DE1911985A1 - Bogenentladungslampe mit Metallhalogenidzusatz - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf-Eller Am Straussenkreuz 53 Postfach 124

WE 39,018 6917

Düsseldorf, 7. März 1969

Weetinghouse Electric Corporation Pittsburgh, Pennsylvania, V.St.A.

Bogenentladungslampe mit Metallhalogenidzusatz

•Quechsilberentladungslampen mit Metallhalogenidstoffen als Zusatz haben sich zu wichtigen kommerziellen Lichtquellen entwickelt. Die Verwendung von Seltenerdmetallhalogenidzusätzen hat sich besonders wirkungsvoll bei der Verbesserung der Farbwiedergabe des erzeugten Lichtes erwiesen. Nach wie vor besteht Jedoch ein Problem in dem Reaktionsverhalten der Seltenerdmetallhalogenide gegenüber dem Kathodenemissionsmaterial bei den Betriebstemperaturen der Lampe. Ferner weisen die in Niederdruck- und Mitteldruck-Quecksilberentladungslampen verwendeten Standard-Elektronenemissionsmaterialien wie Erdalkalioxide und ErdalkaliwoKramate eine gewisse Neigung auf,

in derreagierenden Seltenerdmetallhalogenid-Atmosphäre zu zerfallen. Daher sind teilweise reine Wolframwendeln als Elektroden verwendet worden. Solche Wolframelektroden besitzen zwar eine relativ große chemische Stabilität, jedoch ließ sich beobachten, daß die Austrittsarbeit des Wolframs in einer Seltenerdmetallhalogenid-Betriebsatmosphäre ansteigt.

Die Verwendung von Thorlumoxidsplittern, die von den die Elektroden bildenden Wendeln gehalten werden, zur Erhöhung der Emissions-'fähigkeit der Elektrode ist bekannt. Seltenerdmetalloxide, haben eine gewisse Verwendung als Zusätze in kleinen Mengen zu den für

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Niederdruck-Leuchtstoffentladungslampen üblichen Erdalkalioxiden gefunden.

Bei einer der erfolgreichsten Lampen mit Zusatz wird Dysprosiumjodid als hauptsächlicher Metallhalogenidzusatz verwendet. Thalliumjodid-Dysprosiumjodid-Quecksilberlampen weisen eine weiter verbesserte Farbabgabe auf, durch die die Verwendbarkeit solcher Lampen auf neue Anwendungsgebiete in der Beleuchtung ausgedehnt werden kann.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung einer Entladungslampe mit Metallhalogenidzusatz, die ein elektronenemittierendes Material besitzt, das dem Angriff des Metallhalogenide widersteht und einen wirksamen Betrieb langer Lebensdauer gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Bogenentladungslampe mit Metallhalogenidzusatz erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des elektronenemittierenden Materials aus wenigstens einem Seltenerdmetall besteht.

Die Erfindung wird nachstehend zusammen mit weiteren Merkmalen anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine gemäfi i©r Erfindung aufgebaute Entladungslampe; und

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine teilweise zusammengesetzte Elektrode nach der Erfindung.

Die allgemein mit 10 bezeichnete Lampe der Fig. 1 weist einen für die Lichtstrahlung durchlässigen, dichten äußeren Kolben 12 aus einem lichtdurchlässigen Werkstoff wie Glas auf, an dessen einem Ende ein Sockel 14, etwa mit einem Standardschraubgewinde, befestigt ist. Innerhalb des Kolbens 12 ist mit Abstand davon ein innerer Kolben oder ein Bogenentladungsrohr 16 befestigt, das etwa aus Quarz oder einem anderen lichtdurchlässigen, hochtemperaturbeständigen

