Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Niederdruckedelgasentladungslampen mit
Glühkathoden, die Elektroden enthalten, von denen mindestens eine
während des Betriebes der Lampe als Glühkathode wirkt.
Hintergrund der Erfindung
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Für eine Entladungslampe, die als Lichtquelle für
Büroautomationseinrichtungen dient, ist es von großer Bedeutung, daß ihre
Leuchtdichte über die ganze Länge gleichmäßig ist.
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Beim Stand der Technik, der sich mit Verbesserungen der
Leuchtdichteverteilung von Entladungslampen beschäftigt, beschreibt zum
Beispiel die japanische Offenlegungsschrift (KOKAI) 57-11465 (1982)
ein System, bei dem Elektrodenglühwendeln bis zur Weißglut
aufgeheizt werden, um Licht auszustrahlen, um so die
Leuchtdichteverringerung zu kompensieren, die insbesondere an Endabschnitten der
Lampe aufzutreten pflegt.
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Bei dem genannten Stand der Technik ist es jedoch erforderlich, die
Elektrodenglühwendeln auf eine Farbtemperatur von 2600 bis 3200ºK
aufzuheizen; es ist darum ein weiteres Glühwendelpaar notwendig, um
die Entladung bei den hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten, d.h.
die Lampe im Betrieb zu halten. Bei diesem Stand der Technik ist
also eine erhöhte Anzahl von Bauelementen von Elektrodenstruktur
erforderlich, was diese sehr kompliziert und zu einem komplizierten
Herstellungsprozeß sowie Kostensteigerungen führt.
Beschreibung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine
Niederdruckedelgasentladungslampe mit Glühkathode zu schaffen, deren Lebensdauer nicht
verkürzt ist, die einen unkomplizierten, üblichen Elektrodenaufbau
aufweist, die eine Leuchtdichteverteilung über fast die gesamte
Lampenlänge erreicht, die für die praktische Anwendung der Lampe als
Lichtquelle für Büroautomationseinrichtungen zu befriedigenden
Ergebnissen führt und die verbesserte
Leuchtdichteverteilungseigenschaften erreicht.
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Zur Lösung der genannten Aufgabe wird eine
Niederdruckedelgasentladungslampe mit Glühkathode nach dieser Erfindung vorgeschlagen, wie
sie in Anspruch 1 offenbart ist.
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Die Niederdruckedelgasentladungslampe mit Glühkathode nach der
Erfindung, bei der mindestens eine der Elektroden während des
Leuchtbetriebes auf nicht unter 800ºC aufgeheizt wird, unterscheidet
sich von einer allgemein bekannten, mit Quecksilber gefüllten
Entladungslampe dadurch, daß günstige Entladungsbedingungen zwischen
den an beiden Enden des Glaskolbens vorgesehenen Elektroden erreicht
werden und außerdem die obere Grenze der Heiztemperatur auf nicht
über 1200ºC eingestellt ist, was eine Verkürzung der Lebensdauer der
Lampe sicher verhindert. Die Verbesserung der Leuchtdichteverteilung
und die Wirkung auf die Lebensdauer sind durch Versuchsdaten
bestätigt worden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer
Niederdruckedelgasentladungslampe mit Glühkathode nach
einer Ausführungsform der Erfindung;
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Figur 2 zeigt ein charakteristisches Diagramm der
Leuchtdichteverteilung einer Quecksilberdampflampe;
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Figur 3 zeigt ein charakteristisches Diagramm der
Leuchtdichteverteilung der Lampe nach dieser Erfindung;
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Figur 4 zeigt ein charakteristisches Diagramm des Verhältnisses
von Glühwendeltemperatur und Lebensdauer der Lampe und
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Figur 5 zeigt ein charakteristisches Diagramm der
Leuchtdichteverteilung einer Lampe, wenn diese an Gleichstrom
angeschlossen ist.
