DE4120730A1 - Elektrodenlose niederdruck-entladungslampe - Google Patents
Elektrodenlose niederdruck-entladungslampeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrodenlose Niederdruckentladungslampe, in de
ren Lampenkolben ein Plasma durch Einkoppelung eines hochfrequenten elektroma
gnetischen Feldes gebildet ist und durch das Plasma erzeugte Strahlung auf dem
Kolben austritt.
Aus der EP-PS 74 690 ist eine elektrodenlose Gasentladungslampe mit einem va
kuumdicht geschlossenen Lampenkolben bekannt, der mit Metalldampf und einem
Edelgas gefüllt ist, wobei der Lampenkolben einen stabförmigen Kern aus magne
tischem Material umfaßt, in den ein hochfrequentes Magnetfeld mit Hilfe
einer elektrischen Stromversorgungseinheit induzierbar ist, wodurch ein elek
trisches Feld im Lampenkolben erzeugt wird.
Weiterhin beschreibt die DE-OS 39 18 839 eine elektrodenlose Entladungslampe
hoher Intensität mit einem Kolben innerhalb des Hohlraumes einer Anregungsspu
le und mit einem Entladungsplasma, das mittels der Anregungsspule ausgebildet
wird, wobei Hochspannungsimpulse zwischen einem Paar von außerhalb des Lampen
kolbens befindlichen Zündelektroden eingekoppelt werden, um das Material in
nerhalb des Lampenkolbens zur Bildung mindestens eines Funkenkanals zu veran
lassen, in dem das Plasma durch das von der Anregungsspule gebildete Feld
erzeugt wird.
Als problematisch erweist sich bei elektrodenlosen Hochdruckgasentladungslam
pen die Stabilität der Entladung und das nur aus Linien oder Kontinuum mit
überlagerten Linien bestehende Spektrum, auch wenn deren Strahldichte und
Strahlungsflüsse verhältnismäßig hohe Werte erreichen. Umgekehrt besitzen e
lektrodenlose Niederdruckgasentladungslampen zwar genügend Stabilität, aber
ihre Strahldichten bzw. Strahlungsflüsse sind verhältnismäßig gering.
Weiterhin ist aus der DE-PS 39 08 553 eine mit Deuterium oder Wasserstoff ge
füllte Gasentladungslampe mit einem im Lampenkolben angeordneten Gehäuse be
kannt, das im Entladungsweg zwischen Kathode und Anode eine Blende aus hoch
schmelzendem Werkstoff aufweist, wobei die zwischen den Elektroden erzeugte
Bogenentladung mittels Blendenöffnung eingeschnürt wird.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe durch Einschnürung der Plasmaentladung
eine Erhöhung der Strahldichte bei Niederdruckentladungslampen mit HF-Anregung
zu schaffen; dabei soll ein möglichst einfacher Aufbau erzielt werden.
Weiterhin soll beim Einsatz der Lampe für Absorptionsmessungen ein verhältnis
mäßig einfacher Abgleich zwischen einer Meßstrahlung und einer Referenzstrah
lung ermöglicht werden; darüber hinaus soll auch die Möglichkeit einer Überla
gerung unterschiedlicher Spektren mehrerer - auf der gleichen optischen Achse
emittierender - Lampen geschaffen werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Bereich des Plasmas ein Blendenkörper
aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff angeordnet ist, welcher eine Öffnung
zur Einschnürung des Plasma-Bereiches enthält, wobei der Blendenkörper eine
optische Achse durch die Öffnung aufweist, entlang derer die Strahlung aus
tritt.
Der Blendenkörper besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Bornitrid;
es ist jedoch auch möglich, Blendenkörper aus Quarzglas oder aus einer hoch
temperaturfesten Keramik wie Aluminiumoxid, Thoriumoxid, Berylliumoxid, sowie
aus Aluminiumnitrid herzustellen. Weiterhin ist es überraschenderweise mög
lich, Blendenkörper aus hochtemperaturfestem Metall, wie z. B. Molybdän herzu
stellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Blendenkörper aus
einem eingeschnürten Teil eines aus Quarzglas bestehenden Lampenkolbens, der
sich beiderseits der Einschnürung konisch erweitert.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß neben einer
hohen Stabilität der Entladung auch eine Intensivierung der Strahldichte bzw.
Strahlungsflüsse erzielt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Blendenkörper wenigstens teilwei
se von einer stromdurchflossenen Zylinder- oder Ringspule umgeben, wobei die
elektrischen Anschlüsse der Spule mit dem Ausgang eines Hochfrequenzgenerators
verbunden sind.
