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Die Erfindung betrifft Entladungslampen
und insbesondere die elektrische Steuerung und Konstruktion derartiger
Lampen im Hinblick auf das Erreichen der gewünschten Emissionseigenschaften
bezüglich
der Wellenlänge.
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Bei einer weit verbreiteten Lampe
in der Innenbeleuchtung, der Fluoreszenzröhre, werden die Eigenschaften
einer Niederdruckentladung in Quecksilberdampf (typischerweise 7 × 10–3 Torr
(0,93 Pa), entsprechend einer Wandtemperatur von etwa 40°C) und Argongas
(typischerweise 3 Torr (400 Pa)) genutzt, die durch Anlegen einer
hohen Wechselspannung mit Netzfrequenz oder höher an einem Paar entweder
kalte oder geheizte Elektroden an einem Ende einer versiegelten
Glasröhre
erzeugt wird. Ein derartiges Plasma emittiert eine Anzahl an diskreten Quecksilber-Emissionslinien,
wobei die bei weitem stärkste
derselben die 254 nm-Resonanzlinie ist (bis zu 60% der gesamten
eingespeisten Lampenleistung kann in dieser Linie auftreten). Die
intensive W-Strahlung von 254 nm wird in eine nutzbare, breitbandig sichtbare
Strahlung durch eine Beschichtung aus rotem, grünem und blauem Phosphor auf
den Innenwänden
der Glashülle
umgewandelt.
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Ein bekannter Hauptnachteil der Fluoreszenzlampe
ist die große
Energiedifferenz (umgekehrt proportional zur Wellenlänge der
Strahlung) zwischen der Erregerstrahlung von 254 nm und dem Bereich
der sichtbaren Wellenlängen
von 400 nm bis 700 nm, d. h. dass eine sehr große "Stokes-Verschiebung" existiert. In der Theorie weist das
Photon von 254 nm ausreichend Energie auf, um zwei sichtbare Photonen
zu erzeugen, bspw. zwei Photonen von mehr als 508 nm, und ein Verfahren,
welches dies ermöglicht,
brächte einen
großen
Vorteil bezüglich
des Gesamtwirkungsgrades der Lampe. Ein praktisches Verfahren, um
dies zu erreichen, wurde bislang weder angewendet noch prinzipiell
beschrieben. Als Folge wird ein großer Anteil (typischerweise
75%) der in eine Fluoreszenzlampe herkömmlicher Konstruktion eingespeisten
Energie als Wärme
verschwendet.
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Kürzlich
wurde gezeigt, dass die Farbe der Emission aus Quecksilber-/Edelgasentladungen
signifikant verändert
werden kann, indem die Standard-Wechselspannungsversorgung (sinusförmig) durch
eine gepulste Energiezufuhr ersetzt wird. Durch M. Aono, R. Itatani
et al. (J. Light & Visual
Environment, Band 3, Nr. 1, Seite 1 bis 9, 1989) wurde gezeigt,
dass die relative Intensität
der Emissionen aus dem Edelgas selbst, die für gewöhnlich unbedeutend sind, durch
gepulste Erregung signifikant verstärkt werden kann. Dies wurde
ausgenutzt, um Lampen herzustellen, deren Phosphoremissionen je nachdem,
ob Wechselspannungserregung (sinusförmig) oder gepulste elektrische
Erregung eingesetzt wird, die Farbe ändert. Hitachi zeigte eine
elektrische Steuerung der Farbe der Emission aus Quecksilber/Edelgaslampen
und aus Xenon-Lampen, wie bspw. in der JP-A-5-135744 (Shinkishi et al) gezeigt ist.
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Der Effekt wurde ausgenutzt, um speziellen Anforderungen
des Handels zu genügen.
Bspw. wurde durch OSRAM Sylvania (EP-A2-700074) die gepulste Erregung
einer Neon-Entladungsröhre
beschrieben, um eine Lampe herzustellen, die sowohl als blinkendes
Anzeigelicht als auch als Bremslicht für Kraftfahrzeuge verwendet
werden kann.
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Durch Matsushita (JP-A-7-272672)
wurde eine Fluoreszenzlampe vorgestellt, die durch eine Energiezufuhr
mit hoher Frequenz gespeist wird, ergänzt durch eine gepulste Energiezufuhr.