Bestes Verfahren zur Ausführung der Erfindung
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In Figur 1 ist eine teilweise geschnittene Darstellung einer
Niederdruckedelgasentladungslampe mit Glühkathode nach der Erfindung
dargestellt, die einen Öffnungsfensterabschnitt aufweist. Mit 1 ist
ein Glaskolben mit einem Außendurchmesser von 15,4 mm und einer
Wandstärke von 0,7 mm bezeichnet; auf der inneren Umfangsfläche des
Glaskolbens 1 ist eine Reflektionsschicht 2 aufgebracht.
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Die Reflektionsschicht 2 ist mit einer Phosphorschicht 3 überzogen,
die einen grünen Phosphor, GP&sub1;G&sub1;, ein Produkt der Kasei Optonix Ltd,
enthält.
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In einem gemeinsamen Abschnitt von Phosphorschicht 3 und
Reflektionsschicht 2, der sich in Längsrichtung des Glaskolbens 1
erstreckt, ist ein Öffnungsfensterabschnitt 8 mit einer Breite von
2 mm vorgesehen, wo weder die Phosphorschicht 3 noch die
Reflektionsschicht 2 vorhanden ist. Der Öffnungsfensterabschnitt 8 ist bis
zur Oberfläche des Glaskolbens 1 frei.
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Im Glaskolben 1 sind links und rechts, bzw. an beiden Enden
Elektroden 4 angeordnet (in Figur 1 ist lediglich eine der Elektroden 4
dargestellt).
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Eine Elektrode 4 enthält zwei Zuführdrähte 6, die in einem Stumpf 5
am Endabschnitt des Glaskolbens 1 gasdicht versiegelt sind. Mit den
Zuführdrähten 6 ist eine Glühwendel 7 aus Wolfram verbunden.
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Diese Glühwendel 7 ist eine sogenannte Dreifachwendel, die durch das
Wendeln einer Doppelwendel hergestellt wird; sie ist mit einem
Elektronen emittierenden Material beschichtet.
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Der Abstand zwischen den an den Enden des Glaskolbens 1 angeordneten
Elektroden 4 beträgt 260 mm.
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Der Glaskolben 1 ist mit einem Gasgemisch aus 10 % Xe und 90 % Ne
unter einem Druck von 3 Torr gefüllt.
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An beiden Enden des Glaskolbens 1 sind innen Getter 9 angeordnet,
die Gasverunreinigungen, die während der Lebensdauer der Lampe
auftreten, adsorbieren. Ein Getter ist in Figur 1 dargestellt.
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Die Niederdruckedelgasentladungslampe nach einer Ausführungsform der
Erfindung, die wie oben beschrieben aufgebaut war, wurde über eine
Sinuswellen-Stromversorgung von 40 kHz angeschaltet, um den
Glühkathodenbetrieb zu starten.
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Die Leuchtdichtecharakteristika der Entladungslampe wurden durch
Experimente gemessen.
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Für diese Versuche wurden eine Niederdruckedelgasentladungslampe und
eine mit Quecksilber gefüllte Entladungslampe (nachfolgend
Quecksilberdampflampe genannt) getrennt vorbereitet und deren
Leuchtdichteeigenschaften miteinander verglichen.
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In Figur 2 ist die Leuchtdichteverteilung der Quecksilberdampflampe
dargestellt, wobei der Leuchtdichtewert durch einen Wert dargestellt
wird, der sich auf die im Zentrum vorhandene und als 100 definierte
Leuchtdichte bezieht.
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Aus der Figur 2 ist zu ersehen, daß die Leuchtdichteverteilung der
Quecksilberdampflampe über im wesentlichen den gesamten
Zentralbereich des Glaskolbens 1 gleichmäßig ist, daß die Leuchtdichte in
jedem der Außenbereiche von etwa der Mitte der Elektrode 4 aus in
Richtung des Glaskolbenendes jedoch stark abnimmt. In den Figuren
ist es zwar nicht dargestellt, aber diese Tendenz blieb unverändert
bestehen, unabhängig davon, ob die Glühwendeln 7 der Elektroden 4
auf eine Temperatur nicht unter 800ºC oder gar nicht aufgeheizt
wurden.
