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"Quecksilberdampfentladungslampe mit einem Leuchtstoff".
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Die Erfindung bezieht sich auf eine @uecksilberdampfentladungslampe
mit einem auf einem Träger angebrachten Leuchtstoff, der durch Ultraviolettstrahlung
angeregt werden kann. Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen solchen Leuchtstoff.
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Bei vielen photochemischen Dokumentenreproduktionssystemen wird eine
Kopie eines Dokuments dadurch hergestellt, dass das Original bestrahlt und die reflektierte
oder durchgelassene Strahlung auf einem fAr die betreifende Strahlung empfindlichen
Papier aufgefangen wird, das Stoffe enthält, die durch die Strahlung zersetzt werden
können, wodurch, gegebenenfalls nach einer weiteren Behandlung, z.B. einem Fixiervorgang,
eine Reproduktion der Vorlage entsteht.
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Für eine zweckmssige Benutzung der Reproduktionspapiere ist selbstverständlich
ine Strahlungsquelle gewünscht, die eine starke
Strahlung bei den
Wellenlängen aussendet, für die das Papier am empfindlichsten ist.
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An die zu verwendenden Reproduktionspapiere wird meistens die Anforderung
gestellt, dass die strahlungsempfindlichen Stoffe durch normales Tageslicht möglichst
wenig umgewandelt werden. Dies erleichtert selbst verständlich das Arbeiten mit
diesen Papieren und stellt auch wenig Anforderungen an ihre Aufbewahrung. Da das
normale Tageslicht verhältnismässig wenig Ultraviolettstrahlung enthält, besteht
augenscheinlich die beste Kombination aus einem Papier, das eine Höchstempfindlichkeit
für Strahlung mit einer Wellenlänge unter 400 nm hat, und einer Strahlungsquelle,
die eine starke Ultraviolettstrahlung aussendet.
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Wie bereits erwhnt, muss das zu kopierende Original die Strahlung
entweder durchlassen oder reflektieren. Es hat sich herausgestellt dass viele Dokumente
aus einem Papier hergestellt sind, das Ultraviolettstrahlung verhältnismässig schlecht
durchlässt und/oder reflektiert. Deshalb muss in Anbetracht der widersprechenden
Anforderungen an Dokumentreproduktionamaschinen ein Kompromiss eingegangen werden;
man benutzt deshalbvorzugsweise lichtempfindliche Papiere, deren Höchstempfindlichkei-t
zwischen 380 und 440 nm liegt, und eine Strahlungsquelle mit einem Höchstwert der
ausgesendeten Strahlung zwischen diesen beiden Werten.
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Im allgemeinen werden als Strahlungsquellen fur Dokumentreproduktionsmaschinen
Niederdruck- oder Hochdruckquecksilberdampfentladungs.
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lampen mit einer auf einem Träger angebrachten Leuchtschicht verwendet,
die einen grossen Teil der in der Quecksilberdampfentladung erzeugten Ultraviolettstrahlung
in Strahlung mit längerer Wellenlänge umwandelt. Bei dieser Umwandlung muss somit,
wie vorstehend erörtert, vorzugsweise der Höchstwert der ausgesendeten Strahlungsenergie
im Wellenlängenbereich zwischen 380 und
440 nm liegen. Dies ist
z. B. der Fall beim vielbenutzten Stoff Kalziumwolframat. Der Wirkungsgrad der Umwandlung
der Ultraviolettstrahlung der Quecksilberdampfentladung in die Strahlung mit einer
Wellenlänge zwischen 380 und 440 nm ist fur diesen Stoff jedoch verhältnismässig
gering, weil das Emissionsspektrum sehr breit ist und somit viel Strahlungsenergie
bei Wellenlängen ausserhalb dieses Bereiches emittiert wird. Ausserdem ist das Absorptionsspektrum
der meisten lichtempfindlichen Papiere erheblich schmaler als dieser Bereiche Aus
diesen beiden Gründen wird nur ein verhältnismässig geringer Teil der gesamten vom
Kalziumwolframat ausgesendeten Strahlungsenergie für das empfindliche Papier ausgenutzt.
