专利名称：高强度放电灯的开槽电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及电灯，并且尤其是涉及高强度放电灯。更尤其是，本发明涉及用于高强度放电灯中的电极。
背景技术：
对于弧光放电灯常见的是具有电极，该电极带有形成在条(rod)的内端上的大块头部。例如，很多金属卤化物的高强度放电灯使用这样的电极，该电极具有缠绕有线圈以形成头部的直钨条。在运行过程中，所缠绕的头部提供更大的区域，从该区域发出热电子，导致在较低温度运行时更耐用的电极。不幸的是，开始时大块的头部很难加热以及灯起动可能受损失。如果缠绕的头部太大，那么高温点模式(spotmode)的电弧附着(arc attachment)可能发生，尤其是当不使用发射体材料时，这降低灯的稳定状态运行。线圈缠绕的电极可能还具有大的性能可变性，很可能是由于条和线圈之间的可变的热连接。所有的这些效应都可导致过量的电极汽化和溅射。然后，汽化的电极材料使弧管壁变黑。那么存在具有良好起动特性和良好热控制的电极的需求。
改善起动和降低电极头部的温度的一种方法是在电极中包括氧化钍。在金属卤化物的高强度放电(HID)灯中含氧化钍电极的使用可以产生极好的颜色和在小容量中具有8,000到20,000个小时的电极使用寿命的高效能。典型地，通过用氧化钍发射体掺杂电极来获得长的使用寿命或者高维持性，以降低电极的功函并由此降低电极温度。然而，感觉氧化钍是环境所不期望的。通常在使用金属卤化物灯的发光应用中，去除氧化钍尤其困难，其中，对于起动和稳定状态期间的交流(AC)运行和产生的汽化，该电极必须起到良好的作用。那么存在具有良好起动和具有良好稳定状态特性的无氧化钍电极的需求。
获得具有无氧化钍电极的良好使用寿命的最通常的方法是使用常规的盘绕电极结构，而不使用发射体材料。这种电极由具有绕着条、通常在尖端附近缠绕的钨线圈的钨条构成。在阴极相中，线圈的附加表面区域提供附加的电弧附着区域，以扩散附着模式提供电极运行。这降低了尖端温度，因为需要较少的热电子发射来提供所需的电流。在阳极相，主要通过平衡来自热等离子体电子和大量的金属电极的再组合的热输入与沿着电极主干的辐射和导电损耗，来确定尖端的温度。在起动相的前几秒钟期间，线圈还提供用于发光相和随后的热电子相的附着区域。已经示出了无氧化钍电极，以当使用稀土/碱金属卤化物填充剂、尤其是用陶瓷弧管时，给出适当的性能。这似乎是起到发射体材料的作用的稀土或者碱蒸汽的结果。然而，对于宽范围的金属卤化物填充剂以及灯类型，没有氧化钍发射体时，具有相对低的电极尖端温度的电极是及其理想的。
然而，接近于无氧化钍电极的线圈条具有多个缺陷。最显著的是线圈条系统很不适合于大的尖端区域。首先，尤其是当部件很大时，线圈绕组和线圈条之间的不良热接触面不能有效地传递热量。然后，接触面可以感应局部发热的区域。来自较热区域的增加的热电子发射增加了局部的热流量并可能导致不希望的点电弧附着。对于没有发射体的钨电极，这种模式的运行具有非常高的局部温度，并导致电极材料的过度汽化和电弧的闪烁。
具有大线圈的第二个问题是慢起动。功率沉积到大块线圈条中不足以快速地将尖端的温度升高到用于良好的热电子发射的足够高的值。大块的电极线圈可以允许发光阶段中的放电延缓。没有发射体时，尤其麻烦的是降低辉光到弧光的转变温度。US 6614187描述了具有和条良好接触、而线圈的第二部分不和条接触的线圈结构的短弧汞灯。这改善了起动过程中辉光到弧光的转换和热电子发射到条的变换。然而，线圈结构变得复杂，需要在条和线圈之间烧结或者熔化钨粉末的步骤以及产生分级的线圈直径的特殊线圈缠绕步骤。
已经公开了无氧化钍的电极的其他方法，这些方法使用可替换的无放射性发射体材料。Rademacher的US 5712531公开了在2000瓦特的金属卤化物灯中使用氧化镧发射体。这种发射体材料和很多发光金属卤化物填充物不是化学稳定的，并比氧化钍更快速地汽化，因此对于长时间一般的发光应用具有受限的使用。发射体还用作必须密封在电极线圈中的小球，这增加了成本和复杂性。Pollard的US 3916241描述了凹口在尖端中的使用，以形成用于汞弧灯的发射体材料的分配器。无氧化钍发射体的使用和金属卤化物放电灯中的Rademacher具有相同的优点，并且仅仅使用凹口来保护发射体不通过流出气流直接接触。Daemen的US 6046544公开了三种组分的发射体，其中发射体材料用作烧结电极或者小球。如Daemen中所述，由于通过汽化的损耗，所以在很多应用中烧结形式不是有用的。小球形状也需要附加的结构来支持它。
在Theodorus的WO 01/86693、Yoshiharu的EP 1056115、Haacke的WO 03/060974和Eggers的US6437509中公开了对基于没有任何附加发射体材料的不同电极结构的无放射性电极的方法。Theodorus公开了无发射体钨材料的使用，其中第二钨丝线圈被初级尖端线圈完全密封，以在不使用发射体材料时帮助起动。该结构减少了钨溅射，因为初级垫圈的密封空间。尽管这种结构改善了起动维持性，但是没有解决和尖端处的线圈相关的制造复杂性和基本的问题。
Yoshiharu的专利描述了通过用被焊接到条的固态无发射体钨圆柱体来代替线圈对标准条和线圈电极的改善。这克服了与尖端处的线圈相关的很多问题。Yoshiharu中的电极不能到达大的最佳尖端区域，因为在起动相期间加热这些大电极块导致在大的电极表面区域上长时间的辉光到弧光的转变。这导致使灯变黑的多余的钨溅射。Haacke公开了用于自动放电灯的具有大的固态头部的类似电极。在这种设计中，头部部分地熔化到石英弧管中。对于自动应用，该设计阻止大电流瞬间发光需要的过热，但是不易于适应更高瓦特数的一般发光情形，其中辉光到弧光转换将是困难的。另外，自动的HID灯运行在非常高的压力下，其降低了壁变黑并且比一般的发光HID灯具有更低的使用寿命需求。Eggers公开了这样的结构，其中使用单个或者多个固态冷却体围绕钨条并激光焊接到条。然而，除非碰巧是特殊的灯和电极情况，在尖端面积很大的条件下，Eggers中的结构具有类似的起动困难。在Altmann的US6211615中还公开了类似于Eggers的冷却结构，但是还是没提到需要改善起动的特殊灯和电极的情况。而且，所有的这些公开内容都没有公开需要用于实现没有点附着而改善了稳定状态维持性的特殊的电极、灯和镇流器情况。
因此，对于电极存在这样的需要，即在没有点附着时通过增加尖端面积其提供改善了稳定状态的维持性，同时具有良好的起动维持性。这对于更大电流的电极尤其理想。另外，最佳性能的电极应当具有降低制造可变性的优点，并且对于通过计算机模拟的优化具有简单的结构。对于电极存在具有良好的使用寿命和在变暗运行模式中的维持性的需要。
发明内容
可以在电极头部的外部的一侧或多侧上利用辉光发生凹口形成高强度放电灯。该灯可以是具有透光灯壳体的标准结构，该壳体具有限定密封容积的壁。至少一个电极组件以密封形式从灯的外部通过灯壳体壁延伸到密封容积，该灯壳体壁要被暴露在电极组件的内端。还用惰性填充气体密封发光灯填充物。利用具有最小的跨越尺寸S的凹口和深度为D的凹口形成电极的内端，其中，贯穿起动的辉光放电相，对于所选择的填充气体组份和压力(冷)，S大于电子电离平均自由行程，但是小于阴极压降距离加上负极辉光距离(negative glowdistance)的两倍。电极的凹口跨越距离S小于凹口深度D。使得电极的内端(头部)dh的外直径尽可能的大，以降低电极尖端的温度，由此在灯稳定状态运行期间最小化钨汽化到灯壳体的内壁上。通过使头部直径dh和头部热导率κh的乘积和轴直径ds和轴热导率κs的乘积的比值远远大于1，可以避免转变到不希望的高点电弧附着温度，并可以实现灯的较高维持性。
图1示出了弧光放电灯的横截面图。
图2示出了具有辉光产生凹口(glow generating recess)的普通电极头部的(部分拆开的)横截面图。
图3示出了具有辉光产生凹口的优选电极头部的(部分拆开的)横截面图。
图4示出了对于带有具有标准形式的电极和具有图3的普通形式(开槽的)的电极的灯的相关尺寸和运行条件的表。
