NL8020421A

NL8020421A - CATHODE UNIT FOR A FLUORESCENT TUBE.

Info

Publication number: NL8020421A
Application number: NL8020421A
Authority: NL
Original assignee: Lumalampan Ab
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1981-10-01
Also published as: NL189787C; NL189787B

Description

802 04 2 1 * i VO 2117802 04 2 1 * i VO 2117

Kathode-eenheid voor een fluorescentiebuis.Cathode unit for a fluorescent tube.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een katho-i de-eenheid voor fluorescentiebuizen met een kathode die permanent bevestigd is ten opzichte van de buiswand en die omgeven is door een katho-descherm dat bestaat uit elektrisch geleidend materiaal en dat niet elek-5 trisch met de kathode verbonden is.The present invention relates to a cathode unit for fluorescent tubes having a cathode permanently attached to the tube wall and surrounded by a cathode screen consisting of electrically conductive material and which is not electrically the cathode is connected.

De levensduur van een fluorescentiebuis gerekend in uren : brandtijd wordt hoofdzakelijk bepaald door.de levensduur van de buiska-thodes. Wanneer de kathodes een bepaalde hoeveelheid van het emissie-: materiaal ervan, dat bestaat uit aardalkalioxyden verloren hebben, is : 10; hun vermogen om elektronen te emitteren in zodanige mate gedaald dat de buis hetzij niet zal starten of zal gaan flikkeren, hetgeen ervoor zorgt : dat het resterende emissiemateriaal snel verpulvert.The life of a fluorescent tube, calculated in hours, burning time is mainly determined by the life of the tube cathodes. When the cathodes have lost a certain amount of their emission material consisting of alkaline earth oxides, it is: 10; their ability to emit electrons has fallen to such an extent that the tube will either not start or flicker, causing the remaining emission material to pulverize quickly.

Het. is algemeen bekend dat een extra hoeveelheid barium dat opgelost is in de gemengde kristallen van het emissiemateriaal de 15 : aardalkalioxyden .tot halfgeleider maakt en de energie voor het vrijmaken ' van de elektronen verkleint. Deze extra hoeveelheid barium wordt gevormd door een chemische reactie tussen bariumoxyde en tungsten volgens de volgende formule 6 BaO + W —Ba^WOg + 3 Ba 20, Het op deze wijze gevormde barium-tungstaat blijft gedurende de gehele levensduur van de kathodes aanwezig als een tussenlaag tussen het tungstai: en de werkelijke emissiesubstantie terwijl het barium voortdurend als damp door de substantie wordt gediffundeerd.It. It is well known that an additional amount of barium dissolved in the mixed crystals of the emission material makes the alkaline earth metal oxides semiconductor and reduces the energy to release the electrons. This additional amount of barium is formed by a chemical reaction between barium oxide and tungsten according to the following formula 6 BaO + W —Ba ^ WOg + 3 Ba 20. The barium tungstate formed in this way remains present throughout the life of the cathodes. intermediate layer between the tungstai: and the actual emission substance while the barium is continuously diffused as vapor through the substance.

De bariumtungstaatlaag verschaft een demping van de 25 reactie volgens de bovenstaande formule, dat wil zeggen een gereduceerde vorming van barium. Tengevolge hiervan zal al het barium pas verdampt zijn na ongeveer 30 000 uur voortdurend branden van een normaal fluorescentiebuis. De spanningen op de buiskathodes gedurende het startproces zijn echter zo groot dat de levensduur met eèn factor 2-3 bij normaal 30 gebruik van de fluorescentiebuis verkleind wordt, d.w.z. bij een gemiddelde inschakelduur van 2-3 uur per keer.The barium tungstate layer provides attenuation of the reaction of the above formula, ie, reduced barium formation. As a result, all barium will only have evaporated after about 30,000 hours of continuous burning from a normal fluorescent tube. However, the voltages on the tube cathodes during the starting process are so great that the life span is reduced by a factor of 2-3 during normal use of the fluorescent tube, i.e. at an average duty cycle of 2-3 hours at a time.

