EP2717293A1 - Infrarot-Strahlungsquelle und Verfahren zum Herstellen einer Infrarot-Strahlungsquelle - Google Patents

Infrarot-Strahlungsquelle und Verfahren zum Herstellen einer Infrarot-Strahlungsquelle Download PDF

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EP2717293A1
EP2717293A1 EP12187412.7A EP12187412A EP2717293A1 EP 2717293 A1 EP2717293 A1 EP 2717293A1 EP 12187412 A EP12187412 A EP 12187412A EP 2717293 A1 EP2717293 A1 EP 2717293A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation source
discharge vessel
infrared radiation
mbar
discharge
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12187412.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Ferdinand Schubert
Frank R. Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quercus Light GmbH
Original Assignee
Quercus Light GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Quercus Light GmbH filed Critical Quercus Light GmbH
Priority to EP12187412.7A priority Critical patent/EP2717293A1/de
Priority to CN201310463820.XA priority patent/CN103794464A/zh
Publication of EP2717293A1 publication Critical patent/EP2717293A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/12—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature
    • H01J61/16—Selection of substances for gas fillings; Specified operating pressure or temperature having helium, argon, neon, krypton, or xenon as the principle constituent
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/38—Devices for influencing the colour or wavelength of the light
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/70—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr
    • H01J61/76—Lamps with low-pressure unconstricted discharge having a cold pressure < 400 Torr having a filling of permanent gas or gases only

Definitions

  • the present invention relates to an infrared radiation source and a method of manufacturing an infrared radiation source.
  • NIR radiation near infrared
  • NIR near infrared
  • the control, procedural change and / or prevention of unwanted, unauthorized or punishable acts by persons or other living beings or devices used in economical and for living beings health-safe way is from the EP 1 548 798 B1 a metal halide lamp which emits NIR radiation.
  • a disadvantage of this lamp is that highly reactive and expensive raw materials are used for its production.
  • such a radiation source operates at a high pressure, which makes complex security measures necessary.
  • a low-pressure discharge lamp with hot cathodes is known, the filling of which comprises mercury and emits the NIR radiation.
  • mercury is used to force UV excitation of a phosphor used in such low-pressure discharge lamps.
  • the mercury vapor gives rise to the UV light that stimulates the phosphor.
  • Mercury vapor emitted at about 250 nm and therefore not in the infrared range.
  • a disadvantage of such a low-pressure discharge lamp is the fact that the filling comprises mercury, which leads to problems in disposal after the end of life, in particular to undesirably high costs.
  • the efficiency of such a low-pressure discharge lamp is undesirably low and the production of rare and therefore expensive raw materials is necessary for their production.
  • NIR radiation sources which emit NIR radiation. Examples include LED spotlights, incandescent lamps with elimination of visible radiation and HID spotlights. Furthermore, radiation sources are known in which dielectrically impeded xenon discharge is used. Examples are the products Xeradex and Planon from Osram.
  • the object of the present invention is therefore to provide an infrared radiation source, which is characterized by low production costs, environmental compatibility and high efficiency.
  • the present invention is further based on the object to provide a corresponding method for producing such an infrared radiation source.
  • the present invention is based on the finding that with low-pressure discharge lamps with thermally emitting electrodes waiving mercury at certain xenon partial pressures as a function of the discharge volume of the discharge vessel surprisingly sets an effect that leads to the emission of radiation in the infrared wavelength range to an unexpectedly high extent , Empirically, it could be determined that this effect occurs when at a discharge volume less than or equal to 50 cm 3, a xenon partial pressure between 0.008 mbar and 0.010 mbar is used, and for a discharge volume greater than 50 cm 3, a xenon partial pressure between 0.3 mbar and 2 mbar.
  • the discharge vessel of an infrared radiation source according to the invention is designed such that it is transmissive to radiation in the infrared wavelength range.
  • the present invention provides an infrared light source that produces high intensity, high efficiency, and low bandwidth NIR radiation.
  • the low-pressure discharge lamp used in an infrared radiation source according to the invention is characterized in that the electrode and gas temperatures are hardly coupled. There is therefore no thermal equilibrium.
  • This type of discharge is also referred to as an annealing emission followed by an impulse discharge.
  • a typical application is the fluorescent lamp.
  • In partially evacuated glass tube forms at opposite electrodes at sufficiently high voltage an annealing emission followed by shock discharge.
  • "Opposite” here means "opposite in the discharge vessel". In this case, the electrodes need not be opposed in a plane, but are each arranged at the end of an arbitrarily shaped discharge vessel.
  • Low-pressure discharge lamps can work with directly heated hot cathodes, wherein the hot cathodes are usually heated before ignition and then maintain their temperature by itself by heating.
