NO120120B

NO120120B -

Info

Publication number: NO120120B
Application number: NO164439A
Authority: NO
Inventors: G Ahsmann; H Meyer; Laarse J Van Der
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1965-08-28
Filing date: 1966-08-25
Publication date: 1970-08-31
Also published as: CH477090A; ES330611A1; SE303334B; FI41416B; BE686073A; NL6511266A; DE1539498A1; DE1539498B2; DE1539498C3; GB1152719A; US3439209A; AT266259B

Description

Anordning ved en gassutladningslampe med glødekatode og fra den positive kolonne utgående strålingsemisjon. Device for a gas discharge lamp with a glow cathode and radiation emission from the positive column.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning bestående av en gassutladningslampe med en filamentkatode, hvor det opptrer en bueutladning med strålingsemisjon fra den positive kolonne, og hvor lampen foruten en edelgass, også inneholder minst 2 flyktige metaller hvorav minst ett er alkalimetall. Nevnte strålingsemisjon kan ligge både i den synlige og den usynlige del av spektret. Den usynlige stråling, for eksempel ultrafiolett stråling, kan omdannes ved hjelp av luminescens til synlig lys. The present invention relates to a device consisting of a gas discharge lamp with a filament cathode, where an arc discharge occurs with radiation emission from the positive column, and where the lamp, in addition to a noble gas, also contains at least 2 volatile metals, of which at least one is an alkali metal. Said radiation emission can lie in both the visible and the invisible part of the spectrum. The invisible radiation, for example ultraviolet radiation, can be converted by means of luminescence into visible light.

I en kjent anordning drives en med en edelgass og et alkalimetall samt kvikksølv fyllt lampe, således at all gass og damp er ionisert. Dette skulle tilveiebringe en positiv strøm-spenningskarakteristikk, slik at man kan unngå den komplikasjon det er å bruke et forkobleapparat. Ideen ved denne lampe er at kvikk-sølvets damptrykk er så lavt på grunn av at det er legert med et alkalimetall, at det ved utarming av antall ioniserbare atomer skulle av antallet av ladningsbærere ikke eller knapt øke med en økning av strømmen. Ettersom man imidlertid har påvist at også edelgassen ioniseres-, kan nevnte positive karakteristikk bare oppnås når trykket av edelgassen er meget lavt, 1/1000 mm eller mindre. Ved dette trykk kan det imidlertid ikke oppstå noen positiv kolonne, men det opptrer en annen type utladning, hvis lysutbytte er meget lavt. På grunn av det meget lave gasstrykk oppstår det også vanske-ligheter ved tenningen og ved nedbrytning av elektrodene. In a known device, a lamp filled with a noble gas and an alkali metal as well as mercury is operated, so that all the gas and steam are ionized. This should provide a positive current-voltage characteristic, so that the complication of using a ballast can be avoided. The idea behind this lamp is that the mercury's vapor pressure is so low because it is alloyed with an alkali metal, that when the number of ionizable atoms is depleted, the number of charge carriers should not or barely increase with an increase in current. However, since it has been demonstrated that the noble gas is also ionized, the aforementioned positive characteristic can only be achieved when the pressure of the noble gas is very low, 1/1000 mm or less. At this pressure, however, no positive column can occur, but a different type of discharge occurs, the light output of which is very low. Because of the very low gas pressure, difficulties also arise during ignition and when the electrodes break down.

Det er hensikten ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe betingelser, ved hvilke man kan oppnå en lampe med en positiv strømspenningskarakteristikk ved mer vanlige utladnings-betingelser, foruten at man oppnår et høyere lysutbytte. It is the purpose of the present invention to provide conditions whereby a lamp with a positive current-voltage characteristic can be obtained under more common discharge conditions, in addition to achieving a higher light yield.

