DE1286637B - Elektrische Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe - Google Patents

Description

1 ^: 2"

Die Erfindung betrifft eine elektrische Hochdruck- 1 und 10 mm liegt, so bemessen ist, daß sich eine Metalldampf-Entladungslampe mit einem rohrförmi- wandstabilisierte Entladung einstellt und praktisch die gen Kolben, der aus einem hochwarmfesten, licht- ganze Kolbeninnenwand unmittelbar durch die Entdurchlässigen Werkstoff besteht und ein verdampf- ladung so weit aufgeheizt wird, daß der Jodzyklus bares Metalljodid sowie gegebenenfalls ein Zündgas 5 wirksam werden kann.

enthält, und mit zwei stabförmigen Wolframelektroden, Mit Lampen gemäß der Erfindung können eine

die von den einander entgegengesetzten Enden des kontinuierliche Strahlung hoher Intensität erzeugt und Kolbens in dessen Innenraum hineinreichen. die für eine hohe Leuchtdichte erforderlichen hohen

Für Signalanlagen, Projektionszwecke u.dgl. hat Leistungsdichten erreicht werden, ohne daß extrem man bisher häufig Hochdruck-Gasentladungslampen io hohe Drücke oder Stromdichten erforderlich sind, verwendet, die mit Xenon gefüllt sind, dessen Spektrum Mit einer Lampe, die vorzugsweise Gallium- und im sichtbaren Spektralbereich ein starkes Kontinuum Indiumjodid im. Dampfstadium bei Drücken in der aufweist. Es ist jedoch mit diesen Lampen nicht Größenordnung von einer Atmosphäre und darüber möglich, Wirkungsgrade zu erreichen, die 501m/W enthältunddiemitLeistungsdichtenvonetwaTSWcm-³ (Lumen/Watt) übersteigen. Hohe Helligkeiten erfor- 15 und darüber arbeitet, kann eine vorherrschend dem außerdem extrem hohe Stromdichten. Höhere kontinuierliche Strahlung erzeugt werden, und zwar Wirkungsgrade bis etwa 70 lm/W können bekanntlich ist mit Drücken unterhalb von 20 Atmosphären mit Quecksilberhochdrucklampen erreicht werden, sichtbare Strahlung erzielbar, die der Strahlung eines diese Lampen besitzen jedoch das typische Queck- schwarzen Körpers hoher Temperatur ähnelt. Mit Silberspektrum, in dem Rot trotz des bei diesen 20 diesen Dämpfen sind zudem Leistungsdichten von Drücken auftretenden Kontinuums nur schwach über 8 kWcm~³ in einem Quarzkolben und damit vertreten ist. Hohe Helligkeit und ein nennenswertes hohe Leuchtdichten möglich. Gleichzeitig ist die Kontinuum können nur bei Drücken in der Größen- Lichtausbeute wegen der selektiven Strahlungscharakordnung von 100 Atmosphären und mehr mit Queck- teristik dieser Dämpfe hoch.

Silberkapillarlampen erzielt werden. Wegen der ehe- 25 Während bei bekannten Lampen mit Quarzkolben mischen Aggressivität und der Tatsache, daß andere die Wandbelastung, d. h. das Verhältnis der Lampen-Metalle viel höhere Temperaturen benötigen, um eingangsleistung (in Watt) zur Oberfläche des Entgenügend hohe Dampfdrücke zu erzeugen, war es ■ ladungskolbens zwischen den Elektrodenspitzen ohne bisher nicht möglich, mit anderen Metalldämpfen als - Flüssigkeitskühlung normalerweise unterhalb von Quecksilber weißes Licht mit hohem Wirkungsgrad 30 15 Wear² liegt, weist eine Lampe gemäß der Erfindung zu erzeugen. einen hitzebeständigen Kolben kleinen Volumens mit

Aus der VDI-Zeitschrift, Bd. 102, Nr. 21, S. 1016 einem oder mehreren Metalljodiden als Hauptfüllung, bis 1018, ist eine Wolframfaden-Glühlampe bekannt, vorzugsweise unter Zusatz eines Zündgases, auf, dessen deren Kolben Jod enthält, das mit am Kolben nieder- Wandbelastung ohne Flüssigkeitskühlung 40 Wcrnr² geschlagenem Wolfram zu Wolframjodid reagiert, 35 übersteigt. Es sind also nun zum ersten Mal Lampen welches dann zum Glühfaden diffundiert und dort verfügbar, die weißes oder gewünschtenfalls farbiges wieder zu Wolfram und Jod dissoziiert. Licht mit sehr hohen Wirkungsgraden emittieren.

Aus der deutschen Patentschrift 967 658 ist ferner Weißes Licht wird auf Grund der Tatsache emittiert,

eine Metalldampf-Hochdruck-Entladungslampe be- daß die Lampen gemäß der Erfindung thermisch hoch kannt, die einen Quarzkolben mit zwei eingeschmol- 40 belastet sind. Die Lampen besitzen im Vergleich zu zenen Wolframelektroden aufweist und eine Füllung den üblichen Lampen gleicher Eingangsleistung einen aus einem verdampf baren Metallhalogenid, beispiels- Entladungskolben mit einem relativ kleinen Volumen, weise Jodid, und im Bedarfsfall zusätzlich als Zündhilfe so daß eine hohe Leistungskonzentration auftritt. Aus ein inertes Gas enthält. Die bekannte Lampe wird mit diesem Grund wird der Innendurchmesser des Kolbeneinem Druck von etwa 50. Torr und mit Temperaturen 45 rohres vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 6 mm von höchstens 800⁰C betrieben. gewählt. Bei höheren Belastungen steigen Temperatur

