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Elektrische Hochdruck-Metalldampfentladungslampe
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Hochdruck-Metalldampfentladungslampen grosser Hellig- keit und hoher Lichtausbeute, die beispielsweise in Signalanlagen oder für Projektionszwecke verwendbar sind. Insbesondere betrifft die Erfindung Lampen der geschilderten Art, die weisses Licht ausstrahlen, d. h. innerhalb des gesamten Spektralbereiches des sichtbaren Lichtes eine Strahlung mit erheblicher Intensität liefern.
Es ist bekannt, für die geschilderten Zwecke Hochdruck-Gasentladungslampen zu verwenden, die mit
Xenon gefüllt sind, dessen Spektrum ein starkes Kontinuum im Bereich de'-sichtbaren Lichtes aufweist.
Mit solchen Lampen können aber iliuht Lichtatisbeuten von mehr als 50 L/W (Lumen je Watt) erreicht wer- den. Überdies sind bei solchen Lampen ausserordentlich hohe Stromdichten erforderlich, um eine grosse
Leuchtdichte zu erzielen. Höhere Lichtausbeuten bis zu 70 L/W können bekanntlich mit Hochdruck-Quecksil- berdampflampen erreicht werden, doch zeigen diese Lampen das typische Quecksilber-Spektrum mit einem niedrigen Rotanteil, obwohl bei Hochdrucklampen an sich ein Kontinuum vorliegt. Hohe Leuchtdichte und ein ausreichend kontinuierliches Spektrum können nur in kapillaren Quecksilber-Dampflampen erreicht werden, die mit Drücken in der Grössenordnung von 100 und mehr Atmosphären arbeiten.
Ebensowenig ist es bisher möglich gewesen, mit andern Metalldämpfen weisses Licht mit hoher Lichtausbeute zu erzielen ; der Grund hiefür liegt in der hohen chemischen Reaktivität dieser andern Metalldämpfe und in der Tatsache, dass die andern Metalle viel höhere Temperaturen als Quecksilber erfordern, um einen hinreichend hohen Dampfdruck zu erreichen.
Für die Lampen gemäss der Erfindung ist charakteristisch, dass eine kontinuierliche Strahlung mit gro- sser Helligkeit und die grossen Leistungsdichten, die für eine hohe Leuchtdichte erforderlich sind, erzielt werden, ohne dass ein extrem hoher Druck oder eine sehr hohe Stromdichte angewendet werden müssen.
Es wurde gefunden, dass eine überwiegend kontinuierliche Strahlung mit einer Lampe erzeugt werden kann, die gewisse Halogensalze, vorzugsweise Gallium- und Indiumjodide, im Dampfzustand und bei einem Druck im Bereich von 1 at und mehr enthält und die mit einer Leistungsdichte im Bereich von 75 Watt/cm3 (bezogen auf das Gefässvolumen) und mehr betrieben wird. Auf diese Weise ist es möglich, bei Drücken unter 20 at eine sichtbare Strahlung zu erzeugen, welche hinsichtlich der spektralen Verteilung der Strahlung eines auf hoher Temperatur befindlichen schwarzen Körpers entspricht. Bei Verwendung der angegebenen Dämpfe können in einem Quarzgefäss Leistungsdichten über 8000 Watt/cm3 aufrechterhalten und auf diese Weise hohe Leuchtdichten erreicht werden.
Zugleich kann infolge der selektiven Strahlungseigenschaften dieser Dämpfe eine sehr hohe Lichtausbeute erzielt werden.
Im Hinblick auf die günstigen mechanischen und thermischen Eigenschaften von Quarzglas oder geschmolzener Kieselsäure wird gewöhnlich für die Hüllgefässe bekannter Lampen dieses Material verwendet. Die Wandbelastung, d. h. das Verhältnis der elektrischen Wattleistung zu der zwischen den Elektrodenenden liegenden Oberfläche des Entladungsgefässes, ist bei Lampen mit Flüssigkeitskühlung gewöhnlich kleiner als 40 Watt/cm2 und liegt normalerweise bei nur etwa 15 Watt/cm2. In diesem Falle liegt die Temperatur des Quarzgefässes unter 900 C, also unter jener Temperatur, bei welcher der Quarz entglast.
Nach einem andern Gesichtspunkt sind Hochdruck-Metalldampfentladungslampen gemäss der Erfindung durch ein hitzebeständiges Hüllgefäss kleinen Volumens gekennzeichnet, das als Hauptfüllmaterial ein oder mehrere Metalljodide, vorzugsweise mit einem Zündgaszusatz, enthält, wobei die Wandbelastung des Hüllgefässes, das ohne Flüssigkeitskühlung betrieben werden kann, 40 Watt/cm2 übersteigt. Auf
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diese Weise stehen erstmalig Lampen zur Verfügung, die weisses oder gefärbtes Licht mit sehr hoher Licht- ausbeute abstrahlen.
Das weisse Licht wird auf Grund der Tatsache erzeugt, dass die gemäss der Erfindung ausgebildeten
Lampen thermisch stark belastet werden. Die erfindungsgemässen Lampen haben, verglichen mit üblichen
Lampen gleicher Wattleistung, ein Entladungsgefäss mit kleinem Volumen, so dass sich eine starke Kon- zentration der Speiseleistung d. h. eine hohe Leistungsdichte, ergibt. Zu diesem Zwecke wird der Innen- durchmesser der Röhre vorzugsweise kleiner als etwa 1 cm gewählt, beispielsweise im Bereich von
1 bis 6 mm. Mit höher werdender Belastung steigen die Temperatur und der Druck an. Hohe Drücke und hohe Temperaturen sind jedoch Voraussetzungen für die Erzeugung eines Kontinuums, das sich der Strahlung eines schwarzen Körpers nähert.
Um eine Abnahme des Dampfdruckes, dessen Höhe bekanntlich von der kältesten Stelle des Entladungsgefässes abhängt, zu verhindern, ist der tote Raum in der Lampe, d. h. insbesondere der Raum hinter den Elektroden, so klein wie möglich gehalten.
Jenen Nachteilen, die normalerweise mit dem Betrieb bei hohen Temperaturen verbunden sind und bisher als unvermeidlich galten, wie beispielsweise das Sprühen der Elektroden und die Entglasung des Quarzmaterials, das normalerweise für das Hüllgefäss verwendet wird, kann durch die Erfindung, wie praktische Erprobungen erwiesen haben, begegnet werden. Infolge der Gegenwart von Jodiden im Entladungsgefäss tritt der bekannte Jod-Regenerationszyklus mit besonders hohem Wirkungsgrad in der Lampe auf. Der Joddampf kombiniert sich nämlich mit dem versprühten nektrodenmaterial, das an der gekühlten Gefässwandung niedergeschlagen worden ist, und bildet eine flüchtige Verbindung, die sich über und an den heissen Elektroden wieder zersetzt.
Dieser Vorgang wiederholt sich zyklisch, so dass eine Schwärzung der Gefässwandung vermieden und eine hohe Stabilität der Elektroden erreicht wird. Auch eine übermässige Entglasung des Hüllgefässes, die zu einer Zerstörung desselben führen könnte, kann durch bestimmte Betriebsbedingungen vermieden werden. Bekanntlich erfolgt die Entglasung von Quarz bei Temperaturen oberhalb von 9000 C. Über 10000 C liegt ebenfalls ein Temperaturbereich, in dem keine Entglasung auftritt. Durch Anwendung von Wandbelastungen, die so bemessen sind, dass die Betriebstemperatur entweder unter 9000 oder über 1000 C und unterhalb des Erweichungspunktes liegt, kann die Entglasung sehr gering gehalten werden.
