FI68928C

FI68928C - CATHODIC FOER LYSROER

Info

Publication number: FI68928C
Application number: FI812128A
Authority: FI
Inventors: Aoke Bjoerkman
Original assignee: Lumalampan Ab
Priority date: 1979-11-07
Filing date: 1981-07-06
Publication date: 1985-11-11
Also published as: AU6570480A; BE886030A; NO812294L; DE8029380U1; PL132221B1; DK158177C; CS250206B2; NO153946C; CA1150340A; AU543221B2; SU1218936A3; IT1134172B; FI812128L; IT8025764A0; DK296081A; RO81624A; DE3041548C2; ES263202Y; GB2077033B; NO153946B

Description

1 689281 68928

Loisteputken katodiyksikköFluorescent tube cathode unit

Esillä olevan keksinnön kohteena on katodiyksikkö loisteputkea varten, joka käsittää putken seinän suhteen kiin-5 teästi sovitetun katodin, jota ympäröi katodiin sähköisesti yhdistämätön, sähköä johtavaa materiaalia oleva katodihuppu, jossa on keskeisellä reillä varustettu, sähköä johtamatonta materiaalia oleva levy, joka on sovitettu purkausalueelle katodin eteen.The present invention relates to a cathode unit for a fluorescent tube comprising a cathode fixed to the wall of the tube and surrounded by a cathode hood of electrically non-conductive material not electrically connected to the cathode and having a plate of electrically non-conductive material with central holes in front of.

10 Loisteputken elinikä palamistunneissa laskettuna on pääasiassa putken katodien eliniän määräämä. Kun katodit ovat menettäneet tietyn osan maa-alkalioksideista muodostuvasta emissiomateriaalistaan, on niiden elektroneja emittoiva kyky pienentynyt sellaisessa määrässä, että putki ei joko käynnis-15 ty tai myös tulee vilkkuvaiheeseen, joka nopeasti hajottaa jäljellä olevan emissiomateriaalin.10 The lifetime of a fluorescent tube in burning hours is mainly determined by the lifetime of the cathodes of the tube. When the cathodes have lost a certain amount of their alkaline earth oxide emission material, their electron-emitting ability is reduced to such an extent that the tube either does not start or also enters a flashing phase, which rapidly decomposes the remaining emission material.

On hyvin tunnettua, että ylijäämäbarium emissiomateriaalin sekakiteisiin liuenneena tekee maa-alkalioksidit puoli johtaviksi ja vähentää elektronien vapautustyötä. Tämä yli-20 jäämäbarium muodostuu bariumoksidin ja volframin välisen kemiallisen reaktion avulla seuraavan kaavan mukaisesti: 6 BaO + W -> Ba^WOg + 3 BaIt is well known that excess barium dissolved in the mixed crystals of the emission material makes the alkaline earth oxides semi-conductive and reduces the electron release work. This residual barium of more than 20 is formed by a chemical reaction between barium oxide and tungsten according to the following formula: 6 BaO + W -> Ba ^ WOg + 3 Ba

Muodostunut bariumvolframaatti jää katodien elinajaksi väli-25 kerrokseksi volframin ja itse emissiomassan väliin, kun taas bariumia haihtuu höyrynä jatkuvasti massan läpi. Bariumvolf ramaattikerros aikaansaa edellä olevan kaavan mukaisen reaktion vaimenemisen, ts. vähentyneen bariumin muodostuksen. Tämän seurauksena höyrystyy tavallisen loisteputken 30 jatkuvan palamisen aikana kaikki barium vasta n. 30 000 tunnin kuluttua. Putken katodeihin kohdistuva rasitus on käynnistystoimenpiteen aikana kuitenkin niin suuri, että elinikä vähenee kertoimella 2-3 loisteputken normaalissa käytössä, ts. keskimääräisen kytkentäajan ollessa 2-3 tun-35 tia kerrallaan.The barium tungstate formed remains in the cathode lifetime as an intermediate layer between the tungsten and the emission mass itself, while the barium continuously evaporates as vapor through the mass. The barium tungstate layer provides quenching of the reaction of the above formula, i.e., reduced barium formation. As a result, during the continuous combustion of the ordinary fluorescent tube 30, all the barium does not evaporate until after about 30,000 hours. However, the stress on the cathodes of the tube during the start-up procedure is so great that the service life is reduced by a factor of 2-3 in the normal use of the fluorescent tube, i.e. with an average switching time of 2-3 hours at a time.

