-
Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit einem gasgefüllten Quarzglasrohr in dem zwei sich gegenüber stehende Elektroden angeordnet sind, wobei eine erste Elektrode eine sich in Richtung zur zweiten Elektrode verjüngende geometrische Form aufweist.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe bei dem an die Elektroden eine Betriebsspannung mit einer Polarität angelegt wird.
-
Für verschiedenste Zwecke, beispielsweise für sogenannte RTP-Prozesse (RTP = Rapid Thermal Prozessing) werden Gasentladungslampen eingesetzt, die auch als Blitzlampen betrieben werden können. Diese Gasentladungslampen bestehen üblicherweise aus einem mit Edelgas gefüllten Quarzglasrohr, in dem zwei sich gegenüber stehende Elektroden angeordnet sind. Als Füllung des Quarzglasrohres kommt beispielsweise Xenon zum Einsatz. Eine erste Elektrode wird als Kathode und eine zweite Elektrode als Anode genutzt.
-
Die Elektroden dieser Gasentladungslampen bestehen normalerweise aus einer Wolfram-Legierung.
-
Typischerweise weist eine Kathode eine Spitze, vorzugsweise durch eine kegelförmige oder halbkugelförmige Gestaltung auf. Dabei ist Spitze in dem Sinne zu verstehen, dass die Erstreckung der Kathode in Richtung zur Anode in einem punktförmigen Ende mündet, um an dieser Stelle die Austrittsarbeit durch eine hohe Feldstärke zu verringern. Sie wird zumeist als poröse Kathode aus einem Wolframpulver gesintert. Sie ist mit einem Material wie beispielsweise Thoriumoxid, Lanthanoxid oder Bariumoxid dotiert, um die Austrittsarbeit für Elektronen weiter zu verringern.
-
Die Anode hingegen kann beispielsweise aus dichtem Wolfram-Halbzeug in spanender Bearbeitung gefertigt werden, wobei dieses aufgrund der einfacheren Bearbeitbarkeit mit Lanthanoxid dotiert ist. Die Anode ist zumeist als eine Planarelektrode ausgebildet.
-
Aus der Kathode treten aufgrund von Feld- und thermischer Emission Elektronen aus. Durch die zwischen beiden Elektroden angelegte Betriebsspannung wandern die freien Elektronen zur zylinderförmigen Anode und regen dabei Gasatome an. Dadurch entsteht eine Lichtbogenentladung und die Lampe beginnt Licht zu emittieren.
-
Die Lebensdauer von Blitzlampen kann je nach Wahl der Betriebsparameter bzw. der Bauform wie des Fülldrucks durch mehrere Faktoren begrenzt sein. Ab einer Anzahl von mehreren hundert Tausend Blitzen ist typischerweise die Schwärzung des Glaskörpers im Kathodenbereich durch den Abtrag der Elektrode der limitierende Faktor für die Lebensdauer. Ursache hierfür sind positiv geladene Atome in unmittelbarer Nähe der Kathode, welche durch das elektrische Feld zwischen Anode und Kathode zur letzteren hin beschleunigt werden und dort beim Auftreffen das Kathodenmaterial, also vorwiegend Wolfram, abtragen. Lagert sich immer mehr Wolfram auf der Innenwandung des Glases ab, so bildet dieses nach einer gewissen Zeit die typische Schwärzung. Dadurch wird ein zunehmender Teil des in der Lampe generierten Lichts absorbiert, welcher zu einer steigenden thermomechanischen Belastung des Glases führt, sodass das Glas an der geschwärzten Stelle beschleunigte Ermüdungserscheinungen bis hin zum Glasbruch aufweist.
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, die durch eine Schwärzung des Glaskörpers limitierte Lebensdauer einer Blitzlampe zu erhöhen.
-
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Gasentladungslampe der eingangs genannten Art die zweite Elektrode aus dem gleichen Material wie die erste Elektrode besteht.