  • an excimer discharge may also be used to achieve the object of the present invention. As is well known to those skilled in the art, this can be achieved by adjusting the excitation frequency and current flow while maintaining pressure and gas composition.
  • the total filling gas pressure in the discharge vessel is between 2.5 and 200 mbar, preferably between 6.5 and 20 mbar. In particular, in the latter area, a particularly high efficiency and thus a particularly high efficiency were found.
  • the electrodes may be designed for a DC power supply or an AC power supply. Both types of care are possible.
  • the electrodes are preferably designed as filament electrodes.
  • the object of the present invention has already been satisfactorily solved if the filling of the discharge vessel does not comprise a phosphor. Even in this case, the radiation emitted in the infrared wavelength range is sufficiently high enough that such an infrared radiation source already works sufficiently efficiently for most applications. However, the efficiency can be further optimized if the filling of the discharge vessel comprises a phosphor which is designed to convert radiation at a wavelength of in particular 154 nm and / or 172 nm into NIR radiation.
  • the excitation of the xenon fraction by impulse discharge or excimer discharge also radiation components in the UV range, which can contribute by transformation or conversion by means of a suitable phosphor to the total output signal in the infrared wavelength range.
  • the phosphor is preferably attached to the inner wall of the discharge vessel, wherein it is the phosphor to a single-photon phosphor or a multi-photon phosphor can act.
  • a particularly preferred phosphor is available on the market under the designation Nichia NP-870.
  • the filling of the discharge vessel may further comprise at least one of the following elements as a carrier gas: argon, neon, krypton, helium, radon, nitrogen in combination with at least one noble gas, oxygen in combination with at least one noble gas.
  • argon argon
  • neon krypton
  • helium helium
  • radon nitrogen in combination with at least one noble gas
  • oxygen in combination with at least one noble gas.
  • argon for tubes with a diameter of up to 120 mm
  • neon-argon gas mixtures work well. Even better results are obtained with a gas mixture comprising neon, argon and krypton. In both cases results in a long life.
  • the radiation power and the efficiency of the low-pressure discharge lamp are significantly increased.
  • the use of neon as the carrier gas provides the highest radiation density and the highest radiation efficiency. However, there are still missing results regarding the lifetime.
  • the discharge vessel is designed so that it absorbs UV-A, UV-B and / or UV-C radiation.
  • the charging vessel may consist of borosilicate or soft glasses. In this way, the formation of environmentally and harmful ozone is prevented. This is otherwise produced when short-wave / high-energy UV radiation is absorbed by atmospheric oxygen.
  • an infrared radiation source comprises an optical filter device.
  • the optical filter device can be designed such that it is impermeable to radiation in the wavelength range between 380 nm and 600 nm, in particular absorbs radiation in this wavelength range.
  • the discharge vessel is the optical filter device and consists of optical filter glass, which is designed to absorb radiation in the wavelength range between 380 nm and 600 nm.
  • the optical filter device can also be applied to the discharge vessel, for example in the form of a protective lacquer or a tube.
  • a filter vessel may be provided which comprises the optical filter device and which at least partially surrounds the discharge vessel.
  • the optical filter device can preferably be designed to also filter minimal spectral components in the visible wavelength range from the emission spectrum.
  • the optical filter device is therefore impermeable in particular to radiation in the visible wavelength range. With the naked eye, an infrared radiation source according to the invention can thus not be detected. In this way, it does not interfere.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of an infrared radiation source according to the invention 10.
  • This comprises a low-pressure discharge lamp with a discharge vessel 12, the filling is characterized in dependence on its discharge volume by the following features: If the discharge volume is less than 50 cm 3 , contains the filling xenon with a partial pressure between 0.008 mbar and 0.010 mbar. If the discharge volume is more than 50 cm 3 , the partial pressure of the xenon fraction is between 0.3 mbar and 2 mbar.
  • the filling expressly contains no mercury.
  • the low-pressure discharge lamp comprises a first 14 a and a second filament electrode 14 b, which are arranged opposite to respective ends of the discharge vessel 12 and within the discharge vessel 12.
  • the filling of the discharge vessel 12 contains no phosphor.
  • the filling contains as carrier gas at least one of the elements argon, neon, krypton, helium, radon, nitrogen in combination with at least one noble gas, oxygen in combination with at least one noble gas.
  • the total filling gas pressure in the discharge vessel is between 2.5 and 200 mbar, preferably between 6.5 and 20 mbar.
  • the discharge vessel 12 may comprise a phosphor which is designed in particular to convert radiation at a wavelength of 154 nm and / or 172 nm in NIR radiation.
  • the discharge vessel 12 itself can be designed to absorb UV-A, UV-B and / or UV-C radiation.
