DE19628925A1 - Entladungslampe mit einer Füllung, die Deuterium, Wasserstoff, Quecksilber, Metallhalogenid oder Edelgas aufweist - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe mit einer Füllung, die Deuterium, Wasserstoff, Quecksilber, Metallhalogenid oder Edelgas aufweist, in einem Lampenkolben aus Quarzglas oder hochsilikatischem Glas mit einem darin angeordneten Gehäuse, welches eine Anode und eine Kathode enthält, wobei sich zwischen beiden Elektroden wenigstens eine Blende aus hochschmelzendem Werkstoff mit Blendenöffnung zur Einschnürung der zwischen den Elektro­ den erzeugten Bogenentladung befindet, wobei die Kathode außerhalb der Achse eines von der Blende ausgehenden Strahlenganges liegt.

Aus der DE 39 08 553 C1 ist eine mit Deuterium oder Wasserstoffgas gefüllte Gasentladungs­ lampe mit einem zylindrischen Lampenkolben aus Quarzglas bekannt, der ein darin angeordne­ tes Gehäuse enthält, welches eine Anode und eine Kathode aufweist; zwischen beiden Elektro­ den ist das Gehäuse mit einer Blende aus hochschmelzendem Werkstoff zur Einschnürung ei­ ner zwischen den Elektroden erzeugten Bogenentladung versehen, wobei die Kathode außer­ halb der Achse des von der Blende ausgehenden Strahlenganges liegt und mit einem blenden­ artigen Kathodenfenster aus dem Gehäusematerial zur Abschirmung von Kathodenemitterma­ terial versehen ist. Aufgrund der Einzelblendenanordnung ist es möglich, nur einen einzigen Plasmabereich zu erhalten.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Intensität der abgegebenen Strahlung und insbeson­ dere die nutzbare Strahldichte in einer Wasserstoff-Entladungslampe, Deuteriumlampe, Queck­ silberdampflampe oder Entladungslampe mit Edelgasfüllung zu erhöhen.

Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist sich die starke Erhöhung bzw. Vervielfachung der Strahldichte durch Bildung mehrerer Plasmabälle bei verhältnismäßig geringem Aufwand.

In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Blenden aus einem hochschmelzenden metallischen Werkstoff und sind elektrisch gegeneinander isoliert; als Füllgas dient vorzugswei­ se Deuterium; es ist jedoch auch möglich, als Füllgas Wasserstoff oder Edelgas wie z. B. Xenon oder Quecksilber bzw. Metallhalogenide einzusetzen; als Ausführungsbeispiel wird nachste­ hend eine Lampe mit Deuteriumfüllung beschrieben.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß aufgrund des Strahlungsmechanismus das Deuterium-Konti­ nuum optisch dünn ist (d. h. praktisch keine Re-Absorption der emittierten Strahlung im 2. und 3. Plasma) und keine D₂-Verarmung auftritt und eine starke Erhöhung bei zwei Blenden, bzw. eine Vervielfachung der Intensität bei drei Blenden zu erhalten ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung nach Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.

Als vorteilhaft erweist es sich, daß vier verschiedene Möglichkeiten für die Schaltung der Blen­ den bestehen:

• 1) Die Blenden sind elektrisch miteinander verbunden.
• 2) Die Blenden sind elektrisch gegeneinander isoliert.
• 3) Die Blenden sind zwecks Verbesserung der Zündung über einen Widerstand verbunden.
• 4) Das Anodenpotential wird zwecks Zündung Blende für Blende durchgeschaltet.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 1 sind drei Blenden vorgesehen, die gemäß Anspruch 9 oder 10 jeweils an unterschiedlichen Potentialabgriffen einer mit der Anode verbundenen Widerstandskette angeschlossen sind; weiterhin ist es gemäß Anspruch 11 auch möglich, die Blenden jeweils einzeln über steuerbare Schalter mit der Spannungsversorgung der Elektroden zu verbinden, wobei die Blenden aufeinanderfolgend durchgezündet werden. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, daß die Blenden eine Hilfsanodenfunktion wahrnehmen, die eine schrittweise Zündung der Deuteriumlampe ermöglicht, woraus sich eine erhöhte Zünd­ sicherheit ergibt.

Die Aufgabe wird gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung durch die kennzeichnen­ den Merkmale des Anspruchs 12 gelöst.

