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Elektrische Edelgaslampe mit mindestens einer indirekt beheizten Glühelektrode
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Edelgaslampen mit einer oder mehreren
Glühelektroden und hat ein intensives und rationelles Leuchten des Gasinhaltes solcher
Lampen zum Ziel.
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Es sind elektrische Lampen mit im Betrieb entwickeltem Alkalimetalldampf.
vorgeschlagen worden, bei welchen ein Leuchten dieses Dampfes durch Innehalten einer
Temperatur von Zoo bis 300° C und Aufdrücken einer entsprechenden Spannung erzielt
werden sollte; dabei wurde eine direkt geheizte Glühkathode aus Wolfram mit zugehöriger
Anode oder ein Wolframglühfaden, zwischen dessen Teilen eine Entladung stattfindet,
in der Lampe angeordnet, und der gewünschte Temperaturbereich sollte ' durch die
Wärmestrahlung dieser Glühkörper oder durch Erwärmung bzw. Abkühlung der Lampe von
außen aufrechterhalten werden. Diese Lampen besitzen eine Reihe schwerwiegender,
in der Natur der Metalldämpfe selbst gelegener Nachteile, wie beispielsweise das
Kondensieren der Dämpfe bei Abkühlung, die chemische Einwirkung der Dämpfe auf die
Glasteile usw.; auch wird die Glühkathode aus blankem Wolframdraht in kürzester
Zeit durch Zerstäubüng des Wolframs zerstört. Alle diese Nachteile lassen es als
aussichtslos erscheinen, auf dem vorgeschlagenen Weg durch Vervollkommnung der Metalldampf-Lampen
eine dauernd betriebsfähige und rationelle Lichtquelle für allgemeine Beleuchtungszwecke
zu erhalten. Ein Fortschritt in dieser Richtung ist nur durch Verbesserung und Weiterausbildung
der elektrischen Edelgaslampen zu erwarten, da die Edelgase die erwähnten ungünstigen
Eigenschaften, der Metalldämpfe nicht besitzen.
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Bei den bisher gebräuchlichen Edelgaslampen mit Glühelektroden befanden
sich die Elektroden j e an einem Ende eines langen, zylindrischen Glasrohres, und
die in diesem Rohr - erzeugte positive Säule bildete das Nutzlicht der Gasentladung.
Es ist ferner vorgeschlagen worden, in einem ballonförmigen Kolben der positiven
Entladung die Gestalt eines die Glühkathode einschließenden leuchtenden Ringes zu
geben, und zwar dadurch, daß man um die Glühkathode herum eins durchlöcherte oder
netzartige Ringanode oder Kappenanode von großer Oberfläche anordnet, um so der
positiven Säule, die sich bekanntlich nur zwischen den Elektroden ausbilden kann,
die Ringform der Anode aufzuzwingen. Eine solche Lampe hat den Nachteil eines schlechten
Nutzeffektes, da Licht nur aus dem Raum innerhalb der Ringanode ausgesendet und
von dieser in erheblichem Maße abgefangen wird; überaus störend wirkt auch der Schatten,
den die großflächige Anode wirft. Diese Mängel sind grundsätzlicher
Art
und können auf dem vorgeschlagenen Wege nicht vermieden werden, da nach der bisherigen
Annahme die Ringform und die große Oberfläche der Anode notwendige Mittel sind,
um eine die Glüh-. kathode umhüllende Leuchterscheinung zu exZ; zeugen. Es schien
daher nicht möglich; eine ballonförmige Edelgaslampe mit vollleuchtendem Gasinhalt
frei von lichthemmenden, schattenwerfenden Innenteilen zu schaffen.
