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Verfahren zur Umformung elektrischer Energie in Lieht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung elektrischer Energie in Licht.
Man hat bereits wiederholt versucht, die Luminiszenz von Gasen und Dämpfen für Beleuchtungzweeke oder für die Erzeugung ultravioletter Strahlen zu verwenden. Alle diese Bemühungen haben das gemeinsame Merkmal, dass die Gase oder Dämpfe mit Hilfe elektrischer Entladungen zur Strahlung angeregt werden. Solche Entladungen sind von elektrischen Feldern erzeugte elektrische Ströme in den Gasen oder Dämpfen. Die zugeführte Energie des elektrischen Feldes wird im Entladungsraum teilweise in Wärme und teilweise in sichtbare oder unsichtbare Strahlung verwandelt. Alle bisher vorgeschlagene Entladungslampen, wie beispielsweise die Bogenlampe, Glimmbogenlampen, Glimmentladungslampen aller Art, Funkenstrecken und elektrodenlose Induktionslampen, sind in dieser Weise betrieben worden.
Gemäss vorliegender Erfindung wird zur Verwandlung elektrischer Energie in Strahlung ein neues
Verfahren benützt, bei welchem die Energieumwandlung in zwei Verfahrensschritten oder-stufen aus- geführt wird. Beim ersten Verfahrensschritt wird die elektrische Energie in kinetische Energie von Elek- tronen verwandelt und in dieser Form in den zur Lichterzeugung bestimmten Raum (Leuchtraum) oder
Kolben eingeführt. In diesem Raum, welcher ein oder mehrere Gase oder Dämpfe enthält, wird die kinetische Energie-und dies bildet den zweiten Verfahrensschritt-durch Massnahmen, die im folgenden näher beschrieben werden, in Strahlung umgewandelt.
Die erfindungsgemässe Arbeitsweise ist daher von jener der Gasentladungslampe prinzipiell vollständig verschieden, da sie auf neuen physikalischen Erscheinungen beruht, welche im folgenden beschrieben werden sollen.
In der modernen Experimentalphysik sind zahlreiche Anregungs-und Ionisationsverfahren mittels der sogenannten Elektronenstossröhren untersucht worden. In diesen Einrichtungen wird ein weicher Elektronenstrahl in einen mit Gasen oder Dämpfen von niedrigerem Druck gefüllten, für das Auftreten der Zusammenstösse bestimmten Raum (Stossraum) geschossen, um die Wirkungen der Zusammenstösse zu beobachten und zu studieren.
Bei der Konstruktion und beim Betrieb solcher Einrichtungen muss auf zweierlei geachtet werden, erstens, dass der Primärelektronenstrom sehr schwach ist, um Raumladungseffekte und inhomogene Geschwindigkeitsverteilungen zu vermeiden, und zweitens, dass die Zahl der Zusammenstösse zwischen Elektronen und Atomen so spärlich stattfindet, dass ein bestimmtes, einzelnes Elektron nur selten mehr als einen Zusammenstoss mitmacht ; um diese Forderungen sicher zu erfüllen, muss der Gasdruck sehr niedrig gehalten werden, da es sonst unmöglich ist, die stattfindenden Erscheinungen genau zu bestimmen. Unter diesen Umständen treten jedoch die besonderen Phänomene, auf welchen die Erfindung beruht, nicht in Erscheinung.
Um einen beliebigen Wirkungsgrad der Lichterzeugung zu erhalten, müssen die folgenden Massnahmen angewendet werden :
In einem Beschleunigungsfeld wird den-im folgenden Primärelektronen genannten-Elek- tronen eine Geschwindigkeit erteilt, die vorzugsweise Spannungen von 50 bh 300 Volt entspricht, so dass die Bezeichnung mittelschnelle"Elektronen am Platze ist. Diese Elektronen mittlerer Geschwindigkeit tragen die Energie in den Leuchtraum. Erfindungsgemäss wird die Stromstärke dieser Primärelektronen genügend hoch gewählt, um die Gase und Dämpfe im Leuchtraum gründlich oder vollständig zu ionisieren.
