DE1941519A1 - Dampfgefuellte Bogenlampe - Google Patents

Description

"Dampfgefüllte Bogenlampe"; , (Zusatz zu Patentanmeldung P 16 39 110,9)

Die Erfindung betrifft dampfgefüllte Bogenlampen,, bei denen die Lichtaussendung hauptsächlich durch Batriumatoiae er« folgt und bei denen das Liehtbogenröhrchen aus Alund-ELiurnoxyd oder einem ähnlichen keramischen Werkstoff besteht. Insbesondere befasst sich dieErfindung mit der Verhinderung der Aufzehrung von Natrium, d.h., mit dem Problem der Verringerung Ton liatriumverlusten innerhalb des Lichtbogenröhrchens während der Lebensdauer der Lampe,

Jn. 'ler Hauptanmeldung sind dampf gefüllte Bogenlampen, besohrie« T>, , die eine aus sere ßlashülle aufweisen, innerhalb der ein aus; polykristallinen! Aluminiunioxyd hoher Dichte bestehendes

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rRvSüfö BipL-Ing. Martia Lieht, Dip! A C^SN 2, THtKtIINITiIAS

Ηαη$Ηΐαηη, ©Ipl.-Phyi. Sebastian Herrmairrt · fefsfoissSSISOi · ΤβΙ·βΓβ[βπι·Α4η9ί·> ttpotll/MOnshen

Ά"Λ ' Psis*sdi9tMisr.Soi Mönchsn Nr. 143J 97

MTfNTANWALT-OFRrSi(NHOU)SCHMtDT

Röhrchen für den-lichtbogen angeordnet ist. Der grundlegende Aufbau dieser nachstellend als Schmidt-Lampen "bezeichneten Bogenlampen ist in der USA-Patentschrift 3 24-8 590 beschrieben. Das Lichtbogenröhrchen enthält neben einem Inertgas₃ wie Xenon, Natrium "und Quecksilber in solchen EIengen, dass beim Betrieb der Lampe noch überschüssiges unverdampftes Natrium und Quecksilber vorliegt» Der Natriumpartialdruck innerhalb des Lichtbogenröhrehens einer solchen Lampe liegt gewöhnlich im Bereich von ungefähr 30 - 1000 Torr»

Die Erfindung betrifft eine Bogenlampentype_f die nachstehend als Helling-Lampe" bezeichnet wird, bei der die Strahlung hauptsächlich·von Natrimnatomen geliefert und in das aus Aluminiunioxyd oder einem ähnlichen polykristallinen keramischen Werkstoff hoher Dichte bestehende Bog^renrönrehen Natrium" in Porm eines Halogenide zusammen mit Quecksilber sowie gegebenenfalls eines anderen Metallhaiogenids eingeführt wird. Der grundlegende Aufbau einer Helling—Lampe ist in der USA-Patentschrift 3 234 421 beschrieben,, Beim Betrieb einer solchen Lampe wird das Natriumhalogenid durch thermische Energie dissoziiert, die in einem zunächst geaündeten Quecksilberlichtbogen freigesetzt wird.« Die Natriumatome werden auf angeregte Zustände gebracht und senden dann sichtbares Licht aus. Die Lampe enthält auch andere Metallhalogenide, Die von den Metallen der verschiedenen Halogenide, einschliess-Iioh. von Natrium ausgesandte Gesamtstrahlung ist ein angenehmes Weiss hoher Intensität« In solchen Lampen ist Natrium innerhalb des Strahlungsbereiches des Lichtbogenröhrcliens (in der Nähe der Bogenhülle) mit eineoi Partialdruck von ungefähr 10*"·* - 200 Torr vorhanden,

Die Erfindung befasst sioh weiterhin mit einer -Lampentype ₉. die nachstehend als Hanneraan-Lampe beseiolinet wird_e die ein ähnliches Lichtbogenröhrehen aufweist_s das

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Startgas wie Xenon. ITa"trium und zusätzlich nocli mindestens zwei andere Ketalle der Thallium, Cadmium, und Quecksilber enthaltenden Gruppe enthält. Alle Metalle werden in solchen !!engen zugeführt, dass "beim Betrieb der Lampe von jedem I.Ietall ein unvei^dacipfter Anteil "vorhanden ist«, Die Metalle ergeben eine Gesamtem!ssion in Form, eines weissen Lichtes hoher Intensität_o Beim Betrieb beträgt der Hatriumdarapfdruck innerhalb des Liclitb ogenröhr chens ungefähr 0,75 - 460 Torr.

Bei der üitwickluiig von 3ogenlam.pfen des Schmidt-Typs hat sich frühzeitig herausgestellt, dass nach längerem Gebrauch der Spannungsabfall an der Lampe zunimmt und der Rotanteil in der ausgesandten Strahlung abnimmt, d.h., dass das Licht mehr purpur wira_o Die letztgenannte Erscheinung wird allgemein als iömahme des Rotfaktors bezeichnete Gleichzeitig nimmt der Quecksilberdampf druck zu. I^alls daher ohne Rücksicht auf die EarbverSchiebung des ausgesandten Lichtes die Lampe: weiterbe trieb en wird, würde aufgrund des ansteigenden Quecksilberdampfdruckes der Spannungsabfall an der Lampe auf einen Wert ansteigen, bei dem die Lampe erlischt.

