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Technischer
Hintergrund der Erfindung
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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet von Kurzbogen-Entladungslampen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Kurzbogen-Entladungslampen,
welche zur Belichtung von Flüssigkristallen,
Farbfiltern und Druckträgern
verwendet werden.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Kurzbogen-Entladungslampen
sind wohlbekannt als Lichtquellen für eine Belichtung, welche beim
Herstellungsverfahren von Flüssigkristallen, beim
Herstellungsverfahren von Farbfiltern und beim Herstellungsverfahren
von Druckträgern
verwendet wird. Bei diesen Kurzbogen-Entladungslampen ist typischerweise
Quecksilber in deren Leuchtröhren
abgedichtet, so dass beim Betrieb das Quecksilber UV-Strahlung ausstrahlt,
wie beispielsweise im Japanischen Patent Nr. 2-256150 gezeigt wird.
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Zur
ordnungsgemäßen Belichtung
des Flüssigkristall-Substrats
oder Farbfilters wird ca. 200 mJ UV-Energie benötigt. Anders ausgedrückt, bei
einer Beleuchtungsintensität
auf der Belichtungsfläche
von 10 mW/cm2 dauert die Belichtung 20 Sekunden.
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Folglich
wurden Wege zur Verkürzung
der Belichtungszeit als eine Methode in Betracht gezogen, um die
Produktivität
beim Belichtungsvorgang zu erhöhen.
Das heißt,
es wurde eine stärkere
Lampe zur Ausstrahlung der UV-Strahlung gesucht, um die Beleuchtungsintensität auf der
Belichtungsfläche zu
erhöhen.
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In
den letzten Jahren geht der Trend hin zu größeren Flüssigkristallanzeigegeräten. Der
Bedarf nach einer höheren
Produktivität
und niedrigeren Kosten haben somit dazu geführt, dass solche Mittel wie
das Multi-Planfräsen
unter Verwendung größerer Substrate
verwendet werden. Das heißt,
nachdem die Substrate größer wurden,
hat auch die Belichtungsfläche
entsprechend zugenommen, wodurch die Verwendung stärkerer Lampen
zur Ausstrahlung der UV-Strahlung nötig wurde.
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Für die Belichtung
von Flüssigkristallen
und Druckträgern
wird UV-Strahlung verwendet, die als g-Strahlen, h-Strahlen und
i-Strahlen bekannt ist. Die Intensität der von den Lampen ausgestrahlten UV-Strahlung
wurde erhöht,
indem große
Mengen von Quecksilber in den Leuchtröhren abgedichtet wurden.
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Gegenwärtig werden
Lampen in der Klasse mit 8 kW als Lichtquellen zur Belichtung verwendet, bei
welchen ca. 15 mg/cm3 Quecksilber in den Leuchtröhren abgedichtet
wurde.
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Für zukünftige Produktivitätserhöhungen oder
Erhöhungen
der Substratgröße wird
es nötig sein,
zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber in der Leuchtröhre abzudichten,
um die Intensität
des ausgestrahlten UV-Lichts zu verstärken.
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Bei
solchen Lampen, in welchen sich zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber
befindet, muss der Lampe eine höhere
Leistung zugeführt
werden, um das gesamte Quecksilber in den Leuchtröhren zu
verdampfen. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Anodentemperatur
zu erhöhen,
und der Stromfluss beträgt
im Allgemeinen zumindest 50 A.
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Andererseits
wird die UV-Strahlung, welche von derartigen Kurzbogen-Entladungslampen
ausgestrahlt wird, durch Spiegel und Linsen innerhalb der Belichtungsvorrichtung
auf die Belichtungsfläche
gebündelt.
Daher ist es wünschenswert,
dass der Lichtbogen-Leuchtfleck ziemlich klein ist, um eine gute Konvergenz
der UV-Strahlung zu erzielen. Als Folge davon wird als strukturelle
Maßnahme
zur Verkleinerung des Lichtbogen-Leuchtflecks bei Entladungslampen
der Abstand zwischen den Elektroden, zwischen der Kathode und der
Anode, verkleinert.
