DE1589284C3 - Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Hochdruckentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Hochdruckentladungslampe, welche mit einem kontinuierlichen, unveränderlichen Lichtbogen arbeitet und deren ionisierbare Atmosphäre ein Edelgas, Quecksilber und mindestens ein anderes Metall oder eine organische Verbindung eines anderen Metalles enthält.

Hochdruckentladungslampen, deren mechanischer Aufbau dem der F i g. 1 im wesentlichen entspricht, sind an sich bekannt und als Quecksilberdampf- bzw. Natriumdampflampen für Beleuchtungszwecke häufig eingesetzt. Solche Hochdrucklampen haben folgende Nachteile. Gewisse Spektralanteile gehen nur von bestimmten Teilen des Lichtbogens aus, die ausgesende- so ten Spektralanteile sind dabei Temperatur und Druck abhängig. Um eine einigermaßen gleichmäßig leuchtende Fläche zu erhalten, wird der Quarzbrenner dann in eine Opakglasumhüllung eingeschlossen, was zu Lichtverlusten führt Es bilden sich an der Innenseite des Quarzrohres mehr oder weniger undurchsichtige Ablagerungen. Die verhältnismäßig niedere Brennspannung begrenzt dadurch die Strahlungsleistung, daß die als Zuleitung zu den Elektroden benötigten Quarzglasdurchführungen, meistens aus Molybdän bestehend, die w> Stromstärke und damit die Leistung beschränken.

In der britischen Patentschrift 3 49 261 wird eine Niederdruckentladungslampe beschrieben, die für eine visuelle Anzeige einen kontinuierlich veränderlichen Lichtbogen erzeugt. Die Füllung der Lampe besteht aus ··"> Neon oder Argon, einem Kohlenwasserstoff, der auch Quecksilber zugesetzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Herstellungsverfahren der eingangs genannten / derart zu verbessern, daß man eine Lampe mit eii möglichst gleichmäßigen Lichtemission über den g; zen Lichtbogen bei Vermeidung von Ablagerungen ; der Innenseite des Quarzglasbrenners erhält. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzek nenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben Merkmale gelöst.

Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus d Unteransprüchen. Infolge des höheren gesättigt Dampfdruckes ergeben sich einige bemerkenswer Eigenschaften der nach dem Verfahren hergestellt Hochdruckentladungslampe. Infolge Anregung aller der ionisierbaren Atmosphäre vorhandenen Meta erfolgt eine gleichmäßige Lichtemission über d ganzen Lichtbogen, während ohne den Zusatz einer η den Metallen reagierenden organischen Verbindung d Metalle nur innerhalb eines begrenzten Teiles dv Lichtbogens ihre Strahlung aussenden würden. Ferm wird die Aussendung einer Strahlung konstant* spektraler Zusammensetzung, die praktisch nicht mel vom Dampfdruck abhängig ist, bewirkt Ferner schlagt sich an den Innenwandungen des Brenners keine mel oder weniger undurchsichtigen Ablagerungen mel nieder, die aus Bestandteilen der Brennerfüllung, ve allem aus Halogeniden bestehen. Da der höher gesättigte Dampfdruck aber auch die Brennspannun des Lichtbogens erhöht, lassen sich bei gleichbleibende Stromstärken höhere Leistungen erzielen bzw. di gleiche Leistung bei geringerer Stromstärke. Dieses if dadurch von Bedeutung, da sich der Querschnitt de Zuleitungen durch den Quarzglasmantel des Brenner nur in gewissen Grenzen halten läßt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben Es zeigt

Fig. 1 eine übliche Hochdruckentladungslampe, dit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für einei kontinuierlichen, unveränderlichen Lichtbogen aktivier: werden kann,

Fig.2 eine Anordnung zur Durchführung einei Beispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Hochdruckentladungslampe mit einer Entladungsröhre 2, welche mit zwei Hauptelektroden 4 und 6 und einer Hilfselektrode ausgerüstet ist Die Entladungsröhre 2 ist in einem Glaskolben 10 eingelassen, welcher sie thermisch isoliert und auf dessen innerer Oberfläche man eine Leuchtstoffschicht niederschlagen kann. Die Entladungsröhre 2 besteht beispielsweise aus Quarzglas, hat 20 mm inneren Durchmesser und 60 mm Abstand zwischen ihren Hauptelektroden. Jede dieser Elektroden besteht aus einem hochhitzebeständigen Stab 12 aus thoriertem Wolfram, der an seinem Ende einen Wickel 14 aus Thorium trägt, der aus einem Gemisch von gleichen Teilen Thoriumoxydpulver und Thoriumpulver gebildet und durch Sintern verfestigt wurde.

Die Röhre 2 enthält im kalten Zustand vor der Inbetriebnahme: einen Tropfen 16 aus 0,06 g Quecksilber, welches mit 0,001 g Indium legiert ist, Argon bei einem Druck von 133 Pa und Äthylbromid von einem Druck von 133 Pa.

