专利名称：储备式钨电极的制备方法
技术领域：
本发明涉及电光源放电灯，特别是一种储备式钨电极的制备方法，该电极主要应用于高功率、大能量脉冲氙灯。
背景技术：
脉冲氙灯的基本构造是“一只灯管、两个电极和一定气体”，因此电极的作用是至关重要的。
1、中国科学院上海光学精密机械研究所的专利ZL97206471.0“潜藏式钨与石英过渡封接的脉冲氙灯”及ZL98247369.9“无应力内封接的截紫外脉冲氙灯”，这两种氙灯密封性能良好，能承受较大电流密度。其电极均采用铈钨一体加工法制得，由于电极杆部分细长，一半以上的材料被车削掉而白白浪费，电极成本高；其电极头部分重量所占比例较大，电极重心偏离封接支撑点一定距离，处于失衡状态，因而玻璃管封接区容易产生应力。
2、联邦德国电灯专利信托有限公司的专利98115132“电极和方法及其制造装置”中，该电极由高熔点材料做成，特别如钨材料，它带有一个柱形柱柄及一个锥形尖端，该尖端基本上是通过径向变形(径向锤锻或横向滚轧制成)。这种电极的缺点是电极发射面不够大，仅适用于低能量的放电灯，并且制作过程中也存在加工浪费。
3、现有高熔点储备式电极，特别是钨电极的制备大部分采用一体加工法，但因高熔点掺杂的钨材料(加入ppm级电子发射材料，如铈、铼等)大都采用粉末冶金制成，存在一定的脆性，故要求电极形状不能太复杂，只有在不易加工的情况下，才考虑焊接方法制备电极。而由于高熔点材料的焊接比较特殊，在先技术均采用白金(钯、铱等)作为浸润焊料进行焊接，工艺复杂且造价昂贵，因此这种焊接方法不适合推广普及，应用范围受到一定的限制。
发明内容
为了克服现有钨电极的制作难度和降低成本，本发明提供一种储备式钨电极的制备方法，该方法简单可靠，采用该技术制备的钨电极不但质量好，能有效降低钨电极成本和制作难度，减少材料浪费，节省国家有限的钨资源。
本发明技术解决方案是一种储备式钨电极的制备方法，其特征在于它由不同材质的电极头和电极杆通过真空钎焊而成。
所述的储备式钨电极的制备方法，包括下列步骤①根据电极的重心与灯头封接支撑点重合的要求设计电极头和电极杆的结构，所述的电极头为一自大至小具有球冠形发射面、实心圆柱体、过渡圆台和中空圆柱体的一体结构，所述的中空圆柱体的中轴位置有一供所述电极杆插入的圆筒形空腔，所述的电极杆自一端至另一端具有短圆柱杆、圆柱杆和锥尖头的一体结构；②分别加工电极头、电极杆、制备筒形焊片和环形焊丝；③对电极头、电极杆、筒形焊片和环形焊丝进行清洁处理；④对电极头、电极杆、筒形焊片和环形焊丝进行真空除气、退火处理；⑤工件装配先将镍基筒形焊片装入铈钨电极头的圆筒形空腔内，再将纯钨电极杆的短圆柱杆插入所述的圆筒形空腔内，最后在靠近铈钨电极头的纯钨电极杆上套上镍基环形焊丝，并确保电极头与电极杆同轴；⑥真空钎焊将装配好的电极按电极头朝下垂直安放在工件架上，然后放入真空钎焊炉内进行高温真空焊接。
所述的电极头由铈钨材料加工而成。
所述的电极杆由纯钨或钼材料加工而成。
所述的清洁处理，包括先去锈和油污；然后用洗涤剂进行超声波清洗；接着用蒸馏水烧煮1～2遍；最后无水乙醇或丙酮漂洗脱水。
所述的真空除气、退火温度在1000～1200℃，并保证真空度优于5.0×10-3Pa。
所述的真空钎焊的工艺是先抽真空至真空度优于3.0×10-3Pa，然后开始加热升温，温度800～1000℃之前，升温速率为5～10℃/min，800～1000℃以上的升温速率为2～5℃/min，在距焊接温度50～100℃，放慢升温速率，焊接温度比焊料流点温度高20～50℃，到达焊接温度后，保温5min，然后自然降温至400℃以下，充高纯氩气保护，降至室温。
本发明设计的新型电极的制备技术的优点本发明的钨电极突破低能量的局限，结构形状上适用于各种高功率大能量放电灯的电极，主要是由铈钨材质的电极头和纯钨或钼等其它材料制备的电极杆通过真空钎焊的方式焊接制成。
所谓储备式就是铈钨材质是储备式的，即在材料制备过程中就在钨材料中均匀地加入了ppm量级的铈原子，因而性能一致性较好，经高频表面激活后，发射性能好，同时放电一段时间后，内层铈原子会不断外逸加以补充，故储备式电极发射性能好，使用寿命长。
