CH649653A5

CH649653A5 - FLUORESCENT TUBE WITH CATHODES SURROUNDED BY A CATHODE SHIELD.

Info

Publication number: CH649653A5
Application number: CH8265/80A
Authority: CH
Inventors: Ake Dipl-Ing Bjoerkman
Original assignee: Lumalampan Ab
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1985-05-31
Also published as: AU6570480A; BE886030A; NO812294L; DE8029380U1; PL132221B1; DK158177C; CS250206B2; NO153946C; CA1150340A; AU543221B2; SU1218936A3; IT1134172B; FI812128L; IT8025764A0; DK296081A; FI68928C; RO81624A; DE3041548C2; ES263202Y; GB2077033B

Description

Die Erfindung betrifft eine Leuchtstoffröhre mit an den Enden eines länglichen Entladungsraumes fest angeordneten Kathoden, die von elektrisch isolierten Kathodenschirmen aus elektrisch leitendem Material umgeben sind. The invention relates to a fluorescent tube with fixedly arranged at the ends of an elongated discharge space cathodes, which are surrounded by electrically insulated cathode screens made of electrically conductive material.

Die Lebensdauer einer Leuchtstoffröhre, gemessen in Brennstunden, wird in der Hauptsache durch die Lebensdauer ihrer Kathoden bestimmt. Sobald die Kathoden einen gewissen Teil ihres aus Erdalkalioxiden bestehenden Emissionsoxids verloren haben, nimmt ihre Fähigkeit zur Elektronenemission in einem solchen Masse ab, dass sich die Leuchtstoffröhre entweder nicht in Betrieb setzen lässt oder auch in eine «Blinkphase» gerät, bei der das restliche Emissionsoxid schnell zerstäubt wird. The lifespan of a fluorescent tube, measured in burning hours, is mainly determined by the lifespan of its cathodes. As soon as the cathodes have lost a certain part of their emission oxide consisting of alkaline earth oxides, their ability to emit electrons decreases to such a degree that the fluorescent tube either does not start up or gets into a "blinking phase" in which the remaining emission oxide quickly is atomized.

Es ist bekannt, dass in den Mischkristallen des Emissionsoxids gelöstes überschüssiges Barium den Erdalkalioxiden Halbleiter-Eigenschaften verleiht und die Austrittsarbeit der Elektronen vermindert. Dieses überschüssige Barium wird durch eine chemische Reaktion zwischen Bariumoxid und Wolfram nach folgender Formel gebildet: It is known that excess barium dissolved in the mixed crystals of the emission oxide imparts semiconductor properties to the alkaline earth oxides and reduces the work function of the electrons. This excess barium is formed by a chemical reaction between barium oxide and tungsten using the following formula:

6 BaO + W ^ Ba3WOô + 3 Ba 6 BaO + W ^ Ba3WOô + 3 Ba

Das entstandene Bariumwolframat bildet während der Lebensdauer der Kathoden eine Zwischenschicht zwischen dem Wolfram und dem eigentlichen Emissionsoxid, während Barium kontinuierlich dampfförmig durch das Oxid hindurchgeht. The barium tungstate formed forms an intermediate layer between the tungsten and the actual emission oxide during the life of the cathodes, while barium continuously passes through the oxide in vapor form.

Die Bariumwolframat-Schicht bewirkt eine Dämpfung der Reaktion nach obenstehender Formel, das heisst sie vermindert die Bindung von Barium. Die Folge davon ist, dass bei kontinuierlichem Brennen eine normale Leuchtstoffröhre erst nach etwa 30000 Stunden das Barium restlos verdampft. Die Beanspruchungen der Kathoden beim Einschalten sind jedoch so hoch, dass die Lebensdauer bei normaler Anwendung der Leuchtstoffröhre um den Faktor 2-3 reduziert wird, das heisst um eine durchschnittliche Einschaltdauer von jeweils 2 bis 3 Stunden. The barium tungstate layer dampens the reaction according to the above formula, that is, it reduces the binding of barium. The consequence of this is that with continuous burning, a normal fluorescent tube only completely evaporates the barium after around 30,000 hours. However, the stresses on the cathodes when they are switched on are so high that the service life is reduced by a factor of 2-3 with normal use of the fluorescent tube, i.e. by an average switch-on time of 2 to 3 hours each.

