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Anordnung zum Betrieb einer Hbchdruck-Quecksilberdampflampe mit Gas-Grundfüllung,
durch die Entladung aufgeheizten, nicht aktivierten Glühkathoden und langgestrecktem
Lichtbogen Bekanntlich pflegt man die meist aus Quarz hergestellten, langgestreckten
Hochdruck-Quecksilberdampflampen, wie sie z. B. für Beleuchtungs- und Bestrahlungszwecke
verwendet werden, mit durch die Entladung geheizten Glühkathoden auszurüsten und
mit einer Gas-Grundfüllung (Neon, Argon od. dgl.) zu versehen. Als Glühkathoden
benutzt man hierbei in der Praxis durchweg Wehneltkathoden oder ähnlich -wirkende,
unter Anwendung von Alkali- oder Erdalkalimetall 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 sehr kurzzeitige elektrische Überlastungen eine Zerstörung
der hauchdünnen Hochemissionsschicht einer aktivierten Glühkathode hervorrufen können.
Diese Nachteile würden offenbar fortfallen, wenn es gelänge, Hochdruck-Quecksilberdampflampen
mit nicht aktivierten, beispielsweise aus Wolfram oder Tantal bestehenden, durch
die Entladung geheizten Glühkathoden auszurüsten.
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Dies ist auch schon verschiedentlich versucht worden, und zwar unter
anderem auch unter Benutzung von Elektroden, die entweder aus einem
Stift
oder aus einer gestielten Kugel bestanden. Hierbei ließ sich jedoch nur dann eine
Wirtschaftlieh ausreichende Lebensdauer der Lampe erzielen, wenn man zusätzlich
aktivierte Hilfselektroden vorsah, welche die Entladung während der Einbrenizeit
tragen und welche den Lichtbogen erst dann auf die nicht aktivierten Hauptelektroden
übergehen lassen, wenn im Innern der Lampe bereits ein erheblicher Dampfdruck entstanden
ist; denn nach Erreichen dieses Zustandes werden die nicht aktivierten Elektroden
durch die entstandene Dampfhülle vor allzu starker Zerstäubunggeschützt, so daß
es dann genügt, ihre mittlere Temperatur auf etwa 2ooo bis etwa 28oo° C zu halten,
um zu einer ausreichenden Lebensdauer zu gelangen. Es liegt aber auf,der HandAaß
idie Verwendung von nicht aktivierten Elektroden keinen wesentlichen Vorteil für
die Herstellung der Lampe bieten kann, wenn gleichzeitig noch aktivierte Elektroden
im Innern der Lampe vorgesehen werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Nachteile und besteht darin,
daß bei einer Anordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Ouecksilberdarnpflampe mit Gas-Grundfüllung,
durch die Entladung aufgeheizten, nicht aktivierten, aus einem hochschmelzenden
Metall, wie z. B. Wolfram oder Tantal, bestehenden Glühelektroden von draht- bzw.
stiftförmiger Gestalt und langgestrecktem, unmittelbar au den betriebsmäßigen Glühelektroden
zündendem Lichtbogen, die zugehörigen Strombegrenzungswiderstände derart bemessen
sind, daß der Spannungsabfall an den Elektroden der Lampe unmittelbar bei der Zündurig
des Lichtbogens unter 50 Volt sinkt, im Betriebe jedoch oberhalb von 9 Volt
bleibt. -Hierbei stellt der Spannungsabfall an den Elektroden, welcher sich unmittelbar
nach der Zündung. einstellt, nicht nur deshalb ein besonders geeignetes Kennzeichen
für den erfindungsgemäß auszuwählenden Betriebszustand dar, weil er leicht zu ermitteln
ist, sondern weil dieser Spannungsabfall sowohl von der Temperatur als auch von
der Ausdehnung des katholischen Brennfleckes abhängt und für Lampen der verschiedensten
Normalbelastung vergleichbare Brennzustände keinzeichnet.
