HU214794B

HU214794B - Látható fényt kibocsátó gázkisülő fényforrás

Info

Publication number: HU214794B
Application number: HU9301094A
Authority: HU
Inventors: James T. Dolan; Michael G. Ury; John F. Waymouth; Charles H. Wood
Original assignee: Fusion Lighting Inc.
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 1998-05-28
Also published as: DE69125499T2; HU9301094D0; AU662889B2; WO1992008240A1; HUT65057A; DE69125499D1; JPH10228886A; JP2931819B2; GR3023695T3; ES2101759T3; BR9107033A; DK0554350T3; EP0554350A4; EP0554350A1; KR930702778A; JPH06132018A; ATE151201T1; CA2093921A1; EP0554350B1; JP3078523B2

Abstract

A találmány tárgya látható fényt kibőcsátó gázkisülő fényfőrrás,amelynek elektrőmágneses energiával gerjeszthető legalább egyösszetevőt tartalmazó gáztöltetet magában főglaló fényáteresz ő bűrája(3) van. Lényege, hőgy a gáztöltet (28) legalább 50 W/cm3teljesítménysűrűségű elektrőmágneses energiával gerjesztve agáztöltetben (28) legalább 100 kPa teljes töltetnyőmást eredményezőennyiségű, a teljes sűgárzást lényegében a spektrűm láthatótartőmányába eső mőlekűláris sűgárzásként létrehőzó kén, vagy szelénösszetevőt tartalmaz elemi főrmában, illetve vegyületként. ŕ

Description

A találmány tárgya látható fényt kibocsátó gázkisülő fényforrás, amelynek elektromágneses energiával gerjeszthető legalább egy összetevőt tartalmazó gáztöltetet magában foglaló fényáteresztő burája van.

A nagyteljesítményű kisülő fényforrások világítási célokra szolgálnak, és számos megvalósítási módjuk ismeretes. A háztartásokban és hivatalokban izzólámpákat, valamint kis teljesítményű gázkisülő lámpákat, például fénycsöveket használnak, amelyek azonban számos kereskedelmi, hivatásos és ipari alkalmazásban nem képesek a szükséges fényteljesítményt biztosítani. A nagy teljesítményt igénylő megvilágításoknál éppen ezért a fényforrások egy másik típusa, a nagyteljesítményű gázkisülő lámpák teqedtek el. A gázkisülő lámpák egyszerű felépítésűek, lényegében fényáteresztő anyagú, például üvegből vagy kvarcból készült burából és ebben elrendezett két elektródból állnak. A bura hermetikusan le van zárva, és benne kisnyomású vagy nagynyomású gáztöltet van, amely eleve gáz halmazállapotú, vagy a lámpa feszültségforrásra való csatlakoztatása után elpárolgó összetevőket is tartalmaz. Ilyen felépítésű fényforrásokat a szakirodalom számos megvalósításban mutat be, így többek között az US-A 3,232,717, az US-A 3,312,853, az US-A 3,249,460, az US-A 3,784,928, az US-A 4,136,227 és az US-A 4,945,290 számú szabadalmi leírások, amelyek közül az utolsó az elektródok nélkül megvalósított fényfonások néhány részletének javítására irányul, míg a többiek az elektródokkal felépülő fényforrásoknál az elektródok anyagára, a felületüket borító különböző bevonatok felépítésére és szerkezetére tesznek javaslatot.

A nagyteljesítményű gázkisülő lámpák egyik alaptípusánál a gáztöltet meghatározó összetevője a higany. Ez a fém azonban számos szempontból veszélyes, kiváltása kívánatos lenne. A higany a környezetre és általában az élő szervezetekre rendkívül mérgező, a környezetbe kerülését mindenképpen el kell kerülni. A nagynyomású higanygőzlámpák esetében a nagy fényteljesítmény adott, de esetleges eltörésük során viszonylag nagy mennyiségű higanygőz kerül a környezetbe, míg élettartamuk elmúltával, meghibásodásuk esetén ártalmatlanításuk okoz gondot. Megállapítható tehát, hogy a higanytartalmú bura sok, nehezen megoldható környezetvédelmi problémát vet fel. Ennek tulajdonítható, hogy a szakemberek szerint a higanytartalmú gázkisülő lámpák egyre nagyobb mértékű elterjedésével együtt a környezet veszélyeztetettsége fokozódik.

Mindezek alapján kijelenthetjük, hogy továbbra is igény van a nagyteljesítményű fényforrások új típusainak kidolgozására, különösen olyanokéra, amelyek a környezet számára megsemmisülésükkor, illetve ártalmatlanításuk alatt az eddigieknél kisebb veszélyt jelentenek. Találmányunk célja ennek az igénynek az eddigieknél jobb kielégítése.

