DE10057881A1 - Gasentladungslampe mit Leuchtstoffschicht - Google Patents

Gasentladungslampe mit Leuchtstoffschicht

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen, die mit einem mit einer Gasfüllung gefüllten Entladungsgefäß, das mindestens eine Wandung, die aus einem dielektrischen Material besteht, und mindestens eine Wandung mit einer eine für sichere Strahlung mindestens teilweise transparenten Fläche mit einer Leuchtstoffschicht, die einem Leuchtstoff mit einem Wirtsgitter, mit Eu·2+· als Aktivator und mit einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce·3+· Pr·3+· und Tb·3+·, enthält, umfasst, mit einer Elektrodenstruktur für eine dielektrisch behinderte Entladung und mit Mitteln zur Zündung und Aufrechterhaltung der Entladung ausgerüstet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Leuchtstoff mit einem Wirtsgitter, mit Eu·2+· als Aktivator und mit einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce·3+·, Pr·3+· und Tb·3+·.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen, die mit einem mit einer Gasfüllung gefüllten Entladungsgefäß, das mindestens eine Wandung, die aus einem dielektrischen Material besteht, und mindestens eine Wandung mit einer eine für sichtbare Strahlung mindestens teilweise transparenten Fläche mit einer Leuchtstoffschicht umfasst, mit einer Elektrodenstruktur für eine dielektrisch behinderte Entladung und mit Mitteln zur Zündung und Aufrechterhaltung der dielektrisch behinderten Entladung ausgerüstet ist.
Gasentladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen werden insbesondere in Geräten für die Büroautomation, z. B. Farbkopierern und Farbscannern, für die Signalbeleuchtung, z. B. als Brems- und Richtungsanzeigelicht in Automobilen, für Hilfsbeleuchtungen, z. B. der Innenbeleuchtung von Automobilen sowie insbesondere auch für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen und Bildschirmen, z. B. von Flüssigkristallanzeigen, eingesetzt.
Für die genannten Anwendungen ist nicht nur eine über die Länge der Lampe gleich­ mäßige, sondern auch eine hohe Leuchtdichte notwendig. Um die Leuchtdichte zu steigern, muss mehr Leistung in das System eingekoppelt werden. Das belastet aber u. a. auch die Leuchtstoffe in der Leuchtstoffschicht stärker. Mit zunehmender Leistungsein­ kopplung degradieren die Leuchtstoffe schneller und die Lichtausbeute nimmt während des Betriebes schneller ab.
Besonders Gasentladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen, die Leuchtstoffe mit Eu2+ als Aktivator enthalten, sind von der Degradation der Leuchtstoffe betroffen. Leuchtstoffe mit Eu2+ als Aktivator sind aus Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 16,195 (1978), Weinheim bekannt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen, die mit einem mit einer Gasfüllung gefüllten Entladungsgefäß, das mindestens eine Wandung, die aus einem dielektrischen Material besteht, und mindestens eine Wandung mit einer eine für sichtbare Strahlung mindestens teilweise transparenten Fläche mit einer Leuchtstoffschicht, die einen Leuchtstoff mit Eu2+ als Aktivator enthält umfasst, mit einer Elektrodenstruktur für eine dielektrisch behinderte Entladung und mit Mitteln zur Zündung und Aufrechterhaltung der dielektrisch behinderten Entladung ausgerüstet ist, zur Verfügung zu stellen, bei der die Degradation des Leuchtstoffs reduziert ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch eine Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen, die mit einem mit einer Gasfüllung gefüllten Entladungsgefäß, das mindestens eine Wandung, die aus einem dielektrischen Material besteht, und mindestens eine Wandung mit einer eine für sichtbare Strahlung mindestens teilweise transparenten Fläche mit einer Leuchtstoffschicht, die einen Leuchtstoff mit einem Wirtsgitter, mit Eu2+ als Aktivator und mit einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce3+, Pr3+ und Tb3+, enthält, umfasst, mit einer Elektrodenstruktur für eine dielektrisch behinderte Entladung und mit Mitteln zur Zündung und Aufrechterhaltung der Entladung ausgerüstet ist.