Nur bei gleichzeitigem Vorhandensein der beiden vorstehend angegebenen, zusammenwirkenden Bedingungen, nämlich einer hohen Wandbelastung und einer Jodidfüllung, ist es möglich, eine erfindungsgemässe Lampe mit den erläuterten vorteilhaften Eigenschaften zu schaffen.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen-genauer erläutert werden. Fig. 1 zeigt schematisch und vergrössert eine mit Metalljodid gefüllte Bogenlampe gemäss der Erfindung, an der auch einige Anwendungsmöglichkeiten erläutert werden sollen. Fig. 2a ist eine teil-. weise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Hochdrucklampe gemäss der Erfindung, während Fig. 2b einen Querschnitt durch die gleiche Lampe und Fig. 2c einen Teil dieser Lampe zeigt, welcher die ursprünglich zugespitzte Form der verwendeten Elektroden erkennen lässt. Fig. 3a ist eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer relativ kurzen, pumpstengellosen Hochdrucklampe gemäss der Erfindung und Fig. 3b ist ein zugehöriger Querschnitt.
Fig. 4 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren, stärker langgestreckten pumpstengellosen Lampe gemäss der Erfindung. Fig. 5 zeigt im Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Fig. 6 stellt in Diagrammform eine typische Spektralverteilung der Strahlung einer erfindungsgemässen Lampe dar, während Fig. 7, ebenfalls in Diagrammform, den Anstieg der Leuchtdichte und der Lichtausbeute in Abhängigkeit von der spezifischen Belastung einer typischen Lampe gemäss der Erfindung angibt.
Bei einer Metallhalogenid-Lampe gemäss der Erfindung sind eine Hüllgefässausführung und ein Elektrodenaufbau erforderlich, welche es gestatten, dass sich das Plasma bis zur Gefässwandung erstreckt, so dass die gesamte Innenfläche der Entladungskammer mit dem aktiven (atomaren) Jod bespült werden kann, welches durch die Entladung erzeugt wird. Diese Erfordernisse werden im allgemeinen durch eine röhrenförmige Entladungskammer mit relativ kleinen Elektroden an den gegenüberliegenden Röhrenenden erfüllt. Fig. l zeigt schematisch einen typischen Aufbau einer erfindungsgemässen Lampe 1, wobei das Glasgefäss 2 eine langgestreckte, röhrenförmige Entladungskammer bildet, welche durch die Gefässinnenwandung 3 begrenzt wird.
In die Entladungskammer ragen kleine stift-oderstabförmige Wolframelektroden 4, die mit geschmolzenen Enden 5 arbeiten, welche infolge der Oberflächenspannung eine im allgemeinen kugelige Gestalt annehmen. Das ionisierbare Medium innerhalb der Entladungskammer besteht aus einem geeigneten Metalljodid und enthält vorzugsweise auch ein inertes ionisierbares Zündgas.
Der lichtemittierende Bereich einer solchen Lampe setzt sich gewöhnlich aus zwei Zonen zusammen.
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eine Region hohen Stromes gebildet, in welcher die Strahlung hauptsächlich auf die atomaren Spektrallinien beschränkt ist, welche dem metallischen Element bzw. den Elementen des verwendeten Jodsalzes entsprechen. In der Zeichnung ist dieser Kern durch dick gestrichelte Linien innerhalb der Grenzlinien 6 angedeutet ; diese Linien erstrecken sich zwischen den Elektroden. Bei den dargestellten kugelförmigen Elektroden tritt der Kern des Lichtbogens allseitig in die geschmolzenen Elektrodenenden 5 ein. Ausserhalb und rings um den zentralen Kern bildet sich eine Glimmregion aus, die als leuchtende Aureole in Erscheinung tritt.
Diese Aureole ist in der Zeichnung durch dünner gestrichelte Linien 7 angedeutet ; die von ihr ausgehende Strahlung liegt hauptsächlich im sichtbaren Spektralbereich und stellt ein Kontinuum dar. Bei zunehmender Dichte oder zunehmendem Druck des Metalljodiddampfes überwiegt die Strahlung der Aureole jene des zentralen Kernes des Lichtbogens, mit dem Ergebnis, dass der Anteil an Strahlung in Form eines Linienspektrums, das sich bis ins Ultraviolett erstreckt, abnimmt, während der Anteil der Strahlung in Form eines Kontinuums zunimmt. Die Aureole stellt einen Bereich aktivierten Jods dar und erstreckt sich im wesentlichen bis zur Innenwandung 3 der Entladungskammer. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, erfüllt die Aureole sogar die Bereiche 8 hinter den Elektroden und sie umschliesst die Elektrodenzuleitungen.
An Stelle von geschmolzenen kugelförmigen Elektroden können auch kleine stabähn- liche Wolframelektroden benutzt werden, deren Enden sich auf einer Temperatur befinden, die nahe dem Schmelzpunkt von Wolfram liegt. Bei Verwendung solcher Elektroden tritt der Kern des Lichtbogens nicht so allseitig in die Elektrodenenden ein, doch erstreckt sich nichtsdestoweniger die den Kern umgebende Aureole zur Rückseite der Elektroden, so dass die gesamte innere Oberfläche der Entladungskammer mit
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Fig. 1 sind somit typisch für Metalljodid-Bogenlampen gemäss der Erfindung.
Zur Erläuterung der Eigenschaften der Metalljodid-Bogenentladung soll zunächst als typisches Beispiel für das auch bei andern Metallen zu erwartende Verhalten der Fall von Galliumjodid behandelt werden.
Obwohl dieses Metall einen niedrigen Schmelzpunkt hat, liegt sein Siedepunkt bei 1983 C, wogegen sein Trijodid schon bei 3490 C siedet. In einer Lampe mit einem Quarzgefäss und glatten Wolframelektroden sowie einer Edelgasfüllung für die Zündung kann durch Variation der geometrischen Gestalt der Lampe, der elektrischen Eingangsleistung und der Dosierung oder Menge des Galliumjodids eine grosse Mannigfaltigkeit von Effekten erzielt werden.
Lampen, welche das erwähnte Salz enthalten und gemäss der Erfindung betrieben werden, durchlaufen vor dem Erreichen eines stationären Betriebszustandes die bekannten Stufen des Aufwärmens. Nach Zündung bei Raumtemperatur können sie kurzzeitig violett aufleuchten, wenn sich die Elektroden erwärmen. Dies beruht auf der Verdampfung von Jodid, das sich allenfalls nach der vorhergehenden Abkühlung der Lampe an den Elektroden kondensiert hat. Dieser violette Lichtblitz verschwindet sofort, wenn sich das Galliumjodid aussen an der Gefässwandung kondensiert. Kurz hernach beginnt die gesamte Lampe sich zu erwärmen, wobei das violette Licht abermals erscheint und mit zunehmendem Druck des Galliumjodids immer intensiver wird.
