LICHTQUELLE, EIN FILAMENT UND EIN VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES MONOKRISTALLINEN METALLDRAHTS

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtquelle, insbesondere Glühlampe, mit einem Kolben und einem in dem Kolben angeordneten beheizbaren Filament. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Filament für eine Lichtquelle sowie ein Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Metalldrahts, insbesondere eines Filaments für eine Lichtquelle, mit einem als Ausgangsmaterial dienenden metallischen Rohdraht.

Lichtquellen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in verschiedenen Ausführungsformen. Bekannte Lichtquellen sind beispielsweise als Lampen oder Leuchtkörper mit Glühfilamenten ausgebildet, wobei Glühfilamente beispielsweise durch direkt elektrisch beheizte oder induktiv beheizte Filamente bekannt sind. Filamente werden aus Metallen oder Metallkarbiden oder Legierungen mit Metallen oder Metallkarbiden hergestellt. Entsprechende Lichtquellen sind als einfache Glühlampen, Halogenlampen oder Tantalkarbidlampen bekannt.

All diesen bisher bekannten Lichtquellen oder Lampentypen ist gemein, dass die Filamente Rekristallisierungserscheinungen zeigen, die zur Zerstörung des Filaments führen. Die Glühfilamente werden nach einer bestimmten Brenndauer zerstört. Dabei reißt das Glühfilament ab und ein meist folgender Lichtbogen schmilzt dann die Enden der Bruchstellen auf. Der Filamentbruch wird häufig an überhitzten Stellen des Glühfilaments beobachtet, wobei diese Stellen als „Hotspots" bezeichnet werden. Die Hotspots können ihre Ursache in den inneren Kristallphänomenen des Glühfilaments oder in den äußeren Bedingungen eines das Glühfilament umgebenden elektromagnetischen Strahlungsfelds oder Teilchenstrahlungsfelds, beispielsweise eines Elektronengases, haben. Für Glühfilamente wie beispielsweise Wolframfilamente, Tantalfilamente oder Metallkarbidfilamente, beispielsweise Tan- talkarbidfilamente, kann für den Filamentbruch an Hotspots die folgende Modellvorstellung dienen.

Glühlampen mit Wolfram- oder Metallkarbidfilamenten benötigen einen inneren Transportprozess, der vom Filament abdampfende Elemente wie beispielsweise Wolfram, Tantal, Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen wieder auf das Filament

zurückführt, um das Auftreten des Filamentbruchs zu verzögern. Die Rückführung geschieht üblicherweise vornehmlich aus der Abscheidung von Wolfram, Tantal, Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen aus einer das Filament umgebenden Gasatmosphäre mit einer geeigneten Gaszusammensetzung und mit einer geeigneten Partialdruckzusammensetzung der Gaskomponenten in einem bestimmten Temperaturbereich.

Die Hotspots können an oder um Kristallkomgrenzen der Filamente beobachtet werden. Die Kristallkorngrenzen in den Filamenten sind durch Ebenen oder Schichten großer kristallographischer Gitterstörungen gebildet, in denen beispielsweise Kohlenstoff beweglicher ist und schneller an die Filamentoberfläche diffundieren kann als im Restgitter. Diese Diffusion wird bei elektrisch beheizten Filamenten durch eine erhöhte Temperatur gefördert, die durch den erhöhten Wärmeabfall an den stromdurchquerten Korngrenzschichten aufgrund ihres höheren elektrischen Widerstands entstehen kann.

Der größere mögliche Kohlenstoffverlust bei beispielsweise Tantalkarbidlampen an den Korngrenzbereichen der Filamentoberfläche führt dort in der weiteren Folge zu einem Abdampfen von Tantalkarbid oder sogar von metallischem Tantal. Die Kris- tallkorngrenzbereiche zeigen sich deshalb auf den Filamentoberflächen nach einer bestimmten Brenndauer unter dem Mikroskop als Rillen mit beispielsweise V-förmigem Querschnittsprofil, die ausgefressen wurden.

Da der nun beschriebene Modellprozess sowohl für Metallfilamente als auch für Metallkarbidfilamente weitgehend sehr ähnlich ist, soll dieser Modellprozess hier stellvertretend nur für Metallkarbidfilamente wie beispielsweise Tantalkarbidfila- mente beschrieben werden. Als Modellvoraussetzung werden annähernd zylindrische Filamentabschnitte angenommen und der im Transportkreislauf von der Filamentoberfläche abdampfende und auf diese wieder zurückgeführte Kohlenstoff betrachtet. Die angenommene annähernd zylindrische Oberfläche ist durch Korngrenzrillen gestört.

Der Kohlenstoff, der aus der umhüllenden Gasatmosphäre auf das Filament abgeschieden werden kann, liegt über der Filamentoberfläche atomar oder molekular, beispielsweise in Form von CH- oder CO-Verbindungen, und elektrisch neutral oder

ionisiert vor. Der Partialdruck bzw. die Konzentration ist über den Kristallkomgrenz- bereichen der Oberfläche als annähernd homogen anzusehen. Die Abscheidung des Kohlenstoffs durch eine beliebig orientierte gedachte Fläche hindurch auf ihre Projektionsfläche auf der ungestörten Zylinderoberfläche des Filaments ist deshalb homogen. Der auf die tatsächliche Filamentoberfläche abgeschiedene Kohlenstoff kann so die Oberflächenbereiche, in denen auch die beobachteten Korngrenzrillen abschnittsweise vorliegen, nicht gleichmäßig bedecken. Da die Korngrenzrillenbe- reiche, die unter gleich großen Projektionsflächenabschnitten liegen wie die Nichtril- lenabschnitte, eine größere tatsächliche Abscheidungsoberfläche aufweisen als die Bereiche der Nichtrillenabschnitte, ist eine Kohlenstoffbelegung auf den Rillenwänden dünner als in den Bereichen außerhalb der Rille.