Aus der deutschen Patentschrift 948 897 ist es und Druck. Hohe Drücke und Temperaturen sind schließlich bekannt, eine Gasentladungsfluoreszenz- jedoch die Voraussetzungen für das Entstehen einer lampe mit Dämpfen von Metallen, insbesondere kontinuierlichen Strahlung, die der Strahlung eines Indium, Aluminium oder Gallium, oder von Metall- 50 schwarzen Körpers ähnelt. Um ein Absinken des halogeniden zu betreiben, jedoch mit nur sehr niedriger Dampfdruckes zu verhindern, der bekanntlich durch Wandbelastung. die kühlste Stelle im Entladungskolben bestimmt wird,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die soll der Totraum in der Lampe, d. h. insbesondere der bekannten Lampen hinsichtlich der Farbtemperatur Raum hinter den Elektroden, so klein wie möglich des erzeugten Lichtes und des Wirkungsgrades zu 55 gehalten werden.

verbessern. Nachteile, die normalerweise mit hohen Tempera-

Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Ent- türen verknüpft sind und die bisher als unvermeidbar ladungslampe der eingangs genannten Art der Betriebs- galten, wie z.B. ein Zerstäuben der Elektroden und druck des Metalljodids im Kolben bei einer Eingangs- eine Entglasung des Quarzes, der normalerweise als leistung von über 2 kW/cm³ des Kolbeninnenvolumens 60 Kolbenmaterial verwendet wird, können, wie noch größer als 1 Atmosphäre ist; daß die Elektroden so gezeigt werden wird, vermieden werden. Das im bemessen sind, daß die Betriebstemperatur der Entladungskolben vorhandene Jod gewährleistet das Elektrodenspitzen beim Schmelzpunkt des Wolframs Auftreten des bekannten Jod-Regenerierungszyklus oder nur so wenig darunter liegt, daß die Entladung mit einem außergewöhnlich hohen Wirkungsgrad. Der diffus an den Elektroden ansetzt; daß das Metalljodid S5 Joddampf verbindet sich mit dem auf kühleren ein Metall enthält, das beim Betriebsdruck in der Wandteilen niedergeschlagenen zerstäubten Elektro-Lampe im wesentlichen ein Kontinuum emittiert, und denwerkstoff zu flüchtigen Verbindungen, die oberhalb daß der Kolben, dessen Innendurchmesser zwischen und auf den heißen Elektroden wieder zersetzt werden;

3 4

dieser Vorgang ist dauernd wirksam, so daß eine -seele bezeichnet werden soll, ist im allgemeinen ein

Kolbenschwärzung mit Sicherheit verhindert wird und Bereich hohen Stroms, der eine Strahlung emittiert, die

die Stabilität der Elektroden gewährleistet ist. Auch in der Hauptsache aus den Atomlinien des oder der

die Entglasung des Kolbens, die zu seiner Zerstörung Metalle des verwendeten Jodsalzes besteht. In der

führen kann, läßt sich unter bestimmten Voraus- 5 Zeichnung ist der Kern durch die dicken gestrichelten

Setzungen verhindern. Bekanntlich tritt eine Entglasung Linien innerhalb der Grenze 6 dargestellt und erstreckt

von Quarz bei Temperaturen oberhalb von 900⁰C ein. sich zwischen den Elektroden. Bei Verwendung von

Oberhalb von 1000⁰C existiert jedoch wieder ein Elektroden mit geschmolzenen, kugelförmigen Spitzen,

Temperaturbereich, in dem keine Entglasung statt- wie dargestellt, reicht der Kern um die geschmolzenen

findet. Bei Wandbelastungen, die Betriebstempera- io Elektrodenspitzen 5,5 herum. Außerhalb des Kernes

türen ergeben, die entweder unterhalb von 900⁰C oder und diesen umgebend befindet sich ein glühender

zwischen 1000⁰C und dem Erweichungspunkt liegen, Bereich, der als leuchtende Aureole erscheint. Die

läßt sich eine Entglasung weitgehend vermeiden. Aureole ist durch die dünneren Striche 7 versinn-

Nur durch das gleichzeitige Vorhandensein der bildlicht, die Strahlung aus dieser Zone liegt in der

beiden obenerwähnten Bedingungen, d. h. der hohen 15 Hauptsache im sichtbaren Spektralbereich und weist

Wandbelastung und der Jodfüllung, die gleichzeitig ein Kontinuum auf. Wenn Dichte oder Druck des

wirksam werden, ist es möglich, die bisher unbekannte Metalljodiddampfes zunehmen, beginnt die Aureole zu

Lampe gemäß der Erfindung zu bauen. überwiegen und den Mittelteil oder Kern des Bogens

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung in abzuschatten mit dem Ergebnis, daß der Prozentsatz Verbindung mit Ausführungsbeispielen näher erläutert 20 der Linienstrahlung einschließlich des Ultraviolettwerden, es zeigt anteiles abnimmt, während die Kontinuumstrahlung

F i g. 1 eine vergrößerte, schematische Abbildung zunimmt. Die glühende Aureole ist ein Bereich, der

einer Metall-Jodid-Bogenlampe gemäß der Erfindung aktiviertes Jod enthält, sie erstreckt sich nach außen

zur Erläuterung der anzuwendenden Prinzipien, praktisch bis zur Innenwand 3 der Bogenkammer. Wie

Fig. 2a eine teilweise im Schnitt gehaltene Seiten- 35 in Fi g. 1 dargestellt ist, reicht die Aureole sogar in

ansicht einer Hochdrucklampe gemäß der Erfindung, die Bereiche 8 hinter den Elektroden und umgibt die

Fig. 2 b eine Querschnittsansicht dieser Lampe, Elektrodenzuführungen. An Stelle der mit geschmolze-

