DE2517962B2 - Elektrische Gasentladungslampe mit einer Schicht aus einem kernförmigen Leuchtstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Gasentladungslampe mit einer an der Entladungsscitc eines Trägers angeordneten Schicht ;uis kornförmigem

Leuchtstoff.

In derartigen Lampen wird die durch die Gasentladung ausgestrahlte Strahlungsenergie von dem kornförmigen Leuchtstoff durch Absorption in langwellige Strahlung umgewandelt. Die Entladung wird entweder in einer Niederdruck- oder in einer Hochdrackquecksilberdampfatmosphäre erzeugt. Bei Lampen mit der erstgenannten Atmosphäre befindet sich der Leuchtstoff meistens an der Innenseite der Wand des eigentlichen Entladungsraumes; bei Lampen mit der zweiten Atmosphäre befindet er sich meistens auf einem Kolben, der die eigentliche Entladungsröhre umgibt.

Aus der DE-AS 1001415 ist eine Entladungslampe mit einem Reflektor bekannt, bei der ein Teil der Innenfläche des äußeren Kolbens, nämlich der der Seite des freien Lichtaustntts gegenüberliegende Teil, mit dr;i aufeinanderfolgenden Schichten aus Spiegelsilber, Kieselsäure und Leuchtstoff überzogen ist. Die Kieselsäureschicht wird verwendet, weil das Silber den Leuchtstoff vergiftet, während gleichzeitig der Leuchtstoff die reflektierenden Eigenschaften der Silberschicht teilweise zerstört. Die Kieselsäureschicht zeigt zwar gewisse Diffusionseffekte für ultraviolette Strahlung, denen zufolge das ultraviolette Licht beim Lumineszenzvorgang besser verwertet wird. Die Diffusionseffekte bewirken aber auch, daß das ultraviolette Licht auch in anderen Richtungen als in der gewünschten Richtung zerstreut wird. Bei der bekannten Lampe gleicht die Silberschicht dies aus; fehlt ein solcher Reflektor, so wirken sich die Diffusionseffekte nachteilig aus.

Nach der US-PS 2 290186 wird zwischen der Glaswand und der Leuchtstoffschicht einer Entladungslampe eine Filterschicht angeordnet. Die Filterschicht dient dazu, Licht in Farbtönen zu erzeugen, für die es keine käuflich erhältlichen Leuchtstoffe gibt. Bei den Stoffen, die diese Filterung bewirken, handelt es sich um farbige Stoffe, z. B. um Cadmiumsulfid. Daneben kann die Filterschicht auch noch Bariumsulfat enthalten, das als guter Reflektor für ultraviolettes Licht dieses Licht in die Leuchtstoffschicht zurück reflektiert, in der dann sichtbares Licht erzeugt wird. Eine Möglichkeit, dabei die Leuchtstoffmenge zu reduzieren, wird in der besagten Patentschrift nicht erwähnt.

Unter einem Material, das ultraviolette Strahlung gut reflektiert, ist ein Material zu verstehen, das im Vergleich zu einem Leuchtstoff ultraviolette Strahlung nur wenig absorbiert.

Bei Lampen der eingangs erwähnten Art wird eine hohe Ausbeute angestrebt, d. h. ein möglichst großer Teil der der Lampe zugeführten elektrischen Energie soll in die gewünschte Strahlung umgewandelt werden. Diese Ausbeute ist von vielen Faktoren abhängig, u. a. von der Zusammensetzung und von der Menge des Leuchtstoffes. Da der Leuchtstoff, insbesondere wenn dafür teure Stoffe verwendet werden, weil sie z. B. teure Elemente wie Seltene Erden enthalten, einen ziemlich großen Teil der Kosten der Lampe verursacht, wird außerdem angestrebt, die Menge an erforderlichem Leuchtstoff möglichst klein zu halten. Diese zwei Bedingungen lassen sich in den meisten Fällen nicht ohne weiteres miteinander in Einklang bringen. Deswegen hat man spezielle Maßnahmen getroffen, die Leuchtstoffmenge ohne Reduzierung der Ausbeute herabzusetzen.