Als besonders vorteilhaft erweist sich dabei die starke Erhöhung der Strahldichte durch Erwei­ terung der Plasmabildung entlang der Achse des Strahlenganges bei verhältnismäßig einfa­ chem Aufbau.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 weist die Blendenöffnung einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 2 mm auf; die Blende besteht vorzugsweise aus Wolfram, Molybdän oder einer hochschmelzenden Keramik wie beispielsweise Aluminiumnitrid; vorteilhafte Ausgestaltungen der zweiten Ausführungsform sind in den Ansprüchen 14 und 15 angegeben.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung in seiner ersten Ausgestaltung anhand der Aus­ führungsbeispiele in den Fig. 1a, 1b, 1c, 1d und 1e, 1f in seiner zweiten Ausgestaltung an­ hand der Ausführungsbeispiele in den Fig. 2a, 2b und 2c näher erläutert; die Bezugsziffern der zweiten Ausgestaltung bezeichnen zum Teil die gleichen Merkmale, wie sie in Fig. 1 dar­ gestellt sind; zur besseren Übersicht sind die Ziffern der zweiten Ausgestaltung jedoch um den Wert 100 erhöht.

Fig. 1a zeigt eine Deuteriumlampe mit drei Blenden entlang der optischen Achse des Strah­ lenganges im Längsschnitt,

Fig. 1b zeigt einen Ausschnitt des Kreises Z der Fig. 1a in vergrößertem Maßstab.

Fig. 1c zeigt einen Querschnitt entlang der Linie AB der Fig. 1a;

Fig. 1d zeigt einen Längsschnitt der Deuteriumlampe, der gegenüber Fig. 1a um 90° gedreht ist.

Fig. 1e zeigt eine elektrische Schaltung der Elektroden und Blenden, wobei Anode und Blen­ den über Widerstände verbunden sind;

Fig. 1f zeigt eine elektrische Schaltung, wonach Anode und Blenden über steuerbare Schalter mit einer Stromversorgung verbunden sind.

Fig. 2a zeigt eine Deuteriumlampe mit einem sich entlang der optischen Achse des Strahlen­ ganges erstreckenden Blendenkörper mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 50 mm;

Fig. 2b zeigt einen Ausschnitt des Kreises Z der Fig. 2a in vergrößertem Maßstab;

Fig. 2c zeigt einen Querschnitt durch die mit Linie AB der Fig. 2a, 2b angedeuteten Fläche;

Fig. 2d zeigt einen Längsschnitt der Deuteriumlampe, der gegenüber Fig. 1a um 90° gedreht ist.

Fig. 2e zeigt schematisch eine elektrische Schaltung von Elektroden und Blende;
Gemäß Fig. 1a und 1b weist das in einem aus Quarzglas bestehenden Lampenkolben 1 untergebrachte Gehäuse 2 eine plattenförmige Anode 3 sowie eine heizbare Kathode 4 auf; un­ mittelbar vor der Anode 3 befinden sich in Richtung der Achse 5 der Lichtaustrittsrichtung eine erste Blende 6, zweite Blende 7 und dritte Blende 8, die jeweils aus hochschmelzendem Materi­ al bestehen, welche zur Intensitätssteigerung jeweils eine Einschnürung der Entladung in den entlang der Achse 5 liegenden Öffnungen 10, 11, 12 der ersten, zweiten und dritten Blende vor­ nehmen; die Hochachse des Lampenkolbens ist mit Ziffer 29 bezeichnet.

In Fig. 1c ist ein Querschnitt entlang der Linie AB dargestellt, wobei erkennbar ist, daß Anode 3 von Achse 5 der Lichtaustrittsrichtung geschnitten wird; die Kathode 4 ist dagegen in einem seitlichen Bereich angeordnet, um einen freien Strahlenaustritt entlang der Achse 5 zu ermögli­ chen. Im normalen Betrieb befinden sich in den Öffnungen 10, 11, 12 der Blenden 6, 7, 8 je­ weils eine Plasmakugel 41, 42, 43, die schematisch eingetragen sind; zur Abschirmung von Ka­ thodenemittermaterialien ist ein blendenartiges Gehäusefenster 32 zwischen der Kathode 4 und der Achse 5 vorgesehen.

Gemäß Fig. 1c ist das Gehäuse 2 gegenüber den Blenden 6, 7, 8 elektrisch isoliert.

Gemäß Fig. 1d erfolgt die Stromversorgung - ähnlich wie bei der eingangs genannten DE-PS 39 08 553 - über einen mit Stromzuleitung 22 im Sockel 23 verbundenen Kontaktbolzen 24, wo­ bei die andere Seite über einen Bügel 25 mit einer ebenfalls in den Sockel führenden Leitung 26 verbunden ist, so daß sich ein geschlossener Heizkreis für die Kathode bildet. Die nach außen führenden Kontakte für die Leitungen 22, 26 sowie die zur Anode und zum Gehäuse 2 führenden Anschlußkontakte sind mit den Bezugsziffern 27, 28 bezeichnet.

