DE19505104A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Reinheit und/oder des Drucks von Gasen für elektrische Lampen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Verunreinigungen in Gasen, insbesondere Edelgasen, oder Gasgemischen für elektrische Lam­ pen oder Strahler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Ver­ fahren zur Messung des Drucks von Gasen, insbesondere Edelgasen, oder der Gaskomponenten von Gasgemischen für elektrische Lampen oder Strahler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Außerdem betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung dieser Verfahren.

Die Bezeichnung elektrische Lampen umfaßt sowohl Glüh- als auch Ent­ ladungslampen. Unter dem Begriff elektrischer Strahler sind Gasent­ ladungen zu verstehen, die hauptsächlich elektromagnetische Strahlungen außerhalb des sichtbaren Bereichs, insbesondere im UV- oder IR-Bereich, emittieren.

Die Verfahren nutzen den Einfluß des Gasdrucks bzw. von Verunreini­ gungen auf das Fluoreszenzspektrum einer Gasentladung, insbesondere einer Glimmentladung. Als Verunreinigungen werden in diesem Zusam­ menhang gas- oder dampfförmige, sowie feste Substanzen bezeichnet, deren Anwesenheit in Gasen bzw. Gasgemischen für elektrische Lampen oder Strahler - der Kürze wegen im folgenden als Gassystem bezeichnet - un­ erwünscht ist. In der Regel gelangen diese Verunreinigungen in unkontrol­ lierter Weise in das Gassystem, z. B. bereits während der Lampenfertigung durch verunreinigte Spül- oder Füllgase oder durch undichte Pump- und Füllsysteme. Aber auch bei der fertigen Lampe können Verunreinigungen in das Gassystem der Lampe gelangen, beispielsweise durch Leckagen am Lampenkolben selbst oder auch während des Lampenbetriebs, z. B. durch verunreinigte Elektroden oder erhöhtem Elektrodenabbrand aufgrund un­ zureichenden Fülldrucks. Die Folge von Verunreinigungen - gleich welcher Ursache - sind letzlich funktionsunfähige Lampen oder Lampen mit ein­ geschränkter Lebensdauer bzw. Maintenance.

Ziel allgemeiner Bestrebungen ist es deshalb, bereits bei der Lampenfertigung für eine möglichst geringe Verunreinigung des Gassystems Sorge zu tragen. Darüber hinaus ist es im Sinne einer lückenlosen Qualitätsüberwachung wünschenswert, fertige Lampen mit unakzeptabel hohen Verunreinigungen bzw. unzulässigen Abweichungen vom Sollfülldruck zu erkennen und auszusortieren. Vor diesem Hintergrund kommt einem raschen und zuverlässigen Nachweis entsprechender Verunreinigungen sowie einer Kontrolle des Fülldrucks große Bedeutung zu.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Gasreinheit ist durch den Beitrag "Gasreinheitstest bei Halogen-Glühlampen mit Hilfe eines Spektrallinien­ vergleichs" von M. Gaugel in der Buchreihe "Technisch-Wissenschaftliche Abhandlungen der OSRAM-Gesellschaft", 12. Band, S. 546-549, Springer- Verlag, Berlin 1986, bekannt. Dort wird das Licht von Halogen-Glühlampen durch zwei Strahlteiler in drei Lichtbündel aufgeteilt und drei spektral unterschiedlich empfindlichen Photomultipliern zugeführt. Die maximale spektrale Empfindlichkeit der einzelnen Photomultiplier liegen bei der Wellenlänge um 410 nm, 523 nm bzw. 616 nm, d. h. im blauen, grünen und roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Mittels zweier Analog- Dividierer werden die Verhältnisse der Photomultipliersignale "Rot/Blau" und "Rot/Grün" gebildet und durch zwei Komparatoren verglichen, ob die entsprechenden Werte innerhalb eines voreinstellbaren Toleranzbereichs liegen. Ist dies nicht der Fall, wird die Halogen-Glühlampe als fehlerhaft erkannt, d. h. es liegt entweder ein Füllungsfehler und/oder eine unzulässige Gasverunreinigung vor.

Nachteilig bei dieser Lösung ist, daß sich die zu prüfende Halogen-Glüh­ lampe inklusive optischem Aufbau und Photomultiplier während der Mes­ sung in einem lichtundurchlässigen Gehäuse befinden müssen. Andernfalls führen gleichphasige Störsignale, beispielsweise Umgebungslicht, zu Fehl­ messungen, da diese Störsignale durch die drei Photomultiplier spektral völlig unterschiedlich gewichtet werden und deshalb bei der Quotienten­ bildung nicht eliminiert werden.

In der US 4 759 630 ist eine Anordnung zur Bestimmung der Qualität von Glühlampen bekannt. Sie enthält ein Gerät zur Erzeugung einer Entladung zwischen der Glühwendel und einer auf der Außenwandung des Lampen­ kolbens aufgebrachten Elektrode sowie eine Vorrichtung zur Analyse der von der Entladung emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 550 nm und 570 nm. Die Lampenqualität wird durch das zeitliche Verhalten dieser Strahlung beurteilt, die optional mit der Strahlung im Wellenlängen­ bereich zwischen 660 nm und 680 nm verglichen wird.

In der US 3 292 988 dient die Intensität von Spektrallinien der Füllgas­ komponente Argon mit Wellenlängen größer 650 nm zur Kontrolle des Quecksilber-Dampfdrucks in Leuchtstofflampen während des Lampen­ betriebs.