  • an optical filter 16 is applied to the discharge vessel 12.
  • the optical filter 16 is impermeable to radiation in the wavelength range between 360 nm and 600 nm or absorbs radiation in this wavelength range.
  • the optical filter can be applied to the discharge vessel 12, for example in the form of a lacquer or a powder layer, inside or outside.
  • a filter vessel 18 is provided which surrounds the discharge vessel 12 at least partially, wherein the filter vessel 18 is the optical filter device.
  • an infrared radiation source according to the invention can be operated in different operating modes, once invisible to the human eye and once visible to the human eye, provided that the filter vessel 18 can be reversibly coupled to the discharge vessel 12.
  • the filter vessel 18 can continue to be used for the replacement low-pressure discharge lamp.
  • Fig. 4 shows an embodiment in which the discharge vessel 12 represents the optical filter device.
  • the discharge vessel 12 is made of optical filter glass, which is designed to absorb radiation in said wavelength range between 380 nm and 600 nm.
  • Fig. 5 the transmittance as a function of the wavelength for a first embodiment of an optical filter device, as it is used in an infrared radiation source according to the invention, shown.
  • an optical filter device is impermeable to radiation up to a wavelength of 600 nm.
  • Fig. 6 shows the corresponding course for a second embodiment of an optical filter device. This is designed so that it is impermeable to radiation up to wavelengths of about 730 nm.
  • the advantage of using an optical filter device having a like in Fig. 6 has spectral shape shown, is that almost no visible light is emitted.
  • the disadvantage of this, however, is the fact that the efficiency is lowered by about 20%.
  • a phosphor can be provided which is designed to convert radiation into NIR radiation, in particular at a wavelength of 154 nm and / or 172 nm.
  • Fig. 7 the emission and absorption spectrum of a suitable phosphor available under the name Nichia NP-870 on the market.
  • a phosphor absorbs electromagnetic energy in the range of UV-A, UV-B and / or UV-C radiation, see curve a), which shows the excitation spectrum.
  • Curve b) shows the emission spectrum of electromagnetic energy when excited according to curve a). As can be clearly seen from the course of the curve b), energy is emitted in the infrared wavelength range.
  • the phosphor can be applied in the form of a powder layer to the inside of a UV-A, C-band or C-radiation absorbing or outside of a discharge vessel 12 that is transmissive to UV-A, UV-B and / or UV-C radiation.
  • the application on the inside has the advantage that the phosphor is protected from mechanical influences.
  • a discharge vessel 12 In the method according to the invention for producing an infrared radiation source, first of all a discharge vessel 12 is provided. Then, in the discharge vessel, the first 14 a and the second thermally emitting electrode 14 b are arranged such that they are arranged in the discharge vessel opposite, that is, at both ends of the discharge vessel. Subsequently, the discharge vessel is heated and evacuated. After a cooling step, the discharge vessel with a filling which contains no mercury, but xenon with a partial pressure which depends on the discharge volume of the discharge vessel.
  • the xenon partial pressure is between 0.008 mbar and 0.010 mbar, while for discharge volumes greater than 50 cm 3 the xenon partial pressure is between 0.3 mbar and 2 mbar.
  • the order of the steps of the method according to the invention can be varied appropriately.

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  • Discharge Lamp (AREA)
  • Vessels And Coating Films For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Infrarot-Strahlungsquelle (10) mit einer Niederdruckentladungslampe umfassend ein Entladungsgefäß (12) mit einem Entladungs-Volumen; und eine erste (14a) und eine zweite thermisch emittierende Elektrode (14b), die in dem Entladungsgefäß (12) gegenüberliegend angeordnet sind; wobei die Füllung des Entladungsgefäßes folgende Merkmale aufweist: die Füllung enthält kein Quecksilber; und der Xenon-Partialdruck beträgt: bei einem Entladungs-Volumen kleiner gleich 50 cm3 zwischen 0,008 mbar und 0,010 mbar, und bei einem Entladungs-Volumen größer 50 cm3 zwischen 0,3 mbar und 2 mbar. Die Erfindung betrifft überdies ein Verfahren zum Herstellen einer entsprechenden Infrarot-Strahlungsquelle (10).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Infrarot-Strahlungsquelle und ein Verfahren zum Herstellen einer Infrarot-Strahlungsquelle.
