高強度放電燈的開槽電極的製作方法

2023-07-13 20:35:01

專利名稱：高強度放電燈的開槽電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及電燈，並且尤其是涉及高強度放電燈。更尤其是，本發明涉及用於高強度放電燈中的電極。
背景技術：
對於弧光放電燈常見的是具有電極，該電極帶有形成在條(rod)的內端上的大塊頭部。例如，很多金屬滷化物的高強度放電燈使用這樣的電極，該電極具有纏繞有線圈以形成頭部的直鎢條。在運行過程中，所纏繞的頭部提供更大的區域，從該區域發出熱電子，導致在較低溫度運行時更耐用的電極。不幸的是，開始時大塊的頭部很難加熱以及燈起動可能受損失。如果纏繞的頭部太大，那麼高溫點模式(spotmode)的電弧附著(arc attachment)可能發生，尤其是當不使用發射體材料時，這降低燈的穩定狀態運行。線圈纏繞的電極可能還具有大的性能可變性，很可能是由於條和線圈之間的可變的熱連接。所有的這些效應都可導致過量的電極汽化和濺射。然後，汽化的電極材料使弧管壁變黑。那麼存在具有良好起動特性和良好熱控制的電極的需求。
改善起動和降低電極頭部的溫度的一種方法是在電極中包括氧化釷。在金屬滷化物的高強度放電(HID)燈中含氧化釷電極的使用可以產生極好的顏色和在小容量中具有8,000到20,000個小時的電極使用壽命的高效能。典型地，通過用氧化釷發射體摻雜電極來獲得長的使用壽命或者高維持性，以降低電極的功函並由此降低電極溫度。然而，感覺氧化釷是環境所不期望的。通常在使用金屬滷化物燈的發光應用中，去除氧化釷尤其困難，其中，對於起動和穩定狀態期間的交流(AC)運行和產生的汽化，該電極必須起到良好的作用。那麼存在具有良好起動和具有良好穩定狀態特性的無氧化釷電極的需求。
獲得具有無氧化釷電極的良好使用壽命的最通常的方法是使用常規的盤繞電極結構，而不使用發射體材料。這種電極由具有繞著條、通常在尖端附近纏繞的鎢線圈的鎢條構成。在陰極相中，線圈的附加表面區域提供附加的電弧附著區域，以擴散附著模式提供電極運行。這降低了尖端溫度，因為需要較少的熱電子發射來提供所需的電流。在陽極相，主要通過平衡來自熱等離子體電子和大量的金屬電極的再組合的熱輸入與沿著電極主幹的輻射和導電損耗，來確定尖端的溫度。在起動相的前幾秒鐘期間，線圈還提供用於發光相和隨後的熱電子相的附著區域。已經示出了無氧化釷電極，以當使用稀土/鹼金屬滷化物填充劑、尤其是用陶瓷弧管時，給出適當的性能。這似乎是起到發射體材料的作用的稀土或者鹼蒸汽的結果。然而，對於寬範圍的金屬滷化物填充劑以及燈類型，沒有氧化釷發射體時，具有相對低的電極尖端溫度的電極是及其理想的。
然而，接近於無氧化釷電極的線圈條具有多個缺陷。最顯著的是線圈條系統很不適合於大的尖端區域。首先，尤其是當部件很大時，線圈繞組和線圈條之間的不良熱接觸面不能有效地傳遞熱量。然後，接觸面可以感應局部發熱的區域。來自較熱區域的增加的熱電子發射增加了局部的熱流量並可能導致不希望的點電弧附著。對於沒有發射體的鎢電極，這種模式的運行具有非常高的局部溫度，並導致電極材料的過度汽化和電弧的閃爍。
具有大線圈的第二個問題是慢起動。功率沉積到大塊線圈條中不足以快速地將尖端的溫度升高到用於良好的熱電子發射的足夠高的值。大塊的電極線圈可以允許發光階段中的放電延緩。沒有發射體時，尤其麻煩的是降低輝光到弧光的轉變溫度。US 6614187描述了具有和條良好接觸、而線圈的第二部分不和條接觸的線圈結構的短弧汞燈。這改善了起動過程中輝光到弧光的轉換和熱電子發射到條的變換。然而，線圈結構變得複雜，需要在條和線圈之間燒結或者熔化鎢粉末的步驟以及產生分級的線圈直徑的特殊線圈纏繞步驟。
已經公開了無氧化釷的電極的其他方法，這些方法使用可替換的無放射性發射體材料。Rademacher的US 5712531公開了在2000瓦特的金屬滷化物燈中使用氧化鑭發射體。這種發射體材料和很多發光金屬滷化物填充物不是化學穩定的，並比氧化釷更快速地汽化，因此對於長時間一般的發光應用具有受限的使用。發射體還用作必須密封在電極線圈中的小球，這增加了成本和複雜性。Pollard的US 3916241描述了凹口在尖端中的使用，以形成用於汞弧燈的發射體材料的分配器。無氧化釷發射體的使用和金屬滷化物放電燈中的Rademacher具有相同的優點，並且僅僅使用凹口來保護髮射體不通過流出氣流直接接觸。Daemen的US 6046544公開了三種組分的發射體，其中發射體材料用作燒結電極或者小球。如Daemen中所述，由於通過汽化的損耗，所以在很多應用中燒結形式不是有用的。小球形狀也需要附加的結構來支持它。
在Theodorus的WO 01/86693、Yoshiharu的EP 1056115、Haacke的WO 03/060974和Eggers的US6437509中公開了對基於沒有任何附加發射體材料的不同電極結構的無放射性電極的方法。Theodorus公開了無發射體鎢材料的使用，其中第二鎢絲線圈被初級尖端線圈完全密封，以在不使用發射體材料時幫助起動。該結構減少了鎢濺射，因為初級墊圈的密封空間。儘管這種結構改善了起動維持性，但是沒有解決和尖端處的線圈相關的製造複雜性和基本的問題。
Yoshiharu的專利描述了通過用被焊接到條的固態無發射體鎢圓柱體來代替線圈對標準條和線圈電極的改善。這克服了與尖端處的線圈相關的很多問題。Yoshiharu中的電極不能到達大的最佳尖端區域，因為在起動相期間加熱這些大電極塊導致在大的電極表面區域上長時間的輝光到弧光的轉變。這導致使燈變黑的多餘的鎢濺射。Haacke公開了用於自動放電燈的具有大的固態頭部的類似電極。在這種設計中，頭部部分地熔化到石英弧管中。對於自動應用，該設計阻止大電流瞬間發光需要的過熱，但是不易於適應更高瓦特數的一般發光情形，其中輝光到弧光轉換將是困難的。另外，自動的HID燈運行在非常高的壓力下，其降低了壁變黑並且比一般的發光HID燈具有更低的使用壽命需求。Eggers公開了這樣的結構，其中使用單個或者多個固態冷卻體圍繞鎢條並雷射焊接到條。然而，除非碰巧是特殊的燈和電極情況，在尖端面積很大的條件下，Eggers中的結構具有類似的起動困難。在Altmann的US6211615中還公開了類似於Eggers的冷卻結構，但是還是沒提到需要改善起動的特殊燈和電極的情況。而且，所有的這些公開內容都沒有公開需要用於實現沒有點附著而改善了穩定狀態維持性的特殊的電極、燈和鎮流器情況。
因此，對於電極存在這樣的需要，即在沒有點附著時通過增加尖端面積其提供改善了穩定狀態的維持性，同時具有良好的起動維持性。這對於更大電流的電極尤其理想。另外，最佳性能的電極應當具有降低製造可變性的優點，並且對於通過計算機模擬的優化具有簡單的結構。對於電極存在具有良好的使用壽命和在變暗運行模式中的維持性的需要。

發明內容
可以在電極頭部的外部的一側或多側上利用輝光發生凹口形成高強度放電燈。該燈可以是具有透光燈殼體的標準結構，該殼體具有限定密封容積的壁。至少一個電極組件以密封形式從燈的外部通過燈殼體壁延伸到密封容積，該燈殼體壁要被暴露在電極組件的內端。還用惰性填充氣體密封發光燈填充物。利用具有最小的跨越尺寸S的凹口和深度為D的凹口形成電極的內端，其中，貫穿起動的輝光放電相，對於所選擇的填充氣體組份和壓力(冷)，S大於電子電離平均自由行程，但是小於陰極壓降距離加上負極輝光距離(negative glowdistance)的兩倍。電極的凹口跨越距離S小於凹口深度D。使得電極的內端(頭部)dh的外直徑儘可能的大，以降低電極尖端的溫度，由此在燈穩定狀態運行期間最小化鎢汽化到燈殼體的內壁上。通過使頭部直徑dh和頭部熱導率κh的乘積和軸直徑ds和軸熱導率κs的乘積的比值遠遠大於1，可以避免轉變到不希望的高點電弧附著溫度，並可以實現燈的較高維持性。


圖1示出了弧光放電燈的橫截面圖。
圖2示出了具有輝光產生凹口(glow generating recess)的普通電極頭部的(部分拆開的)橫截面圖。
圖3示出了具有輝光產生凹口的優選電極頭部的(部分拆開的)橫截面圖。