Het verlies van het kathodemateriaal dat dient als emissiesubstantie en de daarmee samenhangende verkleining van de levensduur van de fluorescentiebuis worden in principe door drie verschillende pro- 8020421 ; ί -..- . ...........The loss of the cathode material serving as the emission substance and the associated reduction in the life of the fluorescent tube are in principle caused by three different 8020421; ί -..-. ...........

! : : 2 cessen veroorzaakt, nl. door 1) verwijdering van emissiemateriaal ten gevolge van ionenbombardement, in het bijzonder samen met onvoldoende kathodetemperaturen; ‘ :.2) verdamping van emissiemateriaal; en 5 3) chemische reacties tussen het emissiemateriaal en gasachtige ver ontreinigingen in de buis.! :: 2 processes caused, namely by 1) removal of emission material due to ion bombardment, in particular together with insufficient cathode temperatures; ": .2) evaporation of emission material; and 5 3) chemical reactions between the emission material and gaseous pollutants in the tube.

Bij het ontwerp van een fluorescentiebuis welke bedoeld is een extreem lange levensduur'te hebben, gedurende welke de buis een aanzienlijk aantal malen ontstoken en gedoofd zal worden, moeten de buis-: 10: kathodes op zodanige wijze ontworpen worden dat volledig rekening wordt ' gehouden met de drie voornoemde redenen voor de verkleinde levensduur : van de kathode.In the design of a fluorescent tube which is intended to have an extremely long life, during which the tube will be ignited and extinguished a considerable number of times, the tube cathodes must be designed in such a way that they are fully taken into account. with the three aforementioned reasons for the reduced service life: of the cathode.

Een vereiste voor het verwijderen van emissiemateriaal ; ten gévolge van ionenbombardement is in principe, dat ieder atoom dat : 15 het kathodeoppervlak. verlaat nooit naar de kathode terugkeert . Dit is echter slechts in vacuum het geval. In werkelijkheid is de kathode in een normale fluorescentiebuisconstructie omgeven door een zeldzame gas- 2 . - : atmosfeer.met een druk van ongeveer 2,5 10 Pa. Dientengevolge, is de . gemiddelde vrije bewegingslengte voor de ionen en moleculen welke wor-20- den vrijgemaakt van het oppervlak aanzienlijk korter dan de afstand tussen de kathode en de buiswand. Daardoor worden' een groot' aantal vrijgemaakte ionen en moleculen gereflecteerd en vallen zij op het kathodeoppervlak. Dit. verkleint aanzienlijk het materiaalverlies. Een dergelijke verkleining is echter onvoldoende in het geval van kathodes voor 25 buizen met een lange levensduur.A requirement for the removal of emission material; as a result of ion bombardment, it is in principle that every atom which: the cathode surface. never leave to return to the cathode. However, this is only the case in vacuum. In reality, in a normal fluorescent tube construction, the cathode is surrounded by a rare gas 2. -: atmosphere.with a pressure of about 2.5 10 Pa. As a result, the. mean free motion length for the ions and molecules released from the surface significantly shorter than the distance between the cathode and the tube wall. As a result, "a large" number of released ions and molecules are reflected and fall on the cathode surface. This. significantly reduces material loss. However, such reduction is insufficient in the case of long life tube cathodes.

De verdamping van de emissiesubstantie is vergelijken- derwijs constant bij het continu in werking zijn maar vindt sneller plaats na iedere keer starten en in de minuten volgend op een start tengevolge van de verhoogde kathodetemperatuur. Dit betekent dat een kathode voor 30 een buis met een lange levensduur zodanig ontworpen moet zijn dat verdampte ionen en moleculen in aanzienlijke mate naar het kathodeoppervlak weerkaatst worden en op zodanige wijze dat de kathodetemperatuur gematigd blijft gedurende de werkelijke startperiode.The evaporation of the emission substance is comparatively constant during continuous operation, but takes place faster after each start and in the minutes following a start due to the elevated cathode temperature. This means that a long-life tube cathode must be designed so that vaporized ions and molecules are reflected significantly to the cathode surface and in such a way that the cathode temperature remains moderate during the actual starting period.