  • NIR-Strahlung (NIR = near infrared) wird insbesondere zum Anstrahlen von unbewegten oder bewegten Gegenständen sowie Bewegungsabläufen, vorzugsweise von Personen und anderen Lebewesen, aber auch unbelebten Abläufen zwecks visueller und aparativer Beobachtung mittels geeigneter Geräte, beispielsweise Kameras, Monitoren usw., zum Zwecke der Steuerung, Ablaufveränderung und/oder Verhütung unerwünschter, ungenehmigter oder strafbarer Handlungen durch Personen oder andere Lebewesen oder Vorrichtungen in ökonomischer und für Lebewesen gesundheitlich unbedenklicher Weise benutzt. In diesem Zusammenhang ist aus der EP 1 548 798 B1 eine Metallhalogenidlampe bekannt, die NIR-Strahlung aussendet. Nachteilig an dieser Lampe ist jedoch, dass zu ihrer Herstellung hochreaktive und teuere Rohstoffe verwendet werden. Außerdem arbeitet eine derartige Strahlungsquelle bei einem hohen Druck, welcher aufwändige Sicherungsmaßnahmen notwendig macht.
  • Aus der US 5,837,478 A ist eine Niederdruckentladungslampe mit Glühkathoden bekannt, deren Füllung Quecksilber umfasst und die NIR-Strahlung emittiert. In derartigen Niederdruckentladungslampen wird Quecksilber dazu verwendet, eine UV-Anregung eines in derartigen Niederdruckentladungslampen verwendeten Leuchtstoffs zu erzwingen. Über den Quecksilberdampf entsteht das den Leuchtstoff anregende UV-Licht. Quecksilberdampf emittiert bei etwa 250 nm und daher nicht im Infrarotbereich. Nachteilig an einer derartigen Niederdruckentladungslampe ist der Umstand, dass die Füllung Quecksilber umfasst, was bei der Entsorgung nach Lebensdauerende zu Problemen, insbesondere zu unerwünscht hohen Kosten führt. Überdies ist die Effizienz einer derartigen Niederdruckentladungslampe unerwünscht gering und zu ihrer Herstellung ist die Verwendung seltener und damit teuerer Rohstoffe nötig.
  • Aus dem Stand der Technik sind weitere Strahlungsquellen bekannt, die NIR-Strahlung emittieren. Beispielhaft sind hier zu nennen LED-Strahler, Glühlampen mit Eliminierung des sichtbaren Strahlungsanteils sowie HID-Strahler. Weiterhin sind Strahlungsquellen bekannt, bei denen dielektrisch behinderte Xenon-Entladung eingesetzt wird. Beispielhaft sind hier zu nennen die Produkte Xeradex und Planon der Firma Osram.
  • Den aus dem Stand der Technik bekannten Strahlungsquellen ist gemeinsam, dass sie entweder einen hohen aparativen Aufwand erfordern, der mit beträchtlichen Kosten einher geht, lediglich eine niedrige Effizienz oder geringe Strahlungsleistung aufweisen oder in der Entsorgung problematisch sind.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Infrarot-Strahlungsquelle bereitzustellen, die sich durch niedrige Herstellungskosten, Umweltverträglichkeit sowie hohe Effizienz auszeichnet. Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer derartigen Infrarot-Strahlungsquelle bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Infrarot-Strahlungsquelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich bei Niederdruckentladungslampen mit thermisch emittierenden Elektroden unter Verzicht auf Quecksilber bei bestimmten Xenonpartialdrücken in Abhängigkeit des Entladungs-Volumens des Entladungsgefäßes in überraschenderweise ein Effekt einstellt, der in unerwartet hohem Umfang zur Emission von Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich führt. Empirisch konnte ermittelt werden, dass dieser Effekt auftritt, wenn bei einem Entladungs-Volumen kleiner gleich 50 cm3 ein Xenonpartialdruck zwischen 0,008 mbar und 0,010 mbar verwendet wird und bei einem Entladungs-Volumen größer 50 cm3 ein Xenonpartialdruck zwischen 0,3 mbar und 2 mbar. Das Entladungsgefäß einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle ist selbstverständlich so ausgebildet, dass es für Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich transmissiv ist. Insbesondere konnte bei den durchgeführten Versuchen festgestellt werden, dass sich bei einer derart dimensionierten Füllung in Abhängigkeit des Entladungs-Volumens völlig unvermutet ein Emissionsmaximum im infraroten Wellenlängenbereich ergibt. Durch die vorliegende Erfindung lässt sich demnach eine infrarote Lichtquelle schaffen, die NIR-Strahlung hoher Intensität und hoher Effizienz sowie geringer Bandbreite erzeugt. Dadurch, dass die Füllung einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle kein Quecksilber aufweist, ergibt sich eine hohe Umweltverträglichkeit.