-
Bei der Erfindung lag die Erkenntnis des Erfinders zugrunde, dass eine Abtragung des Anodenmaterials durch Elektronenbeschuss im Vergleich zum Beschuss der nach dem Stand der Technik als Kathode genutzten ersten Elektrode mit ionisierten Atomen nur geringfügig ist. Damit kann die im Stand der Technik als Anode genutzte zweite Elektrode aus dem gleichen Material gefertigt werden, wie die erste Elektrode. Selbst die Geometrie der im Stand der Technik als Anode genutzten zweiten Elektrode kann dem der ersten Elektrode angepasst werden. Wenn also die zweite Elektrode baulich identisch mit der Kathode ist, könnte nach einer frei gewählten Zeit die Funktion der Anode und der Kathode vertauscht werden, insbesondere nach einem Zeitabschnitt die Polarität und damit auch die Stromrichtung des durch die Gasentladungslampe fließenden Stromes umgekehrt werden. Dass die zweite Elektrode auch die gleiche geometrische Form wie die erste Elektrode aufweist ist somit in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen.
-
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Elektrode als Sinterkörper ausgebildet ist. Diese Ausführungsform kann weiterhin dadurch realisiert werden, dass der Sinterkörper aus einem gesinterten Wolframpulver besteht.
-
In einer weiteren Ausführung ist der Sinterkörper mit Thoriumoxid dotiert.
-
Alternativ dazu kann der Sinterkörper mit Bariumoxid oder Lathanoxid dotiert sein.
-
Durch die Gestaltung als dotierte Sinterkörper wird die Austrittsarbeit der Elektronen verringert, wenn die erste oder die zweite Elektrode jeweils als Kathode wirken.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabenstellung wird weiterhin durch Verfahren zur Ansteuerung einer Gasentladungslampe der vorstehend beschriebenen Ausführungen gelöst, bei dem an die Elektroden eine Betriebsspannung mit einer Polarität angelegt wird, wobei die Polarität über einen ersten Zeitabschnitt bestehen bleibt und während eines zweiten Zeitabschnitts umgekehrt wird.
-
In bevorzugter Weise werden der erste und der zweite Zeitabschnitt gleich groß gewählt. Dadurch wird das Auftreten der Schwärzung halbiert, so dass die durch diese Erfindung erzielte Lebenszeitverlängerung maximiert wird.
-
In einer Variante des Verfahrens wird die Gasentladungslampe als Blitzlampe betrieben, indem die Betriebsspannung mit einer Polarität an die Elektroden angelegt wird, die sich anschließend über den Blitzzeitraum entlädt. Dabei wird nach einer ersten Anzahl von Blitzen die Polarität umgekehrt und über eine zweite Anzahl von Blitzen gehalten.
-
Durch den Wechsel der Polarität arbeiten die beiden Elektroden wechselweise als Kathoden. Damit werden die an einer Kathode auftretenden Schwärzungen auf beide Elektroden verteilt, wodurch die Lebensdauer der Gasentladungslampe erhöht wird.
-
In einer weiteren Variante des Verfahrens sind die erste und die zweite Anzahl gleich groß. Dadurch wird das auch bei einem Betrieb als Blitzlampe das Auftreten der Schwärzung halbiert, so dass durch diese Verfahrensvariante die durch diese Erfindung erzielte Lebenszeitverlängerung maximiert wird.
-
In einer Gestaltung ist vorgesehen, dass die erste und die zweite Anzahl 1 beträgt und somit die Polarität nach jedem Blitz wechselt. Damit wird nach jedem Blitz die Stromrichtung umgekehrt. Bei axialen Blitzlampen großer Länge, bei der die Betriebsspannung, und damit auch die Ladespannung von Kondensatoren, mehrere Kilovolt beträgt, kann die technische Umsetzung aufgrund von der maximalen Spannungsfestigkeit von Halbleiterbauelementen kostenintensiv werden. In diesem Fall ist eine mechanische Umschaltung eines hochspannungsfesten Wechselschalters, welcher beispielsweise in Trafostationen eingesetzt wird, nach beispielsweise einer Anzahl von 100.000 Blitzen angebracht.
-
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
-
1 eine Gasentladungslampe nach dem Stand der Technik,
-
2 eine erfindungsgemäße Gasentladungslampe und
-
3 eine Beschaltung einer erfindungsgemäßen Gasentladungslampe
-
Wie in 1 bis 3 dargestellt, weist eine Gasentladungslampe 1 gasgefüllten rohrförmigen Glaskolben 2 auf, an dessen Enden eine erste Elektrode 3 und eine zweite Elektrode 4 eingebracht sind.