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Ein anderer sehr viel verwendeter Leuchtstoff ist ein mit Blei aktiviertes
Silikat von Strontium, Barium und Magnesium. Das Emissionsspektrum dieses Stoffes
bei Anregung durch die Ultraviolettstrahlung einer Quecksilberdampfentladung ist
nicht sehr breit und somit besser geeignet zur Anpassung an das Absorptionsspektrum
eines strahlungsempfindlichen Papiers; die maximale Emission dieses Stoffes liegt
jedoch bei 355 nm und ist deshalb weniger dazu geeignet, vom Papier der meisten
Dokumente durchgelassen oder reflektiert zu werden. Dass der Stoff dennoch viel
benutzt wird, ist au1 das schmale Emissionsband und die starke Strahlung zurüokzuführen.
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Eine Quecksilberdampfentladungslampe gemäss der Erfindung enthält
einen auf einem Träger angebrachten Leuchtstoff und ist dadurch gekennzeichnet,
dass dieser Leuchtstoff ein mit zweiwertigem Europium aktiviertes Erdalkalialuminat
ist mit der Zusammensetzungt BaxSryCazEupAl12O19 wobei 1 + y + z + p - 1 und 0.001
# p # 0,1 Ein Leuchtstoff, der durch die vorstehende Formel dargestellt wird, lässt
sich
gut durch Ultraviolettstrahlung, die von einer Niederdruck- oder Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe
ausgesendet wird, anregen und weist dabei ein Emissionsspektrum auf, in dem der
gr6ssere Teil der Lumineszenzenergie zwischen 380 und 440 nn abgestrahlt wird, Da
auch der Umwandlungswirkungsgrad sehr hoch ist und zwar erheblich hoher als der
des <alziumwnlframats und etwa gleich der des erwähnten Silikats, ist eine erfindungsgenässe
Lampe besser geeignet zur Anwendung in Dokumentreproduktionsgeräten in Verbindung
mit verfügbaren Strahlungsempfindlichen Papierarten mit einer maximalen Absorption
in diesem Bereich, da nunmehr sämtliche vorstehend erwähnten Anforderungen gleichzeitig
erfüllt werden. Ausserdem hat es sich herausgestellt, dass einige erfindungsgemässe
Stoffe eine gute Temperaturabhängigkeit haben, d.h. dass ihr Umwandlungswir'rungsgrad
bei'zunehmender Temperatur nur wenig abnimmt.
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Die Aluminate nur eines Erdalkalimetalls werden erhalten, wenn in
der vorstehenden Formel zwei der drei Parameter x, y und z gleich Null gesetzt werden.
Die Eigenschaften dieser einfachen Aluminate unterscheiden sich etwas voneinander,
insbesondere hinsichtlich der Lage der maximalen Emission im Spektrum. Das Bariumaluminat,
da1-p Eup Al12 O19' hat den höchsten Umwandlungswirkungsgrad, die beste Temperaturabhängigkeit
und eine maximale Emission bei der längsten Wellenlänge, nämlich bei 435 nm.
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Ohne nennenswerte Beeinflussung der ersten zwei Eigenschaften kann
durch einen teilweisen Ersatz des Bariums durch Strontium und/oder Kalzium die maximale
Emission zur kurzeren Wellenlänge hin verschoben werden. Vorzugsweise wählt man
jedoch in der Formel x nicht kleiner als 0,7.
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Während die Strontium- und Kalziumaluminate im wesentlichen durch
die 254 nm-Strahlung einer Quecksilberdampfentladungslampe angeregt werden, hat
es sich herausgestellt, dass Bariumaluminat auch durch 365 nm-
Strahlung
gut angeregt wird. In Verbindung mit der guten Temperaturabhängigkeit macht dies
das Bariumaluminat ?znd die Aluminate mit verhältnismässig hohem Bariumgehalt (x
# 0,7) Sehr geeignet zur Verwendung bei Hochdruck quecksi lberdampfentladungslamp
en.