Es handelt sich hier um eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, da der
Blendenkörper mit einer durchgehenden Öffnung eine optische Achse bildet, so
daß die Strahlung aus beiden Enden des Blendenkörpers austreten kann, wobei
eine Strahlungsseite auf einen Sensor zur Steuerung bzw. Regelung des Entla
dungsprozesses gerichtet werden kann, so daß eine kontrollierte Entladung er
möglicht wird. Dabei kann durch vollständige Verspiegelung bzw. Teilverspiege
lung des Lampenkolbens mit Ausnahme der beiden Austrittsöffnungen eine Inten
sitätssteigerung der austretenden Strahlung erzielt werden, darüber hinaus
kann eine Intensitätssteigerung der austretenden Arbeitsstrahlung durch Teil
verspiegelung der Stirnfläche des Kolbens auf der Sensorseite erzielt werden.
Weiterhin ist es möglich, die Lampe mit einem ersten und einem zweiten Entla
dungsraum zur Erzeugung von Plasma mittels Einkoppelung eines hochfrequenten
elektromagnetischen Feldes zu versehen, wobei jeder Entladungsraum einen Blen
denkörper mit einer Öffnung und einer durch die Öffnung verlaufenden optischen
Achse aufweist, wobei die optischen Achsen beider Entladungsräume entlang ei
ner gemeinsamen Geraden verlaufen; die Spektren beider Entladungsräume werden
somit in einem einzigen Strahl überlagert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind in den Ansprüchen 4 bis
9 und 11 bis 16 angegeben.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 6 näher
erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch im Längsschnitt eine elektrodenlose Entladungslampe
zusammen mit dem Hochfrequenzgenerator,
Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung der glei
chen Lampe;
Fig. 3a, 3b und 3c zeigen verschiedene Ausführungsformen der Blende
im Querschnitt;
Fig. 4 ist ein Diagramm der Strahlstärkeverteilung über den Austrittsbe
reich in Winkelgraden dargestellt.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Entladungslampe mit in entgegengesetzte Rich
tungen austretender Strahlung, wobei ein Strahlungsanteil auf einem Strah
lungssensor zur Istwert-Messung der Strahlungsintensität zwecks Regelung des
HF-Generators geleitet wird.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung mit zwei Entladungsräumen, deren optische Achsen
auf eine gemeinsame Achse ausgerichtet sind.
Gemäß Fig. 1 weist die Lampe einen zylinderförmigen Lampenkolben 1 aus Quarz
glas auf, der im mittleren Bereich seines Innenraumes einen ebenfalls zylin
derförmigen Blendenkörper 2 enthält, der zwischen seinen beiden Stirnflächen
mit einer entlang der Zylinderachse verlaufenden durchgehenden Öffnung 3 ver
sehen ist; der Blendenkörper erstreckt sich in radialer Richtung bis zur inne
ren Mantelfläche des Lampenkolbens; die der Zylinderachse entsprechende op
tische Achse der aus Öffnung 3 austretenden Strahlung ist mit Bezugsziffer 4
bezeichnet. Der Lampenkolben 1 ist im Bereich seines zylindrischen Mantels 5
von einer ebenfalls zylinderförmigen Anregungsspule 6 umgeben, die einen Ku
pferleiter mit Goldbeschichtung aufweist. Die Anregungsspule 6 ist mit ihren
beiden Anschlüssen 11, 12 über Leitungen 13, 14 mit einem Hochfrequenzgenera
tor 16 verbunden, welcher eine Wechselspannung im Bereich von 10 bis 800 Mega
herz erzeugt. Die Lampenfüllung weist Deuterium mit einem Kaltfülldruck von 15
millibar auf. Die im Blendenkörper 2 befindliche Öffnung 3 weist eine Länge im
Bereich von 0,1 bis 90 mm auf, wobei die als Bohrung aufgeführte Öffnung einen
Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 6 mm enthält. Der äußere Durchmesser des
Lampenkolbens liegt im Bereich von 7 bis 20 mm, wobei seine Länge ca. 30-100 mm
beträgt. Um eine Konvergenz der austretenden Strahlung zu erzielen, ist es
möglich die Blendengeometrie durch einen konisch geformten Hohlkörper - bei
spielsweise in Form eines Kegelstumpfes - zu gestalten. Verschiedene Ausge
staltungen von Austrittsöffnungen sind anhand der Fig. 3a bis 3c be
schrieben.
