Elektrische Entladungsröhre. Die Erfindung betrifft eine verbesserte, insbesondere zum Aussenden von Strahlen dienende elektrische Ilochdruckquecksilber- da.mpfentladungsröhre, die mit Erfolg für Beleuchtungszwecke, zum Beispiel das Be leuchten von<I>Wegen,</I> Plätzen, Werkstätten, Läden, Lagerplätzen, Wohnräumen usw., ver wendet werden kann.
Es sind bereits Hoch- druckquecksilberdampfentladungsröhren für Beleuchtungs- und Bestrahlungszwecke be kannt geworden, die mit festen Glühelektro den und einer Edelgasfüllung ausgestattet sind. Der Betriebsquecksilberdampfdruelc dieser Röhren beträgt etwa 1 Atm.; nur in einzelnen Fällen ist man mit diesem Druck bis auf einige Atmosphären hinaufgegangen. Die Röhren haben einen Wirkungsgrad (Lichtausbeute), der den Wirkungsgrad von Glühlampen wesentlich übertrifft.
Diese grossen Lichtausbeuten werden jedoch nur mit grösseren Einheiten erreicht, so,dass ,diese Lampenart praktisch nur in Einheiten von <B>250</B> Watt und mehr hergestellt werden. Bei kleiner werdenden Leistungen nimmt die Lichtausbeute rasch ab.
Gemäss der Erfindung sind die zwischen 15 und 135 W/em. liegende spezifische Be lastung (das heisst,die Energieaufnahme pro Zentimeter Länge der Entladungsbahn), das Wärmeabgabevermögen und .die Röhrenform einander derart angepasst, .dass der Betriebs quecksilberdampfdruck grösser als 10 Atm. ist. Der innere Durchmesser der aus hoch schmelzendem Material, zweckmässig -Quarz, bestehenden Röhre ist dabei kleiner als 7 mm gewählt.
Gegenüber andern Lichtquellen gleicher Leistung haben diese Entladungsröhren sehr kleine Abmessungen, ein kleines Volumen und ein geringes Gewicht, überdies sind auch die Herstellungskosten niedrig. Eine 100 Watt-Lampe wiegt zum Beispiel nur un gefähr 3 g. Ein wesentlicher Vorteil der er findungsgemässen Röhre besteht darin, dass sie nicht nur eine grosse Lichtausbeute zeigt, wenn es sich um grössere Einheiten handelt, sondern, dass sie auch.bei kleineren Leistun gen, zum Beispiel 40 und 75 Watt, einen hohen Wirkungsgrad hat.
Glühlampen und Hochdruckquecksilberdampflampen .mit un gefähr 1 Atm. Betriebsdampfdruck haben dagegen bei kleinen Leistungen einen ungün stigen Wirkungsgrad.
Die hohen Quecksilberdampfdrücke haben den Vorteil, dass das Spektrum des von der Entladungsröhre ausgesandten Lichtes für Beleuchtungszwecke besser ,geeignet ist als das .der jetzt zu diesen Zwecken verwendeten Quecksilberdampfentladungsröhren, in denen der Quecksilberdampfdruck beim Betriebe etwa 1 Atm. ist.
Bei den hohen Quecksilber dampfdrücken, die in der erfindungsgemässen Röhre auftreten, zeigt das ausgesandte Licht ein stärkeres kontinuierliches Spektrum, das viel Rot enthält, so dass das Licht ausser blauen und grünen Strahlen auch starke rote Strahlen enthält. Die Farbe des Lichtes wird besser, je höher der Quecksilberdampfdruck ist, so dass man unter Umständen Drüeke über zum Beispiel 12, 15 oder 20 Atm. wäh len wird.
Bei den über 10 Atm. liegenden Queck silberdampfdrücken werden mit der erfin dungsgemässen Entladungsröhre sehr hohe Wirkungsgrade erreicht, während noch eine besondere Erscheinung auftritt, die mit Hilfe der Fig. 1 der Zeichnung verdeutlicht wird.
