DE102018220944A1

DE102018220944A1 - Elektrode für Gasentladungslampe und Gasentladungslampe

Info

Publication number: DE102018220944A1
Application number: DE102018220944.8A
Authority: DE
Inventors: Bernd Eberhard; Jürgen Almanstötter; Anton Reiser
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2018-12-04
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2020-06-04
Also published as: CN111276388A; JP2020098774A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Elektrode (12, 14) für eine Gasentladungslampe (10), wobei die Elektrode (12, 14) einen Elektrodenkörper (16) aus einem ersten metallischen Material aufweist, und wobei der Elektrodenkörper (16) einen hermetisch abgeschlossenen Innenraum (18) einschließt. Weiterhin weist die Elektrode (12, 14) eine erste Wärmeleitkomponente (20) aus einem zweiten metallischem Material auf, welche im Innenraum (18) angeordnet ist, wobei das zweite metallische Material einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das erste metallische Material. Zudem ist im Innenraum (18) eine zweite nicht metallische und unter Standardbedingungen nicht gasförmige Wärmeleitkomponente (22) angeordnet, welche eine höhere Wärmeleitfähigkeit (λ) als Gase (24) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für eine Gasentladungslampe, wobei die Elektrode einen Elektrodenkörper aus einem ersten metallischen Material aufweist, und wobei der Elektrodenkörper einen hermetisch abgeschlossenen Innenraum einschließt. Darüber hinaus weist die Elektrode eine erste Wärmeleitkomponente aus einem zweiten metallischem Material auf, welche im Innenraum angeordnet ist, wobei das zweite metallische Material einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das erste metallische Material. Zur Erfindung gehört darüber hinaus auch eine Gasentladungslampe mit einer Elektrode.
Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Elektroden für Entladungslampen, insbesondere für vertikal betriebene Hochdruckgasentladungslampen, angesiedelt. Solche Lampen arbeiten beispielsweise mit einem Quecksilberplasma, welches zwischen zwei gegenüberliegenden Elektroden, einer Anode und einer Kathode, erzeugt wird, die in der Regel von einem Quarzkolben umgeben sind. Ein Beispiel für eine solche Lampe ist eine Quecksilber-Hochdruckgasentladungslampe (z.B. eine OSRAM HBO®-Lampe), die unter anderem zur Fotolithografie verwendet werden kann. Die thermische Belastung in diesen Lampen ist oft sehr groß, sodass es zur Verdampfung von Anoden- und Kathodenmaterial kommt, welches in der Regel aus Wolfram, unter Umständen mit Zusätzen, besteht. Daraus resultiert oft eine verminderte Lichtleistung bedingt zum einen durch eventuelle Verformungen und einem Rückbrand der Elektroden, zum Anderen bedingt dadurch, dass sich das abgedampfte Material an dem Glaskolben der Lampe niederschlagen kann, wodurch es zu einer Schwärzung kommt, die ebenfalls die Lichtausbeute reduziert. Sowohl für die Lebensdauer der Elektroden als auch für die Lebensdauer einer solchen Gasentladungslampe insgesamt ist also eine möglichst effiziente Kühlung beziehungsweise ein möglichst effizienter Abtransport der Wärme aus den Elektroden wünschenswert.
In diesem Zusammenhang beschreibt die EP 1 357 579 B1 eine Entladungslampe mit einem Paar gegenüberliegender Elektroden, wobei mindestens eine der Elektroden einen Elektrodenkörper aufweist, in dem ein hermetisch abgeschlossener Innenraum ausgebildet ist, und einen Wärmeleiter, der den Innenraum teilweise füllt. Dieser Wärmeleiter besteht aus Metall, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit oder einen niedrigeren Schmelzpunkt als das den Elektrodenkörper aufbauende Metall, insbesondere Wolfram, aufweist. Dabei enthält der Wärmeleiter eines der Metalle Gold, Silber, Kupfer, Indium, Zinn, Zink und Blei. Der verbleibende Teil des hermetisch abgedichteten Innenraums, der nicht mit dem Wärmeleiter gefüllt ist, ist mit einem Gas gefüllt. Während des Lampenbetriebs schmilzt der eingebrachte metallische Wärmeleiter vollständig auf. Da dieser hermetische Wärmeleiter eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Elektrodenkörper aufweist, kann eine verbesserte Wärmeableitung gegenüber einem Anodenkörper, welcher in der Regel vollständig aus Wolfram besteht, bereitgestellt werden und dabei die Spitzentemperatur der Anode abgesenkt und die Verdampfung von Wolfram reduziert werden. Dies führt zu geringerer Schwärzung des Lampenkolbens und verbesserter Maintenance. Nichtsdestoweniger bleibt das Bestreben bestehen, die Wärmeabfuhr noch effizienter zu gestalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektrode für eine Gasentladungslampe und eine Gasentladungslampe bereitzustellen, welche eine weiter verbesserte Wärmeabfuhr aus der Elektrode ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Elektrode und eine Gasentladungslampe mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Elektrode für eine Gasentladungslampe weist einen Elektrodenkörper aus einem ersten metallischen Material auf, wobei der Elektrodenkörper einen hermetisch abgeschlossenen Innenraum einschließt. Darüber hinaus weist die Elektrode eine erste Wärmeleitkomponente aus einem zweiten metallischem Material auf, welche im Innenraum angeordnet ist, wobei das zweite metallische Material einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das erste metallische Material. Des Weiteren ist im Innenraum eine zweite nicht metallische und unter Standardbedingungen nicht gasförmige Wärmeleitkomponente angeordnet, welche eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gase aufweist.