Diese Lampe sendet zur gleichen Zeit Strahlung von Quecksilber und von Indium bei einer Leistung aus, welche 200 W nicht überschreitet, obwohl ihre Abmessungen und Lichtleistung dabei einer üblichen Lampe von 400 W entsprechen. Das Spektrum der organischen Radikale erscheint nur während der Inbetriebnahme der

Lampe in der Form eines bandenförmigen Spektrums; diese Radikale verringern indessen die metallischen Ablagerungen auf der Röhre 2. Das Äthylbromid kann ergänzt oder ersetzt werden durch eine oder mehrere andere gesättigte oder nicht gesättigte Halogenide, aliphatische Kohlenstoffverbindungen oder auch noch durch eine oder mehrere Organometallverbindungen, z. B. des Quecksilbers, der Alkalimetalle, des Kalziums, des Bariums, der seltenen Erden oder der Übergangsmetalle, wie Yttrium und Scandium. Der Teildruck, unter welchem das Kohlenwasserstoffhalogenid eingeführt wird, liegt vorzugsweise zwischen 13 und 6665 Pa.

Das oder die Metalle, welche in der ionisierbaren Atmosphäre enthalten sind, werden in die Lampe im freien Zustand oder in Form von Verbindungen, beispielsweise als Halogenide, eingeführt.

Die organischen Bestandteile können auch in Form eines oder mehrerer, gesättigter oder ungesättigter Kohlenwasserstoffe, an Stelle eines aliphatischen Kohlenstoffhalogenids, wie Äthylbromid, eingeführt werden.

Ein anderes Ausführungsbeispiel einer Hochdruckentladungsröhre besteht aus einem Quarzglaskolben von 17 mm innerem Durchmesser, welcher an seinen Enden mit zwei Elektroden aus hitzebeständigem Material im Abstand von 50 mm ausgestattet ist. In diese Röhre werden genau abgemessene Mengen Quecksilber, Thalliumjodid und Indiumjodid eingeführt, welche sich vollständig verflüchtigen, wenn man diese Lampe mit einer Leistung von 400 W betreibt. Man hat ebenfalls ein Jodid von niedrigem Dampfdruck, wie Natriumjodid, ferner ein Gasgemisch aus Argon unter einem Druck von 216 Pa und Äthylen unter einem Druck von 33 Pa, eingeführt. Diese Entladungsröhre wird in bekannter Weise und wie aus F i g. 1 ersichtlich im Inneren eines Kolbens angeordnet, welcher den Wärmeaustausch mit der Außenluft hemmt.

Die Spektralverteilung und die Stärke des in dieser Lampe erzeugten Lichtes sind über der ganzen Bogenlänge einheitlich. Diese Wirkung kann sogar auch noch erzielt werden, wenn man den Durchmesser der Lampe erheblich verringert und sogar, wenn man dabei ihre Länge vergrößert. Man erhält in Gegenwart von Äthylen eine Einheitlichkeit des Farbtones zwischen den beiden Elektroden. Dies gilt sogar für eine Röhre von 10 mm Durchmesser und 100 mm Elektrodenabstand, welche eine Füllung aus Quecksilber, Argon und wenig flüchtigen Halogeniden, z. B. von Alkalimetallen, enthält.

Die elektrischen Kennwerte derart mit Zusatz von organischen Verbindungen aufgebauter Lampen ändern sich bekanntlich gegenüber denen von Lampen ohne organische Substanzen. So haben die gewöhnlichen Lampen, weiche bei 400 W eine Entladungsspannung von ungefähr 135 V bei einem Strom von 3,2 Ampere besitzen, bei Zusatz von Äthylen eine Entladungsspannung in der Größenordnung von 400 V bei einem Strom von 1 Ampere; die Entladungsspannung steigt mit dem Druck, unter welchem das Äthylen steht. Ebenso verhält es sich bei anderen Kohlenwasserstoffen.

Die Möglichkeit, die Stromstärke für eine gegebene Leistung herabzusetzen, erlaubt es, die Leistung, mit welcher diese Lampen betrieben werden dürfen, zu steigern. Man weiß nämlich, daß man bei einer Quarzlampe in der Steigerung des Stromes durch die schwachen Querschnitte der meist benutzten Stromzuführungen aus Molybdänstreifen begrenzt ist. Für den Spitzenwert des praktisch für die Stromzuführungen zulässigen Stromes kann man so durch den Gebrauch von organischen Verbindungen, insbesondere von Äthylen, die Leistung sehr stark steigern.

