DE3920511C2 - Elektronenstromlampe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektronenstromlampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Elektronenstromlampe, deren Gattung beispielsweise aus der EP 00 54 959 A1 bekannt ist, sind eine Thermoelektronenemissions-Kathode und eine Elektrodendurchgangs-Anode in geringem Abstand voneinander in einem Lampenkolben angeordnet, dessen Innenfläche mit einem Leuchtstoff beschichtet ist. Die aus der Kathode emittierten Elektronen werden durch die Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Anode beschleunigt, treten durch die Anode hindurch und regen im feldfreien Raum hinter der Anode die Atome eines Füllgases, beispielsweise Quecksilberdampf zur Emission und UV-Strahlung an. Die UV- Strahlung wird durch die Leuchtstoffschicht in sichtbares Licht umgesetzt. In dem Lampenkolben kann ferner ein Edelgas enthalten sein, welches selbst nicht zur Lichtemission beiträgt, sondern die freie Weglänge der Elektronen vergrößert und die Diffusion der Quecksilberatome fördert. Elektronenstromlampen mit beheizter Kathode können mit relativ niedrigen Gleichspannungen zwischen Anode und Kathode im Bereich von etwa 20 V betrieben werden. Sie erreichen einen hohen Wirkungsgrad und können Glühlampen ersetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektronenstromlampe zur Verfügung zu stellen, die bei gutem Wirkungsgrad und geringen Anforderungen an die Stromversorgung farbiges Licht mit veränderlicher Farbe liefert.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Elektronenstromlampe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Kathode und Anode eine Spannung angelegt ist, die in solcher Weise veränderbar ist, daß das Lichtemissionsverhältnis der zwei Füllgase zur Aussendung von Licht mit veränderlichen Farben verändert wird.

Zur Erzeugung von farbigem Licht mit veränderbarer Farbe wurden bisher Gasentladungslampen verwendet, bei denen durch eine Änderung der Feldstärke innerhalb der positiven Entladungssäule zwei im Lampenkolben eingeschlossene Gase mit unterschiedlicher Intensität zum Leuchten gebracht werden können, um die Farbzusammensetzung zu verändern. Bei einer solchen Gasentladungslampe, die aus der US-PS 23 17 061 bekannt ist, wird zur Verbesserung der spektralen Eigenschaften auch eine Edelgasfüllung zur Lichterzeugung mit herangezogen. Dies gelingt allerdings nur für einen gepulsten Betrieb als Blitzlampe. Eine Gasentladungslampe, die Quecksilberdampf und Neongas als Füllgase enthält und Licht von veränderlicher Spektralzusammensetzung erzeugen kann, ist aus der JP-OS 53-42 386 bekannt. Auch hier wird die Farbzusammensetzung durch die elektrische Feldstärke in der positiven Entladungssäule bestimmt. Durch überwiegende Anregung des Quecksilberdampfes wird blaues Licht erzeugt, während bei erhöhter Feldstärke durch Anlegen einer hohen Impulsspannung bevorzugt Neonatome angeregt werden, um rotes Licht zu emittieren. Auch eine zyklische Veränderung der Farbzusammensetzung durch Anlegen einer zyklisch veränderten Impulsspannung wird in Betracht gezogen. Eine solche Gasentladungslampe muß jedoch mit einer sehr hohen Versorgungsspannung von mehreren hundert bis mehreren tausend Volt betrieben werden. An die Stromversorgung werden daher hohe Ansprüche gestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Elektronenstromlampe liegen Kathode und Anode einander in einem Abstand von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern gegenüber. Die spektrale Lichtzusammensetzung wird durch Variation der zwischen Kathode und Anode angelegten, relativ niedrigen Spannung von beispielsweise 20 bis 25 Volt geändert.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Elektronenstromlampe mit veränderbaren Farben, wobei der Lampenkolben teilweise entfernt dargestellt ist;

Fig. 2 ein schematisches Schaltungsdiagramm mit der in Fig. 1 gezeigten Lampe;

Fig. 3 eine Skizze zur Erläuterung der Arbeitsweise der Lampe aus Fig. 1;

Fig. 4 ein Diagramm, das eine an die Lampe angelegte Spannung zeigt;