圖4示出了對於帶有具有標準形式的電極和具有圖3的普通形式(開槽的)的電極的燈的相關尺寸和運行條件的表。
圖5示出了作為用於圖3中的實施例的壓力的函數的峰值陰極電流的圖表。
圖6示出了作為使用圖3中所示類型的電極的燈壓力的函數的平均一半周期陰極能量的圖表。
圖7示出了對於具有標準電極和具有圖3中所示形式的電極的燈的輝光到弧光(GTA)次數和能量的表。
圖8示出了對於不同電極類型通過電流測量的電極尖端溫度的圖表。
圖9示出了具有形成在電極頭部的前表面上的軸凹口的替換優選電極頭部的(部分拆開的)橫截面圖。
圖10示出了具有鑽孔類型凹口的電極的側視圖。
圖11示出了具有可變凹口跨越尺寸的替換優選電極頭部的(部分拆開的)側視圖。
圖12示出了具有螺旋凹口的替換優選電極頭部的(部分拆開的)側視圖。
圖13示出了具有發射體塗層的替換優選電極頭部的(部分拆開的)橫截面圖。
圖14示出了具有軸向凹口槽的電極頭部的前端視圖。
圖15示出了具有前環形凹口槽的電極頭部的前端視圖。
具體實施例方式
圖1示出了弧光放電燈10的橫截面圖。具有改善的起動和穩定狀態維持的高強度放電燈10可以由透光的燈殼體12構成，該殼體12具有限定密封容積16的壁14。至少一個電極組件18以密封形式從殼體12的外部通過燈壁14延伸到密封容積16，該燈壁14要被暴露在電極組件的內端處。密封在殼體容積16中的還是包括惰性填充氣體的燈填充物20。填充氣體具有以帕斯卡為單位的冷填充壓力p。電極組件18具有由包括一個或者多個輝光放電激勵凹口24的頭部22形成的內端，該凹口24具有最小跨越尺寸S和凹口深度D。
殼體12可以由透光材料、諸如石英、多晶礬土(PCA)、藍寶石或者本領域公知的類似放電燈殼體材料製成。特定的殼體材料是設計選擇的事情。本申請人推薦石英或者模製的PCA。
在密封容積16中密封的是填充物20。填充物20可以包括金屬滷化物或者本領域公知的類低摻雜組合物。本發明對於無汞燈的起動尤其有用，使得可以在填充物20中使用少量的汞或者不使用汞。所述的電極頭部20結構還可以和汞填充組合物一起使用。包括在填充物中的是惰性氣體。在本領域中通常使用氬、氪、氙和其它氣體以及其組合物作為惰性填充氣體。儘管由於氙較低的熱導率，可以在無汞組合物中優選氙，但是優選氬，因為氬通常是最便宜的。填充氣體具有以帕斯卡為單位測量的冷(32攝氏度)填充壓力p。通常優選的填充壓力p是幾千帕斯卡(kPa)到幾十千帕斯卡(kPa)。
通過殼體壁14以密封方式插入的是至少一個並優選的兩個電極18。電極18從燈殼體外部通過殼體壁14軸向延伸到密封容積16，該殼體壁14要被暴露在頭部22的內部的最端部處。在石英弧管中，優選的電極18具有由鉬棒構成的外端。優選的電極組件的中間部分由鉬箔構成，這是本領域公知的，並被密封到殼體12以形成氣密密封。在陶瓷弧管中，本領域公知的是，電極穿通組件的中間部分可以由被焊接到金屬陶瓷或者鉬棒的電極構成，金屬陶瓷或者鉬棒另外被焊接到在燈外部的弧管的陶瓷毛細管部分中形成氣密密封的鈮條。延伸到密封容積16中的是包括頭部22的電極的內端，優選地該電極的內端由無氧化釷的固體鎢構成。內部電極部分還可以由摻雜氧化釷的鎢形成，但是優選的效用是可以避免氧化釷摻雜的事實。
電子鎮流器激勵整個燈。鎮流器必須能夠施加足夠電壓和電流的電功率，以擊穿用於電弧放電的填充氣體並提供足夠高的開路電壓來維持起動期間的輝光放電。穩定狀態運行期間鎮流器還應施加固定的或者可調節的均方根電流以使燈運行在期望的功率。波形可以是直流(DC)或者交流(AC)或者其各種已知變化。不認為精確的AC波形形狀是電極運行的關鍵；然而，方波運行尤其可能比正弦波運行相對電弧附著和維持具有某些優點。在某些應用中，DC運行甚至可能具有進一步的優點。
圖2示出了具有輝光產生凹口32的普通電極頭部30的(部分拆開的)橫截面圖。頭部30和限定軸向側凹口32區域的外表面形成為整體，以在起動期間刺激大電流(中空陰極)輝光放電。在開口端的密封殼體容積上，凹口32是打開的。在優選實施例中，凹口32包括用視情況而定的軸中線(在鑽孔狀凹口的情況下)或者中平面(在槽狀中線的情況下)限定相對深的空腔的內壁部分。在優選實施例中，凹口32以對視情況而定的凹口中線或者中平面為45度或大於45度的法線限定內側壁部分。理想地，側壁法線垂直於視情況而定的中線或者中平面，例如在垂直鑽孔的鑽孔中或者垂直研磨的凹槽中。凹口側壁具有提供電子發射的表面面積Ar。凹口的最小跨越距離S是垂直於中線或者跨過凹口開口的中平面的最小距離。對於垂直鑽孔的鑽孔，跨越距離S是鑽孔直徑。對於垂直切割的凹槽，跨越距離S是橫跨凹槽的寬度。對於具有彎曲的或者有斜面的開口的凹口，把跨越測量作為最小的跨越直徑，其中彎曲的開口側壁與中線或者中平面具有45度或大於45度的法線。然後，優選的凹口側壁限定空腔，該空腔最大的深度大於它的最小寬度，比如深孔或者窄的裂紋。凹口32具有最小的跨越尺寸34，平行於凹口開口附近的頭部30的表面測量的。那麼跨越距離34是在電極頭部30表面跨過凹口32的中心點的最小距離。
最小的跨越尺寸定義為以釐米為單位測量的距離S。通過填充氣體材料和填充氣體壓力部分地確定優選的跨越距離34。在起動的輝光放電相期間，對於所有所選擇的填充氣體組合物和(冷)填充氣體壓力，優選的跨越距離34等於或者大於最大的電子電離平均自由行程，但是小於最小陰極壓降距離加上負極輝光距離的兩倍。常規地計算平均自由電子行程，並且該平均自由電子行程取決於填充氣體組合物和電極附近氣體的局部密度。好像從沒有凹口的類似形成的電極頭部並運行在類似的填充物和壓力條件下，測量最小的陰極壓降距離和負極輝光距離。在熱電離電極溫度(典型地為2200K到3000K)時，由電子平均自由行程規定起動相期間的跨越距離的最大下限。理想的氣體定律和公知的電離橫截面很容易確定這個。選擇凹口跨越距離34的尺寸，以在起動過程中電離凹口32中的填充氣體材料。然而，同樣優選的是，凹口32應當足夠的窄使得濺射的材料基本上剩餘在凹口32中，並不通過大的出口孔流動，以充分地進入密封容積16。
凹口32還具有從跨越距離34的中點測量的、橫向朝著電極軸38的深度36。深度36是凹口32的橫向深度。優選的凹口32具有儘可能深的深度36，而基本上不妨礙從電極尖端40到電極主幹42所需的熱傳導。凹口32越深，露出的內部壁區域越大，以發射電子並由此在凹口中產生更多的離子，以維持起動期間的輝光放電的產生。另一方面，如果凹口32太深或者太寬，那麼必須通過降低從尖端到電極的其他區域中的密封區域的熱阻來補償凹入部分的增加的熱阻。通常，通過頭部30並橫穿電極軸38的最小橫截面積是可以被調整到適合單獨的設計需要的設計參數，只要沿著軸38的電極的整個熱阻和標準電極的熱阻是可比的，以由此在典型的尖端運行溫度時向密封提供恰當的傳導功率。然後，優選的深度36大於優選的跨越距離34，(D＞S)，但是通常不是如此之大，以至於降低了在燈的使用壽命期間運行溫度時頭部的結構整體性。優選的是，圍繞頭部30的側面對稱地起動輝光放電，因此，圍繞頭部30均勻地分布有多個單獨的凹口，例如垂直的鑽孔；或者一個或者多個細長的凹口可以以相對對稱的形式圍繞著頭部。可以使用帶狀的或者螺旋的凹槽以形成凹口。優選具有平行表面的凹槽，但是沒必要通過由凹槽形成的空腔增強電離。圓錐的或者曲線部分可以形成頭部，因此頭部不必是直的圓柱體。優選地，調整尖端40的橫截面積、頭部30的最小橫截面積、主幹42的長度和主幹直徑44來提供最小的電極汽化，同時維持穩定狀態運行期間的擴散附著。通常，將電極的內端40(頭部直徑＝dh)的外直徑做得儘可能的大，同時使得頭部直徑dh和頭部熱導率κh的乘積與軸直徑ds和軸熱導率κs的乘積的比值足夠大，以滿足某些最低限制，如下面所述的，以避免穩定狀態運行期間轉換到不希望的點電弧附著。這種點附著可能導致電極材料的過度汽化以及隨後的壁變黑。然而，如果比值變得太大，由於陰極壓降的減小以及由此陽極相中降低的肖特基效應和較低的熱耗散，所以電極尖端過熱。因此，值的優選範圍在於最小化電極尖端的溫度。