Im Fall des Vorliegens von ionisiertem Tantal oder Kohlenstoff oder von ionisierten Tantalverbindungen oder Kohlenstoffverbindungen kann ein Transport unter der Wirkung eines elektrischen Felds zur Filamentoberfläche hin geschehen. Dieses elektrische Feld kann durch einen Potentialunterschied zwischen der Filamentoberfläche und der Gasatmosphäre um das Filament herum entstehen, da die teilweise ionisierte Gasatmosphäre über eine endliche elektrische Leitfähigkeit verfügt und mit anderen elektrischen Bauteilen wie beispielsweise den Lampenelektroden in Berührung steht.

Ein weiteres elektrisches Feld baut sich in elektrischen Glühlampen mit gewendel- ten Filamenten aufgrund des elektrischen Filamantwiderstands zwischen den gegenüberliegenden Wendelwindungen auf. Bei Kleinglühlampen mit typischen Wen- delfilamenten von 5 bis 10 Windungen und Betriebsspannungen von 12 Volt beträgt die elektrische Spannung zwischen benachbarten Wendelgängen ca. 1 Volt bis 2 Volt.

Darüber hinaus können elektrische Felder durch Raumladungen entstehen, die aus der Elektronenglühemission des Filaments stammen. Für pulvermetallurgisch heiß- gepresstes Tantalkarbid berichten J. H. Ingold, E. Blue und WJ. Ozeroff eine Elektronenaustrittsarbeit bei der Glühemission von 3,97 eV zwischen 1.300 K - 1.900 K mit einer Richardsonkonstante von 37 A/cm ² K ² . Für Tantalkarbiddrähte berichten B. H. Eckstein und R. Formann zwischen 1.600 K - 2.250 K eine Elektronenaustrittsarbeit von 3,17 eV mit einer Richardsonkonstante von 0,22 A/cm ² K ² . K. Be-

cker und H. Ewest berichten eine 2,8 mal kleinere Elektronenglühemission bei Tantalkarbid im Vergleich zu reinem Tantal. Aus den Angaben von Eckstein et al. lässt sich nach Richardson eine Elektronenglühemission von 357 A/cm ² bei 4.000 K Filamenttemperatur abschätzen. Für Wolfram beträgt der Glühemissionsstrom bei 3.000 K 14,19 A/cm ² und bei 3.655 K 479,9 A/cm ² . Experimentell wurde für Wolfram bei 3.000 K ein Elektronenemissionsstrom von 5 mA pro Watt Heizleistung gefunden, der sich auf 3.655 K auf ca. 170 mA/W extrapolieren lässt. Um die Glühfila- mente treten deshalb bei hohen Temperaturen sehr hohe Elektronenraumladungen auf. Für die oben erwähnten Kleinglühlampen mit 10 Filamentwindungen, mit Windungsradien von 0,5 mm und mit einer Filamentoberfläche von ca. 15 mm ² können bei der Verwendung von Tantalkarbid als Filamentmaterial bei einer Temperatur von 4.000 K mögliche Sättigungsglühemissionselektronenströme von bis zu 50 A abgeschätzt werden.

An der heißen Filamentoberfläche oder zwischen den heißen Wendelwindungen können Elektronen aus der Glühemission, die im elektrischen Feld zwischen den Wendelwindungen beschleunigt werden, eine dortige Ionisation von Atmosphärenbestandteilen unterstützen. Die direkte Stoßionisation im idealen Gas bei 4.000 K ist aufgrund der maximalen verfügbaren kinetischen Stoßenergie von ca. 4,3 eV für eine positive Ionisation von Atomen wie W, Ta, C, H und O nicht ausreichend. Die lonisationsenergien dieser Elemente liegen alle über 7 eV.

Daher ist das Auftreten von positiv ionisierten Gasbestandteilen unwahrscheinlich. Jedoch können Radikale, die aus der Thermolyse von Kohlenstoffverbindungen am heißen Filament stammen, Elektronen aus dem das Filament umgebenden Elektronengas aufnehmen. Das Auftreten von negativ geladenen Ionen ist wahrscheinlich. Auch ungeladene Gasatmosphärenbestandteile können durch einen Glühelektronenstrom entlang den elektrischen Feldlinien mitgerissen werden. Sie verhalten sich dann quasi wie Ionen und sollen hier deshalb Quasiionen genannt werden. Auf den heißen Filamentoberflächen kann nach einer bestimmten Brenndauer ein Aufwachsen von nadelartigen Kristallen beobachtet werden, wobei die Kristallnadeln zur nächsten Filamentschleife hin gerichtet sind bzw. entlang den Feldlinien zwischen den Windungen.

Auch ionisierter Kohlenstoff oder ionisierte Kohlenstoffverbindungen oder deren geladene Radikale oder deren Quasiionen werden weniger in die Rillen hinein abgeschieden als auf Nichtrillenoberflächenbereiche, da sich das elektrische Feld in Rillen hinein reduziert oder ggf. verschwindet. Die Rillenoberfläche wird also weniger mit zurückgeführtem Kohlenstoff versorgt als die Nichtrillenoberfläche.