A tudományos gyakorlatban jól ismert olyan kis teljesítményű, kisnyomású fényforrások alkalmazása, amelyek ként vagy szelént tartalmaznak, és atomi spektroszkópiás vizsgálatoknál kívánt hullámhosszú fény előállítására szolgálnak. Ilyenekre mutat példát egyebek között az US-A 4,476,413 számú szabadalmi leírás, amely laboratóriumi alkalmazásra szánt kis nyomású és kis teljesítményű, általában az ultraibolya tartományba eső egy-egy spektrális vonal előállítására alkalmas fényforrást ismertet. A színképelemzési laboratóriumi kutatások során egyébként a periódusos rendszer szinte minden elemét felhasználják fényforrásban, mégpedig elektród nélküli vagy ívkisüléses fényforrások létrehozásához, mivel ezek az elemek alkalmasak egy pontosan meghatározott hullámhosszú összetevőt tartalmazó fény generálására, hiszen gerjesztésükkel a specifikus elemi és molekuláris spektrumokra jellemző hullámhosszú fény keletkezik. A gyakorlat azt mutatja, hogy ezek a fényforrások nem alkalmasok nagy teljesítményt igénylő megvilágítási feladatok ellátására, látható fény megfelelő intenzitású előállítására. Ezeket a fényforrásokat vizsgálva adódik az a nyilvánvaló következtetés, hogy ezek a kis teljesítmény és a kis nyomás alkalmazása miatt képesek egy adott hullámhosszú sugárzás előállítására, de emellett a sugárzásban jelentős mértékben az ultraibolya tartományba eső rész van jelen, ami a szokásos megvilágítási feladatok megvalósítása során kerülendő és káros. A javasolt felépítés mellett a nyomás és a teljesítmény növelése révén a tapasztalat szerint nem lehet a látható fény tartományába eső optikai sugárzást nagy teljesítmény mellett kibocsátó eszközt előállítani.

A találmány alapja az a felismerés, hogy meglepő módon a periódusos rendszer számos eleme, de különösen a kén és a szelén felhasználható nagyteljesítményű, látható fényben történő megvilágításra szolgáló fényforrás létrehozására, mégpedig nagy fényhasznosítású és ultraibolya sugárzástól lényegében mentes fényt előállító lámpák készítésére, amelyeknél nincs szükség higany felhasználására.

Találmányunk feladata a fentieknek megfelelően olyan nagyteljesítményű gázkisülő fényforrás létrehozása, amelynél a higany alkalmazása elkerülhető, és amelynél a látható spektrumba eső sugárzás generálását alapvetően kén és/vagy szelén felhasználásával biztosítjuk.

A kitűzött feladat megoldásaként létrehozott, látható fényt kibocsátó gázkisülő fényforrásnak elektromágneses energiával geijeszthető legalább egy összetevőt tartalmazó gáztöltetet magában foglaló fényáteresztő burája van, és a gáztöltet legalább 50 W/cm³ teljesítménysűrűségű elektromágneses energiával geqesztve a gáztöltetben legalább 100 kPa teljes töltetnyomást eredményező mennyiségű, a teljes sugárzást lényegében a spektrum látható tartományába eső molekuláris sugárzásként létrehozó kén vagy szelén összetevőt tartalmaz elemi formában illetve vegyületként.

A találmány szerinti fényforrás egy igen előnyös kiviteli alakja a gáztöltet töltetnyomását a fényforrás üzemi hőmérsékletén meghatározó kén vagy szelén összetevőt tartalmaz.

Ugyancsak előnyös a találmány értelmében, ha a gáztöltet a gázkisülés beindítását megkönnyítő adalékgázt tartalmaz.

HU 214 794 Β

Igen célszerű a találmány szerinti fényforrásnak az a megvalósítása, amely a gáztöltetbe legalább 50 W/cm³teljesítménysűrűségű elektromágneses energia becsatolásával gázkisülés létrejöttét biztosító gerjesztő eszközt tartalmaz, vagy amely legalább 60 W/cm teljesítménysűrűségű elektromágneses energiát a gáztöltetbe becsatoló elektródokat tartalmaz.

A találmány szerinti felépítéssel jellemzett elektródokat tartalmazó nagyteljesítményű fényforrást célszerűen úgy valósítjuk meg, hogy az elektródok grafitból vagy cementből, adott esetben platinából, réniumból, volfrámból vagy ozmiumból vannak kiképezve. Minden esetben előnyös, ha az elektródok elektronokat emittáló vagy fordítva, elektron kibocsátást gátló bevonattal vannak felületük egy részén ellátva.

Ha a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrás elektródjait grafitelektródokként képezzük ki, igen előnyös az a megvalósítási mód, amelynél az elektródok grafit anyagú rúdjait alumíniumoxidból álló bevonat borítja. Ez esetben szintén igen célszerű, ha a rúd felszíne és az azon kiképzett alumíniumoxid anyagú bevonat között platinából álló, a két anyag közötti reakciók lefutását gátló réteget viszünk fel. Egy másik lehetőség szerint szintén nagyon előnyös, ha a grafitelektródokon platina bevonatot alkotó gátló réteget hozunk létre.

Az elektród nélküli fényforrások fent vázolt kiviteli alakjainál igen előnyös, hogy az optikai sugárzást mikrohullámú energia becsatolásával lehet létrehozni. Mint említettük, a szakirodalomból és a gyakorlatból jól ismert az elektród nélküli nagyteljesítményű fényforrások felépítése, de ezeket a gyakorlatban szinte mindig higanyt tartalmazó gáztöltettel valósítják meg. Az ismertté vált fényforrások teljesítményük jelentős részét a színkép ultraibolya tartományában bocsátják ki, ebből a színkép látható részébe kevés jut. A találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrások alapelve, hogy a gáztöltet nagynyomású, a nyomás értéke legalább 100 kPa, a gáztöltet maga kénnel, vagy szelénnel van kialakítva. A gáztöltetnek semleges összetevői is lehetnek, amelyek különösen a nemesgázok közül kerülnek ki, erre a célra célszerűen az argon és a xenon is használható.

