DE2935577A1

DE2935577A1 - Bogenentladungsgeraet, insbesondere leuchtstofflampe

Info

Publication number: DE2935577A1
Application number: DE19792935577
Authority: DE
Inventors: Stephen G Johnson; Dale E Work
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: GTE Sylvania Inc
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-09-03
Publication date: 1980-03-13
Also published as: JPS637426B2; BE878578A; NL187459C; DE2935577C2; GB2031646B; GB2031646A; CA1136688A; FR2435811B1; FR2435811A1; US4379252A; JPS5541693A; NL187459B; NL7906609A

Description

DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstroße 12 · D-8000 München 60 · Telefon 832024/5 Telex 5212744 · Telegramme Inferpatent

S6 P174 D

GTE SYLVANIA INC.
Wilmington, Delaware, USA

Bogenentladungsgerät, insbesondere Leuchtstofflampe

Priorität: 5. September 1978 - USA - Ser. No. 939 558 Zusammenfassung

In einer quecksilberhaltigen Bogenentladungseinrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie in Resonanzstrahlung wird die Isotopenverteilung des Quecksilbers im Gerät gegenüber der des natürlichen Quecksilbers geändert, um die Einfangzeit der Resonanzstrahlung zu reduzieren und damit den Umwandlungswirkungsgrad der elektrischen Energie in Resonanzstrahlung zu erhöhen.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine quecksilberhaltige Bodenentladungseinrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie in Resonanzstrahlung. Sie betrifft besonders die Verbesserung des Wirkungsgrades dieser Umwandlung. Ein Beispiel für eine solche Einrichtung

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ist eine Leuchtstofflampe. Eine solche Lampe besteht aus einem rohrförmigen Glaskolben mit Elektroden an den Enden, die eine Füllung aus Quecksilber und einem inerten Gas enthält und auf der inneren Kolbenwandung eine Leuchtstoffschicht trägt. Bei Leuchtstofflampen wird elektrische Energie in die kinetische Energie freier Elektronen umgewandelt, die ihrerseits in die innere Energie von Atomen und Molekülen umgewandelt wird, die wiederum ihrerseits in Strahlungsenergie umgewandelt wird, und hauptsächlich in die Resonanzstrahlung im Bereich von 254 Manometer des elektromagnetischen Spektrums, und diese wird wiederum vom Leuchtstoff in Lichtenergie umgewandelt. Es ^:sind große Anstrengungen unternommen worden, die Lichtausbeute solcher Lampen dadurch zu verbessern, daß die Leuchtstoffmischung verbessert wurde, der Füllgasdruck und die Röhrengeometrie. Diese Bemühungen waren hauptsächlich darauf gerichtet, die zahlenmäßige Dichte von Quecksilberatomen im Aggregat zu optimieren und den Photonenumwandlungswirkungsgrad der Leuchtstoffmaterialien zu optimieren.

Wenn ein Quant Resonanzstrahlungsenergie als die Energie eines einzelnen Quecksilberatoms definiert wird, das in seinem Zustand Pj angeregt ist, so kann bei seinem Entweichen aus der Entladungsröhre dieses Quant entweder als angeregtes Atom existieren oder als von einem angeregten Atom emittiertes Photon. Da im Plasma Quecksilberatome in ihrem niedrigsten Energiezustand (Grundzustand) enthalten sind, die solche Photonen absorbieren können, werden diese zu angeregten Atomen, die anschließend ein Photon im wesentlichen der gleichen Energie,wie sie absorbiert haben,reemittieren können, so daß ein Quant Resonanzstrahlungsenergie (das durch Elektronenstoßanregung eines Quecksilberatoms erzeugt ist) aus dem Entladungsrohr durch eine Reihe von schrittweisen Emissionen und Absorptionen entweicht, wobei es abwechselnd seine Form von einem angeregten Atom zu einem Photon und umgekehrt ändert, ehe es schließlich als Photon aus dem Entladungsrohr entweicht.