Emissiomassana toimivan katodimateriaalin häviö ja siitä seuraava loisteputken eliniän lyheneminen aiheutuvat 2 68928 periaatteessa kolmesta eri prosessista, nimittäin 1) emis-siomateriaalin poissiirtyminen ionipommituksen vuoksi, erityisesti liian alhaisen katodilämpötilan yhteydessä; 2) emi-siomateriaalin ja kaasumaisten epäpuhtauksien väliset ke-5 mialliset reaktiot putkessa.The loss of cathode material acting as an emission mass and the consequent shortening of the lifetime of the fluorescent tube are in principle due to three different processes, namely 1) removal of the emission material due to ion bombardment, especially in the case of too low a cathode temperature; 2) chemical reactions in the pipe between the emissive material and the gaseous impurities.

Loisteputken rakenteen yhteydessä, mikä on tarkoitettu äärimmäisen pitkää elinikää varten huomattavan sytytys- ja sammutuslukumäärän yhteydessä, täytyy putken katodit suunnitella ottaen mitä suurimmassa määrin huomioon 10 nämä kolme syytä lyhennettyyn katodin elinikään.In the case of a fluorescent tube design, which is intended for an extremely long service life with a considerable number of firings and extinguishments, the cathodes of the tube must be designed taking into account, as far as possible, these three reasons for the shortened cathode life.

Emissiomateriaalin poissiirtyminen ionipommituksen vuoksi edellyttää periaatteessa, ettei mikään atomi, joka poistuu katodipinnalta, palaa koskaan katodiin. Tämä pätee kuitenkin ainoastaan tyhjiössä. Todellisuudessa katodia 15 ympäröi normaalissa loisteputkirakenteessa jalokaasukehä, 2 jonka paine on n. 2,5 · 10 Pa, jonka vuoksi pinnalta vapautuneiden atomien ja molekyylien vapaa keskitiepituus on huomattavasti lyhyempi kuin katodin ja putken seinän välinen etäisyys. Tästä seuraa, että monet vapautuneista ato-20 meistä ja molekyyleistä heijastuvat takaisin ja tulevat takaisin katodipintaa vasten, mikä aikaansaa materiaalihäviön huomattavan vähenemisen. Tämä väheneminen on kuitenkin riittämätön, kun kysymyksessä ovat pitkäikäisiä putkia varten tarkoitetut katodit.The removal of the emission material due to ion bombardment basically requires that no atom leaving the cathode surface ever return to the cathode. However, this only applies in a vacuum. In reality, the cathode 15 is surrounded in a normal fluorescent tube structure by a noble gas atmosphere 2 with a pressure of about 2.5 · 10 Pa, as a result of which the free path length of atoms and molecules released from the surface is considerably shorter than the distance between the cathode and the tube wall. As a result, many of the released ato-20s and molecules are reflected back and come back against the cathode surface, resulting in a significant reduction in material loss. However, this reduction is insufficient in the case of cathodes for long-life tubes.

25 Emissiomassan höyrystyminen on suhteellisen vakio jatkuvassa käytössä, mutta se tapahtuu kohonneella nopeudella jokaisen käynnistyksen jälkeen ja sitä seuraavina minuutteina kasvaneen katodilämpötilan seurauksena. Pitkäikäisen putken katodi täytyy näin ollen suunnitella siten, 30 että höyrystyneet atomit ja molekyylit heijastuvat suuressa määrin takaisin katodipinnalle ja siten, että katodilämpö-tila pysyy kohtuullisena myös itse käynnistysjakson aikana.25 Evaporation of the emission mass is relatively constant in continuous operation, but occurs at an increased rate after each start-up and in the following minutes as a result of the increased cathode temperature. The cathode of the long-lived tube must therefore be designed in such a way that the vaporized atoms and molecules are largely reflected back to the cathode surface and in such a way that the cathode temperature remains reasonable even during the start-up period itself.