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Die Erfindung geht von der überraschenden Erkenntnis aus, daß es bei
Lampen der in Frage stehenden Art, die mit stiftförmigen, aus einem nicht aktivierten
hochschmelzenden Metall, wie z. B. Wolfram oder Tantal, bestehenden, durch die Entladung
aufgeheizten Glühkathoden ausgerüstet sind, für die Erreichung einer besonders geringen
Zerstäubung nicht auf die mittlere Kathodentemperatur ankommt, sondern auf die Einhaltung
eines bestimmten Verhältnisses zwischen der Kathodentemperatur und der Größe des
negativen Brennfleckes. Der Versuch zeigt nämlich, daß solche Elektroden nicht nur
bei zu hoher, sondern auch bei zu geringer Strombelastung stark zerstäuben, d.aß
aber zwischen diesen beiden Grenzen ein mittleres Belastungsgebiet besteht, innerhab
dessen sich die Zerstäubung in vernachlässigbaren Grenzen hält. Der Grund für diese
Erscheinung dürfte in der Ausdehnung und Temperatur der emittierenden Oberfläche
liegen. Bei niedrigen Stromstärken unterliegt der Gesamtkörper der Glühkathode einer
verhältnismäßig geringen Erwärmung, so daß sich nur ein winziger Lichtbogenansatzpunkt
ausbildet. Dieser Ansatzpunkt gelangt hierbei jedoch auf sehr hohe Temperatur. So
kann z. B. die Spitze eines kegelförmig angeschliffenen Wolframstiftes von 3 mm
Stärke auf einer Oberfläche von etwa i mm2 durch einen Lichtbogen von 2 Amp. Stromstärke
bis zu einer Temperatur von über 3200° C (Emission. Zoo Amp./cm2) erhitzt werden,
ohne daß die übrigen Teile der Elektrode hierbei auf emissionswirksame Glühtemperatur
gelangen. Von der genannten Spitze geht hierbei ein Strahl von verdampftem Wolfram
aus, der die Wandungen der Lampe in kurzer Zeit schwärzt. Steigert man die Stromstärke
des Lichtbogens beispielsweise auf io Amp., so gerät die beschriebene Kathode in
einer Länge von rund io mm auf etwa 2700° C (Emission 14 Amp./em2). An die Stelle
einer punktförmigen Erhitzung auf mehr als 3200° C tritt also die Erhitzung einer
Oberfläche von etwa i em2 auf 2700° C, und man versteht, däß hierbei die Verdampfung
auf ein verschwindendes Maß absinkt. Wenn man die Lampe in diesem Zustand in das
Hochdruckgebiet der Quecksilberdampfentladüng überführt, wird die Verdampfung der
Elektroden sogar: praktisch Null. Steigert man die Stromstärke jedoch über den angegebenen
Wert noch wesentlich hinaus, so setzt infolge Überlastung wieder eine Zerstäubüng
ein. Es besteht also ein ausgesprochenes Optimalgebiet für die Abstimmung der Betriebsverhältnisse
auf die jeweilige Elektrodenbemessung.
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Eingehende Versuche haben ergeben, daß sich für die richtige Einhaltung
des fraglichen Optimalgebietes eine verhältnismäßig einfache Regel angeben läßt.
Das Optimalgebiet ist nämlich dann erreicht, wenn sich der Spannungsabfall an den
aufgeheizten Elektroden auf einen zwischen 5o und 9 Volt liegenden Wert einstellt.
Als Spannungsabfall an den Elektroden ist dabei derjenige Wert einzusetzen, welcher
sich aus der Klemmenspannung durch Abzug desjenigen Spannungsabfalles ergibt, welcher
auf den Lichtbogen entfällt und sich leicht durch den Vergleich verschieden langer
Lampen ermitteln läßt. Der so ermittelte Spannungsabfall an den Elektroden sinkt
nämlich infolge abnehmender Raumladungsdichte auf um so kleinere Werte, je größer
die an der Emission teilnehmende Fläche der Kathode pro Einheit der Stromstärke
wird.