Diese Wirkung ist besonders vorteilhaft bei Lampen, welche impulsförmig gespeist werden sollen, um sofortige hohe Lichtleistungen abzugeben. Solche Lampen lassen sich zur Erregung von Lasern benützen, weil sie eine hohe Lichtausbeute und gesteigerte Lichtkraft haben, welche bei der Strahlung bestimmter starker Fraunhoferscher Linien metallischer Dämpfe austritt, beispielsweise bei der Wellenlänge des Thalliums von 535 mm, weiche im Bereich der Erregung von Rubinlasern liegt.
Dagegen kann es in anderen Fällen vorteilhaft sein, der Entladungslampe diejenigen elektrischen Kenndaten zu erhalten, welche sie hätte, wenn man nicht Äthylen oder eine andere organische Verbindung eingeführt hätte.
Dies kann verwirklicht werden durch eine Abwandlung des oben angegebenen Verfahrens, bei der man nach Einführung des Quecksilbers, der anderen Metalle in gebundenem oder ungebundenem Zustand, der organischen Verbindungen und der Edelgasatmosphäre die Gesamtheit dieser Substanzen einer elektrischen Entladung unterwirft, welche alle Stoffe kondensiert, die dazu geeignet sind, sich zu bilden. Man schreitet dann zur Evakuierung der überschüssigen gasförmigen Restsubstanzen und zur endgültigen Füllung mit Edelgas.

F i g. 2 zeigt schematisch und als nicht einschränkendes Beispiel eine Vorrichtung zur Durchführung dieses abgeänderten Verfahrens.

Die dargestellte Lampe, welche weitgehend derjenigen der F i g. 1 entspricht, besitzt zwei Elektroden 4 und 6, welche von den Stromzuführungen gehalten werden, die in den Sockeln der Lampe eingeschmolzen sind. Ihr Ansatz 20 ist nicht abgeschlossen, sondern mit einer Vakuumleitung 21 verbunden. Man hat in der Lampe, welche in der Vorrichtung befestigt ist, eine verlängerte elektrische Entladung stattfinden lassen, welche dann Quecksilber 16, Jodide 22, Argon und eine organische Verbindung, z. B. Äthylen, enthielt. Die Entladung hat sich zuerst vor allem in dem Gemisch von Argon und der organischen Verbindung vollzogen; entsprechend

■*"> der Erhitzung erschienen dann nacheinander die charakteristischen Strahlungen von Quecksilber und den eingeführten Metallhalogenide^

Eine Kühlfalle 24 wurde um den Anschluß 20 nahe dessen Ansatzstelle an der Lampe angeordnet, um die

ίο unter der Wirkung der Entladung verdampften Bestandteile zu kondensieren; es genügte, den Anschluß auf etwa — 10⁰C abzukühlen. Nach einer in ihrer Größe noch später anzugebenden Zeit unterbricht man die Entladung, läßt die Lampe bis zur vollständigen Kondensation der verflüchtigten Bestandteile abkühlen oder pumpt die Gasatmosphäre aus der Lampe und entfernt so den Rückstand des gasförmigen organischen Bestandteiles und füllt die Lampe von neuem mit Argon unter dem üblichen Druck von etwa 2666 Pa. Man

'■'■< schmilzt dann vorläufig den Abschluß an der Stelle 26 zwischen der Kühlfalle und der Ansatzstelle 28 an der Vakuumleitung 21 ab.

Nachdem man die Gesamtheit von Kühlfalle und Lampe von dieser Leitung abgetrennt hat, gibt man in

·· · die Lampe 2 diejenigen Stoffe zurück, welche sich in der Kühlfalle kondensieren, indem man sie erwärmt. Darauf verschließt man den Ansatz und trennt ihn an der Stelle 30 in der Nähe der eigentlichen Entladungsröhre ab. Die

derart aufgebaute Lampe wird in üblicher Weise in eine Hülle eingebaut, um sie vor Wärmeverlusten zu schützen.

Die Stromstärke zur Durchführung der Entladung vor dem Verschließen liegt in der Größenordnung von 500 mA und ihre Dauer in der Größenordnung von einer Minute, wobei die Röhre die Abmessungen und die Füllung des vorstehenden Beispieles sowie 17 mm Innendurchmesser hat

Wenn man die derart behandelte Röhre nach dem Abschmelzen einer Entladung mit der Leistung von 400 W unterwirft, stellt man nicht mehr, wie in diesem Beispiel, eine hohe Entladespannung in der Größenordnung von 400 V fest, sondern man erhält während des Betriebes der Lampe eine Spannung und einen Strom, !5 welche annähernd denjenigen Werten einer Lampe entsprechen, in die man keine organische Verbindung eingeführt hätte, d. h, eine Spannung in der Größenordnung von 135 V. Die Wirkung der Einheitlichkeit der Leuchtkraft, die Spektralverteilung und der Fortfall von Halogenidablagerungen während des Betriebes der Lampe bleiben dabei aber bestehen. Weiterhin ist festzustellen, daß bei Inbetriebnahme der Lampe sofort ein Bandenspektrum erscheint, welchem sich schnell die Spektren des Quecksilbers und darauf der Halogenidmetalle überlagern, während das Bandenspektrum erlischt