Der Verlust des als Emissionsstoff dienenden Kathodenmaterial und die damit verbundene Verkürzung der Lebensdauer werden grundsätzlich durch drei verschiedene Vorgänge verursacht, und zwar The loss of the cathode material serving as an emission substance and the associated shortening of the service life are basically caused by three different processes, namely

1. Abtransport von Emissionsoxid infolge Beschüsses mit Ionen, besonders im Zusammenhang mit zu niedriger Kathodentemperatur; 1. Removal of emission oxide as a result of bombardment with ions, especially in connection with the cathode temperature being too low;

2. Verdampfen des Emissionsoxids und 2. Evaporation of the emission oxide and

3. chemische Reaktionen zwischen dem Emissionsoxid und gasförmigen Verunreinigungen in der Leuchtstoffröhre. 3. chemical reactions between the emission oxide and gaseous impurities in the fluorescent tube.

Bei der Konstruktion einer Leuchtstoffröhre für ausserordentlich lange Lebensdauer in Verbindung mit einer beachtlichen Anzahl von Zünd- und Löschvorgängen müssen diese drei Ursachen beachtet werden. When designing a fluorescent tube for an extremely long service life in connection with a considerable number of ignition and extinguishing processes, these three causes must be taken into account.

Abtransport von Emissionsstoff infolge Beschüsses mit Ionen setzt grundsätzlich voraus, dass kein Atom, das die Kathodenoberfläche verlässt, jemals zur Kathode zurückkehrt. Das ist jedoch nur im Vakuum der Fall. In Wirklichkeit ist die Kathode in einer normalen Röhrenkonstruktion von einer Edelgasatmosphäre mit einem Druck von etwa 2,5 • 102 Pa umgeben. Aus diesem Grund ist die freie, mittlere Bewegungsstrecke der von der Oberfläche losgelösten Atome und Moleküle bedeutend kürzer als die Entfernung zwischen der Kathode und der Röhrenwand. Daraus ergibt sich, dass viele von den losgelösten Atomen und Molekülen zurückgeworfen werden und wieder auf die Kathodenoberfläche fallen, was eine wesentliche Verminderung des Stoffverlustes bewirkt. Diese Verminderung ist jedoch unzulänglich, wenn es sich um Kathoden für langlebige Leuchtstoffröhren handelt. The removal of emission material as a result of bombardment with ions basically requires that no atom that leaves the cathode surface ever returns to the cathode. However, this is only the case in a vacuum. In reality, the cathode in a normal tube construction is surrounded by an inert gas atmosphere with a pressure of approximately 2.5 • 102 Pa. For this reason, the free, mean movement distance of the atoms and molecules detached from the surface is significantly shorter than the distance between the cathode and the tube wall. As a result, many of the detached atoms and molecules are thrown back and fall back onto the cathode surface, which leads to a significant reduction in the loss of material. However, this reduction is inadequate when it comes to cathodes for long-life fluorescent tubes.

Die Verdampfung des Emissionsoxids ist bei Dauerbetrieb relativ konstant, erfolgt aber mit gesteigerter Geschwindigkeit nach jeder Einschaltung und in den darauf folgenden Minüten, was auf die erhöhte Kathodentemperatur zurückzuführen ist. The evaporation of the emission oxide is relatively constant during continuous operation, but takes place at an increased speed after each switch-on and in the minutes thereafter, which is due to the increased cathode temperature.

