專利名稱：包括氧化物發(fā)射極電極的氣體放電燈的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體放電燈，尤其是低氣壓氣體放電燈，其電極包括一支架和由能發(fā)射電子的材料構(gòu)成的涂層，所述材料包括從由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組中選出的一種堿土金屬氧化物和一種稀土金屬的氧化物。
氣體放電燈中光的發(fā)生基于當(dāng)電流流過燈時(shí)燈中填充氣體的原子離子化，是放電的結(jié)果。燈的電極發(fā)射電子，電子被電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)烈地加速，在與氣體原子撞擊時(shí)，能夠使氣體原子激活和離子化。當(dāng)氣體原子返回基態(tài)時(shí)，或者在電子和離子復(fù)合時(shí)，能量的相當(dāng)大的部分會(huì)或多或少地轉(zhuǎn)換為輻射。
電極能夠發(fā)射的電子數(shù)量依賴于電極的電子功函數(shù)。通常用作電極材料的鎢具有較高的功函數(shù)。為此，電極的金屬通常涂覆一層材料用于改善電極材料的電子發(fā)射性質(zhì)。通常氣體放電燈的電極的電子發(fā)射涂層材料包括堿土金屬，以堿土金屬氧化物的形式或用于形成堿土金屬氧化物的包含堿土金屬的起始化合物(前體)的形式存在。
因此，普通低氣壓氣體放電燈通常具有由鎢絲和含有堿土金屬鈣、鍶和鋇的氧化物的電子發(fā)射涂層組成的電極。
為制造這種電極，例如，用粘結(jié)劑形式的堿土金屬的碳酸鹽涂覆鎢絲。在抽空和烘焙的燈過程中，在約1000℃的溫度碳酸鹽轉(zhuǎn)換為氧化物。在電極的這種“燒結(jié)(burn off)”之后，電極已能提供顯著的發(fā)射電流，但電流仍不穩(wěn)定。接下來(lái)實(shí)施激活工序。經(jīng)過激活工序后，堿土氧化物的原來(lái)不導(dǎo)電的離子晶格轉(zhuǎn)換為電子學(xué)的半導(dǎo)體。在此工序中，施主型的雜質(zhì)融入氧化物的晶格中。這些晶格雜質(zhì)主要由基本的堿土金屬例如鈣、鍶或鋇組成。這種電極的電子發(fā)射基于這種晶格雜質(zhì)的機(jī)制。激活工序用于提供足夠數(shù)量的過量的基本堿土金屬，使得電子發(fā)射涂層中的氧化物能在預(yù)定的加熱能力下提供盡可能多的發(fā)射電流。
至于這些電極的功函數(shù)和燈的壽命，重要的是保持始終有基本的堿土金屬。其原因在于在燈的壽命過程中，電極涂層不斷地?fù)p失堿土金屬，這部分由于堿土金屬的緩慢蒸發(fā)而造成，部分是由于電極涂層被燈的離子電流所濺射掉而造成的。
在燈的工作過程中，由于鎢絲處堿土金屬氧化物的減少，基本的堿土金屬在開始時(shí)連續(xù)地減少。但當(dāng)隨著時(shí)間的推移，鎢絲被氧化鎢、堿土金屬硅酸鹽或堿土金屬鎢酸鹽的高阻性界面所鈍化時(shí)，這種減少會(huì)停止。
DE 1021482揭示了一種制造低氣壓氣體放電燈的氧化物陰極的方法，其激活物質(zhì)由氧化鋇、氧化鍶和氧化鈣的混合物和不活潑添加劑組成，上述氧化物在陰極的激活過程中通過熱解用作起始材料的堿土金屬硅酸鹽而形成，上述不活潑添加劑由如下元素的至少一種的氧化物組成鈦、鍺、鋁和周期表的其它III族元素，尤其是稀土元素，它們被添加到堿土金屬碳酸鹽混合物中，添加的量為使得完全激活的陰極中添加的氧化物的總量不超過所使用的堿土氧化物的最小量，通過加熱到低于1000℃的溫度，優(yōu)選地800℃-900℃來(lái)激活陰極。該方法的優(yōu)點(diǎn)是碳酸鹽在低溫下快速分解和燈中不含碳酸。
