivity, which makes protective measures necessary when handling primary materials and lamp production. Depending on the activity of the product, there are also requirements regarding storage, operation and disposal of the lamps.
  • the solution to the environmental problem is special for lamps with high operating currents greater than 20 A, as are used in microlithography urgently, because these lamps have a particularly high activity due to the electrode size.
  • the productivity of the imagesetter depends crucially on the amount of light that the lamp provides. Piston linings or electrode burn-back reduce the available useful light and lead to a loss of productivity of the very expensive systems due to increasing exposure times.
  • a mercury short-arc high-pressure discharge lamp with the features of the preamble of claim 1 in that at least the material of the cathode head additionally contains lanthanum oxide La 2 0 3 and the mercury content of the lamp filling is at most 6 mg / cm 3 , The mercury content should be at least 1 mg / cm 3 , since the plasma properties of pure noble gas lamps differ significantly from mercury arc lamps. In the absence of relatively easily ionizable mercury, an inert gas arc burns much more concentrated.
  • La 2 ⁇ 3 can show very favorable results with regard to deposit formation and electrode burn-back.
  • the burn-back is even less than with torized materials. This is an advantage that is particularly effective with short electrode spacings ( ⁇ 6 mm) and would even make a certain excess of deposit formation tolerable.
  • the doping of the head or the entire cathode consisting of shaft and head should be between 1.0 and 3.5% by weight of the cathode material, better between 1.5 and 3.0% by weight of the cathode material.
  • the cathode operating temperature essentially determines the evaporation rate of the emitter.
  • I is the current density in A / m 2
  • A is the constant 1.2 x 10 6 in A / m 2 K 2
  • k is the Boltzmann constant
  • T is the temperature in K
  • ⁇ the work function in eV
  • the arc attachment area and thus the electrode temperature are influenced by the type of fill gas, the fill gas pressure and the mercury concentration.
  • the influence of these parameters is of minor importance when using La 2 ⁇ 3 as an additive to the tungsten of the cathode material, since in addition to the current, mainly the lamp plasma properties are the shape of the Determine arc approach.
  • Fill gas type, fill gas pressure and mercury concentration are essential for the plasma properties.
  • the electrode temperature is 4.5 mg / cm 3 Hg, for example, is 2200 ° C, while at 40 mg / ccm, the same current is measured at 2600 ° C.
  • the addition of Zr0 2 and / or Hf0 2 in small amounts can further improve the properties with regard to emitter evaporation.
  • the amount of Zr0 2 and / or Hf02 should not exceed 1.0% by weight for Zr02 or 1.5% by weight for Hf02 in the cathode material, since the favorable influence on the luminous flux is always accompanied by increased burn-back of the cathode.
  • the filling gas pressure in the lamp has a similar influence as the mercury content. As the filling gas pressure increases, the arc attachment point is constricted at the cathode and leads to an increased cathode tip temperature. Tests have shown here that when using xenon Xe as the filling gas, a cold filling pressure of 3 bar or 16.3 mg / cm 3 Xe already leads to a noticeable emitter evaporation in the lamp type according to the invention.
  • a minimum cold filling pressure of 500 mbar or 2.7 mg / cm 3 is therefore necessary when using xenon in order to avoid excessive emitter evaporation.
  • the density range 2.7 mg / ccm - 15.2 mg / ccm (500 mbar - 2800 mbar for Xe) provides the best results and corresponds to a pressure range of 786 - 4425 mbar for Kr or 1648 - 9276 mbar for Ar.
  • the preferred density range for the gas pressure is between 2.7 and 15.2 mg / cm 3 and neither too low a back pressure nor too high an electrode temperature lead to excessive emitter evaporation.
  • FIG. 1 shows a mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to the invention, in section
  • Figure 2 shows a detail of the cathode
  • Figure 1 shows in section an inventive mercury short-arc high-pressure discharge lamp 1 with an output of 1.75 kW. It has a piston 2 made of quartz glass, which is elliptically shaped. This is followed by two ends 3 on two opposite sides, which are designed as piston necks 4 and each contain holding parts 8.
  • the necks have a front conical part 4a, which contains a support roller 5 made of quartz glass as an essential component of the holding part, and a rear cylindrical part 4b, which forms the sealing seal.
  • the front part 4a has an indentation 6 of 5 mm in length. This is followed by a support roller 5 with a central bore, which is conically shaped.
  • a shaft 10 of a cathode 7 with an outer diameter of 6 mm is axially guided in the bore of the first support roller and extends into the discharge volume and carries an integral head part 25 there.
  • the shaft 10 is extended beyond the support roller 5 to the rear and ends at a plate 12, to which the sealing seal in the form of a cylindrical quartz blocks 13 connects.
