DE69921222T2

DE69921222T2 - Quecksilberhochdrucklampe

Info

Publication number: DE69921222T2
Application number: DE69921222T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Himeji-shi Sugitani; Hiroto Himeji-shi Sato; Takashi Tatsuno-shi Ito; Yoshihiro Himeji-shi Horikawa
Original assignee: Ushio Denki KK
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1999-03-29
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: US6271628B1; KR19990083058A; TW417135B; JPH11297268A; EP0949657B1; EP0949657A2; DE69921222D1; EP0949657A3; KR100515253B1; JP2980882B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der gewerblichen Anwendung
Die Erfindung betrifft eine Quecksilber-Hochdrucklampe und ein Verfahren für deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Quecksilber-Höchstdrucklampe, bei welcher ein Entladungsgefäß mit wenigstens 0.16 mg/mm³ Quecksilber gefüllt ist, bei welcher der Quecksilber-Dampfdruck während des Betriebs wenigstens 110 atm beträgt, und welche als Hintergrundlicht einer Flüssigkristall-Anzeigenvorrichtung oder dergleichen verwendet wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Bei einer Flüssigkristall-Anzeigenvorrichtung vom Projektionstyp besteht ein Bedarf an einer gleichmäßigen Beleuchtung von Bildern auf einer rechteckigen Bildfläche mit einer ausreichenden Farbwiedergabe. Es wird deshalb als Lichtquelle eine Metallhalogenidlampe verwendet, welche mit Quecksilber sowie Metallhalogeniden gefüllt sind. Die Metallhalogenidlampen wurden in letzter Zeit noch weiter verkleinert, so dass sie mehr und mehr Punktlichtquellen darstellen. In der Praxis werden Metallhalogenidlampen mit einem äußerst kleinen Abstand zwischen den Elektroden eingesetzt.
Ausgehend von diesem Hintergrund wurden in letzter Zeit statt Metallhalogenidlampen Lampen mit einem äußerst hohen Quecksilber-Dampfdruck vorgeschlagen, welcher beispielsweise bei mindestens 200 bar (ca. 197 atm) liegt. Hierbei wird durch eine Erhöhung des Quecksilber-Dampfdrucks die Streuung des Lichtbogens unterdrückt (konzentriert) und ferner eine weitere Erhöhung der Lichtintensität angestrebt. Diese Lampen sind beispielsweise in der Japanischen Offenlegungsschrift HEI 2-148561 und dem entsprechenden US-Patent 5,109,181 sowie in der Japanischen Offenlegungsschrift HEI 6-52830 und dem entsprechenden US-Patent 5,497,049 offenbart.
US 338 23 96 A offenbart eine Quecksilberhochdrucklampe mit 0.12 mg/mm³ Quecksilber und 5 × 10^–4 bis 5 × 10^–2 μmol/mm³ Halogengehalt. Das Halogen wird der Lampe in Form eines Alkalihalogenids zugeführt.
Im US-Patent 5,109,181 ist eine Quecksilber-Hochdrucklampe offenbart, bei welcher ein mit einem Elektrodenpaar aus Wolfram versehenes Entladungsgefäß mit einem Edelgas, wenigstens 0.2 mg/mm³ Quecksilber und einem Halogen im Bereich von 1 × 10^–6 bis 1 × 10^–4 μmol/mm³ gefüllt ist. Diese Lampe wird mit einer Wandbelastung von größer/gleich 1 W/mm² betrieben. Der Grund für die Zugabe einer Quecksilbermenge größer/gleich 0.2 mg/mm³ liegt in einer Verbesserung der Farbwiedergabe durch eine Erhöhung des Quecksilberdrucks und des kontinuierlichen Spektrums im Bereich der sichtbaren Strahlen, insbesondere im Rotbereich. Der Grund für die Wandbelastung von größer/gleich 1 W/mm² liegt in dem Bedarf an einer Temperaturerhöhung in dem kühlsten Bereich, um den Quecksilberdruck zu erhöhen. Der Grund für die Zugabe des Halogens ist eine Verhinderung der Schwärzung der Röhrenwand, was dem Patent zu entnehmen ist. Der Grund für die Festlegung der Halogenmenge im Bereich von 1 × 10^–6 bis 1 × 10^–4 μmol/mm³ ist jedoch nicht beschrieben. Beschrieben ist ferner auch, dass das Halogen in Form von Methylenbromid (CH₂Br₂) zugegeben wird.
Andererseits ist in US-Patent 5,497,049 offenbart, dass zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Quecksilbermenge, der Wert der Wandbelastung, die Halogenmenge, die Form des Entladungsgefäßes sowie der Abstand zwischen den Elektroden festgelegt ist und ferner als Halogensorte Brom verwendet wird. Der Grund für die Zugabe des Broms liegt in einer Verhinderung der Schwärzung der Röhrenwand. Ab einer Zugabe von 10^–6 μmol/mm³ Brom wird eine ausreichende Wirkung erzielt. Ferner wird gezeigt, dass bei einer Brommenge von mehr als 10^–4 μmol/mm³ die Elektroden geätzt werden. Ferner ist beschrieben, dass diese Lampe als eine Projektor-Lichtquelle geeignet ist und dass der Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtung der Bildfläche eines Flüssigkristall-Projektionsfernsehgerätes besser ist als bei einer herkömmlichen Lampe.