Bis zu einem bestimmten Betriebsstadium wird die Strahlung fast ausschliesslich durch ein Linienspektrum gebildet, wenn man von der direkten Strahlung der glühenden Elektroden absieht. In diesem Betriebsstadium stellt die Lampe eine wirksame Strahlungsquelle für die Spektrallinien von 4032 und 4172 A, begleitet von geringen Anteilen von ultravioletten, sichtbaren und infraroten Linien dar. Eine Lampe mit einem Elektrodenspalt von 8 mm arbeitet auf diese Weise bei einer so geringen Spannung wie 10-20 Volt.
Bei weiter zunehmendem Druck des Galliumjodids sinkt im Sinne der Erfindung die ultraviolette Strahlung ab, die Galliumresonanzlinien beginnen sich zu verbreitern und zeigen eine Linienumkehr, wobei der Kern des Lichtbogens sich zusammenschnürt und heller wird und sich zugleich ein Kontinuum ausbildet. Aus einem Projektionsbild der Lampe ist erkennbar, dass der Hauptteil der violetten Strahlung vom Kern herrührt, wogegen das Kontinuum von der Glimmentladung in Form der den Kern umgebenden Aureole erzeugt wird. Mit steigendem Druck wachsen die Spannung und die Helligkeit an, bis der Kern und die Elektroden durch das Kontinuum der Aureole überstrahlt werden. Die Strahlung besteht dann hauptsächlich aus dem Kontinuum mit einer breiten, dunklen Linienumkehr im Violettbereich und vier Spektrallinien, von denen eine im Gelb-, eine im Orange- und zwei im Rotbereich liegen.
Wenn die Konzentration von Galliumjodid hoch ist und die lichte Weite der Röhre gross ist, so geht der Farbton der Lampe von einem anfänglich violett getönten Weiss auf ein ausgeglichenes Weiss über und ; ogar zu einem weniger ergiebigen Orangegelb, falls die lichte Weite der Röhre zu gross ist oder zu viel Salliumjodiddampf vorhanden ist, der als Gelbfilter wirkt. In solchen röhrenförmigen Lampen grosser lichter Weite kann sich der Bogen aufwärts biegen, wobei ein Zweitoneffekt mit einem weisseren, helleren Licht im oberen Abschnitt der Lampe entsteht, wo die absorbierende Schicht von Galliumjodiddanipf dtin-
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ner ist.
Anderseits kann bei einer Lampe mit sehr kleiner lichter Weite, die unter hohem Druck mit Gallium- jodid bei hoher Belastung betrieben wird, die Leuchtdichte das fünf- oder mehrfache der höchsten Leucht- dichte einer konzentrierten Wolframglühfadenstrahlung annehmen. Es entsteht dabei ein weisses Licht, das hauptsächlich aus einem Kontinuum mit einem reichlichen Anteil an Rot besteht, welches selektiv etwas die Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums begünstigt und am violetten Ende des Spektrums ziem- lich scharf absinkt.
Infolge der hohen Temperaturen, die im Entladungsgefäss herrschen, ist es bei erfindungsgemässen
Lampen möglich, in der Entladung sogar schwer verdampfbare Metalle anzuregen und zu ionisieren, wie beispielsweise Indium, Gallium, Thallium und Mischungen davon. Neben den Spektrallinien, die zum
Teil schon infolge der Eigenabsorption auftreten, ergibt sich ein starkes Kontinuum, was bedeutet, dass die Entladung dieser Lampen eine deutliche Hochdruckcharakteristik zeigt. Solche Lampen emittieren, falls geeignete Metalle gewählt werden, ein weisses Licht mit einer sehr hohen Lichtausbeute von mehr als 80 L/W. Das Kontinuum kann sich bis in den ultravioletten Spektralbereich erstrecken, so dass derartige Lampen, wenn sie mit geeignetem Metalldampf gefüllt sind, auch als Ultraviolettstrahler verwendbar sind.
Ein starkes Kontinuum kann auch mit Jodiden anderer schwer verdampfbarer Metalle, wie Zinn, Antimon, Natrium, Titan und Kadmium, erreicht werden. In einigen Fällen sind auch Quecksilberjodide in Mischung mit Jodiden anderer schwer verdampfbarer Metalle verwendet worden. Für sich allein verwendet ergibt Quecksilberjodid kein kontinuierliches Spektrum.
Es wurde gefunden, dass die Wandbelastung, ausgedrückt in Watt je Flächeneinheit der zwischen den Elektrodenenden liegenden Innenwandung des Hüllgefässes im Bereich zwischen 40 und 1000 oder sogar 1200 W/cm2, vorzugsweise zwischen ungefähr 100 und 400 oder 500 W/cm2, liegen soll. Die Volumskonzentration der elektrischen Eingangsleistung bzw. die Leistungsdichte soll mehr als 75 W/cm3 betragen und kann bis zu 15000 W/cm3 erreichen, wobei sich der Bereich zwischen 1000 oder 2000 und 8000 W/cm3 besonders empfiehlt. Die spezifische Belastung liegt vorzugsweise im Bereich von 50 bis 1000 W je cm der Lichtbogenspaltlänge ; die Stromdichte soll im Bereich von 5 bis 150 oder mehr Ampère je cm2 des Hüllgefässquerschnittes liegen.
Im allgemeinen ist es günstig, wenn das Jod in der Lampe im Überschuss gegenüber jener Menge vorhanden ist, die stöchiometrisch an das Metall des im Hilllgefäss vorhandenen Metalljodids gebunden ist, wenn es als Jodverbindung eingeführt wird. Die Lampe kann vorteilhaft auch Jodsalze mehrerer Metalle enthalten. Eine starke Strahlung, besonders mit Wellenlängen, die grösser als jene des ultravioletten Lichtes sind, ergibt sich mithochtemperaturstabilen, gefärbtenDämpten unter Anwendung von Jodidsalzmengen, die vorzugsweise im Bereich von l. 10' bis 1. 10. 5 g Molekulargewicht je cm der inneren Lampenlänge liegen.
Vorzugsweise soll das gesamte Jodid während des normalen Betriebes der Lampen verdampft werden.
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zwischen 2 und 8 at ; er kann aber auch etwas höher sein. Das Entladungsgefäss enthält als Zündgeas aines oder mehrere Edelgase, wie Argon, vorzugsweise aber Xenon, mit einem Fülldruck von mehr als 10 cm Hg-Säule. Das Entladungsgefäss ist vorzugsweise röhrenförmig und der Elektrodenabstand vorzugsweise gleich oder grösser als der Innendurchmesser des Hiillgefässes.
Anstatt aus Quarzglas kann das Hüllgefäss auch aus einem andern, gegenüber hohen Temperaturen beständigen und lichtdurchlässigen Material bestehen, beispielsweise aus Saphir (Aluminiumoxyd). Die Wandstärke eines Hüllgefässes aus Quarz ist erfindungsgemäss grösser als 2 mm, vorzugsweise 3-5 mm. Das Hüllgefäss ist demnach verhältnismässig dick. In Fällen besonders kleiner Durchmesser der Hallgefässe kann die Wandstärke ebenso gross oder sogar grösser als der Innendurchmesser des Hüllgefässes sein. Durch Vergrö- sserung der Oberfläche wird die Wandung des Hüllgefässes auf einer Temperatur gehalten, bei welcher der Quarz noch eine angemessene mechanische Festigkeit hat. Eine Flüssigkeitskühlung kann, wie schon er- wähnt, bei erfindungsgemäss aufgebauten Lampen entfallen.