Unter einem Gas ist dabei jede Substanz zu verstehen, die unter Standardbedingungen gasförmig ist. Unter Standardbedingungen sind dabei des Weiteren eine Temperatur von 25 Grad Celsius und ein Druck von 1,00 bar zu verstehen.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass sämtliche Gase, welche in den verbleibenden Bereich des Innenraums zusätzlich zum metallischen Wärmeleiter eingebracht werden könnten, die Wärme gegenüber dem Elektrodenkörper und dem metallischen Wärmeleiter nur sehr stark reduziert ableiten. Daran kann auch die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit von Gasen mit der Temperatur wenig verbessern, da die Wärmeleitfähigkeit von Gasen auch für sehr hohe Temperaturen, insbesondere über 1000 Kelvin dennoch in den meisten Fällen unter 1 Watt pro Meter und pro Kelvin liegt. Dagegen lässt sich nunmehr vorteilhafter Weise die Wärmeleitfähigkeit dieses Restbereichs des Innenraums, welcher nicht mit der ersten metallischen Wärmeleitkomponente gefüllt ist, deutlich erhöhen, wenn dieser Restbereich zumindest nicht ausschließlich mit Gas befüllt wird, sondern eine zweite nicht metallische und nicht gasförmige weitere Wärmeleitkomponente umfasst, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die von Gasen, insbesondere allen Gasen unter Standardbedingungen, aufweist. Dabei kommen vielzählige solcher nicht metallischen und nicht gasförmigen Komponenten in Frage, die, wie nachfolgend näher beschrieben, eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit, insbesondere um mehrere Größenordnungen als die von Gasen aufweisen. Somit kann vorteilhafter Weise durch diese zusätzliche zweite Wärmeleitkomponente der Wärmeabtransport aus der Elektrode deutlich gesteigert werden.
Der Elektrodenkörper kann dabei aus einer Hauptkomponente, die zum Beispiel in Form eines Behälters ausgebildet ist, sowie aus einem Deckelelement zum Verschließen der Hauptkomponente gebildet sein. Weiterhin stellt das erste metallische Material vorzugsweise zumindest zum Großteil Wolfram dar. Mit anderen Worten ist der Elektrodenkörper vorzugsweise zum Großteil aus Wolfram gebildet, insbesondere im Wesentlichen vollständig aus Wolfram. Beispielsweise kann der Elektrodenkörper vollständig bis auf optionale Dotierungen des Wolframmaterials, zum Beispiel mit Thoriumoxid, Lanthanoxid, Zirkonoxid, in einem Bereich von 0,01-10 Gew.-%, sowie Kohlenstoff und/oder Kalium, aus Wolfram bestehen. Die Dotierung von Kohlenstoff und/oder Kalium kann zum Beispiel zwischen 1 Gew. ppm und höchstens 100 Gew. ppm betragen. Durch Dotierungen lässt sich vorteilhafterweise zum Beispiel die Elektronenemissivität der Elektrode erhöhen. Die Deckelkomponente des Elektrodenkörpers ist weiterhin üblicherweise dem Elektrodenplateau bzw. der Elektrodenspitze, auf welchem der Entladungsbogen im Betrieb der Entladungslampe ansetzt, gegenüberliegend angeordnet. Wie eingangs beschrieben findet die erfindungsgemäße Elektrode und ihre Ausgestaltungen vorzugsweise in einer vertikal betriebenen Gasentladungslampe Anwendung. In ihrer bestimmungsgemäßen Betriebsposition ist die Elektrode derart angeordnet, dass die Elektrodenachse der üblicherweise um die Elektrodenachse rotationssymmetrisch ausgebildeten Elektrode ebenfalls vertikal ausgerichtet ist und das Deckelelement des Elektrodenkörpers oberhalb von dem Elektrodenplateau bzw. der Elektrodenspitze angeordnet ist.
