DE3632430A1 - Magnesiumdampf-entladungslampe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Magnesiumdampf-Entladungslampen, die als Strahlenquellen für ultraviolette Strahlen für photochemische Reaktionen nützlich sind.

Um photochemische Reaktionen zu induzieren, werden Entladungslampen verwendet, die eine wirksame Abstahlung von ultravioletten Strahlen mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 250 bis 400 nm gestatten. Als derartige Entladungslampen werden in herkömmlicher Weise Hochdruck-Quecksilberdampflampen und Superhochdruck-Quecksilberdampflampen verwendet, bei denen jeweils eine Entladung zwischen ihren zugehörigen Elektroden erzeugt wird. In jüngerer Zeit sind außerdem elektrodenlose Hochdruck-Quecksilberdampflampen bekannt geworden, in denen jeweils Quecksilber und ein Edelgas abgedichtet in Mengen enthalten sind, die ausreichen, um eine Entladung innerhalb einer elektrodenlosen, lichtemittierenden Röhre aufrechtzuerhalten, wobei die Röhre mit elektromagnetischen Wellen, wie z. B. Hochfrequenzwellen von einigen 10 MHz oder mehr, oder mit Mikrowellen von außen bestrahlt wird, um die im Inneren der Röhre eingeschlossene Mischung anzuregen und eine leuchtende Entladung herbeizuführen.

Jede dieser Hochdruck-Quecksilberdampflampen, entweder mit Elektroden versehen oder ohne Elektroden, emittiert Licht in einem Linienspektrum, das eine Anzahl von Spitzenwerten aufweist und das sich über eine beträchtliche Breite des Wellenlängenbereichs erstreckt. Es ist daher ineffektiv, derartige Hochdruck-Quecksilberdampflampen für photochemische Reaktionen zu verwenden, die die Anwendung des oben erwähnten Längenwellenbereiches als wirksamen Wellenlängenbereich erfordern. Entsprechend werden häufig Metalldampf-Entladungslampen verwendet, in denen jeweils ein Metallhalogenid abgedichtet als lichtemittierende Substanz innerhalb der lichtemittierenden Röhre eingeschlossen ist, um die Lichtmenge eines spezifischen, wirksamen Wellenlängenbereiches zu erhöhen. Magnesiumdampf-Entladungslampen, in denen Magnesium abgedichtet eingeschlossen ist, können zusätzlich außer dem Quecksilberspektrum besonders lichtstarke Linien der Wellenlänge 279 nm, 285 nm, 309 nm, 383 nm und 384 nm aussenden. Es wird somit von ihnen erwartet, daß sie die Effizienz bei der Verbesserung bestimmter chemischer Reaktionen verbessern.

Die infolge des Einschlusses von Magnesium neu erhaltenen, vorstehend aufgeführten lichtstarken Linien sind jedoch in ihrer Ausgangsleistung klein im Vergleich zur Ausgangsleistung der lichtstarken Linien des Quecksilberspektrums. Unter diesen Umständen ist die Intensität der UV-Strahlen mit einer Wellenlänge in einem Bereich, der für photochemische Reaktionen wirksam ist, und die durch Magnesiumdampf-Entladungslampen erhalten werden, nicht wesentlich von derjenigen verschieden, die durch Hochdruck-Quecksilberdampf-Ent- entladungslampen erhalten wird.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Magnesiumdampf-Entladungslampe zu schaffen, die in der Lage ist, von eingeschlossenem Magnesium ein Spektrum zufriedenstellender Intensität abzustrahlen und einen großen Anteil ultravioletter Strahlen mit einer Wellenlänge zu emittieren, die in einem Bereich liegt, der für photochemische Reaktionen wirksam ist.

Im Hinblick auf die Erreichung dieses Zieles der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, daß eine Zugabe von Eisen zu einer Metalldampf-Entladungslampe, die Magnesium als lichtemittierende Substanz enthält, zur Erhöhung der Intensität der Emission des Magnesiumspektrums wirksam ist. Eine Vielzahl von Versuchen ist auf der Grundlage dieser Erkenntnis durchgeführt worden, die zu einer Vervollständigung der vorliegenden Erfindung geführt haben.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird durch diese eine Magnesiumdampf-Entladungslampe angegeben, die eine lichtemittierende Röhre aufweist, in der sich Magnesium und ein Halogen als lichtemittierende Substanzen abgedichtet zusammen mit Quecksilber und einem Edelgas in Anteilen befinden, die ausreichen, um eine Entladung aufrechtzuerhalten. In der lichtemittierenden Röhre ist zusätzlich auch Eisen mit eingeschlossen.

