-
Technischer Hintergrund
-
Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe, insbesondere eine Deuteriumlampe, mit einem mit Gas gefüllten Lampenkolben und einer Anordnung innerhalb des Lampenkolbens umfassend: ein Elektroden-Gehäuse mit einem vorderen Gehäuseteil, einem hinteren Gehäuseteil und einer das vordere Gehäuseteil vom hinteren Gehäuseteil trennenden Gehäusezwischenwand, wobei das vordere Gehäuseteil eine Kathode, und ein Lichtaustrittsfenster umfasst, das durch Entladung verursachtes Licht nach außen abgibt, und wobei das hintere Gehäuseteil eine Anode aufnimmt, die mit dem Lichtaustrittsfenster im vorderen Gehäuseteil auf einer optischen Achse A liegt.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung der Gasentladungslampe für analytische Zwecke
-
Als Lichtquellen für die Erzeugung optischer Strahlung im sichtbaren, ultravioletten oder Infrarot-Bereich werden Gasentladungslampe eingesetzt. Diese Gasentladungslampen bestehen aus einem mit einem Füllgas gefüllten Lampenkolben, in dem zwei Elektroden (Kathode und Anode) angeordnet sind. Beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden findet eine Gasentladung statt, die mit der Emission optischer Strahlung verbunden ist.
-
Die Gasentladung bewirkt einen Plasmazustand innerhalb des Füllgases. Das Plasma besteht teilweise oder vollständig aus freien positiv und negativ geladenen Teilchen (Ionen, Elektronen), deren Bewegung durch die Stärke des Feldes zwischen den beiden Elektroden und durch spezielle Ausführungen des Kathoden- und des Anodenraums innerhalb des Lampenkolbens beeinflusst wird.
-
Deuteriumlampen (Füllgas Deuterium) sind in der Regel so aufgebaut, dass während des Betriebs sowohl hochenergetische UV-Photonen als auch Teilchen aus dem Kathodenraum und aus dem Bereich des Plasmalichtbogens zwischen Kathode und Anode durch das Lichtaustrittsfenster auf den Lampenkolben aus Glas gelangen können. Dort kommt es zu Veränderungen des Glases des Lampenkolbens, was zu Lichtabsorption und -streuung führt und somit die Lebensdauer der Lampe merklich reduziert.
-
Stand der Technik
-
Die
DE 10 2008 062 410 A1 betrifft eine Deuteriumlampe, bei der Nebenentladungen und eine damit einhergehende Erosion an dem den Entladungspfad zwischen Kathode und Anode fokussierenden Formkörper vermieden werden. Gemäß
DE 10 2008 062 410 A1 umfasst das Elektroden-Gehäuse ein Gehäusevorderteil, eine Zwischenwand und eine Gehäuserückwand. Die Kathode im vorderen Gehäuseteil wird zumindest teilweise von einer keramischen Gehäusefront umgeben, zusätzlich ist gemäß
2 ein metallisches Kathodenabschirmfenster vorgesehen. Der Formkörper und das Kathodenabschirmfenster sind voneinander elektrisch isoliert, so dass kein Nebenstrom entsteht. Das keramische Gehäusevorderteil hat eine Öffnung zum Strahlaustritt, über die im ungünstigen Falle auch geladene Teilchen aus dem Plasma auf die Lampen-kolbenoberfläche gelangen können. In einer Variante gemäß
DE 10 2008 062 410 A1 ist die Öffnung zum Strahlaustritt in Richtung des Lampenkolbens mit einem blendenartigen Vorsatz versehen.
-
Aus
DE 3715375 C1 ist weiterhin eine Wasserstoff-Entladungslampe mit einem Lampenkolben aus Quarzglas bekannt, in dessen Innern ein Elektroden-Gehäuse mit einem Strahlaustrittsfenster angeordnet ist. Zwischen dem Strahlaustrittsfenster und der Innenseite des Lampenkolbens befindet sich in einer blendenartigen Halterung ein Filter, der für UV-Licht zum großen Teil durchlässig ist. Der Filter soll verhindern, dass von dem Kathodenmaterial stammende Erdalkali-Teilchen sich auf dem Quarzglaskolben niederschlagen und dort mit dem Quarzglas chemisch reagieren, was mit einer Transmissionsabnahme verbunden ist. Der Filter selbst besteht zumindest teilweise aus Borosilikatglas, das gemäß
DE 3715375 C1 gegenüber den Erdalkali-Teilchen resistent sei.