Im Betriebszustand erzeugt der Hochfrequenzgenerator 16 einen Hochfrequenz
strom, der zwischen den Anschlüssen 11, 12 die Anregungsspule 6 durchfließt
und ein Entladungsbogenplasma entlang der optischen Achse 4 erzeugt. Die An
regungsspule 6 weist 5 bis 7 Windungen auf. Der Strahl tritt während des Be
triebes sowohl durch die Stirnfläche 9, als auch durch die Stirnfläche 10 des
Lampenkolbens 1 aus, wobei der aus Stirnfläche 9 austretende Teil der Strah
lung auf einen Sensor 18 geleitet werden kann.
Gemäß Fig. 2 ist der zylindrische Lampenkolben perspektivisch dargestellt,
wobei der Blendenkörper 2 zwecks besserer Anschaulichkeit der Öffnung 3 trans
parent dargestellt ist. Das Bogenentladungsplasma erstreckt sich innerhalb des
Blendenkörpers 2 entlang der optischen Achse 4, wobei aus beiden Stirnflächen
7, 8 des Blendenkörpers Strahlung austritt. Mit Blendenkörpern aus Bornitrid,
Aluminiumnitrid, Berylliumoxid und polykristallinem Diamant werden höchste
Strahldichten und Strahlflüsse bei Blendenlängen von 2 bis 5 mm erreicht.
Gemäß Fig. 3a weist der Blendenkörper 2 eine kegelstumpfförmige Austritts
öffnung 21 auf, die sich nach außen hin erweitert. Die Fläche des Kegelstumpf
mantels ist dabei mit einer Ultraviolettstrahlung reflektierenden Beschichtung
20 - beispielsweise aus Aluminium - versehen.
Gemäß Fig. 3b weist die sich nach außen erweiternde Austrittsöffnung 21 des
Blendenkörpers 2 eine parabolische Querschnittsform auf. Auch hier ist es mög
lich die Innenfläche des Paraboloids mit einer strahlungsreflektierenden Be
schichtung 20 zu versehen.
Gemäß Fig. 3c ist an den Blendenkörper 2 im Bereich seiner Stirnfläche 8 ein
Ultraviolettstrahlung reflektierender Aufsatz 22 in Kegelstumpfform aufge
bracht, der aus einem niedrigschmelzenden Werkstoff, wie beispielsweise Alumi
nium besteht.
Gemäß Fig. 4 emittiert die hochfrequenzangeregte Deuteriumlampe ihre Strah
lung über einen Winkelbereich gemäß Winkel α wesentlich gerichteter, als eine
herkömmliche Deuteriumlampe mit Elektroden, wobei die hochfrequenzangeregte
Deuteriumlampe eine Strahlstärkenverteilung I gemäß Kurve (a) aufweist, wäh
rend die herkömmliche Strahlstärkenverteilung bei Deuteriumlampen in Kurve (b)
dargestellt ist. Gemäß Kurve (a) wird eine Halbwertsbreite der Strahlstärke
verteilung von 5 bis 8°C erzielt, während gemäß Kurve (b) eine Halbwertsbreite
von ca. 36°C erzielt wird.
Gemäß Fig. 5 tritt der Strahl während des Betriebes sowohl durch die Stirn
fläche 9 als auch durch die Stirnfläche 10 des Lampenkolbens 1 aus, wobei der
aus Stirnfläche 9 austretende Teil der Strahlung auf einen Sensor 18 geleitet
wird. Sensor 18 ist über einen Regler 19 mit dem Hochfrequenzgenerator 16 ver
bunden. Am Eingang des Reglers 19 wird das vom Sensor 18 ermittelte
Ist-Wert-Signal X mit einem vorgegebenen Soll-Wert-Signal W verglichen und
bei Regelabweichung am Ausgang des Reglers 19 ein Stellsignal Y zum Hochfre
quenzgenerator weitergeleitet. Das Stellsignal Y kann dabei eine Modulation
der Hochfrequenz veranlassen bzw. das Tastverhältnis einer Impulsfolgefrequenz
variieren, so daß die Regelabweichung ausgeglichen wird.
Dabei ist es möglich, durch Tellverspiegelung der zum Sensor gerichteten
Stirnfläche 9 eine Abschwächung der zum Sensor gerichteten Strahlung und eine
Verstärkung der aus Stirnfläche 10 tretenden Arbeitsstrahlung zu erzielen.
