DE2936544A1

DE2936544A1 - Elektrodenlose lampenanordnung

Info

Publication number: DE2936544A1
Application number: DE19792936544
Authority: DE
Inventors: Paul O Haugsjaa; Jerry Kramer; William H Mcneill
Original assignee: GTE Laboratories Inc
Current assignee: Verizon Laboratories Inc
Priority date: 1978-09-11
Filing date: 1979-09-10
Publication date: 1980-03-20
Also published as: JPS5539190A; FR2435812A1; GB2030762A; GB2030762B; CA1124312A; NL7906090A; FR2435812B3; US4206387A

Description

Elektrodenlose Lampen sind potentiell für extrem große Lebensdauern geeignet, weil keine Notwendigkeit besteht, daß die Bogenentladung in Kontakt mit irgendeinem Material steht, seien es Elektroden (da keine vorhanden sind) oder der Lampenkolben.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß Figur 1 weist eine Lichtquelle eine nicht dargestellte Quelle für hochfrequente Energie auf, eine elektrodenlose Lampe 10 und eine Anschlußhaiterung 12, die mit der Quelle gekoppelt ist, beispielsweise mit einem Koaxialkabel, das einen Innenleiter 14 und einen Außenleiter 16 aufweist. Hier und im folgenden soll unter "Hochfrequenz" Frequenzen im Bereich allgemein zwischen 100 MHz und 300 GHz verstanden werden. Vorzugsweise liegt die Frequenz im ISM-Band (d. h. das Industrie-, Wissenschaft- und Medizin-Band) das zwischen 902 MHz und 928 MHz liegt. Eine besonders bevorzugte Frequenz ist 915 MHz. Eine der vielen kommerziell verfügbaren Energiequellen, die hier verwendet werden kann, ist AIL Tech Power Signal Sou. re, Type 125. Die Lampe weist einen Kolben 10 aus einer lichtdurchlässigen Substanz, beispielsweise Quarz, auf. Der Kolben schließt ein flüchtiges Füllmaterial ein, das bei Anregung eine lichtemittierende Entladung liefert. Mehrere bekannte Füllmaterialien können verwendet werden, die eine Hochdruckentladung liefern.

Die Erfindung betrifft verbesserte Seltenerdhalogenid-Kontinua, die eine elektrodenlose Lampe mit einer Anschlußhaiterung relativ zu Lichtquellen, die bei niedrigen Frequenzen mit Elektroden betrieben werden, zeigt. Dank des synergistischen Effekts zwischen der Seltenerdhalogenidfüllung in der Lampe und der von der Anschlußhaiterung angeregten elektrodenlose Lampe wird die spektrale Verteilung der Strahlung kräftig geändert. Diese unerwartete, verbesserte molekulare Strahlung ergab nunmehr die Gelegenheit, elektrodenlose Entladungslampen mit vielen einzigartigen Charakteristiken herzustellen.

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Gemäß Figur 1 weist eine Anschlußhaiterung 12 einen Innenleiter 14 und einen Außenleiter 16 auf. Wie dargestellt, ist der Außenleiter 16 um den Innenleiter 14 herum angeordnet. Die Leiter haben aktive Teile in der unmittelbaren Nachbarschaft der elektrodenlosen Lampe 10, die dazu geeignet sind, Energie zur Lampe zu koppeln, um die Anregung zu liefern, und entgegengesetzte Enden, die dazu geeignet sind, mit der Quelle gekoppelt zu werden. Die Halterung 12 weist als Bogenformungseinrichtung eine Spule 18 auf, die direkt am Innenleiter 14 befestigt ist. Die Spule 18 liefert ein elektrisches Feld im Bereich der Lampe in einer axialen Richtung mit Bezug auf den Innenleiter 14, oder mit Bezug auf die Achse der Spule 18.

Als ein Beispiel zeigt Figur 1 eine "football"-förmige Lampe, d. h. eine Lampe in Form eines gestreckten Sphäroids, die eine Seltenerdflillung enthält, deren Details später beschrieben werden. Die Spule 18 kann aus Nickelrohr von 0,060 Zoll (1,52 Millimeter) gebildet sein. Der Lampendurchmesser am größten Punkt kann 18,3 Millimeter betragen mit einer Wandstärke von 1 mm (wobei die Lampe aus Quarz besteht) und einer Länge von Spitze zu Spitze von 40 Millimetern.

