DE1910538A1

DE1910538A1 - Elektrische Bogenlampe

Info

Publication number: DE1910538A1
Application number: DE19691910538
Authority: DE
Inventors: Richter John Franklin
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1968-03-04
Filing date: 1969-03-01
Publication date: 1969-09-25
Also published as: FR2003157A1; US3495118A

Description

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PATENTANWÄLTE

Beschreibung zum Patentgesuch

der ¥arian Associates, 6li Hansen Way, PaIo Alto_s California/USA

betreffend?
"Elektrische Bogenlampe"

Eis Erfindung betrifft eine elektrische Bogenlampe und insbesondere die Elektrodenhalterung einer Hoehintensitätskupsbogenlasape mit abgedichteter Strahlerzeugung_s bei der die Elektroden axial und In Äusfliiehtung mit dem von der Lampe erzeugten Lichtstrahl angeordnet sind_s nie beschrieben in der US-Patentanmeldung 655 71?.

Derartige Lampen umfassen typischerweise zwei axial ausgefluchtete Elektroden., die voneinander einen kurzen Abstand aufweisen und damit einen Spalt definieren für den Lichtbogen und die in einer vakuumdichten Hülle angeordnet sind. Der Lichtbogenspalt besitzt typischerweise etwa 4 bis 10 mm Länge. Ein ionisierbares Gas ist in der Lampenhülle unter Druck eingeschlossen. Die Hülle umfaßt gewöhnlich einen rohrförmigen undurchsichtigen Abschnitt, einen gekrümmten Reflektor, der an einer Seite mit dem rohrförmigen Abschnitt verlötet oder verschweißt ist, sowie ein ebenes optisches Fenster, das am anderen Ende des rohrförmigen Abschnitts angelötet oder angeschweißt ist. Bei einigen Ausführungsformen, ist der Reflektor durch ein zweites Fenster ersetzt.

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ORIGINAL INSPECTED

Die beiden Elektroden können axial innerhalb der· Hülle ausgefluchtet sein "und parallel zum optischen Fenster und radial zum Lampenlichtstrahl angeordnet sein. Bei einer solchen Ausbildung durchdringen die Elektroden typischerweise den rohrförmigen Abschnitt des Gehäuses«, so daß sie für die Zuführung elektrischer Leistung zugänglich sind» Es hat sich jedoch gezeigt_s daß es in verschiedener Hinsicht vorteilhaft ist, wenn anstelle dessen die beiden Elektroden senkrecht zum ebenen Fenster angeordnet werden und' damit in axialer Ausfluchtung zum Lampenlicht strahl«, Ein Vorteil besteht darin, daß der optische Wirkungsgrad der Lampe erhöht wird, indem der Lichtfluß besser gesammelt wird und sieh ein engerer Lichtstrahl, ergibt. Dies folgt sum Teil aus einer Verringerung der Elektrodenschattenbildung_s wenn die Elektroden in axialer Ausfluchtung anstatt quer sur Strahl^ichtung angeordnet sind, und aus dem Vermeiden der Absorption der reflektierten Strahlung durch den Bogen in dessen eigener Meilenlänge. Zwar kann die Ungleichföraigkelt im Lichtstrahl infolge Schattenbildung und Bogenabsorptlon verringert t-ierden_s indem besonders geformte Reflektoren verwendet x-rerden«, doch besteht kein Bedarf für derart kostspielige BaAeIIe₉ wenn die Elektroden axial und parallel zum Lampenlichtstrahl angeordnet werden.

Die Anordnung der Elektroden axial In Ausfluchtung mit dem Lampenlichtstrahl ist jedoch ebenfalls von Problemen begleitet. Eines der dadurch hervorgerufenen Probleme Ist die Art und Weise, in der die Elektrode, die nahe dem optischen Fenster angeordnet ist, gehaltert wird. Eine lineare Verlängerung der Elektrode durch das Fenster ist unpraktisch, infolge des sich ergebenden Bedarfs für eine Metall-Glasoder Keramik-Abdichtung. Solche Abdichtungen sind sehr schwierig herzustellen, teuer und sind von geringer Zuverlässigkeit, Bei Hochintensitätsbogenlampen werden die Elektroden auf extrem hohe Temperaturen erhitzt, so daß eine Abdichtung zwischen der" Metallelektrode und einem keramischen oder Glasmaterial