In dieser Figur ist der Wirkungsgrad einer erfindungsgemässen Entladungsröhre mit geringem innerem Durchmesser, das heisst .die Anzahl Lumen sichtbaren Lichtes pro Einheit (Watt) der von der Röhre auf genommenen Energie, als Funktion des Quecksilberdampfdruckes in Atmosphären dargestellt bei konstanter Energieaufnahme pro Zentimeter Länge der Entladungsbahn, das heisst bei konstanter spezifischer Be- lastung der Röhre.
Aus dieser Figur geht hervor, dass der Wirkungsgrad bei Drücken über 10 Atm. nur wenig zunimmt, bei Drücken unter 10 Atm. jedoch schnell sinkt.
Die spezifische Belastung ,der erfindungs gemässen Röhren ist kleiner als 135 Watt/cm gewählt und an das wärmeabgebende Ver- mögen der Röhre angepasst. Bei dieser spezi fischen Belastung braucht die Röhre nicht durch Wasser oder in ähnlicher erzwungener Weise gekühlt zu werden. Je grösser .die spe zifische Belastung einer bestimmten Röhre gewählt wird, desto höher wird der Queck silberdampfdruck sein.
Die Grösse der spezi fischen Belastung wird im allgemeinen die Lebensdauer der Röhre beeinflussen, und zwar wird die Lebensdauer umso kleiner sein, je grösser die spezifische Belastung ge wählt wird. Die erwähnte obere Grenze der spezifischen Belastung soll daher nicht als die grösste spezifische Belastung betrachtet werden, die in jedem praktischen Falle zuge- la#ssen werden kann.
Für jeden Fall wird man auf Grund der au die Röhre gestellten Anfor derungen und der Abmessungen der Röhre leicht mittels einiger Versuche feststellen können, wie weit man mit der spezifischen Belastung unter dieser Grenze bleiben muss, um eine den gestellten Anforderungen ge nügende Entladungsröhre zu erhalten, ,die ohne Flüssigkeits- oder ähnliche forcierte Kühlung, also in einfacher Weise, benutzt werden kann.
Um eine längere Lebensdauer zu erreichen, kann man die spezifische Be lastung zum Beispiel kleiner als 120 oder 100 Watt pro Zentimeter halten.
Obwohl man erwarten würde, dass die spezifische Belastung bei .den grösseren der in Betracht kommenden, innern Durchmessern grösser gewählt werden könnte, als bei .den kleineren Durchmessern, so stellt es sich her aus, @dass die maximal zulässige spezifische Belastung nur wenig von :dem innern Durch messer abhängig ist.
Bei einer bestimmten Belastung der Ent ladungsröhre hängt der Quecksilberdampf- druck auch von der Form der Röhre ab, weil dieser Druck in erster Linie von ,der Tempe ratur der kältesten Stelle des Entladungs raumes bestimmt wird. Die'a"e niedrigste Tem peratur wird wieder von der Form und dem Wärmeabgabevermögen der Entladungsröhre beeinflusst.
Weil der innere Durchmesser der Ent ladungsröhre kleiner als 7 mm ist, wird eine kleine, kompakte Lichtquelle mit einem klei nen Volumen erhalten. Dieser geringe Durch messer macht es auch praktisch möglich, die hohen Quecksilberdampfdrücke anzuwenden, während infolge des kleinen Volumens die Folgen einer eventuellen Explosion der Ent ladungsröhre innerhalb unschädlicher Gren zen gehalten werden. Der kleine innere Durchmesser der Röhre fördert in Zusam menwirkung mit den festen Glühelektroden das ruhige Brennen der Entladungsröhre.
Die Entladung, die nicht ,den ganzen Quer schnitt der Röhre füllt, sondern eingeschnürt ist, ist umso ruhiger, das heisst bewegt sich weniger durch die Röhre hin und her, je klei ner der innere Durchmesser gewählt wird. Erhöhung des Quecksilberdampfdruckes hat einen entgegengesetzten Erfolg und macht die Entladung unruhiger. Dies ist einer der Gründe, weshalb man bei höheren Queck silberdampfdrücken vorzugsweise kleinere innere Durchmesser .der Röhren wählt.
