DE2346132A1 - Keramik-entladungslampe - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

. Düsseldorf, 10.09.1973

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Keramik-Entladungs lampe

Die Erfindung betrifft Gasentladungslampen, welche ein Lichtbogen-Entladungsrohr aus Tonerdekeramik aufweisen, das ein die Entladung unterhaltendes Füllmaterial mit Natrium enthält. Insbesondere geht es bei der Erfindung darum, daß ein Versagen der Lampe wegen der Bildung von dendritischen Rissen in der Rohrwandung verhindert wird.

Bei Gasentladungslampen mit Glas- oder Quarz-Bogenentladungsrohren ist es bekannt, daß Phqtoelektronen von dem das Rohr haltenden Rahmen in einer Gasentladungslampe emittiert werden, da das von der Lampe erzeugte Licht auf den Rahmen auftrifft. Diese (negativen) Elektronen, welche aus den anliegenden Metallteilen, beispielsweise dem Tragrahmen stammen, gelangen zu der Wand des Lichtbogenrohres und laden dessen Außenwand negativ auf. Diese negativ aufgeladene Außenwand führt dazu, daß positiv geladene Natriumionen durch die aus Quarz bestehende Lichtbogenrohrwand

sich gelangen und unter Umständen bewirken, daß die Natriumionen in dem Entladungsmedium erschöpfen und ein entsprechender Überschuß an Jodionen erhalten wird, der zu einem nicht-stabilen Brennverhalten sowie zu einem Spannungsanstieg in der Lampe führt. Es sind verschiedene Verfahren bekannt geworden, um diese Erscheinung zu unterbinden. In US-PS 3 484 637 wird ein Keramikrohr be-

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Telefon (O211) 320858 Telegramme Custop^.

beschrieben, welches den Nickeldraht umgibt, so daß ultraviolette Strahlen von dem Quarzrohr nicht zu dem Draht gelangen können, wodurch der Austritt von Photoelektronen aus dem Draht unterbunden wird. Aus GB-PS 1 223 955 ist es bekannt, die negativen, von dem Einführungsleiter emittierten Elektronen abzufangen, indem eine entgegengesetzt geladene Strebe angeordnet wird, welche die Elektronen aufnimmt, die aus dem Einführungsleiter austreten, so daß sie nicht zur Brennerwand gelangen und daher nicht Teile von Substanzen durch die Quarzwand hindurchziehen können. Es wurde bisher davon ausgegangen, daß diese Probleme keine Auswirkungen auf Entladungslampen mit Lichtbogenrohren aus Aluminiumkeramik haben, da der Fachmann weiß, daß Natrium und ähnliche metallische Ionen nicht durch den keramischen Rohrkörper hindurchgelangen können, wie dieses der Fall bei einem Quarzrohr ist. Einer der wesentlichen Gründe für den Übergang zu einem Lichtbogenrohr aus Aluminiumkeramik im Gegensatz zu dem herkömmlichen Quarzrohr bestand darin, daß das Keramikrohr einer derartigen Durchdringung widersteht und innerhalb seiner Abmessungen alle Elemente beibehält, die ursprünglich vorgesehen wurden, um kontinuierlich eine stabile Entladung aufrechtzuerhalten.

Die Anstrengungen der Lampenindustrie zur Entväcklung von Keramik-Entladungslampen rdt 1000 W Leistung waren dadurch gekennzeichnet, daß wesentlich mehr Fehler bei den Lampen auf Grund von Leckstellen auftraten, die sich in der Rohrwandung in einem Muster von baumartigen Verzweigungen entwickeln, die sich auf der Innenseite des Keramikrohres ausbilden und beim Ein/Axisschaltzyklus der Lampe möglicherweise als Bruch durch die Rohrwandungen gelangen. Diese Erscheinung, welche an sich bei Lampen mit niedrigeren Leistungen.

bekannt ist, wird insbesondere bei Lampen, im Bareich von lOOO W verstärkt.

