DE4120730C2 - Elektrodenlose Niederdruck-Entladungslampe - Google Patents
Elektrodenlose Niederdruck-EntladungslampeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrodenlose Niederdruck-Entladungslampe, in deren Lampenkol
ben ein Plasma durch Einkoppelung eines mittels Hochfrequenz-Generator erzeugten elektro
magnetischen Feldes gebildet ist, und durch das Plasma erzeugte Strahlung aus dem Kolben
austritt.
Die FR-PS 1 485 625 beschreibt eine elektrodenlose Entladungslampe, deren Lampenkolben
ein Alkalimetalldampf/Edelgasgemisch enthält; zur Anregung einer monochromatischen Strah
lung konstanter Intensität wird ein aus einem Serienresonanzkreis ausgekoppeltes Hochfre
quenzfeld mittels den Lampenkolben umhüllender Spulen in das Lampeninnere eingekoppelt.
Weiterhin ist aus der DE-PS 6 33 760 eine Niederdruck-Entladungslampe mit Metalldampf oder
Gasfüllung bekannt, bei der die eine positive Säule bildende Entladung einen verengten Röh
renteil zu passieren hat, dessen Ausdehnung in einer Richtung ein mehrfaches in der dazu
senkrechten Richtung aufweist, wobei die Verengungen einen spaltförmigen Querschnitt besit
zen; sie sind so angeordnet, daß an der Einschnürstelle die Richtung der maximalen Leucht
stärke senkrecht zur Entladungsrichtung liegt.
Aus der DE-PS 9 11 871 ist eine Entladungslampe mit Gas- oder Dampffüllung bekannt, wobei
die durch den Entladungsvorgang hervorgerufene Lichterscheinung durch seitliche Einengung
des Entladungsweges mittels Blenden, Schirmen oder ähnliche Mittel zu einer erhöhten Flä
chenhelligkeit gebracht wird; das Licht wird dabei unter Anwendung reflektierender Flächen in
der Nutzrichtung ausgestrahlt.
Weiterhin ist aus der DE-PS 9 11 870 eine Blitzröhre für Elektronenblitzgeräte bekannt, bei der
zwischen zwei Elektroden innerhalb eines Entladungsraumes eine kurze Stromentladung hoher
Stromdichte erfolgt; die Entladungsstrecke ist durch eine nichtmetallische Wandung verengt,
wobei die wirksame Lichtausstrahlung in der Verlängerung der eingeschnürten Entladungs
strecke erfolgt.
Aus der EP-PS 74 690 ist eine elektrodenlose Gasentladungslampe mit einem vakuumdicht ge
schlossenen Lampenkolben bekannt, der mit Metalldampf und einem Edelgas gefüllt ist, wobei
der Lampenkolben einen stabförmigen Kern aus magnetischem Material umfaßt, in den ein
hochfrequentes Magnetfeld mit Hilfe einer elektrischen Stromversorgungseinheit induzierbar ist,
wodurch ein elektrisches Feld im Lampenkolben erzeugt wird.
Weiterhin beschreibt die DE-OS 39 18 839 eine elektrodenlose Entladungslampe hoher Intensi
tät mit einem Kolben innerhalb des Hohlraumes einer Anregungsspule und mit einem Entla
dungsplasma, das mittels der Anregungsspule ausgebildet wird, wobei Hochspannungsimpulse
zwischen einem Paar von außerhalb des Lampenkolbens befindlichen Zündelektroden einge
koppelt werden, um das Material innerhalb des Lampenkolbens zur Bildung mindestens eines
Funkenkanals zu veranlassen, in dem das Plasma durch das von der Anregungsspule gebilde
te Feld erzeugt wird.
Als problematisch erweist sich bei elektrodenlosen Hochdruckgasentladungslampen die Stabili
tät der Entladung und das nur aus Linien oder Kontinuum mit überlagerten Linien bestehende
Spektrum, auch wenn deren Strahldichte und Strahlungsflüsse verhältnismäßig hohe Werte er
reichen. Umgekehrt besitzen elektrodenlose 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 gefüllte Gasentla
dungslampe mit einem im Lampenkolben angeordneten Gehäuse bekannt, das im Entladungs
weg zwischen Kathode und Anode eine Blende aus hochschmelzendem Werkstoff aufweist,
wobei die zwischen den Elektroden erzeugte Bogenentladung mittels Blendenöffnung einge
schnürt 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 verhältnismäßig einfa
cher Abgleich zwischen einer Meßstrahlung und einer Referenzstrahlung ermöglicht werden;
darüberhinaus soll auch die Möglichkeit einer Überlagerung unterschiedlicher Spektren mehre
rer - auf der gleichen optischen Achse emittierender - Lampen geschaffen werden.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Bereich des Plasmas ein Blenden-körper aus
hochtemperaturbeständigem Werkstoff angeordnet ist, welcher eine Öffnung zur Einschnürung
des Plasma-Bereiches enthält, wobei der Blenden körper eine optische Achse durch die Öff
nung aufweist, entlang derer die Strahlung austritt, und wobei der Blenden körper zwecks Ein
koppelung des Feldes wenigstens teilweise von einer stromdurchflossenen Anregungsspule
oder beidseitig von jeweils einer Kondensatorplatte umgeben ist oder innerhalb eines elektroma
gnetischen Resonators angeordnet ist.
