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Elektrische Entladungsröhre mit einer Edelgasfüllung und einem Zusatz
von Natriumdampf oder ähnlich sich verhaltenden Metalldämpfen Bei Natriumdampflampen
ist es oft erwünscht, die Flächenhelligkeit zu steigern oder überhaupt aus einer
gegebenen Lampe gegebener Länge mehr Licht zu erhalten. Im Gegensatz zu Quecksilberlampen
kann man dieses Ziel jedoch nicht durch größere Strombelastung oder Betrieb bei
erhöhtem Druck des Metalldampfes erreichen. Es tritt nämlich in diesem Falle sofort
ein starkes Absinken der Ökonomie der Lichterzeugung ein. So hat man es bisher mit
verhältnismäßig großen, unhandlichen, dicken Röhren zu tun, die im Verhältnis zu
den Abmessungen und im Vergleich etwa mit den modernen Quecksilberdampflampen nur
eine geringe Lichtstärke erzeugen.
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Die Erfindung bezieht sich auf die bekannte elektrische Entladungsröhre
mit einer Edelgasfüllung und einem Zusatz von Natriumdampf oder ähnlich sich verhaltenden
Metalldämpfen, wie denen des Lithium, Cäsium, Magnesium, Zink oder Thallium, sowie
mit nicht fremd geheizten, sich selbst ausschließlich durch die Entladung auf der
notwendigen Betriebstemperatur haltenden und vorzugsweise aktivierten Elektroden
und über io cm lichtem Elektrodenabstand. Erfindungsgemäß wird diese bekannte Entladungsröhre
dadurch verbessert, daß bei den kleinen Stromdichten bis hinauf zu höchstens i Amp.
je Quadratzentimeter der Querschnitt der eigentlichen Entladungsbahn kleiner als
oder höchstens gleich i qcm, der lichte Innendurchmesser bei kreisförmigem Rohrquer
schnitt also kleiner als oder höchstens gleich 1,15 cm ist und hierbei der Voltgradient
der positiven Säule etwa 6 Volt je Zentimeter oder mehr beträgt. Durch die Erfindung
wird, ohne daß die Stromdichte gesteigert zu werden braucht, eine erhöhte Wattaufnahme
und damit erhöhte Lichtstärke der Natriumdampflampe bei gleicher oder sogar verbesserter
Okonomie dadurch erzielt, daß man den lichten Querschnitt der Entladungsbahn erheblich
verengt. Hierdurch wächst der Voltgradient der Entladungssäule und damit die Wattaufnahme.
Überraschenderweise zeigt sich nämlich, daß im Gegensatz zur Vergrößerung der Stromdichte
oder Druckerhöhung hierbei keine erhebliche . Verschlechterung der Ökonomie auftritt.
Nun würde zwar eine Verkleinerung der lichten Weiten der Entladungsbahn bei gleichbleibender
Stromdichte ein starkes Absinken der Wärmeerzeugung bewirken, die eine ausreichende
Größe erreichen muß, damit der Natriumdampf den nötigen, wenn auch geringen Druck
hat. Die Verminderung der Wärmeerzeugung wird jedoch bereits zu einem Teil durch
die Verminderung der strahlenden Oberfläche der Röhre ausgeglichen. Vor allem bewirkt
aber die Steigerung des Voltgradienten eine Erhöhung des Energieumsatzes der Raumeinheit
und damit eine genügende Erhitzung der Röhre.
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Durch die Erfindung wird der weitere Vorteil
erzielt,
daß man Natriumdampflampen sowohl für sehr kleine als auch für sehr große Wattaufnahme
mit ausreichender Lichtstärke bauen kann. Gerade kleine Lampen großer Helligkeit
konnte man bisher nicht bauen, da die Lampen während des Betriebes genügend heiß
sein und hierzu mit genügenden Strömen betrieben werden mußten, dadurch aber wieder
die Ökonomie kleiner wurde. Nach der Erfindung ist sogar bei Lampen aller Größen
eine erhebliche Steigerung der Ökonomie möglich. Dran kann nämlich nunmehr die Stromdichten
verringern, da man auch dann noch infolge der erhöhten Spannungsbelastung eine genügende
Erhitzung erhält.