Bei den herkömmlichen Keramik-Entladungslampen führen mit Nickel plattierte Eisenstäbe des Rahmens den Strom zu der sich am Ende der Lampe gegenüber dem Sockel befindlichen Elektrode und ss wird am Sockel der Lampe ein Bariumgetter verwendet, um Verunreinigungen

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innerhalb der Außenhülle abzusaugen und ein hohes sauberes Vakuum zu erhalten. Durch den Gettervorgang und in Anbetracht des Wechselstrombetriebes der Reramik-Entladungslampe werden diese Seitenstäbe des Rahmens wechselweise negativ und positiv bezüglich der Elektroden/Rohranordnung am unteren Ende der Lampe. Diese Seitenstäbe werden mit sichtbarem Licht von dem Lichtbogenrohr beleuchtet, welches viel weniger Energie hat als die ultraviolette Strahlung, so daß von dem Seitenstab Photoelektronen emittiert werden, wenn dieser ein negatives Potential hat. Diese Photoelektronen werden von der positiven Fläche des Lichtbogenrohres angezogen und bei der anderen Halbwelle können sie nicht zurückkehren, da das polykristalline Aluminiumoxyd bei der Strahlung im sichtbaren Spektralbereich sehr wenig Elektronen emittiert. Darüber hinaus ist das Aluminiumoxyd ein schlechter Leiter für Elektronen, und die Ladung kann nicht durch den Leiter verteilt werden. Demgemäß können die das Lichtbogenrohr erreichenden Elektronen nicht zurückkehren. Bei der nächsten Halbwelle, wenn die Seitenstäbe negativ sind, werden der Außenfläche des Lichtbogenrohres wieder mehr Elektronen zugeführt, bis die Keramikfläche ein Gleichspannungspotential erreicht, welches beinahe gleich dem Potential der negativ aufgeladenen Seitenstäbe ist, d.h. näherungsweise 250 V im Falle einer Lampe mit einer Leistung von 1000 W. Diese Oberfläche des Lichtbogenrohres kann nicht entladen werden, da es keinen Ionenstrom durch die Wandstärke des Keramikkörpers gibt und es tritt nun eine Gleichspannung an der Wandstärke des Keramikkörpers mit der negativen Ladung auf der Außenseite und den positiven Natriumionen auf der Innenseite auf.

Es ist seit vielen Jahren bekannt, daß die Verwendung einer Fritte zum Abdichten der Endkappen an dem Keramik-Lichtbogenrohr, welche im allgemeinen Kalziumoxyd, Aluminiumoxyd, Kieselerde und Magnesia enthält, zu Ablagerungen der Frittenmaterialien auf der Innenwand des Keramikrohres führt, was vermutlich auf die Sublimation von der Fritte zurückzuführen ist. Es wird nunmehr davon ausgegangen, daß die Fehler auf Grund der dendritischen Brüche in dem Keramikrohr

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auf dem negativen Gleichspannungspotential beruhen, das sich auf der Wand des Lichtbogenrohres ergibt und als treibende Kraft wirkt, so daß das Natrium mit dem Aluminiumoxyd, des Kalziumoxyd, der Kieselerde und dergleichen in der Anwesenheit von Sauerstoff reagiert, um Kristalle auf der Innenfläche des Lichtbogenrohres, insbesondere an den korngrenzen zu bilden. Die entstehenden Verbindungen aus Natriumsilicat, Natriumaluminat, Magnesiumnatriumaluminat und Magnesiumaluminat, haben andere thermische Ausdehnungskoeffizienten als die Masse der Aluminiumoxydfläche und dadurch kommt es während der Ein/Ausschaltperiode der Lampe zu thermischen Brüchen an Stellen nahe den Oberflächen-, fehlern oder an den Korngrenzen, und diese Mikrobrüche breiten sich längs der Korngrenzen aus und brechen schließlich durch die Rohrwand, so daß Natrium durch den Bruchbereich hindurchtritt und auf der Wand des äußeren Glaskolbens niedergeschlagen wird und schließlich zum Bruch der Lampe führt. Die vorliegende Erfindung dient dazu, eine Keramik-Entladungslampe zu schaffen, welche insbesondere die beschriebenen Störungen vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Karamik-Entladungslampe mit einer längsgestreckten, glasartigen Außenhülle, die an einem Metallsockel dichtend befestigt ist, einem Paar eingeführten Leitern, die mit dem Metallsockel verbunden sind und sich in die Außenhülle erstrecken, einem an einem dieser Leiter befestigten Halterahmen für das Lichtbogenrohr, der sich in der Hülle über einen wesentlichen Teil von der Länge erstreckt, einem Tonerdekeramik-Lichtbogenrohr mit einer die Entladung unterhaltenden Füllung mit Natrium, wobei das Rohr axial in der Außenhülle zwischen dem anderen Leiter und dem Rahmen angeordnet ist, erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Rahmen aus einem elektrisch leitfähigen, keine Elektronen emittierenden Material besteht.

