DE2311620C3 - Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen, die aus hochschmelzendem Metall besteht, deren der Entladung zugekehrtes Ende kegelförmig ist und die eine auf der Kegelachse liegende Aussparung besitzt, in der sich eine Thoriummetallmenge befindet, wobei im Betrieb der Lampe der Transport von Thoriummetall zur Kegelspitze im wesentlichen durch Diffusion durch das Elektrodenmaterial hindurch erfolgt.

Kurzbogengasentladungslampen besitzen im Betrieb einen Dampfdruck höher als 10 at und einen Elektrodenabstand kleiner als der Höchstdurchmesser des Entladungsraumes. Die Gasfüllung, in der die Entladung erfolgt, besteht in den meisten Fällen im wesentlichen aus Quecksilber; sie kann jedoch auch aus einem Edelgas, wie Xenon, bestehen.

Die Elektroden der Kurzbogengasentladungslampen bestehen meistens aus zwei mit den Spitzen einander gegenüber angeordneten Kegeln, zwischen denen in Betrieb der Lampe der Lichtbogen brennt. Bei einer Lampe für Gleichstrombetrieb kann die als Anode wirksame ElektK-de jedoch auch kugelförmig sein. Es ist nicht notwendig, daß die ganze Elektrode kegelförmig ist; auch Elektroden, die aus einem kegelförmigen Teil und einem anschließenden z. B. zylindrischen Teil bestehen, werden nachstehend als kegelförmige Elektroden bezeichnet. Ferner werden in der nachfolgenden Beschreibung Elektroden mit einem kegeligen Endteil, bei dem die Kegelspitze z. B. kugelförmig abgerundet ist, als kegelförmige Elektroden betrachtet. Der

Ausdruck »kegelförmige Elektrode« umfaßt in dieser Beschreibung auch eine Elektrode, die am der Entladung zugewendeten Ende pyramidenförmig ausgebildet ist. Beim Einschalten einer derartigen Lampe entsteht zwischen den Elektroden ein Lichtbogen, der meistens nicht auf den Kegelspitzen, sondern an einer anderen Stelle der Elektrode ansetzt. Durch die Erhitzung der Elektroden infolge des Stromdurchganges wird die Entladungsbahn kürzer, bis beim Erreichen der Betriebstemperatur der Bogen ganz an den Spitzen der kegelförmigen Elektroden angreift. Es ergibt sich dabei eine sehr kleine leuchtende Fläche, die ein helles Licht abstrahlt. Solche Lampen sind deshalb besonders gut geeignet zur Verwendung in optischen Systemen /u Projektionszwecken.

Da in einer Entladungslampe der beschriebenen Art die Elektroden im Betrieb thermisch sehr stark beansprucht werden, kommen für diese Elektroden nur die Materialien in Betracht, die sehr hohe Temperaturen vertragen können.

Deshalb bestehen die Llcktroden meistens aus Wolfram oder aus einer Wolfram als Hauptelement enthaltenden Legierung. Es ist gewünscht, daß die Elektrode, die im Betrieb der Lampe als Kathode wirksam ist, ein niedriges Austrittspotential hat, so daß sich eine gute Elektronenemission ergibt. Wenn die Lampe für Wechselspannungsbetrieb bestimmt ist, sind beide Elektroden abwechselnd als Anode und Kathode wirksam. In diesem Falle müssen selbstverständlich beide Elektroden ein niedriges Austrittspotential haben.

Eine häufig angewandte Maßnahme zur Senkung des Austrittspotentials einer Elektrode ist die Verwendung der vorstehend erwähnten hitzebeständigen Materialien, insbesondere Wolfram, in thorierter Form, d. h., daß das Elektrodenmaterial eine kleine Menge Thoriumoxid, z. B. 1 bis 3 Gew.%, enthält. Das Thoriumoxid Hefen im Betrieb der Lampe geringe Mengen an Thorium, das ein Material mit großer Elektronenemission ist.