Üblicherweise stellt sich im Betrieb einer solchen Entladungslampe an der Elektrode ausgehend von dem Elektrodenplateau bzw. der Elektrodenspitze in Richtung der Elektrodenhalterung beziehungsweise des Elektrodendeckels, in welche Richtung auch die Wärme abgeführt werden soll, ein Temperaturgradient ein. Die maximale Temperatur weist die Elektrode im Bereich ihres Plateaus bzw. ihrer Spitze auf. Dort können die Temperaturen weit über 2000 Grad Celsius betragen, insbesondere bis zu etwa 2.700 Grad Celsius oder höher. Im Bereich des Elektrodendeckels dagegen liegen die Temperaturen typischer Weise nur noch im Bereich von 1500 Grad Celsius. Die erste Wärmeleitkomponente aus dem zweiten metallischen Material ist nun vorzugsweise derart ausgebildet, dass ihr Schmelzpunkt unterhalb dieser typischen Betriebstemperatur der Elektrode liegt, sodass diese Wärmeleitkomponente sich während des Betriebs im flüssigen Zustand befindet. Dies ermöglicht eine besonders gute Wärmeableitung vom Elektrodenkörper zu diesem flüssigen Metall hin und weiter über die zweite Wärmeleitkomponente in Richtung des Elektrodendeckels. Die zweite Wärmeleitkomponente dagegen ist vorzugsweise so beschaffen, dass diese sich bei den typischen Betriebstemperaturen der Elektrode nicht im flüssigen sondern weiterhin im festen Zustand befindet. Entsprechend ist es also bevorzugt, dass die zweite Wärmeleitkomponente einen höheren Schmelzpunkt als das zweite metallische Material aufweist. Insbesondere liegt der Schmelzpunkt dieser zweiten Wärmeleitkomponente über 1500 Grad Celsius, vorzugsweise noch deutlich höher. Zudem ist es auch bevorzugt, dass die zweite Wärmeleitkomponente eine geringere Dichte aufweist als das zweite metallische Material. Dies bewirkt, dass sich im beschriebenen vertikalen Betrieb diese zweite Wärmeleitkomponente auf der ersten Wärmeleitkomponente absetzt, wie eine Art Deckschicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die zweite Wärmeleitkomponente ein Pulver oder ist als ein Pulver ausgebildet. Durch diese granulare Struktur der Wärmeleitkomponente kann diese sich besonders gut auf der ersten Wärmeleitkomponente verteilen und die Kontaktfläche zwischen der ersten und zweiten Wärmeleitkomponente ist dadurch besonders groß, was vorteilhafterweise den Wärmeübertrag von der ersten Wärmeleitkomponente auf die zweite Wärmeleitkomponente fördert.
Dabei stellt es eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Pulver ein Diamantpulver aufweist bzw. darstellt. Dies ist besonders vorteilhaft, da gerade Diamant eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierdurch lässt sich der Wärmeabtransport von der metallischen ersten Wärmeleitkomponente über dieses Diamantpulver in Richtung des Elektrodendeckels optimieren. Insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit von Diamant deutlich höher als die von üblicherweise in diesem Restbereich des Innenraums verwendeten Gasen, wie zum Beispiel Argon. Ein weiterer Vorteil von Diamant besteht zudem auch darin, dass dieser im vorgesehenen Einsatzbereich stabil im festen Zustand verbleibt. Auch ist Diamant mit einer Dichte von 3,52 Gramm pro Kubikzentimetern auch vorteilhafterweise wesentlich leichter als typische flüssige Metalle, die als erste Wärmeleitkomponente eingesetzt werden. Dies kommt nämlich gerade der vertikalen Betriebsweise wie beschrieben, zugute, denn durch das Aufschmelzen des metallischen Wärmeleiters, das heißt der ersten Wärmeleitkomponente, während des Betriebs segregieren die Diamantpartikel auf der Oberfläche des flüssigen Metalls und bilden eine Schicht, welche auch als heterogenes Gemisch mit geringen Anteilen des Flüssigmetalls vorliegen kann. Ein weiterer Vorteil besteht zudem auch darin, dass durch die relativ geringe Benetzbarkeit von Diamant und der Oberflächenspannung des flüssigen Metalls sich bei den typischen Betriebstemperaturen ein Meniskus ausbildet, welcher die Kontaktfläche zwischen dem segregierten Diamantpulver und dem flüssigen Metall zusätzlich vergrößert und dadurch die Wärmeableitung in vertikaler Richtung noch zusätzlich weiter verbessern kann. Wenngleich die aus der geringen Benetzbarkeit resultierende Ausbildung des Meniskus zwar prinzipiell vorteilhaft ist, da durch einen solchen Meniskus die Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Wärmeleitkomponente vergrößert wird, bedingt andererseits eine geringe Benetzbarkeit auch eine geringe lokale Kontaktfläche zwischen dem Pulver und der ersten Wärmeleitkomponente. Entsprechend kann es unter Verzicht auf die Ausbildung des Meniskus auch vorteilhaft sein, die Benetzbarkeit des Pulvers, zum Beispiel durch eine geeignete Beschichtung, wie diese später näher beschrieben wird, zu erhöhen.
Wenngleich ein Diamantpulver besonders gute Eigenschaften besitzt, um eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr wie beschrieben zu ermöglichen, so sind dennoch als zweite Wärmeleitkomponente auch andere Materialien möglich.
Beispielsweise stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Pulver ein keramisches Material umfasst. Es gibt auch diverse keramische Materialien, die oben genannte Eigenschaften ebenfalls erfüllen, nämlich einen besonders hohen Schmelzpunkt aufweisen, sodass diese bei den typischen Betriebstemperaturen der Elektrode dennoch im festen Zustand sind, und gleichzeitig auch eine geringere Dichte als typische für die erste Wärmeleitkomponente verwendete metallische Materialien aufweisen, sowie gute Wärmeleiteigenschaften, insbesondere hohe Wärmeleitfähigkeiten, die wiederum deutlich höher sind als die von Gasen unter Standardbedingungen. Zudem sind keramische Materialien üblicherweise auch deutlich kostengünstiger als Diamantpulver.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das keramische Material Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid umfasst. Auch durch diese keramischen Materialien lässt sich in gleicher Weise wie zum Diamantpulver beschrieben ebenfalls eine deutlich effizientere Wärmeabfuhr als bislang möglich bereitstellen. Generell sind aber auch andere nitridische und nicht-nitridische Keramiken einsetzbar.