Oppfinnelsen vedrører en anordning ved en gassutladningslampe med glødekatode og fra den positive kolonne utgående strålingsemisjon, idet lampen foruten en .edelgass inneholder i det minste to flyktige metaller, hvorav i det minste ett er et alkalimetall, og anordningen erkarakterisert vedat de to flyktige metallene er tilstede i form av en legering med slik sammensetning og under lampens driftsforhold ved en slik veggtemperatur at legeringsbestanddelen med den lavere ioniseringsspenning er ionisert med minst 20% i middelverdi i et tverrsnitt av lampen, mens tettheten av bestanddelene med den høyere ioniseringsspenning har en for strålingsfrembringning egnet verdi og edelgasstrykket er av størrelsesorden 0,1 til 10 torr. The invention relates to a device for a gas discharge lamp with a glow cathode and radiation emission emanating from the positive column, the lamp containing, in addition to a noble gas, at least two volatile metals, of which at least one is an alkali metal, and the device is characterized by the presence of the two volatile metals in the form of an alloy with such a composition and under the lamp's operating conditions at such a wall temperature that the alloy component with the lower ionization voltage is ionized by at least 20% in mean value in a cross-section of the lamp, while the density of the components with the higher ionization voltage has a value suitable for radiation generation and the noble gas pressure is of the order of 0.1 to 10 torr.

Det er vanlig praksis i slike lamper at edelgassen brukes for'å etablere den positive kolonne, for å lette tenningen og motvirke nedbrytningen av elektrodene. Ioniseringspotensialet av edelgassene er alltid høyere enn for de flyktige metaller, som fortrinnsvis er alkalimetaller, kadmium, sink eller kvikksølv. It is common practice in such lamps that the noble gas is used to establish the positive column, to facilitate ignition and counteract the breakdown of the electrodes. The ionization potential of the noble gases is always higher than that of the volatile metals, which are preferably alkali metals, cadmium, zinc or mercury.

Foreliggende oppfinnelse er basert på den idé atThe present invention is based on the idea that

på grunn av det lave trykk på den bestanddel med det lavere ioniseringspotensial, så kan man oppnå en viss grad av ioni§erings-metning i den positive kolonne under vanlige driftsbetingelser. Når strømmen økes, så må også den longitudinelle spenningsgradient i den positive kolonne øke for å heve antallet ladningsbærere, slik at karakteristikken blir positiv. Den positive karakteristikk for- due to the low pressure on the component with the lower ionization potential, a certain degree of ionization saturation can be achieved in the positive column under normal operating conditions. When the current is increased, the longitudinal voltage gradient in the positive column must also increase to raise the number of charge carriers, so that the characteristic becomes positive. The positive characteristic for

) svinner bare når spenningsgradienten i den positive kolonne har nådd en slik verdi at også den annen bestanddel og alt etter tilfellet også edelgassen, ioniseres i betydelig grad. ) only diminishes when the voltage gradient in the positive column has reached such a value that the other component and, depending on the case also the noble gas, are ionized to a significant extent.

Fordelene ved en anordning ifølge foreliggende oppfinnelse er ikke bare at man oppnår en positiv strømspennings-karakteristikk, hvorved man kan sløyfe serieimpedansen, men også The advantages of a device according to the present invention are not only that a positive current-voltage characteristic is achieved, whereby the series impedance can be looped, but also

at trykket på den bestanddel som frembringer strålingen, kan velges slik at man oppnår optimumverdien for strålingsutviklingen i for-hold til lampediameteren. I de lamper som hittil har vært anvendt, har damptrykket av det strålingsemitterende metall også måttet opp-fylle betingelsene for strømledning, noe som betyr at man har måttet gjøre et kompromiss mellom kravet for strømledning og strålings-fremstilling. that the pressure on the component which produces the radiation can be chosen so that the optimum value for the development of radiation in relation to the lamp diameter is achieved. In the lamps that have been used so far, the vapor pressure of the radiation-emitting metal has also had to fulfill the conditions for current conduction, which means that a compromise has had to be made between the requirement for current conduction and radiation production.

Oppfinnelsen kan anvendes i lamper med kvikksølv som det strålingsfrembringende element, hvor et eller flere av de fem alkalimetallene cesium, rubidium, kalium, natrium og litium kan tilsettes alene eller i form av en legering. Oppfinnelsen kan ytter-ligere anvendes i såkalte natriumlamper, hvor strømledningen hoved-sakelig tilveiebringes av cesium, rubidium, kalium eller legeringer av disse. The invention can be used in lamps with mercury as the radiation-producing element, where one or more of the five alkali metals cesium, rubidium, potassium, sodium and lithium can be added alone or in the form of an alloy. The invention can also be used in so-called sodium lamps, where the power line is mainly provided by cesium, rubidium, potassium or alloys thereof.