Ein Nachteil der erwähnten Elektroden aus thoriertem Wolfram ist, daß die mit diesen Elektroden versehenen Lampen nach einer gewissen Betriebszeit (z. B. nach 500 Brennstunden) einen Mangel an Emissionsmaterial an der Elektrodenspitze aufweisen. Dieser Mangel entsteht durch eine zu geringe Nachlieferung von Thorium aus dem Elektrodenmaterial. Dies wird durch eine bei hoher Temperatur auftretende Rekristallisierung der Elektrodenspitze verursacht, durch die die für Thoriumdiffusion verfügbare Fläche entlang den Kristallkorngrenzen stark herabgesetzt wird. Der Mangel an Emissionsmaterial an der Elektrodenspitze hat zur Folge, daß der Bogen instabil wird, denn er greift an der Stelle auf der Kegelfläche an, an der noch eine hinreichende Nachlieferung von Thorium erfolgt. Auch

an dieser Stelle tritt dann eine Rekri* dosierung auf, wodurch sich der Angriffspunkt wiedc verschiebt. Die erwähnte Instabilität ist sehr störend, nsbesondere bei Verwendung der Lampe zu Projektionszwecken.

Ein weiterer Nachteil von Elektroden aus thoriertem Wolfram besteht darin, daß die Elektrode nur verhältnismäßig wenig Thorium enthalten kann, wodurch die für eine Diffusion .'jr Elektrodenspitze verfügbare Thoriummenge rasch erschöpft wird. Wenn die Menge an Thorium, das für die Elektronenemission effektiv wirksam sein kann, erschöpft ist, nimmt die Temperatur der Elektrode unzulässig hohe Werte an, wodurch die Elektrode verformt wird. Weiter ergibt sich infolge der dabei auftretenden sehr hohen Elektrodentemperatur eine starke Verdampfung von Wolfram, so daß eine starke Schwärzung der Wand des Entladungsgefäßes auftritt. Der erwähnte Nachteil kann dadurch behoben werden, daß an Stelle von Thoriumoxid metallisches Thorium verwendet wird, das in einem Raum in der Elektrode untergebracht ist.

Eine derartige eingangs genannte illektrode ist aus der US-PS 32 63 115 bekannt. Die mit Thorium gefüllte Aussparung in dieser Elektrode ist mittels eines Pfropfens aus Wolfram verschlossen, durch den das Thorium hindurchdiffundiert. Hierfür ist jedoch ein sehr hoher Diffusionsdruck erforderlich, was bedeutet, daß die Elektrode sehr stark erhitzt werden muß.

Aus der GB-PS 8 64 234 ist eine kegelförmige Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen bekannt, deren Kegel mit einem breiten offenen Schlitz versehen ist. Der Zweck des Schlitzes ist es, scharfe Kanten an der Elektrode zu erhalten, wodurch die Entladung mittels einer Hilfsentladung zwischen der Elektrode und einer in ihrer Nähe angeordneten Hilfselektrode leicht gezündet werden kann. Es wird erwähnt, daß die Oberfläche des Schlitzes mit einer Schicht aus Thorium als Emissionsmaterial überzogen sein kann. Es hat sich herausgestel!,, daß mit dieser Elektrode der Nachteil einer instabilen Entladung verbunden ist, weil die Elektrode an der Spitze zwei Punkte hat, auf denen die Entladung wechselweise ansetzen kann. Ferner hat die Elektrode den Nachteil, daß, wenn Thorium verwendet wird, dieses Thorium rasch verdampft und eine Schwärzung des Entladungsgefäßes herbeiführt.

Ähnliches gilt für eine aus der DT-AS 10 53 664 bekannte Lampeneleklrode, deren Aussparung die Form einer kegeligen Vertiefung hat, deren Spitze in eine Bohrung übergeht, welche mit elektronen-emittierendem Stoff gefüllt sein kann.

Die Erfindung bezweckt, eine Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen zu schaffen, die zur Herabsetzung des Austrittspotentials mit einem Vorrat an einem Elektronenemissionsmaterial versehen ist und mit der während der Lebensdauer der Lampe eine stabile Entladung erhalten wird.

