DE2339665A1 - Verfahren zur erzeugung eines elektrodenlosen plasmalichtbogens, insbesondere zur verwendung als lichtquelle - Google Patents

Description

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DR. ULRICH GRAF STOLBERG DIPL.-1NG. JÜRGEN SUCHANTKE

TELEPHON: (0411) 896241

Charybdis, Inc. . telex:02-14204

TELEGRAMME: UEXPAT

Hamburg, den 3. Aug. 1973 . . (IO625)

Verfahren zur Erzeugung eines elektrodenlosen . Plasmalichtbogens, insbesondere zur Verwendung'-, als Lichtquelle

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines elektrodenlosen Plasmalichtbogens, insbesondere zur Verwendung als Lichtquelle.

Die Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung einer elektrodenlosen Bogenentladung zur Erzeugung von Strahlung hoher Intensität, einschliesslich Strahlung im sichtbaren, ultravioletten und infraroten Bereich, sowie auf eine bestimmte Anordnungsform für eine wirksame Rückgewinnung, Ausrichtung und Projektion einer derartigen Strahlungsenergie sowohl für Beleuchtungszwecke als auch zur Gewinnung von Strahlungswärme und einer Kombination von beiden.

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Es gibt zwei grundsätzliche Arten von Beleuchtungseinrichtungen, zwischen denen jedoch keine klare Trennungslinie vorhanden ist. Bei einer Art dieser Einrichtungen erfolgt eine optische Begrenzung durch eine Blende oder einen Satz von Blenden, und eine derartige Einrichtung wird als "blendenbegrenzt" bezeichnet. Beispiele hierfür sind Scheinwerfer und Projektionslampen mit scharf gebündeltem Strahl. Die andere Art von Beleuchtungseinrichtung ist durch die Quelle selbst begrenzt und wird als "quellenbegrenzt" bezeichnet. Beispiele hierfür sind Flutlicht und industrielle Beleuchtungseinrichtungen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betrifft die Erfindung blendenbegrenzte Einrichtungen, doch ist auch die Anwendung auf quellenbegrenzte Einrichtungen möglich.

Bisher wurden Hochfrequenzplasmen (elektrodenlose Lichtbögen) nicht im nennenswerten Umfang als Lichtquellen verwendet. Die meisten Untersuchungen über elektrodenlose Lichtbogen haben gezeigt, dass zur Erzielung einer stabilen Entladung ein Gasdurchfluss erforderlich ist, wobei jedoch der Leistungsverlust infolge der erzwungenen Konvektion des hohe Enthalpie aufweisenden Plasmas aus der Entladung den Strahlungswirkungsgrad eines elektrodenlosen Lichtbogens, der im strömenden Gas gezündet ist, erheblich beeinträchtigt.

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Es hat sich jedoch nun gezeigt, dass der Gasdurchfluss für die Stabilität einer Entladung unnötig ist, so dass in einem elektrodenlosen Lichtbogen keine Konvektionsverluste aufzutreten brauchen. Die entstehende stationäre Entladung verbraucht elektrische Energie und bringt diese ins Gleichgewicht bezüglich dem Transport durch die leitende Wand, der Strahlung und einer verhältnismässig kleinen inneren Konvektionsströmung in einem verschlossenen Entladungsgefäss. Dadurch erhält man rechnerische Wirkungsgrade für die Strahlungsumwandlung, d.h. Umwandlung von Hochfrequenzenergie in abgestrahlte Energie von mehr als 90 %_t und es wurden bereits bei einem Prototyp einer Einrichtung mit Xenon als Entladungsgas Wirkungsgrade bis zu 65 % gemessen. Die Erfindung ermöglicht eine Annäherung an die theoretische Grenze des rechnerischen Wirkungsgrades und gestattet die Herstellung von neuen und zweckmässigen Beleuchtungseinrichtungen sowie kombinierten Beleuchtungs- und Heizeinrichtungen.

Zur Durchführung des Verfahrens erfolgt eine Gasentladung im Raum einer von Hochfrequenzstrom durchflossenen Spule, wobei das axial gerichtete, elektromagnetische Feld in der Spule gemäss dem Faradayschen Gesetz ein azimutales elektrisches Wechselfeld induziert, wodurch azimutale Ströme entstehen, die das Gas durch den Ohmschen Widerstand aufheizen und die Ionisation innerhalb der Entladung aufrecht erhalten.

