DE2625554C2 - Wandstabilisierte Blitzröhre - Google Patents

Description

a) der Kolben aus Weichglas besteht, das einen Erweichungspunkt zwischen 620°C und 700° C besitzt und dessen mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizient im Bereich von 87 bis 95 · 10-⁷pro°Czwischen0^oCund300°Cliegt;

b) die maximal auftretende Snergiebelastung etwa tO Joule pro cm² an den inneren Flächen des Kolbens (2) ist, wobei die Blitzdauer 250 jis nicht überschreitet, die zwischen den Ein-Drittel-Punkten einer Lichtimpulsspitze gemessen wird.

2. Blitzröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzuleitungen (10,12) aus Manteldraht bestehen und in Weichglaseinschmelzungen gefaßt sind.

3. Blitzröhre gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Innendurchmesser des Kolbens (2) von 3 mm die maximale Energiebelastung 9,4 Joule pro cm² bei einer Blitzdauer von 250 μβ oder weniger ist, wobei dies zwischen den Ein-Drittel-Punkten einer Lichtimpulsspitze gemessen wird.

4. Blitzröhre gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Spitzenstromdichte einer Bogenentladung 3540 Ampere nicht überschreitet.

5. Blitzröhre gemäß Anspruch 4, dadurch gekenn- *o zeichnet, daß der Abstand der Elektroden und damit die Länge der Bogenentladung etwa 3,8 cm beträgt.

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Die Erfindung betrifft eine wandstabilisierte Blitzröhre nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Gasentladungs-Blitzröhren besitzen im allgemeinen zwei Elektroden in dem lichtdurchlässigen Kolben, der so mit einem Edelgas mit geringem Druck, meist geringer als der atmosphärische Druck, vorzugsweise mit Xenon, gefüllt ist. Sie werden parallel zu einem großen Kondensator betrieben und dabei mit einem hohen Potential beaufschlagt, das aber zur Ionisierung des Füllgases meist nicht ausreicht. Bei Anwendung eines genügend energiereichen Impulses auf eine externe Hilfselektrode wird z. B. das Xenon ionisiert und es findet eine elektrische Bogenentladung zwischen den Elektroden statt, indem sich der Kondensator entlädt. Dabei wird ein intensiver Lichtblitz erzeugt, der gewöhnlich von kurzer Dauer ist. In vielen Fällen wird das mittels einer Impulsspannung zwischen einer aus wenigen Drahtwindungen außen auf dem Glaskolben angeordneten Zündelektrode und einer der inneren *>⁵ Elektroden erreicht. Man bezeichnet diese Methode als Nebenschlußzündung.

Ein Beispiel hierfür ist der DE-AS 10 44 443 zu entnehmen. In Spalte 4 wird im zweiten Absatz eine solche Blitzröhre beschrieben, wobei der Xenon-Fülldruck etwa 13 300 Pa beträgt und die Entladungsstrecke groß ist im Vergleich zum innendurchmesser des Kolbens. Daraus folgt, daß die Entladung wandstabilisifcrt verläuft

Auch in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 18 24 067 ist eine Zündelektrode einer Elektronenblitzröhre beschrieben. Figur 3 zeigt eine betriebsfertige Elektronenblitzröhre, die einen langgestreckten, röhrenförmigen Glaskolben als Kolben aufweist

Statt weniger Drahtwindungen kann das auch durch einen entsprechend ausgebildeten Leitlack oder leitenden Belag auf dem Glaskolben erreicht werden, der an der Impulsquelle angeschlossen wird. Es ist aber auch möglich die Zündung dieser Lampen dadurch zu erreichen, daß man die Impulsspannung direkt an die inneren Elektroden legt Das bezeichnet man als Injektions-Zündung.

Bisher wurden die Glaskolben derartiger Blitzröhren meist aus Quarzglas, Borsilikatglas oder sogenanntem Zündglas hergestellt Alle sind relativ teuer, allgemein schwieriger zu ziehen und zu formen und erfordern besondere Überlegungen hinsichtlich der Einschmelzstellen, die für die Durchführung der Zuleitungsdrähte für die Elektroden durch die Verschlußenden aus Glas notwendig sind. Das trifft insbesondere zu für Blitzröhren mit sogenannter wandstabilisierter Entladung.

Es sei hierzu auf die folgenden beiden Literaturstellen hingewiesen: »High Pressure Mercury Vapor Lamps and their Applications« von W. Elenbaas, Philips technische Bücherei, 1965, Seiten 3 und 242-243; »Light Sources« von W. Elenbaas, Crane, Russak und Company, Ine, New York, 1972, Seiten 127,163 und 196.