  • a second plate 14 which holds an external power supply in the form of a molybdenum rod 15 in the middle.
  • On the outer surface of the quartz block 13, four foils 16 made of molybdenum are guided along in a manner known per se and melted gas-tight on the wall of the piston neck.
  • the anode 26, consisting of a separate head part 18 and shaft 19, is held in the bore of the second support roller 5.
  • the cathode 7 and the holding part 8 is shown in detail.
  • the cathode 7 is composed of a circular cylindrical shaft 10 of 36 mm in length and an integral head 25 of 20 mm in length, the head 25, like the shaft, having an outside diameter of 6 mm.
  • the end of the head 25 facing the A-node is designed as a tip 11 with a tip angle ⁇ of 60 ° and has a plateau-shaped end 27 with a diameter of 0.5 mm.
  • the holding part consists of support rollers 5 and several foils in its bore.
  • a film 24 is wrapped around the shaft several times (two to four layers).
  • the material of the tip 11 of the cathode 7 has a doping of 2.0% by weight of La 2 ⁇ 3.
  • the mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to the invention has a discharge vessel with a volume of 134 cm 3 , which is filled with 603 mg of mercury and a noble gas mixture of xenon and argon in an amount of 720 mg.
  • the current density J in the cathode at a distance of 0.5 mm from the plateau tip is 66 A / mm 2 when the lamp is in operation.)

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Abstract

The invention relates to a mercury short-arched-high pressure discharge lamp (1) which operates with direct-current, comprising a discharge vessel (2) having two necks (4) arranged in a diametrical manner opposite each other, wherein an anode (26) and a cathode (7), made respectively from tungsten, are melted in a gas-tight manner and said vessel is filled with mercury and at least one inert gas. According to the invention, the material of the cathode tip (11) contains, in addition to the tungsten, lanthanum oxide La203 and the mercury content of the filling in the discharging vessel volume is at least 1 mg/cm3 and at the most 6 mg/cm3.

Description

QUECKSILBER-KURZBOGENLAMPE MIT LANTHANOXID-HALTIGER KATHODE MERCURY SHORT-BOW LAMP WITH LANTHANOXIDE-CONTAINING CATHODE
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungs- lampe für den Gleichstrombetrieb mit einem Entladungsgefäß, das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse aufweist, in die eine Anode und eine Kathode jeweils aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen sind und das eine Füllung aus Quecksilber und zumindest einem Edelgas enthält. Derartige Lampen werden insbesondere für die Mikrolithographie in der Halbleiterindustrie zur Belichtung von Wafern eingesetzt.The invention relates to a mercury short-arc high-pressure discharge lamp for direct current operation with a discharge vessel which has two diametrically opposed necks into which an anode and a cathode made of tungsten are melted in a gas-tight manner and which contains a filling made of mercury and at least one noble gas , Such lamps are used in particular for microlithography in the semiconductor industry for the exposure of wafers.
Stand der TechnikState of the art
Die für den Belichtungsprozess verwendeten Quecksilber-Kurzbogen-Hoch- druckentladungslampen müssen eine hohe Lichtintensität im ultravioletten Wellenlängenbereich - teils eingeschränkt auf wenige Nanometer Wellenlänge - liefern, wobei die Lichterzeugung auf einen kleinen Raumbereich eingrenzt ist.The mercury short-arc high-pressure discharge lamps used for the exposure process have to deliver a high light intensity in the ultraviolet wavelength range - in some cases limited to a few nanometers - with the light generation being limited to a small space.
Die daraus abzuleitende Anforderung einer hohen Leuchtdichte kann durch eine Gleichstrom-Gasentladung bei kurzem Elektrodenabstand erzielt wer- den. Es entsteht dabei ein Plasma mit hoher Lichtemission vor der Kathode. Durch die starke elektrische Energieeinkopplung in das Plasma werden E- lektrodentemperaturen erzeugt, die insbesondere bei der Kathode zu einer Schädigung des Materials führen. Derartige Kathoden enthalten daher bisher bevorzugt eine Dotierung aus Thoriumoxid Th02, das während des Lampenbetriebs zu Thorium Th reduziert wird, in dieser metallischen Form an die Kathodenoberfläche tritt und dort zur Absenkung der Austrittsarbeit der Kathode führt.The requirement of a high luminance to be derived from this can be achieved by a direct current gas discharge with a short electrode spacing. This creates a plasma with high light emission in front of the cathode. Due to the strong electrical energy coupling into the plasma, electrode temperatures are generated which lead to material damage, particularly in the cathode. Such cathodes thus far preferably contain a doping of thorium oxide Th0 2 , which is reduced to thorium Th during lamp operation, occurs in this metallic form on the cathode surface and there leads to a reduction in the work function of the cathode.