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Es sind schon Natriumdampflampen bekannt oder verwendet worden, deren
Rohrdurchmesser sich demjenigen der erfindungsgemäßen Lampe annäherte. So wurde
bereits eine Natriumkleinlampe verwendet, die eine nur geringe lichte Weite des
Entladungsrohres aufwies, jedoch besaß diese Lampe keine im Sinne der Anmeldung
langgestreckte positive Säule. Die Spannungsaufnahme dieser bekannten Kleinlampe
setzt sich überwiegend aus Kathoden- und Anodenfall zusammen, so daß eine Beeinflussung
der sehr kurzen positiven Säule durch die Verengung der Entladungsbahn im Sinne
der Erfindung nicht möglich ist. Dazu müßte umgekehrt der Spannungsverbrauch der
Röhre ganz überwiegend ein solcher innerhalb der positiven Säule und nur zu einem
geringen Anteil ein solcher an den Elektroden sein. Andere vorbekannte, mit verhältnismäßig
enger und langer Röhre ausgestattete Natriumlampen nähern sich wohl den erfindungsgemäßen
engen Rohrabmessungen an und weisen auch lichte Elektrodenabstände von etwa 20 cm
auf, liegen aber mit ihren lichten Rohrinnendurchmessernimmer noch oberhalb der
für die Erfindung festgelegten obersten Höchstgrenze der Rohrdurchmesser. Daher
können auch bei diesen bekannten langgestreckten Röhren insbesondere der für die
Erfindung nötige hohe Voltgradient und dessen vorteilhafte :Auswirkungen nicht eintreten.
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Erfindungsgemäß wird nämlich die weiter oben aufgeführte bekannte
Natriumdampfentladungsröhre so ausgestaltet, daß der Spannungsverbrauch der Röhre
ganz überwiegend in einer langgestreckten, positiven Säule vor sich geht und nur
ein kleiner Bruchteil desselben durch Energieumsatz an den Elektroden verursacht
wird. Hierzu wird die Röhre so gebaut, I daß der :Abstand der Elektroden zumindest
das Zehnfache oder noch mehr des lichten Innendurchmessers der Röhre beträgt. Weiterhin
ist der Querschnitt der eigentlichen Entladungsbahn auf höchstens i qcm und weniger
verringert. Hierbei beginnt bereits der Voltgradient um den erheblichen Betrag von
etwa 3o bis 5o01'. über den üblichen Spannungsabfall von 21/, bis j 31,:, Volt pro
Zentimeter zu steigen. lIan kann sogar auf Bruchteile eines Quadratzentimeters verringern,
wobei der Voltgradient dann auf sehr hohe Werte ansteigt, die schließlich das Drei-
bis Vierfache und noch Mehrfache wie bei den bisher üblichen, obenerwähnten Natriumdampfentladungsröhren
erreichen, also dann G bis io Volt pro Zentimeter und mehr betragen. Der Grund hierfür
ist die größer werdende Einwirkung der immer mehr zusammenrückenden Röhrenwandung.
Die Stromdichte hält sich hierbei innerhalb der Werte von etwa '; .= @ bis höchstens
i Amp. pro Quadratzentimeter.
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Die Röhren können mit einem Edelgas der bekannten Art, inbesondere
Argon oder Krypton, und Drücken von einigen «Millimetern Quecksilbersäule gefüllt
sein. Für den Erfindungsgegenstand empfiehlt sich jedoch besonders auch die Verwendung
verhältnismäßig niedriger Drucke von i mm und darunter, da gerade hierbei die gradienterhöhende
`'Wirkung der Wände besonders stark in Erscheinung tritt. Unter dem gleichen Gesichtspunkt
kann man auch Neon und Helium als Füllgas verwenden.
