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Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe, bei welcher
eine Emission oder ein Strahlen durch Resonanzlinien
erhalten wird, welche aus Ionen in einem Anregungszustand
emittiert werden.
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Außerdem betrifft die Erfindung ein Lampenbetriebsverfahren
zum Betreiben derartiger Entladungslampen.
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Im Fall einer bekannten Entladungslampe wird
herkömmlicherweise eine Emission durch Spektrallinien verwendet, welche
innerhalb eines zwischen Elektroden gebildeten Lichtbogens
bei Übergängen von Atomen oder Ionen von einem
Anregungszustand zu einem anderen Anregungszustand oder Grundzustand
emittiert werden.
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Resonanzlinien, welche zu den Emissions-Spektrallinien
gehören, welche bei Übergängen von Atomen oder Ionen von
einem Anregungszustand in einen Grundzustand emittiert
werden, können wegen ihrer hohen Übergangswahrscheinlichkeit
im allgemeinen einen großen Strahlungsfaktor aufweisen.
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Lampen, deren ausgestrahlte Resonanzlinien Kurzwellen-
Ultraviolettstrahlen sind, haben daher einen hohen
industriellen Nutzwert. Lampen mit einer hohen Abgabe von
Kurzwellen-Ultraviolettstrahlen werden beispielsweise in
fotochemischen Industrien, bei der Herstellung von
Halbleitervorrichtungen usw. benötigt. Es gibt geeignete
Möglichkeiten einen derartigen Bedarf zu decken.
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Bei den gegenwärtig verwendeten Entladungslampen wird es
jedoch als nachteilig angesehen, daß unvermeidbar ein
sogenanntes Selbstabsorptions-Phänomen vorhanden ist. Das
heißt, daß optisch dicke Spektrallinien, beispielsweise
Resonanzlinien, welche innerhalb des Lichtbogens von den
Atomen oder Ionen im Anregungszustand emittiert werden, in
einem hohen Maß von gleichartigen Atomen oder Ionen
absorbiert werden. Diese Atome oder Ionen koexistieren
gleichzeitig in einem Grundzustand. Als Folge davon wird das
durch die Resonanzlinien zu erzielende Strahlungslicht
nicht mit einer hohen Strahlungsintensität von der Lampe
nach außen emittiert, und letztere ist praktisch
unbrauchbar.
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Beispielsweise werden bei einer Quecksilberlampe vom
Kurzbogentyp Resonanzlinien mit einer Wellenlänge von 185 nm
und 254 nm, welche von innerhalb eines Hochtemperatur-
Lichtbogens vorhandenem, in einem Anrgegungszustand
befindlichen Hg emittiert werden, von Hg, welches in einem
Teil mit einer niedrigen Temperatur an einer Peripherie des
Lichtbogens vorhanden ist und sich in einem Grundzustand
befindet, absorbiert. Daher werden die Resonanzlinien in
sehr geringem Maß von der Lampe nach außen emittiert.
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Im Fall von Entladungslampen kann eine emittierte
Lichtintensität üblicherweise durch Erhöhung eines Teildrucks
eines Hauptemissionsstoffes und durch Erhöhung der Temperatur
der Emissionsatome oder Ionen während eines Betriebs
vergrößert werden. Resonanzlinien können jedoch nur durch
Abschwächung des Selbstabsorptions-Phänomens emittiert
werden. Beispielsweise haben Resonanzlinien mit der
Wellenlänge von 254 nm und welche von Hg emittiert werden, nur
im Fall einer Quecksilberlampe mit einem extrem niedrigen
Druck von ca. 0,1 Pa eine für industrielle Anwendungen noch
ausreichende Intensität.
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Aus dem vorstehend beschriebenen Grund gibt es daher weder
eine brauchbare Mitteldrucklampe noch eine brauchbare
Hochdrucklampe mit einer hohen Abgabe von
Kurzwellen-Ultraviolettstrahlen.
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Die am 1. Juni 1994 veröffentlichte EP-A-0 599 229
offenbart eine Kadmium/Edelgas-Entladungslampe vom Kurzbogentyp,
bei welcher Kadmium bei einem Druck von 14 bis 200 kPa in
einem stationären Leuchtbetrieb eingekapselt ist. Die
Lampe wird derart betrieben, daß das Verhältnis des
Entladungsstroms in Ampere zum Kadmiumdruck in kPa während des
stationären Leuchtbetriebs im Bereich von 0,13 bis 15
liegt.
