DE2656264A1

DE2656264A1 - Hochdruck-dampfentladungslampe

Info

Publication number: DE2656264A1
Application number: DE19762656264
Authority: DE
Inventors: Robert Lee Kelling; Charles Irvin Mcvey
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-12-11
Publication date: 1977-06-23
Also published as: JPS5944745B2; FR2335947A1; AR210179A1; DE2660352C2; DE2656264B2; JPS5273579A; GB1561919A; DE2656264C3; MX144086A; BR7608484A; FR2335947B1

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Bogenentladungslampen mit Kolben aus Aluminiumoxidkeramik und mehr im besonderen auf deren abdichtende End- und Zuleitungsstrukturen.

Kolben aus Aluminiumoxidkeramik sind von. besonderem Interesse mit Bezug auf Hochdruck-Natriumdampflampen, die wegen ihrer hohen Wirksamkeit, allgemein mehr als 100 Lumen/Watt, in weitem Umfange für Außenbeleuchtungszwecke eingesetzt werden. Die Aluminiumkeramik ist bei hohen Temperaturen gegenüber Natrium beständig, und es sind sowohl polykristallines Aluminiumoxid hoher Dichte als auch monokristallines Aluminiumoxid oder synthetischer Saphir für Lampenkolben eingesetzt worden. Die Lampenfüllung umfaßt

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Natrium zusammen mit einem Edelgas zur Erleichterung des Zündens und Quecksilber zur Verbesserung der Leistung. Die Enden des Aluminiumoxid-Rohres sind durch geeignete Verschlußteile, die eine Verbindung zu den thermionischen Elektroden ergeben, abgedichtet. Das keramische Bogenentladungsrohr ist im allgemeinen innerhalb eines äußeren Glaskolbens, der an einem Ende mit einem Goliath-Schraubsockel versehen ist, gelagert. Die Elektroden des Entladungsrohres sind mit den Anschlüssen des Sockels verbunden, d. h. dem Hüllen- und Zentralkontakt, und der Raum zwischen den Kolben ist üblicherweise evakuiert, um die Wärme zu konservieren.

Eine Ausführungsform für eine Abschlußdichtung eines Entladungsrohres aus Aluminiumoxidkeramik, die in der US-PS 3 882 3^6 beschrieben ist, benutzt einen keramischen Stopfen, der im Endteil des Bogenrohres abgedichtet ist und eine zentrale öffnung aufweist, durch die ein Leitungsdraht aus einem der Keramik hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten angepaßten Metall abgedichtet hindurchgeführt ist, wobei vorzugsweise Niob oder auch Tantal für Aluminiumoxidkeramik verwendet wird. Das Abdichten erfolgt mittels einer glasartigen Dichtungsmasse, die bei ausreichendem Erhitzen der Einheit schmilzt und Dichtungen von Keramik zu Keramik und Keramik zu Metall bildet.

Eine Ausführungsform mit einer solchen Dichtung ist wirtschaftlicher als eine konventionelle Ausführungsform unter Verwendung eines dünnwandigen Niobrohres. Da sich jedoch ein relativ dicker Draht nicht so rasch aufgrund thermischer Belastungen deformieren kann wie ein dünnwandiges Rohr, ist diese Ausführungsform, bei der ein Draht eingeschmolzen wird, kritischer. Beim Einschmelzen wird die Einheit erhitzt, bis die Dichtungsmasse geschmolzen und durch Kapillarwirkung in den ringartigen Spalt zwischen dem Bogenrohr und dem keramischen Stopfen und in die durch den Stopfen verlaufende öffnung für die Zuleitung hineingezogen ist. Bei dieser Abdichtung tritt gelegentlich ein Bruch der hermetischen Dichtung, insbesondere am Zuleitungsdraht auf, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen Nachteil zu beheben. Bei dieser Ausführungsform mit der Dichtung tritt auch eine Un-

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gleichmäßigkeit in der Verteilung der Dichtungsmasse zwischen der peripheren Dichtung des Bogenrohres zum Stopfen und der zentralen Dichtung des Stopfens zur Zuleitung auf, die zu schwachen Dichtungen und Leckstellen führen kann. Auch dies soll durch die vorliegende Erfindung vermieden werden.