Eine Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen eingangs erwähnter Art ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung die Form eines engen Schlitzes hat, der mit der Kegeloberfläche in Verbindung steht und an der Kegelspitze durch eine Preßschweißverbindung geschlossen ist.

Da die Aussparung bei dieser Elektrode an der Kegelspitze praktisch nur zusammengedrückt ist, verbleibt hier ein feiner Kanal zum Hindurchdiffundieren des Thoriums. Die Elektrode nach der Erfindung hat einen Thoriumvorrat, der groß genug ist, um während der ganzen Lebensdauer die Elektrodenspitze mit dem eut Elektronen emittierenden Thorium zu versehen. Die Zufuhr von Thorium zur Elektrodenspitze bei brennender Lampe erfolgt längs der Kristaügrenzen des Elektrodenmaterials. Dabei wird diese Zufuhr vorwiegend in der Richtung nach der Elekirodenspitze geführt, so daß die Lampe während der gesamten Lebensdauer eine stabile Entladung aufweist. Die Preßschweißverbindung bietet eine gute Abschirmung des Thoriumvorrats gegen den Entladungsbogen. Die Elektrode hat den weiteren Vorteil, daß infolge der Schweißverbindung Kristallgrenzen, die im Elektrodenmaterial vorhanden oder durch RekristraUisierung während des Betriebes entstanden sind, eine bevorzugte Richtung zur Elektrodenspitze hin aufweisen. Infolgedessen verläuft die Diffusion von Thorium praktisch ausschließlich in der Richtung nach der Elektrodenspitze. Weiter hat diese Elektrode den Vorteil, daß sie sich während der Herstellung der Lampe gut entgasen läßt, weil der Schlitz und das darin befindliche Thoriummetall mit dem Entladungsraum in Verbindung stehen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Elektrode gemäß der Erfindung hat das Kennzeichen, daß die Breite des Schlitzes mit dem Abstand von der Kegelspilze zunimmt, daß die maximale Breite des Schlitzes mindestens 0,05 mm und höchstens das 0,25-fache des Durchmessers der Kegclgrundflache beträgt und daß die Tiefe des Schlitzes gleich dem 4-fachen bis 50-fachen der maximalen Breite des Schlitzes ist.

Vorzugsweise beträgt die maximale Breite des Schlitze;: höchstens das 0,10-fache des Durchmessers der Kegelgrundfläche, während die Tiefe des Schlitzes einen Wert zwischen dem 15-fachen und dem 25-fachen der maximalen Breite hat.

Als Material für die Elektrode bei einer Lampe gemäß der Erfindung wird vorzugsweise Wolfram oder eine als Hauptelement Wolfram entahltende Legierung verwendet, weil diese Materialien hohe Temperaturen vertragen können. Die erwähnten Materialien können auch in thorierter Form verwendet werden.

Eine Elektrode gemäß der Erfindung wird vorzugsweise gemäß einem Verfahren nach der Erfindung hergestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein zylindrischer Stab oder Draht aus einem hochschmelzenden Metall an einem Ende mit einem rechteckigen Schlitz versehen wird, der auf der Achse des Stabes oder Drahtes liegt und sich in radialer und axialer Richtung bis zur Außenoberfläche des Stabes oder Drahtes erstreckt, und daß der Schlitz ganz oder teilweise mit metallischem Thorium gefüllt wird, wonach er mittels einer Preßschweißverbindung am Ende des Stabes oder Drahtes geschlossen wird, worauf das Ende schließlich, z. B. durch Schleifen, kegelförmig gestaltet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 die Elektrode in einer Kurzbogengasentladungslampe,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab die als Kathode dienende Elektrode der Lampe nach Fig. 1.

Die Lampe nach F i g. 1 ist eine Kurzbogenxenonentladungslampe, die im Betrieb eine Leistung von etwa 1600 Watt aufnimmt. Die Lampe ist als Gleichstromlampe ausgeführt und enthält innerhalb des mit Xenon gefüllten Entladungsgefäßes 1 aus Quarzglas einen Anodenkörper 2 aus Wolfram, der an der vakuumdicht herausgeführten Stromzuleitung 3 auf Wolfram befestigt ist. Die Kathode ist mit 4 bezeichnet und besteht aus einem zylindrischen Stab mit einem Durchmesser

von 3 mm.