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Die Menge an zweiwortigem Europium kann zwischen den vorstehend angegebenen
Grenzen variiert werden, wird jedoch vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,05 gewählt.
In diesem Bereich wird nämlich höchste Strahlungswirkungsgrad gefunden, wie nachstehend
nachgewiesen wirt.
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Ausser den bereits erwähnten Vorteilen der erfindungsgemässen Leuchtstoffe
sei noch erwähnt, dass die Stoffe sehr wenig empfindlich gegen Oxydation sind. Dies
ist sehr wichtig bei der Herstellung der Quecksilberdampfentladungslampen, weil
diese während der Fertigung häufig kurzzeitig einer Erhitzung in lauft auf einer
verhältnismässig hohen Temperatur, z.b. 600° C, ausgesetzt werden. Eine derartige
Erhitzung ist z.B. notwendig, wenn ein organisches Bindemittel benutzt wird, das
nachher durch Erhitzung entfernt werden muss.
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Ein besonderer Vorteil eines Leuchtstoffs gemäss der Erfindung ist
ferner, dass in den Quecksilberdampfentladungslampen gemäss der Erfindung erfolgreich
eine Lichtreflexionsschicht aus Titandioxyd verwendet werden kann. Die Verwendung
einer derartigen Schicht in z.B. Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen ist
bekannt. Diese Lichtreflexionsschicht, die zwischen dem Träger des Leuchtstoffs
und dem Leuchtstoff angebracht wird reflektiert die vom Leuchtstoff emittierte sichtbare
Strahlung sehr stark.
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In dieser Weise lassen sich z.B. Lampen herstellen, bei denen die
sichtbare Strahlung nach einer Seite stark gesteigert ist. Die Anwendung eines derartigen
Prinzips wäre auch sehr erwünscht bei Lampen Pur Dokumentreproduktionsgeräten. Werden
jedoch Leuchtetoffe benutzt, bei denen die emittierte
Strahlungsenergie
zü einem erheblichen Teil im ultravioletten Tell des Spektrums liegt, z.B. die beiden
vorerwähnten bekannten Stoffe und insbesondere das Silikat von Barium, Strontium
und Magnesium, so hat die Verwendung einer Titandioxydreflektorschicht wenig Sinn,
weil die Reflexion des Titandioxydes für Ultraviolettstrahlung gering ist. Dies
gilt insbesondere für die Rutilmodifikation des Titandioxydes; diese reflektiert
eine Strahlung mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 400 nm nahezu nicht. Die
Reflexion der Anatasmodifikation erstreckt sich etwas weiter, nämlich bis zu einer
Wellenlänge von etwa 380 nm.
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In einer erfindungsgemässen Quecksilberdampfentladungslampe aber
kann zweckmässig eine reflektierende Titandioxydschicht Verwendung finden, insbesondere
eine Schicht aus Titandioxyd der Anatwsmodifikations weil die Strahlung des Leuchtstoffes
wenigstens grösstenteils noch in den Reflexionsbereich des Titandioxydes fällt.
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Die Erfindung wird nachstehenlan Hand zweier Tabellen, eines Herstellungsbeispieles
und einer Zeichnung näher erläutert.