A nagynyomású gáztöltetet a viszonylag nagy, 50 W/cm³-nél nagyobb, célszerűen legalább mintegy 100 W/cm³ teljesítményű elektromágneses sugárzással gerjesztjük és késztetjük látható fény kibocsátására. A színkép különböző tartományainak kiemelésére, vagyis a kibocsátott fény spektrális összetételének meghatározására számos adalékanyag használható, közöttük az arzén, a bőr és a fém halogenidek a legjellegzetesebbek.

A találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrással az optikai sugárzás az ismert fényforrásokhoz képest viszonylag nagy fényhasznosítás mellett állítható elő. A viszonyítási alapot itt a hagyományos felépítésű, higanyt tartalmazó töltettel ellátott elektród nélküli lámpák jelentik, amelyekhez képest a fényhasznosítás több nagyságrenddel jobb. Az ilyen lámpák létezése váratlan felismerés, mivel a javasolt összetételű gáztöltetben a higanynál könnyebb anyagokat hasznosítunk, amelyek a lámpa falának hőmérsékletén stabil molekulákat képeznek, és ezért várható az, hogy a lámpa üzemeltetése során a higanynál nagyobb hővezető képességgel jellemzett réteget alkotnak, tehát a várható hatás az volt, hogy a bura falánál jelentős hőveszteség alakul ki, vagyis a higanygőzlámpákhoz képest a találmány szerinti felépítést végiggondolva inkább a kisebb fényhasznosítás várható.

A gázkisülést elektródokkal megvalósító találmány szerinti megoldásoknál a nagy nyomású higanygőzlámpákhoz hasonló felépítéssel jellemzett fényforrások nyerhetők, de a higanyt ez esetben ként vagy szelént tartalmazó anyag, illetve ezek az elemek váltják fel. A gáztöltetet ez esetben is különböző adalékanyagokkal egészíthetjük ki, amelyek révén a spektrum egy-egy tartománya jól kiemelhető. Ha például a narancs szín mellett a vörös árnyalatainak aláhúzására van szükség, akkor a gáztöltetet nátriummal egészítjük ki.

A találmány tárgyát a továbbiakban példakénti kiviteli alakok kapcsán, a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük részletesen. A rajzon az

1. ábra: a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrás elektród nélküli kialakításának vázlatos metszete, a

2. ábra: ívkisüléssel működő, elektródokkal létrehozott nagyteljesítményű fényforrás találmány szerinti egy előnyös megvalósításának vázlatos metszete, a

3A ábra: a 2. ábrán bemutatott fényforrásban alkalmazott elektród egy előnyös megvalósítása oldalnézeti metszetben, a

3B ábra: A 3A. ábra szerinti elektród felülnézete, a

4. ábra: a 2. ábrán bemutatott fényforrásban alkalmazott elektród egy másik előnyös megvalósítása oldalnézeti metszetben, az

5. ábra: a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrás elektródokkal kialakított változatában az elektród szerelésének egy részlete, a

6A ábra: a 2. ábrán bemutatott fényforrásban alkalmazott elektród egy további előnyös megvalósítása oldalnézeti metszetben, a

6B ábra: a 6A ábra szerinti elektród alulnézete, a

7. ábra: a találmány szerinti, ként tartalmazó gáztöltettel megvalósított elektród nélküli nagyteljesítményű fényforrás által kibocsátott fény spektrális eloszlása, a

8. ábra: a találmány szerinti, ként és kadmiumdijodidot tartalmazó gáztöltettel megvalósított elektród nélküli nagyteljesítményű fényforrás által kibocsátott fény spektrális eloszlása, míg a

9. ábra: a találmány szerinti, szelént tartalmazó gáztöltettel megvalósított elektród nélküli nagyteljesítményű fényforrás által kibocsátott fény spektrális eloszlása.

A találmány értelmében akár elektródok nélküli, akár elektródokkal megvalósítható nagyteljesítményű fényforrást hozunk létre, amelynek elektródok nélküli változatát vázlatosan az 1. ábra mutatja. Ezen az ábrán

HU 214 794 Β mikrohullámú, illetve rádiófrekvenciás sugárzással táplált 2 elektródmentes lámpa látható. Ennek a lámpának 3 burája van, amelyben nagynyomású 28 gáztöltet van. A 3 bura kvarcból vagy más alkalmas anyagból készül, mikrohullámú üregben van megtámasztva és ezt az üreget 4 vezető anyagú ház, valamint ebben elhelyezett 5 háló alkotja. A 3 bura mikrohullámú ürege az ábrán bemutatott esetben 6 magnetronnal van csatlakoztatva, amelyből a mikrohullámú energiát 7 hullámvezető 8 csatoló nyílásba juttatja és ez utóbbi a 3 bura belső terével közlekedik.

A 6 magnetronnal előállított mikrohullámú sugárzás a 28 gáztöltetet plazma állapotba viszi át, ennek eredményeként az fényt sugároz ki és a fényt az 5 háló továbbítja a mikrohullámú üregből a környezetbe. Az 5 háló fémes anyagú, felépítése biztosítja, hogy a mikrohullámú energia az üregből és így a találmány szerinti fényforrásból ne juthasson ki, de egyúttal elegendően átlátszó ahhoz, hogy a 2 elektródmentes lámpa a 28 gáztöltetben generált optikai hullámhosszú sugárzást lényegében veszteség nélkül sugározhassa ki. A 3 burát 9 forgató eszköz tartja forgó mozgásban, felületét hűtőgázzal folyatjuk körbe, amelyet 10 zárt térbe vezetünk és 11 füvókán keresztül juttatunk a felülethez.