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Werkstoff wie polykristaTliner Tönerde besteht. Der Raum zwischen dem äußeren Kolben 12 und dem Bogenentladungrohr 16 ist vorzugsweise evakuiert oder kann mit einem inerten Gas wie Stickstoff gefüllt sein. Die Befestigung des Entladungsrohres 16 innerhalb des äußeren Kolbens 12 kann mittels einer herkömmlichen rahmenartigen Halterung 18 sowie Stegen 20 erfolgen. Innerhalb des Entladungsrohres 16 befinden sich an dessen gegenüberliegenden Enden Elektroden 22 und 24. Die Elektroden 22 und 24 sind an Zuführungen 32 bzw. 40 angeschlossen, die mittels herkömmlicher Bandleiter 26 dicht durch die gegenüberliegenden, durch Quetschung abgedichteten Enden des Entladungsrohres" 16 geführt sind. Um die Zündung der Lampe zu erleichtern, ist mit der Elektrode 24 eine HiIfszündwendel 28 verbunden. Zur'Betätigung der Hilfszündwendel ist ein allgemein mit 30 bezeichneter Bimetall-Zündmechanismus vorgesehen, wie er etwa ausführlich in der US-Patentschrift 3 307 069 beschrieben wird. Ein Paar Zuführungen 34 und 36 stellt über einen Quetschfuß 38 die elektrische Verbindung des Elektrodenpaares 22, 24 mit dem Sockel her. Die Zuführung 34 ist dabei über die rahmenartige Halterung 18 mit dem Zündmechanismus 30 verbunden, während die Zuführung 36 über die Zuleitung 4O mit der Elektrode 26 unmittelbar in Verbindung steht. An der Außenseite" der Endbereiche des Entladungsrohres 16 ist eine hitzespeichernde Schicht 42 aus Zirkondioxid-Siliciumdioxid angebracht. Die Schicht 42 verhindert, daß es zum Auftreten eines extrem großen Temperaturabfalls im Elektrodenbereich des Entladungsrohres 16 kommt.

Die Füllung des Entladungsrohres 16 besteht aus einem geeigneten, ionisierbaren Trägergas wie Argon mit einem Druck von etwa 20 25 Torr sowie 32 - 40 mg Quecksilber, 5 mg Thallium(I)-jodid, etwa 3 mg Dysprosiummetall sowie etwa 12 mg Quecksilber(II)-jodid, bezogen auf ein Füllvolumen von etwa 14 cm . Bei Beginn der Inbetriebnahme geht das Dysprosiummetall in das Jodid über. Die Elektroden 22 und 24 sind als Wolfram-DoppelwendeIn mit einer inneren und einer äußeren, um einen Wolframstützdraht gewundenen Wendel ausgebildet. Die gewendelten Abschnitte der Elektroden 22 und 24 sind aus etwa 40/ι starkem Wolframdraht hergestellt und umgeben den etwa

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starken Wolframstützdraht auf einer Länge von etwa 5 mm. Die Entfernung der Elektroden 22 und 24 in dem Entladungsrohr 16 voneinander ist so gewählt, daß sich eine Bogenentladungslänge von etwa 5 cm ergibt.

Erfindungsgemäß wird wenigstens eine der teilweise zusammengesetzten Elektroden mit einer besonderen elektronenemittierenden Beschichtung 44 versehen, was sich als besonders vorteilhaft erwies. Wie mit Fig. 2 veranschaulicht, sind die um den ebenfalls aus Wolfram bestehenden Stützdraht 48 gewundenen Windungen der inneren Wolframwendel 46 durch Abstände voneinander getrennt. Die emittierende Beschichtung 44 befindet sich in dem Bereich, in dem der Stützdraht 48 von der inneren Wendel 46 umgeben ist, und besteht bei einer Dysprosiumjodid enthaltenden Lampe vorzugsweise aus Dysprosiumoxid. Das zur Bildung der Beschichtung 44 vorgesehene Dysprosiumoxid wird zu einem feinen Pulver vermählen und mit einer aus reichenden Menge Azeton oder Alkohol gemischt, so daß ein dicker Brei erhalten wird. Der Einzelwendelteil der Elektrode wird dabei dann in den Brei getaucht und kann nach seinem Herausziehen leicht erhitzt werden, um die Trocknung zu beschleunigen und das Azeton oder den Alkohol auszutreiben. Die fertige, die obigen Abmessungen aufweisende Elektrode trägt dann eine Beschichtung von etwa 20 mg Dysprosiumoxid. Die Dysprosiumoxid-Beschichtung 44 dient dann als wirksame Elektronenquelle für die Aufrechterhaltung der Entladung, wobei sie sich gleichzeitig jedoch gegenüber einem Angriff durch, die in der Lampe enthaltenen MetalIjodide als besonders widerstands fähig erweist.