  • Die bei einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle verwendete Niederdruckentladungslampe zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektroden- und Gastemperaturen kaum gekoppelt sind. Es herrscht demnach kein thermisches Gleichgewicht. Diese Entladungsform wird auch als Glühemission mit anschließender Stoßentladung bezeichnet. Eine typische Anwendung ist die Leuchtstofflampe. Bei teilevakuiertem Glasrohr bildet sich an gegenüberliegenden Elektroden bei ausreichend hoher Spannung eine Glühemission mit anschließender Stoßentladung aus. "Gegenüberliegend" bedeutet hier "innerhalb des Entladungsgefäßes gegenüberliegend". Dabei brauchen sich die Elektroden nicht in einer Ebene gegenüberliegen, sondern sind jeweils am Ende eines beliebig geformten Entladungsgefäßes angeordnet. Niederdruckentladungslampen können mit direkt beheizten Glühkathoden arbeiten, wobei die Glühkathoden vor dem Zünden meistens beheizt werden und anschließend ihre Temperatur von selbst durch Rückheizung beibehalten. Um die Emissionsfähigkeit der Elektroden zu erhalten, werden diese beim Dimmen bevorzugt beheizt. Alternativ kann anstelle der Stoßentladung auch eine Excimer-Entladung verwendet werden, um die Aufgabe der vorliegenden Erfindung zu lösen. Wie für den Fachmann hinlänglich bekannt, kann dies kann Anpassung der Anregungsfrequenz und des Stromflusses unter Beibehaltung von Druck und Gaszusammensetzung erreicht werden.
  • Bei den erwähnten Versuchen konnte eine Ausbeute von Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich von bis zu 30 % nachgewiesen werden. Mittels derartiger Strahlungsquellen beleuchtete Objekte sind ohne sichtbares Licht für aktive Infrarotkamerasysteme sichtbar. Eine mögliche Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht daher insbesondere in der Objektüberwachung, wenn sichtbares Licht nicht erwünscht (Lichtverschmutzung; sicherheitsrelevante Dunkelheit) oder gefährdend (Tunnelüberwachung) ist.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel konnten Strahlungsmaxima näherungsweise bei den folgenden Wellenlängen festgestellt werden: λ = 825 nm, 880 nm, 895 nm, 905 nm, 915 nm, 980 nm sowie bei 992 nm. Bei dem genannten Ausführungsbeispiel wurden mehr als 90 % der NIR-Strahlung bis 1000 nm bei den genannten Wellenlängen emittiert. Dadurch ergeben sich eine äußerst hohe Effizienz und ein sehr hoher Wirkungsgrad.
  • Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt der Gesamt-Füllgasdruck im Entladungsgefäß zwischen 2,5 und 200 mbar, bevorzugt zwischen 6,5 und 20 mbar. Insbesondere im letztgenannten Bereich wurden eine besonders hohe Effizienz und damit ein besonders hoher Wirkungsgrad festgestellt.
  • Die Elektroden können für eine Gleichspannungsversorgung oder eine Wechselspannungsversorgung ausgelegt sein. Beide Arten der Versorgung sind möglich. Die Elektroden sind bevorzugt als Glühwendelelektroden ausgeführt.
  • Grundsätzlich wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bereits zufriedenstellend gelöst, wenn die Füllung des Entladungsgefäßes keinen Leuchtstoff umfasst. Bereits in diesem Fall ist die im infraroten Wellenlängenbereich emittierte Strahlung ausreichend hoch genug, sodass eine derartige Infrarot-Strahlungsquelle für die meisten Anwendungsfälle bereits genügend effizient arbeitet. Allerdings lässt sich der Wirkungsgrad noch weiter optimieren, wenn die Füllung des Entladungsgefäßes einen Leuchtstoff umfasst, der ausgelegt ist, Strahlung bei einer Wellenlänge von insbesondere 154 nm und/oder 172 nm in NIR-Strahlung umzuwandeln. Diese Idee beruht darauf, dass bei der Anregung des Xenonanteils durch Stoßentladung oder Excimer-Entladung auch Strahlungsanteile im UV-Bereich entstehen, die durch Transformation bzw. Konversion mittels eines geeigneten Leuchtstoffs zum Gesamtausgangssignal im infraroten Wellenlängenbereich beitragen können. Dabei wird der Leuchtstoff bevorzugt an der Innenwand des Entladungsgefäßes angebracht, wobei es sich bei dem Leuchtstoff um einen Ein-Photon-Leuchtstoff oder einen Mehr-Photonen-Leuchtstoff handeln kann. Ein besonders bevorzugter Leuchtstoff ist unter der Bezeichnung Nichia NP-870 auf dem Markt erhältlich.