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Vorteilhaft kann man bei Verkleinerung der Rohrdicke die Wandstärke
des Glases auf 2 '3, auf die Hälfte oder auf noch weniger der bisher üblichen Dicke
heruntersetzen, also auf etwa 0,5 mm und weniger. Hierdurch vermindert sich
der Strahlungsfaktor des Glases für die hauptsächlich zur Emission kommenden Wellenlängenbereiche
der `'Wärmestrahlung von 3 bis 4,u von dem bisher üblichen Wert von o,8 auf etwa
o,5 und weniger, und so wird vergleichsweise ein Drittel und mehr der sonst als
Wärme ausgestrahlten und verlorengehenden Energie eingespart. Im übrigen kann, wie
an sich bekannt, ein möglichst selber schon sehr wenig strahlendes Glas verwendet
«erden, wobei die Elektrodengefäße ferner mit wenig abstrahlenden Metallisierungen
oder Oxvdüberziigen versehen sind.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
In Abb. i stellt i das eigentliche enge und lange Entladungsrohr dar. Die Röhrenenden
2 und 3 sind demgegenüber erweitert. Da bei den Röhren nach der Erfindung verhältnismäßig
niedrige Entladungsströme bei hohen Spannungen verwendet werden, dienen hier vorteilhaft
sich selbst durch den Entladungsstrom aufheizende, also nicht fremd geheizte, mit
Alkali- oder Erdalkalimetallen oder deren Verbindungen aktivierte Elektroden. -Man
kann sogar großflächige, über die Temperatur der Umgebung hinaus sich wenig erhitzende
und ebenfalls aktivierte Elektroden verwenden. Die Oberfläche solcher Elektroden
kann durch Unterteilung, durch .Anlegung von Höhlungen, Spal= ten, Bohrungen, Lamellen
oder Verwendung zahlreicher Drähte noch weiter vergrößert sein.
Ebenso
sind auch Übergangsformen zwischen beiden Elektrodentypen verwendbar. Das eigentliche
Entladungsrohr ist umschlossen von einem wärmeisolierenden, eng anliegenden, durch
kleine Federn oder weiche Pflöcke 6, 6 aus Asbest, Glaswolle oder Speckstein gestützten
Rohr 7, das schon vor Ansetzen der Elektrodengefäße oder Zusammensetzen der Röhre
übergeschoben werden kann. Die ganze Anordnung. befindet sich vorteilhaft in einem
evakuierten Gefäß B.
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In Abb. 2 ist eine Mehrzahl. von Entladungsröhren 1i, 12, 13 und 14
räumlich zu einem gedrungenen Gebilde zusammengefaßt und in eine gegebenenfalls
evakuierte Hülle 8 eingeschlossen. Die einzelnen Röhren werden mit kleinen Einzelwiderständen
parallel oder in- Serie betrieben. Die Röhren können gegen die umgebende Vakuumhülle
oder untereinander durch winzige pflock- oder ringförmige, elastische oder zusammendrückbare
Körper aus Asbest, Glaswolle, Metalldrahtspiralen u. dgl. abgestützt sein.
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Abb.3 zeigt eine Entladungsröhre, die in Schraubenform zu einem räumlich
gedrängten Gebilde zusammengewunden ist. Auch diese Röhre ist gegen die umschließende
Vakuumhülle durch Pflöcke oder Federn 6, 6 abgestützt und kann an ihren Biegungsstellen
noch mit einer oder mehreren besonderen federnden Aufhängungen oder Abstützungen
15 versehen sein.