Mit der Absenkung der Austrittsarbeit geht eine Reduktion der Betriebstemperatur der Kathode einher, die zu einer längeren Lebensdauer der Kathode führt, da bei erniedrigten Temperaturen weniger Kathodenmaterial verdampft.The lowering of the work function is accompanied by a reduction in the operating temperature of the cathode, which leads to a longer service life of the cathode, since less cathode material evaporates at lower temperatures.
Der bisher bevorzugte Einsatz von Th02 als Dotierstoff liegt in der Tatsache begründet, dass die Verdampfung des Dotierstoffs relativ gering ist und daher zu wenig störenden Niederschlägen im Lampenkolben (Schwärzung, Beläge) führt. Die vorzügliche Eignung von Th02 korreliert mit einem hohen Schmelzpunkt des Oxids (3323 K) und Metalls (2028 K).The previously preferred use of Th0 2 as a dopant is due to the fact that the evaporation of the dopant is relatively low and therefore leads to little disruptive precipitation in the lamp bulb (blackening, deposits). The excellent suitability of Th0 2 correlates with a high melting point of the oxide (3323 K) and metal (2028 K).
Ein Elektrodenrückbrand lässt sich aber auch bei thorierten Kathoden nicht vermeiden, so dass im Fall der vorliegenden Gleichstromentladungslampe der Lebensdauer durch den Kathodenrückbrand Grenzen gesetzt sind. Dies ist insbesondere bei Lampen mit kurzen Elektrodenabständen - wie sie hier vorliegen - nachteilig, da hier ein geringer Elektrodenrückbrand bereits zu starken Änderungen der lichttechnischen Eigenschaften der Lampe führt. Eine weitere Reduktion des Rückbrands bleibt daher wünschenswert.However, electrode burn-back cannot be avoided even with thoriated cathodes, so that in the case of the present direct-current discharge lamp, the service life due to the cathode burn-back is limited. This is disadvantageous in particular in the case of lamps with short electrode spacings, as are present here, since a small electrode burn-back here already leads to major changes in the lighting properties of the lamp. A further reduction in burn-back remains desirable.
Der entscheidende Nachteil der Verwendung von Th02 ist aber seine Radioaktivität, die Schutzvorkehrungen beim Umgang in der Vormaterial- und Lampenherstellung erforderlich macht. Je nach Aktivität des Produkts sind auch Auflagen bei Lagerung, Betrieb und Entsorgung der Lampen zu be- achten.The decisive disadvantage of using Th0 2 is its radioactivity, which makes protective measures necessary when handling primary materials and lamp production. Depending on the activity of the product, there are also requirements regarding storage, operation and disposal of the lamps.
Die Lösung des Umweltproblems ist bei Lampen mit hohen Betriebsströmen größer 20 A, wie sie in der Mikrolithographie verwendet werden, besonders dringend, da diese Lampen aufgrund der Elektrodengröße eine besonders hohe Aktivität aufweisen.The solution to the environmental problem is special for lamps with high operating currents greater than 20 A, as are used in microlithography urgently, because these lamps have a particularly high activity due to the electrode size.
Zahlreiche Thoriumersatzstoffe sind deshalb untersucht worden. Beispiele hierfür finden sich in „Metallurgical Transactions A, vol. 21A, Dec 1990, S. 3221-3236. Der kommerzielle Einsatz von Ersatzstoffen bei Lampen für die Mikrolithographie ist bisher nicht gelungen, da alle Ersatzstoffe durch ihre im Vergleich zu Th02 leichtere Verdampfbarkeit zu ausgeprägten Kolbenbelägen führten.Numerous thorium substitutes have therefore been investigated. Examples of this can be found in “Metallurgical Transactions A, vol. 21A, Dec 1990, pp. 3221-3236. The commercial use of substitutes for lamps for microlithography has so far not been successful, since all substitutes, due to their easier evaporation compared to Th0 2, led to pronounced bulb deposits.
In der Mikrolithographie hängt die Produktivität der Belichter entscheidend von der Lichtmenge ab, die die Lampe bereitstellt. Kolbenbeläge oder Elektrodenrückbrand reduzieren das verfügbare Nutzlicht und führen zu einem Produktivitätsverlust der sehr teuren Anlagen aufgrund ansteigender Belichtungszeiten.In microlithography, the productivity of the imagesetter depends crucially on the amount of light that the lamp provides. Piston linings or electrode burn-back reduce the available useful light and lead to a loss of productivity of the very expensive systems due to increasing exposure times.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quecksilber-Kurzbogen- Hochdruckentladungslampe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die ohne radioaktive Dotierstoffe im Elektrodenmaterial auskommt, einen geringen Elektrodenrückbrand gewährleistet, der dem erreichten Stand der Technik in Bezug auf den Elektrodenrückbrand nicht nachsteht und die Belagsbildung im Lampenkolben über die Lampenlebens- dauer wenn möglich weiter reduziert.It is an object of the present invention to provide a mercury short-arc high-pressure discharge lamp which manages without radioactive dopants in the electrode material, ensures a low electrode burn-back, which is in no way inferior to the state of the art in terms of electrode burn-back and the formation of deposits in the lamp bulb over the lamp life if possible further reduced.
