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Hochleistungsblitzlampe Die Erfindung bezieht sich auf Blitzlampen
oder stroboskopische Lampen, die zur Abgabe großer mittlerer Lichtleistungen fähig
sind.
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Bekanntlich erhält man bei der Entladung eines Kondensators durch
ein seltenes Gas oder eine Mischung von seltenen Gasen und Metalldämpfen einen sehr
kurzen Blitz von großer Lichtstärke. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Füllgas
der Lampe aus Xenon oder Krypton oder einem Gemisch dieser beiden Gase besteht.
Die im Laufe einer solchen Entladung frei werdende Energie ist U =1/2 CV2.
U wird dabei in Joules, die Kapazität C des Kondensators in Farad und die
Ladungsspannung V in Volt ausgedrückt. Wenn man die Blitze N-mal in der Sekunde
wiederholt, so ist die verbrauchte mittlere Leistung P = 11l - U,
wobei P die Leistung in Watt ist. Solange diese mittlere Leistung verhältnismäßig
gering bleibt und z. B. weniger als ioo Watt beträgt, bereitet die Konstruktion
der Blitzlampen keine besonderen Schwierigkeiten, und solche Lampen sind zur Zeit
allgemein im Gebrauch. Wenn es sich jedoch darum handelt, die mittlere Leistung
der Blitzlampe zu erhöhen und eine Leistung von etwa ioo Watt zu überschreiten,
so treten verschiedene Erscheinungen auf, die dem guten Arbeiten der Lampe abträglich
sind. Erwähnt seien in dieser Hinsicht insbesondere a) eine übermäßige Erwärmung
der Elektroden der Blitzlampe, b) eine übermäßige Erwärmung der Glaswand der Lampe
und c) eine Zerstäubung der Elektroden, und zwar insbesondere der als Kathode arbeitenden
Elektrode, wodurch eine Schwärzung der Glaswand der Lampe herbeigeführt wird.
Die
Erfindung bezieht sich nun auf Blitzlampen, die hohe mittlere Leistungen abgeben
können-(wobei sich der Ausdruck mittlere auf lange Betriebszeiten gegenüber der
Dauer der Blitze bezieht). Die Leistungen können ioo Watt überschreiten und beispielsweise
mehrere Kilowatt erreichen, ohne daß sich eine übermäßige Erhitzung der Elektroden
oder der Glaswand der Lampe oder eine Schwärzung dieser Wand durch eine Zerstäubung
der Elektroden ergibt.
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Wenn man mit hohen mittleren Leistungen arbeiten und infolgedessen
insbesondere die Blitze mit ausreichender Frequenz (beispielsweise a¢ pro Sekunde
für kinematographische Zwecke) wiederholen will, so muß man zur Vermeidung des Überganges
in das Luminiszenzstadium und zur Aufrechterhaltung eines Betriebes mit getrennten
Blitzen, die Elektroden, und zwar insbesondere die die Kathode bildende Elektrode
in genügend kaltem Zustand halten, so daß nicht etwa eine wesentliche Thermoelektronenemission
zum Auftreten eines Lichtbogens führt.
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Dies kann man selbst bei großen Leistungen durch die Verwendung von
Elektroden erreichen, die sich leicht kühlen lassen. Dies ist der Fall, wenn die
Elektroden einen Teil des Vakuumraumes bilden, und infolgedessen eine oder mehrere
Oberflächen, welche von der umgebenden Luft bespült werden oder einer künstlichen
Außenkühlung zugänglich sind. In der nachfolgenden Beschreibung werden solche Elektroden,
die einen Teil der Wandung bilden, als Wandelektroden bezeichnet, im Gegensatz zu
Elektroden, die sich im Innern des Raumes befinden.
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Gemäß der Erfindung kennzeichnen sich die Hochleistungsblitzlampen
mit kalten Metallelektroden, welche Teile des Vakuumraumes bilden, durch die folgenden
Merkmale i. Die Metallelektroden sind in die äußere Glaswand des Vakuumraumes eingeschmolzen,
und sie erstrecken sich einander zugekehrt 'in das Innere dieses Raumes. Die elektrische
Entladung wird dabei durch ein in dem Vakuumraum befindliches Führungsrohr aus Spezialglas
oder Quarz von geringem Querschnitt geführt. Die aufgeweiteten Enden dieses Führungsrohres
umgeben die Metallelektroden vollständig. Im übrigen erstreckt sich das Führungsrohr
mit seinen Enden, von der Entladungsstrecke aus gesehen, hinter die Elektroden bis
in die Nähe der Enden des Vakuumraumes. Dadurch findet die elektrische Entladung
ausschließlich in dem Führungsrohr statt, wobei jedoch zwischen den beiden Teilen
des Vakuumraumes eine freie Verbindung besteht.
