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Die Erfindung betrifft eine HF-Lampe nach Anspruch 1, eine Einheit aus einem Lampenkörper und mindestens einer Elektrode nach Anspruch 8 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer HF-Lampe bzw. eine Einheit aus einem Lampenkörper und mindestens einer Elektrode nach Anspruch 9.
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Kompaktleuchtstofflampen sind neben Halogenlampen und LED-Lampen insbesondere in der häuslichen Beleuchtung weit verbreitet. Aufgrund des Strebens nach einer längeren Lebensdauer wurden u.a. auch elektrodenlose Entladungslampen entwickelt, die zunehmend an Bedeutung gewinnen. Hierbei sei auf elektrodenlose Niederdrucklampen mit induktivem Betrieb verwiesen. In diesen wird üblicherweise ein quecksilbergefüllter Lampenkörper zum Leuchten gebracht.
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In jüngerer Zeit wird auch an Hochfrequenzlampen (HF-Lampen) geforscht, die mit vergleichsweise geringen Hochfrequenzleistungen (von 30 bis 100 W) arbeiten und keine Hohlleiterankopplung, sondern eine Ankopplung über eine TEM-Leitung (Koaxialleitung) mit Innenleiterelektrode aufweisen (vgl. Emission Properties of Compact Antenna-Excited Super-High Pressure Mercury Microwave Discharge Lamps, T. MIZOJIRI, Y. MORIMOTO, and M. KANDO; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 6A, 2007, sowie Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method; M. Kando, T. Fukaya and T. Mizojiri; 28th ICPIG, July 15–20, 2007, Prague, Czech Republic).
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Eine außen liegende dielektrische Elektrode wird üblicherweise durch eine Vorschaltelektronik angesteuert. An einem Hochfrequenzoszillator ist ausgangsseitig ein Leistungsverstärker zur Anhebung des Hochfrequenzsignals angeschlossen. Ein Impedanztransformator ist dem Leistungsverstärker nachgeschaltet. Durch eine typische Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz des HF-Signals und die mittels Impedanztransformator hochtransformierte Spannung kann die Einkopplung des HF-Feldes in dem Lampenkörper effizient erfolgen. Dadurch kann ein Ein- und Ausschaltvorgang vergleichsweise schnell realisiert werden und eine erhöhte Zündspannung (oder dergleichen) ist nicht mehr nötig.
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Um in der Ionisationskammer eine möglichst hohe Spannung zu erreichen, wird im Stand der Technik eine Impedanztransformation durchgeführt. Eine derartige Impedanztransformation kann beispielsweise der
DE 10 2007 057 581 A1 oder
DE 2009 022 755 A1 entnommen werden. Eine mögliche, vergleichsweise günstige Schaltung umfasst einen Kondensator und Spulen (mehrstufiger Gammatransformator). Eine derartige Schaltung ist beispielsweise in
„Hochfrequenz-Technik" von H. Heuermann, Viedeg-Verlag, ISBN 3-528-03980-9, beschrieben. Die Transformation kann ein- oder mehrstufig sein. Neben der Hochtransformation des Impedanzniveaus und somit auch der Spannung kann das Transformationsnetzwerk einer der Ionisationskammer zugeordneten Elektroden beinhalten.
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Klassische Energiesparlampen sind zwar effizienter als Glühlampen, weisen jedoch viele Nachteile auf. Klassische Energiesparlampen (Niederdruckentladungslampen) besitzen neben Argon vor allem Quecksilber als maßgebliches lichtemittierendes Gas. Die Eigenschaft, dass Quecksilber bereits bei Raumtemperatur verdampft, ist gefährlich für die Umwelt; denn im gasförmigen Zustand ist es hoch toxisch. Weiterhin wird das emittierte Licht als unangenehm und künstlich empfunden. Dies liegt daran, dass Niederdruckentladungslampen Linienstrahler sind und demnach kein kontinuierliches Spektrum emittieren.