原一体加工法，整个电极都采用铈钨，由于电极杆与电极头直径的差别，几乎70％以上的电极材料都被车削掉而白白浪费；本发明采用分段加工焊接法，电极头采用较易发射电子的铈钨或其他钨合金材料，电极杆采用价格较低的纯钨或钼等其他材料，而车削材料不足20％，车削浪费极少，原材料成本节约80％以上，有利于节约我国有限的钨资源，同时加工费用也只有原来的1/3，总体成本是原制作法的25％，参见表一表一新旧技术电极成本比较 因此本发明设计的经济效益十分明显，有着良好的推广应用前景。
根据脉冲氙灯的放电模型，灯的品质特征函数表达式为K·0=kLD(P450)15]]>其中L为放电间距，D为灯管内径；P为灯内气压；k值是一个常数包含气体和电极表面面积等综合因素。由上述公式可见，在其他条件优化的情况下，电极电子发射面太小会无法承受强电流密度，而引起金属溅射造成电极熔融龟裂甚至炸灯。高功率、大能量放电灯的电极一般均采用大头针状，而电极阳极的破坏与它的电子接收截面大小及面型有关，能量越大要求接受面积越大，因此在更高功率、更大能量放电灯中，本发明设计的新型电极的制备技术将发挥更大的优势。
原一体加工法，由于钨本身的脆性，加工的电极杆不能太长太细，造成电极结构笨重和一些不合理性，如原先形状电极中的电极头重量所占比例不合理，重心偏离封接支撑点引起失衡，故灯头部分封接管壁仍存在应力，有一定的安全隐患；而本制作焊接方法将电极设计成更合理的结构，使电极结构更完善，电极重心正好位于支撑点处，灯头部分封接管壁基本消除了应力，提高了放电灯灯头质量，同时加工更为简单，有利于提高电极的质量。
本发明制备方法的简单易行，电极形状可以多变复杂，如改变电极杆部分结构适应新的封接技术，这就为设计不同的灯头或研究改进更新更完善的制灯技术提供可能，从而有利于不断提高脉冲放电灯的质量水平。
在先焊接方法采用白金作为焊料，不仅焊接工艺复杂，而且成本过高，不适合推广应用；本发明设计采用的焊料较为普遍且价格便宜，其工艺简单易行，因此拥有良好的市场应用前景。
总之，本发明方法简单可靠，采用该技术制备的钨电极不但质量好，能有效降低钨电极成本和制作难度，减少材料浪费，节省国家有限的钨资源。
图1是本发明钨电极焊接装配剖面示意图。
图中1-电极头，2-筒形焊片，3-环形焊丝，4-电极杆，101-球冠形发射面，102-实心圆柱体，103-过渡圆台，104-中空圆柱体，105-圆筒形空腔，401-短圆柱杆，402-圆柱杆，403-锥尖头具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1，图1是本发明钨电极焊接装配剖面示意图。本发明储备式钨电极的制备方法，包括下列步骤①根据电极的重心与灯头封接支撑点重合的要求设计电极头1和电极杆4的结构，所述的电极头1为一自大至小具有球冠形发射面101、实心圆柱体102、过渡圆台103和中空圆柱体104的一体结构，所述的中空圆柱体104的中轴位置有一供电极杆4插入的圆筒形空腔105，所述的电极杆4自一端至另一端为短圆柱杆401、圆柱杆402和锥尖头403一体结构；②分别加工电极头1、电极杆4、制备筒形焊片2和环形焊丝3；③对电极头1、电极杆4、筒形焊片2和环形焊丝3进行清洁处理；④对电极头1、电极杆4、筒形焊片2和环形焊丝3进行真空除气、退火处理；⑤工件装配先将镍基筒形焊片2装入铈钨电极头1的圆筒形空腔105内，再将纯钨电极杆4的短圆柱杆401插入圆筒形空腔105内，最后在靠近铈钨电极头1的纯钨电极杆4上套上镍基环形焊丝3，并确保电极头1与电极杆4同轴；⑥真空钎焊将装配好的电极按电极头1朝下垂直安放在工件架上，然后放入真空钎焊炉内进行高温真空焊接。
本发明制备的储备式钨电极，真空焊接实施例参数见表二。
表二真空焊接实施例参数表
表中Tl-焊料流点温度(℃)，Th-焊接温度(℃)。
