DE19602924A1 - Entladungslampe zur Resonanzmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrodenlose Entladungslampe zur Resonanzmessung insbesondere von Stickoxid gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für Resonanzmessungen von Stickoxid im ultravioletten Spektralbereich setzt man elektrodenlose Entladungslampen ein, die mit Stickstoff und Sauerstoff bei einem be­ stimmten Partialdruck gefüllt sind. Die entsprechende Stickoxydstrahlung wird durch eine Plasmaentladung erzeugt. Die Anregung der Plasmaentladung erfolgt hierbei durch eine Hochfrequenzspule. Eine Plasmaentladung wird ursächlich durch Stoßioni­ sation, angeregt durch Hochfrequenzenergie, erzeugt. Durch Stoßionisation werden die Moleküle des Gases zum einen dissoziiert und zum anderen entweder ganz oder teilweise von ihren Elektronenhüllen befreit, also ionisiert. Eine solche Plasmaentla­ dung läßt sich - wie gesagt - alleine durch die Existenz eines Hochfrequenzfeldes er­ zeugen. Es kann dabei auf Elektroden verzichtet werden.

Gegenüber Hohlkathodenlampen mit gleicher Befüllung bieten solche Plasmaentla­ dungslampen den Vorteil, daß aufgrund der Tatsache, daß sie keine Elektroden besit­ zen, auch keine Gasaufzehrung an den Elektroden stattfinden kann. Generell haben bekannte elektrodenlose Lampen deshalb bezogen auf das gleiche Gasvolumen von Hohlkathodenlampen eine deutlich höhere Lebensdauer. Eine solche Abhängigkeit läßt sich auch dahingehend ausnutzen, daß elektrodenlose Entladungslampen bei gleicher Lebensdauer ein wesentlich kleineres Gasvolumen aufweisen können und sich somit entsprechend kleinbauend darstellen lassen. Es stellt sich jedoch bei kleinbauenden Entladungslampen dieser Art der Effekt ein, daß trotz Abwesenheit von Elektroden eine Gasaufzehrung stattfindet, die die Lebensdauer begrenzt. Aufgezehrt wird dabei in erster Linie der Sauerstoffanteil der Füllung. Ist dieser Sauerstoffanteil verbraucht, kann keine Stickoxidstrahlung mehr erzeugt werden. Für die Sauerstoffaufzehrung ist die Wechselwirkung zwischen Plasma und der Wand des Entladungsgefäßes verant­ wortlich. Bei dieser Erkenntnis kommt natürlich auch der geometrische Effekt zum Tragen, daß je kleinbauender die beispielsweise aus Glas bestehende Lampe wird, das Verhältnis von innerer Oberfläche zu Gasvolumen immer größer wird. D. h. je klei­ ner das eigentliche Lampengefäß wird, um so mehr Wandwechselwirkungen finden mit dem verbleibenden bzw. eingeschlossenen Gasvolumen statt. Zur Verlängerung der Lebensdauer ist aus der DE 41 38 425 C1 bekannt, eine wasserdampfspeichernde Substanz in das Gasvolumen der Lampe einzubringen, sowie dem Füllgas Wasser­ dampf beizugeben. Eine solche Anordnung hat den Nachteil, daß sie nicht nur dann Sauerstoff nachliefert, wenn die Entladung stattfindet, sondern z. B. auch im abge­ schalteten Zustand bei ansteigender Temperatur. Die Sauerstoffregelung ist somit recht grob und relativ großen Schwankungen unterworfen. Ferner findet durch den permanent in der Gasfüllung vorkommenden Wasserdampf ein gewisser Quench- Effekt statt, der die Strahlungsintensität teilweise stark vermindert.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, das Sauerstoffgleichgewicht innerhalb der elektrodenlosen Lampe zur Erhöhung der Lebensdauer zu verbessern.

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Glas insgesamt, im speziellen zumindest die Innenfläche des Lampengefäßes hinsichtlich der Glaszu­ sammensetzung einen derart höheren Anteil an Hydroxydionen (OH⁻) aufweist, daß sich während des Betriebes aufgrund der Plasmawandwechselwirkung ein Gleichge­ wicht von adsorbiertem bzw. chemisorbiertem Sauerstoff und der Einbringung von Hydroxydionen von der Glaswandung in das Gasvolumen ergibt. Die Einbringung von Hydroxydionen von der Glaswandung in das Gasvolumen kann ursächlich durch ver­ schiedene Mechanismen ausgelöst sein. Zum einen kann dies eine reine Desorption von Hydroxydionen sein, zum anderen kann durch die beschriebene Plasmawand­ wechselwirkung eine Herauslösung von Hydroxydionen durch Sputtering entstehen.

