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Elektrische Entladungslampe mit Glühelektroden und Gas-und/oder Dampffüllung
von vorzugsweise sehr hohem Druck Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungslampen
mit Glühelektroden und einer Füllung aus Gas und/oder Dampf, die vorzugsweise einen
sehr hohen Druck haben kann. Die Erzeugung extrem hoher Leuchtdichten oder Strahlungsdichten
in solchen Lampen, etwa in Quecksilber- oder Edelgashochdrucklampen, ist mit außerordentlichen
Schwierigkeiten verknüpft. In praktisch realisierbaren Fällen bleiben diese Werte
merklich hinter denjenigen höchstbelasteter Beckbögen zurück. Das gilt insbesondere
für Edelgasbögen, wo wegen der relativ geringen Feldstärken in der Entladungssäule
nur sehr schwer extrem hohe Leistungskonzentrationen zu erzielen sind.
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Bei den üblichen auf hohe Leuchtdichte gezüchteten Entladungslampen
ist die Leuchtdichte außer durch den Leistungsumsatz pro Volumeinheit wesentlich
durch die Dicke des Entladungsbogens senkrecht zur Achse bestimmt, da die Strahlung
in einem Kegel senkrecht zur Achse verwandt wird. Die Bogenbreite beträgt im allgemeinen
nur wenige Millimeter und istbei hohen'Drucken nicht beliebighinaufzutreiben. Die
für die Leuchtdichte maßgebliche Schichtdicke bleibt somit im allgemeinen gering.
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Es ist aber nicht nötig, sich auf Anordnungen zu beschränken, die
wesentlich nur die Strahlungsanteile senkrecht zur Bogenachse ausnutzen. Gegenstand
dieser Erfindung sind besondere Bogenanordnungen, die gestatten, große Plasmaschichten
für die Strahlung auszunutzen. Durch eine Reihe von Untersuchungen ist festgestellt
worden, daß die elektrischen Gasentladungen in verschiedenen Grundtypen zu erhalten
sind. Insbesondere erhellt aus diesen Untersuchungen, daß man bei relativ großen
Elektrodenabständen selbst bei sehr hohen Leistungen den sog. konvektionsbestimmten
Entladungstyp erhalten kann. Bei diesem Typ brennt der Bogen nicht auf der kürzesten
Verbindungsstrecke
zwischen den beiden Elektroden, sondern von beiden
Elektroden geht je eine senkrecht nach oben zeigende Leuchtfackel aus.
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In der Lampe nach vorliegender Erfindung werden solche Bögen erzielt
und u. a. zur Erzeugung hoher Leuchtdichten herangezogen. Im einfachsten Fall wird
die Anordnung so getroffen, daß die eine Elektrode, zweckmäßig die Anode, senkrecht
nach oben zeigt und die andere Elektrode, also vorzugsweise die Kathode, in einigem
Abstand darüber, aber etwas seitlich versetzt, angebracht wird. Die Anordnung der
Elektroden ist also derart getroffen, daß der von der unteren Glühelektrode senkrecht
bzw. annähernd senkrecht nach oben verlaufende, <lern starken Konvektionsstrom
der Lampenfüllung ausgesetzte Lichtbogen durch die obere Glühelektrode nach oben
hin nicht allgedeckt ist. Es hat sich gezeigt, daß bei solchen Lampen nicht nur,
wie üblich, die senkrecht zur Lichtbogenachse gerichtete Strahlung ausgenutzt werden
kann, sondern daß sich eine Strahlung besonders hoher Leuchtdichte in Richtung der
Lichtbogen- und Konvektionsachse nach oben ergibt. Man kann gegebenenfalls unter
optischer Zusammenfassung der sich nach oben hin kegelig verbreiternden Strahlung
des Lichtbogens und der Strahlung der unteren Glühelektrode die gesamte Strahlung
besonders hoher Leuchtdichte ausnutzen.
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Die Zündung kann, wie bei den Höchstdrucklanipen zur Zeit üblich,
durch einen Hochspannungsstoß Tiber eine seitliche Zündelektrode eingeleitet werden.