Der Blendenkörper besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Bornitrid; es ist jedoch
auch möglich, Blendenkörper aus Quarzglas oder aus einer hochtemperaturfesten Keramik wie
Aluminiumoxid, Thoriumoxid, Berylliumoxid, sowie aus Aluminiumnitrid herzustellen. Weiterhin
ist es überraschenderweise möglich, Blendenkörper aus hochtemperaturfestem Metall, wie z. B.
Molybdän herzustellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Blendenkörper aus einem einge
schnürten Teil eines aus Quarzglas bestehenden Lampenkolbens, der sich beiderseits der Ein
schnürung 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 teilweise 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 Blenden körper mit
einer durchgehenden Öffnung eine optische Achse bildet, so daß die Strahlung aus beiden En
den des Blendenkörpers austreten kann, wobei eine Strahlungsseite auf einen Sensor zur
Steuerung bzw. Regelung des Entladungsprozesses gerichtet werden kann, so daß eine kon
trollierte Entladung ermöglicht wird. Dabei kann durch vollständige Verspiegelung, bzw. Teilver
spiegelung des Lampenkolbens mit Ausnahme der beiden Austrittsöffnungen eine
Intensitätssteigerung der austretenden Strahlung erzielt werden, darüberhinaus kann eine In
tensitätssteigerung der austretenden Arbeitsstrahlung durch Teilverspiegelung der Stirnfläche
des Kolbens auf der Sensorseite erzielt werden.
Weiterhin ist es möglich, die Lampe mit einem ersten und einem zweiten Entladungsraum zur
Erzeugung von Plasma mittels Einkoppelung eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes
zu versehen, wobei jeder Entladungsraum einen Blendenkörper mit einer Öffnung und einer
durch die Öffnung verlaufenden optischen Achse aufweist, wobei die optischen Achsen beider
Entladungsräume entlang einer gemeinsamen Geraden verlaufen; die Spektren beider Entla
dungsräume werden somit in einem einzigen Strahl überlagert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 15
angegeben.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 6 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch im Längsschnitt eine elektrodenlose Entladungslampe zusammen mit
dem Hochfrequenzgenerator,
Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Darstellung der gleichen Lampe;
Fig. 3a, 3b und 3c verschiedene Ausführungsformen der Blende
im Querschnitt;
Fig. 4 ein Diagramm der Strahlstärkeverteilung über den Austrittsbe
reich in Winkelgraden;
Fig. 5 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 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 Teilverspiegelung 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 (15)
1. Elektrodenlose Niederdruck-Entladungslampe, in deren Lampenkolben ein
Plasma durch Einkoppelung eines mittels Hochfrequenz-Generator erzeugten
elektromagnetischen Feldes gebildet ist und durch das Plasma erzeugte
Strahlung aus dem Kolben austritt, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich
des Plasmas ein Blendenkörper (2) aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff
angeordnet ist, welcher eine Öffnung (3) zur Einschnürung des Plasma-Be
reiches enthält, wobei der Blendenkörper eine optische Achse (4) durch die
Öffnung (3) aufweist, entlang derer die Strahlung austritt, und wobei der
Blendenkörper (2) zwecks Einkoppelung des Feldes entweder wenigstens teil
weise von einer stromdurchflossenen Anregungsspule oder beidseitig von
jeweils einer Kondensatorplatte umgeben ist oder innerhalb eines elektro
magnetischen Resonators angeordnet ist.
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 Blendenkörper entlang seiner optischen Achse beidseitig von
jeweils einer der Kondensator-Platten umgeben ist, wobei wenigstens eine
der Kondensator-Platten eine Austrittsöffnung entlang der optischen Achse
aufweist und die Kondensator-Platten jeweils mit einem Ausgang eines
Hochfrequenz-Generators elektrisch verbunden sind.
4. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß der elektromagnetische Resonator zur Anregung eine Antenne auf
weist, welche mit dem Ausgang eines Hochfrequenz-Generators elektrisch
verbunden ist.
5. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper (2) eine einseitig offene Bohrung
entlang der optischen Achse (4) aufweist.
6. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper (2) eine durchgehende Bohrung ent
lang der optischen Achse aufweist.
7. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
8. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Bohrung an wenigstens einem Ende eine konische
Erweiterung aufweist.
9. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.
10. Niederdruck Entladungslampe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Blendenkörper (2) aus Quarzglas oder Metalloxid-
Keramik besteht.
11. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper aus Metallnitrid besteht.
12. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper aus Molybdän besteht.
13. Niederdruck-Entladungslampe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich
net, daß der Blendenkörper aus Diamant oder Graphit besteht.
14. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllgas Wasserstoff aufweist.
15. Niederdruck-Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß das Füllgas Edelgas aufweist.
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