Die US 5 168 323 schlägt eine Anordnung und ein Verfahren zur Bestim­ mung von Verunreinigungen in einem Gas vor. Die Anordnung umfaßt zwei sich gegenüberstehende Elektroden, zwischen denen hindurch das Gas strömt, eine mit den Elektroden verbundene niederfrequente Wechsel­ spannungsquelle und eine optische Meßvorrichtung. Mit Hilfe der Wechsel­ spannungsquelle wird eine Bogenentladung erzeugt, deren Emissionslinien mittels der Meßvorrichtung detektiert werden. Aus den Intensitäten charak­ teristischer Spektrallinien der verschiedenen Verunreinigungen werden deren Konzentrationen mit Hilfe eines linearen Gleichungssystems be­ stimmt.

Eine erste Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu be­ seitigen und ein relativ einfach realisierbares und insbesondere in die Lam­ penfertigung integrierbares Verfahren zum Nachweis von Verunreini­ gungen in Gasen oder Gasgemischen für elektrische Lampen oder Strahler anzugeben. Außerdem soll das Verfahren insbesondere auch für die Funk­ tions- und/oder Qualitätskontrolle von elektrischen Lampen geeignet sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale dieses Teils der Erfindung sind in den darauf gerichteten Unteransprüchen erläutert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bestimmung des Druckes von Gasen, insbesondere von Edelgasen, oder den Gaskomponenten von Gas­ gemischen für elektrische Lampen oder Strahler. Außerdem soll das Ver­ fahren insbesondere auch für die Funktions- und/oder Qualitätskontrolle von elektrischen Lampen oder Strahlern geeignet sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 17 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den darauf gerichteten Unter­ ansprüchen erläutert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht schließlich darin, eine Anord­ nung anzugeben, mit der die vorgeschlagenen Verfahren ausgeführt werden können. Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 25 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der Anordnung sind in den An­ sprüchen 26 bis 31 erläutert.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das Gas bzw. die Gas­ komponenten des Gasgemisches und die darin ggf. enthaltenen Verunreini­ gungen mittels einer Gasentladung zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung anzuregen. Der Nachweis ggf. beigemischter gas- und/oder dampfförmiger Verunreinigungen bzw. die Bestimmung des Drucks des Gases bzw. der Gaskomponente erfolgt mittels der gemessenen Intensität einer oder mehrere geeigneter Spektrallinien dieser Strahlung. Ein ganz wesentlicher Aspekt für beide Verfahren ist dabei die selektive Messung der Spektrallinien. In Vorversuchen hatte es sich nämlich gezeigt, daß zuverläs­ sige Ergebnisse unter fertigungstechnischen Bedingungen nur bei Einhal­ tung der im folgenden erläuterten Meßbedingungen erzielt werden können.

Entscheidend für das Verfahren zum Nachweis von Verunreinigungen ist die gezielte Verwendung einer oder mehrerer Spektrallinien, deren Intensi­ täten im relevanten Bereich weitgehend druckunabhängig sind. Auf diese Weise werden Fehlmessungen aufgrund von Druckschwankungen des Gases vermieden. Dies ist für die Praxistauglichkeit des Verfahrens von großer Bedeutung, insbesondere auch beim Nachweis von Verunreini­ gungen in den Lampengefäßen elektrischer Lampen, da die Fülldrucke der Lampen fertigungsbedingt streuen. Spektrallinien, deren Intensitäten druck­ abhängig sind, können aus diesem Grund zu falschen Ergebnissen führen. Wird im Unterschied zur Erfindung die Intensität der Strahlung über einen relativ breiten Wellenlängenbereich integriert, so können im ungünstigen Fall ebenfalls druckabhängige Spektrallinien erfaßt werden. Fehlmessungen bei Schwankungen des Fülldrucks sind die Folge.

Die konkrete Auswahl von geeigneten Spektrallinien erfolgt unter Berück­ sichtigung ggf. vorhandener Gaskomponenten, z. B. den Füllungsbestand­ teilen von Metallhalogenid-Hochdruck-Entladungslampen. Dabei werden nur einzelne Spektrallinien selektiert, die nicht mit anderen Linien des Fluoreszenzspektrums überlappen oder zusammenfallen. Der zulässige Ab­ stand der selektierten Linien zu Nachbarlinien sollte vorteilhaft größer sein, als die spektrale Auflösung der Messung. Dadurch wird verhindert, daß die Intensität unerwünschter Linien mitgemessen und so das Ergebnis verfälscht wird.

Für das Verfahren zur Bestimmung des Drucks von Gasen, insbesondere von Edelgasen, oder der Gaskomponenten von Gasgemischen wird gezielt eine oder mehrere Spektrallinien des Gases bzw. der jeweiligen Gaskomponente verwendet, wobei die Intensität mindestens einer Spektrallinie druck­ abhängig ist. In einem von den Anregungsbedingungen abhängigen Druck­ bereich, typisch vom Vorvakuumbereich bis Atmosphärendruck, insbe­ sondere im Bereich zwischen ca. 0,1 kPa und ca. 40 kPa, nimmt die Intensität geeigneter Spektrallinien mit dem Druck zu. Mit Hilfe der gemessenen druckabhängigen Intensität und eine Kalibriermeßwerts wird dann der Absolutdruck des Gases bzw. der Partialdruck der entsprechenden Gas­ komponente ermittelt.