F i g. 2 c eine Teilansicht der ursprünglich spitzen nen, kugelförmigen Vorderenden arbeitenden Elek-

Elektrode, troden kann man auch kleine, stabförmige Wolfram-

Fig. 3 a eine teilweise im Schnitt gehaltene 30 elektroden verwenden, deren Spitzen bei Temperaturen

Seitenansicht einer verhältnismäßig kurzen, mit sehr nahe des Schmelzpunktes des Wolframs betrieben

hohen Drücken arbeitenden, pumpstutzenlosen Lampe werden. Hierbei umfaßt der Bogenkern die Spitzen der

gemäß der Erfindung und Elektroden nicht so ausgeprägt, es wurde nichtsdesto-

F i g. 3 b eine Querschnittsansicht dieser Lampe, weniger gefunden, daß die den Kern umgebende,

F i g. 4 eine teilweise im Schnitt gehaltene Seiten- 35 glühende Aureole bis hinter die Elektroden reicht, so

ansicht einer etwas langgestreckteren, pumpstutzen- daß die ganze Innenfläche der Bogenkammer von

losen Lampe, aktiviertem Jod bespült wird. Die in Fig. 1 schema-

Fig. 5 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht tisch dargestellte Elektroden- und Kolbenanordnung

einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ist also typisch für Metalljodid-Bogenlampen gemäß

F i g. 6 ein Diagramm einer typischen Spektral- 40 der Erfindung,

charakteristik einer Lampe gemäß der Erfindung und Lampen, die Galliumjodid enthalten und gemäß der

F i g. 7 ein Diagramm, das denAnstieg der Licht- vorliegenden Erfindung betrieben werden, durchlaufen stärke und der Lichtausbeute als Funktion der die üblichen Anheizstufen, bevor sich ein stabiler spezifischen Belastung einer typischen Lampe zeigt. Betriebszustand einstellt. Zündet man sie bei Zimmer-Beieiner Metallhalogenidlampe gemäß der Erfindung 45 temperatur, so kann kurz ein violettes Leuchten ist eine Kolben-und Elektrodenkonfiguration erforder- auftreten, während sich die Elektroden erwärmen, lieh, die erlaubt, daß das Entladungsplasma bis zu den Dieses Leuchten rührt vom Verdampfen des Jodes Kolbenwänden reicht, so daß die ganze Innenfläche her, das sich beim früheren Erkalten der Lampe der Bogenkammer von aktivem, d. h. atomarem Jod, kondensiert hatte. Das violette Leuchten verschwindet das in der Entladung entsteht, erreicht wird. Diese 50 sofort, wenn Galliumjodid an der Kolbenwand Erfordernisse bedingen im allgemeinen eine rohr- kondensiert. Kurz darauf, wenn sich die gesamte förmigeEntladungskammermitverhältnismäßigkleinen Lampe beginnt zu erwärmen, erscheint die violette Elektroden an gegenüberliegenden Enden. Eine typische Farbe wieder und nimmt in der Intensität mit ansteigen-Konfiguration zeigt die schematisierte Lampe 1 in dem Galliumjodiddampfdruck zu. Bis zu einem Fig. 1, bei welcher ein durchsichtiger oder durch- 55 bestimmten Zeitpunkt besteht die Strahlung des scheinender Kolben 2 eine durch eine Innenwand 3 Bogens aus einem praktisch reinen Linienspektrum begrenzte, langgestreckte und rohrf örmige Entladungs- mit der Ausnahme der von den Elektroden stammenkammer bildet. Kleine nadel- oder stiftförmige den Strahlung. In diesem Bereich werden die Linien Wolframelektroden 4 erstrecken sich in die Bogen- bei 4032 und 4172 Ä von der Lampe mit hohem kammer, sie arbeiten mit geschmolzenen Enden 5, die 60 Wirkungsgrad abgestrahlt, zusammen mit schwächeren infolge der Oberflächenspannung im allgemeinen Linien im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Kugelgestalt annehmen. Das ionisierbare Medium im Spektralbereich. Eine Lampe mit einem Elektroden-Entladungsraum besteht aus einem geeigneten Metall- abstand von 8 mm kann in diesem Zustand bei einer jodid und enthält außerdem vorzugsweise ein inertes, Betriebsspannung von nur etwa 10 bis 20 V arbeiten, ionisierbares Zündgas. 65 Wenn der Dampfdruck des Galliumjodides gemäß

Das Licht emittierende Volumen einer solchen der Erfindung ansteigt, nimmt die Ultraviolettstrahlung

Lampe läßt sich im wesentlichen in zwei Zonen ab, die Resonanzlinien des Galliums verbreitern sich

unterteilen. Die Mittelzone, die als Bogenkern oder und zeigen Selbstumkehr, die Bogenseele beginnt sich

,5 6

einzuschnüren und nimmt an Helligkeit zu, und es Die spezifische Belastung liegt vorzugsweise im Bereich tritt ein Kontinuum auf. Ein projiziertes Bild der zwischen 50 und 1000 W pro Zentimeter Bodenlänge,

Lampe zeigt, daß das Violett hauptsächlich aus dem unddieStromdichteliegtimBereichvonSbislSOAcmr²

Kern stammt und daß das Kontinuum in der den des Kolbenquerschnittes oder darüber. Es ist im all-

Kern umgebenden, glühenden Aureole erzeugt wird. 5 gemeinen wünschenswert, daß die Lampe Jod im

Mit wachsendem Druck nehmen auch Spannung und Überschuß über den Betrag hinaus enthält, der sich

Helligkeit zu, bis Kern und Elektroden durch das stöchiometrisch mit dem Metall irgendeines Metall-