Diese Aufgabe wird bei einer Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentla- dungslampe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest das Material des Kathodenkopfes zusätzlich Lanthanoxid La203 enthält und der Quecksilbergehalt der Lampenfüllung höchs- tens 6 mg/cm3 beträgt. Der Quecksilbergehalt sollte dabei mindestens 1 mg/cm3 betragen, da sich die Plasmaeigenschaften reiner Edelgaslampen von Quecksilberbogenlampen wesentlich unterscheiden. In Abwesenheit von relativ leicht ionisierbarem Quecksilber brennt ein Edelgasbogen wesentlich konzentrierter.This object is achieved in a mercury short-arc high-pressure discharge lamp with the features of the preamble of claim 1 in that at least the material of the cathode head additionally contains lanthanum oxide La 2 0 3 and the mercury content of the lamp filling is at most 6 mg / cm 3 , The mercury content should be at least 1 mg / cm 3 , since the plasma properties of pure noble gas lamps differ significantly from mercury arc lamps. In the absence of relatively easily ionizable mercury, an inert gas arc burns much more concentrated.
Untersuchungen an unterschiedlichen Dotierungsstoffen hatten ergeben, dass La2θ3 sehr günstige Ergebnisse hinsichtlich Belagsbildung und Elektrodenrückbrand zeigen können. Der Rückbrand ist sogar geringer als bei tho- rierten Materialien. Dies ist ein Vorteil, der bei kurzen Elektrodenabständen (< 6 mm) besonders wirksam wird und ein gewisses Übermaß an Belagsbil- düng sogar tolerabel machen würde. Die Dotierung des Kopfes oder der gesamten aus Schaft und Kopf bestehenden Kathode sollte dabei zwischen 1,0 und 3,5 Gew.% des Kathodenmaterials besser zwischen 1,5 und 3,0 Gew.% des Kathodenmaterial liegen.Studies on different dopants had shown that La 2 θ3 can show very favorable results with regard to deposit formation and electrode burn-back. The burn-back is even less than with torized materials. This is an advantage that is particularly effective with short electrode spacings (<6 mm) and would even make a certain excess of deposit formation tolerable. The doping of the head or the entire cathode consisting of shaft and head should be between 1.0 and 3.5% by weight of the cathode material, better between 1.5 and 3.0% by weight of the cathode material.
Die Kathodenbetriebstemperatur bestimmt wesentlich die Abdampfrate des Emitters. Die Richardson-Dushman-FormelThe cathode operating temperature essentially determines the evaporation rate of the emitter. The Richardson-Dushman formula
I = A T2 exp(-eΦ/kT),I = AT 2 exp (-eΦ / kT),
wobei I die Stromdichte in A/m2, A die Konstante 1,2 x 106 in A/m2K2, k die Boltzmannkonstante, T die Temperatur in K und Φ die Austrittsarbeit in eV ist, stellt einen Zusammenhang zwischen Lampenstrom, Elektronenaustritts- fläche und Elektrodentemperatur her. Bei gegebenem Lampenstrom ist die Elektrodentemperatur jedoch noch nicht eindeutig bestimmt. Die Größe der Bogenansatzfläche bleibt offen und beeinflusst die Kathodentemperatur.where I is the current density in A / m 2 , A is the constant 1.2 x 10 6 in A / m 2 K 2 , k is the Boltzmann constant, T is the temperature in K and Φ the work function in eV, represents a connection between lamp current, Electron exit area and electrode temperature. For a given lamp current, however, the electrode temperature has not yet been clearly determined. The size of the arc attachment area remains open and influences the cathode temperature.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Bogenansatzfläche und damit die Elektrodentemperatur durch die Füllgasart, den Füllgasdruck und die Quecksilberkonzentration beeinflusst werden. Ein Einfluss von Elektrodendurchmesser, Spitzenwinkel und Elektrodenspit- zendurchmesser ist zwar grundsätzlich auch vorhanden, jedoch ist der Einfluss dieser Parameter bei Verwendung von La2θ3 als Zusatz zum Wolfram des Kathodenmaterials von untergeordneter Bedeutung, da neben dem Strom vorwiegend die Lampenplasma-Eigenschaften die Form des Bogenan- satzes bestimmen. Für die Plasmaeigenschaften sind aber Füllgasart, Füllgasdruck und Quecksilberkonzentration wesentlich.Studies have shown that the arc attachment area and thus the electrode temperature are influenced by the type of fill gas, the fill gas pressure and the mercury concentration. Although there is basically an influence of the electrode diameter, tip angle and electrode tip diameter, the influence of these parameters is of minor importance when using La 2 θ3 as an additive to the tungsten of the cathode material, since in addition to the current, mainly the lamp plasma properties are the shape of the Determine arc approach. Fill gas type, fill gas pressure and mercury concentration are essential for the plasma properties.