  • Während Xenon bei einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle die Funktion des Emissionsgases übernimmt, kann die Füllung des Entladungsgefäßes weiterhin mindestens eines der folgenden Elemente als Trägergas umfassen: Argon, Neon, Krypton, Helium, Radon, Stickstoff in Kombination mit mindestens einem Edelgas, Sauerstoff in Kombination mit mindestens einem Edelgas. Bei Röhren mit einem Durchmesser von bis zu 120 mm liefert die Verwendung von reinem Argon als Trägergas besonders gute Ergebnisse. Bei Durchmessern von über 120 mm funktionieren Neon-Argon-Gasgemische gut. Noch bessere Ergebnisse ergeben sich bei einem Gasgemisch, das Neon, Argon und Krypton umfasst. In beiden Fällen ergibt sich eine hohe Lebensdauer. Weiterhin werden die Strahlungsleistung und die Effizienz der Niederdruckentladungslampe deutlich erhöht. Die Verwendung von Neon als Trägergas liefert die höchste Strahlungsdichte und die höchste Strahlungseffizienz. Allerdings fehlen hierzu noch Ergebnisse die Lebensdauer betreffend.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Entladungsgefäß so ausgebildet, dass es UV-A-, UV-B- und/oder UV-C-Strahlung absorbiert. Zu diesem Zweck kann das Enladungsgefäß aus Borosilikat- oder Weichgläsern bestehen. Auf diese Weise wird die Entstehung von umwelt- und gesundheitsschädlichem Ozon verhindert. Dieser entsteht sonst, wenn kurzwellige/hochenergetische UV-Strahlung vom Luftsauerstoff absorbiert wird.
  • Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn eine erfindungsgemäße Infrarot-Strahlungsquelle eine optische Filtervorrichtung umfasst. Dabei kann die optische Filtervorrichtung derart ausgebildet sein, dass sie für Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 600 nm undurchlässig ist, insbesondere Strahlung in diesem Wellenlängenbereich absorbiert.
  • Bei einer besonders bevorzugten Variante stellt das Entladungsgefäß die optische Filtervorrichtung dar und besteht aus optischem Filterglas, das ausgelegt ist, Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 600 nm zu absorbieren. Die optische Filtervorrichtung kann jedoch auch beispielsweise in Form eines Schutzlacks oder eines Schlauchs auf das Entladungsgefäß aufgebracht sein. Alternativ kann ein Filtergefäß vorgesehen sein, das die optische Filtervorrichtung umfasst und das das Entladungsgefäß zumindest teilweise umschließt.
  • Die optische Filtervorrichtung kann demnach bevorzugt ausgelegt werden, auch minimale Spektralanteile im sichtbaren Wellenlängenbereich aus dem Emissionsspektrum zu filtern. Die optische Filtervorrichtung ist daher insbesondere für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich undurchlässig. Mit bloßem Auge kann eine erfindungsgemäße Infrarot-Strahlungsquelle somit nicht erkannt werden. Auf diese Weise wirkt sie auch nicht störend.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Infrarot-Strahlungsquelle vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend, soweit anwendbar, für das erfindungsgemäße Verfahren. Die Reihenfolge der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zweckmäßig variiert werden.
  • Im Nachfolgenden werden nunmehr Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle;
    Fig. 2
    in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle;
    Fig. 3
    in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle;
    Fig. 4
    in schematischer Darstellung ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle;
    Fig. 5
    den Transmissionsgrad über der Wellenlänge für ein erstes Ausführungsbeispiel einer bei einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle verwendbaren optischen Filtervorrichtung;
    Fig. 6
    den Transmissionsgrad über der Wellenlänge für ein zweites Ausführungsbeispiel einer bei einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle verwendbaren optischen Filtervorrichtung; und
    Fig. 7
    in schematischer Darstellung das Anregungsspektrum sowie das Emissionsspektrum eines bei einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle verwendbaren Leuchtstoffs.
  • In den Figuren werden für gleiche und gleich wirkende Bauteile und Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Diese werden der Einfachheit halber nur einmal eingeführt.
  • Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle 10. Diese weist eine Niederdruckentladungslampe mit einem Entladungsgefäß 12 auf, dessen Füllung in Abhängigkeit von seinem Entladungs-Volumen durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: Beträgt das Entladungs-Volumen weniger als 50 cm3, enthält die Füllung Xenon mit einem Partialdruck zwischen 0,008 mbar und 0,010 mbar. Beträgt das Entladungs-Volumen mehr als 50 cm3, beträgt der Partialdruck des Xenonanteils zwischen 0,3 mbar und 2 mbar. Die Füllung enthält ausdrücklich kein Quecksilber.
  • Die Niederdruckentladungslampe umfasst eine erste 14a und eine zweite Glühwendelelektrode 14b, die an jeweiligen Enden des Entladungsgefäßes 12 und innerhalb des Entladungsgefäßes 12 gegenüberliegend angeordnet sind. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Füllung des Entladungsgefäßes 12 keinen Leuchtstoff. Weiterhin enthält die Füllung als Trägergas mindestens eines der Elemente Argon, Neon, Krypton, Helium, Radon, Stickstoff in Kombination mit mindestens einem Edelgas, Sauerstoff in Kombination mit mindestens einem Edelgas. Selbstverständlich sind andere Formen des Entladungsgefäßes als das Dargestellte ebenfalls möglich. Der Gesamt-Füllgasdruck im Entladungsgefäß beträgt zwischen 2,5 und 200 mbar, bevorzugt zwischen 6,5 und 20 mbar.