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Molekülstrahler sind eine Alternative zu den eben beschriebenen klassischen Energiesparlampen, da sie ein Viel-Linien-Spektrum aussenden und keine toxischen Stoffe enthalten. Das emittierte Licht wird wegen seiner Kontinuität als angenehm empfunden und verbessert den Farbwiedergabeindex, was für eine naturgetreue Wiedergabe von Farben wichtig ist. Problematisch ist jedoch die vergleichsweise hohe Temperatur, die das Gas aufweisen muss, damit Salze der Molekülstrahler-Lampen in den gasförmigen Zustand übergehen.
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Bei den HF-Lampen gemäß
DE 10 2007 057 581 A1 oder
DE 10 2009 022 755 A1 besteht ein Problem dahingehend, dass ein Lampenplasma nur mit in das Plasma hineinragenden Elektroden stabilisiert werden kann. Wenn die Elektroden jedoch in das Plasma hineinragen, dampfen Elektrodenbestandteile von der Elektrode ab und verschmutzen die Ionisationskammer.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein stabiles Lampenplasma zu ermöglichen, wobei eine Verschmutzung der Ionisationskammer vergleichsweise gering sein soll.
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Diese Aufgabe wird durch eine HF-Lampe nach Anspruch 1, eine Einheit aus einem Lampenkörper und mindestens einer Elektrode nach Anspruch 8 sowie einem Verfahren zur Herstellung einer HF-Lampe oder einer Einheit aus einem Lampenkörper und mindestens einer Elektrode nach Anspruch 9 gelöst.
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Insbesondere wird die Aufgabe durch eine HF-Lampe umfassend einen Lampenkörper, dessen Lampenkörperwandung eine Ionisationskammer umschließt und mindestens einer Elektrode zur Einkopplung von HF-Energie in den Lampenkörper gelöst, wobei die Elektrode zumindest abschnittsweise innerhalb der Lampenkörperwandung angeordnet ist, ohne diese zu durchdringen. Unter einer Anordnung „innerhalb“ der Lampenkörperwandung soll eine Anordnung verstanden sein, bei der die Elektrode (zumindest abschnittsweise) in einer Ausnehmung (die die Lampenkörperwandung vorzugsweise nicht durchdringt; z.B. Sackloch) der Lampenkörperwandung angeordnet ist. Vorzugsweise berührt die Elektrode die Ausnehmung vollflächig oder zumindest abschnittsweise. In jedem Fall soll die Elektrode die Lampenkörperwandung nicht durchdringen.
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Ein Kerngedanke der Erfindung liegt darin, die Elektrode zumindest teilweise in die Lampenkörperwandung zu integrieren, ohne bis in die Ionisationskammer vorzustoßen. Dadurch wird einerseits eine Verschmutzung der Ionisationskammer vermieden und andererseits ein stabiles Plasma ermöglicht. Die sich dem ersten Anschein nach widersprechenden Anforderungen einer geringen Verschmutzung und einer guten Stabilität werden durch die Erfindung auf konstruktiv äußerst einfache Weise berücksichtigt.
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Der Lampenkörper kann aus Glas, beispielsweise Weichglas (der Lampenfertigung) und/oder Quarzglas gefertigt sein. Alternativ kann ein Lampenkörper aus Borsilikat gefertigt sein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Lampenkörper aus Keramik zu fertigen. Besonders bevorzugt ist die Fertigung aus Weichglas. Insgesamt kann eine stabile Plasmaerzeugung mit vergleichsweise einfachen Materialien realisiert werden.
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In konkreten Ausführungsformen kann die Elektrode in einer Bohrung der Lampenkörperwandung eingebracht sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Elektrode in die Lampenkörperwandung eingeschmolzen sein. Bei derartigen Maßnahmen wird eine konstruktiv einfache Integration in die Lampenkörperwandung erreicht. Insbesondere bei einer Einschmelzung in die Lampenkörperwandung wird eine vollflächige Verbindung des Abschnitts der Elektrode, der in die Ausnehmung des Lampenkörpers eingebracht ist, mit dieser Ausnehmung ermöglicht. Dadurch wird eine besonders effektive Einkopplung der Hochfrequenzenergie und ein stabiles Plasma bei gleichzeitig äußerst geringem konstruktivem Aufwand erreicht.