Versuche haben gezeigt, dass insbesondere hohe Quecksilberkonzentrationen in erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungs- lampen eine besonders starke Erwärmung der Kathodenspitzen bewirken. So liegt bei 4.5 mg/cm3 Hg liegt die Elektrodentemperatur beispielsweise bei 2200°C während bei 40 mg/ccm bei gleichem Strom 2600°C gemessen werden.Experiments have shown that, in particular, high mercury concentrations in mercury short-arc high-pressure discharge lamps according to the invention bring about a particularly strong heating of the cathode tips. The electrode temperature is 4.5 mg / cm 3 Hg, for example, is 2200 ° C, while at 40 mg / ccm, the same current is measured at 2600 ° C.
Die Emitterverdampfung nimmt in einer solchen Situation mit der Quecksil- berkonzentration zu. Die Untersuchungen zeigten, dass sich bei Verwendung von La203 als Zusatz zum Wolfram des Kathodenmaterials ähnlich geringe Verdampfungsraten wie bei Verwendung von Th02 erreichen lassen, solange die Quecksilbermenge 6 mg/cm3 im Entladungsgefäß als Füllung nicht übersteigt.In such a situation, the emitter evaporation increases with the mercury concentration. The investigations showed that when using La 2 0 3 as an additive to the tungsten of the cathode material, evaporation rates similarly low as when using Th0 2 can be achieved as long as the amount of mercury in the discharge vessel as a filling does not exceed 6 mg / cm 3 .
Durch die Zugabe von weiteren Oxyden oder Karbiden wurde versucht weitere Verbesserungen zu erzielen. Dabei zeigte sich, dass durch die Zugabe von Zr02 und /oder Hf02 in geringen Mengen eine weitere Verbesserung der Eigenschaften hinsichtlich der Emitterverdampfung erzielt werden kann. Die Menge Zr02 und/oder Hf02 sollte dabei jedoch 1,0 Gew.% bei Zr02 bzw. 1,5 Gew.% bei Hf02 im Kathodenmaterial nicht überschreiten, da die günstige Beeinflussung des Lichtstroms stets mit einem erhöhten Rückbrand der Kathode einhergeht. Einen ähnlichen Einfluss wie der Quecksilbergehalt hat der Füllgasdruck in der Lampe. Mit steigendem Füllgasdruck wird die Bogenansatzstelle an der Kathode eingeschnürt und führt zu einer erhöhten Kathodenspitzentempe- ratur. Hier haben Versuche gezeigt, dass bei Verwendung von Xenon Xe als Füllgas ein Kaltfülldruck ab 3 bar bzw. 16,3 mg/cm3 Xe bei dem erfindungsgemäßen Lampentyp bereits zu einer merklichen Emitterverdampfung führt.Attempts were made to achieve further improvements by adding further oxides or carbides. It was found that the addition of Zr0 2 and / or Hf0 2 in small amounts can further improve the properties with regard to emitter evaporation. However, the amount of Zr0 2 and / or Hf02 should not exceed 1.0% by weight for Zr02 or 1.5% by weight for Hf02 in the cathode material, since the favorable influence on the luminous flux is always accompanied by increased burn-back of the cathode. The filling gas pressure in the lamp has a similar influence as the mercury content. As the filling gas pressure increases, the arc attachment point is constricted at the cathode and leads to an increased cathode tip temperature. Tests have shown here that when using xenon Xe as the filling gas, a cold filling pressure of 3 bar or 16.3 mg / cm 3 Xe already leads to a noticeable emitter evaporation in the lamp type according to the invention.