Weiterhin kann das Pulver, also zum Beispiel das Diamantpulver und/oder das Pulver aus dem keramischen Material, eine Korngröße von mindestens 5 Mikrometern und maximal im einstelligen Millimeterbereich aufweisen, insbesondere maximal 1 Millimeter. Umso kleiner die Korngröße, desto kostengünstiger ist das Pulver, insbesondere wenn es sich dabei um Diamantpulver handelt. Wird also beispielsweise ein Pulver mit einer Korngröße im Bereich zwischen 5 Mikrometern und 100 Mikrometern verwendet, so lässt sich die Elektrode besonders kostengünstig und dennoch hinsichtlich der Wärmeabfuhr besonders effizient ausgestalten. Liegt die Korngröße des Pulvers beispielsweise im Bereich zwischen 500 Mikrometern und 1 Millimeter oder sogar darüber, so lässt sich die Effizienz der Wärmeabfuhr zusätzlich steigern.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Körner des Pulvers eine Beschichtung zur Erhöhung der Benetzbarkeit des Pulvers mit der ersten Wärmeleitkomponente auf. Eine solche Beschichtung kann zum Beispiel eine metallische Beschichtung darstellen oder auch eine nicht-metallische Beschichtung. Beispielsweise ist die Benetzung von Diamantoberflächen mit flüssigen Metallen typischerweise nicht sehr stark ausgeprägt. Durch eine Erhöhung der Benetzbarkeit kann auch die Kontaktfläche zwischen der ersten Wärmeleitkomponente und dem Diamantpulver, oder auch dem Pulver aus keramischen Material, erhöht und dadurch der Wärmeübertrag verbessert werden. Dies lässt sich nun vorteilhafterweise durch die Beschichtung zur Erhöhung der Benetzbarkeit des Pulvers mit der ersten Wärmeleitkomponente bewerkstelligen. Eine solche Beschichtung ist also derart ausgebildet, dass die resultierende Benetzbarkeit des beschichteten Pulvers mit der ersten Wärmeleitkomponente größer ist als die Benetzbarkeit des Pulvers mit der ersten Wärmeleitkomponente ohne diese Beschichtung. Durch diese verbesserte Benetzung kann dann vorteilhafterweise eine erhöhte Anreicherung des flüssigen Metalls in der segregierten Diamantpulverschicht oder im Allgemeinen in der segregierten Pulverschicht, durch die Wirkung von Kapillarkräften erreicht werden. Weiterhin wird ein Eintauchen der Partikel durch oberflächennahe, konvektive Strömungen erleichtert. Damit wird zusätzlich die thermische Ankopplung des Pulvers an das flüssige Metall erhöht und die vertikale Wärmeabfuhr im Anodenkörper noch weiter gesteigert. Durch die stärkere Benetzbarkeit ist zwar unter Umständen der oben beschriebene Meniskus nicht mehr so stark ausgeprägt, daraus lässt sich jedoch noch ein weiterer Vorteil ableiten. Dies bedingt nämlich, dass die zweite Wärmeleitkomponente im zentralen Bereich, das heißt im Bereich der Elektrodenachse, von dem Elektrodenplateau bzw. der Elektrodenspitze weiter entfernt ist und damit nicht mehr so hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Dies ermöglicht einerseits den Einsatz kostengünstiger keramischer Materialien als zweite Wärmeleitkomponente, deren Schmelzpunkte nicht ganz so hoch liegen wie die Phasenumwandlungstemperatur von Diamant, ohne Gefahr zu laufen, dass diese keramischen Komponenten als zweite Wärmeleitkomponente während des Betriebs schmelzen. Auch in Bezug auf die Verwendung von Diamant, insbesondere Diamantpulver, als zweite Wärmeleitkomponente, hat diese Temperaturverringerung den Vorteil, dass sich die Wärmeleitfähigkeit von Diamant mit abnehmender Temperatur erhöht. Dies kommt einer gesteigerten Wärmeabfuhr zusätzlich zugute. Nichtsdestoweniger kann das Pulver, zum Beispiel das Diamantpulver oder das Pulver aus dem keramischen Material, auch unbeschichtet als die zweite Wärmeleitkomponente verwendet werden bzw. die zweite Wärmeleitkomponente stellt ein unbeschichtetes Pulver dar. Hierdurch lässt sich ebenfalls eine sehr gute Wärmeabfuhr bereitstellen, die durch die Ausbildung des oben beschriebenen Meniskus noch zusätzlich gesteigert wird, und gleichzeitig lässt sich ein solches Pulver ohne Beschichtung kostengünstiger und zeiteffizienter herstellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Beschichtung einen höheren Schmelzpunkt auf, als die erste Wärmeleitkomponente. Insbesondere beträgt der Schmelzpunkt der Beschichtung vorzugsweise ebenfalls mindestens 1500 Grad Celsius. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung derart ausgebildet ist, dass diese während des Betriebs nicht schmilzt. Dadurch bleibt vorteilhafterweise die erhöhte Benetzbarkeit des Pulvers auch während des Betriebs dauerhaft erhalten.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Beschichtung eine Dicke zwischen 10 Nanometern und 1 Mikrometer aufweist. Diese Beschichtung ist also sehr dünn ausgebildet und umschließt insbesondere die Körner des Pulvers vollständig. Eine derart dünne Beschichtung hat den großen Vorteil, dass hierdurch die effektive Wärmeleitfähigkeit des beschichteten Pulvers insgesamt maximiert werden kann, da die zweite Wärmeleitkomponente typischerweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die Beschichtung.