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Daß dies doch möglich ist, zeigt nun die vorliegende Erfindung, welche
auf der durch Versuche gestützten, überraschenden Erkenntnis beruht, daß es einer
ringförmigen, großflächigen Anode nicht bedarf, um die Glühkathode mit einer Leuchterscheinung
zu umhüllen, daß man vielmehr an Stelle der positiven Säule eine neuartige, die
Glühelektrode oder -elektroden umhüllende, intensive und eigenartige Leuchterscheinung
erhält, wenn man nur durch genügende gegenseitige Annäherung der Elektroden von
der obenerwähnten, gebräuchlichen, zylindrischen Lampenform abgeht und alle jene
Hindernisse beseitigt, die einer freien Entfaltung wirksamer Leuchterscheinungen
im Gas und um eine Glühelektrode herum bisher -im. Wege standen. Um diese Leuchterscheinung
. hervorzurufen, müssen folgende Bedingungen eingehalten werden: Die das Feld bestimmenden
Elektroden müssen einander so nahe sein, daß im Betriebe der Lampe .eine zur allseitigen
Leuchtanregung des Gases um die betreffende Glühelektrode herum ausreichende Feld-
bzw. Stromdichtverteilung entsteht. Die Wandung des Lampenkolbens muß von jeder
Glühelektrode genügend weit entfernt sein, damit sie der Entstehung und Entfaltung
der Leuchterscheinung nicht hindernd im Wege steht. Von den das Feld bestimmenden
Elektroden soll mindestens eine als indirekt beheizte Glühelektrode ausgebildet
sein, um nennenswerte Potentialunterschiede zwischen verschiedenen Stellen der emittierenden
Glühkathodenoberfläche zu vermeiden, die um die Glühkathode herum eine zur Leuchtanregung
ungünstige Potentialverteilung und überdies eine Konzentrierung der Entladung auf
eine einzelne Stelle der Glühkathode und damit eine rasche Zerstörung derselben
zur Folge hätten. Selbstverständlich sind die übrigen Verhältnisse und Betriebsbedingungen
(Gasdruck, Betriebsspannung usw.) in jedem Einzelfa11 und je nach der Natur der
Gasfüllung so zu wählen, daß eine Anregung des Gases zum Leuchten überhaupt möglich
ist. Als das Feld bestimmende Elektroden der Lampe sind jene Leiter im Innern der
Lampe anzusehen, deren elektrischer Spannungsunterschied für das Auftreten der leuchtenden
Gasentladung bestimmend und notwendig ist.
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Die neuartige Leuchterscheinung besteht aus einem an die Glühelektrode
unmittelbar .angrenzenden, intensiven Licht (Kernlicht .oder Aureole) und einer
schwächer leuchtenden Außenzone (Außenschale). Das Kernlicht bildet nicht wie das
negative Glimmlicht kalter Elektroden eine die Elektrode bedeckende dünne Lichthaut,
sondern erstreckt sich auf einen Bezirk der. Gasfüllung, der sich von der geringen
Dicke einer Lichthaut größenordnungsmäßig unterscheidet. Die Leuchtkraft der Außenzone
nimmt mit zunehmender Entfernung von der Glühelektrode ab, so daß schließlich, falls
der Glaskolben genügend groß ist, eine Grenze der Leuchterscheinung erreicht wird,
wo keine oder fast keine Leuchtwirkung mehr wahrnehmbar ist und der Gasraum jenseits
dieser Grenze bis zur Kolbenwandung dunkel, d. h. nichtleuchtend bleibt.
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Die durch Versuche gewonnene Erkenntnis, daß die neue Leuchterscheinung
nach Charakter und Verhalten dem kathodischen Entladungsgebiet angehört, bildet
die Grundlage, welche die Schaffung einer Edelgaslampe mit volleuchtendem Gasinhalt
und unbehinderter Abstrahlung ermöglicht. Sie lehrt nämlich, daß es für das Zustandekommen
einer wirksamen, die Glühkathode umhüllenden Leuchterscheinung nicht erforderlich
und überdies nachteilig ist, eine die Leuchterscheinung begrenzende und die Lichtaussendung
störende, großflächige Ringanode zu verwenden, daß vielmehr eine Elektrodenkonfiguration
gewählt ' werden kann und soll, welche die unbehinderte, volle Entfaltung und Ausstrahlung
der neuen Leuchterscheinung nach allen Seiten zuläßt. Es herrscht also große Freiheit
in der Wahl der Elektrodenanordnung (so genügt z. B. die Ausbildung beider Elektroden
als indirekt beheizte Röhrchen der angeführten Bedingung); doch ist gerade die bisher
für notwendig erachtete großflächige Ringanode unzulässig, da sie durch ihre erhebliche
, elektrostatische Schirmwirkung die freie Entfaltung der neuen Leuchterscheinung
be- i hindert und andererseits durch ihre große Fläche in störender Weise schattenwerfend
wirkt.
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Wird die angegebene, aus der Erkenntnis des Charakters der neuen Leuchterscheinung
fließende Vorschrift für die Wahl der Elektrodenkonfiguration eingehalten, so bedarf
es nur noch einer - allerdings wesentlichen - Maßnahme, um das Ziel der Erfindung
zu erreichen. Versuche haben ergeben und führen zu der eben erwähnten Maßnahme,
daß man durch Anpassung der Gestalt und
Abmessungen- des Glaskolbens
an die natürliche äußere Begrenzung der Leuchterscheinung erreichen kann, daß kein
oder fast kein Dunkelraum innerhalb des Kolbens übrigbleibt, ohne daß die volle
Entfaltu*jRa der Leuchterscheinung (Kernlicht -E- Außer zonenlicht) gehemmt wird.
