DE102007014553A1 - Electrodeless gas discharge lamp for measuring gas concentrations in gas mixtures, has lamp body, which is partly or completely located in resonant cavity, and high-frequency field is provided, which is uncoupled into resonant cavity - Google Patents

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Abstract

The electrodeless gas discharge lamp has a lamp body, which is partly or completely located in a resonant cavity (10). An high-frequency field is provided, which is in and is uncoupled into the resonant cavity by two coupling structures (22,23). The resonant cavity forms a feed back microwave oscillator over a coupling structure of a feedback path and works as a frequency determining component of the oscillator.

Description

Stand der TechnikState of the art

In DE 36 17 110 C2 wird eine Lampe für die Erzeugung von Gas-Resonanzstrahlung offenbart. Diese Lampe dient beispielsweise als Strahlungsquelle zur Messung von Gaskonzentrationen in Gasgemischen, wie z. B. Abgasen mittels Absorptionsphotometrie. Dazu wird elektromagnetische Strahlung, mit einer von dem zu detektierenden Gas absorbierbaren Wellenlänge, beispielsweise im ultravioletten Bereich, durch das Gasgemisch geführt und die Absorption der Strahlung im Gasgemisch wird gemessen.In DE 36 17 110 C2 For example, a lamp for generating gas resonance radiation is disclosed. This lamp is used for example as a radiation source for measuring gas concentrations in gas mixtures, such. B. exhaust gases by absorption photometry. For this purpose, electromagnetic radiation is passed through the gas mixture with a wavelength absorbable by the gas to be detected, for example in the ultraviolet range, and the absorption of the radiation in the gas mixture is measured.

Als Strahlungsquelle lässt sich in vorteilhafter Weise eine Gasentladungslampe einsetzen, deren Gasfüllung so zusammengesetzt ist, dass innerhalb der Gasentladung eine Anregung eines dem zu detektieren Gas gleichartigen Gases stattfindet. Aufgrund dieser Anregung wird das bekannte Lichtspektrum des zu detektierenden Gases abgestrahlt. Beispielhaft ist eine konkrete Zusammensetzung eines Gasgemischs für die Detektierung von Stickstoffmonoxid (NO) in DE 36 17 110 C2 angegeben: Ar, N2, O2 im Verhältnis 80:19:1. In diesem Gemisch wird mit Hilfe eines elektromagnetischen Wechselfelds eine Gasentladung erzeugt und es bildet sich ein Plasma. Darin verbindet sich der Stickstoff mit dem Sauerstoff zu NO und diese NO-Verbindung strahlt aufgrund der weiteren Anregung ihr bekanntes Lichtspektrum ab. In diesem Lichtspektrum ist auch die vom zu detektierenden Gas absorbierbare Wellenlänge enthalten, weil sich Absorptions- und Emissionsspektren eines Gases nur geringfügig unterscheiden.As a radiation source can be used advantageously a gas discharge lamp, the gas filling is composed so that within the gas discharge, an excitation of the gas to be detected similar gas takes place. Due to this excitation, the known light spectrum of the gas to be detected is emitted. An example is a concrete composition of a gas mixture for the detection of nitric oxide (NO) in DE 36 17 110 C2 indicated: Ar, N 2 , O 2 in the ratio 80: 19: 1. In this mixture, a gas discharge is generated by means of an electromagnetic alternating field and it forms a plasma. In it, the nitrogen combines with the oxygen to form NO, and this NO compound emits its known light spectrum due to the further excitation. The wavelength absorbable by the gas to be detected is also included in this light spectrum, because the absorption and emission spectra of a gas differ only slightly.

Die Anforderungen, die an die Quelle der elektromagnetischen Strahlung gestellt werden, sind unter anderem eine hohe Strahlungsintensität, große Stabilität und lange Lebensdauer. In DE 36 17 110 C2 wird dazu eine elektrodenlose Anordnung offenbart, in der sich das anzuregende Gas in einem Lampenkolben befindet, der keine inneren Elektroden besitzt. Stattdessen wird die Gasentladung über ein von außen eingekoppeltes Hochfrequenzfeld erzeugt. Gleichzeitig wird der Lampenkolben im Wesentlichen rohr- bzw. reagenzglasförmig ausgeführt mit einer im Wesentlichen kugelförmigen Erweiterung. Durch eine solche Erweiterung werden in dem vom Lampenkolben umschlossenen Gasraum zwei Zonen unterschiedlicher Aktivität geschaffen, nämlich eine Strahlung emittierende Anregungszone und eine durch die Erweiterung gebildete, sogenannte Rekombinationszone, in der Zustandsänderungen, die das eingeschlossene Gas in der Anregungszone erfährt, wieder rückgängig gemacht werden. Hierdurch bleibt die Strahlungsemission auch bei längerer Betriebsdauer auf einem hohen Niveau stabil. Die Erweiterung dient außerdem als Gasreservoir.The requirements placed on the source of electromagnetic radiation include high radiation intensity, high stability and long life. In DE 36 17 110 C2 For this purpose, an electrodeless arrangement is disclosed in which the gas to be excited is located in a lamp bulb which has no internal electrodes. Instead, the gas discharge is generated via an externally coupled high frequency field. At the same time, the lamp envelope is substantially tubular or test tube-shaped with a substantially spherical enlargement. By means of such an expansion, two zones of different activity are created in the gas space enclosed by the lamp vessel, namely a radiation-emitting excitation zone and a so-called recombination zone formed by the extension, in which state changes that the trapped gas experiences in the excitation zone are reversed. As a result, the radiation emission remains stable at a high level even with a longer service life. The extension also serves as a gas reservoir.