Es wurde festgestellt, daß DichtungsschädenTeiner zu hohen Temperatur oder einem zu steilen Temperaturgradienten entlang den verbundenen Oberflächen oder über diese auftreten, wo sich der Zuleitungsdraht durch den mit Öffnung versehenen keramischen Stopfen erstreckt. Eine Abhilfe besteht darin, eine thermische Isolation der Zuleitungsdraiit dichtung von der Elektrode vorzunehmen. Gemäß der Erfindung wird dies ausgeführt, indem man eine Schlaufe in dem stützenden Leiter vorsieht, der zwischen der Elektrode und dem Bereich der Dichtung für den Zuleitungsdraiit liegt. Eine solche Schlaufe schafft die erforderliche thermische Isolation, während sie gleichzeitig gestattet, daß ausreichend Wärme vom Bogen und von der Elektrodenstruktur die Verbindungsstelle des keramischen Stopfens mit dem Rohr erreicht, um eine Kondensation von Natriumquecksilberamalgam an dieser Stelle während des Lampenbetriebes zu verhindern. Die Schlaufe stützt außerdem den keramischen Stopfen während des Abdichtens ab.

Es ist auch ein Querstück aus Draht an der Zuleitung oberhalb des Keramikstopfens befestigt worden, um es als Aufhänger zum Abstützen der Einheit aus Zuleitung, Elektrode und Stopfen während des Abdichtens zu benutzen. Gemäß der Erfindung ist das Querstück dicht an der Oberfläche des Stopfens angeordnet und dient als eine Art Docht, um durch Kapillarwirkung den Dichtungen geschmolzene Dichtungsmasse zuzuführen. Das Querstück gestattet eine gleichmäßige Verteilung der Dichtungsmasse zwischen der Ringdichtung des Bogenrohres zum Stopfen und der Dichtung der Zuleitungsöffnung, so daß gleichmäßigere Dichtungen größerer Zuverlässigkeit erhalten werden.

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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht einer Bogenlampe mit keramischem Rohr,

Figur 2 eine fragmentarische Ansicht des oberen Endes des Bogenrohres im Schnitt,

Figur 3 die Einheit aus keramischem Stopfen, Zuleitung und Elektrode vor dem Einschieben in das Bogenrohrende zur Abdichtung,

Figur 4 eine andere Einheit aus Zuleitung und Elektrode und Figur 5 eine andere Form im Hinblick auf Figur 2.

In Figur 1 ist eine Hochdruck-Natriumdampflampe 1 gezeigt, welche die Erfindung in einer bevorzugten Form verkörpert und einer iJOO-Watt-Lampe entspricht. Diese Lampe umfaßt einen äußeren Glaskolben 2 mit einem Standard-Goliath-Schraubsockel 3 an einem Ende und einen umgestülpten Quetschfuß 4, durch welchen sich in konventioneller Art ein Paar relativ schwerer Zuleitungen 5 und 6 erstreckt, deren äußere Enden mit der Schraubhülle 7 und der Anschlußöse 8 des Sockels verbunden sind.

Das Bogenrohr 9, das zentral innerhalb des äußeren Kolbens angeordnet ist, umfaßt ein Stück aus einem Rohr aus kristallinem Aluminiumoxid, dessen unteres Ende durch eine Metallkappe 10, geeigneterweise aus Niob, welches dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Aluminiumoxidkeramik angepaßt ist, verschlossen ist. Ein Metallrohr⁴ 11, das auch aus Niob bestehen kann, verläuft durch die Kappe und ist in dieser hermetisch abgedichtet und dient während der Herstellung der Lampe als Auslaß- und Füllrohr. Das Auslaßrohr wird danach an seinem äußeren Ende abgedichtet und dient dann als Reservoir, in dem sich während des Betriebes der Lampe überschüssiges, verdampfbares Metall - in diesem Falle Natriumquecksilberamalgam - kondensiert. Die untere Elektrode ist innerhalb der Lampe an dem nach innen ragenden Teil des Rohres 11 befestigt. Ein kurzes Verbindungsstück 12 aus Draht ist