Kontinuum der Aureole überdeckt werden. Die jodides im Kolben verbindet, wenn es als Jodverbin-

Strahlung besteht dann in der Hauptsache aus einem dung eingebracht wird. Es ist außerdem vorteilhaft,

Kontinuum mit einer breiten Selbstumkehr (Absorp- io wenn die Lampe mehrere Metalle in Form von Jod-

tionslinie) im Violett und vier Linien, nämlich einer salzen enthält. Eine Strahlung hohen Wirkungsgrades

gelben, einer orangen und zwei roten. hauptsächlich in einem Wellenbereich oberhalb des

Wenn die Konzentration an Galliumjodid groß und Ultraviolette mit bei hohen Temperaturen stabilen,

die Bohrung der Lampe weit sind, ändert sich der gefärbten Dämpfen erhält man bei Verwendung von

Farbton des von der Lampe emittierten Lichtes von 15 Jodsalzmengen, die vorzugsweise im Bereich von

einem ursprünglich violett getönten Weiß in ein 1 · 10~⁶ bis 1 · 10~⁵ g Molekulargewicht pro Zenti-

Reinweiß und sogar in ein weniger wirksames Gelb- meter innerer Lampenlänge liegen. Im normalen

orange, im Falle daß die Bohrung zu groß ist oder zu Betrieb der Lampe soll vorzugsweise das gesamte Jodid

viel Galliumjodiddampf vorhanden ist, der als Gelb- verdampft sein.

filter wirkt. In einer solchen Lampe mit großer 20 Der Betriebsdruck der Gase und Dämpfe im EntBohrung kann der Bogen ausknicken, und es kann ladungskolben liegt oberhalb einer Atmosphäre, verschiedenfarbiges Licht emittiert werden: Weißeres, vorzugsweise zwischen 2 und 8 Atmosphären, er kann helleres Licht tritt dann aus dem oberen Teil der jedoch auch noch etwas höher sein. Der Entladungs-Lampe aus, wo die absorbierende Galliumjodiddampf- kolben enthält als Grundgas, das zur Zündung dient, schicht dünner ist. 25 ein oder mehrere Edelgase, wie Argon, vorzugsweise Mit einer sehr dünnen Bohrung, hohem Druck und aber Xenon unter einem Fülldruck oberhalb von einem gleichmäßigen Betrieb der Galliumjodidlampe 10 Torr. Der Entladungskolben ist vorzugsweise rohrmit hoher Eingangsleistung kann der Bogen anderer- förmig, der Elektrodenabstand ist vorzugsweise gleich seits eine Lichtstärke bekommen, die das Fünf- oder oder größer als der Innendurchmesser des Kolbens. Mehrfache der äußersten Helligkeit einer konzen- 30 An Stelle von Quarz kann der Kolben aus einem inerten Wolframglühwendel beträgt. Es wird weißes anderen hochwarmfesten und lichtdurchlässigen Werk-Licht emittiert, das in der Hauptsache aus einem stoff bestehen, z. B. aus Saphir (Aluminiumoxyd). Die Kontinuum mit einem reichlichen Anteil an Rot Wandstärke eines Quarzkolbens beträgt bei Lampen besteht, die Strahlung liegt dabei bis zu einem gewissen gemäß der Erfindung mehr als 2 mm, vorzugsweise Grade bevorzugt innerhalb des sichtbaren Spektral- 35 3 bis 5 mm, er ist also verhältnismäßig dick. Im Falle bereiches und fällt am violetten Ende verhältnismäßig besonders kleiner Durchmesser kann die Wanddicke scharf ab. gleich dem Innendurchmesser des Entladungskolbens Wegen der im Entladungsgefäß herrschenden hohen sein oder diesen übersteigen. Durch eine Vergrößerung Temperaturen ist es möglich, in der Entladung sogar der Oberfläche bleibt die Kolbentemperatur immer schwer verdampfbare Metalle anzuregen und zu 40 noch auf Werten, bei denen Quarz noch ausreichende ionisieren, wie z. B. Indium, Gallium, Thallium und mechanische Festigkeit besitzt. Eine Flüssigkeits-Mischungen dieser Metalle, die also in Lampen gemäß kühlung kann, wie bereits erwähnt worden ist, bei den der Erfindung verwendet werden können. Außer den Lampen gemäß der Erfindung entfallen, wenn jedoch teilweise eine starke Selbstumkehr zeigenden Spektral- Quarz verwendet wird, kann, besonders bei Belastunlinien tritt ein starkes Kontinuum auf, das auf die 45 gen oberhalb von 400 bis 600 Wcmr², eine Druckluftoffensichtliche Hochdruckcharakteristik der Entladung kühlung zweckmäßig sein.

in diesen Lampen hinweist. Wenn geeignete Metalle Durch die Erfindung kann ein regenerativer Zyklus verwendet werden, emittieren diese Lampen ein weißes erzielt werden, der gleichzeitig saubere Kolbenwände Licht mit sehr hohem Wirkungsgrad, der mehr als und stabile Elektroden in einer Entladungslampe oder 80 lm/W betragen kann. Das Kontinuum kann sich 50 -einrichtung gewährleistet, die als Entladungsmedium bis in den ultravioletten Spektralbereich erstrecken, so ein Metallhalogenid enthalten und eine Elektrodendaß solche mit einem geeigneten Metalldampf gefüllten und Kolbenwandkonfiguration oder -geometrie aufLampen als Ultraviolettstrahler verwendet werden weisen, die gewährleisten, daß die gesamte Innenfläche können. des Entladungsraumes der aktivierenden Wirkung des

Ein starkes Kontinuum kann auch mit Jodiden 55 Jodes ausgesetzt ist.