Da die Feldstärke des eingekoppelten Hochfrequenzfelds nicht unbedingt ausreicht, um die Gasentladung zu zünden, sie aber die Gasentladung mit der erforderlichen Intensität aufrechterhalten kann, wird in DE 36 17 110 C2 eine Zündhilfe vorgesehen. Diese besteht aus einer weiteren, äußerlich am Lampenkolben befindlichen Elektrode, über die ein Hochspannungsimpuls zugeführt werden kann, der die Lampe zündet.Since the field strength of the coupled RF field is not necessarily sufficient to ignite the gas discharge, but it can maintain the gas discharge with the required intensity is in DE 36 17 110 C2 provided a starting aid. This consists of a further, externally located on the lamp bulb electrode via which a high voltage pulse can be supplied, which ignites the lamp.

Die Einkopplung des Hochfrequenzfelds geschieht in typischen elektrodenlosen Lampen mit Hilfe einer induktiven Kopplung, einer kapazitiven Kopplung, einer Mikrowellenentladung oder einer Entladung mit laufenden Wellen. Dabei dient die Lampe als Hochfrequenz-getriebene Last. Diese Last kann bestimmte Resonanzeigenschaften aufweisen, so dass die Frequenz der Hochfrequenz-Quelle auf eine bestimmte Frequenz, beispielsweise eine Resonanzfrequenz der Lampenanordnung, abgestimmt sein muss, um im Inneren des Lampenkolbens eine Feldstärke zu erreichen, die für den Betrieb des Plasmas ausreichend groß ist.The Coupling of the high frequency field happens in typical electrodeless Lamps using an inductive coupling, a capacitive coupling, a microwave discharge or a discharge with running waves. The lamp serves as a high frequency driven load. This load can have certain resonance characteristics, so that the frequency the high frequency source to a certain frequency, for example a resonant frequency of the lamp assembly must be matched, to achieve a field strength inside the lamp bulb, which is sufficiently large for the operation of the plasma.

Eine solche Hochfrequenz-getriebene Last kann sich ändernde Eigenschaften aufweisen, die die Resonanzfrequenz oder die dielektrischen oder magnetischen Eigenschaften beeinflussen. Beispielsweise kann sich die Resonanzfrequenz während der Zünd- bzw. Hochfahrphase des Betriebs der Last erheblich ändern, weil sich im Fall der Gasentladungslampe ein Plasma aufbaut, dessen dielektrische und magnetische Eigenschaften sich von denen des nicht-angeregten Gases erheblich unterscheiden. Überdies ändert sich die Resonanzfrequenz durch Alterung oder Temperatureinflüsse.A such high-frequency-driven load may be changing Have properties that the resonant frequency or the dielectric or magnetic properties. For example, can the resonance frequency during the ignition or Startup phase of the operation of the load change significantly, because In the case of the gas discharge lamp, a plasma builds up whose dielectric and magnetic properties differ from those of the non-excited Distinguish gases significantly. Moreover, changes the resonance frequency due to aging or temperature influences.

Die Oszillationsfrequenz der Hochfrequenz-Quelle muss nun entsprechend der Resonanzfrequenz der Lampenanordnung mitgeführt werden, um im Inneren des Lampenkolbens kontinuierlich eine Feldstärke zu erreichen, die für den Betrieb des Plasmas ausreichend groß ist. Dazu wird in DE 100 85 223 T1 ( WO 01/39555 ) eine selbstabgestimmte elektrodenlose Lampe offenbart, in der die Last mir ihrem Resonanzverhalten gleichzeitig die Oszillationsfrequenz der Hochfrequenz-Quelle vorgibt. In der Beschreibung wird hierzu auf eine induktiv gekoppelte Lampe verwiesen. Als Betriebsfrequenz wird ein Bereich von mehr als 300 MHz bis zu 3000 MHz angegeben.The oscillation frequency of the high-frequency source must now be carried along according to the resonant frequency of the lamp assembly in order to continuously achieve a field strength inside the lamp bulb which is sufficiently large for the operation of the plasma. This will be done in DE 100 85 223 T1 ( WO 01/39555 ) discloses a self-aligned electrodeless lamp in which the load at the same time dictates the oscillation frequency of the high frequency source with its resonance behavior. In the description, reference is made to an inductively coupled lamp. The operating frequency is a range of more than 300 MHz up to 3000 MHz.

Die Anforderungen, die sie an elektrodenlose Gasentladungslampen insbesondere für den Einsatz in der Gasanalyse ergeben, können jedoch mit den voranstehend beschriebenen Konzepten nicht vollständig erfüllt werden.The Requirements that apply to electrodeless gas discharge lamps in particular for use in gas analysis can but not complete with the concepts described above be fulfilled.

Die Stabilität und Lebensdauer der existierenden Lampen ist für industrielle Anwendungen nicht ausreichend hoch. Die Ursachen hierfür liegen allem Anschein nach an Wechselwirkungen der Ionen des Gas-Plasmas mit den Wänden des Lampenkolbens, die zu einer Adsorption und damit zu einem Druck- und damit Gasverlust im Lampenkolben führen. Diese Wechselwirkungen werden außerdem für zeitliche Fluktuationen der Position und der abgestrahlten elektromagnetischen Leistung des Plasmas verantwortlich gemacht.The stability and life of existing lamps is for industrial applications not high enough. The causes for this are apparently due to interactions of the ions of the gas plasma with the walls of the lamp envelope, which lead to an adsorption and thus to a pressure and thus gas loss in the lamp envelope. These interactions are also blamed for temporal fluctuations in the position and radiated electromagnetic power of the plasma.

