DE1153453B - Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogeniddampf und hoher Lichtausbeute - Google Patents

Description

• Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogeniddampf und hoher Lichtausbeute Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentladungslampe mit Metallhalogeniddampf und hoher Lichtausbeute, deren Farbverteilung derjenigen des natürlichen Sonnenlichtes sehr nahe kommt.
• Zur Zeit sind zwei grundsätzlich verschiedene Typen von Hochdrucklampen gebräuchlich, von denen die Quecksilberdampfhochdrucklampe die größte Verbreitung aufweist. Das meist aus Quarzglas gefertigte Gefäß dieser Lampen enthält neben einem Zündgas eine geringe Quecksilbermenge, die im Betrieb der Lampe restlos verdampft ist. Der bei einem Dampfdruck von etwa 1 bis 25 Atm. aufrechterhaltene Lichtbogen liefert neben einem verhältnismäßig schwachen Kontinuum hauptsächlich ein Linienspektrum mit wenigen aber sehr kräftigen Linien, weshalb sich die Lichtfarbe dieser Lampe sehr stark vom natürlichen Licht und auch von dem durch einen glühenden festen Körper ausgesandten Licht unterscheidet und die Farbwiedergabe sehr unbefriedigend ist. Zwar kann durch Umwandlung des in der Quecksilberentladung, entstehenden Ultraviolett-Lichtes in sichtbares Licht, insbesondere des langwelligen Spektralbereiches, mittels geeigneter Leuchtstoffe eine wesentliche Verbesserung erzielt werden, doch befriedigt die Lichtfarbe auch dieser farbkorrigierten Quecksilberlampe in vielen Fällen noch nicht. Die Lichtausbeute dieser Lampen ist sehr gut und beträgt z. B. 60 bis 70 Im ' W.
• Eine Hochdrucklampe mit einem dem natürlichen aus direktem Sonnenlicht und gestreutem Himmelslicht zusammengesetzten Licht fast gleichen kontinuierlichen Spektrum steht in der Xenonhochdrucklampe, die sich z. B. zu Projektionszwecken und zur Farbabmusterung größter Beliebtheit erfreut, zur Verfügung. Die Lichtausbeute dieser Lampen ist mit etwa 35 Im W nicht so hoch wie die der Quecksilberdampflampen, doch noch beträchtlich höher als die der Glühlampen.
• Ferner ist schon bekannt, in einer Dampfentladungslampe Halogenide von Metallen der verschiedenen Gruppen des Periodischen Systems anzuregen.
• Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Hochdrucklampe mit einer der Xenonhochdrucklampe bzw. dem natürlichen Licht ähnlichen Farbverteilung und einer hohen Lichtausbeute, wie sie etwa von der Quecksilberhochdrucklampe bekannt ist.
• Das aus einem hochschmelzenden, lichtdurchlässigen Material bestehende Gefäß der Hochdrucklampe enthält erfindungsgemäß als anzuregendes Metallhalogenid in der Schmelze farblos durchsichtiges Halogenid eines oder mehrerer Metalle der seltenen Erden. Die Plasmen der seltenen Erden, insbesondere des Cer und des Lanthan, emittieren ein dichtes Linienspektrum, das vorwiegend im sichtbaren Spektralbereich liegt und geben also mitgutern visuelliem Nutzeffekt ein rein weißes Licht ab. Die Voraussetzung für die Entstehung eines Plasmas der seltenen Erden mit den gewünschten guten Emissionseigenschaften ist die Erzeugung eines genügend hohen Dampfdruckes von mindestens einigen 100 Torr bis zu einer Atmosphäre und darüber während des Betriebes der Lampe. Elementares Cer oder Lanthan haben ebenso wie die anderen seltenen Erden auch bei den höchsten für das Gefäßmaterial einer Lampe in Betracht kommenden Temperaturen viel zu geringe Dampfdrücke und sind deshalb als Lampenfüllung ungeeignet. Der maximale Dampfdruck des Füllstoffes der Entladungslampen bekannter Bauart richtet sich nach der erreichbaren Wandtemperatur des Hüllge, fäßes und entspricht bei Vorhandensein eines unverdampften Bodenkörpers, wenn der Dampf also noch gesättigt ist, der Temperatur der kühlsten Stelle des Gefäßes.