Genauere Angaben über den zur Ausführung des Verfahrens notwendigen Ionisationsgrad werden weiter
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herigen Elektronenstossvorriehtnngen verwendeten Stromstärken weitaus übertreffen.
Weiters soll der Druck der Gase und Dampfe in Bezug auf die Gefässabmessungen und die Primärelektronengeschwindigkeit derart eingestellt werden, dass die Primärelektronen mehrere Zusammenstösse mit den Gasmolekülen auf ihrem mittleren Weg zwischen der Elektronenquelle und den Wänden erleiden, da die Zickzackwege einen beträchtlichen Umweg bedeuten.
Werden diese Massnahmen eingehalten, zu deren praktischer Ausführung weiter unten quantitative Hinweise gegeben werden sollen, so werden neue Erscheinungen hervorgerufen. Vor allem kommen die äusserst zahlreichen Elektronen, die im Leuchtraum durch Ionisation erzeugt werden, in eine so kräftige gegenseitige Einwirkung, dass sie unter sich ein eigenes Gas bilden mit eigener Temperatur, der sogenannten Elektronentemperatur. Dies bedeutet, dass sie die. Gesamtenergie unter sich in derselben Weise aufteilen, wie es die Moleküle eines Gases tun. Diese Erscheinung wurde zuerst von Langmuir im Niederdruckquecksilberdampfbogen entdeckt und ist theoretisch von Gábor erklärt worden.
Letzterer findet, dass die Elektronen dieses Verhalten immer dann zeigen, wenn die folgende Ungleichung erfüllt ist :
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in der R bei kugelförmigen oder zylindrischen Gefässen den Radius, bei andersgeformten Gefässen eine äquivalente Dimension in Zentimetern bedeutet, T die Elektronentemperatur in Volt (wobei ein Volt 7733 Kelvin-Graden entspricht) und n die Konzentration der geladenen Teilchen eines Zeichens, d. h. die Zahl der Elektronen pro < ist. Ein solches elektrisch neutrales, hochionisiertes Gas, in welchem die Elektronen ihre eigene Temperatur haben, wird nach der von Langmuir eingeführten Terminologie ,,Plasma" genannt.
Beispiel : In einem kugelförmigen Gefäss von 3 cm Radius befinden sich 1010 Elektronen pro CM und ebenso viele Ionen. Eine mittlere Energie von T = 2 Volt werde den Elektronen auf irgendeinem Weg zugeführt. In diesem Fall wird die linke Seite der Gleichung (1) gleich 7-106. Dieser Wert ist grösser als 2#10e und infolgedessen bildet sich ein Plasma bei der Elektronentemperatur.
Zur wirksamen Ausnutzung der Energie der Primärelektronen wird zusätzlich zur oben angegebenen Massnahme ein besonderes Verfahren verwendet, zu dem Zweck, die Elektronenwege innerhalb des Gefässes durch Zusammenstösse von Gas-oder Dampfmolekülen zu verlängern. Dieses zweite Merkmal der Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, dass ein hochkonzentriertes Elektronengas imstande ist, beträchtliche Energie von mittelschnellen Elektronen zu übernehmen. Dieses Verfahren soll möglichst weitgehend ausgenutzt werden, da die Energieausnutzung der langsamen Plasmaelektronen, deren Durchschnittsenergien 1-10 Volt betragen, für die Lichterzeugung einen besseren Wirkungsgrad ergibt als die Verwendung der unmittelbaren Zusammenstösse von Primärelektronen mit den Molekülen.
Nun kann gezeigt werden, dass die Übertragung von Primärenergie auf die Plasmaelektronen nur dann einen guten Wirkungsgrad ergibt, wenn
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ist. In dieser Formel haben Rund T dieselbe Bedeutung wie in Formel (1). E ist die Energie der Primärelektronen in Volt, während V der mittlere Energieverlust in Volt beim Zusammenstoss eines Primärelektrons mit einem Gasmolekül ist. V beträgt beispielsweise für Quecksilber und für Elektronen von 100 bis 200 Volt Geschwindigkeit etwa 5 Volt.