Die Variation des Xenonfülldrucks zeigt einen deutlichen Einfluss auf den Lichtstrom. Nach 1500 h ergeben sich bei einer erfindungsgemäßen Queck- silber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe mit einem mit 2 Gew.% La203 dotierten Kathodenmaterial des Kathodenkopfes und einem Quecksilbergehalt der Füllung von 4.5 mg/cm3 in Abhängigkeit vom Xe-Füllgasdruck die folgenden Lichtstromwerte:The variation in the xenon filling pressure shows a clear influence on the luminous flux. After 1500 h, a mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to the invention with a cathode material of the cathode head doped with 2% by weight of La 2 0 3 and a mercury content of the filling of 4.5 mg / cm 3 , depending on the Xe filling gas pressure, gives the following luminous flux values :
Xe-Fülldruck LichtstromXe fill pressure luminous flux
500 mbar 81 % 800 mbar 88 %500 mbar 81% 800 mbar 88%
1500 mbar 82 %1500 mbar 82%
3000 mbar 76 %3000 mbar 76%
5000 mbar 53 %5000 mbar 53%
Die beschriebenen Ergebnisse lassen zunächst vermuten, dass eine möglichst geringe Füllung an Quecksilber und Füllgas wünschenswert sind. Weitere Untersuchungen zeigten allerdings, dass bei sehr geringen Betriebsdrücken der oben beschriebene Zusammenhang von Fülldruck und Emitterverdampfung nicht mehr gilt. Vielmehr tritt ein umgekehrter Zusammenhang in Erscheinung: die Abdampfung des Emitters nimmt mit sinkendem Gasfüll- druck wieder zu. Dieses Phänomen lässt sich dadurch erklären, dass der Edelgasdruck in der Lampe sich den abdampfenden Teilchen als Diffusionsbarriere entgegen stellt. Je dichter ein Gas ist, desto stärker hemmt es die Emitterverdampfungsprozesse.The results described initially suggest that the lowest possible filling of mercury and filling gas is desirable. However, further studies showed that the relationship between filling pressure and emitter evaporation described above no longer applies at very low operating pressures. On the contrary, an inverse relationship appears: the evaporation of the emitter increases again with falling gas filling pressure. This phenomenon can be explained by the fact that the noble gas pressure in the lamp opposes the evaporating particles as a diffusion barrier. The denser a gas is, the more it inhibits the emitter evaporation processes.
Ein Mindestkaltfülldruck von 500 mbar bzw. 2,7 mg /cm3 ist bei der Verwendung von Xenon deshalb notwendig, um eine übermäßige Emitterverdampfung zu vermeiden.A minimum cold filling pressure of 500 mbar or 2.7 mg / cm 3 is therefore necessary when using xenon in order to avoid excessive emitter evaporation.
Der Dichtebereich 2,7 mg/ccm - 15,2 mg/ccm (500 mbar - 2800 mbar für Xe) liefert die günstigsten Ergebnisse und korrespondiert zu einem Druckbereich von 786 - 4425 mbar bei Kr bzw. 1648 - 9276 mbar bei Ar.The density range 2.7 mg / ccm - 15.2 mg / ccm (500 mbar - 2800 mbar for Xe) provides the best results and corresponds to a pressure range of 786 - 4425 mbar for Kr or 1648 - 9276 mbar for Ar.
Der bevorzugte Dichtebereich für den Gasdruck liegt aufgrund der Untersuchungen somit zwischen 2,7 und 15,2 mg/cm3 und weder ein zu geringer Gegendruck noch eine zu hohe Elektrodentemperatur führen zu übermäßiger Emitterverdampfung.Based on the studies, the preferred density range for the gas pressure is between 2.7 and 15.2 mg / cm 3 and neither too low a back pressure nor too high an electrode temperature lead to excessive emitter evaporation.
Durch die Angabe eines Dichtebereichs ergeben sich je nach Gas unterschiedliche Druckbereiche, was dazu genutzt wird die verschiedenen Füllgase oder deren Gemische in einfacher Weise zu erfassen.By specifying a density range, different pressure ranges result depending on the gas, which is used to easily record the different filling gases or their mixtures.
