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Elektrische Gasentladungslampe
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Gasentladungslampen mit hoher Lichtausbeute, Insbesondere betrifft die Erfindung Lampen, deren Licht von einem Lichtbogen emittiert wird, welcher in einer
Atmosphäre aus verdampftem Quecksilber und zumindest einem verdampften Metallhalogenid arbeitet.
Quecksilberbogenlampen haben sich in der Beleuchtungstechnik wegen ihrer langen Lebensdauer und ihrer hohen Lichtausbeute weitgehend durchgesetzt. Ein grosser Nachteil von Quecksilberbogenlampen liegt jedoch darin, dass sie ein bläulich-grünes Licht emittieren, das vom menschlichen Auge unangenehm empfunden wird und sich für Beleuchtungszwecke wegen seiner ungünstigen Spektralverteilung nicht so gut wie weisses Licht eignet. Überdies wird ein Teil der zugeführten elektrischen Leistung zur Erzeugung von ultraviolettem Licht verbraucht und geht daher für Beleuchtungszwecke verloren. Dieser und andere Leistungsverluste beschränken die Lichtausbeute der gegenwärtig handelsüblichen Quecksilberbogenlampen auf ungefähr 55 Lumen je Watt im Lichtbogen.
Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, verbesserte Bogenlampen zu schaffen, die eine hohe Lichtausbeute, also einen guten Wirkungsgrad haben, eine angenehme bzw. günstige Spektralverteilung der Strahlung aufweisen und nur geringen Verlusten durch ultraviolette Strahlung unterliegen. Ferner sollen durch die Erfindung einzeln oder zu mehreren die folgenden Aufgaben gelöst werden :
Es soll bei Bogenlampen die Lichtausbeute erhöht werden, ohne dass sich dadurch eine Einbusse an erwünschten Strahlungseigenschaften der Lampen ergibt. Die Bogenlampen sollen eine angenehme, dem weissen Licht nahekommende Strahlung liefern, ohne dass dazu in die Lampe zusätzliche lichtemittierende Einrichtungen eingebaut werden müssen. Die Lampen sollen alternativ bei hoher Lichtausbeute Licht mit einer vorgegebenen Farbe liefern.
Ferner sollen verbesserte Betriebsarten für Bogenlampen angegeben werden, um für die betreffenden Lampen die günstigste Kombination von Emissions- und Lichtausbeutewerten zu erzielen. Schliesslich sollen verbesserte Lampen geschaffen werden, die sich für allgemeine Beleuchtungszwecke eignen, hohen Wirkungsgrad haben, eine angenehme weisse oder dem weissen Licht nahekommende Strahlung liefern und leicht und billig herstellbar sind.
Eine gemäss der Erfindung ausgebildete Bogenlampe hat ein luftdicht abgeschlossenes Hüllgefäss, das zwei nicht flüssige Bogenelektroden, eine hinreichende Menge eines gut ionisierten Gases zur Einleitung einer Gasentladung bei Anlegen der Betriebsspannung, eine während des Betriebes zur Erzeugung einer heissen Quecksilberbogenentladung vollständig entdampfte Quecksilbermenge und einen Zusatz aus wenigstens einem verdampfbaren Metallhalogenid enthält. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das Hüllgefäss der Lampe bezüglich der Elektroden so angeordnet, dass der kälteste Gefässteil während des Lampenbetriebes stets heiss genug ist, um zu gewährleisten, dass eine wirksame Menge des Metallhalogenids verdampft wird und in der Dampfphase verbleibt.
Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung sind innerhalb des Hüllgefässes zwei oder mehr Metallhalogenide vorhanden.
Vorzugsweise befindet sich im Hüllgefäss eine Überschussmenge an Halogeniden, um einer Erschöpfung
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das Halogenids vorzubeugen.
Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung, u. zw. sowohl hinsichtlich des Aufbaues als auch hinsichtlich der Betriebsweise der erfindungsgemässen Lampen, gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung hervor. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Lampe in
Ansicht, wobei Teile des Hüllgefässes weggebrochen sind, um den Innenaufbau der Lampe freizulegen.
Das Diagramm nach Fig. 2 lässt die bei der erfindungsgemässen Lampe gegenüber üblichen Quecksilber- bogenlampen erzielte Erhöhung der Lichtausbeute nach einer Betriebsdauer von 1000 Stunden erkennen.
Fig. 3 zeigt in einem ähnlichen Diagramm die mit andern erfindungsgemässen Lampen erzielbare Erhöhung der Lichtausbeute.
Die inFig. 1 dargestellte, gemäss der Erfindung aufgebaute Lampe hat ein erstes, ausseres lichtdurchlässiges Glasgefäss zo indem sich ein zweites. inneres lichtdurchlässiges Gefäss 2 befindet. Das Gefäss 2 enthält zwei einander gegenüberliegend angeordnete nicht flüssige Bogenelektroden 3 und 4 und eine Zündelektrode 5, die sich in unmittelbarer Nähe einer der Bo genelektroden, im dargestellten Falle der Elektrode 3. befindet.