Aufgrund der in den vorstehend beschriebenen Druckschriften des Standes der Technik offenbarten Spezifikationen wurde eine Vielzahl der Lampen hergestellt, in einen Flüssigkristall-Projektor eingebaut und Versuche im Hinblick auf die Beleuchtungsintensität der Bildfläche durchgeführt. Im Ergebnis wurde ersichtlich, dass in der Realität nach einem Betrieb der Lampen von einigen hundert Stunden die Beleuchtungsintensität der Bildfläche erheblich verringert war.
Diese Verringerung der Strahlungslichtintensität resultierte aus einer milchigen Eintrübung eines Teils des Entladungsgefäßes. Ferner breitet sich die milchige Eintrübung rasch aus, sobald sie einmal in einem Teil des Entladungsgefäßes entstanden ist. Die Entstehung sowie die Ausbreitung dieser milchigen Eintrübung führen zu einer Schwärzung der Röhrenwand, ferner treten zusätzlich Verformungen sowie Abnutzung der Elektrodenspitzen auf. Es wurde herausgefunden, dass durch synergistische Einflüsse eine Verringerung der Beleuchtungsintensität der Bildfläche verursacht wird.
Hierbei ist der Mechanismus der Entstehung der milchigen Eintrübung in dem Entladungsgefäß und der Ausbreitung der entstandenen milchigen Eintrübung nicht ganz klar. Als Folge der von den Erfindern gesammelten und überprüften Untersuchungen wird jedoch folgendes vermutet:
Bei einer Entladung in einem Gasgemisch aus Quecksilberdampf mit einem äußerst hohen Druck, wobei die Menge an zugefügtem Quecksilber wenigstens 0.16 mg/mm³ beträgt, und dem Edelgas wird Excimer-Licht von Quecksilber-Edelgas in einem Wellenlängenbereich zwischen Edelgas-Excimer-Licht und einer Quecksilber-Resonanzlinie mit einer Wellenlänge von 185 nm erzeugt. Wenn als Edelgas Ar, Kr und Xe verwendet werden, entsteht jeweils Edelgas-Excimer-Licht mit Wellenlängen von ca. 126 nm, 146 nm sowie 172 nm. Da der Quecksilber-Druck sehr hoch ist, nimmt die Linienbreite der Resonanzlinie der Quecksilberatome mit 185 nm zu. Die Lichtintensität mit Wellenlängen, welche kürzer sind als die der Resonanzlinie, wird relativ verstärkt. Zugleich entsteht zwischen dem Edelgas-Excimer-Licht und dem Licht der Wellenlänge 185 nm Quecksilber-Edelgas-Excimer-Licht.
Bei einer derartigen Quecksilber-Höchstdrucklampe werden das Excimer-Licht durch das Edelgas (Licht mit den Wellenlängen von 126 nm, 146 nm und 172 nm), das Licht mit den Wellenlängen, welche kürzer sind als die Resonanzlinie der Quecksilberatome bei 185 nm, sowie das Quecksilber-Edelgas-Excimer-Licht (nachfolgend wird dieses "UV-Strahlung kurzer Wellenlängen" genannt) im Bandbereich von ca. 126 nm bis 185 nm, äußerst gut ausgestrahlt. Diese UV-Strahlung kurzer Wellenlängen weist auf der Innenseite des Entladungsgefäßes eine äußerst große Bestrahlungsdichte auf, weil die Wandbelastung des Entladungsgefäßes groß ist.
Andererseits besteht eine Tendenz, dass der Wellenlängenbereich, in welchem die Absorption durch das das Entladungsgefäß bildende Quarzglas erfolgt, in Richtung auf längere Wellenlängen verschoben wird, wenn die Temperatur des Entladungsgefäßes hoch wird. Bei einer Quecksilber-Hochdrucklampe mit einem hohen Wert der Wandbelastung von größer/gleich 0.8 W/mm² weist das Quarzglas eine sehr hohe Temperatur auf, wodurch die ausgestrahlte UV-Strahlung kurzer Wellenlängen von dem Quarzglas absorbiert wird.
Das heißt dass bei einer Quecksilberlampe mit einem äußerst hohen Quecksilber-Dampfdruck sowie einer äußerst hohen Wandbelastung UV-Strahlung kurzer Wellenlängen in einer Intensität ausgestrahlt wird, welche mit der UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen einer üblichen Quecksilberlampe nicht vergleichbar ist, und diese UV-Strahlung kurzer Wellenlängen befindet sich in einem Zustand, in welchem sie von dem Quarzglas leicht absorbiert wird.
Wenn die vorstehend beschriebene UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen von dem Quarzglas absorbiert wird, wird die Bindung von Silizium (Si) mit Sauerstoff (O), welche das vorstehend beschriebene Quarzglas bildet, zerstört wodurch eine Dehnungs-Spannung und somit eine fundamentale Veränderung der Oberflächenzusammensetzung der Quarzglasoberfläche entstehen. Bestrahlung mit der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen verursacht Verdampfung von Si oder SiO, aus welchem das Quarzglas besteht, und das Si oder SiO wird an der unmittelbar benachbarten Oberfläche des Quarzglases adsorbiert. Wenn große Mengen UV-Strahlung kurzer Wellenlängen absorbiert werden, entstehen deshalb auf der Oberfläche des Quarzglases feine konvexe oder konkave Stellen, wodurch vermutlich die milchige Eintrübung auftritt.