L's hat sich herausgestellt, dass diese Erscheinungen darauf zurückzuführen sind, dass Natrium aufgezehrt wird, dessen Partialdampfdruck ursprünglich ungefähr 30 - 1000 Torr beträgt, raid, der ITatriumanteil in dem überschüssigen schmelzflüssigen Eetallgemisch absinkt, das während des Betriebs

dio der. Lampe im Reservoir vorhanden ist. Llan könnte nun/Efatrium.-aufzelirrate durch Yerringerung der Reservoirtemperatur herabsetzen.» Dadurch wurde jedoch sowohl die Leistungsfähigkeit der Lampe als auch der Rotfaktor absinken, so dass eine Yerringerung der Reservoirtemperatur bestenfalls ein Kompromiss ist. Zur praktischen Lösung dieses Problems wird bei den handelsüblichen Lampen bei vorgegebener Zusammensetzung die LaGpenfüllun{; auf einen Wert erhöht, dei* gewährleistet, dass

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während der erwünschten Lebensdauer der Laape die Veränderung der; vorgegebenen Zusammensetzung trot: innerhalb annelirab ar er Gr ens en bleibt.

der; vorgegebenen Zusammensetzung trots vorkommender "Verluste

Älinli ehe Probleme bestellen auch bei der Helling-Lampe, -wenn" ." ein keramisches Lichthogenröhrchen aus Aluainiumozyd verwendet wird ₀ Da jedoch die Temperatur en der Hillwand aufgrund des vorhandenen Halogenids niedriger,sind, kann bei der Seiling-Lampe auch ein Lichtbogenrö'hrclien aus geschmolzenem SiliciumdiosjrcL verwendet werden „

Die Banneman-Lampe erfordert wiederum .eine besonders ausge-YiTOgene lüllung, damit die Leistungsfähigkeit" und die spektrale .Emission sich nicht verschlechtern. ■

Der Erfindung liegt die Aufgabe .zugrunde,, bei dampf ge füllten Bogenlampen, in denen ITatrium den Hauptanteil der Emission liefert, die Aufzehrung-von Natrium dadurch zu verhindern, indem man dafür sorgt, "dass die für die Aufzehrung von ifatrium . verantwortliche Reaktion nicht stattfindet, jj&lls dies gelingt, erhält man eine Lampe, deren Betriebsverhalten während der. Lebensdauer viel gleichmässiger ist und bei der eine geringere iUllmenge für das Reservoir erforderlich ist»

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die primäre Ursache für Natriumverluste bei Bogenlampen, deren Lichtbogenröhrchen aus keramischem Aluminiumoxyd besieht und die einen merklichen Natriumpartialdruck aufweisen, die Heaktion von Natrium mit Aluminiumoxyd unter Bildung-von Natriumaluminat ist. Die beim Betrieb vorhandenen Natriumpar-fcialdrüoke liegen bei der Helling-Lampe im Bereich von 10" - 200 !Dorr und bei der Bann email-Lampe im Bereich voll 1,0 ~ 460 Torr. Diese Na-triumpartialdruekbereiche werden bei den obigen Lampeütypen:' _:: bei einer ICaItpunkttemperatür von ungefähr 600 —> 120Q^QC er- -'_", reicht „ Als Kai tpuiikt temp era tür wird die lemperatur im käl-

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■ testen JBereioIi des Lichtbogenröhrchens bezeichnet. Wird die Umsetzung von Natrium mit Alumlniumoxyd nicht aufgehalten,, dann bewirkt diese Umsetzung eine Verringerung der Batriumkonzentration im Reservoir, wobei sich die oben angeführten. Polgen zeigenρ

Srfindungsgemäss kann man die Aufzehrung des ITatriums dadurch ausschalten, indem man ein reaktionsfähiges Metall oder eine Legierung oder eine Verbindung eines solchen Metalls innerhalb des Bogenröhrchens oder in Verbindung damit unter Bedingungen vorsieht,' bei denen die folgende Gesamtreaktion

—> ITa + By>_{Q 5} + 1/2 Al₂O₃

eine negative freie Energie aufrechterhält und bei denen die Reaktionsgeschwindigkeit schneller ist als die folgenden möglichen aluminatbildenden Reaktionen

ITa(L, G) + 1/4 O₂(G) + 1/2 Al₂Q₃(S)^ZIiITaAlO₂(S) (2) ITa(L₁G) -f- 2/3 Al₂O₃(S) Jg->NaAlO₂(S) + 1/3 Al(L) (3)

wobei die Buchstaben (G), (L) und (S) den gasförmigen, flüssigen und festen Aggregatszustand bezeichnen,, Sine Reihe von Metallen genügt der obigen Anforderung, jedoch werden Vorzugsweise Yttrium, Oer und. Lutetium verv/endet. Diese IJetalle erzeugen eine schnelle Reaktionsgeschwindigkeit in Richtung der reeliten Seite von Gleichung (t) in einem geeigneten' fernperaturbermch dor Bogenlampe, ohne dass nachteilige Hebeneffekte» wie beispielsweise chemische Reaktionen mit anderen Seßtandteilen der Lampβ_f Verflüchtigungssffekte oder Badio· aktivität auftreten_β Biege Metalle kqnnen zusätzlich

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Fateium-Iialzium-l&gnesium-Aluminate destabilisieren, die sich aus'dem Abdichtglas bilden können, das zwischen dem aus Aluminiumoxid "bestellenden Bogeiiröhrchen und den aus Iliob best eilenden Abschlusskappen für das Bögenröhrchen vorgesehen

Nach einer "bevorzugten Ausführungsform, der Erfindung wird Yttrium so innerhalb der Lampe angeordnet,, dass es chemisch an der Reaktion nach Gleichung (1) teilnimmt, obwohl es physikalisch vom Innenraum des Bogenröhrchens getrennt-ist» Man"erreicht dies dadurch, indem Yttrium in ein lliobrohr eingekapselt wird, das an eine der aus niob bestehenden Abschluss kapp en des Melitbogenröhrchens angeschweisst wird» Das Niob wirkt als semipermeable Membranj durch die der Sauerstoff schnell zu dem Yttrium gelangen und mit diesem reagieren kann, Natrium kann jedoch durch das ITiob nicht entweichen. Halls man daher Bedingungen aufrechterhält, bei denen die Reaktion (t) oder eine äquivalente Reaktion in Richtung der rechten Seite der Seaktioiisgleicliung mit ausreichend schneller Geschwindigkeit fortschreitet, wird die Bildung von Natriiimaluminaten \^rerhindert« Gleichseitig werden aufgrund dieser Anordnung Reaktionen zwischen Yttrium und anderen Bestandteilen des unverdampften Reservoirs (ist gleich unverdampftes !Füllmaterial) verhindert* -

