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Selbstleuchtende Lampe
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Über die Oberseite des Reflektors 6 erstreckt sich eine durchsichtige Abdeckung 12 in der Weise, dass sie auf dem Flansch 10 des Reflektors ruht. Diese Abdeckung kann aus einem geeigneten Kunststoff, wie beispielsweise Methylmethacrylat, bestehen, ist aber vorzugsweise aus Glas mit einer zum Absorbieren der radioaktiven Strahlung aus der Vorderseite der Lampe ausreichenden Dichte und Dicke. Sie kann, wie in der Darstellung, eben sein oder die Form einer Linse haben. Gelegentlich ist die Verwendung einer Abdeckung aus einer Glasschicht mit einer darüberliegenden Kunststoffschicht erwünscht. Das handels- übliche Glas, Insbesondere Bleiglas, ist für kurze Zeit verwendbar, jedoch hat die Erfahrung gezeigt, dass nach dieser kurzen Zeitspanne dieses Glas infolge der radioaktiven Emanationen nachdunkelt.
Es ist deshalb von Bedeutung, dass man für diese lichtdurchlässige Abdeckung einen Werkstoff verwendet, der unter den Gebrauchsbedingungen nicht merklich nachdunkelt. Ein für diesen Zweck besonders erfolgreich angewendeter Werkstoff ist cerhältiges Glas. In dieser Glasart ist das Cer üblicherweise als ein Salz oder ein Oxyd vorhanden. Zu den zur Zeit greifbaren Handelsformen gehören Corning = 8362, Pittsburgh 6740 und Penberthy"Med D". Die Dichte der erstgenannten Glassorte beträgt etwa 3, 2, die der zweiten 2, 7 und die der dritten 4, 0.
.Die vorstehend beschriebene Glasabdeckung wird durch einen im dargestellten Beispiel aus einem mit Hilfe von Schrauben 14 am Gehäuserand 11 befestigten Haltering 13 gehalten. Zur Erzielung einer Abdichtung zwischen dem Reflektor 6 und der Abdeckung 12 und ferner zur Verhinderung des Zerspringens des Glases sind, wie in der Darstellung gezeigt, oberhalb und unterhalb der Abdeckung 12 Dichtungen 15 eingesetzt. Diese Dichtungen müssen aus einem Werkstoff bestehen, der nicht nur elastisch ist, sondern der, wenn er radioaktiven Emanationen ausgesetzt ist, diese und weitere gewünschte Eigenschaften behält.
Ein unter der Bezeichnung Wisoid bekanntes korkähnliches Material hat sich hiefür als brauchbar erwiesen.
Das lichtaussendende Element 5, das verschiedene neue Eigenschaften aufweist, besteht aus einer Kapsel oder einem Kolben aus durchsichtigem Werkstoff. Es hat sich herausgestellt, dass eine cerhältige Glasart, wie sie vorstehend im Zusammenhang mit der Abdeckung 12 beschrieben wurde, für diesen Zweck geeignet ist. Es muss ein Werkstoff sein, der unter den Gebrauchsbedingungen nicht merklich nachdunkelt und unter zumutbarem Druck völlig gasdicht bleibt. Wie in der Darstellung gezeigt, hat das lichtaussendende Element 5 einen oberen kolbenartigen Abschnitt 16 und einen unteren Sockelabschnitt 17.
Der untere Abschnitt verläuft durch eine in dem napfförmigen Aufsatz 3 vorhandene Öffnung 4 und wird durch Kitt 18, der von radioaktiver Strahlung im wesentlichen unbeeinflusst bleibt, an seinem Platz gehalten. Für diesen Zweck ist Kunstharz geeignet. Zwei geeignete Kunstharze sind Araldite #= 502, hergestellt von Ciba, und Epon + 6, hergestellt von Shell Chemical Corporation. Unterhalb des Kittes 18 befindet sich ein dicker Stöpsel 19 aus Kunststoff, beispielsweise aus Methylmethacrylat. Wenn nach rückwärts eine weitere zusätzliche Abschirmung erforderlich ist, kann dieser Stöpsel aus Blei sein oder es kann unmittelbar darüber ein napfförmiger Teil aus Blei angeordnet werden.