圖3示出了具有輝光產生凹口的優選電極頭部46的(部分拆開的)橫截面圖。圖3中的實施例是關於長軸旋轉對稱的。在優選的實施例中，電極頭部46是由機械加工的、無氧化釷的鎢體製成的。在當前的實施例中，鎢電極是每一百萬大約摻雜了60到70重量份的鉀，以在燈使用期間幫助穩定晶粒生長。優選摻雜鉀，以在燈使用期間保持電極結構穩定。在優選實施例中，電極是由單條鎢製成的，並通過使用包括氧化鋁、金剛石和立方氮化硼的公知的硬研磨劑的標準研磨技術來定形，以從電極尖端形成一個或者多個窄的凹槽偏移(groove offset)。還可以使用雷射消融術來機械加工電極頭部。然後，機械加工的徑向凹槽具有允許向剩餘芯良好熱傳導的相鄰壁部分。粉末形成的主體(body)的燒結是另一種製造方法，如在Altmann的US6211615中所描述的那樣，但是可能需要另外的壓緊步驟，諸如熱等靜壓(HIP)，以獲得針對顯微結構穩定性的足夠高密度。主幹48具有主幹直徑50(值＝ds)和軸長度52(值＝hs)。主幹48被耦接到具有較大的外直徑54(值＝d1)的通常為圓柱形的頭部46。在與內部最尖端56偏移了距離58(值＝h1)的頭部46側的機械加工的是具有軸向寬度62(值＝h1)的至少一個徑向凹槽60。徑向凹槽60具有內直徑64(值＝d2)。那麼，最小的跨越距離S是跨越凹槽60的軸向距離62(值＝h2)。那麼，凹口深度D是頭部直徑d1的一半減去內直徑d2的一半，使得D＝(d1-d2)/2。
可能存在類似地沿著頭部46形成的連續徑向凹槽，由此沿著頭部46產生一系列的圓盤和凹槽部分。在圖3中示出兩個凹槽和三個圓盤。如果任何一個圓盤部分特別薄，那麼它可能也不導熱到芯或者主幹部分。那麼，系列中最窄的圓盤首先加熱並更自由地發出電子。然後，如果頭部46的後面的部分是最窄的(最熱的)部分，則電弧放電可能不期望地附著到該頭部46的後面的部分。為了保證電弧附著到尖端56(優選的)，第一個圓盤部分58優選的具有最小的軸向厚度(值＝h1)。這不是產生輝光放電和最終改善的起動所需的，而是優選用於穩定狀態的燈運行。
用於電極運行的重要條件是，凹口60的尺寸和稀有氣體壓力是這樣的，使得在起動過程中，中空的陰極性放電形成在相鄰的圓盤部分之間的限定凹口60中。在凹口60中形成中空陰極放電具有幾個優點。中空陰極放電具有類似於更普通的輝光放電的電壓，但是可以維持更大的電流，該輝光放電圍繞常規電極形成。在起動過程中，更大的電流增加了對電極的功率沉積(power deposition)並縮短了輝光到弧光的時間。對於大直徑尖端並因此更大的電流電極，功率沉積是所期望的，其中通過典型的輝光到弧光起動序列很難加熱大的熱塊。這對於無汞填充物尤其有幫助，其中當大電流蒸汽弧快速地腐蝕電極材料時，這些大電流蒸汽弧的形成是不希望的。在包含汞填充物的情況下，蒸汽弧通常形成在冷凝的汞液滴上，通過改善陽極相加熱，該液滴不影響電極並且對於起動是所期望的。中空陰極放電的第二個優點是，濺射的材料更易於沉澱在凹口60內側而不是弧管壁上。第三，在起動過程中電弧附著不必從線圈轉換到不同的電極結構，由此在起動過程中提供更多的可控起動和蒸汽的較少可能性。
用於在凹口內產生中空陰極放電的最小需求是，最小的跨越距離S是這樣的，以致從內部凹口壁(圓盤表面)向著凹口的相對側(下一相鄰圓盤壁)發出的第二發射電子在圓盤之間平均具有足夠的傳送距離，以在到達相對電極表面之前具有至少一次離子碰撞。作為最大的限制，凹口的最小跨越距離S不應當超過負極輝光距離加上兩倍的陰極壓降距離(fall distance)的總深度，其中，在相同的填充條件下，從沿著類似的無凹口電極的電極尖端(58)表面(第一圓盤表面)另外形成的地方測量陰極壓降距離。在整個輝光到弧光轉變時維持這個凹口距離條件，在該轉變過程中，電極從附近的室溫(Tamb＝300K)加熱到典型的熱電離溫度(針對非摻雜的發射體，Ttherm＝2800K)。在優選的實施例中，對於跨越距離(S)乘以具有4到40kPa(30到300託)氬氣的實際冷填充壓力的120Pa-cm到1200Pa-cm之間的壓力(p)值(Sp)的範圍，用如表1中的具有開槽電極的HQI燈，觀測增強的電流和能量沉積的範圍。最大的能量沉積出現在600-800Pa-cm的範圍中。大於800Pa-cm，能量沉積仍然顯著地增強，但是電壓開始增加，顯示出不正常輝光的開始，而不是中空陰極輝光。增加的電壓需求增加了鎮流器設計的複雜性和由此所不希望的。大於800Pa-cm，還更困難的是，在貫穿整個輝光到弧光的轉變中維持中空的陰極放電。在圖5和6中示出這些實驗結果。圖5示出了，對於表1(圖4)中的具有開槽電極的HQI燈，中空陰極電流到達大約800Pa-cm的最大Sp。圖6示出了中空陰極能量中的類似特性。
為了比較這些(冷填充物)Sp範圍和公知的文獻值，方程(1a)中的較低極限在對於氬氣的一個估計幅值的理論級內，Sp＞3.5(Ttherm/Tamb)Pa-cm＝33Pa-cm(其中Ttherm＝2800K以及Tamb＝300K)並接近於用於微中空陰極放電的一個實驗極限70Pa-cm。用於微中空放電的上實驗極限是大約670Pa-cm。公知的文獻值基於流動系統中的運行壓力並且和用於燈實驗中的壓力是可以比較的。這裡觀察的較高值可能來自於槽的不同幾何形狀，然而大多數公布的數據來自於圓柱形孔或者平行板中形成的中空陰極放電。基於對氬氣的這些考慮，以釐米為單位的跨越距離S和以帕斯卡為單位的稀有氣體壓力p應當近似滿足室溫條件70＜Sp＜1200Pa-cm 方程1a-氬氣另外，除了氬氣之外的惰性氣體對於產生中空陰極放電是有用的；然而在文獻中Sp極限不是很容易得到的。因此通過調節下極限和上極限，可以獲得對於電極凹口中有用的中空陰極運行的Sp範圍的估計。下極限相反與電離的橫截面成比例，並因此可以根據容易得到的電離橫截面來調節。為了用其它惰性氣體進行這些估計，假定氣體溫度和密度是固定的，並使用出現在50-200eV範圍中的最大橫截面值。估計針對其它惰性氣體的上Sp極限需要對每種氣體的非正常輝光套管距離Is和負極輝光距離Ing的獨立估計。使用公知的、非正常輝光的Engle-Steebeck模型，獲得了在典型的電流密度10A/cm2時大約Isp＝20Pa-cm的套管厚度-填充物壓力的乘積。如果從方程1a-氬氣的上Ar極限減去兩倍的這些量，那麼獲得1160Pa-cm的最大負極輝光距離-填充物壓力乘積。然後根據下述的比例從實驗的氬氣值調節負極輝光距離plng∝(1/σion)(Vc/Vion)，其中，對於所給的惰性氣體，σion是平均電離橫截面，Vc是非正常輝光中的陰極壓降並對應於負極輝光中的初始電子能量，以及Vion是惰性氣體原子的電離能量。通過添加兩倍的如從Engle-Steebeck模型計算的預測套管厚度-壓力乘積Isp獲得最終的上Sp極限。通常，套管厚度壓力乘積明顯小於負極輝光-壓力乘積。對於氦氣、氖氣、氪氣和氙氣，在下面給出這些估計的結果530＜Sp＜15000Pa-cm 方程1a-氦氣240＜Sp＜4800Pa-cm 方程1a-氖氣40＜Sp＜880Pa-cm方程1a-氪氣35＜Sp＜840Pa-cm方程1a-氙氣由於其較低的電離電勢，所以優選的氣體是氖氣、氪氣和氙氣。對於所給的中空陰極電壓，這允許獲得更大的電流密度，並因此更不需要鎮流器。較低的電離電勢還降低擊穿電壓的需求，再次允許更低成本的鎮流器。較低的Sp範圍還更適用於典型的起動氣體壓力和電極尺寸。
凹口深度D應當足夠大，以在凹口內包含所濺射的電極材料、典型地是鎢。通常，當凹口深度D大於最小跨越距離S時，產生鎢維持力。然後，優選的凹口比它打開時相對更深，使得在凹口中濺射的材料具有停留在內部凹口表面上的良好時機，並不流出凹口以停留在燈的其它位置。優選的凹口還儘可能的深，以最大化由輝光放電所產生的電流。然後優選的是凹口深度滿足S＜D 方程1b增加凹口深度D增加了電極頭部的那部分的熱阻；然而，這並不是必然地導致電極尖端的過熱。通過其他部分的熱阻的降低幾乎總是可以補償頭部的增加的熱阻。例如，可以降低軸長度52。考慮到穩定狀態，在後面的部分中覆蓋電極的整個熱結構。對於最大凹口深度的主要限制是在燈的使用期間在運行過程中的電極的結構整體性沒有折衷。