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nur sehr schwierig zu erreichen ist, da solche Materialien abweichende thermische Expansionskoeffizienten besitzen. Darüberhinaus kann der innere Lampendruck etwa zehn- bis fünfzigmal größer als der Atmosphärendruck außerhalb der Lampe sein. Dies belastet natürlich die Abdichtung zusätzlich. Da die nächst dem optischen Fenster angeordnete Elektrode auch an einem metallischen Abschnitt der Hülle befestigt werden kann oder mit einem undurchsichtigen keramischen Hüllenabschnitt an einer Keramik-Metall-Hüllendichtung verbunden werden kann, ist es logisch, eine solche Anordnung auszuwählen,anstatt die Elektrode durch das Lampenfenster hindurch zu befestigen. Wenn man sich die Vorteile der Befestigung der Elektrode, die sich nächst dem optischen Fenster befindet, zunutze machen will, anstatt die Elektrode am Fenster selbst zu befestigen, hat man sich gleichzeitig dafür zu entscheiden, daß die Elektrodenhalterung mindestens zu einem wesentlichen Teil senkrecht zur Elektrode selbst orientiert sein muß. Dies trifft deshalb zu, weil das optische Fenster den größten Teil, wenn nicht den gesamten Teil des Projektionsendes der Lampe ausnutzen muß, damit sich eine optimale Strahlwirkung ergibt. Nachdem dieser Platz vergeben ist, verbleibt nur wenig am Strahlaustrittsende der Lampe für einen metallischen Abschnitt der Hülle, an dem eine Elektrodenhalterung befestigt werden könnte. Auch wäre ein Bereich eines solchen metallischen Abschnitts, der am Fenster anliegt bzw . an dessen Abdichtung, eine ungünstige Stelle für die Befestigung einer Halterung infolge der hohen Temperaturen, auf die die Elektrode und ihe Halterung während des Lampenbetriebes gebracht werden.

Man erkennt demgemäß, daß eine Halterung für Elektroden, die axial zum Lampenlichtstrahl angeordnet sind, vorzugsweise senkrecht zur Elektrode selbst angeordnet sein müssen oder mindestens eine senkrechte Komponente aufweisen. Da der Lampenstrahl durch mindestens den größten Teil des Raumes innerhalb des Lampengehäuses ringsum die Elektrode durchtritt,

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muß die Halterung sich notwendigerweise innerhalb des Strahienganges befinden. Offensichtlich darf die Halterung nur den geringstmöglichen Teil des Strahlenganges blockieren und sollte so klein wie praktisch möglich in der Ebene normal zur Elektrode sein. Daraus ergibt sich die Frage, wieviele Halterungen angewandt werden sollen. '.-

Eine einzige Halterung ist ungünstig, da diese expandiert, wenn die Lampe erhitzt wird und damit die Elektrode in ihrer räumlichen Anordnung zur anderen Elektrode und zum Reflektor, zum Lampenbrennpunkt und zum Lampenstrahl versetzen würde. Eine Befestigung der Elektrode derart, daß eine solche Verschiebung oder Versetzung stattfinden darf, ist ebenfalls ungünstig infolge der üngenauigkeit, mit der eine solche Versetzung in der Praxis vorhersagbar ist, wenn die Larapenorientierung und die ümgebungsbedingungen sich ändern. Demgemäß scheinen zwei oder mehr Elektrodenhalterungen unerläßlich. Eine solche Wertzahl würde eine stabilere Halterung schaffen und würde ermöglichen, daß die thermische Expansion jeder Halterung durch die der anderen Halterungen ausgeglichen werden könnte. Dies ist zwar theoretisch möglich, doch hat es sich in der Praxis gezeigt, daß ein genauer Ausgleich extrem schwierig zu verwirklichen ist, wenn eine Hochintensitätskurzbogenlampe betrieben wird und die'Elektroden eine entsprechend extrem hohe Temperatur annehmen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Bogenlampe mit einer abgedichteten Hülle, in der zwei Elektroden in axialer Ausfluchtung und in einem die Bogenlänge definierenden Abstand voneinander angeordnet sind und die ein rohrförmiges Hüllenteil sowie ein optisches Fenster für den Durchtritt des erzeugten Lichts als ein zu den Elektroden paralleles Strahlen= bündel umfaßt, zu schaffen, bei der die Halterung für die Elektrode so aufgebaut ist, daß eine thermische Expansion der Halterung nicht zu einer Versetzung οάβτ Verschiebung

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der Elektrode führt.

