DE2460277C2 - Elektrische bogenentladungslampe - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung beträfft 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. IEEE57 [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 Lichtbögen durch Wasserwirbel zu stabilisieren, um höchste Leistungsdichten zu erreichen (F. Burhorn, H. Maecker, Z. Physik 129 [195IJ 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 Bogenentladungsiampen 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 Bogenent!adun)rslampe eignet sich jedoch nicht für den Dauerbetrieb, da sich die Entladungsbedingungen durch die im Lichtbogen entstehenden Zersetzungsproduku 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 Bogeneniladungslampe 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 I, an der eine mitrotierende Elektrode Ia angeordnet ist, eine feststehende Elektrode 2 und ein Quarzglasrohr 3. Die Drehachse uirj die mit ihr im wesentlichen zusammenfallenden Achsen der Elektroden la. 2 und des Quarzglasrohres 3 verlaufen vorzugsweise, wie dargestellt, senkrecht

Die rotierende Anordnung 1, die mit der Elellrode 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 ₂^ 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 16, der von einem topfförmigen, an der Grundplatte 5 befestigten Metallteil 20 umgeben ist, das einen vom oberen Teil li>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 verwendet 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 id, von der aus es durch eine axiale Bohrung Ie 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 unH 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 weiten Grenzen variiert werden durch die Formgebung der Austrittsöffnungen l/der Elektrode 1, durch die Durchflußgeschwindigkeit der Flüssigkeit und die Rotationsgeschwindigkeit der rotierenden Anordnung. Damit kann dann auch der Durchmesser des für die Bogenentladung zur Verfugung stehenden axialen Kanales auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Durch eine leicht konische Erweiterung der Innenwand des Quanglasrohres 3 in Richtung auf die Elektrode 2 hin kana die axiale Vortriebskomponente des Flüssigkeitsstrorns 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 Xb der Anordnung 1 aufgelöteten Kupferschleifring 2e und eine Bürste oder Kohle 26a. Der obere Teil \b der drehbar gelagerten Anordnung hat eine axiale Bohrung \g 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 Wer» 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 M W/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 lonisierungsenergie hat als Wasserstoff- und Sauerstoffatome im Wasserdampfplasma, eine praktisch vollständige Übernahme des Stromtransports durch die Thalliumionen erzielen.

Dadurch ferjgibt sich, ein'Emissionsspektrum, das im wesentlichen "nur noch'atis 'einer Liniengruppe bei !37k nm "Μ der bekannten' grünen Thaltiumlinie bei 537 nm besteht. In entsprechender Weise kann durch Zusatz eines faatriumsalzes die Emission im wesentlichen auf, die Linien bei 589 nm zusammengedrängt werden; Durch Aüs\yah| geeigneter Salze oder SaIzkomblnationen läßt sich somit das Emissionsspektrum in sehr *w&tgeliendem Mäße"' reproduzierbar und für praktisch beliebig lange Zeiten einstellen, z. B. an ein vorgegebenes Aosorptiolisspektrum 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 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)

Patentansprüche: 24

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 einet um die Achse drehbaren _ä Anordnung (J) 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 Einspeisender Flüssigkeit in das mit der Anordnung verbundene Ende des Rohres (3) enthält, und daß das andere Ende des Rohres (3) in einer FlüssigkeitsabJeitvorrichtung (16, _zo 25) drehbar gelagert ist

2. Bogenentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Zuführung der Flüssigkeit dienende Kanal (Ie) 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