Der genannte Vorteil liegt in einer Zunahme der Strahlungsintensität der Emission
der Wellenlänge
254 nm und in der Zunahme des Wirkungsgrades der Fluoreszenzlampe.
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In der EP-A1-334356 (VEB NARVA) wird ebenfalls
die Verwendung gepulster Entladungen erörtert, um eine gewünschte spektrale
Emission zu erzeugen, obwohl hier die Betonung auf der Verwendung
von Cäsium-
und/oder Rubidium-Entladungen unter
hohem Druck liegt, wobei gegebenenfalls Zusatzstoffe beigegeben
sein können
und kein Phosphor eingesetzt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird die Technologie der Verwendung gepulster Spannung auf andere
Art eingesetzt.
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Um die Erfindung zu erläutern, wird
zunächst auf 1 Bezug genommen, welche
die Hauptenergieniveaus und Übergänge des
Quecksilberatoms zeigt. Bei einer herkömmlichen Wechselspannungsentladung
ist die bei weitem intensivste Emission diejenige, die dem Übergang
von 63P1 in den
Grundzustand entspricht. Als Ergebnis davon wird das Spektrum der
kontinuierlich erregten Quecksilberentladung durch die Linie bei
etwa 254 nm dominiert.
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Die vorliegende Erfindung entstand
als Ergebnis einer detaillierten Untersuchung des zeitlichen Verhaltens
einer Quecksilber-Edelgasentladung, die einer solchen Erregung unterliegt.
Die Grundbeobachtung ist in 2 exemplarisch dargestellt,
welche die Emissionen von Quecksilberdampf, an den ein Spannungspuls
angelegt wird, bei 254 nm (zwei Übergänge; Resonanzlinie
bei 253,65 nm und der 3D1-3P0-Übergang bei 253,48 nm) und
bei 366 nm (vier Übergänge: 1D2-3P2 bei 366, 33 nm; 3D1-3P2 bei 366,
29 nm; 3D2-3P2 bei 365,48 nm;
und 3D3-3P2 bei 365,02 nm) über der
Zeit zeigt. Beide Sätze
an Übergängen zeigen
eine stufenartige Zunahme der Intensität, wenn der Spannungspuls angelegt
wird. Das nachfolgende Verhalten unterscheidet sie jedoch. Die Intensität bei 254
nm fährt über einen
Zeitraum fort zuzunehmen, bleibt hoch und fällt dann mit einer charakteristischen
Zeit ab, wenn die Spannung am Ende des Pulses abfällt. Im
Gegensatz dazu zeigt die Emission bei 365 bis 366 nm einem unmittelbaren Abfall
während
der Zeitspanne des Impulses, aber eine schrittweise Zunahme, wenn
der Impuls abgeschaltet wird. Nach einem Peak eine gewisse Zeit nach
dem Ende des Impulses zeigt sie einen Abfall in einer charakteristischen
Zeit, die länger
ist als diejenige, welche die Emission bei 254 nm unmittelbar nach
dem Impuls beschreibt. Die bemerkenswerte Konsequenz dieser letztgenannten
Effekte nach dem Impuls liegt darin, dass das Integral der Gesamtintensität der Emission
bei 366 nm über
einen gesamten Zyklus der sich wiederholenden Pulsabfolge dasjenige
der Emission bei 254 nm übersteigt,
wenn die Zykluszeit lang genug ist.
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Untersuchungen über einen breiten Bereich von
Bedingungen zeigten, dass das Verhalten dieser beiden Entladungsemissionen
am Ende jedes Impulses, der zuvor beschrieben wurde, charakteristisch für die vorherrschenden
Bedingungen der Wandtemperaturen, der Gaszusammensetzung und des
Druckes war, d. h. der Vergleichsprozesse, welche die Besetzungen
der beteiligten emittierenden Elektronenzustände steuen.
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Die anhaltende Verstärkung der
Emission bei 254 nm während
des Impulses stammt wahrscheinlich vom Übergang der Nettobesetzung
der Grundzustände
von Quecksilber, 1S0,
in die verschiedenen Erregungszustände, wodurch der Strahleneinfang
der Strahlung bei 254 nm, der ein starkes Merkmal des Wirkungsmechanismus
einer Fluoreszenzlampe darstellt, verringert wird (es besteht wahrscheinlich
auch eine Zunahme der Emission der anderen Resonanzlinie von Quecksilber
bei 184,96 nm während
des Impulses). Die plötzliche
Zunahme der Emission bei 366 nm beim Ende des Impulses entsteht
möglicherweise
durch die schnelle Zunahme der Besetzung der hocherregten Quecksilberzustände, die
durch die Neutralisation der hohen Dichte von Quecksilberionen,
die während
der Periode innerhalb des Impulses vorhanden sind, erzeugt werden.