Der Vorteil des geringen Rückbrands von La2θ3-dotierten Kathoden wird nur bei kurzen Elektrodenabständen - wie bei den hier vorliegenden Lam- pen - signifikant. Besonders vorteilhaft sind deshalb die Elektrodenabstände bei den erfindungsgemäßen Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentla- dungslampen kleiner gleich 6 mm. Kurze Beschreibung der ZeichnungenThe advantage of the low burn-back of La 2 θ3-doped cathodes is only significant with short electrode distances - as with the lamps here. The electrode spacings in the mercury short-arc high-pressure discharge lamps according to the invention are therefore particularly advantageous less than or equal to 6 mm. Brief description of the drawings
Im folgenden soll die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with the aid of several exemplary embodiments. Show it:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentla- dungslampe, im Schnitt1 shows a mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to the invention, in section
Figur 2 einen Detailausschnitt der KathodeFigure 2 shows a detail of the cathode
Bevorzugte Ausführung der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Figur 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen- Hochdruckentladungslampe 1 mit einer Leistung von 1,75 kW. Sie hat einen Kolben 2 aus Quarzglas, der elliptisch geformt ist. Daran schließen sich an zwei gegenüberliegenden Seiten zwei Enden 3 an, die als Kolbenhälse 4 aus- geführt sind und die jeweils Halteteile 8 beinhalten. Die Hälse besitzen einen vorderen konischen Teil 4a, der ein Stützröllchen 5 aus Quarzglas als wesentliche Komponente des Halteteils enthält, und einen hinteren zylindrischen Teil 4b, der die abdichtende Einschmelzung bildet. Der vordere Teil 4a weist einen Einzug 6 von 5 mm Länge auf. Daran schließt sich jeweils ein Stützröllchen 5 mit zentraler Bohrung an, das konisch geformt ist. Sein Innendurchmesser ist 7 mm, sein Außendurchmesser am vorderen Ende ist 11 mm, der Außendurchmesser am hinteren Ende ist 15 mm. Die Wandstärke des Kolbens 2 in diesem Bereich ist etwa 4 mm. Die axiale Länge des Stützröllchens ist 17 mm. In der Bohrung des ersten Stützröllchens ist ein Schaft 10 einer Kathode 7 mit einem Außendurchmesser von 6 mm axial geführt, der bis in das Entladungsvolumen reicht, und dort ein integrales Kopfteil 25 trägt. Der Schaft 10 ist über das Stützröllchen 5 hinaus nach hinten verlängert und endet an einem Teller 12, an den sich die abdichtende Einschmelzung in Form eines zylindrischen Quarzblocks 13 anschließt. Dahinter folgt ein zweiter Teller 14, der mittig eine Außenstromzuführung in Form eines Molybdänstabs 15 hält. An der Außenfläche des Quarzblocks 13 sind vier Folien 16 aus Molybdän in an sich bekannter Weise entlanggeführt und an der Wand des Kolbenhalses gasdicht eingeschmolzen.Figure 1 shows in section an inventive mercury short-arc high-pressure discharge lamp 1 with an output of 1.75 kW. It has a piston 2 made of quartz glass, which is elliptically shaped. This is followed by two ends 3 on two opposite sides, which are designed as piston necks 4 and each contain holding parts 8. The necks have a front conical part 4a, which contains a support roller 5 made of quartz glass as an essential component of the holding part, and a rear cylindrical part 4b, which forms the sealing seal. The front part 4a has an indentation 6 of 5 mm in length. This is followed by a support roller 5 with a central bore, which is conically shaped. Its inner diameter is 7 mm, its outer diameter at the front end is 11 mm, the outer diameter at the rear end is 15 mm. The wall thickness of the piston 2 in this area is approximately 4 mm. The axial length of the support roller is 17 mm. A shaft 10 of a cathode 7 with an outer diameter of 6 mm is axially guided in the bore of the first support roller and extends into the discharge volume and carries an integral head part 25 there. The shaft 10 is extended beyond the support roller 5 to the rear and ends at a plate 12, to which the sealing seal in the form of a cylindrical quartz blocks 13 connects. This is followed by a second plate 14, which holds an external power supply in the form of a molybdenum rod 15 in the middle. On the outer surface of the quartz block 13, four foils 16 made of molybdenum are guided along in a manner known per se and melted gas-tight on the wall of the piston neck.
In ähnlicher Weise ist die Anode 26, bestehend aus separatem Kopfteil 18 und Schaft 19, in der Bohrung des zweiten Stützröllchens 5 gehaltert.Similarly, the anode 26, consisting of a separate head part 18 and shaft 19, is held in the bore of the second support roller 5.
In Figur 2 ist die Kathode 7 und das Halteteil 8 im Detail gezeigt. Die Kathode 7 setzt sich aus einem kreiszylindrischen Schaft 10 von 36 mm Länge und einem integralen Kopf 25 von 20 mm Länge zusammen, wobei der Kopf 25 wie der Schaft einen Außendurchmesser von 6 mm aufweist. Das der A- node zugewandte Ende des Kopfes 25 ist als Spitze 11 mit einem Spitzenwinkel ß von 60° ausgebildet und besitzt ein plateauförmiges Ende 27 mit einem Durchmesser von 0,5 mm. Das Halteteil besteht aus Stützröllchen 5 und mehreren Folien in dessen Bohrung.In Figure 2, the cathode 7 and the holding part 8 is shown in detail. The cathode 7 is composed of a circular cylindrical shaft 10 of 36 mm in length and an integral head 25 of 20 mm in length, the head 25, like the shaft, having an outside diameter of 6 mm. The end of the head 25 facing the A-node is designed as a tip 11 with a tip angle β of 60 ° and has a plateau-shaped end 27 with a diameter of 0.5 mm. The holding part consists of support rollers 5 and several foils in its bore.