Die Erfindung, wird nun näher anhand der Zeichnungen erläutert, in denen" zeigen ί

fig, 1 eins Seitenansicht einer bevorzugten A einer dampfgefilllten Bogenlaaipe^ von der Seile der lamp enhülle weggelasseii

Pig β 2 in vergrössertem ^&.ßsta"b oine Aiioi^Kit einer geeignet' ten AuafUlirutigsform der oberen AbsölHu niing für das ia M.g* ί äargeateilte I^itl-a

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Pig«, 3 ein Diagramm, in dem die freie Baergie der !Reaktion {1) in Eilogrammkalorien in Abhängigkeit iron der Temperatur für den Sail aufgetragen ist, dass das Reservoir (ist gleich unverdaiapfte Mllung) aus 70 Atomprosent Natrium und 30 Atomprozent Quecksilber besteht und sowohl die Temperatur des Reservoirs als auch die niedrigste Temperatur im Aluminiumoxyd 1000⁰E beträgt, wobei die Eurven A-E jeweils für Zirkonium, Scandium, Magnesium, Yttrium und Ger gelten, und

l?igo 4 ein Diagramm, in dem die freie ihergie der Reaktion (1) in Ellogrammkalorien in Abhängigkeit "von der Temperatur von yttrium und seines entsprechenden 0:xyds aufgetragen ist für (i) reines Satrium. (Eurven ϊ? und I), (ii) Reserro'ir aus 70 Atomprozent Hatrium und 30 Atomprozent Quecksilber (Eurven G und J) und (iii) Heservoir aus 50 Atomprozent Hatrium und 50 Atomprozent Quecksilber (Eurven H und E) | wobei die HeserToirtemperatur 1000°E und die niedrigste Temperatur in Alurainiumosyd 900°E beträgt*

Die in 5¹Ig_n 1 dargestellte Lampe 1 v/eist eine lichtdurchlässige äußsex-e Glasliülle 2 auf, die eine länglich-ovale Form hat. Der Hals 3 der Hülle 2 ist durch einen Euss 4 mit einer Quetschung 5 verschlossen, durch die sich Drahtzuleitungen β und 7 erstrecken, die mit d.er Aussenhülle 8 und dem Hittel·- kontakt 9 einer üblichen Schraubenfassung verbunden sind.

Das Liehtbogenröhrchen 12, das die Mtladungssone umschliesst, bestellt aus gesintertem polykristallin em Aluminiumo^grd hoher Dichte, v/ie es beispielsv/eise in der USA-3?ät ent schrift 026 210 beschrieben ist. Wolframelektroden 16 und 17 sind am unteren und oberen Bide des RÖhrohens 12 durch eine Ab-

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schlusskappe 18 bzw» 19 abgestützt,- die hermetisch gegenüber dem. ilamiiiiuELOsyd abgedichtet ist.' Die Schenkel der ZLektroden 16 und 17 werden von aus Mob "bestellenden, Röhrchen 20, getragen, die sich durch die ebenfalls aus ITiob "bestehenden" Ab schlusskapp en 18, 19 erstrecken und gegenüber diesen her»-, nietisch abgedichtet sind. Jede Elektrode 16 bzv/„ 17 besteht aus einem doppelt gewickelten Wolfraindraht, dessen Zwischenräume mit einem elektronenemittierenden Material ausgefüllt sindο ils elektronenemittierendes Material sind Erdalkalioxyde einsehliesslieh Bariumoxyd geeignet. Das Röhrchen 21 ist bei 21a durchlocht und wird bei der Herstellung zum Auspump en -und zum Einführen eines Inertgases wie Xenon sowie des lichtemittierenden Materials in das Lichtbogenröhrchen verwendete Das untere Bade des Rohrs 21 wird dann durch. Kaltseliweissen bei 2Ib hermetisch abgequetscht, Mllmaterial ist in vergrössertem Maßstab bei 26 in der unteren Abschlusskappe 19 dargestellt_o Überschüssiges Füllmaterial kann sich auch im Rölirchen 21 ansammeln, in-ftem bei Betrieb der Lampe . eine niedrige Temperatur herrschen kann.

Bei der in der Hauptanmelduiig beschriebenen Lampe enthält die Püllung eine solche Menge Ifatrium, dass sich beim Betrieb der Lampe^eine merldiche Verbreiterung und Selbstumkehrung der Resonanzlinien bewirkender ITatriumdampfpartialdruck einstellt und überschüssiges unverdampftes ITatriummetall im flüssigen Reservoir vorhanden ist. Der Hatriumdanipfpartialdruck sollte vorzugsweise im Bereich von 30 *- 500 5?orr liegen» Ein grosser Anteil der emittierten G-esamtstralilung wird auf jeder Seite der D-Linie emittiert, bei der es sich um eine Doppellinie mit i/ellenlängenspitzen bei 5890 und 5896 A handelt» Das emittierte Licht hat eine goldweisse Parbe und weist einen verhältnismässig hohen Rotanteil auf. Xenon . dient als Startgas und Quecksilberdampf wirkt als Pufferdampf_f. der die richtige Temperaturverteilung im Bogeriplasma und an den Mllwänden gewährleistet« Das vorhandene Queok- '

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"-BAO-ORIQiNAL-

silber bewirkt eine Erhöhung des Spannungsgradienten im Lichtbogen, wodurch eine Lampe mit vorgegebener Wattleistung bei einer höheren Spannung und geringerem Strom betrieben werden kann. Dies wirkt sich günstig auf den Wirkungsgrad der Lampe aus und ergibt eine Einsparung bei den Kosten für Yorwiderstände. Selbst wenn der Quecksilberpartialdruok grosser ist als der ITatriumpartialdruck ist Quecksilber im Überschuss im flüssigen Reservoir vorhanden und das im dampfförmigen. Zustand befindliche Quecksilber trägt sehr wenig zur Emission! im sichtbaren Bereich bei, ·