Esillä olevan keksinnön päämääränä on ratkaista edellä hahmotellut ongelmat ja siten saada aikaan loisteputkea 35 varten tarkoitettu katodirakenne, joka lisää oleellisesti putken elinikää.It is an object of the present invention to solve the problems outlined above and thus to provide a cathode structure for a fluorescent tube 35 which substantially increases the life of the tube.

3 689283,68928

Keksinnön mukaisesti tämä saavutetaan siten, että ka-todihupun muodostaa tölkin muotoinen vaippa, jossa on seinämä ja pohja vapautettujen atomien ja molekyylien heijastamiseksi takaisin katodille, että pohja on suunnattu kohti putken lä-5 hellä olevaa päätä ja siinä on soikea aukko katodin viemiseksi vaippaan, että levy sulkee vaipan avoimen päädyn katodin edessä, että levyssä on pyöreä reikä, jonka halkaisija on 10-12 mm 38 mm:n loisteputkessa, ja että vaipan pohjan aukolla on pinta-ala, joka on olennaisesti pienempi kuin vai-10 pan pohjapinta-ala, mutta ainakin niin suuri kuin levyn reiän pinta-ala.According to the invention, this is achieved in that the cathode hood is formed by a can-shaped jacket with a wall and a base for reflecting released atoms and molecules back to the cathode, a base facing the proximal end of the tube and an oval opening for introducing the cathode into the jacket. the plate closes the open end of the sheath in front of the cathode, that the plate has a circular hole 10-12 mm in diameter in a 38 mm fluorescent tube and that the opening in the bottom of the sheath has an area substantially smaller than the bottom area of the sheath, but at least as large as the area of the hole in the plate.

Katodihuppu on edullisesti rautaa tai nikkeliä. Levy, joka kuitenkin täytyy tehdä sellaisesta materiaalista, joka ei hajaannu ionipommituksen yhteydessä, on edullisesti kiil-15 lettä.The cathode hood is preferably iron or nickel. However, the plate, which must be made of a material which does not disperse during ion bombardment, is preferably mica.

Putken seinän sisäsivun mustumisen vähentämiseksi mahdollisimman suuressa määrin, tulee levyn reiällä olla mahdollisimman pieni halkaisija. Liian pieni reiän halkaisija aiheuttaa kuitenkin sen, että loisteputken käynnistys-20 jännite kohoaa ei toivotulla tavalla, minkä vuoksi on edullisempaa, että levyn reiällä on halkaisija, joka on valittu mahdollisimman pieneksi ottaen samanaikaisesti huomioon, että putken käynnistysjännite ei saa ylittää ennalta määrättyä arvoa. Normaalia loisteputkea varten, jonka putken hal-25 kaisija on 38 mm» on edullisin reiän halkaisija osoittautunut olevan 10-12 mm.In order to reduce the blackening of the inner side of the pipe wall as much as possible, the hole in the plate should have the smallest possible diameter. However, too small a hole diameter causes the fluorescent tube start-20 voltage to rise in an undesired manner, so that it is more preferable for the plate hole to have a diameter selected as small as possible while taking into account that the tube start-up voltage must not exceed a predetermined value. For a normal fluorescent tube with a tube diameter of 38 mm », the most preferred hole diameter has proven to be 10-12 mm.

