DE3742991C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein eine Metalldampf-Ent­ ladungslampe gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der EP 00 58 511 B1 ist eine derartige Entladungslampe be­ kannt, bei der das radioaktive Keramikmaterial der Strahlenquelle in einer Schutzschicht eingeschlossen ist. Dies setzt jedoch den Wirkungsgrad der Lampe herab. Aus den Patentschriften DE 31 23 604 und 31 23 605 sind ähnliche Entladungslampen bekannt.

Im allgemeinen hat eine Metalldampf-Entladungslampe wie eine Metallhalogenidlampe oder eine Hochdruck-Natriumdampflampe den Vorteil von hervorragender Lichtausbeute. Eine derartige Metalldampf-Entladungslampe erfordert jedoch eine hohe Span­ nung, um zu zünden.

Es ist bereits eine Metalldampf-Entladungslampe bekannt, die mit einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe kompatibel ist. Die kompatible Metalldampf-Entladungslampe wird mit einem Stabilisator für Quecksilberdampflampen gezündet. Dabei ist es jedoch erforderlich, die Zündspannung hinreichend in die Nähe der Zündspannung von Hochdruck-Quecksilberdampflampen abzusenken.

Das Absenken der Zündspannung ist beispielsweise in der JP-PS Sho. 60-34 220 beschrieben. Nach dieser Patentschrift enthält eine Metalldampf-Entladungslampe eine Strahlungsquelle mit radioaktivem Material, das eine Halbwertszeit von 0,5 bis 10 Jahren hat, um die Zündspannung herabzusetzen. Die radioaktiven Strahlen ionisieren den Metalldampf in der Lampe derart, daß Elektronen in der Lampe erzeugt werden. Die durch die Ionisation erzeugten Elektronen rufen eine Anfangsentladung beim Zündvorgang hervor. Damit wirken sie als Auslöser für die Anfangsentladung.

Solche Strahlungsquellen sind jedoch für den menschlichen Körper schädlich. Sie müssen sorgfältig gehandhabt werden und auch ihre Herstellung stellt wegen der verwendeten radioaktiven Quelle Probleme dar.

Aus der EP 00 58 511 B1 ist es bekannt, die Zündspannung mit einer radioaktiven Strahlenquelle herabzu­ setzen, wobei das radioaktive Material in einem Behälter aus Keramik dispergiert ist. Außerdem weist die Strahlenquelle eine Schutzhülle zum Einschließen des Keramikbehälters auf. Die Schutzhülle besteht aus nicht-radioaktivem, wärmebeständigem und korrosionsbeständigem Material, beispielsweise aus Glas.

Die aus dieser Druckschrift bekannte Lampe hat jedoch folgende Nachteile: Die Strahlenquelle muß bei der Her­ stellung mit dem Keramikbehälter in der Glashülle einge­ schmolzen werden. Da eine Glashülle aber keine konstante Wandstärke hat, besteht ein Risiko des Brechens oder Versagens aufgrund von zu dünner Wandstärke. Wird die Glashülle zu dick gemacht, um die Sicherheit zu erhöhen, dann beeinflußt dies die Strahlen. Der Vorteil einer schnellen Entladungsauslösung für die Schnellzündung der Lampe wird dadurch wieder wett gemacht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Metalldampf-Entladungslampe der eingangs genannten Art sowohl hinsichtlich der Zündeigen­ schaften als auch hinsichtlich des Schutzes vor radioaktiver Strahlung zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Ober­ begriff.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Metallhalogenid­ lampe; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer radioaktiven Quelle nach der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Metalldampf-Entladungslampe 10 weist einen Außenkolben 12 und eine Entladungsröhre 14 aus Quarzglas auf, die in dem Außenkolben 12 untergebracht ist. Der Außenkolben 12 besitzt an einem Ende einen Schraubsockel 16 zum Einschrauben in eine nicht dargestellte Lampenfassung. Die Entladungsröhre 14 enthält Quecksilber (Hg), Natriumjodid (NaJ) und Scandiumjodid (Sc₂J₃). Das Quecksilber ist im wesentlichen vollständig dampfförmig und übt einen Druck von 1 bis 10 bar beim Betrieb der Lampe aus. Ein inertes Gas, beispielsweise Krypton (Kr), ist mit einem Druck von 67 mbar in dem Entladungsrohr 14 eingeschlossen, um das Zünden und Anwärmen zu erleichtern. Die Entladungsröhre 14 ist mit einem Paar Hauptelektroden 18 und 20 und einer Zündelektrode 22 versehen, die aus Wolfram bestehen. Die Hauptelektroden 18, 20 sind an gegenüberlie­ genden Enden der Entladungsröhre 14 montiert, und die Zündelektrode 22 ist in der Nähe der Hauptelektrode 18 angebracht. Die Hauptelektroden 18, 20 haben jeweils eine Wendel an ihrem Ende, während die Zündelektrode 22 ein gerades Ende besitzt. Die Hauptelektroden 18, 20 und die Zündelektrode 22 sind über dünne Molybdänfolien 34, 36 und 38, die in abgeschmolzene Enden 24, 26 eingebettet sind, an Klemmen 28, 30 und 32 angeschlossen.