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Der Lampenkörper kann mit einem Edelgas, vorzugsweise Argon, gefüllt sein. Das Edelgas (Argon) kann einen Druck von 10 Pa bis 1.000 Pa aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann der Lampenkörper mit mindestens einer seltenen Erde und/oder mit mindestens einem Salz (Metallsalz) und/oder mit Quecksilber gefüllt sein. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Lampenkörper quecksilberfrei ist. Aufgrund der oben beschriebenen Maßnahme kann dennoch ein effizienter Betrieb der HF-Lampe mit einem stabilen Plasma erreicht werden. Die Umwelt wird aufgrund des Verzichts (oder der Reduktion von) Quecksilber verbessert.
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Die HF-Lampe kann (mindestens) zwei oder (mindestens) drei oder (mindestens) vier Elektroden aufweisen, um an (mindestens) zwei oder (mindestens) drei oder (mindestens) vier Stellen der Lampenkörperwandung HF-Energie einzukoppeln. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich zwei Elektroden gegenüberliegen (also an gegenüberliegenden Stellen des Lampenkörpers angeordnet sind). Es ist jedoch auch eine davon abweichende Anordnung denkbar (beispielsweise könnte eine gedachte Verlängerungslinie von zwei Elektroden einen 90°-Winkel bilden). Dadurch können verschiedene Lampenkörpersegmente der Niederdrucklampe mit HF-Energie beaufschlagt werden, was eine Verteilung und somit Homogenisierung der Einspeisung der HF-Energie zur Folge hat. Dies führt zu einem effizienteren und homogenen Betrieb der HF-Lampe.
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Eine Einbautiefe mindestens einer Elektrode innerhalb der Lampenkörperwand kann mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 30 %, noch weiter vorzugsweise mindestens 45 % einer Dicke der Lampenkörperwand (an dieser Stelle) entsprechen. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Einbautiefe der Elektrode innerhalb der Lampenkörperwand höchstens 90 %, vorzugsweise höchstens 70 %, noch weiter vorzugsweise höchstens 55 %, einer Dicke der Lampenkörperwand (an dieser Stelle) entsprechen. Bei einer derartigen Dimensionierung wird ein stabiles Plasma erreicht.
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In konstruktiver Hinsicht kann die HF-Lampe einen HF-Oszillator und/oder einen Leistungsverstärker und/oder einen Impedanztransformator umfassen. Der Leistungsverstärker kann dem HF-Oszillator nachgeschaltet sein. Der Impedanztransformator kann dem Leistungsverstärker nachgeschaltet sein. Die Bauelemente (HF-Oszillator, Leistungsverstärker und Impedanztransformator) können wie in der
DE 10 2007 057 581 A1 oder
DE 10 2009 022 755 A1 beschrieben angeordnet und/oder ausgebildet sein.
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Die oben genannte Aufgabe wird unabhängig gelöst durch eine Einheit aus einem Lampenkörper für eine HF-Lampe, vorzugsweise der oben beschriebenen Art, mit einer Lampenkörperwandung und mindestens einer Elektrode zur Einkopplung der HF-Energie, wobei die Elektrode zumindest abstandsweise innerhalb der Lampenkörperwandung angeordnet ist, ohne diese zu durchdringen. Die oben beschriebenen Weiterbildungen der HF-Lampe, die die eine oder mehrere Elektrode sowie den Lampenkörper betreffen, können auch Weiterbildungen der hier beschriebenen Einheit sein. Es wird bezüglich Vorteile der auf die Ausführungen zur HF-Lampe verwiesen.
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Die oben genannte Aufgabe wird unabhängig gelöst durch ein Verfahren, vorzugsweise zur Herstellung einer Einheit der oben beschriebenen Art oder einer HF-Lampe der oben beschriebenen Art, gekennzeichnet durch die Schritte:
- a) Bereitstellen eines Lampenkörpers, dessen Lampenkörperwandung eine Ionisationskammer umschließt;
- b) Bereitstellen einer Elektrode mit einem Elektrodenende zur Einkopplung von HF-Energie in den Lampenkörper;
- c) Einbringen des Elektrodenendes in die Lampenkörperwandung, ohne die Lampenkörperwandung zu durchdringen.
