DE2460277B1 - Elektrische bogenentladungslampe - Google Patents
Elektrische bogenentladungslampeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Bogenentladungslampe mit zwei Elektroden, die eine
längs einer Achse verlaufende Entladungsstrecke begrenzen, einem die Entladungsstrecke umgebenden
Rohr aus strahlungsdurchlässigem Material und einer Vorrichtung zum Erzeugen einer die Innenwand des
Rohres bedeckenden und um die Achse der Entladungsstrecke rotierenden Flüssigkeitsschicht.
Für viele Zwecke werden optische Strahlungsquellen mit sehr hoher Strahlungsdichte benötigt. Beispielsweise
benötigt ein typischer Farbstofflaser eine in der Farbstofflösung absorbierte Leistungsdichte von
kW/cm3 (B.B. Snavely, Proc. IEEE 57 [1969], bis 1390). Berücksichtigt man, daß bei den meisten
optischen Strahlungsquellen der Umwandlungsgrad von elektrischer Leistung in optische Strahlung, die im
Farbstoff absorbiert wird, weniger als 1 % beträgt, so ergibt sich in der Strahlungsquelle eine elektrische
Leistungsdichte von mindestens 400 kW/cm3.
Es ist bereits bekannt, elektrische Lichtbogen durch
Wasserwirbel zu stabilisieren, um höchste Leistungsdichten zu erreichen (F. Burhorn, H. Maecker,
Z. Physik 129 [1951], 369 bis 376). Der Wasserwirbel wurde dabei dadurch erzeugt, daß in ein frei zwischen
den beiden Elektroden stehendes Rohr in der Mitte tangential Wasser mit hoher Geschwindigkeit eingeleitet
wurde, das dann auf wendeiförmigen Bahnen zu den Enden des Rohres abströmte und dort wegspritzte. In
dem sich um die Achse des Rohres bildenden Wirbelkanal brannte der elektrische Lichtbogen. Nachteilig
dabei ist, daß die Wasserzuführung den Lichtaustritt behindert und daß das an den Enden des Rohres
herausspritzende Wasser eine erhebliche Belästigung darstellt.
Aus der DT-PS 10 90 795 ist weiterhin eine elektrische Bogenentladungslampe bekannt, welche
zwei Elektroden, die eine längs eine Achse verlaufende Entladungsstrecke begrenzen, ein die Entladungsstrekke
umgebendes Rohr aus strahlungsdurchlässigem Material und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer die
Innenwand des Rohres bedeckenden und um die Achse der Entladungsstrecke rotierenden Flüssigkeit aufweist.
Ähnliche Bogenentladungslampen sind auch in der CH-PS 4 94-517 und der GB-PS 8 91 463 beschrieben.
Es ist ferner eine wasserwirbelstabilisierte Bogenentladungslampe zum Anregen von Farbstofflasern bekannt,
die aus einer fast völlig mit Wasser oder Farbstofflösung gefüllten Blitzlampe bestand, die zum
schnellen Rotieren um die Längsachse gebracht wurde, so daß sich längs der Achse ein dünner, mit Luft oder
Wasserdampf gefüllter Kanal zwischen den Elektroden ausbildete (C. M. F e r r a r, Appl. Phys. Lett. 20 [1972],
419 — 420). Eine solche Bogenentladungslampe eignet sich jedoch nicht für den Dauerbetrieb, da sich die
Entladungsbedingungen durch die im Lichtbogen entstehenden Zersetzungsprodukte rasch verschlechtern
und außerdem auch die entstehende große Wärmemenge nicht abgeführt werden kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe zugrunde, eine
elektrische Bogenentladungslampe anzugeben, mit der außerordentlich hohe Leuchtdichten erzeugt werden
können und die sich insbesondere zur Anregung von im Dauerbetrieb arbeitenden Farbstofflasern eignet.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Mit der vorliegenden elektrischen Bogenentladungslampe lassen sich elektrische Leistungsdichten über
10 MW/cm3 erreichen. Außerdem kann man den Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer
Leistung in wirksame Licht- oder Strahlungsleistung leicht dadurch verbessern, daß man für die die
Bogenentladungslampe kontinuierlich durchströmende Flüssigkeit eine wässerige Lösung eines oder mehrerer
Metallsalze, insbesondere Schwermetallsalze, verwendet, die ein dem gewünschten Anwendungsfalle, z. B.
dem anzuregenden Farbstoff, angepaßtes Emissionsspektrum ergeben.
