Elektrische Hochdruck-Gasentladungslampe mit festen Glühelektroden. Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Iloelidruckentladungsla-mpen, bei denen in einer beispielsweise aus Edelgasen, insbeson-' dere Ki#ypton und/oder Xenon bestehenden (#'asfüllun#@ eine Hochdrneken.tladting zwi schen festen Glühelektroden erzeugt wird.
Derartige Hoehdruck- Gasentlachingsl,ampen zeichnen sich. gegenüber hTetalldampflampen dadurch aus, dass ein zur Dampferzeugung erforderlicher Einbrennvorgang fortfällt, dass sie also sofort betriebsbereit sind.
Solche Gas- lioclicliaieklainpen eignen sieh je na.cli der verwendeten Gasfüllung und dem Gefässbau stoff für Zwecke der Beleuchtung, der Be strahlung, der Projektion, des Farbfilms, fer ner für Absorptions-Spektralanalyse, L'ltra- rottherapie sowie als Blitzlichtlampen, bei spielsweise für Stromstossbetizeb usw.
Bei der Ausbildung derartiger Hochdruck lampen tritt die Schwierigkeit auf, den Licht bogen stabil zu erhalten, da infolge des ver- hältnismässig niedrigen. Gradienten der Gas füllung im Vergleich zu dem von Queek- silberdampflampen der Liehtbogen überaus leicht unruhig brennt, beispielsweise unter Flaekererseheinungen, hin und her springt bzw, seitlich ausbiegt oder auch leicht seinen .\nsat,zpunkt an den Glühelektroden häufig wechselt.
Bei derartigen Lampen für G leich- sironibetrieb mit übereinandergestellten Glüh elektroden ist nun zur Liehtbogenstabilisie- rung naeli der Erfindung die oben angeord- nete Anode grösser als die Kathode und ver jüngt sieh gegen unten, dies zum Zwecke, zu erreichen, da.ss im \Betrieb der Lampe die heissen Gase wirbelfrei an der Anode vorbei strömen. Zweckmässig wird-die Anode so aus gebildet, dass ihre Oberfläche fünf- bis zehn mal so gross ist wie diejenige der unten an geordneten Kathode. Hierdurch wird zu-.
gleich die Zerstäubung des Anodenkörpers niedrig gehalten.
Die Ausbildung einer möglichst laminaren Konvektionsströmung beim Betrieb der Lampe begünstigt die Stabilität des Lichtbogens, ausserordentlich. Durch die Gestalt der Anode soll ermöglicht werden, dass die heissen Gase wirbelfrei an ihr hochströmen. Darüber hin aus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, am Anodenkörper ein axiales Loch vorzusehen, dessen Durchmesser höchstens ein Drittel des grössten Durchmessers der Anode, senkrecht zur Liehtbogenachse gerechnet, beträgt.. In diesem Fall strömen die heissen Lichtbogen gase senkrecht aufwärts durch die Anode hin durch, was wesentlich zur Bogenberuhigung beiträgt.
Vielfach tritt. dabei auch eine Art Ansaugen durch Schornsteinwirkung auf.
In der Zeichnung sind als Ausführungs beispiele der Erfindung in Fig. 1 bis 3 mehrere Hochdreck Gasentladungslampen mit festen Glühelektroden, im Längsschnitt darge stellt. Fig.1 zeigt etwa in zwei Drittel der na türlichen Grösse eine luftgekühlte Quarzglas lampe für Gleichstrombetrieb, die eine Xenon- füllung von etwa 12 Atm. enthält.
Die unten angeordnete Glühkathode 1 besteht- aus einem kegel'ig zugespitzten, thorierten Wolframstift, auf den zwei dünndrähtige Wolframwendeln mit dicht. aneinanderliegenden Windungen festsitzend aufgeschraubt sind. Zur Erleieli- terung der Zündung kann zwischen den Win dungen dieser Wendeln noch Thoriumoxyd eingebracht. sein.
Die oben angeordnete Anode 2, die wesentlich grösser als die Kathode aus gebildet ist-, besteht. aus einem ebenfalls ke- gelig zulaufenden W olTramsinterkörper. In der Lampe ist ferner seitlich neben der Ent ladungsstrecke noch ein aus Wolfram beste hender Zünddraht 3 angeordnet., um die Lampe schon bei niedrigen Spannungen zün den zt. können. Das Entladungsgefäss 4 ist schwach oval gekrümmt.