Weichglas wurde bereits bei der Anwendung als Kolbenmaterial von elektroden-stabilisierten Blitzröhren genannt, wobei der Innendurchmesser des Kolbens groß ist im Vergleich zur Entladungsstrecke. Dies zeigt das US-PS 37 66 421, Spalte 4, Zeilen 62-65. Hier wurde ein Kolben aus Kalkglas mit etwa 3,8 cm Durchmesser für Blitzröhren verwendet, die einen Elektrodenabstand von etwa 2,54 mm bei einer Energiebelastung mit etwa 0,05 Joule pro Blitz hatten. Jedoch im Fall von wandstabilisierten Blitzröhren mit Energiebelastungen von einigen Joule scheint es, daß nur Quarzglas und Hartglasarten wie Borsilikat und/oder Aluminiumsilikat als Kolbenmaterial für solche Entladungen verwendet wurden. Offensichtlich geschah dies im Hinblick auf die thermische und akustische Stoßbelastung der die Entladung umgebenden Kolbenwand.

In den vergangenen Jahren spielte der Kostenfaktor für Hartglas- oder Quarzglasblitzröhren keine besondere Rolle im Hinblick auf die relativ teuren Energieversorgungseinheiten, die für den Betrieb der Blitzröhren erforderlich waren. Seitdem unter Verwendung von integrierten Schaltkreisen wesentlich preisgünstigere Energieversorgungseinheiten möglich sind, sind die Preise für Blitzröhren durchaus etwa gleich den Preisen für diese vordem so teuren Einheiten. Bisher wurden allgemein Erwägungen über die Verwendung von Weichglas-Kolben, um die Kosten für die wandstabilisierten Blitzröhren zu senken, wieder abgebrochen, weil sich zeigte, daß die Ausfallvorhersagen wegen des hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der erwarteten Unfähigkeit des Weichglases, die bei Blitzröhren auftretenden Energiebelastungen mit einigen Joule vertragen zu können, sehr negativ waren.

Der Erfindung lag infolgedessen die Aufgabe zugrunde, eine Niedrigpreis-Blitzröhre zu liefern, deren Herstellung wesentlich vereinfacht ist Insbesondere wurde dies für den Typ mit wandstabilisierter Entladung gefordert, der mit externen Zündmitteln ausgestattet ist

Diese Aufgabe wird für die eingangs definierten Btitzröhren erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung zeigte überraschenderweise, daß aus Weichglas hergestellte Kolben erfolgreich bei der Konstruktion von wandstabilisierten Blitzröhren eingesetzt werden können, die typischerweise mit Energiebelastungen arbeiten, wie sie bei Elektronik-Fotoblitzausrüstungen der gegenwärtig üblichen billigen Art verwendet werden. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß gemäß der Erfindung konstruierte Blitzröhren eine hohe Energiebelastung dann vertragen, wenn die Blitzdauer unter dem kritischen Wert von 250 μ& bleibt. Genauer gesagt muß für eine maximale Energiebelastung mit etwa 10 Joule pro cm² der Innenfläche des Röhrenkolbens die Blitzdauer unter 250 μβ bleiben, die zwischen den Ein-Drittel-Punkten des Spitzenwertes des abgegebenen Lichtimpulses gemessen wird. Dabei darf der Spitzenwert der Stromdichte 3540 Ampere pro cm² nicht überschreiten.

Bei der Ausführung gemäß der Erfindung werden verschiedene Vorteile erreicht: Es wurden nicht nur die Materialkosten reduziert sondern die Bearbeitungskosten erheblich gesenkt, weil Weichglas wesentlich leichter zu ziehen ist und die Einschmelzungen an den Röhrenenden aus passendem Material unter Einschluß von üblichem Manteldraht für die Zuleitungen hergestellt werden können.

Im folgenden werden bevorzugte, praktisch ausgeführte Beispiele von Blitzröhren nach der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur zeigt eine unterbrochen dargestellte Seitenansicht einer solchen Blitzröhre in starker Vergrößerung.

Wie die Zeichnung zeigt hat die Blitzröhre einen hermetisch an beiden Enden verschlossenen Kolben 2, der lichtdurchlässig ist und aus einem geraden Stück Weichglasrohr besteht, z. B. ein Kali-Natrium-Blei-Glas. An einem Ende ist die Kathode 4 mit der Zuleitung 10 und am anderen Ende die Anode 6 mit der Zuleitung 12 im Verschluß eingeschmolzen.

