DE2935577C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Quecksilberdampfentladungslampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Umwandlung von elektrischer Energie in Resonanzstrahlung. Sie betrifft besonders die Verbesserung des Wirkungsgrades dieser Umwandlung. Ein Beispiel für eine solche Einrichtung 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, hauptsächlich in die Resonanzstrahlung im Bereich von 254 Nanometer 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, der Füllgasdruck und die Röhrengeometrie verbessert wurden. 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 ³P₁ 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.

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 × 10^-7 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. 83, Nr. 6, 15. Sept. 1951) und "Electric Discharge Lamps" von John F. Waymouth, The M. I. T. Press (1971), Cambridge, Mass. und London, England, S. 122-126. Die Lampenoptimierung hinsichtlich beispielsweise Kolbendurchmesser, Fülldruck 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 0,8 Pa, entsprechend dem Druck des gesättigten Dampfes über flüssigem Quecksilber bei 40°C, was etwa der Druck in Leuchtstofflampen ist.

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. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Umwandlungswirkungsgrad der elektrischen Energie in Resonanzstrahlung einer Quecksilberdampfentladungslampe zu erhöhen. Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es wurde nun festgestellt, daß der Wirkungsgrad von Leuchtstofflampen, und von irgendwelchen anderen Quecksilberdampfentladungslampen zur Umwandlung von elektrischer Energie in Resonanzstrahlung, dadurch verbessert werden kann, daß der Gehalt an Quecksilber in der Lampe 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 Spektralform 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 Vorkommen

196 0,146% 19810,0% 19916,8% 20023,1% 20113,2% 20229,8% 204 6,85%

Tatsächlich überlappen sich die Spektralemissionen im Bereich von 254 nm von einigen Isotopen, dazu gehört aber nicht die Emission des Isotops Hg¹⁹⁶.

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 einer Lampe, die relativ mehr Isotop Hg¹⁹⁶ aufweist, als in natürlich vorkommendem Quecksilber zu finden ist.

Die Zeichnung zeigt eine Leuchtstofflampe, die so hergestellt ist, daß sie eine Messung der Resonanzstrahlung bei 254 nm erlaubt. Die Einrichtung besteht aus einem dichten Kolben 1 von 1,2 m Länge 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 Lampen wurden hergestellt und etwa 5 mg Quecksilber jeder Lampe hinzugefügt. In der ersten Lampe, die als Kontrolle verwendet wurde, war das Quecksilber natürlich vorkommendes Quecksilber mit der oben erwähnten Isotopenverteilung. Bei der zweiten und dritten Lampe wurde die Menge am Isotop Hg¹⁹⁶ in den 5 mg Quecksilber wie folgt erhöht. Angereichertes Hg¹⁹⁶ wurde in Form von Quecksilberoxyd erhalten, dessen Quecksilbergehalt 33,97% Hg¹⁹⁶ enthielt. Die Isotopenverteilung des Quecksilbergehaltes war wie folgt: Hg¹⁹⁶-33,97%; Hg¹⁹⁸-17,59%; Hg¹⁹⁹-16,02%; Hg²⁰⁰-14,72%; Hg²⁰¹-5,93%; Hg²⁰²-10,19%; Hg²⁰⁴-1,58%. Das Quecksilberoxyd wurde thermisch zersetzt, um elementares Quecksilber zu erhalten, von dem 2,25 mg der zweiten Lampe und von dem 0,55 mg der dritten Lampe hinzugefügt wurden. In jeder Lampe wurde ausreichend natürlich vorkommendes Quecksilber hinzugefügt, um die gesamte Quecksilberfüllung auf etwa 5 mg zu bringen. Die individuellen Quecksilberzusammensetzungen waren wie folgt:

Die Lampen 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 Lichtausbeute der Lampen 2 und 3 waren 4,2% bzw. 4,8% größer als die der Kontrolle. Das ist ein beträchtlicher Gewinn. In einer Leuchtstofflampe von 1,2 m Länge stellt das eine Verbesserung um mehr als 100 Lumen dar. Bei einer konstanten Leistung von 40 W ergab Lampe Nr. 3 eine Ausbeutesteigerung 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 Hg¹⁹⁶ 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 Hg¹⁹⁶ 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 Lampen 2 und 3 wird erwartet, daß eine Anreicherung an Isotop Hg¹⁹⁶ um nur 1% einen wirtschaftlich bedeutsamen Anstieg des Wirkungsgrades ergeben würde.

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. Alpert und A. O. McCoubrey (Physical Review, Band 85, Nr. 6, 15. März 1952). Die Autoren untersuchten die Einfangzeit einer Quecksilberdampfmischung, die hauptsächlich aus dem Einzelisotop Hg¹⁹⁸ bestand, mit kleinen Verunreinigungen an Hg¹⁹⁹ und Hg²⁰⁰. Es wurde festgestellt, daß eine 6fach längere Einfangzeit bei Dampfdrucken um 0,8 Pa auftrat als in natürlichem Quecksilber. In keinem Falle beobachteten sie eine Einfangzeit, die kürzer 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 Wellenlängen anwendbar, beispielsweise 185 nm. Die Strahlung 254 nm ist vor allem in Leuchtstofflampen von Bedeutung, während die Strahlung 185 nm in Ozonerzeugungslampen bedeutsam ist, sowie in einigen Sondertypen von Leuchtstofflampen.

Claims (3)

1. Quecksilberdampfentladungslampe, insbesondere Leuchtstofflampe, mit einem Kolben mit einer Elektrode an jedem Ende, einer Leuchtstoffschicht auf der Kolbeninnenseite und einer Füllung, die Quecksilber und ein Inertgas enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenverteilung des Quecksilbers von der des natürlichen Quecksilbers abweicht.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Quecksilbers an Isotop Hg¹⁹⁶ größer ist als 0,146%.

3. Lampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Quecksilbers an Isotop Hg¹⁹⁶ wenigstens etwa 1% beträgt.