DE2431128A1 - Quecksilberdampf-entladungslampe - Google Patents

Quecksilberdampf-entladungslampe

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Description

DlPL.-JNG. KLAUS NEUBECKER
Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9
Düsseldorf, 27. Juni 1974
44,008
7488
Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.
. Quecksilberdampf-Entladungslampe
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampen, insbesondere auf Entladungslampen mit einer Farbe ähnlich derjenigen einer Glühlampe sowie guter Farbwiedergabe und hohem Wirkungsgrad.
Seit dem Einsatz von Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampen für allgemeine Beleuchtungszwecke ließ sich beobachten, daß dadurch eine Verbesserung der Lichtmenge erzielt werden konnte, wo jedoch die Farbe der unter der Lichtquelle beobachteten Gegenstände von Bedeutung war, zeigte die Qualität des von solchen Lampen emittierten Lichts Mangel auf. Dies war in erster Linie auf den Mangel an Strahlung im roten Bereich des sichtbaren Spektrums zurückzuführen. Infolgedessen war die Verwendung der Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe in erster Linie auf Anwendungsfälle beschränkt, wo es vorwiegend auf den Lampenwirkungsgrad ankam, während die Farbe der Lichtquelle oder die Farbwiedergabe der Lichtquelle weniger wichtig war, beispielsweise bei der Beleuchtung von Autobahnen, sonstigen Straßen oder Parkplätzen.
Die Glühlampe, die in reichlichem Maße Strahlungen im roten Bereich des sichtbaren Spektrums enthält, ist lange Zeit im Einsatz
Telefon (O211) 32O8 58
Telegramme Custopat
gewesen, und die Benutzer haben sich an ihre Strahlung "gewöhnt". Als die Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe eingeführt wurde, wurde sie von den Benutzern mit der Glühlampe verglichen, und es wurde offensichtlich, daß Hc^hdbrack-Quecksilber-Lampen Leuchtstofflampen auf den Gebieten^ wo es auf ästhetische Gesichtspunkte ankam, niemals ersetzen konnten, wenn das Emissionsspektrum der Hochdruck-Quecksilber-Lampen nicht geändert würde. Eine Möglichkeit der Modifizierung des Spektrums der Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe besteht darin, die Innenfläche des äußeren Kolbens mit einem Leuchtstoff zxi beschichten. Solche farbkorrigierten Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampen sind allgemein bekannt.
Die US-PS 2 748 303 offenbarte die Verwendung von Magnesium-Fluorgermanat-Leuchtstoff (aktiviert mit Mangan mit einer Wertigkeit von 4 ). Lampen dieses Typs sind weitgehend eingesetzt worden und ergeben typischerweise eine korrelierte Farbtemperatur von etwa 4.100° K mit einem Farbwiedergabeindex von etwa 43. Die US-PS 2 615 848 lehrt eine Hochdruck-Quecksilber-Lampe, bei der ein Magnesiumarsenat-Leuchtstoff verwendet wird (der ebenfalls mit Mangan mit einer Wertigkeit von 4+ aktiviert ist). Die Magnesiumarsenat-Lampen liefern Licht mit einer Qualität ähnlich derjenigen der mit Magnesium-Fluorgermanat beschichteten Lampen. Die OS-PS 3 569 762 lehrt eine Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe mit einem Yttriumvanadat-Leuchtstoff (aktiviert mit Europium mit einer Wertigkeit von 3 j. Solche Lampen haben typischerweise eine korrelierte Farbtemperatur von etwa 3.600° K und einen Farbwiedergabeindex von etwa 47. Die US-PS 3 661 791 lehrt eine Möglichkeit zur Herstellung von YttriOTaphasphat-Vanadat-Leuchtstoff (aktiviert mit dreiwertigem Europium^ für die Verwendung in Verbindung mit einer Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe. Mit einem solchen Leuchtstoff versehene Lampen haben Emissionen ähnlich denjenigen von Lampen mit Yttriumvanadat.