-
Technische Aufgabenstellung
-
Die Halterung für den Filter ist gemäß
DE 3715375 C1 ,
1 über Abstandsstäbe mit dem vorderen Gehäuseteil des Elektroden-Gehäuses verbunden, wobei am Umfang der Halterung, seitlich neben den Abstandsstäben größere Öffnungen zwischen dem vorderen Gehäuseteil und der blendenartigen Halterung bestehen, durch die hindurch schädliche Erdalkali-Teilchen auf den Quarzglaskloben gelangen können. In der Variante gemäß
2 ist die blendenartige Halterung mit dem Filtereinsatz in einem Winkel von 45 ° gegenüber der Achse des austretenden Lichts angeordnet und dabei nur an einer Seite mit dem Gehäusevorderteil verbunden. Auch bei dieser Anordnung ergibt sich eine relativ große Öffnung zwischen dem vorderen Gehäuseteil und der blendenartigen Halterung, so dass der Austritt von schädlichen Erdalkali-Teilchen nicht vollständig verhindert wird. Darüber hinaus kann es auch zu Schädigungen des Lampenkolbens aufgrund von besonders kurzwelliger, hochenergetischer Strahlung kommen, die von dem UV-durchlässigen Filter nicht gesperrt wird. Die im Stand der Technik beschriebene Entladungslampe hat somit die Nachteile, dass während des Betriebs sowohl hochenergetische UV-Photonen als auch Teilchen, die im Elektroden-Gehäuse freigesetzt werden, – sei es aus dem Kathodenraum oder aus dem Bereich des Plasmalichtbogens zwischen Kathode und Anode –, durch das Lichtaustrittsfenster auf den Lampenkolben aus Glas gelangen und dort zu Schäden führen. Die Intensität des nach außen abgegebenen Lichtes bzw. die Lebensdauer der Gasentladungslampe nehmen dadurch ab. Die Teilchen können das Glas des Lampenkolbens so verändern, dass es zu Lichtabsorption und/oder Lichtstreuung kommt.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Gasentladungslampe bereitzustellen, die im Betrieb keine Schädigung des Lampenkolbenmaterials zeigt und somit eine Erhöhung der Lichtintensität und der Lebensdauer der Lampe bewirkt.
-
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
-
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Gasentladungslampe der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Filter so angeordnet ist, dass er das Lichtaustrittsfenster gegenüber dem Lampenkolben abschließt, und dass der Filter Licht mit Wellenlängen kleiner 180 nm sperrt.