Wenn als Material für das Hüllgefäss Quarz verwendet wird, kann jedoch eine forcierte Luftkühlung vorteilhaft sein, besonders bei Wandbelastungen über 400-600 W/cm2.
Die erfindungsgemässe elektrische Entladungslampe, bei der als Entladurgsmedium eine Metalljodid verwendet wird, zeichnet sich durch eine wirksame Ausnutzung des Jod-Wolfram-Regenerationszyklus zur Verhinderung einer Schwärzung des Hüllgefässes und zur Stabilhaltung der Elektrodengestalt aus. Die richtige Kombination der neuartigen Elektrodenbemessung, der besonderen Gestalt des Hüllgefässes der Lampe und der Zusammensetzung des Dampfes im Sinne der Erfindung führt zu einer Strahlungsquelle, die sich durch grosse Leuchtdichte, durch hohe Lichtausbeute oder durch selektive Strahlungseigenschaften aus-
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zeichnet. Andere Vorteile dieser Lampe liegen in der geringen Grösse und in der Beständigkeit des Licht- bogens sowie in der optischen Stabilität der Lampe.
Es ist schon früher vorgeschlagen worden, einen Halogenzusatz als regeneratives Getter oder Reini- gungsmittel in elektrischen Entladungslampen anzuwenden. Bei solchen Lampen wird zwar der schon er- wähnte Regenerationszyklus zum Zwecke der Verhinderung einer Schwärzung des Lampenkolbens durch
Rückführung zerstäubten der verdampften Materials zur Elektrode ausgenutzt, doch ist dabei bisher keine bestimmte Auswahl zwischen den Halogenen getroffen worden. Ferner ist auch nicht die Notwendigkeit für die Einhaltung weiterer Betriebsbedingungen erkannt worden, bei deren Fehlen eine rasche Erosion und Änderung der Gestalt der Elektroden auftritt. Es sind ferner auch schon verschiedene Vorschläge ge- macht worden, Metallhalogeniddämpfe zu verwenden, um dem Lichtbogen die Spektralfarben der Me- tallkomponente des Halogenids zu verleihen.
Diese Vorschläge haben sich aber einerseits auf Lampen mit niedrigem Dampfdruck und niedriger Wandbelastung oder anderseits auf Lampen mit etwas höherem
Druck beschränkt, bei welchen kein Regenerationszyklus zur Kompensation der Zerstäubung bzw. Ver- damptung der Elektroden angewendet worden ist. In andern Fällen sind Metallhalogenide gewählt worden, die sich zersetzen und Metall an den Elektroden abscheiden, das mit dem Elektrodenmetalleine Leg1p. - rung oder Verbindung bildet, wenn nicht in der Lampenatmosphäre ein Überschuss eines der stärker reak- tiven Halogene vorhanden ist, wobei aber ein solcher Überschuss seinerseits eine rasche Erosion der Elek- troden zur Folge hat.
Deshalb haben aus dem einen oder ändern Grund die bekannten Lampen der geschil- derten Art entweder zu geringe Lebensdauer oder zu geringe Beständigkeit, um für praktische Zwecke in
Betracht zu kommen. Unter Beständigkeit ist dabei das Verhältnis der abgestrahlten Lichtmenge am Ende der Nennbetriebsdauer zur anfänglichen Lichtmenge zu verstehen.
Wie schon erwähnt, wurde gemäss der Erfindung ermittelt, dass ein Regenerationszyklus, der eine Rei- nigung der Kolbenwandung und zugleich auch eine Stabilität der Elektroden gewährleistet, in einer Ent- ladungslampe oder ähnlichen Entladungseinrichtung unter Anwendung eines ein Metallhalogenid enthaltenden Entladungsmediums bei einer Elektroden- und Gefässausführung erzielt werden kann, die es zulässt, dass die gesamte Innenfläche der Entladungskammer den aktivierenden Enflüssen des Lichtbogens ausgesetzt ist.
Zur weiteren Erklärung ist anzunehmen, dass der Regenerationszyklus, durch den hitzebeständi- ges Metall, gewöhnlich Wolfram, das an den Elektroden verdampft und sich an der Gefässwandung niederschlägt, von der Gefässwandung entfernt und wieder an den Elektroden abgelagert wird, davon abhängt, dass Jissoziiertes oder atomares Jod die Gefässwandung in hinreichender Menge erreicht. Innerhalb des Plasmas wird der Metalljodiddampf zumindest teilweise in Metalldampf und Joddampf zersetzt und der Joddampf weiter in atomares Jod dissoziiert. Das aus dem Plasma herausdiffundierte atomare Jod rekombiniert sich an der Gefässwandung mit dem dort niedergeschlagenen Wolfram und bildet einen Wolframjodiddampf, der zu den Elektroden zurückdiffundiert.
An den Elektroden wird der Wolframjodidda11lpf in Wolfram zersetzt, welches sich wieder an den Elektroden ablagert, und in Jod, das wieder nach aussen zur Gefässwandung diffundiert, um den geschilderten Zyklus zu wiederholen. Um während einer langen Betriebsdauer ein klares Hüllgefäss zu gewährleisten, ist es erforderlich, dass die Gestalt des Hüllgefässes und die Elektrodenausführung sowie die gegenseitige Anordnung dieser Teile es zulassen, dass die gesamte Innenfläche des Hüllgefässes, einschliesslich der Bereiche hinter den Elektroden, von dissoziiertem oder aktivem Jod bespült werden. Dieses Erfordernis setzt verschiedene, gleichzeitig notwendige Bedingungen hinsichtlich des Hüllgefässes, der Elektroden und des Entladungsmediums, d. h. eine bestimmte Wahl des Metallhalogenids, voraus.
Die notwendige Bedingung hinsichtlich des Hüllgefässes besteht darin, dass die innere Grenzfläche oder Gefässwandung so ausgebildet sein muss, dass während des Lampenbetriebes die Lichtbogenkammer praktisch vollständig vom Lichtbogen und von der den Lichtbogen umgebenden Aureole, d. h. vom Plasma, ausgefüllt wird. In Niederdrucklampen erstreckt sich das Plasma praktisch bis zur Gefässwandung. Wenn der Strom und bzw. oder der Druck erhöht wird, so schnürt sich die Entladung ein und sie kann sich dann nicht mehr bis zur Gefässwandung erstrecken ; dieser Zustand liegt gewöhnlich bei Hochdrucklampen vor.
Entladungen, bei welchen sich das Plasma bis zur Gefässwandung erstreckt, werden gewöhnlich als"wandstabilisiert"bezeichnet, wogegen eingeschnürte Entladungen elektrodenseitig oder auf andere Weise stabilisiert sein können.
Allgemein gesprochen sind Lampen gemäss der Erfindung wandstabilisiert bzw. arbeiten sie in einer der Wandstabilisierung gleichwertigen Weise, insofern als nämlich das Hüllgefäss so bemessen ist, dass es die Lichtbogensäule eng umschliesst. Unter diesen Umständen wird die Innenfläche der Lichtbogenkammer von aktivem oder atomarem Jod bespült, wodurch die wirksame Auswertung des schon erläuterten JodRegenerationszyklus zur Reinigung der Gefässwandung gesichert wird.