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Wenn
zum Verdampfen der großen
Menge Quecksilber, welches in der Leuchtröhre abgedichtet ist, die Eingangsleistung
vergrößert wird,
gibt es dennoch unvermeidlich einen großen Stromfluss zur Kathode,
was entsprechend zu einer Temperaturerhöhung der Kathode führt.
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Wenn
man ferner zur Verkleinerung des Lichtbogen-Leuchtflecks den Abstand
zwischen den Elektroden verkleinert, verkleinert sich auch der Raum,
in dem sich die Energie konzentriert, was entsprechend die Kathodentemperatur
noch mehr erhöht.
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Ein
Problem bestand daher darin, dass mit der Erhöhung der Kathodentemperatur
die von der Lampe ausgestrahlte UV-Strahlung zu streuen beginnt,
so dass das ausgestrahlte Belichtungslicht nicht gleichmäßig ist.
Wenn die Kathodentemperatur sich erhöht, verdampft außerdem die
Spitze der Kathode, und das Wolfram, aus welchem die Kathode besteht,
haftet an der Innenwand der Leuchtröhre und schwärzt diese.
Infolge aller dieser Faktoren wird die Menge der UV-Strahlung, welche
durch die Leuchtröhre
tritt, schnell reduziert und die Intensität der von der Kurzbogen-Entladungslampe
ausgestrahlten UV-Strahlung fällt
ab. Letztendlich muss die Kurzbogen-Entladungslampe sehr häufig ausgewechselt
werden und bietet nur eine sehr kurze Lebensdauer.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe
wird durch Anspruch 1 festgelegt.
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Die
erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe
vermeidet die Nachteile der vorstehend beschriebenen Entladungslampen.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Kurzbogen-Entladungslampe mit einer langen Lebensdauer
und minimaler Streuung der von der Lampe ausgestrahlten UV-Strahlung bereit.
Dies wird erfindungsgemäß erzielt
durch eine Unterdrückung
der Temperaturerhöhung
der Kathode.
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Zur
Lösung
der vorstehend beschriebenen Probleme schließt die Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
eine Anode und eine Kathode ein, welche in einer Leuchtröhre einander
gegenüberliegend
angeordnet sind. In der Leuchtröhre
sind ein Edelgas und zumindest 15 mg/cm3 Quecksilber
abgedichtet. Wenn die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe
mit Elektrizität
mit einem Stromwert von größer/gleich
50 A betrieben wird, beträgt
das Verhältnis
Y/X größer/gleich
500 (W/mm), wobei X festgelegt ist als der Abstand zwischen den
Elektroden, zwischen der Anode und der Kathode, in Millimetern und
Y festgelegt ist als die Eingangsleistung in Watt. Die Außenoberfläche der
Kathode weist, die Spitze ausgenommen, eine Wärmeabgabeschicht aus gesintertem
Wolframpulver auf.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel kann
die Kathode auf einer Außenoberfläche, die Spitze
ausgenommen, mit Rillen versehen sein und über den Rillen mit einer Wärmeabgabeschicht
aus Wolfram.
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Diese
und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
deutlicher ersichtlich werden, wenn diese in Zusammenhang mit den
zugehörigen
Zeichnungen betrachtet wird.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Darstellung der Kurzbogen-Entladungslampe gemäß einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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2 ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung
einer Kathode gemäß einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel,
welches in der Kurzbogen-Entladungslampe von 1 verwendet
wird.
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3 ist
eine vergrößerte perspektivische Darstellung
einer Kathode gemäß einem
anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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4 ist
eine diagrammatische Darstellung von Versuchsdaten, welche veranschaulichen,
wie sich die Kathodentemperatur ändert
bei Veränderungen
eines Leistungswertes zwischen den Elektroden, mit einer und ohne
eine Wärmeabgabeschicht
auf der Kathode.
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5 ist
eine diagrammatische Darstellung von Versuchsdaten, welche veranschaulichen,
wie sich die Aufrechterhaltung der Beleuchtungsintensität ändert mit
der Länge
der Betriebsdauer bei erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampen
und herkömmlichen
Kurzbogen-Entladungslampen.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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1 veranschaulicht
eine Kurzbogen-Entladungslampe 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, welche hier nachfolgend erläutert wird.