本發(fā)明的目的是提供具有延長(zhǎng)的壽命和改善的發(fā)射電流的氣體放電燈。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過包含由電極金屬支架和第一電子發(fā)射材料的第一涂層的組成的電極的氣體放電燈而實(shí)現(xiàn)，所述電極金屬選自由鎢和含鎢合金組成的組，第一電子發(fā)射材料包括選自由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組的堿土金屬氧化物和選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組的稀土金屬氧化物，其含量a在0.1-10％wt。
在這種氣體放電燈中，電極材料的鈍化被減少了，因此可以在更長(zhǎng)的時(shí)期從氧化物中釋放堿土金屬且電極的功函數(shù)保持為低。這導(dǎo)致了燈的點(diǎn)火階段更短。在同樣的時(shí)間，添加量在0.1-10％wt、選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組的稀土金屬氧化物的添加降低了基本堿土金屬的蒸發(fā)，因此獲得了更長(zhǎng)的壽命。在燈的整個(gè)壽命中，電極具有高的初始發(fā)射和保持了足夠的基本堿土金屬。保持具有足夠的基本堿土金屬還對(duì)氧中毒有高抵抗性。
如果在支架和第一涂層之間布置有第二電子發(fā)射材料，則能增強(qiáng)上述有利的效應(yīng)，所述第二電子發(fā)射材料包括選自由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組的堿土金屬氧化物和選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組的稀土金屬氧化物，其含量b在2.0-20％wt。
在含量a＜含量b時(shí)能夠獲得特別有利的效果。
還可優(yōu)選的是在支架和第一涂層之間提供第三涂層，所述第三涂層包括選自由錸、鈷、鎳、釕、鈀、銠、銥和鉑組成的組的貴重金屬。這種氣體放電燈具有縮短的點(diǎn)火階段，這種燈中包含的電極具有改善的電導(dǎo)率。
進(jìn)一步優(yōu)選的是第一電子發(fā)射材料包括氧化鋯。還可優(yōu)選的是第二電子發(fā)射材料包括氧化鋯。
還可優(yōu)選的是第一電子發(fā)射材料包括選自由鋁、硅、鈦、鋯、鉿、鉭、鉬、鎢及其合金組成的組的一種金屬粉末配置品，該金屬粉末配置品含有涂覆了選自錸、鈷、鎳、釕、鈀、銠、銥和鉑組成的組的貴重金屬的粉末。
本發(fā)明的這些和其它方面通過參考下述的一個(gè)附圖和四個(gè)實(shí)施例將變得明顯和易懂。
在附圖中

圖1概略地表示熒光燈中光的發(fā)生。
氣體放電燈可以分為低氣壓燈和高氣壓燈。它們的區(qū)別在于它們穩(wěn)定放電的方式不同。圖1以舉例的方式表示帶有汞填充劑的低氣壓放電燈，即熒光燈。這種氣體放電燈包括桿形、環(huán)形或U形玻璃管1。在管的端部是電極2。雙針封帽3用于連接。玻璃管的內(nèi)表面帶有磷光層4，其化學(xué)成分決定了光譜或光的顏色。除了氬的惰性氣體填充劑之外，玻璃管中還包含少量的汞或汞蒸汽，當(dāng)在工作條件下使其發(fā)光時(shí)，其在紫外區(qū)域的253.7nm波長(zhǎng)處發(fā)射Hg共振線。發(fā)射的UV光激發(fā)磷光層中的磷，使其發(fā)射可見光區(qū)的光5。
所述燈還包括用于點(diǎn)火和工作的裝置，例如熒光燈鎮(zhèn)流器和起動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明的放電燈包括電子發(fā)射電極，其包括一個(gè)電極金屬的支架和含有電子發(fā)射材料的第一涂層。
電極金屬的支架通常由鎢或鎢合金制成，可能帶有鉬芯。支架可以是線形、線圈形、螺線形、波浪形、管形、環(huán)形、板形或帶形。支架通常用流過的電流直接加熱。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電極金屬的支架還可以帶有選自由錸、鈷、鎳、釕、鈀、銠、銥和鉑組成的組的貴重金屬的涂層。優(yōu)選地，該涂層是0.1-2μm厚的銥層或錸層。