-
Die erfindungsgemäße Gasentladungslampe umfasst einen mit Gas, insbesondere Deuterium, gefüllten Lampenkolben, wobei innerhalb des Lampenkolbens ein Elektroden-Gehäuse angeordnet ist, das ein vorderes Gehäuseteil, ein hinteres Gehäuseteil und eine das vordere vom hinteren Gehäuseteil trennende Gehäusezwischenwand aufweist. Im vorderen Gehäuseteil befindet sich der Kathodenraum mit einer Kathode und einem vor dieser angeordnetem Kathodenabschirmfenster. Der Anodenraum mit einer Anode ist im hinteren Gehäuseteil gelegen. Die Anode steht einer Öffnung in der Gehäusezwischenwand und einem Lichtaustrittsfenster im vorderen Gehäuseteil gegenüber, so dass die Anode, die Öffnung in der Gehäusezwischenwand und das Lichtaustrittsfenster auf einer optischen Achse A liegen. Über das Lichtaustrittsfenster wird das durch Entladung verursachte Licht nach außen abgegeben. Weiterhin ist ein optischer Filter auf der optischen Achse A liegend außen vor dem Lichtaustrittsfenster angeordnet. Der Mittelpunkt des Filters und des Lichtaustrittsfensters liegen somit auf der optischen Achse A der Gasentladungslampe. Erfindungsgemäß ist die Anordnung des Filters so gestaltet, dass das Lichtaustrittsfenster spaltfrei gegenüber dem Lampenkolben abschlossen wird. Dadurch wird mit dem Filter eine Abschirmung gegenüber dem kurzwelligen Lichtanteil der Plasmaquelle geschaffen, die den Lampenkolben außerdem vor schädigenden Teilchen aus dem Elektroden-Gehäuse schützt. Für die Verwendung der Lampe bedeutet der durch den Filter absorbierte Wellenlängenbereich kleiner 180 nm in der Regel, – zumindest für den Einsatz in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (engl. high performance liquid chromatography, HPLC) –, keine relevante Einschränkung. Dagegen ist es wesentlich, dass der Lampenkolben vor dem kurzwelligen Lichtanteil und vor den Teilchen aus dem Plasma, die im Elektroden-Gehäuse während des Betriebs der Lampe im Bereich des Lichtaustrittsfensters entstehen, wirksam geschützt wird.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Filters werden somit durch die vorgenannten Teilchen hervorgerufene Sputtereffekte oder andere Schädigungen des Lampenkolbenmaterials verhindert, was bei stabiler, hoher Lichtintensität die Lebensdauer der Lampe verlängert.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform sieht die Erfindung vor, dass der Filter direkt auf dem vorderen Gehäuseteil befestigt ist.
-
Diese Befestigungsart ist leicht und kostengünstig zu verwirklichen. Beispielsweise kann der Filter mittels eines Acrylklebers oder mit einem Glaslot auf dem vorderen Gehäuseteil angebracht werden.
-
Eine alternative und ebenfalls bevorzugte Ausführungsform wird der Filter von einer Halterung gefasst, die am vorderen Gehäuseteil befestigt ist. Die Halterung umschließt dabei das Lichtaustrittsfenster, so dass auch mit einer Halterung das Lichtaustrittsfenster spaltfrei gegenüber dem Lampenkolben abgeschlossen ist. Durch die Halterung im Zusammenwirken mit dem Filter wird ein optimaler Schutz des Lampenkolbens vor Schädigungen durch etwaige Teilchen aus dem Plasma oder durch hochenergetische Photonen geschaffen.
-
Die Halterung für den Filter besteht vorzugsweise aus einem Metall. Metall als gut elektrisch leitfähiger Werkstoff ist in vielfältigen geometrischen Formen verfügbar, so dass Metall als Werkstoff für die Halterung besonders geeignet ist. Ein für diesen Einsatz bevorzugtes Metall ist Nickel oder eine Nickel-Basislegierung. Andere Metalle sind prinzipiell ebenso geeignet, soweit die elektrische Leitfähigkeit, die Verarbeitbarkeit und die Umgebungstemperaturen im Lampenkolben ihren Einsatz nicht limitieren oder ausschließen.
-
Die Halterung kann in einem Abstand zum Lichtaustrittsfenster angeordnet sein. Bei dieser Variante umschließt die Halterung das Lichtaustrittsfenster an seinem Umfang vollständig. Begrenzend für den Abstand zwischen Lichtaustrittsfenster und der Halterung ist der Abstand der Halterung zum Lampenkolben. Eine direkte Berührung der Halterung mit dem Lampenkolben muss jedoch vermieden werden, da dies zu mechanischen Schäden am Lampenkolben führen und somit die Funktion und Lebensdauer der Gasentladungslampe beeinträchtigen kann. Eine vom Lichtaustrittsfenster in Richtung der optischen Achse A beabstandete Halterung bildet eine Art Abschirmung für aus dem Elektroden-Gehäuse bzw. dem Plasma austretende Teilchen gegenüber dem Lampenkolben. Dieser Abschirmungsraum hat seine Wirkung auch hinsichtlich einer Begrenzung der Temperatur des Lampenkolbens zumindest im Bereich des Lichtaustritts.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Halterung am vorderen Gehäuseteil mittels mindestens einem metallischen Niet befestigt. Die Nietverbindung gewährleistet eine stabile Befestigung der Halterung am vorderen Gehäuseteil und ist überdies sauber und präzise in der Ausführung. Der Niet wird durch das vordere Gehäuseteil hindurch gesetzt und kann gegebenenfalls auch zur Befestigung weiterer Bauteile am Gehäusevorderteil dienen. Grundsätzlich ist an Stelle der Nietverbindung auch eine Verbindung mittels einer Schraube möglich, die gegebenenfalls durch eine Bohrung durch das vordere Gehäuseteil gesetzt wird. Das vordere Gehäuseteil selbst kann aus elektrisch nicht leitenden Material bestehen, das heißt in der Regel aus einem keramischen Material wie beispielsweise Aluminiumoxid. Grundsätzlich kann das vordere Gehäuseteil auch aus einen metallischen Material bestehen.