Statt dessen kann die Lampe auch zylindrische Konfiguration haben. Die Spule 18 kann aus Wolframdraht bestehen. Der Durchmesser der elektrodenlosen Lampe 10 kann 10 Millimeter betragen mit einer Länge von 30 Millimetemund einer Wandstärke von 3 Millimetern.

Im Grundsatz weist die elektrodenlose Lampeneinrichtung eine elektrodenlose Lampe 10 mit einem elektrodenlosen, lichtdurchlässigen Kolben zur Aufnahme einer Füllung auf, die eine Seltenerdverbindung enhält. Eine Anschlußhaiterung, die den Innenleiter 14 und den Außenleiter 16 aufweist, ist dazu geeignet, einen elektrischen Zustand zu erzeugen, mit dem die Füllung angeregt wird, indem sie elektrodenlos mit dem Kolben gekoppelt wird.

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Die Füllung kann Quecksilber und ein Edelgas, beispielsweise Argon, enthalten. Vorzugsweise ist die Seltenerdverbindung ein Seitenerdhalogenid, wie Dysprosiumiodid oder Holmiumiodid. Die Füllung kann ein Quecksilberhalogenid enthalten, beispielsweise Quecksilberbrom d.

Bei einer Ausführungsform kann die Füllung mit 10 Torr Argon Chemikalien in folgender Beziehung aufweisen:

Hg 1,0 Mikroliter DyI₃ 2,45 Milligramm Hol- 2,30 Milligramm HgBr₂ 3,50 Milligramm CsI 2,30 Milligramm

Bei einer zweiten Ausführungsform kann die Füllung mit 10 Torr Argon Chemikalien mit folgender Beziehung aufweisen:

Hg 1,2 Mikroliter NdI₃ 2,0 Milligramm DyI₃ 2,35 Milligramm CsI 2,20 Milligramm

Bei einer dritten Ausführungsform kann die Füllung mit 10 Torr Argon Chemikalien mit folgender Beziehung aufweisen:

Hg 1,1 Mikroliter Pr 0,8 Milligramm DyI₃ 2,15 Milligramm HgI₂ 2,90 Milligramm CsI 2,60 Milligramm HgBr₂ 3,65 Milligramm

Bei einer vierten Ausführungsform kann die Füllung mit 10 Torr Argon Chemikalien mit folgender Beziehung enthalten:

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Hg 1,2 Mikroliter Yb 2,90 Milligramm CsCl 1,55 Milligramm HgCl₂ 4,45 Milligramm

Wie bereits erwähnt, sind Seltenerdhalogenid-Lampen mit Elektroden bekannt. Die spektrale Energieverteilung einer solchen mit Elektroden versehenen Lampe, deren Füllung aus Hg/DyI₃/HoI-/CsI/HgBr₂/Ar besteht, mit einer Auflösung von 20 AE ist in Figur 1 dargestellt, wo wegen der schlechten Auflösung die einzelnen Atomlinien der seltenen Erden nicht in Erscheinung treten.

Unten in Figur 3 ist die spektrale Energieverteilung von einer elektrodenlosen Lampe in einer Anschlußhaiterung, die im wesentlichen die gleiche quantitative Füllung enthält, dargestellt. Die elektrodenlose Lampe weist im Verhältnis zur Lampe mit Elektroden einen großen Anteil Strahlung auf, der bei etwa 6OG? AE zentriert ist. Spektren mit höherer Auflösung zeigen, daß diese Emission bei etwa 6000 AE entweder von echten Seltenerdhalogenid-Kontinua herrührt oder von vielen überlappenden Seltenerdhalogenid-Banden, die wie Kontinua aussehen. (Der Einfachheit der Beschreibung halber wird der Ausdruck "Kontinuum" bzw. "Kontinua" zur Beschreibung beider Möglichkeiten verwendet.) Wenn auch ein kleiner Anteil von molekularen Kontinua in der mit Elektroden versehenen Seltenerdelampe vorhanden ist, so ändern doch die erheblich verstärkten Seltenerdhalogenid-Kontinua in der elektrodenlosen Lampe die Charakteristiken der Lampe derart, daß die Färbtemperatür von 5961° K

für die Lampe mit Elektroden auf 3439° K für die elektrodenlose Lampe fällt. Zusätzlich erhöht das verstärkte Seltenerdhalogenid-Kontinuum bei etwa 6000 AE die Lichtausbeute der elektrodenlosen Lampe relativ zu der Lampe mit Elektroden, weil die Spitze der spektralen Lichtempfindlichkeit des Auges bei etwa 5550 AE liegt.