Der Wirkungsgrad dieser Energieübertragung, d. h. das Verhältnis tip der auf die Plasmaelektronen unmittelbar übertragenen Energie zum Gesamtenergieverlust der Primärelektronen, ist im Wesen
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Der ungefähre Verlauf vos fop als Funktion von or ist in Fig. 1 dargestellt.
Um diesen Wirkungsgrad zu erhalten, muss der Druck der Gase oder Dämpfe in geeigneter Weise gewählt werden. Die mittlere freie Weglänge X der Primärelektronen soll annähernd den folgenden Wert besitzen :
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In dieser Formel haben die einzelnen Zeichen dieselbe Bedeutung wie früher. Tjp ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung Primärelektronen-Plasmaelektronen-nach den ungefähren Angaben der Fig. 1.
Beispiel : R = 3-em. Die Primärenergie E = 200 Volt. Die Elektronenkonzentration n = 4. 10/em und ihre Temperatur beträgt T = 2 Volt. Das Füllgas sei Quecksilberdampf, so dass V = 5 Volt. Dann ergibt sich aus der Gleichung (2), dass R2 T8 njVE8 = 7'2. 106 ist, welcher Wert
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einem Druck von 9'35. 10-3/'84=l'1. 10''Mmm Hg. Angenommen, die Temperatur des Leuchtraumes beträgt 200 C, dann ist der tatsächliche Druck 200 + 273/273 mal kleiner, beträgt also 1'9. 10-MMK Hg. Das entspricht einer Sättigungstemperatur von ungefähr 57 C.
Die obigen Formeln und Berechnungen beruhen auf der Annahme, dass eine gleichmässige Winkelverteilung der gestreuten Elektronen stattfindet. Es ist jedoch festgestellt worden, dass in Wirklichkeit die Streuung der Elektronen im allgemeinen nur über kleine Winkel stattfindet. Das würde auf eine scheinbare Verlängerung der mittleren freien Weglängen hinauslaufen. Der hiedurch hervorgerufene Effekt wird jedoch dadurch aufgewogen, dass in Wirklichkeit auch eine Streuung der freien Weglänge infolge des Effektes der geladenen Teilchen stattfindet. Die oben angegebene einfache Formel ist daher für alle praktisch vorkommenden Betriebszustände und-bedingungen gültig.
Der berechnete Druck ist für die durch das unmittelbare Verfahren bewirkte Energieübertragung auf das Plasma am meisten geeignet. Bei einem geringeren Druck treffen die Primärelektronen auf die
Gefässwand mit einem beträchtlichen Bruchteil ihrer Energie auf, so dass letztere unnütz in Form von Wärme verbraucht wird ; sie kann allerdings teilweise dadurch ausgenutzt werden, dass man die Wand mit fluoreszierenden Substanzen versieht. Bei erhöhtem Druck wird ein grösserer Teil der Primärenergie für Zusammenstösse mit Gas-oder Dampfmolekülen aufgebracht. Auch dieser Teil der Energie geht jedoch für die Lichterzeugung nicht verloren, weil bei den Zusammenstössen eine unmittelbare Lichterzeugung stattfindet-wenn der Ausdruck "Licht" kurz für Strahlung aller Wellenlängen verwendet wird.
Es ist daher gewöhnlich bequemer, eine kleinere freie Weglänge zu verwenden, als dies die Gleichung (3) vorschreibt, d. h. einen grösseren Druck zu wählen als jenen, der dieser Gleichung entspricht.
Es kann jedoch vorteilhaft sein, einen kleineren Druck zu wählen und absichtlich Verluste durch Zusammenstösse der Primärelektronen mit der Wandung bis zu einem gewissen Ausmass zuzulassen.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn zur Beschleunigung der Elektronen eine Wechselspannung verwendet wird. Erfindungsgemäss wird in dem Fall der Verwendung von Wechselstrom der Druck vorzugsweise so gewählt, dass nahe der Scheitelspannung bereits ein beträchtlicher Teil der Primärenergie an den Wänden verloren geht. Daraus folgt der Vorteil, dass die Zeitkurve der Lichtemission abgeflacht wird, durch welche Massnahme das Flackern, welches häufig einen Nachteil bei Gasentladungslampen bildet, in hohem Ausmass vermindert werden kann.