Ein Halsbereich des Kolbens 12 ist in der Nähe des Schraub­ sockels 16 durch einen Stab 40 versiegelt, durch den sich starre Anschlußdrähte 42, 44 erstrecken. Ein Draht ist mit seinem Außenende an die Schraubkappe 16a und der andere an den Kontaktpunkt 16b des Schraubsockels 16 angeschlossen.

Die abgeschmolzenen Enden 24, 26 der Entladungsröhre 14 sind durch Metallhalter 50, 52 an einer Stützhalterung 46, 48 angebracht. Die Stützhalterung 46 ist an den starren Anschlußdraht 42 angeschweißt. Die Hauptelektrode 18 ist über den Anschlußdraht 28 elektrisch an die Stützhalterung 46 angeschlossen. Die Hauptelektrode 20 ist mit dem Draht 44 über einen Anschlußdraht 54 verbunden. Die Zündelektrode 22 ist an den Anschlußdraht 46 über eine Reihenschaltung von Zündwiderstand 56 und Strombegrenzungswiderstand 58 ange­ schlossen. Ferner sind eine Reihenschaltung von Glimmstarter 60 und Bimetallschalter 62 zwischen der Stützhalterung 46 und dem steifen Anschlußdraht 44 über einen Strombegrenzungs­ widerstand 58 angeschlossen. Der Bimetallschalter 62 kann bei einer vorgegebenen geringen Temperatur schließen und über einer vorgegebenen hohen Temperatur öffnen.

Eine Strahlenquelle 64 ist in der Entladungsröhre 14 ein­ geschlossen. Gemäß Fig. 2 weist die Strahlenquelle 64 einen Behälter 66 und ein radioaktives Material 68 auf. Der Behälter besteht aus Keramik, beispielsweise Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumoxid (SiO₂) od. ä. Radioaktives Material 68 ist im Behälter 66 dispergiert. Die Strahlenquelle 64 besitzt eine glasförmige Hülle 64a zumindest als Außenschicht. Die glasartige Hülle 64a ist durch Erwärmung der Strahlen­ quelle 64 über zwei Stunden lang auf einer Temperatur von etwa 1300°C in Schutzgas oder im Vakuum gebildet. Als Folge ist zumindest der Keramikstoff in der Außenschicht der Strahlenquelle 63 glasartig geworden.

Die glasartige Hülle 64a ist durch Verglasen so gebildet, daß sie eine mechanische Festigkeit wie eine Schutzglashülle hat. Der verglaste Keramikstoff der glasartigen Hülle 64a enthält jedoch selbst das radioaktive Material 68. Aus diesem Grunde kann die Strahlenquelle 64 hinreichend viele Strahlen aussenden, um die Zündzeit der Lampe zu verkürzen.