Außerdem besitzen die üblichen, induktiv gekoppelten Strukturen keine elektromagnetische Abschirmung nach außen hin, so dass das eingekoppelte Hochfrequenzfeld nur unzureichend auf den Lampenkolben konzentriert ist und eine unerwünschte Abstrahlung dieses Hochfrequenzfelds auftritt. Damit ist die erforderliche Leistung der Hochfrequenz-Quelle unnötig hoch, womit erhöhte Kosten und eine nachteilige Wärmeentwicklung verbunden sind. Insbesondere bei den höheren Frequenzen ab ca. 1000 MHz des in DE 100 85 223 T1 genannten Frequenzbereichs von 300..3000 MHz ist die induktive Einkopplung nicht sehr wirksam, da der induktive Blindwiderstand der üblichen Einkoppelstruktur sehr groß wird. Das bedeutet, dass man relativ kurze, nieder-induktive Koppelstrukturen einsetzen müsste, deren Kopplungswirkungsgrad entsprechend klein wäre. Bei hohen Frequenzen wird die Abstrahlung außerdem besonders groß. Um die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit für eine Zulassung eines entsprechenden Geräts zu erfüllen, müssen daher zusätzliche Maßnahmen zur Schirmung getroffen werden.In addition, the usual, inductively coupled structures have no electromagnetic shielding to the outside, so that the coupled high-frequency field is insufficiently concentrated on the lamp envelope and unwanted radiation of this high-frequency field occurs. Thus, the required power of the high-frequency source is unnecessarily high, which is associated with increased costs and adverse heat development. Especially at the higher frequencies from about 1000 MHz of in DE 100 85 223 T1 The inductive coupling is not very effective because the inductive reactance of the conventional coupling structure becomes very large. This means that one would have to use relatively short, low-inductive coupling structures whose coupling efficiency would be correspondingly small. At high frequencies, the radiation is also particularly large. In order to meet the electromagnetic compatibility requirements for approval of a corresponding device, additional shielding measures must therefore be taken.

Die in DE 100 85 223 T1 beschriebenen Rückkopplungsschaltungen z. B. für Hartley-, Colpitts- oder Armstrong-Oszillatoren sind verhältnismäßig kompliziert zu realisieren, da z. B. eine Erregerspule mit Abgriff benötigt wird, wobei die Position des Abgriffs aufwändig zu ermitteln ist und die Dimensionierung der Bauelemente von den dielektrischen und magnetischen Eigenschaften der Lampe abhängt, die aber zunächst unter Betriebsbedingungen ermittelt werden müssen.In the DE 100 85 223 T1 described feedback circuits z. B. for Hartley, Colpitts or Armstrong oscillators are relatively complicated to realize because z. B. an excitation coil with tap is needed, the position of the tap is consuming to determine and the dimensioning of the components of the dielectric and magnetic properties of the lamp depends, but must first be determined under operating conditions.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zu vermeiden und eine elektrodenlose Gasentladungslampe zu schaffen, deren Stabilität der Strahlungsemission über längere Zeiträume konstant ist und deren Lebensdauer für einen Einsatz in industriellen Anwendungen ausreichend lang ist.Of the Invention is based on the object, the disadvantages described above to avoid the known from the prior art solutions and to provide an electrodeless gas discharge lamp, its stability the radiation emission over longer periods of time is constant and its life for use in industrial applications is sufficiently long.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem die Lampe mit einer höheren Frequenz des Hochfrequenz-Felds betrieben wird und indem als Koppelstruktur ein Hohlraumresonator verwendet wird, über den das Hochfrequenz-Feld auf den Lampenkolben konzentriert wird. Dieser Hohlraumresonator dient gleichzeitig als frequenzbestimmendes Bauteil der Hochfrequenz-Quelle, indem er erfindungsgemäß mit zwei Einkoppelstrukturen versehen und in den Rückkopplungspfad eines Mikrowellenoszillators eingefügt wird. Weiterhin kann durch eine erfindungsgemäße Formgebung des Hohlraumresonators die Hochfrequenz-Feldstärke auf die Mitte des Lampenkolbens konzentriert werden, so dass die Wechselwirkungen des Plasmas mit den Wänden des Kolbens zurückgehen.The The object is achieved according to the invention by placing the lamp at a higher frequency of the radio frequency field is operated and by as a coupling structure, a cavity resonator is used over which the radio frequency field on the Lamp bulb is concentrated. This cavity resonator serves simultaneously as a frequency-determining component of the high-frequency source by he according to the invention with two coupling structures and in the feedback path of a microwave oscillator is inserted. Furthermore, by an inventive Shaping the cavity resonator the high frequency field strength be focused on the center of the lamp envelope, so that the interactions of the plasma with the walls of the piston.

Es zeigt sich empirisch, dass die Stabilität und Lebensdauer der Lampe mit steigender Betriebsfrequenz zunehmen. Dies kann man auf geänderte bzw. schwächere Wechselwirkungen der Plasma-Ionen mit den Wänden des Lampenkolbens zurückführen. Extrapoliert man die empirisch ermittelten Daten von Frequenz über Lebensdauer, so sollte die Betriebsfrequenz oberhalb von ca. 1–2 GHz liegen, um die erforderliche Lebensdauer zu erreichen. Das Hochfrequenz-Feld wird nun in den Lampenkolben eingekoppelt, indem als Koppelstruktur ein Hohlraumresonator verwendet wird.It empirically shows that stability and lifetime the lamp increase with increasing operating frequency. This one can on changed or weaker interactions the plasma ions with the walls of the lamp envelope return. Extrapolating the empirically determined data over frequency Life, so the operating frequency should be above about 1-2 GHz to achieve the required lifetime. The high frequency field is now coupled into the lamp envelope by using as a coupling structure a cavity resonator is used.