Das international anerkannte Verfahren zur Standardisierung und Messung der Farbwiedergabe-Eigenschaften von Lichtquellen :.at in der Veröffentlichung der International Commission on Illumination "C.I.E. Nr. 13 (E-1.3.2! 1965™ dargelegt.
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Die Strahlung eines Glühfadens ist allgemein bekannt. Die Emission hängt von der Temperatur ab, mit der der Faden betrieben wird, und der geometrische Ort der Emissionen für verschiedene Temperaturen, wie sie in einem ICI-Farbdiagramm eingetragen werden, wird allgemein als die "Schwarzkörper-Linie" bezeichnet. Um eine vertretbare Lebensdauer einer Glühlampe zu gewährleisten, wird dabei allgemein mit einer Temperatur von weniger als 3.1OO K und typischerweise etwa 2.900° K gearbeitet.
Das ICI-Farbsystem ist im einzelnen in dem "Handbook of Colorimetrie" von Arthur C. Hardy, The Technology Press, Massachusetts Institute of Technology (1936) beschrieben.
Die farbkorrigierten Quecksilber-Entladungslampen nach dem Stand der Technik wiesen nicht nur eine zu hohe korrelierte Farbtemperatur (zu blau) auf, sondern die Emission solcher Lampen war auch zu weit von der "Schwärzkörper-Linie" (die Magnesium-Fluorgermanat-Lampe war beispielsweise zu grün) entfernt, so daß sich von Natur aus eine verhältnismäßig schlechte Farbwiedergabe einstellte.
Eine Möglichkeit, von der Gebrauch gemacht wurde, um die korrelierte Farbtemperatur herabzusetzen, besteht in einer sehr dicken Beschichtung mit Leuchtstoff. Die Verwendung einer dicken Beschichtung aus Yttriumvanadat-Leuchtstoff führte beispielsweise zur Verringerung der korrelierten Farbtemperatur von etwa 3.600° K auf etwa 3.440 K. Ungünstigerweise ergibt sich dadurch nicht nur eine geringfügige Verringerung des Farbwiedergabe-Index, sondern auch eine drastische Verringerung des Wirkungsgrads.
Es sind für Hochdruck-Quecksilberdampf-Lampen auch Siliziumdioxid-Schichten verwendet worden. Die US-PS 2 838 705 lehrt die Verwendung einer Siliziumdioxid-Schicht zwischen dem Leuchtstoff und einem versilberten Reflektor, um chemische Reaktionen zwischen dem Leuchtstoff und dem Reflektor zu verhindern. Es ist auch schon Siliziumdioxid (silica) mit Leuchtstoffen gemischt worden.
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Entsprechend der ÜS-PS 2 806 968 wird Siliziumdioxid mit dem Leuchtstoff gemischt, so daß weniger Leuchtstoff erforderlich ist und die Kosten der Lampe herabgesetzt werden (Siliziumdioxid ist billiger als der Leuchtstoff).
Offensichtlich ließ sich bei keiner der Lampen nach dem Stand der Technik die Farbtemperatur unter gleichzeitigem Halten des Farbtons auf der "Schwarzkörper-Linie11 auf die Farbtemperatur im Bereich zwischen 2.8OO und 3.100° K verringern, so daß mit keiner der Lampen eine Farbemission ähnlich derjenigen einer Glühlampe erzielt werden konnte.
Eine Entladungslampe mit einem langgestreckten lichtdurchlässigen Entladungsrohr, das eine vorgegebene Quecksilbermenge enthält, die bei normalem Betrieb der Lampe einen vorgegebenen Quecksilber-Dampfdruck in dem Entladungsrohr erzeugt, sowie einem äußeren lichtdurchlässigen Kolben, dessen Innenfläche das. Entladungsrohr mit Abstand umgibt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf die Innenfläche des äußeren Kolbens eine nicht-lumineszente Oxidschicht aufgebracht ist, die im wesentlichen aus Siliziumdioxid (silica), Magnesiumoxid, Titanoxid und Aluminiumoxid in Submikronform besteht und ihrerseits durch ein Leuchtstoffgemisch abgedeckt ist, das im wesentlichen aus 70 - 90 Gew% mit Europium aktivierten Yttriumphosphatvanadats und/oder mit Europium aktivierten Yttriumvanadats sowie 10-30 Gew% mit Mangan aktivierten Magnesiumfluorgermanats und/oder mit Mangan aktivierten MagnesiumarSenats besteht.