In einer Gasentladungslampe mit einer Leuchtstoffschicht, die einen Leuchtstoff mit Eu2+ als Aktivator und einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce3+, Pr3+ und Tb3+, enthält, ist die Degradation des Leuchtstoffs vermindert und der Farbpunkt der Lampe bleibt unverändert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Degradation von Leuchtstoffen mit Eu2+ als Aktivator in Gasentladungslampen für dielektrisch behinderte Entladungen durch Photooxidation des Eu2+ durch die VUV-Strahlung der Gasentladungslampe mit einer Wellenlänge zwischen 100 und 200 nm bewirkt wird, während unter Anregung mit längerwelligem Licht mit einer Wellenlänge von 200 bis 400 nm kein Effizienzverlust zu beobachten ist. Es wurde gefunden, dass diese Photooxidation des Eu2+-Ions verhindert werden kann, wenn dem Leuchtstoff weitere Dotierungen wie Ce3+, Pr3+ und Tb3 zugefügt werden, die selbst photooxidierbar sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Wirtsgitter aus einem anorganischen Material ausgewählt aus der Gruppe der Oxide, Sulfide, Halogenide, Aluminate, Gallate, Thiogallate, Phosphate, Borate und Silikate.
Es ist besonders bevorzugt, dass der Leuchtstoff aus der Gruppe BaMgAl10O17 : Eu2+,D; BaMgAl10O17 : Eu2+,Mn,D; (Sr,Ba)MgAl10O17 : Eu2+,D; BaMgAl16O27 : Eu2+,D; BaMgAl14O23 : Eu2+,D; CaAl12O19 : Eu2+,D; SrAl12O19 : Eu2+,D; SrAl2O4 : Eu2+,D; (Ca,Sr,Ba)5(PO4)3Cl : Eu2+,D; Sr5(PO4)3Cl : Eu2+,D; Ba3MgSi2O8 : Eu2+,D; BaF(Cl,Br) : Eu2+,D und SrGa2S4 : Eu2+,D ausgewählt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Leuchtstoffschicht BaMgAl10O17 : Eu2+,D; Zn2SiO4 : Mn und (Y,Gd)BO3 : Eu3+ enthält.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Leuchtstoffschicht BaMgAl10O17 : Eu2+,D; (Y,Gd)BO3 : Tb3+ und (Y,Gd)BO3 : Eu3+ enthält.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Leuchtstoff mit einem Wirtsgitter, mit Eu2+ als Aktivator und mit einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce3+, Pr3+ und Tb3+. Ein derartiger Leuchtstoff kann vorteilhaft auch für die Leuchtstoffschicht von farbigen Plasmabildschirmen verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen weiter erläutert.
Eine Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen nach der Erfindung umfasst ein Entladungsgefäß mit einer Gasfüllung mit mindestens einer Wandung, die aus einem dielektrischen Material besteht und mit mindestens einer Wandung, die eine für sichtbare Strahlung mindestens teilweise transparente Fläche mit einer Leuchtstoffschicht aufweist. Die Leuchtstoffschicht enthält eine Leuchtstoffzubereitung mit einem Leucht­ stoff aus einem anorganischen, kristallinen Wirtsgitter, der seine Leuchtfähigkeit durch eine Aktivierung mit einer Eu2+-Dotierung erworben hat. Außerdem ist die Gasent­ ladungslampe mit einer Elektrodenstruktur für eine dielektrisch behinderte Entladung und mit Mitteln zur Zündung und Aufrechterhaltung der dielektrisch behinderten Entladung ausgerüstet.