Ein Hohlraumresonator lässt sich in vorteilhafter Weise im Zusammenhang mit einer hohen Betriebsfrequenz oberhalb von 1 GHz verwenden, weil die Resonatorabmessungen mit der Wellenlänge skalieren und für die üblichen Betriebsfrequenzen bis einige Hundert Megahertz die Resonator-Abmessungen unhandlich groß werden, insbesondere für den Einsatz in der Messtechnik, und die Kosten unverhältnismäßig hoch werden. Günstige Betriebsfrequenzen liegen z. B. in den ISM-(industrial-scientific-medical)-Bändern bei 2,45 und 5,8 GHz. Für miniaturisierte Anwendungen sind noch höhere Betriebsfrequenzen möglich. Damit wird die Baugröße der Lampe immer kleiner.One Cavity resonator can be in an advantageous manner Related to a high operating frequency above 1 GHz because the resonator dimensions scale with the wavelength and for the usual operating frequencies to a few One hundred megahertz the resonator dimensions become bulky, especially for use in metrology, and the Costs are disproportionately high. Cheap operating frequencies are z. In the ISM (industrial-scientific-medical) bands at 2.45 and 5.8 GHz. For miniaturized applications are even higher operating frequencies possible. In order to The size of the lamp gets smaller and smaller.

Mit dem Hohlraumresonator lassen sich in vorteilhafter Weise hohe Feldstärken erreichen, wobei nur eine kleine bis moderate Hochfrequenz-Leistung erforderlich ist, wenn die Hochfrequenz-Quelle genau auf der Resonanzfrequenz des Resonators arbeitet. Dies wird dadurch erreicht, dass der Hohlraumresonator in den Rückkopplungszweig der Hochfrequenz-Quelle eingefügt wird. Damit lässt sich die Hochfrequenz-Quelle trotz der hohen Betriebsfrequenz mit preisgünstigen Halbleiterbauelementen realisieren.With the cavity resonator can be advantageously high field strengths achieve, with only a small to moderate high-frequency performance is required when the high frequency source is exactly at the resonant frequency the resonator works. This is achieved by the cavity resonator inserted in the feedback branch of the high frequency source becomes. This allows the high-frequency source despite the realize high operating frequency with low-cost semiconductor devices.

Die Hochfrequenz-Quelle wird dabei erfindungsgemäß als Mikrowellen-Oszillator ausgeführt, wie er beispielsweise in R.E. Collin, Foundations for Microwave Engineering, 2nd ed., 1992, 1966, McGraw-Hill International Editions, Singapore auf den Seiten 840–856 beschrieben wird. Die Oszillationsbedingung eines rückgekoppelten Verstärkers wird erfüllt, wenn die Schleifenverstärkung größer ist als Eins und die Phase eines Schleifenumlaufs gerade ein Vielfaches von 360° ergibt. Damit lässt sich der Oszillator mit dem Hohlraumresonator im Rückkopplungspfad wesentlich einfacher entwerfen als die über die induktive Koppelstruktur rückgekoppelten Hartley-, Colpitts- oder Armstrong-Oszillatoren für niedrigere Betriebsfrequenzen, denn die erforderliche Schleifenverstärkung kann durch Anpassung der Verstärkung der Verstärkerbaugruppe ggf. in mehrstufigem Aufbau erreicht werden und die Phasenbedingung wird einfach durch Anpassung der Länge der Verbindungsleitungen eingestellt.The high-frequency source is carried out according to the invention as a microwave oscillator, as he, for example, in RE Collin, Foundations for Microwave Engineering, 2nd Ed., 1992, 1966, McGraw-Hill International Editions, Singapore at pp. 840-856 is described. The oscillation condition of a feedback amplifier becomes is satisfied when the loop gain is greater than one and the phase of a loop revolution is just a multiple of 360 °. Thus, the oscillator with the cavity resonator in the feedback path can be designed much simpler than the fed back via the inductive coupling structure Hartley, Colpitts or Armstrong oscillators for lower operating frequencies, because the required loop gain can be achieved by adjusting the gain of the amplifier assembly, possibly in multi-stage construction and the phase condition is set simply by adjusting the length of the connection lines.

Weiterhin lässt sich das Hochfrequenz-Feld im Lampenkolben mit einer induktiven Koppelstruktur nur unzureichend in seiner räumlichen Form und Struktur beeinflussen. Damit besteht keine Möglichkeit, die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden des Lampenkolbens zu reduzieren, indem die räumliche Form und Struktur des Hochfrequenz-Felds entsprechend gestaltet wird.Farther can the high-frequency field in the lamp bulb with a inductive coupling structure insufficient in its spatial Influence shape and structure. There is no possibility the interaction of the plasma with the walls of the lamp envelope to reduce by the spatial form and structure of the High frequency field is designed accordingly.

Wenn man aber einen erfindungsgemäßen zylindrischen Hohlraumresonator verwendet, so gibt es bei geeigneter Dimensionierung des Resonators, d. h. ab einem bestimmten Verhältnis von Zylinder-Höhe zu Durchmesser eine Eigenschwingung des Resonators, die ein Feldstärkemaximum in der Mitte des Resonators hat und zu allen Wänden hin abfällt. Wenn der Lampenkolben den Hohlraumresonator bis in einen Randbereich, in dem die Feldstärke ausreichend abgefallen ist, ausfüllt, gibt es in der Nähe der Wände des Lampenkolbens kein Plasma mehr oder nur noch ein Plasma mit weitaus geringerer Intensität. Damit wird die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden des Lampenkolbens erheblich reduziert. Der Entwurf und die Eigenschaften von Hohlraumresonatoren sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Hohlraumresonatoren werden in der Mikrowellentechnik seit vielen Jahren eingesetzt. Die Konzepte des Rechteckresonators und des Zylinderresonators werden beispielsweise in R.E. Collin, Foundations for Microwave Engineering, 2nd ed., 1992, 1966, McGraw-Hill International Editions, Singapore auf den Seiten 500–508 ausführlich beschrieben.However, if one uses a cylindrical cavity resonator according to the invention, there is a proper vibration of the resonator, ie from a certain ratio of cylinder height to diameter, a natural vibration of the resonator, which has a field strength maximum in the middle of the resonator and drops to all walls. If the lamp envelope fills the cavity resonator into an edge region in which the field strength has dropped sufficiently, there will no longer be any plasma near the walls of the lamp envelope or only a plasma of much lower intensity. This significantly reduces the interaction of the plasma with the walls of the lamp envelope. The design and characteristics of cavity resonators are well known to those skilled in the art. Cavity resonators have been used in microwave technology for many years. The concepts of the rectangular resonator and of the cylindrical resonator are described, for example, in US Pat RE Collin, Foundations for Microwave Engineering, 2nd ed., 1992, 1966, McGraw-Hill International Editions, Singapore on pages 500-508 described in detail.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigtembodiments The invention are illustrated in the drawings and are in Described in more detail below. It shows