So ist in der GB-PS 603 326 die Möglichkeit einer

Verringerung der Leuchtstoff menge durch Anbringen einer Ultraviolettstrahlung gut reflektierenden Schicht zwischen der Leuchtstoffschicht und ihrem Träger beschrieben. Die reflektierende Schicht sendet Ultraviolettstrahlung, die nicht dirext durch die Leuchtstoffschicht umgewandelt w :rden ist, nach dieser Schicht zurück, an welcher Stelle die Ultraviolettstrahlung nachträglich in Strahlung umgewandelt wird. Dadurch kann die Leuchtstoff menge L. der Leuchtstoffschicht herabgesetzt werden, d. h. die Dicke dieser Schicht kann kleiner als bei Abwesenheit der reflektierenden Schicht gewählt werden. Zwar benötigt man jetzt ein zusätzliches Material, nämlich das ultraviolettreflektierende Material, und es muß zweimal eine Schicht aufgetragen werden, aber trotzdem kann man eine Ersparnis erreichen, da eine derartige Ultraviolettstrahlung reflektierende Schicht aus einem billigen Materia! bestehen kann, z. B. aus Magnesiumoxid.

In der US-PS 2892956 ist eine Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe beschrieben, deren Schichtaufbau weitgehend dem der Lampe gemäß der GB-PS 603 326 entspricht. Darüber hinaus wird in der US-Patentschrift die Möglichkeit erwähnt, auf der Innenseite einer Lampe eine einzige Schicht anzubringen, die aus einer Mischung von reflektierendem Material mit Leuchtstoff besteht. Es wird jedoch in dieser Patentschrift betont, daß dadurch die ar, sich gewünschte Erhöhung der Lichtausbeute nichi erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Herstellungskosten von Lampen noch weiter zu reduzieren, indem die Menge der erforderlichen Leuchtstoffe herabgesetzt wird, ohne daß dadurch eine Verringerung der Lichtausbeute eintritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer elektrischen Gasentladungslampe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Schicht aus kornförmigem Leuchtstoff aus mindestens zwei übereinanderliegenden Teilschichten besteht, wobei die direkt an der Entladung liegende Teilschicht nur aus Leuchtstoff besteht und die nicht direkt an der Entladungsseite liegende(n) Teilschicht(en) aus einer Mischung des Leuchtstoffes mit einem weißen Material besteht (bestehen), das nichtleuchtend ist und eine Absorptionsfähigkeit für Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge über 240 nm hat, die kleiner ist als 20% der Absorption dieser Strahlung du""ch diejenige Komponente des Leuchtstoffes, die die geringste Absorptionsfähigkeit für diese Strahlung hat, und wobei das Verhältnis der Menge an weißem Material zur Menge des Leuchtstoffes in einer Teilschicht um so größer ist, je weiter diese Teilschicht von der Entladung entfernt ist.

Der Unterschied zwischen der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe und den bekannten Gasentladungslampen besteht demnach darin, daß zwischen der Leuchtstoffschicht an der Entladungsseite und dem Träger mindestens eine Schicht vorhanden ist, die nicht ausschließlich aus Material, das Ultraviolettstrahlung gut reflektiert, und auch nicht aus einem derartigen Material im Gemisch mit Filterstoffen und ähnlichen Materialien, sondern aus einem derartigen Material in einer Mischung mit Leuchtstoff besteht.

Ermittlungen und Versuche haben ergeben, daß. wenn der obenerwähnten Anforderung für die Absorption von Ultraviolettstrahlung durch das weiße Material unter Beibehaltung der gleichen Strahlungsausbeute der Lampen oder in manchen Fällen sogar bei einem Anstieg davon entsprochen wird, eine stärkere Ersparnis erhalten werden kann als bei der Anwendung der Maßnahme nach der obenerwähnten britischen Patentschrift, indem weniger Leuchtstoff und/oder uitraviolettreflektierendes Material erforderlich ist. Dies wird nachstehend anhand von Beispielen und anhand einer Zeichnung nachgewiesen.

Die Absorptionsfähigkeit des weißen Materials für sichtbare Strahlung ist sehr gering. Dies ist nicht mit einer geringen Absorptionsfähigkeit für Ultraviolettstrahlung identisch. Umgekehrt jedoch hat ein Material mit einer geringen Absorptionsfähigkeit für Ultraviolettstrahlung eine zumindest gleich geringe Absorptionsfähigkeit für sichtbare Strahlung. Vorzugsweise wird eifindungsgemäß ein weißes Material ausgewählt, dessen Absorptionsfähigkeit für Ultiaviolettstrahlung mit einer Wellenlänge über 240 nm kleiner ist als 10% der Absorption dieser Strahlung durch denjenigen Leuchtstoff, der für diese Strahlung die geringste Absorptionsfähigkeit besitzt.