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Die GB-A-600 495 offenbart eine Kurzbogen-Entladungslampe,
bei welcher eine hohe Lichtausbeute mittels eines
Hochdrucks von Zn erreicht wird. Der Einschluß dieses Elements
in diese grundsätzliche Hg-Entladungslampe, welche
insbesondere allgemeinen Beleuchtungszwecken dient, ist für eine
Rot-Korrektur des dabei erzeugten Lichtes vorgesehen.
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Die Erfindung erfolgte auf der Grundlage der vorstehend
beschriebenen Tatsachen. Die Aufgabe der Erfindung ist es,
eine Entladungslampe zu schaffen, bei welcher es möglich
ist, Resonanzlinien zu verwenden, welche aus Zink-Ionen in
einem Anregungszustand emittiert werden und welche über
eine hohe Kurzwellen-Ultraviolettstrahlen-Abgabe verfügen.
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Ein weiteres Ziel ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer
Entladungslampe vorzusehen, welche als
Hauptemissionsmaterial Zink verwendet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Entladungslampe mit einem Paar Elektroden mit einem Abstand
zueinander von gleich oder kleiner als 12 mm versehen ist,
und deren Lichtbogen mittels der Elektroden stabilisiert
wird, wobei als Hauptemissionsstoff Zink in einer Menge
eingekapselt wird, welche einen Teildruck in Betrieb von
10³ Pa bis 3 x 10&sup4; Pa ermöglicht, und wobei der
Leuchtbetrieb so durchgeführt werden kann, daß
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0,7 < JL/P1/4 < 16,9 (a)
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wobei JL den Lampenstrom in A und B den Teildruck des
Zinks in Pa darstellt.
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Des weiteren wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem
Verfahren zum Betreiben einer Entladungslampe gelöst, welche
ein Paar Elektroden aufweist, die voneinander um 12 mm oder
weniger beabstandet sind, deren Lichtbogen mittels der
Elektroden stabilisiert wird und welche als
Hauptemissionsstoff Zink in einer Menge aufweist, welche einen Teildruck
im Betrieb von zwischen 10,3 und 3 x 10&sup4; Pa ermöglicht,
entsprechend welchem der Lampenstrom derart ist, daß die
Bedingung 0,7 < JL/P1/4 < 16,9 erfüllt ist,
wobei P den Teildruck des Zinks in Pa und JL den
Lampenstrom in A darstellt.
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Als Ergebnis der voranstehend beschriebenen Anordnung, in
welcher innerhalb des zwischen den Elektroden gebildeten
Lichtbogens eine geeignet hohe Temperatur erreicht wird und
welche konstant gehalten wird, wird eine relativ große
Menge Zink als Hauptemissionsmaterial innerhalb des oben
beschriebenen Lichtbogens ionisiert, so dab ein Zustand
erzielt wird, in welchem eine hohe Dichte Zinkionen Zn&spplus;
vorhanden ist.
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Infolge der niedrigen Temperatur der vorangehend
beschnetenen Peripherie des Lichtbogens wird jedoch Zink als
Hauptemissionsmaterial kaum ionisiert, so daß ein Zustand
erzielt wird, in welchem eine niedrige Dichte von Zinkionen
Zn&spplus; vorhanden ist.
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Als Folge davon werden von Zn innerhalb des Lichtbogens
emittierte Resonanzlinien mit einer Wellenlänge von 202,6
nm von der Lampe nach außen mit einer hohen Intensität
ausgestrahlt.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Entladungslampe oder zur Verwendung bei dem Verfahren der Erfindung
zum Betreiben der Lampe wird nachfolgend genauer in bezug
auf die Zeichnung beschrieben, wobei Fig. 1 eine
schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der
erfindungsgemäßen Entladungslampe oder zur Verwendung bei dem
Verfahren der Erfindung zum Betreiben der Lampe zeigt.
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Fig.1 zeigt schematisch in einer Querschnittsdarstellung
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Entladungslampe oder zur Verwendung bei dem Verfahren der Erfindung
zum Betreiben der Lampe. In Fig. 1 ist eine
Glas-Leuchtröhre mit 1 bezeichnet. Die Leuchtröhre weist in der Mitte
eine ungefähr kugelförmige Ausweitung 2 auf, welche einen
abgetrenneten Innenraum aufweist. An beiden Enden der
Leuchtröhre 1 befindet sich ein abgedichteter Bereich 3.
Innerhalb des Innenraums sind eine Kathode 4 und eine Anode
5 gegenüberliegend angeordnet. Die Basis der Kathode 4
sowie die Basis der Anode 5 sind jeweils an eine innerhalb
des abgedichteten Bereichs 3 hermetisch eingeschlossene
Metallfolie 6 angeschlossen. Jede der Metallfolien 6 ist an
einem Außen-Sockelstift 7 angeschlossen.