Het doel van de onderhavige uitvinding is de boven-35 staand beschreven problemen op te lossen en derhalve te voorzien in een kathodeontwerp dat bedoeld is voor het gebruik in fluorescentiebuis en 8020421 ; . 3 dat de levensduur van de buis aanzienlijk vergroot.The object of the present invention is to solve the above-described problems and thus to provide a cathode design intended for use in fluorescent tube and 8020421; . 3 that significantly increases the service life of the tube.

Dit wordt overeenkomstig de uitvinding verkregen door-; dat voorzien is in een kathodescherm, dat bestaat uit een doosachtig behuizing, waarvan de bodem een opening bezit welke het mogelijk maakt 5 dat de kathode in het inwendige van de doos geplaatst wordt en doordat : het einde van de doos afgedicht is- met een schijf welke voorzien is van een centraal gelegen gat en welke vervaardigd is uit elektrisch isolerend materiaal. Een kathode-eenheid van dit type betekent dat ionen en moleculen welke vrijgemaakt zijn van een kathodeoppervlak door ionen-I 10 bombardement en ionen en moleculen welke verdampt zijn van het kathode— ' oppervlak in veel grotere mate weerkaatst worden naar het kathodeopper-j vlak.According to the invention this is obtained by: which is provided with a cathode screen, which consists of a box-like housing, the bottom of which has an opening allowing the cathode to be placed in the interior of the box and because: the end of the box is sealed with a disc which is provided with a centrally located hole and which is made of electrically insulating material. A cathode unit of this type means that ions and molecules liberated from a cathode surface by ion bombardment and ions and molecules evaporated from the cathode surface are reflected much more to the cathode surface.

i 1 Het kathodescherm bestaat bij voorkeur uit ijzer of nik- i kei., De schijf,, welke bestaan moet uit' een materiaal dat gedurende het i 15; ionenbombardement niet wordt verpulverd, kan op voordelige wijze bestaan uit mica. Het gat in, de schijf moet een zo klein mogelijke dia-: meter hebben om'de verduistering van het· inwendige van de buiswand tot een minimum te beperken. Een te klein gat zal echter betekenen dat ! de startspanning van de fluorescentiebuis. op ongewenste· wijze zal stij-20 gen. Derhalve moet het gat in de schijf een diameter hebben die zo klein . mogelijk is, terwijl men daarbij rekening'houdt met het feit dat de startspanning van de buis een, tevoren bepaalde waarde niet mag overschrijden. De meest geschikte gatdiameter voor een normale fluorescentiebuis met een buisdiameter van 38 mm is gebleken 10 - 12 mm te zijn.The cathode shield preferably consists of iron or nickel. The disc, which must be made of a material which during ion bombardment is not pulverized, it can advantageously consist of mica. The hole in the disc should be as small as possible in diameter to minimize the darkening of the interior of the pipe wall. However, a hole that is too small will mean that! the starting voltage of the fluorescent tube. will rise undesirably. Therefore, the hole in the disc must have a diameter that is so small. while taking into account that the starting voltage of the tube must not exceed a predetermined value. The most suitable hole diameter for a normal fluorescent tube with a tube diameter of 38 mm has been found to be 10 - 12 mm.