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Jedes Mal, wenn das Quant absorbiert wird und zu einem angeregten Atom wird, muß eine Zeitspanne gleich der natürlichen Lebensdauer des angeregten Atoms (etwa 1,17 χ 10 Sek.) im Mittel vergehen, ehe es wieder emittiert werden kann. Der mehrfache Prozess von Emission, Absorption und Reemission, der als Einfangen der Resonanzstrahlung bezeichnet wird, erhöht beträchtlich die Zeitspanne, die ein Quant als angeregtes Atom verbringt, ehe es aus der Röhre entweichen kann, und zwar auf das Vielfache der einzelnen natürlichen Lebensdauer, in der es als angeregtes Atom residieren würde, wenn das Photon ohne Reabsorption entweichen würde.

Während das Quant als angeregtes Atom residiert, besteht eine endliche Wahrscheinlichkeit dafür, daß irgendein strahlungsloser Prozess stattfindet, in dem diese Energie verbraucht wird. Je länger die Gefangenzeit ist, d.h. die Zeit, die das Quant zum Entweichen benötigt, umso größer ist die Gesamtwahrscheinlichkeit eines solchen strahlungslosen Verlustes und damit einer Verringerung des Wirkungsgrades. Das Problem der Einfangzeit und des Quantenentweichens ist theoretisch betrachtet worden, vergl. beispielsweise "Imprisonment of Resonance Radiation in Gases II" von T. Holstein (Physical Review, Band 83, Nr. 6, 15. Sept. 1951) und "Electric Discharge Lampe" von John F. Waymouth, The M.I.T. Press (1971), Cambridge, Mass. und London, England, S. 122-126. Die Lampenoptimierung hinsichtlich beispielsweise Kolberidurchmesser, Füll druck oder Betriebstemperatur beruhte auf den bekannten Behandlungen des Problems des Strahlungsübergangs. Ein gemeinsames Merkmal aller dieser Behandlungen des Standes der Technik bestand darin, daß die Einfangzeit im Mittel wächst, wenn die Konzentration der gesamten Quecksilberatome in der Dampfphase wächst, und diese Tatsache ist verantwortlich für den sich verringernden Wirkungsgrad solcher Lampen bei Quecksilberdrucken größer als 6 χ 10 Torr, entsprechend dem Druck des gesättigten Dampfes über flüssigem Quecksilber bei 40° C, was etwa der Druck in Leuchtstofflampen ist.

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-I^s-

Wie bereits erwähnt, arbeitet die Leuchtstofflampe in der Weise, daß Resonanzstrahlung von einem Plasma dazu verwendet wird, einen Leuchtstoff anzuregen, der sichtbares Licht emittiert. Frühere Verbesserungen im Betriebsverhalten der Entladung sind dadurch erreicht worden, daß die Lampenstruktur geändert wurde, die Füllgaszusammensetzung und dessen Druck sowie der Quecksilberdruck. Es wurde nun festgestellt, daß der Wirkungsgrad von Leuchtstofflampen, und von irgendwelchen anderen quecksilberhaltigen Bogenentladungseinrichtungen zur Umwandlung von elektrischer Energie in Resonanzstrahlung, dadurch verbessert werden kann, daß der Gehalt an Quecksilber in der Einrichtung geändert wird. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Einfangzeit der Quecksilber-Resonanzstrahlung nicht nur von der zahlenmäßigen Dichte der Quecksilberatome im Aggregat abhängt, sondern auch von der zahlenmäßigen Dichte der verschiedenen Quecksilberisotope. Wenn beispielsweise die Emissionen der einzelnen Isotope im Bereich von 254 nm die gleiche Spektral form haben, aber in getrennten, einander nicht überlappenden Wellenlängenbereichen liegen, und wenn jedes der Isotope die gleiche Wahrscheinlichkeit hat, angeregt zu werden, und anschließend die 254 nm-Strahlung zu emittieren, dann könnte jedes Isotop nur Strahlung absorbieren, die von einem Isotop identischer Massenzahl emittiert wird, und es ist die minimale Einfangung und ein Maximum an 254 nm-Strahlung zu erwarten, wenn alle Isotope in gleichen Mengen vorhanden sind. Eine solche Isotopenverteilung steht in scharfem Kontrast zu der von natürlich vorkommendem Quecksilber, die folgendes Aussehen hat:

Isotop (Massenzahl)	Natürliches
196	0,146
198	10,0
199	16,8
200	23,1
201	13,2
- 202	29,8
204	6,85

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Tatsächlich überlappen sich die Spektralemiss ionen im Bereich von 254 nm von einigen Isotopen, dazu gehört aber nicht die Emission des Isotops Hg . Es wurde festgestellt, daß die Einfangzeit der Quecksilber-Resonanzstrahlung von 254 nm herabgesetzt und der Ausgang an dieser Resonanzstrahlung im Bereich von 254 nm erhöht werden kann, und zwar an einem Gerät, das relativ mehr Isotop Hg aufweist,als in natürlich vorkommendem Quecksilber zu finden ist.

Die Zeichnung zeigt ein quecksilberhaltiges Bogenentladungsgerät, das so hergestellt ist, daß es eine Messung der Resonanzstrahlung bei 254 nm erlaubt. Die Einrichtung besteht aus einem dichten Kolben von 4 Fuß (1,2 m) mit Elektroden 2 an jedem Ende. Der Kolben 1 enthält Quecksilber und ein inertes Gas, wie Argon. Ein kurzes Zwischenstück 3 des Kolbens 1 besteht aus geschmolzenem Siliciumoxyd statt des üblichen Weichglases, aus dem der Rest des Kolbens 1 besteht, um die Strahlung bei 254 nm durchzulassen, da Weichglas für diese Strahlung undurchlässig ist.

Drei solche Geräte wurden hergestellt und etwa 5 mg Quecksilber jedem Gerät hinzugefügt. Im ersten Gerät, das als Kontrolle verwendet wurde, war das Quecksilber natürlich vorkommendes Quecksilber mit der oben erwähnten Isotopenverteilung. Beim zweiten und dritten Gerät wurde

196 —
die Menge am Isotop Hg in den 5 mg Quecksilber wie folgt erhöht.

Angereichertes Hg wurde von Oak Ridge National Labs., Oak Ridge, Tennessee, in Form von Quecksilberoxyd erhalten, dessen Quecksilbergehalt 33,97 % Hg enthielt. Die Isotopenverteilung des Quecksilbergehaltes war wie folgt: Hg¹⁹⁶ - 33,97 %; Hg¹⁹⁸ - 17,59 %;

Hg¹⁹⁹ - 16,02 %; Hg²⁰⁰ - 14,72 JS; Hg²⁰¹ - 5,93 %; Hg²⁰² - 10,19 %\

204
Hg - 1,58 %. Das Quecksilberoxyd wurde thermisch zersetzt, um elementares Quecksilber zu erhalten, von dem 2,25 mg dem zweiten Gerät und von dem 0,55 mg dem dritten Gerät hinzugefügt wurden. In jedem Gerät wurde ausreichend natürlich vorkommendes Quecksilber hinzugefügt, um die gesamte Quecksilberladung auf etwa 5 mg zu bringen. Die individuellen Quecksilberzusammensetzungen waren wie folgt: /fi

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Isotop	Kontrolle	Nr. 2	Nr. 3
196	0,146 %	15,3 %	3,75 %
198	10,0	13,4	10,8
199	16,8	16,5	16,75
200	23,1	19,35	22,2
201	13,2	9,95	12,4
202	29,8	21,0	27,7
204	6,85	4,5	6,3