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Bezüglich der Vorteile wird auf die Ausführungen zur HF-Lampe verwiesen.
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In Schritt c) kann eine Bohrung in die Lampenkammerwandung zur Aufnahme des Elektrodenendes eingebracht werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Elektrodenende in die Lampenkammerwandung eingeschmolzen werden. Insbesondere bei einer Einschmelzung wird eine herstellungstechnisch einfache und bündige Befestigung des Elektrodenendes innerhalb der Lampenkörperwandung erreicht.
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In der HF-Lampe kann ein monofrequentes oder (beliebig) moduliertes und ggf. gepulstes HF-Signal im MHz- oder GHz-Bereich eingesetzt werden (bzw. ein entsprechender HF-Oszillator vorgesehen sein). Das Hochfrequenzsignal kann über eine (geschirmte) HF-Leitungsschaltung in den Lampenkörper (umfassend die Ionisationskammer und die Lampenkörperwandung) gekoppelt werden.
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Es kann in einem (ggf. großflächigen) Lampenkörper (Glashohlkörper) ein Plasma erregt werden, welches eine naturgetreue Farbwiedergabe und eine lange Lebensdauer ohne Degradationseffekte aufweist. Dadurch, dass die Elektrode in der Lampenkörperwandung eingebracht ist, wird ein stabiles Plasma erzeugt und eine Schwärzung der Lampenkörperinnenseite durch Elektrodenabdampfung verhindert. Dadurch wird eine vergleichsweise hohe Lebensdauer mit einem hohen Wirkungsgrad erreicht. Es wird ein stabiler Betrieb eines mikrowellenbetriebenen Entladungsstrahlers erreicht, der mit einem Hochfrequenzsignal im Bereich von 100 MHz bis 1.000 GHz betrieben werden kann. Dabei wird eine Füllung (Gas) innerhalb des Lampenkörpers ionisiert und der Ionisationsprozess aufrechterhalten.
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Das Hochfrequenzsignal kann über eine Wellenleiterstruktur dem Lampenkörper (Glaskolben) zugeführt werden. Ein Innenleiter kann derart ausgestaltet sein, dass eine Impedanztransformation erhalten wird (vgl.
DE 10 2009 022 755 A1 ).
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Die erfindungsgemäße Konstruktionsform mit „nur“ teilweiser Durchführung der Metallelektrode durch den Glaskolben hat die Vorteile, dass keine (oder nur eine geringe) HF-Abstrahlung stattfindet, was ggf. schädliche Einflüsse auf die Umwelt bzw. die Gesundheit vermindert. Die Lampe ist daher zulassungsfähig. Weiterhin steigt der Wirkungsgrad. Die HF-Last (gefüllter Lampenkörper bzw. Glaskolben) ist vergleichsweise hochohmig, wodurch vergleichsweise große elektrische Feldstärken bei kleinen Leistungen vorliegen können.
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Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nachfolgend wird die Erfindung auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die anhand der folgenden Figuren näher erläutert werden.
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Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der HF-Lampe;
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2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der HF-Lampe; und
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3 eine weitere Ausführungsform der HF-Lampe in einer schematischen Ansicht.
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In der nachfolgenden Beschreibung werden für gleiche und gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer HF-Lampe. Die HF-Lampe umfasst einen Lampenkörper 10 mit einer Lampenkörperwandung 11, die eine Ionisationskammer 12 umschließt. Die Lampenkörperwandung 11 hat eine Dicke D.
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Weiterhin sind eine erste Elektrode 13 und eine zweite Elektrode 14 vorgesehen. Erste Elektrode 13 und erste Elektrode 14 sind beide in die Lampenkörper 11 eingebettet (eingeschmolzen). Eine Einbautiefe T der ersten Elektrode entspricht (etwa) 50 % der Dicke der Lampenkörperwandung D. In der Ionisationskammer 12 befindet sich (im Betrieb in der Lampe) das Plasma 15. Ein Elektrodenende 18 ist innerhalb der Lampenkörperwandung angeordnet.
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Der ersten Elektrode 13 wird über eine Hochfrequenzeinrichtung 16 HF-Energie zugeführt. Mit dem Bezugszeichen 17 ist eine Energieversorgung für die Hochfrequenzeinrichtung 16 gekennzeichnet.