Fig. 1e zeigt schematisch die elektrische Schaltung der Mehrfachblendenanordnung, wobei die aus Metall bestehenden Blenden 6, 7, 8 an Spannungsabgriffen 14, 15, 16 einer aus den Widerständen 17, 18, 19 bestehenden Widerstandskette angeschlossen sind, die die Blenden im nichtgezündeten Zustand auf Anodenpotential halten; Anode 3 und die Widerstandskette der Widerstände 17, 18, 19 sind am positiven Pol 46 einer Gleichspannungsquelle 44 angeschlos­ sen, während Kathode 4 mit dem negativen Pol 45 verbunden ist; die Blenden 6, 7, 8 dienen dabei als Hilfsanoden, wobei nach Zündung der Entladung zwischen Kathode 4 und erster Blende 8 ein durch Widerstand 19 begrenzter Strom fließt, dessen zugehöriger Spannungsab­ fall eine Potentialabsenkung der Blende 8 gegenüber Blende 7 erzeugt, die zum Durchzünden der ersten Blendenöffnung (Blende 8) dient; d. h. Blende 7 übernimmt die Hilfsanoden-Funktion; dieser Zündmechanismus setzt sich solange fort, bis alle drei Blenden 6, 7, 8 durchgezündet sind. Es ist selbstverständlich auch möglich, diese schrittweise Zündung durch Beaufschlagen der Blenden 8, 7, 6 mit dem Anodenpotential mittels ansteuerbarer Schalter einer Spannungs­ versorgungsschaltung durchzuführen, wie nachfolgend anhand Fig. 1f erläutert wird.

Die Abstände zwischen den hier nur schematisch dargestellten Blenden 6, 7, 8 betragen 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise entspricht der Abstand dem Blendendurchmesser. Die Blendendicke liegt im Bereich von 0,3 mm; als Werkstoff für die Blenden hat sich insbesondere Molybdän als zweckmäßig erwiesen, es ist jedoch auch möglich, Wolfram, bzw. ein wolframhaltigen Werk­ stoff oder hochschmelzende Keramikwerkstoffe wie z. B. Aluminiumnitrid als Material für die Blenden 6, 7, 8 einzusetzen; Blenden aus elektrisch isolierenden Werkstoffen werden zur Bil­ dung der elektrischen Leitfähigkeit mit einer elektrisch leitenden Beschichtung, z. B. aus Nickel, Wolfram, Molybdän versehen. Ein Betrieb gemäß Fig. 1b ermöglicht praktisch eine Vervielfachung der Strahldich­ te, da sich die aus den Plasmabereichen abgegebenen Strahlungen keinesfalls gegenseitig be­ hindern, sondern eine starke Erhöhung der Strahldichte zur Folge haben.

In Fig. 1f ist schematisch eine ähnliche Ansteuerungsschaltung für Anode 3 und Blenden 6, 7, 8 gezeigt, wobei die Zündung über einzeln ansteuerbare Schalter 36, 37, 38, 39 erfolgt; dabei ist die Kathode 4 ständig mit dem negativen Pol 45 einer Gleichspannungsquelle 44 verbunden, während der positive Pol 46 zwecks sicherer Zündung zunächst über den steuerbaren Schalter 39 mit Blende 8 zur Bildung einer Bogenentladung verbunden wird; anschließend wird Schalter 38 geschlossen und Schalter 39 geöffnet, so daß Blende 7 auf Anodenpotential liegt und Blen­ de 8 in dem neu entstehenden Lichtbogen durchgezündet wird; daraufhin wird Schalter 37 ge­ schlossen und Schalter 38 geöffnet, so daß Blende 6 die Anodenfunktion übernimmt und die Blenden 7 und 8 durchgezündet sind. Nach Schließen des mit der Anode 3 verbundenen steu­ erbaren Schalters 36 wird Schalter 37 geöffnet, so daß eine Bogenentladung zwischen Anode 3 und Kathode 4 entsteht, wobei alle drei Blenden 6, 7, 8 durchgezündet sind.