Die heißen Filamentoberflächenbereiche strahlen das Licht nicht gleichmäßig ab. Nichtrillenbereiche von Zylinderabschnitten strahlen das Licht von der Zylinderoberfläche ab, ohne dass es zu einer Rückstrahlung bzw. Reabsorption dieses Lichts in diesen Nichtrillenbereich kommt. Rillenbereiche strahlen das Licht unter einer gewissen Rückstrahlung bzw. Selbstabsorption ab, denn die gegenüberliegenden Wandflächen der Rillen strahlen sich teilweise gegenseitig an. Die Rillenbereiche der Filamentoberfläche sind deshalb heißer als die Nichtrillenbereiche.

Eine weitere Aufheizung der Rillenbereiche oder anderer Bereiche mit gestörter Oberfläche erfolgt durch den Stromeintritt der Glühemissionselektronen und das Auftreffen geladener Gasbestandteile oder Quasiionen auf die Filamentoberfläche. Diese werden im elektrischen Feld zwischen den Wendelgängen elektrisch beheizter Filamente auf die Filamentoberfläche transportiert. Dort geben die Elektronen beim Eintritt in die Filamentoberfläche die ihrer Potentialdifferenz zwischen ihrem Potential im Außenraum des Filaments und dem Potential im Filament entsprechende Energie, die gerade der Glühemissionselektronenaustrittsarbeit entspricht, in Form von Wärme ab. Zwar ist die Energiebilanz ausgeglichen, da die Glüh- emissionsströme beim Filamentaustritt durch die Mitnahme der Elektronenaustrittsarbeit kühlend wirken, jedoch treten diese „externen Heizströme" nicht homogen sondern konzentriert in bestimmte Filamentoberflächenbereiche ein, da sie der elektrischen Feldliniendichte bzw. der elektrischen Feldstärke folgen, die auf gestörten Oberflächenbereichen mit stark konvexen Krümmungen extreme Werte annehmen kann. Solche Bereiche sind unter anderem wieder die Ränder bzw. die Kanten der Korngrenzrillen, die durch die eintretenden Glühemissionselektronen oder die dort auftreffenden geladenen Gasbestandteile noch stärker aufgeheizt werden als Nichtrillenbereiche.

Die temperaturabhängige Abdampfrate und Abdampfgeschwindigkeit von Kohlenstoff aus den Rillen ist aufgrund der dort höheren Temperatur größer als diejenige

von Nichtrillenbereichen. Da die Abdampfrate und Abdampfgeschwindigkeit von Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen in Rillenbereichen größer ist als in Nichtrillenbereichen und da die Abscheidungsrate bzw. Rückführungsrate von Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen in die Rillen geringer ist als in Nichtrillenbereichen, kann dies zu einer Unterversorgung der Rillenbereiche mit Kohlenstoff führen.

Die Folge kann im Fall von Metallkarbidfilamenten ein Phasenübergang zwischen Metallkarbidphasen sein. Im Fall von Tantalkarbidfilamenten kann sich die temperaturstabilste Gamma-Phase des vorliegenden Tantalkarbids in die weniger temperaturstabile Beta- oder Alpha-Phase umwandeln, was zu einem weiteren drastischen Anstieg der Kohlenstoffdiffusion im Tantalkarbidgitter und folgend zu einem Anstieg der Kohlenstoffabdampfrate und Abdampfgeschwindigkeit im Rillenbereich führt und letztendlich zur Bildung von Bitantalkarbid führt. Die Kohlenstoffdiffusionskonstante ist beispielsweise bei 2.650 ⁰ C in Ta ₂ C ca. 9 mal höher als in TaC. Zunehmend entkohltes Tantalkarbid zeigt jedoch bis zu einer Molzusammensetzung von C/Ta = 0,75 herab einen ansteigenden elektrischen spezifischen Widerstand, was im Fall von elektrisch beheizten Filamenten zu einem höheren Wärmeabfall und damit zu einer weiteren Temperaturerhöhung in den sich zunehmend entkohlenden Rillenbereichen führt. Eine Entkohlung des Tantalkarbids in elektrisch beheizten Filamenten ist also selbstbeschleunigend.

Die stetig zunehmende Temperaturüberhöhung in den Rillenbereichen kann zu einem zusätzlichen Abdampfen von Tantalkarbid oder nach genügender Entkohlung sogar von metallischem Filamentmaterial, d.h. Tantal, führen, wodurch sich die Rillen vergrößern und vertiefen. Dies beschleunigt abermals die oben beschriebene Entwicklung bzw. eine weitere Temperaturüberhöhung in den Rillenbereichen durch beispielsweise die gleichermaßen zunehmende Strahlungsselbstabsorption.

Das Tantalkarbid zeigt mit zunehmender Entkohlung eine starke Dichteänderung, wodurch starke mechanische Spannungen in den Rillenbereichen auftreten können. Mit dieser Entwicklung geht bei zunehmender Brenndauer ein temperaturinduziertes Kristallkornwachstum im Filament einher. Das Kristallkornwachstum endet erst, wenn die Kristallkörner den Durchmesser des Filamentdrahts erreicht haben. Dann können sich Einzelkomgrenzen über den gesamten Drahtquerschnitt spannen und eine durchgehende Bruchebene oder Gleitebene bilden. Die wachsenden Kristall-

korngrenzschichten zeigen wegen der dortigen starken Gitterstörungen schon selbst eine Dichteänderung, die mechanische Spannungen erzeugt.