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a. Die Metallelektroden stellen einen Hohlkörper dar, der sich in
den Entladungsraum erstreckt. In diesem Hohlkörper ist außerhalb des Entladungsraumes
ein natürlich oder künstlich gekühlter Metallkörper vorgesehen, der die Aufgabe
hat, die Temperatur der Elektrode zu begrenzen.
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3. Zwischen den Metallelektroden und dem verengten Teil des Führungsrohres
sind - isolierende Schirme angebracht, die einen Teil des Führungsrohres bilden
und den Abschnitt des Führungsrohres, der durchsichtig bleiben soll, gegen die Ablagerung
zerstäubter Kathodenteilchen schützen. q.. Das Führungsrohr besitzt in seinem verengten
Teil oder in einem seiner aufgeweiteten Teile eine Zündelektrode, deren Stromzuführung
mit Isolierung durch den Teil des Vakuumraumes hindurchgeht, der sich außerhalb
des Führungsrohres befindet. Diese Zündelektrode ist in die Wand des Vakuumraumes
eingeschmolzen.
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Beispielsweise Ausführungsformen, die jedoch keine beschränkende Bedeutung
haben, zeigt die Zeichnung. Erfindungsgemäß wird eine übermäßige Erhitzung der Elektroden
von Hochleistungsblitzlampen dadurch vermieden, daß Wandelektroden Verwendung finden,
die in Anbetracht ihrer leichteren Kühlbarkeit für die gleiche Leistung geringere
Abmessung erhalten können als Elektroden, die sich vollständig innerhalb des Vakuumraumes
befinden. Die Kühlung der Elektroden kann ohne Schwierigkeiten durch einfache Berührung
mit der umgebenden Luft erfolgen, man kann aber auch eine kräftigere Kühlung durch
eine künstliche Ventilation oder durch einen Wasserumlauf bewirken. Um die Wärmeübertragung
zu verbessern, können die Elektroden mit Kühlrippen versehen oder mit Metallteilen
verbunden sein und mit diesen in enger, die Wärmeleitung begünstigender Berührung
stehen, wobei es dann möglich ist, diese Metallteile selbst mit Kühlrippen auszustatten.
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Abb. i zeigt . ein erstes Ausführungsbeispiel einer Blitzlampe gemäß
der Erfindung.
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Die Metallelektroden E haben die Form eines hohlen Zylinders, der
an einem Ende geschlossen und dessen geschlossene Seite dem Innern des Vakuumraumes
V zugekehrt ist. Zwischen dem die Elektroden E bildenden Metall und dem rohrförmigen
Glaskörper V der Lampe bestehen vakuumdichte Schmelzverbindungen S. Um zu sichern,
daß die Schmelzverbindungen auch erheblichen Temperaturschwankungen widerstehen
können, ist es erforderlich, für die Elektroden E metallische Stoffe zu verwenden,
deren Wärmeausdehnungskoeffizienten demjenigen des Glaskörpers V sehr nahekommen.-
So kann man z. B. vorteilhafterweise Elektroden verwenden, die aus der unter der
Bezeichnung Kovar bekannten Legierung aus Eisen, Nickel und Kobalt gefertigt sind,
während der Glaskörper aus einem Glas bestehen kann, das unter dem Namen Moly bekannt
ist und welches sowohl mit Molybdän als auch mit Kovar verschmilzt.
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Wie schon oben gesagt, kann man die Kühlung der Elektroden E durch
verschiedene Mittel und insbesondere durch die Verwendung von Kühlrippen verstärken.
Die Elektroden E sind z. B. mit einem Radiator R versehen, der aus einem metallischen,
zweckmäßig einem K-4pfer- oder. Messingzylinder besteht und Rippen A' hat. Dieser
Radiator steht mit den Elektroden E in Reibungsverbindung, wodurch der mögliche
Wärmeaustausch erhöht ist.