图5示出了作为用于图3中的实施例的压力的函数的峰值阴极电流的图表。
图6示出了作为使用图3中所示类型的电极的灯压力的函数的平均一半周期阴极能量的图表。
图7示出了对于具有标准电极和具有图3中所示形式的电极的灯的辉光到弧光(GTA)次数和能量的表。
图8示出了对于不同电极类型通过电流测量的电极尖端温度的图表。
图9示出了具有形成在电极头部的前表面上的轴凹口的替换优选电极头部的(部分拆开的)横截面图。
图10示出了具有钻孔类型凹口的电极的侧视图。
图11示出了具有可变凹口跨越尺寸的替换优选电极头部的(部分拆开的)侧视图。
图12示出了具有螺旋凹口的替换优选电极头部的(部分拆开的)侧视图。
图13示出了具有发射体涂层的替换优选电极头部的(部分拆开的)横截面图。
图14示出了具有轴向凹口槽的电极头部的前端视图。
图15示出了具有前环形凹口槽的电极头部的前端视图。
具体实施例方式
图1示出了弧光放电灯10的横截面图。具有改善的起动和稳定状态维持的高强度放电灯10可以由透光的灯壳体12构成，该壳体12具有限定密封容积16的壁14。至少一个电极组件18以密封形式从壳体12的外部通过灯壁14延伸到密封容积16，该灯壁14要被暴露在电极组件的内端处。密封在壳体容积16中的还是包括惰性填充气体的灯填充物20。填充气体具有以帕斯卡为单位的冷填充压力p。电极组件18具有由包括一个或者多个辉光放电激励凹口24的头部22形成的内端，该凹口24具有最小跨越尺寸S和凹口深度D。
壳体12可以由透光材料、诸如石英、多晶矾土(PCA)、蓝宝石或者本领域公知的类似放电灯壳体材料制成。特定的壳体材料是设计选择的事情。本申请人推荐石英或者模制的PCA。
在密封容积16中密封的是填充物20。填充物20可以包括金属卤化物或者本领域公知的类低掺杂组合物。本发明对于无汞灯的起动尤其有用，使得可以在填充物20中使用少量的汞或者不使用汞。所述的电极头部20结构还可以和汞填充组合物一起使用。包括在填充物中的是惰性气体。在本领域中通常使用氩、氪、氙和其它气体以及其组合物作为惰性填充气体。尽管由于氙较低的热导率，可以在无汞组合物中优选氙，但是优选氩，因为氩通常是最便宜的。填充气体具有以帕斯卡为单位测量的冷(32摄氏度)填充压力p。通常优选的填充压力p是几千帕斯卡(kPa)到几十千帕斯卡(kPa)。
通过壳体壁14以密封方式插入的是至少一个并优选的两个电极18。电极18从灯壳体外部通过壳体壁14轴向延伸到密封容积16，该壳体壁14要被暴露在头部22的内部的最端部处。在石英弧管中，优选的电极18具有由钼棒构成的外端。优选的电极组件的中间部分由钼箔构成，这是本领域公知的，并被密封到壳体12以形成气密密封。在陶瓷弧管中，本领域公知的是，电极穿通组件的中间部分可以由被焊接到金属陶瓷或者钼棒的电极构成，金属陶瓷或者钼棒另外被焊接到在灯外部的弧管的陶瓷毛细管部分中形成气密密封的铌条。延伸到密封容积16中的是包括头部22的电极的内端，优选地该电极的内端由无氧化钍的固体钨构成。内部电极部分还可以由掺杂氧化钍的钨形成，但是优选的效用是可以避免氧化钍掺杂的事实。
电子镇流器激励整个灯。镇流器必须能够施加足够电压和电流的电功率，以击穿用于电弧放电的填充气体并提供足够高的开路电压来维持起动期间的辉光放电。稳定状态运行期间镇流器还应施加固定的或者可调节的均方根电流以使灯运行在期望的功率。波形可以是直流(DC)或者交流(AC)或者其各种已知变化。不认为精确的AC波形形状是电极运行的关键；然而，方波运行尤其可能比正弦波运行相对电弧附着和维持具有某些优点。在某些应用中，DC运行甚至可能具有进一步的优点。
图2示出了具有辉光产生凹口32的普通电极头部30的(部分拆开的)横截面图。头部30和限定轴向侧凹口32区域的外表面形成为整体，以在起动期间刺激大电流(中空阴极)辉光放电。在开口端的密封壳体容积上，凹口32是打开的。在优选实施例中，凹口32包括用视情况而定的轴中线(在钻孔状凹口的情况下)或者中平面(在槽状中线的情况下)限定相对深的空腔的内壁部分。在优选实施例中，凹口32以对视情况而定的凹口中线或者中平面为45度或大于45度的法线限定内侧壁部分。理想地，侧壁法线垂直于视情况而定的中线或者中平面，例如在垂直钻孔的钻孔中或者垂直研磨的凹槽中。凹口侧壁具有提供电子发射的表面面积Ar。凹口的最小跨越距离S是垂直于中线或者跨过凹口开口的中平面的最小距离。对于垂直钻孔的钻孔，跨越距离S是钻孔直径。对于垂直切割的凹槽，跨越距离S是横跨凹槽的宽度。对于具有弯曲的或者有斜面的开口的凹口，把跨越测量作为最小的跨越直径，其中弯曲的开口侧壁与中线或者中平面具有45度或大于45度的法线。然后，优选的凹口侧壁限定空腔，该空腔最大的深度大于它的最小宽度，比如深孔或者窄的裂纹。凹口32具有最小的跨越尺寸34，平行于凹口开口附近的头部30的表面测量的。那么跨越距离34是在电极头部30表面跨过凹口32的中心点的最小距离。
最小的跨越尺寸定义为以厘米为单位测量的距离S。通过填充气体材料和填充气体压力部分地确定优选的跨越距离34。在起动的辉光放电相期间，对于所有所选择的填充气体组合物和(冷)填充气体压力，优选的跨越距离34等于或者大于最大的电子电离平均自由行程，但是小于最小阴极压降距离加上负极辉光距离的两倍。常规地计算平均自由电子行程，并且该平均自由电子行程取决于填充气体组合物和电极附近气体的局部密度。好像从没有凹口的类似形成的电极头部并运行在类似的填充物和压力条件下，测量最小的阴极压降距离和负极辉光距离。在热电离电极温度(典型地为2200K到3000K)时，由电子平均自由行程规定起动相期间的跨越距离的最大下限。理想的气体定律和公知的电离横截面很容易确定这个。选择凹口跨越距离34的尺寸，以在起动过程中电离凹口32中的填充气体材料。然而，同样优选的是，凹口32应当足够的窄使得溅射的材料基本上剩余在凹口32中，并不通过大的出口孔流动，以充分地进入密封容积16。
凹口32还具有从跨越距离34的中点测量的、横向朝着电极轴38的深度36。深度36是凹口32的横向深度。优选的凹口32具有尽可能深的深度36，而基本上不妨碍从电极尖端40到电极主干42所需的热传导。凹口32越深，露出的内部壁区域越大，以发射电子并由此在凹口中产生更多的离子，以维持起动期间的辉光放电的产生。另一方面，如果凹口32太深或者太宽，那么必须通过降低从尖端到电极的其他区域中的密封区域的热阻来补偿凹入部分的增加的热阻。通常，通过头部30并横穿电极轴38的最小横截面积是可以被调整到适合单独的设计需要的设计参数，只要沿着轴38的电极的整个热阻和标准电极的热阻是可比的，以由此在典型的尖端运行温度时向密封提供恰当的传导功率。然后，优选的深度36大于优选的跨越距离34，(D＞S)，但是通常不是如此之大，以至于降低了在灯的使用寿命期间运行温度时头部的结构整体性。优选的是，围绕头部30的侧面对称地起动辉光放电，因此，围绕头部30均匀地分布有多个单独的凹口，例如垂直的钻孔；或者一个或者多个细长的凹口可以以相对对称的形式围绕着头部。可以使用带状的或者螺旋的凹槽以形成凹口。优选具有平行表面的凹槽，但是没必要通过由凹槽形成的空腔增强电离。圆锥的或者曲线部分可以形成头部，因此头部不必是直的圆柱体。优选地，调整尖端40的横截面积、头部30的最小横截面积、主干42的长度和主干直径44来提供最小的电极汽化，同时维持稳定状态运行期间的扩散附着。通常，将电极的内端40(头部直径＝dh)的外直径做得尽可能的大，同时使得头部直径dh和头部热导率κh的乘积与轴直径ds和轴热导率κs的乘积的比值足够大，以满足某些最低限制，如下面所述的，以避免稳定状态运行期间转换到不希望的点电弧附着。这种点附着可能导致电极材料的过度汽化以及随后的壁变黑。然而，如果比值变得太大，由于阴极压降的减小以及由此阳极相中降低的肖特基效应和较低的热耗散，所以电极尖端过热。因此，值的优选范围在于最小化电极尖端的温度。
