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Hochdruckquecksilberdampfbogenlampe mit Gasgrundfüllung und durch
die Entladung ` aufgeheizten Glühelektroden Bekanntlich pflegt man die meist raus
Quarz hergestellten Hochdruckquecksilberdampflampen, wie sie z. B. für Beleuchtungs-
und Bestrahlungszwecke verwendet werden, mit durch die Entladung aufgeheizten Glühkathoden
auszurüsten und mit einer Gasgrundfüllung (Neon, Argon o. dgl.) zu versehen. Als
Glühkafhoden benutzt man hierbei in der Praxis durchweg. Wehneltkathoden oder ähnlich
wirkende, unter Anwendung von Alkali- oder Erdalkalimetallen zu hoher Elektrönenemission
aktivierte Kathoden.
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Die Benutzung von aktivierten Glühkathoden macht bekanntlich die Anwendung
besonders sorgfältiger Entgasungsmethoden für die Herstellung der Lampe sowie ein
ziemlich langwieriges Formierungsverfahren für die Aktivierung ihrer Elektroden
notwendig. Sie zwingt weiterhin dazu, -die Lampen sorgsam vor unzulässig hohen Strombelastungen
zu schützen, da bereits ganz kurzzeitige elektrische Überlastungen eine Zerstörung
der dünnen Hochemissionssohicht hervorrufen können. Diese Nachteile würden offenbar
fortfallen, wenn es gelänge, Hochdruc!kquecksilberdampflampen mit nichtaktivierten,
beispielsweise aus Wolfram oder Tantal bestehenden, ebenfalls durch die Entladung
aufgeheizten Glühkathoden auszurüsten. Alle bisher bekannten Versuche in dieser
Richtung mit kugelförmigen oder aus Stiften hergestellten Elektroden sind jedoch
daran gescheitert, daB man die Zerstäubung der Elektroden nicht niedrig genug zu
halten vermochte, um eine Lampe mit wirtschaftlich ausreichender Lebensdauer herzustellen.
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Nach der Erfindung wird dieser Nachteil der nichtaktivierten, durch
die Entladung
aufgeheizten Glühltathoden in Quecksilberdampfhochdrucklampen
durch eine besondere Ausbildung und Abstimmung des Kathodenkörpers auf die Belastung
beseitigt und damiteine neue Grundlage zum einfachen und wirt=-schaftlichen Herstellen
von Quecksilberdampf-: hochdruckbogenlampen geschaffen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß man in Ouecksilberdainpfhoclidruckbogenlampen
mit nichtaktivierten, durch die Entladung aufgeheizten Glühkathoden die Zerstäubung
bzw. Verdampfung .der Elektroden fast restlos unterdrücken kann, wenn man für ausreichende
Größe derjenigen Fläche Sorge trägt, von der die Elektronenemission ausgeht, welche
den Lichtbogen speist. Bei punktförmigem Lichtbogenansatz auf einer Tantalkathode,
bei dem praktisch die gesamte Elektronenemission beispielsweise von einer Fläche
in der Größe von etwa 0,0, cm= geliefert wird, könnte ein Lichtbogen von 4. Amp.
Stromstärke offenbar nur dann durch rein thermische Elektronenemission aufrechterhalten
werden, wenn dies Oberflächenelement auf eine Temperatur von rund 275o°
C gelangte (Emission 4.oo Amp./cin=). Bei dieser Temperatur verdampft Tantal
(Schmelzpunkt agoo° C) bereits merklich. Gelänge es hingegen, die Ansatzfläche des
Lichtbogens auf 0,5 cm2 zu erhöhen, so würde diese Fläche bereits bei etwa
a3So° eine rein thermische Elektronenemission von 4Amp. aussenden (Emission 8 Amp./cm=),
so daß man also mit sehr viel niedrigerer Kathodentemperatur und verschwindend geringer
Verdampfung der Elektroden den Lichtbogen aufrechterhalten könnte.