Wie deutlich zu sehen ist, schließt die Kurzbogen-Entladungslampe 10 in
diesem dargestellten Ausführungsbeispiel
eine Anode 2 und eine Kathode 3 ein, welche in
einer vorzugsweise aus Quarzglas bestehenden Leuchtröhre 1 einander
gegenüberliegend
angeordnet sind. Die Anode 2 und die Kathode 3 treten
jeweils durch ihre Dichtung 4 hindurch und sind mit Stromzufuhr-Basen 5 elektrisch
verbunden.
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In
der Leuchtröhre 1 kann
eine gewisse Menge eines Edelgases wie beispielsweise Xenon, Krypton
oder Argon abgedichtet sein. In der Leuchtröhre 1 ist auch Quecksilber
abgedichtet, welches zur Erzeugung von UV-Strahlung verwendet wird.
Die Anode 2 und die Kathode 3 bestehen vorzugsweise
aus Wolfram, und wie in 1 bis 3 zu sehen
ist, ist die Spitze der Kathode 3 kegelförmig, um
die elektrische Entladung zu verbessern.
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Um
die Kathode 3 kann eine Wärmeabgabeschicht 6 vorgesehen
sein, ausgenommen an deren Spitze in der gezeigten Art und Weise,
um die Temperaturerhöhung
der Kathode 3 zu unterdrücken. Die Wärmeabgabeschicht 6 kann
aus Wolframpulver mit einer Dicke von 3,5 bis 5,0 μm bestehen,
welches auf die Außenoberfläche der
Kathode 3 gesintert wurde.
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Konkreter
ist, wie in 2 am deutlichsten gezeigt wird,
die Wärmeabgabeschicht 6 auf
einer Außenoberfläche der
Kathode 3 gebildet, von einem Punkt, welcher von der Spitze 11 mit
einem Abstand B entfernt ist, bis zur Rückseite 12 der Kathode 3.
Der Außendurchmesser
A beim dargestellten Ausführungsbeispiel
kann 15 mm betragen, und der Abstand B kann 5 mm betragen. Der Grund
dafür,
dass die Wärmeabgabeschicht 6 die
Spitze 11 der Kathode 3 nicht bedeckt, liegt darin,
dass eine solche Abdeckung die Lichtbogen-Entladung der Kathode 3 stören würde.
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Da
ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Kathode in 3 veranschaulicht
wird, sind zur Klarheit die gleichen Teile mit den gleichen Nummern
bezeichnet wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Wie deutlich
zu sehen ist, schließt
die Kathode 3, wie in 3 gezeigt
wird, kreisförmige Rillen 31 ein,
welche auf der Außenoberfläche der Kathode 3 gebildet
werden, von einem Punkt aus, welcher von der Spitze 11 mit
einem Abstand B entfernt ist, bis zur Rückseite 12 der Kathode 3.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass anstelle der kreisförmigen Rillen 31 die
Kathode 3 alternativ mit einer spiralförmigen Rille (nicht dargestellt)
auf der Außenoberfläche versehen
werden kann. Der Außendurchmesser
A beim dargestellten Ausführungsbeispiel
kann 15 mm betragen, der Abstand B kann 5 mm betragen und die Steigung
der Rillen kann in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 mm liegen. Wie
zu sehen ist, wird vorzugsweise eine Wärmeabgabeschicht 6, welche
Wolframpulver mit einer Dicke von 3,5 bis 5,0 μm sein kann, über die
Rillen 31 gesintert.
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Durch
ein Versehen mit derartigen Rillen, ob sie nun kreisförmig oder
spiralförmig
sind, kann man den Flächeninhalt
der Wärmeabgabeschicht 6 vergrößern und
hierdurch den Wärmeabgabeeffekt
vergrößern.
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In
der Leuchtröhre 1 der
erfindungsgemäßen Kurzbogen-Entladungslampe 10,
wie in 1 dargestellt, ist zur Verstärkung der Intensität der ausgestrahlten
UV-Strahlung auch eine große
Menge Quecksilber abgedichtet. Konkret enthält diese vorzugsweise größer/gleich
15 mg/cm3, und kann, noch konkreter, ca.