Am unteren Ende des Innengefässes 2 ist eine Charge 6 angeordnet, die aus Quecksilber und einem Zusatz eines Metallhalogenids besteht. Das Gefäss 2ist innerhalb des Aussengefässes 1 mittels eines Gestänges 7 aufgehängt, das aus zwei vertikalen Aufhängestäben 8 besteht, zwischen denen mehrere Brückenglieder 9 verspannt sind, welche die eingeschnürten Endteile 10 des Gefässes 2 festhalten. Der mit der Bogenelektrode 4 verbundene Zu- leitungsdraht 11 durchsetzt das obere Ende 10 des Gefässes 2, während der mit der Bo genelektrode 3 verbundene Zuleitungsdraht 12 durch das gegenüberliegende Ende 10 dieses Gefässes geführt ist. Ein dritter, mit der Zündelektrode 5 verbundener Zuleitungsdraht 13 ist durch das gleiche Ende des Innengefässes 2 wie der Zuleitungsdraht 12 geführt.
Der Zuleitungsdraht 11 ist über einen der Aufhängestäbe 8 mit einer Eingangsleitung 14 verbunden, während der Zuleitungsdraht 12 an eine zweite Eingangsleitung 15 angeschlossen ist. Die Zündelektrode 5 ist über den Zuleitungsdraht 13 und einen einen Spannungsabfall bewirkenden Widerstand 16 an die Eingangsleitung 14 angeschlossen. Die Eingangsleitungen 14 und 15 sind luftdicht durch den Quetschfuss 17 des eingestülpten Endteiles 18 des Aussengefässes 1 geführt und mit zugeordneten Kontaktteilen des Lampensockels 19 verbunden.
Das Aussengefäss der Lampe nach Fig. 1 kann aus geeignetem Glas hergestellt werden und dient dazu, die wirksamen Teile der Lampe in eine Schutzatmosphäre einzuschliessen, um so eine Oxydation bei hohen Temperaturen zu verhindern. Das Innengefäss 2 besteht vorzugsweise aus Quarz oder einem andern lichtdurchlässigen Material, das befähigt ist, den an der Innenwand auftretenden hohen Temperaturen in der Grössenordnung von wenigstens 600 bis 12000 C standzuhalten. Die Bogenelektroden 3 und 4 bestehen aus nicht flüssigem Material, nämlich aus hitzebeständigen Metallteilen, die befähigt sind, den hohen Temperaturen an den Fusspunkten des Lichtbogens standzuhalten. Vorzugsweise werden die Elektroden 3 und 4 aus Wolfram hergestellt und durch einen Aktivierungsstoff, wie metallisches Thorium, auf hohe Emissionsfähigkeit für Elektronen gebracht.
Bei einer günstigen (in der Zeichnung angedeuteten) Bauweise wird als Elektrode ein Stab aus Wolfram mit einer Thoriumauflage verwendet,
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genids eines Metalles mit hinreichend niedriger Austrittsarbeit anfänglich auch nicht aktiviert sein. Die Zündelektrode 5 besteht zweckmässig aus Wolfram. Die inneren Stützglieder, einschliesslich der Aufhängestäbe 7, werden zweckmässig aus Nickel, rostfreiem Stahl od. dgl. hergestellt. Im Raum innerhalb des Innengefässes 2 befindet sich eine geeignete Menge eines nicht reagierenden ionisierbaren Gases, etwa eines Edelgases, die ausreicht, um bei Anlegen der Betriebsspannungen an die Elektroden 3 und 4 und an die Zündelektrode 5 das Auftragen eines Gasentladungsbogens sicherzustellen.
Diese Füllung ist bei Quecksilberbogenlampen üblich ; beispielsweise kann hiefür Argon unter einem Druck von etwa 15 mm Hg-Säule verwendet werden.
Die Charge 6 enthält eine so grosse Quecksilbermenge, dass bei vollständiger Verdampfung des Quecksilbers während des Betriebes der Bogenlampe im Innengefäss ein Druck entsteht, der über 1 at liegt und normalerweise bis 15 at betragen kann. Dies führt zu dem charakteristischen Strahlungsspektrum von Quecksilber. Ferner enthält die Charge 6 eine so grosse Menge eines Metallhalogenids, dass nach vollständiger Verdampfung des Quecksilbers unter der Voraussetzung, dass sich der kälteste Teil der Innenwandung des Gefässes 2 auf einer über ungefähr 6000 C liegenden Temperatur befindet, eine wirksame Menge des Metallhalogenids verdampft wird und in der Dampfphase verbleibt.
Unter einer wirksamen Menge von Halogenid in Dampfphase ist eine Menge zu verstellen, die ausreicht, um im Innengefäss 2 einen Partialdruck von ungefähr 10-3 bis 103 mm Hg-Säule verdampftes Halogenid zu erzeugen ; um maximale Lichtausbeuten zu erreichen, empfiehlt sich die Anwendung eines Halogenidpartialdruckes im Bereich von 1 bis 200 mm Hg-Säule.
