DE1042115B - Wassergekuehlte Wasserstofflampe mit Quarzentladungsgefaess - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Maßnahmen konstruktiver Art zur Steigerung der nutzbaren Strahldichte von Wasserstofflampen, wie sie als Ultraviolettlichtquellen für Absorptionsmessungen in Spektralphotometern verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich auf eine wassergekühlte Wasserstofflampe mit Quarzentladungsgefäß, mit geheizter Kathode, einer Anode und einer dazwischenliegenden, die Entladung einengenden Metallblende.

Die Lichtquelle nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Blendenrand in wärmeleitender Verbindung mit der ihn umgebenden Quarzwand steht, welche zugleich Bestandteil einer Kühlwasser führenden Leitung ist.

Die bisher gebräuchlichen Wasserstofflampen sind für Messungen mit feiner spektraler Auflösung nicht genügend hell, sobald sie in selbstregistrierenden Geräten verwendet werden, weil die Rauschgrenze der Verstärker erreicht wird, und wenn man Messungen unterhalb 2000 Ä vornehmen will, da dort die Strahlung der Wasserstofflampe stark abfällt und die Absorption durch die Quarzwand und die umgebende Luft stark zunimmt.

Die bisher bekannten Wasserstofflampen, die bei mäßigem Aufwand an Betriebsstrom und Spannung brauchbare Ergebnisse liefern, zeigt in schematischer Darstellung Abb. 1. In einem Quarzgefäß 1 befindet sich zwischen einer Kathode 2 und einer Anode 3 eine enge Blende 4, die in einem Metallschirm 5 angeordnet ist, dessen Form die zwischen 2 und 3 betriebene Entladung nötigt, den Weg durch die Blende 4 zu nehmen. Das in und¹ vor 4 entstehende Licht tritt durch ein Fenster 6 nach außen.

Eine Helligkeitssteigerung wäre bei einer solchen Lampe zwar durch Erhöhung der Stromstärke möglieh, jedoch ist der Lichtzuwachs weniger als proportional zur Stromstärke, und die thermische Belastbarkeit der Blendenränder setzt der Stromerhöhung enge Grenzen.

Es ist weiter bekannt, die Helligkeit von Entladungslampen mit einengender Blende dadurch zu steigern, daß an den Blendenrand konkave Flächen anschließen, die einen zusätzlichen Teil des Lichts in die Nutzrichtung reflektieren.

Es ist an sich bekannt, in Spektrallampen den mög- ⁴^ liehen Leistungsumsatz durch Wasserkühlung zu erhöhen und damit die Leuchtdichte zu steigern. Die bisher bekannten Lampen benutzen als Hilfsmittel für die Einschnürung der Entladung lange direkt von außen gekühlte Ouarzrohre. Solche Lampen müssen mit hohen Spannungen betrieben werden und haben trotz dem hohen Leistungsaufwand nicht so hohe Leuchtdichten, wie sie mit Entladungen erreicht werden, die durch kurze metallische Blenden eingeengt sind.

Wassergekühlte Wasserstofflampe
mit Quarzentladungsgefäß

Anmelder:

Dr. Kern & Sprenger K. G.,
Göttingen, Berliner Str. 2 a

Dr. Josef Kern, Göttingen,
ist als Erfinder genannt worden

Spektrallampen mit wassergekühlten metallischen Blenden sind bisher nicht in einer technisch reifen Form bekannt, worunter die Möglichkeit zum vielhundertstündigen Betrieb ohne Verbindung der Lampe mit einer Vakuumpumpe und über Jahre verteilt verstanden wird.

Eine Lampe gemäß der Erfindung zeigt Abb. 2 im Maßstab etwa 1:1. Im Quarzgefäß 7 ist die Blende 8 aus Wolfram oder Molybdän in dem Quarzrohr 9 eingeschmolzen, so daß die Blende im Betrieb die Ouarzwand berührt. Abb. 3 zeigt die eingeschmolzene Blende im vergrößerten Maßstab etwa 5:1. Die Einschmelzung dieser Blende 8 in das umgebende Quarzrohr 9 geschieht etwa in der Weise, daß die Blende im kalten Zustand in das Quarzrohr 9 eingeschoben und das Quarzrohr bis über den Erweichungspunkt des Quarzes hinaus erhitzt wird, wobei sich das Quarzrohr 9 eng an den Blendenkörper 8 anlegt. Hierbei ist es nicht wesentlich, ob die Metall- und Quarzoberflächen eine innige Verbindung miteinander eingehen. Für die angestrebte Wärmeabfuhr vom Blendenkörper 8 durch die Quarzwand 9 hindurch ist es ausreichend, wenn beide Flächen bei heißer Blende und gekühlter Quarzwand fest einander anliegen, wobei die genannte Art des Einschmelzens einen den mikroskopischen Feinheiten folgenden flächigen Wärmekontakt gewährleistet. Ferner ist eine Anode 10 aus Molybdän oder Wolfram von etwa 8 mm Länge und 3 bis 5 mm Durchmesser eingeschmolzen. Die Kathode 11 besteht aus einer Wolframspirale, die mit den bekannten Aktivierungsmaterialien aus Erdalkalioxyden oder Thoroxyd oder Gemischen dieser Substanzen miteinander gefüllt ist. Die Blende 8 ist mit einem kreisförmigen etwa 0,5 bis 1 mm langen Loch von 1 mm Durchmesser versehen. Nach den beiden Seiten erweitert sich die Blende kegelförmig zum Außenrand hin. Der

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Außendurchmesser der Blende beträgt vorzugsweise 4 bis 5 mm. Die eingeschmolzenen Molybdänfolien 12 sind mit den Stromzuführungsdrähten 13 verbunden. Blechschirme 14 aus Nickel oder Molybdän, die in der Strahlenaustrittsrichtung als Blende 15 ausgebildet sein können, decken zur Verringerung der Absorption von Wasserstoffionen und Atomen in den Quarzwänden diese gegen die Entladungsbahn ab. Die Lampe ist bis auf das Austrittsfenster 16 für die Strahlung durch den aufgeschmolzenen Wassermantel 17 wassergekühlt.