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In Figur 3 ist die Leuchtdichteverteilung der
Niederdruckedelgasentladungslampe nach einer Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Die Leuchtdichte ist durch einen Wert dargestellt, der sich auf die
Leuchtdichte im Zentralabschnitt bezieht, welche Leuchtdichte als
100 definiert wurde, wie dies in Figur 2 der Fall war. Die
Leuchtdichteverteilung bei Aufheizung der Glühwendel der Elektroden 4 auf
800ºC ist in Figur 3 durch eine durchgezogene Linie dargestellt, die
Leuchtdichteverteilung bei Aufheizung der Glühwendeln auf 500ºC
durch eine gepunktete Linie und die Leuchtdichteverteilung bei nicht
aufgeheizten Wendeln durch eine Strichpunktlinie. Alle
Leuchtdichteverteilungen weisen insofern die gleiche Tendenz auf wie die der
Quecksiiberdampflampe nach Figur 2, als die Leuchtdichte von der
Position jeder Elektrode 4 in Richtung auf den Endabschnitt des
Glaskolbens 1 stark zurückgeht.
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In Figur 3 ist jedoch eine wellenartige Leuchtdichteschwankung
dargestellt, die in der Nähe jeder Elekrode 4 einen Maximalwert
erreicht und von der Elektrode zur Mitte des Glaskolbens 1 hin
allmählich abflacht. Die Verteilungscharakteristika von
Quecksilberdampflampe nach Figur 2 und Niederdruckedelgasentladungslampe nach
Figur 3 unterscheiden sich also hinsichtlich der
Leuchtdichteverteilung stark voneinander. Bei ansteigender Wendeltemperatur werden
die Unterschiede in der Wellenhöhe bei der wellenartigen
Leuchtdichteschwankung nach Figur 3 unterdrückt. Die Länge des
Zentralabschnittes von Glaskolben 1, der sich zwischen den Punkten
erstreckt an denen eine Leuchtdichteverminderung um 20 % - gemessen
an der Leuchtdichte im Zentralabschnitt - zum ersten Mal eintritt,
wird im nachfolgenden als "wirksame Länge" bezeichnet. Die wirksame
Länge wird über die Wendeln hinaus näher an das Kolbenende
ausgedehnt, wenn die Wendeltemperatur der Elektroden 4 nicht unter 800ºC
liegt. ist die Wendeltemperatur geringer als 800ºC, so ist die
wirksame Länge kleiner als der Abstand zwischen den Elektroden 4,
was ein Nachteil für den praktischen Einsatz der Lampe ist.
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Daraus wird klar, daß die Leuchtdichteverteilung verbessert wird,
wenn die Glühwendeln der Elektroden 4 auf nicht unter 800ºC
aufgeheizt werden. Überstieg jedoch die Erhitzungstemperatur der
Glühwendeln 1200ºC, so nahm die Verdampfung des Elektronen emittierenden
Materials deutlich zu, was eine Verkürzung der Lebensdauer der Lampe
ergab.
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Basierend auf den Ergebnissen der oben genannten Versuche wird nach
der Erfindung die Aufheiztemperatur der Elektroden während des
Leuchtbetriebes auf einen Bereich von 800ºC bis 1200ºC eingestellt;
diese Einstellung ist das charakteristische Merkmal dieser
Erfindung.
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In Figur 4 ist das Verhältnis von Glühwendeltemperatur der
Elektroden zur Lebensdauer dargestellt, basierend auf den oben genannten
Versuchsergebnissen; dabei ist die Lebensdauer durch einen Wert
dargestellt, der sich auf die bei einer Wendeltemperatur von 800ºC
erreichten Lebensdauer als Wert 100 bezieht. In diesem Fall wurden
die Glühwendeln der Elektroden konstant aufgeheizt und die Lampe
wurde in einem zweiminütigen Beleuchtungszyklus betrieben, d.h. sie
war eine Minute eingeschaltet und eine Minute lang ausgeschaltet.
