DE3632431A1 - Metalldampf-entladungslampe - Google Patents
Metalldampf-entladungslampeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betriff Metalldampf-Entladungs
lampen insbesondere für die Verwendung bei photochemischen
Reaktionen oder für die Aushärtung von Anstrichstoffen, Far
ben, Tinten, Tuschen od.dgl.
Zum Auslösen photochemischer Reaktionen oder zur Aushärtung
von Farben, Tinten od.dgl. werden häufig ultraviolette
Strahlen benutzt. Für diese Zwecke sind ultraviolette Strah
len wirksam, die eine Wellenlänge von ungefähr 280 bis 400
nm haben.
Als Strahlenquellen für diese ultravioletten Strahlen werden
in herkömmlicher Weise Hochdruck-Quecksilberdampf-Entla
dungslampen des Elektrodentyps verwendet, in denen jeweils
eine Entladung zwischen den Elektroden der Lampe stattfin
det. Neuerdings sind außerdem Hochdruck-Quecksilberdampf
lampen bekannt geworden, die keine Elektroden aufweisen und
in denen jeweils Quecksilber und ein Edelgas abgedichtet in
Anteilen enthalten sind, die ausreichen, um eine Entladung
innerhalb der elektrodenlosen lichtemittierenden Röhre auf
rechtzuerhalten, wobei die Röhre von außen mit elektromagne
tischen Wellen, wie z.B. Hochfrequenzwellen von einigen 10
Megahertz oder einer größeren Wellenlänge oder mit Mikrowel
len bestrahlt wird, um die innerhalb der Röhre abgedichtete
Mischung anzuregen und eine Entladung im Bereich des sicht
baren Lichtes hervorzurufen.
Übrigens emittiert jede dieser Hochdruck-Quecksilberdampf-
Lampen unabhängig davon, ob diese mit oder ohne Elektroden
arbeiten, ein Linienspektrum, das eine Anzahl von Spitzen
werten aufweist und sich über einen beträchtlichen Wellen
längenbereich erstreckt. Es ist daher uneffektiv, derartige
Hochdruck-Quecksilberdampflampen für photochemische Reaktio
nen oder die Aushärtung von Farben, Tinten od.dgl. zu ver
wenden, die einen begrenzten, oben erläuterten Wellenlängen
bereich als wirksamen Bereich erfordert. Entsprechend werden
häufig Metalldampf-Entladungslampen angewandt, in denen je
weils ein Metall-Halogenid abgedichtet als lichtemittieren
des Material innerhalb der lichtemittierenden Röhre verwen
det wird, um die Lichtmenge innerhalb eines spezifischen,
wirksamen Wellenlängenbereichs zu erhöhen. Metalldampf-Ent
ladungslampen bzw. Halogenmetalldampflampen, in denen Eisen
abgedichtet verwendet wird, sind besonders zweckmäßig für
solche Anwendungen, wie z.B. für photochemische Reaktionen
oder die Aushärtung von Farbaufträgen, da durch sie konti
nuierlich Licht mit Wellenlängen im Bereich von 350 bis 400
nm emittiert wird.
Wenn eine Halogenmetalldampflampe unter Einschluß von Eisen,
das einen solchen Anteil ausmacht, um ein auf Eisen bezoge
nes Spektrum von ausreichender Intensität zu erzeugen, über
viele Stunden betrieben wird, wird das Eisen veranlaßt, sich
an der Innenwand der lichtemittierenden Röhre niederzuschla
gen, so daß ein dünner Film auf dieser Innenwand gebildet
wird. Aus diesem Grund nimmt der Anteil an Eisen, der zur
Lichtemission beiträgt, ab und gleichzeitig verhindert der
auf diese Weise gebildete, dünne Film den Durchgang ultra
violetter Strahlen, so daß das Problem der Verminderung der
Abgabe an UV-Strahlung auftritt.