Der Kolben 2 hat einen Innendurchmesser von 3 mm und zwischen den Elektroden einen Bogenentladungsabstand von etwa 5,08 cm. Der Kolben 2 ist mit einem Edelgas wie Xenon mit einem Druck von 13 300Pa gefüllt. Nahe einem Ende ist eine Absaugspitze 8 vorgesehen. Ein Hocker 9 ist nahe dem anderen Ende der Blitzröhre etwa symmetrisch zur Absaugspitze 8 auf der Oberfläche des Kolbens 2 geformt.

Sowohl der Weichglaskolben 2 wie die Zuleitungen 10 und 12 haben mittlere Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 87 und 95 ■ IO-⁷ pro ⁰C zwischen 0⁰C und 300⁰C. Dadurch ist es möglich, die Zuleitungen 10 und 12 aus gewöhnlichem Manteldraht herzustellen und trotzdem eine einwandfreie Einschmelzung ohne spezielle Verschlußmittel zu erzielen. Der externe Zünd-Impuls wird mittels eines äußeren Zünddrahtes 14 übertragen, der so um das Äußere des Kolbens 2 gelegt ist, daß der Bogenentladungspfad sicher ionisiert wird. Zu diesem Zweck ist der Zünddraht 14, wie die Zeichnung zeigt, jeweils in Höhe der Elektroden einmal um den Kolben 2 gelegt und dazwischen gerade. Der Hocker 9 und die Abszugspitze 8 dienen dabei als Halterung für die beiden Windungen.

In der Vergangenheit besaßen die Blitzröhren dieser Art einen Kolben 2 aus Quarz, Zündglas oder Borsilikatglas, die zwischen 710⁰C und 1580⁰C weich werden und Wärmeausdehnungskoeffizienten allgemein unter 50 · 10~⁷ pro °C zwischen 0°C und 300°C haben. Im Gegensatz dazu hat Weichglas seinen Erweichungspunkt zwischen 620⁰C und 700⁰C und einen sehr viel größeren Ausdehnungskoeffizienten, wie weiter vorne erwähnt wurde. Es wurde deshalb angenommen, daß Weichglas die Energien bei dem Betrieb von Blitzröhren nicht aushalten könnte. Es wurde aber entdeckt daß Weichglaskolben die Energiebelastungen bei Blitzröhrenbetrieb durchaus aushalten könsen, wenn die Blitzdauer selektiv gesteuert wird. Das bedeutet für einen gegebenen spezifischen Widerstand der Blitzröhre, wie er durch die Bogenentladungslänge, Innendurchmesser, Fülldruck und Zusammensetzung der Füllung bestimmt wird, daß eine ausgewählte Entladungskapazität bis zu einem vorbestimmten Maximum resultiert in einer Blitzdauer, die kürzer ist als ein vorbestimmtes Maximum. Als Folge davon wurden überraschende Ergebnisse beobachtet nämlich, daß für die gleiche Energiebelastung ('/2 CV²) bei etwa 400 V an der Blitzröhre der Kolben keine Schäden nach einer Bogenentladung zeigt, aber bei 300 V sind anschließend Haarrisse in dem Kolben. Im zweiten Fall wurde der Faktor Cvergrößert um die gleiche Energiebelastung zu erzielen, das verlängert jedoch die Blitzdauer. Es wurde dabei festgestellt daß während der Blitzdauer die Bogenentladung zwischen den Elektroden zunächst nur wie ein Faden verläuft Mit der Zeit breitet er sich dann J5 zu den Wänden hin aus. Wenn die Bogenentladung ausreichend lang ist, um die Wände des Kolbens zu erreichen, dann tritt ein extremer Wärmeschock auf, der den Glaskolben zerstört, sofern er aus Weichglas ist. Es ist jedoch möglich, die Blitzdauer zu steuern und so zu verhindern, daß das sich ausdehnende Entladungsplasma die Wandung des Kolbens erreicht. Ganz spezifisch kann festgehalten werden, daß für eine maximale Energiebelastung von 10 Joule pro cm² auf der Innenwand des Kolbens die Blitzdauer nicht 250 μβ überschreiten darf. Dieser Wert gilt für eine Messung zwischen den Ein-Drittel-Punkten einer Lichtimpulsspitze. Außerdem wurde festgestellt, daß die Spitzenstromdichte nicht größer als 3540 Ampere pro cm² sein sollte. Höhere Stromdichten verursachen ebenfalls Haarrisse in den Kolben.

