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Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit einem aus wärmebeständigem lichtdurchlässigen Material, insbesondere Quarzglas und Keramik hergestellten Lampenkörper, mit wenigstens zwei in dem Lampenkörper angeordneten Elektroden und mit einer Gasfüllung des Lampenkörpers, insbesondere Xenon, wobei die Gasfüllung unter einem höheren Druck als dem atmosphärischen Druck steht. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, bei dem vor Erreichen eines laufenden Betriebszustandes ein Zündvorgang durchgeführt wird.
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Eine Hochdruckgasentladungslampe ist beispielsweise aus der
DE 1 126 991 A bekannt. Dort ist auch deren Herstellung beschrieben. Eine derartige Hochdruckgasentladungslampe ist mit einer Edelgasbefüllung versehen, die auch dann wenn sich die Lampe nicht im Betrieb befindet, bereits unter höherem Druck als dem atmosphärischen Druck steht. Im Betrieb baut sich dann innerhalb des Lampenkörpers ein noch höherer Druck auf.
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Eine solche Gasentladungslampe besteht aus einem Lampenkörper, der zumeist eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. In diesem Füllkörper sind zwei Elektroden angeordnet, zwischen denen zum Zwecke des Zündens eine hohe Spannung angelegt wird und nach dem Zünden ein Plasma brennt, welches über den Lampenkörper ein Licht aussendet.
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In der
DE 1 126 991 A ist beschrieben, dass der Lampenkörper zum Zwecke der Herstellung mit einem Röhrchen versehen ist, was in das Innere des Lampenkörpers hineinragt. Dieses weist im Inneren des Lampenkörpers eine seitliche Öffnung auf, über das das Röhrchen mit dem Inneren des Lampenkörpers in Verbindung steht. Über diese Öffnung wird eine Evakuieren bzw. ein Füllen des Lampenkörpers ermöglicht. Nach dem Evakuieren und dem anschließenden Füllen des Lampenkörpers mit dem Gas wird das Röhrchen verschmolzen, zumeist abgequetscht und verschweißt, um die Lampe zu schließen.
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Bei Gasentladungslampen, so genannten HIPLA-Lampen (HIPLA = high pressure long arc), die einen Fülldruck von > 0,5 bar und eine vergrößerte Lichtbogenlänge, d. h. einem Abstand zwischen Kathode und Anode, der wesentlich größer ist als der Durchmesser des Plasmaschlauchs zwischen den Elektroden, wird die Zündung der Lampen mit zunehmendem Abstand bzw. Druck immer schwieriger. Beispielsweise beträgt die Zündspannung eines 400 mm langen Lichtbogens bei einem Druck von 1,33 bar Xenon ca. 20 kV im Kaltzustand und bereits 30 kV bei einem Druck von 2,00 bar Xenon. Nach der Zündung der Lampe wird der Plasmawiderstand so gering, dass in diesem Fall Betriebsspannungen von wenigen 100 Volt ausreichen. Die Zündspannung skaliert in erster Ordnung mit der Länge des Lichtbogens, so dass für eine Lampe mit einer Länge von z. B. 2,0 m mit einem Druck von 2 bar eine Zündspannung von 150 kV erforderlich wäre. Zündspannungen in dieser Größenordnung in Kombination hoher Ströme nach der Zündung im Betrieb stellen eine besondere Herausforderung an den Bau der Stromversorgungen bzw. an den Anlagenbau dar.
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Mit steigendem Druck nimmt die Effizienz der Lampe, d. h. die Umwandlung von elektrischer Energie in Licht zu. Bei HIPLA-Lampen wird die praktische Grenze hinsichtlich des Fülldruckes bei ca. 4 bar gesehen. Kurzbogenlampen hingegen werden beispielsweise mit einem Druck von 7 bar gefüllt (kalter Zustand) und sind daher effizienter. Für Kinoprojektoren werden Gasentladungslampen eingesetzt, wie sie in der
US 5 109 181 beschrieben sind. Diese können im heißen Zustand Drücke von mehreren hundert Bar erreichen.