In Fig. 2 sind die ausgesendeten Intensitäten als Funktionen der Momentanspannung dargestellt, u. zw. bedeutet l'die Intensität ohne, 1 die Intensität bei Anwendung der beschriebenen Massnahme ; dabei ist die Optimalspannung Eo als Spannungseinheit gewählt worden und'/ja bedeutet das Verhältnis der von den Primärelektronen im Leuchtraum abgegebenen Energie zur Totalenergie. Fig. 3 zeigt das günstige Ergebnis, das durch diese Massnahme erreicht wird, anhand von Zeitkurven der ausgesendeten
Intensitäten. Die abgeflachte Lichtkurve Z erzeugt ein viel geringeres Flackern als die Kurve 1'.
Wird die Erfindung in der beschriebenen Weise ausgeführt, so werden optische Erscheinungen hervorgerufen, die aus den in der Einleitung dieser Beschreibung genannten Gründen in Elektronenstosseinrichtungen bisher nicht erhalten worden sind. Das Spektrum der Gase und Dämpfe im Leuchtraum entspricht dem Spektrum einer Bogenentladung, obwohl, wie oben festgestellt, der Mechanismus der Prozesse in beiden Fällen grundverschieden ist. Dies zeigt sich auch in der Tatsache, dass das Spektrum sowohl qualitativ als auch hinsichtlich der Intensität Merkmale zeigt, welche in Gasentladungen nur bei beträchtlich höheren Drücken oder in Entladungen, die durch enge Röhren, Löcher oder Schlitze einen erzwungenen Verlauf nehmen, beobachtet werden können.
Beim erfindungsgemässen Verfahren werden dagegen diese Effekte ohne hohe Gasdrücke und ohne unbequeme Abmessungen des Leuchtgefässes erzielt. Ferner sei besonders betont, dass es nicht erforderlich ist, dem speisenden Netz einen grossen Strom zu entnehmen, wie dies bei den gewöhnlichen Niederdruckbögen notwendig ist.
Es ist einer der wichtigsten Vorteile des neuen Verfahrens, dass der hiefür erforderliche Bereich der Ströme und Spannungen weitaus günstiger liegt als bei gewöhnlichen Gasentladungslampen. Es ist bekannt, dass z. B. Bogenentladungen Ströme verlangen, welche mindestens eine Ampere betragen und meistens einen Spannungsabfall von nur 10 bis 50 Volt haben müssen. Zur Zündung benötigen diese Bögen jedoch beträchtlich höhere Spannungen und die merkliche Differenz zwischen Zünd-und Betriebsspannung muss durch Schaltungselemente, z. B. durch Widerstände, Drosselspulen u. dgl., verbraucht werden. Gemäss vorliegender Erfindung beträgt dagegen die geeignetste Spannung für die Primärelektronen ungefähr 100-200 Volt, ein Spannungsbereich, welcher dem der üblichen Beleuchtungsysteme entspricht.
Die vorangegangene Beschreibung und insbesondere die Gleichungen (2) und (3) geben jedem, der auf diesem Gebiet bewandert ist, weitere Anweisungen zur wirksamen Ausführung dieser Erfindung.
Es versteht sich, dass eine hohe Elektronenkonzentration immer vorteilhaft ist, und es ist daher zweckmässig, dieselbe ausser durch die bereits beschriebene Wahl eines starken Stromes noch durch andere Massnahmen zu erhöhen. Vorzugsweise soll ein leicht ionisierbares Gas (Dampf) von hohem Atomgewicht gewählt werden, und es soll, bezogen auf ein gegebenes Volumen, eine kleine Oberfläche des Leuchtraumes, z. B.