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung. sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert.
Die in der Zeichnung dargestellte bevorzugte
Ausführungsform einer elektrischen Bogenentladungslampe
gemäß der Erfindung enthält eine rotierende Anordnung 1, an der eine mitrotierende Elektrode la
angeordnet ist, eine feststehende Elektrode 2 und ein Quarzglasrohr 3. Die Drehachse und die mit ihr im .s
wesentlichen zusammenfallenden Achsen der Elektroden la, 2 und des Quarzglasrohres 3 verlaufen
vorzugsweise, wie dargestellt, senkrecht.
Die rotierende Anordnung 1, die mit der Elektrode la aus einem integralen Bauteil (z. B. aus Kupfer) bestehen
kann, ist mit einem Schrägkugellager 4 in einer ersten Grundplatte 5 drehbar gelagert. Das Quarzglasrohr 3 ist
in eine entsprechende Aussparung der rotierenden Anordnung 1 eingelassen und durch einen O-Ring 6 und
einen mit einem Metallring 7 angepreßten zweiten O-Ring 8 dicht und federnd gelagert. Das untere Ende
des Quarzglasrohres 3 ist in einem passend geformten Metallstück 9 wie das obere Ende durch O-Ringe 10 und
11 sowie ein Andruckstück 12 dicht gehaltert. Das Metallstück 9 ist mit einem Schrägkugellager 13 in einer
zweiten Grundplatte 14 drehbar gelagert. Die Grundplatten 5 und 14 werden durch vier Bolzen 15 im
vorgesehenen Abstand gehalten. Die untere, ruhende Elektrode 2 sitzt zentrisch in einem topfförmigen
Kunststoffteil 16 und wird mit einem O-Ring 17, der durch einen Anpreßring 18 an sie und das Kunststoffteil
16 angepreßt ist, abgedichtet und gehaltert. Das mit dem Rohr 3 rotierende Metallstück 9, ist gegen das
Kunststoffteil 16 durch eine Lippendichtung 19 (Simmerring) abgedichtet. Die rotierende Anordnung 1 hat
einen über die Grundplatte 5 herausragenden Teil Ib, der von einem topfförmigen, an der Grundplatte 5
befestigten Metallteil 20 umgeben ist, das einen vom oberen Teil Io der rotierenden Anordnung 1 durchsetzten
Deckel 21 hat. Das Metallteil 20 ist gegen die rotierende Anordnung durch Lippendichtungen 22 und
23 abgedichtet. In das Metallteil 20 ist ein Zuflußrohr 24 für eine zur Kühlung des Rohres 3 und zur Stabilisierung
des Lichtbogens dienende Flüssigkeit, für die im allgemeinen Wasser oder eine wäßrige Lösung verwen- ^0
det wird, dicht eingeschraubt. Für den Abfluß der Flüssigkeit ist ein Abflußrohr 25 vorgesehen, das einen
wesentlich größeren Querschnitt hat als das Zuflußrohr
24 und in das Kunststoffteil 16 neben der unteren Elektrode 2 dicht eingeschraubt ist. Die Flüssigkeit
strömt also durch das Zuflußrohr 24, den vom Metallteil 20 umschlossenen Hohlraum und durch radiale Bohrungen
in einer in der rotierenden Anordnung 1 gebildeten Kammer 1 d, von der aus es durch eine axiale Bohrung 1 e
und viele kleine, schräg tangential am unteren Ende der Elektrode 1 angeordnete düsenähnliche Bohrungen 1/
so austritt, daß das Wasser schräg mit tangentialer und axialer Komponente auf die innere Wand des
Quarzglasrohres 3 auftrifft, in wendeiförmigen Bahnen längs der Innenwand des Quarzglasrohres 3 nach unten
strömt und schließlich von dem sich konisch erweiternden Ende des rotierenden Metallteils 9 abspritzt und aus
dem Kunststoffteil 16 durch das Abflußrohr 25 abfließt. Die Dicke der Flüssigkeitsschicht, die die gesamte
innere Wand des Quarzglasrohres 3 bedeckt, kann in g0
weiten Grenzen variiert werden durch die Formgebung der Austrittsöffnungen 1/ der Elektrode 1, durch die
Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit und die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Anordnung.