Der Begriff "Röhre" im Sinne dieser Anmeldung ist weit zu fassen und nur durch das Ziel der vorliegenden Erfindung begrenzt. Der Begriff "Röhre" kann daher z. B. Röhren, Kolben u. dgl. umfassen.

Da in der vorliegenden Erfindung Eisen zu der Metalldampf- Entladungslampe, die als lichtemittierende Substanz Magnesium enthält, hinzugefügt ist, kann die Abgabe jedes Emissionsspektrums von Magnesium bedeutend erhöht werden. Daher ist eine solche Entladungslampe geeignet als UV-Strahlenquelle für chemische Reaktionen verwendet zu werden, für die eine Wellenlänge von 250 bis 400 nm wirksam und erforderlich ist. Es ergibt sich außerdem der Vorteil, daß es auch möglich ist, das Emissionsniveau und die Form jedes Spektrums durch Wahl der jeweils zugesetzten Eisenmenge zu ändern, und zwar vorzugsweise im Bereich von 350 bis 400 nm. Dadurch ist es möglich, die Strahlenquelle an die Merkmale einer bestimmten photochemischen Reaktion, für die die Magnesiumdampf- Entladungslampe nch dieser Erfindung verwendet wird, anzupassen.

Das obige und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden weiter anhand der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Form von Ausführungsbeispielen, sowie der zugehörigen Ansprüche in Verbindung mit den beigefügte, auf die Ausführungsbeispiele bezogenen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Magnesiumdampf-Entladungslampe vom Elektroden-Typ nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 und 3 Emissionsspektren der Entladungslampe nach Fig. 1 mit unterschiedlichen Eisenmengen als Parameter,

Fig. 4 ein Emissionsspektrum einer Magnesiumdampf-Entladungslampe des Elektroden-Typs zum Vergleich, dem eine Entladungslampe nach Fig. 1 zugrundeliegt, wobei jedoch kein Eisen in die Entladungslampe eingeschlossen ist,

Fig. 5 ein schematischer Querschnitt einer Lichtquelleneinheit für photochemische Reaktionen, in dem eine elektrodenlose Magnesiumdampf-Entladungslampe nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist,

Fig. 6 und 7 Emissionspektren der Entladungslampe nach Fig. 5, wobei Eisen jeweils in unterschiedlicher Menge eingesetzt war, und

Fig. 8 ein Emissionsspektrum einer Magnesiumdampf-Entladungslampe ohne Elektroden zu Vergleich, die mit Ausnahme des Fehlens von Eisen in der Entladungslampe völlig derjenigen in Fig. 5 entspricht.

Die Ausgangsleistung des Emissionsspektrums einer Magnesiumdampf- Entladungslampe steigt durch Zusatz von Eisen signifikant an und überdies ist es lediglich notwendig, Eisen in extrem kleiner Menge zusätzlich in der Entladungslampe mit einzuschließen. Es wurde festgestellt, daß eine Zugabe in einer Menge von 1 × 10^-8 Mol pro cm³ Rauminhalt der lichtemittierenden Röhre ausreichend große Wirkungen enthalten kann. Selbst wenn Eisen in größerer Menge beigegeben wird, sind keine wesentlichen nachteiligen Wirkungen auf das Emissionsspektrum des Magnesiums beobachtet worden, im Gegenteil, die Abgabe eines kontinuierlichen Spektrums in dem Wellenlängenbereich von 350 bis 400 nm steigt infolge der Emission zusätzlichen Lichtes durch ein Eisenhalogenid.

Es ist somit notwendig, mehr Eisen vorzusehen, wenn eine photochemische Reaktion einen Wellenlängenbereich von 350 bis 400 nm erfordert. Wenn ein kontinuierliches Spektrum entweder unnötig oder ungeeignet ist, wird empfohlen, weniger Eisen beizumengen, um somit lediglich das Emissionsspektrum des Magnesiums zu erhöhen. Wenn eine photochemische Reaktion einen kleinen Wellenlängenbereich von 270 bis 300 nm erfordert, kann andererseits Eisen in jeder gewünschten Menge zugesetzt werden, da das kontinuierliche Spektrum des Eisens in diesem Bereich äußerst schwach ist. Für solche photochemische Reaktionen können die Ausgangsleistung des Quecksilberspektrums und die Emissionen der Spitzen bei 279 nm und 285 nm des gesteigerten Magnesiumspektrums verwendet werden. Insbesondere kann Eisen in jeder gewünschten Menge beigegeben werden, je nach der Art der photochemischen Reaktion, für die die Magnesiumdampf-Entladungslampe nach der Erfindung angewandt wird.