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Gemäss der Erfindung wird die Entladung in einem Gas ohne zentralen Massenfluss erreicht, wodurch es infolge eines -Gleichgewichtes der elektrodynamischen und thermodynamischen Kräfte selbststabilisierend ist. Dieses Gleichgewicht tritt durch eine Bedingung für das Vorhandensein eines elektrodenlosen Lichtbogens auf, die auf dem Prinzip einer minimalen Entropieerzeugung beruht und unabhängig von den Grenzbedingungen an der Wand des Entladungsgefässes ist. Somit berührt die Entladung keine Wand oder irgendeine andere physikalische Grenze, sondern erhält vielmehr senkrecht zur Richtung des Induktionsfeldes einen kreisförmigen Querschnitt und wird innerhalb des Entladunesgefässes nahe einer axialen Stelle gehalten, an der das Induktionsfeld seinen grössten Wert hat. Bei Zufuhr der minimal erforderlichen Leistung zur Aufrechterhaltung der Entladung und beim Feblen von Schwerkraft und Massenanziehungswirkuneen ist die Form des aus Plasma bestehenden "Feuerballs" in etwa kugelförmig. In der Praxis ergibt sich jedoch in einem reinen Gas bei Drücken oberhalb des Atmosphärendrucks eine etwas abgeflachte Entladung. Dieser Effekt tritt noch stärker bei schwereren Gasen, beispielsweise Xenon auf und trägt zum Auftrieb der Entladung im nicht ionisierten Untergrundgas bei. Zum Aufheben des Plasmaauftriobs wurden daher häufig

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„_.........- benutzt, etwa Xenon-Leuchtmaterial in einer

Ar_Eon-, Neon- oder Masserstoffatmosphäre. Dabei er_Eab sich jedoch, dass das 8as .it der Geringerer, lonisationsspannu_riS in einer Mischung zusammenbricht, wahrend das Unter_Crund_Eas nur einen _Serin_Cen oder gar keinen Beitra_£ zu den sich ergebenden elektrischen oder strahlenden Transporterscheinungen leistet. Eine Leistunßszufuhr über die minimale zur Aufrechterhalte der Entladung erforderliche Leistung bewirkt eine Streckune des Plasmas, so dass eine zusammengezogene Plasmasäule oder ein fchermischer "Pinch" entsteht.

Es hat sich gezeigt, dass elektrodenlose Lichtbögen einen dreidimensionalen Satz von Betriebseigenschaften aufweisen, der für die Erfindung ausgenutzt wird, um eine neue optische Quelle mit einmaligen Eigenschaften zu erhalten,, die im Betrieb sehr vielseitig ist. Dies beruht darauf, dass die physikalischen Parameter, die den elektrodenlosen Lichtbogen bezeichnen, d.h. diejenigen Parameter, die sowohl das Energiegleichgewicht der Entladung als auch die Funktionen der inneren elektrischen und thermodynamischen Verteilung bestimmen, das Gas, in dem die Entladung stattfindet, sein Druck sowie Grosse und Frequenz des auf die Entladung einwirkenden Induktionsfeldes sind. Somit kann bei einem gegebenen Entladungsgas bei gegebenem Druck der Gesamtverlust und das Entladungstemperaturprofil und somit

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die Entladungsstrahlung und ihre Farbtemperatur durch Einstellung der Grosse und der Frequenz des Induktionsfeldes eingestellt werden. Da diese Parameter vollständig mittels ausserhalb der Entladung liegender Einrichtungen,regelbar sind, lassen sich die abgegebene Entlaxungsstrahlung und die Farbtemperatur von aussen steuern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein Ausführungsbeispiel zeigenden Figuren näher erläutert.

Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Teildarstellung eine Einrichtung zur Erzeugung eines elektrodenlosen Plasmalichtbogens, bei der eine Quarzkugel axial bezüglich einer Hochfrequenzspule angeordnet ist und der Plasmalichtbogen als weisse Lichtquelle in der Kugel aufgebaut wird.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine Strahlungseinrichtung mit elektrodenlosem Lichtbogen, die als Lichtquelle für weisses Licht arbeitet.