Insbesondere sollen dabei die Expansionskräfte, die durch die thermische Expansion auftreten, möglichst nur teilweise auf die Elektrode selbst übertragen.-werden. Die Halterung soll zugleich stabil sein und erheblichen Stoß- und Vibrationsbeanspruchungen widerstehen können«

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst CUs³Cb eine Mehrzahl von Halterungen für mindestens eine der Elektroden₃ welche Halterungen .".jeweils eine metallisch© Strebs umfassen₅ deren eines Ende mit dem Hül|enteil und deren anderes Ende mit der Elektrode verbunden ist» Die Strebe kann dabei tangential an der Elektrode befestigt sein oder auch radial_s wobei die Elektrode selbst zylindrisch sein kann oder auch eine Mehrzahl ebener Flächen aufweisen kann, an denen Jeweils die Halterungen sii befestigen sind. Aus später noch näher zu erläuternden Gründen können die Streben trapezoide Form aufweisen und sind, vorzugsweise gebogen. Zweckmäßig werden die Streben tangential an der Elektrode befestigt.

Die Erfindung soll nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Pig. IA im Schnitt eine Hochintensitätskurzbogenlampe mit abgedichtetem Bogen gemäß der Erfindung,

Fig. IB eine Vorderansicht der Lampe nach Fig. IA,

Fig. 2 die Vorderansicht einer Bogenlampe gemäß der Erfindung in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3 die Vorderansicht einer Kurzbogenlampe gemäß

der Erfindung in einer weiteren Ausführungsform»

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BAD ORIGINAL

Fig. 4 die Vorderansicht einer weiteren Ausführongs-= form der "Lampe gemäß der Erfindung _s

Fig_e 5 eine weitere Ausführungsform der Lampe gemäß· der- Erfindung und

Figo β in Yorösrsnsiehfc ein© ueltsre lusf UhX³UrIgSf ο ma der Lampe gemäß der- Erfindung»

Pig= 1 zeigt die HoeMßtsnsitätskupsbQgealsinpe gemäß öez= Erfindung mit abgeclahtste:-? Strahlführung_s bsi des= die Elektroden axial sum Lamp3nsti-alii orientiert sineL

Das Lampengehäuse abfaßt einen keramischen schnitt 1O₅ ae3? voPEugsi-sise aus polyk;?istailinsM oxyd besteht, Ein Ende dieses Zylinäerabsehnitts ist mit einem verformbaren Metallring 12 dureli Löten verbunden_s der seinerseits mit einem metallischen Rohrabschnitt 44 verlötet ist, welcher eine sphärische_sellipsoide oder parabolische Form besitzen kann. Der verformbare Metallring dient der Aufnahme von Zugspannungen des Gehäuses„ Die Innenoberfläche des Teiles 44 dient als einstückiger Reflektor 46. Das andere Ende des keramischen Zylinderabschnitts 10 ist mit einem weiteren verformbaren Metallring 18 verlötet _s der seinerseits auf einer Seite in einem festen metallischen Endring 20 verlötet ist. Der Endring ist dann verlötet mit einem weiteren verformbaren Metallring 22, der seinerseits mit einem Flansch eines rohrförmigen festen metallischen Pensterträgers 24 verlötet ist. Wie im Falle des Ringes 12 nehmen die verformbaren Metallringe 18 und 22 Zugspannungen auf. Die Peripherie eines scheibenförmigen Fensters 26, das aus Saphir bestehen kann, ist etwas gegenüber dem Fensterträger 24 zurückgesetzt und in diesem verlötet.

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BAD ORIGINAL

Eine zylindrische metallische Anode 28, die beispielsweise aus Wolfram besteht, ist längs der Achse des keramischen Zylinderabschnitts 10 und des Fensters 26 mittels dreier trapezoidförmiger metallischer Streben 30 angeordnet, die beispielsweise aus Molybdän bestehen können. Eine trapezoide Form anstelle einer rechteckigen Form wird verwendet, um einen bestimmten elektrischen Abstand zu dem Teil 44 zu schaffen, der sich auf dem Potential der Lampenkathode befindet. Jede Strebe weist eine Ausnehmung auf, in die der Endring 22 eingelötet oder eingeschweißt ist. Die Streben bilden elektrisch leitende Pfade zwischen der Anode 28 und dem Endring 20 aus.