Die günstigste Halogenidmenge hängt vom Dampfdruck und vom jeweils
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gemeinen keine besondere Regelung erforderlich ; der Bestandteil bzw. die Bestandteile mit- höheren Dampfdrücken werden in das Gefäss meist in kleinen Mengen eingebracht, wobei angenommen werden kann, dass diese Bestandteile bei der Betriebstemperatur, die erforderlich ist, um eine wirksame Menge des Bestandteiles mit dem niedrigsten Dampfdruck zu verdampfen, zur Gänze verdampft werden.
Als Beispiel für diesen Abgleich sei für eine 400 W Lampe mit einem Innengefässvolumen von 25 cm3 und einem Elektrodenabstand von 7,5 cm folgende Füllung angegeben :
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<tb>
<tb> 15 <SEP> mm <SEP> Argon,
<tb> 80 <SEP> mg <SEP> Quecksilber,
<tb> 5 <SEP> mg <SEP> Thallium- <SEP> (I)-Jodid, <SEP>
<tb> 40 <SEP> mg <SEP> Natriumjodid,
<tb> 50 <SEP> mm <SEP> Jod.
<tb>
In diesem Gemisch hat Thallium- (I)-Jodid einen höheren Dampfdruck als Natriumjodid und es soll das gesamte Thallium- (I)-Jodid verdampft werden.
Die maximale Lichtausbeute von ungefähr 100 Lumen je Watt wurde für diese Lampe bei einer Aussenwandtemperatur des Innengefässes von 8500 C (entsprechend einer Innenwandtemperatur von unge- fähr 9000 C) erreicht. Bei dieser Temperatur betrug der Partialdruck von Thallium- (1) -Jodid ungefähr
100 mm Hg-Säule und der Partialdruck von Natriumjodid ungefähr 10 mm Hg-Säule. Der Partialdruck des Quecksilbers betrug ungefähr 4 at.
Beim Betrieb von erfindungsgemässen Bogenlampen ist es von grösster Bedeutung, dass das Quecksil- ber in relativ kleinen Mengen vorhanden ist, so dass die gesamte Quecksilbermenge verdampft. Dies ist darauf zurückzuführen, dass es wesentlich ist, die gesamte Wandung des Innengefässes, insbesondere die gesamte exponierte Innenwandung des Gefässes 2 der Lampe nach Fig. 1, auf eine Temperatur über 6000 C, vorzugsweise auf eine Temperatur von 750 bis 12000 C, zu bringen. Hiedurch wird gewährleistet, dass die Temperatur des kältesten Wandungsteiles genügend hoch ist, um eine ausreichende Menge des innerhalb des Gefässes vorhandenen Metallhalogenids zu verdampfen, wodurch erst die mit der Erfindung angestrebten Verbesserungen erzielt werden.
Wenn im Hüllgefäss zu viel Quecksilber vorhanden ist, so dass nicht die gesamte Quecksilbermenge verdampft, wie dies beispielsweise bei Verwendung eines Quecksilbersumpfes für eine Elektrode der Lampe der Fall ist, so steigt die Temperatur zumindest eines Teiles der Gefässwandung, nämlich des in der Nähe des Quecksilbersumpfes liegenden Teiles, falls nicht ein prohibitiv hoher Druck des Quecksilberdampfes von weit über 15 at angewendet wird, nicht über den Siedepunkt des Quecksilbers beim angewendeten Druck an.
Die maximale Temperatur des Quecksilbersumpfes und demgemäss der benachbarten Teile der Gefässwandung würde unter diesen Bedingungen der Gleichgewichtstemperatur für Quecksilber beim vorhandenen Druck entsprechen, und bis zu Drücken, bei welchen Lampen gemäss der Erfindung arbeiten, würde diese Temperatur nur wenig über 3550 C, dem Siedepunkt von Quecksilber bei Atmosphärendruck liegen. Diese Temperaturen genügen aber nicht, um eine Verdampfung einer hinreichenden Halogenidenge sicherzustellen bzw. eine hinreichende Halogenidmenge in der Dampfphase zu erhalten und so die richtige Arbeitsweise einer erfindungsgemässen Lampe sicherzustellen.
Unter den angegebenen Bedingungen würde Halogenid, das beispielsweise durch Berührung der Bogenfusspunkte verdampft, nur vorübergehend in der Dampfphase verbleiben und sich sodann am kältesten Punkt der Gefässwandung kondensieren, so dass lediglich der Quecksilberdampf als wesentliche, kontinuierliche lichtemittierende Quelleverbliebe, wogegen sich die Farbkorrektur nur auf eine Flimmerkomponente beschränken würde.