In verbesserten Varianten beider Verfahren wird jeweils ein Quotient aus den Intensitäten zweier Spektrallinien gebildet, wobei die Intensität min­ destens einer Linie druckunabhängig ist. Bevorzugt sind die beiden Spek­ trallinien so eng benachbart, daß Rauschsignale und gleichphasige Stör­ signale, insbesondere Umgebungs- bzw. Streulicht, spektral nahezu gleich bewertet werden. Der Abstand der beiden Spektrallinien beträgt typisch weniger als ca. 100 nm, bevorzugt weniger als ca. 50 nm. Da die genannten Störsignale innerhalb dieses Abstandes eine nahezu konstante spektrale Intensitätsverteilung haben, d. h. relativ breitbandig im Vergleich zu den selektierten Spektrallinien sind, werden sie bei der Quotientenbildung weit­ gehend eliminiert. Ebenso werden gleichphasige Signalabschwächungen, beispielsweise bei elektrischen Lampen verursacht durch Kolbenschwär­ zung, eliminiert. Aus diesen Gründen ist die geschilderte Verhältnismessung (ratiometrisches Meßverfahren) einer prinzipiell möglichen Absolutmessung der Intensität einer einzigen Spektrallinie vorzuziehen, bei der Störeffekte das Meßergebnis stark verfälschen, was sich in der Regel nicht nachträglich korrigieren läßt.

Die Auswahl geeigneter Spektrallinien für die Verhältnismessung richtet sich nach dem konkreten Gas bzw. den Gaskomponenten. Im Falle der An­ wesenheit von Argon finden sich geeignete Spektrallinien im Wellenlängen­ bereich zwischen 650 nm und 800 nm bzw. zwischen 800 nm und 1000 nm.

In einer konkreten Ausführung des Verfahrens zum Nachweis von Ver­ unreinigungen wird gezielt mindestens eine Spektrallinie des Gases bzw. einer Gaskomponente selektiert, deren Wellenlänge(n) einer höheren An­ regungsenergie entspricht (entsprechen) als jene der Spektrallinien der zu bestimmenden Verunreinigungen. Ggf. vorhandene Verunreinigungen werden folglich bevorzugt angeregt. Vereinfachend gesagt geht ein Teil der elektrischen Leistung der Gasentladung zunehmend in diese "Verlustkanäle" statt in die Besetzung der den selektierten Spektrallinien entsprechenden angeregten Zustände des Gases bzw. der Gaskomponenten. Dadurch nehmen die Intensitäten der selektierten Spektrallinien ab (die entsprechenden optischen Übergänge werden durch die Verunreinigungen zunehmend "gequencht", d. h. die Besetzungsdichte der zugehörigen angeregten Zustände nimmt ab) und zwar um so mehr, je höher die Konzentration der Verunreinigungen ("Quenchpartner") ist. Aus diesem Grunde ist die Abschwächung der Intensitäten der selektierten Spek­ trallinien ein indirekter Nachweis für innerhalb des Lampengefäßes befind­ liche Verunreinigungen.

Der Vorteil dieses indirekten Verfahrens ist, daß Verunreinigungen unspe­ zifisch, d. h. in ihrer Gesamtheit erfaßt werden. Dadurch gelingt es auf ein­ fache Weise mit nur einer einzigen Messung - bzw. zwei bei der ratio­ metrischen Variante - Verunreinigungen nachzuweisen. Deshalb ist dieses Verfahren insbesondere für Kontroll- und Überwachungszwecke geeignet, um beim Auftreten von Verunreinigungen entsprechende Maßnahmen aus­ zulösen. Ein Beispiel hierfür ist die Qualitätskontrolle bei der Herstellung elektrischer Lampen, wo Lampenkolben mit Verunreinigungen erfaßt und aussortiert werden. Durch die rasche und einfache meßtechnische Erfassung von Verunreinigungen läßt sich dieses Verfahren gut in automatisierte schnellaufende Fertigungsprozesse integrieren.

Erfaßt werden nahezu alle unerwünschten festen - z. B. Rückstände des Glas­ formungsprozesses - und/oder flüssigen und/oder gas- bzw. dampf­ förmigen Verunreinigungen, die beispielsweise während des Abpump- oder Füllprozesses in das Lampengefäß gelangen können. Insbesondere umfassen die nachweisbaren Verunreinigungen die Elemente Sauerstoff (O), Wasser­ stoff (H), Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Silizium (Si) oder auch Verbin­ dungen dieser Elemente, beispielsweise Wasser (H₂O) oder Kohlenwasser­ stoffe (CH) u. a.. Ursache dieser Verunreinigungen können Leckagen bzw. Defekte im Pumpsystem (z. B. O, H₂O, Öldämpfe) sein oder einzelne kon­ taminierte Komponenten (z. B. O von oxidierten Elektrodenoberflächen, H₂O eingelagert in Elektrodenoberflächen oder hygroskopischen Metall­ halogeniden). Silizium kann als Belag auf den Elektroden auftreten, ver­ ursacht z. B. durch fehlerhafte Quetschungen des Lampenkolbens.

In der Lampentechnik werden u. a. Edelgase verwendet, z. B. Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe) oder Helium (He). Diese weisen Spektrallinien auf, deren Anregungsenergien entsprechend hoch (typisch größer 10 eV) und damit für das Verfahren geeignet sind. Ein weiteres Kriterium für die Taug­ lichkeit von Spektrallinien ist eine ausreichend über dem Rauschen liegende Intensität. Diese Forderungen werden in idealer Weise durch die Spektral­ linien des Argons mit den Wellenlängen λ₁ = 738,4 nm, λ₂ = 772,4 nm und λ₃ = 811,5 nm erfüllt. Falls das zu untersuchende Gas aus Argon besteht bzw. das Gasgemisch Argon enthält, werden daher bevorzugt eine oder mehrere dieser Spektrallinien für das Verfahren verwendet. Im Einzelfall werden ggf. diejenigen Spektrallinien ausgewählt, die nicht durch die Linien anderer Füllungsbestandteile und deren Verbindungen überdeckt werden. In einer besonders bevorzugten Variante wird der Nachweis mit Hilfe des Quotienten der Intensitäten der Argon-Spektrallinien mit den Wellenlängen λ₁ = 772,4 nm und λ₂ = 738,4 nm durchgeführt.