anderer schwer verdampfbarer Metalle erhalten Die Erfordernisse bezüglich des Kolbens bestehen werden, wie Zink, Antimon, Natrium, Titan und einfach darin, daß die Innenwand des Kolbens so geKadmium. In manchen Fällen wurden den Jodiden formt sein muß, daß die Bogenkammer in Betrieb der schwer verdampfbaren Metalle Quecksilberjodid praktisch vollständig durch den Bogen und die beigemischt. Mit Quecksilberjodid allein läßt sich 60 glühende Aureole, die ihn umgibt oder allgemein gekein kontinuierliches Spektrum erzeugen. sprochen, durch das Plasma erfüllt ist. In Nieder-Es wurde gefunden, daß die Wandbelastung, ge- drucklampen reicht das Plasma praktisch bis an die messen in Watt pro Flächeneinheit der Kolbeninnen- Kolbenwände, Wenn jedoch der Strom und/oder der wand zwischen den Elektrodenspitzen im Bereich Druck erhöht werden, schnürt sich die Entladung ein zwischen 40 und 1000, gegebenenfalls sogar bis zu 65 und reicht dann im allgemeinen nicht mehr bis zu den Wcm~², vorzugsweise zwischen 100 und 400 Kolbenwänden, dieser Zustand liegt üblicherweise bei oder 500 Wcm~² liegen soll. Die Eingangsleistungs- Hochdrucklampen vor. Entladungen, bei denen sich dichtebeträgtmehr als 2und vorzugsweise bis 8 kWcm~³. das Plasma bis zu den Wänden erstreckt, gelten im all-

7 8

gemeinen als wandstabilisiert, während eingeschnürte Jodiden, die die Bedingungen einer Verträglichkeit mit Entladungen durch die Elektroden oder andere Mittel Wolframelektroden und Quarzkolben, die die derzeit stabilisiert sein können. am besten geeigneten Werkstoffe für Lampen, die bei

Es werden vorzugsweise stabförmige, unaktivierte hohen Temperaturen betrieben werden, sind, erfüllen, Wolframelektroden verwendet, die bei so hohen Tem- 5 haben sich die Jodide des Galliums, Indiums und peraturen betrieben werden, daß sich eine geschmol- Thalliums am brauchbarsten erwiesen. Bei Verwendung zene, kugelförmige Spitze bildet. Zusätzlich zu dem von Gallium- oder Indiumjodid oder einer Mischung Vorteil, der sich durch die einfache Herstellung und dieser beiden Stoffe ist der Zusatz einer geringen die geringen Kosten solcher Elektroden ergibt, weisen Menge freien Jodes wünschenswert, um zu verhindern, sie den Vorteil auf, daß sich ein ruhiger Bogen mit io daß sich freies Metall auf der Kolbenwand niedereinem diffusen Übergang zwischen Bogen und Elek- schlägt. Mit Kombinationen von Gallium- und trode ergibt und daß das Plasma die glühende, ge- Indiumjodid läßt sich eine ganze Reihe von Farben schmolzene Kugelspitze praktisch vollständig umfaßt herstellen, die verhältnismäßig nahe an Weiß liegen, und einschließt. Wenn der Bogen die geschmolzene Als Folge des Jodzyklus, durch den die nachteiligen Kugelspitze umgibt, befindet sich die ganze Innenfläche 15 Effekte einer Elektrodenzerstäubung vermieden werdes Entladungsraumes in gerader Sichtverbindung mit den, ist es möglich, die Elektroden thermisch höher zu mindestens einem Teil der Säule oder des Plasmas des belasten und dadurch ihre Abmessungen klein zu Bogens. Mit anderen Worten gesagt ist kein Teil der halten. Die Elektroden werden vorzugsweise als kurze, Innenfläche der Entladungskammer vom Plasma abge- dünne Stifte aus einem hochwärmfesten Metall, insschattet, nicht einmal die Bereiche auf der Rückseite 20 besondere Wolfram hergestellt. Die Elektroden sollten der Elektroden, die die Einführung umgeben. Unter geeigneterweise so bezüglich ihres Durchmessers (in diesen Umständen wird die gesamte Innenfläche des Millimeter) bemessen sein, daß bei einem Betriebs-Kolbens von aktivem Jod bespült, und der Kolben strom I (in Ampere) der Lampe das Verhältnis I/d* bleibt während einer langen Betriebsdauer klar. Im zwischen 10 und 60, vorzugsweise bei 30 liegt. Bei Gegensatz dazu werden bei den bekannten Lampen 25 diesen hohen Stromdichten treten so hohe Temperaverhältnismäßig massive Elektroden in annähernd türen auf, daß die Spitzen der Elektroden im Betrieb kugelförmigen Kolben verwendet, und der Bogen der Lampe schmelzen und nach dem ersten Zünden setzt an einem verhältnismäßig kleinen Brennfleck an kugelförmig werden. Diese kleinen kugelförmigen der Vorderseite der Elektrode an, mit dem Ergebnis, Enden haben sich im weiteren Betrieb der Lampe als daß der Bereich hinter der Elektrode vom Bogen ab- 30 besonders günstig erwiesen, da sie auch bei länger geschattet ist, nicht von aktivem Jod bespült wird und dauerndem Betrieb keine unerwünschten Deformatiosich rasch schwärzt. nen erleiden. Die Lampe kann im Dauerbetrieb mit