Sowohl die Kathode 1 als auch die Anode 2 werden von einem llolybdändraht 5 getragen, der an zwei Stel len 6 und 7 durch Hämmern zu einer Folie von ovaler Gestalt breitgeschlagen ist. Diese Folien sind vakuumdicht- in das umgebende Quarzglas eingeschmolzen, gegebenenfalls ein gequetscht. Die äussere Folie 7 ist so weit vom Entladungsraum entfernt, dass sie im Betrieb nur eine geringe Erwärmung erfährt und demgemäss eine schädliche Oxydation des äussern Molybdändrahtendes 8 vermieden wird.
Der Quarzglasstutzen, in den die Folie 6 vakuumdicht eingebettet ist, ist von einem kapillaren Ringspalt umgeben, der mit dem Entladungsraum in Verbindung steht und demgemäss ebenfalls,den Hochdruck der Gas füllung aufweist. Es lastet also der volle Innendruck auf dem Quarzglasstutzen, so dass dieser nur unter Druckspannungen steht und demnach auch bei hohen Betriebstem peraturen keine Neigung besitzt, sich von der Folie 6 zu lösen. Durch die Hintereinander- schaltLing der beiden Folien in der geschil derten 'Weise wird eine zuverlässig dichte Einschmelzung der Stromleiter gewährleistet.
Die Hochdrucklampe nach Fig.2 besitzt ein eiförmig ausgebildetes Lampengefäss 15. Der Kathodenkerndraht 16 trägt wiederum zwei dünndrä.htige @V endeln; die innere Wen del 17 ist zur besseren Wärmeableitung nach rückwärts verlängert. Der über der Anode verbleibende Raum erleichtert das Anbrin gen bzw. Abschmelzen. des Pumpstengels bei der Herstellung sowie das Einbringen der Gasfüllung durch Einfrieren.
Die Fig. 3 zeigt eine Hoclidrueklampe, bei der zur Erzielung einer laminaren Strömung der Anodenkörper 19 stromlinienförmig ge formt. ist und ferner eine axiale Bohrung 20 aufweist, die am rückwärtigen Ende der Elektrode in seitliche Kanäle ausmündet. Zu dem Zweck, dass beim Entladungsgefäss 21 im Betrieb der Lampe an allen Stellen der Innenwandung eine möglichst gleichmässig hohe Temperatur auftritt, ist das Gefäss ei förmig gestaltet. Der Abstand der Gefässwan dung von der grösseren Anode ist demnach grösser als der Abstand von der kleineren Kathode.
Da ferner die durch Konvektions- strömung aufsteigenden heissen Gase den Ober teil des Entladungsgefässes zuerst bespülen, ergibt sich als zweckmässige Lösung eine Aus führung, bei der mindestens 60; vorzugsweise 75 %, der Innenoberfläche des Entladungs- gefässes oberhalb des Bogenansatzes an der Anode liegen.
Gegenüber einem genau kugeli gen Entladungsgefäss mit. gleicher Innenober fläche, bei dem die Elektroden beide in glei chem Abstand von der Gefässwandung sitzen, wird durch die vorgeschlagene Eiform eine höhere Wattbelastung der Lampe möglich, die 30 bis 50 IM betragen kann.
Bei Hochdrucklampen mit verhältnis mässig langer Bogensäule wählt. man den Elektrodenabstand grösser als den Durch messer des Entladungsrohres, um den Ein fluss der Gefässwandung auf die Stabilisie rung des Bogens auszunutzen (siehe Weizel Rompe, Theorie elektrischer Lichtbögen , Leipzig, 1949, Seite 38 bis 44). Es ist zweck mässig, zur Beruhigung des Lichtbogens bei solchen Lampen das Verhältnis der Strom dichte in AmpJem2 zum Fülldruck in Atmo sphären grösser zu wählen als 50.
Das meist, aus Quarzglas bestehende Entladungsrohr wird dabei künstlich gekühlt, zum Beispiel mittels eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes.
Bei gegebenem Betriebsgasdruck ergibt sich dann der kleinste Kaltgasdruck, wenn das Lampengefäss extrem klein ausgeführt ist. und demgemäss die höchstmögliche Betriebstem peratur erreicht wird. Beispielsweise emp fiehlt. es sich, bei Lampen aus Quarzglas das Entladungsgefäss unter Vermeidung von Tot räumen derart zu verkleinern, dass der Ener- giefluss durch die Innenoberfläche mindestens <B>:)0</B> W/cm2 erreicht.