Das Anwenden des erfindungsgemäßen Prinzips ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Leuchtstoffschicht an der Entladungsseite zwischen 80 und Ψ)°/ν der Gesamtmenge der umgewandelten Ultraviolettstrahlung umwandelt. Ein derartiger Umwandlungsprozentsatz, der erwünscht ist, um eine Lampe mit einer hohen Strahlungsausbeute zu verwirklichen, kann durch die Verwendung von Materialien mit einer sehr hohen Ultraviolettabsorption erhalten werden: die Schicht kann dabei sehr dünn und daher billig sein. Eine derartige sehr dünne Schicht läßt dennoch eine gewisse Ultraviolettstrahlungsmenge durch, da durch die Kornstruktur keine völlig dichte Schicht zu verwirklichen ist.

Hat die Schicht an der Entladungsseite eine nicht so hohe Ultraviolettabsorption, so muß die Schichtdicke größer gewählt werden. Für eine hohe Ultraviolettabsorption wäre jedoch eine derart große Schichtdicke erforderlich, daß sich bei der Haftung große Schwierigkeiten ergeben würden und die Schicht sich selbstverständlich stark verteuern würde. Man ist also gezwungen, eine nicht zu dicke Schicht zu wählen. Die Folge davon ist jedoch, daß dabei noch eine gewisse Menge von Ultraviolettstrahlung durchgelassen wird. Die durchgelassene Ultraviolettstrahlung wird jetzt erfindungsgemäß in der Schicht oder in den Schichten, die nicht an den Entladungsraum grenzen, zum Teil in die gewünschte Strahlung umgewandelt, zum Teil vom weißen Material in Richtung der Entladung reflektiert und u. a. von der an der Entladungsseite liegenden Schicht in die gewünschte Strahlung umgewandelt.

Da die zur Umwandlung in die gewünschte Strahlung verfügbare Ultraviolettstrahlungsmenge mit größerem Abstand zur Entladung abnimmt, muß das Verhältnis der Menge an weißem Material zur Leuchtstoff menge in den von der Entladung entfernteren Teilschichten größer werden. Theoretisch müßte sich dieses Verhältnis von der Entladung zum Träger ständig vergrößern. In der Praxis ist dies jedoch schwer zu verwirklichen, und man wird daher Teilsuiichtcn verwenden. Man wird im allgemeinen sogar nur zwei Teilschichten verwenden, nämlich eine Teilschicht ohne und eine mit weißem Material, das eine geringe Absorptionsfähigkeit für ultraviolette Strahlung aufweist. Das Anbringen zweier Teilschichten

gehört nämlich zur allgemeingängigen Technik für Fluoreszenzlampen.

Die Erfindung wirkt sich am besten aus, wenn die Umwandlung in der Teilschicht an der Entladungsseite zwischen 90 und 99% liegt. Übersteigt diese Umwandlung 99%, so wird der Effekt der folgenden Teilschicht (der folgenden Teilschichten) allerdings nur sehr gering sein.

Die Korngröße des weißen Materials in den Teilschichten übt einen gewissen Einfluß auf die Reflexion bzw. Absorption der Ultraviolettstrahlung und auf die Haftung dieser Schichten aus. Vorzugsweise wird die mittlere Korngröße des weißen Materials kleiner als die mittlere Korngröße des Leuchtstoffes gewählt.

Die Erfindung ist nicht auf Lampen beschränkt, die zum Aussenden sichtbarer Strahlung aiiein dienen. Sie ist genauso auf Lampen anwendbar, die Ultraviolettstrahlung mit einer größeren Wellenlänge als der der in der Entladung erzeugten Ultraviolettstrahlung aussenden. Beispiel dafür sind Lampen für photochemische Verfahren, wie Lackhärtung und Farbtrocknung. Ferner ist die Erfindung auch für Lampen für kosmetische Zwecke brauchbar.

Die Erfindung ist von wesentlicher Bedeutung für die Anwendung in Niederdruckquecksilberdampfentladungslampen, in denen sich die Schichten an der Innenseite der umhüllenden Glaswand des Entladungsraums befinden, kann aber genausogut bei Hochdruckquecksilberdampfentladungslampen angewandt werden, bei denen der Träger durch einen Kolben gebildet wird, der die eigentliche Entladungsröhre umgibt.