Ein weiteres Erfordernis der Erfindung besteht Gleich- oder Wechselstrom betrieben werden. Sie darin, daß als Halogen oder Halogensalz nur Jod bzw. eignet sich auch sehr gut für Impulsbetrieb und kann ein Jodid verwendet werden. Das für das Funktionieren 35 dann bekanntlich kurzzeitig höher belastet werden als des Wolfram-Jod-Regenerationszyklus erforderliche im Dauerbetrieb, wobei dann höhere Wirkungsgrade Jod kann durch Dissoziation des gewählten Jodsalzes erzielt werden. Die Lampe hat den großen Vorteil, daß oder durch Zusatz einer verhältnismäßig kleinen sie in beliebiger Lage betrieben werden kann.
Menge freien Jods, die die Stabilität der Elektrode Eine praktische Ausführungsform einer Metalljodid-

nicht beeinträchtigt und ausreicht, um den Regenera- 40 Bogenlampe gemäß der Erfindung ist in den Fig. 2a tionszyklus in Gang zu bringen, geliefert werden. So- bis 2c dargestellt. Die Lampe 11 enthält einen im wohl bei Verwendung eines dissoziierten Jodsalzes als wesentlichen rohrförmigen Kolben 12 aus einem dickauch eines Zusatzes von freiem Jod wird die chemische wandigen, ursprünglich zylindrischen Quarzrohr. Die Reaktivität, die auf der Gegenwart von dissoziiertem Enden des Quarzrohres sind zu Quetschfüßen verformt Jod zu beruhen scheint, im Bogen oder durch die Wir- 45 und enthalten Folieneinschmelzungen mit einer Mokung des Bogens erzeugt. Eine glühende oder glim- lybdäneinführung 13 und einem folienförmigen Teil mende Zone außerhalb des Bogenkernes stellt eine 13«, der vakuumdicht durch den Quarzquetschfuß Anzeige für diese Reaktionsfähigkeit dar und in einer reicht. Durch das Zusammendrücken bei der Bildung richtig konstruierten Lampe gemäß der Erfindung soll der Quetschfüße erhalten die Enden des Quarzrohres die Entladungskammer so bemessen sein, daß die 50 einen eingeschnürten, in erster Näherung rechteckigen glühende Zone oder Aureole des Bogens überall bis Querschnitt, wie am besten bei 14 in Fi g. 2 b zu erpraktisch vollständig zu den Wänden reicht. Die Größe kennen ist. Mit den folienförmigen Enden der Molybder Entladungskammer einer speziellen Lampe hängt däneinführungen sind kurze Wolframdrahtstücke 15 von verschiedenen Parametern einschließlich des als verschweißt, die in das Innere der Entladungskammer Entladungsmedium gewählten speziellen Metallhaloge- 55 reichen. Die die Elektroden bildenden Wolframdrähte nides, des Elektrodenabstandes, der Eingangsleistung enthalten ein zulaufendes Stück 16, dessen kleinster oder der vorgegebenen Leistungskonzentration ab. Durchmesser direkt bei der kugelförmigen Spitze 17

Die Jodide von Metallen wie Zink, Antimon und liegt. Die Lampe wird evakuiert, und das Entladungsder Alkalien Natrium, Kalium, Lithium, Rubidium medium wird durch einen seitlichen Pumpstutzen ein- und Caesium sind zwar in manchen Fällen für ver- 60 geführt, der anschließend abgeschmolzen wird, wie bei hältnismäßig kurzlebige Quarzkolbenlampen brauch- 18 dargestellt ist. Die Lampe 11 ist übertrieben groß bar, die einen sehr hohen Wirkungsgrad besitzen, sie dargestellt, sie kann in Wirklichkeit etwa 5 cm lang können jedoch langzeitig in Lampen mit einem Kolben sein und eine Entladungskammer einer Länge von aus Aluminiumoxyd benutzt werden. 12 mm und eines Durchmessers von 4 mm enthalten.

Bei den Lampen gemäß der Erfindung bestehen die 6g Die Elektroden der in F i g. 2 dargestellten Lampe Elektroden aus Wolfram und der Kolben aus einem sollen mit geschmolzenen Kugelspitzen arbeiten. Die hochwärmfesten Werkstoff, wie Quarz oder poly- Lampe wird ursprünglich mit Wolframdrahtelektrokristallinem Aluminiumoxyd hoher Dichte. Von den den 15 gebaut, bei denen der zulaufende Teil 16 in

63 7 9 to

einer Spitze endet, wie Fig. 2c zeigt. Bei der ersten 1 kW. Die Lampe zeigt eine positive Charakteristik. Inbetriebnahme der Lampe schmilzt die Elektroden- Die Leistungsdichte von ungefähr 6kWcm~³ ist für spitze mit steigendem Strom zurück, wobei sich eine zylindrische Lampen sehr hoch, die Stromdichte beKugel 17 (Fig. 2a) aus geschmolzenem Wolfram trägt etwa 100Acm"² des Kolbenquerschnittes. Die bildet, deren Durchmesser entsprechend zunimmt. Bei 5 Lampe enthält als Grundgas Xenon unter einem Füllder Bildung eines kugelförmigen Elektrodenendes druck von 50 Torr und eine gewisse Menge Indiumeiner gegebenen Größe durch Zurückschmelzen einer jodid. Der Betriebsdruck der Lampe beträgt 5 Atmo-Elektrodenspitze wird der Abstand zwischen den Sphären, Die Lampe wird mit Luft gekühlt.
Elektroden bzw. die Bogenlänge unvermeidlich ver- Das Spektrum der Lampe ist ein starkes Kontinuum,

größert. Wenn die Elektroden verhältnismäßig große, io das über den ganzen sichtbaren Spektralbereich reicht, kugelförmige Enden haben sollen und gleichzeitig ein was eine Voraussetzung für weißes Licht mit guter verhältnismäßig kleiner Elektrodenabstand erwünscht Farbwiedergabe ist. Der Lichtstrom beträgt etwa ist, kann es daher erforderlich werden, Elektroden zu 9000 Im, der Wirkungsgrad der Lampe liegt daher bei verwenden, die mindestens zum Teil vorgefertigt sind. 90 lm/W.