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Kathode für eine langlebige Leuchtstoffröhre so zu konstruieren, dass verdampfte Atome und Moleküle in grossem Umfang auf die Kathodenoberfläche zurückgeworfen werden und auch die Kathodentemperatur während der Einschaltphase mässig bleibt, um eine wesentliche Verlängerung der Lebensdauer zu erreichen. The object of the invention is therefore to construct a cathode for a long-life fluorescent tube in such a way that vaporized atoms and molecules are thrown back onto the cathode surface to a large extent and the cathode temperature also remains moderate during the switch-on phase in order to achieve a substantial extension of the service life.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss in der Weise gelöst, dass der Kathodenschirm aus einer Dose besteht, die mit einer Scheibe aus elektrisch isolierendem Material verschlossen ist, die in der Mitte ein Loch von einem Durchmesser hat, der bei Einhaltung eines vorgegebenen Wertes der Einschaltspannung der Röhre so klein wie möglich gewählt ist, um die Schwärzung der Röhreninnenwand zu reduzieren, und dass der Boden der Dose eine Öffnung von einem Querschnitt hat, der mindestens ebenso gross wie der Querschnitt des Loches der Scheibe ist. This object is achieved according to the invention in such a way that the cathode screen consists of a can which is closed with a disk made of electrically insulating material and which has a hole in the middle with a diameter which, if a predetermined value for the switch-on voltage of the tube is maintained is chosen to be as small as possible in order to reduce the blackening of the inner tube wall and that the bottom of the can has an opening of a cross section which is at least as large as the cross section of the hole in the disk.

Mit einer Anordnung dieser Art wird eine stark gesteigerte Reflexion der von der Kathodenoberfläche sowohl durch Ionenbeschuss als auch durch Verdampfen losgelösten Atome und Moleküle auf diese Oberfläche erzielt. With an arrangement of this type, a greatly increased reflection of the atoms and molecules detached from the cathode surface both by ion bombardment and by evaporation is achieved on this surface.

Der Kathodenschirm besteht vorzugsweise aus Eisen oder Nickel. Die Scheibe, die aus einem Werkstoff bestehen muss, der bei Ionenbeschuss nicht zu Staub zerfällt, wird vorzugsweise aus Glimmer angefertigt. The cathode screen is preferably made of iron or nickel. The disc, which must be made of a material that does not crumble to dust when ion bombarded, is preferably made of mica.

Um die Schwärzung der Röhreninnenwand möglichst zu reduzieren, soll das Loch in der Scheibe einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen. Ein allzu kleiner Lochdurchmesser bewirkt jedoch, dass die Einschaltspannung der Leuchtstoffröhre in unerwünschter Weise ansteigt. Deshalb ist es besser, wenn das Loch in der Scheibe einen Durchmesser hat, der möglichst klein und unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Forderung gewählt wird, dass die Einschaltspannung der Röhre nicht über einen festgelegten Wert ansteigen darf. Bei einer normalen Leuchtstoffröhre von 38 mm Röhrendurchmesser hat sich ein Lochdurchmesser von 10-12 mm am besten bewährt. In order to reduce the blackening of the inner tube wall as much as possible, the hole in the disk should have the smallest possible diameter. However, a hole diameter that is too small causes the switch-on voltage of the fluorescent tube to rise undesirably. It is therefore better if the hole in the disk has a diameter that is as small as possible and is taken into account while taking into account the requirement that the switch-on voltage of the tube must not rise above a specified value. With a normal fluorescent tube with a tube diameter of 38 mm, a hole diameter of 10-12 mm has proven itself best.