In diesem Fall ist die absorbierte Menge an UV-Strahlung kurzer Wellenlängen in einem Zustand, in welchem die Oberfläche des Quarzglases rein ist, relativ klein. Es besteht jedoch eine Tendenz, dass das Ausmaß der Absorption desto größer wird, je mehr Verunreinigungen vorhanden sind. Daher ist es wünschenswert während des Betriebs der Lampe eine Regelung zu haben die den Effekt hat, dass die Innenoberfläche des Quarzglases keine Verunreinigungen aufweist. Aus diesem Grund ist es notwendig, das Mischen von Stoffen, welche Verunreinigungen im Entladungsgefäß verursachen, während der Lampenherstellung so weit wie möglich zu vermeiden.
Hierbei ist Kohlenstoff ein verunreinigender Stoff, der besonders schwierig zu handhaben ist, weil er in der Herstellungsumgebung der Lampe in Form von verschiedenen organischen Verbindungen vorkommt.
Wenn in einem Teil des Quarzglases die milchige Eintrübung entsteht, wird durch mehrfach Reflexion des Lichtes, welches Infrarotstrahlung enthält, Wärme absorbiert, wodurch die Temperatur dieses milchig eingetrübten Teiles ansteigt. Als Folge davon verschiebt sich das von dem Quarzglas absorbierte Licht zu längeren Wellenlängen hin, wodurch die Absorption der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen von dem Quarzglas noch mehr beschleunigt wird. Man kann sich vorstellen, dass als Folge davon auch die Bildung der feinen konvexen oder konkaven Stellen beschleunigt wird und dass deshalb die milchige Eintrübung rasch fortschreitet.
Ferner verdampft Si oder SiO aus der Röhrenwand, wenn die Bindung von Si und 0 des Quarzglases durch UV-Bestrahlung zerstört wird. Das verdampfte Si oder SiO haftet an den E lektrodenspitzen an und senkt den Schmelzpunkt des Wolframs ab, was eine Verformung sowie Abnutzung der Elektrodenspitzen sowie eine Schwärzung der Röhrenwand durch Wolfram verursacht.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Quecksilber-Hochdrucklampe anzugeben, bei welcher eine Entstehung sowie ein Fortschreiten der milchigen Eintrübung in dem das Entladungsgefäß bildenden Quarzglas vorteilhaft verhindert werden kann, und bei welcher somit, bei einer Verwendung einer Quecksilber-Hochdrucklampe als Lichtquelle für einen Flüssigkristall-Projektor oder dergleichen, eine rasche Abnahme der Bildflächen-Beleuchtungsintensität verhindert wird.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einer Quecksilber-Hochdrucklampe, welche ein Entladungsgefäß aus Quarzglas aufweist, das ein gegenüberliegend angeordnetes Elektrodenpaar aus Wolfram enthält und welches eine Menge Quecksilber vonwenigstens 0.16 mg/mm³, Edelgas sowie wenigstens ein Halogen enthält, und bei welcher die Wandbelastung bei größer/gleich 0.8 W/mm² liegt, dadurch gelöst, dass die Einfüllungsmenge des Halogens im Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–3 μmol/mm³ festgelegt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe in einem Verfahren zur Herstellung einer Quecksilber-Hochdrucklampe, in dem ein Entladungsgefäß aus Quarzglas eingegenüberliegend angeordnetes Elektrodenpaar aus Wolfram enthält, Quecksilber in einer Menge von mindestens 0.16 mg/mm³, Edelgas und wenigstens ein Halogen in Form einer Halogenverbindung und in der die Wandbelastung wenigstens 0.8 W/mm² beträgt, dadurch gelöst, dass das wenigstens eine Halogen in Form einer kohlenstofffreien Halogenverbindung in das Entladungsgefäß eingefüllt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe in Verbindung mit einem der oben beschriebenen Aspekte der Erfindung dadurch gelöst, dass die mittlere OH-Radikal-Konzentration in einem Bereich, welcher von der Innenoberfläche des vorstehend beschriebenen Entladungsgefäßes ausgehend eine Tiefe von 0.2 mm aufweist, nicht höher als 20 ppm ist.
Die Lösung der Aufgabe wird darüber hinaus dadurch vereinfacht, dass Quecksilberhalogenid als Halogenverbindung benutzt wird, insbesondere wenn es an einem Bauteil oder einem Teil eines Bauteils der Lampe angelagert wird.
Ein weiterer Faktor der zusätzlich zur Lösung der Aufgabe beiträgt, ist dass die zugegebene Menge an Edelgas bei größer/gleich 5 kPa liegt.
Zur Lösung der Aufgabe, das heißt, zur vorteilhaften Verhinderung der Entstehung sowie der Ausbreitung der milchigen Eintrübung der Röhrenwand des Entladungsgefäßes wird folgendes vorgeschlagen:

1. Verringerung der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche zur Oberfläche der Röhrenwand (Quarzglas) gelangt.
2. Verminderung der Verunreinigungen, welche die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen häufig absorbieren, konkret, die Verringerung von Kohlenstoff.
3. Reformierung des Quarzglases an sich, so dass es eine ausreichende Beständigkeit gegen UV-Strahlung kurzer Wellenlängen aufweist.