Nach dem Aufwickeln der die Elektrode vervollständigenden Außenwendel 50 wird die Elektrode entweder vor ihrem Einbau in das Entladungsrohr oder auch nach der Anordnung in diesem Rohr, jedoch noch vor Einleitung der Füllung für das Entladungsrohr und vor der Abdichtung, vorzugsweise bei einer Temperatur von etwa 1000° C im Vakuum ausgebacken. Dieses Ausbacken trägt mit dazu bei, eine Verschmutzung des Entladungsrohres 16 während des Betriebes zu verhindern.

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Dieses sehr einfache VerfahrOTyßtis das elektronenemittierende terial anzubringen^wurde lediglich als;Ausführungsbeispiel ange»- führt, statt dessen andere Verfahren zum Anbringen eines Oxids als elektronenemittierendem Material Verwendung finden können. Ebenso können statt eines gewundenen Wolframdrahtkörpers, wie er in dem vorstehend beschriebenen Beispiel erwähnt wurde, andere bekannte nicht reagierende Metalle und Legierungen wie Rhenium als mit dem Seltenerdmetalloxid zu beschichtender Trägkörper Verwendung finden. Ebenso kommen auch andere geometrische Formen als die einer Wendel in Frage.

Statt das Dysprosiumoxid in der beschriebenen Form als Schicht auf den Wolframtragkörper aufzubringen, kann dieses Dysprosiumoxid auch mit oder ohne ein£m) Bindemittel oder kleinen Mengen ausgewählter Metalle in Tablettenförm gebracht und dann, in ähnlicher Weise wie das beim Anbringen von Thoriumoxidsplittern geschieht, zwischen dem Elektrodenträger und dem diesen umgebenden Teil der Wicklung angeordnet werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Lampe grundsätzlich den gleichen Aufbau, wie das vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde, ist dabei jedoch mit einem Entladungsrohr von größerem Volumen und mit einer anderen Füllung für die Aufrechterhaltung der Entladung versehen, wobei Mias bevorzugte emittierende Material dann Yttriumoxid enthält. Im einzelnen besitzt das Entladungsrohr 16 dabei ein Volumen von etwa 28,8 cm und ist mit einer Füllung für die Aufrechterhaltung der Entladung versehen, die etwa 117 mg Quecksilber, etwa 24 mg Natriumiodid, 5 mg Thallium(I)-jodid sowie 20 mg Thalliummetall enthält, wobei das Entladungsrohr mit Argon gefüllt ist, das unter einem Druck von etwa 20 Torr steht. Eine solche Lampe ist weiter im einzelnen in der_%US-Patentschrift 3 398 312 beschrieben. Dabei wurde gefunden, daß Yttriumoxid als Emissionsmaterial in dieser Entladungsanordnung mit Beaktionsmetallhalid eine Emission langer Lebensdauer gewährleistet. Das Yttriumoxid wird in der gleichen Weise wie das Dysprosiumoxid in dem zuvor beschriebenen Beispiel in die Lampe eingebaut. Es wird zu einem feinen Pulver vermählen und mit Azeton oder Alkohol ge-

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mischt, so daß ein dickers Brei erhalten^ --.wircl·, in den die« um den Stützdraht 48 gewundene Wendel 46 getaucht?wird. Auf Wolframträger wird dann vorzugsweise eine Schicht von etwas 2ö mg; Yttriumoxid aufgebracht. Die Elektrode wird vorzugsweise wieder; durch sorgfältiges Ausbacken im Vakuum vor ihrem Einbringenin;* die Lampe entgast. Das Yttriumoxid kann ganz oder teilweise durch andere Seit enerdraet al loxide ersetzt; sein*

Es sind zahlreiche andere, ein Metallhalogenid entladungslampen bekannt, bei denen das- Seltenerdoxidmetall^Emissionsmaterial nach der vorliegenden Erfindung sich mit Erfolg als; langlebige Elektronenquelle einsetzen läßt. Für, die einzelnen En-tiladungslampen mit Metallhalogenidzusätzen hängt die Wahl des jeweiligen Seltenerdoxids von der Austrittsarbeit, der Reaktionsfähigkeit des Oxids mit dem Halogenid, der Flüchtigkeit des Oxids und dem Be-* dürfnis für,die Anwesenheit eines Seltenerdmetalls ab, das als: Reservoir für dieses Metall dient.