Als besonders vorteilhaft und daher besonders bevorzugt hat sich eine Beschichtung aus Molybdäncarbid (Mo2C)oder Wolframcarbid (WC) herausgestellt. Diese Materialien sind zudem extrem Hitzebeständig und weisen einen Schmelzpunkt über 2600 Grad Celsius auf. Nichtsdestotrotz kommen auch andere Materialien als Beschichtung zur Erhöhung der Benetzbarkeit in Frage. Im Allgemeinen ist es gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Beschichtung mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder aus einem der folgenden Materialien besteht: Molybdän, Molybdäncarbid, Wolfram, Wolframcarbid, Zirkon, Zirkoncarbid, Rhenium und Rheniumcarbid. Durch all diese Materialien kann vorteilhafterweise eine Steigerung der Benetzbarkeit erreicht werden und dadurch die Effizienz der Wärmeabfuhr gesteigert werden.
Zudem ist es bevorzugt, dass die erste Wärmeleitkomponente Kupfer und/oder Silber und/oder Gold umfasst. Gerade diese drei Metalle schmelzen bei den im Betrieb vorherrschenden Temperaturen und zeichnen sich durch ihre besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus, allen voran vor allem Silber, gefolgt von Kupfer. Ein besonders großer Vorteil bei der Verwendung einer ersten Wärmeleitkomponente aus Silber oder auch Kupfer ist zudem, dass sich die Benetzbarkeit der zweiten Wärmeleitkomponente durch Vorsehen der Beschichtung aus einem der oben genannten Materialien erhöhen lässt. Mit anderen Worten kann eine Erhöhung der Benetzbarkeit durch eine Beschichtung umfassend Wolfram, Molybdän, Rhenium oder eines der zugehörigen Carbide, gerade bei der Verwendung von Kupfer oder Silber als flüssigem Wärmeleiter bewerkstelligt werden.
Zudem kann im Innenraum auch weiterhin ein Gas, insbesondere ein Inertgas, angeordnet sein. Hierdurch lassen sich Volumenänderungen der übrigen Komponenten beim Übergang von Raumtemperatur zu den hohen Temperaturen im Betrieb gut abfangen. Zusätzlich kann sich in dem abgedichteten Raum auch ein Sauerstoffgetter befinden.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Elektrode als Anode ausgebildet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, da eine Anode üblicherweise deutlich höheren Temperaturen ausgesetzt ist und daher ein effizienterer Wärmeabtransport sich gerade im Zusammenhang mit der Anode besonders positiv auf deren Lebensdauer bzw. deren Stromtragfähigkeit auswirkt.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung auch eine Gasentladungslampe mit einer erfindungsgemäßen Elektrode oder einer ihrer Ausgestaltungen. Vorzugsweise ist dabei nur eine der zwei Elektroden der Gasentladungslampe, insbesondere vorzugsweise die Anode, als eine erfindungsgemäße Elektrode oder eine ihrer Ausgestaltungen ausgebildet. Weiterhin ist die Entladungslampe vorzugsweise als Hochdruckgasentladungslampe, insbesondere als Quecksilberhochdruckgasentladungslampe ausgebildet. Derartige Lampen finden beispielsweise bei der Fotolithographie Anwendung. Die Entladungslampe kann die für eine solche Lampe üblichen weiteren Komponenten wie ein Entladungsgefäß, einen Entladungsraum, der mit einem Gasgemisch gefüllt ist und in welchem sich die Elektroden befinden, und weitere Komponenten aufweisen. Das Entladungsgefäß kann zum Beispiel durch einen entsprechenden Glaskolben bereitgestellt sein. Das Gasgemisch, mit welchem der Entladungsraum gefüllt ist, kann zum Beispiel Quecksilber und/oder ein oder mehrere Edelgase wie Argon, Xenon, Krypton enthalten. Zudem sind die beiden Elektroden derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Elektrodenplateaus bzw. Elektrodenspitzen einander zugewandt sind und zudem die Anode und die Kathode koaxial zueinander angeordnet sein, sodass ihre jeweiligen Elektrodenachsen idealerweise auf einer Linie liegen.