• In Lampen zur Anregung der Spektren von Cer, Lanthan und anderer seltenen Erden, kann ein genügend hoher Dampfdruck dadurch erzeugt werden, daß man Halogenide dieser Stoffe in die Lampe füllt. Der zusätzliche Verbindungspartner muß hierbei eine höhere mittlere Anregungsspannung haben, damit er sich in dem Plasma, in dem die Verbindung dissoziiert, an der Entladung möglichst wenig beteiligt.
• Es hat sich gezeigt, daß in den meisten Fällen ein Betrieb der erfindungsgemäß mit einem Halogenid eines oder mehrerer Elemente der seltenen Erden gefüllten Lampe im gesättigten Bereich empfehlenswert ist. Der auch während des Betriebes der Lampe nicht verdampfte Teil des Halogenids liegt als Schmelze vor und benetzt im allgemeinen die Gefäßwand ganz oder teilweise. Es ist deshalb zu fordern, daß die Schmelze des in der Lampe vorhandenen Halogenids farblos durchsichtig ist.
• Bei den Entladungslampen bekannter Bauart richtet sich der maximale Dampfdruck des Füllstoffes nach der erreichten Wandtemperatur. Wird die Dampfentladungslampe im untersättigten Bereich betrieben, steht der Dampf also im Kontakt mit einem Bodenkörper, so entspricht der Dampfdruck der Temperatur der kühlsten Stelle im Inneren des Gefäßes. Das Entladungsgefäß der Hochdrucklampen besteht meist aus Quarzglas, dessen Temperatur im Betrieb der Lampe 800 bis 900 'C nicht übersteigen darf. Auch im Temperaturbereich zwischen 1000 'C und der Erweichungstemperatur, in dein keine Entglasung des Quarzglases auftritt, reicht bei der erfindungsgemäßen Lampe der auf diese Weise erzeugte Dampfdruck der Halogenide der seltenen Erden in vielen Fällen noch nicht aus, um die hervorragenden Strahlungseigenschaften dieser Stoffe voll zur Geltung zu bringen.
• In der Weiterbildung der Erfindung wurde deshalb eine Hochdrucklampe entwickelt, in der schwerflüchtige Stoffe, insbesondere Halogenide der seltenen Erden, verdampft werden und in der diese Dämpfe einen Druck aufweisen, der höher ist als es der Temperatur der Gefäßwand entspricht.
• Mindestens ein Teil der Innenwand des Entladungsgefäßes ist mit einer Schicht des im Betrieb zu verdampfenden schwerflüchtigen Materials überzogen. Der Entladungsbogen steht mit seiner Säule in Kontakt mit diesem Material und erzeugt eine örtliche überhitzung in der Zone des Kontaktes zwischen dem Bogen und dem der Wand anliegenden Bodenkörper, ohne daß bei geeignetem Verhältnis von Lampenleistung zu Lampenoberfläche die Temperatur des Kolbens sebst die zulässige Höhe überschreitet. Das in dieser Zone verdampfende Material gelangt unmittelbar in das Plasma, wo es zu intensivem Leuchten angeregt wird. Da die Kolbentemperatur geringer ist als es dem so erzeugten Dampfdruck des Bodenkörpers entspricht, so schlägt sich der zur Wand diffundierende Dampf größtenteils zu den nicht vom Bogen berührten Teilen nieder und fließt in den ständig verdampfenden Vorrat zurück.