Fig. 3 a und 3 b zeigen eine pumpstutzenlose 15 Obgleich die Lampen gemäß der Erfindung auch bei Form einer Höchstdruckmetalljodid-Bogenlampe ge- kleinen Einheiten einen hohen Wirkungsgrad aufmaß der Erfindung. Die Lampe 21 wird durch An- weisen, besitzen sie den Vorteil, daß ihre Leistung einbringen von Rohrstücken 22 mit kleiner Bohrung an fach durch Verlängerung des kleinen Rohres und eine den Enden eines dickwandigen Rohres 23 mit größerer entsprechende Erhöhung der Betriebsspannung verBohrung, das die Bogenkammer bildet, hergestellt. 20 größert werden kann.

Die Wolframelektroden 24 sind in üblicher Weise an Bei den kleinen, kompakten Lampen gemäß der

Molybdäneinführungen 25 befestigt, die in folien- Erfindung ist die Füllmenge an Metalljodid pro Länförmigen Enden auslaufen, mit denen das Quarzrohr 22 geneinheit für den Farbtyp der erzeugten Strahlung dadurch vakuumdicht verbunden wird, daß es erhitzt nicht übermäßig stark vom Innendurchmesser des und zum Zusammenfallen gebracht wird. Bei der Her- 25 Lampenkolbens abhängig, da die Undurchsichtigkeit stellung der Lampe werden zuerst die Quarzröhren des Gases nicht so sehr von der Weglänge als von der 22 mit dem Mittelteil 23 verbunden, dann werden die Anzahl der Moleküle abhängt, die von der Strahlung Elektrodenanordnungen in die Quarzrohre 22 einge- durchlaufen werden muß. Bei Indiumjodid enthaltensetzt und eines dieser Rohre wird so weit erhitzt, daß den Lampen liegen beispielsweise die brauchbaren es um den folienförmigen Teil der Einführung zu- 30 Mengen im Bereich zwischen etwa 0,1 bis 1 mg Indiumsammenfällt und einen vakuumdichten Abschluß jodid pro Zentimeter Innenlänge der Lampe unabhänbildet. Die Lampe wird dann evakuiert, und die gig vom Innendurchmesser.

beispielsweise aus einem inerten Zündgas und einem Bei Lampen mit einem Innendurchmesser unter

Metalljodid bestehende Füllung wird durch das andere 1 cm und mit der geringeren Menge Metalljodid, d. h. Quarzrohr 22 eingeführt; schließlich wird auch dieses 35 ungefähr 1 ■ 10~⁶ g Molekulargewicht pro Zentimeter Quarzrohr erhitzt und zum Zusammenfallen um den Länge im völlig verdampften Zustand, ist die Linienfolienartigen Teil der zugehörigen Einführungsleiter- strahlung im sichtbaren Spektralbereich schon der anordnung gebracht. Durch dieses Verfahren erhält kleinere Anteil der sichtbaren Strahlung geworden, man eine Entladungslampe, deren Mittelkörper und In diesem Bereich übersteigt das Gesamtkontinuum Bogenkammer völlig zylindrisch sind. Diese Konstruk- 40 im Sichtbaren die Linienstrahlung, nimmt jedoch tion hat den Vorteil, daß die kühle Stelle, die durch Spitzenwerte in der Nähe der Resonanzlinien des den abgeschmolzenen, seitlichen Pumpstutzen gebildet Metalls des Salzes an, also Violett bei Gallium, Blau wird, und die hierdurch verursachte optische Ver- bei Indium und Grün mit starker Intensität im nahen zerrung vermieden werden. Ultraviolett bei Thallium. Die Intensität der Linien-

F i g. 4 zeigt eine Lampe 31 mit ähnlichem Aufbau 45 strahlung nimmt mit steigendem Druck bzw. Jodidwie die Lampe 21 in F i g. 2 mit einem mittleren menge ab, und in den oberen Mengenbereichen besteht Quarzkörper 32, der eine etwas weitere Bohrung auf- die Strahlung hauptsächlich aus einem Kontinuum mit weist und dessen Enden mit Quarzröhren 33 ver- einer Verteilung, die der eines schwarzen Körpers schmolzen sind, die eine kleinere Bohrung besitzen ähnelt und keine unterscheidbare Feinstruktur auf- und in die die Elektroden 34 eingeschmolzen sind. Die 50 weist. Die Resonanzlinien des Metalls zeigen Selbst-Elektroden 34 bestehen aus kleinen Wolframstäben, umkehr. Das Rekombinationsband des Jods ist bei der und die Lampe wird mit einer solchen Eingangsleistung Analyse des Spektrums erkennbar, und relativ schwache oder Leistungsdichte betrieben, daß die Enden der Natriumlinien aus Verunreinigungen können vorhan-Elektroden eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt den sein.

des Wolframs annehmen, ohne daß sie jedoch tatsäch- 55 Mit Quecksilberdampflampen ist es nur bei extrem lieh schmelzen. hohen Drücken möglich, eine Strahlung zu erzeugen,

Bei der in F i g. 5 dargestellten Lampe besteht der die der schwarzen Strahlung ähnlich ist. Es wird verrohrförmige Entladungskolben 35 aus Quarz, der mutet, daß die vorherrschenden Effekte bei den Lam-Innendurchmesser beträgt 3,5 mm und der Außen- pen gemäß der Erfindung auf der Nutzbarmachung durchmesser 11 mm. An den Enden des Kolbens be- 60 der Strahlungseigenschaften von bei hohen Temperafinden sich Elektroden 36, 37 aus Wolfram. Die Elek- türen stabilen, gefärbten Gasen beruhen,
troden 36, 37 sind mit Stromeinführungen 40, 41 über F i g. 7 zeigt die Abhängigkeit der Lichtstärke / in