Folglich liegt in den Rillen und den von hier ausgehenden Komgrenzschichten die größte Gitterstörung bzw. die geringste mechanische Festigkeit des Filaments zusammen mit den großen mechanischen Spannungen vor. An diesen selbstinduzierten Bruchstellen reißt nach einer bestimmten Brenndauer der Filamentdraht ab. Um dieses Verhalten wenigstens zu verzögern, werden heute bekannterweise die Filamente wie beispielsweise Wolframfilamente mit Metallen wie Rhenium oder Hafnium legiert oder mit Fremdmetalloxiden aus Thorium, Aluminium, Kalzium, Silizium oder Kalium dotiert. Die Legierung führt zur Bildung von Mischkristallen mit geringeren Kristallwachstumsgeschwindigkeiten im Filament, wohingegen die Fremdmetalloxiddotierung zu Gitterstörstellen führt, die das Kristallkornwachstum verzögern oder in bestimmte Wachstumsrichtungen lenken, um beispielsweise im Fall von in den Filamentrohdraht gebrachten Kaliumclustern, die sich durch den Drahtziehvorgang entlang der Drahtachse verziehen bzw. Längsspuren bilden, ein so genanntes Stapeldrahtgefüge zu erzeugen, das das Hochtemperatur-Korngrenzgleiten einschränkt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lichtquelle, ein Filament für eine Lichtquelle und ein Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Metalldrahts anzugeben, wonach eine Verlängerung der Lebensdauer der Lichtquelle und des Filaments und eine höhere mechanische Stabilität eines als Filament verwendbaren Metalldrahts bei vereinfachter Herstellung erreicht sind.

Die voranstehende Aufgabe ist zum einen durch eine Lichtquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Lichtquelle derart ausgestaltet und weitergebildet, dass das Filament zumindest bereichsweise aus monokristallinem Filamentmaterial besteht.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass durch eine geeignete Wahl der Kristallstruktur des Filamentmaterials die obige Aufgabe auf überraschend einfache Weise gelöst wird. Hierzu ist das Filament im Konkreten zumindest bereichsweise aus monokristallinem Filamentmaterial ausgebildet. Je weitläufiger das Filament aus monokristallinem Filamentmaterial ausgebildet ist, desto vorteilhafter wirkt sich diese

Ausgestaltung auf die Lebensdauer der Lichtquelle aus. Da monokristallines FiIa- mentmaterial weitestgehend glatte Oberflächen aufweist, weist es keine oder kaum innere Kristallkorngrenzen und somit auch keine elektrischen übergangswiderstände an Kristallkorngrenzen oder Kristallkorngrenzgleitebenen oder -bruchebenen oder inhomogene innere Diffusionswege für Filamentmaterialbeimengungen wie Dotierungen oder Wasserstoff oder Kohlenstoff oder eine oberflächliche Kristall- korngrenzrillenbildung auf. Aufgrund der monokristallinen Beschaffenheit weist das Material eine über die Oberfläche hinweg gleichmäßige Abdampfrate und Abdampfgeschwindigkeit für Filamentmaterialbeimengungen wie beispielsweise Kohlenstoff oder für Filamentmaterial wie beispielsweise Kohlenstoffverbindungen oder FiIa- mentmetall auf. Das Material besitzt weiterhin eine über die Oberfläche homogene Aufnahmerate für beispielsweise Kohlenstoff und eine über die Oberfläche gleichmäßige oder stetige Temperaturverteilung. Aufgrund dieser Eigenschaften wird das Auftreten von Hotspots nach dem obigen Modell vermieden und kann dadurch die Lebensdauer von Lichtquellen mit einem Glühfilament oder von Filamenten erhöht werden.

Zur Realisierung einer besonders hochwertigen monokristallinen Struktur des FiIa- mentmaterials könnte das Filament zumindest bereichsweise aus zonenkristallisiertem Filamentmaterial bestehen. Mit einer Zonenkristallisierung ist auf besonders zuverlässige und einfache Weise eine weitgehend monokristalline Struktur erreichbar. Unter Zonenkristallisation ist im Konkreten die kontrollierte oder gesteuerte fortschreitende Kristallisation oder Rekristallisation des Filamentmaterials zu verstehen. Dabei geht eine derartige Kristallisation oder Rekristallisation von einem induzierten oder bereits vorliegenden Kristallisationszentrum mit der Folge der Bildung eines Monokristalls oder Einkristalls aus. Eine Zonenkristallisation kann durch die kontrollierte bzw. gesteuerte beispielsweise epitaktische Abscheidung von Material aus einer Gasphase oder aus einer flüssigen Phase wie beispielsweise einer Lösung oder einer Dispersion oder einer Schmelze an Kristallkeimen erzeugt werden. Eine derartige Vorgehensweise erzeugt im Allgemeinen ein zuverlässiges aber langsames Kristallwachstum.

Zur Realisierung einer besonders schnellen Herstellung eines zonenkristallisierten Filamentmaterials könnte die Zonenkristallisation durch eine räumlich begrenzte

Erwärmung des Filaments erzeugt sein. Mit anderen Worten liegt hier eine tempe- raturinduzierte Zonenkristallisation in einem Festkörper vor.

Die Erwärmung könnte in besonders einfacher und zuverlässiger Weise mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls erzeugt sein, durch den das Filament geführt wird oder der entlang des Filaments geführt wird.

Alternativ hierzu könnte die Erwärmung ebenfalls in einfacher Weise mittels einer induktiven Aufheizung erzeugt sein. Dabei könnte das Filament durch eine Induktionsschleife geführt oder die Induktionsschleife entlang des Filaments geführt werden.

Bei einer weiteren Alternative könnte die Erwärmung mittels einer Edelgasplasmaflamme oder einer Wasserstoffplasmaflamme erzeugt sein. Auch hierdurch ist eine zuverlässige bereichsweise Kristallisation in Form einer Zonenkristallisation erreichbar.

Zur Gewährleistung eines besonders vorteilhaften Oberflächenbereichs des FiIa- mentmaterials könnte das Filamentmaterial zumindest bereichsweise mechanisch und/oder elektrisch geglättet oder poliert sein.

