DE4342941C1 - Wasserstoffgasentladungslampe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserstoffgasent­ ladungslampe bestehend aus einem Lampenkörper aus Glas mit Strahlungsaustrittsfenster, mit in der Lampe befind­ lichem, als Speicher für Wasserstoff und/oder Deuterium sowie als Gettermaterial wirkendem Material und mit einer Einrichtung zur Anregung des in dem Lampenkolben freige­ setzten Wasserstoffs und/oder Deuteriums.

Wasserstofflampen der eingangs bezeichneten Art sind bekannt. Bei Wasserstofflampen wurde bisher Uran als Wasserstoffspeicher/Getterkombination verwendet A New Type of Hydrogen Discharge Tube, J. Opt. Soc. America, 1952, 42, 187-189).

Die Verwendung einer Wasserstoffspeicher/Getter- Kombination hat zwei Gründe. So muß eine Lyman-a-Lampe (Wasserstofflampe mit Lyman-α-Linie 121.56 nm als Linien­ quelle) einen geringen Wasserstoffpartialdruck in der Größenordnung von 1 Pa aufweisen, da bei höheren Drücken die Emissionslinien des molekularen Wasserstoffs wesentlich stärker ausgeprägt sind als die Lyman-α-Linie. Aufgrund der Diffusion von Wasserstoff durch Glas ist das Einfüllen von Wasserstoff dieses geringen Partialdrucks in die Lampe im Hinblick auf die Lebensdauer der Lampe ein ungeeignetes Verfahren. Deshalb wird der Wasserstoff thermisch aus dem Metallhydrid freigesetzt, wobei der Partialdruck des Wasserstoffs dabei eindeutig durch die Temperatur des Hydrids bestimmt ist. Er kann mit Hilfe der van′t Hoff Gleichung berechnet werden:

Dabei bezeichnen p den Wasserstoffpartialdruck und T die absolute Temperatur. A und B sind stoffspezifische Parameter. Typische Werte für Uran (p in Pa) sind: A = 4366, B = 11.26 (Isotope Effect in Dissociation of Uranium Hydride, J. Nuclear Science and Technol., 1979, 16, 690-696). Der zum Betrieb einer Lyman-α-Lampe notwendige Wasserstoffpartialdruck stellt sich bei ca. 100°C ein.

Der zweite Grund für den Einsatz einer Wasserstoff­ speicher/Getter-Kombination ist das Problem der spektralen Reinheit der Lampe. Fremdatome/-moleküle, die bei der Herstellung des Lampenkolbens oder durch Diffusion in die Lampe gelangt sind, emittieren ebenfalls elektromagnetische Strahlung mit für das jeweilige Atom charakteristischer Wellenlänge. Zur Erzielung hoher spektraler Reinheit sind diese Atome/Moleküle aus dem Gasraum zu entfernen. Dies erfolgt durch die Getter­ eigenschaften des Uran: Uran reagiert mit Fremdatomen und bindet sie chemisch, so daß sie nicht mehr zur Emission der Lampe beitragen.

Der Einsatz von Uran als Wasserstoffspeicher hat aber auch Nachteile, die in seinen Stoffeigenschaften be­ gründet liegen:

• - Uran ist radioaktiv,
• - feinpulverisiertes Uran ist pyrophor, d. h. es entzündet sich an Luft;
• - für Uran wird eine Umgangsgenehmigung verlangt;
• - Uran ist giftig;
• - bei der kurzen Lebensdauer der Lyman-α-Lampen (einige 10 h) treten bei Verwendung von Uran Entsorgungsprobleme auf
• - Arbeiten mit Uran sind aus Sicherheitsgründen in Handschuhboxen auszuführen;
• - Uran ist nicht überall verfügbar.

Ziel der Erfindung ist eine Wasserstoffgasentladungslampe mit einem Ersatzstoff für Uran als Wasserstoffspeicher-/ Getter-Kombination, der die oben beschriebenen Nachteile von Uran nicht aufweist, gleichzeitig aber die gewünsch­ ten Eigenschaften im Hinblick auf die Wasserstoff­ speicherfähigkeit und das "Gettern" zur Erzielung der spektralen Reinheit besitzt.

Dieser Ersatzstoff ist erfindungsgemäß eine Zirkon- Kobalt-Legierung. Das Atomverhältnis Zirkon zu Kobalt beträgt dabei zweckmäßigerweise 1 : 1.

Durch den Einsatz von ZrCo als Wasserstoffspeicher/Getter ist es möglich, eine Wasserstofflampe zu bauen, die als Lyman-α-Lampe hoher spektraler Reinheit einsetzbar ist. Das Emissionsspektrum der Lampe weist im angrenzenden Wellenlängenbereich von 110 bis 150 nm nur geringe Intensitäten auf.

Darüber hinaus ergeben sich folgende Vorteile:

• - die nicht-radioaktive Zr-Co-Legierung ist wesentlich leichter und kostengünstiger zu beschaffen als Uran
• - die Zr-Co-Legierung ist außerdem ungiftig und nicht pyrophor;

Die Arbeiten zur Präparation der Lampe können daher ohne Handschuhboxen durchgeführt werden. Die einzu­ haltenden Sicherheitsvorschriften sind nicht so streng wie beim Einsatz von Uran.