Zur Verdeutlichung der Zusammenhänge sind in der folgenden Tabelle 1 einige relevante Anregungsenergien für Argon und für die Verunreini­ gungen Wasserstoff (H), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C) und Silizium (Si) sowie die Wellenlängen der zugehörigen Spektrallinien ange­ geben. Daraus ist zu ersehen, daß die Anregungsenergien der Verunreini­ gungen z. T. erheblich unterhalb jener für Argon liegen.

Tabelle 1

Anregungsenergien und entsprechende Wellenlängen der korre­ spondierenden optischen Übergänge für Argon und einige mög­ liche Verunreinigungen ("Quenchpartner").

Bei molekularen Verunreinigungen, wie z. B. Wasser (H₂O), OH-Radikale, Kohlenwasserstoffe usw., treten neben den elektronischen Anregungen noch die Verlustkanäle der Rotations- und Vibrationsanregung auf. Die dafür erforderlichen Energien liegen im meV-Bereich bzw. betragen wenige eV (kleiner ca. 3 eV) und sind somit in jedem Fall deutlich kleiner als die erforderlichen Anregungsenergien für Argon.

In einer weiteren konkreten Ausführung des Verfahrens wird gezielt die Intensität einer oder mehrerer Spektrallinien der jeweiligen Verunreinigung gemessen. Der Vorteil ist, daß mit Hilfe dieses direkten Verfahrens die je­ weilige Verunreinigung spezifisch nachgewiesen, d. h. identifiziert und mit­ tels einer Kalibriermessung ihre Konzentration bestimmt werden kann. Dies erleichtert das Auffinden der Ursache für die jeweilige Verunreinigung, z. B. ein defektes Pumpsystem beim Auftreten von Kohlenwasserstoff- Verbindungen (Öldämpfe). Der Nachteil ist, daß dieses direkte Verfahren relativ aufwendig ist, da für jede mögliche Verunreinigung jeweils die Intensität mindestens einer Linie (bzw. Bande) gemessen und ausgewertet werden muß.

Für die Bestimmung der Konzentration der Moleküle N₂, CN, CH oder C₂ eignen sich beispielsweise die Intensitäten der zugehörigen Molekular­ banden bei den Wellenlängen 357,7 nm, 388,34 nm, 388,9 nm bzw. 468,48 nm und 516,5 nm. Zur Eliminierung gleichphasiger Störungen werden diese Meßwerte auf die Intensität einer geeigneten druckunabhängigen Spektral­ linie bezogen. Bei der Anwesenheit von Argon eignet sich beispielsweise die Spektrallinie mit der Wellenlänge 738,4 nm. Tabelle 2 zeigt eine Aufstellung einiger für Entladungslampen typische Verunreinigungen. Ebenfalls auf­ gelistet sind die für deren direkten Nachweis geeigneten Wellenlängen.

Tabelle 2

Für Entladungslampen typische Verunreinigungen und für deren direkten Nachweis geeignete Wellenlängen.

Ein erweitertes zweistufiges Verfahren kombiniert die direkte und die in­ direkte Meßmethode. In der ersten Verfahrensstufe wird zunächst gemäß der indirekten Meßmethode überprüft, ob überhaupt eine Verunreinigung vorliegt. Nur wenn dies der Fall ist, wird in der zweiten Verfahrensstufe mittels der direkten Meßmethode eine qualitative und/oder quantitative Bestimmung der einzelnen Bestandteile der Verunreinigung vorgenommen.

Eine weitere Variante des Verfahrens dient zur Beurteilung der Qualität von Entladungslampen, insbesondere Metallhalogenid-Hochdruck-Entladungs­ lampen. In diesem Fall wird optional zusätzlich die zeitabhängige Intensi­ tätsänderung der Spektrallinien während der Anlaufphase der Lampen für die Beurteilung der Elektrodenqualität genutzt. Zu diesem Zweck wird mit­ tels der Lampenelektroden eine Glimmentladung innerhalb des Entladungs­ gefäßes der Lampe erzeugt. Je nach Beschaffenheit und Zustand der Elek­ trode - z. B. Oberfläche, Geometrie, Material - brennt diese Glimmentladung beispielsweise zunächst am Elektrodenschaft und wandert dann zur Elek­ trodenspitze. Die Zeitdauer, die hierfür nötig ist, hängt von der Qualität der Elektrode ab und schwankt typisch zwischen einigen zehntel Sekunden und einigen Sekunden. Sie verlängert sich bei oxidierter und/oder durch Quarz oder andere Ablagerungen verunreinigter Elektrode sowie bei ungeeigneter Elektrodengeometrie. Desweiteren wird das Anlaufverhalten durch im Ent­ ladungsgefäß ggf. befindliche Verunreinigungen und zu geringen Fülldruck des Zündgases, z. B. Argon, beeinflußt. Liegen die Dauer der Anlaufphase sowie der Intensitätsverlauf der Spektrallinien während der Anlaufphase innerhalb vorgegebener Toleranzbereiche, so erfüllt die Lampe die Quali­ tätsanforderungen. Andernfalls kann sie als fehlerhaft oder untauglich aussortiert werden.

