Катод газоразрядных ламп

ОП ИСАНИЕИЗЬБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ3) УДК 621.385. .032.213 (088.8 Опубликован Бюллетеньделам нэобретеннй и открытий Дата опубликования описания 28.0 Ю. И. Иванов, В. Ф. Соловьев Колчиарел Д. Доронькин, Ю. М. Королев, О. П(54) КАТОД ГА ико. шими 2. Н го воль аторе, 3 тода, п лампы даются няя тер пе раст стота порошкообразночие пористости в ради- удаление газов из каделению в атмосферу римесей, которые осаж. арцевой колбы. Последсть, температура в ламодит из строя. евысокая чи фрама и нали атрудняющей риводят к вь посторонних п на станках кв яет прозрачно ет и она вых Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в газоразрядных устройствах, в частности в коеноновых лампах сверхвысокого давления с короткой дугой, работающих на постоянном токе.Известны катоды газоразрядных короткодуговых ламп, состоящие из сплошного стержня с конической формой рабочего конца, для изготовления которых применяют прутки из вольфрама с эмиссионноактивными присадками окислов тория, лантана, ит трия и др. 1.Размеры катодов определяются мощностью дуги и должны обеспечивать необходимые условия охлаждения, поддерживая температуру на уровне 2400 - 2800 С. Поэтому для мощных ламп необходимы катоды большого диаметра (свыше 10 мм).Наиболее близким по технической сущности является комбинированный катод газоразрядных ламп, состоящий из вольфрамового керна с присадками тугоплавких окислов, на наружной поверхности которого укреплен коаксиальный радиатор из пористого вольфрама. Плотность радиатора составляет 17,0 - 18,2 г/см, что соответствует 88 - 94% от теоретической, а чистота вольфрама в радиаторе не превышает 99,7 вес. %. Радиатор изготавливают напрессовыван ем на наружную поверхность керна порош образного вольфрама и затем подвергают спеканию 12.Известный катод обладает следую недостатками:1. Пористый радиатор катода состоит из частиц вольфрамового порошка, площадь контакта которых между собой и с керном мала (контакт в точках). Это приводит к скалыванию радиатора при обработке катода до нужной конфигурации вследствие низкой прочности радиатора. Брак по этой причине достигает -30%.3. Радиатор состоит из беспорядочно ориентированных кристаллов вольфрама. В результате на поверхность, обращенную в сторону противоположного электрода, выходят как плотно упакованные, так и слабо упакованные кристалл ографические плоскости. Последние обладают низкой работой выхода электронов и участвуют в поддержании разряда, расширяя его и снижая его светоотдачу. Этот эффект усиливается благодаря наличию пористости в радиаторе, которая способствует поверхностной диффузии и переконденсации окиси тория из керна в периферийные области. Кроме того, в этом случае происходит быстрое обеднение керна двуокисью тория, что повышает эрозию электрода и сокращает срок службы лампы. Цель изобретения - снижение брака при изготовлении ламп, увеличение срока их службы и стабилизация светового потока.Указанная цель достигается тем, что в катоде газоразрядной лампы, состоящем из вольфрамового керна с присадками тугоплав. ких окислов, на наружной поверхности которого укреплен коаксиальный радиатор из пористого вольфрама, радиатор выполнен из газофазного вольфрама с плотностью 98 - 99,99% от теоретической.Кроме того, радиатор выполнен из вольфрама с содержанием примесей, не превышающим предел их растворимости в вольфра. ме при рабочих температурах катода. Для катодов с конической формой рабочего конца радиатор выполняется текстурированным с преимущественным расположением кристаллографической оси (100) по радиусу.На чертеже изображен катод газоразрядной лампы, общий вид.Катод состоит из вольфрамового керна 1 с присадками тугоплавких окислов и радиатора 2 из плотного вольфрама.Повышение плотности радиатора до 98 - 99,99% от теоретической приводит к значительному увеличению площади контакта между отдельными кристаллитами вольфрама, В результате прочность межзеренных границ возрастает настолько, что при обработке радиатора резанием происходит не отделение зерен вольфрама друг от друга (как в известном радиаторе), а разрушение происходит по объему кристаллитов. Прочность радиатора в целом резко возрастает и брак при обработке катодов снижается, При плотности вольфрама менее 95% от теоретической принципиально меняется характер разрушения при обработке резанием. Разрушение происходит в основном по границам зерен, площадь контакта которых мала, что приводит к снижению прочности радиатора и увеличению брака при обработке. При увеличении плотности радиатора из вольфрама от 95 до 98% от теоретической происходит по 2 О и зо зз ао 45 55 степенное изменение схемы разрушения при резании от межзеренного к разрушению по объему кристалла. Повышение плотности выше 99,99% от теоретической становится экономически неоправданным.Для уменьшения усилий, развиваемых при резании плотного вольфрама, и дополнительного снижения брака при обработке катодов до требуемой конфигурации, необходимо чтобы содержание примесей в вольфрамовом радиаторе было ниже предела их растворимости в вольфраме при рабочих температурах катода, что соответствует чис. тоте вольфрама более 99,95%. Если концентрация примесей превышает предел их растворимости, то они образуют в объеме металла характерные фазы карбидов, силицидов, боридов и т. д., которые увеличивают твердость вольфрама и его хрупкость. В результате возрастают усилия при резании и соответственно брак при обработке катодов. В результате сочетания двух рассмотренных признаков (плотность радиатора 98 - 99,99% от теоретической и содержание примесей ниже предела их растворимости) брак при обработке катодов снижается до - 5%, в то время как для известного технического решения он достигал 30%.