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Niederdruck-4uecksilberdampflampe Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Niederdruck-4uecksilberdampflampe, insbesondere als Leuchtstofflampe mit langgestreckter
Röhrenform, wobei ein amalgambildendes Metall, wie zum Beispiel Indium, im Innnsrn
zur Steuerung des Duecksilberdampfdrucks verwendet wird und zwar als Amalgamquellen
sowohl an Heiß- wie an Kaltstellen innerhalb der Lampenröhre, insbesondere an einem
sich erweiternden Teil eines der beiden GlasfuE3rohrteile.
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Der herkömmliche Kerstellvorgang für Leuchtstofflampen läuft wie folgt
ab: Zunächst wird eine Phosphorschicht
auf die Innenfläche der
Lampenhülle ufgetragen, im allgemeinen durch eine Reihe von Verfahren, wie Durchspülen,
Trocknen und Nachbehandlung.
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Als nächstes wird ein Paar Röhrenfußeinheiten aus Glas mit daran befindlichen
Zuleitungsdrähten und Elektroden an jedem Ende der Lampenhülle montiert und durch
Hitzeeinschmelzung befestigt. Ein oder alle beide Röhrenfüße enthalten ein EntlUftungsrohr.
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Es folgt ein Entlüftungs- und Gaseinfüllvorgang mit Erhitzen der Lampe
und ihrer Katodenelektroden und abwechselnd Pumpen von Luft aus der Larnoenhülle
über die Entlüftungsrohre und Durchspülen mit Edel-Gasen.
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An irgendeiner Stelle gewöhnlich gegen Ende des Prozesses wird ein
Tropfen Duecksilber in die Lampenhülle geblasen, um den benötigten Quecksilberdampf
während des anschließenden Lampenetriebs entstehen zu lassen. Am Ende des Entlüftungsvorgangs
wird die Lampe durch "Auskippen" Ctipping off) der Entlüftungsrohre zugeschmolzen,
und der ganze Vorgang wird beendet durch Befestigen von Sockeln und Nachhärten bzw.
Altern (ging).
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Es ist bekannt, daß die Lichtausbeute einer Leuchtstofflampe eine
Funktion des Quecksilberdampfes ist, der wiederum oft von der Temperatur der kältesten
Region der Glashülle der Lampe abhängt. Es ist weiter bekannt, daß die Temperatur
der Hüllenkaltstelle für stärksten Lampenbetrieb ca. 4 - 6 x lo -3 Torr
innerhalb
der Lampe erzeugt. Oft steigen wegen hoher Lampenbelastung und hoher Umgebungstemperaturen
die Hüllentemperatur und der Duecksilberdampfdruck über den optimalen Wert an.
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Zum Kühlen von Teilen der Lampenhülle zwecks Regulierung des Dampfdrucks
sind verschiedene Methoden angewandt worden. Es wurden Abschirmungen zwischen die
Elektroden und die Enden der Hülle gelegt; Kühlbleche wurden an der Hülle angebracht;
auch wurde die Lampenhülle vergrößert, mit Rillen, Vertiefungen u.ä. versehen. Es
ist ebenfalls bekannt, daß Quecksilberdampfdruck durch die Benutzung eines amalgambildenden
Metalls, wie z.B. Cadmium oder Indium, verringert werden kann. Das US-Patent 2,966,6c2
erwähnt eine solche Anwendung eines Duecksilberamalgams in Spalte 4, Zeile 6c-64.
Es wurde beobachtet, daß der Ort des Amalgams oder amalgambildenden Metalls in der
Lampe ein wichtiger Faktor für die gewünschte Verbesserung des Lampenbetriebs ist.