Bei einer erfindungsgemäss ausgestalteten Lampe vom Reiling-Typ enthält die Stillung eine zur Aufrecht erhaltung eines Druckes von 1 — 15 Atmosphären ausreichende Quecksilbermenge und soviel ITatriumhalogenid mit gegebenenfalls anderen Metallhalogeniden, dass der Partialdruck jedes vorhandenen Hetallhalogenids ungefähr 10 - 200 Torr beträgt und überschüssiges Halogenid im Reservoir verbleibt. Das verdampfte Halogenid bzw. die verdampften Halogenide dissoziieren und die·Natriumatome sowie gegebenenfalls v/eitere Metallatome werden angeregt und emittieren Strahlung, im allgemeinen Resonanzstrahlung, Palis mehrere Halogenide verwendet werden, beispielsweise Jodide des ilatriunis, Thalliums, Scandiums und Indiums, wird ein Licht mit angenehm weiaser !Farbe emittiert. Obwohl der Quecksilberdruck hoch ist, trägt Quecksilber wenig zur im sichtbaren Bereich liegenden Lichtemission der Lampe bei. Bei Verwendung bestimmter Halogenide, beispielsweise der Halogenide von Thallium, Scandium und Indium, muss jedoch das I'Iiob von diesen Halogeniden isoliert werden, beispielsweise durch Abdeckung mit einem Abdichtglas, da diese Halogenide mit ITiob reagieren.

Bei einer erfindungsgemäss ausgestalteten Lampe des Hanneman- Tyj)B werden natrium und zwei oder mehr Metalle aus der Thallium^ Quecksilber und Kadmium umfassenden Gruppe in solohen

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Mengen verwendet, dass ein thermodynamisches Gleichgewicht zwischen den Partialdrücken dieser Metalle herrscht und ein. Überschuss jedes lietalls im flüssigen He servo ir vorhanden .'. ist» .Alle Bestandteile .-.tragen zur Licht emission der Lampe im sichtbaren Bereich bei» Der Partialdruck des llatriums liegt im Bereich von ungefähr JO - 460 Torr und die "Par-. tialdrücke der anderen Metalldämpfe sind- so "bemessen, dass sie in Verbindung mit dem Ifatriumdampf bei der lampenbetriebstemperatur die Lichtemission des Lichtbogens derart beeinflussen, dass das Licht des Lichtbogens ein weisses Aussehen hat, die Ausbeute über 100 Lumen pro Watt beträgt und im Spektralbereich von 5050 bis 5500 A diskrete Emissionsspitzen vorhanden sind, deren Höhe mindestens 10 fo der Höhe "der Spitze des Gesamtemissionsspektrums.'entspricht.

Das untere Ende des Liclitbogenröhrchens ist mit der Zuleitung 7 durch ein Band 23* mit einem kurzen Stift 23 verbunden. Ein Prügel 27 verbindet den Stift 23mit einem Stab 22 und bewirkt dadurch eine mechanische Versteifung, während ein Isolator 18 einen Kurzschluss verhinderte Der Zwischenraum zwischen Aussenhülle und Lichtbogenröhrchen ist evakuiert, um Wärmeableitung zu verhindern» Hacli Evakuierung der äusseren Hülle wird ein übliches Gettermaterial, beispielsweise pulverförmiges Barium, in die Eingkanäle G-, G¹ eingepresst und nach dem Abdichten der äusseren MlIe sur Erzielung eines guten Vakuums gezündete Als Alternative kann auch ein Inertgas mit geringem Molekulargewicht eingeführt werden.

Eine geeignete .Ausführungsform einer Abschlusskappe ist in Pig, 2 dargestellt und besteht aus einer Ifiobkappe 3 und einem Niobrohr 20, das sich durch, das schmale obere Ende der Niobkappe 30 erstreckt und daran vakuumdicht angeschweiast ist. Das einen grösasren Durohmesser aufv/olaende untere Üido

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BAD ORlGtHAL

der ITiobkappe30 umschließt das obere Ende des Aluminium-O3cydröxircliens 12» Eine vakuumdieilte Abdichtung zwischen Aluaiiniusosydröhr elien 12 und Hiobkappe 30 wird durch eine, keramische. Dichtungsmasse 34 aus Alumlniumoxyd, Kalziumozyd und gegebenenfalls. Magnesiuiaosyd bewirkte Der Schenkel der ,v'olfraaelektrode 16 ist ini unteren Side des Hohres bei 20a eingequetscht und eingeschweißt, wodurch, gleichzeitig eine Abdichtung des Eohrendes ersielt wird, Das über die Kappe 30 hinausgehende Rohr 20 bildet eine Kammer 35 zur Aufnahme eines säuerstoffaufnehmenden Metalls„ Das oberhalb der ringförmigen Ausbuchtung 3d befindliche äußere Ende 20b des Hohres *7ird nach Auffüllen mit dem Uetall, insbesondere ■mit Yttrimäteilclien 38, mechanisch verschlossen, Jedoch nicht hörmetisca abgedichtet»

Beim Zusammenbau der in ELg. 2 dargestellten !eile wird der Schenkel der Elektrode 16 an das Sohr 20 angeschweißt, das wiederum an die Kappe 30 angesehweißt wird« Es wird vorzugsweise mittels eines Elektronenstrahls im Vakuum geschweißt«, Auf die Abdichtfläche eier Kappe 30 wird dann Wolframtriozyd aufgebracht und int: Yakuum gesintert. Auf die ,/olframtri oxidschicht wird im Yakuum eine keramische · Abdichtmasse aufgesintert«, leuchen aus reinem Yttrium werden in das itohr 20 eingefüllt, das dann bei 2Qb durch Zusammenquetschen abgeschlossen₉ Jedoch nicht hermetisch abgedichtet v,'ird. Ein Elektronen, emittierendes Material wird dann auf die Elektrode aufgebracht und Zirkoniumhydrid kann auf die Außenseite der ITiobkappe 30 und auf das ITiobrohr 20 aufgepinselt werden^ um eine Yersprödung zu verhindern. Die Yttrium enthaltende Endkappe sowie eine ähnliche, Jedoch kein Yttrium enthaltende Endkappe v/erden ' auf ein Aluoiriiurnoxydröhrchen 12 aufgesetzt und dann zusammen mit äen Äöhrclien im Vakuum bei einer Temperatur t_t bsi tier die Abdichtinasse sehinilzte