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In der Veröffentlichung Pavel Pekarski u.a., UHP Lamps for Projection Systems, Philips Research Laboratories, Weisshausstr.2, D-52066 Aachen, Germany (http://www.lightsearch.com/pdf/uhp.pdf) ist auch eine solche Gasentladungslampe unter der Bezeichnung „UHP-Lampe“ (UHP = Ultra High Perfomance) für Kinoprojektoren beschrieben, die einen Quecksilberdampfdruck von mehr als 200bar aufweist. In dieser Veröffentlichung wird eine Lösung beschrieben, die der Senkung der Zündspannung dieser Lampen dient und die darin besteht, dass in der Lampe eine Zündhilfe, die als „UV-Verstärker“ bezeichnet wird, angeordnet ist. Dabei handelt es sich um eine kleine Lampe, die innerhalb der Dichtung des Gasentladungsbrenners angeordnet ist. Durch zusätzliche äußere Elektroden findet dann eine Initialzündung in dem UV-Verstärker statt, was das Zünden der UHP-Lampe erleichtert. Für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise für die Belichtung und Erwärmung von großen Substraten sind HIPLA-Lampen mit entsprechender Länge von großem Interesse, insbesondere wenn es um die Realisierung hoher Lichtintensitäten im Vergleich zu thermischen Spannungsquellen geht.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die Lichtbogenlänge von Gasentladungslampen zu erhöhen, wobei eine hohe Effizienz bei der Leuchtausbeute erreicht wird und gleichzeitig die technischen Anforderungen an den Bau von Stromversorgungen zum Betrieb dieser Lampen begrenzt werden sollen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 8 geben dabei günstige Ausgestaltungen an. Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Hierzu geben die Ansprüche 10 bis 15 günstige Gestaltungen des Verfahrens an.
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Gemäß Anspruch 1 ist eine Gasentladungslampe der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenkörper mit Mitteln zur Einstellung des Fülldruckes während des Betriebs der Gasentladungslampe versehen ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der Betriebsdruck durch den Fülldruck während der Herstellung vorgegeben wird, wobei der Fülldruck nach der Herstellung nicht mehr veränderbar ist, liefert eine Änderung des Fülldruckes auch nach der Herstellung die Möglichkeit, den Druck innerhalb der Gasentladungslampe auch während des Betriebs zu variieren und somit beispielsweise für den Zündvorgang in dem Betriebszustand unterschiedliche Drücke zu realisieren. Damit kann der Zündvorgang erheblich erleichtert werden während der Betrieb weitaus effizienter gestalten werden kann. Die Zündspannung liegt aufgrund der Paschen-Kurve unterhalb der Betriebsspannung, so dass eine Zündvorrichtung gänzlich entfällt. Im Vergleich zu UHP-Lampen nach dem Stand der Technik, wie sie eingangs beschrieben wurden, die aufgrund des hohen Fülldrucks nur in einem explosionsgeschützten Gehäuse gelagert, transportiert oder eingebaut werden können, sind keine besonderen Personenschutzmaßnahmen im ausgeschalteten Zustand erforderlich.
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In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit dem Lampenkörper ein Zusatzkörper zur Aufnahme der Gasfüllung verbunden ist, wobei der Zusatzkörper mit Mitteln zur Regulierung des Fülldruckes in dem Lampenkörper versehen ist. Durch einen derartigen Zusatzkörper ist es möglich, diesen beispielsweise mit einem höheren Druck zu versehen und diesen höheren Druck zum Aufbau eines höheren Fülldruckes bzw. eines höheren Druckes im Betriebsfalle zu verwenden oder aber über diesen Zusatzkörper auch den Druck entsprechend abzusenken.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Füllstutzen des Lampenkörpers mit dem Zusatzkörper verbunden ist. Wie bereits bei der Schilderung des Standes der Technik erläutert, wird über einen derartigen Füllstutzen bei der Herstellung der Lampenkörper evakuiert und mit dem Gas, z.B. Xenon oder Krypton, gefüllt. Krypton wird bevorzugt für blitzlampengepumpte Laserbohrer verwendet aufgrund der besseren Übereinstimmung des Emissionsspektrums von Krypton mit dem Absorptionsspektrum des Kristalls. Gemäß der Erfindung kann nun in geschickter Weise dieser Füllstutzen dazu verwendet werden, einen äußeren Anschluss mit dem Lampenkörper herzustellen und diesen beispielsweise mit dem Zusatzkörper zu verbinden.