Die Strahlenquelle 64 kann in jeder beliebigen Größe oder Form gemäß den Fig. 1 und 2 hergestellt werden. Bei­ spielsweise kann die Strahlenquelle 64 im Durchmesser kleiner als ein nicht dargestelltes Entlüftungsröhrchen gemacht werden, das in der Entladungsröhre 14 vorgesehen sein kann, um Luft daraus abzulassen. Die Strahlenquelle 64 wird in die Entladungsröhre 14 durch das Entlüftungsröhrchen eingeführt, ehe die Luft aus dem Entladungsrohr 14 abge­ lassen wird. Das Entlüftungsröhrchen wird nach dem Ablassen der Luft entfernt.

Der Behälter 66 sollte während des Verglasens mechanisch hart und stabil sein. Daher wählt man das Material für den Behälter 66 unter anderem aus Nichtmetalloxyden aus, zu denen beispielsweise die folgenden gehören: Siliciumoxid (SiO₂), Metalloxide wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Natriumoxid (Na₂O), Magnesiumoxid (MgO), Berylliumoxid (BeO), Titanoxid (TiO) oder Calciumoxid (CaO), Metallcarbide wie Aluminium­ carbid (Al₄C₃), Natriumcarbid (Na₂C₂) oder Calciumcarbid (CaC₂) und Metallnitride wie Aluminiumnitrid (AlN), Natrium­ nitrid (Na₃N) oder Magnesiumnitrid (Mg₃N₂). Ein oder mehrere dieser Stoffe können beispielsweise allein oder zusammen zur Bildung des Behälters 66 verwendet werden.

Das radioaktive Material 68 soll eine verhältnismäßig kurze Halbwertszeit haben, beispielsweise mehr als 0,5 Jahre und weniger als 10. Das radioaktive Material 68 kann beispiels­ weise eines der folgenden sein: Kohlenstoff 14(¹⁴C), Natrium 22(²²Na), Calcium 45(⁴⁵Ca), Eisen 55(⁵⁵Fe), Kobalt 60 (⁶⁰Co), Nickel 63(⁶³Ni), Zink 65(⁶⁵Zn), Mangan 54(⁵⁴Mn), Strontium 90(⁹⁰Sr), Ruthenium 106(¹⁰⁶Ru), Silber 110 (¹¹⁰Ag), Antimon 125(¹²⁵Sb), Cäsium 134(¹³⁴Cs), Cäsium 137 (¹³⁷Cs), Barium 133(¹³³Ba), Cer 144(¹⁴⁴Ce), Promethium 147 (¹⁴⁷Pm), Europium 154(¹⁵⁴Eu), Europium 155(¹⁵⁵Eu), Gold 195(¹⁹⁵Au), Thallium 204(²⁰⁴Tl), Actinium 227(²²⁷AC), Americium 241(²⁴¹Am), Curium 242(²⁴²Cm), Curium 244 (²⁴⁴Cm), Radium 226(²²⁶Ra), Radium 228(²²⁸Ra) oder Thorium 228(²²⁸Th). Es können ein oder mehrere radioaktive Stoffe allein oder zusammen als radioaktives Material 68 verwendet werden.

Die Menge an radioaktivem Stoff ist derart begrenzt, daß das radioaktive Material 68 weniger als 100 µCi (Microcurie) je Lampe aussendet.

Die Strahlenquelle 64 kann folgendermaßen hergestellt werden: Keramikmaterial wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Silicium­ oxid (SiO₂) und Natriumoxid (Na₂O₃) werden in einem vor­ gegebenen Verhältnis gemischt und derart erwärmt, daß eine keramische Sinterung bestehend aus xAl₂O₃·ySiO₂·zNa₂O₃ er­ halten wird. Darin bezeichnen x, y und z jeweils das Molverhältnis. Danach werden Natrium (Na)-Atome der Keramik­ sinterung xAl₂O₃·ySiO₂·zNa₂O₃ durch Promethium 147 (¹⁴⁷Pm)- Atome auf bekannte Weise, beispielsweise durch Ionenaus­ tausch ersetzt. So wird die Keramiksinterung xAl₂O₃·ySiO₂· zNa₂O durch Eintauchen in flüssiges Ammoniumchlorid (NH₄Cl) in xAl₂O₃·ySiO₂·z(NH₄)₂O₃ verändert. Durch Entfernen des Ammoniums (NH₄) aus dem Keramikkörper xAL₂O₃·ySiO₂·z(NH₄)₂O wird es durch Erwärmen auf eine Temperatur von etwa 300°C in xAl₂O₃·ySiO₂·zH₂O verändert. Danach wird der Keramikkörper bestehend aus xAl₂O₃·ySiO₂·zH₂O zu xAl₂O₃·ySiO₂·zHPmO redu­ ziert, in dem Wasserstoff (H) in xAl₂O₃·ySiO₂·zH₂O durch Promethium 147(¹⁴⁷Pm) von etwa 0,1 µ Ci ersetzt wird, indem der Keramikkörper xAl₂O₃·ySiO₂·zH₂O in eine Lösung von Promethiumchlorid-hydrochlorid¹⁴⁷ getaucht wird.