Durch die beidseitig offene Geometrie der erfindungsgemäßen Entladungslampe
läßt sich diese auch als sogenannte Durchscheinlampe einsetzen. Dies bedeutet,
daß die Lampe zwei Entladungsräume unterschiedlicher Füllung aufweist, die
jeweils einen in sich abgeschlossenen Strahler bilden, wobei ein zweiter
Strahler mit einem anderen Spektrum sich auf der gleichen optischen Achse wie
der erste Strahler befindet, so daß ohne Austausch von Lampen ein erweiterter
nutzbarer Spektralbereich zu erzielen ist. Eine solche Anordnung ist in der
Fig. 6 schematisch dargestellt.
Gemäß Fig. 6 wird im Lampenkolben 1 eine Strahlung erzeugt, die entlang der
optischen Achse 4 aus Stirnfläche 10 des Kolbens 1 austritt und durch Stirn
fläche 9′ in den Lampenkolben 1′ eintritt, wobei dieser eine andere Kolbenfül
lung aufweist, als Kolben 1. Die im Lampenkolben 1′ erzeugte Strahlung tritt
entlang der optischen Achse 4 aus der Stirnfläche 10 des Kolbens 1′ aus; hier
können die in umgekehrter Richtung durch die Stirnflächen 9′ und 9 austreten
den Strahlen entlang der optischen Achse 4 einem für ein vorgegebenes Spektrum
empfindlichen Sensor 18 mit angeschlossenem Regler 19 zugeführt werden, dessen
Stellsignal y den Hochfrequenzgeneratoren 16 und 16′ oder einem gemeinsamem
Hochfrequenzgenerator für beide Lampenkolben zugeführt wird. Die Anordnung ist
besonders geeignet für Spektralfotometer oder Hochdruckflüssigkeitschromato
graphie (HPLC).
Claims (16)
1. Elektrodenlose Niederdruck-Entladungslampe, in deren Lampenkolben ein
Plasma durch Einkoppelung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes
gebildet ist und durch das Plasma erzeugte Strahlung aus dem Kolben aus
tritt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Plasmas ein Blendenkör
per (2) aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff angeordnet ist, welcher
eine Öffnung (3) zur Einschnürung des Plasma-Bereiches enthält, wobei der
Blendenkörper eine optische Achse (4) durch die Öffnung (3) aufweist,
entlang derer die Strahlung austritt.
2. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Blendenkörper (2) eine Öffnung (3) besitzt, aus der die Strahlung in
zwei entgegengesetzte Richtungen austritt.
3. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper (2) wenigstens teilweise von einer stromdurch
flossenen Anregungsspule umgeben ist, wobei die elektrischen Anschlüsse
(11, 12) der Spule mit dem Ausgang eines Hochfrequenz-Generators (16) ver
bunden sind.
4. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß Blendenkörper entlang der optischen Achse beidseitig von jeweils
einer Kondensator-Platte umgeben ist, wobei wenigstens eine der Kondensa
tor-Platten eine Austrittsöffnung entlang der optischen Achse aufweist
und die Kondensator-Platten jeweils mit einem Ausgang eines Hochfre
quenz-Generators elektrisch verbunden sind.
5. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper innerhalb eines elektromagnetischen Resonators
angeordnet ist, der zur Anregung eine Antenne aufweist, welche mit dem
Ausgang eines Hochfrequenz-Generators elektrisch verbunden ist.
6. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper (2) eine einseitig offene Bohrung
entlang der optischen Achse (4) aufweist.
7. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper (2) eine durchgehende Bohrung ent
lang der optischen Achse aufweist.
8. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper aus einem im Bereich des Plasmas
eingeschnürten Teil des Lampenkolben besteht, wobei die Kolbenwand in
diesem Bereich eine durchgehende Bohrung bildet.
9. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bohrung an wenigstens einem Ende eine konische
Erweiterung aufweist.
10. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lampe einen ersten und einen zweiten Entladungs
raum zur Erzeugung von Plasma mittels Einkoppelung eines hochfrequenten
elektromagnetischen Feldes aufweist, wobei jeder Entladungsraum jeweils
einen Blendenkörper (2, 2′) mit einer optischen Achse durch die Öffnung
(3, 3′) aufweist, wobei die optischen Achsen entlang einer gemeinsamen
Geraden verlaufen.
11. Niederdruck Entladungslampe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper (2) aus Quarzglas oder Metall
oxid-Keramik besteht.
12. Niederdruck Entladungslampe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper aus Metallnitrid besteht.
13. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper aus Molybdän besteht.
14. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper aus Diamant oder Graphit besteht.
15. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllgas Wasserstoff aufweist.
16. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllgas Edelgas aufweist.
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R071 | Expiry of right |