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Um im Sinne dieses Beispieles zu einer ausreichend großen Ansatzfläche
des Lichtbogens zu gelangen, genügt es erfahrungsgemäß nicht, der Kathode eine große
Oberfläche zu geben. Denn auch an großflächigen Kathoden pflegt der Lichtbogen punktförmig
anzusetzen. Ebenso führt es überraschenderweise keineswegs zu einer Vergrößerung
der Bogenansatzfläche, wenn man die bisher üblichen angespitzten Stiftelektroden
in der Hoffnung, daß die erzeugte Wärme sich dann auf eine größere Fläche verteilt,
abrundet oder mit Mitteln für eine verbesserte Wärmeableitung ausrüstet. Versuche
.haben hingegen gezeigt, daß man die erstrebte Vergrößerung der Bogenansatzfläche
ohne weiteres erzielen kann, wenn man die Kathode aus sehr dünnem Blech eines hochschmelzenden
Metalls, wie z. B. Tantal, herstellt und die Wärmeverluste dieser dünnwandigen Blechkathode
möglichst weit herabdrückt. Die Erfindung betrifft also Hochdruckquecksilber_diampfbogenlampen
mit Gasgrundfüllüng und mit durch die Entladung aufgeheizten, nichtaktivierten,
aus einem hochschmelzenden Metall bestehenden Glühelektroden und besteht darin,
daß die als Bogenansatz dienenden .-.eile der Elektroden aus sehr dünnem, aus xbchschmelzendem
Metall, vorzugsweise Tantal, bestehendem Blech hergestellt sind, dessen weniger
als o,5 mm betragende Dicke auf die Belastung der Lampe derart abgestimmt ist, daß
der Spannungsabfall an den Elektroden unter 5o Volt sinkt.
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Am besten gibt man hierbei der Kathode die Gestalt eines von eingeschmolzenen
Drähten getragenen Blechplättchens bzw. Blechzylinders oder auch eines U-förmig
gebogenen Blechbandes. Zweckmäßig umgibt man die Elektrodenkammern finit einer reflektierenden
Umhüllung an sich bekannter Art, welche die durch Abstrahlung entstehenden Wärmeverluste
herabsetzt.
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Abb. i zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Lampe
schematisch im Schnitt. In die beiden Enden -des Quarzrohres i sind je zwei Zuleitungsdrähte
au
und ab, bzw. 3, und 3i, eingeschmolzen. Diese Drähte tragen die
eigentlichen Elektroden, welche aus dünnen, etwa o,o8 mm starken, U-förmig gebogenen
Blechbändern 4. und 5 bestehen. Um die Abstrahlung der Wärme von der Bogenansatzfläche
herabzudrücken, können die diese Fläche umgebenden Teile der Röhre i mit reflektierenden,
beispielsweise aus versilbertem Kupferblech hergestellten Hülsen 6 bzw. 7 umgeben
werden.
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Das Rohr wird in bekannter Weise mit einer Gasgrundfüllung versehen
und enthält eine kleine Menge Quecksilber, die in Abb. i durch das Kügelchen 8 angedeutet
ist. Am besten verwendet man eine Argonfüllung von etwa 2o bis 30 mm Druck
und eine Quecksilbermenge von einigen Milligramm, die in bekannter Weise so bemessen
ist, daß sie im endgültigen Betriebszustand (Hochdruckbetrieb) vollständig verdampft.
Zum Betriebe an 22o Volt Wechselstrom legt man die Lampe am besten mit einer Drosselspule
von etwa o,i bis o,2 Henry in Reihe.
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An Stelle der in Abb. i dargestellten U-förmigen Elektroden kann man
auch zylindrische oder kalottenförmige Elektroden an sich bekannter Art entsprechend
den Abb. 3 bzw. Abb. q. benutzen. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen,
die in Abb. i dargestellten Elektroden gemäße Abb. a mit Ausschnitten a zu versehen,
«-elche dazu beitragen, die Ableitung der Wärme von dein emittierenden Kopfstück
herabzusetzen. Entscheidend ist jedoch in allen Fällen, daß die Elektroden nicht
nur aus hochschmelzendem Werkstoff, sondern vor allem auch aus einem sehr dünnen
Blech bestehen.
Die besondere Bedeutung der Wahl eines sehr dünnen
Bleches wird bei Betrachtung von Abb. 5 und A'bb. 6 verständlich. Benutzt man gemäß
Abb. 5 ein sehr dickes. Blech, so bilden sich um die hocherhitzte BQgenansatzzone
x-y etwa die Isorhermen a-d aus. Bedient man sich hingegen eines sehr dünnen Bleches,
so entsteht etwa das in Abb. 6 ,dargestellte Isothermenbild, und man erkennt, daß
hierbei ein sehr viel weniger steiler Temperaturabfall zwischen der hocherhitzten
Bogenansatzzone x-y und den im Wec'hselstrombetrieb hauptsächlich vom Anodenfall
aufgeheizten, kälteren Seitenzonen besteht. Es wird sich also in diesem Falle für
eine verhältnismäßig größere Zone die zur thermischen Elektronenemission ausreichende
Temperatur einstellen, die aber noch nicht so hoch ist, daß die Elektrode stark
zerstäubt und dadurch die Lebensdauer der Lampe in unzulässiger Weise herabsetzt.
