DE3716485C1 - Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe - Google Patents

Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe

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Description

Die Erfindung betrifft eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einem hoch­ druckfesten Lampenkolben, der zumindest im Lichtdurchtrittsbereich aus Quarz­ glas besteht, wobei in den Lampenkolben zwei sich gegenüberliegende, auf einer Achse befindliche stabförmige Elektroden ragen, von denen die Anode einen größeren Durchmesser aufweist als die Kathode, mit einem Fülldruck von wenigstens 1 bar im betriebslosen Zustand und mit einem Abstand zwischen den Elektroden, der kleiner ist als der Durchmesser des Schaftes der Kathode.
Kurzbogenlampen, insbesondere Xenon-Hochdruck-Kurzbogenlampen, haben die höchsten Strahldichten aller bekannten Lampen sowie einen Bogen mit sehr kleinem Durchmesser und sehr kurzer Länge. Sie sind in guter Näherung punkt­ förmige Lichtquellen und werden dementsprechend in Projektionsanlagen aller Art wie beispielsweise Filmprojektoren, in Lichtbogenöfen, in der Fotolito­ grafie sowie in anderen optischen Geräten mit hohen Strahldichten eingesetzt. Sie enthalten einen hochdruckfesten Kolben mit kugel- oder ellipsoidförmigem Entladungsraum, beispielsweise aus Quarzglas, Elektroden, die als Anoden und Kathoden an eine Gleichspannungsquelle anschließbar sind und aus Wolfram bzw. Wolfram mit Zusätzen bestehen, im Kolben eingeschmolzene Stromdurchführungen, wie z. B. ein- oder mehrfach Molybdänbanddurchführungen oder Molybdänkappen­ durchführungen. Bekannte Kurzbogenlampen können Füllungen aus Xenon, Queck­ silber, Argon, Zink oder Zink enthalten.
Aus der GB-PS 16 03 699 ist eine solche Kurzbogenlampe mit einer Füllung aus Xenon und Quecksilber bekannt. Als Elektrodenabstände für derartige Lampen, welche auch als elektrodenstabilisierte Entladungslampen bekannt sind, werden Werte von weniger als 10 mm bis weniger als 1 mm angegeben.
Weiterhin ist aus der Zeitschrift "Illuminating Engineering", Bd. 59, 1964, Nr. 9, Seiten 589-591, eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einem Kolben aus Quarzglas und zwei sich gegenüberliegenden, stabförmigen Elektroden be­ kannt. Die Anode weist einen größeren Durchmesser auf als die Kathode; der Elektrodenabstand ist kleiner als der Schaft der Kathode, wobei die Kathoden­ spitze kegelförmig ausgebildet ist.
In der Zeitschrift "Applied Optics", Bd. 10, 1971, Nr. 11, Seite 2517-2520, ist eine Xenon-Entladungslampe beschrieben, die neben Xenon noch eine Dotierungssubstanz, wie z. B. Thalliumjodid, enthalten kann.
Weiterhin ist aus der CH-PS 2 97 983 eine Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe bekannt, bei der die Elektroden einander auf 0,5 bis 2 mm genähert sind, so daß die positive Säule der Entladung unterdrückt wird und die Lampe nur noch im Kathodenfleck strahlt. Der aus schwerem Edelgas (Xenon) bestehenden Lampen­ füllung kann ein Dotierungsgas mit einem Atomgewicht unter 21 hinzugefügt sein.
In einem solchen Fall bewirkt die Dotierung lediglich ein zusätzliches Auf­ treten von Spektrallinien der Dotierungssubstanz bei reduzierter Plasmatemperatur.
Ausgehend von den bekannten Kurzbogen-Entladungslampen stellt sich die Er­ findung die Aufgabe, die Leuchtdichte bisher bekannter Kurzbogenlampen erheb­ lich zu steigern, wobei eine möglichst punktförmige Entladungszone ohne Schwärzung des Lampenkolbens und ohne Einbuße an Brennstabilität angestrebt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Unter Metallhalogeniden sind auch die Seltenerdmetall­ halogenide zu verstehen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Lampenkolben vollständig aus Quarzglas. Als Dotierungssubstanzen werden Metallhalogenide eingesetzt. Als besonders zweckmäßig hat sich der Einsatz von Thalliumjodid als Dotierungs­ material erwiesen, da damit eine Erniedrigung der Plasmatemperatur vermieden werden kann. Vielmehr wird eine Erhöhung der Plasmatemperatur und damit der Leuchtdichte gegenüber einer undotierten Lampe erzielt. Die Erhöhung der Leuchtdichte geht dabei im wesentlichen auf eine erhebliche Erhöhung der Kontinuumsemission zurück.
Vorteilhafterweise ist beim Einsatz von Metalljodiden als Dotierungszusatz ein Halogenidkreislauf (Wolfram-Halogen-Kreisprozeß) wirksam, bei dem das Metall­ jodid in der heißen Zone des Entladungsbogens dissoziiert, so daß in der Gasentladung die Metalle und das Jod in atomarer Form auftreten. Metalldampf, der zur Gefäßwand diffundiert ist, rekombiniert dort mit dem Jod und wird als Halogenid wieder in das Lampeninnere transportiert, wo es erneut dissoziiert (Jürgen Kiefer, Ultraviolette Strahlen, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, 1977).
Als besonders vorteilhaft erweist sich die kegelförmige stumpfwinklige Kathodenspitze, da hier aufgrund der Stumpfwinkligkeit während der Brenndauer kein Material mehr zerstäubt bzw. umgeschmolzen wird.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b und 2 näher erläutert. Die