• Um eine Berührung der Bogensäule mit dem schwerflüchtigen auf der Kolbenwand befindlichen Material zu erzielen, kann eine magnetische Beeinflussung des Bogens durch ein Fremdmagnetfeld oder durch das Magnetfeld der Stromzuführungen der Lampe selbst vorgesehen sein. Es hat sich gezeigt, daß ein inhomogenes Magnetfeld mit einer durchschnittlichen Feldstärke von einigen Gauß ausreicht, um den Bogen gegen den Wandbelag aus schwerflüchtigem Füllmaterial zu drängen. In einer anderen Lampe ist der Entladungsweg so eng von der allseitig mit dem schwerflüchtigen Füllmaterial überzogenen Gefäßwand umschlossen, so daß der Bogen allseitig mit diesem Füllmaterial in Kontakt steht und wandstabilisiert brennt, Zur Zündung und anfänglichen Aufwärmung der Lampe ist diese vorzugsweise mit einer Grundgasfüllung aus einem oder mehreren Edelgasen versehen. Unter dem Einfluß der anfangs im Grundgas brennenden Entladung beginnt die Hauptfüllung zu verdampfen und übernimmt nach einer Anlaufzeit von wenigen Minuten die Entladung. Bei Erreichen der Betriebstemperatur bildet die schwerflüchtige Verbindung einen wasserklaren, die Wand benetzenden Überzug oder einen Sumpf. Falls eine Grundgasfüllung nicht erwünscht ist, kann die Zündung auch durch ein Erwärmen der Lampe mittels einer Außenheizung erleichtert werden, und es kann zur Einleitung der Zündung auch ein Hochspannungsstoß vorgesehen sein.
• Im Betrieb der Lampe kann es sich als notwendig erweisen, das Gefäß durch Anblasen mittels eines Luftstromes, also z. B. mittels eines Ventilators oder durch fließendes Wasser, zu kühlen. In vielen Fällen reicht jedoch die natürliche Kühlung durch die Konvektion der den Kolben umgebenden Luft aus.
• Außer dem Giundgas, welches die Zündung erleichtert und nach dem Einbrennen der Lampe die Aufgabe des Puffergases übernimmt, ist noch ein weiterer Zusatz eines schweren Gases oder Dampfes empfehlenswert, um die Diffusion des Halogeniddampfes und die Wärineableitung zu verringern. Besonders geeignet zu diesem Zweck ist Quecksilber, da es von allen in Frage kommenden Gasen und Dämpfen das höchste Atomgewicht hat. Außerdem bildet sich in Quecksilber ein stark kontrahierter Entladungsbogen aus, welcher den beschriebenen Verdampfungsmechanismus erleichtert.
• Besteht die Lampenfüllung außer dem Grundgas und eventuell einem Zusatz eines schweren Dampfes oder Gases nur aus dem Halogenid eines Elementes der seltenen Erden oder auch aus mehreren solchen Verbindungen, wird der anfangs wasserklare Belag dunkel, und die Lampe wird nach kurzer Zeit lichtundurchlässig. Dies ist darauf zurückzuführen, daß etwas Halogen in der Lampe aufgezehrt und so das stöchiometrische Gleichgewicht des Bodenkörpers gestört wird. Es scheidet sich elementares Cer, Lanthan usw. ab und bewirkt eine Schwärzung des Kolbens. Diese läßt sich dadurch vermeiden, daß die Lampe einige Torr Halogengas im Überschuß enthält, so daß bis zum Ende der Lebensdauer in der Lampe keine solch starke Verarmung an Halogen entsteht, daß der Halogengehalt unter den stöchiometrischen Wert fällt.
• Die Erfindung wird nunmehr an Hand von Beispielen näher erläutert.
• Fig. 1 zeigt eine Hochdrucklampe für beliebige Brennlage; Fig. 2 stellt eine Hochdrucklampe für waagerechte Brennlage dar.
• Die Lampe nach Fig. 1 besitzt ein Gefäß 1 aus Quarzglas, in welches zwei als Elektroden dienende Stifte 2 aus Wolfram über Molybdänfolieneinschmelzungen 3 eingeführt sind. Die Stifte 2 können auch aus thoriertem Wolfram oder einem anderen hochschmelzenden elektrisch leitfähigen Material bestehen. Eine Aktivierung der Elektroden mit Erdalkaliverbindungen ist jedoch nicht zu empfehlen.
