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Elektrische Entladungslampe
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Metalldampflampen und betrifft insbesondere Lampen dieser Art, die ein keramisches Hüllgefäss mit hohem Gehalt an Aluminiumoxyd aufweisen.
Beiden bisher hergestellten Metalldampflampen werden im allgemeinen Dämpfe von Quecksilber und Natrium verwendet. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, Dämpfe von Kadmium, Thallium und Zink sowie die Alkalimetalle Kalium und Cäsium zu verwenden. Die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung von Lampen, die mit Dämpfen der Alkalimetalle der Gruppe 1A, d. h. Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium, betrieben werden, liegt im allgemeinen darin, dass das Material des Hüllgefässes dem Angriff der Metalldämpfe bei den für einen wirksamen Lampenbetrieb erforderlichen Temperaturen nicht standhalten kann. Die erwähnten Metalldämpfe greifen Glas und Quarz an und bewirken bei den Temperaturen, mit welchen die Hüllgefassezur Erzielung einer starken Lichtabstrahlung betrieben werden müssen, eine rasche Schwärzung.
Das Spektrum von Cäsium liegt bei geeigneten Anregungsbedingungen im Bereich des sichtbaren und infraroten Lichtes und weist ein sehr starkes Kontinuum im sichtbaren Bereich auf, so dass es an sich für Metalldampflampen sehr günstig wäre. Anderseits greift aber Cäsium Quarz und Glas bei Temperaturen von einigen hundert Celsiusgraden, etwa 5000 C, stark an und bewirkt innerhalb von wenigen Minuten eine Schwärzung des Hüllgefässes.
Die Weiterentwicklung gewisser Metalldampflampen wird auch dadurch behindert, dass die Elektroden oder Einschmelzungen den für einen wirksamen Lampenbetrieb erforderlichen Temperaturen nicht standhalten. Das gilt insbesondere für Quecksilberhochdruck-Dampflampen aus Quarz, bei welchen die Elektroden und die die Einschmelzungen enthaltenden Lampenendenauf relativ hohen Temperaturen gehalten werden müssen, weil sonst in den kühleren Bereichen eine Kondensation von Quecksilber auftritt, die den Dampfdruck herabsetzt und dadurch zu einer Verschlechterung des Lampenbetriebes führt. Die zulässige Temperatur der Einschmelzungen wird gewöhnlich durch den Oxydationseinsatz an den Zuleitungen aus Wolfram oder Molybdän beschränkt.
Der anwendbare Temperaturbereich kann natürlich dadurch erweitert werden, dass man die Lampe bzw. die den Bogen enthaltende Röhre mit Hilfe eines Aussengefässes in eine nicht oxydierende oder inerte Atmosphäre einschliesst, doch erhöht dies den Aufwand und damit die Kosten der Lampe erheblich.
Das allgemeine Ziel der Erfindung besteht deshalb darin, eine neue und verbesserte Metalldampflampe zu schaffen, die mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Spezieller befasst sich die Erfindung mit der Aufgabe, eine Cäsium-Dampflampe zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad hat und ein günstiges Spektrum mit einem Kontinuum im sichtbaren Bereich aufweist. Die Lampe soll dabei hohe Betriebsbeständigkeit, d. h. eine lange Lebensdauer ohne Schwärzung des HUllgefässes haben und bei einfachem Aufbau relativ wirtschaftlich hergestellt werden können.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Lampe, bei der ein Hüllgefäss aus gesintertem, transparentem polykristallinem Aluminiumoxyd hoher Dichte mit einem Entladungsmedium aus Metalldämpfen kombiniert ist, ganz unerwartete Ergebnisse und Vorteile bietet, welche die Erwartungen, die an die Tatsache geknüpft werden könnten, dass Aluminiumoxyd hoher Dichte höheren Temperaturen als Quarz standhalten kann, bei weitem übertreffen. Es wurde nämlich gefunden, dass ein HUllgefäss aus gesintertem Aluminiumoxyd den Dämpfen der Alkalimetalle Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium selbst bei Temperaturen im Bereich von 16000 C während langer Zeit ohne Schwärzung standhalten kann.