Die Geräte wurden bei 430 mA konstantem Strom betrieben und die relativen Ausgänge an Strahlung 254 nm wurden unter Verwendung eines Monochromators und einer Photovervielfacherröhre in bekannter Weise gemessen. Die Ausgänge der Geräte 2 und 3 waren 4,2 % bzw. 4,8 % größer als die der Kontrolle. Das ist ein beträchtlicher Gewinn. In einer Leuchtstofflampe von 4 Fuß (1,2 m) stellt das eine Verbesserung um mehr als 100 Lumen dar. Bei einer konstanten Leistung von 40 W ergab Gerät Nr. 3 eine Ausgangssteigerung von 3,6 % gegenüber der Kontrolle,

Ersichtlich ist eine erhebliche Steigerung des Wirkungsgrades der Erzeugung der Resonanzstrahlung von 254 nm erreicht worden, und überraschenderweise ist diese Steigerung des Wirkungsgrades bei Anreicherungen am Isotop Hg eingetreten, die deutlich unter dem Wert für Gleichverteilung liegt. Da die wirtschaftliche Durchführbarkeit der Erfindung schließlich von den Kosten abhängt, die zur Anreicherung des natürlichen Quecksilbers mit dem Isotop Hg erforderlich sind, und diese Kosten stark von dem erforderlichen Anreicherungsniveau abhängen, ist klar, daß dies eine sehr wichtige Feststellung ist. Auf der Basis der Resultate mit den Geräten 2 und 3 wird erwartet, daß eine Anreicherung an Isotop Hg um nur 1 % einen wirtschaftlich bedeutsamen Anstieg des Wirkungsgrades ergeben würde.

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Isotopeneffekte auf die Einfangzeit von Resonanzstrahlung 254 nm in Quecksilberdampf werden betrachtet in "Isotope Effect in the Imprisonment of Resonance Radiation" von T. Holstein, D. Al pert und A.O. McCoubrey (Physical Review, Band 85, Nr. 4, 15. März 1952), Die Autoren untersuchten die Einfangzeit einer QuecksiIberdampf-

IQO

mischung, die hauptsächlich aus dem Einzel isotop Hg bestand,

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mit kleinen Verunreinigungen an Hg und Hg . Es wurde festgestellt, daß eine 6fach längere Einfangzeit bei Dampfdrucken in der Nachbarschaft von 6 χ 10" Torr auftrat als in natürlichem Quecksilber. In keinem Falle beobachteten sie eine Einfangzeit, die kurzer war als die von natürlichem Quecksilber.

Wenn auch die Verbesserung des Umwandlungswirkungsgrades von elektrischer Energie in Quecksilber-Resonanzstrahlung hauptsächlich für die Strahlung bei 254 nm demonstriert worden ist, so ist sie in gleicher Weise bei der Quecksilber-Resonanzstrahlung bei anderen Frequenzen anwendbar, beispielsweise 185 nm. Die Strahlung 254 nm ist vor allem in Leuchtstofflampen von Bedeutung, während die Strahlung 185 nm in Ozonerzeugungsgeräten bedeutsam ist, sowie in einigen Typen von Leuchtstofflampen.

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Claims

S6 P174 D Patentansprüche

1. Quecksilberhaltiges Bogenentladungsgerät zur Umwandlung von elektrischer Energie in Resonanzstrahlung, insbesondere Leuchtstofflampe mit einem Kolben mit einer Elektrode an jedem Ende, einer Leuchtstoffschicht auf dem Kolben und einer Füllung, die Quecksilber und ein Inertgas enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenverteilung des Quecksilbers von der des natürlichen Quecksilbers abweicht, um die Einfangzeit der Resonanzstrahlung herabzusetzen und damit den Umwandlungswirkungsgrad der elektrischen Energie in Resonanzstrahlung zu erhöhen.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Quecksilber einen höheren Anteil an Isotop Hg enthält als natürlich vorkommendes Quecksilber.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Quecksilbers an Isotop Hg größer ist als 0,146 %.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Quecksilbers an Isotop Hg wenigstens etwa 1 % beträgt.

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