對於起動的重要的準則是通過凹口中的輝光提供的熱輸入稍微大於穩定狀態運行過程中輸入給電極的時間平均的熱量。這阻止了起動過程電極處於加熱中，並由此不可能達到熱電子發射。假設，Phc是來自凹口中的「中空陰極」狀輝光的熱輸入，以及Pss是在穩定狀態運行的過程中輸入給電極的時間平均的熱量，然後0.5Phc＞1.5Pss保證在用凹口中的中空陰極狀放電的更多的空間分布的熱量起動過程中良好的電離子接收。一半的因素來自於這樣的事實，輝光相中的加熱只來自於AC運行中陰極1/2周期。這假設不使電極上凝結的汞通過汞蒸氣弧提供附加的陽極加熱的最壞情況的情形。為了進一步限制電極的尺寸，中空陰極放電的功率流量被定義為qhc＝Phc/ArNs，其中Ar是限制狹槽(例如圖3中的凹口60)的開口的內表面的面積，不包括狹槽或者凹口底部的面積，以及Ns是這種狹槽的數量。從在13.3kPa(100託)的額定填充氣體壓力下以400W開槽的電極中的實驗，對於每個陰極1/2周期(AC運行)從中空陰極放電的功率流量qhc在qhc＝2.5kW/cm2的數量級，在20kPa(150託)增加到大約4kW/cm2。在起動過程中，相應的燈電壓接近於中空陰極電壓Vhc，並不同於放電燈中更普通的非正常輝光，與電流比相對固定。在這些實驗中，還發現在13-40kPa(100-300託)的壓力範圍上，300＜Vhc＜340V。通常，如果根據電離電勢和離子遷移率、諸如氙氣或者氪氣並基於多種文獻研究，認為氣體類似於氬氣，將期望在1-10A/cm2的典型的中空陰極電流密度時200V＜Vhc＜400V。
從對運行在2800K-2900K的理想(無氧化釷)的電極溫度下的150W和400W HID燈中的無氧化釷電極的模擬，對於以A安培為單位的給定電流I，典型的穩定狀態功率劇烈地從Pss＝3-10W/A變化，用於AC(交流)運行。對於高效的HID光源，熱輸入Pss的顯著更高的值通常將導致電極中不能接受的損失。下面的方程(2)、(4a)和(4b)顯示出如何近似地計算Pss。基於最壞情況的接收需要，對於平均AC電極加熱功率和在13.3kPa時測量的2.5kW/cm2的中空陰極功率流量，Pss＝10W/A。用於滿足給定穩定狀態燈電流I的凹口的活性面積Ar和這種槽的數量Ns的熱電離接收條件近似於NsAr/I＞0.012(cm2/A) 方程1c在純DC運行的情況下，在起動相期間連續發生中空陰極加熱，由此在起動過程中有效地加倍了最小的熱輸入。然而，在穩定狀態Pss中對於電極加熱有用的上極限還更大，因為消除了高瞬變的陰極壓降，如在下面的方程(8a)和(8b)中示出的。因此，對於AC和DC運行，方程1c仍然是大致的引導。
在圖3的優選實施例中，凹口面積Ar＝0.5π(d12-d22)。圖4示出了列出對於具有電極的燈的相關尺寸和運行條件的表1，該電極具有標準形式和圖3中所示的普通形式(開槽的)。對於表1中的HQI開槽的電極(正弦波運行)，功率負載面積NsAr/I＝0.016cm2/A。如果穩定狀態的電極加熱功率需求小於10W/A，那麼可以稍微緩解這種需求。類似的DC起動相或者具有小於20W/A的功率Pss的DC穩定狀態的熱輸入還意味著可以使用小於方程(1c)中功率負載面積的功率負載面積。如果平均加熱功率需求超過10W/A(AC)或者20W/A(DC)，那麼這種需求還更迫切。
用於適當起動和接收到熱離子弧中的第四個需求是電極的內端48，優先於電極的任何其他區域加熱到熱電子發射。這意味著電極的最內部的圓盤58沒必要比通過凹口放電(中空陰極狀放電)施加到那端消耗更多的功率。否則，對於電極頭部，最內部的圓盤58變成了冷卻表面，以及更高的溫度存在於頭部的其它地方。為了保證最內部的圓盤58優先於所有其它圓盤變得熱電離，對該圓盤的輸入功率必須大於其熱輻射功率。通常，在尖端56損耗的其它能源、諸如通過氣體的傳導是可以忽略的。在圖3的優選實施例中，施加到尖端56的中空陰極加熱和輻射部分的比值優選大於1錯誤！從編輯域代碼中不能產生對象。
方程1d這裡，用於鎢頭部的發射率ε＝0.37，σB＝5.67×10-12Wcm-2K-4是Stefan Boltzmann常數，並選擇溫度T≈2900K作為鎢電極尖端溫度的合理上極限。使用近似2.5kW/cm2的輝光熱量qin。表1中的實驗開槽的電極滿足該方程。
這些對凹口和圓盤尺寸以及稀有氣體弧管壓力的限制(由方程(1a)到(1d)表示)包括用於在凹口內產生大電流的輝光放電並允許在起動相期間從輝光到熱離子電弧的完整轉變的優選條件。該條件部分地將所要求保護的本發明和現有技術區別開來。尤其是，Jansen的US3303377、Eggers的US6437509和Altmann的US6211615並沒有公開來自內部的圓盤凹口的中空陰極狀發射。現有技術只描述了冷卻體。
儘管方程1a到1d提供了用於增強起動的優選限制，但是現在可以如此定義電極尺寸和材料特性以及鎮流器波形需求，使得在沒有使用氧化釷時圖3中的電極還改善了穩定狀態的特性。圖2或者圖3中的電極結構在熱設計中具有顯著的靈活性。儘管幾乎獨立地控制整個電極熱損失，但是通過使用大面積的尖端56可以降低尖端溫度。通過主幹48和槽直徑諸如62可以控制所傳導的熱損失。限制輻射的表面面積和表面溫度控制總的輻射損失。獨立於電極尖端區域來控制熱損失的能力進一步將所要求保護的本發明和現有技術區別開來。
通常，特定燈的考慮可以規定電極損失、陰極壓降和其它電極設計參數。然而，僅僅當滿足某些限制時，圖3中的電極結構獲得接近最佳的運行條件。儘管這些限制尤其適用於無發射體的電極，但是它們的應用到具有包括氧化釷的發射體的電極可以產生改善的維持，假設溫度分配和摻雜電極的晶粒結構允許發射體向陰極表面均勻的和適當的傳輸。
對於在較低的穩定狀態的尖端溫度時通過熱電子發射來支撐所期望的燈電流的圖3中的電極，尖端56的面積必須大。這可以通過總電流密度j、陰極壓降Vc和尖端溫度T之間的關係看出j=je(Vc,T)(1+VcVi)]]>方程2這裡，je(Vc，T)是通過作為陰極壓降的函數的熱電子發射和溫度的乘積的電子電流密度(A/cm2)。電流密度的溫度依賴性是公知的，並具有大的正指數依賴性。對陰極壓降Vc的依賴性來源於熱電子發射的電場增強(肖特基效應)。局部電場和陰極壓降之間的準確關係取決於套管是碰撞的還是無碰撞的，以及依次還取決於燈的運行壓力。通常，陰極壓降Vc的溫度依賴性顯著弱於熱電子發射的外在溫度依賴性。在文獻評述中可以找到關於陰極壓降和電極表面處的局部電場之間的關係的細節。對於給定的陰極電流I和附著面積Aa，電流密度是j=IAa]]>方程3由於陰極附著發生在電極表面提供大部分總熱電子發射電流的地方，所以附著面積Aa由電極的最熱區域的大約100-200K內的表面構成。因此，附著面積Aa包括尖端和周圍的熱表面。在圖3中所示的實施例中，這主要是圖3中的尖端56的內表面和最內部的圓盤距離58的側表面。
方程2示出了尖端溫度隨著降低的電流密度和固定的陰極壓降的降低。由於汽化速率指數地依賴於溫度，所以在穩定狀態運行期間，尖端溫度中的很小的降低，甚至隨著汽化面積的增加，很容易降低燈中壁變黑的總量。因此，通過增加尖端和圍繞表面的面積，可以能減低壁變黑，假設可以控制陰極壓降。凹口60進一步增加附著面積Aa並捕獲一些汽化的電極材料。從通過陰極套管中的離子和陽極相中捕獲的電子獲得的能量完成這些表面的加熱。在電極總是在具有電流Idc的陰極相中的DC運行的情況下，穩定狀態運行期間的總平均熱輸入是錯誤！從編輯域代碼中不能產生對象。
