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Die
Erfindung bezieht sich auf eine elektrodenlose Entladungslampe nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Im
allgemeinen erreichen elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampen,
die ein Metall-Halogenid als lumineszierende Substanz verwenden, während der
Lichterzeugung eine hohe Temperatur innerhalb der Entladungsröhre, so
daß die
in die Entladungsröhre
eingefüllte
lumineszierende Substanz mit der Entladungsröhre reagiert, wodurch Probleme entstehen,
beispielsweise Änderungen
der Farbe der Entladungsröhre,
das Auftreten einer Entglasung der Entladungsröhre oder ähnlicher Phänomene aufgrund einer Kristallisation
des Materials der Entladungsröhre,
eine Verminderung der Lichtdurchlässigkeit der Röhre sowie
eine Verkürzung
ihrer Lebensdauer.
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Außerdem tritt
zusätzlich
das Problem auf, daß die
Zünd- oder Lampenspannung
durch jegliches Halogen erhöht
wird, das zurückbleibt,
wenn das Metall des Metall-Halogenids in der Entladungsröhre schmilzt,
und mit der Lampenröh re
reagiert oder verlorengeht, so daß die Lampe nicht gezündet wird
oder ausgeht und die Lebensdauer der Lampe verkürzt ist. Bei Metalldampf-Entladungslampen
mit Elektroden wurde ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer mittels
der Zusammensetzung von in die Entladungslampe eingefüllten Substanzen
vorgeschlagen.
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In
der
EP 0 670 588 A1 ist
beispielsweise eine Maßnahme
offenbart, um ein Schwärzen
aufgrund einer vorhandenen Elektrode zu verhindern, indem ein überschüssiges Halogen
zugesetzt wird, das bezüglich
eines Halogen-Zyklus innerhalb der Entladungsröhre wirksam ist.
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Versuchsweise
wurde eine elektrodenlose Entladungslampe, die in der Entladungsröhre eine überschüssige Menge
von Halogen in gasförmigem Zustand
unter solchen Bedingungen enthält,
wie sie in der
EP 0
670 588 A1 beschrieben sind, um ein Reagieren der lumineszierenden
Substanz mit der Entladungsröhre
bei dem verwendeten Halogen-Zyklus zu verhindern, in Betrieb genommen.
Es wurde jedoch herausgefunden, daß aufgrund des Vorhandenseins
der überschüssigen Menge
von Halogen in der Entladungsröhre,
das eine große
Elektronenaffinität
hat, die zum Zünden
der Lampe erforderlichen Elektronen von dem Halo gen abgezogen werden, daß der dielektrische
Durchbruch extrem schwierig zu erreichen ist und daß die Lichtleistung
während des
Betriebs gering ist. Zwar kann die überschüssige Halogenmenge bei Metall-Halogenid
die Schwierigkeiten beim Zünden
der Lampe verringern; es liegt jedoch außerdem das Problem vor, daß sie die
Verschlechterung der Lichtleistung beim Betrieb nicht verhindern
kann. Es wurde also herausgefunden, daß die Unterstützung des
Halogen-Zyklus zum Verhindern des Schwärzens der Entladungsröhre aufgrund
der Elektroden, wie sie bei einer mit Elektroden versehenen Metalldampf-Entladungslampe
bekannt ist, nicht für
elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampen geeignet ist.
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In
der
US 4 783 615 ist
ein Beispiel einer elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe beschrieben,
in die das überschüssige Halogen
eingefüllt
ist, wobei bei dieser Lampe Natrium-Iodid als lumineszierende Substanz
und Quecksilber- Iodid
als das überschüssige Halogen
verwendet wird. Diese Entladungslampe bewirkt, daß in der
Nähe der
Wandinnenfläche
der Entladungsröhre
vorliegendes Natrium mittels des überschüssigen Halogens in Natrium-Iodid
umgewandelt wird, so daß eine
Selbstabsorption der im Mittelabschnitt der Entladung in der Entladungsröhre durch übriggebliebenes
Natrium selbst erzeugten Natrium-D-Linie stattfindet, so daß einer
Verringerung der Effizienz entgegengewirkt wird. Wenn Quecksilber-Iodid
als eine Substanz zum Unterstützen
des Halogen-Zyklus
bei einer elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe benutzt wird,
die als lumineszierende Substanz ein Seltenerdmetall-Halogenid verwendet,
entstehen Probleme wie ein hoher Dampfdruck des Quecksilber-Iodids, der
das Zünden
schwierig macht, und die Tatsache, daß bei gezündeter Lampe die Lichtleistung
geringer als bei einer Lampe ist, bei der kein Quecksilber-Iodid verwendet
wird.
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In
der
US 5 479 072 ist
eine elektrodenlose Metalldampf-Entladungslämpe beschrieben,
bei der Neodym, eine Art von Seltenerdmetall, als lumineszierende
Substanz verwendet wird. Wenn als lumineszierende Substanz eine
Seltenerdmetall-Verbindung verwendet wird und die Entladungsröhre aus
einem Metalloxid besteht, wird eine Reaktion des Seltenerdmetalls
mit der Entladungsröhre
hervorgerufen, und es wird ein komplexes Oxid gebildet. Bei einer
elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe ist die obige Reaktion
stark, da die in der Entladungsröhre
erzeugte Entladung sich näher
an der Wandinnenfläche
der Entladungsröhre
befindet als bei Metalldampf-Entladungslampen mit Elektroden. Bei elektrodenlosen
Metalldampf-Entladungslampen, die das Seltenerdmetall-Halogenid als lumineszierende Substanz
verwenden, verbleibt das Problem, daß aufgrund der obigen Reaktion
das komplexe Oxid erzeugt wird und daß das Zünden aufgrund von als Resultat
der Reaktion verbleibendem Halogen schwierig ist; außerdem ist
es schwierig, die verschlechterte Zündbarkeit zu verbessern, wenn
nicht einige wirksame Maßnahmen
vorgenommen werden.
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Aus
der
US 5 363 015 ist
ferner eine Metall-Halogenid-Hochdruckgas-Entladungslampe bekannt, deren Füllung Praseodym-Halogenid
alleine oder in Kombination mit einem oder mehreren Halogeniden
eines Seltenerdmetalls oder z.B. Cäsium zur Stabilisierung der
Entladung enthält.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe zu
schaffen, bei der die Zündcharakteristik
verbessert ist und die jegliche Entglasung der Entladungsröhre sowie
jeglichen durch die Reaktion zwischen der Entladungsröhre und
der eingefüllten
Substanz hervorgerufenen Anstieg der Zündspannung vermeiden kann.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
bei einer gattungsgemäßen elektrodenlosen
Metalldampf-Entladungslampe durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst; vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Einzelheiten
mehrerer Ausführungsformen der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die sich
auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung bezieht, die in der Zeichnung dargestellt sind. In
dieser zeigen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe
mit einer zugehörigen
Lampen-Ansteuervorrichtung;
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2 eine
schematische Ansicht der erfindungsgemäßen elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe
gemäß den Ausführungsformen
1 bis 3, 5 und 6 zusammen mit der Lampen-Ansteuervorrichtung;
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3 eine
schematische Ansicht der erfindungsgemäßen elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe
gemäß Ausführungsform
4 zusammen mit der Lampen-Ansteuervorrichtung;
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die 4A, 4B und 4C schematisch
erläuternde
Ansichten von Herstellungsschritten der erfindungsgemäßen Entladungsröhre gemäß Ausführungsform
4 in einem Zustand, in welchem Halogen erzeugt wird, einem Zustand,
in welchem Halogen erzeugt wurde, bzw. einem Zustand, in welchem
ein Hilfsrohr abgedichtet angebracht ist;
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5 ein
Diagramm, das den Lichtstrom und die Zündspannung nach einem Betrieb
für eine
Stunde darstellt, wobei die Menge von CsI bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
2 geändert
wurde;
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6 ein
Diagramm, das den Lichtstrom und die Zündspannung nach einem Betrieb
für 10.000 Stunden
darstellt, wobei die Menge von CsI bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
2 geändert wurde;
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7 ein
Diagramm, das den Lichtstrom und die Zündspannung nach einem Betrieb
für 10.000 Stunden
darstellt, wobei die Menge von I2 bei der
erfindungsgemäßen Ausführungsform
3 geändert
wurde; und
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8 ein
Diagramm, das den Lichtstrom und die Zündspannung nach einem Betrieb
von 10.000 Stunden darstellt, wobei die Menge von SbI3 bei
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
1 geändert wurde.
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Es
werden nun die Gestaltung und der Betrieb der erfindungsgemäßen elektrodenlosen
Entladungslampe ausführlich
beschrieben.
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Bei
Quarz als einem Beispiel für
ein Material einer Entladungsröhre
aus einem Metalloxid tritt, wenn als lumineszierende Substanz ein
Seltenerdmetall verwendet wird, aufgrund einer Reaktion der Ionen
des Seltenerdmetalls mit dem Quarz eine Entglasung auf. Da das Seltenerdmetall
in die Entladungsröhre
in der Form eines Metall-Halogenids eingefüllt wird, bewirkt außerdem die
Reaktion des Seltenerdmetalls mit dem Quarz, daß das Seltenerdmetall verschwindet,
wohingegen das Halogen in der Entladungsröhre verbleibt, und die hohe
Elektronenaffinität
des Halogens führt
schließlich
zu einem Anstieg der Zünd-
oder Lampenspannung. Diese Phänomene
führen
zu einer Verkürzung
der Lebensdauer der Entladungslampe. Es wurde aber auch herausgefunden,
daß die
Ver wendung von anderen Metalloxiden wie Aluminiumoxid-Keramiken
für die
Entladungsröhre
eine andere Reaktion des Seltenerdmetalls mit den Aluminiumoxid-Keramiken
hervorruft.
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Das
in die Entladungsröhre
eingefüllte
Metall-Halogenid bewirkt den Halogen-Zyklus, bei dem das Metall-Halogenid
in einem Teil höherer
Temperatur in Metall und Halogen dissoziiert, die sich in einem Teil
geringerer Temperatur wieder miteinander verbinden, wobei das dissoziierte
Metall in dem Teil höherer
Temperatur zur Lumineszenz erregt wird. Durch Verwendung dieses
Halogen-Zyklus ist es möglich,
den Zustand des in der Nähe
der Wandinnenfläche
der Röhre
der elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe vorhandenen Metalls
vom Zustand eines Metall-Ions mit hoher Reaktivität in einen
Zustand zu ändern,
bei dem die Reaktivität
geringer ist, also in den Zustand des Metall-Halogenids. In Abhängigkeit
von der Menge des Halogens kann es allerdings dazu kommen, daß die Zündbarkeit
oder der Lichtstrom beim Betrieb der elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe
vermindert werden. Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Substanz zum
Unterstützen
des Halogen-Zyklus, wobei diese Substanz der Entglasung der Entladungsröhre und dem
Anstieg der Zündspannung
entgegenwirken kann, die durch die Reaktion der Entladungsröhre mit der
eingefüllten
Substanz während
des Betriebs der elektrodenlosen Metalldampf-Entladungslampe auftreten,
ohne daß die
Zündbarkeit
der Lampe oder der Lichtstrom während
des Betriebs der Lampe vermindert werden.
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Wenn
im Verhältnis
zu den Metall-Ionen eine größere Menge
von Halogen vorliegt, ist die Kollisionswahrscheinlichkeit der Metall-Ionen
mit dem Halogen hoch, und das Verbinden mit dem Metall-Halogenid
ist leichter, so daß der
Halogen-Zyklus unterstützt
wird. Unter der Voraussetzung, daß ein anderes Halogen als das
in die Entladungsröhre
einzufüllende
Metall-Halogenid
zusätzlich
in die Entladungsröhre
eingefüllt
wird oder daß eine
eingefüllte
Substanz optimal ausgewählt
ist, um das Vorliegen einer großen
Menge von Halogen in der Entladungsröhre während des Betriebs der Lampe
zu ermöglichen, wird
bewirkt, daß die
Metall-Ionen zu Metall-Halogenid wer den, wodurch die Dichte der
Metall-Ionen in der Nähe
der Wandinnenfläche
der Entladungsröhre minimiert
wird, die Reaktion der lumineszierenden Substanz mit der Entladungsröhre verhindert
wird und die Lebensdauer der Entladungslampe erhöht wird. Die Zündbarkeit
der Lampe ist besser, wenn die Menge des gasförmigen Halogens gering gehalten wird,
das in der Entladungsröhre
vorliegt, wenn sie nicht betrieben wird.
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Ferner
wird darauf hingewiesen, daß als Maßnahme zum
Verbessern des obigen Effektes der Druck eines zusammen mit der
lumineszierenden Substanz in die Entladungsröhre einzufüllenden Edelgases erhöht wird.
Wenn die Metall-Ionen oder Metall-Atome an der Wandinnenfläche der
Entladungsröhre
betrachtet werden, führt
ein höherer Druck
des Edelgases zu einer höheren
Wahrscheinlichkeit einer Kollision des Edelgases mit den Metall-Ionen
oder Metall-Atomen. Durch ein Wiederholen der Kollision wird also
die Wahrscheinlichkeit erhöht,
daß die
Metall-Ionen die Elektronen oder Halogene treffen, so daß Metall-Atome
oder Metall-Halogenide erhalten werden, die bezüglich der Wandinnenfläche der
Entladungsröhre
stabiler sind. In gleicher Weise können die Metall-Atome auch
zu Metall-Halogeniden werden.
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Die
Elektronen, Metall-Ionen, etc., die aus dem Plasmaabschnitt innerhalb
der Entladungsröhre in
Richtung der Wandinnenfläche
fliegen, erhöhen ebenfalls
die Wahrscheinlichkeit einer Kollision, so daß auch die kinetische Energie
der entsprechenden Partikel vermindert wird, damit die Beschädigung der Wandoberfläche bei
einer Kollision mit dieser effektiv verringert wird. Das Angeben
einer numerischen Grenze für
den Druck des in die Entladungsröhre
eingefüllten
Gases ist schwierig, da sich der Druck in Abhängigkeit von dem Typ der Lampe ändert; es
ist jedoch wünschenswert,
daß der
Druck innerhalb eines zulässigen
Bereichs, der die Charakteristik der jeweiligen Lampe berücksichtigt,
so hoch wie möglich
ist.
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In 1 ist
die erfindungsgemäße elektrodenlose
Metalldampf-Entladungslampe zusammen mit ihrer Ansteuervorrichtung
dargestellt, wobei die die vorliegende Entladungslampe bil dende
Entladungsröhre
luftdicht aus einem Material wie Quarzglas gebildet ist, das lichtdurchlässig ist.
Im Inneren der Entladungsröhre
sind die lumineszierende Substanz und ein Edelgas eingeschlossen.
Auf die Außenseite
der Entladungsröhre 1 ist
eine Induktionswicklung 3 aufgewickelt, die an beiden Enden
mit einem Hochfrequenzerzeugungssystem 4 verbunden ist,
das einen Hochfrequenzgenerator 4a, einen Verstärker 4b zum
Verstärken
des Ausgangssignals des Hochfrequenzgenerators 4a und eine
Abstimmungsschaltung 4c enthält, die zwischen den Verstärker 4b und
die Induktionswicklung 3 eingesetzt ist, um deren Impedanz
abzustimmen.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1:
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In 2 sind
die elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe und die Ansteuervorrichtung
von 1 dargestellt, wobei die elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe
die Entladungsröhre 1,
einen Außenmantel 5 und
die Induktionswicklung 3 enthält. Die Entladungsröhre 1 hat
eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Höhe von 15
mm, wobei im Raum zwischen der Entladungsröhre 1 und dem Außenmantel 5 ein
Vakuum herrscht und beabsichtigt ist, die Temperatur des kältesten
Punktes der Entladungsröhre 1 anzuheben.
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Nachfolgend
werden die experimentellen Ergebnisse von Ausführungsform 1 beschrieben.
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Die
elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe gemäß Ausführungsform 1 hat den in 2 dargestellten
Aufbau mit doppelter Röhre,
und die Entladungsröhre 1 hat
eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 30 mm und einer
Höhe von
15 mm. In die Entladungsröhre 1 sind
15 mg Neodym-Iodid (NdI3) und 5 mg Caesium-Iodid
(CsI) als lumineszierende Substanz eingefüllt. Das Caesium-Iodid erzeugt
zusammen mit dem Neodym-Iodid ein komplexes Halogenid, um den Dampfdruck
des Neodym-Iodids anzuheben. (Im allgemeinen wirkt in geeigneter Menge
vorliegendes Caesium-Iodid mit dem Seltenerdmetall-Halogenid zusammen,
um ein komplexes Halogenid zu erzeugen, damit der Dampfdruck des Seltenerdmetall-Halogenids
angeho ben werden kann). Als Substanz zum Unterstützen des Halogen-Zyklus wird
zusätzlich
ein mehrwertiges Halogenid mit hohem Dampfdruck verwendet, um den
Halogenid-Dampfdruck innerhalb der Entladungsröhre während des Betriebs anzuheben.
Im vorliegenden Fall werden 0,2 mg Antimon-Iodid (SbI3)
eingefüllt.
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Bei
einer Lampe, in die kein SbI3 eingefüllt wurde,
betrug beim anfänglichen
Betrieb der Lichtstrom 16.600 Lumen bei einer Eingangsleistung von 200
W, und nach einem Betrieb für
eine Stunde betrug die anfängliche
Zündspannung
1,6 kV, während nach
einem Betrieb für
10.000 Stunden der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
48% und die Zündspannung
4,8 kV betrug. Hier ist die Zündspannung eine
Spannung der Induktionswicklung 3, die zum Einschalten
der Lampe notwendig ist. Dagegen betrug bei der Lampe gemäß Ausführungsform
1 der Lichtstrom 15.100 Lumen bei einer Eingangsleistung von 200
Watt, und die anfängliche
Zündspannung betrug
1,72 kV, und nach einem Betrieb für 10.000 Stunden betrug der
Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor 88% und die Zündspannung
1,78 kV; es wurde herausgefunden, daß der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
und die Zündspannung
verbessert wurden.
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Das
Dissoziieren des eingefüllten
Antimon-Iodids (SbI3) während des Betriebs der Lampe bewirkt,
daß in
der Entladungsröhre
eine große
Menge von Iod vorliegt, insbesondere im Hinblick auf Nd-Ionen in
der Nähe
der Wandinnenfläche
der Entladungsröhre,
so daß der
Halogen-Zyklus in der Nähe
der Wandinnenfläche
der Entladungsröhre
unterstützt
wird und die Reaktion zwischen der Entladungsröhre und den eingefüllten Substanzen
verhindert werden kann. Die Verminderung des anfänglichen Lichtstroms um 9%
ist darauf zurückzuführen, daß das lumineszierende
Volumen des Entladungsplasmas durch Iod vermindert wurde. Es wurde
jedoch herausgefunden, daß der
Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
wesentlich verbessert und auch eine Verschlechterung des Zündens aufgrund
des Betriebs verringert werden kann.
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Während des
Betriebs ist Antimon-Iodid nützlich
zum Unterstützen
des Halogen-Zyklus, wobei sehr viel Iod während des Dissoziierens erzeugt wird,
während
im ausgeschalteten Zustand die Substanz aufgrund der geringen Temperatur
in der Entladungsröhre
in dieser im Zustand von Antimon-Iodid und nicht im gasförmigen Zustand
vorliegt, wodurch die Zündfähigkeit
nicht beeinträchtigt
ist. Ergebnisse einer weiteren ausführlichen Untersuchung einer Lampe
gemäß Ausführungsform
1 sind in 8 dargestellt (als Ergebnis
eines Betriebs für
10.000 Stunden). Bei der Lampe gemäß Ausführungsform 1 betrug die unter
Berücksichtigung
der Zündspannung und
des Wertes des Lichtstroms während
des Betriebs für
eine praktische Verwendung geeignete Menge des als Unterstützungsmittel
für den
Halogen-Zyklus in die Entladungsröhre eingefüllten Antimon-Iodids zwischen
0,07 mg und 1 mg.
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Während in
der vorliegenden Ausführungsform
1 ein Neodym-Iodid
als lumineszierende Substanz und Antimon-Iodid sowie mehrwertiges
Halogenid mit hohem Dampfdruck als den Halogen-Zyklus unterstützende Substanz verwendet wurde,
wurden weitere Untersuchungen von anderen Seltenerdmetall-Halogeniden
und anderen Metall-Halogeniden als den Halogen-Zyklus unterstützende Substanz durchgeführt, deren
Ergebnisse nachfolgend dargestellt werden.
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Notwendige
Bedingung für
die den Halogen-Zyklus unterstützende
Substanz ist, daß,
um die Zündfähigkeit
während
der Lebensdauer aufrechtzuerhalten, die Substanz ein Metall-Halogenid
mit einem Dampfdruck von mehr als 133 Pa und weniger als 133 kPa
bei 400°C
ist und die in die Entladungsröhre
eingefüllte
Menge mehr als 5 × 10-3/(n/2) Mol je 1 Mol Seltenerdmetall, das
in der oben genannten lumineszierenden Substanz enthalten ist, beträgt, wenn
die Zusammensetzung des Metall-Halogenids als MXn dargestellt ist
(M: Metall, X: Halogen, n: Halogenzahl). Wenn der Lichtstrom während des
Betriebs berücksichtigt
wird, sollte außerdem
die in die Entladungsröhre
einzufüllende
Menge vorzugsweise mehr als 5 × 10-3/(n/2) Mol und weniger als 5 × 10-1/(n/2) Mol betragen.
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AUSFÜHRUNGSFORM 2:
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Zuerst
werden Testergebnisse bezüglich Ausführungsform
2 beschrieben. Es wurde ein Betriebstest mit Lampen durchgeführt, die
Neodym-Iodid (NdI3) mit einer festen Menge
und Caesium-Iodid (CsI) in einer variablen Menge enthielten. Die
verwendete Entladungsröhre
hatte eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 30 mm und
einer Höhe
von 15 mm; es wurden drei verschiedene Lampen vorbereitet, in die
eine feste Menge von 15 mg Neodym-Iodid eingefüllt wurde, während die
Menge des eingefüllten
Caesium-Iodids variiert wurde, nämlich
5 mg, 10 mg und 15 mg.
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Nach
einem Betrieb für
eine Stunde erzielte die erste Lampe mit 15 mg NdI3 und
5 mg CsI einen Lichtstrom von 13.900 Lumen und eine Zündspannung
von 0,92 kV; die zweite Lampe mit 15 mg NdI3 und
10 mg CsI erzielte einen anfänglichen
Lichtstrom von 14.400 Lumen und eine Zündspannung von 0,98 kV; und
die dritte Lampe mit 15 mg NdI3 und 15 mg CsI
erzielte einen anfänglichen
Lichtstrom von 13.100 Lumen und eine Zündspannung von 1,00 kV.
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Nach
einem Betrieb für
10.000 Stunden erzielte die erste Lampe mit 15 mg NdI3 und
5 mg CsI einen Lichtstrom von 7.600 Lumen und eine Zündspannung
von 2,45 kV; die zweite Lampe mit 15 mg NdI3 und
10 mg CsI erzielte einen Lichtstrom von 11.500 Lumen und eine Zündspannung
von 2,6 kV; und die dritte Lampe mit 15 mg NdI3 und
15 mg CsI erzielte einen Lichtstrom von 9.500 Lumen und eine Zündspannung
von 2,05 kV.
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Die
obigen Ergebnisse sind in ein Diagramm eingetragen, das in den 5 und 6 dargestellt ist,
wobei in 5 das Diagramm von Lichtstrom
und Zündspannung
nach einem Betrieb für
eine Stunde und in 6 das Diagramm für Lichtstrom
und Zündspannung
nach einem Betrieb für
10.000 Stunden dargestellt ist.
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Wie
sich deutlich aus diesen Diagrammen ergibt, wurde festgestellt,
daß der
Lichtstrom den höchsten
Wert bei einer Menge von etwa 10 mg CsI hat. Dies liegt daran, daß, obwohl
CsI ein Erhöhen des
Volumens des Plasmas innerhalb der Entladungsröhre bewirkt, seine Lumineszenz
im Infrarotbereich liegt und daher, wenn die eingefüllte Menge groß ist, der
Lichtstrom verringert ist. Hinsichtlich der Zündspannung ist zu sehen, daß der Anstieg
der Zündspannung
umso geringer ist, je größer die
Menge von CsI ist. Dies liegt daran, daß die höhere Menge von CsI die Menge
von Iod relativ zu Nd in der Entladungsröhre erhöht, um den Halogen-Zyklus zu
unterstützen,
während
Cs eine geringe Reaktivität
mit der Entladungsröhre
hat.
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Wenn
diese Verschlechterung des Lichtstroms und der Zündbarkeit berücksichtigt
wird, wird als geeignete Menge von CsI ein Bereich von 8 bis 20 mg
angesehen. Auch bezüglich
anderer Seltenerdmetall-Halogenide wurden im wesentlichen die gleichen
Ergebnisse erzielt. Es wurde herausgefunden, daß die Menge von CsI vorzugsweise
in einem Bereich von 1,00 bis 2,70 Mol je 1 Mol Seltenerdmetall betragen
sollte.
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AUSFÜHRUNGSFORM 3:
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Bei
Ausführungsform
3 wurden in die Entladungsröhre
13,3 kPa Xenon-Gas (Xe), Seltenerdmetall-Halogenide wie 15 mg Neodym-Iodid
(NdI3) und 5 mg Caesium-Iodid (CsI) als
lumineszierende Substanz sowie zusätzlich 66,5 Pa Iod-Gas (entsprechend
5,7 × 10-3 je 1 Mol NdI3)
eingefüllt.
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Nachfolgend
werden die Ergebnisse von Betriebstests dargestellt, bei denen die
Lampe gemäß Ausführungsform
3 sowie eine weitere Lampe als Vergleichsmaßstab verwendet wurden, in
welche kein Iod-Gas eingefüllt
wurde. Bei der Vergleichslampe betrug der Lichtstrom beim anfänglichen
Betrieb (Betrieb für
eine Stunde) 16.600 Lumen bei einer Eingangsleistung von 200 W und
die anfängliche
Zündspannung
1,6 kV, während
der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
nach einem Betrieb für
10.000 Stunden 48% und die Zündspannung
4,9 kV betrug.
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Bei
der Lampe gemäß Ausführungsform
3 betrug dagegen der Lichtstrom beim anfänglichen Betrieb (für eine Stunde)
15.400 Lumen bei einer Eingangsleistung von 200 W und die Ausgangs-Zündspannung
1,68 kV, während
nach einem Betrieb für 10.000
Stunden der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor und die Zündspannung
88% bzw. 1,75 kV betrugen. Somit wurde herausgefunden, daß sowohl der
Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor als auch die Zündspannung
verbessert wurden.
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Durch
Einfüllen
des Iod-Gases in die Entladungsröhre,
wie oben dargestellt wurde, wurde ermöglicht, daß während des Betriebs eine große Menge
von Iod in der Nähe
der Wandinnenfläche
der Entladungsröhre 1 vorliegt,
um dadurch den Halogen-Zyklus in der Nähe der Entladungsröhre zu unterstützen und
die Reaktion der eingefüllten
Substanzen mit der Entladungsröhre
zu verhindern. Die Verringerung des anfänglichen Lichtstroms um 7%
ist darauf zurückzuführen, daß das lumineszierende
Volumen des Entladungsplasmas durch das Vorhandensein von Iod verringert
wurde. Es ist jedoch möglich,
den Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
und die Zündbarkeit
erheblich zu verbessern.
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Wenn
die eingefüllte
Menge von Iod erhöht wird,
wird der Halogen-Zyklus leichter unterstützt, so daß die Verschlechterung geringer
wird; es tritt jedoch das Problem auf, daß der Lichtstromwert geringer
wird. Im Hinblick auf die Testergebnisse wurde herausgefunden, daß die Reaktion
zwischen der Entladungsröhre
und den eingefüllten
Substanzen verhindert werden kann, wenn die Menge des eingefüllten Iods
auf 133 bis 266 Pa festgesetzt wird; ferner kann die Verminderung
des anfänglichen
Lichtstroms um einige % vermindert werden. Ergebnisse von weiteren
ausführlichen
Untersuchungen der Lampe gemäß Ausführungsform
3 (nach einem Betrieb für 10.000
Stunden) sind in 7 dargestellt. Bei der Lampe
gemäß Ausführungsform
3 betrug die Menge des unter Berücksichtigung
der Zündspannung
als den Halogen-Zyklus unterstützende
Substanz in die Lampe eingefüllten
Iod-Gases mehr als 53,2 Pa. Außerdem
betrug die Menge des als den Halogen-Zyklus unterstützende Substanz
in die Lampe eingefüllten Iod-Gases,
die für
eine praktische Verwendung geeignet ist und die Zündspannung
und den Lichtstromwert während
des Betriebs berücksichtigt,
zwischen 53,2 und 1170 Pa. Als ein Ergebnis der Untersuchung von
anderen Seltenerdmetall-Halogeniden wurde herausgefunden, daß, wenn
auch die Lebensdauer und der Lichtstrom berücksichtigt werden, das Einfüllen von
Halogengas mit mehr als 5,0 × 10-3 Mol und weniger als 1,0 × 10-1 Mol je 1 Mol Seltenerdmetall für diesen
Zweck ausreichend ist.
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AUSFÜHRUNGSFORM 4:
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In
den 3 und 4 ist Ausführungsform
4 dargestellt, in der ein Teil 1, das die Entladungsröhre bildet,
eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 30 mm und einer
Höhe von
15 mm hat; weiterhin sind ein zylindrisches Hilfsrohr 6 mit
einem Durchmesser von 5 mm und einer Länge von 10 mm sowie eine Trägerstange 9 im
wesentlichen in der Mitte der Unterseite des Entladungsröhren-Teils 1 vorgesehen,
wobei das Entladungsröhren-Teil 1 und das
Hilfsrohr 6 miteinander über eine Verbindungsstelle,
wie sie in 4A zu sehen ist, in Verbindung stehen
und somit einen zusammenhängenden
luftdichten Raum bilden.
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In
den so gebildeten luftdichten Raum wurden Seltenerdmetall-Halogenide
wie Neodym-Iodid (NdI3) mit einer Menge
von 15 mg sowie Caesium-Iodid (CsI) mit einer Menge von 5 mg als
lumineszierende Substanz eingefüllt,
um in dem Hilfsrohr 6 vorzuliegen. Ferner wurden als Zündgas 13300
Pa Xenon-Gas (Xe) in den Raum eingefüllt.
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Als
nächstes
wurde, wie in 4A dargestellt ist, die Lampe
für eine
Stunde mit einer Eingangsleistung von 300 Watt betrieben, die einer Wicklung 7 zugeführt wurde,
die auf den Außenumfang
des Hilfsrohres 6 aufgewickelt ist; es wurde eine Entglasung
als weiße
Trübung
(in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnet) auf
der Innenwand des Hilfsrohres 6 in dem Bereich festgestellt, auf
den die Wicklung aufgewickelt ist (in 4B dargestellt).
Es wurde durch eine spätere
Analyse bestätigt,
daß gleichzeitig
mit der Entglasung freies Iod erzeugt wurde. Hinsichtlich der Menge
des erzeugten freien Iods ist darauf hinzuweisen, daß eine zum
Zünden
der Lampe ausreichende Menge erzeugt wurde.
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Wie
in 4C dargestellt ist, wurde als nächstes der
Verbindungsabschnitt zwischen dem Hilfsrohr 6 und der Entladungsröhre 1 mittels
eines Brenners geschlossen, um den luftdichten Raum auf nur das
Entladungsröhren-Teil 1 mit
dem Durchmesser von 30 mm und der Höhe von 15 mm zu begrenzen.
Es wird darauf hingewiesen, daß beim
Schließen der
Verbindungsstelle Neodym-Iodid, Caesium-Iodid und Iod, die beim
vorherigen Betrieb erzeugt wurden, in der Entladungsröhre 1 eingeschlossen
werden.
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Nachfolgend
werden Ergebnisse von Betriebstests mit der auf diese Weise hergestellten Lampe
gemäß Ausführungsform
4 und der Lampe dargestellt, die als Vergleichsmaßstab ohne
Einfüllen eines
Iod-Gases hergestellt wurde. Bei der Vergleichslampe betrug bei
einem anfänglichen
Betrieb für
eine Stunde der Lichtstrom 13.600 Lumen mit einer Eingangsleistung
von 200 W und die anfängliche Zündspannung
(die an der Induktionswicklung 3 zum Zünden der Lampe notwendige Spannung)
1,5 kV, während
nach einem Betrieb für
10.000 Stunden der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor 57% und die Zündspannung
4,0 kV betrug. Dagegen erzielte die Lampe gemäß Ausführungsform 4 einen Lichtstrom von
12.700 Lumen bei einer Eingangsleistung von 200 W und eine anfängliche
Zündspannung
von 1,6 kV, wobei nach einem Betrieb für 10.000 Stunden der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
88% und die Zündspannung
1,9 kV betrug; es wurde also herausgefunden, daß sowohl der Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
als auch die Zündspannung
verbessert wurden. Bei einer Untersuchung der Menge von erzeugtem
Iod-Gas konnte auch bei Ausführungsform 4
ein gleicher Effekt wie bei Ausführungsform
3 aufgefunden werden, indem der Bereich 8 kontrolliert wurde,
in welchem die in 4B dargestellte Entglasung aufgetreten
ist (durch Änderung
der Abmessungen des Hilfsrohres 6 und/oder der Windungsanzahl der
Wicklung 7 auf dem Außenumfang
des Hilfsrohres 6). Es ist bei der Ausführungsform von 4 möglich, daß das Iod-Gas
nach der Herstellung der Lampe erzeugt wird, ohne daß am Ort
der Lampenherstellung ein Weg zum Führen des Iod-Gases bereitgestellt
wird; ferner kann Iod in leichter Weise mit herkömmlichen Einrichtungen behandelt
werden.
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Da
die Lampe gemäß Ausführungsform
4 beim Betrieb die gleichen Ergebnisse wie das in 3 dargestellte
System (ohne den Außenmantel) erzielte,
ist es überflüssig, darauf
hinzuweisen, daß die
Lampe gemäß Ausführungsform
4 in gleicher Weise wie andere Ausführungsformen auch auf das in 2 dargestellte
System mit doppelter Röhre
anwendbar ist, das die äußere Abdeckungsröhre enthält.
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AUSFÜHRUNGSFORM 5:
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In
Ausführungsform
5 ist die Gestaltung der Lampen-Ansteuervorrichtung die gleiche
wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen.
Der Unterschied zu den anderen Ausführungsformen liegt darin, daß als Entladungsröhre 1 eine
kugelförmige
Entladungsröhre
aus Quarz mit einem Durchmesser von 27 mm verwendet wird. Zusätzlich zu
26600 Pa Xe-Gas wurden Seltenerdmetall-Halogenide wie 15 mg NdI3
und 5 mg CsI als lumineszierende Substanz eingefüllt. Außerdem wurden als den Halogen-Zyklus unterstützende Substanz
0,2 mg Antimon-Iodid (SbI3) eingefüllt. Bei der vorliegenden Ausführungsform
wurden neben Natrium- und Lithium-Halogeniden, die Substanzen einer
Emission der Farbe Rot sind, 2 mg Natrium-Iodid (NaI) zugefügt, um die
Farbtemperatur zu senken. Wenn diese Lampe in der gleichen Weise
wie die vorangegangenen Ausführungsformen
(mit einer Eingansleistung von 180 W) anfänglich (für eine Stunde) betrieben wurden,
ergab sich als Lampen-Charakteristik vor dem Zusetzen von Natrium-Iodid
ein Lichtstrom von 13.700 Lumen, eine Farbtemperatur von 6.500 K
und ein allgemeiner Farbwiedergabeindex von 82, während sich
nach dem Zusetzen von Natrium-Iodid eine Lampen-Charakteristik mit
eine Lichtstrom von 14.600 Lumen, einer Farbtemperatur von 5.800
K und einem allgemeinen Farbwiedergabeindex von 80 ergab; es wurde also
möglich,
die Farbtemperatur zu senken. Die Zündspannung beim anfänglichen
Betrieb (für
eine Stunde) betrug 1,7 kV, während
sie nach einem Betrieb für
500 Stunden auf 4,3 kV angestiegen ist. Es wird davon ausgegangen,
daß durch
das Einfüllen von
0,2 mg Antimon-Iodid (SbI3) als den Halogen-Zyklus unterstützende Substanz
zum Verhindern der Reaktion der Seltenerdmetall-Halogenide mit der Entladungsröhre eine
Reaktion des Natriums als Rot-Emissionssubstanz
mit der Entladungsröhre nicht
verhindert werden konnte, sondern daß das Natrium in die Entladungsröhre eingeschmolzen
wurde und daß schließlich produziertes
freies Iod einen Anstieg der Zündspannung
bewirkt hat. Um die Reaktion des Natriums mit der Entladungsröhre zu verhindern,
wurde ein Erhöhen
der den Halogen-Zyklus unterstützenden
Substanz, welche die Rot-Emissionssubstanz ist, versucht. Somit
wurde eine Lampe vorbereitet, in die zusätzlich zu den gleichen Substanzen
wie oben (Xe-Gas:26600 Pa, NdI: 15 mg, CsI: 5 mg, NaI: 2 mg) 0,4
mg Antimon-Iodid (SbI3) als den Halogen-Zyklus
unterstützende
Substanz eingefüllt, und
es wurde der gleiche Test durchgeführt. Als Lampen-Charakteristik
ergab sich beim anfänglichen
Betrieb (für
eine Stunde) ein Lichtstrom von 13.500 Lumen, eine Farbtemperatur
von 5.700 K und ein allgemeiner Farbwiedergabeindex von 80. Die
anfängliche
Zündspannung
betrug 1,72 kV, und sie hat sich gegenüber diesem Wert selbst nach
einem Betrieb von 500 Stunden nicht geändert; als Ergebnis eines fortgesetzten
Betriebstests wurden selbst nach einem Betrieb für 10.000 Stunden die ausgezeichneten Werte
von 1,87 kV für
die Zündspannung
und 87% für
den Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktors erzielt.
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Es
wird nun der Fall beschrieben, daß anstelle von 0,4 mg Antimon-Iodid,
das zusätzlich
als den Halogen-Zyklus unterstützende
Substanz eingefüllt wurden,
die auch als Rot-Emissionssubstanz
wirkt, 0,3 mg Indium-Iodid (InI) verwendet wurden. Die Charakteristik
dieser Lampe ergab beim anfänglichen
Betrieb (für
eine Stunde) einen Lichtstrom von 15.500 Lumen, eine Farbtemperatur
von 5.500 K und einen allgemeinen Farbwiedergabeindex von 86. Außerdem betrug
die anfängliche
Zündspannung
1,76 kV, und nach einem Betrieb für 10.000 Stunden wurde eine
Zündspannung
von 1,83 kV und ein Lichtstrom-Aufrechterhaltungsfaktor
von 87% erhalten. Im Vergleich mit der Verwendung von 0,4 mg Antimon-Iodid
wurden bezüglich
der Zündspannung
im wesentlichen die gleichen ausgezeichneten Ergebnisse erhalten,
und bezüglich
des Lichtstroms und des allgemeinen Farbwiedergabeindexes wurden Verbesserungen
erzielt.
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Wenn
Lithium-Halogenide als andere Seltenerdmetall-Halogenide oder die
Rot-Emissionssubstanz verwendet werden, konnten im wesentlichen
die gleichen Ergebnisse erzielt werden. Wenn diese Ergebnisse zusammengenommen
werden, können
bezüglich
der Zündspannung
die gleichen Effekte wie bei anderen Ausführungsformen erzielt werden,
ohne daß die
Zündspannung
selbst nach einem Betrieb für mehr
als 10.000 Stunden ansteigt, indem die den Halogen-Zyklus unterstützende Substanz
zusätzlich
zur Verwendung als Rot-Emissionssubstanz
zusätzlich zu
den obigen Mengen zugeführt
wird, wie in Anspruch 2 bezüglich
des Seltenerdmetalls angegeben wird. Es muß hier berücksichtigt werden, daß der Lichtstromwert
verringert wird, wenn zuviel der den Halogen-Zyklus unterstützenden
Substanz zur Verwendung als Rot-Emissionssubstanz
eingefüllt
wird. Bedingungen für
das Zusetzen der den Halogen-Zyklus unterstützenden Substanz zur Verwendung
als Rot-Emissionssubstanz
bestehen darin, daß ein
Metall-Halogenid mit einem Dampfdruck von mehr als 133 Pa und weniger
als 133 kPa bei 400°C
zusätzlich,
um einen Anstieg der Zündspannung
zu verhindern, in einer Menge von mehr als 1 × 10-3/(n/2)
Mol je 1 Mol Natrium, Lithium oder deren Gesamtmenge, das in der
Rot-Emissionssubstanz enthalten ist, zugesetzt wird, wenn die Zusammensetzung
des Metall-Halogenids als MXn dargestellt ist (M: Metall, X: Halogen,
n: Halogenzahl). Wenn die Lichtleistung während des Betriebs berücksichtigt
wird, wurde außerdem
herausgefunden, daß die
Gesamtmenge der den Halogen-Zyklus unterstützenden Substanz zur Verwendung
als das Seltenerdmetall und der zusätzlichen, den Halogen-Zyklus
unterstützenden
Substanz als Rot-Emissionssubstanz vorzugsweise weniger als 1 × 10-1/(n/2) Mol betragen sollte.
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AUSFÜHRUNGSFORM 6:
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Ausführungsform
6 wird ausgehend von den Testergebnissen erläutert. Die Entladungsröhre 1 hatte
eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 30 mm und einer
Höhe von
15 mm, in die 11 mg Neodym-Brom (NdBr3),
15 mg Neodym-Iodid (NdI3) und 5 mg Caesium-Iodid
(CsI) als lumineszierende Substanz eingefüllt wurden. Diese Lampe wurde
mittels der in 2 dargestellten Lampen-Ansteuervorrichtung
mit einer Eingangsleistung von 200 W betrieben, und der Lichtstrom
und die Zündspannung
wurden zu Untersuchungszwecken mit einer Vergleichslampe (NdI3: 30 mg, CsI: 5 mg) verglichen. Hier stellen
11 mg NdBr3 und 15 mg NdI3 im
wesentlichen die gleiche Zahl an Mol dar, und die beiden für den Test hergestellten
Entladungsröhren
enthalten die gleiche Zahl von Mol Nd.
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Bei
der Lampe gemäß Ausführungsform
6 betrug nach einem Betrieb für
eine Stunde der Lichtstrom 14.800 Lumen und die Zündspannung
1,01 kV. Nach fortgesetztem Betrieb für 10.000 Stunden betrug der
Lichtstrom 10.900 Lumen und die Zündspannung 1,71 kV. Bei der
Vergleichslampe betrug nach einem Betrieb für eine Stunde der Lichtstrom
13.000 Lumen und die Zündspannung
1,01 kV, wohingegen nach einem Betrieb für 10.000 Stunden ein Lichtstrom
von 7.800 Lumen und eine Zündspannung
von 2,46 kV erhalten wurde.
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Aus
den obigen Ergebnissen ist zu sehen, daß die Lampe gemäß Ausführungsform
6 eine geringere Verschlechterung des Lichtstroms und der Zündspannung
aufweist. Dies liegt daran, daß die Lampe
gemäß Ausführungsform
6 in die Lampe als Halogenide eingefülltes Iodid und Brom aufweist,
die während
des Betriebs unabhängig
verdampft werden, so daß Iodid
und Brom voneinander unabhängig vorliegen,
wobei die schließlich
in der Entladungsröhre
vorliegende Halogengesamtzahl bei (NdI3 +
NdBr3 + CsI) größer als bei (NdI3 +
CsI) sein wird, und der Halogen-Zyklus unterstützt werden kann.