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Elektrische Hochdruckentladungslampe Die Erfindung betrifft eine Hochdruckentlastungslampe
mit festen Glühelektroden, deren Füllung eine Verbindung eines in der Hochdruckentladung
anzuregenden Metalls enthält.
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Von allen Hochdrucklampen weisen zur Zeit die Quecksilberdampf-Hochdrucklampen
die größte Verbreitung auf. 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 at brennende Lichtbogen
liefert neben einem verhältnismäßig schwachen Kontinuum hauptsächlich ein Linienspektrum
mit wenigen aber kräftigen Linien, weshalb sich die Lichtfarbe dieser Lampen sehr
stark vom natürlichen Licht und auch von dem durch einen glühenden, festen Körper
ausgesandten Licht unterscheidet und die Farbwiedergabe unbefriedigend ist.
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Es ist bekannt, zur Verbesserung der Farbwiedergabe und der Lichtausbeute
Jodide von bestimmten Metallen der ersten drei Gruppen des Periodischen Systems
der Elemente zuzusetzen, wobei als Grundgas Quecksilber oder ein Edelgas genommen
wird. Bewährt hat sich z. B. der Zusatz von NaJ, TIJ und InJ3. Die Resonanzlinien
dieser Metalle ergänzen die Quecksilberstrahlung im blauen, grünen und gelben Bereich
des Spektrums, aber die unangenehm empfundene Lücke im Roten bleibt bestehen. Auch
ein Zusatz von LiJ ergibt keine befriedigende Farbwiedergabe. Außerdem besteht mit
steigender Zahl der Zusatzkomponenten die Gefahr einer Entmischung, so daß sich
während der Lebensdauer der Lampen eine Farbverschiebung ergeben kann.
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Ein alleiniger Zusatz von Scandiumjodid zu der Quecksilberfüllung
erzeugt ein weißes Licht. Hierbei muß aber die Scandiumstrahlung überwiegen. Da
der Dampfdruck dieses Zusatzes verhältnismäßig ungünstig liegt, muß entweder die
thermische Wandbelastung des Brenners hoch liegen oder der Grundgasdruck niedrig.
Die erstere Maßnahme beeinträchtigt die Lebensdauer, die letztere die Lichtausbeute.
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Die durch die Erfindung gelöste Aufgabe besteht in der Schaffung einer
Hochdruckentlastungslampe mit einem leuchtenden Zusatz, der zur Vermeidung von Entmischungserscheinungen
aus möglichst wenig Komponenten besteht, zur Erzeugung eines ausreichenden Dampfdruckes
keine überhöhte thermische Belastung der Gefäßwand fordert und eine hohe Lichtausbeute
und eine gute Farbwiedergabe ergibt.
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Gemäß der Erfindung ist eine elektrische Hochdruckgas- oder Dampfentladungslampe
mit festen, entladungsgeheizten Glühelektroden mit einem aus hochschmelzendem, lichtdurchlässigem
Material bestehenden Gefäß und mit einer Füllung, die eine Metallhalogenidverbindung
als anzuregenden Bestandteil enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der anzuregende
Bestandteil der Füllung ein Uranhalogenid ist.
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Es ist schon eine Lampe beschrieben worden, bei der Metalle der VI.,
VII. und VIII. Gruppe des Periodischen Systems in Form ihrer Halogenide als alleinige
Lampenfüllung verwendet werden. Eine Nachprüfung dieser Angaben zeigte jedoch, daß
im allgemeinen die in diesem Zusammenhang genannten Jodide, Bromide und Chloride
der betreffenden Metalle, z. B. Molybdän und Wolfram, sich bereits bei den Temperaturen,
die von den Elektroden in Betriebszustand erreicht werden, zersetzen. Es setzt nämlich
der in Quarzjodglühlampen ausgenutzte van Arckelsche Kreisprozeß ein, der dafür
sorgt, daß die Metallatome aus dem Entladungsraum an die Elektroden wandern und
sich dort niederschlagen. Ein Zusatz von Fluoriden führt auch nicht zum Ziel, weil
das Fluor die Elektroden angreift. Dieses Ergebnis der vorgenommenen Nachprüfung
war auch zu erwarten. Je weiter rechts nämlich ein Element im Periodischen System
steht, um so geringer ist seine Affinität zu den Halogenen und um so tiefer sinkt
die Grenztemperatur, von der ab sich ein Halogenid zersetzt. So kennt man von der
Gleichgewichtsreaktion der Wolframhalogenide W + nX =;#!m WXn (X bedeutet
ein Halogen) die Gleichgewichtskonstante des Massenwirkungsgesetzes in ihrer Abhängigkeit
von der Temperatur. Der Wert K = 1 wird für WJ4 z. B. schon bei 650°C erreicht.