25 mg/cm3 Quecksilber enthalten.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Menge des in der Leuchtröhre 1 abgedichteten
Quecksilbers größer/gleich
15 mg/cm3 beträgt, ist wie vorstehend beschrieben
wurde, eine große Leistungszufuhr
nötig,
um die Temperatur der Anode 2 zu erhöhen, damit das gesamte Quecksilber
in der Leuchtröhre 1 verdampft.
Folglich sollte der Strom, für
den die Lampe ausgelegt ist, vorzugsweise größer/gleich 50 A sein.
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Beim
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Kurzbogen-Entladungslampe 1 eine Eingangsleistung
von 4300 W mit einem Nennstromwert von ca. 70 A aufweisen.
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Wie
in 1 zu sehen ist, kann außerdem der Abstand X zwischen
den Elektroden, welcher der Abstand zwischen der Anode 3 und
der Kathode 2 der Kurzbogen-Entladungslampe 10 ist,
ca. 5 mm betragen, so dass der Leistungswert zwischen den Elektroden
(festgelegt als die Eingangsleistung dividiert durch den Abstand
zwischen der Anode und der Kathode) ca. 860 (W/mm) beträgt.
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Verschiedene,
hier nachstehend erläuterte Versuche
wurden durchgeführt,
um das Verhältnis zwischen
dem Leistungswert zwischen den Elektroden (W/mm) und der Kathodentemperatur
zu untersuchen. Unter Verwendung von Kurzbogen-Entladungslampen 10 des
in 1 dargestellten Typs wurde ein Versuch durchgeführt, indem
der Leistungswert zwischen den Elektroden verändert wurde durch Veränderung
des Abstandes zwischen den Elektroden X und/oder der Eingangsleistung
W, und indem Lampen mit und ohne Wärmeabgabeschicht über der
Kathode 3 untersucht wurden, um das Verhältnis dieser
Faktoren zur Kathodentemperatur zu untersuchen. Die Kathodentemperatur
ist hierbei die Temperatur, welche an der Spitze 11 der
Kathode 3 gemessen wird.
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Das
Versuchsergebnis wird in 4 gezeigt, wobei die Ordinatenachse
die Kathodentemperatur darstellt und die Abszissenachse den Leistungswert zwischen
den Elektroden (W/mm) darstellt. Zusätzlich zeigt die Kurve B von 4 das
Kathodentemperaturverhältnis
bei einer Kathode, welche nicht mit einer Wärmeabgabeschicht versehen ist.
Wie zu sehen ist, erreichte die Temperatur der Kathodenspitze 11 ca.
2900 °C
bei einem Leistungswert zwischen den Elektroden von 500 (W/mm).
Es wurde ersichtlich, dass die Temperatur der Kathodenspitze 3 rasch ansteigt
bei einer Zunahme des Leistungswertes zwischen den Elektroden (W/mm).
Insbesondere, wenn der Leistungswert zwischen den Elektroden 500 (W/mm) überschritt,
wies die Kathodenspitze 11 eine ausgesprochen hohe Temperatur
von 2900 °C
auf. Bei der Belichtung von Flüssigkristallsubstraten (nicht
dargestellt) in diesem Zustand, trat eine Streuung der UV-Strahlung
auf, welche von der Kurzbogen-Entladungslampe ausgestrahlt wird.
Infolgedessen war die Belichtung der belichteten Flüssigkristallsubstrate
ungleichmäßig.
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In 4 stellt
die Kurve A das Kathodentemperaturverhältnis bei einer Kathode dar,
welche mit einer Wärmeabgabeschicht 6 auf
der Kathode 3 versehen ist. Wie deutlich zu sehen ist,
besteht die Tendenz, dass die Temperatur an der Spitze 11 der
Kathode 3 mit der Erhöhung
des Leistungswerts zwischen den Elektroden (W/mm) ansteigt, aber
das Ausmaß dieses
Anstiegs ist sehr gering im Vergleich zum Anstieg der Kurve B, welche
eine Kathode ohne die vorstehend erläuterte Wärmeabgabeschicht darstellt.