Es ist zwar schon. früher vorgeschlagen worden, der Ga3füllung einer Quecksilberbogenlampe bestimmte Metallhalogenide zuzusetzen, um der Blaukomponente der Strahlung des Quecksilberbogens Rotkomponenten hinzuzufügen und so eine Annäherung an weisses Licht zu erzielen, doch war bei den Lampen nach den älteren Vorschlägen für die eine Elektrode stets ein Quecksilbersumpf vorgesehen und der Betrieb erfolgte bei niedrigen Temperaturen und niedrigen Drücken, so dass weder eine kontinuierliche Farbkorrektur noch, was mehr ins Gewicht fällt, eine wesentliche Verbesserung der Lichtausbeute erzielt werden konnte.
Dies beruht darauf, dass der Zusatz von Metallhalogeniden be ; Quecksilberbogenlampen unter den bekannten Betriebsbedingungen nicht zu einer praktisch kontinuierlichen Lichtemission durch das Halogenid oder dessen Bestandteile führt, sondern nur zu einer kurzzeitigen, unregelmässigen flimmernden Beeinflussung der Emission des Quecksilberbogens.
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Soweit bei den bekannten Bogenlampen überhaupt eine Farbkorrektur auftrat, konnte sie nur wenige Stunden anhalten. Solange nämlich Quecksilber in flüssiger Form vorliegt, haben die Zusätze die Tendenz, die Dampfphase zu verlassen und mit dem Quecksilber zu reagieren, wobei sie aufgelöst oder mit dem Quecksilber vermischt werden, um schliesslich an den kältesten Wandungsteilen in der Nähe des Quecksilbersumpfes dauernd niedergeschlagen zu werden. Dieser Vorgang wird noch durch die Wirkung des Bogens begünstigt, der sich bevorzugt eine reine Quecksilberoberfläche aussucht, um so unter Energieeinsparung den Spannungsabfall auf einem Minimum zu halten.
Dieses Verhalten des Bogens verhindert ferner, dass allenfalls an der Oberfläche des Quecksilbers schwebende Zusätze in Berührung mit dem Bogen kommen, zumal an der Oberfläche des Quecksilbersumpfes durch stossartig verdampfendes Quecksilber ein Druckwind entsteht.
Gemäss der Erfindung werden im Gegensatz hiezu Metallhalogenide in einer Bogenentladungslampe verwendet, die unter Bedingungen betrieben wird, welche es ermöglichen, dass das Metallhalogenid verdampft und in der Dampfphase verbleibt, so dass es einen wesentlichen und wichtigen kontinuierlich lichtemittierenden Bestandteil der Lampenfüllung bildet, der zu einem grossen Teil zu der verbesserten Farbe und der erhöhten Lichtausbeute der erfindungsgemässen Lampen beiträgt.
Die erfindungsgemässen Lampen können als Mitteldrucklampen bezeichnet werden. Der Druck des Quecksilberdampfes (der stärkste Partialdruck) wird so eingeregelt, dass er im Bereich von mehr als 1 Atmosphäre bis ungefähr 15 Atmosphären liegt, was dadurch erreicht wird, dass in das Gefäss 2 eine Quecksilbermenge eingebracht wird, die nach vollständiger Verdampfung bei den im normalem Lampenbetrieb vorliegenden Temperaturen den gewünschten Druck liefert. Wenn die minimale Temperatur des Hüllge- fässes so herabgesetzt wird, so dass der Quecksilberdruck auf 1 Atmosphäre absinkt, dann genügt die Temperatur auch nicht mehr, um eine ausreichende Menge von Metallhalogenid zu verdampfen ilnd in der Dampfphase zu erhalten.
Würde anderseits der Quecksilberdruck etwa 15 Atmosphären und der Druck des Halogenids etwa 1 Atmosphäre überschreiten, dann würden der Bogen und das Hüllgefäss Temperaturen annehmen, bei denen sich bereits ein schädlicher Einfluss auf die Gefässwandung ergäbe. Diese Beeinflussung könnte zu einer Entglasung, Trübung oder zu einem Bruch des Gefässes führen. Überdies tritt bei
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spektrum des Metallatome des dissoziierten Halogenids auf, was zu einer Abnahme der Lichtausbeute führt. Die Linieninversion ist durch cine Verdunkelung des Mittelteiles der Spektrallinie und durch eine Verbreiterung der Linie gekennzeichnet. Eine massige Inversion der Spektrallinien ist zwar tolerierbar, doch sind intensive Inversionen, die sich in Lampen der geschilderten Art bei Halogeniddrücken von mehr als ungefähr 1 Atmosphäre ergeben, unerwünscht.
Eine intensive Inversion wird durch Absorption der emittierten Resonanzstrahlung seitens jener Metallatome des dissoziierten Metallhalogenids bewirkt, welche sich nicht in der Nähe des Mittelteiles des Bogens befinden, sowie durch eine nachfolgende, nicht strahlende Abregung der absorbierenden Atome. Die Inversion wird stärker, wenn die Dichte der nicht angeregten Metallatome zwischen dem Bogen und der Gefässwandung zunimmt.