Bei Entladungslampen mit festen oder flüssigen Füllungsbestandteilen wird die Glimmentladung vorteilhaft nur mit kleiner Leistung und/oder nur kurzzeitig, z. B. intermittierend betrieben. Auf diese Weise wird verhindert, daß ein signifikanter Anteil dieser Füllungsbestandteile in die Dampfphase übergeht. Andernfalls könnten nämlich Spektrallinien des Dampfes angeregt werden, die Spektrallinien eventuell vorhandener Verunreinigungen über­ decken und so Fehlmessungen verursachen.

In einer konkreten Ausführung des Verfahrens zur Bestimmung des Drucks von Argon wird die Intensität der Spektrallinie mit der Wellenlänge von λ = 763,5 nm bestimmt. In einem weiten Druckbereich, insbesondere im Be­ reich zwischen ca. 0,1 kPa und ca. 40 kPa, nimmt die Intensität dieser Spek­ trallinie mit dem Druck zu. Mittels Kalibriermessungen wird aus der Inten­ sität direkt der Druck ermittelt. In einer ratiometrischen Variante wird diese Intensität auf die gemessene druckunabhängige Intensität einer zweiten Spektrallinie bezogen. Geeignet ist beispielsweise die Spektrallinie des Argon mit einer Wellenlänge von 738,4 nm.

Eine geeignete Anordnung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Ver­ fahren besteht aus einem Gefäß, in dem sich das Gas bzw. Gasgemisch und die darin ggf. enthaltenen Verunreinigungen befinden, einer Energieversor­ gungseinheit, welche über eine Einkoppelvorrichtung mit dem Gefäß ver­ bunden ist und die Gasentladung, insbesondere eine Glimmentladung er­ zeugt, einer spektroskopischen Meßvorrichtung, welche die Intensität(en) der Spektrallinie(n) mißt sowie einer Auswertevorrichtung, welche aus den Meßwerten ggf. eine Verunreinigung nachweist bzw. spezifische Verunrei­ nigungen identifiziert sowie deren Konzentrationen angibt und/oder den (Partial)Druck des Gases oder der Gaskomponenten des Gasgemisches er­ mittelt.

Das Gefäß kann beispielsweise ein Lampenkolben sein oder ein mit dem Pump- oder Gasmischsystem einer Lampenfertigungslinie verbundenes Probengefäß.

Als Energieversorgungseinheit eignet sich z. B. ein Hochfrequenzgenerator. In diesem Fall kann die Einkoppelvorrichtung entweder aus innerhalb des Entladungsgefäßes angeordneten Elektroden, beispielsweise den Lampen­ elektroden einer Entladungslampe, oder auch aus externen Elektroden be­ stehen. Im letzteren Fall werden mit dem Hochfrequenzgenerator ver­ bundene Elektroden auf der Außenwandung des Gefäßes angebracht. Diese Variante wird auch als kapazitive Hochfrequenzentladung mit dielek­ trischen Elektroden bezeichnet. Sie eignet sich insbesondere auch für die Anwendung auf elektrische Glühlampen, wobei hier alternativ auch die Glühwendel selbst als eine interne Elektrode dienen kann. In diesem Fall wird nur noch eine externe (dielektrische) Elektrode benötigt. Ebenso kann das Gefäß im Innern einer durch den Hochfrequenzgenerator gespeisten Spule angeordnet sein, so daß eine induktive Hochfrequenzentladung vor­ liegt.

Die spektrale Trennvorrichtung besteht im einfachsten Fall aus einem schmalbandigen optischen (Interferenz)Filter - typische Auflösungen be­ tragen zwischen ca. 5 nm und 10 nm - pro zu messender Spektrallinie. Alter­ nativ eignet sich ein Spektrometer, welches die Strahlung mittels dispersiver Elemente - beispielsweise Prismen oder Gitter - in ihre spektralen Anteile zerlegt, d. h. ein optisches Spektrum erzeugt. Ein weiterer Vorteil ist die hö­ here Auflösung eines Spektrometers - typisch 1 nm und weniger. Zur Er­ höhung der Nachweisgrenze kann es vorteilhaft sein, zusätzlich optische Elemente, z. B. Linsen oder Spiegel zwischen dem Gefäß und der spektralen Trennvorrichtung anzubringen, welche der Führung und Bündelung der Fluoreszenzstrahlung hin zur spektralen Trennvorrichtung dienen.

Die Auswertevorrichtung weist im einfachsten Fall ein oder mehrere Detek­ torelemente auf, beispielsweise Fotodioden oder eine Diodenzeile bzw. ein Diodenarray. Die Detektorelemente wandeln die spektralen Anteile der Strahlung in - ihrer jeweiligen Intensität entsprechende - Spannungssignale. Eine Anzeigeneinheit macht die Spannungssignale in analoger oder digitaler Darstellung sichtbar. Darüber hinaus können die Spannungssignale auch einem elektronischen Rechner zugeführt werden, der beispielsweise die Quotientenbildung der ratiometrischen Varianten ausführt. Mit dem Er­ gebnis und anhand der Kalibrierwerte kann dann die Konzentration ein­ zelner Verunreinigungen sowie der Gasdruck errechnet und ausgegeben werden. Zur Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses und/oder um die Auswirkungen stochastischer Intensitätsschwankungen auf die Meßergeb­ nisse zu vermindern, ist es vorteilhaft, mit Hilfe des Rechners eine kummu­ lative Mittelung über mehrere gleichartige Messungen durchzuführen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele nä­ her erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung für den spek­ troskopischen Nachweis von Verunreinigungen sowie die Bestim­ mung des Gasdrucks in einem Probengefäß,