Fig. 5 eine Skizze entsprechend Fig. 3;

Fig. 6 ein Diagramm, das eine an die Lampe angelegte Spannung bei dem in Fig. 5 gezeigten Zustand zeigt;

Fig. 7 und 8 Spektraldiagramme für die Lichtemission bei Anlegung von verschiedenen Spannungen an die Lampe nach Fig. 1;

Fig. 9 ein schematisches Schaltdiagramm nach einer weiteren Ausführungsform;

Fig. 10 ein Farbartdiagramm zur Erklärung einer Betriebsart der Anordnung aus Fig. 9; und

Fig. 11 ein schematisches Schaltdiagramm nach einer weiteren Ausführungsform.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Elektronenstromlampe 10 mit veränderbaren Farben gezeigt. Sie umfaßt einen lichtdurchlässigen Lampenkolben 11. Die Innenwandfläche des Lampenkolbens 11 ist mit einem fluoreszierenden Stoff 12, wie er in Leuchtstofflampen verwendet wird, beschichtet oder weist keine solche Beschichtung auf, und zwei Gase mit unterschiedlichen Ionisationspotentialen V₁ und V₂ sind in dem Lampenkolben eingeschlossen. Es kann eine Kombination aus Quecksilberdampf und Neongas oder dergleichen verwendet werden, bei bevorzugt 1,333 bis 0,013 Pa für den Quecksilberdampf und 13,33 bis 1330 Pa für das Neongas.

Auf einem Basisteil 13 des Lampenkolbens 11 sind eine Thermoelektronenemissions- Kathode 14 und eine Elektronendurchgangs-Anode 15 in einem Abstand von einigen mm bis cm einander gegenüberliegend vorgesehen. Für die Kathode 14 läßt sich z. B. ein Wolframfaden mit einem Barium-Emitter, der darauf aufgebracht ist, verwenden. Zwischen die Kathode 14 und die Anode 15 ist eine Spannungsversorgung 16 geschaltet, während die Kathode 14 mit einer Kathoden- Heizspannung 17 verbunden ist, so daß eine Spannung zwischen Kathode 14 und Anode 15 angelegt wird und sich die Thermoelektronen von der Kathode 14 zur Anode 15 bewegen, wobei sie beschleunigt werden.

Wie in Fig. 3 veranschaulicht, bewirken die Elektronen ef, die von der Kathode 14 zur Anode 15 entlang den durch Pfeile angedeuteten Wegen gelangen, Ionisationspotential und bevorzugt eine Ionisation des Füllgases, dessen Druck höher ist, wenn eine hohe Spannung zwischen Kathode 14 und Anode 15 angelegt ist, und schließlich wird eine Erregungs-Lichtemission herbeigeführt. Ist im Gegensatz dazu die Energie für die Elektronen ef niedrig, dann bewirken die Elektronen ef überwiegend die Ionisation des anderen Gases, dessen Druck und Ionisationspotential niedriger ist. Wie in Fig. 4 gezeigt, kann das Potential der Anode 15 zwischen einem höheren Spannungswert V_H und einem niedrigeren Spannungswert V_L, z. B. 25 V und 20 V liegen. Wenn zwei verschiedene Gase wie Quecksilberdampf und Neongas verwendet werden, kann eine rosafarbene Lichtemission von dem Neongas erreicht werden, wenn V_H=25 V ist, wie aus dem Spektraldiagramm von Fig. 7 ersichtlich, oder hauptsächlich eine blaufarbige Lichtemission von dem Quecksilberdampf, wenn V_L=20 V ist (eine Ne-Lichtemission kann nicht erlangt werden), was aus dem Spektraldiagramm von Fig. 8 deutlich wird.