Es wurde beobachtet, daß eine farbkorrigierte Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe mit einer Emission, deren Farbe derjenigen einer Glühlampe sehr ähnlich ist, aber mit dem Wirkungsgrad und der langen Lebensdauer einer Entladungslampe erhalten werden kann, wenn die nicht-lumineszente Oxidbeschichtung auf der Innenfläche des äußeren Kolbens mit einem unter bestimmten Phosphorgemischen verwendet wird, mit denen die nicht-lumineszente Oxidbeschichtung beschichtet ist. Die besten Ergebnisse ließen sich mit einem
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Leuchtstoffgemisch erzielen, das im wesentlichen aus etwa 83 Gew% mit Europium aktivierten Leuchtstoffs und etwa 17 Gew% mit Mangan aktivierten Leuchtstoffs besteht. Dadurch läßt sich eine korrelierte Farbtemperatur von etwa 3.000 K mit einem Farbwiedergabeindex von etwa 60 erzielen.
Insbesondere wurde gefunden, daß hauptsächlich Submikron-Partikel der vorerwähnten nicht-lumineszenten Oxide eine Farbverschiebung ergeben, die sich durch Veränderung der Prozentwerte in dem Leuchtstoffgemisch nicht erzielen ließ, und diese Farbverschiebung macht zusammen mit bestimmten Leuchtstoffgemischen die Herstellung einer Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe mit der Farbe einer Glühlampe möglich.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß aufgebauten Entladungslampe;
Fig. 2 das x, y-Farbton-Diagramm des ICI-Systems, das die x, y-Koordinaten-Zuordnung der Emission verschiedener Lampen veranschaulicht; und
Fig. 3 das Emissionsspektrum der Lampe nach der Erfindung, wobei die relative Energie in Abhängigkeit der Wellenlänge (nm) aufgetragen ist.
Fig. 1 zeigt den allgemeinen Aufbau einer Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe, in der die nicht-lumineszente Oxidbeschichtung und die Leuchtstoffgemisch-Beschichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die allgemein mit 10 bezeichnete Lampe weist einen äußeren lichtdurchlässigen Kolben auf, der in einen herkömmlichen Schraubsockel 14 eingesetzt ist. In dem äußeren Kolben 12 ist im Abstand davon ein Entladungsrohr 16 angeordnet. Das
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Entladungs- oder Lichtbogenrohr 16 ist in dem äußeren Kolben 12 durch einen herkömmlichen Rahmen 18 und zwei Verstrebungen 20 gehalten. In das Entladungsrohr 16 sind an dessen gegenüberliegenden Enden zwei Wolfram-Arbeitselektroden 22 und 24 eingesetzt. Die Arbeitselektroden 22 und 24 sind mit den gegenüberliegenden Enden des Entladungsrohrs 16 durch herkömmliche Banddichtungen 26 dicht verbunden. Neben der Elektrode 24 ist mittels einer Banddichtung 26 außerdem eine Zündelektrode 28 dicht in das Entladungsrohr eingesetzt.
Der Rahmen 18 wird durch eine von zwei herkömmlichen Zuführungen 30 getragen, die sich durch einen herkömmlichen Quetschfuß 32 erstrecken, der mit dem Schraubsockel 14 verbunden ist, der seinerseits in bekannter Weise mit einer herkömmlichen Energiequelle 34 in Verbindung steht. Die Arbeitselektroden 22, 24 sowie die Zündelektrode 28 sind elektrisch mit der einen oder anderen Zuführung 30 verbunden. Zwischen den mit der einen Zuführung 30 in Verbindung stehenden Rahmen 18 und die Zündelektrode 28 ist ein Zündwiderstand 36 geschaltet.