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eine Kugel oder ein birnenförmiger Kolben, vorgesehen sein. Alle Oberflächen, an denen Elektronen und Ionen verloren gehen können, wie beispielsweise die anstossend an den Leuchtraum gelegenen Ober- flächen der Elektronenquelle, müssen möglichst klein gewählt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, eine hübseh hohe Temperatur der Plasmaelektronen vorzusehen, welche durch einen der Gleichung (3) oder einem etwas kleinerem Wert entsprechenden Druck verwirklicht werden kann.
Wird das Verfahren mit mehr als einer Art von Gas oder Dampf im Leuchtraum ausgeführt, so wird eine andere überraschende Erscheinung hervorgerufen. Bekanntlich ist es unmöglich, in Gasentladungslampen die gleichzeitige Strahlung zweier so verschiedener Substanzen, wie beispielsweise Natrium und Neon, zu erhalten. Das Natriumspektrum unterdrückt das Neonspektrum vollständig. Es ist vor- geschlagen worden, diese Schwierigkeit dadurch zu überwinden, dass man zwei Leuchtröhren durch nahe räumliche Anordnung zu einer Einheit vereinigt, dass man die Lampen stossweise betreibt, dass man nur geringe Spuren der leichter anregbaren Substanz verwendet, oder schliesslich, dass man inhomogene
Verteilungen der Strom-und Felsdtärken erzeugt, u. zw. durch Hindernisse, wie beispielsweise Verengungen oder durch kleine Elektrodenabstände in grossen Gefässen.
Im Gegensatz zu den Gasentladungslampen kann jedoch eine gleichzeitige Anregung von Spektren, die sehr verschiedene Anregungsbedingungen aufweisen, durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielt werden, wenn man darauf achtet, dass keine der anzuregenden Substanzen in hohem Masse vorwiegt. So kann beispielsweise durch Kombination von Natrium, Neon und Quecksilber weisses oder beinahe weisses Licht erzielt werden.
Eine Erklärung für diese Erscheinung kann aus Fig. 4 abgeleitet werden. In dem oberen Dia- gramm dieser Figur ist die optische Anregungsfunktion A der violetten Quecksilberlinie 4017 A (nach den Angaben von Siebertz) zusammen mit der entsprechenden Funktion der roten Neonlinie 6402 (nach den Angaben von Hanle) als Funktion der Voltgeschwindigkeit E der Elektronen dargestellt. Das untere Diagramm derselben Figur zeigt die Verteilungsfunktion W (E) der Plasmaelektronen entsprechend einer mittleren Energie von 3 Volt zusammen mit der entsprechenden Funktion der Gruppe II, der Primärelektronen, deren mittlere Energie mit 50 Volt angenommen ist. Man sieht sofort, dass nunmehr beide Linien gleichzeitig erregt werden, wobei allein die Primärelektronen zur Anregung des Neonlichtes beitragen.
Daraus folgt der ausserordentliche Vorteil des neuen Verfahrens für die Erzeugung von Licht gewünschter Zusammensetzung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umformung elektrischer Energie in Licht, nach welchem die umzuformende elektrische Leistung in einem Beschleunigungsfelde in kinetische Energie von Elektronen umgesetzt wird, die sodann in einen, Gase oder Dämpfe enthaltenden, im wesentlichen feldfreien Leuchtraum eintreten, in welchem dieselben ihre Energie abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der Elektronen'Betriebsspannungen von 50 bis 300Volt verwendet werden, der Betriebsdruck im Leuchtgefässe so hoch bemessen wird, dass noch ein geringer Teil der Elektronen die Wandungen des Gefässes erreicht, ohne vorher fast seine ganze Energie im Leuchtraume abgegeben zu haben, und die Stromstärke der Elektronenstrahlen so hoch bemessen wird, beispielsweise über 0'5 Amp., dass im Leuchtraume eine Trägerkonzentration von 1011..
-1012/cm3 entsteht, bei welcher der Wirkungsgrad der Lichterzeugung bedeutend über das, unter den gleichen Verhältnissen, jedoch mit geringen Stromstärken erzielbare Mass gesteigert wird.
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Process for converting electrical energy in Lieht.
The invention relates to a method for converting electrical energy into light.