25 Omdat ongewenste chemische reacties tussen het emissie- materiaal en gasachtige verontreinigingen in de buis funest kunnen zijn voor de levensduur van de buis, is het van groot belang dat gebruik wordt gemaakt van een efficient pompproces bij het fabriceren van de buis om alle sporen van verschillende gassen te verwijderen. Uit onderzoek is ge-30 bleken dat het meest efficiënte pompproces verkregen wordt in een automatische pompeenheid waarin vacuumpompen onder hoge druk gecombineerd wordt met "inwendig pompen" hetgeen men bereikt door kwikdruppels toe te voeren aan de hete fluorescentiebuis. Wanneer de kwikdruppels de fluorescentiebuis raken worden zij explosief verdampt en geven aanlei-35 ding tot een diffusiepompeffect in de fluorescentiebuis. Dit verschaft een uitermate efficiënte verwijdering van verontreinigingen. Wanneer dit 802042f Λ \ k- in voldoende mate plaats moet vinden is het echter van wezenlijk belang dat de kathode geen beperking vormt voor de efficiëntie van het boven-: genoemde pompproces. Hiertoe moet de opening in de bodem van het katho- descherm, bij voorkeur èen oppervlak bezitten dat ten minste gelijk is 5 aan het oppervlak van het gat in de schijf.Because unwanted chemical reactions between the emission material and gaseous contaminants in the pipe can be detrimental to the pipe life, it is very important to use an efficient pumping process in manufacturing the pipe to remove all traces of different to remove gases. Research has shown that the most efficient pumping process is obtained in an automatic pumping unit in which high pressure vacuum pumping is combined with "internal pumping" which is achieved by adding mercury droplets to the hot fluorescent tube. When the mercury droplets hit the fluorescent tube, they are explosively evaporated and give rise to a diffusion pump effect in the fluorescent tube. This provides an extremely efficient removal of contaminants. However, if this is to take place sufficiently, it is essential that the cathode does not limit the efficiency of the above pumping process. To this end, the opening in the bottom of the cathode shield should preferably have a surface at least equal to the surface of the hole in the disc.

De uitvinding zal in het hierna volgende nader beschreven worden aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld onder verwijzing naar de tekening, hierin toont: . Figuur 1 een uiteinde van een fluorescentiebuis voor-I 10 zien. van een kathode-eenheid welke overeenkomstig de uitvinding ont-:'worpen en geconstrueerd is;The invention will be described in more detail below with reference to an exemplary embodiment with reference to the drawing, which shows:. Figure 1 shows one end of a fluorescent tube for I-10. of a cathode unit designed and constructed in accordance with the invention;

Figuur 2a in verticale doorsnede een kathodescherm ; dat'gebruikt wordt voor de kathode-eenheid; I Figuur 2b een onderaanzicht' van het kathodescherm; ! 15 Figuur 3 een bovenaanzicht van een micaschijf welke j ] . .Figure 2a shows a cathode screen in vertical section; which is used for the cathode unit; Figure 2b shows a bottom view of the cathode screen; ! Figure 3 shows a top view of a mica disc, which j]. .

| ! bedoeld is om het.open uiteinde van het kathodescherm dat getoond is in 'de figuren 2a en 2b af te schermen en .| ! is intended to shield the open end of the cathode shield shown in Figures 2a and 2b and.

; Figuur k een. diagram dat de afhankelijkheid van de startspanning-en de mate van zwarting van de diameter van het gat in de ; 20 micaschijf toont.; Figure k a. diagram showing the dependence of the starting voltage and the degree of blackening of the diameter of the hole in the; 20 mica disc shows.

Figuur 1 toont in doorsnedé een uiteinde van een fluorescentiebuis welke overeenkomstig de uitvinding ontworpen en geconstrueerd is. De glazen wand 1 van de buis is op conventionele wijze aan êën uiteinde af gedicht door een voet 2. Deze voet dient tevens als basis voor 25 de kathode steunen 1+ welke de buiskathode 3 dragen. Deze kathodesteunen, welke elektrisch geleidend zijn, zijn verbonden met toevoerdraden 5 welke ingelaten zijn in de voet 2 en via welke stroom door de kathode 3 gevoerd kan worden om deze te verwarmen. ,De kathode 3 is omgeven door een kathodescherm 6 dat bij voorkeur bestaat uit ijzer of nikkel. Het 30 scherm 6 is ondersteund door een steun 7 welke ingelaten is in de voet 2 en is elektrisch van de kathode 3 geïsoleerd.Figure 1 shows in cross-section one end of a fluorescent tube designed and constructed in accordance with the invention. The glass wall 1 of the tube is conventionally sealed at one end by a base 2. This base also serves as a base for the cathode supports 1+ carrying the tube cathode 3. These cathode supports, which are electrically conductive, are connected to supply wires 5 which are inserted in the base 2 and through which current can be passed through the cathode 3 to heat it. The cathode 3 is surrounded by a cathode screen 6, which preferably consists of iron or nickel. The screen 6 is supported by a support 7 which is recessed in the base 2 and is electrically insulated from the cathode 3.