Koska ei toivotut kemialliset reaktiot emissiomate-riaalin ja kaasumaisten epäpuhtauksen välillä putkessa voivat täysirt tuhota putken eliniän, on erittäin tärkeää, 30 että putken valmistuksen yhteydessä käytetään tehokasta pumppaustoimenpidettä differenttien kaasujen kaikkien jälkien poistamiseksi. Käytännön kokemuksesta tiedetään, että tehokkain pumppuamistoimenpide saavutetaan pumppuautomaa-tissa, jossa korkean kuumuuden alaisena suoritettava tyhjiö-35 pumppaus yhdistetään sisäiseen pumppaukseen, joka saadaan aikaan siten, että elohopeapisaroita annostellaan kuumalle loisteputkelle. Kun elohopeapisarat kohtaavat loisteputken, ne höyrystyvät räjähdysmäisesti ja aiheuttavat 68928 4 diffuusiopumppausvaikutuksen loisteputkessa, joten tapahtuu epäpuhtauksien erittäin tehokas poiskuljetus. Edellytyksenä, jotta tämä tapahtuu riittävässä laajuudessa, on kuitenkin, ettei katodihuppu vaikuta estäen äsken mainitun 5 pumppaustoimenpiteen tehokkuuteen. Tästä syystä on edullista, että katodihupun pohjassa olevalla aukolla on pinta-ala, joka on vähintään yhtä suuri kuin levyn reiän pinta-ala.Since undesired chemical reactions between the emission material and the gaseous impurity in the pipe can completely destroy the life of the pipe, it is very important that an efficient pumping operation is used in the manufacture of the pipe to remove all traces of different gases. It is known from practical experience that the most efficient pumping operation is achieved in a pumping machine in which vacuum pumping under high heat is combined with internal pumping, which is achieved by dispensing mercury droplets into a hot fluorescent tube. When the mercury droplets meet the fluorescent tube, they explode explosively and cause a 68928 4 diffusion pumping effect in the fluorescent tube, resulting in a very efficient removal of contaminants. However, a precondition for this to take place to a sufficient extent is that the cathode hood does not act, preventing the efficiency of the pumping operation just mentioned. For this reason, it is preferable that the opening at the bottom of the cathode hood has an area at least equal to the area of the hole in the plate.

Keksintöä selitetään alla lähemmin suoritusesimerkin muodossa ja oheiseen piirustukseen viitaten.The invention is explained in more detail below in the form of an exemplary embodiment and with reference to the accompanying drawing.

10 Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisesti tehdyllä kato- diyksiköllä varustetun loisteputken toista päätä.Figure 1 shows the other end of a fluorescent tube provided with a cathode unit according to the invention.

Kuviot 2a ja 2b esittävät pystyleikkauksena ja vastaavasti alhaalta päin katodiyksikön yhteydessä käytettyä katodihuppua.Figures 2a and 2b show in vertical section and from below, respectively, the cathode hood used in connection with the cathode unit.

15 Kuvio 3 esittää tasokuvantona kiillelevyä, joka on tarkoitettu peittämään kuvioissa 2a ja 2b esitetyn katodi-hupun avonaista päätä.Fig. 3 is a plan view of a mica plate for covering the open end of the cathode hood shown in Figs. 2a and 2b.

Kuvio 4 on käyrädiagramma, joka kuvaa käynnistysjännitteen ja mustumisasteen riippuvaisuutta kiillelevyn reiän-20 halkaisijasta.Fig. 4 is a graph showing the dependence of the starting voltage and the degree of blackening on the diameter of the hole-20 of the mica plate.

Kuviossa 1 esitetään leikkauksena keksinnön mukaisesti tehdyn loisteputken toinen pää. Putken lasiseinä 1 on päästään tavanomaisella tavalla kannan 2 sulkema, joka toimii samanaikaisesti kannatinelimenä putken katodia 3 25 kannattavia katodintukia 4 varten. Nämä tuet, jotka ovat sähköä johtavia, on yhdistetty tulojohtolankojen 5 kanssa, jotka on sulatettu kiinni kantaan 2 ja joiden läpi virta voidaan saattaa kulkemaan katodiin 3 ja kuumentamaan tämän. Katodia 3 ympäröi katodihuppu 6, joka on edullisesti rautaa 30 tai nikkeliä. Huppua 6 kannattaa kantaan 2 kiinni sulatettu tuki 7 ja se on sähköisesti eristetty katodista 3.Figure 1 shows a section of one end of a fluorescent tube made according to the invention. The glass wall 1 of the tube is closed in a conventional manner by a base 2, which simultaneously acts as a support member for the cathode supports 4 supporting the cathode 3 of the tube. These supports, which are electrically conductive, are connected to the supply line wires 5, which are fused to the base 2 and through which current can be made to pass to the cathode 3 and heat this. The cathode 3 is surrounded by a cathode hood 6, which is preferably iron 30 or nickel. The hood 6 is supported by a support 7 fused to the base 2 and is electrically isolated from the cathode 3.