图3示出了具有辉光产生凹口的优选电极头部46的(部分拆开的)横截面图。图3中的实施例是关于长轴旋转对称的。在优选的实施例中，电极头部46是由机械加工的、无氧化钍的钨体制成的。在当前的实施例中，钨电极是每一百万大约掺杂了60到70重量份的钾，以在灯使用期间帮助稳定晶粒生长。优选掺杂钾，以在灯使用期间保持电极结构稳定。在优选实施例中，电极是由单条钨制成的，并通过使用包括氧化铝、金刚石和立方氮化硼的公知的硬研磨剂的标准研磨技术来定形，以从电极尖端形成一个或者多个窄的凹槽偏移(groove offset)。还可以使用激光消融术来机械加工电极头部。然后，机械加工的径向凹槽具有允许向剩余芯良好热传导的相邻壁部分。粉末形成的主体(body)的烧结是另一种制造方法，如在Altmann的US6211615中所描述的那样，但是可能需要另外的压紧步骤，诸如热等静压(HIP)，以获得针对显微结构稳定性的足够高密度。主干48具有主干直径50(值＝ds)和轴长度52(值＝hs)。主干48被耦接到具有较大的外直径54(值＝d1)的通常为圆柱形的头部46。在与内部最尖端56偏移了距离58(值＝h1)的头部46侧的机械加工的是具有轴向宽度62(值＝h1)的至少一个径向凹槽60。径向凹槽60具有内直径64(值＝d2)。那么，最小的跨越距离S是跨越凹槽60的轴向距离62(值＝h2)。那么，凹口深度D是头部直径d1的一半减去内直径d2的一半，使得D＝(d1-d2)/2。
可能存在类似地沿着头部46形成的连续径向凹槽，由此沿着头部46产生一系列的圆盘和凹槽部分。在图3中示出两个凹槽和三个圆盘。如果任何一个圆盘部分特别薄，那么它可能也不导热到芯或者主干部分。那么，系列中最窄的圆盘首先加热并更自由地发出电子。然后，如果头部46的后面的部分是最窄的(最热的)部分，则电弧放电可能不期望地附着到该头部46的后面的部分。为了保证电弧附着到尖端56(优选的)，第一个圆盘部分58优选的具有最小的轴向厚度(值＝h1)。这不是产生辉光放电和最终改善的起动所需的，而是优选用于稳定状态的灯运行。
用于电极运行的重要条件是，凹口60的尺寸和稀有气体压力是这样的，使得在起动过程中，中空的阴极性放电形成在相邻的圆盘部分之间的限定凹口60中。在凹口60中形成中空阴极放电具有几个优点。中空阴极放电具有类似于更普通的辉光放电的电压，但是可以维持更大的电流，该辉光放电围绕常规电极形成。在起动过程中，更大的电流增加了对电极的功率沉积(power deposition)并缩短了辉光到弧光的时间。对于大直径尖端并因此更大的电流电极，功率沉积是所期望的，其中通过典型的辉光到弧光起动序列很难加热大的热块。这对于无汞填充物尤其有帮助，其中当大电流蒸汽弧快速地腐蚀电极材料时，这些大电流蒸汽弧的形成是不希望的。在包含汞填充物的情况下，蒸汽弧通常形成在冷凝的汞液滴上，通过改善阳极相加热，该液滴不影响电极并且对于起动是所期望的。中空阴极放电的第二个优点是，溅射的材料更易于沉淀在凹口60内侧而不是弧管壁上。第三，在起动过程中电弧附着不必从线圈转换到不同的电极结构，由此在起动过程中提供更多的可控起动和蒸汽的较少可能性。
用于在凹口内产生中空阴极放电的最小需求是，最小的跨越距离S是这样的，以致从内部凹口壁(圆盘表面)向着凹口的相对侧(下一相邻圆盘壁)发出的第二发射电子在圆盘之间平均具有足够的传送距离，以在到达相对电极表面之前具有至少一次离子碰撞。作为最大的限制，凹口的最小跨越距离S不应当超过负极辉光距离加上两倍的阴极压降距离(fall distance)的总深度，其中，在相同的填充条件下，从沿着类似的无凹口电极的电极尖端(58)表面(第一圆盘表面)另外形成的地方测量阴极压降距离。在整个辉光到弧光转变时维持这个凹口距离条件，在该转变过程中，电极从附近的室温(Tamb＝300K)加热到典型的热电离温度(针对非掺杂的发射体，Ttherm＝2800K)。在优选的实施例中，对于跨越距离(S)乘以具有4到40kPa(30到300托)氩气的实际冷填充压力的120Pa-cm到1200Pa-cm之间的压力(p)值(Sp)的范围，用如表1中的具有开槽电极的HQI灯，观测增强的电流和能量沉积的范围。最大的能量沉积出现在600-800Pa-cm的范围中。大于800Pa-cm，能量沉积仍然显著地增强，但是电压开始增加，显示出不正常辉光的开始，而不是中空阴极辉光。增加的电压需求增加了镇流器设计的复杂性和由此所不希望的。大于800Pa-cm，还更困难的是，在贯穿整个辉光到弧光的转变中维持中空的阴极放电。在图5和6中示出这些实验结果。图5示出了，对于表1(图4)中的具有开槽电极的HQI灯，中空阴极电流到达大约800Pa-cm的最大Sp。图6示出了中空阴极能量中的类似特性。
为了比较这些(冷填充物)Sp范围和公知的文献值，方程(1a)中的较低极限在对于氩气的一个估计幅值的理论级内，Sp＞3.5(Ttherm/Tamb)Pa-cm＝33Pa-cm(其中Ttherm＝2800K以及Tamb＝300K)并接近于用于微中空阴极放电的一个实验极限70Pa-cm。用于微中空放电的上实验极限是大约670Pa-cm。公知的文献值基于流动系统中的运行压力并且和用于灯实验中的压力是可以比较的。这里观察的较高值可能来自于槽的不同几何形状，然而大多数公布的数据来自于圆柱形孔或者平行板中形成的中空阴极放电。基于对氩气的这些考虑，以厘米为单位的跨越距离S和以帕斯卡为单位的稀有气体压力p应当近似满足室温条件70＜Sp＜1200Pa-cm 方程1a-氩气另外，除了氩气之外的惰性气体对于产生中空阴极放电是有用的；然而在文献中Sp极限不是很容易得到的。因此通过调节下极限和上极限，可以获得对于电极凹口中有用的中空阴极运行的Sp范围的估计。下极限相反与电离的横截面成比例，并因此可以根据容易得到的电离横截面来调节。为了用其它惰性气体进行这些估计，假定气体温度和密度是固定的，并使用出现在50-200eV范围中的最大横截面值。估计针对其它惰性气体的上Sp极限需要对每种气体的非正常辉光套管距离Is和负极辉光距离Ing的独立估计。使用公知的、非正常辉光的Engle-Steebeck模型，获得了在典型的电流密度10A/cm2时大约Isp＝20Pa-cm的套管厚度-填充物压力的乘积。如果从方程1a-氩气的上Ar极限减去两倍的这些量，那么获得1160Pa-cm的最大负极辉光距离-填充物压力乘积。然后根据下述的比例从实验的氩气值调节负极辉光距离plng∝(1/σion)(Vc/Vion)，其中，对于所给的惰性气体，σion是平均电离横截面，Vc是非正常辉光中的阴极压降并对应于负极辉光中的初始电子能量，以及Vion是惰性气体原子的电离能量。通过添加两倍的如从Engle-Steebeck模型计算的预测套管厚度-压力乘积Isp获得最终的上Sp极限。通常，套管厚度压力乘积明显小于负极辉光-压力乘积。对于氦气、氖气、氪气和氙气，在下面给出这些估计的结果530＜Sp＜15000Pa-cm 方程1a-氦气240＜Sp＜4800Pa-cm 方程1a-氖气40＜Sp＜880Pa-cm方程1a-氪气35＜Sp＜840Pa-cm方程1a-氙气由于其较低的电离电势，所以优选的气体是氖气、氪气和氙气。对于所给的中空阴极电压，这允许获得更大的电流密度，并因此更不需要镇流器。较低的电离电势还降低击穿电压的需求，再次允许更低成本的镇流器。较低的Sp范围还更适用于典型的起动气体压力和电极尺寸。
凹口深度D应当足够大，以在凹口内包含所溅射的电极材料、典型地是钨。通常，当凹口深度D大于最小跨越距离S时，产生钨维持力。然后，优选的凹口比它打开时相对更深，使得在凹口中溅射的材料具有停留在内部凹口表面上的良好时机，并不流出凹口以停留在灯的其它位置。优选的凹口还尽可能的深，以最大化由辉光放电所产生的电流。然后优选的是凹口深度满足S＜D 方程1b增加凹口深度D增加了电极头部的那部分的热阻；然而，这并不是必然地导致电极尖端的过热。通过其他部分的热阻的降低几乎总是可以补偿头部的增加的热阻。例如，可以降低轴长度52。考虑到稳定状态，在后面的部分中覆盖电极的整个热结构。对于最大凹口深度的主要限制是在灯的使用期间在运行过程中的电极的结构整体性没有折衷。