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⁵ Ί

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' I S 41 § 1

Eine Aufzehrung des IJatfiums in pinef p

einem Al^miniumQxy^r-Qhrghen, grfoljgt in Gegenwart vpjri

h^eh§twajirs,eh^inlii?h djjrgh Oxydationψ$η Natr-iTijn und Rgaktipn mit Aluminiuipxyd un^e? gildujig YQn Nj|$riujns! alumina^, Pie Gesamtreaktipn ist reversibel unjl kann d feigende Gleieliung dargestellt werfen:

Na(L₁G) t lA «2^ία^ ^{+ 1}^ AIgQ^(S) MaAlO^(S) (2)

Die Buchstaben (G)> (L) und (jS.) zeichnen den gasfprmigen, flüssigen und fegten Aggregatszustand. Die Reaktion 2 findet solange statt, wie Sauerstoff im Aluminiumpxydrbhrchen vorhanden ist. Die aus Niob bestehenden Abschlußkappen sind beider Lampenbetriebstemperatur für Sauerstoff durchlässig, so daß im Zwischenraum zwischen Aluminiumoxydröhrchen und Außen— hülle vorhandener Sauerstoff durch das Niob in den Innenraum des Aluminiumoxydrohrchens diffundiereh und dort die Reaktion begünstige!! kann, wodurch weiteres Natrium verbraucht wird.

Eine weitere mit dem Verbrauch von Natrium verbundene Reaktion, die in einer Aluminiumoxyd enthaltenden Bogenlampe auftreten kann, erfordert keinen Sauerstoff und beruht lediglich auf der direkten Einwirkung von Natrium auf Aluminiumoxyd unter Bildung von Natriumaluminat und Aluminium, Diese reversible Reaktion kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:

Na(L|G) * 2/5 AIgO^(S ) NaAlQ_g(S) + i/| Al(L)

wobei (G), (L) und (S) die obige Bedeutung haben. Erfindungsgemäß wird ein Verlauf der Reaktion 2 nach rechts dadurch verhindert, indem jeinje Konkurrenzreaktion hBrvörgjerufen wirö, bei der entsprechend Gleichung {l) ein M§tall i^6xydiBrt wird^, In ähnlicher Weise wird Reaktipn f (durch das Metall M verhindert bizVi erschwertj. Pamit «iingegs|bfine§ Meta.Ii die

OBiGiNAt-IMSPECTED

;,., _f__y . _, ' 1941518

bildung verhindert, muß die Temperatur des Metalls M und des entsprechenden Oxyds so niedrig gehalten werden, daß die freie Energie der Reaktion 1 für die infrage kommende Aluminiumoxydtemperatür und Reservoirtemperatur und für die vorliegende Reservoirzusammensetzung negativ ist. Die Maximaltemperatüren, bei denen die freie Energie der Reaktion gerade negativ ist, sind bei ^F⁰ = 0 in Fig. 31 für Zirkonium (Kurve A), Skandium (Kurve B), Magnesium (Kurve C), Cer (Kurve D) und Yttrium (Kurve E) dargestellt. Die Kurven gelten für ein Reservoir aus 70 Atomprozent Natrium und 30 Atomprozent Quecksilber und niedrigste Aluminiumoxydtem— peratur von 1000° K. Der Einfluß der Reservoirzusammensetzung auf die maximale effektive Temperatur von Yttrium ist ebenfalls bei ^F⁰'= 0 in Fig. k dargestellt. Die Kurve F gilt für reines Natrium, die Kurve G für ein Reservoir aus 70 Atomprozent Natrium und 30 Atomprozent Quecksilber und die Kurve H für eine Reservoirzusammensetzung aus 50 Ätomprozent Natrium und 50 Atomprozent Quecksilber bei einer Reservoir— temperatur sowie niedrigsten Aluminiumoxydtemperatur von 1000° K. Die Kurve I gilt für reines Natrium, die Kurve J für ein Reservoir aus 70 Atomprozent Natrium und 30 Atom— prozent Quecksilber und die Kurve K für eine Reservoirzusammensetzung aus 50 Atomprozent Natrium= und 50 Atomprozent Quecksilber bei einer Reservoirtemperatur und -einer niedrigsten Aluminiumoxydtemperatur von 900 K. Der Fachmann ist ohne weiteres in der Lage, maximale wirksame Temperaturen für andere Reservoirzusammensetzungen, andere Abschlußkappentemperaturen und für Reservoirs anderer Zusammensetzung zu bereohnen,

Bei der Wahl eines geeigneten Metalls zur Verhinderung der Aluminatb11dung ist sowohl die Kenntnis der höchsten und der geringsten Temperatur erforderlich, bei denen das Metall wirksam ist. In der nachstehenden Tabelle I sind geeignete Metalle zur Verhinderung der Aluminatbildung und ihre maximale und minimale Wirkungstemperatur sowie auch die bevorzugte Lampentemperatur für ein Reservoir und eine niedrigste Alurai-

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niumoxydtemperatur von 1000° K angegeben. Tu den letzten. ^ -Λ, drei Spalten von Tabelle I sind die maximalen Wirkungstempera— türen bei Verwendung eines Reservoirs aus reinem Natrium, aus 70 Atomprozent Natrium und 30 Atomprozent Quecksilber sowie 50 Atomprozent Natrium und 50 Atomprozent Quecksilber angegeben. Die angegebenen Werte beruhen auf thermodynamischen Berechnungen unter Verwendung von Gleichung (i). In Spalte T . der Tabelle I ist die annähernd anwendbare Minimaltemperatur für jedes Metall angegeben, die sich aufgrund der Oxydationskinetik jedes Metalls ergibt. Einige zusätzliche Faktoren beeinflussen die Wahl einer bevorzugten Temperatur für jedes Metall, u. a. die Flüchtigkeit und die Reaktionsfähigkeit mit anderen Bestandteilen der Lampen. Die bevorzugte