Im allgemeinen werden bei Metall-
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jodid-Lampen gemäss der Erfindung glasartige Hüllgefässe, wie solche aus Quarzglas oder einem andern durchsichtigen oder durchscheinenden hitzebeständigen Material, verwendet. welche eine röhrenförmi- ge, relativ dünne Lichtbogenkammer einschliessen und je nach der angewendeten Bogenlänge mehr oder weniger langgestreckt sind. Die Wahl der Bogenlänge hängt von verschiedenen Faktoren ab, insbesondere vom beabsichtigten Verwendungszweck der Lampe und von der gewünschten Gesamtlichtmenge. Die op- timale Gestalt des Hüllgefässes hängt bei jeder Lampe von der speziellen Wahl des Metalljodids oder der
Metalljodid-Kombination für das Entladungsmedium und von weiteren Faktoren, wie Druck und Leistungs- dichte, ab.
Metalljodid-Bogenlampen können so bemessen werden, dass sie bei röhrenförmigen Hüllgefä- ssen mit einem Innendurchmesser bis zu 2 cm und mit einer Leistungsdichte bis herunter auf 50 W/cm3 (bezogen auf das Gefässvolumen) arbeiten. In diesem Falle strahlt die Lampe im wesentlichen nur das Li- nienspektrum des Metalls ab. Die Vorteile der Erfindung, nämlich grosse Leuchtdichte, hohe Lichtausbeute und Abstrahlung eines Kontinuums erfordern Hüllgefässe oder Kolben mit einem Innendurchmesser von nicht mehr als 1 cm und einer Leistungsdichte von nicht weniger als etwa 75 W/cms.
Die zweite notwendige Bedingung betrifft die Elektroden und erfordert die Anwendung relativ kleiner
Elektroden, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten. Vorzugsweise werden stabähnliche Wolframelek- troden verwendet, die bei vorgegebener Strombelastbarkeit klein sind und so arbeiten, dass ihre Enden ent- weder geschmolzen sind oder sich in Nähe des Schmelzpunktes des Wolframs befinden. Bevorzugt werden nichtaktivierte Wolframelektroden verwendet, die bei so hohen Temperaturen arbeiten, dass sich an den
Elektroden ein geschmolzener, kugeliger Endteil ausbildet.
Zusätzlich zu den Vorteilen der leichten Herstellbarkeit und der geringen Kosten bieten solche Elektroden noch den weiteren Vorteil, dass sie einen sta- tionären Lichtbogenbetrieb mit einem diffusen Übergang des Lichtbogens auf die Elektroden ergeben, wo- bei das Plasma praktisch allseitig den glühenden und geschmolzenen kugeligen Elektrodenendteil umgibt und in diesen eintritt. Wenn der Lichtbogen allseitig in den geschmolzenen Elektrodenendteil eintritt, so befindet sich die gesamte Innenfläche der Lichtbogenkammer in Sichtweite wenigstens eines Teiles der
Lichtbogensäule oder des Plasmas. Mit andern Worten wird kein Teil der Innenfläche der Lichtbogenkam- mer gegen das Plasma abgeschattet, u. zw. nicht einmal die Regionen an den Rückseiten der Elektroden, welche die Zuleitungen umgeben.
Unter diesen Bedingungen wird die gesamte Oberfläche des Hüllgefässes von aktivem Jod bespültund das Hüllgefässwird währendlanger Betriebszeitenrein gehalten. Im Gegensatz hiezu setzt sich bei bekannten Lampen, die relativ massive Elektroden und im allgemeinen kugelig gestaltete Hüllgefässe anwenden, der Lichtbogen an einem relativ heissen Fleck an der Stirnseite der Elektroden an, mit dem Ergebnis, dass die Regionen an der Rückseite der Elektroden gegen den Lichtbogen abgeschirmt sind, d. h. nicht von aktivem Jod bespült werden und sich daher rasch schwärzen.
Eine weitere im Rahmen der Erfindung notwendige Bedingung besteht darin, dass die verwendeten Halogene bzw. Halogenide auf Jod bzw. ein Jodid beschränkt werden. Es ist an sich möglich, auch mit andern, stärker aktiven Halogenen, wie Brom und Chlor, einen Regenerationszyklus der erläuterten Art herbeizuführen. Tatsächlich lässt sich mit diesen stärker aktiven Halogenen der Regenerationsvorgang sogar günstiger und unter Umständen mit weniger Einschränkungen hinsichtlich der geometrischen Gestalt der Lampe erzielen. Anderseits ergibt sich aber hiebei die Schwierigkeit, dass die Elektroden einer raschen Erosion unterliegen. Infolgedessen ändern die Elektroden ihre Gestalt und die Lampe hat daher keine gro- sse Lebensdauer, u. zw. nicht etwa infolge einer Schwärzung des Hüllgefässes, sondern infolge einer Zerstörung der Elektroden.
Das für den Wolfram-Jod-Regenerationszyklus erforderliche Jod kann durch Dissoziation eines ausgewählten Jodsalzes oder aber durch Zusatz einer relativ kleinen, die Stabilität der Elektroden nicht gefährdenden Menge freien Jods zur Verfügung gestellt werden. Unabhängig davon, ob ein dissoziierendes Jodsalz oder ein Zusatz an freiem Jod angewendet wird, wird die chemische Reaktivität, die auf das Vorhandensein von dissoziiertem Jod zurllckzugehen scheint, im Lichtbogen oder durch dessen Wirkung erzeugt. Eine Glimmzone um den Kern des Lichtbogens ist ein Anzeichen für diese Reaktivität und bei einer im Sinne der Erfindung richtig ausgebildeten Lampe soll die Entladungskammer so bemessen sein, dass die Glimmzone oder Aureole des Lichtbogens sich praktisch über die gesamte Wandung des Hüllgefässes erstreckt.
Die Grösse der Entladungskammer hängt bei jeder Lampe von verschiedenen Veränderungen ab, insbesondere von dem für das Entladungsmedium ausgewählten besonderen Metallhalogenid, vom gegenseitigen Abstand der Elektroden und von der Leistungsdichte bzw. der Volumskonzentration der elektrischen Eingangsleistung.
Bei den älteren Vorschlägen zur Verwendung von Halogensalzen des metallischen Elementes als Entladungsmedium wurde bei der Auswahl des metallischen Elementes hauptsächlich von dem atomaren Spek- trum ausgegangen das durch das betreffende Metall der vom Lichtbogen emittierten Strahlung hinzugefügt werden sollte. Elemente mit einer grossen Anzahl von eng benachbarten Spektrallinien, besonders solchen, die über den gesamten sichtbaren Bereich verteilt sind, wurden bevorzugt, wahrscheinlich deshalb, weil
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das von ihnen emittierte Licht sich einem kontinuierlichen Spektrum nähert, das im allgemeinen für Be- leuchtungszwecke vorgezogen wird.