-
Um korrosive Veränderungen an der Verbindung zwischen Halterung und Niet auszuschließen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Halterung und der Niet aus dem gleichen Metall bestehen.
-
Für Gasentladungslampen wird bevorzugt als Material für den Lampenkolben ein Borosilikatglas eingesetzt. Das Borosilikatglas ist chemikalien- und temperaturbeständig und für den gewünschten Wellenlängenbereich der Gasentladungslampe ausreichend transparent. Ein derartiger Lampenkolben ist daher für Gasentladungslampen, die beispielsweise in Spektralphotometern eingesetzt werden, gut geeignet. Die vorgenannten Eigenschaften sind auch für das Filtermaterial von Vorteil, so dass es sich bewährt hat, wenn auch das Material des Filters ein Borosilikatglas ist. Grundsätzlich ist aber auch Quarzglas als Substratmaterial für Filter geeignet, wobei dann durch entsprechende Beschichtungen auf dem Quarzglas die Filtereigenschaft für Wellenlängen kleiner 180 nm eingestellt wird.
-
Vorteilhafterweise ist der Filter als ein Filterplättchen mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,2 mm bis 0,4 mm, ausgebildet. Filterplättchen in diesem Dickenbereich sind handelsüblich und einfach in der Montage. Bei Filterplättchen mit einer Dicke größer als 1 mm besteht das Risiko, dass allein durch die Materialdicke des Filters die Lichtausbeute gedämpft wird.
-
Gasentladungslampe mit den vorgenannten Merkmalen finden Verwendung für analytische Zwecke, insbesondere als Lichtquelle bei der Spektralanalyse. Für HPLC-Geräte findet die erfindungsgemäße Gasentladungslampe bevorzugt Verwendung.
-
Ausführungsbeispiel
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Patentzeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im Einzelnen zeigen jeweils auf Basis eines schematischen Querschnitts:
-
1 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe mit einem internen Filter direkt auf dem Lichtaustrittsfenster,
-
2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe mit einem internen Filter in einer Halterung vor dem Lichtaustrittsfenster
-
In 1 ist eine Deuteriumlampe 1 im Querschnitt schematisch entlang der optischen Achse A dargestellt. Die Lampe 1 weist einen Lampenkolben 2 und ein zweiteiliges Gehäuse auf, bestehend aus einem vorderen Gehäuseteil 3 mit einer Gehäusezwischenwand 4 aus Keramik, in diesem Fall Aluminiumoxid, sowie aus einem hinteren Gehäuseteil 5 aus Metall. Der Lampenkolben 2 ist mit Gas, hier Deuterium, gefüllt. Im hinteren Gehäuseteil 5 befindet sich die Anode 6. Im vorderen Gehäuseteil 3 ist eine Kathode 7 und ein aus einem Nickelblech bestehendes Kathodenabschirmfenster 8 angeordnet. Weiterhin hat das vordere Gehäuseteil 3 ein Lichtaustrittsfenster 9, das der Anode 6 gegenüber steht und mit dieser die optische Achse A der Gasentladungslampe bildet. Das Kathodenabschirmfenster 8 hat eine Öffnung 12 in Richtung der optischen Achse A. Beim Betrieb der Lampe 1 bildet sich zwischen der Kathode 7 und der Anode 6 eine Entladung aus, die ein kontinuierliches UV-Spektrum liefert. Zur Erhöhung der Strahlungsintensität ist vor der Öffnung 13 der Gehäusezwischenwand 