In einer typischen Bauform für die Gasentladungslampe besteht diese aus einem zylin­ drischen, mit Xenon gefüllten Lampenkolben aus Glas, auf dessen Wandung außen ein Paar streifenförmiger Elektroden elektrisch isoliert voneinander angeordnet ist. Die streifenförmigen Elektroden erstrecken sich über die gesamte Länge des Lampenkolbens, wobei sie sich mit ihren Längsseiten unter Freilassung von zwei Spalten gegenüberliegen. Die Elektroden sind an die Pole einer Hochspannungsquelle angeschlossen, die mit einer Wechselspannung in der Größenordnung von 20 kHz bis 500 kHz derart betrieben wird, dass sich eine elektrische Entladung nur im Bereich der inneren Oberfläche des Lampen­ kolbens bildet.
Wenn eine Wechselstromspannung an die Elektroden angelegt wird, kann in dem xenon­ haltigen Füllgas eine stille elektrische Ladung gezündet werden. Dadurch bilden sich im Xenon Excimere, d. h. Moleküle, die aus einem angeregten Xenon-Atom und einem Xenon-Atom im Grundzustand bestehen.
Xe + Xe* = Xe2*.
Die Anregungsenergie wird als UV-Strahlung mit einer Wellenlänge von λ = 160 bis 190 nm wieder abgegeben. Diese Umwandlung von Elektronenenergie in UV-Strahlung erfolgt sehr effizient. Die erzeugten UV-Photonen werden von den Leuchtstoffen der Leuchtstoff­ schicht absorbiert und die Anregungsenergie wird in dem längerwelligen Bereich des Spektrums teilweise wieder abgegeben.
Grundsätzlich sind für das Entladungsgefäß eine Vielzahl von Bauformen wie Platten, einfache Rohre, Koaxialrohre, gerade, u-förmig, kreisförmig gebogene oder gewendelte, zylinderförmige oder anders geformte Entladungsröhren möglich.
Als Material für das Entladungsgefäß werden z. B. Quarz oder Glassorten verwendet.
Die Elektroden bestehen z. B. aus einem Metall, z. B. Aluminium oder Silber, einer Metall-Legierung oder aus einer transparenten leitfähigen anorganischen Verbindung z. B. ITO. Sie können als Beschichtung, als aufgeklebte Folie, als Draht oder als Drahtnetz ausgebildet sein.
Um die Lichtstärke in eine bestimmte Richtung zu bündeln, kann ein Teil des Entladungs­ gefäßes mit einer Beschichtung versehen werden, die als Reflektor für VUV- und UV-C- Licht wirkt.
Das Entladungsgefäß ist mit einem Gasgemisch, das ein Edelgas wie Xenon, Krypton, Neon oder Helium enthält, gefüllt. Gasfüllungen, die überwiegend aus sauerstofffreiem Xenon bestehen, sind bevorzugt.
Die Innenwandung des Gasentladungsgefäßes ist teilweise oder ganz mit einer Leuchtstoff­ schicht, die ein oder auch mehrere Leuchtstoffe bzw. Leuchtstoffzubereitungen enthält, beschichtet. Weiterhin kann die Leuchtstoffschicht noch organisches oder anorganisches Bindemittel oder eine Bindemittelzusammensetzung enthalten.
Der Leuchtstoff ist ein Leuchtstoff mit dem Eu2+-Ion als Aktivator in einem Wirtsgitter. Das Wirtsgitter kann aus einem anorganischen Material wie Oxide, Sulfide, Halogenide, Aluminate, Gallate, Thiogallate, Phosphate, Borate oder Silikate bestehen, das mit einigen Prozent des Aktivators dotiert ist.
Die Leuchtstoffe, die gemäß der Erfindung verwendet werden, sind in erster Linie die Leuchtstoffe MeMgAl10O17 : Eu2+,D mit Me = Ba, Sr mit der β-alumina-Kristallstruktur, z. B. BaAl10O17 : Eu2+,D sowie die Leuchtstoffe mit verwandter Kristallstruktur wie BaMgAl16O27 : Eu2+,D und BaMgAl14O23 : Eu2+,D. Weiterhin können Aluminat-Leuchtstoffe mit Magnetoplumbit-Struktur MeAl12O19 : Eu2+,D mit Me ausgewählt aus Ca, Sr, Ba, z. B. BaAl12O19 : Eu2+,D verwendet werden. Diese Aluminat-Leuchtstoffe sind besonders effiziente Leuchtstoffe unter Vakuum-UV-Anregung.