Oberhalb dieser Temperatur läuft die Reaktion überwiegend von rechts nach links
ab. Während eine Füllung von Wolframjodid in einer elektrodenlosen Entladungslampe
ohne weiteres z. B. durch Hochfrequenz anzuregen ist, so lange die Wandtemperatur
des Entladungsgefäßes unter 650°C bleibt, führt eine solche Füllung bei Verwendung
von Glühelektroden
nicht zum Ziel. Es lagert sich so lange metallisches
Wolfram in den heißeren Zonen der Elektroden ab, bis das Jodid gemäß dem Massenwirkungsgesetz
nahezu zersetzt ist. Falls die Elektroden aus Wolfram, Molybdän oder einem Metall
ähnlicher Affinität zu Jod bestehen, werden außerdem die kühleren Elektrodenzonen
abgetragen und das Elektrodenmaterial an den wärmeren Zonen angelagert. In bezug
auf ihr chemisches Verhalten sind Uran und Wolfram homologe Elemente. Es war darum
zu vermuten, daß Uran dem gleichen Kreisprozeß unterworfen ist und in Entladungslampen
mit festen Glühelektroden unbrauchbar ist. Es war eine überraschende Erkenntnis,
daß das chemische Verhalten des Urans unter den im Periodischen System weit rechts
stehenden Metallen eine Ausnahme bildet und als Füllung von Entladungslampen mit
festen Glühelektroden sehr geeignet ist.
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Es stellte sich überdies heraus, daß das Emissionsspektrum des Urans
durch das Zusammenwirken mehrerer Umstände ein Quasi-Kontinuum bildet, welches in
bezug auf Farbqualität und Lichtausbeute ganz besondere Vorteile bietet. Im Gegensatz
zu den bisher genutzten Lampenzusätzen steigt die spektrale Intensität der Uranstrahlung
nämlich im sichtbaren Bereich mit wachsender Wellenlänge an, so daß ähnlich wie
bei Glühlampen ein warmweißer Farbton entsteht. Anders als bei der Glühlampe fällt
jedoch die Intensität im infraroten Gebiet oberhalb 850 nm wieder ab, so daß aus
diesem Grund ein guter visueller Nutzeffekt erreicht wird. Die Ionisierungsgruppe
des Urans ist mit 4 eV sehr klein und wird nur noch von derjenigen des Cäsiums unterschritten.
Auch diese Tatsache kommt dem visuellen Nutzeffekt zugute, denn die Linienstrahlung
des Atoms kann die Wellenlänge 310 nm, die dieser Energie entspricht, nicht unterschreiten.
Auch die entsprechend kleinen unter 4 eV liegenden Anregungsenergien sind vorteilhaft
für eine Lampenfüllung der vorliegenden Art, denn all diese Niveaus werden relativ
stärker angeregt als z. B. das tiefste Niveau des Grundgases Quecksilber von 4,7
eV. Die Uran-Niveaus werden absolut stärker angeregt als z. B. die für die sichtbaren
Linien wichtigen Niveaus des Quecksilbers von 7,7 eV, wenn das Verhältnis der Partialdrücke
von Uran zu Quecksilber,
größer ist als etwa 3 - 10-4.
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Als weitere Folge der kleinen Ionisierungsspannung erreicht das Plasma
mit einem Uran-Partialdruck die nötige Leitfähigkeit bei erheblich geringerer Temperatur.
Zur Abschätzung der Temperatur darf man annehmen, daß der für die Errechnung der
Leitfähigkeit wichtigste Boltzmann-Faktor
z. B. für eine reine Quecksilberdampfentladung ebenso groß sein wird wie für eine
Entladung mit Uran. Während eine Quecksilber-Hochdruckentladung mittlerer Belastung
eine Achsentemperatur von rund 6000°K erreicht, würde eine Entladung von gleichem
Dampfdruck nur in Uran unter ähnlichen Bedingungen mit 2300'K auskommen. Der erreichbare
Uran-Partialdruck wird allerdings im allgemeinen erheblich geringer sein, so daß
die Plasmatemperatur in der Lampe mit Uranhalogenid oberhalb 2300°K liegen wird,
jedoch immer noch wesentlich unter 6000°K. Die Wärmeverluste sind bei einer konstant
dicken Bogenrandschicht proportional der Differenz zwischen Plasmatemperatur und
Umgebungstemperatur. Aus diesem Grunde lassen sich bei Lampen mit Uranzusatz die
Wärmeverluste im Vergleich zu Quecksilberdampflampen reduzieren.
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Die Ausnahmestellung des Urans beruht also auf dem überraschenden
chemischen Verhalten seiner Halogenide und auf dem nicht vorhersehbaren Zusammenwirken
verschiedener Umstände, die die Kombination einer hohen Lichtausbeute mit einem
ungewöhnlich guten Farbton und einer für Jodidentladungslampen sehr hohen Lebensdauer
ergeben.