Hvis man tilsetter andre metaller, så må man ta hen-syn til enhver innflytelse på damptrykket til det metall som tilveiebringer strømledningen, og på damptrykket til det metall som tilveiebringer det vesentlige av strålingen. Nevnte metaller kan bidra til å bedre strømledningen og strålingsemisjonen. If other metals are added, then account must be taken of any influence on the vapor pressure of the metal which provides the current line, and on the vapor pressure of the metal which provides the bulk of the radiation. Said metals can help to improve the current conduction and the radiation emission.

Ved hjelp av data for legeringen av den strålingsemitterende bestanddel, kan temperaturen velges slik at man oppnår det forønskede trykk. Using data for the alloy of the radiation-emitting component, the temperature can be selected so as to achieve the desired pressure.

Damptrykket av en bestanddel i en legering er vanligvis damptrykkét av det rene metall multiplisert med brøkdelen av nevnte bestanddel i legeringen og aktivitetskoeffisienten som kan være høyere ellar lavere enn 1. Aktivitetskoeffisienten er kjent for mange legeringer. The vapor pressure of a component in an alloy is usually the vapor pressure of the pure metal multiplied by the fraction of said component in the alloy and the activity coefficient which can be higher or lower than 1. The activity coefficient is known for many alloys.

I luminescerende rørformede lamper, kan valget av trykk og temperaturer ifølge foreliggende oppfinnelse føre til betraktelig høyere veggtemperaturer enn vanlig. For å unngå for høye termale tap, så er det tilrådelig å bruke et isolerende rør av den type som vanligvis anvendes for natriumlamper. In luminescent tubular lamps, the choice of pressure and temperatures according to the present invention can lead to considerably higher wall temperatures than usual. To avoid too high thermal losses, it is advisable to use an insulating tube of the type usually used for sodium lamps.

Fordelaktige kombinasjoner for en lampe ifølge foreliggende oppfinnelse er cesium eller natrium som den strøm- ledende bestanddel og kvikksølv som en strålingsemitterende bestanddel, mens edelgassen er argon, krypton eller xenon. En kombinasjon av cesium som den strømledende bestanddel og av natrium som den strålingsemitterende bestanddel med argon, krypton eller xenon som edelgassen, er også fordelaktig. Advantageous combinations for a lamp according to the present invention are cesium or sodium as the current-conducting component and mercury as a radiation-emitting component, while the noble gas is argon, krypton or xenon. A combination of cesium as the current-conducting component and of sodium as the radiation-emitting component with argon, krypton or xenon as the noble gas is also advantageous.

I en lampe ifølge foreliggende oppfinnelse vil strålingsfrembringelsen gradvis utvides fra delen omkring aksen og utover mot veggen med økende strømintensitet og økende grad av ionisering. I mange tilfeller opptrer dette først ved anodeenden av utladningsrommet. Det mest gunstige kompromiss mellom stabilitet- - uten forkoblingsapparatet og lav selvabsorpsjon i kolonnen, oppnås når grensen mellom strålingsfrembringelse i hele tverrsnitts- In a lamp according to the present invention, the generation of radiation will gradually expand from the part around the axis outwards towards the wall with increasing current intensity and increasing degree of ionization. In many cases this first occurs at the anode end of the discharge space. The most favorable compromise between stability - without the ballast and low self-absorption in the column is achieved when the limit between radiation generation in the entire cross-section -

arealet og i delen omkring aksen, ligger omtrent i midten av utladningsrommet . •Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet mer detaljert med henvisning til den vedlagte tegning hvor: area and in the part around the axis, lies roughly in the middle of the discharge space. •The invention will now be described in more detail with reference to the attached drawing where:

fig. 1 viser en lampe ifølge foreliggende oppfinnelse,fig. 1 shows a lamp according to the present invention,

og and

fig. 2 viser et par resultater som ble oppnådd medfig. 2 shows a couple of results that were obtained with

denne lampe.this lamp.

Lampen på fig. 1 består av et hardt glassrør 1 medThe lamp in fig. 1 consists of a hard glass tube 1 with

en indre diameter på 30 mm og en lengde på 750 mm. Røret innbe-an internal diameter of 30 mm and a length of 750 mm. The tube includes

fatter to katoder 2 og 3, omgitt av nikkelringene 4 og 5 henholds-holds two cathodes 2 and 3, surrounded by nickel rings 4 and 5 respectively

vis. Røret er fyllt med 3 mm argon samt 200 mg av en legering bestående av 45 atomprosent kvikksølv og 55 atomprosent cesium. show. The tube is filled with 3 mm of argon and 200 mg of an alloy consisting of 45 atomic percent mercury and 55 atomic percent cesium.