• Das Gefäß ist mit etwa 30 Torr Argon-Grundgas gefüllt. Es enthält 25 mm3 Cerbromid und 2 Torr Brom. Infolge des Bromüberschusses bildet sich in der Lampe der bekannte Halogenkreisprozeß aus. Die Elektroden können hierbei thermisch sehr hoch belastet werden und kleine Abmessungen erhalten, ohne daß die Gefäßwand geschwärzt wird. Nach dem Zünden der Lampe schmilzt das Cerbromid und breitet sich als wasserklarer Belag 4 auf der ganzen Innenfläche des Entladungsgefäßes aus, der in jeder Brennlage eine genügend gleichmäßige Dicke von beispielsweise 0,1 mm besitzt. Das Quarzglasgefäß 1 umschließt eine Entladungskapillare, die im Betrieb der Lampe in dem Abschnitt zwischen den Elektroden völlig vom Entladungsbogen 5 ausgefüllt ist der also innerhalb der Kapillare wandstabifisiert brennt. Der Bogen 5 steht somit allseitig in Kontakt mit dem schwerflüchiigen geschmolzenen Füllmaterial 4;,welches an seiner Oberfläche lokal stark überhitzt wird und hier einen entsprechend hohen Dampfdruck bildet. An den kühleren Stellen kondensiert zwar mehr CeBr.. als verdampft. Die Oberflächendiffusion sorgt jedoch für einen Rücktransport zu den heißeren Wandzonen, so daß der Dampfdruck im Bogen praktisch dem hohen Dampfdruck an der heißesten Stelle der Schicht 4 entspricht. Nach dem Abschalten der Lampe kühlt auch die flüssige Schicht 4, welche die Innenwand des Gefäßes 1 benetzt, ab und verfestigt sich. Im ruhenden Zustand ist die Innenwand der Lampe demnach von einer kristallinen Schicht aus Cerbromid überzogen. Die Elektroden haben dünnwandige Quarzmanschetten 6, die in den Entladungsraum hineinragen und eine Berührung der Wolframelektroden. mit dem Bodenkörper weitgehend verhindern.
• Der Elektrodenabstand beträgt 20 mm, der Innendurchmesser des Quarzkolbens 3 mm und die Wandstärke 3 bis 4 mm. Wenn die Lampe außer den genannten Füllstoffen noch Quecksilber enthält, so daß sich der Betriebsdruck 50 Atm. einstellt, dann ergibt sich bei den elektrischen Daten 1,5 A, 200 V, 300 W der Lichtstrom 33 000 Im und damit die Ausbeute 110 Im:W. Die Lampe ist durch einen schwachen Luftstrom zu kühlen. Der Quecksilberzusatz verringert in vorteilhafter Weise die Wärmeableitung und die Diffusion der Ceratome aus der Entladungssäule, ohne das rein weiße Licht des Cerspektrums zu verändern.
• Die Lampe nach Fig. 2 besitzt auch ein Gefäß aus Quarzglas 7 und zwei über Molybdänfolieneinschmelzungen 8 in die Lampe eingeführte Elektroden 9 mit Manschetten 10. Der Innendurchmesser des Gefäßes beträgt 8 mm, die Wandstärke 3 bis 4 mm. Die Lampe erhält die gleichen Füllstoffe, wie die oben beschriebene, jedoch 250 mm-3 Cerbromid und wird in waagerechter Lage betrieben. Bei Erreichen der Betriebstemperatur bildet das Cerbromid einen wasserklaren Sumpf 11 am Boden der Lampe. Durch das schwache Magnetfeld, welches durch die Stromzuführungen 12 erregt wird, wird der Bogen nach unten auf die Oberfläche des flüssigen Bodenkörpers gedrückt. Auf diese Weise erreicht man, da der Bogen stark kontrahiert ist, eine örtliche Überhitzung in der Zone des Kontaktes zwischen dem Bogen und dem Bodenkörper, ohne daß bei 1,5 Ae 200 V und 300 W die Kolbentemperatur auf einen unzulässigen Wert gesteigert wird. Das in dieser Zone verdampfte Cerbromid gelangt unmittelbar in das Plasma, wo das Cer zu intensivem Leuchten angeregt wird. Da die Kolbentemperatur geringer ist, als dem so erzeugten DampfdrucL des Bodenkörpers entspricht, schlägt sich der zur Kolbenwand diffundierende Dampf größtenteil nieder, um an der Wand entlang in den Sumpf zurückzufließen. Dieser Kceislauf sorgt in vorteilhafter Weise für eine gleichmäßige Wandtemperatur. Lediglich in der unteren Wandzone, die dem Bogen am nächsten liegt, muß einer Überhitzung vorgebeugt werden. Bei den genannten Lampendaten geschieht dies schon durch die natürliche Luftkühlung, die besonders stark an der gefährdeten unteren Wandzone wirkt.