Eine wichtige Überlegung im Rahmen der Erfindung besteht nun darin, dass als Hauptbestandteil des Entladungsmediums ein Metalljodid ausgewählt wird, das während des Lam- penbetriebes mit den Elektroden und mit dem Material des Hüllgefässes verträglich ist. Hinsichtlich der
Verträglichkeit mit den Elektroden darf das Metall des Jodsalzes nicht in Reaktion mit den Elektroden tre- ten oder mit diesen in solchem Ausmass eine Legierung bilden, dass deren Schmelzpunkt wesentlich ab- gesenkt wird. Hinsichtlich des Hüllgefässes darf das betreffende Metall das Material des Hüllgefässes nicht angreifen oder sonstwie schädlich beeinflussen.
Beispielsweise haben Metalle der 6.-8. Gruppe des periodischen Systems im allgemeinen hohe Siede- punkte und/oder sie bilden instabile Jodide. Ohne extremen Überschuss an freiem Jod kann daher bei ho- hen Temperaturen nur ein einen Bruchteil einer Atmosphäre betragender Partialdruck des Jodids aufrecht- erhalten werden. Andernfalls werden die Metalle rasch an den geschmolzenen Wolframelektroden abge- schieden, wobei auch der Schmelzpunkt der Elektroden gewöhnlich stark absinkt. Aus diesem Grunde
Können nur geringe Spuren solcher Metalle geduldet werden.
Hinsichtlich der Verträglichkeit des gewählten Metalls mit der Gefässwandung bei den in Betracht kommenden hohen Temperaturen soll das Metall des Jodids kein Oxyd mit einer freien Bildungsenergie (je Atom auf der Basis des Sauerstoffgehaltes) bilden, die kleiner ist als die freie Bildungsenergie des Ma- terials der Gefässwandung innerhalb des in Betracht kommenden Temperaturbereiches, beispielsweise von 500 bis 20000 K, wenn für das Material des Hüllgefässes ein Oxyd, wie Siliziumdioxyd oder Aluminium- oxyd, angewendet wird. Andernfalls hat das Metall die Tendenz, mit der Gefässwandung in Reaktion zu treten und ein Oxyd des Metalls sowie Siliziumjodid (im Falle eines Quarzglasgefässes) zu bilden.
So bilden die Metalle Indium, Gallium und Thallium sehr stabile Jodide und anderseits Oxyde, die weniger. stabil als Siliziumdioxyd sind ; sie sind daher bei Hüllgefässen aus Siliziumdioxyd oder Aluminiumoxyd besonders gut verwendbar. Die Jodide der Metalle/. mn, Antimon und der Alkalimetalle, wie Natrium, Kalium, Lithium, Rubidium und Cäsium, sind zwar für Quarzglaslampen mit relativ kleiner Lebensdauer verwendbar, wobei sie in einigen Fällen sehr hohe Lichtausbeuten zeigen, können aber nicht für längere Betriebszeiten in Lampen mit Hüllgefässen aus Aluminiumoxyd verwendet werden.
In Lampen gemäss der Erfindung bestehen die Elektroden aus Wolfram und die Hüllgefässe aus einem hitzebeständigen Material, wie Quarz oder polykristallinem Aluminiumoxyd hoher Dichte. Von den mit den Wolframelektroden und den Quarzgefässen (die derzeit für bei hohen Temperaturen betriebenen Lampen am günstigsten sind) verträglichen Jodiden haben sich die Jodide von Gallium, Indium und Thallium am besten bewährt. Wenn Gallium- oder Indiumjodide oder Gemische davon verwendet werden, so empfiehlt es sich, eine kleine Menge an freiem Jod hinzuzufügen, um die Ausbildung metallischer Niederschläge an der Kolbenwandung zu vermeiden. Mit Gallium- und Indiumjodidgemischen kann eine ganze Reihe von Farben erzeugt werden, die dem weissen Licht relativ nahekommen.
Lampen gemäss der Erfindung zeichnen sich durch eine sehr wirksame Erzeugung sichtbarer Strahlung hoher Intensität als Folge einer sekundären Lichtemission in einer Glimmlicht-Aureole durch Absorption von ultravioletter Energie aus, die im Kern des Lichtbogens erzeugt wird. Die Glimmlicht-Aureole wird dadurch die für den Hauptanteil der emittierten Strahlung wesentliche Strahlungsquelle. Dieses Phänomen tritt besonders bei Gallium- und Indiumjodiden auf und die Farbe des erzeugten Lichtes steht in enger Beziehung zu der Farbe des betreffenden Jodiddampfes bei hohen Temperaturen. Zinn- und Antimonjodide zeigen diese Eigenschaft sogar noch in grösserem Ausmass als Gallium-und Indiumjodide, doch sind diese Metalle weniger verträglich mit Quarz.
Thalliumjodid bildet unter ähnlichen Bedingungen einen weniger intensiv gefärbten Dampf und erzeugt neben einem weniger ausgeprägten Kontinuum eine vorwiegend grüne Strahlung. Wenn Thallium im Jodsalz mehrwertig gebunden ist, so ist zur Sicherung des erläuterten Regenerationszyklus kein Zusatz an freiem Jod erforderlich. Thalliumjodsalze mit mehrwertiger Bindung von Thallium können mit Gallium- oder Indiumjodid in sehr verschiedenen Anteilen kombiniert werden, um den GrUngehalt des emittierten Lichtes zu erhöhen und-bei Verwendung eines erheblichen Prozentsatzes an Thalliumjodid, beispielsweise mit 1 Gew. % Thallium auf 3 Gew. o Indium - das Erfordernis eines Zusatzes an freiem Jod zu beseitigen.
Im Hinblick auf den erläuterten Jod-Regenerationszyklus, durch welchen schädliche Auswirkungen der Elektrodenzerstäubung verhindert werden, ist es möglich, die Elektroden thermisch stärker zu belasten und dadurch ihre Abmessungen klein zu halten. Die Elektroden werden vorzugsweise in Form vonkurzen, dünnen Stiften aus hitzebeständigem Material, insbesondere Wolfram, ausgeführt. Die Elektroden sollen
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Stromdichten treten so hohe Temperaturen auf, dass die Enden der Elektroden beim Lampenbetrieb nach dem Zünden schmelzen und eine kugelige Gestalt annehmen. Die so erhaltenen kleinen kugeligen Elek- trodenendteile erweisen sich beim weiteren Betrieb der Lampe besonders vorteilhaft, weil sie selbst nach längerer Betriebszeit keine unerwünschten Deformationen erleiden.
Die Lampe kann dauernd mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden. In gleicher Weise ist sie aber auch für impulsmässigen Betrieb ge- eignet, und sie kann dann, wie an sich bekannt, für kurze Zeit stärker belastet werden als beim Dauer- betrieb, wodurch eine noch höhere Lichtausbeute erreichbar ist. Die Lampe hat ferner den grossen Vor- teil, dass sie in jeder beliebigen Lage betrieben werden kann.
Eine praktische Ausführungsform einer Metalljodid-Bogenlampe gemäss der Erfindung ist in den
Fig. 2a-2c dargestellt. Die Lampe 11 hat ein im allgemeinen röhrenförmiges Hüllgefäss 12, das aus einem dickwandigen, ursprünglich zylindrischen Quarzglasrohr besteht. Die Enden des Quarzglasrohres sind zu
Quetschfüssen verformt und umschliessen Molybdän-Zuleitungsdrähte 13, deren innere Enden 13a abge- flacht und luftdicht in den Quetschfüssen verankert sind. Infolge des Quetschvorganges nehmen die Enden des Quarzrohres einen im allgemeinen rechteckigen Querschnitt 14 an, wie am besten in Fig. 2b erkenn- bar ist. An die abgeflachten Endteile 13a der Zuleitungsdrähte aus Molybdän sind kurze Wolframdraht- stücke 15 angeschweisst, die in die Entladungskammer hineinragen.