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Bemerkt sei, daß die Verwendung von Metallelektroden, die unmittelbar
mit dem Glaskörper der Lampe verschmolzen sind, den wesentlichen Vorteil hat, daß
man auf die üblicherweise benutzten Stromeinführungen verzichten kann, die aus in
das Glas eingebetteten Leitern bestehen, und bei Lampen geringer Leistung gebräuchlich
sind, um den vollständig
innerhalb des Vakuumraumes befindlichen
Elektroden Strom zuzuführen. Man darf nämlich nicht vergessen, daß die Entladungsstromstärken
eines Kondensators beim Betrieb von Blitzlampen häufig Werte von mehreren hundert
Ampere erreichen und daß diese Stromstärken bei höheren Leistungen sogar mehrere
tausend Ampere ausmachen kann. Es ist daher wesentlich, den Widerstand des elektrischen
Entladungsstromkreises soweit wie möglich zu verringern.
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Um eine übermäßige Erhitzung des Glaskörpers von Blitzlampen und insbesondere
- solchen großer Leistung zu vermeiden, ist es notwendig, den Glaskörpern eine solche
Ausbildung zu geben, daß eine genügend große Oberfläche entsteht, um die erforderliche
Kühlung zu sichern. Die gleichen Erwägungen haben dazu geführt, die Abmessungen
der Lampenkolben von Hochleistungsglühlampen zu erhöhen.
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Die Entladung im Innern des Vakuumraumes der Blitzlampe wird durch
ein schwer schmelzbares Glasrohr, das in geeigneter Weise zwischen den Metallelektroden
angeordnet ist, geführt, so daß der kürzeste Entladungsweg, dem die Entladung unter
den angewendeten Gasdrücken von selbst folgt; sich im Innern des Führungsrohres
zwischen den beiden Elektroden befindet. Gemäß Abb. i ist somit zwischen -den Elektroden
E im Innern des Raumes V ein Rohr T, z. B. aus Quarz, vorgesehen, das die Aufgabe
hat, die Entladung zwischen den Elektroden zu führen.
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Das Rohr T ist kittlos befestigt, so daß die beim Entladungsdurchgang
erhitzten Gase frei in den Ringraum zwischen dem Rohr T und dem Glaskörper V übertreten
können, wodurch sich diese Gase in Folge der Berührung mit der Außenwand des Glaskörpers
V abkühlen. Eine ausreichende Befestigung des Führungsrohres in der gewünschten
Stellung erhält man einfach dadurch, daß das Rohr mit seinen beiden Enden auf den
beiden Böden der Lampe aufliegt. Zur Vermeidung einer Abdichtung zwischen dem Führungsrohr
und dem erwähnten Ring sind die Ränder an den Enden des Führungsrohres mit einer
Zähnung versehen.
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Abb.2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem das Führungsrohr
aus einem Rohr t1 und zwei damit verschmolzenen Rohren t2 von" verschiedenem Durchmesser
besteht. Das Rohr il ragt dabei in das Innere der Rohre t2 hinein. Der engere
Mittelteil des Führungsrohres hat z. B. eine Länge, die zur gleichmäßigen Belichtung
eines Kinofilms geeignet ist.
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Soll jegliche schädliche Schwärzung der Wand durch eine Zerstäubung
der Elektroden vermieden werden, so ist es zweckmäßig, gemäß der Erfindung im Innern
des die Entladung führenden Rohres isolierende Schirme vorzusehen, welche den Eintritt
von festen Teilchen verhindern, die von den Elektroden abgeschleudert werden. Somit
ist das Führungsrohr gemäß den Abb. i und 2 mit Schirmen o versehen, die einen Teil
des Führungsrohres bilden, aus einer Zerstäubung der Elektroden herrührende feste
Teilchen abfangen und so die Schwärzung desjenigen Abschnittes des Führungsrohres
verhindern, welcher durchsichtig bleiben soll. Die Einschaltung eines gegen die
Ablagerung zerstäubter Teilchen schützenden Schirmes ist nicht erforderlich, wenn
man seitlich angeordnete Elektroden verwendet, insbesondere, wenn die Lampe für
eine durch die Stirnseite gehende Strahlung eingerichtet ist, in welchem Falle die
Schwärzung der Seitenwände des Führungsrohres keinen Nachteil mit sich bringt. Eine
solche Ausführungsform zeigt Abb. 3, in welcher der Pfeil f die Richtung der nutzbaren
Lichtstrahlung angibt.