Zoals het duidelijkst uit de figuren 2a en 2b blijkt, . is het kathodescherm 6 gevormd als een doos, in de bodem waarvan een langwerpige opening 8 gemaakt is voor het plaatsen van de kathode 3 en 35 delen van de kathode-steunen U. Het open uiteinde' van het kathodescherm 6 is afgedicht met behulp van een micaschijf 9, waarvan de dikte bij 8020421 Μ j i : * : : : ' ~~ ^ hr‘ ' .As most clearly shown in Figures 2a and 2b,. the cathode shield 6 is formed as a box, in the bottom of which an elongated opening 8 is made for placing the cathode 3 and parts of the cathode supports U. The open end 'of the cathode shield 6 is sealed by means of a mica disk 9, the thickness of which at 8020421 Μ ji: *::: '~~ ^ hr' '.

i ’ j 5 voorkeur 0,10. - 1,15 mm is. Zoals uit figuur 3 blijkt is de mica- schijf 9.voorzien van een centraal gelegen gat .10, dat hij voorkeur ! een cirkelvorm ..bezit. Het gat 10 heeft een diameter van 10 - 12 mm voor : een normale fluorescentiebuis met een buisdiameter van,38 mm. Een klei-: 5 nere diameter dan de voornoemde zal weliswaar de zwarting van het inwen-i dige. van de buiswand verkleinen maar zal tegelijkertijd de.· startspanning I ' tot. niet-aanvaardbare waarden vergroten, zoals getoond is in figuur k,I prefer 5 0.10. - is 1.15 mm. As can be seen from Figure 3, the mica disk 9 is provided with a centrally located hole .10, which it prefers! a circular shape ... property. The hole 10 has a diameter of 10 - 12 mm for: a normal fluorescent tube with a tube diameter of .38 mm. It is true that a smaller diameter than the aforementioned will result in the blackening of the interior. of the pipe wall but at the same time the starting voltage I 'to. increase unacceptable values, as shown in figure k,

| ' dat de startspanning U in .Volt alsook de relatieve mate van zwarting S| that the starting voltage U in Volts as well as the relative degree of blackening S.

! , ; als functie van. .de diameter in- mm van het gat 10' toont . Een grote- .! 10. re. gat diameter zal de startspanning slechts in onbelangrijke mate verkleinen maar' zal de zwarting van de.buiswand aanzienlijk vergroten, ί Het is belangrijk dat de schijf 9 gevormd is uit mica ; i of een ander elektrisch, niet geleidend materiaal dat geen. gas emitteert | ; omdat het ionenbombardement, wanneer.de: schijf bijvoorbeeld uit ijzer | , . - - . _ , ' ............! ,; as a function of. shows the diameter in mm of the hole 10 '. A big- .! 10. re. hole diameter will only decrease the starting voltage to an insignificant degree, but will considerably increase the blackening of the pipe wall. It is important that the disc 9 is formed from mica; i or any other electrical, non-conductive material that is not. emits gas ; because the ion bombardment, when, for example, the iron disc | ,. - -. _, '............

I 15 ;_gemaakt zal zijn, aanleiding zal geven tot nog.meer verpulverd materiaal en tussen de zwarting van de buiswand-zal doen. toenemen.Will be made, give rise to even more pulverized material and will do between the blackening of the pipe wall. increase.

