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Elektrische Mitteldruck-Gasbogenlampe
Die Erfindung bezieht sich auf Mitteldruck-Entladungslampen mit Edelgasfüllung, die im Gegensatz zu impulsweise betriebenen gasgefüllten Lampen (Blitzlichtlampzn) für den Dauerbetrieb bestimmt sind.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Edelgas-Entladungslampe mit einem relativ langen Bogen, die ein Hüllgefäss aus gesintertem, transparentem, polykristallinem Aluminiumoxyd hoher Dichte aufweist und deren Plasma wandstabilisiert ist.
Der Ausdruck Plasma beschreibt einen charakteristischen Zustand eines ionisierten Gases, für den die folgenden beiden besonderen Eigenschaften gelten :
1. Es ist ein relativ hoher lonisationsgrad vorhanden, wobei die vollkommene Ionisation aller neutralen Gasteilchen den Extremfall darstellt ;
2. es besteht eine Tendenz zur elektrischen Neutralität, die von praktisch gleichen Konzentrationen an positiven und negativen Ladungsträgern herrührt und zu einem Zustand führt, bei dem praktisch keine Raumladungen vorhanden sind.
Man kann zwischen einem ohne thermisches Gleichgewicht arbeitenden Plasma und einem mit thermischem Gleichgewicht arbeitenden Plasma unterscheiden. Der erste Fall liegt bei Niederdruck-Entladungen vor, beispielsweise in den üblichen Niederdruck-Fluoreszenzlampen, in denen die mittlere Elektro-
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Lampen, die mit einem im bzw. nahezu im thermischen Gleichgewicht befindlichen Plasma arbeiten, entweder eine künstliche Kühlung des Hüllgefässes, etwa durch Wasserzirkulation oder durch ein Luftge- bläse, erforderlich, oder solche Lampen mussten bei sehr hohen Drücken betrieben werden, um eine Einschnürung des Bogens zu bewirken und den Bogen auf diese Weise von der Wandung des Hüllgefässes fern- zuhalten.
Im Spezialfall der Xenon-Bogenlampen sind bisher zur Erzielung einer hohen Lichtausbeute sehr hohe Drücke, beispielsweise im Bereich von 10 bis 50 at, in Verbindung mit einem niedrigen Strom und einer hohen Leistungskonzentration angewendet worden, um einen kleinen Entladungsquerschnitt, d. h. einen eingeschnürten Bogen bzw. ein eingeschnürtes Plasma zu erreichen. Die Stabilisierung wurde dabei durch zusätzliche Einrichtungen bewirkt, z. B. durch magnetische Felder oder Membranen, welche eine Verschiebung oder ein Umlaufen des Bogens infolge von Konvektionsstromen sowie eine Berührung der Wand des Hüllgefässes durch den Bogen verhinderten. Auf diese Weise konnte die Wandtemperatur auf ungefähr 8000 C, also auf die höchste, betriebssicher zulässige Temperatur bei Quarzgefässen, beschränkt werden.
Neuerdings ist eine relativ günstige Lichterzeugung mittels eines Xenon-Bogens beiniedrigem Druck, beispielsweise bei Atmosphärendruck oder noch geringerem Druck, in Verbindung mit hohem Strom, relativ geringer Lmstungskonzentration und grossem Entladungsquerschnitt erreicht worden. Derartige Lampen arbeiten mit Wandstabilisierung, wobei aber die Wandtemperatur bei Quarzgefässen wieder auf etwa 8000 C beschränkt ist.
Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, neue und verbesserte Gasbogenlampen zu schaffen, die bei Mitteldruck arbeiten, d. h. bei Drücken im Bereich von 1 bis 10 at, und bei denen die Entladung oder
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das Plasma den gesamten Querschnitt des Hüllgefässes erfüllt, so dass eine Wandstabilisierung erreicht wird.