Fig. 2 das mit der Anordnung aus Fig. 1 ermittelte Verhältnis der Intensi­ täten zweier Spektrallinien von Argon mit den Wellenlängen 763,5 nm und 738,4 nm als Funktion des Argonfülldrucks im Pro­ bengefäß 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung für den spek­ troskopischen Nachweis von Verunreinigungen innerhalb des Ent­ ladungsgefäßes einer Lampe.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durch­ führung des Verfahrens zum Nachweis und zur Bestimmung der Kon­ zentration von Verunreinigungen sowie zur Bestimmung des Gasdrucks in einem Probengefäß. Die Anordnung besteht aus einem rohrförmigen Pro­ bengefäß 1 (im Querschnitt dargestellt) aus Glas, einem massiven recht­ eckigen Klotz 2 aus Teflon, der das Probengefäß 1 teilweise umgibt, zwei metallischen stiftartigen Elektroden 3, 4, die teilweise in den Klotz 2 hinein­ ragen und dort diametral gegenüberstehend auf der Außenwandung des Probengefäßes 1 angeordnet sind, einem Hochspannungsübertrager 5, des­ sen Primärwicklung 6 mit einem Hochfrequenzsender 7 und dessen Se­ kundärseite 8 mit den Elektroden 3, 4 verbunden sind, einem Trigger- Impulsgenerator 9, der mit dem Hochfrequenzsender 7 verbunden ist, einem Lichtwellenleiter 10, dessen erstes Ende in einen Teil des Klotzes 2 hinein­ ragt und in der Nähe der Außenwandung des Probengefäßes 1 angeordnet ist, einem unmittelbar vor der Stirnseite des ersten Endes des Lichtwellen­ leiters 10 angeordneten Ordnungsfilter 11, einem optischen Spektrometer 12, dessen Eingang mit dem zweiten Ende des Lichtwellenleiters 10 und dessen Ausgang mit einem Rechner 13 verbunden ist sowie einem metallischen Abschirmgehäuse 14, welches den Klotz 2 mit dem Probengefäß 1, den Elek­ troden 3, 4, dem Ordnungsfilter 11 und dem Hochspannungsübertrager 5 umgibt, wobei der Lichtwellenleiter 10 und die Verbindungskabel zwischen Hochspannungsübertrager 5 und Hochfrequenzsender 7 durch ent­ sprechende Öffnungen im Abschirmgehäuse 14 hindurch in dessen Inneres geführt sind.

Der Durchmesser des rohrförmigen Probengefäßes 1 beträgt ca. 20 mm. An seinen beiden Stirnseiten weist es je einen Metallflansch auf (in der schema­ tischen Querschnittsdarstellung des Probengefäßes 1 nicht dargestellt). Mittels der Metallflansche wird das zuvor evakuierte Probengefäß 1 in der Lampenfertigung typisch mit einem Gasfüll- und Pumpsystem oder einer gasgefüllten Fertigungszelle - auch als "Glovebox" bezeichnet - verbunden und mit dem Arbeits- oder Füllgas bzw. -gasgemisch gefüllt. Das Gas bzw. Gasgemisch im Innern des Probengefäßes 1 wird mit Hilfe der Elektroden 3, 4, des Hochspannungsübertragers 5 und des Hochfrequenzsenders 7 ioni­ siert. Zu diesem Zweck liefert der Hochfrequenzsender 7 eine Wechsel­ spannung mit einer Frequenz von ca. 120 kHz, die mittels des Hoch­ spannungsübertragers 5 einen Spitze-Spitzewert von bis zu 49 kV zwischen den Elektroden 3, 4 erreicht. Die maximale Leistungseinkopplung in die Gasentladung beträgt ca. 200 W. Angesteuert wird der Hochfrequenzsender 7 durch den Trigger-Impulsgenerator 9. Ein Teil der Fluoreszenzstrahlung der Gasentladung wird über das Ordnungsfilter 11, welches nur Strahlung oberhalb ca. 300 nm transmittiert, in den Lichtwellenleiter 10 eingespeist. Diese Strahlung wird dem Spektrometer 12 zugeführt, welches eine Brenn­ weite von 0,5 m und ein Gitter (nicht dargestellt) mit 100 Linien pro mm aufweist. Das vom Gitter erzeugte Spektrum wird auf ein Diodenarray (nicht dargestellt) abgebildet. Die einzelnen Dioden des Arrays wandeln die Strahlungsintensitäten schmaler Wellenlängenbereiche von 0,5 nm in ent­ sprechende Spannungssignale. Die Spannungssignale werden zur Weiter­ verarbeitung gemäß der erfindungsgemäßen Verfahren an den Rechner 13 geleitet.