In dem Entladungsrohr 16 befindet sich eine Quecksilbermenge 38, und diese vorgegebene Menge Quecksilber erzeugt bei voller Verdampfung während des normalen Betriebs der Lampe in dieser einen vorgegebenen Druck. Das Entladungsrohr enthält außerdem eine kleine Menge inerten ionisierbaren Zündgases.
Die nicht-lumineszente Oxidbeschichtung 40 ist unmittelbar über die Innenfläche des äußeren Kolbens 12 gebracht. Das Leuchtstoffgemisch 42 ist über die nicht-lumineszente Oxidbeschichtung 40 gebracht, so daß die beiden Schichten mit der Schicht aus Leuchtstoffgemisch 42 versehen werden, die sich auf der Innenseite näher an dem Entladungsrohr befindet, während die nicht-lumineszente Oxidschicht sich auf der Außenseite und unmittelbar auf der Innenfläche des äußeren Kolbens befindet.
Der Lampenaufbau (abgesehen von der nicht-lumineszenten Oxid-
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schicht und der speziellen Leuchtstoffschicht) ist im wesentlichen herkömmlich, wobei eine weiter ins einzelne gehende Beschreibung seiner Wirkungsweise sich in der vorerwähnten US-PS 2 748 303 findet.
Allgemein wird die nicht-lumineszente Oxidbeschichtung 40 mit
ο
einer Dichte zwischen 0,2 bis 2 mg/cm (und typischerweise etwa
0,5 bis 0,9 mg/cm ) aufgebracht. Die Beschichtung mit dem Leuchtstoffgemisch 42 wird allgemein mit einer Dichte von 1 bis 8 mg
ο
Leuchtstoff/cm beschichtete Fläche (und vorzugsweise etwa 2,4
bis 2,8 mg/cm ) aufgebracht.
Die Partikelgröße der nicht-lumineszenten Oxidbeschichtung 40 muß grundsätzlich im Submikron-Bereich liegen, d. h. die Beschichtung muß grundsätzlich Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 1 ,u aufweisen. Es wurde gefunden, daß beispielsweise Siliziumdioxid-Partikel mit einer durchschnxttlichen Größe von O,025 Mikron (wie etwa "HiSiI" der Pittsburgh Plate Glass) eine zufriedenstellende Beschichtung ergeben. Es wurde gefunden, daß die Partikelgröße kritisch ist, und so zeigten Experimente mit beispielsweise Titanoxid mit einer Partikelgröße von allgemein mehr als 2 Mikron, daß die gewünschte Farbverschiebung nicht erhalten wurde.
Fig» 2 zeigt die relativen Emissionen verschiedener Lampen und ebenso die "Schwärzkörper-Linie". Der Punkt A repräsentiert die Emission einer klaren (d. h. keine Leuchtstoff-Beschichtung aufweisenden) Hochdruck-Quecksilber-Lampe. Der Punkt B repräsentiert die Emission einer Magnesium-Fluorgermanat-Lampe mit einer Leuchtstoff-Beschichtung normaler Dicke. Der Punkt C repräsentiert die Emission einer Yttriumphosphat-Vanadat-Lampe. Der Punkt D repräsentiert die Emission der Lampe nach der vorliegenden Erfindung, während der Punkt E die Emission einer typischen Glühlampe repräsentiert. Die Linie FG stellt die "Schwarzkörper-Linie" dar. Die Glühfaden-Temperaturen für verschiedene Punkte längs der HSchwarzkörper-Linie" sind wie angegeben. Wie zuvor erwähnt, ist die
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Emission der Magnesiumarsenat-Lampe ähnlich der der Magnesium-Fluorgermanat-Lampe und die Emission des Yttriumvanadats ähnlich der der Yttriumphosphat-Vanadat-Lampe.