对于起动的重要的准则是通过凹口中的辉光提供的热输入稍微大于稳定状态运行过程中输入给电极的时间平均的热量。这阻止了起动过程电极处于加热中，并由此不可能达到热电子发射。假设，Phc是来自凹口中的“中空阴极”状辉光的热输入，以及Pss是在稳定状态运行的过程中输入给电极的时间平均的热量，然后0.5Phc＞1.5Pss保证在用凹口中的中空阴极状放电的更多的空间分布的热量起动过程中良好的电离子接收。一半的因素来自于这样的事实，辉光相中的加热只来自于AC运行中阴极1/2周期。这假设不使电极上凝结的汞通过汞蒸气弧提供附加的阳极加热的最坏情况的情形。为了进一步限制电极的尺寸，中空阴极放电的功率流量被定义为qhc＝Phc/ArNs，其中Ar是限制狭槽(例如图3中的凹口60)的开口的内表面的面积，不包括狭槽或者凹口底部的面积，以及Ns是这种狭槽的数量。从在13.3kPa(100托)的额定填充气体压力下以400W开槽的电极中的实验，对于每个阴极1/2周期(AC运行)从中空阴极放电的功率流量qhc在qhc＝2.5kW/cm2的数量级，在20kPa(150托)增加到大约4kW/cm2。在起动过程中，相应的灯电压接近于中空阴极电压Vhc，并不同于放电灯中更普通的非正常辉光，与电流比相对固定。在这些实验中，还发现在13-40kPa(100-300托)的压力范围上，300＜Vhc＜340V。通常，如果根据电离电势和离子迁移率、诸如氙气或者氪气并基于多种文献研究，认为气体类似于氩气，将期望在1-10A/cm2的典型的中空阴极电流密度时200V＜Vhc＜400V。
从对运行在2800K-2900K的理想(无氧化钍)的电极温度下的150W和400W HID灯中的无氧化钍电极的模拟，对于以A安培为单位的给定电流I，典型的稳定状态功率剧烈地从Pss＝3-10W/A变化，用于AC(交流)运行。对于高效的HID光源，热输入Pss的显著更高的值通常将导致电极中不能接受的损失。下面的方程(2)、(4a)和(4b)显示出如何近似地计算Pss。基于最坏情况的接收需要，对于平均AC电极加热功率和在13.3kPa时测量的2.5kW/cm2的中空阴极功率流量，Pss＝10W/A。用于满足给定稳定状态灯电流I的凹口的活性面积Ar和这种槽的数量Ns的热电离接收条件近似于NsAr/I＞0.012(cm2/A) 方程1c在纯DC运行的情况下，在起动相期间连续发生中空阴极加热，由此在起动过程中有效地加倍了最小的热输入。然而，在稳定状态Pss中对于电极加热有用的上极限还更大，因为消除了高瞬变的阴极压降，如在下面的方程(8a)和(8b)中示出的。因此，对于AC和DC运行，方程1c仍然是大致的引导。
在图3的优选实施例中，凹口面积Ar＝0.5π(d12-d22)。图4示出了列出对于具有电极的灯的相关尺寸和运行条件的表1，该电极具有标准形式和图3中所示的普通形式(开槽的)。对于表1中的HQI开槽的电极(正弦波运行)，功率负载面积NsAr/I＝0.016cm2/A。如果稳定状态的电极加热功率需求小于10W/A，那么可以稍微缓解这种需求。类似的DC起动相或者具有小于20W/A的功率Pss的DC稳定状态的热输入还意味着可以使用小于方程(1c)中功率负载面积的功率负载面积。如果平均加热功率需求超过10W/A(AC)或者20W/A(DC)，那么这种需求还更迫切。
用于适当起动和接收到热离子弧中的第四个需求是电极的内端48，优先于电极的任何其他区域加热到热电子发射。这意味着电极的最内部的圆盘58没必要比通过凹口放电(中空阴极状放电)施加到那端消耗更多的功率。否则，对于电极头部，最内部的圆盘58变成了冷却表面，以及更高的温度存在于头部的其它地方。为了保证最内部的圆盘58优先于所有其它圆盘变得热电离，对该圆盘的输入功率必须大于其热辐射功率。通常，在尖端56损耗的其它能源、诸如通过气体的传导是可以忽略的。在图3的优选实施例中，施加到尖端56的中空阴极加热和辐射部分的比值优选大于1错误！从编辑域代码中不能产生对象。
方程1d这里，用于钨头部的发射率ε＝0.37，σB＝5.67×10-12Wcm-2K-4是Stefan Boltzmann常数，并选择温度T≈2900K作为钨电极尖端温度的合理上极限。使用近似2.5kW/cm2的辉光热量qin。表1中的实验开槽的电极满足该方程。
这些对凹口和圆盘尺寸以及稀有气体弧管压力的限制(由方程(1a)到(1d)表示)包括用于在凹口内产生大电流的辉光放电并允许在起动相期间从辉光到热离子电弧的完整转变的优选条件。该条件部分地将所要求保护的本发明和现有技术区别开来。尤其是，Jansen的US3303377、Eggers的US6437509和Altmann的US6211615并没有公开来自内部的圆盘凹口的中空阴极状发射。现有技术只描述了冷却体。
尽管方程1a到1d提供了用于增强起动的优选限制，但是现在可以如此定义电极尺寸和材料特性以及镇流器波形需求，使得在没有使用氧化钍时图3中的电极还改善了稳定状态的特性。图2或者图3中的电极结构在热设计中具有显著的灵活性。尽管几乎独立地控制整个电极热损失，但是通过使用大面积的尖端56可以降低尖端温度。通过主干48和槽直径诸如62可以控制所传导的热损失。限制辐射的表面面积和表面温度控制总的辐射损失。独立于电极尖端区域来控制热损失的能力进一步将所要求保护的本发明和现有技术区别开来。
通常，特定灯的考虑可以规定电极损失、阴极压降和其它电极设计参数。然而，仅仅当满足某些限制时，图3中的电极结构获得接近最佳的运行条件。尽管这些限制尤其适用于无发射体的电极，但是它们的应用到具有包括氧化钍的发射体的电极可以产生改善的维持，假设温度分配和掺杂电极的晶粒结构允许发射体向阴极表面均匀的和适当的传输。
对于在较低的稳定状态的尖端温度时通过热电子发射来支撑所期望的灯电流的图3中的电极，尖端56的面积必须大。这可以通过总电流密度j、阴极压降Vc和尖端温度T之间的关系看出j=je(Vc,T)(1+VcVi)]]>方程2这里，je(Vc，T)是通过作为阴极压降的函数的热电子发射和温度的乘积的电子电流密度(A/cm2)。电流密度的温度依赖性是公知的，并具有大的正指数依赖性。对阴极压降Vc的依赖性来源于热电子发射的电场增强(肖特基效应)。局部电场和阴极压降之间的准确关系取决于套管是碰撞的还是无碰撞的，以及依次还取决于灯的运行压力。通常，阴极压降Vc的温度依赖性显著弱于热电子发射的外在温度依赖性。在文献评述中可以找到关于阴极压降和电极表面处的局部电场之间的关系的细节。对于给定的阴极电流I和附着面积Aa，电流密度是j=IAa]]>方程3由于阴极附着发生在电极表面提供大部分总热电子发射电流的地方，所以附着面积Aa由电极的最热区域的大约100-200K内的表面构成。因此，附着面积Aa包括尖端和周围的热表面。在图3中所示的实施例中，这主要是图3中的尖端56的内表面和最内部的圆盘距离58的侧表面。
方程2示出了尖端温度随着降低的电流密度和固定的阴极压降的降低。由于汽化速率指数地依赖于温度，所以在稳定状态运行期间，尖端温度中的很小的降低，甚至随着汽化面积的增加，很容易降低灯中壁变黑的总量。因此，通过增加尖端和围绕表面的面积，可以能减低壁变黑，假设可以控制阴极压降。凹口60进一步增加附着面积Aa并捕获一些汽化的电极材料。从通过阴极套管中的离子和阳极相中捕获的电子获得的能量完成这些表面的加热。在电极总是在具有电流Idc的阴极相中的DC运行的情况下，稳定状态运行期间的总平均热输入是错误！从编辑域代码中不能产生对象。