方程4a其中φw是電極的(肖特基降低的)功函。在具有正負半周期對稱的電流Iac的AC波形的情況下，通過下面的方程近似給出熱輸入Pss(W)相對電極的總周期平均 方程4b上劃線表示在各個半周期上平均的均方根。量e是電子焓並近似於2.5Te，其中Te≈0.5-1eV是陰極附近的等離子體的電子溫度。方程(4b)中的第一項表示平均的陽極相加熱以及第二項表示平均的陰極相加熱。在方程(4b)中假定，運行頻率遠遠快於電極結構的總的熱響應。對於高達400W的實際HID電極，高於30Hz的波形頻率清楚地在Ac方式中。對於通過提供穩定狀態的峰值燈電流Ip和峰值陰極壓降Vp的鎮流器的運行，通過典型使用的不同的波形因素f，均方根值可以和峰值有關，以描述電波形中的功率。對於特殊情況的方波和正弦波鎮流器電流波形，f＝1， (方波)f=2,]]>(正弦波) 方程5a通過下面給出均方根Iac＝Ip/fVc=Vp/f]]>方程5b然後通過平均的總輻射損失和沿著主幹對密封區域處的熱降低的傳導損耗平衡對電極頭部的熱輸入。為了用無摻雜的(沒有發射體)陰極提供0.1到10A/mm2的典型熱驅動電流密度，方程2需要在2500到3000K的範圍內的尖端溫度。實際的溫度取決於電流密度和微弱地取決於金屬滷化物蒸汽的電離能量、蒸汽組份、運行壓力和電極等離子體附近的相關細節。方程4a或4b中的陰極壓降調節來提供在所要求的尖端溫度時所需的能量平衡Pss(熱輸入)。因此，對於所給的電流，具有大熱量損耗的電極比具有較低損耗的電極具有更大的陰極壓降。為了表達對於由多個不同直徑的較大圓盤之後的主幹構成的任意電極的這些想法，可以對圖3中的電極的每個軸部分進行編號，從最內部的圓盤(圖3中的48)開始，朝著主幹k＝1，2，…N編號，其中N是包括主幹的部分總數目。標著k＝1的圓盤是最內部的圓盤，並和電弧直接接觸。通過分別用於DC和AC運行的下述關係可以表達熱平衡Pss(Vc-w)Idc=T-T0]]>方程6a-DC陰極 方程6b-AC方程(6)中的值θ是電極結構(在運行溫度時)的有效軸向熱阻。θ的準確形式包括輻射損失並因此取決於沿著電極的軸表面的溫度分布。近似於作為具有固定熱導率κk、橫截面積Ak和厚度(或者在主幹的情況下為長度)hk的結構的每個圓盤和主幹給出對於θ的下述表達式=k=1NhkkAk(1-k)]]>方程7係數αk是來自從圓盤(或者主幹)k的尖端(部分1)到中間的區域上的電極表面的總輻射功率的小部分。當k＝N時，αN是來自整個電極的總輻射損耗。AN和κN指的分別是圖3中的電極的主幹的橫截面積和熱導率。注意dN＝dS以及同樣hN＝hS。實際上，可以使用溫度分布的第一級估計，來確定輻射損失。用在大約2800K的尖端溫度的模擬典型地示出了對於電極通過熱輻射損失的大約30％到40％的總輸入功率，主要是在高於2500K的電極的部分上。這對應於αN＝0.3-0.4。實際上，必須在數值上解決由方程(2)、(3)、(6)和(7)給出的尖端溫度的解決方案。
這些結果示出了，具有線圈的條結構和平滑條(如通常在HID燈中所使用的)為什麼不能獲得最佳的穩定狀態溫度。對於條，熱阻是(具有輻射損失)=h11A1(1-1),]]>(N＝1)。將條結果帶入到能量平衡方程(6)中表示增加直徑來降低電流密度，以及因此，尖端溫度具有增加所需的加熱功率Pss的問題。當在尖端使用線圈時，線圈導線的直徑通常用條直徑來調節，以維持合理的熱和機械整體性。因此，實際上隨著尖端表面面積的增加，甚至盤繞的設計已經增加了加熱功率。另一方面，包括頭部30(圖2)允許獨立地增加尖端面積，並由此在不增加對尖端所需的加熱功率時降低穩定狀態的尖端溫度。對於圖3中的實施例，通過使得主幹直徑ds小於尖端直徑dh來實現這個。通過併入中空陰極狀放電發生凹口，在沒有禁止起動時可以進一步增加尖端面積。方程7還示出了增加槽深度(d1-d2)以改善中空陰極起動對於穩定狀態性能沒有害處。通過稍微地增加主幹直徑ds或者減少主幹長度hs來補償深槽的增加的熱阻。
圖3中的靈活設計允許超過常規電極設計的穩定狀態電極性能的最佳程度，同時滿足起動過程中對於中空陰極放電的條件。基礎的概念是增加尖端面積，同時調整電極的整個熱阻，以提供合理的陰極壓降。在套管中由於大的陰極壓降增加了由離子承載的電流量，所以由熱電子承載的電流的所需部分減少了。結果，方程(2)中的較高的陰極壓降降低了尖端溫度。通過需要套管實現更高的陰極壓降，以向電極提供更多的加熱功率，如方程(4)中所示。然而，出於以下幾個原因，多餘的陰極壓降可能是不期望的。首先，公知的是，大的瞬間陰極壓降端子可能導致濺射，雖然較低的尖端溫度但是引起壁變黑。典型的濺射閾值為近似50V並取決於離子類型、電極材料和電極溫度。實際上，由於還沒有很好地研究接近閾值的高溫濺射，所以應當限制峰值閾值壓降到20V到30V。此外，通過將從燈的發光等離子體的電功率消耗並將它改變方向到電極，對電極增加的加熱功率降低了燈效率。對於所給的燈功率，這些電極加熱損耗對於無汞燈尤其重要，這些無汞燈通常運行在比含汞燈更高的電流。基於所需的陰極壓降範圍，方程(4a)、(4b)、(5a)和(5b)包含了對於每個所施加的均方根電流Le的電極輸入功率的近似上極限，該均方根電流Le通過下述方程給出，Le＜25W/A方程8a-DC陰極Le＜12W/A方程8b-AC對於HID燈，方程8a和8b是優選方針，但不是電極運行所需的。通常，可能想用Le＜10W/A(AC)或者Le＜20W/A(DC)以從凹口放電(中空陰極)輝光相來幫助最壞情況的接收。
給出在方程(8a)和(8b)中輸入的希望的陰極壓降或者等價地希望的電極加熱，可以使用理論結果來進一步確定對電極設計的限定，使得以擴散模式保留電弧附著。優選的是到尖端的總熱流量W/cm2不應當超過臨界值，給定材料功函和尖端直徑；否則，通過套管可放大尖端表面上的低溫度或者熱流量變化，以及擴散電弧附著可能變得不穩定。然後，產生的電弧附著壓縮成通常存在於更高溫度的更熱的點電弧附著，導致過量的電極材料汽化。在包含無氧化釷發射體的電極的情況下，發射體材料還以點的模式汽化。氧化釷發射體似乎是獨特的，具有可得到的鎢發射體的最低蒸汽壓力中的其中一種，並可以提供具有點附著的良好維持性。然而，因為氧化釷的不希望的環境屬性，所以凹口產生發射結構的一個目標是去除該氧化釷。
為了設計用於多種所需的擴散電弧附著的無氧化釷電極，必須滿足對於電極上的條件，以保證穩定的擴散電弧附著。通過檢查從陰極套管的邊界層熱流量的依賴於時間的波動和在電極尖端產生的傳導熱分布，用公式表示該分析。在文獻中存在類似的處理。對於具有電和熱絕緣側的圓柱形表面的基本結果在於，當滿足下述方程時
d121-qT10]]>方程9所希望的擴散模式對於小波動保持穩定。
這裡，κ1是直徑為d1的尖端處的電極材料的熱導率，其中k＝1是最內部的圓盤。導數q/T是進入到電極尖端中的淨熱流量(W/cm2)的偏導數，並包括來自套管區域的離子加熱、電子冷卻和來自電極表面的輻射冷卻。以恆定的套管電壓和尖端溫度T估計偏導數q/T。係數β10＝1.8412是整數階貝塞耳函數的導數的第二個零點，Jm′(βmn)＝0。重要的是，注意方程(9)的結果沒有引入影響，諸如電極表面上摻雜劑的汽化和非均勻發射體材料的分布。結果，具有發射體的電極上的電弧附著需要另外的實驗。
為了粗略地解釋從圖3(或者圖2)中的電極側的熱電子發射，假設對側面的加熱有助於尖端附近的波動的放大(和不穩定性)。附著面積Aa和尖端面積A1的比值被定義為過量填充係數η=AaA1]]>方程10在圓柱形的尖端，該過量填充通常在2＜η＜3之間變化。使用方程(2)和(6)的結果，然後可以將擴散穩定條件表達為Kstab2d11(1-T0T)10]]>方程11a-DC 方程11b-AC校正值γ是解釋貢獻於不穩定性的電極側面的加熱的附加係數。通常，校正係數小於過量填充係數1＜γ＜η。放大係數δ是來自於估計偏導數q/T的係數，假設通過熱電子發射產生電子。這被發現近似於，2+wkT]]>方程12其中φw是電極尖端材料的肖特基校正的功函。已經忽略了肖特基校正的溫度相關性和輻射冷卻的較小影響。這些影響降低了穩定係數δ，使得擴散附著更穩定。對於沒有發射體材料的鎢電極，係數δ近似為20。
當使用圖3的幾何形狀時，方程(11a)和(11b)與方程7一起示出擴散模式附著的幾個不期望的特性。圖3中的電極的最重要的特性是可以隨著增加的尖端直徑維持擴散模式(Kstab＜β10)。這通過保持主幹直徑的平方和固定的尖端直徑的比值來實現。