Es kommt also meist darauf an, das Lampengefäss, aus möglichst hochschmelzendem Werkstoff herzustellen, ins besondere aus Quarzglas oder noch höher schmelzenden lichtdurchlässigen Baustoffen, wie Aluminiumoxyd,, Magnesiumoxyd, Zirkon- oxyd oder Gemischen dieser Oxyde.
Aus an dern Gesichtspunkten, zum Beispiel der bil ligen Herstellung bzw. Einschmelzungsrück- siehten, kann es aber in verschiedenen Fällen auch zweckmässig sein, verhältnismässig nied- rigSchmelzendeHartgläser zu verwenden, wo bei wiederum die Erzielung einer möglichst gleichmässigen Temperaturverteilung bedeu tungsvoll ist.
Es lassen sich mit. gutem Erfolg, ähnlich wie bei Quecksilberhöch3tdrucklam- pen, auch künstlich, zum Beispiel flüssigkeits gekühlte, Gashöchstdrucklampen herstellen, wobei in einem kapillaren Entladungsröhr ehen von beispielsweise 5 bis 10 mm Innen durchmesser eine Gasfüllung von sehr hohem K altdruck, beispielsweise 50 Atm., explosions sicher untergebracht werden kann. Meist wer den dabei die Enden des Röhrchens zur Un terbringung der Elektroden etwas erweitert.
Lampen dieser Art haben meist. Brennspan- nungen über 40 Volt und erhebliche Leistungs aufnahmen von: beispielsweise 1000 Watt bei sehr hohen Leuchtdichten.
Sollen die Lampen nach der Erfindung für Projektionszwecke eine extrem hohe Leuchtdichte bei ruhiger Leuchtfläche be sitzen, so wird die Anode der Kathode so weit genähert, dass die positive Säule der Entla dung weitgehend unterdrückt wird. Es strahlt dann im wesentlichen nur die unmittelbare Umgebung des Kathodenflecks, das heisst der nicht mehr zur positiven Säule zu rechnende kegelige Lichtbogenteil. Je nach dem Strom- stärkebereieh, in dem die Lampe betrieben wird, etwa zwischen 10 und 50 Amp.,
be- trägtder zu diesem Zweck zu -wählende Elek. trodenabstand 0,5 bis 2 mm.
Wenn auch die Hauptfüllung der Hoch- drueklampen aus schwerem Edelgas, also Krypton und Xenon, besteht, so kann es in vereinzelten Fällen auch zweckmässig sein, ein Gemisch von schweren Edelgasen mit Gasen von einem Atomgewicht gleich oder kleiner als 21 zu verwenden, zum Beispiel Wasserstoff, Helium oder Neon. Zur Erzie lung einer bestimmten spektralen Verteilung bzw. Farbwirkung oder zur Erhöhung des Gradienten und damit der Spannungsauf nahme der Lampe können auch Zusatzstoffe zugefügt sein, beispielsweise Metalle, deren Dämpfe im Betrieb zur Strahlung mitangeregt werden.
Das zur Zündungserleichterung dienende Thoriumoxyd kann den Glühelektroden auch unmittelbar durch Einverleibung in das Elek- trodenmetall zugefügt sein. Es wird beispiels weise Thoriumoxyd in Pulverform dem Wolf rampulver zugemischt und beides zusammen gesintert. Es können auch thorierte Wolfram drähte zum Aufbau der Elektroden Verwen dung finden.
In andern Fällen erweist es sich als günstig, auf jegliche Aktivierung zu ver zichten und nur blanke Wolfram-Elektroden- körper vorzusehen, wobei auf grösstmögliche Reinheit zu achten ist.
Zweckmässig ist ferner, solchen Wolframkörperrv wenigstens an den blanken Kopfteilen der Elektroden eine mög lichst hohe Dichte zu verleihen, was beispiels weise bereits beim Sintern des Wolframkör- pers durch Verwendung feinstkörnigen Wolf rampulvers und grösster Pressdrücke sowie dutch eine dicht unter dem Schmelzpunkt liegende Sintertemperatur angestrebt und fer ner durch ausgiebiges Hämmern des fertig gesinterten Wolframkörpers erreicht werden kann.
Die Lebensdauer der Lampe lässt sich dadurch infolge Z.urückdrängung der Ver schmutzung bzw. Schwärzung erheblich ver längern. In dieser Hinsicht. erweist. sieh vielfach auch die Verwendung von Getterstoffen als günstig, insbesondere der Einbau von Hilfs körpern aus Tautal, Zirkon oder Thorium, die so angeordnet werden. müssen, dass sie im Betrieb cler Lampe die erforderliche Ab sorptionstemperatur erreichen.