  • Bei einer Alternative zu dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Entladungsgefäß 12 einen Leuchtstoff umfassen, der ausgelegt ist, insbesondere Strahlung bei einer Wellenlänge von 154 nm und/oder 172 nm in NIR-Strahlung umzuwandeln. Das Entladungsgefäß 12 selbst kann ausgebildet sein, UV-A-, UV-B- und/oder UV-C-Strahlung zu absorbieren.
  • Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein optisches Filter 16 auf das Entladungsgefäß 12 aufgebracht. Dabei ist das optische Filter 16 für Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 360 nm und 600 nm undurchlässig beziehungsweise absorbiert Strahlung in diesem Wellenlängenbereich.
  • Das optische Filter kann beispielsweise in Form eines Lacks oder einer Pulverschicht innen oder außen auf das Entladungsgefäß 12 aufgebracht sein.
  • Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Filtergefäß 18 vorgesehen, das das Entladungsgefäß 12 zumindest teilweise umschließt, wobei das Filtergefäß 18 die optische Filtervorrichtung darstellt. Auf diese Weise lässt sich eine erfindungsgemäße Infrarot-Strahlungsquelle in unterschiedlichen Betriebsmodi betreiben, einmal für das menschliche Auge unsichtbar und einmal für das menschliche Auge sichtbar, sofern das Filtergefäß 18 reversibel mit dem Entladungsgefäß 12 koppelbar ist. Bei einer defekten Niederdruckentladungslampe kann überdies das Filtergefäß 18 für die Ersatz-Niederdruckentladungslampe weiterverwendet werden.
  • Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Entladungsgefäß 12 die optische Filtervorrichtung darstellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das Entladungsgefäß 12 aus optischem Filterglas, das ausgelegt ist, Strahlung in dem genannten Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 600 nm zu absorbieren.
  • In Fig. 5 ist der Transmissionsgrad in Abhängigkeit der Wellenlänge für ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Filtervorrichtung, wie sie bei einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle verwendbar ist, dargestellt. Wie deutlich zu erkennen, ist eine derartige optische Filtervorrichtung für Strahlung bis zu einer Wellenlänge von 600 nm undurchlässig.
  • Fig. 6 zeigt den entsprechenden Verlauf für ein zweites Ausführungsbeispiel einer optischen Filtervorrichtung. Diese ist so ausgestaltet, dass sie für Strahlung bis zu Wellenlängen von ca. 730 nm undurchlässig ist. Der Vorteil der Verwendung einer optischen Filtervorrichtung, die einen wie in Fig. 6 dargestellten spektralen Verlauf aufweist, liegt darin, dass nahezu kein sichtbares Licht emittiert wird. Nachteilig daran ist allerdings der Umstand, dass die Effizienz um ca. 20% gesenkt wird.
  • Wie bereits erwähnt, kann bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlungsquelle ein Leuchtstoff vorgesehen sein, der ausgelegt ist, Strahlung insbesondere bei einer Wellenlänge von 154 nm und/oder von 172 nm in NIR-Strahlung umzuwandeln. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 7 das Emissions- und Absorptionsspektrum eines geeigneten Leuchtstoffs, der unter der Bezeichnung Nichia NP-870 auf dem Markt erhältlich ist. Ein derartiger Leuchtstoff absorbiert elektromagnetische Energie im Bereich der UV-A-, UV-B- und/oder UV-C-Strahlung, siehe Kurvenzug a), der das Anregungsspektrum zeigt. Kurvenzug b) zeigt das Emissionsspektrum von elektromagnetischer Energie bei Anregung gemäß Kurvenzug a). Wie aus dem Verlauf des Kurvenzugs b) deutlich zu erkennen ist, wird Energie im infraroten Wellenlängenbereich emittiert.