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Abb. i zeigt eine )Lampe derjenigen Art, auf welche die Erfindung
sich bezieht. In die beiden Enden eines Quarzrohres i von etwa i mm Wandstärke und
etwa i2 bis 14 cm Länge sind zwei stiftförmige Elektroden 2und3-von je etwa 15 mm
freier Länge und o,5 mm Dicke eingeschmolzen. Das Quarzrohr i ist in üblicher Weise
mit einer Gas-Grundfüllung (Argon von 2o bis 3o Torr Druck) versehen und enthält
eine geringe Menge Quecksilber, die zweckmäßig so bemessen ist, daß sie bei Erreichen
der vorgeschriebenen Betriebstemperatur
von 3oo bis 5oo'°'C restlos
verdampft. Die Elektroden 2 und 3 sind über einen Widerstand 4 von etwa 50 Ohm an
22o Volt Wechselspannung gelegt. Der Widerstand 4 kann auch durch eine Drossel von
etwa o, i bis 0,3 Henry ersetzt werden. Ferner empfiehlt es sich, irgendeine der
bekannten Zündvorrichtungen (Zündstreifen, Hochfrequenzzündtingen od. dgl.) für
die erste Einleitung der Entladung vorzusehen.
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An einer Anzahl von genau gleichen Lampen dieser Art, welche sich
nur durch die Dicke des gewählten Elektrodendrahtes unterschieden, wurden unter
gleichen Betriebsbedingungen bei einer Stromstärke von 3 Amp. folgende Spannungsabfälle
an den Elektroden gemessen:
| Durchmesser Spannungsabfall |
| des Elektrodenstiftes an den Elektroden |
| mm Volt |
| 0,3 7 |
| o,6 14 |
| o,8 22 |
| 1,0 29 |
| 1,5 39 |
| 2.0 54 |
Die mit 2 mm starken Elektrodenstiften ausgerÜsteteLampe war mit der genannten Stromstärke
schon nicht mehr zu ruhigem Brennen zu bringen. Sie brannte erst mit etwa 5 Amp.
zufriedenstellend.
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Abb.2 zeigt ein Schaubild, aus dem für Stiftelektroden von o,25 bis
2,oo mm Stärke die Begrenzungen des erfindungsgemäß zu wählenden Optimalgebietes
hervorgehen. Als Abszisse ist hierbei der Durchmesser der Stifte und als Ordinate
diejenige Stromstärke aufgetragen, bei welcher der Spannungsabfall an den Elektroden
einen bestimmten Wert erreicht. Die zwischen den beiden äußersten Kurven I und IV
liegenden Werte sind zulässig, wobei die Kurve III etwa die günstigsten Belastungswerte
ergibt. Belastungswerte, die unterhalb der Kurve I liegen, führen zu einer unzulässigen
Zerstäubung durch Unterbelastung im oben gekennzeichneten Sinne. Belastungswerte,
die über der Kurve IV liegen, ergeben wegen Überlastung der Elektroden eine unzulässig
verminderte Lebensdauer der Lampe.
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Die in Abb. -2 wiedergegebenen Kurven wurden im Wechselstrombetrieb
mittels eines einstellbaren Ohmschen Vorschaltwiderstandes aufgenommen. Bei Gleichstrombetrieb
tritt eine im wesentlichen parallele Verschiebung der Kurven ein. Die gleiche Wirkung
zeigt sich, wenn man im Wechselstrombetrieb den Vorschaltwiderstand 4. durch eine
Drossel ersetzt.