Damit kann dann auch der Durchmesser des für die ß5
Bogenentladung zur Verfügung stehenden axialen Kanales auf einen gewünschten Wert eingestellt
werden. Durch eine leicht konische Erweiterung der Innenwand des Quarzglasrohres 3 in Richtung auf die
Elektrode 2 hin kann die axiale Vortriebskomponente des Flüssigkeitsstroms soweit vergrößert werden, daß
auch ein Betrieb der Lampe in jeder beliebigen Lage zwischen der Senkrechten und der Waagerechten
möglich ist.
Die Zuführung der elektrischen Leistung erfolgt über einen auf den oberen Teil \b der Anordnung 1
aufgelöteten Kupferschleifring 26 und eine Bürste oder
Kohle 26a. Der obere Teil \b der drehbar gelagerten Anordnung hat eine axiale Bohrung ig für eine Welle
eines Antriebsmotors (nicht dargestellt).
Die beschriebene Bogenentladungslampe wird wie folgt in Betrieb genommen: Nachdem die Anordnung 1
mit dem Rohr 3 in Rotation versetzt und in der oben beschriebenen Weise ein von rotierender Flüssigkeit
begrenzter Kanal gewünschten Durchmessers eingestellt worden ist, wird die stabförmige untere Elektrode,
an die der O-Ring 17 durch den Anpreßring 18 nicht allzu fest angedrückt wurde, nach oben verschoben, bis
sie die Elektrode la berührt. Durch einen entsprechend dimensionierten Vorwiderstand in einer nicht dargestellten
Gleichstromquelle wird während dieser Zeit der Strom auf einen gewünschten Wert begrenzt. Nach dem
Auseinanderziehen der Elektroden bildet sich in dem rotierenden Flüssigkeitskanal ein Lichtbogen, der durch
weiteres Herabziehen der Elektrode 2 auf die gewünschte Länge gebracht wird. Durch Verändern des
Vorwiderstandes wird der gewünschte Strom eingestellt. Im steigenden Ast der Kennlinie des Lichtbogens
können der Vorwiderstand und die mit ihm verbundene Verlustleistung vollkommen entfallen und kann die
gewünschte Stromstärke durch die angelegte Spannung eingestellt werden.
In der beschriebenen Bogenlampe lassen sich außerordentlich hohe elektrische Leistungen umsetzen,
da die beiden Elektroden und das Quarzglasrohr durch die durchfließende Flüssigkeit intensiv gekühlt werden.
Selbst mit mäßigen Durchflußgeschwindigkeiten und -mengen lassen sich bei einer Bogenentladungslampe
der beschriebenen Art, bei der der Elektrodenabstand etwa 100 mm und der Innendurchmesser des Quarzglasrohres
etwa 14,5 mm betrug, Leistungsdichten von über 10 MW/cm2 erreichen. Durch entsprechende Vergrößerung
der gesamten Abmessungen lassen sich die insgesamt umgesetzten Leistungen bei gleichbleibender
Leistungsdichte nahezu beliebig vergrößern. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Bogenentladungslampe
besteht darin, daß die durch den Abbrand der Elektroden und die Zersetzung der Flüssigkeit entstehenden,
Strahlungsabsorbierenden Produkte stets sofort durch die durchfließende Flüssigkeit weggespült werden,
so daß keine Trübung des Quarzglasrohres und Veränderungen der elektrischen Charakteristik des
Bogens eintreten können.