Ein weiteres, speziellere Ziel der Erfindung liegt darin, verbesserte Xenon-Bogenlampen zu schaf- fen, die bei mittleren Drücken arbeiten und unter Anwendung einer Wandstabilisierung eine relativ hohe
Lichtausbeute ergeben.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Edelgas-Bogenlampe, die ein Hüllgefäss aus gesintertem, transparantem, polykristallinem Aluminiumoxyd hoher Dichte aufweist, bei mittleren Drücken im Be- reich von 1 bis 10 at arbeitet und ohne künstliche Kühlung eine Wandstabilisierung bewirkt. Die Lampe arbeitet bei mittlerem Strom und mittlerer Leistungskonzentration mit einem relativ kleinen Entladungs- querschnitt. Die effektive, zwischen den einander zugekehrten Elektrodenenden gemessene Länge des Ent- ladungsraumes der Lampe beträgt ein Mehrfaches (zumindest das Dreifache) ihres Durchmessers, wobei der Lampendurchmesser so gewählt ist, dass die Entladung oder das Plasma den gesamten Lampenquer- schnitt ausfüllt.
Die Wandstabilisierung ist unter diesen Umständen infolge der hohen Wandtemperaturen anwendbar, die im Hinblick auf den hohen Schmelzpunkt des gesinterten Aluminiumoxyds zulässig sind und bis 19250 C reichen. Die Gasfüllung kann im wesentlichen aus einem der Edelgase Xenon, Krypton, Ar- gon, Neon oder Helium oder aus Gemischen dieser Gase bestehen. Bevorzugt wird jedoch Xenon verwendet, weil dieses Edelgas infolge eines günstigen Verhältnisses von Lichtabstrahlung zu Wärmeverlusten eine hohe Lichtausbeute sichert und überdies ein günstiges Spektrum ergibt, das einem praktisch weissen Licht entspricht.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung hervor. Fig. 1 zeigt im Querschnitt eine erfindungsgemässe Xenon-Lampe mit einem Hüllgefäss aus gesintertem polykristallinem Aluminiumoxyd. Fig. 2 stellt die Arbeitskennlinie der Lampe nach Fig. 1 dar.
Die in der Zeichnung gezeigte Lampe hat ein Hüllgefäss 1 in Form einer keramischen Röhre, die im wesentlichen aus gesintertem, transparantem, polykristallinem Aluminiumoxyd besteht, Das keramische Marerial hat einen sehr hohen Gehalt an Aluminiumoxyd, der über 99,5 % Al-0 liegt und ist hochtransparant, d. h. seine Transparenz liegt über 95 %. Der Am druck "transparent" wird hier im Sinne von"licht- übertragcnd"angewendel ; das röhrenförmige Gefäss ist durchscheinend, aber nicht klar wie normales Glas.
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 Aussenflachen 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. l gebildet werden.
Der Zweck dieser Abschlussringe liegt darin, allfällige mechanische Spannungen, die zwischen den Endkappen 2 und 3 und den Aluminiumoxydteilchen 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-Legieru-ng angesetzt und auf diese eine zweite Ringscheibe aus Titan aufgelegt, worauf schliesslich der Abschlussring 4 angesetzt wird. Diese Teile werden gegeneinan- iergedrilckt und der Ofen wird entweder evakuiert oder mit einer reduzierenden oder inerten At- mosphäre gefilllt, worauf die Temperatur auf etwa 9550 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 ö 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 Elektro-
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de 11 am andern Ende der Röhre wird von einem kurzen Abschnitt eines rostfreien Stahlrohres 12 gehalten, der in eine nach aussen vorspringende Kuppe 13 der Endkappe 3 eingeschweisst ist ; an diesem Lampenende ist keine Lochung der Endkappe bzw. kein nach aussen vorstehender Stahlrohrteil erforderlich.
Das Rohr 7 dient zum Evakuieren der Lampe und zur Einführung des Xenon-Gases. Eine seitliche Öff- nung 14 im Rohr 7 ermöglicht den Austritt des Gases aus dem Hüllgefäss beim Pumpvorgang bzw. das Ein- leiten von Gas beim Füllvorgang. Nach dem Evakuieren des Hüllgefässes und dem Füllen desselben mit
Xenon wird das Rohr 7 zusammengequetscht und verschweisst, wie dies in der Zeichnung bei 15 angedeu- tet worden ist, um die Lampe zu verschliessen.