Die Grundidee besteht darin, eine definierte Sauerstoffmenge während der Entladung nachzuliefern, so daß nur dann Sauerstoff nachgeliefert wird, wenn auch Sauerstoff aufgezehrt wird. Dies wird durch die Erfindung durch die Anreicherung des Glases mit einem entsprechend höheren Hydroxydionenanteil bzw. durch Auswahl einer bestimm­ ten Glassorte mit höherem Hydroxidionenanteil erreicht. Die von der Glasoberfläche innen desorbierenden bzw. ausgelösten Hydroxydionen desorbieren aufgrund der Plasmawandwechselwirkung. Gleichzeitig werden aufgrund der Plasmawandwechsel­ wirkung auch Sauerstoffatome wiederum in die Glasoberfläche adsorbierend bzw. chemisorbierend eingebracht. Es entsteht somit ein Austauschgleichgewicht von Sau­ erstoff. Die desorbierenden Hydroxydionen werden während des Betriebes, also wäh­ rend dem die Plasmastrecke steht, innerhalb derselben dissoziiert, so daß der Sauer­ stoff in atomarer Form vorliegt und gemeinsam mit dem Stickstoff die entsprechende Stickoxidstrahlung erzeugt. Ein wesentlicher Vorteil ist dabei, daß aufgezehrter Sau­ erstoff nur dann nachgeliefert wird, während dem auch die Plasmastrecke brennt. Es treten keine Desorptionen außerhalb der eigentlichen Betriebszeit bzw. Betriebsphase auf. Durch die entsprechend gewählte mengenmäßige Anreicherung von Hydroxydio­ nen im Glas wird zum anderen auch erreicht, daß die Menge der desorbierenden Hydroxydionen in etwa der Menge des ad- bzw. chemisorbierten Sauerstoffes, also des aufgezehrten Sauerstoffes entspricht. Nachgeliefert wird Sauerstoff somit zeitlich nur dann, solange auch Sauerstoff aufgezehrt wird. Dies führt zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer solcher Entladungslampen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt und im nachfolgen­ den näher beschrieben:

Aus der Zeichnung ist ein Lampengefäß, ein sogenanntes Entladungsgefäß E ersicht­ lich, welches von einer Hochfrequenzspule S umgeben ist. Diese Spule S ist mit einer Hochfrequenzquelle verbunden, die hier nicht weiter dargestellt ist, und dient zur Er­ zeugung des Hochfrequenzfeldes zur Anregung der Plasmaentladung. Das Entla­ dungsgefäß E besteht dabei aus einer speziellen Quarzglassorte Q, die eine bestimm­ te OH-Konzentration aufweist. Diese ist erfindungsgemäß, wie oben beschrieben, fest­ zulegen. Während der Plasmaentladung tritt das Plasma P mit der Wandung W des Entladungsgefäßes in Wechselwirkung. Einerseits wird dadurch Sauerstoff in bekann­ ter Weise aufgezehrt, wie oben beschrieben, andererseits werden in erfindungsgemä­ ßer Weise OH-Ionen aus dem Glas freigesetzt, die nun als frischer Sauerstoffvorrat der Entladung zur Verfügung stehen. Das Hydroxydion kann in der Entladung dissozi­ ieren, so daß freie Sauerstoffatome der Entladung zugeführt werden. Der Sauerstoff­ vorrat reicht somit deutlich länger als bei Entladungslampen der bisher bekannten Art.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Glas des Entladungsgefäßes zu­ mindest an der dem Brennraum zugewandten Innenfläche als Sauerstoffdonator fun­ gierend ausgebildet. Die der Entladungslampe zugeführte Energie hält ein Plasma bestimmter Energie aufrecht. Diese Plasmaenergie ist auf die Konzentration der Hydroxydionen entsprechend eingestellt, daß das auf die Innenwandung des Entla­ dungsgefäßes einwirkende Plasma während des Betriebes ein Gleichgewicht von auf­ gezehrtem und nachgeliefertem Sauerstoffanteil aus der Wandung einstellt. Eine vor­ teilhafte Konstellation ergibt sich aus der Verwendung einer Glassorte für das Entla­ dungsgefäß, bei der die Hydroxydkonzentration im Bereich von 0,1 Massenprozent liegt. Daraus ergibt sich eine auf die Spule S aufgegebene elektrische Leistung von ca. 3 Watt. Bei diesen Parametern stellt sich das entsprechende erfindungsgemäße Gleichgewicht ein.

Claims (4)

1. Elektrodenlose Entladungslampe mit einer aus Stickstoff und Sauerstoff beste­ henden Gasfüllung zur Erzeugung einer Stickoxid-Resonanzstrahlung, wobei das Lampengefäß d. h. das Entladungsgefäß der Entladungslampe aus Glas besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (E) zumindest im Bereich nahe der dem Brennraum des Entladungsgefäßes zugewandten Innenfläche aus einer Glassorte mit ei­ nem erhöhten Sauerstoffgehalt besteht.

2. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere Sauerstoffanteil im Glas des Entladungsgefäßes (E) durch Hydroxyd dargestellt wird.

3. Verfahren zum Betrieb einer elektrodenlosen Entladungslampe mit einer aus Stickstoff und Sauerstoff bestehenden Gasfüllung zur Erzeugung einer Stickoxyd-Resonanzstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas des Entladungsgefäßes (E) zumindest an der dem Brennraum zugewandten Innenfläche als Sauerstoffdonator fungiert, daß die der Entla­ dungslampe zugeführte Energie ein Plasma bestimmter Energie aufrechterhält, derart, daß das auf die Innenwandung des Entladungsgefäßes (E) einwirkende Plasma während des Betriebes ein Gleichgewicht von aufgezehrtem und nach­ geliefertem Sauerstoffanteil aus der Wandung einstellt.

4. Elektrodenlose Entladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der in das Glas des Entladungsgefäßes eingebrachten sauerstoffdonierenden Substanz auf die eingestellte Plasmaenergie abgestimmt ist, so daß ein Gleichgewicht von aufgezehrtem Sauerstoff und nachgeliefertem Sauerstoff entsteht.