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sowohl an dem Rohr 11 als auch dem kurzen Stützstab 13 durch Schweißen befestigt, während der Stab 13 wiederum an der Zuleitung 5 durch Schweißen befestigt ist. Der Stützstab 13 ist mittels eines Streifens 15, der an dem Seitenstab befestigt ist und der um einen Isolator 16 gewickelt ist, der über den Stützstab 13 geschraubt ist, an einem einzelnen Seitenstab 14 festgeklemmt, der wiederum durch Schweißen an der Zuleitung 6 befestigt ist.

Das obere Ende des Bogenrohres ist mit einem perforierten Stopfen 17 aus Aluminiumoxidkeramik dicht abgeschlossen, wie am besten in Figur 2 ersichtlich. Wie dargestellt, weist der Stopfen eine zentrale öffnung auf, und ein sich durch diese öffnung erstreckender Niob-Zuleitungsdraht 18 ist mittels einer Dichtungsmasse 19 hermetisch abgedichtet. Der Stopfen wiederum ist mittels eines Ringes 20 aus Dichtungsmasse hermetisch in dem Endteil des Bogenrohres 9 abgedichtet. Die Zuleitung trägt die obere Elektrode innerhalb des Bogenrohres und der äußere Teil der Zuleitung verläuft durch eine Schlaufe 21 in dem quer verlaufenden Stützdraht .22, der an dem Seitenstab 14 befestigt ist. Diese Anordnung gestattet die thermische Ausdehnung des Bogenrohres während des Betriebes der Lampe, und ein nachgiebiges Metallband 23 stellt eine gute elektrische Verbindung sicher. Das obere Ende des Seitenstabes lh ist mit einer Federklammer 24, die in einen umgekehrten Nippel 25 im oberen Ende des äußeren Kolbens eingreift, festgeklemmt. Der äußere Kolben ist durch Pumpen und mittels Blitzgetterringen 26 evakuiert. Ein Metallbandreflektor 27 kann am oberen Ende des Bogenrohres vorteilhaft sein, um die erwünschte Temperatur aufrechtzuerhalten, insbesondere bei kleineren Lampen von z. B. 250 Watt oder weniger.

Die dargestellte Lampe soll mit dem Sockel nach unten betrieben werden und weist daher das Amalgamreservoir 11 unten auf. In einer ähnlichen Ausrührungsform, aber für den Betrieb mit dem Sockel oben, ist das Bogenrohr mit Bezug auf den äußeren Kolben umgedreht, damit das Amalgamreservoir wieder unten liegt,und die Befestigungen oder Halterungen für das Bogenrohr einschließlich der Expansionsschleife 21 sind entsprechend umgekehrt.

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Die hermetischen Dichtungen, einschließlich der beim durch den keramischen Stopfen verlaufenden Zuleitungsdraht und der zwischen Stopfen und Bogenrohr_;können aus verschiedenen Dichtungsmassen hergestellt werden, die manchmal als Dichtungsglas bezeichnet werden und die hauptsächlich Aluminiumoxid und Calciumoxid umfassen. Eine erfolgreich eingesetzte Dichtungsmasse ist mit G-54 bezeichnet und sie besteht etwa aus 54 Gew.-% Al₂O , 38,5 Gew.-% CaO und 7>5 Gew.-% MgO. Andere verwendbare Dichtungsmassen sind die in den US-PS 3 28l 309, 3 4^41 421 und 3 588 577 beschriebenen.

Die Lampe weist sich selbst aufheizende thermionische Elektroden 28 auf, die am besten in Figur 2 ersichtlich sind. Die Elektrode umfaßt zwei schraubenförmig um einen Wolframstamm 30 gewickelte Schichten 29 aus Wolframdraht. Die innere schraubenförmige Schicht weist im Abstand voneinander befindliche Wicklungen auf sowie in den Zwischenräumen zwischen den Wicklungen befindliches Elektronen emittierendes Material, wie Dibariumcalciumwolframat Ba_nCaWO-.