Da unerwünschte chemische Reaktionen zwischen dem Emissionsoxid und gasförmigen Verunreinigungen in der Röhre die Lebensdauer der Röhre stark verkürzen können, ist es von grösster Bedeutung, dass man bei der Herstellung der Since undesirable chemical reactions between the emission oxide and gaseous impurities in the tube can greatly shorten the life of the tube, it is of the utmost importance that one in the manufacture of the

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Röhre ein wirksames Pumpverfahren einsetzt, um alle Spuren von artfremden Gasen zu entfernen. Man weiss aus Erfahrung, dass der wirksamste Pumpvorgang in einem Pumpautomaten erzielt wird, in dem der Unterdruck bei hoher Hitze mit «internem Pumpen» kombiniert wird, das durch Eintropfen von Quecksilber in die heisse Leuchtstoffröhre zustande gebracht wird. Beim Auftreffen der Quecksilbertropfen auf die Innenwand der Leuchtstoffröhre werden sie wie bei einer Explosion verdampft und erzeugen eine Pumpwirkung durch Diffusion im Entladungsraum. Dabei werden Verunreinigungen äusserst effektiv abtransportiert. Eine Voraussetzung für die Entwicklung dieses Vorgangs in ausreichendem Umfang ist jedoch, dass der Kathodenschirm diesen geschilderten Pumpvorgang nicht behindert. Aus diesem Grund soll die Öffnung am Boden des Kathodenschirms einen Querschnitt haben, der mindestens ebenso gross wie der des Loches in der Scheibe ist. Tube uses an effective pumping process to remove all traces of foreign gases. It is known from experience that the most effective pumping process is achieved in an automatic pumping machine, in which the negative pressure at high heat is combined with «internal pumping», which is brought about by dropping mercury into the hot fluorescent tube. When the mercury drops hit the inside wall of the fluorescent tube, they evaporate like an explosion and produce a pumping effect by diffusion in the discharge space. Impurities are removed very effectively. A prerequisite for the development of this process to a sufficient extent, however, is that the cathode screen does not hinder this described pumping process. For this reason, the opening at the bottom of the cathode screen should have a cross section that is at least as large as that of the hole in the disk.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Hinweis auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigen: The invention is described below with reference to an embodiment and with reference to the drawing. In this show:

Fig. 1 ein Ende einer Leuchtstoffröhre mit einer nach der Erfindung abgeschirmten Kathode; 1 shows one end of a fluorescent tube with a cathode shielded according to the invention;

Fig. 2a und 2b den dosenförmigen Kathodenschirm im Längsschnitt bzw. gegen den Boden gesehen; 2a and 2b seen the can-shaped cathode screen in longitudinal section or against the ground;

Fig. 3 den Grundriss der Glimmerscheibe zum Abdecken des dosenförmigen Kathodenschirms ; 3 shows the plan of the mica disc for covering the can-shaped cathode screen;

Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Einschaltspannung und des Schwärzungsgrades vom Lochdurchmesser der Glimmerscheibe darstellt. Fig. 4 is a diagram showing the dependence of the switch-on voltage and the degree of blackening on the hole diameter of the mica disk.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch das eine Ende einer länglichen Leuchtstoffröhre in vergrössertem Massstab gezeigt. In Fig. 1, a longitudinal section through the one end of an elongated fluorescent tube is shown on an enlarged scale.

Die Glaswand 1 der Röhre ist an ihrem Ende in herkömmlicher Weise mit einem Fuss 2 verschlossen, der zugleich als Träger der Kathodenstützen 4 für die gewendelte Kathode 3 der Röhre dient. Diese Stützen sind elektrisch leitend und mit den im Fuss 2 eingeschmolzenen Anschlussdrähten 5 verbunden, durch die Strom durch die Kathode 3 zu deren Erhitzung fliessen kann. Die Kathode 3 umgibt ein Kathodenschirm 6, der vorzugsweise aus Eisen oder Nickel hergestellt wird. Der Schirm 6 wird von einer im Fuss 2 eingeschmolzenen Stütze 7 getragen und ist elektrisch von der Kathode 3 isoliert. The glass wall 1 of the tube is closed at its end in a conventional manner with a foot 2 which also serves as a support for the cathode supports 4 for the coiled cathode 3 of the tube. These supports are electrically conductive and connected to the connecting wires 5 melted into the base 2, through which current can flow through the cathode 3 to heat it. The cathode 3 surrounds a cathode screen 6, which is preferably made of iron or nickel. The screen 6 is carried by a support 7 melted into the base 2 and is electrically insulated from the cathode 3.

Wie Fig. 2a und 2b am deutlichsten erkennen lassen, hat der Kathodenschirm 6 die Form einer Dose, deren Boden mit einer länglichen Öffnung 8 zum Einsetzen der Kathodenwendel 3 und gewisser Teile der Kathodenstützen 4 versehen ist. Die offene Seite der Dose wird mit Hilfe einer Glimmerscheibe 9 verschlossen. As can be seen most clearly in FIGS. 2a and 2b, the cathode screen 6 has the shape of a can, the bottom of which is provided with an elongated opening 8 for inserting the cathode coil 3 and certain parts of the cathode supports 4. The open side of the can is closed with the aid of a mica disk 9.

Wie Fig. 3 erkennen lässt, ist die Glimmerscheibe 9 mit einem Mittenloch 10, vorzugsweise von kreisrunder Form, versehen. As can be seen in FIG. 3, the mica disc 9 is provided with a central hole 10, preferably of a circular shape.

Für eine normale Leuchtstoffröhre von 38 mm Rohrdurchmesser hat die Dose eine Höhe von 13 mm und einen For a normal fluorescent tube with a tube diameter of 38 mm, the box has a height of 13 mm and one

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Durchmesser von 21 mm. Die Glimmerscheibe ist 0,10 bis 0,15 mm dick, und ihr Loch 10 hat einen Durchmesser von 10 bis 12 mm. Kleinere Lochdurchmesser vermindern zwar die Schwärzung der Röhreninnenwand, steigern aber gleichzeitig die Einschaltspannung auf unzulässige Werte; grössere Lochdurchmesser vermindern die Einschaltspannung nur noch unbedeutend, steigern aber die Schwärzung der Röhreninnenwand wesentlich. Das ist aus Fig. 4 ersichtlich, in der einerseits die Einschaltspannung U in Volt und andererseits der Schwärzungsgrad S in Abhängigkeit vom Durchmesser Dio des Loches 10 in mm angegeben ist. Diameter of 21 mm. The mica disc is 0.10 to 0.15 mm thick and its hole 10 has a diameter of 10 to 12 mm. Smaller hole diameters reduce the blackening of the inner tube wall, but at the same time increase the switch-on voltage to impermissible values; Larger hole diameters only slightly reduce the switch-on voltage, but they significantly increase the blackening of the inner tube wall. This can be seen from FIG. 4, in which on the one hand the switch-on voltage U in volts and on the other hand the degree of blackening S is given in mm as a function of the diameter Dio of the hole 10.

Es ist wichtig, dass die Lochscheibe 9 aus Glimmer oder einem anderen elektrisch nicht leitenden, keine Gase entwik-kelnden Werkstoff besteht. Wenn die Scheibe beispielsweise aus Eisen wäre, würde nämlich der Ionenbeschuss weiteres Zerstäubungsmaterial liefern und dadurch die Röhreninnenwand stärker schwärzen. It is important that the perforated disc 9 is made of mica or another electrically non-conductive material that does not develop gases. If the disk were made of iron, for example, the ion bombardment would provide further atomizing material and thereby blacken the inner wall of the tube more.

Die beschriebene Konstruktion bietet noch einen Vorteil, und zwar während der Halbperioden, in denen die Wendel 3 als Anode dient. Da die Entladung durch die mit einem Loch versehene Glimmerscheibe 9 hindurchgehen muss, entsteht eine starke Steigerung der Elektronendichte in der Nähe der als Anode dienenden Wendel 3, wobei der Anodenfall reduziert wird. Das bewirkt eine niedrigere Kathodentemperatur und dadurch auch eine verminderte Verdampfungsgeschwindigkeit. The construction described has another advantage, namely during the half-periods in which the coil 3 serves as an anode. Since the discharge has to pass through the mica disk 9 provided with a hole, there is a strong increase in the electron density in the vicinity of the filament 3 serving as an anode, the anode drop being reduced. This results in a lower cathode temperature and therefore a reduced evaporation rate.