Gasbogenlampen gemäss der Erfindung arbeiten mit Wandstabilisierung bei mittleren Drücken im Be- reich von 1 bis 10 at und mit Volumensbelastungen im Bereich von 200 bis 800 Watt/cma des Lampen- volumens. Eine so hohe Volumensbelastung wird durch die Anwendung eines langgestreckten Hüllgefässes aus polykristallinem Aluminiumoxyd hoher Dichte ermöglicht, welches die Entladung eng umschliesst und mit Betriebstemperaturen im Bereich von 1000 bis 16000 C arbeitet. Falls eine kürzere Lebensdauer und eine geringere Beständigkeit der Lichtausbeute toleriert werden können, kann die Wandtemperatur bis un- gefähr 1925ù C, dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxyd, aber nicht darüber hinaus, erhöht werden.
Die
Betriebsdrücke von 1 bis 10 at werden bei Anwendung eines (bei Raumtemperatur gemessenen) Kaltfüll- druckes der Edelgase von ungefähr 200 bis 1250 mm Hg-Säule erreicht.
Es können beliebige der Edelgase Xenon, Krypton, Argon, Neon und Helium verwendet werden, doch wird, wie schon erwähnt, Xenon im Hinblick auf den höheren Wirkungsgrad der Lichterzeugung und auf die günstige Lichtfärbung bevorzugt. Bei Verwendung von Xenon als Füllgas sind praktisch im gesamten Vo- lumsbelastungsbereich von 200 bis 800 Watt/cms des Lampenvolums Lichtausbeuten von über 10 Lumen/Watt erzielbar. Im oberen Teil des angegebenen Bereiches werden 20 Lumen/Watt erreicht und die Strom-
Spannungskennlinie verläuft positiv. Auf diese Weise wird der zusätzliche Vorteil erreicht, dass die Lampe ohne jegliche strombegrenzende Impedanz oder mit einer sehr niedrigen Serienimpedanz betrieben wer- den kann, die lediglich zur Verbesserung der Stabilität dient.
Bei einer beispielsweisen Ausführung der in Fig. 1 dargestellten Lampe hat die Röhre aus Aluminium- oxyd einen Innendurchmesser von 6 mm und eine Gesamtlänge vom 10 cm. Der Abstand zwischen den ein- ander zugekehrten Elektrodenenden beträgt ungefähr 5, 5 cm. Bei einem Bogenstrom von 18 A tritt an der Lampe ein Bogenspannungsabfall von 48, 3 Volt auf. Die Gesamtbelastung beträgt demnach ungefähr 810 Watt, was einer Volumsbelastung von ungeiahr tiOU Watt/cm3 entspricht. Unter diesen Betriebsbedingungen ergibt sich in der Mitte zwischen den Elektroden am Hüllgefäss eine Betriebstemperatur von ungefähr 13000 C, der Betriebsdruck des Xenons liegt bei ungefähr 2, 8 at und die Lichtausbeute beträgt ungefähr 20 Lumen/Watt.
In Fig. 2 ist der Verlauf der Lichtausbeute (Lumen/Watt) in Abhängigkeit von der Volumsbelastung (Watt/cm3) der Lamp¯ dargestellt, wobei der voll ausgezogene Kurventeil auf Messungen an der vorstehend geschilderten Lampe beruht und der gestrichelte Kurventeil auf Grund anderer Messungen extrapoliert worden ist. Man erkennt, dass die Kurve im Bereich von ungefähr 600 Wati/cm ziemlich flach verläuft. Bei dieser Volumsbelastung arbeitet die Lampe mit vollkommener Wandstabilisierung, weil die Entladung praktisch den gesamten Querschnitt des Lampengefässes ausfüllt ; dabei hat die Lampe eine positive Strom-Spannungskennlinie.
Die erfindungsgemässe Lampe arbeitet zwar in einem mittleren Druckbereich von 1 bis 10 at, doch tritt in ihr dennoch ein Plasma auf, das sich praktisch vollkommen im thermischen Gleichgewicht befindet und sich bis zur Gefässwandung erstreckt. Das praktisch vollkommene thermische Gleichgewicht des Plasmas wirkt sich in einer Kontinuität des Entladungsspektrums aus, wodurch das von der Lampe emittierte Licht qualitativ sehr ähnlich dem Sonnenlicht ist.
Das beschriebene Beispiel soll nur das Wesen der Erfindung erläutern und lässt im Rahmen der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zu.
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