Ebensogut oder sogar noch besser kann ein solches Hüllgefäss den Dämpfen der Erdalkalimetalle Kalzium, Strontium und Barium sowie Dämpfen von Kadmium, Zink und Thallium standhalten.
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Es wurde ferner gefunden, dass bei Anwendung der Erfindung auf Cäsium-Dampflampen die Forderung, dass dir Elektroden und die Einschmelzungen sehr hohen Temperaturen standhalten müssen, nicht mehr besteht. Wenn es auch erwünscht ist, in der Entladung eine sehr hohe Temperatur zu erreichen, so dass das Hüllgefäss im Bereich unmittelbar rings um die Entladung Temperaturen von 1000 bis 16000 C annehmen kann, sind nämlich an den Einschmelzungen so hohe Temperaturen nicht mehr erforderlich. Tatsächlich wird ganz unerwarteterweise ein maximaler Wirkungsgrad bei relativniedrigem Druck des. Cäsiumdampfes erreicht, wobei eine Kondensation von Cäsium an den Einschmelzungen oder in einer Über die Einschmelzungen hinausragenden Aussenkammer, die auf einer noch niedrigeren Temperatur gehalten wird, erwünscht ist.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausftihrungsbeispiels an Hand der Zeichnungen hervor. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Cä- sium-Dampflampe gemäss der Erfindung, die ein Hüllgefäss aus gesintertem, polykristallinem Aluminiumoxyd aufweist. Fig. 2 stellt eine Betriebskennlinie der Lampe nach Fig. 1 dar.
Die in der Zeichnung gezeigte Lampe hat ein Hullgefass 1 in Form einer keramischen Röhre aus gesintertem, transparentem polykristallinem Aluminiumoxyd. Das keramische Material hat einen sehr hohen Gehalt an Aluminiumoxyd, der über 99, 5 % A1203 liegt, und ist hochtransparent d. h. seine Transparenz liegt über 95 0/0.
Mit den Enden des röhrenförmigen Gefässes 1 sind Metallkappen 2,3 verlötet, die aus einer NickelChrom-Eisen-Legierung mit hohem Schmelzpunkt und einem dem Aluminiumoxyd angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten bestehen. Die Verlötung erfolgt unter Zwischenlage dünner Ringe oder Beilagscheiben aus Titan zwecks Metallisierung der Enden der Röhre, mit denen die Endkappen verbunden werden sollen. An die Aussenflächen der Endkappen 2,3 sind wieder unter Anwendung von die keramischen Oberflächen metallisierenden Ringen oder Beilagscheiben aus Titan Abschlussringe 4, 5 aus Aluminiumoxyd angelötet, die durch Rohrabschnitte gleichen Durchmessers und gleicher Wandstärke wie das röhrenförmige Gefäss Igeblldet werden.
Der Zweck dieser Abschlussringe liegt darin, allfällige mechanische Spannungen, die zwischen den Endkappen 2 und 3 und den Aluminiumoxydteilen bestehen, mit denen sie verlötet sind, im gesamten Temperaturbereich, dem die Lampenenden im Betrieb ausgesetzt sind, auszugleichen.
Das Anlöten der Endkappen erfolgt im Vakuum oder in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre.
Um beispielsweise die Endkappe 2 mit dem Ring 4 und mit dem Ende des röhrenförmigen Gefässes 1 zu verlöten, werden die einzelnen Teile dieser Lötverbindung in einem Vakuumofen in folgender Weise zusammengebaut : Auf den Röhrenteil l wird zunächst eine dünne Ringscheibe aus Titan aufgelegt, sodann wird die Endkappe 2 aus Nickel-Chrom-Eisen-Legierung angesetzt und auf diese eine zweite Ringscheibe aus Titan aufgelegt, worauf schliesslich der Abschlussring 4 angesetzt wird. Diese Teile werden gegenein- andergedrückt. undder Ofenwird entweder evakuiert oder mit einer reduzierenden oder inertenAtmosphäre gefilllt, worauf die Temperatur auf etwa 955 C erhöht wird, um die Verlötung zu bewirken.