• Das Lampengefäß kann auch aus einem höher als Quarzglas schmelzenden Material, z. B. aus polyknst.a1.Iinem, sehr reinem, durchscheinendem Aluminiumoxyd, bestehen. In diesem Fall muß kein flüssiger Bodenkörper vorhanden sein, es kann also das ganze in der Lampe vorhandene Halogenid verdampfen und die Lampe somit im übersättigten Zustand betrieben werden.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Hochdruckentladungsl#rape mit Metallhalogeniddampf und hoher Lichtausbeute für eine dem natürlichen Licht ähnliche Farbverteilung und mit einem Entladungsgefäß aus hochschmelzendem lichtdurchlässigem Material, dadurch gekennzeichnet, daß das anzuregende Metallhalogenid aus in der Schmelze farblos durchsichtigem Halogenid (4, 11) eines oder mehrerer Metalle der seltenen Erden besteht.
2. 2. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anzuregende Bestandteil der Lampenfüllung aus dem CWorid und/oder Bromid des Cer besteht. 3. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der anzuregende Bestandteil der Lampenfüllung aus dem Chlorid und oder Bromid des Lanthan besteht. 4. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenfüllung zur Zünderleichterung ein Grund-Oras, insbesondere ein oder mehrere Edelgase enthäit. 5. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampenfüllung einen Zusatz eines schweren Gases oder Dampfes, insbesondere Quecksilber enthält. 6. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß aus Quarzglas besteht und im Betrieb nur ein Teil des oder der in der Lampe vorhandenen Halogenide der seltenen Erden verdampft ist, während der Rest als farblos durchsichtiger Belag an der Wand haftet. 7. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, --ß das Entladungsgefäß aus einem thermisch h-'#ier als Quarzglas belastbaren transparenten Material, wie Aluminiumoxyd, besteht. 8. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Entladungsgefäßes außer Betrieb von einer kristallinen Schicht eines oder mehrerer Halogenide der seltenen Erden überzogen ist. 9. Hochdruckdampfcntladungslamp,- mit einer Füllung aus schwerflüchtigen Stoffen, insbesondere mit einer Füllung aus Halogeniden der der seltenen Erden, nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Gefißinnenwand mit einer Schicht der schwerflüchtigen, im Betrieb farblos durchsichsich'i1,7en flüssigen Stoffe benetzt ist und die Säule cl des Lichtbogens im Kontakt mit diesen die Gefäßwand Überziehenden Stoffen steht und eine Zone örtlicher überhitzung zwischen dem Bogen und den an der Wand anliegenden zu verdampfenden Stoffe erzeugL 10. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der schwerflüchtige Stoff an der Zone örtlicher Überhitzung verdampft, unmittelbar in das Plasma gelangt, an den kühleren Stellen des Lampeninneren kondensiert und in den ständig verdampfenden Vorrat zurückfließt. 11. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfdruck der schwerflüchtigen FüHstoffe größer ist, als es der Temperatur der Gefäßwand entspricht. 12. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Magnetfeld den Lichtbogen während des Betriebes gegen den Wandbelag aus schwerflüchtigen Stoffen drängt. 13. Hochdruckdampfentladungslampe nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß zwischen den Elektroden eine Entladungskapillare besitzt, die ganz von den schwerflüchtigen, im Betrieb flüssigen zu verdampfenden Stoffen benetzt ist und daß der wandstabilisierte Lichtbogen allseitig in Kontakt mit den schwerflüchtigen Stoffen steht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 134 732, 288 228, 967 658; britische Patentschnften Nr. 325 534, 402 747, 689 962; USA.-PatentschTift Nr. 2 971110.