Besonders bevorzugte Leuchtstoffe sind weiterhin das grünleuchtende Strontiumaluminat SrAl2O4 : Eu2+,D; Strontiumchlorophosphat Sr5(PO4)5Cl : Eu2+,D; Barixagnesiumsilikat Ba3MgSi2O8 : Eu2+',D; Bariumhalogenid BaF(Cl,Br) : Eu2+,D und Strontiumthiogallat SrGa2S4 : Eu2+,D.
Die Eu2+-aktivierten und mit Co-Aktivatoren dotierten Leuchtstoffe enthalten bevorzugt 0.1 bis 30 Mol-% Eu2+ und 0.01 bis 5 Mol-% der dreiwertigen Co-Aktivatoren ausgewählt aus Cer, Praseodym und Terbium.
Leuchtstoffe mit Eu2+ als Aktivator können leicht mit den dreiwertigen Co-Aktivatoren Cer, Praseodym und Terbium dotiert werden, wenn man bei der Herstellung der Leucht­ stoffe den Ausgangsverbindungen ein Oxid ausgewählt aus der Gruppe CeO2, Pr6O11 und Tb4O7 zufügt.
Der Absorptionskoeffizient der genannten Leuchtstoffe ist für die Wellenlängen im Bereich der Xenonstrahlung besonders groß und die Quantenausbeute hoch. Das Wirtsgitter beteiligt sich nicht an dem Lumineszenzprozess, es beeinflusst aber die genaue Lage der Energieniveaus des Aktivatorions, und infolgedessen die Wellenlängen von Absorption und Emission. Das Eu2+-Ion zeigt als Aktivator in den verschiedenen Wirtsgittern meist breite Absorptionsbanden im Ultravioletten, teilweise bis ins Blaue reichend. Die Emissionsbanden liegen im Bereich vom langen Ultraviolett bis zum Gelborange, jedoch überwiegend im Blau. Die Löschtemperatur dieser Leuchtstoffe liegt bei über 100°C.
Die Korngröße der Leuchtstoffpartikel ist nicht kritisch. Üblicherweise werden die Leucht­ stoffe als feinkörnige Pulver mit einer Korngrößenverteilung zwischen 1 und 20 µm ver­ wendet.
Als Herstellungsverfahren für Leuchtstoffschicht auf einer Wandung des Entladungs­ gefäßes kommen sowohl Trockenbeschichtungsverfahren, wie z. B. elektrostatische Abscheidung oder elektrostatisch unterstütztes Bestäuben, als auch ein Nass­ beschichtungsverfahren wie z. B. Tauchen oder Sprühen in Betracht.
Für Nassbeschichtungsverfahren muss die Leuchtstoffzubereitung in Wasser, einem organischen Lösemittel, gegebenenfalls zusammen mit einem Dispergiermittel, einem Tensid und einem Antischaummittel, oder einer Bindemittelzubereitung dispergiert werden. Geeignet für Bindemittelzubereitungen für eine Gasentladungslampe nach der Erfindung sind organische oder anorganische Bindemittel, die einer Betriebstemperatur von 250°C ohne Zersetzung, Versprödung oder Verfärbung überstehen.
Beispielsweise kann die Leuchtstoffzubereitung auf eine Wandung des Entladungsgefäßes mittels eines Flow-Coating-Verfahrens aufgebracht werden. Die Beschichtungssuspen­ sionen für das Flow-Coating-Verfahren enthalten Wasser oder eine organische Ver­ bindung wie Butylacetat als Lösungsmittel. Die Suspension wird durch Zugabe von Hilfs­ mitteln, wie Stabilisatoren, Verflüssigern, Cellulosederivaten, stabilisiert und in ihren rheologischen Eigenschaften beeinflusst. Die Leuchtstoffsuspension wird als dünne Schicht auf die Gefäßwände aufgebracht, getrocknet und bei 600°C eingebrannt.