Figur 3 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Begrenzung von Grosse und Frequenz der Hochfrequenzspannung, um die Entladungsparameter des Plasmalichtbogens zu regeln.

Figur 4 zeigt vereinfacht eine Röhrennchaltung für den Betrieb der Anordnung gemäso Figur 3.

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Figur 5 zeigt vereinfacht eine Festkörperschaltung für den Betrieb der Anordnung gemäss Figur 3·

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich das Gas, in dem der elektrodenlose Lichtbogen gezündet wird, unter hohem Druck in einer geschlossenen, kugelförmigen Umhüllung 10 aus Quarzglas, die im folgenden als "Quelle" bezeichnet wird. Diese Quelle ist in einem optisch reflektierenden Hohlraum angeordnet, der den Reflektor 22 und Linsen 2 Μ enthält (Figur 2) und koaxial zur Hochfrequenzspule 18 liegt. Die Form und die Krümmung des reflektierenden Hohlraums hängt von dem Anwendungszweck der Anordnung ab. In dieser Beschreibung ist angenommen, dass der Hohlraum Kugelform hat, und die Quelle ist konzentrisch in dem Hohlraum angeordnet, so dass die von ihr emittierte Strahlung in die Entladung zurück reflektiert wird, wenn sie auf die reflektierende Wandfläche trifft. Im vorliegenden Fall wurde die kugelförmige, reflektierende Kammer lediglich zur Beschreibung und Erläuterung und nicht zur Beschränkung auf ein derartiges Anwendungsbeispiel gewählt.

Ein wesentliches Merkmal der reflektierenden Kammer besteht im Vorhandensein einer elektrodenlosen Hochdruck-LichtboEenentladung in einem Brennpunkt inner-

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halb der Kammer. Diese Entladung wird bei solchen Druck- und Temperaturbedingungen aufrecht erhalten, dass sie optisch dick ist und somit ihre eigene Strahlung wieder absorbieren kann. Unter diesen Umständen erhält die Entladung ein etwa rechteckförmiges Temperaturprofil und benötigt eine wesentlich geringere Leistung zur Aufrechterhaltung als wenn die reflektierende Kammer fehlen würde.

Die Hochdruckquelle wird mittels eines Flüssigkeitsstroms gekühlt. Ein geeignetes Kühlmittel tritt unter hohem Druck in den Bodenbereich der reflektierenden Kammer ein und umströmt die kugelförmige Quelle, wobei durch Wärmeleitung Wärme von der Umhüllung der Quelle abgeführt wird. Das Kühlmittel tritt dann oben aus der Kammer aus. Die Wärme wird somit durch Wärmeaustausch vom Kühlmittel abgeführt.

Die Induktionsspule 18 umgibt die reflektierende Kammer und wird durch einen Flüssigkeitsstrom gekühlt, der der gleiche Flüssigkeitsstrom sein kann, der auch die Kammer kühlt, oder es kann ein zusätzliches, unabhängiges Kühlsystem vorhanden sein. Die Spule ist in umwickeltes Glasfasermaterial eingelagert, das unter Spannung um die Kammer gelegt wurde und diese dadurch unter eine Druckspannung setzt. Auf diese Weise können die vom unter hohem Druck stehenden Kühlmittel erzeugten Zugspannun-

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gen ausgeglichen werden, die ihrerseits eine Druckbelastung auf die kugelförmige Quelle ausüben, so dass die in dieser vorhandene elektrodenlose Lichtbogenentladung unter einem Druck stehen kann, der die Druckfestigkeit des Quarzes übersteigt.

Eine öffnung im reflektierenden Hohlraum lässt einen Teil der gesamten emittierten Strahlung aus dem Hohlraum austreten und in ein abgewandeltes Cassegrainsches optisches System gelangen, wo sie auf eine hyperbolische oder ähnlich geformte Reflektionsflache trifft und auf eine zusäztliche Reflektionsfläche mit zur Bildung eines optischen Strahls geeigneter Krümmung zurückgeleitet wird.