In einem anderen praktisch ausgeführten Beispiel war der Ausdehnungskoeffizient des Weichglases etwa 89 ± 1,5 · IO-⁷ pro °C zwischen 0⁰C und 300°C und der Erweichungspunkt lag bei etwa 630⁰C ± 5° C. Bei einem Innendurchmesser von 3 mm war der Außendurchmesser 4,5 mm. Der Abstand zwischen den Elektroden betrug etwa 3,8 cm. Die Lampe war mit Xenon bei 13 300Pa Druck gefüllt. Die Zuführungen waren aus Manteldraht mit etwa 0,64 mm Durchmesser, der einen radial wirkenden Ausdehnungskoeffizienten von etwa 90 ■ IO-⁷ pro °C zwischen 25⁰C und 400°C besitzt. Die Zuleitungen 10 und 12 sind mit einem entsprechenden Glasverschlußteil in beiden Enden des Kolbens 2 eingeschmolzen. Bei diesem Ausführungsbei^b5 spie! waren die Zuleitungen 10 und 12 nicht mit Bor vorbehandelt worden. Die kalte Kathode 4 ist eine gesinterte Scheibe aus 90% Tantal und 10% Barium-Aluminat mit einer Porosität von etwa 10 — 20%. Der

Anteil an BaaAfeOö kann zwischen 5 und 20% variiert werden. Die Scheibe hat einen Durchmesser von etwa 1,5 mm bei einer Dicke von etwa 0,75 mm und ist am inneren Ende der Manteldrahtzuleitung 10 angeschweißt, welche etwa unter 45° im letzten Stück abgebogen ist, um die Kathode in dem röhrenförmigen Kolben 2 zu zentrieren. Die Anode 6 besteht aus einem etwa 2,4 mm langen Streifen aus Tantal, der einen Querschnitt von 2,35 · 0,013 cm hat und am inneren Ende der Manteldrahtzuleitung 12 angeschweißt ist. Die ι ο Getterung wird vom Tantal-Gehalt der Elektroden bewirkt, während das Barium- Aluminat auf die Funktion begrenzend wirkt.

Bei Betrieb der Blitzröhre mit einer Anodengleichspannung von 400 V und einer Zündung mit 4 kV Spitzenwert der Zündimpulse (Kiasse i) über den Zünddraht 14 wurde eine maximale Energiebelastung mit 36 Joule bei einer maximalen Blitzdauer von 250 μδ festgestellt. Die Blitzfolgezeit war 10 s und der maximale Spitzenstrom 250 Ampere. Die maximale Lebensdauer einer derartigen Blitzröhre mit einer Energiebelastung mit 24 Joule beträgt etwa 100 000 Blitze.

Es können auch andere Füllgase verwendet werden, wie etwa Neon, Argon oder Krypton. Es ist ferner denkbar die Blitzröhre statt gerade gestreckt in Wendelform herzustellen.

Es sind weiterhin andere Weichglasarten anwendbar, wie z. B. ein Kali-Natrium-Blei-Glas, das einen Erweichungspunkt bei etwa 625° C ± 5° C hat und einen mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 93 ± 1,5 · ΙΟ-⁷ pro ⁰C zwischen 0⁰C und 300⁰C, oder ein Natrium-Kalk-Glas mit einem Erweichungspunkt bei etwa 695° C ± 5° C und einem mittleren Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 92 ± 1,5 · 10-'pro°C zwischen 0°C und 300° C. Wegen der allgemein bekannten Nichieignung von Kalkglas zu Einschmeizungszwecken mit Manteldraht-Zuleitungen müßten bei Verwendung letzteren Glases dann Blei-Glasknöpfe (oder -scheibchen) zur Einschmelzung an den Enden benutzt werden, um abdichtende Einschmelzungen mit Manteldrahtzuleitungen zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Wandstabilisierte Blitzröhre, die röhrenförmig ausgebildet ist und an ihren Enden eingeschmolzene Elektrodenzuleitungen besitzt, an denen innerhalb des Glaskolbens Kathode und Anode befestigt sind, wobei außen um den Kolben eine aus wenigen Drahtwindungen bestehende Zündelektrode angeordnet ist, und wobei die Lampe als Füllung Edelgas enthält, dadurch gekennzeichnet, daß