Die für die erfindungsgemäße Elektrode und ihre Ausgestaltungen genannten Vorteile gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Gasentladungslampe.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Gasentladungslampe mit einer Elektrode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine grafische Darstellung der Wärmeleitfähigkeit von Diamant in Abhängigkeit von der Temperatur; und
3 eine grafische Darstellung der Wärmeleitfähigkeit von Argon in Abhängigkeit von der Temperatur.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Gasentladungslampe 10 mit einer Elektrode 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Gasentladungslampe 10, welche vorzugsweise als Quecksilberhochdruckgasentladungslampe ausgebildet ist, weist neben dieser ersten Elektrode 12 noch eine weitere Elektrode 14 auf. Darüber hinaus stellt diese Entladungslampe 10 eine vertikal betriebene Entladungslampe 10 dar, sodass die zueinander parallel verlaufenden, insbesondere auf einer Linie verlaufenden Elektrodenachsen der beiden Elektroden 12, 14 ebenfalls vertikal ausgerichtet sind. Weiterhin ist die erste Elektrode 12 in diesem Beispiel als Anode ausgebildet, während die zweite Elektrode 14 die Kathode darstellt. Die Anode 12 ist zudem oberhalb von der Kathode 14 angeordnet und das Elektrodenplateau 12a der Anode 12 ist der Elektrodenspitze 14a der Kathode 14 zugewandt, wobei sich zwischen dem Elektrodenplateau 12a und der Elektrodenspitze 14a letztendlich der Entladungsbogen ausbildet. Zudem sind die beiden Elektroden 12, 14 in einem Entladungsgefäß 15, zum Beispiel einem Glaskolben, angeordnet.
Weiterhin wird diese Hochdruckgasentladungslampe 10 vorzugsweise mit sehr hoher Leistung betrieben, insbesondere im Kilowattbereich. Dadurch entstehen vor allem an der Anode 12 sehr hohe Temperaturen, und die Wärme muss entsprechend aus der Anode 12 möglichst effizient abgeführt werden, um die Lebensdauer der Anode 12 zu erhöhen bzw. eine geforderte Stromtragfähigkeit zu ermöglichen. Eine besonders effiziente Wärmeabfuhr lässt sich nun wie folgt bewerkstelligen:

Die erste Elektrode 12 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist einen Elektrodenkörper 16 auf, der einen hermetisch abgeschlossenen Innenraum 18 einschließt. Der Elektrodenkörper 16 gliedert sich wiederum in einen Grundköper 16a sowie einen Deckel 16b. Die zweiteilige Ausführung dient dazu, um bei der Herstellung einer solchen Elektrode 12 in den Grundkörper 16a, insbesondere in den Innenraum 18, weitere, nachfolgend beschriebene Materialien einfüllen zu können, und den Innenraum 18 dann entsprechend mit dem Deckel 16a hermetisch zu verschließen, zum Beispiel mittels einer Schweiß-Verbindung. Der Elektrodenkörper ist vorzugsweise fast vollständig, insbesondere vollständig bis auf optionale Dotierungen, aus Wolfram gebildet.

Die Anode 12 kann weiterhin einen Gesamtdurchmesser senkrecht zu ihrer Achse, das heißt in X-Richtung aufweisen, der im einstelligen Zentimeterbereich liegt, zum Beispiel 3,5 Zentimeter bemisst. Die Wandstärke des Elektrodenkörpers 16 kann beispielsweise zwischen 5 und 6,5 Millimetern betragen. Entlang der Anodenachse, das heißt in der dargestellten Y-Richtung kann die Anode 12 eine maximale Ausdehnung von zum Beispiel 70 Millimetern aufweisen.
Innerhalb dieses Innenraums 18 ist nun zum einen eine erste Wärmeleitkomponente 20 aus einem metallischen Material angeordnet. Das metallische Material dieser ersten Wärmeleitkomponente 20 weist dabei einen niedrigeren Schmelzpunkt als der Elektrodenkörper 16 auf, insbesondere einen Schmelzpunkt, der so niedrig ist, dass diese erste Wärmeleitkomponente während des Betriebs ab ca. 1100 Grad Celsius schmilzt. Vorzugsweise besteht diese erste Wärmeleitkomponente 20 aus Silber, da sich vor allem Silber gegenüber anderen Metallen durch seine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet. Aber auch andere Materialien, wie zum Beispiel Kupfer oder Gold kommen als erste Wärmeleitkomponente 20 aufgrund ihrer ebenso sehr hohen Wärmeleitfähigkeit in Frage. Prinzipiell eignen sich aber auch andere Metalle, wie beispielsweise Zinn oder Blei, was jedoch vorliegend weniger bevorzugt ist, da diese Metalle gegenüber den oben genannten Metallen Gold, Silber und Kupfer eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Diese erste Wärmeleitkomponente 20 weist also vorzugsweise eine Wärmeleitfähigkeit auf, die größer ist als die des Elektrodenkörpers. Dadurch kann die Wärme vom Elektrodenplateau 12a über diese erste Wärmeleitkomponente 20 deutlich effektiver nach oben abgeführt werden, als zum Beispiel wenn die Anode 12 massiv ausgebildet wäre.