Da alle Lampen für Gleich strombetrieb bestimmt sind, ist es zweck mässig, zur Erhöhung der Stabilität des Bo gens im Stromkreis noch eine Drosselspule einzubauen.
Electric high pressure gas discharge lamp with fixed glow electrodes. The invention relates to electrical Iloelidruckentladungsla-mpen, in which, for example, consisting of noble gases, in particular Ki # ypton and / or xenon (# 'asfüllun # @ a Hochdrneken.tladting between fixed glow electrodes is generated.
Such high pressure Gasentlachingsl, ampen stand out. Compared to metal vapor lamps, the burn-in process required to generate steam is omitted, meaning that they are immediately ready for use.
Such gas lioclicliaieklainpen are suitable depending on the gas filling used and the vessel construction material for purposes of lighting, irradiation, projection, color film, furthermore for absorption spectral analysis, light therapy and as flashlight lamps, for example for current surge betizeb etc.
When designing such high-pressure lamps, the difficulty arises to maintain the arc in a stable manner, since it is relatively low as a result. Gradients of the gas filling compared to that of Queek silver vapor lamps the Liehtbogen burns very easily, for example under Flaekererseheinungen, jumps back and forth or bends to the side or also slightly changes its. \ Nsat, point on the glow electrodes frequently.
In lamps of this type for direct iron operation with superimposed glow electrodes, the anode arranged at the top is larger than the cathode in order to stabilize the arc in accordance with the invention and is tapered towards the bottom, this for the purpose of achieving that in the \ When operating the lamp, the hot gases flow past the anode without vortices. The anode is expediently formed in such a way that its surface is five to ten times as large as that of the cathode arranged below. This will increase.
equal to the atomization of the anode body kept low.
The formation of a convection flow that is as laminar as possible during operation of the lamp is extremely beneficial for the stability of the arc. The shape of the anode is intended to enable the hot gases to flow up to it without eddies. In addition, it has proven to be advantageous to provide an axial hole on the anode body, the diameter of which is at most one third of the largest diameter of the anode, perpendicular to the arc axis. In this case, the hot arc gases flow vertically upwards through the anode through, which contributes significantly to the bow calming.
Frequently occurs. at the same time a kind of suction by chimney effect.
In the drawing, as execution examples of the invention in Fig. 1 to 3, several high-dirt gas discharge lamps with fixed glow electrodes, in longitudinal section Darge provides. Fig. 1 shows an air-cooled quartz glass lamp for direct current operation in about two thirds of the natural size, which has a xenon filling of about 12 atm. contains.
The incandescent cathode 1 arranged at the bottom consists of a conically pointed, thoriated tungsten pin on which two thin-wire tungsten coils are tightly sealed. adjacent turns are screwed tightly. Thorium oxide can be introduced between the turns of these coils to facilitate ignition. be.
The anode 2 arranged above, which is formed from substantially larger than the cathode, consists. made from a conical sintered w oltrams body. In the lamp, next to the discharge path, a starting wire 3 made of tungsten is also arranged laterally. In order to ignite the lamp even at low voltages. can. The discharge vessel 4 is slightly ovally curved.
Both the cathode 1 and the anode 2 are carried by a llolybdenum wire 5, which is beaten wide at two Stel len 6 and 7 by hammering to form a sheet of oval shape. These foils are vacuum-tightly melted into the surrounding quartz glass, possibly squeezed. The outer foil 7 is so far removed from the discharge space that it only experiences slight heating during operation and, accordingly, harmful oxidation of the outer molybdenum wire end 8 is avoided.
The quartz glass connector in which the film 6 is embedded in a vacuum-tight manner is surrounded by a capillary annular gap which is connected to the discharge space and accordingly also has the high pressure of the gas filling. The full internal pressure is therefore on the quartz glass connector, so that it is only under compressive stress and accordingly has no tendency to detach from the film 6 even at high operating temperatures. By connecting the two foils one behind the other in the manner described, a reliably sealed fusion of the conductors is ensured.
The high-pressure lamp according to FIG. 2 has an egg-shaped lamp vessel 15. The cathode core wire 16 in turn carries two thin-wire ends; the inner Wen del 17 is extended backwards for better heat dissipation. The space remaining above the anode facilitates attachment or melting. of the exhaust tube during manufacture and the introduction of the gas filling by freezing.