Die Halbwertszeit von Promethium 147 beträgt etwa 2,7 Jahre. Schließlich wird durch Erwärmen des Keramikkörpers bestehend aus xAl₂O₃·ySiO₂·zHPmO auf eine Temperatur von etwa 1300°C über zwei Stunden im Vakuum zumindest die äußere Schicht des Keramikkörpers verglast. Als Folge davon erhält man eine gewünschte radioaktive Quelle 64 mit einem Behälter 66 und einem darin vorgesehenen radioaktiven Stoff 68.

Die nach dem obigen Verfahren hergestellte Strahlenquelle 64 ist für den menschlichen Körper ungefährlich, da das radioaktive Material 68 in den Keramikkörper imprägniert ist, der aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Siliciumoxid (SiO₂) besteht. Die Sicherheit der Strahlenquelle 64 gegenüber dem menschlichen Körper ist durch bekannte Schmierversuche nachgewiesen worden.

Man kann die Strahlenquelle 64 auch auf andere Weise herstellen. Beispielsweise wird ein Pulver aus Keramik­ stoffen wie Aluminimoxid (Al₂O₃), Siliciumoxid (SiO₂) und Natriumoxid (Na₂O₃) gleichförmig mit einer sehr kleinen Menge von pulverförmigem radioaktivem Material 68 vermischt. Darauf wird das vermischte Pulver in inertem Gas oder Vakuum erwärmt, so daß die Mischung gesintert wird. Durch weitere Erwärmung verglast die Außenschicht der gesinterten Mischung und man erhält eine gewünschte Strahlenquelle 64, bei der zumindest die Außenschicht mit radioaktiven Material 68 imprägniert ist.

Ist das Material Oxid, dann wird dieses Oxid zu einer Paste aufbereitet, indem ein organischer Stoff wie Butylacetat mit einem Pulver aus radioaktivem Material 68 vermischt wird. Die Mischung wird dann zu einer Tablette verpreßt und in inertem Gas oder im Vakuum erwärmt, so daß sie sintert. Durch weiteres Erhitzen der gesinterten Mischung bis zum Verglasen ihrer Außenschicht, erhält man die gewünschte Strahlenquelle 64, da zumindest ihre Außenschicht mit radioaktivem Material 68 imprägniert ist.

Wenn das Material Halogenid ist, dann werden das Halogenid und das radioaktive Material 68 gemischt und in inertem Gas oder im Vakuum erhitzt, so daß die Mischung sintert. Durch kontinuierliches Erhitzen der gesinterten Mischung ist die Außenschicht des erhaltenen Keramikkörpers verglast und man erhält eine gewünschte Strahlenquelle 64.