Im restlichen Bereich des Innenraums 18 ist üblicherweise ein Gas angeordnet. Gase besitzen jedoch gegenüber Festkörpern typischerweise deutlich geringere Wärmeleitfähigkeiten. Um dies zu veranschaulichen ist die Wärmeleitfähigkeit λ_A von Argon exemplarisch in Abhängigkeit von der Temperatur T in Kelvin K in 3 grafisch dargestellt. Die höchsten Wärmeleitfähigkeiten bei Gasen besitzen insbesondere Wasserstoff mit 0,172 W/(m*K) bei 100 Grad Celsius und Helium mit 0,134 W/(m*K) bei 100 Grad Celsius. Gegenüber einem Wolframelektrodenkörper und den genannten Metallen mit Wärmeleitfähigkeiten oberhalb von 100 W/(m*K) für die erste Wärmeleitkomponente 20 leiten somit sämtliche Gase, welche überhaupt in den hermetisch abgeriegelten Hohlraum 18 angebracht werden könnten, die Wärme nur sehr stark reduziert ab. Daran kann auch die Zunahme der Wärmeleitfähigkeit von Gasen mit der Temperatur wenig verbessern, wie dies am Beispiel von Argon in 3 zu sehen ist.
Durch die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele lässt sich nun vorteilhafterweise diese schlechte Wärmeleitfähigkeit eines solchen Gases wesentlich durch die zusätzliche Einbringung einer nicht metallischen zweiten Wärmeleitkomponente 22 in den hermetisch abgedichteten Innenraum 18 deutlich verbessern, welche dort große Anteile des ansonsten mit Gas gefüllten Volumenanteils einnimmt. In einem Restbereich dieses Innenraums 18 kann dennoch ein Gas 24, insbesondere ein Inertgas wie beispielsweise Argon, eingebracht sein.
Diese zweite Wärmeleitkomponente 22 ist nun vorzugsweise als Diamantpulver ausgeführt, kann aber im Allgemeinen auch durch ein anderes Material bereitgestellt sein, insbesondere ein keramisches Material wie zum Beispiel Bornitrid oder Aluminiumnitrid. Diamant besitzt gegenüber Gasen wie Argon eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit, was in 2 schematisch veranschaulicht ist. 2 zeigt dabei die Wärmeleitfähigkeit λ_D von Diamant in Abhängigkeit von der Temperatur T in Kelvin K. Durch Vergleich von 2 und 3 ist schnell ersichtlich, dass die Wärmeleitfähigkeit von Diamant, selbst wenn diese mit zunehmender Temperatur abnimmt, auch in hohen Temperaturbereichen immer noch um Größenordnungen höher ist als die von Argon oder irgendeines sonstigen Gases. Zudem bleibt Diamant auch aufgrund seiner hohen Phasenumwandlungstemperatur von über 3550 Grad Celsius im vorbestimmten Temperatureinsatzbereich stabil im festen Zustand. Mit einer Dichte von 3,52 Gramm pro Kubikzentimetern ist Diamant auch wesentlich leichter als die flüssigen Metalle, die als erste Wärmeleitkomponente 20 eingesetzt werden. Diese Tatsache ist besonders vorteilhaft aufgrund der vertikalen Betriebsweise der vorliegenden Hochdruckentladungslampe 10 und wird im Rahmen der Erfindung auch ausgenutzt. Durch das Aufschmelzen des metallischen Wärmeleiters, das heißt der ersten Wärmeleitkomponente 20, während des Betriebs, segregieren die Diamantpartikel der zweiten Wärmeleitkomponente 22 auf der Oberfläche des flüssigen Metalls und bilden eine Schicht, welche auch als heterogenes Gemisch mit geringen Anteilen des flüssigen Metalls vorliegen kann. Wird also beispielsweise der Innenraum 18 mit einem Gemisch aus Silberpartikeln als erste Wärmeleitkomponente 20 und Diamantpulver als zweite Wärmeleitkomponente 22 gefüllt und dieses Gemisch im Innenraum 18 über den Schmelzpunkt von Silber in einer ArgonAtmosphäre auf zum Bespiel 1200 Grad Celsius gebracht, bildet sich als Ergebnis das oben beschriebene Verhalten aus. Die sehr gut wärmeleitfähigen Diamantpartikel der zweiten Wärmeleitkomponente 22 ersetzen also vorzugsweise das Gas in einem großen Teil des Hohlraums und verbessern dadurch die bisherigen technischen Ausführungen von Elektroden sehr wesentlich. Zudem bildet sich durch die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls, das heißt der ersten Wärmeleitkomponente 20, ein Meniskus, wie dieser auch in 1 deutlich zu sehen ist. Dieser vergrößert die Kontaktfläche zwischen dem segregierten Diamantpulver, das heißt der zweiten Wärmeleitkomponente 22 und dem flüssigen Metall, das heißt der ersten Wärmeleitkomponente 20, zusätzlich und verbessert dadurch die Wärmeableitung in vertikaler Richtung, das heißt in Y-Richtung des dargestellten Koordinatensystems, zusätzlich weiter.