Kuten selvimmin käy ilmi kuvioista 2a ja 2b, on katodihuppu 6 tölkinnuotoinen, jonka pohjaan on tehty pitkänomainen aukko 8 katodin 3 ja katodintukien 4 osien sisään-35 viemiseksi. Katodihupun 6 avonainen pää suljetaan kiillelevyn 9 avulla, jonka paksuus on edullisesti 0,10 - 0,15 mm. Kuten kuviosta 3 käy ilmi, on kiillelevy 9 varustettu kes- 5 68928 kellä sijaitsevalla reiällä 10, joka on edullisesti ympyrän muotoinen. Normaalia loisteputkea varten, jonka putkenhal-kaisija on 38 mm, on reiän 10 halkaisija 10-12 mm. Pienemmät halkaisijat vähentävät oleellisesti putken seinän si-5 säsivun mustumista, mutta ne kohottavat samalla käynnistys-jännitteen ei hyväksyttäviin arvoihin, jota kuvataan kuviossa 4, joka esittää toisaalta käynnistysjännitteen U voltteina, toisaalta suhteellisen mustumisasteen S reiän 10 halkaisijan D^q funktiona millimetreinä. Suuremmat reiän-10 halkaisijat alentavat käynnistysjännitettä ainoastaan merki-tyksettömästi, mutta lisäävät putken seinän mustumista huomattavasti .As can be clearly seen in Figures 2a and 2b, the cathode hood 6 is can-shaped, in the bottom of which an elongate opening 8 is made for the insertion of the parts of the cathode 3 and the cathode supports 4. The open end of the cathode hood 6 is closed by means of a mica plate 9, the thickness of which is preferably 0.10 to 0.15 mm. As can be seen from Fig. 3, the mica plate 9 is provided with a hole 10 located in the middle of the bell, which is preferably circular. For a normal fluorescent tube having a tube diameter of 38 mm, the diameter of the hole 10 is 10-12 mm. The smaller diameters substantially reduce the blackening of the inner side of the pipe wall si-5, but at the same time raise the starting voltage to unacceptable values shown in Fig. 4, which shows the starting voltage U in volts and the relative degree of blackening S as a function of hole D Larger holes-10 diameters only lower the starting voltage insignificantly, but significantly increase the blackening of the pipe wall.

On tärkeää, että reikälevy 9 on kiillettä tai muuta sähköä johtamatonta, kaasua luovuttamatonta materiaalia, 15 koska ionipommitus, jos levy olisi esim. rautaa, aiheuttaisi vielä lisää hajaantumismateriaalia ja siten lisääntyneen putkenseinän mustumisen.It is important that the perforated plate 9 is made of mica or other electrically non-conductive, non-gaseous material, because ion bombardment, if the plate were e.g. iron, would cause even more scattering material and thus increased blackening of the pipe wall.

Yllä kuvaillulla rakenteella saavutetaan vielä eräs etu, nimittäin niiden puoliperiodien aikana, jolloin spi-20 raali 3 toimii anodina. Koska purkauksen täytyy kulkea reiällä varustetun kiillelevyn 9 läpi, saadaan aikaan elektro-nitiheyden voimakas kasvu anodina toimivan spiraalin 3 läheisyydessä, jolloin anodiputous vähenee, mikä aiheuttaa alentuneen katodilämpötilan ja siten pienentyneen höyrys-25 tymisnopeuden.The structure described above achieves another advantage, namely during the half-lives in which the spi-20 computer 3 acts as an anode. Since the discharge must pass through a perforated mica plate 9, a strong increase in electron density in the vicinity of the spiral 3 acting as an anode is obtained, whereby the anode drop is reduced, resulting in a reduced cathode temperature and thus a reduced vaporization rate.