Die Endkappe 2 an dem einen Ende der Lampe ist in der Mitte einer nach aussen vorstehenden Kuppe 6 gelocht, und durch dieses Loch ist ein rostfreies Stahlrohr 7 geführt. Das Rohr 7 ist mit der Kappe 2 verlötet, um einen luftdichten Verschluss zu schaffen, und stützt an seinem inneren Ende eine Kathode 9 ab, die aus einem bifilar gewickelten Wolframdraht besteht, wobei die Zwischenräume zwischen den Drahtwindungen mit einem aktivierenden Metall in Form von Erdalkalioxyden, einschliesslich Bariumoxyd, ausgefüllt sind. Der die Kathode bildende Wolframdraht ist um einen Schaft 10 aus Wolfram gewickelt, der in das Ende des rostfreien Stahlrohres 7 eingeklemmt oder eingeschweisst ist.
Die Elektrode 11 am andern Ende der Röhre wird von einem kurzen Abschnitt eines rostfreien Stahlrohres 12 gehalten, der in eine nach
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vorspringendeder Endkappe bzw. kein nach aussen vorstehender Stahlrohrteil erforderlich.
Das Rohr 7 dient zum Evakuieren der Lampe und zum nachfolgenden Einfahren eines ionisierbaren Mediums, das aus einem Edelgas, wie Xenon, als Zündgas und einer gewissen Menge Cäsium besteht. Zum Einführendes Cäsiums kann eine Glaskapsel verwendet werden, In der dieser Stoff eingeschlossen ist.
Die Kapsel wird in einen (nicht dargestellten) erweiterten Fortsatz des dünnwandigen Rohres 7 eingeführt, dessen freies Ende sodann zusammengequetscht wird. Die Kapsel wird durch Eindrücken des rostfreien Stahlrohres im erweiterten Teil desselben gebrochen ; dieser Teil wird sodann erhitzt, um den Kapselinhalt in das Htillgefäss 1 aus Aluminiumoxyd zu treiben. Die seitliche Öffnung 14 des Rohres 7 ermöglicht den Übergang des Cäsiumdampfes aus dem Rohr 7 In das Hlillgefäss 1 aus Aluminiumoxyd.
Das Rohr 7 wird sodann näher der Scheibe 2 abermals unter Quetschung verschlossen, worauf der erweiterte Rohrteil, welcher die Splitter der Glaskapsel enthält, abgebrochen wird, so dass die Lampe die in der Zeichnung dargestellte Gestalt annimmt.
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Im Hinblick auf die niedrige Austrittsarbeit von Cäsium (0, 7 - 1,36 Volt) kann an Stelle der dargestellten Elektrode auch ein einfacher, vorzugsweise thorierter Wolframstab verwendet werden.
Erfindungsgemäss dient der überstehende, am Ende verschlossene Teil des rostfreien Stahlrohres 7 als Regelzentrum für den Cäsium-Dampfdruck : seine Länge wird so gewählt, dass er während des Lampenbetriebes die Temperatur annimmt, die zur Aufrechterhaltung des optimalen Cäsium-Dampfdruckes im
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temperatur des mittleren Teiles des Hllllgefässes aus Aluminiumoxyd. Der mittlere Teil des Hüligefässes kann im Temperaturbereich von 1000 bis 1600 C betrieben werden, um eine relativ lange Lebensdauer sicherzustellen, aber auch bei höheren Temperaturen bis nahezu etwa 19250 C, dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxyd, falls eine kürzere Lebensdauer tolerierbar ist.