Erregte Edelgaszustände
können
auch eine Rolle spielen.
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Die Erkenntnis der relativen Wichtigkeit
der hinteren Kante der angelegten Pulse kann auf interessante Art
benutzt werden. Bspw. kann eine Quecksilber-/Edelgasentladung so
betrieben werden, dass die Intensität der Emission bei 366 nm die
Intensität der
Emission bei 254 nm signifikant übersteigen
kann (bei der Plasmaemission einer typischen Fluoreszenzröhre begünstigt dieses
Verhältnis
die Linie bei 254 nm um einen Faktor von mehr als 20; siehe 3). Somit ist es durch Optimieren
der Konstruktion einer impulsgetriebenen Quecksilber-/Edelgasentladung
in Bezug auf das Verhalten zwischen den Impulsen möglich, das Verhältnis der
Strahlung bei 366 nm zur Strahlung bei 254 nm um einen Faktor von
mindestens 100 zu erhöhen.
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Diese relative Verstärkung der
Linie bei 366 nm gegenüber
derjenigen bei 254 nm und allgemein die Verschiebung der Emissionsverhältnisse,
die durch die Verwendung gepulster Erregung hervorgerufen werden,
können
auf verschiedene Arten genutzt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird
deshalb eine Entladungslampe angegeben, aufweisend eine Röhre zum
Enthalten eines Entladungsmediums und ein Steuermittel zum Anlegen
eines Feldes an das Medium, um eine Entladung innerhalb der Röhre hervorzurufen,
wobei die Entladung in dem Medium, wenn sie durch ein einfaches
Wechselfeld erregt wird, zwei Linien bei einer ersten und einer zweiten
Wellenlänge
enthält,
wobei die erste Wellenlänge
vorherrscht, in der das Steuermittel dafür ausgelegt ist, eine Wellenform
anzulegen, welche aus relativ kurzen Erregerpulsen ("Markierungen") und relativ langen
Perioden ohne Erregung ("Zwischenräume") besteht, so dass
das Integral über
eine Periode der Intensität
des Lichtes, das bei der zweiten Wellenlänge emittiert wird, größer ist
als das entsprechende Integral für
die erste Wellenlänge.
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Bei den entsprechenden Verfahren
wird ein elektrisches Signal an eine Entladungslampe angelegt, die
eine Röhre
enthält,
in der ein Entladungsmedium enthalten ist, um eine Entladung innerhalb
der Röhre
hervorzurufen, wobei das Signal aus relativ kurzen Pulsen und relativ
langen Perioden ohne Erregung besteht, so dass das Integral über eine
Periode der Intensität
des Lichts, das bei der zweiten Wellenlänge emittiert wird, größer ist
als das entsprechende Integral für
die erste Wellenlänge.
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Vorzugsweise stammen die beiden Wellenlängen aus
Emissionen aus einem einzelnen oder demselben Element in der Entladung.
Vorteilhafterweise ist die aktive Komponente des Entladungsmediums
Quecksilber, wobei der Rest Edelgas, bspw. Argon oder Neon, ist,
und die beiden Wellenlängen betragen
254 nm bzw. 366 nm. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Emission
bei 366 nm mindestens zwei mal so stark wie diejenige bei 254 nm.
Zu diesem Zweck sollte der Arbeitszyklus, d. h. das Verhältnis der "Markierung" zur Gesamtperiode,
zwischen 10–1 und
10–3 liegen,
vorzugsweise bei etwa 10–2. Der Gasdruck kann
von der Größenordnung von
5 bis 30 Torr (670 bis 4000 Pa) sein, und die Wandtemperatur (Temperatursenke)
kann etwa 25 bis 30°C
betragen. Die Pulsbreite kann weniger als etwa 1 μs betragen,
vorzugsweise weniger als 0,5 μs, und
die Frequenz etwa 5 bis 10 kHz. Die Röhre kann Elektroden auf herkömmliche
Art enthalten, um das Feld anzulegen, wobei die Maximalspannung,
die an diese Elektroden angelegt wird, etwa 1,4 kV beträgt und der
Strom etwa 1 Ampere ist.