Im Bezug auf die erste oben beschriebene Lösung der Aufgabe, also bei der Zugabe von wenigstens einem Halogen in einer vorgegebenen Menge, konkret in einer Menge von 2 × 10^–4 μmol/mm³ bis 7 × 10³ μmol/mm³, durch die Einfüllung von mindestens 2 × 10^–4 μmol/mm³ Halogen wird die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen durch diese Halogene) aus einer entsprechenden halogenhaltigen Verbindung vorteilhaft absorbiert. Als Folge davon verringert sich die Menge an UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche zu der Röhrenwand (dem Quarzglas) des Entladungsgefäßes gelangt. Das bedeutet dass die Entstehung sowie die Ausbreitung der milchigen Eintrübung, welche infolge der Bestrahlung des Quarzglases mit UV-Strahlung kurzer Wellenlängen sowie infolge der Absorption von UV-Strahlung kurzer Wellenlängen auftritt, vorteilhaft verhindert werden kann. Ferner kann, da die Einfüllungsmenge der Halogene nicht unbeschränkt ist, sondern auf kleiner/gleich 7 × 10^–3 μmol/mm³ beschränkt ist, die Verformung sowie Abnutzung der Elektroden, welche durch überschüssige Halogene verursacht werden, auf ein Maß reduziert werden, welches keinen Einfluss auf die Praxis hat.
Quecksilber-Hochdrucklampen, welche mit mindestens einem Halogen in dem vorstehend beschriebenen Mengenbereich gefüllt sind, sind aus einigen Druckschriften des Standes der Technik bekannt (beispielsweise aus der Japanischen Patent Offenlegungsschrift SHO 49-5421). Bei derartigen herkömmlichen Lampen wird jedoch unter Ausnutzung des Halogenzykluses eine sogenannte Schwärzung verhindert, die dadurch entsteht, dass das die Elektroden bildende Wolfram auf der Innenseite des Entladungsgefäßes (dem Quarzglas) anhaftet. Erfindungsgemäß wird dagegen das Halogen in das Entladungsgefäß eingefüllt, um die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen zu absorbieren. Absorption der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen innerhalb des Entladungsgefäßes verhindert vorteilhaft, dass die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen zu dem Quarzglas gelangt.
Wie vorstehend beschrieben wurde, entsteht diese UV-Strahlung kurzer Wellenlängen dadurch, dass bei einer Entladung im Mischgas aus Quecksilberdampf mit einem äußerst hohen Druck und Edelgas Excimer-Licht von Quecksilber-Edelgas in einem Wellenlängenbereich zwischen dem Edelgas-Excimer-Licht und einer Quecksilber-Resonanzlinie von 185 nm entsteht. Die Entladungsbedingungen der in den vorstehend beschriebenen Druckschriften des Standes der Technik beschriebenen Quecksilberlampen dienen dazu, UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen, welche unter völlig anderen Bedingungen entsteht, vorteilhaft zu absorbieren. Die Entladungsbedingungen bei der Erfindung sind konkret:

– Die zugeführte Menge des Quecksilbers ist wenigstens 0.16 mg/mm³;
– Die Wandbelastung beträgt mindestens 0.8 W/mm² ;
– Edelgas wird zugeführt.

Eine vorteilhafte Absorption der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche unter diesen spezifischen Bedingungen entsteht, war beim Stand der Technik überhaupt nicht vorhanden.
In der zweiten oben beschriebenen Lösung der Aufgabe ist das Entladungsgefäß mit mindestens einem Halogen in Form einer kohlenstofffreien Halogenverbindung gefüllt. Bei einer herkömmlichen Quecksilberlampe ist das Entladungsgefäß mit einer kohlenstoffhaltigen Halogenverbindung, wie Methylenbromid (CH₂Br₂), gefüllt. Der Kohlenstoffgehalt in dem Entladungsgefäß wird größer. Durch die Adsorption hiervon an das Quarzglas während des Betriebs der Lampe wird die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen absorbiert.
In dem Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Quecksilber-Hochdruckampe jedoch wird das Halogen in Form einer Verbindung, welche keinen Kohlenstoff enthält, wie beispielsweise in Form von Quecksilberbromid und dergleichen, eingefüllt um die Absorption der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen durch Kohlenstoff vorteilhaft zu verhindern. Die Absolutmenge des Kohlenstoffes in dem Entladungsgefäß wird deshalb kleiner. Die UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen, welche durch den an der Innenseite des Quarzglases anhaftenden Kohlenstoff absorbiert wird, kann deshalb in einem vernachlässigbaren Bereich bleiben, auch wenn eine kleine Menge Kohlenstoff beim Lampenherstellungsvorgang unerwünschterweise in das Entladungsgefäß eingemischt wird. Folglich kann die Entstehung und die Ausbreitung der milchigen Eintrübung des Quarzglases vorteilhaft verhindert werden.
In der erfindungsgemäßen Quecksilber-Hochdrucklampe, in welcher die mittlere OH-Radikal-Konzentration in einem Bereich, welcher von der inneren Oberfläche des Entladungsgefäßes ausgehend eine Tiefe von 0.2 mm aufweist, höchstens 20 ppm ist, findet folgendes Anwendung.
Die milchige Eintrübung des Quarzglases entsteht durch das Wachstum von feinen Kristallen aufgrund einer Umordnung des glasartigen SiO₂. Je höher die Temperatur, desto häufiger tritt Kristallisation auf. Ferner reagiert glasartiges SiO₂ empfindlich auf Verunreinigungen an der Oberfläche und breitet sich durch Bildung von Kristallisationskeimen an der Oberfläche ins Innere des Quarzglases aus. Die Geschwindigkeit des Kristall-Wachstums wird in diesem Fall durch die Glasviskosität bestimmt und ist beeinflusst von dem Grad des Mangels an Sauerstoff, der OH-Konzentration sowie dem Gehalt an Verunreinigungen. Das heißt dass bei wasserfreiem Quarzglas, welches weniger Sauerstoff enthält, die Viskosität höher ist als bei wasserfreiem Quarzglas, bei dem Sauerstoff das stöchiometrischen Bedingungen erfüllt. Ferner wird die Viskosität auch bei Glas mit einer niedrigen OH-Konzentration höher.