Het bovenbeschreven ontwerp geeft een verder voordeel gedurende: de halve perioden dat de. spiraal 3 'als anode werkt. Qndat de ontlading door de micaschijf" 9 die voorzien is van een gat heen moet 20 gaan, zal er een merkbare toename plaatsvinden, in de elektronendichtheid nabij de spiraal· 3'welke als anode werkt. De anodeval zal dus : verkleind worden. Dit zal een verlaging van de kathodetemperatuur veroorzaken en dus de mate van verdamping verkleinen. Zoals reeds eerder vermeld is is het gewenst.dat de buis luchtledig gemaakt wordt door mid-25 del van een pompproces waarin vacuumpompen gecombineerd wordt met "inwendig pompen" door kwikdruppels de hete buis te doen raken. Een dergelijke druppel is schematisch met 11 in figuur 1 aangegeven. Wanneer de druppel de hete fluorescentiebuis (wand 1 en/of voer 2) raakt, wordt deze explosief verdampt en de daardoor gevormde kwikdamp zal snel wegstro-30 men. De pijlen 12 en 13 geven op schematische wijze de meest belangrijke stromingsbanen aan welke de damp volgt. De kwikdamp welke de baan volgt die aangegeven is met de pijl 13 moet niet worden geblokkeerd door de constructie, die gevormd wordt door het kathodescherm 6 en de micaschijf 9 wanneer het kooldioxyde dat aanwezig is bij de emissielaag en 35 dat door conversie waarvan carbonaten in oxydes gevormd is efficiënt verwijderd moeten worden en wanneer het inwendig pompen effectief moet 8020421 6 I "i ~ ™ " v . ; zijn. Hiertoe moet. de gatdiameter in de micaschijf 9 groter zijn dan ' 10 mm (voor een fluorescentiebuis met een buisdiameter van 38'mm) en de bodemopening 8 in het kathodes cherm 6 moet een oppervlak hebben dat ten minste.even. groot is als het oppervlak van het gat in de micaschijf, 5 maar bij voorkeur nog groter.The above described design gives a further advantage during: the half periods that the. spiral 3 'acts as an anode. Since the discharge must pass through the mica disk "9 provided with a hole, there will be a noticeable increase in the electron density near the coil · 3" acting as an anode. Thus, the anode trap will be reduced. This will cause a decrease in the cathode temperature and thus decrease the degree of evaporation As has already been stated, it is desirable that the tube be evacuated by means of a pumping process in which vacuum pumps are combined with "internal pumping" by mercury droplets the hot such a drop is schematically indicated by 11 in Figure 1. When the drop hits the hot fluorescent tube (wall 1 and / or feed 2), it is explosively evaporated and the mercury vapor formed thereby will quickly flow away. Arrows 12 and 13 schematically indicate the most important flow paths following the vapor The mercury vapor following the path indicated by arrow 13 should not be blocked by or the structure formed by the cathode shield 6 and the mica disk 9 when the carbon dioxide present at the emission layer and which by conversion of which carbonates have been formed into oxides must be efficiently removed and when internal pumping is to be effective 8020421 6 I " i ~ ™ "v. ; to be. This is necessary. the hole diameter in the mica disk 9 must be greater than 10 mm (for a fluorescent tube with a tube diameter of 38 mm) and the bottom opening 8 in the cathode screen 6 must have a surface that is at least equal. large as the area of the hole in the mica disc, but preferably even larger.

Het bovenbeschreven kathodeontwerp maakt het mogelijk : om onder handhaving van een normale brandtijd van 3 uur bij iedere keer ; inschakelen een levensduur te verkrijgen welke 3 -* U maal langer is dan : die van conventionele fluorescentiebuizen.The cathode design described above allows: to maintain a normal burn time of 3 hours at each time; switch on to obtain a lifetime that is 3 - * U times longer than: that of conventional fluorescent tubes.

80204218020421

Claims

1. Cathode unit for fluorine cent i ebui z and with a catho which is permanently attached to the pipe wall and surrounded by a cathode screen which is not electrically connected to the cathode and which consists of electrically conductive material, with characterized in that the cathode screen (6) consists of a box-shaped housing, in the; bottom of which an opening (8) is formed and that the open end of 1 the box is sealed by means of a disc (9) which is provided with a centrally located hole (10) and which is made of an 1 electrically insulating material the hole (10) having a diameter of 10; which is chosen to be as small as possible, taking into account! it is taken into account that the starting voltage for the tube must not exceed a predetermined value, and that the opening in the bottom of. ; ! the cathode screen (6) has a surface of at least the same size; as the surface of the hole in the disk (9). 15 ^

Cathode unit according to claim 1, characterized in; that the diameter of the hole (19) in the sealing disc (9) is 10 - 12 mm.

Cathode unit according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode shield (6) consists of iron or nickel. b. Cathode unit according to any one of the preceding claims, characterized in that the disc consists of mica. 8020421