Nun soll die Elektronenstromlampe anhand eines anderen Aspekts unter Bezug auf Fig. 5 erläutert werden. Die Elektronen ef, die von der Kathode 14 entlang den Pfeilen in Fig. 5 emittiert werden, veranlassen die Erzeugung von Elektronen ef mit niedrigerer Energie, wenn die in dem Lampenkolben 11 eingeschlossenen Gase ionisiert werden. Wenn die Energie der Elektronen ef niedriger als e·V₂ ist, aber höher als e·V₁, wird überwiegend das Gas mit relativ niedrigerem Ionisationspotential V₁ (bei Anlegen einer solchen Spannung V_L wie in Fig. 6) ionisiert. Wenn die Energie der Elektronen ef höher als e·V₂ ist, wird andererseits überwiegend das andere Gas mit dem relativ höheren Ionisationspotential V₂ (bei Anlegen einer solchen Spannung V_H wie in Fig. 6) ionisiert. Wenn die Zeit T_H des Anlegens der hohen Spannung V_H zu kurz ist, während eine Zeit T_L des Anlegens der relativ niedrigeren Spannung V_L länger ist, wird das Gas mit dem Ionisierungspotential V₂ weniger stark innerhalb der Lebenszeit der Elektronen ef erregt, so daß die Lichtemission verringert wird, wodurch das Zustandekommen der Lichtemission hauptsächlich des Gases des Ionisationspotentials V₁ veranlaßt wird. Wenn die Zeit T_H des Anlegens der relativ höheren Spannung V_H kurz ist, aber die Zeit T_L des Anlegens der relativ niedrigeren Spannung V_L auch kurz ist, wird die Emission von weiteren Elektronen ef veranlaßt, bevor die bereits ausgesendeten Elektronen verschwinden, so daß das Gas mit dem Ionisationspotential V₂ ionisiert und Licht emittiert wird. Entsprechend können die zwei verschiedenen Lichtemissions-Spektren optimal dadurch eingestellt werden, daß sowohl die Spannungen V_H und V_L als auch die Zeiten T_H und T_L verändert werden.

Wenn bei der oben beschriebenen Anordnung die Ionisationispotentiale V₁ und V₂ der eingeschlossenen Gase und die Spannungen V_H und V_L sich zueinander verhalten wie V₁<V_L<V₂; V_H<V₂, dann kann durch das Lichtemissionsverhältnis der zwei Gase Licht von veränderbarer Farbe erzeugt werden. Die Einstellung des oben genannten Verhältnisses kann mittels einer einfachen Schaltungsanordnung erreicht werden. Eine Beleuchtung, deren Farbe wirksam verändert werden kann, ist durch Anlegen von wesentlich niedrigeren Spannungen zwischen Anode und Kathode als in irgendeiner bekannten Vorrichtung realisierbar, bei zugleich gesteigerter Lichtemissions-Ausgangsleistung.

Bei einer experimentellen Ausführungsform wurde ein Lampenkolben 11 von 70 mm Größe mit Quecksilberdampf von 1,333 bis 0,013 Pa und Neongas von etwa 66,5 Pa gefüllt und mit V_H von 24 V und V_L von 21 V betrieben. Als Ergebnis konnte die überwiegend rosafarbene Lichtemission des Neongases nach Fig. 7 mit TH<0,05 msec oder T_L1,25 msec erreicht werden, und die überwiegend blaufarbene Lichtemission von dem Quecksilberdampf nach Fig. 8 mit T_H<0,05 msec und T_L<1,25 msec.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Elektronenstromlampe mit veränderlichen Farben. Eine Konstantspannungsquelle 116 ist mit einer innerhalb eines Lampenkolbens 111 vorgesehene Kathode 114 und einer Anode 115 verbunden. Eine variable Kathodenspannungsquelle 117 ist mit der Kathode 114 verbunden. Wenn zwischen Kathode 114 und Anode 115 aus der Stromquelle 116 ein konstanter Strom zugeführt wird, während kein Strom aus der Kathodenspannungsquelle 117 zu der Kathode 114 gelangt, so daß die Kathode 114 nicht aufgeheizt wird, werden die Elektronen ef mit einer Energie, die einer relativ hohen Kathodenfall-Spannung entspricht, von der Kathode 114 zu der Anode 115 emittiert. Ihre Energie erreicht einige -zig V, wodurch überwiegend das Neongas in dem Lampenkolben 111 ionisiert wird, um eine Lichtemission mit dem Neongas als Hauptgas zu erzielen.