1 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Lampe; 1 a schematic diagram of the lamp according to the invention;

2 eine perspektivische Darstellung eines Rechteckresonators als Kantenmodell; 2 a perspective view of a rectangular resonator as an edge model;

3 eine teilperspektivische Darstellung eines Rechteckresonators mit einem Lampenkolben, der eine Erweiterung besitzt; 3 a partial perspective view of a rectangular resonator with a lamp bulb, which has an extension;

4 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Feldstärke in einem Zylinderresonator als Punktwolke, wobei die Größe der Feldstärke durch die Helligkeit symbolisiert wird; 4 a perspective view of the electric field strength in a cylinder resonator as a point cloud, the size of the field strength is symbolized by the brightness;

5 eine perspektivische Darstellung der magnetischen Feldstärke in einem Zylinderresonator in vektorieller Form, wobei die Größe der Feldstärke durch die Dunkelheit und Größe der Vektorpfeile symbolisiert wird; 5 a perspective view of the magnetic field strength in a cylinder resonator in vector form, wherein the size of the field strength is symbolized by the darkness and size of the vector arrows;

6 einen Mikrowellenoszillator ausgeführt als rückgekoppelter Verstärker; 6 a microwave oscillator designed as a feedback amplifier;

7 einen Mikrowellenoszillator ausgeführt als reflektiver Oszillator. 7 a microwave oscillator designed as a reflective oscillator.

In der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße elektrodenlose Lampe dargestellt, die einen Hohlraumresonator 10 aufweist, in dem sich der Lampenkolben 11 befindet. Der Hohlraumresonator hat eine Austrittsöffnung 12 für die elektromagnetische Strahlung 13, die durch die Gasentladung erzeugt wird. Die Strahlung 13 wird bei der Absorptionsphotometrie durch das zu untersuchende Gasgemisch geführt und ihre Absorption wird gemessen. Der Lampenkolben 11 besteht üblicherweise aus Glas, Quarzglas oder Ähnlichem und ist für die Strahlung 13 transparent oder besitzt ein entsprechendes Fenster.In the 1 schematically an electrodeless lamp according to the invention is shown, which is a cavity resonator 10 has, in which the lamp bulb 11 located. The cavity resonator has an outlet opening 12 for the electromagnetic radiation 13 that is generated by the gas discharge. The radiation 13 is performed in the absorption photometry through the gas mixture to be examined and their absorption is measured. The lamp bulb 11 is usually made of glass, quartz glass or the like and is for the radiation 13 transparent or has a corresponding window.

Das zur Erzeugung der Gasentladung notwendige Hochfrequenzfeld wird von einem rückgekoppelten Mikrowellenoszillator erzeugt, der aus einem Verstärker 21, dem Hohlraumresonator 10 mit einer Einkoppelstruktur 22 und einer Auskoppelstruktur 23 sowie der definierten Leitungslänge 24 besteht.The high-frequency field necessary for generating the gas discharge is generated by a feedback microwave oscillator, which consists of an amplifier 21 , the cavity resonator 10 with a coupling structure 22 and a coupling-out structure 23 as well as the defined cable length 24 consists.

Sofern das Hochfrequenzfeld zur Zündung der Lampe nicht ausreichend groß ist, kann eine Zündvorrichtung vorgesehen werden. Diese besteht aus einer Detektoreinrichtung 31, die signalisiert, ob die Lampe leuchtet. Dazu kann beispielsweise eine Photodiode, ein Phototransistor oder eine Photozelle verwendet werden. Wenn die Lampe nicht leuchtet, erzeugt die Zündspannungsquelle 32 gemäß dem Signal der Detektoreinrichtung 31 einen Hochspannungsimpuls. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer ein- und ausgeschalteten Spannungsquelle an einer Zündspule oder an einem geeigneten Hochspannungstransformator realisiert werden. Der Zündspannungsimpuls wird durch eine Durchführung an eine Zündspannungselektrode 33 geleitet. Diese Elektrode befindet sich innerhalb des Resonators 10.If the high-frequency field for igniting the lamp is not sufficiently large, an ignition device can be provided. This consists of a detector device 31 , which signals if the lamp is lit. For this purpose, for example, a photodiode, a phototransistor or a photocell can be used. If the lamp is not lit, the ignition voltage source is generated 32 according to the signal of the detector device 31 a high voltage pulse. This can be realized, for example, by means of an on and off voltage source on an ignition coil or on a suitable high-voltage transformer. The ignition voltage pulse is passed through a feedthrough to a Zündspannungselektrode 33 directed. This electrode is located inside the resonator 10 ,

Zur Stabilisierung und Einstellung der Ausgangleistung der elektromagnetischen Strahlung 13 kann eine Regeleinrichtung 41 vorgesehen werden. Diese benötigt als Eingangsgröße ein Signal, das ein Maß für die Ausgangsleistung der Lampe ist. Dieses Signal kann von einer geeigneten Detektoreinrichtung 31 oder von einem separaten Leistungsdetektor erhalten werden. Die Regeleinrichtung 41 erzeugt ihrerseits ein Steuersignal, das die Ausgangsleistung bzw. den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 21 beeinflusst. Dies kann beispielsweise durch Regelung des Drain- oder Kollektorstroms eines Feldeffekttransistor- oder Transistor-Verstärkers realisiert werden. Im einfachsten Fall ist die Regeleinrichtung 41 eine einstellbare spannungsgesteuerte Stromquelle.To stabilize and adjust the output power of the electromagnetic radiation 13 can be a control device 41 be provided. This requires as input a signal which is a measure of the output power of the lamp. This signal may be from a suitable detector device 31 or from a separate power detector. The control device 41 in turn generates a control signal which is the output power or gain of the amplifier 21 affected. This can be realized for example by controlling the drain or collector current of a field effect transistor or transistor amplifier. In the simplest case, the control device 41 an adjustable voltage controlled current source.