Zum Beispiel macht das US-Patent 3,oo7,o71 die Benutzung eines amalgambildenden
Metalls als Streifen oder Pulver bekannt, das der Länge nach in der röhrenförmigen
Lampenhülle vorhanden ist, wo es keinen Temperaturen ausgesetzt ist, die viel höher
als die in der Entladung sind. Bei einer im US-Patent 3,392,298 beschriebenen Lampe
wird der Ouecksilberdruck von einer Schicht aus Indium in Form eines Ringes in der
Mitte
der röhrenförmigen Lampe gesteuert. Diese Benutzung eines amalgambildenden Metalls
ist sehr wirksam, wenn der Deucksilberdampfdruck festgesetzt wird, nachdem die Lampe
ihr thermisches Gleichgewicht erreicht hat, aber der Quecksilberdampf in der Lampe
ist extrem niedrig, wenn die Lampe zuerst eingeschaltet wird, da eine größere Zeitspanne
für den mittleren Teil der Lampe, wo sich das Indium befindet, zum Aufheizen benötigt
wird. Daher kann die Lampe nur ein Drittel ihrer normalen Lichtausbeute sogar zwei
oder drei Minuten nach dem Einschalten ausstrahlen und kann ihre volle Lichtausbeute
erst errreichen, wenn eine so lange Zeitspanne wie zwölf Minuten vErgangen ist.
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Dementsprechend hat man zwei Quellen von Amalgam innerhalb einer Leuchtstofflampe
benutzt - eine, die sich ziemlich langsam erwärmt, wenn ihr Energie zugeführt wird
und dann den Quecksilberdampfdruck bei Betrieb steuert- und eine zweite Amalgamquelle,
die sich näher bei den Elektroden befindet, sich daher schneller erwärmt und ausreichenden
Quecksilberdampf liefert, damit die Lampe rascher ihre volle Leistung erreicht.
Eine Leuchtstofflampe dieser Art wird im US-Patent 3,227,907 bekannt gemacht. Nach
diesem Patent wird die "Kaltfleck"-Ablagerung aus amalgambildendem Material von
einem Indiumstreifen in der Mitte der Glasröhre geliefert, wie sie im US-Patent
3,392,298
beschrieben wird, und die "Heißfleck"-Ablagerung aus Indium liegt an Hilfselektroden,
wie z.B. Abschirmanoden, die mit den Zuleitungsdrähten der Katodenspule verbunden
sind. Diese Hilfselektroden werden gewöhnlich schnell warm und können Temperaturen
von 300 und 4oo0 E erreichen.
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Was an dieser Stelle vom Indium an Quecksilber aufgelesen wird, wird
schnell in die Lampenatmosphäre verdampft und in ihr schnell verbreitet.
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Bei einer anderen Methode wird das Hauptsteuermittel für Dampfdruck
(Kaltstelle) durch die Ablagerung des amalgambildenden Materials um den Glasfuß
an einem oder beiden Enden der Leuchtstofflampe geschaffen.
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Z.B. beschreibt das US-Patent 3,287,587 eine Methode, einen solchen
Streifen zu schaffen: ein Indiumkügelchen wird am Rohrteil eines Glasfußes gerieben,
das auf eine Temperatur von ca. 160°C aufgeheizt worden ist. Ein späterer Hinweis,
das US-Patent 3,548,241, beschreibt eine Methode, in der ein geeignetes amalgambildendes
Metall, wie z.B.
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Indium, bis zum Flüssigkeitszustand erhitzt wird und dann auf den
erweiterten Teil eines der Glasfüße gespüht wird, bevor er in die Hülle eingeschmolzen
wird. Eine bessere Methode zum Aufbringen des amalgambildenden Materials auf den
erweiterten Teil des Fußes wird im US-Patent 3,869,772 beschrieben Es sind verschiedene
Konzentrationsverhältnisse von
amalgambildendem Material zu Quecksilber
erforscht worden, so daß ein spezifisches Ergebnis in Bezug auf Lampen- und Umgebungstemperatur
vorliegt. Diese Konzentrationsverhältnisse reichen von 1:1 bis 12:1 -je nach Amalgamstelle
und Umgebungstemperatur.