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Aus dem Schaubild der Abb.2 kann man für jede vorgegebene Belastung
die geeignete Elektrodenbemessung entnehmen. Andererseits kann man für jede vorgegebene
Lampe die richtige Belastung nach den Lehren der vorliegenden Erfindung dadurch
ermitteln, daß man aus bekannten Tabellen zunächst den Spannungsabfall entnimmt,
welcher bei einer bestimmten Temperatur auf den Lichtbogen entfällt, und wenn man
hieraus die Klemmenspannung errechnet, die bei der betreffenden Temperatur unter
Einsetzung von beispielsweise 15 bis 2o Volt für den Spannungsabfall an den Elektroden
entstehen muß. Man regelt dann sofort nach dem Zünden den Vorschaltwiderstand bzw.
die Vorschaltdrossel der Lampe so weit nach, daß sich die so errechnete Klemmenspannung
einstellt. Ist auf solchem Wege die richtige Abstimmung des Stromkreises auf die
Lampe erzielt, so kann man die Lampe anschließend bedenkenlos bis in das Hochdruckgebiet
der Quecksilberdampfentladung hochbrennen lassen, ohne eine unzulässige Zerstäubung
befürchten zu müssen.
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Um vom ersten Augenblick der Zündung an das Entstehen eines punktförmigen
Lichtbogenansatzes zu verhindern, empfiehlt es sich, im Gegensatz zu den bisher
vorgeschlagenen Spitzen und Zacken an der Kathode, die Kathode an allen Punkten,
insbesondere an ihrem freien Ende, sorgfältig abzurunden. Bei starken Elektrodenstiften
5, 6 läßt sich dies durch kugeliges Abschleifen nach Art von Abb. 3 uPd 4 erreichen.
Dagegen empfiehlt es sich nicht, die bei sogenannten Punktlichtlampen (Wolframbogenlampen)
üblichen massiven, von verhältnismäßig dünnen Stieldrähten getragenen Kugeln anzuwenden,
da der langgestreckte Lichtbogen einer Lampe der vorliegenden Art in diesem Falle
sofort am Drahtstiel ansetzt, so daß dieser hoch aufglüht und unter der Last der
Kugel entweder verbogen oder sogar zerstört wird.
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Bei dünnen Drahtstiften läßt sich ein kugeliges Abschleifen des freien
Endes nur schwer durchführen. Daher werden dünne Drahtelektroden vorzugsweise gemäß
Ab b. 5 und 6 in Form von Häkchen 7 oder Schleifen 8 angewendet, welche ihren
abgerundeten Bogen dem Entladungsrohr zuwenden.
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Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, ggemäß Abb .7 die Stiftelektrode
9 für die Einleitung des Lichtbogens mit einer hinter ihr freies Ende zurückverlegten,
sehr dünnen Blechfahne io auszurüsten. Diese Blechfahne io kann z. B. eine Stärke
von o,o5 mm haben und in der dargestellten Weise einfach an den etwa o,4 mm starken
Stift 9 angefalzt und dann spiralig abgebogen werden, damit sie sich leicht in das
Ouarzrohr i einschieben läßt. Da dem Lichtbogen stets eine Glimmentladung vorausgeht,
deren Wärmeentwicklung der wirksamen Oberfläche entspricht, unterliegt eine solche
Blechfahne während des Zündungsvorganges einer bevorzugten Erwärmung und heizt sich
daher besonders rasch auf. Der Lichtbogen setzt dann zunächst an der Blechfahne
io an, um auf den von dieser Blechfahne aufgeheizten Stift 9 erst dann überzugehen,
wenn dieser auf ausreichende Temperatur gelangt ist. Da hierdurch die Zerstäubung
während der Zündungsperiode stark herabgesetzt wird, trägt diese Maßnahme erheblich
zur Steigerung der Lebensdauer der Lampe bei und erweitert somit das zulässige Belastungsgebiet.
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Obwohl die oben angeführten Daten sich in erster Linie auf Lampen
mit Wolframelektroden beziehen, lassen sich alle Lehren der Erfindung natürlich
auch auf Lampen anwenden, deren Elektroden aus
Tanztal oder einem
anderen, ähnlich hochschmelzenden Metall hergestellt sind.