DE4120730C2 - Elektrodenlose Niederdruck-Entladungslampe - Google Patents

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.