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Sowohl bei elektroi⁴enlosen Lampen als auch bei Lampen mit Elektroden kann das radiale Temperaturprofil durch eine parabolische oder Gauss'sehe Funktion approximiert werden, und reicht von einer Wandtemperatur von etwa 1000° K bis zu einer Achsentemperatur von etwa 5000° K, und dann zurück auf Wandternperatur. An der Wand existiert das Seltenerdhalogenid als Tri-Halogenid und verliert mit wachsender Temperatur progressiv Halogen, bis im Kern des Bogens freie Seltenerdatome überwiegen. Im Mantel des Bogens bei etwa 3000° K bis 4000⁰K können Seltenerd-Monohalogenide und vielleicht Dihalogenide existieren und wegen ihrer besetzten angeregten Zustände Molekularstrahlung emittieren. Die Molekularstrahlung kommt also von den kühleren Mantelbereichen der Lampe. Ein wichtiger Teil der molekularen Seltenerdhalogenid-Strahlungen in einer elektrodenlosen Lampe kommt von den Enden der Lampe. An den Enden der Lampe muß die Achsentemperatur auf die Wandtemperatur fallen. Dieser kühlere Übergangsbereich ist sehr effektiv hinsichtlich der Erzeugung von Molekularstrahlung. Zusätzlich gewährleisten die Bogenformungsmöglich^iten der Anschlußhai terung niedrige elektrische Feldstärken an den Enden der Lampe und vergrößern das Volumen in diesem Übergangsbereich beträchtlich. Bei einer Lampe mit Elektroden existieren die Endeffekte nicht, weil der Bogen an den Elektroden endet. Zur Unterstützung dieses Satzes hinsichtlich der Endeffekte ist darauf hinzuweisen, daß eine elektrodenlose Seltenerdhalogenidlampe, bei der das oboie und das untere Drittel der Lampe maskiert war, eine Farbtemperatur von 4520 K hatte, während die ganze Lampe eine Farbtemperatur von 3445 K hatte.

Die Verwendung von Seitenerdhalogenid-Füllungen in elektrodenlosen Lampen kombiniert die hohe Ausbeute und gute Farbwiedergabe der Atomlinien von seltenen Erden mit der inhärenten guten Farbwiedergabe eines Kontinuums. Wegen des starken überwiegens von Seltenerdlinien im Blauem neigen Seltenerdlampen mit Elektroden dazu, eine hohe Farbtemperatur zu haben. Die Hinzufügung des molekularen Kontinuums erlaubt niedrigere Farbtemperaturen (warmes Licht). Alle Seltenerdhalogenide zeigen molekulare Kontinua in einer elektrodenlose Lampe.

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Einige individuelle Seitenerdhalogenide haben Kontinuumstrahlung, die den gesamten sichtbaren Bereich überdeckt, während andere individuelle Seltenerdhalogenide Kontinuumstrahlung haben, die sich prinzipiell in einem Bereich des Spektrums befindet. Durch Kombination von mehr als einem Seltenerdhalogenid in der Lampe kann die Strahlung in unterschiedlichen Spektralbereichen verbessert v/erden. Die Verwendung unterschiedlicher Halogenide, beispielsweise Cl oder Br oder Kombinationen kann die Kontinuumsstrahlung in unterschiedliche Teile des Spektrums verschoben werden (die Fähigkeit, die Strahlung zu verschieben, kann das Farbgleichgewicht der Lampe deutlich beeinflussen) Die Verwendung von Chloriden in einer elektrodenlosen Lampe bietet keine Probleme, da Wolframelektroden fehlen. Es können Fluoride verwendet werden, wenn die Stabilität der Seltenerdfluoride und Quecksilberfluoride an den Lampenwänden höher ist als atomisches oder molekulares Fluor. Das Fehlen von Elektroden legt nahe, daß die elektrodenlosen Seitenerdhalogenidlampen nach der Erfindung deutlich höhere Lebensdauer, deutlich geringere Änderungen der Farbtemperatur und gute Beibehaltung des Lichtstroms haben sollten.