Attempts have repeatedly been made to use the luminescence of gases and vapors for lighting purposes or for generating ultraviolet rays. All these efforts have the common feature that the gases or vapors are excited to radiation with the help of electrical discharges. Such discharges are electric currents generated by electric fields in the gases or vapors. The energy supplied by the electric field is partially converted into heat and partially into visible or invisible radiation in the discharge space. All previously proposed discharge lamps, such as the arc lamp, glow arc lamps, glow discharge lamps of all kinds, spark gaps and electrodeless induction lamps, have been operated in this way.
According to the present invention, a new one is used to convert electrical energy into radiation
Process used in which the energy conversion is carried out in two process steps or stages. In the first process step, the electrical energy is converted into kinetic energy by electrons and in this form in the space intended for light generation (luminous space) or
Piston inserted. In this space, which contains one or more gases or vapors, the kinetic energy - and this forms the second process step - is converted into radiation by measures that are described in more detail below.
The mode of operation according to the invention is therefore fundamentally completely different from that of the gas discharge lamp, since it is based on new physical phenomena which are to be described below.
In modern experimental physics, numerous excitation and ionization processes have been investigated using what are known as electron blast tubes. In these facilities, a soft electron beam is shot into a room (collision room) filled with gases or vapors of lower pressure and intended for the occurrence of the collisions, in order to observe and study the effects of the collisions.
In the construction and operation of such devices, two things must be taken into account, firstly that the primary electron current is very weak in order to avoid space charge effects and inhomogeneous velocity distributions, and secondly that the number of collisions between electrons and atoms takes place so sparingly that a certain one occurs , a single electron rarely participates in more than one collision; In order to reliably meet these requirements, the gas pressure must be kept very low, otherwise it is impossible to precisely determine the phenomena taking place. In these circumstances, however, the particular phenomena on which the invention is based do not appear.
In order to obtain any degree of efficiency in light generation, the following measures must be applied:
In an acceleration field, the electrons - referred to below as primary electrons - are given a speed that preferably corresponds to voltages of 50 to 300 volts, so that the term medium-speed electrons is appropriate. These medium-speed electrons carry the energy into the light space. According to the invention, the current strength of these primary electrons is selected to be sufficiently high to thoroughly or completely ionize the gases and vapors in the luminous space.
More detailed information on the degree of ionization required to carry out the process will continue
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by far exceed the current strengths used in previous electron impact devices.
Furthermore, the pressure of the gases and vapors should be adjusted in relation to the vessel dimensions and the primary electron velocity in such a way that the primary electrons suffer multiple collisions with the gas molecules on their middle path between the electron source and the walls, since the zigzag paths mean a considerable detour.
If these measures are adhered to, for the practical implementation of which quantitative information is to be given below, new phenomena are created. Above all, the extremely numerous electrons, which are generated in the luminous space by ionization, interact with each other so strongly that they form their own gas with their own temperature, the so-called electron temperature. This means that they are the. Divide total energy among themselves in the same way as the molecules of a gas do. This phenomenon was first discovered by Langmuir in the low-pressure mercury vapor arc and was theoretically explained by Gábor.
The latter finds that the electrons always show this behavior when the following inequality is fulfilled:
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in which R means the radius for spherical or cylindrical vessels, an equivalent dimension in centimeters for vessels of other shape, T the electron temperature in volts (one volt corresponds to 7733 Kelvin degrees) and n the concentration of the charged particles of a character, i.e. H. is the number of electrons per <. Such an electrically neutral, highly ionized gas, in which the electrons have their own temperature, is called "plasma" according to the terminology introduced by Langmuir.
Example: In a spherical vessel with a 3 cm radius there are 1010 electrons per CM and the same number of ions. An average energy of T = 2 volts is supplied to the electrons in some way. In this case, the left side of the equation (1) becomes 7-106. This value is greater than 2 # 10e, and as a result, a plasma is formed at the electron temperature.