Vorzugsweise kann ein Rahmen aus nicht-rostendem Stahl mit einer Beschichtung aus Chromoxyd vorgesehen werden.

Zweckmäßigerweise wird eine Absorptionseinrichtung für Photoelek-

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tronen auf dem anderen Einführungsleiter angeordnet, die sich zwischen einem Ende des Lichtbogenrohres und dem Rahmen erstreckt, wobei die Äbsorptionseinrichtung im Betrieb der Lampe das gleiche elektrische Potential wie der andere Leiter und das entgegengesetzte Potential wie der Rahmen hat.

Es wurden drei Prinzipien erarbeitet, welche die Bildung von dendritischen Spuren in Lichtbogenrohren aus Tonerdekeramik nahe der Sockelelektrode verhindern. Jeder dieser drei Mechanismen verhindert die Bildung von dendritischen Brüchen in der Rohrwand einzeln mit verschieden hohem Erfolg. Bei Kombinationen von zwei oder drei dieser Verfahren, wird die gewünschte Unterdrückung verstärkt.

Es ist zunächst wirksam, wenn die herkömmlichen mit Nickel plattierten aus Eisen bestehenden Seitenstäbe in dem den Strom führenden Rahmen vermieden werden, welcher das Lichtbogenrohr in der Außenhülle trägt und wenn stattdessen Materialien wie beispielsweise nicht-rostender Stahl, Chromeisen, mit Tantal ausgekleidetes Nickel oder Eisen, Titan, mit Platin oder Gold plattiertes öder beschichtetes Metall verwendet wird, welches keine Photoelektronen emittiert. Weiterhin ist es wirksam, wenn ein Kollektor für Photoelektronen zwischen dem Rahmen für den Durchführungsleiter und dem Rohr vorgesehen wird, der vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl besteht und elektrisch mit dem anderen Führungsdraht verbunden ist, so daß bei negativer Aufladung des Rahmens der Kollektor ein positives Potential hat. Drittens kann ein aus Keramikmaterial oder geschmolzenem Quarz bestehender Isolator, beispielsweise ein dünnwandiges Quarzrohr mit geschmolzener Tonerde über den Tragrahmen angeordnet werden, so daß sich kein Barium auf dem Tragdraht niederschlägt und keine Photonen emittiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 eine Vorderansicht einer Keramik-Entladungslampe gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Entladungslampe gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Vorderansicht einer anderen Ausführungsform einer Keramik-Entladungslampe gemäß der Erfindung und

Fig. 4 eine Seitenansicht der Keramik-Entladungslampe gemäß Fig. 3,

In allen Zeichnungen sind die gleichen Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Gasentladungslampe IO in Fig. 1 hat den typischen Aufbau einer Lampe für 1000 W Leistung. Die Lampe enthält einen herkömmlichen Gewindesockel 12, an welchem dichtend eine herkömmliche, aus Glas bestehende Außenhülle 14 befestigt ist. Die Glasbirne ist an einem herkömmlichen Glasputzen 16 dichtend befestigt, welches erste bzw. zweite Einführungsleiter 18 und 20 enthält. Der Leiter 20 ist mit dem Sockelkontakt 22 verbunden, während der Leiter 18 mit der Seitenwand des Sockelmantels verbunden ist. Ein Tragrahmen 24 für das Lichtbogenrohr ist an dem Leiter 18 befestigt und erstreckt sich längsseitig zur Spitze der

