DE102009014425A1

DE102009014425A1 - Deuteriumlampe

Info

Publication number: DE102009014425A1
Application number: DE102009014425A
Authority: DE
Inventors: Torsten Jenek
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: SG174121A1; WO2010108581A1; KR20120001725A; EP2412001B1; AU2010227909A1; KR101553734B1; EP2412001A1; JP2012521621A; AU2010227909B2; DE102009014425B4; US20110285282A1; CN102365706B; CN102365706A; JP5362098B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Deuteriumlampe mit einem Lampenfuß, der Elektrodendurchführungen aufweist, mit einem Kolben aus Glas und mit einem Gehäuseaufbau, der Anode, Kathode und Blende umfasst, wobei mindestens ein Teil des Kolbens eine Strahlaustrittsfläche bildet und wobei Lampenfuß und Kolben einen Gasraum umschließen, und besteht darin, dass der Kolben an seiner dem Gasraum zugewandten Oberfläche mindestens an der Strahlaustrittsfläche eine Gasdiffusionsbarriereschicht aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Deuteriumlampe mit einem Lampenfuß, der Elektrodendurchführungen aufweist, mit einem Kolben aus Glas und mit einem Gehäuseaufbau, der Anode, Kathode und Blende umfasst, wobei mindestens ein Teil des Kolbens eine Strahlaustrittsfläche bildet und wobei Lampenfuß und Kolben einen Gasraum umschließen.
Alle derzeitigen Deuteriumlampen leiden unter einer sogenannten Gasaufzehrung. Dabei diffundiert im Betrieb der Lampe die Gasfüllung unter anderem in den Quarzglaskolben hinein, vorwiegend auf Zwischengitterplätze und ist so interstitiell in der Struktur gebunden. Aufgrund des kleinen Atomradius von Deuterium ist die Diffusionsrate für Deuterium deutlich höher, als für die wesentlich größeren Edelgase, wie z. B. Neon oder Xenon. Dieser Diffusionsprozess wird durch Oberflächenaktivierung des Quarzglases durch harte UV-Strahlung, die durch das Deuteriumplasma erzeugt wird, noch beschleunigt. Die Diffusion an der Quarzglasoberfläche im Bereich des Strahlaustritts ist deshalb besonders hoch. Der hier beschriebene Diffusionsprozess führt dazu, dass der Fülldruck der Lampe im Betrieb kontinuierlich abnimmt. Die für den Betrieb der Lampe notwendige Bogenentladung lässt sich nur bis zum einem gewissen Minimaldruck aufrecht erhalten. Wird dieser Druck durch Gasaufzehrung unterschritten, verliert die Lampe drastisch an Intensität und ist unbrauchbar. Die Gasaufzehrung bestimmt also die Lebensdauer der Lampe.
Bei den derzeitig verwendeten Deuteriumlampen ist die Innenseite des Quarzglaskolbens entweder ungeschützt oder es wird eine Beschichtung aus Boroxid aufgebracht. Das Boroxid diffundiert in die Quarzglasoberfläche hinein und verbindet sich in einer chemischen Reaktion mit der oberflächennahen Schicht des Quarzglases. Die Boroxidbeschichtung hat zur Folge, dass die Quarzglasoberfläche chemisch resistenter wird. Die Quarzglasoberfläche wird so besser vor Reaktionen mit Pastenmaterial von der Kathode geschützt, das sich im Betrieb der Lampe auf der Kolbeninnenseite niederschlägt. Das Pastenmaterial der Kathode enthält Ba, Sr und/oder Ca. Diese Elemente reagieren unter den Betriebsbedingungen der Deuteriumlampe mit der Quarzglasoberfläche und führen so zu kontinuierlichem Intensitätsverlust durch optische Absorption der Reaktionsprodukte. Der Intensitätsverlust ist also auf chemische Reaktionen zurückzuführen. Der Gasverlust der Lampe wird durch die Boroxidbeschichtung kaum beeinflusst. ( DE 3713704 A1 , EP 0287706 B1 ).
Von Quecksilberniederdruck- oder Amalgamlampen ist eine Aluminiumphosphoroxid-Beschichtung bekannt, die die Quarzglasoberfläche des Strahlers vor chemischem Angriff durch Quecksilberionen schützt. Die Quecksilberionen reagieren mit dem Quarzglas zu Quecksilberoxid, das stark absorbierend wirkt und die Intensität des Strahlers verringert ( DE 102004038556 A1 ). Dünne Schichten sind auch aus EP 0290669 B1 , EP 0407548 B1 , EP 1043755 B1 , EP 1282153 A1 bekannt.