For the effective utilization of the energy of the primary electrons, a special method is used in addition to the measure specified above, for the purpose of lengthening the electron paths within the vessel by collision of gas or vapor molecules. This second feature of the invention is based on the new finding that a highly concentrated electron gas is able to take over considerable energy from medium-fast electrons. This process should be used to the greatest possible extent, since the energy utilization of the slow plasma electrons, whose average energies are 1-10 volts, results in a better efficiency for light generation than the use of the direct collisions of primary electrons with the molecules.
It can now be shown that the transfer of primary energy to the plasma electrons only results in good efficiency if
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is. In this formula, round T have the same meaning as in formula (1). E is the energy of the primary electrons in volts, while V is the mean energy loss in volts when a primary electron collides with a gas molecule. For example, V is about 5 volts for mercury and for electrons with speeds of 100 to 200 volts.
The efficiency of this energy transfer, i.e. H. the ratio tip of the energy directly transferred to the plasma electrons to the total energy loss of the primary electrons is in essence
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The approximate course of vos fop as a function of or is shown in FIG.
In order to obtain this degree of efficiency, the pressure of the gases or vapors must be selected in a suitable manner. The mean free path X of the primary electrons should approximately have the following value:
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In this formula, the individual characters have the same meaning as before. Tjp is the efficiency of the energy transfer between primary electrons and plasma electrons - according to the approximate information in FIG. 1.
Example: R = 3-em. The primary energy E = 200 volts. The electron concentration n = 4.10 / em and its temperature is T = 2 volts. The filling gas is mercury vapor, so that V = 5 volts. Then it follows from equation (2) that R2 T8 njVE8 = 7'2. 106 is what value
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a pressure of 9'35. 10-3 / '84 = l'1. 10``Mmm Hg. Assuming the temperature of the light room is 200 C, then the actual pressure is 200 + 273/273 times smaller, i.e. 1'9. 10-MMK Hg. This corresponds to a saturation temperature of about 57 C.
The above formulas and calculations are based on the assumption that there is a uniform angular distribution of the scattered electrons. It has been found, however, that in reality the scattering of the electrons generally only takes place over small angles. That would amount to an apparent increase in the mean free path lengths. The effect caused by this is however offset by the fact that in reality there is also a scattering of the free path due to the effect of the charged particles. The simple formula given above is therefore valid for all practically occurring operating states and conditions.
The calculated pressure is most appropriate for the energy transfer to the plasma brought about by the immediate process. At a lower pressure, the primary electrons hit the
The wall of the vessel with a considerable fraction of its energy, so that the latter is uselessly consumed in the form of heat; however, it can be partially used by providing the wall with fluorescent substances. At increased pressure, a larger part of the primary energy is used for collisions with gas or vapor molecules. However, this part of the energy is not lost for the generation of light either, because light is generated immediately during the collisions - if the term "light" is used for short for radiation of all wavelengths.
It is therefore usually more convenient to use a smaller free path than that dictated by equation (3); H. to choose a greater pressure than that which corresponds to this equation.
However, it can be advantageous to choose a lower pressure and to deliberately allow losses due to the collision of the primary electrons with the wall to a certain extent.
This is particularly advantageous when an alternating voltage is used to accelerate the electrons. According to the invention, in the case of using alternating current, the pressure is preferably selected such that a considerable part of the primary energy is already lost on the walls near the peak voltage. This has the advantage that the time curve of the light emission is flattened, by means of which measure the flickering, which is often a disadvantage in gas discharge lamps, can be reduced to a large extent.
In Fig. 2, the transmitted intensities are shown as functions of the instantaneous voltage, u. betw. l 'means the intensity without, 1 the intensity when the measure described is applied; The optimum voltage Eo has been chosen as the voltage unit and '/ yes means the ratio of the energy emitted by the primary electrons in the luminous space to the total energy. Fig. 3 shows the favorable result that is achieved by this measure, using time curves of the transmitted
Intensities. The flattened light curve Z produces much less flicker than curve 1 '.