Der Stab 4 besteht aus Wolfram, das einige Prozente Thoriumoxid enthält. Die Elektrode 4 hat ein kegelförmiges Ende 5 und ist mit einem Schlitz 6 versehen. Dieser Schlitz 6 ist an der Spitze geschlossen und enthält einen Thoriummetallvorrat.

F i g. 2 zeigt die Kathode der Lampe der F i g. 1 in stark vergrößertem Maßstab im Schnitt. Die zylindrische Kathode 11 aus thoriertem Wolfram hat einen kegelförmigen Endteil 12. Das Ende der Kathode weist eine Aussparung 14 auf, die durch Ausschleifen eines rechteckigen Schlitzes erzeugt worden ist. Dieser Schlitz ist teilweise mit einer Thoriumplatte 15 ausgefüllt. Der Schlitz ist durch eine Punktschweißverbindung 16 am Ende geschlossen. Infolge dieser

Punktschweißung hat der Schlitz eine Breite, die mit dem Abstand von der Spitze zunimmt. Die Elektrodenspitze 13 wird im Betrieb der Lampe mit Thoriummetall versehen, das aus dem Thoriumvorrat 15 herrührt und zwar durch Diffusion im wesentlichen längs der Kristallebenen, z. B. längs der Punktschweißebene 16. die sich in der Richtung zur Spitze 13 erstrecken. Die Kegelgrundfiäche der Kathode 11 hat einen Durchmesser von 3 mm. Der Schlitz 14 hat eine Tiefe von etwa 3 mm und eine maximale Breite von etwa 0,15 mm. Es stellt sich heraus, daß eine Lampe von der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Bauart während ihrer ganzen Lebensdauer (etwa 2000 Brennstunden) eine stabile Entladung hat.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrode für Kurzbogengasentladungslampen, die aus hochschmelzendem Metall besteht, deren der Entladung zugekehrtes Ende kegelförmig ist und die eine auf der Kegelachse liegende Aussparung besitzt, in der sich eine Thoriummetallmenge befindet, wobei im Betrieb der Lampe der Transport von Thoriummetall zur Kegelspitze im wesentlichen durch Diffusion durch das Elektrodenmaterial hindurch erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (14) die Form eines engen Schlitzes hat, der mit der Kegeloberfläche in Verbindung steht und an der Kegelspitze (13) durch eine Preßschweißverbindung (16) geschlossen ist.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Schlitzes (14) mit dem Abstand von der Kegelspitze (13) zunimmt, daß die maximale Breite des Schlitzes mindestens 0,05 mm und höchstens das 0,25-fache des Durchmessers der Kegelgrundfläche beträgt und daß die Tiefe des Schlitzes gleich dem 4-fachen bis 50-fachen der maximalen Breite des Schlitzes ist.

3. Elektrode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Breite des Schlitzes (14) höchstens das 0,10-fache des Durchmessers der Kegelgrundfläche beträgt und daß die Tiefe des Schlitzes gleich dem 15- bis 25-fachen der maximalen Breite ist.

4. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelförmige Ende (12) der Elektrode (11) aus Wolfram oder aus einer Legierung, die als Hauptelement Wolfram enthält, oder aus diesen Materialien in thorierter Form besteht.

5. Verfahren zur Herstellung einer Elektrode nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zylindrischer Stab oder Draht aus einem hochschmelzenden Metall an einem Ende mit einem engen rechteckigen Schlitz versehen wird, der auf der Achse des Stabes oder Drahtes liegt und sich in radialer und axialer Richtung bis zur Außenoberfläche des Stabes oder Drahtes erstreckt, und daß der Schlitz ganz oder teilweise mit metallischem Thorium gefüllt wird, wonach er mittels einer Preßschweißverbindung am Ende des Stabes oder Drahtes geschlossen wird, worauf das Ende schließlich, z. B. durch Schleifen, kegelförmig gestaltet wird.