Der Heizstrom für die Kathode der Lampe beträgt etwa 6 bis 10 A bei einer Heizspannung von 2 bis 6 V. Die Lampe ist mit Wasserstoff von etwa 2 bis 10 mm, vorzugsweise von 6 mm Druck gefüllt. Bei einer Stromstärke von 1 A und einer Gleichstrombrennspannung von etwa 120 V an der Lampe ist die Strahlungsdichte im UV gegenüber der bisherigen Lampe der Abb. 1, die bei einer Stromstärke von 300 mAbei einer Brennspannung von etwa 90 V betrieben wird, auf das 4,5- bis 5fache gestiegen. Bei 1,5 A beträgt die Erhöhung der Strahlungsdichte das 6- bis 6,5fache.

Bei dieser Erhöhung der Strahlungsdichte spielen mehrere Effekte mit. Es ist bekannt, daß die Strahlung einer Wasserstofflampe erhöht wird, wenn sich in der Nähe der Entladungsbahn Metalle befinden, da die mit der Lichtemission zusammenhängend.^: Wiedervereinigung der in der Entladung gespalteten Moleküle hierdurch beschleunigt wird. Die gewählte Form des Blendenkörpers vor dem Rand der kleinen Blende unterstützt diese Wirkung, wenn auch für die Form des Blendenkörpers vor allem die gute Wärmeableitung vom Rande der inneren Bohrung zum Außenmantel bestimmend war. Es hat sich für die Erhöhung der Strahlungsausbeute als günstig herausgestellt, die Temperatur in der Entladungssäule möglichst niedrig zu halten. Kühlt man die in Nähe der Entladungsbahn liegenden Wände, so steigt die Lichtausbeute bei konstant gehaltenem Strom merklich, während die Spannung am Rohr stark abfällt z. B. auf V₃ der ohne Kühlung auftretenden Spannung. In der Anordnung der Abb. 2 kommt damit der Wasserkühlung außer der Verhinderung übermäßiger Erhitzung der Bauelemente noch eine in den Entladungsmechanismus eingreifende Funktion zu.

Messungen haben ergeben, daß die spektrale Energieverteilung der erfindungsgemäßen Lampe sich nach kürzeren Wellenlängen so verändert, daß die Zunahme der Strahlungsdichte gerade in dem schwer zugänglichen kurzwelligen UV größer ist als im langwelligen UV oder im Sichtbaren.

Eine weitere Möglichkeit, die Blende zu formen und mit der gekühlten Quarzwand zu verbinden, zeigt die Abb. 4. Hier ist eine schmale, gegebenenfalls parabolisch geformte dünne Scheibe 24 aus Wolfram oder Molybdän flach im Quarzglas 25 eingebettet, wobei das Quarzrohr sehr eng die eigentliche Blendenöffnung umgibt.

Eine weitere Verstärkung der Strahlungsintensität der erfindungsgemäßen Lampe, insbesondere unterhalb Ä kann man dadurch erreichen, daß man das Austrittsfenster in an sich bekannter Weise bis auf etwa 0,Ii mm dünn auszieht.

Die trotz der Abschirmblende 14 eventuell noch verbleibende Absorption des Wasserstoffs in der Quarzwand wird durch ein genügend großes Gasvolumen, das in einem besonderen Vorratsgefäß 26 (in Abb. 2 gestrichelt gezeichnet) untergebracht sein kann, unschädlich gemacht. Man kann aber auch die Quarzglaswände schon an der Pumpe bis zur Sättigung mit Wasserstoff beladen, was entweder unter der Wirkung einer zwischen Kathode und Anode brennenden Entladung oder durch ein außen angelegtes Hochfrequenzfeld erfolgen kann.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wassergekühlte Wasserstoff lampe mit Ouarzeatladungsgefäß, mit geheizter Kathode, einer Anode und einer dazwischenliegenden, die Entladung einengenden Metallblende, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Blendenrand in wärmeleitender Verbindung mit der ihn umgebenden Ouarzwand steht, welche zugleich Bestandteil einer Kühlwasser führenden Leitung ist.

2. Wasserstoff lampe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen um die Blendenachse drehsymmetrischen Blendenkörper, der sich, im Querschnitt gesehen, von der Blendenöffnung aus nach außen erweitert, dessen Außendurchmesser vorzugsweise 4 bis 5 mm, dessen Länge am äußeren Rande vorzugsweise 4 bis 6 mm und nahe der Blendenöffnung weniger als 2 mm beträgt.

3. Wasserstofflampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstrom für die Kathode 6 bis 1OA bei einer Heizspannung von 2 bis 6 -V und der Anodenstrom durch die Lampe 1 bis 2 A, vorzugsweise 1,5 A, bei einer Brennspannung von 90 bis 160 V beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 911 871;

Zeitschrift »Elektrotechnik«, 9. Jahrgang, Heft 2, Februar 1955, S. 58 bis 62;

»Zeitschrift für Physik«, Bd. 45, 1927, S. 337 bis 342.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 660/162 10.58.