Emissionen längs der Linie AC lassen sich durch Verwendung dünnerer Schichten aus Yttriumvanadat-Leuchtstoff erhalten, während sich Emissionen längs der Linie AB durch Verwendung dünnerer Beschichtungen aus einem Vanadat-Leuchtstoff erzielen lassen. Emissionen längs der Linie BC lassen sich durch eine normale Beschichtungsdicke mit einem Gemisch aus Vanadat- und Fluorgermanat-Leuchtstoffen erhalten. In ähnlicher Weise lassen sich die Punkte in dem Dreieck ABC durch dünnere Schichten aus Gemischen dieser Leuchtstoffe erhalten. Punkte jenseits des Punktes B längs der Erstreckung der Linie AB könnten durch eine dickere Beschichtung aus Vanadat-Leuchtstoff erhalten werden, aber solche dicken Beschichtungen verringern den Licht-Wirkungsgrad erheblich, und wegen der Kosten der Leuchtstoffe werden dadurch auch die Lampenkosten beträchtlich erhöht, überraschenderweise erzeugt eine Beschichtung annähernd normaler Dicke aus einem geeigneten Leuchtstoffgemisch eine Emission, die nicht innerhalb des Dreiecks ABC liegt, sondern an einem Punkt D, wenn die geeignete Schicht aus nicht-lumineszentem Oxid enthalten ist.
Die verhältnismäßig billige Beschichtung aus nicht-lumineszentem Oxid wie Siliziumdioxid (silica), die auf die Innenfläche des äußeren Kolbens aufgebracht ist (zwischen dem Leuchtstoffgemisch und dem äußeren Kolben), ergibt eine beträchtliche Verschiebung in der Farbe der Emission. Eine Emission mit einer Farbtemperatur von etwa 3.000° K in enger Nachbarschaft zu der "Schwarzkörper-Linie'1 kann durch Verwendung normaler Leuchtstoff-Dicken erhalten werden. Wenn eine geeignete Mischung (etwa 70 bis 90 Gew% Yttriumphosphat-Vanadat oder Yttriumvanadat oder Gemische daraus im Gemisch mit etwa 10 bis 30 Gew% Magnesiumfluorgermanat oder Magnesiumarsenat oder Gemischen daraus) über eine Schicht aus geeignetem nicht-lumineszentem Oxid gebracht wird, die zuvor auf die Innenfläche des lichtdurchlässigen äußeren Kolbens einer 400 W-
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Hochdruck-Quecksilber-Entladungslampe aufgetragen wurde, erhält man eine Lampe, die etwa 19.500 bis 20.000 Lumen nach 100 Stunden Brenndauer mit einem Quellen-Farbton einer Glühlampe ergibt. Es wurde gefunden, daß das Mischen des nicht-lumineszenten Oxids mit den Leuchtstoffen zu einer einzigen Beschichtung nicht zu der gewünschten Farbverschiebung führte, sondern daß das Aufbringen des nicht-lumineszenten Oxids und der Leuchtstoffe in gesonderten Schichten eine Farbverschiebung (für alles die Lampe verlassendes Licht) ergab und damit zu der gewünschten Farbverschiebung führte.
Eine Siliziumdioxid-Beschichtung kann beispielsweise durch Mischen von annähernd 39 g Siliziumdioxid mit Submikron-Größe und 170 ml Nitrozelluloselack und 85 ml Butylazetat-Lösungsmitteln erfolgen. Dieser Brei wird etwa 3-1/2 Stunden lang gemahlen und dann auf die Lampe aufgeschichtet. Die Lampe wird dann im Kühlofen behandelt, um das Lackbindemittel zu entfernen. Nach der Behandlung der Siliziumdioxid-Beschichtung in dem Kühlofen wird das Leuchtstoffgemisch aufgebracht. Ein erster Brei wird durch Mischen von 1200 g Yttriumphosphat-Vanadat- oder Yttriumvanadät-Leuchtstoff (vorzugsweise Yttriumphosphat-Vanadat) mit 775 ml Butylazetat-Lösungsmittel und 825 ml Nitrozelluloselack hergestellt. Ein zweiter Brei wird durch Mischen von 1200 g Magnesiumfluorgermanat oder Magnesiumarsenat (vorzugsweise Magnesiumfluorgermanat) mit 1475 ml Nitrozelluloselack und 600. ml Butylazetat-Lösungsmittel hergestellt. Nach dem Mahlen können die beiden Breigemische im Verhältnis von einem Volumenteil Magnesiumfluorgermanat zu vier Volumenteilen Yttriumphosphatvanadat gemischt und auf die Lamp« aufgeschichtet werden. Die beschichtete Lampe wird dann im Kühlofen behandelt, um wiederum das Bindemittel zu entfernen. Das sich aus diesem Beschichtungsvorgang ergebende Leuchtstoffgemisch stellt das bevorzugte Gemisch dar und besteht im wesentlichen aus etwa 17 Gew% Yttriumphosphatvanadat und etwa 83 Gew% Magnesiumfluorgermanat.