方程4a其中φw是电极的(肖特基降低的)功函。在具有正负半周期对称的电流Iac的AC波形的情况下，通过下面的方程近似给出热输入Pss(W)相对电极的总周期平均 方程4b上划线表示在各个半周期上平均的均方根。量e是电子焓并近似于2.5Te，其中Te≈0.5-1eV是阴极附近的等离子体的电子温度。方程(4b)中的第一项表示平均的阳极相加热以及第二项表示平均的阴极相加热。在方程(4b)中假定，运行频率远远快于电极结构的总的热响应。对于高达400W的实际HID电极，高于30Hz的波形频率清楚地在Ac方式中。对于通过提供稳定状态的峰值灯电流Ip和峰值阴极压降Vp的镇流器的运行，通过典型使用的不同的波形因素f，均方根值可以和峰值有关，以描述电波形中的功率。对于特殊情况的方波和正弦波镇流器电流波形，f＝1， (方波)f=2,]]>(正弦波) 方程5a通过下面给出均方根Iac＝Ip/fV‾c=Vp/f]]>方程5b然后通过平均的总辐射损失和沿着主干对密封区域处的热降低的传导损耗平衡对电极头部的热输入。为了用无掺杂的(没有发射体)阴极提供0.1到10A/mm2的典型热驱动电流密度，方程2需要在2500到3000K的范围内的尖端温度。实际的温度取决于电流密度和微弱地取决于金属卤化物蒸汽的电离能量、蒸汽组份、运行压力和电极等离子体附近的相关细节。方程4a或4b中的阴极压降调节来提供在所要求的尖端温度时所需的能量平衡Pss(热输入)。因此，对于所给的电流，具有大热量损耗的电极比具有较低损耗的电极具有更大的阴极压降。为了表达对于由多个不同直径的较大圆盘之后的主干构成的任意电极的这些想法，可以对图3中的电极的每个轴部分进行编号，从最内部的圆盘(图3中的48)开始，朝着主干k＝1，2，…N编号，其中N是包括主干的部分总数目。标着k＝1的圆盘是最内部的圆盘，并和电弧直接接触。通过分别用于DC和AC运行的下述关系可以表达热平衡Pss≅(Vc-φw)I‾dc=T-T0θ]]>方程6a-DC阴极 方程6b-AC方程(6)中的值θ是电极结构(在运行温度时)的有效轴向热阻。θ的准确形式包括辐射损失并因此取决于沿着电极的轴表面的温度分布。近似于作为具有固定热导率κk、横截面积Ak和厚度(或者在主干的情况下为长度)hk的结构的每个圆盘和主干给出对于θ的下述表达式θ=Σk=1NhkκkAk(1-αk)]]>方程7系数αk是来自从圆盘(或者主干)k的尖端(部分1)到中间的区域上的电极表面的总辐射功率的小部分。当k＝N时，αN是来自整个电极的总辐射损耗。AN和κN指的分别是图3中的电极的主干的横截面积和热导率。注意dN＝dS以及同样hN＝hS。实际上，可以使用温度分布的第一级估计，来确定辐射损失。用在大约2800K的尖端温度的模拟典型地示出了对于电极通过热辐射损失的大约30％到40％的总输入功率，主要是在高于2500K的电极的部分上。这对应于αN＝0.3-0.4。实际上，必须在数值上解决由方程(2)、(3)、(6)和(7)给出的尖端温度的解决方案。
这些结果示出了，具有线圈的条结构和平滑条(如通常在HID灯中所使用的)为什么不能获得最佳的稳定状态温度。对于条，热阻是(具有辐射损失)θ=h1κ1A1(1-α1),]]>(N＝1)。将条结果带入到能量平衡方程(6)中表示增加直径来降低电流密度，以及因此，尖端温度具有增加所需的加热功率Pss的问题。当在尖端使用线圈时，线圈导线的直径通常用条直径来调节，以维持合理的热和机械整体性。因此，实际上随着尖端表面面积的增加，甚至盘绕的设计已经增加了加热功率。另一方面，包括头部30(图2)允许独立地增加尖端面积，并由此在不增加对尖端所需的加热功率时降低稳定状态的尖端温度。对于图3中的实施例，通过使得主干直径ds小于尖端直径dh来实现这个。通过并入中空阴极状放电发生凹口，在没有禁止起动时可以进一步增加尖端面积。方程7还示出了增加槽深度(d1-d2)以改善中空阴极起动对于稳定状态性能没有害处。通过稍微地增加主干直径ds或者减少主干长度hs来补偿深槽的增加的热阻。
图3中的灵活设计允许超过常规电极设计的稳定状态电极性能的最佳程度，同时满足起动过程中对于中空阴极放电的条件。基础的概念是增加尖端面积，同时调整电极的整个热阻，以提供合理的阴极压降。在套管中由于大的阴极压降增加了由离子承载的电流量，所以由热电子承载的电流的所需部分减少了。结果，方程(2)中的较高的阴极压降降低了尖端温度。通过需要套管实现更高的阴极压降，以向电极提供更多的加热功率，如方程(4)中所示。然而，出于以下几个原因，多余的阴极压降可能是不期望的。首先，公知的是，大的瞬间阴极压降端子可能导致溅射，虽然较低的尖端温度但是引起壁变黑。典型的溅射阈值为近似50V并取决于离子类型、电极材料和电极温度。实际上，由于还没有很好地研究接近阈值的高温溅射，所以应当限制峰值阈值压降到20V到30V。此外，通过将从灯的发光等离子体的电功率消耗并将它改变方向到电极，对电极增加的加热功率降低了灯效率。对于所给的灯功率，这些电极加热损耗对于无汞灯尤其重要，这些无汞灯通常运行在比含汞灯更高的电流。基于所需的阴极压降范围，方程(4a)、(4b)、(5a)和(5b)包含了对于每个所施加的均方根电流Le的电极输入功率的近似上极限，该均方根电流Le通过下述方程给出，Le＜25W/A方程8a-DC阴极Le＜12W/A方程8b-AC对于HID灯，方程8a和8b是优选方针，但不是电极运行所需的。通常，可能想用Le＜10W/A(AC)或者Le＜20W/A(DC)以从凹口放电(中空阴极)辉光相来帮助最坏情况的接收。
给出在方程(8a)和(8b)中输入的希望的阴极压降或者等价地希望的电极加热，可以使用理论结果来进一步确定对电极设计的限定，使得以扩散模式保留电弧附着。优选的是到尖端的总热流量W/cm2不应当超过临界值，给定材料功函和尖端直径；否则，通过套管可放大尖端表面上的低温度或者热流量变化，以及扩散电弧附着可能变得不稳定。然后，产生的电弧附着压缩成通常存在于更高温度的更热的点电弧附着，导致过量的电极材料汽化。在包含无氧化钍发射体的电极的情况下，发射体材料还以点的模式汽化。氧化钍发射体似乎是独特的，具有可得到的钨发射体的最低蒸汽压力中的其中一种，并可以提供具有点附着的良好维持性。然而，因为氧化钍的不希望的环境属性，所以凹口产生发射结构的一个目标是去除该氧化钍。
为了设计用于多种所需的扩散电弧附着的无氧化钍电极，必须满足对于电极上的条件，以保证稳定的扩散电弧附着。通过检查从阴极套管的边界层热流量的依赖于时间的波动和在电极尖端产生的传导热分布，用公式表示该分析。在文献中存在类似的处理。对于具有电和热绝缘侧的圆柱形表面的基本结果在于，当满足下述方程时
d12κ1-∂q∂T<β10]]>方程9所希望的扩散模式对于小波动保持稳定。
这里，κ1是直径为d1的尖端处的电极材料的热导率，其中k＝1是最内部的圆盘。导数q/T是进入到电极尖端中的净热流量(W/cm2)的偏导数，并包括来自套管区域的离子加热、电子冷却和来自电极表面的辐射冷却。以恒定的套管电压和尖端温度T估计偏导数q/T。系数β10＝1.8412是整数阶贝塞耳函数的导数的第二个零点，Jm′(βmn)＝0。重要的是，注意方程(9)的结果没有引入影响，诸如电极表面上掺杂剂的汽化和非均匀发射体材料的分布。结果，具有发射体的电极上的电弧附着需要另外的实验。
为了粗略地解释从图3(或者图2)中的电极侧的热电子发射，假设对侧面的加热有助于尖端附近的波动的放大(和不稳定性)。附着面积Aa和尖端面积A1的比值被定义为过量填充系数ηη=AaA1]]>方程10在圆柱形的尖端，该过量填充通常在2＜η＜3之间变化。使用方程(2)和(6)的结果，然后可以将扩散稳定条件表达为Kstab≡2πd1κ1θ(γη)(1-T0T)δ<β10]]>方程11a-DC 方程11b-AC校正值γ是解释贡献于不稳定性的电极侧面的加热的附加系数。通常，校正系数小于过量填充系数1＜γ＜η。放大系数δ是来自于估计偏导数q/T的系数，假设通过热电子发射产生电子。这被发现近似于，δ≅2+φwkT]]>方程12其中φw是电极尖端材料的肖特基校正的功函。已经忽略了肖特基校正的温度相关性和辐射冷却的较小影响。这些影响降低了稳定系数δ，使得扩散附着更稳定。对于没有发射体材料的钨电极，系数δ近似为20。
当使用图3的几何形状时，方程(11a)和(11b)与方程7一起示出扩散模式附着的几个不期望的特性。图3中的电极的最重要的特性是可以随着增加的尖端直径维持扩散模式(Kstab＜β10)。这通过保持主干直径的平方和固定的尖端直径的比值来实现。