Wenn bei einer derartigen Metalldampf-Entladungslampe 10 eine Spannung von einer Spannungsquelle angelegt wird, dann fließt ein Strom zwischen der Stützhalterung 46 und dem steifen Anschlußdraht 44 über den Strombegrenzungswiderstand 58, den Glimmstarter 60 und den Bimetallschalter 62. Der Glimmstarter 60 beginnt dann zu arbeiten, da Strom über den Bimetallschalter 62 fließt. Die pulsierende Spannung bewirkt eine Glimmentladung zwischen der Hauptelektrode 18 und der Zündelektrode 22 in der Entladungsröhre 14, wodurch die pulsierende Spannung der Sekundärspannung des Stabilisators überlagert wird, der zwischen der Metalldampf-Entladungslampe 10 und der zuvor erwähnten Spannungsquelle angeschlossen ist. Dadurch wird eine Hochspannung über die Hauptelektrode 18 und die Hauptelektrode 20 gelegt. Die Strahlenquelle 64 gibt dabei Strahlen frei. Die Strahlen ionisieren den Metalldampf in der Entladungsröhre 14, so daß zahlreiche Elektronen aufgrund von Ionisation in der Entladungsröhre 14 erzeugt werden. Auf diese Weise wird durch die Elektronen und die Spannungsstöße eine Bogenentladung zwischen den Hauptelek­ troden 18 und 20 leicht ausgelöst. Mit anderen Worten werden die von der Strahlenquelle 64 ausgesendeten Strahlen als Keime für den Beginn der Bogenentladung verwendet. Sobald die Bogenentladung eintritt, hört der Glimmstarter 60 auf zu arbeiten, so daß die pulsierende Spannung aufhört.

Bei einer derartigen Metalldampf-Entladungslampe 10, wird beim Einschalten eine Spannung von der Spannungsquelle über den dazwischengeschalteten Stabilisator in der zuvor er­ wähnten Weise angelegt. Die Spannung gelangt über den Strombegrenzungswiderstand 58 und den Bimetallschalter 62 an den Glimmstarter 60. Dieser besitzt im Inneren einen an sich bekannten Bimetallschalter. Der Bimetallschalter im Glimm­ starter 60 ist vor dem Anlegen der Spannung offen. Daher tritt eine Glimmentladung im Glimmstarter 60 auf, wenn Spannung angelegt wird. Durch die Glimmentladung wird der Bimetallschalter im Glimmstarter 60 erwärmt und schließt. Später öffnet er wieder. Dieses fortlaufende Öffnen und Schließen des Bimetallschalters im Glimmstarter 60 erzeugt eine pulsierende Spannung.

Die vom Glimmstarter 60 erzeugte pulsierende Spannung wird der Sekundärspannung des Stabilisators überlagert, der zwischen die Metalldampf-Entladungslampe 10 und die Span­ nungsquelle geschaltet ist. Die dabei entstehende Hochspan­ nung wird über den Bimetallschalter 62, den Glimmstarter 60 und den Zündwiderstand 56 über die Hauptelektrode 18 und die Zündelektrode 22 gelegt. Dies ist deswegen der Fall, weil der Bimetallschalter 62 im Anfangszustand der Metall­ dampf-Entladungslampe 10 geschlossen ist. Die Glimmentladung tritt aufgrund der Hochspannungsimpulse zwischen der Haupt­ elektrode 18 und der Zündelektrode 22 auf. Diese Glimment­ ladung zwischen der Hauptelektrode 18 und der Zündelek­ trode 22 setzt sich zu einer Bogenentladung zwischen den Hauptelektroden 18 und 20 fort. Dies ist deswegen der Fall, weil die Hochspannung auch an die Hauptelektroden 18 und 20 gelegt wird. Als Folge fängt die Metalldampf-Entladungslampe 10 zu leuchten an. Nach dem Beginn der Entladung wird die Verdampfung des Quecksilbers oder der Metallhalogenide in der Entladungsröhre 14 beschleunigt und die Temperatur der Metalldampf-Entladungslampe 10 steigt an. In Abhängigkeit von dem Temperaturanstieg wird der Bimetallschalter 62 ausgeschaltet. Mit anderen Worten, wenn das Leuchten der Metalldampf-Entladungslampe 10 einen stabilen Zustand erreicht, wird der Bimetallschalter 62 ausgeschaltet und es wird keine Spannung an den Starter 60 gelegt. Die Zündelektrode 22 wird auf dem gleichen Potential wie die Hauptelektrode 18 gehalten, und zwar wegen der Beschaltung mit Zündwiderstand 56 und Strombegrenzungswiderstand 58. Als Folge davon wird eine Ionisierung des Quarzglases zwischen Hauptelektrode 18 und Zündelektrode 22 verhindert. Eine Ionisation würde das Quarzglas beschädigen, beispielsweise durch Kristallisieren oder durch Brechen.