用于第一涂層的電子發(fā)射物質(zhì)的原材料施加到支架上。為制備該涂層的原材料，選自鈣、鍶和鋇組成的組的堿土金屬的碳酸鹽與在0.1-10％wt范圍內(nèi)的數(shù)量a的稀土金屬氧化物混合，所述稀土金屬氧化物選自氧化鈧、氧化釔和氧化物銪組成的組。碳酸鈣∶碳酸鍶∶碳酸鋇的重量百分比通常為1∶1.25∶6、1∶12∶22、1∶1.5∶2.5或1∶4∶6。
或者，通過一起沉淀制備堿土金屬氧化物和稀土金屬氧化物的混合物，其中稀土金屬的水溶性化合物加入到堿土金屬氮化物的溶液中，之后通過加入碳酸鈉沉淀得到堿土金屬碳酸鹽和稀土金屬氧化物。
電子發(fā)射材料可以進(jìn)一步包括其它成分，例如氧化鋯。
另外，在電子發(fā)射材料中可以加入選自由鋁、硅、鈦、鋯、鉿、鉭、鉬、鎢及其合金組成的金屬組的一種金屬粉末和帶有銥、錸、銠、鉑、鈀、鎳和鈷的粉末涂層的選自錸、銠、鈀、銥和鉑組成的組中的一種金屬。優(yōu)選地，所用的金屬粉末的平均顆粒尺寸為2-3μm，帶有0.1-0.2μm厚的粉末涂層。對(duì)于粉末涂層方法，可以使用CVD方法，例如流化床CVD。這種涂層的金屬粉末可以加入到原材料中。
所述原材料還可以和粘結(jié)劑混合。然后可以通過刷、滴涂、電泳淀積和噴灑施加到支架上。
第二電子發(fā)射材料的第二電極涂層可以布置在支架和第一電極涂層之間，所述第二電子發(fā)射材料包括選自由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組的堿土金屬氧化物和選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組中的稀土金屬氧化物，其含量b在2.0-20％wt。
而且，第二電子發(fā)射材料還可以包含氧化鋯或選自由鋁、硅、鈦、鋯、鉿、鉭、鉬、鎢及它們與選自錸、鈀、銠、銥和鉑中的一種金屬的合金組成的金屬組的一種金屬粉末，帶有銥、錸、銠、鉑、鈀、鎳和鈷的粉末涂層。
涂層電極在燈的端部密封。在抽空和填充燈的過程中激活電極。通過直接流過電流將電極線加熱到1000℃-1200℃之間的溫度。在該溫度，堿土金屬碳酸鹽轉(zhuǎn)換為堿土金屬氧化物，同時(shí)釋放CO和CO2，然后形成多孔的燒結(jié)體。在電極的“燒結(jié)”之后，執(zhí)行第二激活工序，其用于將過量的元素鋇插入氧化物中。所述過量的鋇通過還原氧化鋇而實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的還原激活工序中，通過釋放CO或通過支架金屬來(lái)還原氧化鋇。此外，執(zhí)行電流激活工序，以在高溫下通過電解工藝獲得需要的自由鋇。
在燈的工作過程中，由于在焦點(diǎn)處的離子轟擊導(dǎo)致的氧化物蒸發(fā)很緩慢。
例1三線圈的鎢絲用層厚1.0μm的銥涂覆。對(duì)于電子發(fā)射涂層，在1.6∶1.25∶1比例的BaCO3∶SrCO3∶CaCO3構(gòu)成的三元碳酸鹽混合物中加入平均顆粒尺寸2μm的3wt％的氧化鍶粉末和3wt％的金屬鋯，之后它們與醋酸丁酯和硝酸纖維素混合并加工。該懸濁液刷在涂層的鎢絲上，之后將所述鎢絲插入燈泡中并加熱到1000℃。
當(dāng)電極被烘焙時(shí)，堿土金屬的碳酸鹽轉(zhuǎn)換成它們的氧化物，金屬鋯轉(zhuǎn)換成氧化鋯。在此烘烤步驟之后，可以執(zhí)行激活工序。
這種燈具有長(zhǎng)的壽命，短的點(diǎn)火階段，低至1.42eV的功函數(shù)，并且其電導(dǎo)率改善了2倍。
例25wt％的氧化鈧與22∶12∶1比例的BaCO3∶SrCO3∶CaCO3構(gòu)成的三元碳酸鹽混合，之后混合物懸浮在醋酸丁酯和硝酸纖維素中并刷在雙線圈鎢絲上，之后將所述鎢絲插入燈泡中并加熱到1000℃。在此烘烤步驟之后，可以執(zhí)行激活工序。
例3