Während des Betriebes soll der CäsiumDampfdruck im Bereich von 10 bis 800mm Hg-Säule liegen : dieser Druckbereich wird eingehalten, wenn sich das schon erläuterte Regelzentrum im Temperaturbereich von 350 bis 7000 C befindet. Die Volumsbelastung liegt im Bereich von 200 bis 900 Watticms, wobei sich eine Lichtausbeute im Bereich von 35 bis 50 Lumen/Watt ergibt.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der in der Zeichnung dargestellten Lampe hat das röhrenförmige Hüllgefäss aus Aluminiumoxyd einen Innendurchmesser von 6 mm und eine Gesamtlänge von 10 cm. Der Abstand zwischen den einander zugekehrten Elektrodenenden beträgt etwa 5,5 cm, das aktive Hüllgefässvolumen etwa 1, 55 cm. Die Länge des Regelzentrums, d. h. die Länge des über die Endkappe 2 vorstehenden Abschnittes des rostfreien Stahlrohres 7 ist ungefähr 1 cm. Die Lampe ist bei Raumtempera- tur mit einem inerten Zündgas (Xenon) unter einem Druck von 20 mm Hg-Säule gefüllt worden und enthält eine Cäsiummenge, die grösser als die während des Lampenbetriebes verdampfte Cäsiummenge ist.
Die Lampe arbeitet mit Wechselstrom bei einem Spannungsabfall von 42, 1 Volt und einem Bogenstrom von 18, 1 A, was einer Belastung von 700 Watt entspricht, wobei die Volumsbelastung ungefähr 450 Watt/cm3 beträgt. Unter diesen Betriebsbedingungen ergibt sich in der Mitte zwischen den Elektroden am HUllgefäss eine Temperatur von ungefähr 10000C, während die Temperatur des Regelzentrums 7 ungefähr 5000 C erreicht und der Dampfdruck des Cäsiums ungefähr 10 & mm beträgt. Diese Lampe ergibt bei einer positiven Strom-Spannungskennlinie gemäss Fig. 2 eine Lichtausbeute von 45 Lumen/Watt. Die höchste Lichtausbeute wird erreicht, wenn die Temperatur des Regelzentrums im Bereich von 400 bis 600 C liegt, was einem Dampfdruck zwischen 20 und 250 mm Hg-Säule entspricht.
Nach einer andern Ausführungsform der Erfindung wird eine Cäsium-Dampflampe, die ein HUllgefäss aus Aluminiumoxyd aufweist, mit einer genau geregelten Menge Cäsium versehen, die während des Lampenbetriebes zur Gänze verdampft. In diesem Falle ist eine Regelung der Temperatur am Lampenende nicht erforderlich. und die den Dampfdruck regelnde Verlängerung des Rohres 7 kann daher entfallen. Die Lampe arbeitet sodann mit konstanter Dampfdichte statt mit konstantem Dampfdruck. und der Cäsiumdampf ist während des Betriebes normalerweise nicht gesättigt. Die Volumsbelastung und der Dampfdruck bleiben aber in den vorher angegebenen Bereichen.
Ein überraschender Vorteil der erfindungsgemässen Lampe liegt darin, dass die günstigste Lichtausbeute bei relativ niedrigem Cäsium-Dampfdruck erzielt wird, mit dem Erfolg, dass die Enden der Lampe nicht nahezu mit der gleichen hohen Temperatur wie der Mittelteil des Hullgefässes betrieben werden müssen, wo die Entladung erfolgt. Die Betriebstemperatur der Endkappen liegt im Bereich von nur 400 bis 8000 C. Diese Temperatur ist natürlich höher als die Temperatur des Regelzentrums, so dass der Dampfdruck des Cäsiums dadurch nicht beeinflusst wird.
Ferner ist die Temperatur der Einschmelzung oder Endkappe so niedrig, dass die Lampe an der Luft betrieben werden kann und keine Notwendigkeit für ein Aussengefäss für die Einschliessung der Lampe in eine nicht oxydierende oder inerte Atmosphäre zwecks Verhinderung der Oxydation an der Einschmelzung besteht. Die Kombination eines Hüllgefässes aus Aluminiumoxyd und der Verwendung von Cäsiumdampf ermöglicht somit die volle Auswertung der Fähigkeit des Aluminiumoxyds, sehr hohen Betriebstemperaturen standzuhalten und dabei jene Beschränkungen zu vermeiden, welche ansonsten durch die niedrigen Temperaturen, auf welchen die Endkappen oder Einschmelzungen gehalten werden müssen, auferlegt werden.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen nur den Grundgedanken der Erfindung erläutern und lassen im Rahmen der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zu.
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