Im Hinblick auf eine Lösung dieses Problems ist vorgschlagen
worden, zusätzlich abgedichtet Blei in der Halogenmetall
dampflampe, in der abgedichtet Eisen eingeschlossen ist, zu
verwenden (JP-GBM 15503/1979). Obwohl eine derartige Hinzu
fügung von Blei die Bildung eines dünnen Eisenfilms verhin
dern kann und die Abgabe ultravioletter Strahlung, wie beab
sichtigt, aufrechterhalten kann, wird die Abgabe von licht
starker Strahlung der Wellenlängen 302 nm, 313 nm und 365
des Quecksilbers durch eine derartige Addition von Blei äu
ßerst geschwächt. Aus diesem Grund ist es nicht wünschens
wert, Blei hinzuzufügen, und derartige Halogenmetalldampf
lampen mit Bleizusatz sind nicht für die obengenannten
Zwecke, d.h. für photochemische Reaktionen oder die Härtung
von Farbaufträgen, geeignet.
Es ist auch schon bekannt geworden, Zinn als Zusatzmaterial
beizufügen. Ähnlich wie dies bereits bei Blei der Fall ist,
ist die Zugabe von Zinn von dem Nachteil begleitet, daß das
Ausgangs-Linienspektrum des Quecksilbers in einem bedeuten
den Ausmaß vermindert wird.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
Metalldampf-Entladungslampe bzw. Halogenmetalldampflampe zu
schaffen, bei der die Ablagerung von Eisen an der Innenwand
ihrer lichtemittierenden Röhre vermieden ist, ohne daß nach
teilige Wirkungen auf das Emissionsspektrum des Quecksilbers
und Eisens zu verzeichnen sind, so daß die Abgabe von ultra
violetten Strahlen über viele Stunden unverändert und in
wünschenswertem Maße beibehalten werden kann.
Im Hinblick auf die Erreichung dieses Zieles der vorliegen
den Erfindung wurde gefunden, daß es wirksam ist, zusätzlich
Magnesium in die Halogenmetalldampflampe abgedichtet einzu
schließen, die in ihrer lichtemittierenden Röhre zumindest
0,005 mg Eisen pro cm3 Volumen enhält. Eine Vielzahl von
Versuchen ist auf der Grundlage dieser Erkenntnis ausgeführt
worden, die zu einer Vervollkommnung der vorliegenden Erfin
dung geführt haben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist somit eine
Metalldampf-Entladungslampe bzw. Halogenmetalldampflampe
vorgesehen mit einer lichtemittierenden Röhre, in der ein
Halogen und zumindest 0,005 mg Eisen pro cm3 Innenvolumen
der lichtemittierenden Röhre abgedichtet gemeinsam mit
Quecksilber und einem Edelgas in einem Mengenverhältnis ein
geschlossen sind, das ausreicht, um eine Entladung aufrecht
zuerhalten. Zusätzlich wird in die Röhre Magnesium einge
schlossen, und zwar mit einem Verhältnis Magnesium zu Eisen
von 1/40 bis 2/3, bezogen auf die Grammatomzahlen, um zu
verhindern, daß Eisen sich an der Innenwand der lichtemit
tierenden Röhre niederschlägt und auf dieser einen dünnen
Film bildet.