Da das inerte Gas in der Entladungsröhre 14 durch die von dem radioaktiven Material 68 der Strahlenquelle 64 ausgesendeten Strahlen ionisiert wird, wird die Zündspannung abgesenkt. Wenn der Hochspannungspuls angelegt wird, sobald das inerte Gas ionisiert ist, setzt die Glimm- und/oder Bogenentladung ein.

Wenn die Strahlenquelle 64 nicht verwendet wird, dann erfolgt die Ionisierung des inerten Gases lediglich durch natürliche Strahlen wie kosmische Strahlen oder Erdstrahlen. Daher ist die Zündphase für eine bekannte Lampe wesentlich länger als für die erfindungsgemäße Lampe.

Radioaktives Material 68 ist in der Strahlenquelle 64 dispergiert. Ferner ist die Außenschicht der Strahlenquelle 64 glasartig. Anders ausgedrückt ist die Außenschicht selbst verglast und mit radioaktivem Material 68 imprägniert. Sie ist mechanisch hart und stabil. Daher besteht keine Gefahr, daß radioaktives Material 68 bei der Handhabung der Strah­ lenquelle 64 abgeschält oder abgerieben werden kann und es besteht daher keine Gefahr der Kontaminierung des mensch­ lichen Körpers.

Das radioaktive Material 68 befindet sich außerdem in der Außenschicht der Strahlenquelle 64, so daß alpha-Strahlen, beta-Strahlen und/oder gamma-Strahlen praktisch ungeschwächt aus der Strahlenquelle 64 austreten können. Dies ergibt ein hinreichendes Maß an Strahlen für ein schnelles Zünden der Lampe.

Claims (3)

1. Metalldampf-Entladungslampe mit einer geschlossenen Ent­ ladungsröhre (14), die ein Paar voneinander beabstandeter Hauptelektroden (18, 20) aufweist und die Metalldampf, ein Zündgas und eine radioaktive Strahlenquelle (64) enthält, mit einem Außenkolben (12), der die Entladungsröhre (14) einschließt, und mit einer Schaltung zur elektrischen Erzeu­ gung eines Lichtbogens zwischen den Hauptelektroden (18, 20), wobei die radioaktive Strahlenquelle (64) ein radio­ aktiv imprägniertes Keramikmaterial (66, 68) besitzt, das mit einer verglasten Schutzschicht (64a) bedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die verglaste Schutzschicht (64a) ebenfalls radioaktives Material enthält.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz der Strahlenquelle (64) vor Abrieb die verglaste Schutzschicht (64a) mechanisch hart ausgebildet ist.

3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das radioaktive Material (68) zumindest einer der folgenden Stoffe ist: Kohlen­ stoff 14 (¹⁴C), Natrium 22 (²²Na), Calcium 45 (⁴⁵Ca), Eisen 55 (⁵⁵Fe), Kobalt 60 (⁶⁰Co), Nickel 63 (⁶³Ni), Zink 65 (⁶⁵Zn), Mangan 54 (⁵⁴Mn), Strontium 90 (⁹⁰Sr), Ruthenium 106 (¹⁰⁶Ru), Silber 110 (¹¹⁰Ag), Antimon 125 (¹²⁵Sb), Cäsium 134 (¹³⁴Cs), Cäsium 137 (¹³⁷Cs), Barium 133 (¹³³Ba), Cer 144 (¹⁴⁴Ce), Promethium 147 (¹⁴⁷Pm), Europium 154 (¹⁵⁴Eu), Europium 155 (¹⁵⁵Eu), Gold 195 (¹⁹⁵Au), Thallium 204 (²⁰⁴Ti), Actinium 227 (²²⁷Ac), Americium 241 (²⁴¹Ám), Curium 242 (²⁴²Cm), Curium 244 (²⁴⁴Cm), Radium 226 (²²⁶Ra), Radium 228 (²²⁸Ra) und Thorium 228 (²²⁸Th).