A 3 burát kitöltő 28 gáztöltet a találmány értelmében elemi formában jelen levő kénnel vagy szelénnel készült keverék, vagy ezeknek az elemeknek valamely vegyülete. Célszerű, ha ez az összetevő a 28 gáztöltetnek az a része, amely alapvetően az optikai hullámhosszú sugárzást biztosítja. Ugyancsak előnyös olyan gázkomponens felhasználása, amely a gázkisülési folyamat beindítását könnyíti meg, ugyanerre a célra kis mennyiségben semleges, különösen nemes gáz mint argon vagy xenon ugyancsak hasznosítható.

Az 1. ábrán bemutatott felépítésű fényforrást a nagy fényteljesítmény jellemzi, belső terében viszonylag nagy nyomás uralkodik. A 3 burán belül a 28 gáztöltet mennyiségét úgy választjuk meg, hogy a 2 elektródmentes lámpa üzemi hőmérsékletén nyomása legalább 100 kPa, általában legalább mintegy 200 kPa legyen és célszerűen ne lépje túl a 2 MPa értéket. A mikrohullámú üregbe becsatolt mikrohullámú energia amplitúdóját ezen kívül úgy választjuk meg, hogy a vele a 3 bura belsejébe becsatolt energia teljesítménysűrűsége legalább mintegy 50 W/cm³ legyen. A teljesítménysűrűség maximális használható értékére itt útmutatást nem adhatunk, mert ez a 3 bura hűtésétől is függ, illetve ebből a szempontból a szerkezet meghatározó jellegű, de tapasztalataink alapján feltételezhető, hogy az ismert gyártástechnológiákat alkalmazva több száz W/cm³ teljesítménysűrűséggel működő fényforrások ugyancsak megtervezhetők és megvalósíthatók. A teljesítménysűrűség fogalma ez esetben a fénysugárzást gerjesztés hatására kibocsátó 28 gáztöltet térfogatát jelenti, az a 3 bura térfogatával kevésbé, csak közvetett módon azonosítható. Szakember számára nyilvánvaló, hogy a 28 gáztöltet eredetileg szilárd halmazállapotban a 3 burába bevitt összetevőinek mennyisége, tehát a kén vagy szelén, illetve az ezeket tartalmazó anyagok mennyisége változó, de a találmány értelmében feltétel, hogy a javasolt szerkezetű nagyteljesítményű fényforrás működése során beálló hőmérsékleten a 28 gáztöltet a legalább mintegy 50 W/cm³ teljesítménysűrűségű energia becsatolása mellett a kívánt nyomást ezek az anyagok egyedül vagy további összetevőkkel együtt biztosítsák. Igen előnyös, ha a 28 gáztöltet nyomását ez a primemek nevezhető összetevő alapvető mértékben szabályozza és parciális nyomása jelentősen túllépi az egyéb komponensek, közöttük a semleges (nemes) gáz parciális nyomását. Az 1. ábrán bemutatott 2 elektródmentes lámpa által előállított optikai sugárzás spektrális eloszlását a 28 gáztöltet összetevőinek célszerű megválasztásával tartományonként is változtatni lehet. Számos egyéb kiegészítő összetevő között érdemes a fém halogenideket, az arzént, a bőrt és a bizmutot, illetve ez utóbbiak vegyületeit megemlíteni. A fém halogenidek között kipróbáltuk és jó eredményeket értünk el a kadmium-dijodiddal (Cdl₂), a higany-kloriddal (HgCl) és az indium-trijodiddal (Inl₃). A higany kis mennyiségét a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforráshoz adagolva az üzemeltetési jellemzők javulnak, a fényforrás újragyújtási ideje lerövidül.

A találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrást célszerűen elemi kénnel és szelénnel valósíthatjuk meg, de ezeken kívül számos kén-, illetve szelénvegyület ugyancsak hasznos lehet. így egyebek között kipróbáltuk az indium-szulfidot (InS), az arzéntriszulfidot (As₂S₃), a szelén-dioxidot (SeO₂) és a szelén-tetrakloridot (SeCl₄). Természetesen egyéb vegyületek ugyancsak alkalmasak a kívánt tulajdonságok biztosítására. Mindezek alapján a kéntartalmú anyag fogalmán olyan anyagot értünk, amely lehet kén vagy megfelelően választott kénvegyület és ugyanez vonatkozik a szeléntartalmú anyag fogalmára is. Nyilvánvalónak kell tekintenünk, hogy a 28 gáztöltet primer sugárzó összetevője kialakítható kéntartalmú anyag és szeléntartalmú anyag célszerűen választott összetételű keverékeként is, tehát nincs feltétlenül szükség csak a kén vagy csak a szelén, illetve valamelyikük egy vagy több vegyületének kizárólagos felhasználására. Ezen túlmenően a primer sugárzó összetevő lehet az elemi állapotban jelen levő elem(ek) és egy vagy több vegyületének, illetve vegyületeinek keveréke.