Eine zylindrische metallische Kathode 32, die beispielsweise aus thoriertem Wolfram besteht, wird nahe der Anode 28 und in Ausflchtung mit dieser durch einen Metalltopf 34 getragen. Dieser Topf, der einen Teil der abgedichteten Hülle bildet, ist mit der Peripherie einer öffnung des ellipsoiden Teils 44 verlötet oder verschweißt. Ein Absaugstutzen 36 aus Kupfer ragt durch den Topf in den Innenbereich der Hülle. Die Hülle wird mit einem i^isierbaren Gas, beispielsweise Xenon, unter Druck gefüllt. Der Absaugstutzen 36 wird dann verschlossen und damit das unter Druck stehende Gas innerhalb der dichten Hülle eingeschlossen.

Die Fig. 2 bis 6 zeigen alternative Ausbildungen für die Elektrode und die sie haltenden Streben. In Fig. 2 wird eine zylindrische Elektrode 40 von gebogenen Streben 42 getragen, doch ist bei dieser Ausfuhrungsform im Gegensatz zu Fig. IB die innere Kante der Bogenfläche der Streben mit der Elektrode verlötet oder verschweißt. Die beiden Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 besitzen jedoch gemeinsame Merkmale, welche zu der Stabilität der Halterung während thermischer Zyklen betragen: Jede Strebe ist bogenförmig und tangential an der gehaltenen Elektrode befestigt. Wenn die Elektrode und die Streben sich während des beginnenden Lampenbetriebes

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erwärmen, expandieren sie naturgemäß. Wenn ein Ende der Streben senkrecht an der Elektrodenoberfläche befestigt wäre wie im Falle der Elektrode 48 mit den Streben 50 in Fig. 33 würde die thermische Expansionskraft von der Struktur aufzunehmen sein. Wenn die Expansionskraft jeder Strebe dieselbe wäre, behält die Elektrode ihre ursprüngliche Lage relativ zu den anderen Lampenkomponenten bei. Nichtsdestoweniger unterliegt jedoch jede Strebe erheblichen Kompressionsbeanspruchungen, wodurch ihre Stabilität herabgesetzt wird. Darüberhinaus wird nicht jede Strebe in der Praxis die gleiche Ausdehnung aufweisen. Dies beruht teilweise auf der Tatsache, daß der obere Abschnitt der Elektrode und die Streben, die darüber angeordnet sind, heißer werden als die entsprechenden unteren Abschnitte infolge thermischer Konvektion. Dies beruht zugleich auf der Tatsache, daß die Anordnung nur in den seltensten Fällen vollkommen symmetrisch sein wird. Im Ergebnis wird eine Strebe eine größere Expansionskraft auf die Elektrode ausüben als eine andere, und dies wiederum wird veranlassen, daß die Elektrode 48 ihre Stellung in Radialrichtung ändert und damit ihre Stellung relativ zu der anderen Elektrode und zum Brennpunkt des Reflektors. Eine solche Abweichung von der vorbestimmten Stellung der Elektrode beeinträchtigt die Energieumsetzung und die Sammelwirkung der Lampe. Dieses Problem wird gelöst in der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2. Wenn die gebogenen Streben hier einer inneren Expansionskraft ausgesetzt sind, wird diese Kraft aufgenommen durch eine Vergrößerung der Biegung der bogenförmigen Strebe. Diese Ausbildung führt zu einer erheblichen Herabsetzung der Expansionskraft, die in Kompressionskraft umgesetzt wird, so daß die Festigkeit der Halterung aufrechterhalten bleibt. Diese Ausbildung setet außerdem die Expansionskraft der Streben herab, welche auf die Elektrode selbst ausgeübt wird. Dies reduziert natürlich auch die Abweichung der Elektrode von der gewünschten Stellung, die durch Änderungen der Expansionsicraft, welche von den einzelnen Streben ausgeübt wird, hervorgerufen würde. Zusätzlich setzt die Tatsache, daß jede Strebe

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tangential an der Elektrode befestigt ist, die verbleibende Expansionskraft jeder Strebe in ein Drehmoment um, das auf die Elektrode in den Pig. IB und 2 einwirkt, anstatt in radiale Kraft wie bei den Streben 50 nach Fig. 3. Eine gleichförmige Drehung der Elektrode führt nicht zu einer Abweichung ihrer Stellung relativ zu der anderen Elektrode, und zum Reflektor. Obwohl die Drehung in der Praxis wohl nicht genau gleichförmig sein wird infolge einer Abweichung der reduzierten Expansionskraft, die von jeder Strebe auf die Elektrode ausgeübt wird, ist doch eine solche ungleichförmige und radiale Verschiebung relativ gering im Vergleich mit einer radialen Versetzung, die eingeführt würde durch die gleiche Abweichung der Streben voneinander, wenn sie senkrecht zu der Elektrodenoberfläche befestigt wären.