Die Lebensdauer wurde dabei als beendet festgesetzt, wenn die
tatsächliche Beleuchtungszeit endete, wenn die Lampe nicht mehr
angeschaltet werden konnte. Die Versuchsergebnisse zeigen deutlich,
daß eine Glühwendeltemperatur von über 1200ºC die Lebensdauer
verkürzt und darum unerwünscht ist.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wurden
Leuchtdichteverteilung und Lebensdauer im Verhältnis zur Glühwendeltemperatur für
Fälle beschrieben, wo die Niederdruckedelgasentladungslampe von
einer Wechselstromquelle von 40 kHz gespeist wurde. Die Erfinder
haben bestätigt, daB die gleichen Wirkungen auch zu erzielen sind,
wenn die Niederdruckedelgasentladungslampe von einer
Gleichstromquelle gespeist wird.
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In Figur 5 sind die Ergebnisse von Messungen der
Leuchtdichteverteilung dargestellt, wenn die Niederdruckedelgasentladungslampe
entsprechend der obigen Ausführungsform von Gleichstrom gespeist
wurde und eine Kolbenspannung von 80 V vorlagen. In diesem Fall
wurden beide Enden des Elektrodenglühfadens einer Elektrode
kurzgeschlossen, und diese Elektrode wurde ohne Aufheizen als Anode
eingesetzt. Die andere Elektrode wurde durch Aufheizen auf 540ºC
oder 800ºC, wie in dem bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel,
als Kathode eingesetzt. So wurde die Leuchtdichteverteilung
gemessen.
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Aus den Meßergebnissen geht auch für Gleichstrombetrieb hervor, daß
die unregelmäßige Leuchtdichteverteilung an den
Glaskolbenendabschnitten während des Leuchtbetriebes von der Temperatur der
Elektrode abhängt und mit einer Mehrzahl von dunklen Flächen
korrespondiert, die zwischen der Elektrode und der positiven Säule erzeugt
werden, während die Elektrode als Kathode betrieben wird.
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Das gleiche Phänomen wurde beobachtet, wenn anstelle des Glühfadens
eine Anode, eine einfache Elektronen aufnehmende Vorrichtung ohne
Heizeinrichtung, beispielsweise ein Stab aus Wolfram, wie er
üblicherweise als Kaltkathode verwendet wird, verwendet wurde.
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Eine Verbesserung der Leuchtdichteverteilung wird beobachtet, wenn
die Glühfadentemperatur auf nicht unter 800ºC während des
Leuchtbetriebes eingestellt ist. Wird also die Glühfadentemperatur vor
Beginn des Leuchtbetriebes auf nicht unter 800ºC angehoben, so ist
eine verbesserte Leuchtdichtverteilung unmittelbar nach dem Starten
der Lampe zu erreichen. Da es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine
Entladungslampe zu schaffen, die zur Verwendung als Lichtquelle in
Büroautomationseinrichtungen geeignet ist, kann von der oben
erwähnten Quecksilberdampflampe nach Figur 2 gesagt werden, daß sie vom
Standpunkt der Leuchtdichteverteilungseigenschaften ebenfalls
wirksam ist.
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Der Startvorgang der Quecksilberdampflampe geht jedoch langsam vor
sich; außerdem ergeben sich bei dieser Lampe weitere Probleme, weil
sie durch die Umgebungstemperatur beeinflußt wird usw.. Die
Quecksilberdampflampe ist darum von dieser Erfindung ausgeschlossen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel wurde auf die Elektrode 4 mit Glühwendel
Bezug genommen; die gleichen Ergebnisse sind jedoch auch mit
indirekt aufgeheizten, gesinterten oder anderen Elektroden ohne
Glühwendel zu erwarten.
Industrielle Anwendbarkeit
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Wie oben beschrieben wurde, ist in der
Niederdruckedelgasentladungslampe mit Glühkathode nach der Erfindung eine Elektrodentemperatur
im Bereich von 800ºC bis 1200ºC durch Aufheizen während des
Leuchtbetriebes eingestellt. Die erfindungsgemäße Entladungslampe mit
üblichem, einfachem Leuchtenaufbau zeigt verbesserte
Leuchtdichteverteilungseigenschaften, ohne daß die Lebensdauer verkürzt wäre,
und ist zur Verwendung als Lichtquelle in
Büroautomationseinrichtungen geeignet.