方程13也就是說 是近似的常數，以調節圖3中的電極。這保持整個熱阻和θ的乘積大致固定。隨著增加的尖端直徑，常規電極上的電弧附著通常變得更穩定，因為主幹和尖端由單個條構成。因此，在方程(11a)和(11b)中，熱阻θ大致減小了1/dN2。因此，至少當不使用發射體時，和常規的基於條的電極相比，使用具有放電發生凹口的電極可以獲得更好的維持性。這是因為放電發生凹口允許具有大尖端的電極具有良好的擴散附著和起動。另外，如下所述，理論地和實驗地找到凹口，以進一步改善擴散模式穩定性(較低的Kstab)。
方程(11a)和(11b)的第二個特性是穩定性是稍微和鎮流器有關的。優選實施例中的鎮流器波形上的穩定性的相關性從最穩定到最不穩定是DC＞AC方波＞AC正弦波。因此，對於給定的設計約束條件組，對於方波，能夠獲得具有比正弦波更低的熱阻的穩定附著，並進一步獲得維持中的改善。自然地，這是期望，因為波形越動態，在整個波形周期中電極經歷越多的冷卻和加熱。這包括在陰極壓降中的更大的變化範圍，以及因此更大程度的瞬間峰值熱流量，該瞬間峰值熱流量導致如方程(9)中所示的不穩定性。穩定性結果(方程11)的第三個特性是，相對於電極的其它部分升高尖端的熱導率κ1，尤其是那些具有高熱阻的，還改善了擴散模式的穩定性。尖端區域中的高的熱導率幫助增加遠離套管否則放大的任何溫度波動的熱流量。
通常，當其它設計標準、諸如鎮流器波形、燈中的實際尺寸限制、濺射和對電極的損耗允許尖端被製成儘可能的大，以及熱阻儘可能低，以實現具有小於20到30V的峰值的較高陰極壓降時，實現了最好的維持性。
作為最不需要的是，方程(11a)和(11b)示出了主幹直徑和主幹熱導率的乘積應當小於尖端直徑和尖端熱導率，以利用具有放電發生凹口的電極的改善的維持性和中空陰極標準(方程1a-1d)κ1d1＞κNdN方程14進行實驗以核實圖3的優選實施例的主要特性。使用前面所述的研磨技術製造表1(圖4)中的電極。為了比較，還示出了固態的(無氧化釷的)、盤繞的(無氧化釷的)和盤繞的(有氧化釷的)控制電極的尺寸。製造用於石英(HQI)和陶瓷(HCI)弧管的電極。
為了測試在輝光到弧光轉變上具有輝光放電凹口的電極的作用，將表1(圖4)中的凹入HCI電極比作兩個不同的控制電極。第一控制是標準的電極，其包括具有5匝單層線圈的0.75毫米直徑的摻雜了鉀的鎢條(大約每百萬佔60到70重量份)，具有0.26毫米的線直徑。在起動和穩定狀態過程中，線圈在尖端並參與熱電子發射。第二個控制是在形狀、材料和尺寸等同於表1中的HCI凹入電極的固態尖端電極，但是沒有形成凹口。沒有凹口的電極具有更大表面面積的優點，但是在起動相期間沒有產生中空陰極放電的結構。用25毫克的稀土碘鹽、42毫克的汞和13.3kPa(100託)的氬氣起動氣體填充所有的燈。對於開槽電極的對應Sp(h2p)是370帕斯卡-釐米(3託-釐米)。陶瓷弧管是具有大約20毫米的弧光間隙的400瓦特陶瓷球型殼體(OSRAM PowerBallTM)設計。燈運行在標準可調延時型M-135磁鎮流器。
表2(圖7)示出了結果。凹入的(開槽的)電極具有0.3秒的平均輝光到弧光時間，對標準固態電極60％的改善，和對標準線圈尖端的電極20％的改善。能量沉積示出類似的特性，顯示出相鄰圓盤之間的中空陰極放電的正面效果。凹入的(開槽的)電極具有39.8焦耳的平均輝光到弧光能量輸入，由標準固態電極所需的41％的能量，和由標準線圈尖端的電極所需的84％的能量。結果示出了具有開槽結構的附加部分的輝光到弧光特性的巨大改善。
在可替換的實施例中，用於包括400W石英弧管的HQI電極的燈填充有20.7毫克NaI、3.1毫克的ScI3和52.9毫克的汞和4100帕斯卡(31託)壓力的氬氣。對應的Sp(h2p)是120帕斯卡-釐米(0.9託-釐米)。
為了示出具有放電發生凹口的頭部形狀的設計降低了電極溫度並因此改善了穩定狀態的維持性，使用紅外線成像來測量電極溫度分布。圖8示出了作為用於表1的HQI電極電流和三種控制情況的函數的電極尖端溫度上的最大側的圖表。第一種控制等價於HQI凹入的電極，但是沒有凹口(固態的)。第二種控制電極是插入長度為8.5毫米和從尖端大約2.8毫米的(無氧化釷的)線圈的有氧化釷的0.9毫米直徑的條。第三種控制電極是無氧化釷的，具有無氧化釷的線圈的摻雜了鉀的0.8毫米直徑的條從尖端大約是2.8毫米，以及整個插入長度是8.5毫米。所有的電極被安裝在400瓦特石英弧管中。對於這些測量結果，燈運行在電子方波鎮流器中。這些典型的條和線圈電極的大的尖端延伸使得它們在穩定狀態過程中充當純的條電極。
該結果表示，在3.5安培的設計電流的凹入電極具有和有氧化釷的盤繞的電極相同的尖端溫度。這是在沒有任何發射體材料時獲得的，以降低功函。凹入的頭部電極具有還低於0.8毫米無氧化釷的盤繞電極的尖端溫度200開爾文的尖端溫度。使用大面積尖端的這種示例可以比典型的條設計顯著降低尖端溫度。具有1.5毫米的直徑的純條將具有不可接受的高的熱輸入需求並將期望以點模式運行。固態尖端電極甚至具有比開槽電極更低的溫度，但是具有在表2中標記的不良的起動特性。因此，表2(圖7)中的數據示出了圖4中的無氧化釷(沒有發射體)電極具有和標準的有氧化釷的電極一樣好的起動和穩定狀態特性。圖8中的結果還示出對於凹入的2D邊界層計算和與這些測量非常緊密一致的固態尖端電極。在所有的情況下，對於這些測量，附著模式是擴散的。
除了提供希望的起動和穩定狀態特性的凹入結構之外，當和等價的固態尖端電極相比時，凹入電極結構進一步改善擴散附著的穩定性。由於較低的電流易於產生點運行，所以改善的電弧穩定性還可以導致變暗期間的改善的維持性。執行實驗來測試凹入電極的穩定性。通過監控用於表2中的燈的M-135鎮流器上的電壓波形，可以觀察微秒時間量度上的電壓不連續，其表示陰極上點轉換的擴散。在穩定狀態中，該鎮流器的轉變飽和特性易於以低的燈功率因素運行燈，並可能導致轉換到點模式。對於垂直運行燈，在對於一個電極1.8安培均方根以及對於另一電極2.6安培均方根的電流時，凹入的燈經歷到點轉換的擴散。這和用於兩個電極的固態尖端的3.2安培均方根的閾值比較。在這方面，標準的盤繞電極仍然是最好的，其示出在1.8安培均方根只用於一個電極(波形的一相)的轉換。然而，無氧化釷的標準電極不具有凹入型的改善的維持性。
在表1中示出了對於在這些實施例中所使用的電極的擴散模式穩定性(Kstab)的估計。對於這些簡單的估計，取校正因素γ為1，並且對於這些電極，通過大致在1.5到3的因素來滿足擴散模式條件。用假設的正弦波或方波激發，取過量填充因數η為3。完成對於項(fVc-φw)/(Vc+e)≈f的近似。因為線圈和條之間的複雜的熱轉移，所以用簡單的近似更難以估計盤繞的電極。對於這些估計，用有效的固態圓柱體來簡單地代替線圈。
估計預測出，HQI燈中的電極比陶瓷更不穩定(更大的Kstab)，因為在HQI情況下更低的參考溫度T0和更短的有效長度。在HQI弧管中，參考溫度是密封溫度，而對於HCI，參考溫度是在使得和毛細管體緊密的熱接觸之前通過部件將電極焊接到附加的供給的地方。開槽的電極具有稍微較低的穩定因數並因此應當顯示稍微更穩定的特性。這和對正弦波鎮流器上的HCI電極的觀察相一致。表1還示出了方波應當比正弦波更穩定，在性質上和在方波鎮流器上作出的溫度測量相一致。