Folieneinschmelzungen 38, 39 verbunden. Der Elek- Candela pro Millimeter und des Wirkungsgrades η in trodendurchmesser beträgt ungefähr 0,6 mm, der lm/W in Abhängigkeit von der spezifischen Belastung Elektrodenabstand 17 mm. 65 in Watt pro Zentimeter Bogenlänge zwischen den

Die Lampe wird in Reihe mit einer Drossel an Elektroden einer typischen Lampe. Die Lampe, die 220 V betrieben. Die Klemmenspannung beträgt Fig. 3a entspricht und als kompakte Lichtquelle für 105 V, der Betriebsstrom 10 A, die Eingangsleistung eine sehr helle weiße Strahlung konstruiert war, hatte

einen Quarzkolben 23 mit 3 mm Innendurchmesser, 11,5 mm Außendurchmesser und 16 mm Kammerlänge. Die Wolframelektroden 24 hatten einen Durchmesser von 0,65 mm und 1 mm dicke Kugelspitzen mit einem Abstand von 11,5 mm. Der Lampenkolben war mit Xenon unter einem Druck von 70 Torr, 0,39 mg stöchiometrisch reinem Indiumjodid und 0,3 mg überschüssigem Jod gefüllt.

Die Unstetigkeit der beiden Kurven / und η in F i g. 7 beruht darauf, daß die Lampe im Lastbereich zwischen 400 und 1000 W/cm Bogenlänge mit einem schwachen Luftstrom gekühlt wurde, um einen Dauerbetrieb der Lampe bei 1000 Wem"² Belastung zu ermöglichen, ohne daß sich der Quarzkolben verformt. Bei einer Belastung unterhalb von 400 W/cm wurde die Lampe mit natürlicher Konvektionskühlung betrieben. Die Kurven J und η zeigen, daß sowohl der spezifische Wirkungsgrad als auch die spezifische Helligkeit mit der Belastung steigen. Helligkeit und Wirkungsgrad werden durch eine künstliche Kühlung verringert, wie zu erwarten ist, trotzdem sind Wirkungsgrad und Helligkeit bei den höchsten Belastungen noch groß, bei denen eine künstliche Kühlung erforderlich ist, um ein Aufblähen des Quarzkolbens zu verhindern. Bei Verwendung anderer Kolbenwerkstoffe, die eine größere Hitzebeständigkeit als Quarz besitzen, wie z. B. Aluminiumoxyd, kann eine künstliche Kühlung entfallen, so daß noch höhere Helligkeiten und Wirkungsgrade erzielbar sind. Die Helligkeitswerte der Kurve / sind längs einer Geraden gemittelt, die die Elektroden auf einem während des Betriebes der Lampe projiziertem Bild verbindet.

Bei einer Leistungsaufnahme von 1,1 kW arbeitete diese Lampe mit einer Leistungsdichte von 9850 Wem"³ des gesamten Innenvolumens und 1,1 kW cm"² Kolbeninnenfläche zwischen den Elektrodenspitzen, einer Stromdichte von 1350 Acm~^a Entladungskammerquerschnitt und einem Spannungsgradienten einschließlich des Kathoden- und Anodenfalles von 127 V cm"¹.

F i g. 6 zeigt das ausgewogene, weiße Licht, das diese Lampe bei 1 kW Leistungsaufnahme emittiert. Ein kennzeichnendes Merkmal von Lampen gemäß der Erfindung, die mit hoher Belastung betrieben werden, ist die in der Spektralverteilungskurve erkennbare Umkehr und Verbreiterung der Resonanzlinie des Indiums bei 4511 Ä und der Linie bei 4101 Ä.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrische Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe mit einem rohrförmigen Kolben, der aus einem hochwarmfesten, lichtdurchlässigen Werkstoff besteht und ein verdampfbares Metalljodid sowie gegebenenfalls ein Zündgas enthält, und mit zwei stabförmigen Wolframelektroden, die von den einander entgegengesetzten Enden des Kolbens in dessen Innenraum hineinreichen, dadurch gekennzeichnet, daß der Betriebsdruck des Metalljodids im Kolben bei einer Eingangsleistung von über 2 kW/cm³ des Kolbeninnenvolumens größer als eine Atmosphäre ist; daß die Elektroden so bemessen sind, daß die Betriebstemperatur der Elektrodenspitzen beim Schmelzpunkt des Wolframs oder nur so wenig darunterliegt, daß die Entladung diffus an den Elektroden ansetzt; daß das Metalljodid ein Metall enthält, das beim Betriebsdruck in der Lampe im wesentlichen ein Kontinuum emittiert, und daß der Kolben, dessen Innendurchmesser zwischen 1 und 10 mm liegt, so bemessen ist, daß sich eine wandstabilisierte Entladung einstellt und praktisch die ganze Kolbeninnenwand unmittelbar durch die Entladung so weit aufgeheizt wird, daß der Jodzyklus wirksam werden kann.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben Indiumjodid und/ oder Galliumjodid und/oder Thalliumjodid enthält.

3. Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben zusätzlich Quecksilberjodid enthält.

4. Entladungslampe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben Jod im Überschuß enthält.

5. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Quarzkolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Quarzkolbens mehr als 2 mm, vorzugsweise 3 bis 5 mm, beträgt.

6. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Quarzkolben, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Quarzkolbens gleich oder größer als der Innendurchmesser des Kolbens ist.

7. Entladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und der Kolben so bemessen sind, daß der Kolbenbereich hinter den Elektrodenspitzen praktisch vollständig von der Entladung ausgefüllt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen