DE2011314A1

DE2011314A1 - Inductively coupled ring discharge device

Info

Publication number: DE2011314A1
Application number: DE19702011314
Authority: DE
Inventors: Manabu Odawara; Suzuki Yukio Tokio; Yamamoto (Japan). P H05b 41-32
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1970-03-10
Filing date: 1970-03-10
Publication date: 1971-09-23
Also published as: DE2011314B2

Description

Induktiv gekoppelte Ringentladungseinrichtung Die Erfindung betrifft eine Entladungseinrichtung, insbesondere mit einer induktiv gekoppelten Ringentladungs röhre, die Licht durch eine induzierte Entladung emittiert.-Bekannte Entladungsröhren haben eine Elektrode, die dazu dient, elektrische Leistung von einer äußeren Stromversorgung in die Entladungsröhre einzuspeisen0 Für die Entladungsröhre sind Aufbau und Werkstoff der Elektrode sehr wichtig, damit diese den eben aufgezeigten Zweck erfüllen kanne Genauer gesagt, die Geeignetheit der Elektrode für -die gewünschte Elektronenemission hat nicht nur einen großen Einfluß äuf die elektrischen und optischen Betriebs--eigenschaften der Entladungsröhre, sondern ist auch eng mit der Durchbruchs spannung zum Zünden der Entladungsröhre verknüpft, SQ daß Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der ntladungsröhre ebenso wie unregelmäßige Schwankungen des Stroms während des Betriebs der Entladungsröhre in Abhängigkeit von den Eigenschaften der Elektrode auftreten. Inductively Coupled Ring Discharge Device The invention relates to a discharge device, in particular with an inductively coupled ring discharge tube that emits light by an induced discharge.-Known discharge tubes have an electrode that serves to receive electrical power from an external power supply to be fed into the discharge tube0 For the discharge tube, the structure and material the electrode is very important so that it can fulfill the purpose just outlined More precisely, the suitability of the electrode for the desired electron emission not only has a great influence on the electrical and optical operating properties the discharge tube, but is also closely related to the breakdown voltage for ignition linked to the discharge tube, SQ that fluctuations in electrical properties the discharge tube as well as irregular fluctuations in the current during operation of the discharge tube depending on the properties of the electrode.

Ferner tritt eine Verschlechterung der Elektronenemission der Elektrode infolge Zerstäubung und Verdampfens des elektronenemittierenden Werkstoffs beim Zünden und Betreiben der Entladungsröhre ein, und der von der Elektrode zerstäubte Werkstoff verursacht eine Schwärzung der Röhrenwand. Daher verursachen die elektronenemittierenden Werkstoffe der Elektrode eine starke Einschränkung der Lebensdauer der Entladungsröhre. Furthermore, there occurs a deterioration in electron emission from the electrode as a result of atomization and evaporation of the electron-emitting material during Ignite and operate the discharge tube, and the atomized from the electrode Material causes blackening of the tube wall. Therefore, the electron-emitting causes Materials of the electrode severely limit the service life of the discharge tube.

Verschiedene auf das Vorhandensein der Elektrode zurückzuführende Schwierigkeiten treten stärker'in den sogenannten Metallhalogenid-Entladungslampen auf, in denen Metallverbindungen in Form von Halogeniden in einem Glaskolben enthalten sindp um Emissionsspektren der Metalle zu erzeugen, Die durch die Entladung freigesetzten Halogene tragen zu einer Beschädigung der Elektrode infolge ihrer chemischen Aktivität bei, so daß sie die Alterung des der Entladungslampe beschleunigen. Zum Beispiel beträgt die Lebensdauer einer Hochdruck-Quecksilberdampf-Entladungslampe mit einem Metallhalogenid, wie sie gegenwärtig verwendet wird, weniger als ein Drittel einer derartigen Entladungslampe9 die kein Metallhalogenid enthält. Various due to the presence of the electrode Difficulties are more pronounced in what are known as metal halide discharge lamps on, in which metal compounds are contained in the form of halides in a glass flask sindp to generate emission spectra of the metals released by the discharge Halogens contribute to electrode damage as a result of their chemical activity at, so that they accelerate the aging of the discharge lamp. For example is the service life of a high pressure mercury vapor discharge lamp with a As presently used metal halide is less than one third of a time such discharge lamp9 which does not contain any metal halide.

Die Metallhalogenid-Entladungslampe wird jedoch als Lichtquelle sehr viel benutzt, da sie einen hohen Leistunsgrad und eine gute Farbverteilung zeigt. Es besteht daher seit längerer Zeit ein großes Bedürfnis, die Lebensdauer von Metallhalogenid-Entladungslampen stärker zu erhöhen, Für diesen Zweck ist es bereits bekannt (vglo JP-PS 303 725), eine elektrodenlose Entladungsröhre ohne eine Elektrode der oben beschriebenen Art vorzusehen, nämlich eine Ringentladungsröhre mit einer Sekundärwicklung eines-Transformators, um induktiv eine elektrodenlose Entladung in der Entladungsröhre zu erzeugen. However, the metal halide discharge lamp is becoming very popular as a light source Much used because it shows a high level of performance and a good color distribution. There has therefore been a great need to extend the life of metal halide discharge lamps for a long time to increase more, for this purpose it is already known (vglo JP-PS 303 725), an electrodeless discharge tube without one Electrode of the above to provide the type described, namely a ring discharge tube with a secondary winding a transformer to inductively create an electrodeless discharge in the discharge tube to create.

Ob0çohl diese elektrodenlose Entladungsröhre verschiedene Vorteile hat, zO B. den eines stabilen Betriebs wShrenc einer größeren Zeitdauer, einer nicht so schnellen Verringerung des Lichtstroms und allgemein einer längeren Lebensdauer, hat sie den Nachteil, daß eine relativ hohe elektrische Feldstärke in der Entladungsröhre erzeugt werden muß, was eine elektrische Stromversorgung hoher Frequenz und sehr große Abmessungen des Magnetkerns und der Entladungsröhre erforderlich macht. There are several advantages to this electrodeless discharge tube has, for example, that of stable operation for a longer period of time, one does not so rapid reduction in luminous flux and generally a longer service life, it has the disadvantage that a relatively high electric field strength in the discharge tube must be generated, which is an electrical power supply of high frequency and very requires large dimensions of the magnetic core and the discharge tube.

Der Brfilldung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrodenlose Entladungsröhre anzugeben, in der die elektrische Fe-ldstärke auf einen niedrigen Wert gehalten wird, ohne daß die Leistung und die Farbverteilung beeinträchtigt werden. The foundation is therefore based on the task of an electrodeless Specify discharge tube, in which the electric field strength at a low Value is maintained without affecting performance and color distribution will.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Entladungsröhre ein cadmiumhaltiges Füllgas enthält. This object is achieved in that the discharge tube is a cadmium-containing Contains filling gas.

Die Erfindung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert, Die Zeichnung zeigt eine induktiv gekoppelte Ringentladungseinrichtung gemäß der Erfindung, teilweise im Schnitts mit einer Ringentladungsröhre 1 aus einem lichtdurchlässigen und wärmefesten Werkstoff wie geschmolzenem Siliziumoxyd oder Quarz lichtdurchlässigem. Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd. Metalle oder deren Jodide und irgendein gewünsehtes Gas wie ein inertes Gas, das Xenon oder Argon sein kann, sind in der Entladungsröhre 1 enthalten. Ferner sind Zündelektroden 2 und 3 aus thoriumoxydhaltigem Wolfram vorhanden. Eine Zündeinrichtung 4 mit einer Leerlaufspannung von etwa 1000 V und einem Kurzschlußstrom von etwa 0,1 A ist an die Zündelektroden 2 und 3 angeschlossenO Ein Magnetkern 5 durchsetzt die Ringentladungsröhre 12 und eine Primärwicklung 6 ist mit der Entladungsröhre 1 über den Magnetkern 5 induktiv gekoppelt0 Eine elektrische Stromversorgung 7 für die Hauptentladung, die bei einer Frequenz von etwa 5 bis 10 kHz arbeitet und für eine maximale Ausgangsleistung von 10 kW aufgelegt ist, ist mit der Primärwicklung 6 verbunden. The invention is explained in more detail with reference to the single figure of the drawing explained, The drawing shows an inductively coupled ring discharge device according to the invention, partially in section with a ring discharge tube 1 from a translucent and heat-resistant material such as fused silicon oxide or Quartz translucent. Aluminum oxide or beryllium oxide. Metals or their iodides and any desired Gas like an inert gas, the xenon or Argon are contained in the discharge tube 1. There are also ignition electrodes 2 and 3 made of tungsten containing thorium oxide. An ignition device 4 with a Open circuit voltage of about 1000 V and a short circuit current of about 0.1 A is on the ignition electrodes 2 and 3 connected O A magnetic core 5 penetrates the ring discharge tube 12 and a primary winding 6 is connected to the discharge tube 1 via the magnetic core 5 inductively coupled0 An electrical power supply 7 for the main discharge, the operates at a frequency of about 5 to 10 kHz and for maximum output power of 10 kW is applied, is connected to the primary winding 6.

Die induktiv gekoppelte Ringentladungseinrichtung mit dem eben beschriebenen Aufbau arbeitet folgendermaßen: Zuerst wird ein kleiner elektrischer Strom von etwa 0,1 A von der Zündeinrichtung 4 in die Zündelektroden 2 und 3 eingespeist, um eine schwache elektrische Entladung in der Entladungsröhre 1 zu erzeugen, so daß eine Vorionisation des inerten Gases (Xenon oder Argon) in der Entladungsröhre erzeugt wird0 Anschließend wird der Primärwicklung 6 Strom von der Stromversorgung 7 zugeführt, um huber den Magnetkern 5 die Hauptentladung in der Ringentladungsröhre 1 zu induzieren. Zu Beginn der Hauptentladung findet die Entladung im inerten Gas oder dem Dampf eines Metalls wie Queoksilber statt, das einen beträchtlichen Dampfdruck bei Raumtemperatur hat, so daß die Emissionsspektren dieser Elemente auftreten4 Mit Zunahme. der Temperatur der Röhrenwand beginnen andere Metalle Licht zu emittieren. Im allgemeinen nimmt die elektrische Feldstärke der Entladungsröhre mit dem Dampfdruck in der Entladungsröhre zu, und schließlich stellt sich ein bestimmter Wert ein* der von der Art und der Menge der in der Entladungsröhre enthaltenen Substanzen abhängt. The inductively coupled ring discharge device with the one just described Construction works as follows: First, a small electric current of about 0.1 A is fed from the ignition device 4 into the ignition electrodes 2 and 3, in order to achieve a generate weak electric discharge in the discharge tube 1, so that a Preionization of the inert gas (xenon or argon) generated in the discharge tube wird0 Then the primary winding 6 is supplied with current from the power supply 7, to induce the main discharge in the ring discharge tube 1 via the magnetic core 5. At the beginning of the main discharge, the discharge takes place in the inert gas or steam of a metal like mercury, which has a considerable vapor pressure at room temperature so that the emission spectra of these elements appear4 with increase. the temperature other metals begin to emit light on the tube wall. Generally takes the electric field strength of the discharge tube with the vapor pressure in the discharge tube to, and finally there is a certain value * that of the type and the Depends on the amount of substances contained in the discharge tube.

Es soll jetzt die Beziehung zwischen der elektrischen Feldstärke und verschiedenen Parametern der Entladungseinrichtung diskutiert werden. It is now supposed to be the relationship between the electric field strength and various parameters of the discharge device are discussed.

Wenn mit l die Bogenlänge der Ringentladungsröhre und mit S die Querschnittsfläche des Magnetkerns bezeichnet wird, erhält man als elektromotorische Kraft E, die in Längsrichtung pro Längeneinheit der Entladungsröhre induziert wird: E = S . # B (1) 1 # t Der Einfächheit-halber wird hier angenommen, daß, das Magnetfeld sich sinusförmig mit einer Kreisfrequenz # ändert und seine Amplitude Bmax ist. In diesem Fall kann die Amplitude Bmax des induzierten elektrischen Felds aus oder Gleichung (1) abgeleitet werden zuz Emax = 0 <£>Bm'ax (2) Um die Entladung aufrecht zu erhalten, muß die elektrische Feldstärke Ed in der Entladungsröhre folgenden Bedingungen genügen: Ed < S/1 . # . Bmax (3) In Anbetracht der Sättigunsflußdichte vieler Magnetwerkstoffe beträgt 3 größe-nordnungsmäßig 1 Wb,m Q Fermax ner ist es in Anbetracht der Frequenzkennlinie der Bauelemente der Stromversorgung aus praktischen Griinden vorteilhaftt daß (&3/2Jt = 104 Hz ist. In der Praxis übliche Abmessungen der Bogenlänge 1 der Entladungsröhre und der Querschnittsfläche S des Magnetkerns sind 1 = 095 m und -2 2 S = 10 m , obwohl davon in Abhängigkeit. von der Form der Röhre und des Magnetkerns auch abgewichen werden kann. If with l the arc length of the ring discharge tube and with S the cross-sectional area of the magnetic core is given as the electromotive force E, which in Longitudinal direction per unit length of the discharge tube is induced: E = S. # B (1) 1 # t For the sake of simplicity, it is assumed here that the magnetic field is changes sinusoidally with an angular frequency # and its amplitude is Bmax. In this Case can be the amplitude Bmax of the induced electric field from or equation (1) to be derived zuz Emax = 0 <£> Bm'ax (2) To maintain the discharge the electric field strength Ed in the discharge tube must be as follows Conditions are sufficient: Ed <S / 1. #. Bmax (3) In consideration of the saturation flux density of many magnetic materials is 3 size-north-wise 1 Wb, m Q Fermax ner it is considering the frequency characteristics of the components the power supply for practical reasons it is advantageous that (& 3 / 2Jt = 104 Hz. In practice usual dimensions of the arc length 1 of the discharge tube and the cross-sectional area S of the magnetic core are 1 = 095 m and -2 2 S = 10 m, although depending on it. the shape of the tube and the magnetic core can also be deviated from.

Durch Einsetzen dieser Werte fiir S, 1 und B in Gleimax chung (3) ergibt sich als Bedingung für die Unterhaltung der Entladung: Ed 1O V/m Obwohl die oben angegebenen Zahlenwerte einen gewissen Spielraum für eine ziemlich freie Wahl lassen ist es offensichtlich, daß im allgemeinen viele Vorteile mit einer Entladungsröhre erreicht werden können, die eine niedrigere elektrische Feldstärke Ed hat.Substituting these values for S, 1 and B in equation (3) The condition for maintaining the discharge results: Ed 1O V / m Although the The numerical values given above leave a certain margin for a fairly free choice Let it be apparent that there are many advantages to using a discharge tube in general can be achieved which has a lower electric field strength Ed.

Die elektrische Feldstärke Ed beträgt in den meisten üblichen Quecksilberdampflampen und Metallhalogenidentladungslampen im wesentlichen 2 103 V/m und überschreitet damit die erlaubte Grenze für praktisch realisierbare induktiv gekoppelte Ringentladungslampen. The electric field strength is Ed in most common mercury vapor lamps and metal halide discharge lamps substantially and exceed 2 103 V / m thus the permitted limit for practically realizable inductively coupled ring discharge lamps.

Aus den vorangegangenen Ausführungen dürfte ersichtlich sein, daß ein wichtiges Merkmal der Erfindung darin zu sehen ist, daß die in der Entladungsröhre enthaltenen Substanzen geeignet gewählt werden, um die elektrische Feldstärke in der Entladungsröhre beträchtlich zu verringern. Es ist zwar bereits bekannt, daß ein hoher Emissionswirkungsgrad und eine gute Farbverteilung mit einer Entladungsröhre erzielt werden können, die ein inertes Gas und Metalle wie Quecksilber, Natrium, Thallium und Indium oder deren-Jodide enthält Von den Erfindern durchgeführte umfangreiche Experimente und Untersuchungen haben nun gezeigt, da(3 der Zusatz von Cadmium zu diesen bereits bekannten Substanzen zu einer beträchtlichen Verringerung der elektrischen Feldstärke führt. Die-folgende Tabelle zeigt die Bogsenspannung, wenn Cadmium in verschiedenen Mengen eine Entladungsröhre von 18 mm Innendurchmesser zugesetzt wird, die Quecksilber, Thalliumjodid, Natriumjodid, Indium: und Xenon enthält Tabelle Abhängigkeit der elektrischen Eigenschaften von der ugesetzten Cadmiummenge Cadmium- Elektrische Leistung Strom Elektrische menge (mg) pro Längeneinheit Feldstärke in der Röhre (kW/m) der Röhre (V/m) 0 8 4,3 2320 12 6,1 2580 0,6 8 6,0 1720 12 8,8 1860 3. 8 6,3 1560 12 8,8 1760 2 8 11,3 840 * 12 14,0 1100 * Kein Quecksilber vorhanden, während Xenon nur bei einem Druck von 465 Torr eingeschmolzen ist. Aus der obigen Tabelle ist ersichtlich, daß der Zusatz von Cadmium die elektrische Feldstärke in der Entladungsröhre verringert0 Besonders die letzte Zeile der Tabelle zeigt, daß die Röhrenspannung stark verringert wird, wenn kein Quecksilber und Xenon bei einem etwas höheren Druck als blich vorhanden ist0 Die Ursache dafür daß der Zusatz von Cadmium eine solche Verringerung der Röhrenspannung bewirkt; ist noch nicht genau geklärt Es wurden jedoch folgende experimentelle Ergebnisse erhalten. Das heißt, die spektroskopische Prüfung der Intensität der Spektrallinien und der Temperatur des Plasmas an verschiedenen Punkten zwischen der Mittelachse der Entladungsröhre und der Röhrenwand zeigte, daß Quecksilber und Cadmium in einem Bereich relativ hoher Temperatur in der Nähe der Röhrenachse aufleuchten, während andere Metalle in einem Bereich relativ niedriger Temperatur in der Nähe der Röhrenwand aufleuchten. Das stimmt mit der Tatsache überein, daß die Anregungsenergie für Quecksilber und Cadmium höher als die der Gruppe von anderen Metallen ist. Der auf der Achse gelegene Hochtemperaturbereich der Röhre wird grundsätzlich durch den Zusatz von Cadmium beeinflußt und die Temperatur in diesem Bereich wird von etwa 6000 OK, wie sie ohne den Zusatz von Cadmium auftritt, auf etwa 5000 bis 4000 K mit zunehmender Cadmiummenge verringert. Der Niedertemperaturbereich in der Nähe der Wand der Röhre ist im wesentlichen frei von zugesetztem Cadmium, und die Temperatur in diesem Bereich beträgt 2000 bis 4000 OK. From the foregoing it should be apparent that An important feature of the invention is to be seen in the fact that the discharge tube substances contained are selected appropriately to reduce the electric field strength in of the discharge tube to be reduced considerably. It is already known that high emission efficiency and good color distribution with a discharge tube can be achieved that contain an inert gas and metals such as mercury, sodium, Thallium and indium or whose iodides contains By the inventors Extensive experiments and investigations carried out have now shown that (3 the addition of cadmium to these already known substances to a considerable extent Reduction of the electric field strength leads. The following table shows the arc voltage, if cadmium is present in various quantities, a discharge tube with an inner diameter of 18 mm Added is the mercury, thallium iodide, sodium iodide, indium: and xenon Table contains the dependence of the electrical properties on the amount of cadmium added Cadmium Electric Power Electricity Amount (mg) per unit length of field strength in the tube (kW / m) in the tube (V / m) 0 8 4.3 2320 12 6.1 2580 0.6 8 6.0 1720 12 8.8 1860 3. 8 6.3 1560 12 8.8 1760 2 8 11.3 840 * 12 14.0 1100 * No mercury present, while xenon is only melted down at a pressure of 465 torr. From the above Table shows that the addition of cadmium increases the electric field strength in of the discharge tube decreased0 Especially the last line of the table shows that the tube voltage is greatly reduced when there is no mercury and xenon is present at a slightly higher pressure than usual0 The reason why the The addition of cadmium causes such a reduction in the tube voltage; is still not clarified exactly. However, the following experimental results were obtained. That is, the spectroscopic examination of the intensity of the spectral lines and the Temperature of the plasma at various points between the central axis of the discharge tube and the tube wall showed that mercury and cadmium were relative in one area high temperature near the tube axis, while other metals light up light up in a relatively low temperature area near the tube wall. This is consistent with the fact that the excitation energy for mercury and Cadmium is higher than that of the group of other metals. The one on the axis The high temperature range of the tube is basically due to the addition of cadmium affected and the temperature in this area will be OK from about 6000 as it is without the addition of cadmium occurs to about 5000 to 4000 K with increasing amount of cadmium decreased. The low temperature area near the wall of the tube is substantial free of added cadmium, and the temperature in this area is 2000 up to 4000 OK.

Es scheint, daß eine derartige Temperaturverringerung in der Nähe der Röhrenachse mit der Verringerung der Röhrenspannung verknüpft ist.It seems that such a decrease in temperature is in the vicinity the tube axis is associated with the decrease in tube voltage.

Die cadmiumenthaltende Entladungsröhre zeigt daher eine gute Farbverteilung und einen hohen Emissionswirkungs grad. Wenn die Entladungsröhre Cadmium, jedoch kein Quecksilber enthält, um den Emissionswirkungsgrad zu verbesserin; ist es zweckmäßig, ein inertes Gas bei einem beträchtlich höheren Druck abzufüllen. Wenn beispielsweise Xenon unter einem Druck von mehr als 300 Torr oder Argon untereinem Druck von mehr als 500 Torr abgefüllt wird* betrugt die Emis-sion der Entladungsröhre etwa 80 l m/W und mehr0 Es dürfte also ersichtlich sein, daß durch die Erfindung eine induktiv gekoppelte Entladungsröhre mit in ihr verringerter Feldstärke infolge der Füllung der Röhre mit Cadmium angegeben wird. Die erfindungsgemäße Entlådungseinrichtung kommt daher mit einer elektrischen Stromversorgung mit relativ niedriger Frequenz aus, und die Abmessungen des Magnetkerns und der Entladungsröhre können klein gehalten werden. The cadmium-containing discharge tube therefore shows good color distribution and a high emission efficiency grad. When the discharge tube Contains cadmium but does not contain mercury to improve emission efficiency; it is advisable to fill an inert gas at a considerably higher pressure. For example, when xenon under a pressure of more than 300 torr or argon under one Pressure of more than 500 Torr is filled * was the emission of the discharge tube about 80 l m / W and more0 It should therefore be evident that the invention an inductively coupled discharge tube with a reduced field strength as a result the filling of the tube with cadmium is indicated. The discharge device according to the invention therefore comes with an electrical power supply with a relatively low frequency off, and the dimensions of the magnetic core and the discharge tube can be made small will.

Die Erfindung ist auch bei einer Entladungsröhre anwendbar, die kohorentes Licht emittiert, genauer, gesagt, bei einer Laserentladungsröhre. Es ist in jüngster Zeit beobachtet worden, daß eine Entladung durch ein metallisches Element wie Kupfer, Blei oder Mangan ebenfalls einen Laserstrahl entstehen läßt. Es ist ferner üblich ziemlich aufwendig die Entladungsröhre in eiwmElektroofen zu erhitzen, um Dampf dieser Metalle zu -erzeugen.+ Es dürfte ersichtli¢h seines daß die Erfindung-auch bei derartigen Entladungsröhren Anwendung finden kann, um einen-ausreichend hohen Dampfdruck bei einer Temperatur zu erzielen, die bedeutend niedriger als die mit- einer ein~ fachen Substanz dieser metallischen Elemente erreichbare ist, ui-so leicht, -einen Laserstrahl zu erzeugen. The invention is also applicable to a discharge tube that is coherent Light emits, more precisely, in a laser discharge tube. It's the most recent Time has been observed that a discharge through a metallic element such as copper, Lead or manganese also creates a laser beam. It is also common quite laborious to heat the discharge tube in a eiwm electric furnace to steam to -produce these metals. + It should be evident that the invention-also can be used in such discharge tubes to achieve a sufficiently high To achieve vapor pressure at a temperature that is significantly lower than the average a simple substance of these metallic elements is attainable, ui-so easily, -to generate a laser beam.

Claims

Claim

Inductively coupled ring discharge device with a closed one Ring discharge tube and, with a device for inductive coupling of high-frequency power into the ring discharge tube, g e k e n n -z e i c h n e t by filling gas containing cadmium.