In jedem Fall wird die Ausbreitungsgeschwidigkeit der Entglasung bei derselben Temperatur verringert. Wenn Verunreinigungen hinzukommen wird die Glasviskosität in den meisten Fällen verringert. Im Hinblick auf Aluminium wird die Glasviskosität höher, je größer das Verhältnis des Aluminiums zu dem koexistierenden Alkali, das heißt Aluminium / (Lithium + Natrium + Kalium) ist. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit des Kristallwachstums verringert wird.
Durch die Maßnahme, dass die mittlere OH-Radikal-Konzentration in einem Bereich, welcher von der Oberfläche auf der Emissionsraumseite des Quarzglases als Entladungsgefäß ausgehend eine vorgegebene Tiefe aufweist, kleiner/gleich einem vorgegebenen Wert ist, kann man die Menge der Absorption der UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen durch diesen Quarzglasbereich erheblich verringern. Die Reduzierung der OH-Konzentration ermöglicht es, die Viskosität des Quarzglases zu erhöhen. Dadurch wird ermöglicht, die Geschwindigkeit des Fortschreitens der milchigen Eintrübung nach innen in ausreichendem Maß zu begrenzen, auch wenn auf der Innenoberfläche dieses Quarzglases die milchige Eintrübung auftritt. Das bedeutet, dass durch die Festlegung der OH-Radikal-Konzentration des Quarzglases die Beständigkeit gegen UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen verbessert wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Technik wird als Emissionsmetall Quecksilber in einer Menge von mindestens 0.16 mg/mm³ eingefüllt, und die Wandbelastung beträgt mindestens 0.8 W/mm². Unter diesen Bedingungen mit äußerst hohem Druck wird UV-Strahlung kurzer Wellenlängen mit hoher Intensität erzeugt. Ausgehend von diesem Umstand wird die Entstehung der milchigen Eintrübung des Quarzglases durch die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen und hoher Intensität verhindert und zugleich ihr Wachstum reduziert. Das bedeutet, dass die Erfindung sich auf eine Quecksilber-Höchstdrucklampe mit den vorstehend beschriebenen Entladungs-Bedingungen bezieht. Daher geht es in diesem Fall nicht um die Festlegung einer OH-Konzentration im gesamten Quarzglas , aus welchem das Entladungsgefäß besteht, als vielmehr um die Festlegung der OH-Konzentration in einem begrenzten Bereich der inneren Oberfläche des Quarzglases. Für die Lösung der Aufgabe der Erfindung ist die Festlegung der mittleren OH-Radikal-Konzentration im gesamten Quarzglas nicht wichtig.
Bei der Festlegung der Menge an eingefülltem Halogen, wie oben beschrieben und der Festlegung der OH-Radikal- Konzentration wie ebenfalls beschrieben, reduziert die Zugabe einer vorgegebenen Menge an Halogen die UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche das Quarzglas erreichen, während bei der Festlegung der OH-Radikal-Konzentration des Quarzglases die Beständigkeit des Quarzglases verbessert wird.
Durch die Zugabe des Halogens als kohlenstofffreie Verbindung kann der absolute Kohlenstoffgehalt im Entladungsgefäß reduziert werden und ferner wird durch die Festlegung der OH-Radikal-Konzentration des Quarzglases eine Verbesserung der Beständigkeit des Quarzglases angestrebt.
Da die Menge des in dem Entladungsgefäß eingemischten Kohlenstoffes reduziert werden kann, kann folglich die Absorption von UV-Strahlung kurzer Wellenlängen durch das Quarzglas wesentlich verringert und somit die milchige Eintrübung des Quarzglases vorteilhaft verhindert werden.
Das Quecksilberhalogenid zieht nur geringe Feuchtigkeit an. Daher kann auch der Gehalt des in dem Entladungsgefäß eingemischten Wassers vermindert werden. Dies erzielt deshalb den Vorteil, dass beim Starten der Entladung kein gegenteiliger Einfluss auf die Elektroden ausgeübt wird. Ferner wird bei der hermetischen Versiegelung verhindert, dass im Fall eines Entladungsgefäßes ohne Abgasrohr die erwärmten Bauelemente der Lampe mit Methylenbromid reagieren, und dass SiO₂ an den Elektroden anhaftet und auf die Start-Leistung negative Einflüsse ausübt. Als Folge davon kann die Verformung sowie Abnutzung der Elektroden noch weiter verringert werden.
Wenn Quecksilberhalogenid, welches auf einem Bauelement oder einem Teil eines Bauelements der Lampe angelagert und gemeinsam mit diesem Bauelement in das Entladungsgefäß eingebracht wird, kann auf diese Weise im Vergleich zu der herkömmlichen Einfüllung als Feststoffpulver, ein kleines Entladungsgefäß mit einer höheren Genauigkeit mit Halogen befüllt werden. Diese Maßnahme ist insbesondere im Fall eines Innenvolumens des Entladungsgefäßes von nicht mehr als 150 mm³ äußerst wirksam. Elektroden sind als Bauelemente der Lampe für die Auftragung geeignet. Der Grund hierfür liegt darin, dass die Elektroden Bauteile sind, welche man in das Entladungsgefäß einschiebt und somit die auf ihnen aufgebrachten Ablagerungen ebenfalls in den Entladungsraum hineinragen. Die Bauelemente beschränken sich jedoch nicht auf Elektro den. Man kann die Halogenverbindung beispielsweise auch durch Niederschlag auf der Innenoberfläche des Entladungsgefäßes und dergleichen in das Entladungsgefäß einbringen.