  • Der Leuchtstoff kann in Form einer Pulverschicht an der Innenseite eines UV-A-, Bund/oder C-Strahlung absorbierenden oder außerhalb eines für UV-A-, UV-B- und/oder UV-C-Strahlung transmissiven Entladungsgefäßes 12 aufgebracht sein. Die Aufbringung an der Innenseite hat den Vorteil, dass der Leuchtstoff vor mechanischen Einflüssen geschützt ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Infrarot-Strahlungsquelle wird zunächst ein Entladungsgefäß 12 bereitgestellt. Dann werden in dem Entladungsgefäß die erste 14a und die zweite thermisch emittierende Elektrode 14b derart angeordnet, dass sie im Entladungsgefäß gegenüberliegend, das heißt an beiden Enden des Entladungsgefäßes, angeordnet sind. Anschließend wird das Entladungsgefäß aufgeheizt und evakuiert. Nach einem Abkühlungsschritt wird das Entladungsgefäß mit einer Füllung befüllt, die kein Quecksilber enthält, jedoch Xenon mit einem Partialdruck, der abhängt vom Entladungs-Volumen des Entladungsgefäßes. Ist dieses kleiner gleich 50 cm3, beträgt der Xenonpartialdruck zwischen 0,008 mbar und 0,010 mbar, während für Entladungs-Volumina größer 50 cm3 der Xenonpartialdruck zwischen 0,3 mbar und 2 mbar beträgt. Wie bereits erwähnt, können die Reihenfolge der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zweckmäßig variiert werden.

Claims (13)

  1. Infrarot-Strahlungsquelle (10) mit einer Niederdruckentladungslampe umfassend
    - ein Entladungsgefäß (12) mit einem Entladungs-Volumen; und
    - eine erste (14a) und eine zweite thermisch emittierende Elektrode (14b), die in dem Entladungsgefäß (12) gegenüberliegend angeordnet sind;
    wobei die Füllung des Entladungsgefäßes folgende Merkmale aufweist:
    - die Füllung enthält kein Quecksilber; und
    - der Xenon-Partialdruck beträgt:
    -- bei einem Entladungs-Volumen kleiner gleich 50 cm3 zwischen 0,008 mbar und 0,010 mbar, und
    -- bei einem Entladungs-Volumen größer 50 cm3 zwischen 0,3 mbar und 2 mbar.
  2. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Gesamt-Füllgasdruck im Entladungsgefäß (12) zwischen 2,5 und 200 mbar beträgt, bevorzugt zwischen 6,5 und 20 mbar.
  3. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Füllung des Entladungsgefäßes (12) keinen Leuchtstoff umfasst.
  4. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Füllung des Entladungsgefäßes (12) einen Leuchtstoff umfasst, der ausgelegt ist, Strahlung bei einer Wellenlänge von 154 nm und/oder 172 nm in IR-Strahlung umzuwandeln.
  5. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Füllung des Entladungsgefäßes (12) als Trägergas mindestens eines der folgenden Elemente umfasst:
    Argon; Neon; Krypton; Helium; Radon; Stickstoff in Kombination mit mindestens einem Edelgas; Sauerstoff in Kombination mit mindestens einem Edelgas.
  6. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Entladungsgefäß (12) ausgebildet ist, UV-A-, UV-B- und/oder UV-C-Strahlung zu absorbieren.
  7. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine optische Filtervorrichtung (16; 18) vorgesehen ist.
  8. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die optische Filtervorrichtung (16; 18) für Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 600 nm undurchlässig ist.
  9. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die optische Filtervorrichtung (16; 18) ausgelegt ist, Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 600 nm zu absorbieren.
  10. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Entladungsgefäß (12) die optische Filtervorrichtung (16; 18) darstellt und aus optischem Filterglas besteht, das ausgelegt ist, Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 600 nm zu absorbieren.
  11. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die optische Filtervorrichtung (16; 18) auf das Entladungsgefäß (12) aufgebracht ist.
  12. Infrarot-Strahlungsquelle (10) nach einem der Ansprüche 7 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Entladungsgefäß (12) zumindest teilweise von einem Filtergefäß umschlossen ist, das die optische Filtervorrichtung (16; 18) umfasst.
  13. Verfahren zum Herstellen einer Infrarot-Strahlungsquelle (10),
    folgende Schritte umfassend:
    a) Bereitstellen eines Entladungsgefäßes;
    b) Montieren einer ersten (14a) und einer zweiten thermisch emittierenden Elektrode (14b) in dem Entladungsgefäß (12) derart, dass die Elektroden (14a, 14b) gegenüberliegend angeordnet sind;
    c) Aufheizen und Evakuieren des Entladungsgefäßes; und
    d) Abkühlen des Entladungsgefäßes; und
    e) Befüllen des Entladungsgefäßes mit einer Füllung, wobei die Füllung folgende Merkmale aufweist:
    - die Füllung enthält kein Quecksilber; und
    - die Füllung enthält Xenon, wobei der Xenon-Partialdruck
    -- bei einem Entladungs-Volumen kleiner gleich 50 cm3 zwischen 0,008 mbar und 0,010 mbar beträgt; und
    -- bei einem Entladungs-Volumen größer 50 cm3 zwischen 0,3 mbar und 2 mbar.
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