Wie bereits erwähnt wurde, ist es wünschenswert, dass die Röhre mit Hilfe eines Pumpvorgangs evakuiert wird, bei dem der Unterdruck mit «internem Pumpen» durch Aufprallen von Quecksilbertropfen auf die heisse Röhre kombiniert wird. Ein solcher Tropfen ist schematisch bei 11 in Fig. 1 dargestellt. Wenn der Tropfen Wand 1 und/oder Fuss 2 der erhitzten Leuchtstoffröhre trifft, wird er schlagartig verdampft, und der dabei entstehende Quecksilberdampf strömt schnell nach oben. Die Pfeile 12, 13 deuten schematisch die in diesem Zusammenhang wesentlichsten Strömungsbahnen des Dampfes an. Damit das an der Emissionsschicht vorhandene Kohlendioxid - entstanden durch Umwandlung von Karbonaten in Oxide - wirksam mitgerissen wird, und damit das interne Pumpen eine starke Wirkung ausübt, darf der dem Pfeil 13 folgende Quecksilberdampf nicht durch die aus dem Kathodenschirm 6 und der Glimmerscheibe 9 bestehende Konstruktion gehindert werden. Aus diesem Grund soll der Lochdurchmesser der Glimmerscheibe 9 grösser als 10 mm sein (gilt für Leuchtstoffröhren mit dem Röhrendurchmesser 38 mm). Ausserdem muss die Bodenöffnung 8 des Kathodenschirms 6 einen Querschnitt haben, der mindestens ebenso gross wie der Lochquerschnitt der Glimmerscheibe 10 und vorzugsweise noch grösser ist. As already mentioned, it is desirable that the tube is evacuated by means of a pumping process in which the negative pressure is combined with “internal pumping” by impinging drops of mercury on the hot tube. Such a drop is shown schematically at 11 in FIG. 1. When the drop hits wall 1 and / or foot 2 of the heated fluorescent tube, it is evaporated suddenly, and the mercury vapor that forms quickly flows upwards. The arrows 12, 13 schematically indicate the most important flow paths of the steam in this context. So that the carbon dioxide present on the emission layer - created by the conversion of carbonates into oxides - is effectively entrained and so that the internal pumping has a strong effect, the mercury vapor following arrow 13 must not be caused by the construction consisting of the cathode screen 6 and the mica disk 9 be prevented. For this reason, the hole diameter of the mica disc 9 should be larger than 10 mm (applies to fluorescent tubes with a tube diameter of 38 mm). In addition, the bottom opening 8 of the cathode screen 6 must have a cross section which is at least as large as the hole cross section of the mica disk 10 and preferably even larger.

Die beschriebene Kathodenkonstruktion ergibt bei unveränderter normaler Brennzeit von 3 Stunden je Einschaltung eine 3- bis 4fach längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Leuchtstoffröhren, wie Vergleichsmessungen gezeigt haben. The described cathode construction results in an unchanged normal burning time of 3 hours per switch-on, a 3 to 4 times longer lifespan in comparison to conventional fluorescent tubes, as comparative measurements have shown.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. fluorescent tube with at the ends of an elongated discharge space fixedly arranged cathodes, which are surrounded by electrically insulated cathode screens made of electrically conductive material, characterized in that each cathode screen consists of a can (6) with a disc (9) made of electrically insulating Material is closed, which has a hole (10) in the middle of a diameter which is chosen to be as small as possible in compliance with a predetermined value of the switch-on voltage of the tube, in order to reduce the blackening of the inner tube wall, and that the bottom of the can is a Has opening (8) of a cross section which is at least as large as the cross section of the hole (10) of the disc (9).

2. fluorescent tube according to claim 1, characterized in that the cathode screen (6) consists of iron or nickel.

2nd

PATENT CLAIMS

3. fluorescent tube according to claim 1 or 2, characterized in that the disc (9) consists of mica.