Das innere Ende der Zuleitung 18 ist unmittelbar nach dem Durch-. gang durch die Öffnung in dem Stopfen 17 scharf in eine radiale Richtung gebogen und verläuft dann in Form einer ringartigen Schlaufe 31, die in einem nach innen und unten gerichteten Stück endet, an dem der Schaft 30 der Elektrode bei 32 durch Schweißen befestigt ist.

Die Schlaufe 31 bildet eine ebene Fläche und dient als Plattform zum Abstützen des keramischen Stopfens 17 vor dem Abdichten. Die Einheit aus Zuleitung, Elektrode und keramischem Stopfen vor dem Abdichten ist am besten in Figur 3 ersichtlich, wo Stopfen und Elektrode nur gestrichelt angedeutet sind. Ein Querdraht 33 ist durch Punktschweißen unmittelbar über dem Stopfen 17 an der Zuleitung 18 befestigt und dient zum Stützen der Einheit, wenn diese in das offene Ende des Bogenrohres 9 abgesenkt ist. Das Querstück ist in einer horizontalen Ebene quer zur Zuleitung leicht um seinen Mittelpunkt gebogen, damit seine Endstücke mit der Kante des Bogenrohres in einer vertikalen, diametralen Ebene in Eingriff stehen, wodurch die Einheit vertikal in dem Rohr

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hängt. Eine abgemessene Menge der Dichtungsmasse oder Glasfritte ist auf dem keramischen Stopfen geeigneterweise als eine Aufschlämmung aufgebracht, und das Ganze wird bis zur Schmelztemperatur der Glasfritte erhitzt, so daß sich beim Abkühlen die Dichtungen bilden. Die geschmolzene Glasfritte wird durch Kapillarwirkung in den ringartigen Spalt zwischen dem Bogenrohr und dem Stopfen und zwischen dem Stopfen und der Zuleitung gezogen, wo sich die Dichtungen beim Abkühlen bilden. Dieses Verfahren begünstigt in vorteilhafter Weise ein Entgasen der Glasfritte.

Vor der Erfindung passierte es gelegentlich, daß sich die Glasfritte hauptsächlich bei der peripheren Dichtung zwischen Bogenrohr und Stopfen sammelte und die Menge an der zentralen Dichtung zwischen Zuleitung und Stopfen unzureichend war. Gelegentlich trat auch der umgekehrte Fall ein. Das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete Querstück 33 ist jedoch dicht über der Oberfläche des keramischen Stopfens 17 angeordnet und dient auf diese Weise als eine Art Docht für die geschmolzene Dichtungsfritte während des Abdichtens. Die Verteilung der Dichtungsfritte zwischen der peripheren Dichtung von Bogenrohr zu Stopfen und der zentralen Dichtung von Stopfen zu Zuleitung ist dadurch gleichmäßig. Die Oberflächenspannung der geschmolzenen Pritte führt zur Bildung eines dünnen Flüssigkeitskeiles zwischen der oberen Oberfläche der keramischen Scheibe und der Unterseite des Querstückes, wie in Figur 2 veranschaulicht. Dies gestattet ein gleichmäßiges Fließen der geschmolzenen Fritte in jeder Richtung, so daß sich gleichmäßigere Dichtungen größerer Zuverlässigkeit ergeben.

In Figur 4 ist eine Variante der Einheit aus Zuleitung und Elektrode dargestellt, bei der der innere Teil der Niob-Zuleitung 18' an einem Punkt unmittelbar nach dem Heraustreten aus der öffnung durch den keramischen Stopfen abgeschnitten ist. Ein kleines U-förmiges Verbindungsstück 34, vorzugsweise aus Niob, wird bei 35 an das distale Ende der Zuleitung geschweißt und bildet auf diese Weise einen Aufhänger. Der obere Schenkel des Verbindungsstückes 34 dient zum Abstützen des keramischen Stopfens vor und

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während des Abdichtens, und der Elektrodenschaft ist bei 36 an den unteren Schenkel geschweißt.