Birne 12. Ein herkömmliches Lichtbogenrohr 26 aus Tonerdekeramik enthält den Tonerdekeramikkörper 28, der an jedem Ende durch Endkappen 30 aus Niob abgeschlossen ist und an jedem Ende Wolframelektroden 32 enthält. Das Lichtbogenrohr 26 ist mit dem Leiter nahe dem Sockel der Lampe und mit dem Leiter 18 durch den Befestigungsrahmen 24 am oberen Ende der Lampe verbunden. Das Lichtbogenrohr umgibt eine die Entladung unterhaltende Füllung mit einem Edelgas, Quecksilber und Natrium. Der das Lichtbogenrohr tragende Rahmen 24 ist zentral in der Außenhülle 14 durch obere und untere Paare von Federn 34 gehalten, die an dem Tragrahmen 24 befestigt sind und mit den Innenwänden der Birne 14 zusammenwirken. An jedem der Leiter 18 und 20 sind Rahmen 36 aus nichtrostendem Stahl 'befestigt, die an der Stelle 38 das Bariumgetter tragen.

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Gemäß der Erfindung sind die Leiter 18 und 20 sowie die strom-führenden senkrechten Glieder 24 des Tragrahmens und das obere Querstück 24a des Tragrahmens 24 aus nicht-rostendem Stahl hergestellt, der in einer Wasserstoffatmosphäre im Naßverfahren "gebacken" worden ist, so daß sich auf dessen Oberfläche eine Schicht aus Chromoxyd bildet. Das obere Ende des Lichtbogenrohres 26 ist mit dem Tragrahmen 24 durch einen Schlitten 40 aus Tantal, Niob oder nicht-rostendem Stahl verbunden, der an seinen Enden die senkrechten Glieder 24 lose umgibt und dadurch lineare Dehnungen des Lichtbogenrohres während des Betriebs der Lampe aufnimmt. Die elektrische Verbindung der oberen Elektrode 32 mit dem den Strom führenden Tragrahmen 24, 24a erfolgt durch ein streifenförmiges Band 42 aus biegsamem Tantal, Niob oder nicht-rostendem Stahl, welches zwischen der oberen Endkappe 30 und dem Querstab 24a des Tragrahmens verbunden ist. Obgleich der Tragrahmen 24, 24a vorzugsweise aus nicht-rostendem Stahl mit einer Schicht aus Chromoxyd zur Vermeidung der Emission von Photoelektronen aufgebaut ist, könnte er auch aus Chromeisen, mit Tantal verkleidetem Nickel oder Eisen, Titan, Platin oder mit Gold plattiertem oder beschichteten Metall bestehen, da jedes dieser Materialien bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht, insbesondere im Spektralbereich gelb/orange im wesentlichen keine Elektronen emittiert.

Da bei herkömmlichen Lampen die Ablagerung von Barium auf der Nickeloberfläche der Tragrahmen von Lichtbogenlampen durch den Gettervorgang des Bariums hervorgerufen wird, wobei das untere Ende der Glasbirne bei 44 sowie die unteren Abschnitte des Tragrahmens beschichtet werden, wird die Ablagerung von Barium auf dem Tragrahmen nach der Erfindung sowie die Unterdrückung von Strahlen, die das Lichtbogenrohr erreichen, durch eine Abschirmung erreicht. Gemäß der rechten Seite von Fig. 1 oder dem unteren Abschnitt des Tragrahmens auf der linken Seite von Fig. 1 erfolgt die Abschirmung durch einen Mantel aus Keramikmaterial oder geschmolzenem Quarz, die bei 46 und 48 dargestellt ist. Die Verwendung eines rohrförmigen Schirmes aus Keramik oder geschmolzenem Quarz auf dem Tragrahmen stellt ein Verfahren dar, wodurch

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eine negative Aufladung der Rohrwandung erreicht werden kann.