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Da die Duecksilberdampfsteuerung und folglich die Lichtausbeute der
Lampe von der Lampentemperatur und dem Konzentrationsverhältnis des amalgambildenden
Materials zu Quecksilber abhängig ist, ist es ein ausgesprochener Vorteil, diese
Konzentrationen von einer Lampe zur anderen konstant (consistent) zu halten. Dies
ist jedoch bei den herkömmlichen Methoden der Duecksilberverteilung, wie oben beschrieben,
sehr schwierig.
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Die Kontrolle über den Betrag an in der Lampe angeordnetem amalgambildenden
Material kann durch verschiedene Anwendungsmethoden erreicht werden, z.B.
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Sprühen, Drahteinführung oder Kügelcheneinlauf.
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Obwohl dieser Vorgang normalerweise ein getrenntes Verfahren ist,
stellt er einen Faktor dar, der zur besseren Steuerung beiträgt. Die Verteilung
von Quecksilber bei der herkömmlichen Lampenherstellung kann jedoch nicht feinkontrolliert
werden, was letztlich bedeutet, daß die Unterschiede der Duecksilbermenge von einer
Lampe zur anderen erheblich sind. Die Folge dieser weiten Spanne der Duecksilberdosierung
bei Amalgamlampen ist, daß das Verhältnis vom amalgambildenden
Material
zum Duecksilber unterschiedlich ist und Abweichungen der Duecksilberdampfdrucksteuerung
bei einer spezifischen Lampentemperatur hervorruft. Diese Abweichungen verursachen
wiederum Unterschiede der Lichtausbeute von Lampe zu Lampe. Andererseits, wenn das
Konzentrationsverhältnis von amalgambildendem Material zu Quecksilber durch die
Benutzung einer genauen Methode der Duecksilberverteilung relativ dicht bliebe,
würde auch die Lichtausbeute von einer Lampe zur anderen relativ gleich bleiben.
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Das Problem, gleichbleibende Konzentrationsverhältnisse von amalgambildendem
Materila zu Quecksilber zu erhalten, kann durch Kombinieren der beiden Bestandteile
in einem getrennten Vorgang zur Bildung eines Amalgams etwas gesteuert werden. Das
Amalgam mit bekannten Konzentrationen von amalgambildendem Material und.Quecksilber
könnte dann an einer bestimmten Stelle der Lampe, z.B. der inneren Lampenwand oder
der Fassung, direkt aufgetragen werden. In der Theorie sieht eine solche Konstruktionsmethode
gut aus, aber in der Praxis gibt es viele Nachteile. Einer davon ist der niedrige
Schmelzpunkt des Amalgams> das bei der Hitze der Lampenherstellung womöglich
zerfließt oder auseinanderläuft. Ein anderer Nachteil hängt mit der möglichen Gefahr
zusammen, daß das Amalgam erhitzt und freies Duecksilber als Dampf abgetrieben wird,
bevor die
Lampenhülle verschlossen wird.
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Angesichts des Vorhergesagten lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine verbesserte Niederdruck-Ouecksilberdampfentladungslampe zu schaffen.
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Hauptaufgabe der Erfindung ist daher, eine verbesserte Leuchtstofflampe
vorzuschlagen, die ein amalgambildendes Material zur Duecksilberdampfdrucksteuerung
mit kleineren Unterschieden der Lichtausbeute von Lampe zu Lampe enthält.
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Ferner soll die Erfindung eine verbesserte Amalgamlampe schaffen.
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Diese Aufgaben finden für die eingangs genannte Lampenart eine Lösung,
wie in den Kombinationsmerkmalen des Hauptanspruchs angegeben.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den nachfolgenden Ansprüchen
und der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels zu entnehmen.