If the invention is carried out in the manner described, optical phenomena are produced which, for the reasons given in the introduction to this description, have not hitherto been obtained in electron impact devices. The spectrum of gases and vapors in the light room corresponds to the spectrum of an arc discharge, although, as stated above, the mechanism of the processes is fundamentally different in both cases. This can also be seen in the fact that the spectrum shows features both qualitatively and in terms of intensity which can only be observed in gas discharges at considerably higher pressures or in discharges which follow a forced course through narrow tubes, holes or slits.
In the method according to the invention, on the other hand, these effects are achieved without high gas pressures and without uncomfortable dimensions of the light vessel. It should also be emphasized that it is not necessary to draw a large amount of current from the feeding network, as is necessary with the usual low-pressure arcs.
One of the most important advantages of the new process is that the range of currents and voltages required for this is far more favorable than with conventional gas discharge lamps. It is known that e.g. B. arc discharges require currents which are at least one ampere and usually have a voltage drop of only 10 to 50 volts. However, these arcs require considerably higher voltages for ignition and the noticeable difference between the ignition and operating voltage must be caused by circuit elements, e.g. B. by resistors, inductors and. Like., are consumed. According to the present invention, on the other hand, the most suitable voltage for the primary electrons is approximately 100-200 volts, a voltage range which corresponds to that of the usual lighting systems.
The foregoing description, and in particular equations (2) and (3), provide further instructions for effectively practicing this invention to anyone skilled in the art.
It goes without saying that a high electron concentration is always advantageous, and it is therefore expedient to increase it by other measures in addition to the selection of a strong current already described. Preferably, an easily ionizable gas (vapor) of high atomic weight should be selected, and it should, based on a given volume, a small surface area of the luminous space, e.g. B.
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a ball or a pear-shaped piston may be provided. All surfaces on which electrons and ions can be lost, such as the surfaces of the electron source adjacent to the luminous space, must be selected as small as possible.
It is also advantageous to provide a fairly high temperature for the plasma electrons, which can be achieved by a pressure corresponding to equation (3) or a somewhat smaller value.
If the process is carried out with more than one type of gas or vapor in the light room, another surprising phenomenon is produced. As is well known, it is impossible to obtain the simultaneous radiation of two very different substances, such as sodium and neon, in gas discharge lamps. The sodium spectrum completely suppresses the neon spectrum. It has been proposed to overcome this difficulty by combining two fluorescent tubes into one unit by placing them close together, operating the lamps intermittently, using only small traces of the more easily stimulable substance, or finally by using inhomogeneous ones
Distribution of electricity and rock strength generated, u. between obstacles such as constrictions or small distances between electrodes in large vessels.
In contrast to the gas discharge lamps, however, a simultaneous excitation of spectra which have very different excitation conditions can be achieved by the method according to the invention if one ensures that none of the substances to be excited are predominant. For example, white or almost white light can be achieved by combining sodium, neon and mercury.
An explanation for this phenomenon can be derived from FIG. The upper diagram of this figure shows the optical excitation function A of the violet mercury line 4017 A (according to Siebertz's information) together with the corresponding function of the red neon line 6402 (according to Hanle's information) as a function of the voltage E of the electrons. The lower diagram of the same figure shows the distribution function W (E) of the plasma electrons corresponding to an average energy of 3 volts together with the corresponding function of group II, the primary electrons, whose average energy is assumed to be 50 volts. You can see immediately that now both lines are excited at the same time, with the primary electrons alone contributing to the excitation of the neon light.
This gives rise to the extraordinary advantage of the new process for generating light of the desired composition.
PATENT CLAIMS:
1. A method for converting electrical energy into light, according to which the electrical power to be converted is converted into kinetic energy of electrons in an acceleration field, which then enter an essentially field-free luminous space containing gases or vapors, in which they emit their energy, characterized in that operating voltages of 50 to 300 volts are used to accelerate the electrons, the operating pressure in the light vessel is so high that a small part of the electrons still reach the walls of the vessel without having previously given off almost all of their energy in the light space , and the current strength of the electron beams is dimensioned so high, for example over 0.5 Amp., that a carrier concentration of 1011 ..
-1012 / cm3 arises, at which the efficiency of the light generation is increased significantly above the level that can be achieved under the same conditions but with low currents.