Ein noch wirkungsvollerer Mechanismus, durch den die Bewegung von negativen Ionen von dem Tragrahmen zu der Rohrwandung verhindert werden kann, ist in Fig. 1 erläutert. Hierzu ist eine U-förmige Absorptionseinrichtung 50 für Photoelektronen elektrisch mit dem Leiter 20 verbunden und zwischen dem Tragrahmen 24 und der Keramikhülle 28 angeordnet. Da die Absorptionseinrichtung 50 elektrisch mit dem Leiter 2O verbunden ist und die Lampe von einer Quelle für Wechselspannung getrieben wird, hat die Absorptionseinrichtung ein positives Potential ebenso wie die unteren Elektroden 32, wenn der Rahmen ein negatives Potential hat und Photoelektronen bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht von dem Lichtbogenrohr emittieren kann, und wegen des positiven Potentiales werden die Elektronen von der Absorptionseinrichtung 50 absorbiert, welche anderenfalls zu der Rohrwandung gelangen würden. Da die Absorptionseinrichtung 50 ebenfalls aus nicht-rostendem Stahl mit einer Oberflächenbeschichtung aus Chromoxyd hergestellt ist, emittiert sie im wesentlichen keine Photoelektronen und setzt daher keine solchen Elektronen für die Rahmenglieder 24 frei, wenn die Absorptionseinrichtung im Wechselspannungsbetrieb ein negatJ-ves Potential hat und der Tragrahmen 24 ein positives Potential hat.

Die Ausfuhrungsform gemäß Fig. 3 und 4 erläutert eine Tonerdekeramik-Entladungslampe mit 400 W, bei welcher ein kürzeres Bogenentladungsrohr verwendet ist und dieses daher in einem einzigen Tragglied gehalten sein kann. Gemäß der Erfindung enthält die Ausführungsform von Fig. 3 und 4 eine herkömmliche Außenhülle 52, welche mittels eines Putzens 54 dichtend an einem Standardsockel 56 befestigt ist. Ein Paar Leiter 58 und 60 sind durch den Putzen an der Seitenwand bzw. an dem Kontakt des Sockels 56 befestigt. Der einarmige Tragrahmen 6 2 für das Lichtbogenrohr ist elektrisch mit dem Leiter 58 verbunden und erstreckt sich längsseitig der Außenhülle zu dem oberen Ende der Lampe. Ein Rohr 64 aus Tonerdekeramikmaterial enthält einen

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Rohrmantel 66 aus dem gleichen Material, der an seinem Ende durch Deckel 68 aus Niob angeschlossen ist und auf der Innenfläche aus Wolfram bestehende den Lichtbogen unterhaltende Elektroden trägt. Das Rohr ist am unteren Ende elektrisch mit einem Leiter 60 durch leitende Bänder 72 und am oberen Ende mit dem Leiter 58 durch den Tragrahmen 62 verbunden. Das Bogenentladungsrohr ist an seinem oberen Ende an dem nach Art einer Sieben ausgebildeten Tragrahmen 62 durch einen Schlittenmechanismus 72 befestigt, der ähnlich demjenigen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist, und das obere Ende des Tragrahmens 62 ist zentral innerhalb des Außenmantels mittels herkömmlicher Federglieder 74 aufgenommen, welche mit der Innenfläche der Außenwandung des Mantels zusammenwirken. Ein streifenförmiges Band 76 aus Tantal, Niob oder nicht-rostendem Stahl verbindet das obere Querglied des Tragrahmens 62 mit der oberen Elektrode des Rohres 70. Ähnlich wie bei der Aus führungs form in Fig. 1 "ist ein aus nicht-rostendem Stahl bestehendes Glied 78 an einem Leiter 60 in dem unteren Abschnitt der Außenhülle befestigt und trägt das Bariumgetter.