A 2 elektródmentes lámpa kialakításánál fontosnak tekintjük azt, hogy a 28 gáztöltetet elektromágneses sugárzással késztetjük fény kisugárzására. Bár az előbb erre a célra a mikrohullámú energia alkalmazását említettük, célszerű lehet a rádiófrekvenciás hullámhossztartományba eső sugárzás felhasználása is. Ez utóbbi megoldás azzal a hátránnyal jár, hogy a 3 burát gerjesztőtekerccsel kell körülvenni, ami a fénykibocsátás térbeli korlátozásával jár együtt, ami nem minden alkalmazási célnál elfogadható, ezért a mikrohullámú módusú gerjesztést a rádiófrekvenciásnál előnyösebbnek tekinthetjük. Az elektromágneses energia ennek ellenére az előzőek értelmében mind a mikrohullámú, mind pedig a rádiófrekvenciás sugárzással végzett gerjesztésre vonatkozik. Az 1. ábrán a mikrohullámú üreget reflektor nélküli megoldásban mutatjuk be, de ez

HU 214 794 Β nem zárja ki reflektáló üreg csatlakoztatását és kialakítását.

Mint már említettük, a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrás teljesítményét néhány viszonylag jó paraméter jellemzi. Érdemes megjegyezni, hogy az eddig mindenek előtt ultraibolya és nem látható tartományba eső fény előállítására szolgáló elektródmentes lámpák az optikai teljesítményt magas szinten tartják, mégpedig az ívkisüléssel működő, elektródokkal létrehozott lámpákhoz képest hosszabb ideig és ez a találmány szerinti elektródmentes fényforrás fontos előnyös jellemzője.

Egy további előnyét a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrásnak az jelenti, hogy a 28 gáztöltetben a kimenő sugárzást alapvetően meghatározó primer összetevő egyetlen elem lehet. A jelenleg használatos nagyteljesítményű kisülő lámpák általánosan ismert és elterjedt típusainál a megfelelő teljesítményű fénysugárzást olyan gáztöltet révén érik el, amelyben a kívánt spektrális elosztást adó egy vagy több fém halogenid van a higannyal együtt jelen. A szokásos kombinációt a higanyból, a szkandium-trijodidból és nátriumjodidból (Hg + Scl₃ + NaI) álló gáztöltet jelenti. Az adalékként felhasznált fémek parciális nyomását egyrészt a burába bevitt fém halogenid mennyisége, másrészt a lámpa úgynevezett hidegkamrájának leghidegebb pontjára jellemző hőmérséklet határozza meg. Mindezek eredményeként olyan helyzet alakul ki, hogy a gyártás során elkerülhetetlen tűrések vagy a lámpa öregedése a paraméterek jelentős változását okozza, mégpedig az adalékanyagok parciális nyomásának változása révén és így a létrejövő fényforrás fényhasznosítása, illetve az általa előállított fény spektrális eloszlása széles határok között változhat. A találmány szerint viszont olyan gáztöltettel ellátott fényforrást javasolunk, amelyben a sugárzást lényegében egyetlen összetevő vagy adott esetben kéntartalmú anyag, illetve szeléntartalmú anyag gerjesztése hozza létre, ezért nem alakulhat ki az az ismerős helyzet, hogy a gáztöltet különböző összetevőinek széles határok között változó parciális nyomása van. Ebben az segít, hogy a sugárzást meghatározó alapvető összetevőn kívül általában csak semleges vagy nemesgáz van a gáztöltetben jelen.

A találmány szerinti felépítésű nagyteljesítményű fényforrások további előnye, hogy a fénysugárzás forrását inkább a molekulák, semmint az atomok gerjesztése jelenti. Ezért a spektrális eloszlás az ismert fényforrásokhoz képest simább, benne csúcsok vagy szakadásszerű bemélyedések nincsenek, és az ismert fényforrásokkal összehasonlítva a színvisszaadási index általában jobb. Meg kell jegyezni, hogy az ismert fényforrásoknál a nemfémes elemeket adalékanyagokként alig használták, aminek az alapvető okát abban kell látni, hogy a primer atomi színképvonalak a nemfémes elemek esetében általában a látható fény hullámhossztartományán kívül esnek. Mivel azonban a találmány értelmében sikerült olyan felépítést biztosítani, amelynél a molekuláris szintű gerjesztés teszi lehetővé a fény kibocsátását, ezért a javasolt fényforrás alapvetően a látható fény tartományában sugároz. A találmány szerinti fényforrásnak ezért rendkívül jellegzetes ismérve az, hogy nagy fényhasznosítást alapvetően molekuláris gerjesztés révén ér el.

Az 1. ábrán bemutatott 2 elektródmentes lámpa még további előnyét a kompakt felépítés lehetősége adja. Az így létrejövő fénysugárzó kis méretű, nagyteljesítményű eszköz, ahol a 3 bura átmérője esetleg csak 2... 3 cm, míg a fényhasznosítás akár 140 lm/W értéket is elérhet, sőt ezt sok esetben jelentősen túlszárnyalja.

A találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrások egy másik alapvető változatát 20 ívfénylámpa jelenti (2. ábra). A 20 ívfénylámpa 22 kvarc anyagú burával van megvalósítva, amely cső alakú elemet képez és végeinél rendre 24 és 26 elektródok vannak beépítve. A 22 kvarc anyagú bura belső terében a 24 és 26 elektródok között 28’ gáztöltet van. Ezt a 28’ gáztöltetet a 24 és 26 elektródokon átvezetett váltakozóáramú feszültséggel lehet gerjeszteni, aminek eredményeként a zárt belső térben gázkisülés jön létre, a 24 és 26 elektród között ív alakul ki.