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Schließlich ist es in einer großen Anzahl von Anwendungsfällen von
Blitzlampen erforderlich, eine Vorrichtung vorzusehen, welche für das Auftreten
des Blitzes in einem genau bestimmten Augenblick sorgt (z. B. bei photographischen
Aufnahmen mit sehr kurzer Belichtungszeit) oder die das Auftreten periodisch aufeinanderfolgender
Blitze mit einer bestimmten Frequenz bewirkt.
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Ein bekanntes Mittel, mit dem man das Auftreten des Blitzes hervorrufen
kann, besteht darin, daß man zwischen einer der Lampenelektroden und einem dieser
Elektrode benachbarten, außerhalb der Lampe angeordneten Leiter plötzlich ein starkes
elektrisches Feld erzeugt. Dieses Mittel ist zwar für Lampen mit geringer Leistung,
die aus Rohren mit einem Durchmesser von einigen Millimetern bestehen, brauchbar.
Es kann jedoch keine Anwendung finden, wenn es sich um Hochleistungslampen handelt,
deren Querabmessungen in dem Entladungsbereich mehrere Zentimeter ausmachen und
bei denen man ein inneres Entladungsleitrohr vorsehen muß.
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Die Erfahrung hat nämlich gezeigt, daß eine einem außerhalb der Lampe
befindlichen Leiter zum Zwecke der Zündung zugeführte Überspannung häufig die Wirkung
hat, daß die Entladung nicht mehr längs des Führungsrohres, sondern in dem Ringraum
zwischen dem Führungsrohr und der Lampen-,,vandung stattfindet. Um nun diesen erheblichen
Mangel auszuschalten, kommt gemäß der Erfindung eine Zündhüfselektrode zur Verwendung,
die durch den genannten Ringraum unter einer isolierenden Hülse (z. B. mit einer
Glasbekleidung) hindurchgeht und durch eine in dem Führungsrohr vorgesehene Öffnung
in dieses eintritt.
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Die zwischen dieser Zündelektrode und der benachbarten Lampenelektrode
angelegten, in geeigneter Weise gerichteten Überspannungen sichern dann den gewünschten
Durchtritt des Blitzes im Innern des Führungsrohres.
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Eine derartige Hilfselektrode ist beispielsweise in den Abb.2 und
3 dargestellt. Hierin sind a die Zündhilfselektrode, b der isolierende Mantel
und w die in dem Führungsrohr vorgesehene Öffnung, welche der Zündelektrode a den
Durchgang gewährt.
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Um das mit den oben beschriebenen Lampen erzielte Ergebnis vor Augen
zu führen, seien nachfolgende drei Ausführungsbeispiele gegeben: a) eine Blitzlampe
für die Projektion eines kinematographischen Films, die je Sekunde 5o Blitze von
io Joules liefern kann, d. h. eine mittlere Leistung von 5oo Watt entwickelt. Die
Elektroden dieser Lampe sind dabei mit einer Luftkühlung dienenden Rippen versehen;
b) eine entsprechende Lampe, die bei längerem Betrieb
eine mittlere
Leistung von i kW abgeben kann. Mit Hilfe dieser Lampe war es möglich, kinematographische
Aufnahmen mit außerordentlich kurzer Belichtungszeit (3o Mikrosekunden) von mikroskopischen
Präparaten bei höchster Vergrößerung zu machen. Dies geschah nicht nur bei gewöhnlicher
Mikroskopie, sondern auch, und zwar diese das erste Mal bei der Lichtkontrastmikroskopie
lebender Präparate, die nicht gefärbt sind; c) eine entsprechende Lampe, welche
für kinematographische Aufnahmen bestimmt ist und bei der die Kühlung der Kathode
durch Wasserumlauf und diejenige der Anode durch Luft bewirkt wird. Bei einer solchen
Lampe ergab sich bei Versuchen auf Grund von 5o Blitzen von 500 Joules pro
Sekunde eine mittlere Leistung von 25 kW.
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Bemerkt sei noch, daß die Blitzlampen der Erfindung sowohl große Leistungen
(über einige hundert Watt) als auch kleine Leistungen (einige Watt oder das Mehrfache
von io Watt) haben können, wobei jedoch die Abmessungen der Elektroden in diesem
Falle nur viel kleiner zu sein brauchen.