方程13也就是说 是近似的常数，以调节图3中的电极。这保持整个热阻和θ的乘积大致固定。随着增加的尖端直径，常规电极上的电弧附着通常变得更稳定，因为主干和尖端由单个条构成。因此，在方程(11a)和(11b)中，热阻θ大致减小了1/dN2。因此，至少当不使用发射体时，和常规的基于条的电极相比，使用具有放电发生凹口的电极可以获得更好的维持性。这是因为放电发生凹口允许具有大尖端的电极具有良好的扩散附着和起动。另外，如下所述，理论地和实验地找到凹口，以进一步改善扩散模式稳定性(较低的Kstab)。
方程(11a)和(11b)的第二个特性是稳定性是稍微和镇流器有关的。优选实施例中的镇流器波形上的稳定性的相关性从最稳定到最不稳定是DC＞AC方波＞AC正弦波。因此，对于给定的设计约束条件组，对于方波，能够获得具有比正弦波更低的热阻的稳定附着，并进一步获得维持中的改善。自然地，这是期望，因为波形越动态，在整个波形周期中电极经历越多的冷却和加热。这包括在阴极压降中的更大的变化范围，以及因此更大程度的瞬间峰值热流量，该瞬间峰值热流量导致如方程(9)中所示的不稳定性。稳定性结果(方程11)的第三个特性是，相对于电极的其它部分升高尖端的热导率κ1，尤其是那些具有高热阻的，还改善了扩散模式的稳定性。尖端区域中的高的热导率帮助增加远离套管否则放大的任何温度波动的热流量。
通常，当其它设计标准、诸如镇流器波形、灯中的实际尺寸限制、溅射和对电极的损耗允许尖端被制成尽可能的大，以及热阻尽可能低，以实现具有小于20到30V的峰值的较高阴极压降时，实现了最好的维持性。
作为最不需要的是，方程(11a)和(11b)示出了主干直径和主干热导率的乘积应当小于尖端直径和尖端热导率，以利用具有放电发生凹口的电极的改善的维持性和中空阴极标准(方程1a-1d)κ1d1＞κNdN方程14进行实验以核实图3的优选实施例的主要特性。使用前面所述的研磨技术制造表1(图4)中的电极。为了比较，还示出了固态的(无氧化钍的)、盘绕的(无氧化钍的)和盘绕的(有氧化钍的)控制电极的尺寸。制造用于石英(HQI)和陶瓷(HCI)弧管的电极。
为了测试在辉光到弧光转变上具有辉光放电凹口的电极的作用，将表1(图4)中的凹入HCI电极比作两个不同的控制电极。第一控制是标准的电极，其包括具有5匝单层线圈的0.75毫米直径的掺杂了钾的钨条(大约每百万占60到70重量份)，具有0.26毫米的线直径。在起动和稳定状态过程中，线圈在尖端并参与热电子发射。第二个控制是在形状、材料和尺寸等同于表1中的HCI凹入电极的固态尖端电极，但是没有形成凹口。没有凹口的电极具有更大表面面积的优点，但是在起动相期间没有产生中空阴极放电的结构。用25毫克的稀土碘盐、42毫克的汞和13.3kPa(100托)的氩气起动气体填充所有的灯。对于开槽电极的对应Sp(h2p)是370帕斯卡-厘米(3托-厘米)。陶瓷弧管是具有大约20毫米的弧光间隙的400瓦特陶瓷球型壳体(OSRAM PowerBallTM)设计。灯运行在标准可调延时型M-135磁镇流器。
表2(图7)示出了结果。凹入的(开槽的)电极具有0.3秒的平均辉光到弧光时间，对标准固态电极60％的改善，和对标准线圈尖端的电极20％的改善。能量沉积示出类似的特性，显示出相邻圆盘之间的中空阴极放电的正面效果。凹入的(开槽的)电极具有39.8焦耳的平均辉光到弧光能量输入，由标准固态电极所需的41％的能量，和由标准线圈尖端的电极所需的84％的能量。结果示出了具有开槽结构的附加部分的辉光到弧光特性的巨大改善。
在可替换的实施例中，用于包括400W石英弧管的HQI电极的灯填充有20.7毫克NaI、3.1毫克的ScI3和52.9毫克的汞和4100帕斯卡(31托)压力的氩气。对应的Sp(h2p)是120帕斯卡-厘米(0.9托-厘米)。
为了示出具有放电发生凹口的头部形状的设计降低了电极温度并因此改善了稳定状态的维持性，使用红外线成像来测量电极温度分布。图8示出了作为用于表1的HQI电极电流和三种控制情况的函数的电极尖端温度上的最大侧的图表。第一种控制等价于HQI凹入的电极，但是没有凹口(固态的)。第二种控制电极是插入长度为8.5毫米和从尖端大约2.8毫米的(无氧化钍的)线圈的有氧化钍的0.9毫米直径的条。第三种控制电极是无氧化钍的，具有无氧化钍的线圈的掺杂了钾的0.8毫米直径的条从尖端大约是2.8毫米，以及整个插入长度是8.5毫米。所有的电极被安装在400瓦特石英弧管中。对于这些测量结果，灯运行在电子方波镇流器中。这些典型的条和线圈电极的大的尖端延伸使得它们在稳定状态过程中充当纯的条电极。
该结果表示，在3.5安培的设计电流的凹入电极具有和有氧化钍的盘绕的电极相同的尖端温度。这是在没有任何发射体材料时获得的，以降低功函。凹入的头部电极具有还低于0.8毫米无氧化钍的盘绕电极的尖端温度200开尔文的尖端温度。使用大面积尖端的这种示例可以比典型的条设计显著降低尖端温度。具有1.5毫米的直径的纯条将具有不可接受的高的热输入需求并将期望以点模式运行。固态尖端电极甚至具有比开槽电极更低的温度，但是具有在表2中标记的不良的起动特性。因此，表2(图7)中的数据示出了图4中的无氧化钍(没有发射体)电极具有和标准的有氧化钍的电极一样好的起动和稳定状态特性。图8中的结果还示出对于凹入的2D边界层计算和与这些测量非常紧密一致的固态尖端电极。在所有的情况下，对于这些测量，附着模式是扩散的。
除了提供希望的起动和稳定状态特性的凹入结构之外，当和等价的固态尖端电极相比时，凹入电极结构进一步改善扩散附着的稳定性。由于较低的电流易于产生点运行，所以改善的电弧稳定性还可以导致变暗期间的改善的维持性。执行实验来测试凹入电极的稳定性。通过监控用于表2中的灯的M-135镇流器上的电压波形，可以观察微秒时间量度上的电压不连续，其表示阴极上点转换的扩散。在稳定状态中，该镇流器的转变饱和特性易于以低的灯功率因素运行灯，并可能导致转换到点模式。对于垂直运行灯，在对于一个电极1.8安培均方根以及对于另一电极2.6安培均方根的电流时，凹入的灯经历到点转换的扩散。这和用于两个电极的固态尖端的3.2安培均方根的阈值比较。在这方面，标准的盘绕电极仍然是最好的，其示出在1.8安培均方根只用于一个电极(波形的一相)的转换。然而，无氧化钍的标准电极不具有凹入型的改善的维持性。
在表1中示出了对于在这些实施例中所使用的电极的扩散模式稳定性(Kstab)的估计。对于这些简单的估计，取校正因素γ为1，并且对于这些电极，通过大致在1.5到3的因素来满足扩散模式条件。用假设的正弦波或方波激发，取过量填充因数η为3。完成对于项(fVc-φw)/(Vc+e)≈f的近似。因为线圈和条之间的复杂的热转移，所以用简单的近似更难以估计盘绕的电极。对于这些估计，用有效的固态圆柱体来简单地代替线圈。
估计预测出，HQI灯中的电极比陶瓷更不稳定(更大的Kstab)，因为在HQI情况下更低的参考温度T0和更短的有效长度。在HQI弧管中，参考温度是密封温度，而对于HCI，参考温度是在使得和毛细管体紧密的热接触之前通过部件将电极焊接到附加的供给的地方。开槽的电极具有稍微较低的稳定因数并因此应当显示稍微更稳定的特性。这和对正弦波镇流器上的HCI电极的观察相一致。表1还示出了方波应当比正弦波更稳定，在性质上和在方波镇流器上作出的温度测量相一致。