為了測試凹入電極的穩定狀態性能，在具有dh＝1.5mm的開槽無氧化釷HQI-T 400W燈和表1中的有氧化釷的控制HQI燈上執行連續的使用壽命測試。所有的燈都在水平方向上燃燒。還測試具有頭部直徑dh＝1.1和1.3mm的開槽無氧化釷電極的HQI燈。為了研究槽的作用，附加地測試帶有和開槽電極具有相同尺寸的固態電極的同樣的HQI燈。在以3.5A額定電流運行的50Hz扼流圈型鎮流器上對所有的燈進行測試。運行1500個小時之後，觀察到電弧附著上的下述結果如通常所觀察到的那樣，發現所有的有氧化釷電極以點模式附著運行。幾乎所有的固態無氧化釷電極都以點模式運行或者有些限制為電弧附著。所有的開槽(凹入的)無氧化釷電極以擴散模式運行，與HCI燈的上述觀察一致。唯一例外的是在dh＝1.5mm的電極表面之一上一些x射線不對稱汽化的證據，該dh＝1.5mm的電極表面似乎和水平燃燒位置並沒有關係。在0、100、500、1000和1500個小時時，針對這些燈測量光度和電參數。1500個小時時的結果可以被總結如下具有開槽(凹入的)電極的燈顯示出，對於dh＝1.1和1.3mm的電極，相對於100小時的平均光通量(流明維持)是95％，以及對於dh＝1.5mm的電極，相對於100小時的平均光通量(流明維持)是90％。這些結果和有氧化釷的控制燈一樣好或者比有氧化釷的控制燈更好，其具有85-90％的流明維持。最好的固態頭部結果(dh＝1.1mm)示出了很可能來自點模式附著的小於70％的流明維持。具有開槽電極的燈示出了沒有電壓升高和只有來自尖端邊緣(從x射線)的適度沉積。實際上，電壓在這個時間間隔上降低了5-8V。控制燈和固態電極示出了5-10V的輕度到中度的電壓升高，並示出了在尖端來自點附著的中度量的沉積。因此，使用壽命測試數據確定對於具有凹口的無氧化釷電極的圖3中的實施例至少可以提供和具有不含稀土填充物的線圈的氧化釷電極一樣好的維持性。數據證明了控制擴散模式附著的凹口的優點。所述的很多概念可以被用到具有放電發生凹口的電極的其它實施例中。在凹入電極的第二實施例中，主幹和尖端部分由不同的難熔材料構成，由此主幹由具有小於凹入的尖端部分的熱導率κ1的熱導率κN的難熔材料製成。
在圖9中所示的第三實施例中，用尖端體上的一個或者多個中空區域代替凹口，以獲得類似的中空陰極效果。機械的或者雷射鑽孔可以形成中空區域。中空區域必須滿足起動過程中對於中空陰極放電的需求。在氬氣緩衝氣體的情況下，中空的直徑dh和中空的深度1h必須滿足以下條件，70＜dhp＜1200Pa-cm 方程6a凹口深度D必須足夠大以將濺射的鎢容納在凹口內，並提供足夠的電流D＞dg方程6b在圖10中的第四個實施例中，這種中空凹口區域可以在尖端體的前側，或者單獨地或者和尖端體的頂部上的中空區域一起。電極70可被形成為在電極70的最內端具有支撐頭部74的內主幹72的固態體。頭部74可以包括平的端面76。在表面76中形成的可以是一個或者多個凹口、諸如孔、狹槽、狹縫或者凹槽。凹口可以是軸向延伸的鑽孔80。鑽孔80具有最小的跨越距離(直徑)82和深度84。貫穿起動的輝光放電相和對於所選的填充氣體組分和壓力，直徑82大於最大的電子電離平均自由行程，但是小於最小的陰極壓降加上一個負極輝光距離的兩倍。深度84優選地大於跨越距離82。可以理解的是，在前表面76上可能存在多個這樣的鑽孔，以及在它們遵照尺寸和形狀規格的地方可以使用那些凹槽、狹槽和類似的開口。
在第五實施例(圖11)中，用由平的非平行或者彎曲表面構成的凹槽代替圖3中的優選實施例中的平行凹槽，使得中空陰極輝光形成的表面之間的距離是可以變化的。因此，對於凹槽的每一部分SP是不同的，這允許更大範圍的壓力產生中空陰極效果。起動過程中，在由於電極加熱引起的氣體稀薄(rarification)導致氣體密度的巨大變化的地方，這可能是有幫助的。因此，在起動相中，這種設計允許中空陰極放電最佳地形成在凹槽的某個區域內。
凹槽可以具有多種替換形式。可以是如圖2中的鑽孔狀開口或者如圖3中的凹槽。圖10示出了具有形成在電極頭部的前表面上的鑽孔凹口80的替換優選的電極頭部76的(部分拆開的)橫截面圖。另外，凹口跨度82和凹口深度84符合上述描述。跨越尺寸是可以變化的，使得當燈老化時，或者由於製造中的變化，對於實際的燈條件仍存在最優的跨越尺寸。圖11示出了具有可變的凹口跨越尺寸的替換優選的電極頭部的(部分拆開的)側視圖。引導圓盤84由正弦面構成，但是齒輪狀或者類似的波動面相對於橫跨凹口的相反表面提供不同的跨域尺寸、諸如86和88。圖12示出了具有螺旋形凹口92的替換優選的電極頭部90的(部分拆開的)側視圖。凹入的凹槽不需要是圓形的，但可以是螺旋形的，允許附著以軸向尺寸更容易地流動。跨越尺寸92仍然遵照上述的條件。圖13示出了具有發射體塗層102的替換優選的電極頭部100的(部分拆開的)橫截面圖。可以用氧化物發射體材料對各種實施例中的任一個中的電極進行摻雜。圖13示出了以發射體材料浸漬塗層的電極主幹和頭部100，留下塗層102。可以使用的發射體塗層包括那些公知的高溫發射體摻雜物、如ThO2、La2O3、HfO2、CeO2以及相關的氧化物。如通常在加有氧化釷的電極中所完成的那樣，可以直接將發射體材料合併到電極中。由於這種摻雜電極的較低功函，所以可以將尖端溫度降低到低溫，在該低溫發射體材料的汽化是微不足道的，相對燈的平均使用壽命，在表面上提供單層覆蓋層。通過使用前五個實施例的其中一個再次獲得摻雜電極的低溫度，以提供大的尖端面積，同時具有可接受的電極熱輸入和陰極壓降。
圖14示出了具有軸向凹口凹槽112的電極頭部110的端面圖。凹入的凹槽可以沿著電極頭部的側面軸向延伸。圖15示出了具有前環形凹口凹槽122的電極頭部的端面圖。形成在電極的前面上的環形凹口122具有符合上述條件的跨越寬度124和深度。
可以以方波激勵(電流)有利地運行具有在上述實施例中所描述的電極和填充氣體的燈，以擴展針對擴散模式運行的主幹直徑或者熱輸入的上限範圍。通過使對尖端直徑更少強制限制同時仍然實現擴散模式運行，方波激勵還可以允許進一步改善維持性。類似地，可以以DC鎮流器有利地運行具有在上述實施例中所描述的陰極和填充氣體的燈，以進一步擴展針對擴散模式運行的主幹直徑或者熱輸入的上限範圍。通過使對尖端直徑甚至更少強制限制同時仍然實現擴散模式運行，DC運行可以允許甚至進一步改善維持性。在起動過程中，可以以具有準DC相的AC鎮流器有利地運行具有在上述實施例中所描述的陰極和填充氣體的燈，和AC起動相比，以加倍有效的中空陰極加熱效果。以具有準DC起動相的鎮流器進行AC運行減少了輝光到弧光次數並改善了維持性。
通常，具有放電發生凹口的電極不局限於所公開的實施例的幾何結構，而是還包括具有替換幾何結構的凹口，諸如螺旋形或者對角線的或者和所公開的準則一致的任何其它結構。
優選的電極設計使用單條所形成的或者機械加工的鎢，該鎢具有改善的起動和穩定狀態的維持性。線圈的減少改善了電極特性的可重複性，以及因此改善了使用壽命中燈到燈的變化。可以以正弦波或者方波鎮流器運行實施例，但是不局限於這些波形。最後，在變暗的應用中該設計是有用的，在低電流的地方，沒有氧化物發射體的電極可以進入到不期望的點附著，並產生差的維持性。
儘管已經示出和描述了目前認為是電極結構的優選實施例，但是對於本領域技術人員明顯的是，在不脫離由所附的權利要求限定的本發明的範圍時，在這裡可以作出各種變化和修改。
權利要求
1.一種高強度放電燈，其包括透光燈殼體，該透光燈殼體具有限定密封容積的壁；至少一個電極組件，其以密封形式從燈的外部通過燈殼體壁延伸到密封容積，該燈殼體壁要被暴露在電極組件的內端處；被密封在密封容積中的填充材料，應用電功率可激發填充材料發光；被密封在密封容積中的填充氣體，該填充氣體具有以帕斯卡為單位的冷填充壓力p；其中，電極的內端具有整體形成的主體(頭部)，該主體(頭部)具有一表面，該表面限定具有凹口容積的凹口和從凹口容積到密封容積的開口，還限定跨越凹口開口測量的最小的凹口跨越尺寸S並限定凹口深度D，其中，在起動的輝光放電相期間，對於所選的燈填充氣體組份和(冷)填充氣體壓力，S大於電子電離平均自由行程，並小於最小的陰極壓降距離加上負極輝光距離的兩倍。
2.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有延伸到所述頭部側中的鑽孔的形狀。
3.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有延伸到所述頭部的前側中的鑽孔的形狀。
4.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有徑向凹槽的形狀。
5.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有變化的跨越尺寸。
6.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有螺旋凹槽的形狀。