Temperatur	fur jedes	ι Metall is in Spalte T f.	pures Na	T (0C maxv	angegeben.
		TABELLE I	640	70—3	)
Metall	T . (°C) ιηιηΛ '		1400	750	0 50—50
Lithium	100	500	705	-- 1470	1030
Kalzium	350	700	955	780	1595
Barium	350	600	960	1030	1160
Magnesium	350	6oo	55Ό	1050	1195
Strontium	350	700	1090	650	1260
Zirkonium	400	675	885	1140	850 "
Beryllium	500	700	I5IO	975	I37O
Skandium	400	.700	1243	1600	1175 ;
Yttrium	400	700	1280	1350	1820
Lanthanum	350	700	670	1360	1560
Thorium	6Ö0	1200	620	750	1580
Hafnium	500	750	705	. : =\ 970 ;
Uran	■rl·' 400	700	950

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.-t

	WQ°)	Tpfa(°0)	τ axfß)	*	gleich gleich	50-50
Lanthanidenreihe	350	700	Na 7O«3O			1560
Cer	400		1843 1350
Praseodymium	450
Neodymium	450
Samarium	350
Europium	450
BadoHnium	450 450	gleich	gleich
Terbium Dysprosium	400
Holmium	450
Erbium	400
Thaiium	400
Ytterbium	500
Lutetium

Die freie Reaktionsenergie bei der Bildung des Natrium-* aluminate nach Reaktion (2) ist immer negativer als die Dach— reaktion (3). Jede Reaktion, die die Reaktion (2) verhindern kann, wird daher auch die Reaktion (3) verhindern, Das erfin— dungsgemäß vorgesehene Metall wird daher das Natriumaluminat destabilisieren, ohne Rücksicht darauf, wie das Natriumaluminat gebildet worden ist. Zur Verhinderung eines Natriumverlustes nach Reaktion (3) ist weiterhin über dem Natriumaluminat ein Natriumgleiehgewichtsdampfdruck erforderlich, der größer ist als der Partialdampfdruck von Natrium über dem unverdampften Reservoir« Der Dampfdruck von Natrium über dem Aluminat ist durch die Temperatur der Umhüllung festgelegt, auf der sich das Aluminat abscheidet. Der Natriumdampfdruck über dem Reservoir kann bestimmt werden aus der ZusammeniSetzung des Reservoirs_? der Menge oder Temperatur des nicht verdampften Überschusses. Biß vorgenannten Faktoren können verändert werden,

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am d&& erwünschte Gleichgewicht zu erhalten* In den . indenen JedO/Ch- das Gleichgewicht leicht ganz erreicht wird;, gibt das erfindungsgemäß verwendete reakt ions,fähige Metali eine: Sicherheitsgrenze durch Verhinderutig etoer aluittitiatfeildungsreaktion^ - .

Beim Abdichten des ÄluminiuniQxydröhrcjiens ^^eF Lanjpe mit dew Niöbabsehiußkappeti kann eine Äbdichtmasge aus, niumoxyd, Kalziumoxyd und Magnesium.oxyd verwendet und es kann auch etwas Wolframtrioxyd vorhanden sein. stelle von ErdalkaHoxyden köiinen auch andere Substanzen wie Thoriumoxyd als Elektronen emittierende Substanzen eingesetzt werden. Alle diese Substanzen erhöhen die" Möglichkeit, daß andere Reaktionen mitNatrium stattfinden, die entweder Natriumverlust zur Folge haben oder andere Bestandteileder Lampe wie beispielsweise die Abdichtungen oder die Elektroden angreifen. _; ;

Der Fachmann kann ohne weiteres der Reaktion (l) analoge Gleichungen für mögliehe Reaktionen aufstellen, die eine Natrlumaluminatbildung verhindern. Im aligemeinen wird das reaktionsfähige Metall bevorzugt·, das eine relativ große negative freie Bildungsenergie für das Oxyd besitzt und trotzdem eine schnelle Oxydationskinetik gewährleistet.

Das reaktionsfähige Metall muß innerhalb der Lampe an einer Stelle angeordnet werden, wo es während des Betriebes eine Temperatur innerhalb des tyirkungstemperaturbereiches aufweist. Falls das Metall mit Quecksilber reagiert oder die Entladung beeinflußt, sollte es nicht innerhalb fles Lichtbogenröhrcheus angeordnet werden. Es muß jedoch derart angeordnet sein, daß es in Sauerstoffverbindung mit dem Innetiraum des LlchtbogenriJhrcheas steht. Es kann innerhalb der äußeren Hülle angeordnet sein, falls das Lichtbogenröhrchen sauerstoffpermeable Äbschlußkappen. aufweist. Wenn dasreaktionsfähige Metall einen außerordentlich hohen

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druek bei der Betriebstemperatur aufweist, kann es in einem hermetisch abgedichteten sauerstoffpermeablen Behälter angeordnet werden. Die Wandstärke der Abschlußkappen oder des Behälters hängt von dem verwendeten Metall, der Verwendungstemperatur und der gewünschten Sauerstoffdiffusionsrate ab. Niob oder eine einphasige Nioblegierung,die beispielsweise aus 99 % Niob und 1 % Zirkonium besteht, werden bevorzugt. Für die in den Zeichnungen dargestellten Abschlußkappen ist beispielsweise eine Dicke von etwa 0,15 mm ausreichend.