Magnesiumoxid, Titanoxid und Aluminiumoxid oder Gemische daraus können als Ganzes oder teilweise anstelle des Siliziumdioxids in
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den vorhergehenden Beispielen in annähernd den gleichen Anteilen vorgesehen werden. Aluminiumoxid ist besonders günstig, da es Feuchtigkeit (gegenüber Magnesiumoxid oder Siliziumdioxid) nicht ohne weiteres absorbiert und sich bequem in Submikron-Partikeln erhalten läßt (im Gegensatz zu Titanoxid, das allgemein nur in Partikelgrößen erhältlich ist, die für den vorliegenden Anwendungsbereich zu groß sind}.
Fig. 3 veranschaulicht das Emissionsspektrum einer Lampe nach der Erfindung. Eine solche Lampe besitzt eine ausreichende Emission im 600 - 700 nm-Bereich, um genügend Rot für eine Glühlampen-Farbe zu liefern, jedoch ist die Emission im IR-Bereich (oberhalb etwa 7OO mn) sehr gering. Demgegenüber emittiert die Glühlampe den Hauptteil ihrer Energie im IR-Bereich, und diese Energie geht im wesentlichen verloren, wobei jeder Versuch, einen größeren Anteil der Energie im sichtbaren Bereich durch Erhöhung der Fadentemperatur zu erhalten, natürlich zu einer weiteren Verkürzung der ohnehin schon verhältnismäßig kurzen Lebensdauer der Glühlampe führt. Somit ergibt die Lampe nach der vorliegenden Erfindung die Farbe der Glühlampe, jedoch ohne deshalb den niedrigen Wirkungsgrad und die kurze Lebensdauer der Glühlampe zu besitzen.
Patentansprüche;
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Claims (2)

  1. - 11 Patentansprüche ;
    Entladungslampe mit einem langgestreckten lichtdurchlässigen Entladungsrohr, das eine vorgegebene Quecksilbermenge enthält, die bei normalem Betrieb der Lampe einen vorgegebenen Quecksilber-Dampfdruck in dem Entladungsrohr erzeugt, sowie einem äußeren lichtdurchlässigen Kolben, dessen Innenfläche das Entladungsrohr mit Abstand umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf die Innenfläche des äußeren Kolbens (12) eine nicht-lumineszente Oxidbeschichtung (40) aufgebracht ist, die im wesentlichen aus Siliziumdioxid, Magnesiumoxid, Titanoxid und Aluminiumoxid in Submikron-Form besteht und ihrerseits durch ein Leuchtstoff-Gemisch (42) abgedeckt ist, das im wesentlichen aus 70 - 90 Gew% mit Europium aktivierten Yttriumpnosphat-Vanadats und/oder mit Europium aktivierten Yttriumvanadats sowie 10 - 30 Gew% mit Mangan aktivierten Magnesiumfluorgermanats und/oder mit Mangan aktivierten MagnesiumarSenats besteht.
  2. 2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtstoff-Gemisch im wesentlichen aus 83 % mit Europium aktivierten Yttriumphosphat-Vanadats und annähernd 17 Gew% mit Mangan aktivierten Magnesiumfluorgermanats besteht.
    KN/hs 3
    409884/1100
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