Das Filament könnte ein Metall oder Metallkarbid oder mindestens eine Legierung mit einem Metall oder Metallkarbid aufweisen. Dabei könnte das Metall in besonders vorteilhafter Weise zur Realisierung einer besonders langen Lebensdauer der Lichtquelle Tantal oder Wolfram sein. Diesbezüglich noch vorteilhafter könnte als Metallkarbid Tantalkarbid verwendet sein.

Zur Gewährleistung eines besonders reinen Filamentmaterials könnte das Rohmaterial für das Filament aus einer Elektrolyse oder aus einer Vakuumschmelze gewonnen sein. Dabei könnte in besonders vorteilhafter Weise die bei der Elektrolyse verwendete Lösung eine wässrige Lösung sein. Hierdurch ist eine besonders glatte und dichte Metallabscheidung gewährleistet.

Die oben stehende Aufgabe wird gemäß Patentanspruch 13 des Weiteren durch ein Filament für eine Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12 gelöst. Hinsichtlich

der Vorteile eines derartigen Filaments für eine Lichtquelle wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den voranstehenden Text verwiesen.

Die oben stehende Aufgabe wird des Weiteren durch ein Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Metalldrahts, insbesondere eines Filaments für eine Lichtquelle, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 gelöst, wobei ein als Ausgangsmaterial dienender metallischer Rohdraht verwendet wird. Danach ist das Verfahren derart ausgestaltet und weitergebildet, dass der Rohdraht zumindest bereichsweise einer eine im Wesentlichen monokristalline Metallstruktur erzeugenden Zonenkristallisation unterzogen wird.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass der Einsatz einer Zonenkristallisation die voranstehende Aufgabe auf überraschend einfache Weise löst und ein Filament- material mit besonders hoher Qualität ermöglicht. Da zonenkristallisiertes FiIa- mentmaterial monokristallin oder zumindest weitgehend monokristallin ist und glatte Oberflächen aufweist, besitzt es keine oder nahezu keine inneren Kristallkorngrenzen und somit auch keine elektrischen Kristallkorngrenzübergangswiderstände oder Kristallkorngrenzgleitebenen oder -bruchebenen oder inhomogene innere Diffusionswege für Filamentmaterialbeimengungen wie Dotierungen oder Wasserstoff oder Kohlenstoff oder oberflächliche Kristallkorngrenzrillenbildung. Das zonenkristallisierte Filamentmaterial besitzt aufgrund seiner monokristallinen Beschaffenheit eine über die Oberfläche gleichmäßige Abdampfrate und Abdampfgeschwindigkeit für Filamentmaterialbeimengungen wie beispielsweise Kohlenstoff oder für Filamentmaterial wie beispielsweise Kohlenstoffverbindungen oder Filamentmetall. Es besitzt eine über die Oberfläche homogene Aufnahmerate für beispielsweise Kohlenstoff und eine über die Oberfläche gleichmäßige bzw. stetige Temperaturverteilung. Wegen dieser Eigenschaften wird das Auftreten von Hotspots nach dem obigen Modell vermieden. Dadurch ist die Lebensdauer von Lichtquellen, Lampen oder Leuchtkörpem mit einem derartigen Glühfilament erhöht.

Aus der EP 1 445 340 A2 ist bereits ein Verfahren zur Herstellung eines monokristallinen Metalldrahts bekannt. Bei dem bekannten Verfahren findet eine Rekristallisation während einer plastischen Deformation von Rohdrähten in Form eines Ver- zwirbelns zweier Drähte gegeneinander oder in Form einer Torsion eines Drahts um seine Drahtachse während einer Wärmebehandlung statt. Das bekannte Verfahren

hat allerdings den Nachteil, dass es nur auf Drähte mit Drahtstärken im Bereich zwischen 0,01 bis 5 Mikrometer anwendbar ist und dass der monokristallisierte verzwirbelte Draht zur Verwendung wieder entzwirbelt und ausgereckt werden muss oder gegebenenfalls in eine weitere andere Form gebracht werden muss, was wieder zu Kristallstörungen des fertigen Monokristalls führen kann.

Das Rohmaterial für den Draht muss derart vorliegen, dass es für das Zonenkristallisationsverfahren anwendbar ist. Hierzu könnte das Rohmaterial für den Rohdraht in besonders vorteilhafter Weise aus einer Elektrolyse oder Vakuumschmelze gewonnen werden. Dies bietet sich insbesondere für Tantal- oder Tantalkarbiddrähte hinsichtlich des Rohtantals an. Eine Herstellung aus beispielsweise pulvermetallurgischem Material oder Sintermaterial ist ungünstiger, da die versinterten Materialpulverkörner sich mit unterschiedlichen Kristallorientierungsachsen im Material eingebettet haben und im Zonenkristallisationsverfahren schon eine gegebenenfalls ungewünschte Kristallisationsrichtung vorgeben oder als mehrfache Kristallisationskeime wirken, von denen in der betrachteten Zone gleichzeitig getrennte Kristalle auswachsen, die wieder unerwünschte Korngrenzen bilden. Der Vorteil von Rohmaterial aus der Elektrolyse ist die im Allgemeinen hohe chemische Reinheit und die nicht- bzw. wenig kristalline Struktur des Materials. Materialverunreinigungen stören nämlich das gewünschte Kristallwachstum und stellen spätere Gitterstörungen dar.