Das selbstleuchtende, lichtaussendende Element 5 besteht aus dem vorstehend beschriebenen Kolben 16,17. In der in der Zeichnung dargestellten besonderen Ausführungsform ist der kolbenartige Abschnitt 16 etwa 15 mm hoch. Er hat einen maximalen Innendurchmesser von zirka 11 mm. Die Innenfläche ist mit einer Schicht aus Leuchtstoffkristallen überzogen, die eine Dicke aufweist, die je Quadratzentimeter etwa 50-150 mg Leuchtstoff entspricht. In der Fachwelt sind zahlreiche Leuchtstoffarten entwickelt worden, von denen einige ein im wesentlichen farbloses Licht erzeugen und wiederum andere Licht der verschiedensten Farben aussenden. Für viele Zwecke ist das von dem Zinkkadmiumsulfid-Leuchtstoff erzeugte grünliche Licht zufriedenstellend. Diese Leuchtstoffart ist kupferaktiviert und enthält nur einen geringen Kadmiumanteil.
Andere ebenfalls brauchbare, sehr bekannte Leuchtstoffarten sind Zinksulfid, Zinksilikat, Kadmiumwolframat und Kadmiumsulfid.
Die Leuchtstoffschicht kann auf der Glasoberfläche mit Hilfe verschiedenartiger Klebstoffe, zu denen organische, anorganische und halborganische Klebstoffarten gehören, befestigt werden. Natriumsilikat ist ein zu dem vorliegenden Zweck geeignetes Beispiel für einen anorganischen Klebstoff. Zu den organischen Klebstoffen gehören Du Pont-Butylmethacrylat und gewisse farblose Kunstharze, wie das erwähnte Araldite =#= 502. Anorganische Klebstoffarten, wie Natrium- oder Kaliumsilikat, sind wegen ihrer stabilen Eigenschaften bevorzugt.
Nachdem der Leuchtstoffüberzug aufgetragen und sauber getrocknet worden ist, wird der Kolben 16, 17 luftleer gemacht und mit radioaktivem Gas, vorzugsweise mit Krypton-85, gefüllt. Dies kann bequem durch den Sockel 17 hindurch geschehen, bevor dieser zugeschmolzen wird. Die Menge des in den Kolben eingepressten Gases bestimmt in weitem Umfange die Helligkeit. Da Kryptongas, wie es zur Zeit von der Atomenergiekommission der Vereinigten Staaten erbältlich ist, einen verhältnismässig niedrigen Prozent-
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satz (etwa 5o) an aktivem Krypton-85 enthält, muss eine grössere Menge Gas verwendet werden als es bei einem Gas, bei dem dieses Verhältnis grösser ist, der Fall sein würde.
In den vorstehend erwähnten lichtaussendenden Kolben sind Kryptongasdrücke zwischen 150 - 400 Torr zweckmässig. In einem typischen Beispiel stellt dies etwa 150 Millicuries an Krypton-85 dar. Im Falle von zu 99% reinem Tritiumgas können verschiedene Curies an Tritium ausgenützt werden, während der Innendruck noch niedriger als der Aussendruck bleibt. Auf dieser Basis ist innerhalb des gleichen Druckbereiches die Verwendung von bis zu etwa 30mal soviel Curies an Tritium wie Krypton-85 angemessen. Aus Sicherheitgründen ist es erwünscht, den Druck innerhalb des Kolbens niedriger als an seiner Aussenseite zu halten, jedoch ist dies nicht immer möglich, insbesondere bei Lampen, die in grossen Höhen verwendet werden sollen.
Für viele Zwecke ist ein radioaktives Gas mit einer niedrigeren Energie als Krypton-85 geeignet.
So kann beispielsweise, wenn es genügt, dass das von der Lampe emittierte Licht eine etwas niedrigere Intensität haben kann, ein radioaktives Gas wie Tritium verwendet werden. Da Tritium keine Gammastrahlung und nur Betastrahlung sehr niedriger Energie aussendet, sind die Probleme der Abschirmung weniger kritisch. Da Tritiumgas zur Zeit in reinerer Form erhältlich ist als Krypton, kann es manchmal bei einem niedrigeren Druck als im Falle von Krypton, beispielsweise bei 50 - 400 Torr, verwendet werden. Die Reichweite der von Tritium emittierten Betateilchen liegt in der Grössenordnung von 2, 5 bis 3 mm. Diese Tatsache muss bei der Bemessung des Hohlraumes innerhalb des das Gas umschliessenden Kolbens berücksichtigt werden.
Mit andern Worten, wenn der Innenradius eines gegebenen Kolbens beispielsweise 5 mm beträgt, so hat das im zentralen Abschnitt vorhandene Gas auf den an der Innenfläche des Kolbens aufgebrachten Leuchtstoff keine wesentliche anregende Wirkung, weil es von diesem zu weit entfernt ist. Diese Wirkung ist bei niedrigeren Innendrücken des Gases noch geringer. Im Falle von Krypton-85 sind die ausgestrahlten Teilchen, da sie mehr Energie haben, in einer grösseren Entfernung von ihrem Ausgangspunkt wirksam.