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Im Fall einer Quecksilberdampflampe
kann die Röhre
als WA-Quelle bei
365 nm eingesetzt werden, wobei sie für normale Beleuchtungszwecke
vorzugsweise mit Standard-Phosphoren ausgekleidet ist, die bei sichtbaren
Wellenlängen
emittieren, wenn sie von dem in der Quecksilberentladung erzeugten W-Licht
getroffen werden. Gemäß der Erfindung
ist das Spektrum der Lampe, d. h. der Entladung, hier eher im Hinblick
auf die Energieverteilung als bezüglich einer Farbe interessant:
Die Lampe emittiert nur mittels der Phosphore, und der Farbausgleich
der Phosphore ändert
sich nicht signifikant, wenn das Erregungsverfahren verändert wird.
Darüber
hinaus interessieren bei einer Quecksilberdampflampe eher die Quecksilberlinien
als die Edelgasemissionen.
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Diese Maßnahmen führen zu einer Fluoreszenzlampe,
die intrinsisch effizienter ist als die Standardfluoreszenzlampe,
die bei 254 nm betrieben wird. Der Hauptgrund hierfür liegt
in der beträchtlich geringeren
Stokes-Verschiebung,
die beim Umwandeln eines Photons von 366 nm in ein Photon des sichtbaren
Bereichs beteiligt ist. Unter anderen wichtigen Vorteilen befindet
sich auch eine günstigere
Eigenschaft der Strahlung bei 366 nm gegenüber derjenigen von 254 nm im
Hinblick auf die Materialermüdung
durch W-Strahlung. Die Phosphore auf einer solchen neuen Generation
von Fluoreszenzlampen wären
für eine
Erregung von 366 nm anstelle derjenigen bei 254 nm optimiert (obwohl
sie auf jedes Licht bei 254 nm ansprechen würden), wodurch die Effizienz
weiter erhöht
wird.
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Die Erfindung ist auf alle Entladungslampen anwendbar,
nicht nur auf Quecksilberdampflampen, wie sie in Gebäuden, Fahrzeugen
oder Straßenlichtern
eingesetzt werden. Allgemein werden eher Emissionen verwendet, die
auftreten, nachdem die Erregung aufgehört hat, als Emissionen während der Erregung,
und insbesondere während
einer mehr oder weniger stationären
Entladung. Solche Posterregungsemissionen treten bspw. in Deuteriumentladungen
im gepulsten Betrieb auf. Die erste Wellenlänge kann entweder höher oder
niedriger sein als die zweite.
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Gemäß einem alternativen Aspekt
ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Ansteuern einer Entladung
durch Anlegen eines elektrischen Signals an ein Entladungsmedium
gerichtet, wobei das elektrische Signal auf gepulste Art angelegt
wird und der Puls beendet wird, bevor die Entladung einen stabilen
Zustand erreicht. Typischerweise kann dies das Beenden der Erregung
beinhalten, wenn eine geeignete elektrische Variable, bspw. der
Strom durch die Entladung, etwa die Hälfte ihres stabilen Wertes
erreicht hat. Dies dauert typischerweise etwa 0,5 μs.
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Das Prinzip kann dazu verwendet werden, Entladungsemissionen
von Phosphoren, die von diesen Emissionen erregt werden, abzustimmen,
um Stokes-Verluste zu minimieren. Demzufolge ist die Erfindung gemäß einem
weiteren alternativen Aspekt auf eine Entladungslampe gerichtet,
die ein Entladungsmedium und ein Gehäuse für das Medium und Mittel zum
Anlegen eines elektrischen Feldes an das Medium aufweist, wobei
die Wand des Gehäuses
mit einem Phosphor-Material
beschichtet ist, das bei einer Wellenlänge λ emittiert, und wobei das das
Feld anlegende Mittel dafür
ausgelegt ist, das Feld gepulst mit einer solchen Frequenz und einem
solchen Arbeitszyklus anzulegen, dass die Entladung des Mediums
vorzugsweise bei einer Wellenlänge Λ auftritt, wobei Λ/λ > 0,6.