Ved en veggtemperatur må mellom 353 og 403°K, er trykket av kvikk-At a wall temperature between 353 and 403°K, the pressure of quick-

sølvet ca. 2 x 10 torr mens det for cesiumet er 2 x 10 torr.the silver approx. 2 x 10 torr while for the cesium it is 2 x 10 torr.

På fig. 2 er lampens spenning i volt vist ved enIn fig. 2, the voltage of the lamp in volts is shown at a

direkte strømutladning på'mellom 100 og 500 mA. Målingen viste at rørveggen fikk den temperatur som er angitt på strømspennings-karakteristikken, og denne temperatur ble regulert ved et annet rør 6 som omga lampen og var utstyrt med en varmetråd. Det er tydelig at rørets totalspenning øker meget sterkt ved økende strøm, direct current discharge of between 100 and 500 mA. The measurement showed that the tube wall reached the temperature indicated on the current-voltage characteristic, and this temperature was regulated by another tube 6 which surrounded the lamp and was equipped with a heating wire. It is clear that the tube's total voltage increases very strongly with increasing current,

og at maksimum for denne karakteristikk fremtrer ved en strøm som øker med økende veggtemperatur. and that the maximum for this characteristic appears at a current that increases with increasing wall temperature.

Cesiummengden kan variere mellom 40 og 75 atomprosent,The amount of cesium can vary between 40 and 75 atomic percent,

mens kvikksølvmengden varieres samtidig.while the amount of mercury is varied at the same time.

I det tilfellet man anvender natrium som den strøm-In the case of using sodium as the current

ledende bestanddel i røret på fig. 1, så er sammensetningen 98 atomprosent natrium og 2 atomprosent kvikksølv. Temperaturen er conductive component in the tube in fig. 1, then the composition is 98 atomic percent sodium and 2 atomic percent mercury. The temperature is

da ca. 4.38°K.then approx. 4.38°K.

I_.begge tilfeller kan man naturligvis bruke veksel-strømsutladning istedenfor en likestrømsutladning, noe som er mer viktig for praktiske formål. In both cases, one can of course use an alternating current discharge instead of a direct current discharge, which is more important for practical purposes.

I det tilfellet man anvender natrium som en lys-emitterende gass, så inneholder den valgte legering mindre enn 1% cesium ved en temperatur på mellom 438 og 543°K, mens trykket av cesium er 2 x 10~^ torr og trykket av natriumet er 2 x 10~^ torr. Legeringens nøyaktige sammensetning samt valg av temperatur er avhengig av de krav man stiller: enten maksimum aktivitet eller maksimum lysutbytte, eller et kompromiss mellom disse. In the case that sodium is used as a light-emitting gas, the selected alloy contains less than 1% cesium at a temperature of between 438 and 543°K, while the pressure of cesium is 2 x 10~^ torr and the pressure of sodium is 2 x 10~^ torr. The exact composition of the alloy and the choice of temperature depend on the requirements: either maximum activity or maximum light yield, or a compromise between these.

Claims

1. Device for a gas discharge lamp with a glow cathode and radiation emission emanating from the positive column, the lamp containing, in addition to a noble gas, at least two volatile metals, of which at least one is an alkali metal, characterized in that the two volatile metals are present in the form of an alloy with such a composition and under the lamp's operating conditions at such a wall temperature that the alloy component with the lower ionization voltage is ionized by at least 20% in mean value in a cross-section of the lamp, while the density of the component with the high ionization voltage has a value suitable for radiation production and the noble gas pressure is of the order of 0.1 to 10 torr.

2. Device according to claim 1, characterized in that the alloy's radiation-producing component consists of mercury and the alloy's current-carrying component consists of cesium, the amount of which forms 40 to 75 atomic percent in the alloy at a wall temperature of 353 to 403°K.

3. Device according to claim 1, characterized in that the alloy's radiation-producing component consists of mercury and the other components of sodium, the composition of the alloy being 98 atomic percent sodium and 2 atomic percent mercury at a wall temperature of 483°K.

4. Device according to claim 1, characterized in that the radiation-producing part of the alloy is sodium and the current-carrying part cesium, which forms less than 1% of the alloy at a wall temperature of 483 to 543°K.