A találmány értelmében a 22 kvarc anyagú bura belső terébe olyan 28’ gáztöltetet vezetünk be, amely alapvetően kéntartalmú anyagból és/vagy szeléntartalmú anyagból áll. A találmány szerint lényeges, hogy a 28’ gáztöltetben ez az említett anyag a sugárzást alapvetően meghatározó összetevő, a primer sugárzó. A 28’ gáztöltetben a 28 gáztöltethez hasonlóan mind a szeléntartalmú, mind a kéntartalmú anyag a megfelelő kémiai elem formáját öltheti, vagy ilyenként is jelen lehet. A 28’ gáztöltetet célszerűen kiegészíthetjük további komponensekkel, mint például a gázkisülés indítását megkönnyítő gázadalékkal, amely nemesgáz, például argon vagy xenon lehet. A gázkisülést megkönnyítő adalékok önmagukban véve jól ismertek.

Az 1. ábrán bemutatott 2 elektródmentes lámpa 28 gáztöltetéhez hasonlóan a 20 ívfénylámpa 28’ gáztöltete ugyancsak nagynyomású keverékként lehet jelen, ahol a találmány értelmében a nyomás legalább mintegy 100 kPa, de általában a 200 kPa és 2 MPa közötti tartományban van. A 28’ gáztöltetre jellemző nyomás értékének meghatározására mindenek előtt a kéntartalmú és/vagy a szeléntartalmú anyagot használjuk, amelyek parciális nyomása célszerűen legalább 100 kPa. A 24 és 26 elektródokat olyan áramforráshoz csatlakoztatjuk, amely képes legalább 60 W/cm³ teljesítménysűrűséget biztosítani. A 24 és 26 elektródok a 28’ gáztöltet anyagával kialakuló reakciók megelőzése és így anyaguk lepusztulásának kizárása céljából különleges anyagból készülnek, vagy a 20 ívfénylámpa belső terében uralkodó feltételeknek elegendő mértékben ellenállni képes anyagú bevonattal vannak ellátva.

A találmány szerinti 20 ívfénylámpa egy célszerű kiviteli alakjában a 22, illetve 24 elektródok rúd alakú, 32 elektródcsúcsban végződő 30 grafitelektródokként vannak kiképezve (3A, 3B és 4. ábra). Mivel a 22 és 24 elektródok rúdjai - ellentétben a 32 elektródcsúcsokkal - nem vesznek részt az elektródok közötti a 22 kvarc anyagú bura belső terében zajló elektrokémiai

HU 214 794 Β anyagszállítási folyamatban, a 30 grafitelektródok rúdjait a kisebb hőmérsékletű folyamatokban a 28’ gáztöltet összetevőivel lejátszódó eróziós hatásokkal szemben védeni kell.

A 30 grafitelektródok kis hőmérsékletű rúdjainak a nem túl magas hőmérsékleteken bekövetkező eróziós folyamatok elleni védelmére szolgáló kialakításának néhány példakénti előnyös lehetősége a 3A, 3B és 4. ábrán látható. A 3A és 3B ábrán azt mutatjuk be, hogy a 30 grafitelektród rúd alakú részét 34 alumíniumoxid bevonat veszi körbe. Mivel a grafit és az alumínium-trioxid között megemelt hőmérsékleten viszonylag könnyen reakciók alakulnak ki, célszerű, ha a 30 grafitelektród felületén a 34 alumíniumoxid bevonat alatt platinából álló 36 gátló réteget képezünk ki. A 30 grafitelektród 32 elektródcsúcsának hossza akkora, hogy a 34 alumíniumoxid bevonat a gázkisülés terébe csak annak mintegy 1500 K hőmérsékletű területéig nyúljon be.

A 4. ábra azt a lehetőséget mutatja be, amikor 30’ grafitelektród csak 36’ gátló réteggel van ellátva, ez utóbbi anyaga szintén platina, és feladata a 30’ grafitelektród és a 28’ gáztöltet közötti reakciók megakadályozása. A 36’ gátló réteg platina anyagát olyan magasságig képezzük ki, hogy a platina a 20 ívfénylámpa belső terében ne érje el az anyagának lepusztulását okozó üzemi hőmérséklettel jellemzett zónát.

Az 5. ábra a 30, 30’ grafitelektród molibdén anyagú 42 tömítő szalaggal való csatlakoztatására mutat be lehetőséget. A 42 tömítő szalag vékony, általában 0,025 mm körüli vastagságú fólia, amelyet összehajtogatunk, és a 30 grafitelektród 38 alapjában kialakított 40 befogó üregbe csúsztatunk. A lezárást követően a fólia a kvarc és a környező anyag hőtágulási tényezői közötti különbség miatt jelentős feszültségnek van kitéve és ezért nagy pontossággal szorul be a 40 befogó üregbe. A 42 tömítő szalag végét egyébként célszerű platina bevonattal ellátni, mivel ellenkező esetben ennek a végnek a tartományában a 28’ gáztöltet anyagai a lezárt térbe behatolhatnak.

A találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrások létrehozhatók tűzálló tulajdonságú oxidokból álló „semleges” elektródokkal is. Ez esetben az anyagok szokásos összekeverés mellett nem vezetik az elektromos áramot, és ezért speciális, de önmagában véve ismert eljárással belőlük 50 cermet elektródokat képezünk. A cermetek előállítása során fém és fémoxid részecskéket nyomás alatt kapcsolnak egymáshoz, és szintereléssel alakítják ki a kívánt alakú testet. A 6A és 6B ábra olyan 50 cermet elektród különböző nézeteit mutatja be, amelyet platinával bevont 52 volfrámrúd körül alakítanak ki. A platinával bevont 52 volfrámrúd támasztó elemet alkot, amely 54 tömítő szalaghoz kapcsolódik, mégpedig az 5. ábra kapcsán már leírt módon. A volfrámrúd kiálló részén platina bevonatot hozunk létre, mivel így a volfrám anyagú rész a 28’ gáztöltet agresszív tulajdonságú komponensei ellen védhet. Az 50 cermet elektród anyagai között a tórium-oxid, a molibdén vagy a volfrám szerepelhet, de ismeretesek az ittrium-oxidból és ruténiumból felépített elektródok is.