Dabei kann die Sonde so angeordnet und ausgebildet werden, daß durch diese eine
Führung des nach oben gehenden Konvektionsstronies des heißen Bogenplasmas erzielt
wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. i als Beispiel wiedergegeben. Die Anode
A, entweder z. B. eine Wendelelektrode oder besser eine Wolframvollelektrode, befindet
sich unten; die Kathode K hei diesem Beispiel in einem Abstand vbn io mm darüber,
etwas aus der Achse verschoben. Die Zündelektrode 7. befindet sich in der .Mitte
beider Elektroden, im vorliegenden Fall etwas aus der Achse verschoben entgegengesetzt
der Kathode. Im brennenden Zustand geht von den Elektroden je eine leuchtende Fackel
aus, die sich zu einem helleuchtenden Plasma vereinigen. Die leuchtende Schichtdicke,
die. bei Beobachtung von oben ausgenutzt werden kann, ist nicht unbeträchtlich größer
als der Elektrodenabstand, in unserem Beispiel also weit über io mm gegenüber 2
bis 3 mm hei den üblichen Anordnungen. Liegt z. B. eine Edelgasfüllung, etwa Krypton
und/oder Xenon von etwa 4o Atm. vor, die in den normalen bisher verwendeten Edelgashöchstdrucklampen
von 3 bis 4 mm Elektrodenabstand üblich ist, so ist der Spannungsabfall an Stelle
des unangenehm niedrigen Wertes von 25 bis 30 V beträchtlich über 40 V. Bei
seitlicher Beobachtung sind größere Elektrodenabstände nicht sehr sinnvoll, während
bei der oben beschriebenen :\nordnung unter Umständen beträchtliche Elektrodenabstände
zur Erhöhung der Leuchtdichte gewählt werden können. .
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Wird bei dieser Anordnung gleichzeitig- eine an anderer Stelle beschriebene
selbstreinigende Gasfüllung verwendet, so kann durch r\ufl)lasen eines Domes im
Entladungskolben oberhalb des aufsteigenden holivektionssti-onies des I'lasinas,
die Temperatur der Wandung gerade so einreguliert werden, daß ein Maximum der selbstreinigenden
Wirkung an der für die optische Durchsicht maßgebenden Stelle eintritt. .Mich ohne
Verwendung selbstreinigender Zusätze ist das .\ufl)lasen eines Domes zweckmäßig,
damit die ollere Wandung nicht zu hohe Temperaturen annimmt.
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Zur richtigen Leitung des Hasinakonvektionsstromes können außerdem
noch geeignete Führungs-und Kühlflächen tim die Bogenachse angebracht werden.
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Bei der beschriebenen I;i-fndung kann zudem noch das Mitleuchten der
:\liodenfläclien zur Erhöhung der Leuchtdichte leerangezogen werden. Bei Verwendung
von Wolfranielektroden ist hierdurch eine weitere Steigerung der 1_eticlit(liclite
uin einige tausend Still) zu erreichen. \\'ird eine Kohleelektrode benutzt, so können
zusätzliche Steigerungen der Leuchtdichte ill (lei- (@l-(if.9e voll etwa
20000 Still) erzielt werden. Hierbei wird es allerdings 7wecl<-mäßig sein,
zwecks Vermeidung der 7erstörtnig der Elektrode und Schwä rzung des Kolbens eine
Füllung mit selbstreinigenden Zusätzen, z. B. außer reinen Edelgasen oder Ottecksilherbodenkörper
reinen stickstofffreien Sauerstoff in all sich bekannter Weise zu verwenden.
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Nlan ist naturgeniäl.l nicht auf Gleichstrom beschränkt,, wenn nur
die prinzipiellen r\nordnungen der Elektroden und .\i-t der 13eobachtulig erhalten
bleiben.
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Das Lampengefäß kann aus einem schwer schmelzbaren Hartglas oder atis
Quarzglas bestehen. Die Stromzuführungen I' werden dabei zweckmäßig mittels besonderer
Folien atis \\'olfrani oder Molybdän eingeschmolzen. Die als Glühelektrode ausgebildete
Anode A und Kathode K können als massive Blöcke oder aticli aus 1)ralitwiclceln
bestehen. Besonders leicht Elektronen emittierende Stoffe, wie z. B. ,i-dall<alinietalloxvde.
können all oder in den Elektroden vorgesehen sein.