Gemäß Fig. 2a und 2b weist das in einem aus Quarzglas bestehenden Lampenkolben 101 untergebrachte Gehäuse 102 eine plattenförmige Anode 103 sowie eine heizbare Kathode 104 auf; unmittelbar vor der Anode 103 befindet sich in Richtung der Achse 105 des Strahlengan­ ges ein Blendenkörper 109, der aus hochschmelzendem Material besteht, wobei zur Erhöhung der Strahldichte eine Einschnürung der Entladung in der entlang der Achse 105 liegenden Blen­ denöffnung 113 vorgesehen ist; ein ähnlicher Blendenkörper ist bereits aus dem US-Patent 5,327,049 für elektrodenlose Entladungslampen bekannt.

Fig. 2c zeigt schematisch die elektrische Schaltung der Blendenanordnung mit Blendenkörper, wobei der aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehende Blendenkörper 109 über Widerstand 131 an Spannungsabgriff 130 zwischen der Anode 103 und dem positiven Pol 146 der Span­ nungsquelle 144 angeschlossen ist; dabei liegt das Potential des Blendenkörpers 109 im nicht­ gezündeten Zustand auf Anodenpotential; Blendenkörper 109 dient dabei als Hilfsanode, wobei nach Zündung der Entladung zwischen der mit dem negativen Pol 145 der Spannungsquelle 144 verbundenen Kathode 104 und Blendenkörper 109 ein durch Widerstand 131 begrenzter Strom fließt, dessen zugehöriger Spannungsabfall eine Potentialabsenkung des Blendenkör­ pers 109 gegenüber Anode 103 erzeugt, die zum Durchzünden der Blendenöffnung 113 dient; d. h. Blendenkörper 109 übernimmt eine Hilfsanoden-Funktion. Es ist selbstverständlich auch möglich, diese Zündung durch Beaufschlagen des Blendenkörpers 109 mit dem Anodenpotenti­ al mittels ansteuerbarer Schalter einer Spannungsversorgungsschaltung durchzuführen, wobei dann Blendenkörper 109 gegenüber Anode 103 elektrisch isoliert ist.

Der Abstand zwischen dem hier nur schematisch dargestellten Blendenkörper 109 zur Anode 103 beträgt 0,5 bis 2 mm, vorzugsweise entspricht der Abstand dem Doppelten des Blenden­ durchmessers, so daß eine Kontaktierung des Plasmaballs im Blendenkörper 109 mit der An­ ode 103 verhindert wird. Die Blendendicke entlang der Achse 105 liegt im Bereich von 1 bis 50 mm; vorzugsweise bei 1 bis 5 mm; als Werkstoff für den Blendenkörper hat sich insbesondere Molybdän als zweckmäßig erwiesen, es ist jedoch auch möglich, Wolfram, bzw. einen wolfram­ haltigen Werkstoff oder hochschmelzende Keramikwerkstoffe wie z. B. Aluminiumnitrid als Ma­ terial für den Blendenkörper 109 einzusetzen; bei elektrisch isolierenden Keramikwerkstoffen werden diese mit einer hochtemperaturbeständigen elektrisch leitenden Beschichtung aus z. B. Nickel, Wolfram, Molybdän versehen. Ein Betrieb gemäß Fig. 2b ermöglicht praktisch eine Vervielfachung der Strahldich­ te, da sich die aus den Plasmabereichen entlang der optischen Achse 105 abgegebenen Strah­ lungen keinesfalls gegenseitig behindern, sondern eine starke Erhöhung der Strahldichte zur Folge haben. Auch bei dieser Ausführungsform ist Zündung in zwei Schritten möglich:

Schritt 1: Zündung zwischen Kathode 104 und Blendenkörper 109, wobei der Blendenkörper 109 zunächst als Hilfs-Anode dient.

Schritt 2: Zündung zwischen Kathode 104 und Anode 103, wobei der Blendenkörper 109 in diesem Schritt ein freies Potential aufweist.

In Fig. 2d ist ein Querschnitt entlang der Linie AB dargestellt, wobei erkennbar ist, daß Anode 103 von Achse 105 der Lichtaustrittsrichtung geschnitten wird; die Kathode 104 ist dagegen in einem seitlichen Bereich angeordnet, um einen freien Strahlenaustritt entlang der Achse 105 zu ermöglichen. Im normalen Betrieb befindet sich in der Öffnung 113 des Blendenkörpers 109 ein Plasmabereich, der schematisch in Fig. 2b eingetragen ist; zur Abschirmung von Kathoden­ emittermaterialien ist gemäß Fig. 2d zwischen Kathode 104 und Strahlenachse 105 ein blen­ denartiges Gehäusefenster 132 vorgesehen.

Gemäß Fig. 2d ist das Gehäuse 102 gegenüber dem Blendenkörper 109 elektrisch isoliert.