Die Erfindung ermöglicht, kompakte elektrodenlose Lampen mit hoher Leuchtdichte als Lichtquellen für den sichtbaren Bereich mit ausgezeichneter Farbwiedergabe,hoher Ausbeute und variabler Farbtemperatur herzustellen. Lampen, die vorwiegend Strahlung in einen Teil des sichtbaren Spektrums emittieren, können für spezielle Anwendungen konstruiert werden. Die Verbesserung der Molekularstrahlung kann auf andere Metall haiogenidfüllungen erweitert werden. In einer Lampe, die Hg/ScCiyCsCl/Ar enthielt, wurden Molekularbanden von ScCl beobachtet.

Im Grundsatz betrifft die Erfindung eine Lichtquelle, in der effektiv zwei getrennt bekannte Komponenten ausgenutzt werden: eine elektrodenlose Lampe und eine Seltenerdfüllung. Jede Komponente war getrennt bekannt. Durch Verwendung einer Seltenerdfüllung in einer elektrodenlosen Lampe wurde jedoch ein unerwartetes, synergistisches Resultat erhalten.

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Normalerweise wird mit der gleichen Füllung (sofern sie keine seltene Erde enthält) die gleiche Entladungsart mit einer elektrodenlosen Lampe erhalten wie mit einer Lampe mit Elektroden. Wie jedoch oben erwähnt, sind die Resultate bei einer Seltenerdfüllung im Vergleich zwischen einer Lampe mit Elektroden und einer elektrodenlosen Lampe dramatisch.

Eine Entladung mit Elektroden erstreckt sich nicht über die Spitzen der Elektrode hinaus. Das ganze Volumen hinter einer elektrodenlosen Entladung kann jedoch effektiv dazu ausgenutzt werden, Licht zu emittieren.

Die Verwendung von unterschiedlichen Typen von seltenen Erden und unterschiedlichen Typen von Halogeniden ist als neu anzusehen. Als bevorzugte Ausführungsform ergibt die Verwendung von Caesiumiodid oder Caesiumhalogenid zum Modifizieren der Temperaturverteilung und zum Verbessern der Flüchtigkeit der seltenen t.~de einen erwünschten Betrieb.

Effektiv sind Quecksilber und Argon erwünscht, um die Entladung einzuleiten und um die Lampe auf Betriebsdruck zu bringen. Die Seltenerde wird hinzugefügt, um die erwünschte Emission oder die erwünschte Farbe zu ergeben.

Sachlich werden erfindungsgemäß verschiedene Merkmale verwendet: Zunächst eine Füllung mit einer elektrodenlosen Lampe, bei der die Füllung eine Kontinuumsstrahlung ergibt, zweitens, es wird eine Hochdruckentladung erhalten; drittens wird die Entladung mit Mikrowellen angeregt, und viertens kann die Lampe in einer speziellen Art angeregt werden, beispielsweise Feldformung (vergleiche beispielsweise US-PS 3 942 058; 3 942 068; und 3 943 404).

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Wie oben bereits erwähnt worden ist, wird Quecksilber für eine Hochdruckentladung benötigt, Argon wird dazu verwendet, die Entladung einzuleiten, und ein Seltenerdhalogenid wird dazu verwendet, atomische plus molekulare Emission zu erhalten. Die Resultate werden mit der Hinzufügung von Caesiumhalogenid verbessert, im Grunde werden jedoch nur Quecksilber, Argon und ein Seltenerdhalogenid benötigt. Quecksilberhalogenid ist nicht notwendig. Wenn Quecksilberbromid mit Holmiumiodid kombiniert wird, und elektrodenlos angeregt wird, ergibt sich eine molekulare Emission sowohl von Holmiumbromid als auch Holmiumiodid. In ähnlicher Weise ergibt sich bei Mischung von Quecksilberbromid mit Dysprosiumiodid und elektrodenloser Anregung molekulare Emission von Dysprosiumiodid und Dysprosiumbromid. Es wird also ein breiteres Kontinuum erreicht. Um das Spektrum in irgendeinem gewünschten Grade an einen speziellen Fall anzupassen, können die verschiedensten Kombinationen von Seltenerdhalegoniden verwendet werden.