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Bei einigen Ausführungsformen kann es vorzuziehen
sein, dass die Hauptemissionslinie oder -linien in der Entladung
bezüglich
der Wellenlänge
innerhalb von 20% der Emission des Phosphors liegen. Bei normalen
Beleuchtungsanwendungen, bei denen λ natürlich im sichtbaren Bereich
liegt, sollte die Wellenlänge
im nahen W-Bereich liegen, d. h. < 400
nm.
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Gemäß einem vierten Aspekt der
Erfindung wird eine gepulste Entladungslampe als Quelle für intensive
monochromatische Strahlung im nahen W-Bereich zur Verwendung in
LCD-Hintergrundbeleuchtungen
verwendet. Bei WLCDs, d. h. LCDs unter Verwendung von W-Hintergrundbeleuchtungen und
Phosphoremittern auf der Betrachterseite, welche emittieren, wenn
sie von dem W-Licht getroffen werden, ist es besonders wünschenswert,
wenn die Hintergrundbeleuchtung Wellenlängen nahe am sichtbaren Bereich
zu verwenden, da für
die meisten Flüssigkeitskristallmaterialien
sogar Wellenlängen von
366 nm schädlich
sind.
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Somit ist gemäß diesem Aspekt die Erfindung
auf eine Anzeige gerichtet, die einerseits eine Entladungslampe
mit einem Entladungsmedium und einem Gehäuse für das Medium und Mitteln zum
Anlegen eines elektrischen Feldes an das Medium, um das Medium zum
Emittieren von Strahlung anzuregen, und andererseits ein Verschlussmittel
umfasst, auf das die Strahlung gerichtet wird, um die Strahlung zu
schalten, um es zu ermöglichen,
dass sie selektiv auf den Phosphor-Emitter trifft, wobei das das
Feld anlegende Mittel dafür
ausgelegt ist, das Feld gepulst bei einer solchen Frequenz und einem
solchen Arbeitszyklus anzulegen, dass sich das Medium vorzugsweise
bei einer Wellenlänge
entlädt,
die nahe bei der liegt, mit welcher der Phosphor emittiert. Vorzugsweise
beträgt
das Wellenlängenverhältnis mindestens
in etwa 0,6. Natürlich
ist das Verhältnis
in einer Farbanzeige für
die blauen Phosphore höher
als für
die roten Phosphore.
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Ein solches Beleuchtungssystem für LCDs, bei
denen das Entladungslicht direkt verwendet wird, ist viel effizienter
als eines, bei dem ein zwischengesetzter Phosphor dazu verwendet
wird, es bspw. in 365 nm umzuwandeln, was für batteriebetriebene Anzeigeeinrichtungen
ein wichtiger Gesichtspunkt ist. Die Wellenlänge ist vorzugsweise im Bereich
von 350 bis 400 nm, insbesondere so nahe bei dem oberen Wert wie
möglich
im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Gesichtspunkte.
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Für
ein besseres Verständnis
der Erfindung werden nun beispielhaft Ausführungsformen mit Bezug auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
Graph ist, der die Hauptenergieniveaus von Quecksilber zeigt, die
die charakteristischen Linien erzeugen;
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2 die
Ausgangsintensität
einer gepulsten Entladung über
der Zeit zeigt;
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3 die
Spektralverteilung einer Serpentinlampe zeigt, die gemäß dem Stand
der Technik betrieben wird;
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4 die
gepulste Wellenform zeigt, die erfindungsgemäß eingesetzt wird, wobei 4A eine Skizze der eingesetzten
Wechselpulse ist und 4B den
Verlauf der Auslösung
einer Entladung zeigt;
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5 einen
experimentellen Aufbau zum Vergleichen von Lampenanordnungen des
Standes der Technik und gemäß der Erfindung
zeigt;
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6 die
bei einer Ausführungsform
der Erfindung eingesetzte Schaltung zeigt;
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7 experimentelle
Ergebnisse für
den Effekt des Arbeitszyklus und der PRF (Pulswiederholungsfrequenz)
auf die Strahlung einer Quecksilberlampe zeigt;
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8 die
Spektralverteilung von Lampen zeigt, welche erfindungsgemäß betrieben
werden;
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9 die
Spektralverteilung der in 5 veranschaulichten
Lampen zeigt; die 10 bis 12 die Ergebnisse weiterer
Untersuchungen zum Verhalten einiger der Quecksilberlinien während gepulster
Erregung zeigen; und
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13 die
Intensität
der Deuteriumlinie bei 656 nm für
gepulste Erregung zeigt.