Beispielsweise das Elektrolysetantal wird nicht in Form von Pulvern abgeschieden, sondern in Form von Kathodenfestkörpern wie Stäben, Blechen oder Platten. Bei der Elektrolyse könnte daher in besonders vorteilhafter Weise eine wässrige Lösung verwendet werden. Im Konkreten könnte eine Elektrolyse-Tantalherstellung aus einer wässrigen Tantallösung erfolgen. Ein Elektrolyseherstellungsverfahren aus einer Tantalschmelze führt nämlich wegen der geringen Leitfähigkeit der Salzschmelzen- elektrolyte zur Bildung von groben dentritischen oder flitterartigen Tantalkristallen. Bei der Elektrolysetantalabscheidung aus einer wässrigen Tantallösung hingegen führen hohe Metallionenkonzentrationen im Elektrolyten - gegebenenfalls mit Unterstützung durch eine hohe Elektrolytleitfähigkeit - und eine hohe Badtemperatur zusammen mit einer hohen Keimbildungsgeschwindigkeit zu glatten und dichten Metallabscheidungen. Die Keimbildungsgeschwindigkeit kann durch eine hohe Ka-

thodentemperatur gefördert werden. Die Bildung unerwünschter Polykristalle wird hierdurch wirksam vermieden.

In weiter vorteilhafter Weise könnte das Rohmaterial mittels Drahtwalzmaschinen und/oder Drahtrundhämmermaschinen und/oder mittels Drahtzieh Werkzeugen in einer Warmverformung zum Rohdraht oder Filamenthalbzeug verarbeitet werden. Die im Rohdraht noch vorhandene Gitterstruktur wird durch eine derartige mechanische Bearbeitung bzw. durch die damit einhergehende starke plastische Deformation so stark zerstört und homogenisiert, dass ein anschließender Rekristallisations- prozess kontrolliert ausgeführt werden kann.

Sollte die plastische Deformation und Homogenisierung des Gittergefüges durch den obigen mechanischen Bearbeitungsvorgang noch nicht ausreichend sein, so könnte der Rohdraht zur Erzeugung einer Biegung im Rohdraht über mindestens eine Rolle gezogen werden. Dabei könnte der Rohdraht mehrfach so über möglichst kleine Rollen oder möglichst dünne Achsen gezogen werden, dass der Draht möglichst kleine Biegungsradien bei möglichst großen Biegungswinkeln erfährt. In möglichst günstiger Weise könnte der Rohdraht dabei mit einem Biegungswinkel von 360 Grad und mehr über die Rolle oder über die Rollen gezogen werden.

In weiter vorteilhafter Weise könnte der Rohdraht über mehrere Rollen gezogen werden, deren Achsen in vorgebbaren Winkeln zueinander stehen. Im Konkreten könnten alle nacheinander folgenden Rollenachsen oder Biegeachsen jeweils gegen die folgende Achse um jeweils einen bestimmten Winkel weiter verdreht sein, so dass die Drahtachse in möglichst viele Azimutwinkel im Bereich zwischen 0 Grad und 360 Grad gebogen wird. Die Rollenbahn bzw. der Drahtverlauf in dieser Mehr- fachbiegeanordnung zeigt dann einen verwinkelten dreidimensionalen Verlauf.

Im Hinblick auf die Herstellung eines Filaments könnte der Rohdraht zur Bildung einer Wendel um eine Achse gewickelt werden. Dies könnte durch den letzten Umlenkvorgang des Rohdrahts in der Mehrfachbiegeanordnung erfolgen, um bereits den Wendelgang eines Wendelfilaments herzustellen. Im Konkreten könnte der Draht nicht über eine letzte Biegerolle oder Biegeachse gezogen sondern auf die letzte Biegeachse aufgewickelt werden. Eine derartige Biegeachse könnte beispielsweise ein feststehender zylindrischer oder spitzkegeliger Dorn sein, über den

der Draht mittels eines Reibrads oder einer Reibrolle geschoben oder gewickelt wird, so dass am Ende des Doms an der Dornspitze eine Endlosspirale oder Endloswendel abläuft.

Die erfindungsgemäße Zonenkristallisation ist eine kontrollierte bzw. gesteuerte fortschreitende Kristallisation oder Rekristallisation des Rohdrahts. Zur Gewährleistung einer besonders sicheren Zonenkristallisation könnte die Zonenkristallisation durch eine von einem induzierten oder bereits vorliegenden Kristallisationszentrum im Rohdraht ausgehende fortschreitende Kristallisation erzeugt werden. Die Folge dieses Vorgehens ist die Bildung eines Einkristalls oder Monokristalls.

Ein besonders schnelles Verfahren zur Zonenkristallisation erfolgt durch eine temperaturinduzierte Zonenkristallisation, wobei dem Rohdraht zur Zonenkristallisation in einem vorgebbaren Bereich Wärme zugeführt werden könnte.

Zur Verhinderung eines Abreißens des Drahts beim Zonenkristallisationsverfahren könnte die im Rohdraht erzeugte Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Rohdrahts gewählt werden. Dabei könnte die Temperatur sogar unter der kritischen Temperatur der mechanischen Fließgrenze des Filamentdrahts liegen.

In weiter vorteilhafter Weise könnte durch die Wärme eine zumindest bereichsweise Aufschmelzung der Oberfläche des Rohdrahts erzeugt werden. Hierdurch könnten Oberflächenunebenheiten, die von einer vorangegangenen mechanischen Drahtbearbeitung stammen, eingeebnet oder geglättet werden. Hierdurch können bei einer Verwendung des Metalldrahts als Filament in einer Glühlampe beim Lampenbetrieb elektrische Feldspitzen vermieden werden, die von Oberflächenkanten oder Oberflächenspitzen auf der Filamentoberfläche erzeugt werden könnten. Eine derart bereichsweise Aufschmelzung könnte erreicht werden, falls die Drahttemperatur nahe des Schmelzpunkts des Drahtmaterials eingestellt werden könnte.

