DE3716485C1 - Xenon-Kurzbogen-Entladungslampe - Google Patents
Xenon-Kurzbogen-EntladungslampeInfo
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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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