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1 zeigt
die relevanten Energieniveaus des Hg-Atoms, wie bereits erörtert. Bei
einer typischen Niederdruck-Quecksilberdampflampe
sind die relativen Größen der
Emissionslinien in 3 ersichtlich,
wo zu beobachten ist, dass die bei weitem intensivste Strahlung
bei 254 nm liegt.
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Bei der ersten Ausführungsform
der Erfindung wird die Entladung durch Pulse angesteuert, wie schematisch
in 4A gezeigt, welche
einen Arbeitszyklus von 0,005 und eine Pulswiederholungsfrequenz
von 10 kHz aufweisen. Um den maximalen Gebrauch der Posterregungsemissionen
zu machen, sollte der Puls so schnell wie möglich enden, wenn die Entladung
beginnt. Wie in 4B gezeigt,
wo zum Zweck der Veranschaulichung ein Puls von 5 μs bei t =
0 angelegt wurde, zeigt die Spannungslinie V einen anfänglichen
Peak (des Graphen) und fällt dann
auf einen stabilen Wert ab, während
der Stromverlauf A einen kleinen anfänglichen Peak, welcher wohl
das Laden der kapazitativen Elemente des Systems, wie bspw. der
Leitungen, zeigt, und dann eine ständige Zunahme auf einen konstanten
Wert darstellt (der Graph T ist ein Triggerimpuls, der für die gegenwärtige Diskussion
nicht relevant ist). Die Erregung sollte beendet werden, wenn die
Entladung etwa zur Hälfte
aufgebaut ist, d. h. nach etwa 0,5 μs. Der Abbau des Impulses findet
statt, wenn die Kapazität
des Systems niedrig gehalten wird, bei etwa 100 ns.
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Der Arbeitszyklus d ist durch die
Gleichung d = tON/(tON +
tOFF) gegeben, während die Pulswiederholungsfrequenz
PRF durch die Gleichung PRF = 1/(tON + tOFF) gegeben ist. Die Antriebswellenform
wechselt zwischen positiv und negativ verlaufenden Pulsen, um eine
durchschnittliche Spannung gleich Null über der Lampe aufrechtzuerhalten.
Die Pulsspitzenspannung VP variiert aufgrund
der konstanten Durchschnittsleistung des Systems, wie nachstehend
beschrieben. Ihr Maximalwert liegt bei 1,4 kV.
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Die Konstruktion der Lampe ist weitgehend gleich
wie bei einer Standard-Hg-Lampe, mit Ausnahme der Antriebsschaltung,
wie ebenfalls nachstehend erörtert.
Eine Demonstrationseinheit, um die beiden unterschiedlichen Wege
zum Erzeugen sichtbarer Strahlung einander gegenüber zu stellen, wurde gemäß der in 5 gezeigten Konstruktion
aufgebaut. Zwei Lampen identischer Konstruktion wurden beiderseits
einer Trennwand in einem Gehäuse
angeordnet. Die Konstruktion der Lampen war weitestgehend gleich
derjenigen einer Standard-Quecksilberlampe: dreifach oxidbeschichtete,
dreifach gewickelte Elektroden an den Enden jeder der Lampen wurden
mit gleichen Leistungen über
unabhängige Heizschaltungen
erhitzt. Die U-förmigen
Lampen mit einem Entladungsweg der Länge 100 mm waren aus Quarz
aufgebaut. Beide Lampen waren mit Quecksilber und Argon versetzt
und keine der Lampen war mit Phosphor beschichtet.
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Eine Lampe wurde mit einer herkömmlichen Hochfrequenz-Wechselspannung (33
kHz) betrieben, während
die andere durch die nachstehende gepulste Spannungsversorgung betrieben
wurde. Der Argondruck betrug 5 Torr (670 Pa), obgleich ein großer Druckbereich
eingesetzt werden kann, bspw. 2 bis 50 Torr (270 bis 6700 Pa). Der
Quecksilberdruck entsprach einer Wandtemperatur von 27°C. Die Konfiguration
von 5 dient dazu, die
Verwendung von Lampen als Hintergrundbeleuchtung für LCDs des Typs
W Phosphor zu simulieren.