Die in Fig. 3 gezeigte Ausfuhrungsform, bei der drei bogenförmige Streben 50 senkrecht zur Oberfläche der zylindrischen Oberfläche 48 angelötet oder angeschweißt sind, bietet gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 den Vorteil der leichteren Montage beim Anlöten oder Anschweißen der Strebenenden an die Elektrode. Natürlich ist hier der Vorteil der tangentialen Befestigung, wie oben erläutert., nicht mehr gegeben.

Fig. 4 zeigt eine andere Kombination der oben erläuterten Merkmale, bei der drei rechteckige Streben 54 tangential an einer zylindrischen Elektrode 52 befestigt sind. Auch hier ist ein Kompromiß geschlossen zwischen der Auswahl weniger kostspieliger Bauelemente und ihrer Montage einerseits und der entsprechenden Herabsetzung der oben erläuterten Vorteile, die man durch die Anwendung bogenförmiger Streben erzielt.

Die Elektrode braucht nicht, wie oben beschrieben, zylindrisch ausgebildet zu sein. Fig. 5 zeigt beispielsweise

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eine Bogenlampe mit einer langgestreckten Elektrode 56, die axial in Richtung des Lampenstrahles angeordnet ist und in welchem Fall die Elektrode eine sechseckige Querschnittsform besitzt. Drei rechteckige Streben 58 sind mit den ebenen Flächen der sechseckigen Elektrode verlötet oder verschweißt. Diese Anordnung ermöglicht eine einfache Montage und ist sehr stabil. In Fig. 6 ist eine andere ebenfalls hexagonale Elektrode 60 mittels bogenförmiger Streben 62 gehaltert, die mit den ebenen Oberflächen der Elektrode verlötet oder verschweißt sind. Diese Ausführungsform bietet die oben erläuterten Vorteile infolge der bogenförmigen Ausbildung, der tangentialen Befestigung und der einfachen Verlötung oder Verschweißung ebener Flächen.

Bei der vorstehenden Beschreibung ist immer von drei Streben ausgegangen worden, weil dies die minimal erforderliche Anzahl für eine richtige Halterung in jeder Radialrichtung der Elektrode ist, doch kann selbstverständlich eine andere Anzahl von Streben Anwendung finden. Auch können die Streben eine andere als die in den Zeichnungen dargestellte Form besitzen unter Aufrechterhaltung der eingangs erwähnten erfindungsgemäßen Merkmale; entsprechendes gilt für die axial ausgefluchtete Elektrode. ^ _:

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Patentansprüche :

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Claims

Patentansprüche

Elektrische Bogenlampe mit einer abgedichteten Hülle, in der zwei Elektroden in axialer Ausfluchtung und in einem die Bogenlänge definierenden Abstand voneinander angeordnet sind und die ein rohrförmiges Hüllenteil sowie ein optisches Fenster für den Durchtritt des erzeugten Lichts als ein zu den Elektroden paralleles Strahlenbündel umfaßt, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Halterungen für mindestens eine der Elektroden, welche Halterungen jeweils eine metallische Strebe umfassen, deren eines Ende mit dem Hüllenteil und deren anderes ™ Ende mit derElektrode verbunden ist.
2) Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe tangential an der Elektrode befestigt ist.
3) Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe radial an der Elektrode befestigt ist.
¹O Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode zylindrisch ist.
5) Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, λ daß die Elektrode eine Mehrzahl ebener Flächen aufweist, an denen jeweils die Halterungen befestigt sind.
6) Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe eine trapezoide Form aufweist.
7) Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe gebogen ist.
8) Bogenlampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe tangential an der Elektrode befestigt ist.

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9) Bogenlampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe eine äußere gekrümmte und eine innere gekrümmte Oberfläche aufweist und daß ein Teil der äußeren gekrümmten Oberfläche an der Elektrode anliegt.
10) Bogenlampe nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Strebe eine äußere gekrümmte und eine innere gekrümmte Oberfläche aufweist und daß ein Teil der inneren gekrümmten Oberfläche an der Elektrode anliegt.
11) Bogenlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode kreiszylindrische Form besitzt und daß die Mehrzahl von Halterungen drei metallische Streben umfaßt, die mit der Mantelfläche der zylindrischen Elektrode an etwa äquidistanten Punkten verlötet oder verschweißt sind.

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