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Die tatsächliche Größe -des an der Elektronenemission beteiligten
Oberflächenelementes der Kathode läßt sich nach dem Augenschein natürlich nicht
mit Sicherheit beurteilen. Man erkennt im Betriebe lediglich, daß sich eine bestimmte
Teilfläche nach Art des in Abb. 3 schraffierten Oberflächenelementes auf Emissionstemperatur
erhitzt.. Einen Anhaltspunkt für die Größe des tatsächlich an der Emission beteiligten
Oberflächenelementes gewinnt man jedoch aus dem Spannungsabfall, der im Betriebe
auf die unmittelbare Umgebung der Elektroden entfällt und der den Gesamtspannungsabfall
an der Lampe sehr erheblich beeinflußt. Denn dieser Spannungsabfall stellt u. a.
ein Maß für die Einschnürung dar, der die Entladungsbahn in der unmittelbaren Umgebung
des Lichtbogenansatzes auf der Kathode unterworfen ist. Ist diese Ansatzfläche sehr
klein, so muß sich der Lichtbogen in der unmittelbaren Umgebung der Kathode stark:
zusammenschnüren, und es entsteht ein verhältnismäßig hoher Spannungsabfall. Ist
die genannte Ansatzfläche hingegen groß, so kommt es in der unmittelbaren Umgebung
der Kathode nur zu einer geringen Einschnürung, und der Spannungsabfall wird entsprechend
geringer. Man kann diese Erscheinung am besten.beobadhten, wenn sich die Lampe,
beispielsweise zu Beginn .der Einbrennzeit, noch im Gebiete des Niederdruekbetriebes
befindet, d. h. wenn noch keine anderweitig bedingte Einschnürung des Lichtbogens
in der Lampe vorliegt.
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Der gesamte Spannungsabfall an einer Bogenentladung setzt sich bekanntlich
zusammen aus dem Kathodenfall, dem Anodenfall und dem Spannungsabfall in der ionisierten
Gassäule. Kathodenfall und Anodenfall lassen sich bei einer Wechselstrombogenlampe
nicht mit Sicherheit getrennt bestimmen, da sie beide von der Temperaturverteilung
auf den Elektroden abhängen und daher funktionell miteinander verknüpft sind. Sie
sollen im folgernden unter dem Begriff Spannungsabfall an den Elektroden Ue zusammengefaßt
werden. Der Spannungsabfall in .der ionisierten Gassäule Us hingegen läßt sich durch
den Vergleich 'des Gesamtspannungsabfalles Ug ermitteln, .der an Lampen verschiedener
Bogenlänge entsteht, die unter sonst gleichen Verhältnissen betrieben werden.
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Versuche haben gezeigt, daß die Zerstäubung bzw. Verdampfung der Kathode
stets dann auf ein ausreichend kleines Maß herabsinkt, um die Herstellung von Lampen
mit wirtschaftlicher Lebensdauer zu ermöglichen, wenn man das Elektrodenblech in
bezug auf die betriebsmäßige Belastung der Lampe so dünn wählt, daß der Spannungsabfall
an den Elektroden Ue unter 50 Volt sinkt. Dieser Betriebszustand kann bei
Benutzung einer vorgegebenen Elektrödenblechstärke durch Veränderung der Strombelastung
sowie umgekehrt bei Anwendung einer bestimmten Strombelastung durch geeignete Wahl
der Elektrodenblechstärke erzielt werden.
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So wurden z. B. an Lampen mit Tantalblechelektroden und einer Argongrundfüllung
von
25 mm Druck, die bei ioo mm Bogenlänge -im Niederdruckbetrieb (o,o i
bis i o mm Quecksilberdampfdruck) einen mittleren Spannungsabfall Us in der ionisierten
Gassäule von 2 i Volt = 2, i Volt/cm ergab, folgende Werte gemessen:
| Blech- |
| stärke Ampere- Ug us |
| _- Lre |
| mm |
| 0,5 - - - 9o.. |
| 0,25 4 6o etwa 21 39 |
| o,zo 4 45 - 21 24 |
| o;o8 4 40 - 21 19 |
| 0,05 . 4 30 - 21 9 |
Diese. Werte sind in Abb.7 als Schaubild wiedergegeben.