Das bevorzugte reaktive Metall nach der Erfindung ist Yttrium, das eine große negative freie Energie der Reaktion (l) unter annehmbaren Betriebsbedingungen in der Lampe gewährleistet. Es isif verhältnismäßig billig, nicht hygroskopisch und oxydiert kaum in Luft bei Raumtemperatur, so daß es leicht zu handhaben ist. Es weist eine maximale Wirksamkeit bei einer Temperatur auf, die bequem dadurch erzielt werden kann, indem es an einem Teil des Lichtbogenröhrchens in der Lampe angebracht wird. Yttrium hat bei der Betriebstemperatur einen ausreichend niedrigen Dampfdruck, so daß es nicht dazu neigt, sich auf Lampenteilen, wie beispielsweise auf der äußeren Umhüllung niederzuschlagen. Es braucht daher nicht innerhalb einer hermetisch abgeschlossenen Kapsel angeordnet zu werden.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung befindet sich das Yttrium in dem Rohr 20, d.h., es ist physikalisch vom innenraum des Lichtbogenröhrchens getrennt, so daß es nicht mit dem nicht verdampften überschüssigen Füllmaterial im Reservoir in Kontakt kommen kann. Falls ein Kontakt erlaubt und Quecksilber im Reservoir vorhanden ist, besteht die Möglichkeit, daß etwas Quecksilber mit Yttrium ein Amalgam bildet und das Dampf-Flüsslgkeit-Gleichgewicht dadurch durcheinander bringt. Ger kann bequem in Form seiner Mischmetall-Legierungen verwendet werden, d.h., legiert mit anderen Metallen der Lanthanidenrelhe.

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Thorium weist ebenfalls bei^e der Bildurig seines Oxydeo eine hohe negative freie Ene^ie auf, besitzt jedoch einige^{1 J} Nachteile. Es ist etwas radioaktiv und wird aus diesen Grün-' den nicht gern verwendetf Außerdem ist die bevorzugte Tem- ^s peratur aus kinetischen Gründen sehr hoch und deshalb sollte Thorium innerhalb des Lichtbogenröhrchens angeordnet werden'.

Die anderen in Tabelle I angeführten Metalle werden inr allgemeinen nicht so gerne verwendet wie die oben angegebenen Metalle. Magnesium, Lithium, Kalzium, Strontium, Barium und Ytterbium sollten innerhalb und außerhalb des Lichtbogenröhrchens nur dann verwendet werden, wenn sie innerhalb einer sauerstoffpermeablen Kapsel, beispielsweise aus Niob, änge-. ordnet sind. Bei Anordnung innerhalb des"Lichtbogenröhrchens würden sich wegen ihres Dampfdruckes und ihrer Neigung zur Bildung eines Amalgams in Gegenwart von Quecksilber Betriebsschwierigkeiten ergeben. Bei Anordnung innerhalb der äußeren Umhüllung erfolgt aufgrund der hohen Dampfdrücke eine Verdampfung, so daß dann auf der Innenseite der äußeren Umhüllung Kondensation auftritt, wodurch die lichtdurchlässigkeit der äußeren Umhüllung verringert wird. Die Metalle Beryllium, Skandium, Neodym, Samarium, Gadolinium, Praseodym, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Thulium sollten ebenfalls hermetisch innerhalb eines sauerstoffpermeablen Behälters angeordnet werden, falls sie innerhalb der äußeren Hülle verwendet werden, da sie bei den bevorzugten Temperaturen zur Verdampfung neigen und dadurch die Lichtdurchlässigkeit der äußeren Umhüllung durch Kondensation schwächen könnten. Uran ist radioaktiv. Beryllium ist wegen seiner Giftigkeit schwierig zu verarbeiten. Berylliumoxyd macht Niob brüchig, so daß es nicht innerhalb einer aus Niob bestehenden Kapsel angeordnet werden sollte. Lithium ist wegen seiner hohen Reaktionsfähigkeit sphwer zu handhaben und wird daher nichts gern, verwendet. Der bevorzugte Ort für das reaktionsfähige,

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Metall ist die Kammer 3-5« Biese kann Jedoch an verschiedenen anderen Stellen innerhalb der Lampe angeordnet werden, beispielsweise an den mit 40, 41,, 42 und 43 bezeichneten Stellen. Das Metall kann auf die Außenfläche eimer Absclilutßkappe auf— gebracht werden, beispielsweise bei 40 auf die Abschlußkappe IS, Es kann auch als Überzug 43 auf eine Metallnase 44 aufgebracht werden _t die auf dem ifäger 46 zwischen der äußeren Umhüllung 2 und dem Lichtbogenröhrchen 12 vorgesehen ist. Da bei den vorgenannten Stellen das Metall zwischen der äußeren Umhüllung unddem LichtbogenrÖhrchen angeordnet ist, müssen die Absehlußkappen für das LichtbogenrÖhrchen für Sauerstoff durchlässig sein, beispielsweise aus Niob bestehen, damit innerhalb des LichtbogenrÖhrehens vorhandener Sauerstoff nach,außen diffundieren kann. Das reaktionsfähige Metall kann auch auf der Innenfläche einer Abschlußkappe angeordnet werden, wie bei 41 für die Abschlußkappe 18 dargestellt ist, so daß es in direktem Kontakt mit der Atmosphäre- im LichtbogenrÖhrchen ist. Es kann auch in stückiger Form im Reservoir 26 vorgesehen werden, wie durch die Bezugszahl 42 dargestellt ist. Falls das reaktionsfähige Metall innerhalb des LichtbogenrÖhrehens angeordnet wird, und damit zu rechnen ist, daß es mit dem vorgesehenen Quecksilber ein Amalgam bildet, ist es wünschenswert, das anfängliche Verhältnis von Quecksilber zu Natrium zu erhöhen, damit dann beim Betrieb der Lampe das gewünschte Verhältnis im Überschuß— reservoir vorliegt.

Die in der fertigen Lampe der vorliegenden Größe vorhandene Menge an reaktionsfähigem Metall sollte mindestens zwei Milligramm betragen. Die Menge an Yttrium oder einem anderen Metall sollte vorzugsweise mindestens 40 Milligramm bei einer Lampe betragen, bei der das Volumen der äußeren Umhüllung etwa 400 cm und das Volumen des Lichtbogen— röhrchens ungefähr 4 enr ist. Die obere Grenze für die zugesetzte Metallmenge hängt praktisch von den Mäterialkosten

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und dem zur Verfugung stehenden Lamperträum ab und sollte ungefähr nicht größer sein als die tausendfache Mindest-menge, *

Das reaktionsfähige Metall kann an einer oder an mehreren Stellen angeordnet werden. Es kann durch ElektröW plattieren, Dampfabscheiden, Metallisieren oder Aufpinseln auf die Abschlußkappen oder die Nase M aufgebracht oder innerhalb der Lampe einfach in Form einer Metallfolie, ' eines Meta11drahtes oder eines Metallpulvers angeordnet- ■ werden. Irgendeine dieser Anordnungsmöglichkeiten kann ; ^?t unter Beachtung der erforderlichen Temperatur und anderen speziellen Gegebenheiten verwendet werden. DeisiSnis Barium— metallpulver bestehende Getter, der in den, kanalartigen Ringen G und G^f um das Fußende der äußeren Umhüllung angeordnet ist, kann die Bildung des Natriumaluminats nicht verhindern, da es einer zu niedrigen Temperatur ausgesetzt ist.