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Es wird erfindungsgemäß erreicht, daß eine Vorrichtung zur 4uecksilberverteilung,
wie z.B. ein quecksilberverteilender Getter, zusammen mit einer bestimmten Menge
von amalgambildendem Material verwendet wird, das in der Duecksilberdampfentladungslampe
auf einer Fläche aufgebracht wird. Mit der
Kombination dieser beiden
Elemente ist es möglich, die Veränderung von Duecksilberdampfdruck bei unterschiedlichen
Lampen bei jeder spezifischen Umgebungstemperatur oder bei jeder Lampe zu steueren.
Wie zuvor gesagt, kann die Menge des aufgetragenen amalgambildenden Materials viel
besser als Quecksilber kontrolliert werden, weil es in einem getrennten Vorgang
durchgeführt wird. Nun kann erfindungsgemäß auch die gewünschte Duecksilberkontrolle
stattfinden -vorzugsweise unter Benutzung von einem quecksilberverteilenden Getter.
Genauer gesagt; Es kann durch die richtige Wahl von quecksilberverteilenden Vorrichtungen
eine genaue Duecksilbermenge in fertigen Leuchtstofflampen zur Verfügung stellen.
Diese erzeugt eine dichte Konzentrierung von amalgambildendem Material zu Quecksilber
an jeder beliebigen Amalgamstelle- bestimmt für eine spezifische Beschichtung oder
eine spezifische Umgebungstemperatur, so daß von Lampe z Lampe eine gleichbleibende
Lichtausbeute gewährleistet ist.
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Es wurde auch entdeckt, daß - da genaue und geringere Mengen Quecksilber
in einer Lampe verteilt werden können - eine entsprechend kleinere Menge von amalgambildendem
Material benutzt werden kann. Ganz unerwartet scheint das geringere Gewicht von
amalgambildendem Material und Duecksilber die Lebensdauer der Lampe im Vergleich
zu früheren Konstruktionen, wo ca. 4 mal so viel amalgambildendes Material und
Quecksilber
benutzt wurde, erheblich zu erhöhen.
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Genauer gesagt: ir benutzen Indium als amalgambildendes Material.
Der besondere Grund, warum wir bei niedrigerem Indium-Duecksilbergewicht eine längere
Lebensdauer erzielt haben, ist nicht leicht zu erklären, wird aber wahrscheinlich
mit der-Indiumkondensierung auf der Katodenoberfläche und/oder der Ionenzerstäubung
des Indiums auf der Katode zusammenhängen. Dies könnte Katodenbelag von den Katoden
zerstäuben oder evtl. die Katoden verderben (to poison=vergiften), was die Verringerung
ihrer normalen Lebensdauer zur Folge hat. Da wir jetzt viel weniger Indium benutzen,
werden die Katoden weniger beschädigt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung Die vorliegende Erfindung wird nachstehend
anhand der Zeichnung ausführlicher beschrieben. Die einzige Figur darin zeigt eine
perspektivische Darstellung, teilweise im Ausschnitt, einer erfindungsgemäßen Leuchtstofflampe.
Zur Darstellung ist im mittleren Teil ein Abschnitt der Lampe entfernt worden.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführung In der Zeichnung wird eine
Leuchtstoffröhre gezeigt, die einen langen ,röhrenförmigen Glasmantel lo
mit
einer üblichen Phosphorschicht 11 auf seiner Innenfläche und mit an seinen Enden
eingeschmolzenen Elektrodenaufsätzen 12 und 13 besitzt. Die lichtaussendende Hülle
wird mit einer geringen Menge Edelgas, wie Argon1 bei einem niedrigen Druck von
z.B.
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1-3 Torr. gefüllt, wonach sie in der üblichen Weise hermetisch verschlossen
wird, indem die (nicht gezeigte) Entlüftungsröhre an einem oder beiden Enden der
Lampe auf übliche Weise herausgekippt wird (by tipping off).
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Jede der Einsatzstrukturen 12 und 13 enthält den typischen Röhrenfuß
14 aus Glas, der an einem Ende Sich den/erweiterndenTeil 15 besitzt, der um seine
Peripherie herum an der röhrenförmigen Glashülle angeschmolzen ist, sowie einen
Lampenstempel 16 am inneren Ende, der eine Elektrodenanordnung 17 trägt.