Die Seltenerdoxide, denen wegen ihrer verhältnismäßig niedrigen Austrittsarbeit eine besondere Bedeutung als Emissionsmaterial zukommt, sind Yttrium, Dysprosium, Gadolinium und Terbium. Die Seltenerdmetalle mit abnehmendem angenähertem Widerstand gegenüber einer Reaktion mit Jod sind Yttrium, Neodym, Praseodym, Cer und Lanthan. Die Seltenerdmetalloxide mit zunehmender Flüchtigkeit im Vakuum sind Yttrium, Gadolinium, Dysprosium, Terbium, Erbium, Lanthan, Holmium, Lutetium, Praseodym, Neodym und Cer.

In einer Lampe mit Kolben aus polykristalliner Tonerde werden SeI-tenerdmetalloxide als Dichtungswerkstoff zwischen dem Kolben und den Metallzuführungen verwendet. Die als Emissionsmaterial in der Lampe verwendeten Seltenerdmetalloxide sollen eine niedrigere Austrittsarbeit als die zur Dichtung verwendeten Seltenerdmetalloxide haben, um zugewährleisten, daß die Entladung zu der Elektrode und nicht zu der Dichtung hin gerichtet ist.

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Die Seltenerdmetalloxide gemäß der vorliegenden Erfindung weisen in einer Entladungseinrichtung mit Seltenerdmetallhaliden als zur Aufrechterhaltung der Entladung dienendem Stoff auch bessere Eigenschaften hinsichtlich ihrer Beständigkeit auf. Bei der zuvor beschriebenen bevorzugten Lampe stellt Dysprosiumoxid das bevorzugte Emissionsmaterial für die Verwendung in einer Dysprosiumjodjd enthaltenden Entladungseinrichtung dar. Das Dysprosiuraoxid als Emissionsmaterial gewährleistet, daß die Zerstäubung von Elektrodenmaterial in dem Bogen zu keiner unerwünschten Änderung in dem spektralen Verhalten des abgegebenen Lichtes führt.

Erfindungsgemäß wird das in der Entladungseinrichtung verwendete jeweilige Seltenerdmetall vorzugsweise auch in Oxidform als der wesentliche Anteil des elektronenemittierenden Teils der Elektrodenkörper eingesetzt. Dementsprechend ist das bevorzugte Eraissionsmaterial für eine Yttriumhalogenid enthaltende Lampe Yttriumoxid, für eine Gadoliniumhalogenid enthaltende Lampe Gadoliniumoxid etc. Das zur Aufrechterhaltung der Entladung dienende Material enthält im allgemeinen eine Zusammenstellung von Metallhalogeniden und kann außerdem eine Zusammenstellung von Seltenerdmetallhalogeniden aufweisen. Ebenso kann das Emissionsmaterial eine Zusammenstellung von Seltenerdmetalloxiden enthalten, und wenn eine Zusammenstellung von Seltenerdmetallhalogeniden das Material für die Aufrechterhaltung der Entladung enthält, so weist vorzugsweise dieselbe Seltenerdmetallzusammenstellung in Oxidform das Emissionsmaterial auf. Wenngleich das als Emissionsmaterial dienende Seltenerdmetalloxid vorzugsweise auf das zur Aufrechterhaltung der Entladung dienende Seltenerdraetal !halogenid abgestimmt wird, so können Seltenerdmetalloxide oder Zusammenstellungen davon doch allgemein in Metallhalogenidentladungslampen verwendet werden.

In den speziellen Ausführungsbeispielen können das Dysprosiumoxidbzw, das Yttriumoxidemissionsmaterial jeweils ganz oder teilweise durch ein oder mehrere Seltenerdmetalloxide oder Gemische davon ersetzt sein.

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Es liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung, eine bestimmte Menge ausgewählter Metalloxide in Verbindung mit den Seltenerdmetalloxiden zu verwenden, wie sie auf dem Gebiet der Niederdruckentladung mit Erfolg in Verbindung mit Erdalkalimetalloxiden eingesetzt werden konnten. Zu diesen Metalloxiden gehören Zirkonoxid, Scandiuraoxid und Aluminiumoxid. Beispielsweise kann bis. etwa zur Hälfte des in der beschriebenen Natriurajodldbmpe als Emissionsmaterial verwendeten Yttriumoxids durch Aluminiumoxid ersetzt sein, um die Stabilität des Emissionsmaterials zu erhöhen. Ebenso kann in dem Beispiel, in dem Dysprosiumoxid als Emissionsmaterial dient, das Dysprosiumoxid in einer Menge von bis zu 50 Gew% des Seltenerdmetalloxids durch Zirkonoxid ersetzt sein.