Diese Wolframdrähte, welche die
Elektroden bilden, haben einen konisch verjüngten Teil 16, der unmittelbar in der Nähe eines kugeli- gen Elektrodenendteiles 17 seinen kleinsten Durchmesser hat. Die Lampe wird evakuiert, worauf das Ent- ladungsmedium durch den seitlichen Pumpstutzen eingeführt wird, der nachträglich, wie bei 18 angedeu- tet ist, abgeschmolzen wird. In der Zeichnung ist die Lampe 1 in übertriebener Grösse dargestellt. In der
Praxis kann sie etwa 5 cm lang sein, wobei dann die Entladungskammer selbst ungefähr 12 mm lang ist und einen Durchmesser von 4 mm hat.
Die Lampe ist mit einer Füllung aus einem iunLierbaren Medium versehen, das ein Metalljodid ent- hält, welches während des Lampenbetriebes etwas freies oder dissoziiertes Jod liefert. Beispielsweise kann die Füllung aus einem inerten Zündgas, wie Argon, Krypton oder Xenon mit einem Druck von 10 bis 100 mm Fog-Säule, insbesondere Argon mit einem Druck von 40 mm Hg-Säule, und aus einem geeigneten Metalljodid bestehen, das in hinreichender Menge vorhanden sein muss, um bei der angenommenen Belastung od-r Volumskonzentration der elektrischen Eingangsleistung und der davon abhängigen Temperatur des Hüllgefässes den gewünschten Betriebsdruck sicherzustellen.
Bei der Lampe nach Fig. 2 sollen die Elektroden mit geschmolzenen kugelförmigen Endteilen arbeiten. Die Lampe wird ursprünglich unter Verwendung von Wolframdrahtelektroden 15 hergestellt, die einen sich verjüngenden Teil 16 haben, welcher in eine Spitze 19 (Fig. 2c) ausläuft. Bei der erstmaligen Inbetriebnahme der Lampe wird der zugespitzt Endteil der Elektroden geschmolzen. Bei zunehmender Temperatur schmilzt der Endteil derWolframelektroden weiter zurück und bildet eine Kugel 17 aus geschmolzenem Wolfram, deren Durchmesser sich allmählich vergrössert. Während des Rückschmelzens des Elektrodenendes zwecks Ausbildung eines Kugelteiles vorgegebener Grösse vergrössert sich unvermeidlich die Bogenlänge bzw. der Abstand zwischen den Elektroden.
Wenn daher Elektroden mit relativ grossen kugeligen Endteilen in Verbindung mit einem relativ geringen Elektrodenabstand erwünscht sind, so kann es sich als notwendig erweisen, zumindest teilweise, entsprechend der gewünschten Endgestalt, vorgefertigte Elektroden zu verwenden.
Die Fig. 3a und 3b zeigen eine pumpstengellose Ausführungsform einer erfindungsgemässen Metalljodid-Bogenlampe 1ür sehr hohen Druck. Das Hüllgefäss der Lampe 21 wird durch Ansetzen zweier Rohrstücke 22 mit kleiner Bohrung an den Enden eines dickwandigeren Rohrstückes 23 mit einer grösseren, die Entladungskammer bildenden Bohrung hergestellt. Die Wolframelektroden 24 werden in üblicher Weise. an Zuleitungsdrähten 25 aus Molybdän befestigt, die abgeflachte Endteile aufweisen, welche durch Erhitzen derQuarzgIasrohrstücke 22 und Zusammendrücken derselben luftdicht inQuetschfüssen eingebettet werden.
Zur Herstellung der Lampe werden zunächst die Quarzglasrohrstücke 22 mit dem Mittelstück 23 verbunden, sodann werden die von den Zuleitungsdrähten und den Elektroden gebildeten Einheiten in die Quarzglasrohrstücke 22 eingesetzt und hernach wird eines der Rohrstücke 22 erhitzt und um den abgeflachten Endteil des zugeordneten Zuleitungsdrahtes zusammengeschnürt, so dass sich ein luftdichter Verschluss ergibt. Die Lampe wird sodann vom andern Rohrstück her ausgepumpt und schliesslich wird das Füllgas, das beispielsweise aus einem inerten Zündgas und einem Metalljodid zusammengesetzt ist, durch das zweite Rohrstück 22 eingeführt. Dieses Quarzglasrohrstück wird sodann ebenfalls erhitzt und gegen den abgeflachten Endteil des zugeordneten Zuleitungsdrahtes gedrückt, wodurch die Lampe verschlossen wird.
Auf diese Weise wird eine Entladungslampe mit einem vollkommen zylindrischen Mittelteil als Entladungskammer erhalten. Diese Bauweise hat den Vorteil, dass einerseits die kühle Stelle vermieden wird, welche sich an der Abschmelzstelle eines seitlichen Pumpstengels ausbildet, und anderseits auch die optische Verzerrung,
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welche durch einen solchen Pumpstense] vernrsacltt wird.
Fig. 4 zeigt eine Lampe 31 mit einem der Lampe 21 nach Fig. 2 ähnlichen Aufbau, bei der aber als Mittelteil ein Quarzglaskörper 32 mit einer weiteren Bohrung verwendet wird und an die Enden dieses Quarzglaskörpers Quarzröhrchen 33 mit kleinerer Bohrung angeschmolzen sind, in welchen die Elektroden 34 luftdicht eingebettet sind. Die Elektroden 34 sind kleine Wolframstifte ; die Lampe wird mit einer Watt- lmtung oder Volumskonzentration der Eingangsleistung betrieben, bei welcher die Enden der Elektroden eine Temperatur annehmen, die nahe dem Schmelzpunkt von Wolfram liegt. ohne-lass aber die Elektrodenenden tatsächlich schmelzen.
Gemäss der Fig. 5 besteht das Entladungsgefäss 35 aus einem Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 3, 5 mm und einem Aussendurchmesser von 11 mm. An den Enden des Hüllgefässes sind Elektroden 36 bzw. S ? aus Wolfram vorgesehen. Die Elektroden 36 und 37 sind mit Hilfe von eingeschmolzenen Flachteilen 38 bzw. 39 an die Zuleitungen 40 bzw. 41 angeschlossen. Der Elektrodendurchmesser beträgt etwa 0, 6 mm, der Elektrodenabstand 17 mm.
Diese Lampe wird in Reihe mit einer Dropjle an- : 20 V angeschlossen. Die Betriebsspannung an der Lampe beträgt 105 V, der Betriebsstrom etwa 10 A und die eingangsseitige Wattleistung daher etwa 1000 Watt. Die Lampe hat eine positive Charakteristik. Die Volumskonzentration der Eingangsleistung oder Leistungsdichte liegt für zylindrische Lampen bei etwa 6000 W/cm3 und ist sehr hoch. Die Stromdichte liegt bei etwa 100 A/cm, bezogen auf den Querschnitt des Hullgefässes. Die Lampe enthält als Grundgas Helium mit einem Fülldruck von 50 mm Hg- räule und ferner eine gewisse Menge an Indiumjodid. Der Betriebsdruck der Lampe beträgt 5 at. Die Lampe wird mit Luft gekühlt.