Zu diesem ZwJl wählt man die Abmessungen des Lampenkolbens kleiner oder ebenso groß-
wie jene der frei entfalteten Leuchterscheinung, so daß die Leuchterscheinung in
der Hauptsache-bis an.die Kolbenwandung reicht. Es entspricht dann der bei vorgegebener
Elektrodenanordnung und vorgegebenen Betriebsbedingungen zum Leuchten anregbare
oder angeregte Gasbereich ungefähr dem Inhalt des Glaskolbens, so daß eine besonders
günstige, ja maximale Ausnützung aller Möglichkeiten der Entladung hinsichtlich
der Leuchtwirkung stattfindet.
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Selbstverständlich, kann diese günstigste Anpassung von Kolben und
Leuchtbereich statt durch Veränderung der Kolbengröße bei unveränderten sonstigen
Verhältnissen auch durch Veränderung irgendwelcher den Bereich der frei entfalteten
Leuchterscheinung beeinflussender Betriebsfaktoren bei unverändertere Kolbeninhalt
erreicht werden. -Die erfindungsgemäßen Lampen, können sowohl für Gleichstrom- als
auch für Wechselstrombetrieb gebaut werden. Bei Gleichstrom wird man für gewöhnlich
nur die Kathode als indirekt beheizte Glühelektrode ausbilden, während es bei Wechselstrom
vorteilhaft ist, beide Elektroden als indirekt beheizte Glühelekroden auszubilden,
zumal die übliche Gestalt einer solchen Glühelektrode schon die Voraussetzung erfüllt,
daß sie in den Zeiträumen, in denen sie als Anode wirkt, die freie Entfaltung der
Leuchterscheinung nicht - behindert. Die Lampen können einen kugelförmigen oder
kugelähnlichen Glaskolben besitzen, was den Vorteil hat, daß die feldbestimmenden
Elektroden bei Verwendung eines üblichen Glühlampenballons meistens schon infolge
der vorgegebenen beschränkten Innenabmessungen des Ballons einander so nahe sind,
daß rund um jede Glühelektrode eine die Glühelektrode umhüllende Leuchterscheinung
entstehen kann. Zweckmäßig ist auch eine symmetrische Anordnung der Elektroden,
wobei die Elektroden in einer Mittelebene vom _ Mittelpunkt der Kugel gleich weit
entfernt liegen. Die Elektronen emittierenden Glühelektroden können; wie an sich
bekannt, als '(Tlühröhrchen, die von Heizdrähten durchsetzt sind, also als sogenannte
innenbeheizte Glühelektroden, ausgeführt werden. Um jede solche Glühelektrode herum
bildet sich dann ein Bereich intensiven Leuchtens, das Kernlicht, und diese Bereiche
selbst sind von einer .schwächer leuchtenden Außenzone oder Schale umschlossen,
deren Leuchtgrenze-beispielsweise einen ungefähr kugelförmigen Bezirk einschließt,
dessen Durchmesser in einem be-,'sonderen Fall das Dreifache des Elektroderiabstandes
beträgt. Wird nun der Durchmesser des Kolbens so gewählt, daß die Kolbenwandung
ungefähr mit dieser Leuchtgrenze zusammenfällt, so wird der ganze Gasraum zur Leuchtwirkung
beitragen, und die Leuchterscheinung wird bei den vorgegebenen Betriebsbedingungen
ihr größtes Ausmaß erreicht haben. Wird der Durchmesser des Kolbens größer als dieser
optimale Wert gewählt, so verbleibt zwischen Kolbenwandung und äußerer Leuchtgrenze
ein nicht leuchtender Gasraum im Innern des Kolbens. Unterschreitet der Kolbendurchmesser
den optimalen Wert,. so leuchtet zwar der ganze Gasinhalt des Kolbens, das räumliche
Ausmaß der Leuchterscheinung sinkt aber unter den maximalen Wert, den es bei freier
Ausbreitung hätte erreichen können. In dem obengenannten Beispiel ist also der optimale
Wert des Kolbendurchmessers ungefähr das Dreifache des gegenseitigen Elektrodenabstandes.
Der mögliche Elektrodenabstand hängt von der Beschaffenheit der Lampe ab; er kann
beispielsweise 5o mm betragen, und dann soll der kugelförmige Kolben nicht mehr,
aber auch nicht weniger als ungefähr I5o mm betragen, wenn die Lampe trotz maximaler
Ausbreitung der Leuchterscheinung voll leuchten soll.
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Es ist klar, daß die Kugelform des Kolbens nur ein .Beispiel ist und
durch andere Formen ersetzt werden kann, auch durch die kurze zylindrische Form,
wenn nur die Bauart den erfindungsgemäßen Bedingungen für die freie Entfaltung der
Leuchterscheinung entspricht. Die Lichtverteilung wird selbstverständlich auch von
der Gestalt der Lampe, abhängen. Beim Entwurf der Lampe wird man vorteilhafterweise
von der Annahme eines unter den gegebenen Verhältnissen möglichen Elektrodenabstandes
ausgehen.