Die letzten Parameter, von denen die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Lampen abhängt, sind die Dampfdichte innerhalb des Hüllgefässes, die Bogentemperatur und die Temperatur der Innenwandung des Hüllgefässes. Der erste dieser Parameter, nämlich die gesamte Dampfdichte, wird auf einen Wert in der Grössenordnung von 1 bis 18 bis 1020 Atome Dampf je cm3 gehalten und ist wichtig, um zu gewährleisten, dass die Bogeiitemperatur innerhalb des richtigen Temperaturbereiches gehalten werden kann, um ferner eine Wanderung ionisierter Elektronen zur Gefässwandung hin zu verhindern und um schliesslich (infolge zu hohen Dampfdruckes) eine Verbreiterung und eine Linieninversion zu vermeiden.
Der zweitgenannte Parameter, nämlich die Bogentemperatur, wird im Bereich von ungefähr 3000 bis 60000 C (in der Mitte der Bogensäule) gehalten, um zu gewährleisten, dass die Elektronen im Bogen eine hinreichende Energie haben, um die Metallatome der Halogenide zur Resonanzstrahlung und nicht zu einer unerwünschten Emission ausserhalb des sichtbaren Spektrums anzuregen.
Der letztgenannte Parameter, nämlich die Temperatur der Innenwandung des Hüllgefässes, wird auf einen Wert über etwa 600 C, vorzugsweise zwischen 600 und 12000 C, gehalten. Diese Temperatur ist wichtig, um zu gewährleisten, dass eine wirksame Menge von Metallhalogenid verdampft wird und in der Dampfphase verbleibt.
Die obere Grenze von 12000 C für die Innenwandtemperatur des Hüllgefässes wird nicht durch die Arbeitsweise der Lampe, sondern bloss durch die Temperatur gesetzt, bei welcher Quarz (das für das Hüllgefäss 2 im allgemeinen verwendete Material) zu sehr erweicht. Wenn ein bei höheren Temperaturen lichtdurchlässiges Geiässmaterial, wie beispielsweise das neu entwickelte Aluminiumoxyd hoher Dichte, verwendet wird, so kann auch für die Innenwandtemperatur ein höherer Wen zugelassen wer-
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den.
Bei Verwendung von Quarz für das Innengefäss soll jedoch die Betriebstemperatur für die Innenwan- dung, wie schon erwähnt, etwa 12000 C nicht überschreiten. Da ferner die Möglichkeit eines Angriffes von Quarz durch Halogene besteht und Jod das am wenigsten aktive Halogen ist, werden bei Verwendung von Quarz für das Hüllgefäss 2 als Halogenide im Hüllgefäss die Jodide bevorzugt.
Die Temperatur der Gefässinnenwandung wird dadurch festgelegt, dass die Gefässwandung hinreichend nahe dem Bogen angeordnet wird, so dass die Hitze des Bogens die Wandtemperatur auf den erforderlichen Wert hält. Überdies wird die Lampe mit Strom- und Spannungswerten betrieben, die ausreichen, um dem Bogen eine so starke Leistung zuzuführen, dass dadurch die gewünschte Temperatur der Gefässwandung sichergestellt wird. Die Speiseschaltung 20 für den Betrieb der Lampe kann einen Autotransformator 21 in Verbindung mit einer Wechselstromquelle 22 enthalten.
Als zusätzliche Massnahme für die richtige Festlegung der Temperatur der Gefässinnenwandung können zwischen dem Aussengefäss 1 und dem Innengefäss 2 Mittel zur Verhinderung von Wärmeverlusten an der Wandung des Innengefässes 2 vorgesehen werden. Zu diesem Zweck kann in dem erwähnten Zwischenraum ein hohes Vakuum, beispielsweise von 1 Mikron Hg-Säule oder weniger hergestellt werden ; auch kann dieser Zwischenraum unter niedrigem Druck mit einem Gas niedrigen Molekulargewichtes, wie Xenon, oder aber mit einem Material angefüllt werden, das selektiv sichtbares Licht überträgt und infrarotes Licht sperrt, wie beispielsweise Quarzwolle. Bei einer Füllung mit Quarzwolle wird zwar die abgestrahlte Lichtmenge etwas vermindert, doch ergibt sich insgesamt eine unerwartete Erhöhung der Lichtausbeute auf Werte bis zu 120 Lumen je Watt.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Lichtausbeute besteht darin, dass rings um die der kathodennahen Endteile des Innengefässes 2 reflektierende Schirme angeordnet werden, welche die kathodennahen Regionen der Innenwandung heiss erhalten. Bei üblichen Bogenlampen würde die Hinzufügung sol- cher Schirme normalerweise die abgestrahlte Lichtmenge vermindern. Bei erfindungsgemäss ausgebildeten Lampen ergibt sich jedoch überraschenderweise eine Erhöhung der Lichtausbeute der Lampen in solchem Ausmass, dass auch die abgestrahlte Lichtmenge durch Hinzufügung der Schirme erhöht wird.