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Die Emissionen jeder Lampe sind im
oberen Teil von 9 gezeigt.
Die durch eine herkömmliche Schaltung
angesteuerte Lampe emittiert vorherrschend bei 254 nm, die andere
Lampe vorherrschend bei 366 nm. Die Emission bei 254 nm der herkömmlich angesteuerten
Lampe wurde zunächst
mit einem umwandelnden Phosphor, das auf Bimssteinglas aufgebracht
wurde, zu 366 nm umgewandelt, um jegliche W-Strahlung unterhalb
etwa 300 nm zu entfernen. Die Emissionen aus beiden Lampen wurden dann
gefiltert, um jegliche sichtbare Strahlung zu entfernen. Die resultierenden
Emissionen sind im unteren Teil von 7 gezeigt.
Schließlich
wurden beide dazu verwendet, ein Phosphor zu erregen, das Strahlung
von 366 nm in sichtbare Strahlung umwandelt. Für die gegebenen Betriebsbedingungen,
gemäß denen
sowohl die Heizleistungen und die dissipierten Gesamtleistungen
in jeder Lampe gleich waren, war die durch die gepulste Schaltung
angesteuerte Lampe um 300 heller.
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6 zeigt
die für
diese Ausführungsform verwendete
Schaltung. Ein Leistungswandler 101 mit konstantem Durchschnitt
gibt eine Leistung von bspw. 2 Watt mit einer maximalen Spannung
von 400 v aus. Der Ausgang wird über
einer H-Brücke
aus verstärkenden
MOSFETs angelegt, deren zentraler Balken durch einen Induktor 105
gebildet wird, welcher seinerseits Teil eines Transformators ist,
dessen Ausgang an die Elektroden der Lampe 21 angelegt wird, und
zwar bei einer Maximalspannung von etwa 1400 V. Die Antriebsschaltung
107 schaltet die jeweiligen Transistoren ein und aus, um wechselweise entgegengesetzt
gepulste Ströme
durch den Induktor 105 zu schicken, um somit die erwünschte Pulswellenform,
wie in 4 beispielhaft
dargestellt, zu erzeugen. Aus 7 ist
deutlich ersichtlich, dass, insbesondere bei Frequenzen oberhalb
von 1 kHz, das Verkürzen
des Arbeitszyklus die Strahlung bei 366 nm und das Verhältnis dieser
Strahlung zu derjenigen bei 254 nm verstärkt. Dies liegt vermutlich
an der Konzentration der Spektrallinien bei 365 bis 366 nm, von
denen alle in dem gepulsten Erregermodus erregt werden.
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In den Experimenten wurde ein Verhältnis von
etwa 2 : 1 bei Arbeitszyklen von etwa 3 × 10–3 erreicht,
und es scheint keinen Grund zu geben, dass nicht noch höhere Ergebnisse
erzielt werden können. Natürlich senkt
das Verkürzen
des Arbeitszyklus die Gesamtleistungsabgabe für eine gegebene maximale Pulshöhe, so dass
ein Kompromiss erreicht werden muss, wobei die nutzbare untere Grenze
bei etwa 10–3 liegt.
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8 zeigt
die Variation im gesamten Spektrum, wenn der Arbeitszyklus bei einer
konstanten Wiederholungsrate von 5 kHz verkürzt wird. Die drei Graphen
weisen jeweilige Arbeitszyklen von 0,19, 0,043 und 0,0033 auf. Es
ist anzumerken, dass die Linie bei 508 nm systembedingt ist, wobei
sie nur eine Verdoppelung der Linie bei 254 nm darstellt.
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Der Effekt der Vorspannung des Entladungsausgangs
gegen die Emission bei 366 nm ist aus dem Graphen von 9 ersichtlich, welche die W-Emissionen
und den resultierenden (gefilterten) den Phosphor stimulierenden
Eingang der beiden Lampen vergleichen. Die Graphen der rechten Seite für die herkömmliche
(nicht gepulste) Lampe zeigen, dass die bei weitem stärksten Emissionen
bei 254 nm auftreten, was in einer entsprechend geringen Strahlung
bei 366 nm (von der zwischengesetzten Phosphorschicht) resultiert.
Die Graphen auf der linken Seite, bei denen die vorherrschende Entladungslinie bereits
bei 366 nm liegt, ergeben einen sehr viel höheren und schärferen Peak
bei 366 nm. Es wird darauf hingewiesen, dass die auf den y-Achsen
gezeigten Intensitäten
nicht maßstabsgerecht
sind.