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In Abb. 4. ist eine Natriumdampflampe i gezeigt mit zwei Kathoden
q. und 5, die beide am selben Ende eingeschmolzen sind. Vermittels der Scheidewand
16 wird die Entladung zu einem großen Umweg durch die ganze Röhre hin und zurück
gezwungen, so daß die Lampe erstens infolge dieses Umweges und zweitens infolge
der Halbierung des Rohrvolumens und durch die Wandverluste eine erhebliche Spannungsaufnahme
und einen erheblichen Voltgradienten zeigt. Scheidewandlampen sind an sich von Quecksilberlampen
her bekannt. Die Kathoden q. und 5. sind bei der dargestellten Ausführungsform,
um keine oder eine nur wesentliche Ausbauchung der Elektrodengefäße zu haben, mit
ihrer Längsausdehnung oder mit ihrer Fläche block- oder scheibenförmig in Achsenrichtung
und parallel zur Entladung gestellt, wobei sie topfförmige oder blockförmige, sich
selbst aufheizende Kathoden oder etwa schraubenförmige Drähte sein können. Das eigentliche
Entladungsrohr ist eingeschlossen von einem wärmeisolierenden Rohr 7, das gerade
bei solchen Scheidewandlampen besonders leicht gasdicht abschließend gestaltet sein
kann. Es ist rechts geschlossen, nur links zum Überstülpen offen, hier aber durch
ein weiteres wärmeisolierendes Rohrstück 17, durch eine Kappe oder eine Scheibe
ebenfalls abgeschlossen. Statt dessen kann auch das Elektrodenende der Röhre, wie
an sich bekannt, verspiegelt oder mit nicht strahlenden Metallverbindungen-über@
zogen sein. Die Elektrodenzuführungen und noch etwaige Halterungen 18 sind durch
Öffnungen hindurchgeführt bzw. eingelassen. Beide Röhren befinden sich wieder in
einer umschließenden Vakuumhülle 8, die auch als zu öffnendes und abnehmbares Dewargefäß
ausgeführt ist. Hierbei kann insbesondere auch die wärmeisolierende Hülle unter
Belassung von Zwischenräumen mit dem äußeren Mantelgefäß verbunden sein, so daß
man beides von@einem ebenfalls evakuierten Sockelteil, der Außenkontaktvorrichtungen
für übliche Fassungen enthält, abnimmt, das Entladungsrohr einschiebt und wieder
auf den Sockelteil aufsetzt.
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Abb. 5 stellt den Querschnitt einer Röhre dar, die zur Steigerung
des Voltgradienten -äußerst `flach gehalten ist. Es zeigte sich, daß runde Röhren
den niedrigsten Voltgradienten haben und dieser mit flacherer Ausgestaltung immer
mehr ansteigt. Daher empfiehlt sich diese Ausgestaltung für vorliegende Erfindung.
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Bei den erfindungsgemäßen Röhren nach den Abb. 2, 3, q. und 5 kann
man infolge der räumlich konzentrierten Wärmeentwicklung und der verminderten Abstrahlung
dieser gedrungenen Bauformen die spezifische Entladungsdichte gegenüber den bisher
üblichen Natriumdampfröhren nicht unerheblich herabsetzen. Solche gedrungenen Strahler
lassen sich auch kugelförmig ausführen. Gleichzeitig ist der Voltgradient, also
der Spannungsabfall pro Quadratzentimeter auf das Vielfache einer ebenso dicken,
jedoch nicht mit Umwegen und beengenden Wänden versehenen Röhre vermehrt. Man kann
daher bei Entladungstemperaturen von 3oo bis 35o° durch Eigenheizung die spezifische
Entladungsdichte auf etwa 0,5 A/cm2 halten. Steigert man in entsprechendem Maße
die Zahl der parallel laufenden oder sonstwie zusammengefaßten Röhren oder Röhrenabschnitte,
so kann man die Entladungsdichte auf o,i bis 0,3 A/cm= und noch weniger heruntersetzen.
Bei derartig geringen spezifischen Entladungsdichten kann man auch mit der Temperatur
auf etwa 250' und sogar bis auf etwa Zoo ° heruntergehen. Hierbei beträgt
der Natriumdampfdruck nur noch ein bis wenige tausendstel Millimeter.
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Die Röhren nach der Erfindung können anstatt i mit einem Zusatz von
Natriumdampf mit den Dämpfen von Lithium, Cäsium, Magnesium, Zink, Thallium oder
deren Gemischen, gegebenenfalls unter Zusatz von Quecksilber- oder Cadmiumdampf,
gefüllt sein, da sich hierbei weitgehend dieselben erfindungsgemäßen Vorteile wie
bei Natriumdampf ergeben.