4 und der Anode 6 ein Formkörper 10 angeordnet, der durch Ladungsträgerkonzentration das Plasma kugelartig einschnürt. Der durch die Entladung und Ausbildung des Plasmas entstehende Lichtkegel (nicht dargestellt) gelangt entlang der optischen Achse A durch das Lichtaustrittsfenster 9 in Richtung des Lampenkolbens 2. Außen auf dem vorderen Gehäuseteil 3 ist ein Filter 11 in Form eines Filterplättchen aus einem beschichteten Borosilikatglas mittels eines Glaslots aufgeklebt, wobei der Filter 11 das Lichtaustrittsfenster vollständig überdeckt. Dadurch ist das Lichtaustrittsfenster und gegebenenfalls auch das Elektroden-Gehäuse spaltfrei vom Lampenkolben 2 abgeschlossen. Das Filterplättchen hat einen Durchmesser von 9 mm und eine Dicke von 0,2 mm. Es handelt sich um einen sogenannten Kantenfilter oder Langpassfilter, bei dem der Wellenlängenbereich kleiner 180 nm gesperrt ist und für den Wellenlängenbereich größer etwa 180 nm gute Transmissionseigenschaften vorliegen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung mit einem internen Filter 11 vor dem Lichtaustrittsfenster 9 wird der Lampenkolben 2 vor Schädigungen aufgrund etwaiger Teilchen aus dem Plasma, die im Elektroden-Gehäuse während des Betriebs der Lampe 1 im Bereich des Lichtaustrittsfensters 9 entstehen geschützt. Darüber hinaus wird der Lampenkolben 2 durch den Filter 11 vor dem Austritt von hochenergetischen UV-Photonen aus dem Elektroden-Gehäuse geschützt.
-
In 2 ist eine zweite Variante einer Deuteriumlampe 1 im Querschnitt schematisch entlang der optischen Achse A dargestellt. In diesem Fall ist der Filter 11 nicht wie in 1 direkt auf dem vorderen Gehäuseteil 3 befestigt, sondern befindet sich in einer Halterung 15, die von außen auf dem vordereren Gehäuseteil 3 mittels eines Niet 14 befestigt ist. Die Halterung 15 ist als ringförmiges Winkelprofil ausgebildet. Ein Schenkel des ringförmigen Winkelprofils hat eine Schenkellänge von 3 mm, wodurch der Abstand zwischen Lichtaustrittsfenster 9 und dem in der Halterung 15 eingesetzten Filter 11 bestimmt wird. Die Halterung 15 und das darin gehaltene Filterplättchen sind weiterhin so dimensioniert, dass die freie Fläche des Filters 11 das Lichtaustrittsfenster 9 in Projektion in Lichtaustrittsrichtung vollständig überdeckt. Die Halterung und der Niet 14 bestehen aus einer Nickel-Basislegierung. Der Niet 14 wird in einem Setzvorgang durch das keramische Gehäusevorderteil 3 hindurch positioniert. Ein weiterer Niet, oder eine Schraubverbindung kann von der Halterung zum vorderen Gehäuseteil so gesetzt werden, dass gleichzeitig die Halterung 15 dem Kathodenabschirm-fenster 8 elektrisch leitend verbunden ist. Bei solch einer Variante wird das elektrische Feld im Bereich des Kathodenabschirmfensters 8 und des Lichtaustrittsfenster 9 beeinflusst, was sich hinsichtlich des Austritts von schädigenden Teilchen aus dem Elektroden-Gehäuse positiv auswirkt und somit zusätzlich zur Wirkung des Filters 11 den Lampenkolben 2 schützt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008062410 A1 [0006, 0006, 0006]
- DE 3715375 C1 [0007, 0007, 0008]