Ein weiterer wichtiger Vorteil besteht darin, daß anstelle von reinem Wasser bequem wässerige Lösungen
von Metallsalzen, insbesondere Schwermetallsalzen, verwendet werden können. Von diesen Lösungen
wird jeweils ein gewisser Nebel in den elektrischen Lichtbogen gelangen, wobei die Metallsalze verdampfen
und dissoziieren und die Metalle zur Emission angeregt werden. Man kann auf diese Weise durch
Zusatz eines Salzes des Thalliums, das wie die meisten Metallsalze eine niedrigere Ionisierungsenergie hat als
Wasserstoff- und Sauerstoffatome im Wasserdampfplasma, eine praktisch vollständige Übernahme des
Stromtransports durch die Thalliumionen erzielen.
Dadurch ergibt sich ein Emissionsspektrum, das im wesentlichen nur noch aus einer Liniengruppe bei
378 nm und der bekannten grünen Thalliumlinie bei 537 nm besteht. In entsprechender Weise kann durch
Zusatz eines Natriumsalzes die Emission im wesentlichen auf die Linien bei 589 nm zusammengedrängt
werden. Durch Auswahl geeigneter Salze oder Salzkombinationen läßt sich somit das Emissionsspektrum in
sehr weitgehendem Maße reproduzierbar und für praktisch beliebig lange Zeiten einstellen, z. B. an ein
vorgegebenes Absorptionsspektrum einer anzuregenden Farbstofflösung anpassen.
Das Emissionsspektrum der vorliegenden Lampe kann ferner auch dadurch beeinflußt werden, daß man
der Flüssigkeit gelöste oder suspendierte, absorbierende Substanzen zusetzt. So kann beispielsweise durch den
Zusatz von Kupfersulfat oder von aromatischen Verbindungen ein großer Teil des ultravioletten
Spektralanteils absorbiert und damit unschädlich gemacht werden.
Weiterhin können organische Farbstoffe (im weiteren Sinne), die starke Fluoreszenz zeigen, in wässeriger
ίο Lösung benutzt werden, die als Quantenwandler die
Emission der Lampe aus einem kurzwelligeren in einen um den Stokes-Shift verschobenen langwelligeren
Spektralbereich transformieren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Elektrische Bogenentladungslampe mit zwei Elektroden, die eine längs einer Achse verlaufende
Entladungsstrecke begrenzen, einem die Entladungsstrecke umgebenden Rohr aus strahlungsdurchlässigem
Material und einer Vorrichtung zum Erzeugen einer die Innenwand des Rohres bedekkenden
und um die Achse der Entladungsstrecke rotierenden Flüssigkeitsschicht, dadurch gekennzeichnet,
daß das eine Ende des Rohres (3) dicht mit einer um die Achse drehbaren
Anordnung (1) verbunden ist, die die eine in das Rohr (3) hineinragende Elektrode (la) trägt und einen mit
einer Zuführungsleitung (24) in Verbindung stehenden Kanal (lc, id, le) zum Einspeisen der Flüssigkeit
in das mit der Anordnung verbundene Ende des Rohres (3) enthält, und daß das andere Ende, des
Rohres (3) in einer Flüssigkeitsableitvorrichtung (16, 25) drehbar gelagert ist.
2. Bogenentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Zuführung der
Flüssigkeit dienende Kanal (te) durch die an der drehbaren Anordnung (1) angebrachte eine Elektrode
(la) verläuft und in mehreren, düsenartigen Öffnungen (1/) am Ende dieser Elektrode mündet.
3. Bogenentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die düsenartigen
Öffnungen (1/) tangential und axial schräg auf die Innenwand des Rohres (3) gerichtet sind.
4. Bogenentladungslampe nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode
(2) in einem eine Abflußkammer bildenden ruhenden Bauteil (16) koaxial zum Rohr (3) und in dessen
anderes Ende hineinragend gelagert ist und daß das Rohr (3) drehbar und dicht in diesem ruhenden
Bauteil (16) gelagert ist.
5. Bogenentladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das der zweiten
Elektrode (2) benachbarte Ende des Rohres (3) mit einem drehbar gelagerten, ringförmigen Bauteil (9)
fest verbunden ist und daß dieses ringförmige Bauteil (9) durch eine Lippendichtung (19) bezüglich
des ruhenden Bauteils (16) abgedichtet ist.
6. Bogenentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Flüssigkeit aus einer wäßrigen Metallsalzlösung besteht.
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