Fig. 3 shows a Hoclidrueklampe, in which to achieve a laminar flow of the anode body 19 streamlines ge forms. and also has an axial bore 20 which opens into lateral channels at the rear end of the electrode. For the purpose of ensuring that the temperature of the discharge vessel 21 is as uniformly high as possible at all points on the inner wall when the lamp is in operation, the vessel is egg-shaped. The distance between the wall of the vessel and the larger anode is therefore greater than the distance from the smaller cathode.
Furthermore, since the hot gases rising up by the convection flow first flush the upper part of the discharge vessel, an expedient solution results in an embodiment in which at least 60; preferably 75% of the inner surface of the discharge vessel is above the arc attachment on the anode.
Compared to an exactly spherical discharge vessel with. The same inner surface, in which the electrodes are both at the same distance from the vessel wall, the proposed egg shape enables a higher wattage of the lamp, which can be 30 to 50 IM.
For high pressure lamps with a relatively long arc column, choose. the electrode spacing is larger than the diameter of the discharge tube in order to exploit the influence of the vessel wall on the stabilization of the arc (see Weizel Rompe, Theory of electric arcs, Leipzig, 1949, pages 38 to 44). In order to calm the arc in such lamps, it is advisable to select the ratio of the current density in AmpJem2 to the filling pressure in atmospheres greater than 50.
The discharge tube, which is usually made of quartz glass, is artificially cooled, for example by means of a gas or liquid flow.
At a given operating gas pressure, the lowest cold gas pressure results when the lamp vessel is made extremely small. and accordingly the highest possible operating temperature is reached. For example, recommends. In the case of lamps made of quartz glass, the discharge vessel can be reduced in size while avoiding dead spaces in such a way that the energy flow through the inner surface reaches at least <B>:) 0 </B> W / cm2.
It is therefore mostly a matter of making the lamp vessel from a material with a high melting point, in particular quartz glass or even higher melting light-permeable building materials such as aluminum oxide, magnesium oxide, zirconium oxide or mixtures of these oxides.
From other points of view, for example cheap production or melting, it can also be useful in various cases to use relatively low-melting hard glasses, where in turn achieving the most even temperature distribution possible is important.
It can be with. Good success, similar to high-pressure mercury lamps, and also artificially produce, for example, liquid-cooled, high-pressure gas lamps, with a gas filling of very high cold pressure, for example 50 atm., explosion-proof in a capillary discharge tube with an inner diameter of, for example, 5 to 10 mm can be accommodated. Usually who the ends of the tube to accommodate the electrodes are expanded somewhat.
Lamps of this type usually have. Burning voltages over 40 volts and considerable power consumption of: for example 1000 watts with very high luminance levels.
If the lamps according to the invention are to have an extremely high luminance for projection purposes with a quiet luminous surface, the anode is brought so close to the cathode that the positive column of the discharge is largely suppressed. Essentially only the immediate vicinity of the cathode spot then radiates, that is to say the conical part of the arc which is no longer part of the positive column. Depending on the current range in which the lamp is operated, between 10 and 50 Amp.,
is the elec- tric to be selected for this purpose. electrode spacing 0.5 to 2 mm.
Even if the main filling of the high-pressure cleats consists of heavy noble gas, i.e. krypton and xenon, in isolated cases it can also be useful to use a mixture of heavy noble gases with gases with an atomic weight equal to or less than 21, for example hydrogen , Helium or neon. To achieve a specific spectral distribution or color effect or to increase the gradient and thus the voltage absorption of the lamp, additives can also be added, for example metals, the vapors of which are also excited to radiation during operation.
The thorium oxide, which is used to facilitate ignition, can also be added directly to the glow electrodes by being incorporated into the electrode metal. For example, thorium oxide in powder form is added to the Wolf ramp powder and both are sintered together. Thoriated tungsten wires can also be used to construct the electrodes.
In other cases it proves to be beneficial to dispense with any activation and to provide only bare tungsten electrode bodies, whereby the greatest possible purity is to be ensured.
It is also expedient to give such tungsten bodies as high a density as possible, at least on the bare head parts of the electrodes, which is aimed for, for example, during sintering of the tungsten body by using very fine-grained Wolf powder and the greatest pressing pressures and a sintering temperature just below the melting point further can be achieved by extensive hammering of the finished sintered tungsten body.
The service life of the lamp can be extended considerably as a result of the reduction in dirt and blackening. In this regard. proves. I often see the use of getter materials as favorable, in particular the installation of auxiliary bodies made of tautal, zirconium or thorium, which are arranged in this way. must that they reach the required absorption temperature when the lamp is in operation.
Since all lamps are designed for direct current operation, it is advisable to install a choke coil to increase the stability of the arc in the circuit.