7.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有軸向凹槽的形狀。
8.如權利要求1中所述的燈，其中所述填充氣體是具有冷(300K)壓力p的氬氣，使得70Pa-cm＜Sp＜1200Pa-cm。
9.如權利要求1中所述的燈，其中所述跨越距離S小於凹口深度D。
10.如權利要求1中所述的燈，其具有電極，其中所述頭部具有外直徑d1和熱導率κ1，並具有直徑為dN和熱導率為κN的主幹，以及κ1d1＞κNdN其中κ1＝以瓦特/釐米/度K為單位的電極頭部的熱導率，d1＝以釐米為單位的電極頭部的直徑，κN＝以瓦特/釐米/度K為單位的主幹的熱導率，dN＝以釐米為單位的電極主幹的直徑。
11.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有跨越距離S以及所述填充氣體是具有冷填充壓力p的氦氣，並且530Pa-cm＜Sp＜15000Pa-cm。
12.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有跨越距離S以及所述填充氣體是具有冷填充壓力p的氖氣，並且240Pa-cm＜Sp＜4800Pa-cm。
13.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有跨越距離S以及所述填充氣體是具有冷填充壓力p的氬氣，並且70Pa-cm＜Sp＜1200Pa-cm。
14.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有跨越距離S以及所述填充氣體是具有冷填充壓力p的氪氣，並且40Pa-cm＜Sp＜880Pa-cm。
15.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有跨越距離S以及所述填充氣體是具有冷填充壓力p的氙氣，並且35Pa-cm＜Sp＜840Pa-cm。
16.如權利要求1中所述的燈，其中所述凹口具有跨越距離S和凹口深度D，以及所述填充氣體是具有冷填充壓力p的氬氣，並且S＜D其中S＝以釐米為單位的凹口的跨越距離，D＝以釐米為單位的凹口深度。
17.如權利要求1中所述的燈，其具有冷填充壓力為p的氬氣、氪氣或者氙氣的惰性氣體填充物，具有如權利要求1中所述的電極，以及NsAr/Iss＞0.012cm2/Amp其中Ns＝凹口的數量，Ar＝凹口的面積，Iss＝在形成熱電子電弧之後以安培為單位的額定穩定狀態的均方根燈電流(或者DC或者AC)。
18.一種運行DC放電燈來保證以穩定狀態放電電流Iss(安培)接收到熱電子電弧中的方法，該DC放電燈具有冷填充壓力為p的氬氣、氪氣或者氙氣的惰性氣體填充物，具有帶有多個凹口Ns的如權利要求1中所述的電極，每個凹口具有面積Ar，和跨越距離S，該方法包括以下步驟a)從擊穿到熱電子電弧的開始(onset)來向陰極提供起動功率Phc，其中Phc＞1.5Pss(瓦特)Ihc＝Phc/Vhc200V＜Vhc＜400V其中Phc＝以瓦特為單位的起動功率，Ihc＝以安培為單位的起動電流，Vhc＝中空陰極放電過程中的燈電壓；b)隨後在形成熱電子電弧之後提供具有電流Iss的穩定狀態Pss，其中3Iss＜Pss＜20Iss(瓦特)其中Iss＝在形成熱電子電弧之後以安培為單位的額定穩定狀態的燈電流。
19.一種運行AC放電燈來保證以穩定狀態均方根放電電流Iss(安培)接收到熱電子電弧中的方法，該AC放電燈具有冷填充壓力為p的氬氣、氪氣或者氙氣的惰性氣體填充物，具有帶有多個凹口Ns的如權利要求1中所述的電極，每個凹口具有面積Ar，和跨越距離S，該方法包括以下步驟a)從擊穿到熱電子電弧的開始向陰極提供平均起動功率Phc，其中0.5Phc＞1.5Pss(瓦特)Ihc＝Phc/Vhc200V＜Vhc＜400V其中Phc＝以瓦特為單位的時間平均的起動功率，Ihc＝以安培為單位的均方根起動電流，Vhc＝中空陰極半周期期間的均方根燈電壓；b)隨後在形成熱電子電弧之後提供具有均方根電流Iss的穩定狀態的Pss，其中3Iss＜Pss＜10Iss(瓦特)其中Iss＝在形成熱電子電弧之後以安培為單位的額定穩定狀態的均方根燈電流。
20.一種運行高強度放電燈的方法，該高強度放電燈具有透光燈殼體，該透光燈殼體具有限定密封容積的壁；該高強度放電燈具有至少一個電極組件，其以密封形式從燈的外部通過燈殼體壁延伸到密封容積，該燈殼體壁要被暴露在電極組件的內端處；該高強度放電燈具有被密封在密封容積中的填充材料，應用電功率可激發填充材料發光；該高強度放電燈具有被密封在密封容積中的填充氣體，該填充氣體具有以帕斯卡為單位的冷填充壓力p；其中，電極的內端具有整體形成的主體(頭部)，該主體(頭部)具有一表面，該表面限定具有帶有面積的多側的凹口並限定凹口容積和限定從凹口容積到密封容積的開口，還限定跨越凹口開口測量的最小的凹口跨越尺寸S並限定凹口深度D，其中，在起動的輝光放電相期間，對於所選的燈填充氣體組份和(冷)填充氣體壓力，S大於電子電離平均自由行程，並小於最小的陰極壓降距離加上負極輝光距離的兩倍；該方法包括以下步驟a)在陰極相中提供起動功率，使得對於足夠的周期Phc＞2500NsAr(瓦特)，以在凹口中產生輝光放電；和b)在從鎮流器提供起動功率之後，隨後給燈從鎮流器提供穩定狀態均方根電流Iss，以產生弧光放電，使得Area/Iss＞0.012cm2/Amp其中Phc＝在AC周期的陰極部分中從鎮流器施加到燈的功率或者在DC周期中施加到陰極的功率；Area＝以平方釐米為單位的面對凹口的側面的總壁面積，以及Iss＝從鎮流器施加到燈的、以安培為單位的穩定狀態的均方根電流。
21.一種運行高強度放電燈的方法，該高強度放電燈具有透光燈殼體，該透光燈殼體具有限定密封容積的壁；該高強度放電燈具有至少一個電極組件，其以密封形式從燈的外部通過燈殼體壁延伸到密封容積，該燈殼體壁要被暴露在電極組件的內端處；該高強度放電燈具有被密封在密封容積中的填充材料，應用電功率可激發填充材料發光；該高強度放電燈具有被密封在密封容積中的填充氣體，該填充氣體具有以帕斯卡為單位的冷填充壓力p；其中，電極的內端具有整體形成的主體(頭部)，該主體(頭部)具有一表面，該表面限定多個N個類似凹口，每個凹口具有限定凹口面積和凹口容積以及從凹口容積到密封容積的開口的側壁，該表面還限定跨越凹口開口測量的最小的凹口跨越尺寸S並限定凹口深度D，其中，在起動的輝光放電相期間，對於所選的燈填充氣體組份和(冷)填充氣體壓力，S大於電子電離平均自由行程，並小於最小的陰極壓降距離加上負極輝光距離的兩倍；該方法包括以下步驟a)在陰極相中提供起動功率，使得對於足夠的周期Phc＞2500NsAr(瓦特)，以在凹口中產生輝光放電；和b)在從鎮流器提供起動功率之後，隨後從鎮流器給燈提供穩定狀態均方根電流Iss，以產生弧光放電，使得NsAr/Iss＞0.012cm2/Amp其中Phc＝在AC周期的陰極部分中從鎮流器施加到燈的功率或者在DC周期中施加到陰極的功率；Ar＝以平方釐米為單位的單個凹口的側面面積，Ns＝頭部上的凹口的數量，Iss＝以安培為單位的穩定狀態的均方根電流。
全文摘要
通過在電極的外部側上形成輝光發生凹口可以改善HID燈的運行。該燈可以是帶有具有限定密封容積的壁的透光燈殼體的標準結構。至少一個電極組件以密封的形式從燈的外部通過燈殼體壁延伸到密封容積，該燈殼體壁要被暴露在電極組件的內端處。用惰性填充氣體密封金屬滷化物燈填充物。用具有最小的跨越尺寸S和凹口深度D的凹口形成電極的內端，其中，貫穿起動的輝光放電相，對於所選的填充氣體組分和壓力(冷)，S大於電子電離平均自由行程，但是小於陰極壓降加上負極輝光距離的兩倍。
文檔編號H01J61/06GK1835183SQ20061005915
公開日2006年9月20日 申請日期2006年3月15日 優先權日2005年3月15日
發明者H·阿德勒, A·B·巴丁傑, A·L·萊內夫, Y·M·李 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司