Dadurch dass das Edelgas bei der Einfüllung einen Druck von wenigstens 5 kPa hat, und dass das Quecksilbers in einer Menge zugeführt wird, durch die im Betrieb hoher Druck erreicht werden kann, kann die Lichtintensität noch weiter gesteigert werden und zugleich das kontinuierliche Spektrum im Bereich des sichtbaren Lichtes, insbesondere im Rotbereich, verstärkt werden. Zum Starten der Entladung ist jedoch Edelgas nötig. Bei der erfindungsgemäßen Quecksilber-Hochdrucklampe ist die zugegebene Menge an Quecksilber groß. Beim Ausschalten der Lampe gibt es deshalb viele Fälle, in welchen sich das Quecksilber an den Fußpunkten der Elektroden ansammelt. Wenn in diesem Zustand die Entladung gestartet wird, wird zwischen den Spitzen der Elektroden keine Entladung erzeugt. Die Entladung entsteht immer häufiger in der Weise, dass die Fußpunkte der Elektroden Leuchtflecke sind. Wenn eine derartige abnorme Entladung auftritt, verdampft das Wolfram oder spritzt durch "Sputtern" ab, was eine Schwärzung der Innenoberfläche des Entladungsgefäßes verursacht. Die erfindungsgemäße Lampe weist eine äußerst hohe Wandbelastung auf, was einer kleinen Fläche der Röhrenwand entspricht. Die Schwärzung tritt dementsprechend heftig auf. Wenn aber der Druck des Edelgases auf größer/gleich 5 kPa festgelegt wird, entsteht häufiger eine Entladung zwischen den Elektrodenspitzen, wobei die Entladungsstrecke zwischen den Spitzen am kürzesten ist. Dadurch tritt keine abnorme Entladung mehr auf und das vorstehend beschriebene Problem wird somit beseitigt.
Erfindungsgemäß wird die Entstehung und die Ausbreitung der milchigen Eintrübung des Quarzglases durch UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche durch das Einfüllen einer großen Menge Quecksilbers und Edelgas entsteht, verhindert. Als Edelgas werden beispielsweise Argon, Xenon und Krypton verwendet. Um den vorstehend beschriebenen Vorteil zu erhalten, entspricht die zugegebene Menge Edelgas vorzugsweise wenigstens 5 kPa.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Figuren dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert.
Kurze Beschreibung der Figuren
1. zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Quecksilber-Hochdrucklampe;
2. zeigt einen Graph der spektralen Verteilungsfunktion der erfindungsgemäßen Quecksilberhochdrucklampe;
3. zeigt einer Tabelle mit experimentellen Ergebnissen welche die Wirkungsweise der Erfindung zeigen; und
4. zeigt einen Graph der experimentellen Ergebnisse welcher die Wirkungsweise der Erfindung verdeutlicht.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführung
1 zeigt eine erfindungsgemäße Quecksilber-Hochdrucklampe mit einem Entladungsgefäß 2 aus Quarzglas im Zentrum und schmalen hermetisch abgesiegelten Teilen 3 welche an die entgegengesetzten Enden des Entladungsgefäßes angrenzen. Im Innenraum des Entladungsgefäßes 2, (nachfolgend wird dieser "Emissionsraum" genannt) befinden sich ein Paar von Elektroden 4, die mit einem Abstand von ca. 1.2 mm zueinander angeordnet sind. Die rückwärtigen (äußeren) Enden der Elektroden 4 ragen in die hermetisch abgeschlossenen Teile 3 hinein und sind jeweils mit einer Metallfolie 5 verschweißt. Mit den anderen Enden der Metallfolien 5 sind Außenanschlüsse 6 verbunden.
In dem Emissionsraum sind als Emissionsstoff Quecksilber und ferner als Betriebs-Startgas ein Edelgas, wie Argon, Xenon und dergleichen, eingefüllt. Das Edelgas ist auch ein Emissionsstoff, welcher bei einem stationären Betrieb Quecksilber-Excimer-Licht emittiert. Hierbei beträgt die Einfüllungsmenge des Quecksilbers wenigstens 0.16 mg/mm³, wodurch der Dampfdruck in einem stabilen Betrieb bei größer/gleich 110 atm liegt.
Diese Quecksilber-Hochdrucklampe weist beispielsweise einen maximalen Außendurchmesser von 10.5 mm, einen maximalen Innendurchmesser von 4.5 mm, eine Emissionsraum-Länge (die Länge in Achsrichtung der Lampe) von 10.0 mm, eine Einfüllungsmenge des Quecksilbers von 17 mg, ein Innenvolumen des Emissionsraums von 75 mm³, eine Innenoberfläche des Emissionsraums von 100 mm², eine Wandbelastung von 1.5 W/mm² sowie eine Nennleistung von 150 W auf.
2 zeigt schematisch die spektrale Verteilung des vorstehend beschriebenen Beispiels einer Quecksilber-Hochdrucklampe. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, erfolgt eine effektive Strahlung im sichtbaren Bereich mit Wellenlängen von ca. 380 nm bis 780 nm. Insbesondere im Rotbereich mit Wellenlängen von 600 nm bis 780 nm erfolgt eine kontinuierliche Strahlung mit hoher Intensität, welche im Vergleich zu einer Lampe mit einer Einfüllungsmenge des Quecksilbers von nicht mehr als 0.05 mg/mm³ erheblich vergrößert wurde.