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In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das die Gasfüllung aufnehmende Volumen des Zusatzkörpers variierbar ist. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, im Inneren des Zusatzkörpers einen Kolben vorzusehen, wobei der Zusatzkörper dann die Form eines Zylinders hätte und mittels dieses beweglichen Kolbens den Druck in dem Zusatzkörper und darüber auch in dem Lampenkörper zu variieren. Alternativ kann ein Faltbalg eingesetzt werden, so dass sich keine beweglichen Bauteile mit Dichtungsmanschetten im Gasraum befinden.
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In bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass der Lampenkörper mit dem Zusatzkörper über ein regelbares Ventil verbunden ist. Damit wird es möglich, die Verbindung zwischen dem Lampenkörper und dem Zusatzkörper zu beeinflussen oder gar zu trennen, wenn beispielsweise eine Veränderung des Betriebsdruckes in dem Lampenkörper nicht mehr erforderlich ist. In einfachster Weise kann der Zusatzkörper in einer Vorratsflasche für das Füllgas und das regelbare Ventil aus einer handelsüblichen Druckreduzierstufe an der Vorratsflasche bestehen. Mit Hilfe eines Ablassventils kann der Druck nach dem Betrieb wieder auf atmosphärischen Druck abgesenkt werden.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fülldruck der Gasfüllung in mindestens einem der Körper, d. h. in dem Lampenkörper oder in dem Zusatzkörper, auf bis zu 10 bar, bevorzugt bis zu 200 bar und besonders bevorzugt bis zu 1000 bar regelbar ist. Mit einer derartigen Druckbelastung der Körper wird es möglich, eine besonders effiziente Lichtausbeute der Gasentladungslampe zu bewirken.
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Weiterhin ist es günstig, dass die Spannungsversorgung mit Mitteln zur Regulierung einer Zündspannung und einer Betriebsspannung versehen ist. Damit kann die Spannung zwischen den Elektroden entsprechend des Betriebszustandes zünden oder bei laufendem Betrieb verändert werden, was zweckmäßigerweise einhergeht mit einer Veränderung des Druckes in dem Lampenkörper.
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In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Fülldruck der Gasfüllung in dem Lampenkörper bei Beginn der Zündung der Gasentladungslampe nicht mehr als ca. 1 bar, bevorzugt nicht mehr als 0,1 bar beträgt. Bei einem derartigen Druck wird ein leichtes Zünden bewerkstelligt und das Zünden kann entweder bereits bei Betriebsspannung, d. h. bei einer Spannung, die für den laufenden Betrieb erforderlich ist, erfolgen, zumindest jedoch bei einer solchen Zündspannung, die über eine Spannungsversorgung einfach zu realisieren ist.
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Eine technisch einfache Lösung der Druckvariation kann durch Anschluß einer Vorratsflasche für das Füllgas erreicht werden. Typischerweise haben technische Gasflaschen einen Fülldruck von 200 bar oder 300 bar. Über eine handelsübliche Druckreduzierstufe an der Vorratsflasche kann der Druck in der Lampe eingestellt werden. Mit Hilfe eines Ablassventils kann der Druck nach dem Betrieb wieder auf atmosphärischen Druck abgesenkt werden. Zur Zündung wird über einen Kolben der Fülldruck auf ein Drittel des atmosphärischen Drucks reduziert.