Die hiedurch erzielte Verbesserung beträgt etwa 10%. Die Wärmeschirme können durch dünne reflektierende Schichten 23 gemäss Fig. 1 der Zeichnung an den Enden des Innengefässes 2 (in der Zeichnung nur am oberen Gefässende dargestellt) oder durch in geringem Abstand aussen angeordnete reflektierende Schirme gebildet werden, welche die Endteile des Innengefässes umschliessen.
Das Diagramm nach Fig. 2 stellt die Lichtausbeute in Lumen je Watt in Abhängigkeit von der Wattleistung im Lichtbogen bei einer normalen Quecksilberlampe (Kurve A) bzw. einer typischen Lampe gemäss der Erfindung (Kurve B) dar, wobei die erfindungsgemässe Lampe Quecksilber (Hg), Natriumjodid (NaJ) und Thallium (Tl) enthält ; die Diagramme sind nach einer Betriebsdauer von 1000 Stunden aufgenommen worden. Wie aus der Zeichnung erkennbar ist, ergibt eine Lampe gemäss der Erfindung (Kurve B) bei einer Eingangsleistung von 500 W eine Lichtausbeute von ungefähr 100 Lumen je Watt, wogegen die übliche Quecksilberbogenlampe bei der gleichen Eingangsleistung weniger als 60 Lumen je Watt liefert.
Aus Fig. 3 ist erkennbar, dass eine Lampe mit einer Füllung aus Quecksilber (Hg), Thallium - (1) -Jo- did (TlJ) und Natriumjodid (NaJ) eine der Kurve B in Fig. 2 weitgehend entsprechende Lichtausbeute zeigt. Andere Halogenidzusätze ergeben zwar nicht die Lichtausbeute von 100 Lumen je Watt wie Lam-
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ten Halogenidzusätze ein weisses oder nahezu weisses Licht ergeben, wogegen die üblichen Quecksilberbogenlampen ein grünlich-blaues Licht abstrahlen. Ferner hat, wie Fig. 3 erkennen lässt, eine Lampe mit einer Füllung aus Quecksilber (Hg s, Thallium- (I)-Jodid (TlJ), Natriumjodid (NaJ) und Indiumjodid (InJ) eine Lichtausbeute von ungefähr 80 Lumen je Watt.
Eine solche Lampe hat ein noch angenehmeres wei- sses Licht als eine Lampe mit einer Füllung aus Quecksilber, Thallium- (1) -Jodid und Natriumjodid.
Die Diagramme nach den Fig. 2 und 3 beruhen auf Messergebnissen an identischen Lampen (abgesehen von den Gasfüllungen), die unter gleichen Bedingungen und in gleicher Umgebungsatmosphärege- prüft wurden. Dadurch wurde ein Vergleich der Lichtausbeuten in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Bogenatmosphäre unter Ausschaltung von andern Einflüssen ermöglicht.
Im Betrieb einer Lampe gemäss der Erfindung wird zunächst an die Bogenelektroden 3 und 4 und an die Zündelektrode 5 eine Spannung angelegt. Die der Bogenelektrode 3 eng benachbarte Zündelektrode 5 dient zur anfänglichen Einleitung einer Glimmentladung zwischen der Zündelektrode 5 und der Bogen-
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elektrode 3, wobei das ionisierbare Medium für diese Entladung durch das als Zündgas verwendete Edel- gas gebildet wird. Diese Entladung bewirkt eine Erhitzung der Elektrode 3 und die Erzeugung einer aus- reichenden Menge von Edelgasionen, um eine Entladung zwischen den Elektroden 3 und 4 der Hauptent- ladungsstrecke einzuleiten.
Infolge der Hitze des Edelgasbogens verdampft das Quecksilber der Charge 6, und sobald durch die thermische Wirkung des Edelgasbogens eine ausreichende Anzahl von Quecksilber- ionen entstanden ist, glimmt die Lampe zunächst mit bläulichem Licht, entsprechend den Merkmalen einer Quecksilberdampfentladung. Es sei erwähnt, dass zur Einleitung des Quecksilberbogens natürlich auch andere bekannte Mittel angewendet werden können. Der Quecksilberbogen baut sich weiter mit steigender Intensität auf und erhitzt die innenwc ndung des Gefässes 2, wobei der Dampfdruck der Metall- jodide ansteigt.
Sobald die Innenwandung des Gefässes 2 eine Temperatur von ungefähr 600 C erreicht, ist eine ausreichende Halogenidmenge verdampft, und diese Menge verbleibt sodann in der Dampfphase, wodurch der für den weiteren Lampenbetrieb erforderliche Partialdruck dieses Atmospharenbestandteiles innerhalb des Gefässes 2 sichergestellt wird. Sobald diese Betriebsbedingungen vorliegen, ist also eine ausreichende Anz. dilvon Molekülen des verdampften Halogenids durch die hohe Temperatur im mittle- ren Teil des Bogens (ungefähr 3000 C oder mehr) dissoziiert und vom Bogen angeregt worden, so dass diese Moleküle ihre charakteristischen Linienspektren ausstrahlen und die gesamte Strahlung des Bogens in ein angenehmes, nahezu weisses oder weisses Licht hoher Intensität übergeht.