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10 zeigt
das Verhalten der Emissionen bei 254 nm und 365 nm für unterschiedliche
Pulsbreiten und Pulsfrequenzen. Sie zeigt, dass über dem Pulsbreitenbereich
0,5 μs bis
5 μs und
dem Frequenzbereich 10 bis 50 kHz die Linie bei 365 bezüglich der
Intensität
mit zunehmender Breite abnimmt, während die Linie 254 zunimmt.
Für beide
Linien steigt die Intensität
mit abnehmender Frequenz, obwohl der durchschnittliche Strom konstant
gehalten wird.
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11 zeigt
detaillierter und in größerer Zeitauflösung das
Verhalten der Emissionen bei 365 nm für Pulse variierender Länge bei
einer konstanten Frequenz von 10 kHz und einen konstanten durchschnittlichen
Entladungsstrom. Es ist ersichtlich, dass der anfängliche
Peak umso höher
ist, je kürzer der
Puls ist. Dies ist eine Folge des Erfordernisses einer gegebenen
durchschnittlichen Strahlung. Es scheint darüber hinaus, dass je kürzer der
Puls ist, desto höher
die anschließende
Strahlung bei 365 nm ist, wobei ein signifikanter Anteil der Emission ("Nachglühen") in den wenigen
Dutzend μs
nach dem Puls bei Pulsen, die kürzer
sind als etwa 2 μs,
auftritt. Es scheint plausibel, dass ein Puls mit einer höheren Spannung
als normal erforderlich ist, um einige der höheren Energiezustände der
Gasmischung aufzufüllen,
die sich dann abbauen, um den 365 nm-Übergang zu "speisen", wobei dies jedoch eine Vermutung ist.
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12 zeigt
eine einfache Spektralanalyse des Nachglühens für Pulse von 4 μs bei 10
kHz. Es ist ganz offensichtlich, dass bei den Linien bei 405 nm,
435 und 546 nm im Vergleich zu 365 nm-Linie faktisch kein Nachglühen stattfindet.
Die 254 nm-Linie ist hier nicht gezeigt.
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13 zeigt
eine gepulste Entladung für eine
(reine) Deuteriumentladung, wobei V die angelegte Spannung, I der
Strom und B die Intensitätslinie der
Emissionslinie bei 656 nm sind. Hier ist ersichtlich, dass für diese
Linie ein geringfügiges
Nachglühen
existiert, wobei andere D-Linien diesen Effekt nicht zeigen. Somit
kann gepulste Erregung den Ausgang der 656 nm-Linie im Vergleich
mit den anderen Spektrallinien des Deuteriumspektrums begünstigen.
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Es ist möglich, die Effizienz des Systems weiter
zu verbessern, indem die Pulsform weiter verbessert wird. Bei Systemkonstruktionen,
welche keine Zündhilfsschaltungen
oder -elektroden umfassen, ist es ratsam, ein zeitliches Profil
der führenden
Kante auszubilden, welches während
der schnellen Strom-Spannungszunahme beim Beginn des Pulses Beschädigungen
der Elektroden minimiert: wenn die Spannung beim Anstieg nach oben
geht, beginnen innerhalb des Mediums einige Prozesse, die dabei helfen,
die Entladung zuverlässig
zu initiieren, ohne eine zu hohe maximale Pulsspannung. Zweitens
sollte die Dauer des Pulses so kurz wie möglich sein, da während dieser
Zeit die Hauptwellenlänge
des stationären
Zustands vorherrscht. Drittens sollte der Puls so schnell wie möglich beendet
sein. Insbesondere sollte der Puls ein asymmetrisches Profil aufweisen. Ein
allgemein günstiges
Pulsprofil weist einen stufenartigen Anstieg von null Volt auf die
Maximalspannung auf, wo ein nahezu unmittelbarer Abfall auf null Volt
stattfindet, wobei kein Plateau zwischengesetzt ist.
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Die Zeit zwischen den Pulsen (d.
h. die Pulswiederholungsfrequenz) ist eine Funktion der ausgewählten Betriebsbedingungen
der Lampe (d. h. der Wandtemperatur der Lampe, der Füllgaszusammensetzung
und des Füllgasdruckes).