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Diese Entladungsröhre weist eine Anordnung als Lampe vom
Elektroden-Stabil-Typ auf, d. h., eine Lampe, deren
Lichtbogen mittels der Elektroden stabilisiert wird. Hierbei ist
ein Abstand L zwischen der Kathode 4 und der Anode 5 von
kleiner/gleich 12 mm und ein L/D, d. h., ein Verhältnis
zwischen dem Abstand zwischen den Elektroden L und einem
zur Elektrodenrichtung senkrechten Maximal-
Innendurchmesser D der Umhüllung 2 beispielsweise kleiner als 1, und
ein Lichtbogenzustand wird mittels der Elektroden konstant
gehalten.
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Innerhalb des durch die Umhüllung 2 abgeteilten Innenraums
wird Zink als Hauptemissionsstoff eingekapselt. Das Zink
wird in einer Menge eingekapselt, welche einen Teildruck P
des Hauptemissionsstoffes im Betrieb von 10³Pa bis
3 x 10&sup4;Pa ermöglicht und der Leuchtbetrieb wird mit
einem Lampenstrom JL durchgeführt, welcher die
folgende Bedingung (b) erfüllt:
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Bedingung
(b) 0,7 < JL P1/4 < 16,9.
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Das Zink wird bei einer Lampenherstellung als Zink-Metall
oder Zink-Halogenid oder als Gemisch davon eingekapselt.
Bei Bedarf kann innerhalb des Innenraums als Puffergas
Edelgas, wie Argon, Krypton oder dgl., oder Quecksilber
oder dgl. eingekapselt werden.
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Da die Lampe im Falle der vorstehend beschriebenen
Anordnung mit einem extrem hohen Lampenstrom JL betrieben
wird, wird eine geeignet hohe Temperatur innerhalb des
zwischen der Kathode 4 und der Anode 5 gebildeten und
konstant gehaltenen Lichtbogens erreicht. Als Folge
davon wird eine verhältnismäßig große Menge Zink als
Hauptemissionsstoff innerhalb des vorstehend beschriebenen
Lichtbogens ionisiert, wodurch ein Zustand entsteht, in
welchem eine niedrige Dichte von Zinkionen Zn&spplus; vorhanden
ist.
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In der Peripherie des Lichtbogens wird jedoch Zink als
Hauptemissionsstoff infolge des durch Stabilisieren des
Lichtbogens mittels der Kathode 4 und der Anode 5
entstehenden großen Temperaturunterschieds im Vergleich zu
jener in dem Lichtbogen kaum ionisiert, und dies führt zu
einem Zustand, in welchem eine niedrige Zn&spplus;-Dichte
vorhanden ist.
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Daher tritt das Selbstabsorptions-Phänomen nur selten auf,
und der Leuchtbetrieb wird in einem Zustand durchgeführt,
in welchem die Resonanzlinien, welche innerhalb des
Lichtbogens von dem Zn&spplus; emittiert werden, mit einer hohen
Intensität aus der Lampe nach außen emittiert werden, wie
aus den nachstehenden Versuchsbeispielen ersichtlich wird.
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Wenn jedoch der Abstand L zwischen der Kathode 4 und der
Anode 5 größer als 12 mm ist, tritt eine größere
Lichtbogenform auf. Es ist daher nicht wünschenswert, jene Art Lampe
zusammen mit einem Fokussierspiegel zu verwenden, weil dann
eine Absenkung des Bündelungswirkungsgrades auftritt.
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Im Fall, daß der Teildruck P während des Betriebs über 3 x
10&sup4; Pa ansteigt, erfolgt eine Abnahme der durch
Zinkionen zu erzielenden Emissionslinien-Intensität, weil
Zinkionen ihre Resonanzlinie mit einer Wellenlänge von 213,86 nm
absorbieren, und dies in einer größeren Menge stattfindet.
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Wenn der Lampenstrom niedrig ist und der Wert des
Verhältnisses JL/P1/4 kleiner/gleich 0,7 ist, wird das
Zink innerhalb des Lichtbogens nicht ausreichend ionisiert,
weil es schwierig ist, die Temperatur innerhalb des
Lichtbogens ausreichend zu erhöhen. Die Intensität der
Resonanzlinien, die nach außen ausgestrahlt werden, nimmt ab, weil
die Dichte des Zn&spplus; niedrig ist und zugleich das
Selbstabsorptions-Phänomen häufiger auftritt.