2 zeigt die perspektivische Darstellung eines Hohlraumresonators 10 ausgeführt als Rechteckresonator. Die Koppelstrukturen 22 und 23 liegen an den schmalen Längsseiten und sind als Leiterschleifen ausgeführt, die durch entsprechende Öffnungen mit ihren Zuleitungen in Kontakt stehen. Das magnetische Feld im Resonator greift teilweise durch die Leiterschleifen hindurch und ist damit mit dem Strom in der Leiterschleife verkoppelt. Anstatt der Leiterschleifen können beispielsweise auch gerade offene Leitungsenden in den Resonator ragen, die mit dem elektrischen Feld koppeln. Wenn man die Koppelstrukturen in die Nähe der maximalen Feldstärke der Resonator-Eigenschwingung legt, ist die Kopplung maximal. Über die Form, Abmessungen und Positionen der Koppelstrukturen können der Kopplungswirkungsgrad und die Überkopplung von der Einkoppelstruktur 22 zur Auskoppelstruktur 23 nach Betrag und Phase eingestellt werden. Der Entwurf und die Platzierung von Koppelstrukturen für die Anregung von Hohlraumresonatoren sind dem Fachmann bekannt. 2 shows the perspective view of a cavity resonator 10 executed as a rectangular resonator. The coupling structures 22 and 23 lie on the narrow longitudinal sides and are designed as conductor loops, which are in contact with their supply lines through corresponding openings. The magnetic field in the resonator partially passes through the conductor loops and is thus coupled to the current in the conductor loop. Instead of the conductor loops, for example, straight open ends of the line can project into the resonator, which couple to the electric field. By placing the coupling structures close to the maximum field strength of the resonator self-oscillation, the coupling is maximal. About the shape, dimensions and positions of the coupling structures, the coupling efficiency and the coupling of the coupling structure 22 to the coupling-out structure 23 set according to amount and phase. The design and placement of coupling structures for the excitation of cavity resonators are known in the art.

Die Öffnung 331 für die Zündelektrode befindet sich in der Nähe des Maximums der elektrischen Feldstärke, um die Zündung zu erleichtern. Damit gelangen die durch die Zündung erzeugten Ionen leichter in einen Bereich hoher Feldstärke, in dem sie durch sukzessive Beschleunigung und Stoßionisation das Plasma entstehen lassen.The opening 331 for the ignition electrode is near the maximum of the electric field strength to facilitate the ignition. In this way, the ions generated by the ignition more easily reach a region of high field strength in which they produce the plasma by successive acceleration and impact ionization.

Eine Öffnung 14 kann sich in einer Seitenwand befinden als Durchführung für den Lampenkolben. Für alle Öffnungen gilt, dass sie bevorzugt in einem Bereich, auf dem geringe Oberflächenströme fließen, angeordnet sein sollten, um die Güte des Resonators nicht unnötig zu beeinträchtigen. Je höher die Güte des Resonators, desto höher ist die Hochfrequenz-Feldstärke in seinem Inneren und desto geringer ist die zum Erreichen einer bestimmten Spitzenfeldstärke nötige eingekoppelte Hochfrequenz-Leistung.An opening 14 can be located in a side wall as a passage for the lamp envelope. For all openings, it is preferable that they should be arranged in an area where small surface currents flow, so as not to affect the quality of the resonator unnecessarily. The higher the quality of the resonator, the higher is the high-frequency field strength in its interior and the lower is the coupled high-frequency power required to reach a certain peak field strength.

In 3 ist die Platzierung eines Lampenkolbens 11 im Resonator gezeigt, wenn der Lampenkolben aus einem zylindrischen Teilstück 111 mit einer im Wesentlichen kugelförmigen Erweiterung 112 besteht. Diese Erweiterung kann möglicherweise nicht im Inneren des Resonators angeordnet werden, weil die Größe des Resonators von der Betriebsfrequenz vorgegeben wird und daher begrenzt ist. Gleichzeitig ist in 3 der Verlauf der elektrischen Feldstärke 15 schematisch eingezeichnet. Bezogen auf die Grundfläche des Resonators, die aus den beiden längeren Seiten gebildet wird, befindet sich das Maximum der elektrischen Feldstärke mittig. Bezogen auf die Höhe des Resonators, die der kürzesten Seite entspricht, ist die Feldstärke konstant, so dass auch im Wandbereich des Lampenkolbens 111 ein Plasma auftreten kann.In 3 is the placement of a lamp bulb 11 shown in the resonator when the lamp bulb from a cylindrical section 111 with a substantially spherical extension 112 consists. This extension may not be located inside the resonator because the size of the resonator is dictated by the operating frequency and is therefore limited. At the same time is in 3 the course of the electric field strength 15 schematically drawn. Based on the base of the resonator, which is formed from the two longer sides, the maximum of the electric field strength is centered. Relative to the height of the resonator, which corresponds to the shortest side, the field strength is constant, so that also in the wall area of the lamp bulb 111 a plasma can occur.