Fig. 2 zeigt exemplarisch die mit der Anordnung aus Fig. 1 erzielten Meßergebnisse verschiedener Argonfülldrücke. Dargestellt ist das Verhältnis V der Intensitäten zweier Spektrallinien von Argon mit den Wellenlängen 763,5 nm und 738,4 nm in beliebigen Einheiten als Funktion des Argon­ fülldrucks p in kPa im Probengefäß 1 aus Fig. 1. Wie der Fig. 2 zu ent­ nehmen ist, nimmt das Verhältnis mit dem Druck zunächst stetig zu. Ab einem Druck von ca. 20 kPa bleibt das Verhältnis über einen weiten Druck­ bereich im wesentlichen konstant. Ursache hierfür ist die auf 49 kV be­ grenzte Elektrodenspannung. Wie Vergleichsmessungen mit einem piezo­ resistiven Manometer zeigen, läßt sich der Druck mit der Anordnung aus Fig. 1 und dem geschilderten Verfahren bis zu einem Argonfülldruck von ca. 20 kPa mit einer Genauigkeit von 5% bestimmen.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Nachweis von Verunreinigungen inner­ halb des Entladungsgefäßes einer Lampe. Die Anordnung besteht aus einer Metallhalogenid-Hochdruckentladungslampe 15, einem Hochfrequenz­ sender 16, der mit den Elektroden der Lampe 15 verbunden ist und von einem Trigger-Impulsgenerator 17 angesteuert wird, einem halbdurch­ lässigen Spiegel 18, zwei Interferenzfiltern 19, 20 mit jeweils nachfolgender Fotodiode 21, 22 - wobei der erste Interferenzfilter 19 inklusive zugehöriger Fotodiode 21 der transmittierenden und der zweite Interferenzfilter 20 inklusive zugehöriger Fotodiode 22 der reflektierenden Seite des Spiegels 18 zugewandt sind -, einem mit den Fotodioden 21, 22 verbundenem Zwei­ kanal-Voltmeter 23 sowie einem Rechner 24, der mit den beiden Kanälen des Voltmeters 23 verbunden ist.

Mit Hilfe des Hochfrequenzsenders 16 wird für eine kurze Zeitspanne, typisch einige zehntel Sekunden bis einige Sekunden, eine Glimmentladung kleiner Leistung, typisch einige zehntel Watt bis einige Watt, gezündet. Da­ durch wird einerseits das Zündgas Argon sowie die ggf. vorhandenen Ver­ unreinigungen innerhalb der Lampe 15 zur Fluoreszenz angeregt, anderer­ seits aber eine signifikante Anregung der restlichen Füllungsbestandteile der Lampe verhindert. Die Interferenzfilter 19 und 20 sind nur für Strahlung in einem Bereich von ± 2 nm um die Wellenlänge von ca. 738,5 nm bzw. 772,4 nm transparent. Die Fotodioden 21, 22 erzeugen jeweils der Intensität der spektralen Strahlungsanteile entsprechende Spannungssignale, die von den beiden Kanälen des Voltmeters 23 gemessen werden. Der Rechner 24 liest die beiden Kanäle aus, errechnet das Verhältnis der entsprechenden Spannungswerte und ermittelt daraus und mittels eines Kalibrierwertes eine Maßzahl. Liegt die Maßzahl innerhalb eines Toleranzbereichs erfüllt die Lampe 15 die Qualitätsanforderungen. Andernfalls wird sie aufgrund un­ akzeptabler Verunreinigungen als fehlerhaft aussortiert.

Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele be­ schränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale unterschiedlicher Aus­ führungsbeispiele auch miteinander kombiniert werden.

Claims (31)

1. Verfahren zum Nachweis von Verunreinigungen in Gasen, insbe­ sondere Edelgasen, oder Gasgemischen für elektrische Lampen oder Strahler, wobei das Gas bzw. die Gaskomponenten des Gasgemisches und die darin ggf. enthaltenen Verunreinigungen mittels einer Gas­ entladung zur Aussendung elektromagnetischer Strahlung angeregt und zum Nachweis der Verunreinigungen die Intensität eines spek­ tralen Anteils dieser Strahlung gemessen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als spektraler Anteil gezielt mindestens eine Spektrallinie mit im relevanten Bereich weitgehend druckunabhängiger Intensität selektiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gezielt die­ jenige(n) Spektrallinie(n) des Gases bzw. der Gaskomponente selektiert wird (werden), deren Wellenlänge(n) einer höheren Anregungsenergie entspricht (entsprechen) als jene der nachzuweisenden Verunreini­ gungen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß, falls das Gas aus Argon besteht bzw. das Gasgemisch Argon enthält, eine oder mehrere der Spektrallinien von Argon mit den folgenden Wellenlängen selektiert wird bzw. werden: 738,4 nm, 772,4 nm, 811,5 nm.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gezielt eine Spektrallinie der jeweiligen Verunreinigung selektiert wird, wobei die Intensität dieser Spektrallinie ein direktes Maß für die Konzentration der entsprechenden Verunreinigung ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ unreinigungen eines oder eine Kombination der Moleküle N₂, CN, CH oder C₂ umfassen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spektrallinie eine Wellenlänge von 357,7 nm, 388,34 nm, 388,9 nm oder 468,48 nm bzw. 516,5 nm aufweist und jeweils ein spektraler Aus­ schnitt aus einer Molekularbande des zugehörigen Moleküls ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, falls das Gas aus Argon besteht bzw. das Gasgemisch Argon enthält, die spektrale Intensität der Verunreinigung auf die Intensität einer weit­ gehend druckunabhängigen Argonlinie normiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen­ länge der Argonlinie 738,4 nm beträgt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient der Intensitäten zweier Spektrallinien gebildet wird, wobei die beiden Spektrallinien eng be­ nachbart sind, so daß Rauschsignale und gleichphasige Störsignale bei der Quotientenbildung weitgehend eliminiert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dif­ ferenz der Wellenlänge beider Spektrallinien weniger als ca. 100 nm be­ trägt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dif­ ferenz bevorzugt weniger als 50 nm beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Quotientenbildung Spektrallinien mit Wellenlängen im Bereich zwi­ schen 650 nm und 1000 nm selektiert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß, falls das Gas aus Argon besteht bzw. das Gasgemisch Argon enthält, der Quo­ tient aus den Intensitäten der Spektrallinien des Argons mit den Wel­ lenlängen λ₁ = 772,4 nm und λ₂ = 738,4 nm gebildet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ entladung im Glimmbereich betrieben wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ entladung mittels Hochfrequenz erzeugt wird.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung im Innern einer Hoch­ druck-Entladungslampe erzeugt wird, wobei außer der Höhe der Intensität mindestens einer Spektrallinie optional zusätzlich die Zeit­ dauer, bis die Intensität nach der Anlaufphase der Lampe ihren quasi stationären Wert erreicht habt gemessen wird und wobei aus der Höhe der Intensität und aus der Zeitdauer die Verunreinigung der Lampen­ füllung sowie die Elektrodenqualität ermittelt werden.