A 6A és 6B ábrán bemutatott 50 cermet elektród esetén a fémrészecskéket a tűzálló anyagú, tehát külső hatásoknak jól ellenálló oxidok védik a 28’ gáztöltet anyagaival kialakuló reakciók ellen, az oxidok a szulfidoknál nagyobb stabilitást mutatnak. Ennek megfelelően a gőz alakú kénnel vagy szelénnel kialakuló reakciók valószínűsége kicsi.

Egy másik megoldás szerint az elektródokat platinából, réniumból vagy ozmiumból hozzuk létre. Ez esetben az elektródokat a tiszta fém feldolgozásával készítjük el, de egy másik lehetőség az, hogy a kívánt fémből álló bevonatot az 52 volfrámrúd felületén készítjük, alakítjuk ki.

Egy további célszerű megoldásnak megfelelően a találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrás 24 és 26 elektródjait elektronemissziót biztosító anyagból, például alkálifém, adott esetben bárium szulfidjából álló bevonattal borítjuk. Ennek előnye az, hogy a 24 és 26 elektród effektív ellenállása csökken, a gázkisülés beindításához szükséges gyújtási feszültség értéke csökken, a 24 és 26 elektródok üzemeltetés közben bekövetkező kopásának jellemző mértéke ugyancsak csökken. így például az 52 volfrámrúdból kialakított elektródot tömítéssel ellátott alapjából kiindulva egészen addig a pontig célszerű az alkálifém szulfidjával borítani, ahol az elektród a fényforrás működése során már olyan nagy hőmérsékleten van, hogy a volfrám és a 28’ gáztöltet összetevői között stabil vegyületek keletkeznek.

A találmány szerinti nagyteljesítményű fényforrás egy további célszerű megvalósításánál mind a 2 elektródmentes lámpa 28, mind pedig a 20 ívfénylámpa 28’ gáztöltetét úgy hozzuk létre, hogy abban az egyetlen lényegében sugárzó összetevőt a kéntartalmú vagy a szeléntartalmú anyag alkotja. Ennél a megoldásnál a kéntartalmú vagy szeléntartalmú anyag a 28, illetve 28’ gáztöltet lényegében egyedüli összetevője, amelyet a gázkisülés beindítását megkönnyítő adalékgáz, például nemesgáz, mint argon vagy xenon kis mennyisége egészíthet ki.

A találmány szerinti 2 elektródmentes lámpa egy gyakorlatban megvalósított és ellenőrzött változatánál a 3 bura kvarc anyagú, mintegy 2,84 cm belső átmérőjű gömb volt, amelyet mintegy 0,062 mg-mol/cm³mennyiségű kénnel és mintegy 8 kPa nyomás alatt álló argonnal töltöttünk fel. A 3 burát mikrohullámú üregbe helyeztük és mintegy 280 W/cm³ teljesítménysűrűségű mikrohullámú energiával gerjesztettük. A kibocsátott fény spektrális eloszlását elemeztük és ezzel a 7. ábrán kapott görbét nyertük. A lámpa fényhasznosítása mintegy 170 lm/W volt. Emellett azt is megállapítottuk, hogy a spektrumban az ultraibolya sugárzás mértéke minimális volt, mégpedig a 350 nm alatti hullámhosszok mindegyikén. Ez biztosítja a fényhasznosítás javulását és egyúttal a lámpa biztonságát növeli, hiszen az ultraibolya sugárzást az egészségre káros tényezőnek is tekintjük. A 7. ábrára hivatkozással megállapítható az is, hogy a spektrális eloszlás viszonylag sima, abban éles csúcsok nem fordulnak elő, amit az okoz, hogy a lámpa belső terében levő

HU 214 794 Β anyag gerjesztésekor alapvetően molekulasugárzás és nem atomi sugárzás lép fel.

A 2 elektródmentes lámpa egy további változatát ugyancsak megvalósítottuk, amikor mintegy 2,84 cm belső átmérőjű gömb alakú 3 burát 0,053 mg-mol/cm³kénnel, 0,008 mg-mol/cm³ kadmiummal és 0,003 mgmol/cm³ kadmium-jodiddal töltöttük fel. Ezt a lámpát szintén mikrohullámú energiával gerjesztettük, a teljesítménysűrűség ugyancsak mintegy 280 W/cm³ volt és ez esetben a látható fény spektrumát szintén felvettük. Ezzel a 8. ábrán bemutatott görbét kaptuk. A 2 elektródmentes lámpa ebben a kialakításban mintegy 134 lm/W fényhasznosítású fényforrást alkotott és megállapítható volt, hogy a színképben 580 nm körül a kadmium-szulfid és 650 nm körül a kadmium-jodid által okozott kiemelkedés alakult ki.

Egy további példát is megvalósítottunk, amelynek során a 2 elektródmentes lámpa 3 buráját, amelynek térfogata mintegy 12 cm³ volt, 54 mg, vagyis 5,7 χ 10'⁵mol/cm³ szelénnel és 8 kPa nyomás mellett argonnal töltöttük fel. A 3 burát ez esetben ugyancsak mikrohullámú üregbe helyeztük, és 3500 W teljesítményű mikrohullámú energiát csatoltunk a belső térbe. Ezzel a 9. ábrán bemutatott spektrális eloszlással jellemzett látható sugárzást kaptuk.