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Die verfahrensseitige Lösung sieht vor, dass die Zündung bei einem niedrigeren Fülldruck des Gases in dem Lampenkörper als bei einem laufenden Betrieb der Gasentladungslampe erfolgt. Wie bereits dargestellt, kann damit ein leichteres Zünden und damit ein Zünden bei einer geringeren Zündspannung oder gar bei der Betriebsspannung erfolgen und der laufende Betrieb bei einem normalen Betriebsdruck oder aber auch bei einem erhöhten Betriebsdruck zur weiteren Effizienzsteigerung durchgeführt werden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der verfahrensgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass nach der Zündung der Fülldruck des Gases in dem Lampenkörper durch das mindestens eine Regelventil angehoben wird, wobei eines sich in dem Zusatzkörper befindliche unter höheren Druck als in dem Lampenkörper stehende Gasfüllung aus dem Zusatzkörper in den zylinderförmigen Körper strömt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor der Zündung der Fülldruck des Gases in dem Lampenkörper vermindert wird. Damit wird die Zündung erheblich erleichtert und kann bei einer geringeren Zündspannung erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Verminderung des Fülldruckes einfach durch ein Ablassen einer Teilmenge der Gasfüllung in die Atmosphäre bewirkt wird. Für den Betrieb der Gasentladungslampe kann dann der Druck durch ein Nachfüllen des Gases aus dem unter höherem Druck stehenden Zusatzkörper erfolgen.
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Eine Verminderung des Fülldruckes kann auch durch ein Abpumpen einer Teilmenge der Gasfüllung in den Zusatzkörper bewirkt werden. Das hat den Vorteil, dass ein Verlust des Gases verhindert wird.
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Unter einem Pumpen soll auch die günstige Ausgestaltung der Erfindung verstanden werden, bei der der Druck in dem Lampenkörper mittels einer Variation des das Gas aufnehmende Volumens in dem Zusatzkörper eingestellt wird. Dabei kann das Volumen im Zündvorgang erhöht werden, wodurch Gas aus dem Lampenkörper abgesaugt oder abgepumpt wird und sich damit der Druck verringert. In dem Betriebsfalle kann sodann das Volumen des Zusatzkörpers verringert werden, wodurch das Gas wieder in den Lampenkörper strömt und sich damit der Betriebsdruck erhöht.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Variation des das Gas aufnehmende Volumens durch einen auf den Zusatzkörper einwirkenden äußeren variierbaren Druck erfolgt. Dies kann beispielsweise über ein Kolbenzylindersystem oder eine in dem Zusatzkörper befindliche Membran auf deren Gasabgewandten Seite ein Zusatzdruck auftritt oder durch eine flexible Gestaltung des Zusatzkörpers selbst, der von einem äußeren Druckbehälter umhüllt ist oder dergleichen, bewerkstelligt werden.
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Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 eine Gasentladungslampe nach dem Stand der Technik,
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2 eine Gasentladungslampe gemäß der Erfindung mit einem angeschlossenen Zusatzkörper,
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3 eine Gasentladungslampe mit einem über ein einstellbares Ventil angeschlossenen Zusatzkörper und
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4 eine Gasentladungslampe mit einem Zusatzkörper, der ein variierbares Volumen für die Gasfüllung aufweist.
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Eine Gasentladungslampe, wie sie in 1 dargestellt ist, weist einen zylindrischen Lampenkörper 2 auf, der mit zwei Elektroden 3 versehen ist. Die Elektroden 3 sind über äußere Anschlüsse 4 mit elektrischem Potential beaufschlagbar. Dies geschieht über den Anschluss einer Spannungsquelle 5, deren Spannung zwischen Zündspannung und Betriebsspannung variierbar ist.
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Zum Zwecke der Herstellung ist eine bekannte Gasentladungslampe 1 nach dem Stand der Technik, wie sie in 1 dargestellt ist, mit einem Füllstutzen 6 versehen. Dieser Füllstutzen 6 weist ein nach innen gerichtetes Glasröhrchen 7 auf, was über eine kleine Öffnung 8 mit dem Innenraum des Lampenkörpers 2 verbunden ist. Über diesen Füllstutzen 6 kann der Innenraum des Lampenkörpers 2 bei der Herstellung evakuiert und anschließend mit Gas gefüllt werden. Sodann wird der Füllstutzen 6 an seinem äußeren Ende 9 verschmolzen, so dass die Gasentladungslampe verschlossen ist.