Allgemein kann das Seltenerdmetalloxid, wenngleich das verbesserte elektronenemittierende Material der Erfindung im wesentlichen Seltenerdmetalloxid enthält, bis zu 50 Gew% seiner Menge durch diese ausgewählten Metalloxide ersetzt sein. Ebenso kann ein Ersatz durch andere Metalloxide, die sich als brauchbare Emissionsmaterialzusätze erwiesen, in dem Seltenerdoxid-Emissionsmaterial in Mengen von bis zu 50 Gew% des Seltenerdmetalloxids erfolgen. Ferner können sich den Seltenerdmetalloxiden in kleinen Mengen in Pulverform zugemischte ausgewählte Metalle als günstig erweisen. Solche Metalle, die sich in kleinen Mengen in Pulverform zu dem Seltenerdmetalloxid zumischen lassen, sind Wolfram, Tantal, Molbdän und Niob sowie die Seltenerdmetalle. Vorzugsweise beträgt die Menge des zugegebenen Metalls nicht mehr als etwa 10 Gew% des Seltenerdoxids.

In einer ein Seltenerdmetallhalogenid enthaltenden Lampe kann das Emissionsmaterial, wenn das Seltenerdmetalloxid, mit oder ohne kleine© Mengen desselben Seltenerdmetalls, das Emissionsmaterial bildet, auch als mögliche Quelle für das Seltenerdmetall für den Fall dienen, daß das Seltenerdmetall im Verlauf eines längeren Betriebes der Lampe "gegettert" wird.

Bei den speziellen Ausführungsbeispielen wird das Seltenerdmetallhalogenid bei der Herstellunggebildet, indem man das Quecksilber(II)-jodid verdampft und das Seltenerdmetall mit dem in der Lampe be-

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findlichen Jod reagieren läßt. Das Seltenerdmetalljodid kann der Lampe zwar unmittelbar zugefügt werden, jedoch stellt das angegebene Verfahren allgemein die bequemere Lösung dar. Statt der in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen als Entladungsmaterial angeführten Metalljodide können in an sich bekannter Weise Metallbromide und -chloride Verwendung finden.

Patentansprüche:

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Claims (14)

Patentansprüche

1. Bogenentladungslampe mit Metallhalogenidzusatz, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des elektronenemittierenden Materials aus wenigstens einem Seltenerdmetall besteht.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz und das Seltenerdmetall jeweils Halogenide und Oxide derselben Metalle enthalten.

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall wenigstens eines der Elemente Yttrium, Dysprosium, Gadolinium und Terbium ist.

4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz Thallium(I)-jodid aufweist.

5. Lampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatz Natriumiodid aufweist.

6. Lampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierende Material ein Oxid wenigstens eines hitzebeständigen Metalls aufweist, dass mit dem Seltenerdmetall gemischt ist, insbesondere Zirkon-, Scandium- und Aluminiumoxid.

7. Lampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierende Material wenigstens ein in Pulverform vorliegendes Material enthält, das mit dem Seltenerdmetall gemischt ist.

8. Lampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall wenigstens eins der Seltenerdmetalle oder der Metalle Wolfram, Tantal, Molybdän oder Niob ist.

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9. Lampe nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall das Metall der Seltenen Erde ist.

10. Bogenentladungslampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 9, bei der zusammenwirkende Elektroden im Abstand voneinander in einem lichtdurchlässigen, dichten. Kolben angeordnet sind, der eine die Ladung aufrechterhaltende Füllung mit einem Metallhalogenidzusatz enthält, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Elektrode mit dem elektronenemittierenden Material beschichtet ist.

11. Lampe nach Anspruch IO, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode von einem hitzebeständigen Metall gebildet ist.

12. Lampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Wolfram ist.

13. Lampe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Rhenium ist.

14. Lampe nach einem oder mehreren der Ansprüche 10 -13, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode als Wendel ausgebildet ist.

KN/gb 3

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