Seltenerdchloride werden wegen der Flüchtigkeit gegenüber Seltenerdfluoriden bevorzugt. Es wird auch angenommen (wenn es auch nicht sicher ist), daß eine oder mehrere der Seltenerdfluoride Quarz angreifen (der normalerweise als Lampenkolben verwendet wird.) Ein weiteres Problem liegt darin, daß die Wandtemperatur auf eine Temperatur heißer als die Schmelztemperatur von Quarz angehoben werden muß, um einen Dampfdruck zu erreichen, der für die Fluoride hoch genug ist, und zwar wegen ihrer geringen Flüchtigkeit. Es könnten jedoch andere Kolbenmaterialien verwendet werden, beispielsweise Tonerde.

Obwohl eine Lampe mit Elektroden mit einer Seltenerdfüllung ein einigermaßen breites Spektrum ergibt, wie in Figur 2 dargestellt, so neigt doch die elektrodenlose Lampe mit einer Seltenerdfüllung zu einer Spitze bei etwa 6000 AE, so daß sich ein Licht ergibt, das das einer Glühlampe angenähert ist, was für viele Zwecke vorteilhaft ist, wo eine solche Farbwiedergabe erwünscht ist, beispielsweise bei der Fernsehstudiobeleuchtung.

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Weitere Variationen ergeben sich für den Fachmann von selbst, ohne sich vom Grundgedanken der Erfindung zu entfernen.

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Claims

G7 P32 D Patentansprüche

1. Elektrodenlose Lampenanordnung, bestehend aus

a) einer Füllung, die eine Seltenerdverbindung enthält;

b) einem elektrodenlosen, lichtdurchlässigen Kolben zur Aufnahme der Füllung; und

c) einer elektrodenlos mit dem Kolben gekoppelten Anregungseinrichtung, die dazu geeignet ist, einen elektrischen Zustand zur Anregung der Füllung zu erzeugen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung eine Anschlußhaiterung ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußhai terung Feldformkoppler aufweist, die einen breiten Bogen anregen, der einen Abschluß am Kolben vermeidet.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung zusätzlich Quecksilber und ein Edelgas enthält.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Argon ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdverbindung ein Seltenerdhalogenid ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdverbindung Dysprosiumiodid ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Seltenerdverbindung Holmiumiodid ist.

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9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung ein Quecksilberhalogenid enthält.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung HgBr- enthält.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung Hq/Oyl JHoI JCsl/Hcßr JHr enthält.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung bei 10 Torr Argon Chemikalien in folgenden Beziehungen enthält:

Hg 1,0 Mikroliter

DyI₃ 2,45 Milligramm

HoI₃ 2,30 Milligramm

^HgBr2 3,50 Milligramm

CsI 2,30 Milligramm

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung Hg/NdI₃/DyI₃/CsI/Ar enthält.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung bei 10 Torr Argon Chemikalien in folgender Beziehung enthält:

Hg 1,2 Microliter

NdI₃ 2,0 Milligramm

DyI₃ 2,35 Milligramm

CSI 2,20 Milligramm

15. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung

enthält.

.../A3

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-MT-

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung bei 10 Torr Argon Chemikalien in folgender Beziehung enthält:

Hg 1,1 Mikroliter Pr 0,8 Milligramm DyI₃ 2,15 Milligramm HgI₂ 2,90 Milligramm CsI 2,60 Milligramm HgBr₂ 3,65 Milligramm

17. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung Hg/Yb/CsCl/HgCl₂/Ar enthält.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung bei 10 Torr Argon Chemikalien in folgenden Beziehungen enthält:

Hg 1,2 Mikroliter Yb 2,90 Milligramm CsCl 1,55 Milligramm HgCl₂ 4,45 Milligramm

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