Das Querstück 33 kann auch ein geeignetes Mittel zum Festlegen des Reflektorbandes 27 an Ort und Stelle bilden. Wie in Figur dargestellt, hindert ein Bügel 37 das Band 27 daran, das Bogenrohr hinabzugleiten, während die Enden des Querstückes über das Band hinausreichen und es somit daran hindern, vom Bogenrohr nach oben abzugleiten.

Sowohl bei der einteiligen Zuleitungskonstruktion der Figuren und 3 als auch der zweiteiligen Zuleitungskonstruktion der Figur kann während des Widerstandsverschwexßens des Schaftes 30 der Wolframelektrode mit dem Ende der Niob-Zuleitung 18 oder dem Verbindungsstück 34 aus Niob Druck angewendet werden. Dies führt dazu, daß das harte Wolfram das relativ weiche Niob deformiert und eine große Bindefläche geschaffen wird, die die angemessene Festigkeit aufweist, um trotz Vibration und Schocks während des Betriebes die relativ massive Wolframelektrode zu halten.

Die Zuverlässigkeit von Keramik-zu-Metall-Abdichtungen wird durch eine zu hohe Temperatur oder einen zu steilen Temperaturgradienten entlang der verbundenen Oberflächen oder quer dazu nachteilig beeinflußt. In den Endstrukturen von Entladungslampen mit Keramik kolben treten sehr steile Temperaturgradienten auf. Es werden durch die hochschmelzenden Elektroden, deren Zuleitungen sich durch die Keramik-zu-Metall-Dichtungen erstrecken, Plasmatemperaturen von mehr als 3000 ⁰C erzeugt. Die Dichtungen können brechen und ihre Lebensdauer wird bei Temperaturen oberhalb von 800 ⁰C stark verkürzt. Die Elektrodenspulenstruktur enthält Elektronen emittierendes Material und sie muß bei einer Temperatur betrieben werden, die hoch genug ist, um eine langsame Freigabe solcher Elemente zu bewirken, die die Elektrode zur wirksamen Emission von Elektronen aktivieren. Diese widerstrebenden Anforderungen einer heißen Elektrode und einer sehr viel kälteren Elektrodenzuleitungsdichtung sind gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Schlaufe 31 in der Niob-Zuleitung miteinander vereinbart, die

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den thermischen Leitungspfad von dem Elektrodenschaft 30 zur Zuleitungsdichtung verlängert. Das U-förmige Verbindungsstück erfüllt die gleiche Punktion bei der Ausführungsform der Figur

Typische Temperaturen, die in einer 400-Watt-Hochdruck-Natrium dampflampe angetroffen werden, wie sie in Figur 1 dargestellt ist, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt. Die entsprechenden Temperaturpunkte sind in Figur 2 angegeben.

TABELLE ORT TEMPERATUR

A: Elektrodenschaftspitze 1600 ⁰C

B: Elektrodenspule 1300 ⁰C

C: rückwärtiges Ende des Schaftes 1100 ⁰C

D: Zuleitungsdichtung innen 800 ⁰C

E: Zuleitungsdichtung außen 750 ⁰C

F: Ringdichtung innen 750 ⁰C

G: Ringdichtung außen 730 ⁰C

Aus der obigen Tabelle läßt sich ersehen, daß der axiale Temperaturabfall entlang der Länge der Dichtung für den Zuleitungsdraht von der inneren zur äußeren.Oberfläche des keramischen Stopfens nur 50 ⁰C beträgt und der Temperaturabfall der Ringdichtung zwischen Bogenrohr und Stopfen von innen nach außen nur 20 ⁰C beträgt. Die Forderung nach einer Temperatur an der Elektrodenspule von 1300 ⁰C und einer Temperatur an der Dichtung für die Zuleitung von nicht mehr als 800 ⁰C ist auf diese Weise miteinander vereinbart und entlang der Dichtung besteht nur ein kleiner Temperaturgradient.