4 zeigt schematisch den Verlauf der elektrischen Feldstärke in einem Resonator 10, der eine Zylinderform mit ausreichender Höhe besitzt. Im hellen Bereich in der Mitte des Resonators liegt das Maximum der elektrischen Feldstärke. Diese nimmt zu allen Wänden hin ab. Wenn der Lampenkolben den Hohlraumresonator bis in einen Randbereich, in dem die Feldstärke ausreichend abgefallen ist, ausfüllt, gibt es in der Nähe der Wände des Lampenkolbens kein Plasma mehr oder nur noch ein Plasma mit weitaus geringerer Intensität. Damit wird die Wechselwirkung des Plasmas mit den Wänden des Lampenkolbens erheblich reduziert. 4 shows schematically the course of the electric field strength in a resonator 10 which has a cylindrical shape with sufficient height. In the bright area in the middle of the resonator is the maximum of the electric field strength. This decreases to all walls. If the lamp envelope fills the cavity resonator into an edge region in which the field strength has dropped sufficiently, there will no longer be any plasma near the walls of the lamp envelope or only a plasma of much lower intensity. This significantly reduces the interaction of the plasma with the walls of the lamp envelope.

In 5 ist die magnetische Feldstärke eines zylindrischen Hohlraumresonators schematisch eingezeichnet. Es treten zwei Maxima an gegenüberliegenden Seiten in mittlerer Höhe auf, die durch die dicken Pfeile symbolisiert sind. An diesen Orten lassen sich in vorteilhafter. Weise als Leiterschleifen ausgeführte Koppelstrukturen anbringen, wobei die Schleifen parallel zu den kreisförmigen Stirnflächen angeordnet sein sollten. Eine mögliche Anordnung der Leiterschleifen zeigt 1 in Form eines Schnitts durch den Zylinderresonator.In 5 the magnetic field strength of a cylindrical cavity resonator is shown schematically. There are two maxima on opposite sides at medium height, symbolized by the thick arrows. In these places can be in an advantageous. Attach manner constructed as conductor loops coupling structures, wherein the loops should be arranged parallel to the circular end faces. A possible arrangement of the conductor loops shows 1 in the form of a section through the cylinder resonator.

6 zeigt schematisch den Aufbau eines selbstabgestimmten rückgekoppelten Mikrowellen-Oszillators mit dem Resonator 10 im Rückkopplungspfad. Die Oszillatorschleife besteht aus dem Verstärker 21, der Einkopplung in den Resonator 22 mit der zugehörigen Zuleitung, dem Resonator 10, in dem eine Überkopplung zwischen Ein- und Auskoppelstruktur stattfindet, und der Auskoppelstruktur 23 mit der zugehörigen Zuleitung. Die Phasenbedingung wird durch Einstellen der definierten Leitungslänge 24 der Oszillatorschleife erfüllt. Die Verstärkung des Verstärkers 21 muss größer sein als die Summe der Verluste im Resonator, auf den Zuleitungen und in den Koppelstrukturen, so dass die gesamte Schleifenverstärkung größer ist als Eins. Der Entwurf eines rückgekoppelten Mikrowellenoszillators ist dem Fachmann bekannt. 6 shows schematically the construction of a self-tuned feedback microwave oscillator with the resonator 10 in the feedback path. The oscillator loop consists of the amplifier 21 , the coupling into the resonator 22 with the associated supply line, the resonator 10 , in which a coupling takes place between the input and output coupling structure, and the coupling-out 23 with the associated supply line. The phase condition is set by setting the defined line length 24 the oscillator loop fulfilled. The gain of the amplifier 21 must be greater than the sum of the losses in the resonator, on the leads and in the coupling structures, so that the total loop gain is greater than one. The design of a feedback microwave oscillator is known to those skilled in the art.

In 7 ist eine Alternative zum rückgekoppelten Oszillator in Form eines selbstabgestimmten reflektiven Oszillators dargestellt mit dem Resonator 10 als frequenzbestimmendem Element. Hierbei ist der Verstärker 21 aufgrund der Rückkopplung 27 instabil. Die Rückkopplung 27 kann dabei dem Verstärkerbauelement inhärent sein oder wird durch eine externe Rückkopplungsschaltung realisiert. Am Eingang und am Ausgang des Verstärkers befinden sich die Anpass-Strukturen 25 und 26, mit denen die dortigen Reflexionskoeffizienten so eingestellt werden, dass die gewünschte Oszillation auftritt. Um die Oszillatorfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Resonators 10 abzustimmen, wird eine Anpass-Struktur mit der Koppelstruktur 22 des Resonators verbunden. Die entsprechende Anpass-Struktur muss dann so ausgelegt werden, dass die Oszillationsfrequenz gerade bei der Resonanzfrequenz liegt, wobei der Eingangsreflexionskoeffizient des Resonators dort sehr klein wird. Für dieses Konzept wird nur eine Koppelstruktur am Resonator benötigt.In 7 is an alternative to the Rückgekop pelten oscillator in the form of a self-tuned reflective oscillator shown with the resonator 10 as a frequency-determining element. Here is the amplifier 21 due to the feedback 27 unstable. The feedback 27 may be inherent to the amplifier device or is realized by an external feedback circuit. At the input and output of the amplifier are the matching structures 25 and 26 with which the local reflection coefficients are adjusted so that the desired oscillation occurs. To the oscillator frequency to the resonant frequency of the resonator 10 to agree, a fitting structure with the coupling structure 22 connected to the resonator. The corresponding matching structure must then be designed so that the oscillation frequency is just at the resonance frequency, where the input reflection coefficient of the resonator is very small there. For this concept, only one coupling structure is required on the resonator.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (16)