Vorteilhafterweise wird man den innern Durchmesser kleiner als 5 oder 4 mm wäh len können, wodurch höhere Drücke als bei einem grösseren Durchmesser angewandt wer den können, was eine V erbes-serung .der Farbe des ausgesandten Lichtes zur Folge hat und auch eine ruhigere Entladung herbeiführt.
Wie schon oben bemerkt wurde, ist die ,spezifische Belastung grösser als 15 Watticm. Bei niedrigeren Werten wird es nicht nur praktisch sehr schwierig, einen Quecksilber dampfdruck über 10 Atm. zu erreichen, son dern wird überdies der Wirkungsgrad ge ringer. Der Wirkungsgrad ist eine Funktion der spezifischen Belastung und bei Queck silberdampfdrücken über 10 Atm. nur wenig von dem Quecksilberdampfdruck und dem innern Durchmesser der Röhre abhängig.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt zum Beispiel den Verlauf dieser Funktion (Lumen pro Watt in Abhängigkeit von Watt pro Zentimeter) für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel einer Entladungsröhre gemäss der Erfindung. Diese Kurve gibt die mittleren Werte des Wirkungsgrades wieder. Die an verschiede nen Röhren gemessenen Wertre können in Ab- hängigkeit des Quecksilberdampfdruckes und des innern Durchmessers ein wenig unter oder über der eingezeichneten Kurve liegen. Einer der Vorteile der erfindungsgemässen Röhre besteht darin, da.ss auch bei kleineren Leistungen sehr gute Wirkungsgrade erhal ten werden.
Je höher man die spezifische Belastung wählt, zum Beispiel grösser als 20, 25, 35 oder 50 Watt/cm, .desto höher wird der erreichte Wirkungsgrad.
Die in der Röhre auftretenden Queck- silberdampfdrücke können in einfacherWeise mit Hilfe des spezifischen Spannungsabfalles in der Entladungsbahn, das heisst des Span- nungsabfalleG pro Längeneinheit dieser Bahn bestimmt werden. Dieser spezifische Span nungsabfall ist unter anderem eine Funktion des Quecksilberdampfdruckes.
Fig. 3 stellt in logarithmischem Massstabe den Verlauf des spezifischen Spannungs abfalles in Volt/cm als Funktion des Queck silberdampfdruckes in Atm. für -die Strom stärken 0,1, 0;2 bezw. 0,4 Amp.-Gleichstrom dar, und zwar für eine Entladungsröhre mit einem innern Durchmesser von 1 mm.
Der spezifische Spannungsabfall kann aus der Brennspannung der Entladung berechnet werden, indem man diese Brennspannung um die Summe .des Kathoden- und Anodenfalles der Elektroden (bei Oxydelektroden ungefähr 15 Volt) verringert und diese Restspannung durch die Länge der Entladungsbahn teilt.
Die Fig. 4, 5 und 6 geben dieselben Funk tionen wieder für Entladungsröhren mit einem innern Durchmesser von 2. 3 bezw. 5 mm.
Im allgemeinen wird man die Ent ladungsröhre vorzugsweise in senkrechter oder annähernd senkrechter Stellung verwen den, da -man in diesem Falle höhere Drücke und grössere spezifische Belastungen als bei horizontaler Stellung der Röhre verwenden kann, weil bei letzterwähnter Stellung die Gefahr besteht, dass die Entladung sich wölbt und sich der Oberseite der Röhren wand zu sehr nähern würde, welche Gefahr umso grösser ist, je höher der Quecksilber- dampfdruek ist.
Um eine gleichmässige Tem- pera.turverteilung über die Entladungsröhre zu fördern, wird man bei senkrechter Lage den Abstand zwischen der obern Elektrode und dem obern Ende des Entladungsraumes mit Vorteil grösser wählen als den Abstand zwischen der untern Elektrode und dem un tern Ende des Entladungsraumes.