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TABEIJ@B I.
| I II III IV,V |
| sispiel Formel Nummer der Zusammensetzung Quanten- Reflex-
Rela Welle@ |
| länge |
| Kurve der Spek- des Brenngemi- wirkungs- ions- tive # des |
| tralverteilung sches in g. grad q faktor Licht Maxd- |
| in Figur 2. (%) r (%) aus mums |
| beute des |
| onsba@ |
| des nm |
| A Ba0,97EuC,C3Al12O19 1 BaCO3 0.641 55 55 25 435 |
| Eu2O3 0,018 |
| Al(OH)3 3,119 |
| B Sr0,98Eu0,02Al12019 2 SrCO3 0,480 40 45 22 395 |
| Eu2O3 0,012 |
| Al(OH)3 3.119 |
| C Ca0,98Eu0,02Al12019 3 CaCO3 0,327 40 50 20 412 |
| Eu2O3 0,12 |
| Al(OH)3 3,119 |
| D Ba0,785Sr0,195Eu0,02 4 BaCO3 0,518 55 60 22 430 |
| Al12019 SrCO3 0,096 |
| En203 0,012 |
| Al(OH)3 3,119 |
| E Ba0,785Ca0,195Eu0,02 5 BaCO3 0,518 55 60 22 430 |
| Al12019 CaCO3 0,066 |
| En2O3 0,012 |
| Al(OH)3 3,119 |
| F Ba0,49Sr0,49Eu0,02 6 BaCO3 0,323 35 55 16 418 |
| Al12019 BrCO3 0,240 |
| Eu2O3 0,012 |
| Al(OH)3 3,119 |
| G Ba0,49Ca0,49Eu0,02 7 BaCO3 0,323 35 55 16 420 |
| Al12019 CaCO3 0.163 |
| Eu2O3 0,012 |
| Al(OH)3 3.119 |
| H Ba0,327Sr0,327Ca0,326 8 BaCO3 0,216 35 55 16 410 |
| Eu0,02 Al12019 SrCO3 0.160 |
| CaCO3 0.109 |
| Eu2O3 0,12 |
| Al(OH)3 3.119 |
| 909825/1101 |
Herstellungsbeispiel.
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Aus den in Spalte IV der Tabelle I angegebenen Stoffen in den in
Spalte V angegebenen Mengen wird ein Gemisch hergestellt. Dieses Gemisch wird während
2 Stunden auf 1100 - 12500 C erhitzt. Nach Abkühlung des erhaltenen Brennprodukts
wird dieses gemahlen und dann während 2 Stunden auf 1300 - 15000 C erhitzt. Die
Erhitzung erfolgt beide Nale in einem Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff. Das
Verhältnis Stickstoff/Wasserstof ist dabei nicht kritisch; ein Verhältnis von 20
t 1 hat sich z.B. als sehr gur brauchbar erwiesen. Der Wasserstoff dient zur Reduktion
des dreiwertigen Europiums zu zweiwertigem Europium. Nachdem das erhaltene Reaktionsprodukt
nach der zweiten Erhitzung abgekühlt ist, wird es gemahlen und erforder lichenfalls
gesiebt. Es ist dann verwendungsBähig.
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Spalte IV der Tabelle I zeigt den Quantenwirkungsgrad q in Prozenten.
Die aufgefhhrten Prozentsätze geben den Virkunsgrad der Umwandlung der absorbierten
anregenden Wanten an. Um ein Mass für die Lichtausbeute der Leuchtstoffe'zu erhalten,
muss der Quantenwirkungsgrad mit dem Absorptionsfaktor multipliziert werden. Der
Absorptionsfaktor wird gleich 100 - r gesetzt, wobei r den Reflexionsfaktor (in
Prozenten) darstellt.
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Der Reflexionsfaktor ist als ein Prozentsatz in der Spalte VII angegeben.
Die relative Lichtausbeute (r.L.) der Leuchtstoffe, wie sie in der Spalte VIII aufgeführt
ist, ergibt sich aus der Gleichung: 100 - r 100 In der Spalte IX ist die Wellenlänge
des s;aximums des Bnissionsbandes Er die unterschiedlichen Stoffe in nm angegeben
In der Spalte III wird auf die Kurven der Figur 2 der Zeichnung hingewiesen, Alle
Messungen wurden bei Anregung mit Strahlung mit einer
Wellenlänge
von 254 nm vorgenommen.
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TABELLE II.
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Eu-Gehalt p: q in % ; r in %; r.L.