Gemäß Fig. 2e erfolgt die Stromversorgung ähnlich wie bei der eingangs genannten DE-PS 39 08 553 der Kathode 104 über einen mit Stromzuleitung 122 im Sockel 123 verbundenen Kontaktbolzen 124, wobei die andere Seite über einen Bügel 125 mit einer ebenfalls in den Sockel führenden Leitung 126 verbunden ist, so daß sich ein geschlossener Heizkreis für die Kathode bildet. Die nach außen führenden Kontakte für die Leitungen 122, 126 sowie die zur Anode und zum Gehäuse 102 führenden Anschlußkontakte sind mit den Bezugsziffern 127, 128 bezeichnet.

Claims (15)

1. Entladungslampe mit einer Füllung, die Deuterium, Wasserstoff, Quecksilber, Metallhalo­ genid oder Edelgas aufweist, in einem Lampenkolben aus Quarzglas oder hochsilikati­ schem Glas mit einem darin angeordneten Gehäuse, welches eine Anode und eine Ka­ thode enthält, wobei sich zwischen beiden Elektroden wenigstens eine Blende aus hoch­ schmelzendem Werkstoff mit Blendenöffnung zur Einschnürung der zwischen den Elek­ troden erzeugten Bogenentladung befindet, wobei die Kathode außerhalb der Achse ei­ nes von der Blende ausgehenden Strahlenganges liegt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Blenden (6, 7, 8) aus hochschmelzendem Werkstoff mit Blendenöffnun­ gen (10, 11, 12) entlang der optischen Achse (5) des Strahlenganges im Abstand zuein­ ander angeordnet sind.

2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blen­ denöffnungen (10, 11, 12) einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 2 mm aufweisen.

3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (6, 7, 8) jeweils aus einem Metallblech mit einer Dicke im Bereich von 0,1 bis 1 bestehen und daß der Abstand der Blendenöffnungen (10, 11, 12) zueinander jeweils im Bereich von 0,1 bis 5 mm liegt.

4. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (6, 7, 8) aus Wolfram, Molybdän oder eine hochschmelzende Keramik auf­ weisenden Werkstoff bestehen.

5. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (6, 7, 8) gegeneinander elektrisch isoliert sind.

6. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Blenden (6, 7, 8) ringförmige Distanzelemente (34, 35) aus keramischem Werkstoff angeordnet sind.

7. Gasentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemen­ te (34, 35) eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweisen.

8. Gasentladungslampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemen­ te (34, 35) jeweils als elektrischer Widerstand ausgebildet sind.

9. Gasentladungslampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Distanzele­ mente (34, 35) eine elektrisch leitende Widerstandsschicht aufgebracht ist.

10. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blenden (6, 7, 8) jeweils über einen Widerstand (18, 19) elektrisch miteinander ver­ bunden sind, wobei die der Anode (3) benachbarte Blende (6) über einen Widerstand (17) mit der Anode (3) verbunden ist, welche an den positiven Pol (46) der Spannungsversor­ gung (44) für die Elektroden (3, 4) angeschlossen ist.

11. Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) und die Blenden (6, 7, 8) jeweils einzeln über steuerbare Schalter (36, 37, 38, 39) mit dem positiven Pol (46) der Spannungsversorgung (44) für die Elektroden (3, 4) verbunden sind.

12. Gasentladungslampe mit einer Füllung, die Deuterium, Wasserstoff, Quecksilber, Metall­ halogenid oder Edelgas aufweist, in einem Lampenkolben aus Quarzglas oder hochsilika­ tischem Glas mit einem darin angeordneten Gehäuse, welches eine Anode und eine Ka­ thode enthält, wobei sich zwischen beiden Elektroden wenigstens eine Blende aus hoch­ schmelzendem Werkstoff mit Blendenöffnung zur Einschnürung der zwischen den Elek­ troden erzeugten Bogenentladung befindet, wobei die Kathode außerhalb der Achse eines von der Blende ausgehenden Strahlenganges liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende als Blendenkörper (109) aus hochschmelzendem Werkstoff mit einer Dicke im Bereich von 1 bis 50 mm entlang der Achse (105) des optischen Strahlenganges ausge­ bildet ist.

13. Gasentladungslampe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöff­ nung (113) von Blendenkörper (109) einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 2 mm aufweist.

14. Gasentladungslampe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Blen­ denkörper (109) aus einem Wolfram, Molybdän oder eine hochschmelzende Keramik auf­ weisenden Werkstoff besteht.

15. Gasentladungslampe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die hochschmel­ zende Keramik eine elektrisch leitende Oberfläche aufweist.