Es kann auch bevorzugt sein, dass die Leuchtstoffzubereitung für die Leuchtstoffschicht elektrostatisch auf der Innenseite des Entladungsgefäßes abgeschieden wird.
Für eine Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen, die weißes Licht abstrahlen soll, werden bevorzugt ein grünemittierender Leuchtstoff aus der Gruppe BaMgAl10O17 : Eu2+,D; BaMgAl10O17 : Eu2+,Mn, D und (Ca,Sr,Ba)5(PO4)3Cl : Eu2+,D mit einem rotemittierenden Leuchtstoff aus der Gruppe (Y,Gd)BO3 : Eu3+ und Y(V,P)O4 : Eu3+ und einem grünemittierenden Leuchtstoff aus der Gruppe (Y,Gd)BO3 : Tb3+ und Zn2SiO4 : Mn kombiniert.
Die Leuchtstoffschicht hat üblicherweise eine Schichtdicke von 5 bis 100 µm.
Das Gefäß wird dann evakuiert, um alle gasförmigen Verunreinigungen, insbesondere Sauerstoff zu entfernen. Anschließend wird das Gefäß mit Xenon gefüllt und verschlossen.
Ausführungsbeispiel 1
Ein zylindrisches Entladungsgefäß aus Glas mit einer Länge von 590 mm, einem Durch­ messer von 10 mm und einer Wandstärke von 0,8 mm wird mit Xenon bei einem Druck von 200 hPa gefüllt. Das Entladungsgefäß enthält eine achsparallele Innenelektrode in Form eines Edelmetallstabs mit 2,2 mm Durchmesser. Auf der Außenfläche des Ent­ ladungsgefäßes befindet sich die Außenelektrode aus zwei 2 mm breiten Streifen aus Leitsilber, die achsparallel angeordnet und mit der Spannungsversorgung leitend ver­ bunden sind. Die Lampe wird mit gepulster Gleichspannung betrieben.
Die Innenwand des Entladungsgefäßes ist mit einer Leuchtstoffschicht beschichtet. Die Leuchtstoffschicht enthält ein Dreibandenleuchtstoffgemisch mit folgenden Komponenten: BaMgAl10O17 : Eu2+,Pr3+ als blaue Komponente, Y2O3 : Eu als rote Komponente und Y2SiO5 : Tb als grüne Komponente.
Zur Herstellung des BaMgAl10O 17 : Eu2+,Pr3+ werden 69,3 g (0.350 Mol) BaCO3, 7.0 g (0.03 Mol) Eu2O3, 4.0 g (4.0 mmol) Pr6O11, 11.2 g (0.278 Mol) MgO, 204 g (2.0 Mol Al2O3) und 7.4 g (0.119 Mol) MgF2 gründlich gemischt und in einem Achatmörser gemahlen. Die Mischung wird in einer reduzierenden Atmosphäre aus Stickstoff mit 1% Wasserstoff 2 h bei 1300°C gesintert. Das gesinterte Pulver wird erneut gemahlen und auf eine Korngröße d < 36 µm gesiebt.
Damit wurde eine Lichtausbeute von anfangs 37 lm/W erzielt. Nach 1000 Betriebsstunden lag die Lichtausbeute bei 34 lm/W. Die Quantenausbeute für VUV-Licht liegt bei 70%.
Ausführungsbeispiel 2
Ein zylindrisches Entladungsgefäß aus Glas mit eine Länge von 590 mm, einem Durch­ messer von 10 mm und einer Wandstärke von 0,8 mm wird mit Xenon bei einem Druck von 200 hPa gefüllt. Das Entladungsgefäß enthält eine achsparallele Innenelektrode in Form eines Edelmetallstabs mit 2,2 mm Durchmesser. Auf der Außenfläche des Ent­ ladungsgefäßes befindet sich die Außenelektrode aus zwei 2 mm breiten Streifen aus Leitsilber, die achsparallel angeordnet und mit der Spannungsversorgung leitend ver­ bunden sind. Die Lampe wird mit gepulster Gleichspannung betrieben.