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Die mit o,5 mm Tantalblech ausgerüstete Lampe war erst mit 6 Amp.
zu ruhigem Brennen zu bekommen. Ihre Elektroden zerstäubten bei dieser Belastung
nöch stark. Belastete man diese Lampe jedoch mit io Amp., so ging der Wert Ue auf
etwa 25 bis 3o Volt herab, und die Lampe ließ sich trotz der erhöhten Belastung
mit wesentlich verminderter Zerstäubung, d. h. unter günstigeren Lebensdau.erverhältnissen,
betreiben.
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Andererseits zeigten Versuche an zwei Lampen mit dünnen Tantalblechelektrod'en
folgende
Abhängigkeit der Spannungsabfälle von der Stromstärke im Lichtbogen:
| Blech- |
| stärke Ampere ug us Ue |
| mm |
| 1,6 i05 etwa 21 84 |
| 2,75 gi - zi 70 |
| 3,6 76 - 21 55 |
| o,25... 5,0 61 - 21 40 |
| 6,o 55 - 21 34 |
| 8,5 45 - 21 24 |
| 0,75 93 - 21 72 |
| 1,0 81 - 21 6o |
| 1,25 73 - 21 52 |
| i,8 58 - 21 37 |
| 0,08. . . |
| 2,5 48 - 2i 27 |
| 3,5 42 - 21 21 |
| 4,0 40 - 21 ig |
| 4.25 39 - 21 18 |
Diese Werte sind in Abb.8 als Schaubild wiedergegeben. In allen Fällen zeigte sich
erst dann eine zufriedenstellende Lebensdauer der Lampen, wenn man durch passende
Abstimmung der Belastung auf die jeweils angewendete Elektrodenblechstärke den Wert
des Spannungsabfalles an den Elektroden Ue unter So Volt brachte. So konnte z. B.
eine ioo mm lange Lampe mit Argongrundfüllung (25 mm) und Elektroden, die in der
Gestalt von Abb. 3 aus 0,o8 mm starkem, handelsüblichem Tantalblech hergestellt
waren, am 22o-Volt-Wechselstromnetz über eine Drossel von 0,134 Henry mehr als iooo
Std. lang mit 4 Amp. mittlerer Stromstärke betrieben werden, ohne hierbei störenden
Schwärzungen zu unterliegen. Die mittlere Spannung an der Lampe stieg hierbei im
Hochdruckbetrieb auf rund i30 Volt und konnte sogar bis auf etwa 140 Volt hinaufgetrieben
wenden, ohne daß die Lampe verlöschte, d. h. innerhalb eines Wechsels nicht wieder
zündete.
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An Stelle von Tantal kann grundsätzlich auch Wolfram, Molybdän bzw.
auch Niobium für die Herstellung von erfindungsgemäß ausgebildeten Elektroden Verwendung
finden. Da die Wärmeleitungsfähigkeit von Wolfram und Molybdän jedoch wesentlich
höher liegt als diejenige von Tantal, muß man in diesem Falle zu entsprechend dünneren
Blechen übergehen. Bei Tantal ergeben sich für die Herstellung von Lampen mit handelsüblichem
Stromverbrauch bereits Bleche von nur 0,o8 bis 0,04 mm Stärke als besonders günstig.
Bei Wolfram und Molybdän kommt man daher zu sehr dünnen, auf den üblichen Wegen
nur schwer mit ausreichender mechanischer Festigkeit herstellbaren Blechelektroden.
Da überdies die geringere spezifische Emission dieser Metalle dazu zwingt, eine
noch stärkere Ausdehnung der Kathodenansatzfläche des Bogens anzustreben, d. h.
also die Blechstärke noch über das von der höheren Wärmeleitfähigkeit vorgegebene
Verhältnis hinaus zu vermindern, dürften Wolfram- und Molybdänelektroden in der
Praxis nur für Lampen mit sehr hoher Strombelastung in Frage kommen. Für handelsübliche
Lampen hat sich jedenfalls Tantal am besten bewährt.