Von Xe-Halogenid Excimerlampen ist eine Aluminiumoxidschicht bekannt, die die Quarzglasoberfläche des Strahlers vor chemischem Angriff der Halogenide schützt. Die Halogenide, die für die UV-Emission verantwortlich sind, reagieren stark mit der Quarzglasoberfläche, so dass bereits nach wenigen Minuten die Halogenide chemisch im Quarzglas gebunden sind. Auch hier wird die chemische Resistenz von Aluminiumoxid ausgenutzt ( DE 10137015 A1 , ähnlich CH 672380 A5 ).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gasaufzehrung zu verringern und die Lebensdauer der Deuteriumlampen zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Dadurch, dass der Kolben an seiner dem Gasraum zugewandten Oberfläche mindestens an der Strahlaustrittsfläche eine Gasdiffusionsbarriereschicht aufweist, verringert sich die Gasdiffusion und damit die Gasaufzehrung gegenüber bekannten Techniken signifikant. Vorzugsweise ist die Gasdiffusionsbarriereschicht aus Alumiuniumoxid, vorzugsweise aus amorphem Aluminiumoxid, gebildet, da amorphes Aluminiumoxid wesentlich kompakter ist als Quarzglas.
Zweckmäßig ist es, dass die Gasdiffusionsbarriereschicht eine Dicke von 10 nm bis 10 μm, vorzugsweise von 20 nm bis 200 nm, aufweist. Die Schichtdicke kann entweder durch eine 1-fach Schicht oder durch mehrere Beschichtungsvorgänge erzeugt werden. Die Gasdiffusionsbarriereschicht ist vorzugsweise optisch transparent bei einer Wellenlänge zwischen 160 nm und 1100 nm.
Die Gasdiffusionsbarriereschicht kann auf der gesamten dem Gasraum zugewandten Oberfläche des Kolbens angeordnet sein. Der Kolben der Deuteriumlampe ist vorzugsweise aus Quarzglas oder Borosilikatglas gebildet, wobei sich der Vorteil der Diffusionsbarriereschicht besonders deutlich zeigt.
Das Aluminiumoxid kann über PVD, CVD oder Sol-Gel-Verfahren aufgebracht werden. Beim Sol-Gel-Verfahren kann das Sol-Gel gesprüht, getaucht oder durch das Ziehen eines Kerns, der wie ein Rundspachtel wirkt, aufgebracht werden. Bevorzugt wird die Schicht im Sol-Gel-Tauchverfahren aufgebracht, um eine gleichmäßige Schichtqualität zu erreichen. Im Anschluss wird die Schicht für 1 bis 24 Stunden bei Temperaturen zwischen 30°C und 200°C getrocknet. Abschließend wird die Gasdiffusionsbarriereschicht bei Temperaturen zwischen 400°C und 1400°C, vorzugsweise zwischen 600°C und 1200°C, zwischen 1 und 24 Stunden eingebrannt, um eine gute Barrierewirkung zu erzielen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung zeigt
1 eine Deuteriumlampe mit erfindungsgemäßer Schicht
2 einen Ausschnitt aus dem beschichteten Lampenkolben
3 den zeitlichen Verlauf des Gasdrucks und
4 den zeitlichen Intensitätsverlauf.
Die in 1 dargestellte Deuteriumlampe basiert auf einem Fuß 1 aus Quarzglas mit elektrischer Kathodendurchführung 2, elektrischer Massendurchführung 3 und elektrischer Anodendurchführung 4. In die elektrischen Durchführungen 2; 3; 4 sind Molybdänfolien 5 einsetzt, die für einen gasdichten Abschluss sorgen. Der Gehäuseaufbau 11 der Deuteriumlampe wird zusätzlich durch den vorderen Haltestift 6 und den hinteren Haltestift 7 gestützt, um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Der Gehäuseaufbau 11 beinhaltet die Kathode 14, die Anode 12 und die Blende 15, die im Gehäuseaufbau 11 beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Kathode 14 wird durch die Kathodenisolierung 8 von dem Gehäuseaufbau 11 isoliert. Der Gehäuseaufbau 11 ist von einem Gasvolumen 9 umgeben. Bei dem Gas handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff oder Deuterium. Gehäuseaufbau 11 und Gasvolumen 9 werden durch den Kolben 10 aus Quarzglas und den Fuss 1 gasdicht eingeschlossen.
Aufgrund seines kleinen Atomradius ist Deuterium in der Lage, in die Quarzglasstruktur hinein zu diffundieren. Dabei diffundiert das Deuterium vorwiegend auf Zwischengitterplätze und ist so interstitiell in der Struktur gebunden. Die chemische Bindung unter Bildung von SiD ist auch möglich, quantitativ aber vernachlässigbar. Bei den wesentlich größeren Edelgasen (z. B. Neon, Xenon) ist die Diffusionsrate deutlich niedriger. Dieser Diffusionsprozess wird durch Oberflächenaktivierung des Quarzglases durch harte UV-Strahlung, die durch das Deuteriumplasma erzeugt wird, noch beschleunigt. Die Diffusion an der Quarzglasoberfläche im Bereich des Strahlaustritts ist deshalb besonders hoch. Der hier beschriebene Diffusionsprozess führt dazu, dass der Fülldruck der Lampe im Betrieb kontinuierlich abnimmt. Die für den Betrieb der Lampe notwendige Bogenentladung lässt sich nur bis zum einem gewissen Minimaldruck aufrecht erhalten. Wird dieser Druck durch Gasaufzehrung unterschritten, ist keine Bogenentladung mehr möglich und die Lampe ist unbrauchbar. Die Gasaufzehrung bestimmt also die Lebensdauer der Lampe.