Die Innenwand des Entladungsgefäßes ist mit einer Leuchtstoffschicht beschichtet.
Die Leuchtstoffschicht enthält ein Dreibandenleuchtstoffgemisch mit folgenden Komponenten: BaMgAl10O17 : Eu2+,Ce3+ als blaue Komponente, (Y,Gd)BO3 : Eu3+ als rote Komponente und Zn2SiO4 : Mn als grüne Komponente.
Zur Herstellung des BaMgAl10O17 : Eu2+,Ce3+ werden 69,3 g (0.350 Mol) BaCO3, 7.0 g (0.03 Mol) Eu2O3, 4.1 g (24.0 mmol) CeO2, 11.2 g (0.278 Mol) MgO, 204 g (2.0 Mol AlO3) und 7.4 g (0.119 Mol) MgF2 gründlich gemischt und in einem Achatmörser gemahlen. Die Mischung wird in einer reduzierenden Atmosphäre aus Stickstoff mit 1% Wasserstoff 2 h bei 1300°C gesintert. Das gesinterte Pulver wird erneut gemahlen und auf eine Korngröße d < 36 µm gesiebt.
Damit wurde eine Lichtausbeute von anfangs 37 lm/W erzielt. Nach 1000 Betriebsstunden lag die Lichtausbeute bei 34 lm/W. Die Quantenausbeute für VUV-Licht liegt bei 70%.

Claims (6)

1. Gasentladungslampe für dielektrisch behinderte Entladungen, die mit einem mit einer Gasfüllung gefüllten Entladungsgefäß, das mindestens eine Wandung, die aus einem dielektrischen Material besteht, und mindestens eine Wandung mit einer eine für sichtbare Strahlung mindestens teilweise transparenten Fläche mit einer Leuchtstoffschicht, die einen Leuchtstoff mit einem Wirtsgitter, mit Eu2+ als Aktivator und mit einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce3+, Pr3+ und Tb3+, enthält, umfasst, mit einer Elektroden­ struktur für eine dielektrisch behinderte Entladung und mit Mitteln zur Zündung und Aufrechterhaltung der Entladung ausgerüstet ist.
2. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirtsgitter aus einem anorganischen Material ausgewählt aus der Gruppe der Oxide, Sulfide, Halogenide, Aluminate, Gallate, Thiogallate, Phosphate, Borate und Silikate besteht.
3. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leuchtstoff aus der Gruppe BaMgAl10O17 : Eu2+,D; BaMgAl10O17 : Eu2+,Mn,D, (Sr,Ba)MgAl10O17 : Eu2+,D; BaMgAl16O27 : Eu2+,D; BaMgAl14O23 : Eu2+,D; CaAl12O19 : Eu2+,D; SrAl12O19 : Eu2+,D; SrAl2O4 : Eu2+,D; (Ca,Sr,Ba)5(PO4)3Cl : Eu2+,D; Sr5(PO4)3Cl : Eu2+,D; Ba3MgSi2O8 : Eu2+,D; BaF(Cl,Br) : Eu2+,D und SrGa2S4 : Eu2+,D ausgewählt ist.
4. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht BaMgAl10O17 : Eu2+,D; Zn2SiO4 : Mn2+ und (Y,Gd)BO3 : Eu3+ enthält.
5. Gasentladungslampe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtstoffschicht BaMgAl10O17 : Eu2+,D; (Y,Gd)BO3 : Tb3+ und (Y,Gd)BO3 : Eu3+ enthält.
6. Leuchtstoff mit einem Wirtsgitter, mit Eu2+ als Aktivator und mit einer Dotierung D, ausgewählt aus der Gruppe Ce3+, Pr3+ und Tb3+.
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