-
Wie in 1 dargestellt, weist ist die erste Elektrode 3 als Kathode gestaltet, indem sie eine geometrische Form hat, die eine Spitze 5 aufweist. Dies wird durch eine im Querschnitt halbkugelförmige Gestaltung erreicht, wobei die Spitze 5 in dem Sinne zu verstehen ist, dass die Erstreckung der als Kathode ausgebildeten ersten Elektrode 3 in Richtung zur als Anode ausgebildeten zweiten Elektrode 4 in einem punktförmigen Ende mündet.
-
Die erste Elektrode 3 ist als ein dotierter Sinterkörper aus Wolframpulver hergestellt.
-
Wie weiterhin in 1 dargestellt, ist die als Anode gestaltete zweite Elektrode 4 aus einem dichten Wolfram-Halbzeug in spanender Bearbeitung gefertigt und als eine Planarelektrode ausgebildet.
-
An die als Kathode gestaltete erste Elektrode 3 wird beim Betrieb der Gasentladungslampe der negative und an die als Anode gestaltete zweite Elektrode 4 der der positive Teil einer Spannungsquelle, im Falle eines Betriebs als Blitzlampe eines Kondensators 6 angelegt.
-
In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß 2 und 3 ist nunmehr die zweite Elektrode 4 mit der gleichen geometrischen Gestaltung versehen und besteht aus dem gleichen Material, wie die erste Elektrode 3. Das heißt auch die zweite Elektrode 4 hat eine geometrische Form, die eine Spitze 5 aufweist. Dies wird ebenfalls durch eine im Querschnitt halbkugelförmige Gestaltung erreicht, wobei die Spitze 5 in dem Sinne zu verstehen ist, dass die Erstreckung der zweiten Elektrode 4 in Richtung zur erstem Elektrode 3 in einem punktförmigen Ende mündet.
-
In 3 ist nun eine Prinzip-Beschaltung der Gasentladungslampe 1 beispielsweise im Betrieb als Blitzlampe dargestellt, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durch die Gestaltung einer Gasentladungslampe, wie zu 2 geschildert, erläutert wird.
-
Zu einem Zeitpunkt T1 ist ein Wechselschalter 7 so geschaltet, dass der negativ geladene Anschluss 8 des Kondensators 6 mit der ersten Elektrode 3 und der entsprechende positiv geladene Anschluss 9 des Kondensators 6 mit der zweiten Elektrode 4 verbunden ist. Damit leuchtet die Gasentladungslampe 1 durch das Zünden einer Bogenentladung zwischen der als Kathode wirkenden ersten Elektrode 3 und der als Anode wirkenden zweiten Elektrode 4.
-
Selbstverständlich wird zwischen den einzelnen Zündvorgängen immer wieder für ein Nachladen des Kondensators 6 gesorgt, was der besseren Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt ist, das es für den Fachmann selbstverständlich ist.
-
Zum Zeitpunkt T2 wird nun der Wechselschalter 7 in die andere Richtung betätigt, so dass die erste Elektrode 3 als Anode und die zweite Elektrode 4 als Kathode wirkt. Da an einer Kathode immer die negative Wirkung der Schwärzung des Glaskolbens 2 eintritt die zu einem Lebensdauerende der Gasentladungslampe 1 führt, ist diese negative nunmehr auf beiden Enden verteilt.
-
Zwischen T1 und T2 sollten abwechselnd immer gleiche Zeitabschnitte liegen, um zu einer Gleichverteilung der Schwärzung zu gelangen.
-
Berücksichtigt man, dass auch weitere Alterungseffekte, wie Solarisation des Glases durch UV-Bestrahlung o.ä. auftreten, wird keine Verdopplung der Lebensdauer, jedoch eine Erhöhung von 50 bis 70% zu erwarten sein.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Gasentladungslampe
- 2
- Glaskolben
- 3
- erste Elektrode
- 4
- zweite Elektrode
- 5
- Spitze
- 6
- Kondensator
- 7
- Wechselschalter
- 8
- negativ geladener Anschluss
- 9
- positiv geladener Anschluss