为了测试凹入电极的稳定状态性能，在具有dh＝1.5mm的开槽无氧化钍HQI-T 400W灯和表1中的有氧化钍的控制HQI灯上执行连续的使用寿命测试。所有的灯都在水平方向上燃烧。还测试具有头部直径dh＝1.1和1.3mm的开槽无氧化钍电极的HQI灯。为了研究槽的作用，附加地测试带有和开槽电极具有相同尺寸的固态电极的同样的HQI灯。在以3.5A额定电流运行的50Hz扼流圈型镇流器上对所有的灯进行测试。运行1500个小时之后，观察到电弧附着上的下述结果如通常所观察到的那样，发现所有的有氧化钍电极以点模式附着运行。几乎所有的固态无氧化钍电极都以点模式运行或者有些限制为电弧附着。所有的开槽(凹入的)无氧化钍电极以扩散模式运行，与HCI灯的上述观察一致。唯一例外的是在dh＝1.5mm的电极表面之一上一些x射线不对称汽化的证据，该dh＝1.5mm的电极表面似乎和水平燃烧位置并没有关系。在0、100、500、1000和1500个小时时，针对这些灯测量光度和电参数。1500个小时时的结果可以被总结如下具有开槽(凹入的)电极的灯显示出，对于dh＝1.1和1.3mm的电极，相对于100小时的平均光通量(流明维持)是95％，以及对于dh＝1.5mm的电极，相对于100小时的平均光通量(流明维持)是90％。这些结果和有氧化钍的控制灯一样好或者比有氧化钍的控制灯更好，其具有85-90％的流明维持。最好的固态头部结果(dh＝1.1mm)示出了很可能来自点模式附着的小于70％的流明维持。具有开槽电极的灯示出了没有电压升高和只有来自尖端边缘(从x射线)的适度沉积。实际上，电压在这个时间间隔上降低了5-8V。控制灯和固态电极示出了5-10V的轻度到中度的电压升高，并示出了在尖端来自点附着的中度量的沉积。因此，使用寿命测试数据确定对于具有凹口的无氧化钍电极的图3中的实施例至少可以提供和具有不含稀土填充物的线圈的氧化钍电极一样好的维持性。数据证明了控制扩散模式附着的凹口的优点。所述的很多概念可以被用到具有放电发生凹口的电极的其它实施例中。在凹入电极的第二实施例中，主干和尖端部分由不同的难熔材料构成，由此主干由具有小于凹入的尖端部分的热导率κ1的热导率κN的难熔材料制成。
在图9中所示的第三实施例中，用尖端体上的一个或者多个中空区域代替凹口，以获得类似的中空阴极效果。机械的或者激光钻孔可以形成中空区域。中空区域必须满足起动过程中对于中空阴极放电的需求。在氩气缓冲气体的情况下，中空的直径dh和中空的深度1h必须满足以下条件，70＜dhp＜1200Pa-cm 方程6a凹口深度D必须足够大以将溅射的钨容纳在凹口内，并提供足够的电流D＞dg方程6b在图10中的第四个实施例中，这种中空凹口区域可以在尖端体的前侧，或者单独地或者和尖端体的顶部上的中空区域一起。电极70可被形成为在电极70的最内端具有支撑头部74的内主干72的固态体。头部74可以包括平的端面76。在表面76中形成的可以是一个或者多个凹口、诸如孔、狭槽、狭缝或者凹槽。凹口可以是轴向延伸的钻孔80。钻孔80具有最小的跨越距离(直径)82和深度84。贯穿起动的辉光放电相和对于所选的填充气体组分和压力，直径82大于最大的电子电离平均自由行程，但是小于最小的阴极压降加上一个负极辉光距离的两倍。深度84优选地大于跨越距离82。可以理解的是，在前表面76上可能存在多个这样的钻孔，以及在它们遵照尺寸和形状规格的地方可以使用那些凹槽、狭槽和类似的开口。
在第五实施例(图11)中，用由平的非平行或者弯曲表面构成的凹槽代替图3中的优选实施例中的平行凹槽，使得中空阴极辉光形成的表面之间的距离是可以变化的。因此，对于凹槽的每一部分SP是不同的，这允许更大范围的压力产生中空阴极效果。起动过程中，在由于电极加热引起的气体稀薄(rarification)导致气体密度的巨大变化的地方，这可能是有帮助的。因此，在起动相中，这种设计允许中空阴极放电最佳地形成在凹槽的某个区域内。
凹槽可以具有多种替换形式。可以是如图2中的钻孔状开口或者如图3中的凹槽。图10示出了具有形成在电极头部的前表面上的钻孔凹口80的替换优选的电极头部76的(部分拆开的)横截面图。另外，凹口跨度82和凹口深度84符合上述描述。跨越尺寸是可以变化的，使得当灯老化时，或者由于制造中的变化，对于实际的灯条件仍存在最优的跨越尺寸。图11示出了具有可变的凹口跨越尺寸的替换优选的电极头部的(部分拆开的)侧视图。引导圆盘84由正弦面构成，但是齿轮状或者类似的波动面相对于横跨凹口的相反表面提供不同的跨域尺寸、诸如86和88。图12示出了具有螺旋形凹口92的替换优选的电极头部90的(部分拆开的)侧视图。凹入的凹槽不需要是圆形的，但可以是螺旋形的，允许附着以轴向尺寸更容易地流动。跨越尺寸92仍然遵照上述的条件。图13示出了具有发射体涂层102的替换优选的电极头部100的(部分拆开的)横截面图。可以用氧化物发射体材料对各种实施例中的任一个中的电极进行掺杂。图13示出了以发射体材料浸渍涂层的电极主干和头部100，留下涂层102。可以使用的发射体涂层包括那些公知的高温发射体掺杂物、如ThO2、La2O3、HfO2、CeO2以及相关的氧化物。如通常在加有氧化钍的电极中所完成的那样，可以直接将发射体材料合并到电极中。由于这种掺杂电极的较低功函，所以可以将尖端温度降低到低温，在该低温发射体材料的汽化是微不足道的，相对灯的平均使用寿命，在表面上提供单层覆盖层。通过使用前五个实施例的其中一个再次获得掺杂电极的低温度，以提供大的尖端面积，同时具有可接受的电极热输入和阴极压降。
图14示出了具有轴向凹口凹槽112的电极头部110的端面图。凹入的凹槽可以沿着电极头部的侧面轴向延伸。图15示出了具有前环形凹口凹槽122的电极头部的端面图。形成在电极的前面上的环形凹口122具有符合上述条件的跨越宽度124和深度。
可以以方波激励(电流)有利地运行具有在上述实施例中所描述的电极和填充气体的灯，以扩展针对扩散模式运行的主干直径或者热输入的上限范围。通过使对尖端直径更少强制限制同时仍然实现扩散模式运行，方波激励还可以允许进一步改善维持性。类似地，可以以DC镇流器有利地运行具有在上述实施例中所描述的阴极和填充气体的灯，以进一步扩展针对扩散模式运行的主干直径或者热输入的上限范围。通过使对尖端直径甚至更少强制限制同时仍然实现扩散模式运行，DC运行可以允许甚至进一步改善维持性。在起动过程中，可以以具有准DC相的AC镇流器有利地运行具有在上述实施例中所描述的阴极和填充气体的灯，和AC起动相比，以加倍有效的中空阴极加热效果。以具有准DC起动相的镇流器进行AC运行减少了辉光到弧光次数并改善了维持性。
通常，具有放电发生凹口的电极不局限于所公开的实施例的几何结构，而是还包括具有替换几何结构的凹口，诸如螺旋形或者对角线的或者和所公开的准则一致的任何其它结构。
优选的电极设计使用单条所形成的或者机械加工的钨，该钨具有改善的起动和稳定状态的维持性。线圈的减少改善了电极特性的可重复性，以及因此改善了使用寿命中灯到灯的变化。可以以正弦波或者方波镇流器运行实施例，但是不局限于这些波形。最后，在变暗的应用中该设计是有用的，在低电流的地方，没有氧化物发射体的电极可以进入到不期望的点附着，并产生差的维持性。
尽管已经示出和描述了目前认为是电极结构的优选实施例，但是对于本领域技术人员明显的是，在不脱离由所附的权利要求限定的本发明的范围时，在这里可以作出各种变化和修改。
权利要求
1.一种高强度放电灯，其包括透光灯壳体，该透光灯壳体具有限定密封容积的壁；至少一个电极组件，其以密封形式从灯的外部通过灯壳体壁延伸到密封容积，该灯壳体壁要被暴露在电极组件的内端处；被密封在密封容积中的填充材料，应用电功率可激发填充材料发光；被密封在密封容积中的填充气体，该填充气体具有以帕斯卡为单位的冷填充压力p；其中，电极的内端具有整体形成的主体(头部)，该主体(头部)具有一表面，该表面限定具有凹口容积的凹口和从凹口容积到密封容积的开口，还限定跨越凹口开口测量的最小的凹口跨越尺寸S并限定凹口深度D，其中，在起动的辉光放电相期间，对于所选的灯填充气体组份和(冷)填充气体压力，S大于电子电离平均自由行程，并小于最小的阴极压降距离加上负极辉光距离的两倍。
2.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有延伸到所述头部侧中的钻孔的形状。
3.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有延伸到所述头部的前侧中的钻孔的形状。
4.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有径向凹槽的形状。
5.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有变化的跨越尺寸。
6.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有螺旋凹槽的形状。