3wt％的平均顆粒直徑2.5μm的氧化釔粉末與2.5∶1.5∶1比例的BaCO3∶SrCO3∶CaCO3構(gòu)成的三元碳酸鹽混合，之后混合物懸浮在醋酸丁酯和硝酸纖維素中并刷在雙線圈鎢絲上，之后將所述鎢絲插入燈泡中并加熱到1000℃。在此烘烤步驟之后，可以執(zhí)行激活工序。這種燈的特征在于更長(zhǎng)的壽命和更高的抗毒性。
例4從通過一起沉淀與0.02wt％的氧化銪粉末混合的6∶4∶1比例的BaCO3∶SrCO3∶CaCO3構(gòu)成的三元碳酸鹽，和進(jìn)一步從平均顆粒直徑4.0μm的3wt％氧化銪，制備電子發(fā)射物質(zhì)。將混合物懸浮在醋酸丁酯和硝酸纖維素中并刷在三線圈鎢絲上，之后將所述鎢絲插入燈泡中并加熱到1000℃。在此烘烤步驟之后，可以執(zhí)行激活工序。這種燈的特征在于更長(zhǎng)的壽命，更高的抗毒性，和能以可靠的方式承受快速連續(xù)的開關(guān)操作。
權(quán)利要求
1.一種包括電極的氣體放電燈，所述電極包括選自由鎢或含鎢的合金組成的組中的一種電極金屬的支架和第一電子發(fā)射材料的第一涂層，所述電子發(fā)射材料包括選自由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組的堿土金屬氧化物和選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組的稀土金屬氧化物，其含量a在0.1-10wt％范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體放電燈，特征在于在支架和第一涂層之間布置第二電子發(fā)射材料的第二涂層，所述第二電子發(fā)射材料包括選自由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組的堿土金屬氧化物和選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組的稀土金屬氧化物，其含量b在2.0-20％wt范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體放電燈，特征在于含量a＜含量b。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體放電燈，特征在于在支架和第一涂層之間提供第三涂層，所述第三涂層包括選自由錸、鈷、鎳、釕、鈀、銠、銥和鉑組成的組的貴重金屬。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體放電燈，特征在于第一電子發(fā)射材料包括氧化鋯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體放電燈，特征在于第二電子發(fā)射材料包括氧化鋯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的氣體放電燈，特征在于第一電子發(fā)射材料包括選自由鋁、硅、鈦、鋯、鉿、鉭、鉬、鎢及其合金組成的組中的一種金屬的金屬粉末配置品，該金屬粉末配置品含有選自錸、鈷、鎳、釕、鈀、銠、銥和鉑組成的組中的貴重金屬的粉末涂層。
全文摘要
一種包括電極的氣體放電燈,所述電極包括選自由鎢或含鎢的合金組成的組中的一種電極金屬的支架和第一電子發(fā)射材料的第一涂層,所述電子發(fā)射材料包括選自由氧化鈣、氧化鍶和氧化鋇組成的組的堿土金屬氧化物和選自由氧化鈧、氧化釔和氧化銪組成的組的稀土金屬氧化物,其含量a在0.1—10wt%,所述放電燈的特征在于更長(zhǎng)的壽命,更高的抗毒性,和能以可靠的方式承受快速連續(xù)的開關(guān)操作以及較短的點(diǎn)火階段。
文檔編號(hào)H01J61/067GK1298197SQ0013447
公開日2001年6月6日 申請(qǐng)日期2000年11月25日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月29日
發(fā)明者G·格爾特納, W·范登赫克 申請(qǐng)人:皇家菲利浦電子有限公司