Das flüssige Kühlmittel kann für bestimmte Anwendungszwecke absorbierendes Material enthalten. Wird beispielsweise eine vollständig bedeckte Infrarot-Lichtquelle benötigt, so wird ein Kühlmittel benutzt, das Infrarotlicht durchlässt und Strahlungen im UV- und im sichtbaren Bereich absorbiert. Entsprechende Möglichkeiten ergeben sich für Lichtquellen für UV-Licht und für weisses Licht.

Bei einer quellenbegrenzten Form der Erfindung fehlt die kugelförmige reflektierende Kammer bzw. deren

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Äquivalent und wird durch ein übliches optisches Projektionssystem ersetzt. In diesem Fall ist die Induktionsspule um den Reflektor gewickelt, um Schattenwirkungen zu vermeiden, und die Quelle wird durch Konvektion gekühlt.

Entladungsgefässe für Quellen für elektrodenlosen Plasmalichtbögen werden entsprechend der Anwendung der Entladung unterteilt. Einige Beispiele für Entladungsgefässe sind im Folgenden angegeben. Es handelt sich hierbei nur um typische Gefässe, doch stellt diese Aufzählung keine Begrenzung der Anwendbarkeit dar.

Das Entladungsgefäss für einen elektrodenlosen Plasmalichtbogen benötigt somit keinen Durchfluss, da ein vorhandener konvektionsartiger Energietransport den Wirkungsgrad, der durch Entladung erzeugten Strahlung verschlechtern würde. Das einfachste und am leichtesten herstellbare Entladungsgefäss für eine einen Plasmalichtbogen verwendende Quelle für weisses Licht ist eine Quarzkugel, in die eine vorbestimmte Menge leuchtfähigen Gases dichtend eingeschlossen wird. Bei richtiger Dimensionierung für die vorgesehene Betriebsfrequenz und die zuzuführende Leistung liefert eine derartige geschlossene Quelle ein Entladungsplasma von etwa Kugelform, das die Wände des aus Quarz bestehenden Entladungsgefässes nicht berührt. Eine derartige Quelle 10 mit

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der Spule 18 und der den elektrodenlosen Lichtbogen bildenden Entladung 16 ist in Figur 1 dargestellt. Die Quelle 10 für weisses Licht enthält im allgemeinen ein schweres Gas unter hohem Druck, beispielsweise Xenon unter einem Druck von mehreren Atmosphären bei Normalbedingungen. Eine Quelle für die Erzeugung von UV-Licht kann Quecksilber oder ein ähnliches Keimmaterial oder reines Quecksilber enthalten, das sich zu Anfang unter einem verhältnismässig geringem Partialdruck befindet, während eine entsprechende, hochwirksame Quelle für IR-Licht durch eine Entladung in Zäsiumgas oder einem ähnlichen Alkalimetall bei einem Druck von etwa einer Atmosphäre gebildet wird. Infolge der chemischen Aktivität der heissen Alkalimetalle in Quarz wird jedoch eine Entladungsgefäss für die Erzeugung von IR-Strahlung vorzugsweise aus Saphir, der zur Zeit nur in Zylinderform erhältlich ist, oder aus einem der verschiedenen zur Zeit erhälttlichen Keramikmaterialien hergestellt.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Verfahren zur Erzeugung eines elektrodenlosen Plasmalichtbogens, insbesondere zur Verwendung als Lichtquelle, dadurch gekennzeichnet, dass ein plasmabildendes Gas in einem elektrodenlosen Behälter eingeschlossen und ein Druck von mindestens einer Atmosphäre aufgebracht wird, dass ausserhalb des Behälters zur Bildung eines sich durch den Behälter und in das Gas erstrekkenden Induktionsfeldes ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird, so dass das Gas zu einem Plasmalichtbogen ionisiert, der im Abstand von den Behälterwänden gehalten wird, und dass Frequenz und Grosse des Induktionsfeldes so begrenzt werden, dass die Entladung des Plasmalichtbogens einen kleineren Durchmesser als der Behälter hat.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Xenon verwendet wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas Quecksilberdampf verwendet wird.

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   k. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Gas ein Alkalimetalldampf verwendet wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Auftrieb des ionisierten Xenons durch Verwendung eines weniger dichten, leichten Untergrundgases entgegengewirkt wird, das aus Argon, Neon, Helium oder Wasserstoff besteht.

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