Der in diesem Zusammenhang benutzte Begriff "Röhre" ist im
Rahmen dieser Anmeldung in breitem Sinn zu interpretieren
mit der Maßgabe, daß das Ziel der vorliegenden Erfindung er
reicht wird. Der Begriff "Röhre" kann daher z.B. Rohre, Lam
penkolben, kugelförmige Gefäße u.dgl. umfassen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Magnesium in einer
solchen Menge eingeschlossen, daß ein Magnesium/Eisen-Ver
hältnis von 1/40 bis 2/3, bezogen auf die Grammatomzahlen,
in einer Halogenmetalldampflampe erreicht wird, in der Eisen
in einer Menge von zumindest 0,005 mg pro cm3 Rauminhalt der
lichtemittierenden Röhre eingeschlossen ist. Es ist daher
möglich, Licht von Quecksilber und Eisen zu erhalten, ohne
daß irgendwelche wesentlichen schädlichen Einflüsse auf das
Ausgangsemissionsspektrum von Quecksilber und Eisen auftre
ten, so daß das Licht verwendbar ist wie es ist. Infolge des
hinzugefügten Einschlusses von Magnesium wird verhindert,
daß sich Eisen auf der Innenfläche der lichtemittierenden
Röhre ablagert und ein dünner Film gebildet wird. Die Licht
emission mit Wellenlängen im Bereich von 280 bis 400 nm wird
somit nicht vermindert, und dies sogar dann, wenn die Lampe
über viele Stunden brennt. Die Lampe nach dieser Erfindung
kann daher als elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe
verwendet werden, die als UV-Strahlenquelle für die Induzie
rung photochemischer Reaktionen oder der Aushärtung von
Farbaufträgen, Druckfarben, Tinkturen od.dgl. verwendet
werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei
spielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In die
sen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Metalldampf-Entla
dungslampe vom Elektrodentyp gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 Kennlinien der Lichtausbeute bzw. Dämpfung der
Emission der Entladungslampe nach Fig. 1,
Fig. 3 schematisch im Querschnitt eine Lichtquelleneinheit
für photochemische Reaktionen, in der eine elektro
denlose Metalldampf-Entladungslampe gemäß einem wei
teren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
dargestellt ist, und
Fig. 4 Kennlinien der Lichtausbeute bzw. Dämpfung der
Emission der Entladungslampe nach Fig. 3.
Innerhalb des oben angegebenen Bereichs kann Magnesium in
einer geeigneten Menge innerhalb der Entladungslampe abge
dichtet eingeschlossen werden. Falls es in einer Menge von
weniger als 1/40, bezogen auf die Grammatomzahl, im Verhält
nis zu Eisen beigegeben wird, kann keine befriedigende Abga
be ultravioletter Strahlen erhalten werden. Andererseits
führen Mengen von mehr als 2/3 in nachteiliger Weise zu ei
nem schwächeren bzw. weicheren Emissionsspektrum des Eisens.
Wenn der Anteil an eingeschlossenem Eisen geringer als 0,005
mg pro cm3 Innenraumvolumen der lichtemittierenden Röhre
ist, wird kein befriedigendes, auf Eisen bezogenes Spektrum
erhalten.
Bezugnehmend nunmehr auf die Fig. 1 beträgt die Leistungs
aufnahme der Metalldampf-Entladungslampe bzw. Halogenmetall
dampflampe 4 kW. Diese Lampe ist als Lichtquelle für photo
chemische Reaktionen geeignet. Ein Paar Elektroden 2 ist in
gegenüberliegender Anordnung innerhalb der lichtemittieren
den Röhre 1 angeordnet, die einen Innendurchmesser von 22 mm
und ein Innenvolumen von 100 cm3 aufweist und einen ge
schmolzenen Quarzkolben bildet. Der Elektrodenabstand be
trägt 250 mm. An beiden Enden der lichtemittierenden Röhre 1
sind abgedichtet Grundkörper 11 vorgesehen. In jedem der ab
gedichteten Grundkörper 11 ist abgedichtet eine Molybdänfo
lie 3 eingeschlossen, über die ein äußerer Leiter 4 elek
trisch mit der zugehörigen Elektrode 2 verbunden ist. Inner
halb der lichtemittierenden Röhre 1 sind 120 mg metallischen
Quecksilbers, 13 mg Quecksilberjodid, 5 mg Eisen (entspricht
0,05 mg pro cm3 Rauminhalt), 0,2 mg Magnesium und Argongas
mit einem Druck von 15 mmHg eingeschlossen, wodurch die
Metalldampf-Entladungslampe in ihren Komponenten bestimmt
ist. Das Verhältnis des Magnesiums zum Eisen beträgt 1/11,
bezogen auf die Grammatomzahlen.
Wenn die Metalldampf-Entladungslampe brannte, betrug die
Lampenspannung jeweils 12,3 V und 362 V bei einer Leistungs
aufnahme von 4 kW. Die Lampe wurde 1000 Stunden betrieben.