7.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有轴向凹槽的形状。
8.如权利要求1中所述的灯，其中所述填充气体是具有冷(300K)压力p的氩气，使得70Pa-cm＜Sp＜1200Pa-cm。
9.如权利要求1中所述的灯，其中所述跨越距离S小于凹口深度D。
10.如权利要求1中所述的灯，其具有电极，其中所述头部具有外直径d1和热导率κ1，并具有直径为dN和热导率为κN的主干，以及κ1d1＞κNdN其中κ1＝以瓦特/厘米/度K为单位的电极头部的热导率，d1＝以厘米为单位的电极头部的直径，κN＝以瓦特/厘米/度K为单位的主干的热导率，dN＝以厘米为单位的电极主干的直径。
11.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有跨越距离S以及所述填充气体是具有冷填充压力p的氦气，并且530Pa-cm＜Sp＜15000Pa-cm。
12.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有跨越距离S以及所述填充气体是具有冷填充压力p的氖气，并且240Pa-cm＜Sp＜4800Pa-cm。
13.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有跨越距离S以及所述填充气体是具有冷填充压力p的氩气，并且70Pa-cm＜Sp＜1200Pa-cm。
14.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有跨越距离S以及所述填充气体是具有冷填充压力p的氪气，并且40Pa-cm＜Sp＜880Pa-cm。
15.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有跨越距离S以及所述填充气体是具有冷填充压力p的氙气，并且35Pa-cm＜Sp＜840Pa-cm。
16.如权利要求1中所述的灯，其中所述凹口具有跨越距离S和凹口深度D，以及所述填充气体是具有冷填充压力p的氩气，并且S＜D其中S＝以厘米为单位的凹口的跨越距离，D＝以厘米为单位的凹口深度。
17.如权利要求1中所述的灯，其具有冷填充压力为p的氩气、氪气或者氙气的惰性气体填充物，具有如权利要求1中所述的电极，以及NsAr/Iss＞0.012cm2/Amp其中Ns＝凹口的数量，Ar＝凹口的面积，Iss＝在形成热电子电弧之后以安培为单位的额定稳定状态的均方根灯电流(或者DC或者AC)。
18.一种运行DC放电灯来保证以稳定状态放电电流Iss(安培)接收到热电子电弧中的方法，该DC放电灯具有冷填充压力为p的氩气、氪气或者氙气的惰性气体填充物，具有带有多个凹口Ns的如权利要求1中所述的电极，每个凹口具有面积Ar，和跨越距离S，该方法包括以下步骤a)从击穿到热电子电弧的开始(onset)来向阴极提供起动功率Phc，其中Phc＞1.5Pss(瓦特)Ihc＝Phc/Vhc200V＜Vhc＜400V其中Phc＝以瓦特为单位的起动功率，Ihc＝以安培为单位的起动电流，Vhc＝中空阴极放电过程中的灯电压；b)随后在形成热电子电弧之后提供具有电流Iss的稳定状态Pss，其中3Iss＜Pss＜20Iss(瓦特)其中Iss＝在形成热电子电弧之后以安培为单位的额定稳定状态的灯电流。
19.一种运行AC放电灯来保证以稳定状态均方根放电电流Iss(安培)接收到热电子电弧中的方法，该AC放电灯具有冷填充压力为p的氩气、氪气或者氙气的惰性气体填充物，具有带有多个凹口Ns的如权利要求1中所述的电极，每个凹口具有面积Ar，和跨越距离S，该方法包括以下步骤a)从击穿到热电子电弧的开始向阴极提供平均起动功率Phc，其中0.5Phc＞1.5Pss(瓦特)Ihc＝Phc/Vhc200V＜Vhc＜400V其中Phc＝以瓦特为单位的时间平均的起动功率，Ihc＝以安培为单位的均方根起动电流，Vhc＝中空阴极半周期期间的均方根灯电压；b)随后在形成热电子电弧之后提供具有均方根电流Iss的稳定状态的Pss，其中3Iss＜Pss＜10Iss(瓦特)其中Iss＝在形成热电子电弧之后以安培为单位的额定稳定状态的均方根灯电流。
20.一种运行高强度放电灯的方法，该高强度放电灯具有透光灯壳体，该透光灯壳体具有限定密封容积的壁；该高强度放电灯具有至少一个电极组件，其以密封形式从灯的外部通过灯壳体壁延伸到密封容积，该灯壳体壁要被暴露在电极组件的内端处；该高强度放电灯具有被密封在密封容积中的填充材料，应用电功率可激发填充材料发光；该高强度放电灯具有被密封在密封容积中的填充气体，该填充气体具有以帕斯卡为单位的冷填充压力p；其中，电极的内端具有整体形成的主体(头部)，该主体(头部)具有一表面，该表面限定具有带有面积的多侧的凹口并限定凹口容积和限定从凹口容积到密封容积的开口，还限定跨越凹口开口测量的最小的凹口跨越尺寸S并限定凹口深度D，其中，在起动的辉光放电相期间，对于所选的灯填充气体组份和(冷)填充气体压力，S大于电子电离平均自由行程，并小于最小的阴极压降距离加上负极辉光距离的两倍；该方法包括以下步骤a)在阴极相中提供起动功率，使得对于足够的周期Phc＞2500NsAr(瓦特)，以在凹口中产生辉光放电；和b)在从镇流器提供起动功率之后，随后给灯从镇流器提供稳定状态均方根电流Iss，以产生弧光放电，使得Area/Iss＞0.012cm2/Amp其中Phc＝在AC周期的阴极部分中从镇流器施加到灯的功率或者在DC周期中施加到阴极的功率；Area＝以平方厘米为单位的面对凹口的侧面的总壁面积，以及Iss＝从镇流器施加到灯的、以安培为单位的稳定状态的均方根电流。
21.一种运行高强度放电灯的方法，该高强度放电灯具有透光灯壳体，该透光灯壳体具有限定密封容积的壁；该高强度放电灯具有至少一个电极组件，其以密封形式从灯的外部通过灯壳体壁延伸到密封容积，该灯壳体壁要被暴露在电极组件的内端处；该高强度放电灯具有被密封在密封容积中的填充材料，应用电功率可激发填充材料发光；该高强度放电灯具有被密封在密封容积中的填充气体，该填充气体具有以帕斯卡为单位的冷填充压力p；其中，电极的内端具有整体形成的主体(头部)，该主体(头部)具有一表面，该表面限定多个N个类似凹口，每个凹口具有限定凹口面积和凹口容积以及从凹口容积到密封容积的开口的侧壁，该表面还限定跨越凹口开口测量的最小的凹口跨越尺寸S并限定凹口深度D，其中，在起动的辉光放电相期间，对于所选的灯填充气体组份和(冷)填充气体压力，S大于电子电离平均自由行程，并小于最小的阴极压降距离加上负极辉光距离的两倍；该方法包括以下步骤a)在阴极相中提供起动功率，使得对于足够的周期Phc＞2500NsAr(瓦特)，以在凹口中产生辉光放电；和b)在从镇流器提供起动功率之后，随后从镇流器给灯提供稳定状态均方根电流Iss，以产生弧光放电，使得NsAr/Iss＞0.012cm2/Amp其中Phc＝在AC周期的阴极部分中从镇流器施加到灯的功率或者在DC周期中施加到阴极的功率；Ar＝以平方厘米为单位的单个凹口的侧面面积，Ns＝头部上的凹口的数量，Iss＝以安培为单位的稳定状态的均方根电流。
全文摘要
通过在电极的外部侧上形成辉光发生凹口可以改善HID灯的运行。该灯可以是带有具有限定密封容积的壁的透光灯壳体的标准结构。至少一个电极组件以密封的形式从灯的外部通过灯壳体壁延伸到密封容积，该灯壳体壁要被暴露在电极组件的内端处。用惰性填充气体密封金属卤化物灯填充物。用具有最小的跨越尺寸S和凹口深度D的凹口形成电极的内端，其中，贯穿起动的辉光放电相，对于所选的填充气体组分和压力(冷)，S大于电子电离平均自由行程，但是小于阴极压降加上负极辉光距离的两倍。
文档编号H01J61/06GK1835183SQ20061005915
公开日2006年9月20日 申请日期2006年3月15日 优先权日2005年3月15日
发明者H·阿德勒, A·B·巴丁杰, A·L·莱内夫, Y·M·李 申请人:奥斯兰姆施尔凡尼亚公司