Spektroskopische Untersuchungen des von den erfindungsgemässen Lampen abgestrahlten Lichtes zei- gen, dass die Strahlung neben dem charakteristischen Linienspektrum von Quecksilber die Linienspektren des Metalls des verwendeten Halogenids bzw. der halogenide enthält. Es ist deshalb anzunehmen, dass im Betrieb der erfindungsgemässen Lampen die Metallhalogenidteilchen thermisch dissoziiert und durch Zusammenstosse mit Elektronen und (stabilen oder metastabilen) Quecksilberatomen oder Quecksilber" ionen angeregt werden, wodurch sie hinreichend viel Energie aufnehmen, um später ihre charakteristisehen Linienspektren abstrahlen zu können. Auf dieser Arbeitsweise beruht die hohe Lichtausbeute von Lampen gemäss der Erfindung.
Es sei nun der Fall einer Quecksilberbogenlampe betrachtet. Da die minimale Anregungsenergie von Quecksilber ungefähr 4,5 eV beträgt, muss ein Elektron diese Energie enthalten, um ein Quecksilberatom zu seiner Resonanzstrahlung anzuregen. Bei der Bjgentemperatur (3000-60000 C haben Jiese Energien nur relativ wenige Atome. Dadurcn wird die Lichtausbeute von Quecksilberbogenlampen begrenzt.
Es sei nun ein Bogen in einer Atmosphäre betrachtet, die nur Metallhalogenid enthält. Die Anregungsenergie des Metalls im Halogenid kann dabei relativ niedrig sein, wie z. B. 2, 1 eV für Natrium.
Infolge der Temperaturstabilität von Metallhalogeniden ist es jedoch bei mässigen Temperaturen und Drucken der Halogenide in Lampen der beschriebenen Art nicht möglich, dem Lichtbogen bei praktisch in Betracht kommenden Spannungen und Strömen hinreichend viel Leistung zuzuführen, um sehr helles Licht zu erzeugen. Das wäre nur bei sehr hohen Temperaturen und Drücken des Metallhalogenids möglich. Derart hohe Halogeniddrücke führen jedoch zu einer Inversion der Resonanzlinien und zu einer Spektralverschiebung.
Das kann zwar in einigen andern Lampen hingenommen werden, ist jedoch bei jenen Lampen der hier betrachteten Art unerwünscht. Überdies werden Metallatome, die bei mässigem Druck des Halogeniddampfes durch Dissoziation erzeugt werden, nicht gut angeregt, weil bei der geringen Dichte der reinen Halogenidatmosphäre die Elektronen, die zur Anregung dienen sollten, zu den Gefässwandungen wandern und verlorengehen.
Nun seien Lampen gemäss der Erfindung betrachtet. Das Quecksilber verdampft hiebei gut und wird ionisiert, wobei sich ein Bogen hoher Temperatur ausbildet, der hinreichend heiss ist, um eine erhehli ehe Menge der verdampften Metalljodidmoleküle zu dissoziieren. Die Metallatome des Halogenids werden sodann gut durch Elektronen, Atome und Ionen im Bogenplasma angeregt.
Da diese Elemente so gewählt werden können, dass sie eine niedrige minimale Anregungsenergie, wie etwa 2, 1 eV für Natrium, 2,4 eV für Thallium oder 3,0 eV für Indium aufweisen, werden sie von Elektronen, welche die zur Anregung von Quecksilberatomen hinreichende Energie von 4,5 eV aufweisen, gut angeregt. Überdies gelangen nur relativ wenige Elektronen aus dem Bogen zur Gefässwandung, weil die Elektronen innerhalb des Bogenplasmas durch elastische Zusammenstösse mit den in hoher Dichte vorhandenen Quecksilberatomen zurückgehalten werden.
Aus dem'.-orstehenden ist erkennbar, dass infolge des Vorhandenseins von Quecksilberdampfund Halogeniddampf innerhalb des Hüllgefässes eine höhere Gasdichte wirksam ist als dies bei gleicher Temperatur der Fall wäre, wenn im Hüllgefäss nur Halogeniddampf, insbesondere Jodiddampf vorhanden wäre.
Dadurch wird der Vorteil erreicht, dass die Strahlung von angeregten Metallatomen des Halogenids aus- genützt werden kann, ohne dass dazu eine übermässige Erhöhung der Temperatur des Hüllgefässes bzw.
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eine Erhöhung des Druckes des Halogeniddampfes im Hüllgefäss in dem Ausmass erforderlich wäre, wie es zur Sicherung einer hohen Helligkeit und hohen Lichtausbeute bei einem Bogen in reiner Meiallhao- genidatmosphäre notwendig ist.