Dabei lagerte sich überhaupt kein Eisen an der Innenwand der
lichtemittierenden Röhre 1 ab und somit wurde auch kein Ei
senfilm innerhalb der Röhre 1 gebildet. Während des Betriebs
wurden in Bezug auf die Abgabe von ultravioletten Strahlen
mit einer Wellenlänge im Bereich von 280 bis 400 nm gewisse
Veränderungen gemessen, die bezüglich der Schwächung der
Strahlungsabgabe in Fig. 2 dargestellt sind. Wie durch die
Kurve A in Fig. 2 gezeigt, war die Strahlungsabgabe mit 90%
sogar noch nach 1000 Stunden außerordentlich hoch.
Zum Vergleich wurde eine Metalldampf-Entladungslampe unter
sucht, die mit Ausnahme des fehlenden Magnesiums identisch
zur oben beschriebenen Lampe gemäß Fig. 1 aufgebaut war und
die zu Vergleichszwecken dem gleichen Beleuchtungsversuch
unterzogen wurde. In diesem Fall begann nach einigen 10
Stunden die Ablagerung von Eisen an der Innenwand der zuge
hörigen lichtemittierenden Röhre, so daß sich ein dünner
Film bildete. Die Strahlungsabgabe fiel daher nach einer Be
triebszeit von 1000 Stunden auf 50% ab, wie dies in der Kur
ve B in Fig. 2 gezeigt ist.
Außerdem wurde der Einfluß der Hinzufügung von Magnesium auf
das Ausgangs-Linienspektrum von Quecksilber und das abgege
bene Eisenspektrum untersucht. Bei der Metalldampf-Entla
dungslampe nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung
fiel die Intensität des Quecksilberspektrums nur um ca. 3%
und die Intensität des Eisenspektrums nahm nur um ca. 5% ab.
Diese Verringerungen waren also sehr klein. Im Falle, daß
anstelle von Magnesium, wie in diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, jeweils Blei und Zinn in die abgedichteten
Röhren der Metalldampf-Entladungslampen gegeben wurde, nahm
die Intensität des Quecksilberspektrums um ca. 35% (bei Bei
mengen von Blei) und um 28% (bei Zugabe von Zinn) ab. Es
wurde außerdem festgestellt, daß die kombinierte Beigabe von
Magnesium und Eisen keine wesentlichen Einflüsse auf die
Ausgangsspektren des Quecksilbers und des Eisens hat. Außer
dem hat die zusätzliche Beigabe von Magnesium keine wesent
lichen Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der
Metalldampf-Entladungslampe, wie z.B. auf die Startspannung,
die Wiederzündspannung u.dgl.
Bei der Herstellung einer Metalldampf-Entladungslampe nach
diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde Eisen in Form
metallischen Eisens verwendet und das Magnesium wurde in
Form metallischen Magnesiums beigefügt. Beide Elemente kön
nen jedoch auch jeweils in Form eines Eisen-Halogenids und
eines Magnesium-Halogenids beigefügt werden. Es ist nicht
nötig, besonders darauf hinzuweisen, daß die gleichen Wir
kungen auch dadurch erzielt werden können, wenn die beiden
Elemente als eine Mischung eingebracht werden.
Bezug nehmend nunmehr auf Fig. 3 beträgt die Ausgangslei
stung eines Magnetrons 22 1,5 kW. Das Magnetron 22 erzeugt
Mikrowellen mit einer Wellenlänge von 2450 MHz. Diese Mikro
wellen werden durch einen Wellenleitkörper 23 zu einem Re
flektor 24 geführt. Innerhalb des Reflektors 24 ist die
elektrodenlose Metalldampf-Entladungslampe angeordnet, die
aus einem kugelförmigen, lichtemittierenden Quarzkolben 21
(siO₂) besteht. Der lichtemittierende Kolben 21 wird mit
Mikrowellen bestrahlt. Die Frequenz der Mikrowellen ist
nicht auf die oben erwähnte Frequenz beschränkt, sondern es
können irgendwelche höheren Frquenzen von einigen 10 MHz und
mehr ebenfalls mit Erfolg angewandt werden.