Nachfolgend wird insbesondere auf die in den Zeichnungen dargelegten Ausführungsbeispiele Bezug genommen. In Fig. 1 ist eine Magnesiumdampf-Entladungslampe mit einer Nenn- Leistungsaufnahme von 4 kW gezeigt. Sie ist als Lichtquelle für photochemische Reaktionen verwendbar. Ein Paar Elektroden 2 ist in gegenüberliegender Anordnung innerhalb der lichtemittierenden Röhre 1 angeordnet, die ein zugeschmolzenes Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 22 nm und einem Innenvolumen von 100 cm³ bildet. Der Elektrodenabstand beträgt 250 mm. Abgedichtete Grundkörper 11 sind an beiden Enden der lichtemittierenden Röhre 1 vorgesehen. Innerhalb jedes der abgedichteten Grundkörper 11 ist eine Molybdänfolie 3 eingeschlossen, über die eine äußere Zuleitung 4 elektrisch mit der zugehörigen Elektrode 2 verbunden ist. Innerhalb der lichtemittierenden Röhre 1 sind abgedichtet eingeschlossen 170 mg Quecksilber, 1 × 10^-5 Mol Magnesiumjodid und Argongas mit einem Druck von 15 mmHg. In einem ersten Beispiel sind zusätzlich 1 × 10^-6 Mol Eisenjodid mit eingeschlossen. Es wurde außerdem eine weitere Magnesiumdampf- Entladungslampe als zweites Beispiel hergestellt, wobei die Menge des mit eingeschlossenen Eisenjodids auf 30 × 10^-6 Mol geändert wurde. Zu Vergleichszwecken wurde außerdem eine Magnesiumdampf-Entladungslampe hergestellt, die kein Eisenjodid enthielt. Somit wurden insgesamt drei Entladungslampen verschiedener Art hergestellt. Sie wurden mit einer elektrischen Eingangsleistung von 4 kW betrieben und die Verteilung ihres jeweiligen Emissionsspektrums wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 2 bis 4 dargestellt, die in dieser Folge dem ersten Beispiel, dem zweiten Beispiel und dem Vergleichsbeispiel entsprechen.

Von diesen Darstellungen wird deutlich, daß die Spitzenwerte des Emissionsspektrums des Magnesiums jeweils signifikant und bedeutend im ersten Beispiel im Vergleich zu dem Beispiel, bei dem kein Eisen eingesetzt wurde, erhöht waren, wobei bei diesem ersten Beispiel 1 × 10^-6 Mol Eisenjodid hinzugegeben wurden. Dies zeigt die Signifikanz und Bedeutung des Zusatzes von Eisen. Beim zweiten Beispiel, bei dem die Menge des zugefügten Eisenjodids auf 30 × 10^-6 Mol angehoben wurde, zeigte das Emissionsspektrum des Magnesiums die Neigung im Vergleich zum ersten Beispiel, bei dem Eisenjodid in kleinerer Menge zugefügt wurde, abzunehmen, zeigt jedoch signifikant erhöhte Abgabewerte im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel, bei dem überhaupt kein Eisenjodid beigefügt wurde. Außerdem kann in diesem Fall ein Emissionsspektrum des Eisens als kontinuierliches Spektrum über eine Wellenlänge im Bereich von 350 bis 400 nm beobachtet werden.

Es hat sich somit bestätigt, daß die Intensität des Emissionsspektrums des Magnesiums beträchtlich durch die Zugabe von einer kleinen Menge Eisen erhöht werden kann und ein kontinuierliches Emissionsspektrum des Eisens erscheint, wenn die Menge des verwendeten Eisen weiter erhöht wird. Es ist daher möglich, eine Magnesiumdampf-Entladungslampe, d. h. ein UV-Strahlen-Entladungslampe zu schaffen, die für jede photochemische Reaktion am geeignetsten ist, indem die jeweils eingesetzte Eisenmenge in Abhängigkeit von dem spezifischen Wellenlängenbereich, den die photochemische Reaktion erfordert, und in Abhängigkeit davon, ob die photochemische Reaktion lichtstarke Linien im Emissionsspektrum oder ein kontinuierliches Spektrum erfordert, gewählt werden.

Außerdem erweist sich die Beigabe von Eisen als neutral und nicht von irgendwelchem wesentlichen Einfluß auf die elektrischen Eigenschaften der Lampe, wie z. B. auf die Startspannung und die Wiederzündespannung.