Сочетание рассмотренных выше двух признаков одновременно обеспечивает увеличение срока службы лампы за счет снижения испаряемости примесей из катода. В случае, когда примесь растворяется в вольфраме, скорость ее испарения (Ъи,) пропорциональна мольной доле примеси в растворе (Хпр) и выражается уравнениемаисп - К 11 прРпргде К - константа;оР - давление насыщенного над примесью, когда она присутствует как самостоятельная фаза. Эта величина возрастает с увеличением тем.пературы.Присутствие примесей в виде раствора в вольфраме при содержании менее 0,05% обеспечивает низкую скорость ее испарения из катода. Если же примесь присутствует в количествах, превышающих ее растворимость в вольфраме при рабочих температурах катода, она образует самостоятельную фазу (т, е. Ыпр - 1) и скорость испарения возврастает на несколько порядков. Далее, повышение плотности радиатора увеличивает его теплопроводность (по сравнению с известным), т. е. улучшает отвод тепла и снижает его температуру. В результате снижается величина Рр и, следовательно, скорость испарения примесей.Преимущественное расположение кристаллографической оси (100) вольфрама по радиусу радиатора при образовании конической формы рабочего конца электрода с углом при вершине 60 - 120 приводит к выводу на поверхность, обращенную в сторонуФормула изобретения другого электрода, преимущественно плотно упакованных кристаллографических плоскостей вольфрама, обладающих высокой работой выхода электродов. В результате не происходит расширение разряда и повышается светоотдача ламп. Однако кристаллографические плоскости с высокой плотностью упаковки атомов одновременно обладают повышенной способностью адсорбировать эмиссионно-активные присадки (ТЮг, УгОе, 1.агО, и др.), которые способствуют поддержанию разряда. Поэтому для эффективной работы плотноупакованных плоскостей вольфрама, необходимо резко затормозить диффузию присадок из керна в радиатор, что достигается в результате использования радиатора высокой плотности (98 - 99,99 О/О от теоретической). В этом случае исключается самый интенсивный вид диффузии - поверхностная диффузия. Следующий по интенсивности вид диффузии - граничная диффузия на 1 - 3 порядка медленнее поверхностной диффузии. Таким образом, повышение светоотдачи ламп достигается в результате совокупного использования трех признаков, а именно конической формы рабочего конца катода, расположения кристаллографической оси (100) вольфрама в радиаторе преимущественно по радиусу, плотности радиатора из вольфрама 98 - 99,99/о от теоретической.Пример. На керне из вольфрама марки ВТдиаметром 6 мм образован коаксиальный радиатор толщиной 3 мм из вольфрама с радиальной текстурой (100), плотностью 19,3 г/см и чистотой -99,97 О/о.Формирование радиатора производилось путем нагревание керна до 750 й 50 С в токе водорода и последующего пропускания газообразной смеси гексафторида с водородом вдоль нагретой поверхности керна. Для получения плотного прочно сцепленного с керном осадка вольфрама с указанной выше текстурой газовая смесь в начале процесса состояла из 35 + 5% мольных %Ге и 65 + 5% мольных водорода. Через 10 - 20 мин после начала процесса температура керна снижалась до 550+ 50 С, а содержание %Ге в газовой смеси - до 20+ 5% мольных (остальное водород). Процесс осаждения продолжался 6 ч. 5 1 О 15 2 О 25 зо 35 40 45 Полученный стержень диаметром 12 мм обрабатывали на токарном станке до требуемых размеров катода с конической формой рабочего конца.Катоды испытывали в ксеноновых короткодуговых лампах сверхвысокого давления мощностью 5 кВт в течение 500 ч. Спад светового потока за весь период испытаний составил 11,2 - 19% и лампы продолжали работать. Эрозия катода за весь ресурс работы составила менее 0,5 мм.Аналогичные испытания с использованием катодов известной конструкции показали, что продолжительность работы ламп не превышает 400 ч, при этом спад светового потока достигал 40%, а эрозия катода составляла более 1,5 мм. 1. Катод газоразрядных ламп, состоящий из вольфрамового керна с присадками тугоплавких окислов, на наружной поверхности которого укреплен коаксиальный радиатор из пористого вольфрама, отличающийся тем, что, с целью снижения брака при изготовлении, радиатор выполнен из газофазного вольфрама с плотностью 98 - 99,99 О/, от теоретической.2. Катод по п. 1, отличающийся тем, что, с целью увеличения срока службы лампы, радиатор выполнен из вольфрама с содержанием примесей ниже предела их растворимости в вольфраме при рабочих температурах катода.3. Катод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью повышения светоотдачи лампы, рабочий конец катода выполнен коническим с углом при вершине 60 - 120, а радиатор - текстурированным с преимущественным расположением кристаллографической оси (100) по радиусу. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Амосов В. М. и др. Электродные материалы на основе тугоплавких металлов. М., Металлургия, 1976, с. 181 - 187.2. Патент США Мо 3231331, кл. 313 - 347, опублик. 1966 (прототип).Составитель Г. Жукова Редактор В, Иванова Техред А. Бойкас Корректор Г. Решетник Заказ 12192/69 Тираж 757 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4