Weiße Stoffe, die sich insbesondere für die Anwendung des Prinzips der Erfindung eignen, sind Bariumsulfat und Calciumpyrophosphat. Man kann jedoch auch gute Ergebnisse mit Magnesiumoxid erreichen. Die mittlere Korngröße liegt vorzugsweise zwischen 1 und 5 Mikrometer, da die üblichen Leuchtstoffe auch eine derartige mittlere Korngröße haben.

Beispiele für brauchbare Leuchtstoffe sind blauleuchtendes mit zweiwertigem Europium aktiviertes Bariummagnesiumaiuminat (Ba₀₉EuO₁M^Al₁₆O₂₇), grünleuchtendes mit dreiwertigem Cer und Terbium aktiviertes Magnesiumaluminat

(CeO₆₇Tb₀₃₃MgAl₁₁O₁₉) und rotleuchtendes mit dreiwertigem Europium aktiviertes Yttriumoxid (Y₁₉₅Eu₀₀₅O₃). Mit einer Mischung dieser drei Stoffe in einer' Niederdruckquecksilberdampfentladungslampe kann eine sehr hohe Lichtausbeute und eine sehr gute Farbwiedergabe verwirklicht werden. Die Stoffe sind jedoch sehr teuer, da sie Seltene Erden enthalten. Durch die Anwendung der Erfindung kann die in der Leuchtschicht vorhandene Gesamtmenge dieser teuren Stoffe verringert werden.

Die Teilschicht an der Entladungsseite kann auch billigere Stoffe wie Calciumhalophosphate mit einer etwas geringeren Ultraviolettabsorption enthalten. Wie oben bereits erwähnt, ist die Anwendung des Prinzips der Erfindung auch dabei von Vorteil. Zwar ist die Ersparnis dabei geringer, aber die Gesamtmenge des Leuchtmaterials kann dennoch kleiner gewählt werden. Abgesehen von der Ersparnis kann dies hinsichtlich der Herstellung vorteilhaft sein. Größere Schichtdicken ergeben nämlich größere Haftungsprobleme. Außerdem kann man die Korngröße der Stoffe in weiteren Grenzen eben dadurch variieren, daß die Teilschicht an der Entladungsseite dünner sein kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine 40-Watt-Niederdruck quecksilberdampfentladungslampe, und

Fig. 2 eine graphische Darstellung, in der di< Lichtausbeuten verschiedener Lampen nach Fig. ; miteinander verglichen werden.

In Fig. 1 bezeichnet 1 die Wand einer Entladungs lampe mit einer Länge von ungefähr 1200 mm unc einem ungefähren Durchmesser von 38 mm. Im Ent ladungsraum dieser Lampe befinden sich die Elektro den 2 und 3. Die Entladung wird mit Hilfe diesel Elektroden im Entladungsraum erzeugt, der mi Quecksilberdampf und mit einem oder mehrerer Edelgasen gefüllt ist, wie es für diese Art von Lamper üblich ist. An der Innenseite der Lampenwand 1 be· finden sich zwei mit 4 und 5 bezeichnete übereinan derliegende Teilschichten.

Im Entladungsraum der obenerwähnten Lampe wird bei geeignet gewählten Spannungen eine Entla dung erzeugt, die in hohem Maße Ultraviolettstrah lung aussendet, insbesondere bei einer Wellenlänge von 254 nm. Diese Strahlung regt die Leuchtstoffe ir den Schichten 4 und San. Abhängig von der Art diesel Stoffe senden die Schichten eine spezifische ge wünschte Strahlung aus, die im sichtbaren und/odei im langwelligen Ultraviolettbereich des Spektrum! liegen kann. Die Schichten 4 und 5 enthalten det gleichen Leuchtstoff oder die gleiche Leuchtstoff mischung. In der Schicht 4 ist der Leuchtstoff jedocl mit einem weißen Material gemischt, das eine geringe Absorptionsfähigkeit für ultraviolette Strahlunj aufweist, z. B. Bariumsulfat oder Calciumpyrophos phat.

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung, in der aul der Abszisse ein doppelter Maßstab verwendet ist Der Maßstab α stellt die Leuchtstoffmenge dar, die sich in der Schicht 4 befindet; der Maßstab b stell' die Gesamtmenge des Leuchtstoffes in den Schich ten 4 und, S dar. Auf der Ordinate ist die Lichtausbeute L in Lumen aufgetragen.