Das reaktionsfähige Metall kann in Form einer Legierung oder einer Metallverbindung verwendet werden, die sich unter den vorgegebenen Bedingungen in der Lampe zersetzt. Es kann zusätzlich zu metallischem Yttrium oder anstelle von metallischem Yttrium Yttriumhydrid, eine Yttriumlegierung oder eine organometallIsche Verbindung von Yttrium verwendet werden.

Der durch die Erfindung erzielte Fortschritt wird nachstehend anhand einer Lampe mit einer Leistung von 400 Watt erläutert, bei der das Lichtbogenröhrchen einen Innendurchmesser von ungefähr 7» 4 mm und eine Länge von 9,3 cm aufweist und bei der der für den Lichtbogen zur Verfügung stehende Abstand zwischen den Elektronenspitzen 7 cm be-* trägt. Die Füllung des Llohtbogenröhrchens besteht aus

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   Patentanwälte Dipl.-tng. Maifin Licht, Dipl.-Wirttch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann

   MÖNCHEN 2, THERESlENSTRASSS 33· TelefonΓ281203 < Telegramm-Adrette. LlpaHl/München Bayer. Vsfelnibank Mönchen, Zwtlgtt. Oikar-von-Mlller-Ring, Klo.-Nr. 882 495 · lOstJcheck-Konta. München Nr. 143397

   Oppenauer Büro. PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

   — . JT —

   ,_.- ■ _; jReakti-onsenergie aufweist, die negativer ist als die freie Bildungsenergie für iTatriumaluminat innerhalb des Lichtbogenröhrchens und Gp) die Iletallquelle innerhalb der Lampe derart ange- ^; ordnet ist, dass während des Betriebs der Lampe

   eine Temperatur innerhalb des vorgegebenen Tempera- - ; - turbereiches auftritt und dadurch eine Aufzehrung von rTatrium durch Bildung von Hatriumaluminat innerhalb des Lichtbogenröhrchens vermieden wird»

   2ο Oampfgefüllte Bogenlampe bestehend aus:

   a) ein inneres Liclitbogenröhrchen aus Aluminiumoxyd, das mit Elektroden versehen ist und das enthält:

   a₁) eine Ifatriurnmenge, die ausreicht, um bei den Betriebstemperaturen einen ITatriumpartialdruck von ungefähr 10 - 4-60 Torr im Gleichgewicht mit überschüssigem flüssigem Natrium zu erzielen,

   βρ) entsprechende Mengen von mindestens zwei anderen - lie tall en aus der Thallium, Kadmium und Quecksilber umfassenden Gruppe, um entsprechende Uetallpartialdrücke im Gleichgewicht mit überschüssigem flüssigem lietall zu erzielen und in Verbindung mit dem ITatriumpartialdruck einen lichtemittierenden elektrischen Lichtbogen hoher Intensität und v/eisser !Farbe zu erzielen,

   b) eine in Sauerstoffverbindung mit dem Inneren des aus Aluminiumoxyd bestehenden Lichtbogenröhrchens stehende Metallquelle, wobei

   "b...) das Metall über einen gegebenen Temperaturbereich eine freie Eeaktionsenergie in der Bildung seines Oxydes pro KoI Sauerstoff aufweist, die negativer ist als die freie Bildungsenergie von rTatriumaluminat pro EoI Sauerstoff innerhalb des aus Aluminiumoxyd .bestehenden Lichtbogenröhrchens,

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   BAD

   bp) clie Metallquelle derart innerhalb der Lampe an-

   geordnet ist, dass während des Temperatur des ; ■ Metalls innerhalb des vorgegebenen Temperatur-

   .- - bereiches liegt und dadurch ein Verlust^: an Hatrium - .' durch Bildung von Hatriumaluminat innerhalb des "_ , Lichtbogenröhrchens verhindert wird.

   3ο ..'■" Bogenlampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktionsfähige Metall innerhalb, des "aus^r \ Aluminiumoxyd bestehenden Lichtbogenröhrchens angeordnet, ist.»

   ■4ο.. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ; dass das Lichtbogenröhrchen mit "sauerstoffρermeablen Ver- :■ .; Schlüssen versehen ist und die He tall quelle im Z\?ischenraum zwischen ;d.em inneren Lichtbogenröhrchen und der äusseren Glasumhüllung angeordnet ist ο ■ - -

   5. . Bogenlampe nach Anspruch 1 oder 2₉ dadurch gekenn— zeichnet, dass die .Me tall quelle aus Yttrium, Yttriumhydrid, ■'-"■ eine durch Wärme zersetzbare' Yttriurnverbindung oder eine" Yttriumlegierung ist_o . ■- . ■ : -

   β ο ... Bogenlampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn·^ zeichnet, dass das aus Aluminiumoxyd bestehendeLichtbogenröhrcheh durch-Abschlusskappen aus, Fiob-abgeschlossen ist und die Metallquelle an'einer AbSchlusskappe angeordnet ist»

   7* Bogenlampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet^ dass die Metallquelle aus Yttrium besteht» -

   8* Bogenlampe nach Ansprugh 6, dadurch gekennzeichnet,; dass;eine Endkappe mit einem Rohr versehen ist, das Yttrium

   enthält. 'V . ■"■■;' '. _ ' '■-.■■ . ^;^^: :.'■■'::% :"---:/ ■■■ ■"/■ - .

   00 9 8387 1316

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