Das Spektrum der Lampe zeigt ein starkes Kontinuum, das sich über den gesamten sichtbaren Spektralbereich erstreckt, und erfüllt somit die Voraussetzur g für die Lieferung weissen Lichtes mit guter Farbwiedergabe, Die erhaltene Lichtmenge beträgt 90 000 Lumen ; demnach hat die Lampe eine Lichtausbeute von 90 L/W.
Während Lampen gemäss der Erfindung schon in Ausführungen mit kleiner Leistung sehr ergiebig sind, bedeutet es einen Vorteil, dass sie auch für grössere Leistungen ausgelegt werden können, indem bloss die Länge der kleinen Röhre und in entsprechender Weise auch die Betriebsspannung erhöht werden.
In den kleinen, kompakten Lampen gemäss der Erfindung ist die Menge an Metalljodid je Längeneinheit hinsichtlich der Farbe der Strahlung, die erzeugt wird, nicht allzu sehr vom Durchmesser der Lampenbohrung abhängig, weil die Opazität des Gases von der Anzahl der Moleküle abhängt, die von der Strahlung durchsetzt werden, und weniger von der Länge des von der Strahlung dabei durchlaufenen Weges. Beispielsweise liegen bei Lampen, welche Indiumjodid enthalten, die günstigen Mengen im Bereich
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1Lampe.
Bei Lampen, deren Innendurchmesser kleiner als 1 cm ist und die eine geringere angegebene Menge an Metalljodid, d. h. etwa 1. 10-6 g Molekulargewicht je cm Länge, vollständig im Dampfzustand enthalten, ist der Sira)) lung < anteilder atomaren Linien im sichtbaren Bereich bereits der geringere Teil der gesamten sichtbaren Strahlung. In diesem Bereich übertrifft das integrierte sichtbare Kontinuum die Li-
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te des verwendeten Salzes, d. h. bei Violett für Gallium, bei Blau für Indium und bei Grün und Ultraviolett für Thallium.
Die Linienstrahlung nimmt mit zunehmendem Druck oder zunehmender Jodidmenge ab und in den höheren Werten dieser Grössen besteht die Strahlung hauptsächlich aus einem Kontinuum mit einer der Strahlung eines schwarzen Körpers entsprechenden Spektralverteilung, die keine merkliche Feinstruktur hat. Die auf das Metall zurückgehenden Resonanzlinien haben eine Umkehr erfahren. Das JodRekombinationsband kann im analysierten Spektrum erkennbar sein und ebenso relativ schwache Linien, die auf Natriumspuren zurückgehen.
In Quecksilberdampflampen kann nur bei extrem hohem Druck eine Ähnlichkeit der erzeugter Strahlung mit der Strahlung eines schwarzen Körpers erzielt werden. Es ist anzunehmen, dass in Lampen gemäss der Erfindung die vorherrschenden Effekte durch die Ausnutzung der Strahlungseigenschaften von bei hohen Temperaturen stabilen gefärbten Gasen zustandekommen.
Das Diagramm nach Fig. 7 stellt die Leuchtdichte B in Abhängigkeit von der spezifischen Lampenbelastung in Watt je cm Länge des Lichtbogenspaltes zwischen den Elektroden für eine typische Lampe gemäss der Erfindung dar. Die gemessene Lampe hatte einen der Fig. 3a ähnlichen Aufbau und war als konzentrierte Quelle eines ausgeglichenen weissen Lichtes mit grosser Leuchtdichte ausgebildet. Sie hatte ein Quarzglasgefäss 23 mit 3 mm Innendurchmesser, 11, 5 mm Aussendurchmesser und einer 16 mm langen Entladungskammer. Die Wolframelektroden 24 hatten einen Durchmesser von 0, 65 mm und kugelige Endteile mit einem Durchmesser von 1 mm, deren gegenseitiger Abstand 11, 5 mm betrug.
Das Hullge- fäss war mit Xenon unter einem Druck von 70 mm Hg-Säule gefüllt und enthielt 0, 39 mg Indium, das
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vollständig an Jod gebunden war sowie ferner 0,3 mg überschüssiges freies Jod.
Die Unstetigkeit der die Lichtdichte und die Lichtausbeute darstellenden Kurven B bzw. E in Fig. 7 geht darauf zurück, dass die Lampe im Belastungsbereich zwischen 400 und 1000 W/cm (bezogen auf die
Bogenlänge) durch einen sanften Luftstrom gekühlt wurde, der ausreichend war, um einen Dauerbetrieb der Lampe bei 1000 W/cm Belastung ohne Ausbauchen des Hüllgefässes zu gewährleisten. Bei Belastung unter 400 W/cm wurde die Lampe mit natürlicher Konvektionskühlung betrieben.
Die Kurven E und B lassen erkennen, dass sowohl die Lichtausbeute als auch die Lichtdichte bei forcierter Kühlung abnehmen, was zu erwarten war, doch können nichtdestoweniger die grösste Lichtausbeute und die grösste Leuchtdich- te bei den höchsten Belastungen erzielt werden, wo eine forcierte Kühlung notwendig ist, um ein Aus- bauchen des Hüllgefässes zu vermeiden. Bei Verwendung eines Hüllgefässmaterials, das noch hitzebestän- diger als Quarzglas ist, wie beispielsweise Aluminiumoxyd, kann natürlich die forcierte Kühlung entfal- len, was zu einer noch grösseren Leuchtdichte und Lichtausbeute führt. Die von der Kurve B angegebenen
Leuchtdichtewerte stellen Mittelwerte dar, die längs einer geraden, die Elektroden verbindenden Linie an einem Projektionsbild der Lampe gemessen wurden.
Bei einem Leistungsverorauch von 1100 W wurde diese Lampe mit einer Leistungsdichte von Hs & u W/cm" (bezogen auf das gesamte Innenvolumen) bzw. von 1100 W/cm2 (bezogen auf die innere Hüllgefässfläche zwischen denElektrodenenden) sowie bei einer Stromdichte von 1350 A/cm2 (bezogen auf den Querschnitt des Hüllgefässes) und einem Spannungsgradienten von 127 V/cm, einschliesslich des Spannungsabfalles an den Elektroden, betrieben.
Fig. 6 lässt das ausgeglichene weisse Licht erkennen, das von dieser Lampe bei einem Leistungsverbrauch von 1000 W geliefert wird. Ein charakteristisches Merkmal von Lampen, die gemäss der Erfindung mit hohen Leistungsdichten betrieben werden und die dargestellte Spektralverteilung liefern, ist die Umkehr und Verbreiterung der Resonanzlinien von Indium bei 451, 1 Millimikron (4511 ) und bei 410, 1 Millimikron (4101 A).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrische Hochdruck-Metalldampfentladungslampe mit einem röhrenförmigen Hüllgefäss aus hitzebeständigem, lichtdurchlässigem Material und zwei nahe den beiden Enden des Hüllgefässes angeordneten dünnen Wolframelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllgefäss eine verdampfbare Metalljodidmenge enthält und die Lampe mit einer Wandbelastung von mehr als 40 W/cm2 betrieben wird.