Fig. 1a und 1b zeigen im Längsschnitt den konstruk­ tiven Aufbau der erfindungsgemäßen Kurzbogenlampe mit Quarzglaskolben;
Fig. 2 zeigt das Spektrum einer mit Thalliumjodid dotierten Xenonlampe sowie das Spektrum einer undotierten Lampe.
Gemäß Fig. 1a besitzt die erfindungsgemäße Kurzbogenlampe einen aus Quarzglas bestehenden Lampenkolben 1 mit einem ellipsoidförmigen Entladungsraum 2. Entlang der Kolbenachse 3 ragen in den Entladungsraum 2 die Elektroden 4 und 5, welche bei diesem Ausführungsbeispiel aus Wolfram oder Wolfram mit Zusätzen bestehen. Die aus massivem Material gefertigte Anode besteht aus einem stab­ förmigen Schaft 6, dessen in den Entladungsraum ragende Spitze 7 als Kegel­ stumpf ausgebildet ist. Der Durchmesser des Schaftes 6 beträgt 3 bis 5 mm, vorzugsweise 4 mm. Gegenüber der Anode 4 ist die Kathode 5 angeordnet, welche ebenfalls aus massivem Material besteht; ihr Elektrodenschaft 8 weist einen Durchmesser von 1 bis 4 mm, vorzugsweise 2 mm, auf, wobei die in den Ent­ ladungsraum ragende Spitze 9 kegelförmig ausgebildet ist. Zwischen Anode und Kathode befindet sich die Entladungsstrecke 10, die kleiner ist als der Durch­ messer der Kathode 5. Die dem Entladungsraum abgekehrten Enden der Elektroden 4, 5 sind jeweils über eine oder mehrere in den Lampenkolben druck- und temperaturfest eingeschmolzene Molybdänfolie 11, 12 jeweils mit den äußeren Lampenkontakten 13, 14 verbunden.
In Fig. 1b ist die mit einem Kreis in Fig. 1a markierte Spitze der Kathode vergrößert dargestellt. Anhand dieser Figur ist erkennbar, daß es sich bei der Kathodenspitze 9 um einen leicht abgerundeten Kegel handelt, der soweit optimiert ist, daß er weder zerstäubt noch umgeschmolzen wird. In dem Längs­ schnitt weist die Kegelspitze einen Winkel im Bereich von 85 bis 95° auf; gemäß Fig. 1b hat sich als besonders zweckmäßig ein Winkel von 92° erwiesen. Da die Entladung relativ weit von der Kolbenwand stattfindet, hat diese keinen Einfluß auf die Entladungsstabilität.
Die Füllung des Entladungsraumes 2 besteht aus Xenon mit einem Kaltdruck von mehr als 1 bar sowie Dotierungssubstanzen. Aufgrund der Dotierung und des stumpfen Öffnungswinkels der Spitze 9 der Kathode wird ein stabiler Bogenan­ satz der Entladung ermöglicht. Durch die Dotierung wird der Bogen soweit eingeschnürt, daß die Strahldichte vor der Kathode wesentlich gesteigert wird, so daß zumindest eine Verdoppelung erzielt wird. Die Dotierung sorgt somit einerseits für die Einschnürung des Bogens und andererseits für den bereits obenerwähnten Kreisprozeß, der keine Ablagerungen, insbesondere von Wolfram, auf dem Lampenkolben zuläßt.
Außer Thalliumjodid ist auch Kaliumjodid als Dotierungssubstanz einsetzbar.
Beim Betrieb mit Thalliumjodid als Dotierungssubstanz entsteht ein nahezu punktförmiger Kathodenansatz. Dieser punktförmige Ansatz führt zu einer Plasmakugel vor der Kathode, deren Emission zusammen mit der Thalliumlinie zu einer bis zu mehr als zehnfachen Leuchtdichte gegenüber undotierten Xenon­ lampen führt. Auf diese Weise wird eine ganz entscheidende Verbesserung von dotierten Xenonlampen als Punktlichtquellen erzielt.
In Fig. 2 ist anhand der Kurve A die Verdoppelung der spektralen Strahldichte im Plasmabereich einer mit Thalliumjodid dotierten Xenonlampe gegenüber der in Kurve B dargestellten spektralen Strahldichte im Plasmabereich einer undotier­ ten Xenonlampe erkennbar. Für Kurve A ist insbesondere das mit M bezeichnete Maximum der spektralen Strahldichte im Bereich von 535 nm charakteristisch, das der Thalliumlinie entspricht. Die mit X bezeichnete Spitze der Kurve A entspricht einer Xenon-Ionenlinie.

Claims (6)

1. Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe mit einem hochdruckfesten Lampenkolben, der zumindest im Lichtdurchtrittsbereich aus Quarzglas besteht, wobei in den Lampenkolben zwei sich gegenüberliegende, auf einer Achse befindliche stabförmige Elektroden ragen, von denen die Anode einen größeren Durch­ messer aufweist als die Kathode, mit einem Fülldruck von wenigstens 1 bar im betriebslosen Zustand und mit einem Abstand zwischen den Elektroden, der kleiner ist als der Durchmesser des Schaftes der Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitze der Kathode (5) kegelförmig ausgebildet ist und daß die Lampe wenigstens ein Metallhalogenid als Dotierungssubstanz enthält.
2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (1) vollständig aus Quarzglas besteht.
3. Lampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (4, 5) in Abhängigkeit von der Leistungsaufnahme der Lampe gewählt ist.
4. Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese für eine Leistungsaufnahme bis zu 20 kW ausgebildet ist, wobei der Abstand (10) der Elektroden im Bereich von 0,2 bis 5 mm liegt.
5. Lampe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz Thalliumjodid ist.
6. Lampe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungssubstanz Kaliumjodid ist.
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