Der Innendurchmesser des lichtemittierenden Kolbens 21 be
trägt 22 mm und sein inneres Raumvolumen beträgt ungefähr
5,6 cm3. Abgedichtet eingeschlossen in den lichtemittieren
den Kolben 21 sind 6 mg metallischen Quecksilbers, 2,6 mg
Quecksilberjodid, 1 mg Eisen (entspricht 0,179 mg pro cm3
Rauminhalt des Glaskolbens), 0,04 mg Magnesium und Argongas
mit einem Druck von 10 mmHg. Die Menge des zugefügten Magne
siums beträgt 1/11 zu Eisen, bezogen auf das Verhältnis der
Grammatomzahlen.
Wenn die Mikrowellen auf den lichtemittierenden Kolben 21
treffen, wird die innerhalb des Kolbens 21 abgedichtet ein
geschlossene Mischung zu einer Entladung angeregt und be
ginnt dadurch zu leuchten. Sogar bei einer Leuchtdauer von
bis zu 1000 Stunden wird kein Eisen an der Innenwand des
lichtemittierenden Kolbens 21 abgelagert, und es wird die
Bildung eines dünnen Eisenfilms vermieden. Während des Be
triebes der Lampe wurden Veränderungen in Verbindung mit der
Abgabe ultravioletter Strahlung von Wellenlängen in dem Be
reich von 280 bis 400 nm gemessen. Wie in Fig. 4 durch die
Kurve C gezeigt, betrug die Strahlungsabgabe sogar nach 1000
Betriebsstunden noch ca. 97% des Anfangswertes.
Zu Vergleichszwecken wurde eine identische, elektrodenlose
Metalldampf-Entladungslampe untersucht, die mit Ausnahme des
fehlenden Magnesiums identisch zum vorangegangenen Ausfüh
rungsbeispiel aufgebaut war. In diesem Fall begann sich
Eisen an der Innenwand des lichtemittierenden Glaskolbens
nach einer Zeit von einigen 10 Stunden abzuscheiden und es
wurde ein dünner Eisenfilm gebildet. Die Strahlungsabgabe
fiel auf einen Wert von bis zu 30% nach 1000 Betriebsstun
den, wie dies die Kurve D in Fig. 4 verdeutlicht.
Im Rahmen der die Erfindung kennzeichnenden Merkmale sind
selbstverständlich Abweichungen von den hier beschriebenen
Ausführungsbeispielen möglich.
Claims (3)
1. Metalldampf-Entladungslampe mit einer lichtemittierenden
Röhre, in der sich ein Halogen, Eisen in einer Menge von
zumindest 0,005 mg pro cm3 Rauminhalt der lichtemittierenden
Röhre abgedichtet zusammen mit Quecksilber und einem Edelgas
in einer solchen Menge befinden, die ausreicht, um eine Ent
ladung innerhalb der Röhre aufrechtzuerhalten, dadurch ge
kennzeichnet, daß zusätzlich Magnesium in die Röhre einge
schlossen ist, mit einem Magnesium/Eisen-Verhältnis von 1/40
bis 2/3, bezogen auf die jeweilige Grammatomzahl, so daß die
Ablagerung von Eisen an der Innenwandung der lichtemittie
renden Röhre und die Ausbildung eines dünnen Filmes auf die
ser Innenwand vermieden sind.
2. Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die lichtemittierende Röhre mit Entla
dungselektroden zur Erzeugung einer Lichtbogenentladung ver
sehen ist.
3. Metalldampf-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Metalldampf-Entladungslampe elektro
denlos ist und daß elektromagnetische Wellen von außen auf
die lichtemittierende Röhre auftreffen, um eine Mischung ei
nes Halogens mit Eisen, Quecksilber und einem Edelgas, die
innerhalb der lichtemittierenden Röhre abgedichtet einge
schlossen sind, zu einer leuchtenden Entladung anzuregen.
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