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Claims

Patentansprüche

Hochdruck-Dampfentladungslampe mit einem rohrförmigen lichtdurchlässigen keramischen Kolben mit Endverschlüssen und thermionischen Elektroden, die in den Enden des Rohres abgedichtet eingelassen sind, wobei das Rohr ein inertes Zündgas und einen Überschuß an verdampfbarem Metall enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß an einem Ende des Kolbens einen keramischen Stopfen mit einer durchgehenden öffnung umfaßt, durch die ein metallischer Zuleitungsdraht verläuft, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem der Keramik angepaßt ist, und der Draht abgedichtet ist und die Elektrode über eine dazwischenliegende Leiterschleife, die eine thermische Isolation zwischen der Elektrode und der Zuleitungsdichtung schafft, an der Zuleitung befestigt ist.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Teil des Zuleitungsdrahtes unmittelbar nach dem Durchgang durch die öffnung in dem Stopfen in eine radiale Richtung gebogen ist und danach in Form einer ringartigen Schleife verläuft, die in einem nach innen und unten gerichteten Teilstück endet, an dem die Elektrode befestigt ist.
3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß ein Verbindungsstück an dem distalen Ende des inneren Teiles des Zuleitungsdrahtes befestigt ist und die Elektrode an dem Verbindungsstück befestigt ist, da3 die dazwischenliegende Schleife bildet.
4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramik Aluminiumoxidkeramik ist, die Zuleitung aus Niob besteht und die Elektrode eine Wolframspule auf einem Wolframschaft umfaßt, der an dem distalen Ende der dazwischenliegenden Schlaufe befestigt ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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5· Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zuleitungsdraht unmittelbar nach seinem Austritt aus der durch den Stopfen verlaufenden "öffnung in eine radiale Richtung gebogen ist und dann weiter in Form einer ringartigen Schlaufe verläuft, die in einem nach innen und unten gebogenen Stück endet, und die Elektrode eine Wolframspule auf einem Wolframschaft umfaßt, der an das Ende der Zuleitung geschweißt ist.
6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Kolben aus Aluminiumoxid und der Zuleitungsdraht aus Niob besteht.
7. Hochdruck-Dampfentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß an einem Ende des Kolbens einen keramischen Stopfen mit einer durchgehenden öffnung umfaßt, durch die eine metallische Zuleitung abgedichtet verläuft, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metalles dem der Keramik angepaßt ist und der Stopfen mit Dichtungsfritte in dem Kolben abgedichtet ist und ein Querstück unmittelbar neben dem Stopfen an der Zuleitung befestigt ist und dieses als Docht für die geschmolzene Dichtungsfritte dient, um diese gleichmäßig zwischen der Dichtung von Stopfen zu Bogenrohr und der Dichtung von Zuleitung zu Stopfen zu verteilen.
8. Lampe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß das Querstück aus einem feinen Draht besteht, der unmittelbar oberhalb des Stopfens an die Zuleitung geschweißt ist und über die Wand des Bogenrohres hinausreicht und so als Aufhänger dient, um den Verschluß im Bogenrohrende während des Abdichtens abzustützen.
9. Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Querstück in einer Ebene quer zur Zuleitung ausreichend gebogen ist, um mit der Wand des Bogenrohrea auf einem Durchmesser in Eingriff zu treten, wodurch der Verschluß während des Abdichtens vertikal im Bogenrohr hängt

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10. Lampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein metallisches Reflektorband um ein Ende des Bogenrohres gelegt ist und daß die Enden des Querstückes über das Band hinausreichen und so verhindern, daß das Band vom Ende des Bogenrohres abgleitet.
11. Lampe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Keramik aus Aluminiumoxid und die Zuleitung aus Niob besteht.
12. Lampe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Keramik aus Aluminiumoxid und die Zuleitung aus Niob besteht.

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