该电极已成功应用于φ16×380(mm)至φ37×1430(mm)多种规格的脉冲氙灯中，经严格检测，氙灯质量有了很大提高。因氙灯寿命公式为L=(E0Ex)β,]]>其中E0为负载能量；Ex为极限负载能量；β为常数，对φ20mm的灯管为-8.58。从公式可见，由于极限负载能量Ex有很大的提高，从而大大延长了大功率脉冲氙灯的寿命，减少了由于大功率脉冲氙灯爆炸引起的激光腔体的损坏，保证了激光器的稳定运转。采用本新型电极的脉冲氙灯性能指标均符合技术要求，如表三所示表三高功率脉冲氙灯φ37×1430性能参数
采用本发明方法制备了多种高功率、大能量的脉冲氙灯，已在一系列大型激光器上成功运用，激光核聚变实际运行效果证明，本发明方法制备的储备式钨电极制成的脉冲氙灯，不仅成本低，而且结构合理、性能优良。
表四高功率脉冲氙灯φ16×380性能参数
权利要求
1.一种储备式钨电极的制备方法，其特征在于它由不同材质的电极头(1)和电极杆(4)通过真空钎焊而成。
2.根据权利要求1所述的储备式钨电极的制备方法，其特征在于包括下列步骤①根据电极的重心与灯头封接支撑点重合的要求设计电极头(1)和电极杆(4)的结构，所述的电极头(1)为一自大至小具有球冠形发射面(101)、实心圆柱体(102)、过渡圆台(103)和中空圆柱体(104)的一体结构，所述的中空圆柱体(104)的中轴位置有一供电极杆(4)插入的圆筒形空腔(105)，所述的电极杆(4)自一端至另一端为短圆柱杆(401)、圆柱杆(402)和锥尖头(403)一体结构；②分别加工电极头(1)、电极杆(4)、制备筒形焊片(2)和环形焊丝(3)；③对电极头(1)、电极杆(4)、筒形焊片(2)和环形焊丝(3)进行清洁处理；④对电极头(1)、电极杆(4)、筒形焊片(2)和环形焊丝(3)进行真空除气、退火处理；⑤工件装配先将镍基筒形焊片(2)装入铈钨电极头(1)的圆筒形空腔(105)内，再将纯钨电极杆(4)的短圆柱杆(401)插入圆筒形空腔(105)内，最后在靠近铈钨电极头(1)的纯钨电极杆(4)上套上镍基环形焊丝(3)，并确保电极头(1)与电极杆(4)同轴；⑥真空钎焊将装配好的电极按电极头(1)朝下垂直安放在工件架上，然后放入真空钎焊炉内进行高温真空焊接。
3.根据权利要求2所述的储备式钨电极的制备方法，其特征在于，所述的电极头(1)由铈钨材料加工而成。
4.根据权利要求2所述的储备式钨电极的制备方法，其特征在于所述的电极杆(4)由纯钨或钼材料加工而成。
5.根据权利要求2所述的储备式钨电极的制备方法，其特征在于所述的清洁处理，包括先去锈和油污；然后用洗涤剂进行超声波清洗；接着用蒸馏水烧煮1～2遍；最后无水乙醇或丙酮漂洗脱水。
6.根据权利要求2所述的储备式钨电极的制备方法，其特征在于所述的真空除气、退火温度在1000～1200℃，并保证真空度优于5.0×10-3Pa。
7.根据权利要求2所述的储备式钨电极的制备方法，其特征在于所述的真空钎焊的工艺要求是先抽真空至真空度优于3.0×10-3Pa，然后开始加热升温，温度800～1000℃之前，升温速率为5～10℃/min，800～1000℃以上的升温速率为2～5℃/min，在距焊接温度50～100℃，放慢升温速率，焊接温度比焊料流点温度高20～50℃，到达焊接温度后，保温5min，然后自然降温至400℃以下，充高纯氩气保护，降至室温。
全文摘要
一种储备式钨电极的制备方法，它由不同材质的电极头和电极杆通过真空钎焊而成。本发明方法简单可靠，制成的钨电极不但质量好，能有效降低钨电极成本和制作难度，减少材料浪费，节省国家有限的钨资源。本发明方法制备的储备式钨电极制成的脉冲氙灯，不仅成本低，而且结构合理、性能优良。
文档编号H01J9/02GK1610041SQ20041008440
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月22日 优先权日2004年11月22日
发明者蒋宝财, 胡礼俊, 俞建华, 林琤 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所