Auf der Innenseite des Kolbens 10 ist deshalb eine Gasdiffusionsbarrieschicht 13 aus amorphem Aluminiumoxid aufgebracht. Kristallines Aluminiumoxid ist aber ebenfalls denkbar. Die Gasdiffusionsbarriereschicht 13 ist in 2 dargestellt und ist auf der gesamten Innenfläche des Kolbens 10 aufgebracht.
Die Gasdiffusionsbarriereschicht 13 wurde durch 2fache Beschichtung im Sol-Gel-Tauchverfahren aufgebracht. Nach jeder einzelnen Beschichtung wurde 12 Stunden lang bei 100°C getrocknet und 12 Stunden lang bei 900°C eingebrannt. Die entstandene Gasdiffusionbarriereschicht 13 weist eine Dicke von insgesamt 100 nm auf. Sie ist optisch transparent im Bereich zwischen 160 nm und 1100 nm.
Amorphes Aluminiumoxid ist wesentlich kompakter als die Struktur des Quarzglases und verringert deshalb die Deuteriumdiffusion deutlich. Die Reduzierung der Gasaufzehrung ist in 3 dargestellt. Kurve A zeigt den Verlauf einer Lampe ohne Gasdiffusionsbarriereschicht, Kurve B den Verlauf mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionsbarriereschicht. Der verringerte Gasverlust ermöglicht eine wesentlich längere Betriebsdauer der Deuteriumlampe bis zum Erreichen des kritischen Fülldrucks.
Durch den verringerten Gasverlust verbessert sich auch der Intensitätsverlauf der Deuteriumlampe, da die UV-Intensität einer Deuteriumlampe von der Teilchendichte des Füllgases und somit vom Fülldruck abhängig ist. Die Teilchendichte steht in Beziehung mit der Anzahl an ionisierten Deuteriummolekülen, die wiederum direkt die Anzahl der erzeugten Photonen und somit die UV-Intensität bestimmt. Es gibt hierbei einen optimalen Fülldruck, bei dem ein Maximum an UV-Intensität emittiert wird. Wird dieser optimale Fülldruck unterschritten, sinkt die UV-Intensität kontinuierlich bis zum Erlöschen der Bogenentladung. Der optimale Fülldruck einer Deuteriumlampe liegt abhängig von der Geometrie bei etwa 5 mbar. Ein kritischer Druck von etwa 1 mbar sollte nicht unterschritten werden.
4 zeigt den Intensitätsverlauf einer Deuteriumlampe ohne Gasdiffusionsbarriereschicht (Kurve A) und mit der erfindungsgemäßen Gasdiffusionsbarriereschicht (Kurve B).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3713704 A1 [0003]
- EP 0287706 B1 [0003]
- DE 102004038556 A1 [0004]
- EP 0290669 B1 [0004]
- EP 0407548 B1 [0004]
- EP 1043755 B1 [0004]
- EP 1282153 A1 [0004]
- DE 10137015 A1 [0005]
- CH 672380 A5 [0005]

Claims

Deuteriumlampe mit einem Lampenfuß, der Elektrodendurchführungen aufweist, mit einem Kolben aus Glas und mit einem Gehäuseaufbau, der Anode, Kathode und Blende umfasst, wobei mindestens ein Teil des Kolbens eine Strahlaustrittsfläche bildet und wobei Lampenfuß und Kolben einen Gasraum umschließen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben an seiner dem Gasraum zugewandten Oberfläche mindestens an der Strahlaustrittsfläche eine Gasdiffusionsbarriereschicht aufweist.
Deuteriumlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriereschicht aus Alumiuniumoxid, vorzugsweise aus amorphem Aluminiumoxid, gebildet ist.
Deuteriumlampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriereschicht eine Dicke von 10 nm bis 10 μm, vorzugsweise von 20 nm bis 200 nm, aufweist.
Deuteriumlampe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriereschicht auf der gesamten dem Gasraum zugewandten Oberfläche des Kolbens angeordnet ist.
Deuteriumlampe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdiffusionsbarriereschicht transparent ist für Strahlung einer Wellenlänge im Bereich von 160 nm bis 1100 nm.
Deuteriumlampe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus Quarzglas oder Borosilikatglas gebildet ist.