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Neben dem nicht restlos verdampfenden Uranhalogenid besitzt die Lampe
der Erfindung noch einen im Betrieb restlos verdampfenden, einen Partialdruck von
mehreren Atmosphären erzeugenden Quecksilberzusatz sowie einen Zusatz von Edelgas
zur Zünderleichterung. Eine andere Ausführungsform der Lampe besitzt neben dem Uranhalogenid
eine mehrere Atmosphären betragende Grundfüllung aus Xenon.
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F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Uranjodidzusatz;
F i g. 2 zeigt die spektrale Strahlungsstärke einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe
mit Uranbromidzusatz in relativen Einheiten, abhängig von der Wellenlänge und der
Wandbelastung WF in W/cm2.
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Das Entladungsgefäß 1 besteht aus Quarzglas und umschließt das Volumen
4,5 cm3. Der Innendurchmesser des oben und unten kugelig abgeschlossenen, rohrförmigen
Kolbens beträgt 17 mm. Die Stiftelektroden 2 und 3 bestehen aus schwer schmelzbarem
Metall, vorzugsweise aus Wolframdraht von 1,5 mm Durchmesser und haben eine übliche
Foliendurchführung 4 und 5. Eine über den normalen Thoriumzusatz von
bis zu 5 % hinausgehende Aktivierung der Elektroden ist zu vermeiden. Die
Edelgasfüllung zur Zünderleichterung beträgt 20 Torr Argon. Die im Betrieb völlig
verdampfende Quecksilberfüllung von 30 mg ergibt einen Partialdruck von etwa 3 bis
4 at.
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Die elektrischen und lichttechnischen Daten der Lampe sind:
| Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . 400 W |
| Stromstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 A |
| Spannung .................... 135 V |
| Elektrodenabstand . . . . . . . . . . . . 2,0 cm |
| Wandbelastung . . . . . . . . . . . . . . . 10 W/cm2 |
| Lichtstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 000 lm |
| Lichtausbeute ................ 901m/W |
Während die Quecksilbermenge restlos verdampft, ist die Menge des Uran-Jodid-Zusatzes
mit 15 mg so hoch gewählt, daß sie nicht völlig verdampft. Die Höhe des Partialdruckes
des Uranjodids richtet sich nach der Wandtemperatur und damit nach der Wandbelastung.
Da Uranhalogenid sehr hygroskopisch ist, empfiehlt es sich, metallisches Uran und
elementares Jod bzw. Quecksilberjodid im stöchiometrischen Verhältnis getrennt in
die Lampe zu füllen.
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Zur Eileichterung der Zündung kalter Lampen kann an einer im Betrieb
relativ kühl bleibenden Stelle der Kathode, bzw. bei Wechselstrom beider Elektroden,
in an sich bekannter Weise ein kleiner Vorrat an Th02 angebracht werden.
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F i g. 2 zeigt wie durch die Steigerung der zugeführten Leistung pro
Einheit der Brenneroberfläche von 6,5 W/cm2 über 9 auf 12 W/cm2 die Strahlung der
Quecksilberlinien bei 405, 436, 546 und 577/78 mm in den Hintergrund gedrängt wird.
Während
die Gesamtstrahlung bei 6,5 W/cm2 noch leicht bläulich wirkt,
nimmt sie bei 9 W/cm2 die weiße Farbe des Tageslichtes an, um bei höherer Belastung
zu dem warmen Ton des Glühlampenlichtes überzugehen. Wegen der guten Farbwiedergabe
bei sehr hoher Lebensdauer wird der Bereich zwischen 7 und 12 W/cmz bevorzugt. So
läßt sich die spektrale Energieverteilung bereits mit nur einem Zusatz zur Quecksilber-Hochdrucklampe
in weiten Grenzen auf einen gewünschten Farbton einstellen. Die hierzu nötigen Wandbelastungen
sind für Quarzglas oder für Sondergläser, wie Vycor, selbst bei höchsten Ansprüchen
an die Lebensdauer der Lampe ohne weiteres verträglich.
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Im übrigen lassen sich zu einem Uranhalogenid ein oder mehrere Halogenide,
wie TIJ, InJ3, NaJ oder ScJs, hinzufügen, um eine weitere Steigerung der Lichtausbeute
und/oder eine Änderung der spektralen Energieverteilung der Lampe zu erreichen.
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Die erfindungsgemäße Lampenfüllung kann auch bei Kurzbogenlampen verwendet
werden. Der Vorteil solcher Lampen liegt in der Kombination einer höheren Brennspannung
wie sie Quecksilber-Höchstdrucklampen haben, mit der guten Farbwiedergabe, wie sie
bisher nur bei Xenon-Kurzbogenlampen zu finden ist. Die Lichtausbeute ist überdies
nicht nur wesentlich höher als bei der Xenonlampe, sondern auch höher als bei der
Quecksilber-Höchstdrucklampe, ohne daß ein entsprechend hoher Betriebsdruck nötig
ist.