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Die Elektrode umfaßt eine Katodenspule 18, die vorzugsweise aus einem
gewendelten Wolframfaden mit der üblichen elektronenaussendenden Erdalkalioxydschicht
besteht, Der Wolframfadenwird gehalten von einem Paar Zuleitungsdrähten 19 und 20,
die im Lampenstempel 16 eingeschmolzen sind und bis zu den Klemmenstiften 21 und
22 reichen. Diese sind an den Lampensockeln 23 montiert, welche an jedem Ende der
hermetisch verschlossenen, lichtaussendenden Hülle lo befestigt sind. Ein Paar plattenförmiger
Anoden befindet sich ebenfalls auf jeder Seite
der Katodenspule
18 und in paralleler Anordnung zu dieser und wird vorzugsweise an den Enden der
Zuleitungsdrähte befestigt. Das Paar plattenförmiger Anoden an dem Aufsatz 12 am
linken Ende der Lampe wird mit den Bezugszahlen 24 und 25 bezeichnet, während das
plattenförmige Anodenpaar am Aufsatz 13 am rechten Ende der Lampe die Ziffern 28
und 29 hat.
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Die Lampe enthält ferner einen Streifen 26 aus amalgambildendem Material,
wie z.B. Indium, am erweiterten, kegelstumpfförmigen Teil 15 (Kaltstelle) des Aufsatzes
12 am linken Ende der Hülle zur Regulierung des Duecksilberdampfdrucks, wenn die
Lampe in Betrieb ist. Eine andere Schicht 27 amalgambildenden Materials von viel
geringerer Menge befindet sich an mindestens einer der elektrisch verbundenen plattenförmigen
Anoden 24 und 25 (Heißstelle) zur Verbesserung der Starteigenschaften. Es kann z.B.
jede der plattenförmigen Anoden am linken Ende der Lampe eine eisenhaltige Streifenauflage
mit Indium enthalten.
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An der Einsatzstruktur 13 am rechten Ende der Lampe ist erfindungsgemäß
eine Quecksilberverteilervorrichtung angebracht. Speziell die plattenförmigen Anoden
28 und 29 bestehen aus einem quecksilberverteilendem Getterstreifen. In einer anderen
Ausführung ist der quecksilberverteilende Getterstreifen
wie ein
Schild um die Katode befestigt. Diese quecksilberverteilenden Getter werden in den
US-Patenten 3,657,oo4 beschrieben. Diese Vorrichtungen sind mit dem Warenzeichen
"GEMEDI" von SAES Getters Inc., Mailand(Italien), auf dEm Markt. Die Gemedi-Vorrichtung
wird als ein quecksilberverteilendes Getter bezeichnet, da es nicht nur Quecksilber
in die Lampe einführt, sondern auch restliche Gase gettert, die offenbar im AnschluB
an den Duecksilberverteilungsvorgang erzeugt werden. Die Vorrichtung enthält einen
Metallstreifen aus einer Zusammensetzung von Quecksilber, einer Legierung und einem
Zirkoniumaluminiumgettermaterial. Der Getterstreifen wird bei der Herstellung an
der Lampenfußeinheit befestigt. Nach dem "Abkippen" der Lampenhülle empfiehit der
Hersteller das Erhitzen des quecksilberverteilenden Getters 20-30 Sekunden lang
auf eine Temperatur von 9oo bis 95o°C durch HF-Induktion zwecks Verteilung des Duecksilbers.
Der Hersteller empfiehlt ferner, das Getter durch die HF-Induktionserwärmung auf
einer ausreichend hohen Temperatur zu halten, um die bei der Duecksilberverteilung
frei gewordenen Gase zusammen mit Restgasen in der Lampe so lange zu getter, bis
die Gase etwa 2-5 Minuten lang durch die Edelgasfüllung in der Lampe hindurch zum
Getter wandern. Der Herteller empfiehlt, daß dies noch vor der Zündung der Lampe
gemacht wird, um zu verhindern, daß sich aufgrund des Entladungsvorganges
chemisch
sehr aktive Abarten aus den restlichen Gasen bilden.