Elektrodenlose Gasentladungslampe mit einem Lampenkolben, der eine Gasfüllung besitzt und in dem mittels eines Hochfrequenzfelds ein Plasma erzeugt wird, wobei ein selbstabgestimmter Oszillator als Quelle für das Hochfrequenzfeld dient, dadurch gekennzeichnet, dass a) sich der Lampenkörper teilweise oder vollständig in einem Hohlraumresonator befindet, b) das Hochfrequenzfeld durch mindestens zwei Koppelstrukturen in den Hohlraumresonator ein- und ausgekoppelt wird und c) der Hohlraumresonator über die Koppelstrukturen einen Rückkopplungspfad eines rückgekoppelten Mikrowellenoszillators bildet und als frequenzbestimmendes Bauteil des Oszillators wirkt.An electrodeless gas discharge lamp with a lamp envelope having a gas filling and in which a plasma is generated by means of a high frequency field, wherein a self-tuned oscillator serves as a source for the high frequency field, characterized in that a) the lamp body is partially or completely in a cavity resonator, b ) the high-frequency field is coupled into and out of the resonant cavity by at least two coupling structures, and c) the resonant cavity forms a feedback path of a fed-back microwave oscillator via the coupling structures and acts as a frequency-determining component of the oscillator. Elektrodenlose Gasentladungslampe mit einem Lampenkolben, der eine Gasfüllung besitzt und in dem mittels eines Hochfrequenzfelds ein Plasma erzeugt wird, wobei ein selbstabgestimmter Oszillator als Quelle für das Hochfrequenzfeld dient, dadurch gekennzeichnet, dass a) sich der Lampenkörper teilweise oder vollständig in einem Hohlraumresonator befindet, b) das Hochfrequenzfeld durch eine Koppelstruktur in den Hohlraumresonator eingekoppelt wird und c) der Hohlraumresonator über die Koppelstruktur an eine Anpass-Struktur eines reflektiven Mikrowellenoszillators angeschlossen ist und als frequenzbestimmendes Bauteil des Oszillators wirkt.Electrodeless gas discharge lamp with a lamp bulb, which has a gas filling and in which by means of a high-frequency field a plasma is generated using a self-tuned oscillator serves as a source for the high-frequency field, thereby marked that a) the lamp body partially or completely located in a cavity resonator, b) the high-frequency field through a coupling structure in the cavity resonator is coupled and c) the cavity resonator via the coupling structure to a matching structure of a reflective microwave oscillator is connected and as a frequency-determining component of the oscillator acts. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass die Frequenz der elektromagnetischen Schwingung im Mikrowellenbereich oberhalb von ca. 1 GHz liegt.Electrodeless gas discharge lamp according to claim 1 or 2, characterized in that the frequency of the electromagnetic Oscillation in the microwave range is above about 1 GHz. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator als Rechteckresonator ausgebildet ist.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that the resonator is designed as a rectangular resonator. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet dass der Resonator so gestaltet ist, dass die elektrische Feldstärke seiner für den Betrieb der Lampe genutzten Eigenschwingung zu den Wänden des Resonators hin sehr klein wird.Electrodeless gas discharge lamp according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the resonator is designed is that the electric field strength of his for the operation of the lamp used natural vibration to the walls the resonator is very small. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Querschnittsflächen des Resonators rund, elliptisch, vieleckig mit fünf oder mehr Ecken oder abgerundet sind, so dass der Resonator als Zylinder, Kreiskegel, Kugel, Ellipsoid oder in einer ähnlichen Form ausgeführt ist.Electrodeless gas discharge lamp according to claim 1, 2, 3 or 5, characterized in that one or more cross-sectional areas the resonator round, elliptical, polygonal with five or more corners or rounded, so that the resonator as a cylinder, Circle cone, sphere, ellipsoid or in a similar form is executed. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstrukturen als Leiterschleifen oder als gerade offene Leitungsenden, die in den Resonator ragen, ausgeführt sind.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that the coupling structures as conductor loops or as just open Line ends, which protrude into the resonator, are executed. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündhilfe einen Hochspannungsimpuls in den Resonator einspeist, um die Lampe zu zünden.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that a starting aid a high voltage pulse in the resonator fed to ignite the lamp. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator eine Durchführung für den Lampenkolben besitzt, so dass sich Teile des Lampenkolbens außerhalb des Resonators befinden.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that the resonator a passage for the lamp envelope owns, so that parts of the lamp bulb outside of the resonator. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im Wesentlichen zylindrische Lampenkolben an einem Ende eine Erweiterung mit vergrößertem Querschnitt besitzt, wobei sich die Erweiterung außerhalb des Resonators befindet.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that the substantially cylindrical lamp envelope at one end Has enlargement with enlarged cross section, the extension being outside the resonator. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen für die Zündelektrode, für den Lichtaustritt und/oder für die Durchführung des Lampenkörpers an Positionen liegen, auf denen die Oberflächenströme auf der Resonatorinnenfläche klein sind.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that the openings for the ignition electrode, for the light emission and / or for the implementation of the lamp body are located at positions where the surface currents on the Resonatorinnenfläche are small. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aus Blech gebogen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, wobei sich die Stoßkanten der Teile an Positionen befinden, auf denen keine oder nur geringe Oberflächenströme auf der Resonatorinnenfläche auftreten.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that the resonator is bent from sheet metal or composed of several parts is, with the abutting edges of the parts at positions are located on which no or only small surface currents occur on the Resonatorinnenfläche. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung der von der Lampe emittierten Strahlung geregelt wird.Electrodeless gas discharge lamp according to one of preceding claims, characterized in that regulated the output power of the radiation emitted by the lamp becomes. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsleistung gemessen wird und dieses Mess-Signal als Steuersignal für den Verstärkungsfaktor des im Oszillator eingesetzten Verstärkers dient.Electrodeless gas discharge lamp according to claim 13, characterized in that the output power is measured and this measurement signal as a control signal for the gain factor of the amplifier used in the oscillator is used. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche für Analyseapparate zur Bestimmung der Konzentration bestimmter chemischer Substanzen.Electrodeless gas discharge lamp according to one of previous claims for analysis apparatus for Determination of the concentration of certain chemical substances. Elektrodenlose Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Strahlungsquelle für Absorptionsphotometrie.Electrodeless gas discharge lamp according to one of the preceding claims as Strah source of absorption photometry.
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