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Wenn der Lampenstrom JL hoch ist und der Wert des
Verhältnisses JL/P1/4 gleich oder größer als 16,9 ist,
erhöht sich die Haupttemperatur der Peripherie des
Lichtbogens ebenfalls. Daher wird das Zink der Peripherie des
Lichtbogens ionisiert, und die von Zn&spplus; innerhalb des
Lichtbogens emittierten Resonanzlinien werden von dem in
einem Grundzustand in der Lichtbogen-Periphene
befindlichen Zn&spplus; verhältnismäßig häufiger absorbiert.
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Wie vorstehend beschrieben ist, werden als Ergebnis der
Maßnahme der Erfüllung der vorangehenden Bedingung, eine
hohe Intensität und ein hoher Wirkungsgrad erzielt, so
daß eine Einschaltleistung der von Zn&spplus; emittierten
Resonanzlinien vorhanden ist.
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Bei Ausführung der Erfindung ist es zum Erzielen eines
Zustands, in welchem die Beziehung 0.7 < JL/P1/4 <
16,9 erfüllt ist, wünschenswert, die erfindungsgemäße
Entladungslampe so zu betreiben, daß sie innerhalb einer
Außenmantel-Röhre eingesetzt wird, und daß Luftschichten um die
Leuchtröhre 1 herum gebildet werden, so daß innerhalb des
Lichtbogens eine vorteilhafte, hohe Temperatur vorhanden
ist.
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Durch diese Maßnahme kann mit einer Temperatur einer Wand
der Leuchtröhre 1 von beispielsweise ca. 1000 bis 1200 K,
ein stabiler Zustand, in welchem die Temperatur der
Lichtbogenmitte ca. 9000 bis 10000 K beträgt, leicht erhalten
werden.
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Zur stabilen Aufrechterhaltung des Lichtbogen-Zustandes ist
es ferner erwünscht, den Leuchtbetrieb unter Verwendung
eines vertikalen Leuchtbetrieb-Systems durchzuführen, d. h.,
in einem Zustand, in welchem die Elektroden oben und unten
gegenüber angeordnet sind.
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Nachfolgend wird ein konkretes Versuchsbeispiel der
Erfindung beschrieben. Die Erfindung beschränkt sich jedoch
nicht auf die darin beschriebene Lampe.
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Eine Entladungslampe wurde in der Weise hergestellt, daß
innerhalb einer Leuchtröhre mit einem Abstand L zwischen
den Elektroden von 5 mm und einem Innenraum mit einem
Volumen von 22,1 cm³ 7 mg Zink-Element und Argon-Gas (mit
einem Druck von 0,3 MPa (3 atm) bei Einkapselung)
eingekapselt werden.
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Diese Entladungslampe wurde innerhalb einer Außenmantel-
Röhre unter Verwendung eines vertkikalen Leuchtbetriebs-
Systems und unter einer Bedingung betrieben, daß der
Lampenstrom JL 41 A betrug. Der Teildruck P des Zinks im
Betrieb betrug 6 x 10&sup4; Pa, das Verhältnis JL/P1/4
betrug 2,6 und die elektrische Eingangsleistung Q betrug
575 W. Im Hinblick auf das durch die Entladungslampe
ausgestrahlte Licht wurde eine spektrale Intensitätsverteilung
in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 250 nm gemessen,
aufgrund des Meßdiagramms ein integrierter Wert Φ der
Lichtintensität in einem Wellenlängenbereich von 201 bis
208 nm ermittelt und ein Verhältnis zwischen dem
integrierten Wert Φ und der elektrischen Eingangsleistung Q
(Φ/Q) x 100 berechnet. Der integrierte Wert Φ betrug
28,5 und das Verhältnis (Φ x Q) x 100 betrug 5,0.
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Erfindungsgemäß weisen von Zink-Ionen innerhalb eines
Lichtbogens emittierte Resonanzlinien infolge einer hohen
Dichte der vorstehend beschriebenen Ionen innerhalb des
Lichtbogens eine hohe Intensität auf, und zugleich wegen
einer niedrigen Dichte der Zink-Ionen in der Peripherie des
Lichtbogens werden sie mit einer großen Intensität von der
Lampe nach außen emittiert. Die Erfindung schafft auf diese
Weise eine Entladungslampe, bei welcher Zink als
Hauptemissionsmaterial eingekapselt ist, welche über eine hohe
Abgabe von Kurzwellen-Ultraviolettstrahlen und hohe
Lichtausstrahlung verfügt. Die Erfindung sieht ferner ein Verfahren
zum wirkungsvollen Betreiben von Entladungslampen vor, wobei
Zink als Hauptemissionsmaterial eingekapselt ist.