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In der HF-Einrichtung 16 wird eine Impedanztransformation durchgeführt, wobei das transformierte Hochfrequenzsignal der Ionisationskammer 12 zugeführt wird. Das zugeführte Hochfrequenzsignal wird über die nur teilweise durchgeführte Elektrode 13 kapazitiv eingekoppelt und dadurch dem Lampenkörper zugeführt. Aufgrund der zweiten (teilweise in der Lampenkörperwandung 11 vergrabenen) Elektrode 14 wird die Entladung wesentlich stabiler während des Betriebs.
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Grundsätzlich kann die Hochfrequenzansteuerung einseitig erfolgen. Die zweite Elektrode 14 könnte dann geerdet sein. Denkbar ist auch eine zweiseitige Ansteuerung, bei der erste und zweite Elektrode (in den Figuren ist das nur für die erste Elektrode 13 gezeigt) über eine Hochfrequenzeinrichtung 16 angesteuert werden.
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In der Ausführungsform gemäß 1 liegen sich erste und zweite Elektrode 13, 14 (diametral) gegenüber. In der Ausführungsform der 1 sind die Elektroden 13, 14 also symmetrisch angeordnet.
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In der alternativen Ausführungsform gemäß 2 sind die Elektroden 13, 14 unsymmetrisch angeordnet. Eine gedachte Verlängerungslinie der Elektrode 13 in den Lampenkörper hinein bildet dabei einen Winkel von etwa 90° mit einer gedachten Verlängerungslinie der Elektrode 14 in den Lampenkörper hinein. Abgesehen von diesem Unterschied können die Elektroden 13, 14, wie in der Ausführungsform gemäß 1 beschrieben, angeordnet und über eine HF-Einrichtung 16 gesteuert werden.
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Die Ausführungsform gemäß 3 entspricht (mit folgenden Unterschieden) der Ausführungsform gemäß 1; d.h. auch hier können die Elektroden 13, 14, wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben, angeordnet, ausgebildet und über eine HF-Einrichtung 16 mit HF-Energie versorgt werden. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 ist jedoch der Lampenkörper 10 anders geformt, weist nämlich einen vergleichsweise flach-elliptischen Querschnitt auf. Die Ausführungsformen gemäß 1 und 2 weisen ebenfalls einen elliptischen Querschnitt auf, jedoch weniger flach als in 3. Weiterhin ist in den Ausführungsformen gemäß 3 die zweite Elektrode 14 asymmetrisch zur ersten Elektrode 13 angeordnet. Eine gedachte Verlängerungslinie der ersten Elektrode 13 in den Lampenkörper 10 hinein bildet einen Winkel von (etwa) 105° mit einer gedachten Verlängerungslinie der Elektrode 14. Die Verlängerungslinien sind gestrichelt gezeichnet.
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An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Teile für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details, als erfindungswesentlich beansprucht werden. Änderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.
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Bezugszeichenliste
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- D
- Dicke (der Lampenkörperwandung)
- T
- Einbautiefe
- 10
- Lampenkörper
- 11
- Lampenkörperwandung
- 12
- Ionisationskammer
- 13
- erste Elektrode
- 14
- zweite Elektrode
- 15
- Plasma
- 16
- Hochfrequenzeinrichtung
- 17
- Energieversorgung
- 18
- Elektrodenende
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007057581 A1 [0005, 0008, 0018, 0037]
- DE 2009022755 A1 [0005]
- DE 102009022755 A1 [0008, 0018, 0025, 0037]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Emission Properties of Compact Antenna-Excited Super-High Pressure Mercury Microwave Discharge Lamps, T. MIZOJIRI, Y. MORIMOTO, and M. KANDO; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 46, No. 6A, 2007 [0003]
- sowie Numerical analysis of antenna-excited microwave discharge lamp by finite element method; M. Kando, T. Fukaya and T. Mizojiri; 28th ICPIG, July 15–20, 2007, Prague, Czech Republic [0003]
- „Hochfrequenz-Technik“ von H. Heuermann, Viedeg-Verlag, ISBN 3-528-03980-9 [0005]