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0,001 25 89 3 0,005 45 79 9 0,02 60 65 21 0,03 55 55 25 0,05 40 45
22 0,10 17 20 14 In der Tabelle II ist für die Verbindung mit der Formel Ba1-p Eup
Al12 O19 die Abhängigkeit des Quantenwirkungsgrades, der Reflexion und der relativen
Lichtausbeute vom Europiumgehalt dargestellt (sämtliche Messungen wurden bei Anregung
mit einer Strahlung mit einer Wellenlänge von 254 nm durchgeführt@. Es zeigt sich,
dass mit zunehmendem Europiumgehalt der Quantenwirkungsgrad zunächst zunimmt und
dann abnimmt. i3ei zunehmendem p wird die Reflexion kleiner und somit die Absorption
grösser. Bei Werten für p von weniger als 0,001 sind der Quantenwirkungsgrad un
die Absorption so gering, dass die Stoffe nicht mehr praktisch brauchbar sind. Stoffe
mit der höchsten relativen Lichtausbeute haben Werte von p zwischen 0,01 und 0,05.
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Die Spektralvferteilung der emittierten Strahlung ist nahezu unabhängig
vom Europiumgehalt.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch eine Niederdruokquecksilberdampfentladungslampe
gemäss der Erfindung, Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strahlungsintensität
der Stoffe A bis H der Tabelle I sowie zweier bekannter Stoffe in Abhängigkeit von
der Wellenlänge.
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Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Strahlungsintensität
der Stoffe A bis G mit der lemperatur.
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In Fig. 1 ist 1 die Wand einer Niederdruckquecksilberdamfentladungslampe.
An den Enden der Lampe befinden sich Elektroden 2 und 3, zwischen denen sich im
getrieb der Lampe die Entladung ergibt. Die Wand 1, die z.D. aus Glas besteht, ist
innen mit einer Leuchtschicht 4 überzogen, die einen Leuchtstoff gemäss der Erfindung
enthält. Der Leuchtstoff ist auf eine der üblichen Weisen auf der Wand 1 angeoracht.
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In der graphischen Darstellung der Figur 2 stellt die gestrichen
te Kurve 9 die Spektralenergieverteilung des bekannten mit Blei aktivierten Silikats
von barium, Strontium und Magnesium und die gestriohelte kurve 10 die des bekannten
Kalziumwolframats dar. Diese Kurven dienen zum Vergleich sowohl für die Spektralverteilung
als auch ftir die intensität der Lumineszenzstrahlung. Die maximale Intensität der
Kurve 9 ist dabei gleich 100 gesetzt. Die Kurven 1 bis 8 beziehen sich auf die Stoffe
A bis ii der tabelle I. Wie deutlich aus der Figur hervorgeht, haben Leuchtstoffe
die in erfindungsgemässen Lampen benutzt werden, im Vergleich zum bekannten Silikat
eine viel günstigere Lage der maximalen Emission im spektrum, während sie im Vergleich
mit dem bekannten Wolframat viel höhere Scheiteiwerte und einen schmaleren Emissionsbereich
aufweisen, In der graphischen Darstellung der Figur 3 stellen die Kurven 1 bis 7
die Temperaturabhängigkeit der Strahlungsintensität für die Stoffe A bis G der Tabelle
1 dar, Als Abszisse ist die Temperatur in oC aufgetragen. Die maximale Intensität
ist für jede Kurve gleich 100 gesetzt. Aus der Figur geht hervor, dass das Bariumaluminat-und
die Aluminate mit verhältnismässig viel Barium eine sehr gute Temperaturabhängigkeit
haben und bei etwa 2500 C noch eine Intensität der Lumineszenzstrahlung gleich der
Hälfte
des Höchstwertes aufweisen. Zum Vergleich diene, dass die Intensität des bekannten
Kalziumwolframats bereits bei 75° C auf die Hälfte des Wertes bei Zimmertemperatur
abgefallen ist.