Wenn die strahlungsabsorbierende Wirkung der Abdeckung 12 zur ausreichenden Abschirmung der radioaktiven Strahlung, insbesondere der gefährlicheren Gamma- und energiereichen Betastrahlung, un- geeignet ist, so ist es empfehlenswert, einen zusätzlichen Schirm, wie beispielsweise die auf der Ober- seite des Kolbens 16 befestigte Kappe 21, zu verwenden. Für diesen Zweck eignet sich eine Bleifolie.
Es empfiehlt sich, zwischen der Kappe 21 und der Aussenfläche des Kolbenabschnittes 16 eine nicht dar- gestellte, lichtreflektierende Fläche oder einen lichtreflektierenden Werkstoff einzubauen. Die Di- mensionierung und die Anbringungsstelle der Kappe 21 sind erfindungsgemäss von Bedeutung, da sie so bestimmt werden müssen, dass sie die schädlichen oder gefährlichen radioaktiven Emanationen aus dem Kolben abfangen, während sie die Lichtabgabe aus der Lampe nur minimal beeinträchtigen. Beispiels- weise werden die meisten aus dem lichtaussendendenElement 5 entweichenden radioaktiven Emanationen, die nicht von der Abschirmung 29 abgefangen werden, durch die Abschirmung 21 abgefangen. Die gering- fügige, restliche, entweichende radioaktive Strahlung soll durch die Abdeckung 12 absorbiert werden.
Nach hinten bilden der Kitt 18 und der Stöpsel 19 eine Strahlungsabschirmung, jedoch kann, wie vorstehend erwähnt, an dieser Stelle eine zusätzliche Abschirmung aus Blei eingesetzt werden. Obwohl die Kappe 21, sofern sie lichtundurchlässig ist, eine direkte Lichtstrahlung aus dem lichtaussendenden Element nach vorne verhindert, stört sie die Lichtausstrahlung nach vorne nach dem Reflektieren durch den Parabolspiegel 6 nicht merklich. Durch die Bemessung des lichtaussendenden Kolbens 5 und des Reflektors 6 in Übereinstimmung mit bekannten optischen Gesetzen, kann man dem von der Lampe emittierten Licht, wie in der Zeichnung dargestellt, tatsächlich eine recht gleichmässige Intensität über eine zu beleuchtende Fläche geben.
Die in Fig. 2 dargestellte selbstleuchtende Lampe ist im wesentlichen die gleiche wie die nach Fig. l.
Folglich sind viele in Fig. 1 gezeigte Einzelheiten in Fig. 2 weggelassen worden. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ausführungsformen nach Fig. l und 2 ist vorwiegend optischer Natur. Der Reflektor 22 ist hier sphärisch gekrümmt dargestellt. Folglich unterscheidet sich die Querschnittsfläche des ausgesandten Lichtstrahles im Vergleich zu dem Lichtstrahl nach Fig. l hinsichtlich der Verteilung der Lichtintensität. Die Verwendung eines sphärischen Reflektors in der Lampe nach Fig. 2 macht zur Erzielung des besten Wirkungsgrades eine Veränderung der Form des lichtaussendenden Kolbens erforderlich, der in diesem Falle eine sich mehr der Kugelform nähernde Gestalt hat. Dies zeigt sich in der Zeichnung, in der der kolbenförmige Abschnitt 23 und der Leuchtstoffüberzug 24 auf der Innenfläche des Kolbens weitgehendst sphärisch sind.
Wie bei der vorbeschriebenen Anordnung ist auf dem oberen Abschnitt des Kolbens 23 eine Abschirmkappe 25 aus Blei angebracht. Es wird angenommen, dass die Art des im Kolben eingeschlossenen radioaktiven Gases, die verschiedenen Werkstoffe und die sonstigen baulichen Einzel-
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heiten die gleichen wie die im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen sind oder sein können.
Fig. 3 veranschaulicht eine zur Verwendung in der Lampe nach Fig. 1 oder 2 geeignete abgeänderte
Ausführungsform eines selbstleuchtenden Elementes. Aus verschiedenen Gründen ist die Form des in der
Zeichnung dargestellten lichtaussendenden Elementes der In den vorstehenden Fig. 1 und 2 veranschau- lichten einfacheren Form vorzuziehen. Obwohl die Bauweise des Elementes nach Fig. 3 in der Herstellung etwas kostspieliger sein kann, hat sie einen höheren Wirkungsgrad und erzeugt eine höhere Lichtintensität als die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
Durch Ausbildung des lichtaussendenden Elementes mit einer Doppelwand werden zwei bemerkenswerte Verbesserungen erzielt : Erstens kann, da das radio- aktive Gas mit einem höheren Wirkungsgrad zur Anwendung kommt, die dafür benötigte Menge verringert werden, was die Kosten für das Gas in höherem Masse herabsetzt als sich die baulichen Kosten erhöhen.