Eine effiziente Wärmeabfuhr lässt sich weiterhin auch durch folgende Maßnahmen bereitstellen beziehungsweise noch weiter steigern: Die Benetzung von Diamantoberflächen mit flüssigen Metallen ist grundsätzlich nicht sehr stark ausgeprägt. Eine höhere Benetzung würde den Wärmeübertrag von der ersten Wärmeleitkomponente 20 auf die zweite Wärmeleitkomponente 22 steigern. Diese Benetzbarkeit des Diamantpulvers lässt sich nun vorteilhafterweise durch eine Beschichtung des Diamantpulvers mit einer dünnen Schicht steigern, deren Schmelzpunkt über den auftretenden Temperaturen des flüssigen Metalls der ersten Wärmeleitkomponente 20 liegt und vorzugsweise zusätzlich eine sehr geringe oder gar keine Löslichkeit darin besitzt. Dadurch wird die Stabilität dieser Beschichtung auf dem Diamant gewährleistet. Dies ist insbesondere für Wolfram, Molybdän, Rhenium oder Iridium sowie für korrespondierende Carbide bei der Verwendung von Kupfer oder Silber als erste Wärmeleitkomponente 20 in flüssiger Form während des Betriebs der Fall. Durch die verbesserte Benetzung wird eine erhöhte Anreicherung des flüssigen Metalls der ersten Wärmeleitkomponente 20 in der segregierten Diamantpulverschicht durch die Wirkung von Kapillarkräften ermöglicht. Dadurch wird zusätzlich die thermische Ankupplung des Diamantpulvers der zweiten Wärmeleitkomponente 22 an das flüssige Metall erhöht und die vertikale Wärmeabfuhr im Anodenkörper noch weiter gesteigert. Letztendlich kann dadurch vorteilhafterweise die Spitzentemperatur der Anode durch die gesteigerte Wärmeabfuhr weiter abgesenkt und die Verdampfung von Wolfram reduziert und die Maintenance gesteigert werden.
Insgesamt zeigen die Beispiele wie durch die Erfindung und ihre Ausführungsformen eine Elektrode bereitgestellt werden kann, die durch die zusätzliche Einbringung einer nicht metallischen und nicht gasförmigen Komponente in den hermetisch abgedichteten Innenraum, welche dort große Anteile des ansonsten mit Gas gefüllten Volumenanteils einnimmt, eine deutlich effizientere Wärmeabfuhr aus der Elektrode bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Gasentladungslampe
12: Anode
12a: Anodenplateau
14: Kathode
14a: Kathodenspitze
15: Entladungsgefäß
16: Anodenkörper
16a: Grundkörper
16b: Deckel
18: Innenraum
20: erste Wärmeleitkomponente
22: zweite Wärmeleitkomponente
24: Gas
λ_A: Wärmeleitfähigkeit von Argon
λ_D: Wärmeleitfähigkeit von Diamant
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1357579 B1 [0003]

Claims

Elektrode (12, 14) für eine Gasentladungslampe (10), wobei die Elektrode (12, 14) aufweist: - einen Elektrodenkörper (16) aus einem ersten metallischen Material, wobei der Elektrodenkörper (16) einen hermetisch abgeschlossenen Innenraum (18) einschließt; und - eine erste Wärmeleitkomponente (20) aus einem zweiten metallischem Material, welche im Innenraum (18) angeordnet ist, wobei das zweite metallische Material einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, als das erste metallische Material; dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (18) eine zweite nicht metallische und unter Standardbedingungen nicht gasförmige Wärmeleitkomponente (22) angeordnet ist, welche eine höhere Wärmeleitfähigkeit (λ_D) als Gase (24) aufweist.
Elektrode (12, 14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmeleitkomponente (22) einen höheren Schmelzpunkt und eine geringere Dichte aufweist als das zweite metallische Material.
Elektrode (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wärmeleitkomponente (22) ein Pulver umfasst.
Elektrode (12, 14) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver ein Diamantpulver aufweist.
Elektrode (12, 14) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver ein keramisches Material umfasst.
Elektrode (12, 14) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid umfasst.
Elektrode (12, 14) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver eine Korngröße von mindestens 5 Mikrometern und maximal im einstelligen Millimeterbereich aufweist, insbesondere maximal 1 Millimeter.
Elektrode (12, 14) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Körner des Pulvers eine Beschichtung zur Erhöhung der Benetzbarkeit des Pulvers mit der ersten Wärmeleitkomponente (20) aufweisen.
Elektrode (12, 14) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung einen höheren Schmelzpunkt aufweist, als die erste Wärmeleitkomponente (20).
Elektrode (12, 14) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mindestens eines der folgenden Materialien aufweist oder aus einem der folgenden Materialien besteht: - Molybdän; - Molybdäncarbid; - Wolfram; - Wolframcarbid; - Zirkon; - Zirkoncarbid; - Rhenium; - Rheniumcarbid;
Elektrode (12, 14) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke zwischen 10 Nanometern und 1 Mikrometer aufweist.
Elektrode (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeleitkomponente (20, 22) Kupfer und/oder Silber und/oder Gold umfasst.
Elektrode (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (18) weiterhin ein Inertgas (24) angeordnet ist.
Elektrode (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (12, 14) als Anode (12) ausgebildet ist.
Gasentladungslampe (10) mit mindestens einer Elektrode (12, 14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.