17. Verfahren zur Bestimmung des Drucks von Gasen, insbesondere Edel­ gasen, oder der Gaskomponenten von Gasgemischen für elektrische Lampen oder Strahler, wobei das Gas bzw. die Gaskomponenten mit­ tels einer Gasentladung zur Aussendung elektromagnetischer Strah­ lung angeregt und aus der Intensität eines spektralen Anteils dieser Strahlung die Höhe des (Partial)Drucks ermittelt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als spektraler Anteil der Strahlung gezielt min­ destens eine Spektrallinie des Gases bzw. der Gaskomponente mit druckabhängiger Intensität selektiert wird, wobei aus der Intensität bzw. aus den Intensitäten der (Partial)Druck des Gases bzw. der ent­ sprechenden Gaskomponente bestimmt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß, falls das Gas aus Argon besteht bzw. das Gasgemisch Argon enthält, der (Partial)Druck des Argon aus der Intensität der Spektrallinie mit der Wellenlänge λ ≈ 763,5 nm bestimmt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck aus dem Quotient der Intensitäten zweier Spektrallinie ermittelt wird, wobei die Intensität der zweiten Spektrallinie druckunabhängig ist und wobei die beiden Spektrallinien so eng benachbart sind, daß Rausch­ signale und gleichphasige Störsignale bei der Quotientenbildung weit­ gehend eliminiert werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffe­ renz der Wellenlänge beider Spektrallinien weniger als ca. 100 nm be­ trägt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffe­ renz bevorzugt weniger als 50 nm beträgt.

22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß, falls das Gas aus Argon besteht bzw. das Gasgemisch Argon enthält, zur Quo­ tientenbildung insbesondere die Intensität der Spektrallinie des Argon mit der Wellenlänge 738,4 nm verwendet wird.

23. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ent­ ladung im Glimmbereich betrieben wird.

24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ entladung mittels Hochfrequenz erzeugt wird.

25. Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens mit Merkmalen, die in den Ansprüchen 1 bis 16 oder 17 bis 24 beschrieben sind, gekenn­ zeichnet durch ein Gefäß (1; 15), in dem sich das Gas bzw. Gasgemisch und die darin ggf. enthaltenen Verunreinigungen befinden, eine Ener­ gieversorgungseinheit (7; 16), welche über eine Einkoppelvorrichtung (3, 4, 5) mit dem Gefäß (1) verbunden ist und die Gasentladung er­ zeugt, eine spektroskopische Meßvorrichtung (12; 18-22), welche die Intensität(en) der Spektrallinie(n) mißt sowie eine Auswertevorrich­ tung (13; 23, 24), welche aus den Meßwerten die Konzentration der Verunreinigungen bzw. den (Partial)Druck des Gases oder der Gas­ komponente ermittelt.

26. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgungseinheit aus einem Hochfrequenzsender (7; 16) be­ steht und daß die Einkoppelvorrichtung aus einem Hochspannungs­ übertrager (5) und zwei HF-Elektroden (3, 4) besteht, wobei die HF- Elektroden mit der Sekundärwicklung (8) und der Hochfrequenzsender (7) mit der Primärwicklung (6) des Hochspannungsübertrager (5) verbunden sind.

27. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß aus einem Entladungsgefäß einer Entladungslampe (15) besteht, wobei im Innern des Entladungsgefäßes zwei Lampenelektroden angeordnet sind, die jeweils mit gasdicht nach außen führenden Stromzufüh­ rungen verbunden sind, die ihrerseits mit der Energieversorgungs­ einheit (16) verbunden sind, so daß die Lampenelektroden Bestandteil der Einkoppelvorrichtung sind.

28. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß min­ destens eine der HF-Elektroden (3, 4) auf der Außenwandung des Ge­ fäßes angeordnet ist.

29. Anordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß aus dem Lampenkolben einer Glühlampe besteht, auf dessen Außen­ wandung eine erste HF-Elektrode angebracht ist, wobei im Innern des Kolbens eine Glühwendel angeordnet ist, die mit einer gasdicht nach außen führenden Stromzuführung verbunden ist, die ihrerseits mit dem Hochfrequenzsender verbunden ist, so daß die Glühwendel als zweite HF-Elektrode dient.

30. Anordnung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die spek­ trale Meßvorrichtung aus einem Spektrometer mit Detektoren besteht, wobei mittels des Spektrometers die Strahlung in ihre spektralen An­ teile zerlegt, diese den Detektoren zugeführt und von letzteren in ihrer Intensität entsprechende elektrische Signale gewandelt werden.

31. Anordnung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Aus­ wertevorrichtung aus einem Rechner besteht, der die elektrische Si­ gnale einliest, weiterverarbeitet und als Ergebnis den Wert des Gas­ drucks und oder die Konzentration der Verunreinigung(en) ausgibt.