Nachfolgend wird ein Experiment im Hinblick auf die Bildflächen-Beleuchtungsintensität beschrieben, wobei in der erfindungsgemäßen Quecksilber-Hochdrucklampe die Menge des eingefüllten Halogens verändert wurde. Bei dem Versuch wurden, wie in 3 veranschaulicht wird, acht Quecksilber-Hochdrucklampen verwendet, und nur die Einfüllungsmenge des Halogens (des Broms) wurde verändert, wobei die sonstigen Bedingungen im wesentlichen mit den Werten bei dem vorstehend beschriebenen einen Beispiel identisch waren. Das heißt, die Quecksilbermenge sowie das Innenvolumen des Emissionsraums sind bei den jeweiligen Lampen in sehr geringem Maß unterschiedlich. Diese Unterschiede beruhen jedoch nur auf Produktionsfehlern, und jede Lampe gibt im sichtbaren Bereich ein vorteilhafte kontinuierliche Strahlung ab.
Hierbei wurde die Einfüllung des Halogens (des Broms) folgendermaßen durchgeführt:
Die erforderliche Menge Halogen (Brom) wurde vor der Montage im Vakuum in Form von Quecksilberbromid auf die Elektrodenoberflächen auf den Seiten der sekundären Abdichtung aufgedampft. Ferner wurde die tatsächlich zugeführte Menge wurde mittels Ionen-Chromatographie durch das Säulen-Anreicherungsverfahren quantitativ bestimmt. Das Innenvolumen des Emissionsraums wurde ermittelt durch Eintauchen in ein Lösungsmittel, dessen Brechungsindex ungefähr dem Brechungsindex des Quarzglases entspricht, und ablesen der Koordinaten der Innenoberfläche mit einer Mikrometerschraube mit einer anschließenden Berechung.
Jede Entladungslampe wurde ununterbrochen in einem Modus "2 Stunden und 45 Minuten in Betrieb und anschließend 15 Minuten ausgeschaltet" betrieben. Durch die visuelle Beobachtung des Entladungsgefäßes in bestimmten zeitlichen Abständen und durch ein Projektor-Optik-System wurde der Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtungsintensität gemessen.
3 zeigt das Ergebnis der visuellen Beobachtung des Entladungsgefäßes nach 100 Stunden sowie den Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtungsintensität nach 2000 Stunden. Daraus wird ersichtlich, dass bei einer Einfüllungsmenge des Halogens von kleiner/gleich 1.2 × 10^–4 μmol/mm³ nach 100 Stunden im oberen Bereich des Entladungsgefäßes eine Schwärzung sowie eine Entglasung zu sehen waren und dass nach 2000 Stunden der Aufrechterhaltungsgrad der Beleuchtungsintensität auf maximal 50 % in großem Maß verringert wurde. Bei einer Halogen-Einfüllungsmenge von 7.34 × 10^–3 μmol/mm³ wurde nach 100 Stunden an den Fußpunkten der Elektroden eine Schwärzung in äußerst hohem Maß entdeckt.
Aus diesem Ergebnis kann man auch entnehmen, dass zur Verhinderung der Entstehung von Schwärzung und Entglasung im Entladungsgefäß eine bestimmten Menge Halogen eingefüllt werden sollte und dass die Untergrenze der Halogen-Einfüllungsmenge vorteilhafterweise bei konkret 2.0 × 10^–4 μmol/mm³ liegt. Als Lichtquelle für einen Flüssigkristall-Projektor ist es günstig, zumindest 50 % der Beleuchtungsintensität über mindestens 2000 Stunden aufrechtzuerhalten. Bei Fernsehgebrauch sind 10000 Stunden nötig. Es wird ersichtlich, dass zur Erfüllung dieser Be dingungen, die Halogen-Einfüllungsmenge größer oder gleich dem vorstehend beschriebenen unteren Grenzwert sein muss.
Wenn die Halogen-Einfüllungsmenge größer wird, treten keine Probleme der Schwärzung oder der Entglasung des Entladungsgefäßes und der Abnahme der Bildflächenbeleuchtungsintensität auf. Es tritt jedoch in der Nähe der Fußpunkte der Elektroden eine Adsorption des Wolframs in äußerst hohem Maß auf. Das heißt, zur Verhinderung eines derartigen negativen Effekts ist es bevorzugt, dass die Einfüllungsmenge höchstens etwa 7.0 × 10^–3 μmol/mm³ beträgt.
Nachfolgend wird ein Versuch beschrieben, bei welchem die Entstehung sowie die Ausbreitung der milchigen Eintrübung des Quarzglases durch die OH-Radikal-Konzentration verhindert werden.