Dieser Vorteil ist gross, weil für den Fall, dass der Halogeniddampf auf jener Temperatur gehalten werden müsste, die bei Fehlen von Quecksilber erforderlich wäre. ein grösserer Verlust durch infrarot Strahlung des Hüllgefässes und des Bogens auftreten würde, was ein Absinken der Lichtausbeute der Lampe zur Folge hätte. Überdies führt der Lampenbetrieb bei relativ niedriger Temperatur und relativ niedriger Dichte des Jodiddampfes zu einer geringeren Korrosion des Lampengefässes und der Elektroden, weil der chemische Angriff der Halogenide auf das Material dieser Teile bei niedrigen Temperaturen und Drücken sehr gering ist, sich jedoch äusserst störend bei jenen Temperaturen und Dichten auswirft, die erforderlich sind, um einen Bogen in reinem Metallhalogeniddampf zu betreiben.
Aus den geschilderten Gründen beträgt bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung, selbst wenn drei oder mehr Halogenide verwendet werden, der gesamte Halogeniddampfdruck während des Lampenbetriebes nicht mehr als 1 at.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung erweist es sich als zweckmässig, die erfindungsgemä- sse Lampe in einer Atmosphäre zu betreiben, die einen Überschuss an dampfförmigem Halogen aufweist.
Es sind zwar schon Lampen, die ohne Überschuss an freiem Halogen betrieben werden, nahe den Elektroden im wesentlichen frei von Verfärbungen, doch ergibt sich bei Vorhandensein eines Dampfes von frei- em Halogen eine ncch geringe Schwärzung oder Trübung der Hüllgefässwandung in der Nähe der Elektroden. Dies dürfte auf der Tatsache beruhen, dass während des Lampenbetriebes etwas Halogen, das infolge der Dissoziation von Metallhalogenid vorhanden ist, chemisch mit dem Kathodenmaterial reagiert, so dass ein Überschuss an Metalldampf verbleibt. Dieser Dampf dürfte sich bei der Abkühlung der Lampe kondensieren.
Bei einem Überschuss an freiem Halogen ist stets hinreichend viel Halogen vorhanden, um eine Abscheidung oder ein Niederschlagen von freiem Metall an der Gefässwandung zu verhindern, unab- hängig davon, ob dieses Metall von der Halogenidfüllung oder von der Kathode selbst herrührt. Fiir den geschilderten Zweck eignet sich in der Praxis am besten eine freie Menge des gleichen Halogens, das auch im Halogenid enthalten ist, dieses Halogen soll gegenüber der stöchiometrischen Menge im Halogenid in solcher Menge überschüssig vorhanden sein, dass es bei der Betriebstemperatur der Lampe einen Partialdruck von 1 bis 100 mm Hg-Säule ergibt,
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gemässmesser des Innengefässes 2 nach Fig. 1 ungefähr 1, 5 cm und der Abstand zwischen den Elektroden 3 und 4 ungefähr 7 cm.
Der Effektivwert der an die Elektroden angelegten Spannung betrug 200 V, der Lampenstrom 2, 2 A. Das Lampengefäss war mit Argon unter einem Partialdruck von 15 mm Argon, terner mit 20t. mg Quecksilber, 5 mg Thallium und 5 mg Natriumjodid gefüllt. Überdies enthielt die Lampe Jodgas unter einem Partialdruck von 5 mm Hg-Säuie im Überschuss über das Jodid. Diese Lampe arbeitete bis zu ihrem Ausfall während 1300 Stunden mit einer Lichtausbeute von 70 bis 80 Lumen je Watt mit einer Bogenleistung von 400 Watt. Der Ausfall der Lampe wurde dadurch verursacht, dass das Innengefäss in Luft statt wie erwünscht in einer Atmosphäre eines nicht reagierenden Gases betrieben wurde, wodurch die Zuleitung- gen J 1 zum Innengefäss korrodiert wurden und brachen.
Der Innenteil der Lampe war aber weiterhin be- tl iebsfähig.
Ein weiterer Vorteil von Lampen gemäss der Erfindung liegt darin, dass die durch ultraviolette Strahlung verursachten Verluste an Lichtausbeute vermindert sind.
Diese Verminderung der Verluste dürfte zum Teil auf die Ausbildung einer. dünnen, möglicherweise monomolekularen Schicht aus Metallhalogenid auf der Innenfläche der Wandung des Hüllgefässes 2 zurückgehen, welche die ultraviolette Strahlung absorbiert. Die in dieser Strahlung enthaltene Leistung dient dann zur Erhitzung der Gefässwandung. Die erwähnte Schicht führt übrigens auch noch zu einem andern günstigen Effekt. Die Verwendung von Dämpfen aus Salzen von aktiven Metallen, wie Natrium, ist früher als ungünstig angesehen worden, weil man einen Angriff der aktiven Metalle auf die Gefässwandung befürchtete. Infolge des Vorhandenseins einer dünnen Schicht aus Halogenid an der Innenwandung des Gefässes ist bei erfindungsgemässen Lampen ein solcher Angriff nicht erkennbar.
Die geschilderten Ausführungsbeispiele lassen im Rahmen des Grundgedankens der Erfindung noch verschiedene Abwandlungen zu.
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