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Wie in dem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Realisierung gemäß 2 dargestellt wird, wird der Füllstutzen 6 dazu genutzt, einen Zusatzkörper 10 anzuschließen. Dieser Zusatzkörper 10 ist mit Mitteln zur Variierung des Druckes in seinem Inneren 11 versehen. Damit wird es möglich, auch den Druck in dem Lampenkörper 2 zu variieren, da über die Öffnung 8 Gas in den Lampenkörper 2 hinein oder herausströmen kann und somit entsprechend dem Druck in dem Innenraum 11 des Zusatzkörpers 10 der Druck in den Innenraum des Lampenkörpers 2 variiert werden kann. Diese Gasentladungslampe 1 kann, wie auch bereits in 1 dargestellt, mit einer Spannungsquelle 5 verbunden werden.
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In der Ausführungsform gemäß 3 ist der Zusatzkörper 10 über ein steuerbares Ventil 12 mit dem Lampenkörper 2 verbunden. Über dieses Ventil wird es möglich, entweder den Zusatzkörper 10 vollständig mit dem Lampenkörper 2 zu verbinden oder von diesem zu trennen, wenn der Druck über den Zusatzkörper 10 selbst geregelt wird oder aber auch den Druck in dem Lampenkörper 2 einzustellen. So ist beispielsweise möglich, in dem Zusatzkörper 10 ein sehr hohen Gasdruck zur Verfügung zu stellen. Mittels des Ventils 12, was auch als Zweiwegeventil ausgeführt werden kann, ist es dann möglich, den Druck in dem Lampenkörper 2 durch Ablassen des Gases in dem Lampenkörper 2 zu minimieren, um den erforderlichen Zünddruck zu realisieren, dann mittels der Spannungsquelle 5 die Gasentladungslampe 1 zu zünden und anschließend durch Öffnen des Ventiles 12 aus dem Zusatzkörper 10 so viel Gas in den Lampenkörper 2 einströmen zu lassen, dass sich darin ein Betriebsdruck für eine effiziente Lichtausbeute und eine entsprechend verringerte Betriebsspannung einstellt.
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Das Ventil 12 kann aber auch als ein Ausschaltventil wirken, wenn die Druckveränderung in dem Zusatzkörper 10 selber realisiert wird. Dann würde für jede Druckveränderung das Ventil 12 geöffnet und anschließend geschlossen werden, sodass sich der Betriebsdruck nur durch den Betrieb der Gasentladungslampe 1 selbst verändert, jedoch nicht durch äußere Einwirkungen.
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In 4 ist eine weitere Möglichkeit der Gestaltung des Zusatzkörpers 10 dargestellt. Dieser ist in seinem Inneren, durch einen Membran 13 getrennt, in einen mit Gas gefüllten Raum 14 und einen Druckraum 15 getrennt. Der Druckraum 15 kann über einen äußeren Anschluss 16 mit einer externen Druckquelle verbunden werden. Entsprechend dem Druck in dem Druckraum 15, der durch den äußeren Anschluss und die nicht näher dargestellte äußere Druckquelle verändert werden kann, verändert sich auch das Volumen in dem mit Gas gefüllten Raum 14 und damit auch der Druck in diesem Raum 14. Über die Verbindung des Zusatzkörpers 10 mit dem Lampenkörper 2 kann dann, wenn das Ventil 12 geöffnet ist, der Druck in dem Lampenkörper 2 entsprechend durch die äußere Druckquelle eingestellt werden.
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In ähnlicher nicht näher dargestellter Weise könnte auch der Zusatzkörper 10 als ein Zylinder aufgebaut sein, in dem ein Kolben das Volumen des mit Gas gefüllten Raumes 14 verändern kann. Dieser Kolben kann mechanisch von außen bewegt werden. Damit wird es möglich, über einen solchen Kolben den Druck auch im Inneren des Lampenkörpers 2 zu beeinflussen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gasentladungslampe
- 2
- Lampenkörper
- 3
- Elektrode
- 4
- Anschluss
- 5
- Spannungsquelle
- 6
- Füllstutzen
- 7
- Glasröhrchen
- 8
- Öffnung
- 9
- äußeres Ende des Füllstutzens
- 10
- Zusatzkörper
- 11
- Innenraum des Zusatzkörpers
- 12
- Ventil
- 13
- Membran
- 14
- mit Gas gefüllter Raum
- 15
- Druckraum
- 16
- Äußerer Anschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1126991 A [0002, 0004]
- US 5109181 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.lightsearch.com/pdf/uhp.pdf [0007]