Die 8tromzuführungsdrähte der Elektro den werden in der Regel nicht unmittelbar in die aus Quarz oder derartigem Material bestehende Wand eingeschmolzen werden können. Um die Entladungsröhren gegen den hohen Druck und die hohe Temperatur, denen sie beim Betrieb ausgesetzt sind, sehr wider standsfähig zu machen und die Länge der Röhre klein zu halten, ist es empfehlenswert,
zwischen den 'Stromzuführungsdrähten und dem Wandmaterial nur ein einziges Über gangsmaterial zu verwenden. Hierzu ist zum Beispiel-ein aluminiumoxydhaltiges Borosili- katglas folgender Zusammensetzung sehr ge eignet:
88,3 ,% Si02 8,4 % B203 2,9 % A1203 0,4 % Ca0 Dieses Glas kann einerseits an Quarz an geschmolzen werden, während anderseits die Wolframdrähte luftdicht in dieses Glas ein geschmolzen werden können.
Mit Hinsicht auf die hohe Temperatur der Entladungsröhre ist es in vielen Fällen erwünscht, die über die Röhre nach aussen hervorragenden Teile der Stromzuführungs- drähte der Elektroden über eine verhältnis mässig .grosse Länge (grösser als 1 cm) mit einem feuerfesten Material, zum Beispiel Magnesiumoxyd oder Alundum, zu um geben. Vorzugsweise befestigt man die Ent- jadungsröhre auch an einem Sockel, der aus feuerfestem Material, zum Beispiel Porzellan, besteht.
In vielen Fällen ist es empfehlenswert, die Entladungsröhre mit einer Glashülle zu umgeben, die bei eventuellem Bruch der Ent ladungsröhre einen Schutz gibt. Die mecha nische Stärke dieser Hülle kann durch ge eignete Formgebung und grosse Wandstärke erhöht werden. Man kann die EntlaJungs- röhre gegebenenfalls auch mit einem metal lenen Netzwerk oder einem schraubenförmig gewundenen Draht, zum Beispiel aus Nickel chrom, umgeben. Dieses Netzwerk (oder die ser Draht) kann gegebenenfalls mit einer der Elektroden verbunden werden, wodurch die Zündung erleichtert wird.
Die Glashülle kann auch dazu benutzt werden, um unge wünschte Strahlen, zum Beispiel ultraviolette Strahlen, zu absetbieren.
Um die Wärmeabgabe der Enden der Röhre zu verringern, können an diesen En den auf der Aussenseite der Röhrenwand spiegelnde Metallschichten. zum Beispiel aus Platin, angebracht werden. Diese Schichten können dazu benutzt werden, um bei einer bestimmten gewünschten Energieaufnahme der Röhre eine gewünschte Spannung, mit ,der ein bestimmter Quecksilberdampfdruck zusammenhängt, einzustellen.
Dabei wird von einer Entladungsröhre ausgegangen, in der .die niedrigste Temperatur hinter den Elektroden auftritt und diese niedrigste Tem peratur so gering ist, dass bei Belastung der Röhre mit der gewiinschten Energie die Spannung kleiner ist als die verlangte Span nung. Die Röhrenspannung kann nun da- ,durch erhöhet werden, .d@ass ein Teil der Röh renenden mit einer spiegelnden Metallschicht bedeckt wird.
Diese Schicht wird nun so lange vergrössert, bis man bei konstant gehal tener Belastung zwischen den Elektroden die gewünschte Spannung misst, welche dem ver langten Quecksilberdampfdruck emtsprieht.
In den Fig. 7 bis 11 sind einige Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt.
Die in Fig. 7 dargestellte Entladungs röhre 1 besteht in der Hauptsache aus einem zylindrischen Quarzröhrchen mit einem in nern Durchmesser von :2,7 mm und einem äussern Durchmesser von 6,5 mm.
Die Ent ladungsröhre ist mit zwei Elektroden 2 ver sehen, die je aus einem hakenförmig geboge nen Wolframdraht bestehen, auf den ein dün nerer Wolframdraht schraubenförmig gewun den ist, während dieses Drahtgebilde mit einer stark elektronenemittierenden.Subs.tanz, zum Beispiel Erdalkalioxyd, überzogen ist. Der Abstand zwischen den Elektroden be trägt 10 mm.
Die Glühelektroden 2 werden nicht von einem gesonderten Heizstrom, son dern von dem Entladungsstrom selbst erhitzt und auf die für die Elektronenemission er forderliche Temperatur ,gebracht.
Die Stromzuführungsdrähte 3 der Glüh- elektroden bestehen gleichfalls aus Wolfram drähten, die zum Beispiel 0,6 mm dick sind und unter Zwischenfügung eines praktisch allzalifreien Glases der oben beschriebenen Zu sammensetzung durch die Quarzwand hin durchgeführt sind. Der Ausdehnungskoeffi zient dieses alkalifreien Glases ist so gering, dass es mit Erfolg unmittelbar an Quarz an geschmolzen werden kann, während trotzdem eine gute Verbindung mit Wolframdrähten erhalten wird.
Zwischen den Wolframein- sebmelzdrä,hten und dem Quarz befindet sich deshalb nur ein Verbindungsmaterial mit hohem Erweichungspunkt, was mit Rück sicht auf die in der Entladungsröhre auftre tende Temperatur und dem Druck von gro ssem Vorteil ist.
Die Verbindung zwischen dem Wolframdraht und dem Quarzzylinder kann zustandegebracht werden, indem zuerst auf dem Draht eine Schicht,des obenerwähn- ten alkalifreien Glases aufgeschmolzen und an das Ende des Quarzzylinders eine halb kugelförmige Kappe aus demselben Glase angesehmolzen wird.
In dieser Kappe wird eine Öffnung angebracht, durch die der Wol- framdraht mit der darauf angebrachten Glas schicht gesteckt wird, worauf die Kappe mit dieser Glasschicht verschmolzen wird.
Man kann den Elektrodenraum hinter den Elektroden auch eng machen und spitz endi gen lassen. Durch geeignete Bemessung ,des hinter den Elektroden liegenden Teils des Elektrodenraumes kann man den Dampf druck beeinflussen.
In der Entladungsröhre 1 befindet sich eine Menge Edelgas, zum Beispiel Argon, unter einem Druck (bei Zimmertemperatur) von 10 mm, während die Röhre auch eine Menge Quecksilber enthält, das beim Betrieb den Quecksilberdampf liefert und im Über schuss vorhanden sein kann.
Obwohl man die Menge Quecksilber derart beschränken kann, dass beim normalen Betrieb die ganze Menge verdampft und der Quecksilberdampf unge- sättigt ist, ist diese Beschränkung der Queck silbermenge nicht nötig, was die Fabrikation der Entladungsröhre erleichtert.
Die Entladungsröhre wird mit Wechsel strom betrieben; durch geeignete Wahl der Vorschaltimpedanz und der Speisespannung wird die Belastung der Entladungsröhre der art an das Wärmeabgabevermögen und die Abmessungen der Röhre angepasst, dass der Quecksilberdampfdrück mehr als 10 Atm. beträgt. Die Belastung der abgebildeten und frei in der Luft aufgestellten Entladungs röhre kann zum Beispiel 70 Watt betragen bei einer .Stromstärke von 0,4 Amp. und einer Spannung zwischen den Elektroden von 240 Volt.
Der Quecksilberdampfdruck beträgt dann etwa 75 Atm.
In einem andern Falle betrug der innere Durchmesser 2,3 mm, der äussere Durch messer 4 mm und,der Abstand zwischen den Elektroden 20 mm, während die Belastung 80 Watt war bei einer -Stromstärke von 0,3,9 Amp. und einer Spannung zwischen den Elektroden von 250 Volt, was einem Queck silberdampfdruck von ungefähr 85 Atm. ent spricht.
Eine Entladungsröhre mit einem innern bezw. äussern Durchmesser von 4 bezw. 7 mm und einem Elektrodenabstand von 10 mm zeigte eine Belastung von 55 Watt bei einer Stromstärke von 0,34 Amp. und einer Brenn spannung von 200 Volt, wobei der Queck silberdampfdruck ungefähr 80 Atm. betrug.
Fürspezielle Anwendungen kann man die Entladungsbahn auch grösser als einige cm machen. In einer für die Beleuchtung von Flugplätzen gebrauchten Entladungsröhre war der Abstand zwischen den Elektroden zum Beispiel 200 mm und der innere bezw. äussere Durchmesser 2,3 bezw. 6 mm. Die Belastung dieser Röhre war 1000 Watt bei einer :Stromstärke von 0,5 Amp., einer Span nung zwischen den Elektroden von 2500 Volt und einem Quecksilberdampfdruck van etwa 30 Aim.
Fig. 8 zeigt eine geeignete Aufstellung der Entladungsröhre gemäss Fig. 7. Die aus der Entladungsröhre hervorstehenden Teile 4 der :Stromzuführungsdrähte der Entladungs röhre 1 .sind mit isolierenden Röhrchen 5 aus hochschmelzendem Material, zum Beispiel Magnesiumogyd, umgeben und mit metalle nen Kappen @6, die um die Enden der Röhr chen 5 herumgreifen, verbunden.
Eine :dieser Kontaktkappen 6 ruht in :der Kontaktbüchse 7, während die andere Kontaktkappe in :der Kontaktbüchse 8 ruht, in. ,der sich die Spiral feder 9 befindet. Die Büchsen 7 und 8 sind mittels der 8täbchen 10 und 11 an dem Sockel 12 befestigt, der aus isolierendem Ma terial, zum Beispiel Porzellan, besteht und zwei Kontaktstücke 13 aufweist. Die Feder 9 drückt die Entladungsröhre aufwärts, wo durch diese festgeklemmt wird.
Um die Ent ladungsröhre herauszunehmen, bewegt man sie entgegen der Wirkung (der Feder 9 ab wärts, bis die obere Kontaktkappe 6 von der Büchse 7 frei ist.
Die Entladungsröhre wird von dem -Glas- zylinder 14 aus Hartglas von 3 mm Wand- stärke umgeben, welcher Zylinder von dem kupfernen Ring 15 getragen wird, der mit Hilfe der Schraube 16 an den :Sockel 1:2 be festigt ist. Der Zylinder 14 kann aus einem Glas hergestellt sein, das kein ultraviolettes Licht durchlässt. Will man ausser den sicht baren auch :
die ultravioletten Strahlen aus nutzen, so kann. man den Zylinder 14 aus einem Glase herstellen, das ultraviolette Strahlen durchlässt. In dem Glaszylinder können zum Beispiel am unter und obern Ende Öffnungen angebracht werden, durch die die innerhalb des Zylinders vorhandene Luft nach aussen treten kann.
Gemäss Fig. 9 ist die Entladungsröhre 1 fest mit dem Sockel 17 verbunden. An die sem Sockel ist mit Hilfe der Schraube 18 eine metallene Kappe 19 befestigt, die als Reflektor benutzt werden kann und,die Glas glocke 20 trägt. Auch in,der Kappe 19 und der Glocke 20 können eine oder mehrere 0ff- nungen ausgespart werden.
In der Konstruktion nach Fig. 10 ist. die Entladungsröhre 1 auf der Quetschstelle 21 der Glasglocke 22 befestigt, die mit Öffnun gen 23 versehen ist. Diese Glocke kann ge gebenenfalls auch ,geschlossen ausgeführt und dann evakuiert oder mit einem geeigneten Gase, z. B. Stickstoff, .gefüllt werden, wo durch die bisweilen bestehende Gefahr, dass Wasserstoff durch die Quarzwand in die Entladungsröhre hineindiffundiert, vermie den werden kann.
Wie in Fig. 11 dargestellt ist, kann die Entladungsröhre 24 auch U-förmig gebogen sein. Diese Röhre ist an dem zum Beispiel aus Porzellan bestehenden rohrförmigen Sok- kel 25 befestigt, an den auch .die Glasglocke 26 mit Hilfe des an die Glocke gekitteten Metallringes 27 und der Schraube 2#8 be festigt ist.