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Durch Benutzung eines quecksilberverteilenden Getterstreifens von
gleicher Grobe und Art und durch Steuerung des Herstellvorgangs zur Gewährleistung
einer vernünftigen Einheitlichkeit kann eine außergewöhnlich präzise Menge Duecksilber
dicht in jeder Lampe verteilt werden. Dementsprechend kann man das Verdichtungsverhältnis
von amalgambildendem Material zu Quecksilber in jeder Lampe besser steuern und dadurch
Unterschiede der Lichtausbeute von Lampe zu Lampe auf einen Mindestwert bringen.
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Ferner erlaubt die exaktere Steuerung der Duecksilberverteilung eine
erhebliche Verringerung der pro Lampe benötigten Duecksilbermenge. Während z.B.
der Duecksilbergehalt herkömmlicher Leuchtstofflampen vom Typ Amalgam bei ca. 45
- loo Milligramm liegt, kann der Betrag an erfindungsgemäß in einer Lampe genau
verteiltem Quecksilber auf ca. 5 - 20 Milligramm reduziert werden. Da wir weniger
Duecksilber haargenau verteilen können, können wir entsprechend weniger amalgambildendes
Material benutzen und gleichzeitig das richtige Verdichtungsverhältnis für die bestmögliche
Duecksilberdampfdrucksteuerung beibehalten. Z.B. sollte die Gesamtmenge des in der
Lampe
vorhandenen amalgambildenden Materials typischerweise ein
Verhältnis von Gewicht zu in der Lampe verteiltem Quecksilber von ca. 1:1 - 12:1
haben.
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Überraschenderweise haben wir festgestellt, daß durch die Verringerung
der Menge amalgambildenden Materials in einer Lampe die Wirkung der durch zerstäubtes
amalgambildendes Material hervorgerufenen Katodenmängel ebenfalls herabgesetzt wird.
Dies hat eine bedeutend längere Lebensdauer von Amalgamlampen zur Folge.
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Nach einer spezifischen Ausführung sind ufriedenstellende Ergebnisse
bei F4cT12-Lampen erzielt worden. Sie werden wie abgebildet gebaut und verwenden
ca. 2,5 mg Indium auf jeder der Anodenplatten 24 und 25, und ca. 40 mg Indium in
Form von einem Band 26 auf dem sich erweiternden Teil des Aufsatzes 12.
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Die plattenförmigen Anoden 28 und 29 am Aufsatz 13 enthielten quecksilberverteilende
GEMEDI-Getterstreifen von ca. 1/4 x 1 Zoll (8x25 mm). Die GEMEDI-Streifen wurden
ausgewähit, um ca. 1o mg Quecksilber beim Zuführen von Energie in die Lampe in dieser
zu verteilen Die spezifische Konzentration wurde gewählt, um einen bestmöglichen
Duecksilberdampfdruck bei einer Amalgamtemperatur von ca. 850C zu erreichen.
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Selbstverständlich können auch andere Konzentrierungen für andere
Temperaturerfordernisse verwendet werden. Bei dieser Lampenkonstruktion wurde
eine
relative Lichtausbeute von nicht weniger als 9o % innerhalb eines Temperaturbereichs
von 45 -14o0F erreicht - verglichen mit einer 40-Watt-Lampe ohne Amalgam, in der
die 9o %-ige relative Ausbeute des verbreiteten Lichts nur 55 0F betrug, d.h. ca.
45-looOF.
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Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer speziellen
Ausführung beschrieben wurde, können von Fachleuten auch Abwandlungen vorgenommen
werden, ohne dabei vom echten Erfindungsgedanken abzuweichen.