Im Hinblick auf eine besonders sichere Vorgabe und Definition des erwärmten Bereichs könnte die Wärme mittels eines auf den Rohdraht fokussierten Elektronenstrahls oder Laserstrahls erzeugt werden. Hierdurch ist eine besonders sichere Vorgabe des Bereichs möglich, dem Wärme zugeführt werden soll. Dabei ist eine quasi punktuelle Erwärmung des Rohdrahts und eine sichere Ansteuerung des zu erwär-

menden Bereichs des Rohdrahts mit dem Elektronen- oder Laserstrahl möglich, da derartige Elektronen- oder Laserstrahlen sehr präzise geführt und gesteuert werden können.

Im Konkreten kann die Zonenkristallisation dadurch herbeigeführt werden, dass eine Anfangszone des fertig gezogenen Drahts oder des fertig geformten Filaments mittels eines auf einen sehr kleinen Zonenbereich des Drahts oder Filaments fokus- sierten Elektronen- oder Laserstrahls soweit erhitzt wird, dass der Rekristallisie- rungsprozess in dieser Zone startet. Bei Verwendung eines Elektronenstrahls könnte dies im Vakuum erfolgen.

Im Hinblick auf eine gleichmäßige Erwärmung der gewünschten Zone könnte der Durchmesser des Elektronenstrahls oder Laserstrahls auf der Oberfläche des Rohdrahts im Wesentlichen der Drahtstärke oder dem Durchmesser des Rohdrahts entsprechen. Zur sicheren und gleichmäßigen Zonenkristallisation könnte der Rohdraht mit vorgebbarer Geschwindigkeit durch den Elektronenstrahl oder Laserstrahl oder der Elektronenstrahl oder Laserstrahl mit vorgebbarer Geschwindigkeit entlang des Rohdrahts geführt werden. Die Führungs- oder Relativgeschwindigkeit muss dabei auf die gewünschte und erzeugte Zonentemperatur abgestimmt sein. Diese Abstimmung oder die Verweildauer des Drahts in der Temperaturzone, in der eine Rekristallisation stattfinden kann, sollte eine im Wesentlichen vollständige Rekristalli- sierung sicherstellen. In diesem Fall wächst der in der aufgeheizten Anfangszone induzierte Kristall entsprechend der Drahtführungsgeschwindigkeit oder Relativgeschwindigkeit gleichmäßig entlang der Drahtachse weiter und bildet längs des Drahts einen Einkristall.

Als Alternative zu einer Erwärmung mittels Laser- oder Elektronenstrahls könnte die Wärme mittels einer induktiven Heizung erzeugt werden. Dabei könnte der Rohdraht zum induktiven Aufheizen mit vorgebbarer Geschwindigkeit durch eine Induktionsschleife oder eine Induktionsschleife mit vorgebbarer Geschwindigkeit entlang des Rohdrahts geführt werden. Dabei könnte bei der induktiven Aufheizung der Draht durch eine möglichst schmale Induktionsschleife geführt werden, um die Rekristallisierungszone möglichst schmal zu halten.

Bei einer weiter alternativen Ausgestaltung des Verfahrens könnte die Wärme mittels einer Edelgasplasmaflamme oder einer Wasserstoffplasmaflamme erzeugt werden. Sowohl bei einer Erwärmung mittels Plasmaflammen oder Laserstrahls als auch bei einer induktiven Erwärmung ist vorteilhaft, dass der Erwärmungsprozess in einer Gasatmosphäre, beispielsweise in einer Edelgasatmosphäre, Schutzgasatmosphäre oder Wasserstoffatmosphäre, durchgeführt werden könnte.

Zur Gewährleistung einer besonders kontrollierten Erwärmung eines vorgebbaren Bereichs des Rohdrahts könnte ein während der Zufuhr von Wärme nicht zu erwärmender Bereich des Drahts gekühlt werden. Hierdurch kann ein zu früher ungewollter Rekristallisierungsprozess außerhalb des vorgebbaren Bereichs aufgrund der Kühlung weitestgehend unterdrückt werden. Das Kühlen des nicht zu erwärmenden Bereichs könnte in besonders einfacher Weise durch einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom oder in einem Kühlbad erfolgen. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte das Kühlen durch Kontakt mit einem Kühlkörper erfolgen.

Insbesondere bei einer Laseraufheizung, einer induktiven Aufheizung oder einer Aufheizung mittels Edelgasplasmaflamme oder Wasserstoffplasmaflamme könnte ein gezielter Gas- oder Flüssigkeitsstrom eingesetzt werden, um die Nachbarbereiche der Rekristallisationszone so herabzukühlen, dass die Wärmeleitung über den Draht zu keiner zu frühen, unkontrollierten Rekristallisation in den Zonennachbarbe- reichen führt, die zunächst nicht zur erwärmen sind.

Im Falle der Zonenbeheizung durch einen Elektronenstrahl könnten die Zonennach- barbereiche in vorteilhafter Weise durch eine Festkörperkontaktkühlung herabgekühlt werden. Eine sehr einfache apparative Anordnung könnte realisiert werden, wenn das Zonenkristallisieren über einer Kühlbadoberfläche wie beispielsweise einer Wasserbadoberfläche oder einer ölbadoberfläche durchgeführt wird. Dabei könnte der Draht von einer Drahtspule aus einem Wasserbad oder ölbad herausgezogen und der Laserstrahl, die Induktionsschleife oder die Heizflamme ganz dicht über der Wasseroberfläche oder ölbadoberfläche positioniert werden. Hierdurch könnten sehr große Temperaturgradienten zwischen der beiheizten Rekristallisationszone und dem noch nicht rekristallisierten Drahtbereich im Kühlbad erreicht werden.