• - die spektrale Reinheit der mit der Zr-Co-Legierung hergestellten Lyman-α-Lampe ist vergleichbar mit der bei Verwendung von Uran erzielbaren.
• - bei Verwendung der Zr-Co-Legierung als Wasserstoff­ speicher liegen die zur Freisetzung des Wasserstoffes nötigen Temperaturen in der gleichen Größenordnung wie bei Verwendung von Uran, so daß im Aufbau der Heizung und Temperaturregelung keine oder nur geringfügige Modifikationen notwendig sind. Gleiches gilt für die bei der Herstellung verwendeten Apparaturen (Glassorte, Ofen, etc.). Die Umstellung des Herstellungsverfahren ist also kostengünstig mögliche
• - Lampen, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, können problemlos entsorgt werden.

Eine Wasserstofflampe und das Spektrum der Lampe sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Rohling eines Glaskolbens einer Lyman-α-Lampe mit aufgeklebtem MgF₂-Fenster und mit Zr-Co gefülltem Seitenarm.

Fig. 2 Spektrum einer Lyman-α-Lampe mit ZrCo als Speicher und Gettermaterial.

Fig. 1 zeigt einen Glaskolben mit aufgeklebtem Magnesium­ fluoridfenster, das als Austrittsfenster für die VUV- Strahlung dient. In der hier ausgeführten Bauform besteht die Lampe aus einem zylindrischen Glaskolben, in dessen Längsachse eine Kapillare zur Aufnahme der Sendeantenne des zur Anregung des Gases verwendeten Hochfrequenz­ senders (100 MHz) eingeschmolzen ist. An den Glaskolben ist ein Seitenarm angeschmolzen, in dem sich der Wasser­ stoffspeicher ZrCo-Hydrid befindet. Der CF 16-Flansch dient zur Verbindung mit dem Gasbefüllsystem.

Die Lampe wurde wie folgt hergestellt. Der Rohling wurde an ein Vakuumsystem angeflanscht und auf einen Druck von 10^-5 Pa evakuiert. Das im Seitenarm befindliche ZrCo wurde durch Erwärmung auf 450°C vollständig dehydriert. Das ZrCo wurde für 24 h bei dieser Temperatur gehalten, wobei der Glaskolben weiter evakuiert wird. Das ZrCo wurde nun durch Einleiten von Wasserstoff in den Rohling und schrittweise Abkühlung auf Raumtemperatur (ca. 50° pro 30 min) hydriert. Das ZrCo-Hydrid wurde nun erneut durch Heizen auf 450°C dehydriert, der dabei freiwerdende Wasserstoff abgepumpt. Dieser Prozeß diente der Aktivierung des ZrCo. Nun wurde soviel Wasserstoff eingeleitet, wie zur Hydrierung von ungefähr der Hälfte des in der Lampe befindlichen ZrCo benötigt wurde und erneut schrittweise auf Raumtemperatur abgekühlt. Der nicht hydrierte, aktivierte Anteil des ZrCo diente als Getter. Die Lampe wurde nun mit einem Edelgas gefüllt und abgeschmolzen.

Im Betrieb der Lampe wird der Seitenarm mit einem Ofen beheizt und durch eine Temperaturregelung auf konstanter Temperatur gehalten. Dadurch stellt sich ein definierter Wasserstoffpartialdruck ein, der für Zirkon-Cobalt nach der van′t Hoff Gleichung mit den Parametern A = 4261 und B = 11.93 berechnet werden kann (Evaluation of ZrCo and other getters for tritium handling and storage, J. Nuclear Materials, 1990, 170, 217-231). Das aktivierte ZrCo reagiert mit in der Lampe befindlichen oder in die Lampe hineindiffun­ dierenden Fremdatomen/Molekülen und sorgt so für die spektrale Reinheit der Lampe.

Fig. 2 zeigt das Spektrum einer unter Verwendung von ZrCo hergestellten, hochfrequenzangeregten Wasserstoff­ lampe, wie es an einem Monochromator mit einem Photomultiplier (1000 V) als Strahlungsdetektor aufgezeichnet wurde. Man erkennt deutlich den Lyman-α-Peak und die geringe Strahlungs­ intensität im übrigen Wellenlängenbereich.

Der Ersatz von Uran durch ZrCo beim Bau von Wasserstoff­ lampen ist selbstverständlich nicht auf den Typ der hochfrequenzangeregten Gasentladungslampe beschränkt. Ebenso kann in gleichstrom- und mikrowellenangeregten Wasserstofflampen ZrCo als Ersatzstoff für Uran eingesetzt werden. Auch ist der Einsatz von ZrCo unabhängig von der Geometrie der Lampe.

Claims (2)

1. Wasserstoffgasentladungslampe, bestehend aus einem Lampenkolben aus Glas mit Strahlungsaustrittsfenster, mit in der Lampe befindlichem, als Speicher für Wasser­ stoff und/oder Deuterium sowie als Gettermaterial wirkendem Material und mit einer Einrichtung zur Anregung des in dem Lampenkolben freigesetzten Wasserstoffs und/oder Deuteriums, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eine Zirkon-Kobalt-Legierung ist.

2. Wasserstoffgasentladungslampe, dadurch gekennzeichnet, daß das Atomverhältnis Zirkon zu Kobalt in der Legierung 1:1 beträgt.