A fentiekben néhány olyan nagyteljesítményű lámpatípust mutattunk be, amelyeknél nem volt szükség higany alkalmazására. Bár a javasolt szerkezetű fényforrásokat mindenek előtt a nagy teljesítményt igénylő megvilágítási feladatok megoldására szolgáló eszközként ismertettük, a megfelelő adalékanyagok kiválasztásával a találmány szerinti fényforrás alkalmassá tehető a spektrum más, például ultraibolya tartományaiban való intenzív sugárzásra. Bár a találmányt az előzőekben néhány különösen előnyös megvalósítási mód leírásával ismertettük, nyilvánvaló, hogy a találmány lényegétől való nagyobb eltérés nélkül szakember köteles tudására támaszkodva számos egyéb kiviteli alakot képes létrehozni és így oltalmi igényünket a csatolt igénypontokkal, nem pedig a fentiekben bemutatott részletekkel határozzuk meg.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Látható fényt kibocsátó gázkisülő fényforrás, amelynek elektromágneses energiával geqeszthető legalább egy összetevőt tartalmazó gáztöltetet magában foglaló fényáteresztő burája van, azzal jellemezve, hogy a gáztöltet (28) legalább 50 W/cm³ teljesítménysűrűségű elektromágneses energiával geqesztve a gáztöltetben (28) legalább 100 kPa teljes töltetnyomást eredményező mennyiségű, a teljes sugárzást lényegében a spektrum látható tartományába eső molekuláris sugárzásként létrehozó kén összetevőt tartalmaz elemi formában illetve vegyületként.

2. Az 1. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a gáztöltet (28) töltetnyomását a fényforrás üzemi hőmérsékletén meghatározó kén összetevőt tartalmaz.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a gáztöltet (28) gázkisülés beindítását megkönnyítő adalékgázt tartalmaz.

4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a gáztöltetbe (28) legalább 50 W/cm³ teljesítménysűrűségű elektromágneses energia becsatolásával gázkisülés létrejöttét biztosító gerjesztő eszközt tartalmaz.

5. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy legalább 60 W/cm teljesítménysűrűségű elektromágneses energiát a gáztöltetbe (28) becsatoló elektródokat (24,26) tartalmaz.

6. Az 5. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy az elektródok (24,26) grafitelektródokként (30, 30’) vannak kiképezve.

7. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a grafitelektródok (30, 30’) rúdjai alumíniumoxid bevonattal (34) vannak ellátva.

8. Az 5-7. igénypontok bármelyike szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a grafitelektródok (30,30’) rúdjainak felülete és az azokon kiképzett alumíniumoxid bevonat (34) között platina anyagú gátló réteg (36, 36’) van kiképezve.

9. Az 5. vagy 6. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a grafitelektródok (30, 30’) felületein platinából álló bevonatot alkotó gátló réteg (36, 36’) van kiképezve.

10. Az 5. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy az elektródok (24, 26) cermet elektródokként (50) vannak kiképezve.

11. Az 5. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy az elektródok (24, 26) platinából, réniumból, volfrámból vagy ozmiumból vannak kiképezve.

12. Az 5. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy az elektródok (24,26) elektronokat emittáló anyagból álló bevonattal vannak kiképezve.

13. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy elektródmentes kiképzésű.

14. Látható fényt kibocsátó gázkisülő fényforrás, amelynek elektromágneses energiával geqeszthető legalább egy összetevőt tartalmazó gáztöltetet magában foglaló fényáteresztő burája van, azzal jellemezve, hogy a gáztöltet (28) legalább 50 W/cm³ teljesítménysűrűségű elektromágneses energiával geqesztve a gáztöltetben (28) legalább 100 kPa teljes töltetnyomást eredményező mennyiségű, a teljes sugárzást lényegében a spektrum látható tartományába eső molekuláris sugárzásként létrehozó szelén összetevőt tartalmaz elemi formában illetve vegyületként.

15. A 14. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a gáztöltet (28) töltetnyomását a fényforrás üzemi hőmérsékletén meghatározó szelén összetevőt tartalmaz.

16. A 14. vagy 15. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a gáztöltet (28) gázkisülés beindítását megkönnyítő adalékgázt tartalmaz.

17. A 14-16. igénypontok bármelyike szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy a gáztöltetbe (28) legalább 50 W/cm³ teljesítménysűrűségű elektromág7

HU 214 794 Β neses energia becsatolásával gázkisülés létrejöttét biztosító gerjesztő eszközt tartalmaz.

18. A 14-16. igénypontok bármelyike-szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy legalább 60 W/cm teljesítménysűrűségű elektromágneses energiát a gáztöltetbe (28) becsatoló elektródokat (24,26) tartalmaz.

19. A 18. igénypont szerinti fényforrás, azzal jellemezve, hogy az elektródok (24, 26) cermet elektródokként (50) vannak kiképezve.

20. A 18. igénypont szerinti fényforrás, azzal jelle mezve, hogy az elektródok (24, 26) platinából, réni umból, volfrámból vagy ozmiumból vannak kiké pezve.

5 21. A 18. igénypont szerinti fényforrás, azzal jelle mezve, hogy az elektródok (24, 26) elektronokat emittá ló anyagból álló bevonattal vannak kiképezve.