Kuten alussa on mainittu, on toivottavaa, että putki evakuoidaan pumppaustoimenpiteen avulla, jolloin tyhjiö-pumppaus yhdistetään sisäiseen pumppaukseen, joka on aikaansaatu siten, että elohopeapisarat saavat osua kuumaan 30 putkeen. Sellainen pisara esitetään kaavamaisesti kohdassa 11 kuviossa 1. Kun pisara kohtaa kuumennetun loisteputken (seinän 1 ja/tai kannan 2), se höyrystyy räjähdyksen omaisesti, ja tällöin muodostunut elohopeahöyry virtaa nopeasti ylöspäin. Nuolet 12, 13 osoittavat kaavamaisesti höyryn 35 tässä yhteydessä oleellisimmat virtausradat. Jotta emissio-kerroksessa oleva hiilidioksidi - joka on syntynyt karbonaattien muuttumisen johdosta oksideiksi - tulee tehokkaasti 68928 6 johdetuksi pois, ja jotta sisäisestä pumppauksesta tulee tehokas, ei elohopeahöyryä, joka seuraa nuolella 13 merkittyä tietä, saa estää katodihupun 6 ja kiillelevyn 9 muodostama rakenne. Tästä syystä tulee kiillelevyn 9 reiän halkai-5 sijan ylittää 10 mm (putken halkaisijan 38 mm omaavia loisteputkia varten), minkä lisäksi katodihupun 6 pohja-aukolla 8 täytyy olla pinta-ala, joka on ainakin yhtä suuri kuin kiillelevyn aukon pinta-ala mutta edullisesti suurempi.As mentioned at the beginning, it is desirable for the tube to be evacuated by a pumping operation, in which case vacuum pumping is combined with internal pumping provided so that mercury droplets are allowed to hit the hot tube. Such a droplet is shown schematically at 11 in Figure 1. When the droplet meets a heated fluorescent tube (wall 1 and / or base 2), it evaporates in an explosive manner, and the mercury vapor formed then flows upwards rapidly. Arrows 12, 13 schematically indicate the most essential flow paths of steam 35 in this connection. In order for the carbon dioxide in the emission layer - generated by the conversion of carbonates to oxides - to be effectively removed 68928 6 and for internal pumping to be effective, the mercury vapor following the path marked by arrow 13 must not be blocked by the cathode hood 6 and mica plate 9. For this reason, the diameter of the hole 5 of the mica plate 9 should exceed 10 mm (for fluorescent tubes with a diameter of 38 mm), in addition to which the bottom opening 8 of the cathode hood 6 must have an area at least equal to the area of the mica plate opening but preferably bigger.

Yllä kuvailtu katodirakenne tekee mahdolliseksi nor-10 maalin palamisajan säilyttämällä, joka on kolme tuntia kytkentää kohti, eliniän saavuttamisen, joka on 3-4 kertaa suurempi kuin tavanomaisten loisteputkien yhteydessä.The cathode structure described above makes it possible to achieve a service life of 3-4 times longer than that of conventional fluorescent tubes by maintaining the burning time of nor-10 paint, which is three hours per connection.

ilil

Claims

7,68928

A cathode unit for a fluorescent tube having warm cathodes, comprising a cathode (3) fixedly fitted to the wall (1) of the tube, surrounded by a cathode hood (6) of electrically conductive material not electrically connected to the cathode, having a central hole (10) provided with a plate (9) of non-conductive material arranged in the discharge region in front of the cathode, characterized in that the cathode hood (6) is formed by a can-shaped jacket with a wall and a base for reflecting released atoms and molecules back to the cathode and has an oval opening (8) for inserting the cathode into the sheath, the plate (9) closing the open end of the sheath in front of the cathode, the plate having a circular hole (10) with a diameter of 10-12 mm in a 38 mm fluorescent tube, and that the opening (8) of the bottom of the jacket has an area substantially smaller than the area of the bottom 20 of the jacket, but at least as large as the area of the hole (10) in the plate (9).

Cathode unit according to Claim 1, characterized in that the area of the opening (8) is substantially equal to the area of the hole (10).

Cathode unit according to Claim 1 or 2, characterized in that the wall part of the can-shaped jacket is cylindrical and is parallel to the axis of the fluorescent tube.

Cathode unit according to Claim 1, characterized in that the plate (9) is mica and has a thickness of between 0.10 and 0.15 mm.

Cathode unit according to one of the preceding claims, characterized in that the can-shaped jacket of the cathode hood (6) is made of iron or nickel.