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Wie
diese Ergebnisse deutlich machen, ist es möglich, die Wärme, die
sich an der Kathodenspitze 11 aufbaut, abzugeben, indem
eine Wärmeabgabeschicht 6 vorgesehen
wird. Man kann somit die Temperatur der Kathode 3 selbst,
und insbesondere der Kathodenspitze 11, welche die höchste Temperatur
aufweist, wirksam unterdrücken.
Infolgedessen ist die Streuung der UV-Strahlung, welche von der
Kurzbogen-Entladungslampe ausgestrahlt wird, minimal, so dass bei
Verwendung dieser Lampe als Lichtquelle in Belichtungsvorrichtungen
die Belichtung von Flüssigkristallsubstraten
oder von anderen behandelten Substanzen gleichmäßig ist.
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Als
nächstes
wurde die Veränderung
der Beleuchtungsintensität
im Lauf der Betriebszeit bei Kurzbogen-Entladungslampen 10 des
in 1 dargestellten Typs gemessen, sowohl mit als
auch ohne Wärmeabgabeschichten 6 auf
der Kathode 3. In 5 sind die
Versuchsergebnisse dargestellt. In 5 stellt
die Ordinatenachse den Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtungsintensität in Prozent
(%) und die Abszissenachse die Betriebszeit in Stunden (h) dar.
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In 5 ist
die Veränderung
der Beleuchtungsintensität
bei einer Kurzbogen-Entladungslampe
ohne Wärmeabgabeschicht
durch die Kurve B dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, fiel
die Beleuchtungsintensität
nach einem Betrieb von 700 Stunden auf 77 % ab. Im Gegensatz dazu
wurden die Änderungen
der Beleuchtungsintensität
bei einer Kurzbogen-Entladungslampe 10 mit
einer Wärmeabgabeschicht 6,
wie durch Kurve A gezeigt, nach einem Betrieb von 700 Stunden bei
hohen 87 % Beleuchtungsintensität
aufrechterhalten. Es wurde daher gezeigt, dass bei einem solchen
Ausführungsbeispiel
der Kurzbogen-Entladungslampe es selbst nach einer langen Betriebsdauer
nur zu einem geringen Abfall der Beleuchtungsintensität kommt.
Dies bedeutet folglich, dass die Kurzbogen-Entladungslampe eine
lange Lebensdauer haben würde.
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Die
erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe
ist daher in der Lage, mittels der Wärmeabgabeschicht 6 Wärme von
der Kathode 3 aktiv abzugeben, wodurch die Temperaturer höhung der Spitze 11 der
Kathode 3 wirksam unterdrückt wird und ebenfalls das
Verdampfen der Kathodenspitze 11 unterdrückt wird.
Dementsprechend würde
die erfindungsgemäße Kurzbogen-Entladungslampe 10 eine
lange Lebensdauer haben und eine Schwärzung der Leuchtröhre 1 durch
das Verdampfen der Kathode 3 unterdrücken können und würde eine hohe Beleuchtungsintensität auch nach
einer lange Betriebsdauer aufrechterhalten.
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Infolgedessen
gibt die vorliegende Erfindung eine Kurzbogen-Entladungslampe an,
welche die vorstehend erläuterten
Nachteile vermeidet und für eine
lange Lebensdauer bei minimaler Streuung der von der Lampe ausgestrahlten
UV-Strahlung sorgt. Wie vorstehend erläutert, wird dies erreicht durch
Unterdrückung
des Temperaturanstiegs in der Kathode.
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Obgleich
verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele
dargestellt und beschrieben wurden, ist die Erfindung selbstverständlich nicht hierauf
beschränkt.
Die Erfindung ist daher nicht beschränkt auf die dargestellten und
vorstehend beschriebenen Einzelheiten, sondern schließt auch
alle solchen Änderungen
und Modifizierungen ein, die innerhalb des Rahmens der Erfindung
liegen, wie sie durch die anhängigen
Ansprüche
festgelegt ist.