Wenn hingegen zugleich mit der Stromversorgung aus der Stromquelle 116 zwischen Kathode 114 und Anode 115 eine Stromversorgung aus der Kathodenspannungsquelle 117 zu der Kathode 114 erfolgt, dann läßt eine erhöhte Temperatur an der Kathode 114 die Kathodenfall-Spannung kleiner werden, so daß die Emissionsenergie ebenfalls gesenkt wird. Entsprechend wird das Neongas mit einem relativ höheren Druck kaum ionisiert und überwiegend Quecksilberdampf ionisiert, so daß die Lichtemission hauptsächlich von diesem Gas ausgeht. Durch Steuerung des Kathodenstroms für die Kathode 114 wird das Lichtemissions- Verhältnis zwischen Quecksilberdampf und Neongas verändert, so daß die ausgesendete Lichtfarbe passend geändert wird.

Konkret wurde ein Lampenkolben 111 mit einer Außenabmessung von 50 mm gebaut, wobei die Innenwand mit einem fluoreszierenden Stoff beschichtet war, beispielsweise wie bei einer Leuchtstofflampe; als Füllgase wurden Quecksilberdampf von 1,333 bis 0,013 Pa und Neongas von 665 Pa verwendet; ein Strom von 600 mA wurde aus der Konstantspannungsquelle 116 der Kathode 114 zugeführt, und die Speisespannung aus der Kathodenstromquelle 117 wurde in einem Bereich von 0 bis 7 V verändert. Als Ergebnis konnte in dem Farbartdiagramm von Fig. 10 die Farbe des ausgesendeten Lichts in einem Bereich vom Punkt A (x=0,534; y=0,398) bis zum Punkt B (x=0,439; y=0,435) verändert werden.

In dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 9 sind die sonstige Anordnung und Arbeitsweise dieselben wie in dem vorausgehenden Ausführungsbeispiel.

Fig. 11 zeigt eine Elektronenstromlampe mit veränderbaren Farben zum Betrieb an Wechselstrom. Zwei Thermoelektronenemissions-Elektroden 214 und 214a sind einander gegenüberliegend in einem Lampenkolben 211 angeordnet; eine Wechselspannung aus einer Wechselstromquelle 216 wird über ein Impedanzelement 218 an die Elektroden 214 und 214a angelegt. Steuerbare Stromquellen 217 und 217a sind den beiden Elektroden 214 und 214a zugeordnet. Es kann im wesentlichen dieselbe Arbeitsweise wie bei der Lampe nach Fig. 9 realisiert werden, indem die Beheizung der Elektroden 214 und 214a über die Stromquellen 217 und 217a eingestellt wird.

Claims (6)

1. Elektronenstromlampe mit einem lichtdurchlässigen Lampenkolben, der zwei Gase, die sich jeweils in ihrem Ionisationspotential unterscheiden, zusammen mit einer Thermoelektronenemissions-Kathode und einer Elektronendurchgangs- Anode, die sich in einem Abstand von einigen mm bis einigen cm gegenüberliegen, enthält, und mit einer Einrichtung zur Spannungsversorgung,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung, die an die Kathode (14) und Anode (15) angelegt ist, so veränderbar ist, daß das Lichtemissionsverhältnis der zwei Gase zur Aussendung von Licht mit veränderbaren Farben verändert wird.

2. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Gase Quecksilberdampf und Neon sind.

3. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Kathode (14) und Anode (15) angelegte Spannung zwischen einer relativ höheren Spannung V_H und einer relativ niedrigeren Spannung V_L veränderbar ist, wobei die angelegten Spannungen V_H und V_L in einem solchen Verhältnis zu den Ionisationspotentialen V₁ und V₂ der Gase stehen, daß V₁<V_L<V₂ und V_H<V₂ gilt.

4. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kathode (14) und Anode (15) immer eine relativ niedrige Spannung V_L und eine relativ höhere, pulsierende Spannung V_H angelegt sind,
wobei die angelegten Spannungen V_H und V_L in einem solchen Verhältnis zu den Ionisationspotentialen V₁ und V₂ der Gase stehen, daß V₁<V_L<V₂ und V_H<V₂ gilt.

5. Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle (116) die Kathode (114) und Anode (115) immer mit einem konstanten Strom versorgt, während die Aufheizleistung der Kathode (114) veränderbar ist.

6. Lampe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle eine Wechselstromquelle (216) ist.