Zweitens wird die Gesamtfläche der lumineszierenden Leuchtstoffoberftäche erheblich vergrössert, was die Lichtausbeute ohne wesentliche Steigerung der Gesamtabmessungen des lichtaussendenden Elementes erhöht. Fig. 3 ist in bezug auf die andern Figuren nicht massstabgerecht, das Element kann zur Zeit nicht grösser sein als die in den andern Figuren gezeigten Elemente.
Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht das lichtaussendende Element aus einem Kernkörper 26 und einer den oberen kolbenförmigen Abschnitt 28 des Kernkörpers völlig umgebenden Hülle 27. Der Kernkörper 26 und die Hülle 27 sind in der Nähe des Bodens des kolbenförmigen Abschnittes 28, an dem der Hals 30 beginnt, abdichtend aneinander befestigt. Wenn der Kernkörper 26 und die Hülle 27, wie zur Zeit bevorzugt, aus Glas sind, können sie zum Bilden einer ringförmigen Verbindung 29 leicht zusammengeschmolzen werden.
In der dargestellten Ausführungsform braucht der innere Hohlraum 31 des Körpers 28 nicht entleert zu werden, er kann Luft enthalten. Vor dem Zusammenbauen wird auf die Aussenfläche des kolbenförmigen Abschnittes 28 ein Leuchtstoffdberzug 32 aufgebracht. Die Innenfläche der Hülle 27 wird ebenfalls vor dem Zusammenbauen mit einer Leuchtstoffschicht 33 überzogen. Das Gas kann nach dem Evakuieren durch eine Glasröhre bei Punkt 35 eingeführt werden. Die Röhre wird dann in üblicher Weise zugeschmolzen.
Die Abschirmkappe 36 aus Blei entspricht den Kappen 21 und 25 der vorhergehenden Figuren und hat den gleichen Zweck wie diese. Die Dicke des Überzuges 32 kann grösser sein als die des Überzuges 33, da das meiste von dem inneren Überzug abgegebene Licht durch den äusseren Überzug hindurchtreten muss. Unter beliebig gegebenen Bedingungen ist eine optimale Dicke des Überzuges gebräuchlich, die innerhalb der nachstehenden bevorzugten Bereiche liegt : Für den inneren Überzug kann die Dicke etwa 150 oder mehr mg Leuchtstoff je Quadratzentimeter Fläche entsprechen. Für den äusseren Überzug 33 kann die Dicke etwa 50 - 150 mg Leuchtstoff je Quadratzentimeter Fläche entsprechen. Im Idealfall hat die Überzugsschicht 33 die Dicke eines Leuchtstoffkristalls, ohne Zwischenräume zwischen den Kristallen.
Zweckmässige Leuchtstoffkristalle sind etwa 8 - 10 Jl dick. Wenn die Schichtdicke innerhalb des spezifizierten Bereiches liegt, sind die verwendeten Kristalle jedoch zur Absorption von nur sehr wenig des durch sie hindurchtretenden Lichtes ausreichend durchscheinend.
Die die innere Fläche der Hülle 27 von der parallel zu dieser verlaufenden äusseren Fläche des Körpers 28 trennende Entfernung muss im Hinblick auf gewisse Faktoren möglichst klein sein : Die Raumabmessungen der entstehenden Kammer 34 müssen zur Aufnahme der erforderlichen Menge radioaktiven Gases unter einem gegebenen maximal zulässigen Arbeitsdruck ausreichend gross sein. Wie vorstehend erwähnt, kann die Entfernung grösser sein, wenn ein energiereichere, deshalb eine grössere Reichweite aufweisende radioaktive Teilchen emittierendes Gas verwendet wird.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Sie kann zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendungsart zugängliche Abänderungen erfahren, ohne dadurch über den Rahmen der Erfindung hinauszugehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. selbstleuchtende Lampe, gekennzeichnet durch ein gasdichtes Gefäss (16, 17) aus mindestens teilweise durchscheinendem oder durchsichtigem Werkstoff, das an seiner Innenfläche mit einer Leuchtstoffschicht (20) überzogen ist und das in seinem Inneren ein mit der Leuchtstoffschicht (20) in Berührung stehendes radioaktives Gas von solcher Konzentration und solchem Druck enthält, dass der Leuchtstoff zur Lumineszenz angeregt wird.