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Ein etwas abweichendes,:\usführungsbeispiel der Lampe nach der Erfindung
zeigt 1# ig. 2. Hier ist die Ziindhilfselektrode Z unterhalb der oberen Hauptelektrode
K angebracht, so daß sie nur einen geringen Abstand von beiden Hauptelektroden A
und K hat. Gegenleber der Ausführung nach heg. i ergibt sich bei diesem Ausführuligsheispiel
eitle vollkommen freie Lichtausstrahlung sowohl nach ollen wie auch nach der Seite.
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Soweit dies aus Gründen der optischen Abbildbarkeit noch zulässig
ist, können sehr große, leuchtende Schichtdicken verwandt werden. Dabei treten bei
permanenten Gasfüllungeil hohen Druckes, insbesondere wenn diese noch merklich elektronegative
Bestandteile enthalten, mit den normalen Zündmitteln an gewöhnlicher Netzspannung
oft erhebliche Zündschwierigkeiten auf. In solchen Fällen ist die an sich bekannte
lkrührtingsziindulig mit Bimetallstreifen erfolgreich zti verwenden, wobei aller
zweckmäßig
nicht die beiden Hauptelektroden zur Berührung gebracht werden, sondern eine Hilfselektrode
zu verwenden ist. Ein Beispiel für eine solche .\nordnung ist in Fig. 3 wiedergegeben.
Im kalten Zustand berührt die Zündelektrode Z die untere Hauptelektrode _-1. Nachdem
durch einen Nebenschlußkreis .-1-Z sich der Birnetallstreifen erwärmt und dadurch
allgeholten hat, brennt zunächst ein Hilfsbogen zwischen _=1 und Z. Bei geeigneter
:\nordnung springt dann der Bogen hei weiterem :\tiflieben der Zündelektrode von
selbst auf die obere l?lektrode K über. l)ie Zündelektrode braucht also nicht unbedingt
mit K in Berührung zu kommen. 7?twa bei häufigem I:in- und "\tissclialten eintretender
zusätzlicher Schwärzung durch den Zündinechanismus kann \v ieder durch selbstreinigende
Gasfüllung begegnet werden.
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Zur l', iihrting des Gaskonvektionsstromes kann es manchmal zweckmäßig
sein, einen besonderen FührungszvIiiider h (Fig. 4) zwischen den Flektroden.,1 und
K vorzusehen. Dieser Zylinder besteht naturgemäß aus Quarzglas oder einem annähernd
hochschmelzenden Baustoff. Es ist zweckmäßig, in diesem Fall die Spitze der Zündhilfselektrod
e Z in den hührungszylinder h hineinragen zu lassen, wie die Zeichnung zeigt.
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Mit den in den .\usführungsbeispielen wiedergegebenen .Anordnungen
kiinnen, falls erwünscht, 13iigen von mehreren 7entimetei-ii Länge gezündet werden.
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Zur Erhöhung der Stabilisierung des Plasmaschlauches kann außerdem
noch eine Rotation des Entladungsgefäßes um die :\chse der Entladung angewandt werden.
Hin Beispiel einer solchen Anordnung zeigt Fig. 5. Die obere Elektrode K, falls
Gleichstrom verwandt wird, vorzugsweise die Kathode, wird dabei zweckmäßig als Ringelektrode
ausgebildet, gehalten durch zwei Zuführungen, deren Durchführungen I)., mittels
einer zweiten Schicht von blo-Bändern auf demselben Fuß, von der ersten 1)i isoliert
durch eine Quarzschicht, bewerkstelligt werden. l'ine Zündsonde Z zur Einleitung
der Entladung wird zweckmäßig gleichfalls als Ringelektrode ausgeführt, deren Zuführungen
senkrecht zur I?1>ene der Zuführungen der Hauptelektrode angebracht werden. Bei
sehr rascher Rotation bei zweckmäßig mehr länglich ausgebildetem Eiltladungsrohr
ist die Brennlage der Lampe beliebig; cla dann die Rotationsstabilisierung wirksamer
wird als der Konvektionsstrom. Die .'\usführung der 1>eschriebenen Ringelektrode
kann aber auch mit Vorteil bei ruhenden Entladungslampen nach der Erfindung benutzt
werden.