Bezug nehmend nunmehr auf Fig. 5 ist in dieser eine Lichtquelleneinheit mit einem Magnetron 22 gezeigt, das eine Nennausgangsleistung von 1,5 kW hat. Das Magnetron 22 erzeugt Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 2450 MHz. Diese Mikrowellen werden durch einen Wellenleitkörper 23 zu einem Reflektor 24 geleitet. Innerhalb des Reflektors 24 ist eine elektrodenlose Magnesiumdampf-Entladungslampe, d. h. eine ultraviolette Strahlen emittierende Entladungslampe angeordnet, die aus einem kugelförmigen, lichtemittierenden Kolben 21 aus Quarzglas besteht. Der lichtemittierende Quarzglaskolben 21 wird mit den Mikrowellen bestrahlt. Die Frequenz der Mikrowellen ist nicht auf die oben erwähnte Frequenz beschränkt. Irgendwelche hochfrequenten elektromagnetischen Wellen von einigen 10 MHz und mehr können hier erfolgreich angewandt werden.

Der Innendurchmesser des lichtemittierenden Kolbens 21 beträgt 22 mm und das Innenvolumen beträgt ungefähr 5,6 cm³. Innerhalb des lichtemittierenden Kolbens 21 sind abgedichtet 6 mg metallischen Quecksilbers, 1,6 × 10^-6 Mol Quecksilberjodid und Argon von 10 mmHg eingeschlossen. Zusätzlich ist außerdem Eisenjodid in dem Kolben 21 eingeschlossen. Es wurden drei elektrodenlose Entladungslampen verschiedener Art hergestellt, das erste Beispiel enthielt 1,6 × 10^-7 Mol Eisenjodid, das zweite Beispiel enthielt 4,8 × 10^-6 Mol Eisenjodid und ein Vergleichsbeispiel enthielt überhaupt kein Eisenjodid. Unter der Bestrahlung des lichtemittierenden Kolbens 21 mit Mikrowellen wurde die in dem Kolben 21 abgedichtete Mischung angeregt, eine Entladung zu produzieren, wodurch diese Mischung anfing zu leuchten. Die Verteilung der Emissionsspektren der drei Beispiele elektrodenloser Entladungslampen wurden gemessen. Die Ergebnisse sind jeweils in den Fig. 6 bis 8 gezeigt, die entsprechend und in dieser Folge dem ersten und zweiten Beispiel sowie dem Vergleichsbeispiel entsprechen.

Wie diese Figuren zeigen, wurden die Spitzenwerte des Emissionsspektrums des Magnesiums signifikant und bedeutend im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel, bei dem kein Eisen beigefügt wurde, erhöht, und zwar insbesondere bei dem ersten Beispiel, in dem Eisenjodid in einer Menge von 1,6 × 10^-7 Mol beigefügt war. Die Bedeutung der Eisenbeigabe wurde somit verdeutlicht. Im zweiten Beispiel, in dem die Menge des zugesetzten Eisenjodids auf 4,8 × 10^-6 Mol erhöht worden war, zeigten die Spitzenwerte des Emissionsspektrums des Magnesiums etwas abzunehmen im Vergleich zum ersten Beispiel, in dem Eisenjodid in geringerem Umfang beigefügt worden war. Jedoch sind immer noch signifikant erhöhte Spitzenwerte im Vergleich zu dem Kontrollbeispiel zu verzeichnen, bei dem kein Eisenjodid eingesetzt wurde. Außerdem wurde das Auftreten des Emissionsspektrums von Eisen als kontinuierliches Spektrum über eine Wellenlänge im Bereich von 350 bis 400 nm beobachtet. Wie oben gezeigt, kann somit ein Spektrum ähnlich demjenigen, das von einer Entladungslampe mit Elektroden erhalten wird, durch eine elektrodenlose Entladungslampe erzielt werden.

Im Rahmen der Lehre der Erfindung sind selbstverständlich verschiedenartige Abweichungen und Modifikationen in der speziellen Gestaltung der Entladungslampen möglich, ohne daß hierdurch der Schutzbereich der Erfindung verlassen wird.

Claims (3)

1. Magnesiumdampf-Entladungslampe mit einer lichtemittierenden Röhre, in der Magnesium und ein Halogen abgedichtet als lichtemittierende Substanzen zusammen mit Quecksilber und einem Edelgas in solcher Menge vorhanden sind, die ausreicht, um eine Entladung innerhalb der lichtemittierenden Röhre aufrechtzuerhalten, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Eisen in den abgedichteten innenraum der lichtemittierenden Röhre eingesetzt ist.

2. Magnesiumdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtemittierende Röhre mit Entladungselektroden für die Erzeugung einer Lichtbogenentladung versehen ist.

3. Magnesiumdampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungslampe eine elektrodenlose Entladungslampe des Typs ist, bei dem die lichtemittierende Röhre von außen mit elektromagnetischen Wellen bestrahlt wird, wodurch die Mischung des Magnesiums, des Halogens, des Quecksilbers, des Edelgases und des Eisens, die sich innerhalb der lichtemittierenden Röhre befindet, zu einer Entladung angeregt wird, die zur Lichtemission führt.