Zur mechanischen Trennung von Stützröllchen und Schaft ist eine Folie 24 mehrmals (zwei bis vier Lagen) um den Schaft herumgewickelt. Ein Paar schmaler Folien 23, die einander auf der gewickelten Folie 24 gegenüberliegen, dient der Fixierung des Stützröllchens. Zu diesem Zwecke stehen sie entladungsseitig über das Stützröllchen über und sind nach außen umgebogen. Das Material der Spitze 11 der Kathode 7 weist neben Wolfram eine Dotierung von 2,0 Gew.% La2θ3 auf.For the mechanical separation of the support roller and shaft, a film 24 is wrapped around the shaft several times (two to four layers). A pair of narrow foils 23, which lie opposite one another on the wound foil 24, serve to fix the support roller. For this purpose, they protrude beyond the support roller on the discharge side and are bent outwards. In addition to tungsten, the material of the tip 11 of the cathode 7 has a doping of 2.0% by weight of La 2 θ3.
Die erfindungsgemäße Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe besitzt ein Entladungsgefäß mit einem Volumen von 134 cm3, das mit 603 mg Quecksilber sowie einem Edelgasgemisch aus Xenon und Argon in einer Menge von 720 mg gefüllt ist. Der Betriebsstrom der Lampe mit einem Elektrodenabstand von 4,5 mm liegt bei I = 60 A. (Die Stromdichte J in der Kathode in einem Abstand von 0,5 mm von der Plateauspitze beträgt bei Betrieb der Lampe 66 A/mm2.) The mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to the invention has a discharge vessel with a volume of 134 cm 3 , which is filled with 603 mg of mercury and a noble gas mixture of xenon and argon in an amount of 720 mg. The operating current of the lamp with an electrode spacing of 4.5 mm is I = 60 A. (The current density J in the cathode at a distance of 0.5 mm from the plateau tip is 66 A / mm 2 when the lamp is in operation.)

Claims

Patentansprüche claims
1. Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe (1) für den Gleichstrombetrieb mit einem Entladungsgefäß (2), das zwei diametral gegenüberliegend angebrachte Hälse (4) aufweist, in die eine Anode (26) und eine Kathode (7) jeweils aus Wolfram gasdicht eingeschmolzen ist und das eine Füllung aus Quecksilber und zumindest einem Edelgas enthält, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Material der Kathodenspitze (11) zusätzlich zum Wolfram Lanthanoxid La2θ3 enthält und der Quecksilbergehalt der Füllung im Entladungsgefäß mindestens 1 mg/cm3 und höchstens 6 mg/cm3 beträgt.1. mercury short-arc high-pressure discharge lamp (1) for direct current operation with a discharge vessel (2) which has two diametrically opposed necks (4) into which an anode (26) and a cathode (7) are melted gas-tight from tungsten and which contains a filling of mercury and at least one noble gas, characterized in that at least the material of the cathode tip (11) contains lanthanum oxide La 2 θ3 in addition to the tungsten and the mercury content of the filling in the discharge vessel is at least 1 mg / cm 3 and at most 6 mg / cm 3 .
2. Quecksilber-Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenmaterial der gesamten Kathode (7) zusätzlich La2θ3 enthält.2. mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the cathode material of the entire cathode (7) additionally contains La 2 θ3.
3. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der La2θ3-Gehalt des Kathoden- materials 1,0 bis 3,5 Gew.% beträgt.3. mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to claim 1 or 2, characterized in that the La 2 θ3 content of the cathode material is 1.0 to 3.5 wt.%.
4. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der La2θ3-Gehalt des Kathodenmaterials 1,5 bis 3,0 Gew.% beträgt.4. mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to claim 1 or 2, characterized in that the La 2 θ3 content of the cathode material is 1.5 to 3.0 wt.%.
5. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas oder Füllgasgemisch eine5. mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the filling gas or filling gas mixture
Dichte im Entladungsgefäß (2) zwischen 2,7 und 15,2 mg/cm3 des Entladungsgefäßvolumens aufweist.Has density in the discharge vessel (2) between 2.7 and 15.2 mg / cm 3 of the discharge vessel volume.
6. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenabstand zwischen Ano- de (26) und Kathode (7) im Entladungsgefäß (2) kleiner gleich 6 mm ist. Quecksilber-Kurzbogen-Hochruckentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenstrom bei Betrieb der Lampe (1) größer als 20 A ist. 6. mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the electrode distance between the anode (26) and cathode (7) in the discharge vessel (2) is less than or equal to 6 mm. Mercury short-arc high-pressure discharge lamp according to claim 1, characterized in that the lamp current during operation of the lamp (1) is greater than 20 A.
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