In weiter vorteilhafter Weise könnte die Oberfläche des zonenkristallisierten Metalldrahts einer Glättung unterzogen werden. Eine derartige θlättung könnte beispielsweise durch ein mechanisches Polieren erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich hierzu könnte die Glättung durch ein galvanisches oder elektrisches Polieren erzeugt werden. Im Konkreten könnte eine Oberflächenglättung durch eine dem Re- kristallisationsprozess folgende galvanische Oberflächenpolitur bzw. Elektropolitur des Drahts erfolgen. Auch mechanische Polierverfahren können angewendet werden. Damit können Hotspots, die durch den Oberflächeneintritt von Glühemissions- elektronen oder das Auftreffen von geladenen Gasbestandteilen oder von Quasiionen erzeugt werden, unterdrückt werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass eine chemische Oberflächenkorrosion durch später verwendete Lampenatmosphärengaskomponenten wie beispielsweise Halogenverbindungen reduziert werden kann. Solche Korrosionserscheinungen beginnen auf beispielsweise Metalloberflächen an Oberflächengitterstörungen wie beispielsweise Gitterstufenversetzungen oder Gittergräben wie beispielsweise Kratzern. Daneben werden auch Hotspots vermieden, die durch eine Oberflächentemperaturerhöhung aus einer Strahlungsreabsorption in beispielsweise Rillen oder Lunkern erzeugt werden.

In weiter vorteilhafter Weise könnte nach der Zonenkristallisation ein weiterer Erwärmungsschritt zur Ausgasung von ungewollten Elementen aus dem Metalldraht erfolgen. Beim Zonenkristallisieren, das nicht im Vakuum durchgeführt wird, können gegebenenfalls vom Draht aufgenommene Bestandteile der Gasatmosphäre wie beispielsweise Edelgase, Schutzgaskomponenten oder Wasserstoff in einer weiteren Wärmebehandlung wieder ausgegast werden. Dieser Umstand gewinnt besondere Bedeutung für ein Filamentmateriai, das eine hohe Gasreaktivität oder Gasab- sorptivität zeigt wie beispielsweise Tantal.

Die für die Zonenkristallisation erforderliche Erwärmung des Drahts kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. Beispielsweise kann nach einem Biegeschritt, der zur Zerstörung oder Homogenisierung ungewollter Metallstrukturen vor der Zonenkristallisation durchgeführt wird, eine Zufuhr von Wärme mittels einer Heizeinrichtung erfolgen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung könnte nach jedem Biegeschritt eine Zufuhr von Wärme mittels einer Heizeinrichtung erfolgen. Hierdurch

ist ein besonders zuverlässiges und gut dosierbares Erwärmen des Drahts an vorgebbaren Stellen ermöglicht. Hierdurch könnte quasi die gesamte Drahtbiegebahn des Drahts kontrolliert beheizt werden.

Nach dem Beendigen des Zonenkristallisationsverfahrens und des gegebenenfalls notwendigen Entgasungstemperns und der gegebenenfalls angewendeten Politur kann der nun im Wesentlichen monokristalline Draht in die für die betrachtete Lampenkonstruktion notwendige Filamentform gebracht werden und in einen Lampenrohling eingebaut werden. Bei der Weiterverarbeitung des Lampenrohlings, beispielsweise bei einer Karburierung des Tantaldrahts zu Tantalkarbid bei der Herstellung von Tantalkarbidlampen, bleibt die monokristalline Struktur des Filaments weitestgehend erhalten.

Falls die endgültige Filamentdrahtformung zu Gitterstörungen führt, in deren Bereich wieder eine Rekristallisation stattfindet, beispielsweise beim Brennen der Lampe, so kann eine Zonenkristallisation und das gegebenenfalls anschließende Entga- sungstempern auch erst nach der Filamentformung durchgeführt werden. Hierzu eignet sich besonders die Beheizung mittels eines Lasers, beispielsweise eines Infrarotlasers, oder mittels eines Elektronenstrahls, da diese Strahlen beide über eine entsprechende Lenkoptik bzw. elektrostatische/elektromagentische Ablenkeinrichtung der feinen Form des Filaments nachgeführt werden können.

Die danach fertig gestellte Lichtquelle oder das danach fertig gestellte Filament zeigt aufgrund des monokristallinen Glühfilaments zusammen mit der aus der Zonenkristallisation stammenden hohen Oberflächengüte des Filaments nicht die aus dem Stand der Technik bekannten nachteiligen Eigenschaften. Die Erfindung kann deshalb wesentlich längere Lebensdauern der Lichtquelle bzw. des Filaments ermöglichen. Die Erfindung ist überall dort vorteilhaft, wo Glühfilamentlampen bzw. Glühfilamente durch einen Rekristallisationsprozess des Glühfilaments zerstört werden.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines

bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In der Zeichnung zeigt die einzige

Fig. in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle.

Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lichtquelle. Die Lichtquelle weist ein beheizbares Filament 1 auf, wobei das Filament 1 in einem Kolben 2 angeordnet ist. Die Beheizung des Filaments 1 erfolgt über elektrische Kontakte 3 und 4. Im Hinblick auf eine Verlängerung der Lebensdauer der Lichtquelle und des Filaments 1 besteht das Filament 1 zumindest bereichsweise aus monokristallinem Filamentmaterial.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Abschließend sei ganz besonders hervorgehoben, dass das zuvor rein willkürlich gewählte Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der erfindungsgemäßen Lehre dient, diese jedoch auf dieses Ausführungsbeispiel einschränkt.