Bei einer bekannten Lampe mit einer einziger Leuchtstoffschicht, deren Leuchtstoff aus mangan und antimonaktiviertem Calciumhalophosphat besteht, wurde festgestellt, daß bei einer Bedeckung vor ungefähr 6,5 g eine rriaximale Lichtausbeute von ungefähr 3100 Lumen erhalten wurde. Wenn die Leuchtstoffschichl erfinduhgsgemäß aus zwei Teilschichten aufgebaut wird' (4 und 5), wobei die Schicht S drei Gramm Leuchtstoff und die Schicht 4 eine schwankende Leuchtstoffmenge in Mischung mil Bariumsulfat oder Calciumpyrophosphat mit gleichei mittlerer Korngröße enthalt (etwa 4 Mikrometer) werden die in der graphischen Darstellung wiedergegebenen Kurven erhalten. Neben feder Kurve ist die Menge y (in Gramm) der Menge des weißen Materials in der Schicht 4 vermerkt. Diese Menge schwankt alsc von y = 0 bis y = 6. Der Wert y = 0 gehört also zi derjenigen Lampe, bei der kein weißes Material ir der Schicht 4 vorhanden ist Die zwei Teilschichten A und 5 bilden dabei eine einzige Schicht. Der Verfaul dieser Kurve zeigt also, daß mit ungefähr 6,5 Gramnr eine Lichtausbeute von 3100 Lumen erhalten wird Aus den anderen Kurven läßt sich ableiten, daß die gleiche Lichtausbeute mit bedeutend weniger leuchtendem Material in der Schicht 4 erhalten werder kann. Dadurch sinkt die Gesamtmenge des erforderlichen Leuchtstoffes ab, die auf der Abszisse im Maßstab b angegeben ist. Gleichfalls ist aus der Figur er-

sichtlich, daß man sogar höhere Lichtausbeuten als bei Abwesenheit von weißem Material (Pigment) erhalten kann. Durch die Anwendung der Erfindung kann man also mit einer geringeren Leuchtstoffmenge Lampen mit gleicher oder höherer Lichtausbeute ver-

wirklichen.

Man kann die Menge an weißem Pigment nicht beliebig vergrößern, weil man dabei eine derart große Schichtdicke 4 bekommt, daß unüberwindliche Haftungsschwierigkeiten auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektrische Gasentladungslampe mit einer an der Entladungsseite eines Trägers angeordneten Schicht aus kornförmigem Leuchtstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus mindestens zwei übereinanderliegenden Teilschichten (4, 5) besteht, wobei die direkt an der Entladung liegende Teilschicht (5) nur aus Leuchtstoff besteht und die nicht direkt an der Entladungsseite liegende(n) Teilschicht(en) (4) aus einer Mischung des Leuchtstoffs mit einem weißen Material besteht (bestehen), das nichtleuchtend ist und eine Absorptionsfähigkeit für Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge über 240 nm hat, die kleiner ist als 20% der Absorption dieser Strahlung durch diejenige Komponente des Leuchtstoffes, die die geringste Absorptionsfähigkeit für diese Strahlung hat, und wobei das Verhältnis der Menge an weißem Material zur Menge des Leuchtstoffes in einer Teilschicht um so größer ist, je weiter diese Teilschicht von der Entladung entfernt ist.

2. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weiße Material eine Absorptionsfähigkeit für Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge über 240 nm hat, die kleiner ist als 10% der Absorption dieser Strahlung duich diejenige Komponente des Leuchtstoffes, die die geringste Absorptionsfähigkeit für diese Strahlung hat.

3. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die an der Entladungsseite liegende leuchtende Teilschicht (5) umgewandelte Teil der auf diese Schicht auffallenden Ultraviolettstrahlung zwischen 80 und 99% der von der Leuchtschicht umgewandelten Gesamtmenge der Ultraviolettstrahlung liegt.

4. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentsatz zwischen 90 und 99% liegt.

5. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 1,2,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Korngröße des weißen nichtleuchtenden Materials kleiner als die mittlere Korngröße des Leuchtstoffes ist.

6. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 1,2,3,4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weiße nichtleuchtendc Material aus Bariumsulfat besteht.

7. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das weiße nichtleuchtende Material aus Calciumpyrophosphat besteht.

8. Elektrische Gasentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung als Niederdruckquecksiiberdampfentladungslampe die Leuchtstoffschicht aus zwei Teilschichten besteht.