Es ist möglich aber nicht sicher, daß diese Erscheinungen auf die Bildung von Organometallverbindungen zurückzuführen sind. So stellt man bei dieser Lampe, welche evakuiert wurde, nachdem man darin Entladungsvorgänge ablaufen ließ, welche aber lediglich Quecksilber, Natriumiodid und Gas enthielt, fest, daß bei Inbetriebnahme dieser Lampe durch einen Strom von 500 mA, nachdem sie verschlossen wurde, man fast allein das Spektrum von Quecksilber erhält Wenn man sie daraufhin mit einem Strom der Größenordnung von 3 Ampere arbeiten läßt, erhält man nach dem Spektrum des Quecksilbers sehr schnell das Natriumspektrum über die ganze Bogenlänge, während zur gleichen Zeit das Quecksilberspektrum an Stärke abnimmt Wenn man daraufhin von neuem die Lampe mit 500 mA in Betrieb nimmt nachdem sie gelöscht und wieder abgekühlt wurde, erhält man in Umkehrung zur ersten Funktionsweise fast ausschließlich das Natriumspektrum. In der ersten Phase mit 50OmA hat sich wahrscheinlich eine Organometallverbindung von Quecksilber gebildet, während die Entladung von 3 Ampere metallorganische Natriumverbindungen von höherem Dampfdruck als der des Quecksilbers entstehen ließ.

Die Behandlung durch die Entladung vor der Evakuierung der Restgase sollte zeitlich begrenzt werden, um zu vermeiden, daß sich auf den Wandungen der Lampe Kohlenstoffbestandteile bilden. Diese Dauer beträgt etwa 1 Minute. Man kann diese Dauer weniger kritisch machen und diese Kohlenstoffablagerungen vermeiden, wenn man für diese Behandlung außer den aufgeführten Bestandteilen eine stark wasserstoffhaltige Atmosphäre, beispielsweise durch Einführung von Wasserstoff bei einem derartigen Partialdruck benutzt, welcher wenigstens in der Größenordnung der eingeführten organischen Verbindung liegt, wenn diese Doppelbindung enthält Der Partialdruck dieses Wasserstoffes liegt vorzugsweise zwischen 13 und 6665 Pa. Es ist möglich, daß auf diese Weise der sich bei dem Zerfall des Kohlenwasserstoffes bildende Kohlenstoff mit der Wasserstoff unter Bildung flüchtiger organischer Verbindungen verbindet, weiche dann evakuiert werden.

Man kann auch den Wasserstoff durch eine an Wasserstoff reiche Verbindung, beispielsweise durch einen gesättigten Kohlenwasserstoff, wie Methan, Äthan usw., ersetzen.

Als Kohlenwasserstoffe wurde in der Beschreibung der Gebrauch von Äthylen genannt In der Tat können die gleichen Ergebnisse mit anderen Kohlenwasserstoffen, besonders mit solchen erzielt werden, welche eine oder mehrere doppelte oder dreifache Bindungen enthalten, wie. Vinyl- und Acetylenkohlenwasserstoffe; zum Beispiel hat sich Acetylen als sehr wirksam erwiesen. Die zusätzlichen Bindungen begünstigen die Reaktionen.

Die Anwendung des Verfahrens der Erfindung ist besonders interessant für Entladungslampen, deren Atmosphäre Metalle enthält, deren Halogenide einen niedrigen Dampfdruck besitzen, wie die Alkalimetalle, die seltenen Erden, Scandium und Thorium.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

10 1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Hochdruckentladungslampe, welche mit einem kontinuierlichen, unveränderlichen Lichtbogen arbeitet und deren ionisierbare Atmosphäre ein Edelgas, Quecksilber und mindestens ein anderes Metall oder eine anorganische Verbindung eines anderen Metalles enthält, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Verfahrensschritt eine sauerstoffreie, organische Verbindung in die Lampe eingeführt wird, welche während des Betriebes der Lampe bei mindestens 500⁰C mit dem Metall oder der anorganischen Verbindung metallorganische Verbindungen erzeugt, deren gesättigte Dampfdrücke höher sind als jene des Metalles oder der anorganischen Verbindung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung ein Kohlenwasserstoff ist, welcher unter einem absoluten Druck von 13 bis 1333 Pa eingeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff aus Äthylen oder Acetylen besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die organische Verbindung ein aliphatisches Kohlenstoffhalogenid ist, das unter einem Druck von 13 bis 6665 Pa eingeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man außer der organischen Verbindung Wasserstoff unter einem absoluten Druck von 13 bis 6665 Pa einführt