Bei dem Versuch wurden fünf Quecksilber-Höchstdrucklampen mit der vorstehend beschriebenen Spezifikation hergestellt, wobei die OH-Radikal-Konzentration in einem Bereich, welcher von der Innenoberfläche des Quarzglases ausgehend eine Tiefe von 0.2 mm aufweist, auf 200 ppm, 100 ppm, 50 ppm, 20 ppm sowie 10 ppm geändert wurde und die zugegebene Menge Halogen 1 × 10³ μmol/mm³ betrug. Bei jeder Entladungslampe wurde die Zeit gemessen, nach welcher die milchige Eintrübung des Quarzglases 20 % der Oberfläche der gesamten Innenseite des Emissionsraums des Entladungsgefäßes überschritten hat. In 4 wird das Ergebnis gezeigt, wobei die Ordinatenachse die Zeit darstellt, in welcher der milchig eingetrübte Bereich des Quarzglases 20 % der Flächengröße der Innenfläche der Leuchtröhre des Entladungsgefäßes erreicht hat, während die Abszissenachse die OH-Radikal-Konzentration darstellt. Die Figur zeigt, dass bei einer OH-Radikal-Konzentration von höchstens 20 ppm in einem Bereich, welcher von der Innenoberfläche des Quarzglases ausgehend eine Tiefe von 0.2 mm aufweist, die für einen Flüssigkristall-Projektor erforderliche Zeit von 2000 Stunden aufrechterhalten wird.
Die erfindungsgemäße Quecksilber-Hochdrucklampe ist nicht auf Gleichstrom- und Wechselstrom-Betriebssysteme beschränkt, sondern kann auf jedes Betriebssystem angewendet werden.
Wirkung der Erfindung
Wie oben beschrieben wird mit einer erfindungsgemäßen Quecksilber-Hochdrucklampe in der ein Entladungsgefäß ein Paar entgegengesetzter Wolframelektroden, eine Quecksilbermenge von mindestens 0.16 mg/mm³, Edelgas und wenigstens ein Halogen enthält und in der die Wandbelastung mindestens 0.8 W/mm² beträgt die folgende Wirkung erzielt:

1. Durch das Merkmal, dass die Halogen-Einfüllmenge im Bereich von 2 × 10^–4 μmol/mm³ bis 7 × 10^–3 μmol/mm³ liegt, kann UV-Strahlung kurzer Wellenlängen durch dieses Halogen oder Halogen aus einer entsprechenden Halogenverbindung vorteilhaft absorbiert werden. Daher kann die Menge an UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche durch Abstrahlung zu der Oberfläche der Röhrenwand (Quarzglas) des Entladungsgefäßes gelangt, erheblich verringert werden.
2. Durch das Merkmal, dass das Halogen als kohlenstofffreie Verbindung eingefüllt ist, kann die Menge des in das Entladungsgefäß eingefüllten Kohlenstoffes wesentlich reduziert werden. Auf diesem Weg wird es möglich, die Menge der UV-Strahlung kurzer Wellenlängen, welche von der Innenoberfläche der Röhrenwand (Quarzglas) des Entladungsgefäßes absorbiert wird, zu verringern.
3. Die Maßnahme, dass die mittlere OH-Radikal-Konzentration in einem Bereich der Röhrenwand mit einer Tiefe von 0.2 mm von der Innenoberfläche des Entladungsgefäßes ausgehend bei höchstens 20 ppm liegt, ermöglicht es die Viskosität des Quarzglases zu erhöhen. Folglich kann die Beständigkeit des Quarzglases gegen UV-Strahlung mit kurzen Wellenlängen verbessert werden.

Claims

Quecksilber-Hochdrucklampe mit einem Entladungsgefäß aus Quarzglas, das zwei gegenüberliegende Wolfram-Elektroden enthält, Quecksilber in einer Menge von mindestens 0.16 mg/mm³, Edelgas sowie mindestens ein Halogen, und bei welcher die Röhrenwand-Belastung bei wenigstens 0.8 W/mm² liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des wenigstens einen Halogens in dem Entladungsgefäß im Bereich von 2 × 10^–4 bis 7 × 10^–3 μmol/mm³ liegt.
Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 1 beansprucht, worin wenigstens 5 kPa Edelgas im Entladungsgefäß enthalten sind.
Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die durchschnittliche OH-Radikalkonzentration im Bereich der Wand des Entladungsgefäßes in einer Tiefe von 0,2 mm von der Innenoberfläche der Wand des Entladungsgefäßes höchstens 20 ppm ist.
Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 3 beansprucht, worin wenigstens 5 kPa Edelgas im Entladungsgefäß enthalten sind.
Verfahren zum Herstellen einer Quecksilber-Hochdrucklampe mit einem Entladungsgefäß aus Quarzglas, das zwei gegenüberliegende Wolfram-Elektroden enthält, Quecksilber in einer Menge von mindestens 0.16 mg/mm³, Edelgas sowie mindestens ein Halogen, und bei welcher die Röhrenwand-Belastung bei wenigstens 0.8 W/mm² liegt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Halogen in Form einer kohlenstofffreien Halogenverbindung in das Entladungsgefäß eingefüllt wird.
Verfahren zum Herstellen einer Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 5 beansprucht, worin die Halogenverbindung Quecksilberhalogenid ist.
Verfahren zum Herstellen einer Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 6 beansprucht, worin das Quecksilberhalogenid in Form einer Schicht vorliegt, die auf zumindest einem Bereich einer Lampenkomponente abgelagert ist.
Verfahren zum Herstellen einer Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 5 beansprucht, worin wenigstens 5 kPa Edelgas im Entladungsgefäß enthalten sind.
Verfahren zum Herstellen einer Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 5 beansprucht, worin die durchschnittliche OH-Radikalkonzentration im Bereich der Wand des Entladungsgefäßes in einer Tiefe von 0,2 mm von der Innenoberfläche der Wand des Entladungsgefäßes höchstens 20 ppm ist.
Verfahren zum Herstellen einer Quecksilber-Hochdrucklampe wie in Anspruch 9 beansprucht, worin wenigstens 5 kPa Edelgas im Entladungsgefäß enthalten sind.