Diese in herkömmlicher Weise aufgebaute Entladungslampe aus Tonerde-Keramikmaterial gemäß Fig. 4 und 3 ist für eine Leistung von 400 W ausgelegt und ist weniger anfällig für Brüche auf Grund der Bestrahlung des Tragrahmens aus mit Barium beschichteten Nickeleisen von dem Entladungsrohr, wodurch Photoelektronen emittiert werden und auf der Rohrwand während der Einschalt/ Ausschaltperiode der Lampe die vorgenannten dendritischen Brüche gebildet werden. Um zu verhindern, daß Photoelektronen vom Tragrahmen 62 zu der Rohrwand gelangen, wo sie zum Ladungsaufbau und zur Verursachung von dendritischen Brüchen neigen, ist der Tragrahmen 62 der Erfindung wiederum vorzugsweise aus nicht-rostendem Stahl mit einer Beschichtung aus Chromoxyd hergestellt, und eine Absorptionseinrichtung 80 für die Photoelektronen ist elektrisch mit dem Leiter 60 verbunden und hat daher stets ein entgegengesetztes Potential bezogen auf den Tragrahmen. Die Absorptions-

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einrichtung ist zwischen dem unteren Ende des Tragrahmens 62 und dem Rohrkörper 66 angeordnet, um jegliche Photoelektronen aufzunehmen, welche von dem Tragrahmen emittiert werden, wenn dieser negativ aufgeladen wird, so daß diese negativen Ionen sich nicht auf der Außenwand des Rohrkörpers 66 aufbauen können.

Entsprechend dem Grundgedanken der Ausführungsform von Fig. 1 kann auch die Aus führungs form gemäß Fig. 3 und 4 einen Mantel aus Keramikmaterial oder geschmolzenem Quarz aufweisen, der über der gesamten Länge oder wenigstens dem unteren Teil des Tragrahmens 62 für das Entladungsrohr angeordnet ist, wie mit unterbrochenen Linien bei 82 angedeutet ist.

Es ergibt sich aus der vorhergehenden Beschreibung, daß die Entladungslampe aus Tonerdekeramikmaterial gemäß der Erfindung alle drei Prinzipien zur Verhütung der Emission von Photoelektronen entweder einzeln oder kombiniert aufweisen kann, so daß verhindert wird, daß Photoelektronen von dem Tragrahmen zur Wand des Rohres aus Tonerdekeramikmaterial gelangen. Jede dieser Einrichtungen verhindert die Emission von Photoelektronen in einem größeren oder kleineren Umfang und kann einzeln oder in Kombination in demjenigen Ausmaß verwendet werden, welches notwendig ist, um eine derartige Emission zu verhindern.

Patentansprüche;

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Claims (5)

1. - li -

   Patentansprüche :

   Keramik-Entladungslampe mit einer längsgestreckten, glasartigen Außenhülle, die an einem Metallsockel dichtend befestigt ist, einem Paar Leitern, die mit dem Metallsockel verbunden sind und sich in die Außenhülle erstrecken, einem an einem dieser Leiter befestigten Halterahmen für das Entladungsrohr, der sich in der Hülle über einen wesentlichen Teil von deren Länge erstreckt, einem Rohr aus Tonerde-Keramikmaterial mit einer die Entladung unterhaltenden Füllung mit Natrium, wobei das Rohr axial in der Außenhülle zwischen dem anderen Leiter und dem Rahmen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Rahmen [24, 62) aus einem elektrisch leitfähigen, keine Elektronen emittierenden Material besteht.
2. 2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Rahmen aus nicht-rostendem Stahl besteht und auf dessen Oberfläche eine Beschichtung avs Chromoxyd vorgesehen ist.
3. 3. Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2,, dadurch gekennzeichnet", daß eine Absorptionseinrichtung (50) für Photoelektronen auf dem anderen Leiter (20) vorgesehen ist und sich zwischen einem Ende des Entladungsrohres und dem Rahmen erstreckt, und die Absorptionseinrichtung im Betrieb der Ladungslampe das gleiche elektrische Potential wie der andere Leiter und das entgegengesetzte Potential wie der Rahmen (24, 62) aufweist.
4. 4. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein rohrförmiger Isolierschirm (82) einen Abschnitt des Rahmens (62) umgibt.

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5. 5. Entladungslampe nach Anspruch 4, dadurch g e k e n-n -.

   zeichnet , daß der Schirm aus geschmolzenem Quarz besteht und einen wesentlichen Abschnitt des Rahmens umgibt.

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   L e e r s e i t e