DE10127974A1 - Gasentladungslampe - Google Patents

Abstract

Es wird eine Gasentladungslampe mit mindestens einer kapazitiven Einkoppelstruktur (10, 10') beschrieben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Einkoppelstruktur (10, 10') zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes mit einer Frequenz unterhalb von etwa 50 MHz in der Weise vorgesehen ist, dass sie durch ein Metallelement (101, 101') mit einer dieses zumindest im Bereich eines Entladungsraums umgebenden dielektrischen Schicht (102, 102') gebildet ist, die weniger als etwa 100 mum dick ist. Es hat sich überraschend gezeigt, dass mit einer solchen Einkoppelstruktur ein Betrieb bei niedrigen Frequenzen möglich ist, für die effiziente Vorschaltgeräte zur Verfügung stehen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass diese Einkoppelstruktur im Vergleich zu bekannten Einkoppelstrukturen für Frequenzen unterhalb von etwa 50 MHz eine nur minimale Lichtabschattung aufweist. Aus diesen beiden Gründen ist die Effizienz des Gesamtsystems wesentlich höher als bei bekannten Lampen dieser Art.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit mindestens einer kapazitiven Ein­ koppelstruktur.

Gasentladungslampen dieser Art sind im allgemeinen aus einem Entladungsgefäß mit zwei Elektroden gebildet, die in das Gefäß eingeschmolzen sind. In dem Gefäß befindet sich ein Entladungsgas. Zur Anregung einer Gasentladung durch Emission von Elektronen sind verschiedene Betriebsarten bekannt.

Abgesehen von der Erzeugung der Elektronen an sogenannten heißen Elektroden durch Glühemission oder durch Ionenbeschuss (ioneninduzierte Sekundäremission) kann die Gasentladung insbesondere durch Emission von Elektronen in einem starken elektro­ magnetischen Feld hervorgerufen werden. Bei einer kapazitiven Betriebsart werden kapa­ zitive Einkoppelstrukturen als Elektroden verwendet. Diese Elektroden sind aus einem dielektrischen Material gebildet, das einerseits Kontakt zu dem Entladungsgas hat und andererseits elektrisch leitfähig mit einem äußeren Stromkreis verbunden ist. Durch eine an die Elektroden angelegte hochfrequente Wechselspannung wird in dem Entladungs­ gefäß ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, in dem sich die Elektronen bewegen und in bekannter Weise eine Gasentladung anregen.

Aus der WO 94/10701 ist eine solche Entladungslampe bekannt, bei der die Elektroden in Form von Stiftelektroden ausgebildet sind, die in einen Entladungsraum hineinragen und mit einer dielektrischen und gasundurchlässigen Ummantelung versehen sind. Damit soll einerseits das HF-Feld im Zentrum des Entladungsraums konzentriert werden, so dass die Wechselwirkung zwischen dem Gas und der Wand des Entladungsgefäßes möglichst gering ist. Andererseits soll dadurch vermieden werden, dass das Entladungsgas durch Elektroden­ material verschmutzt bzw. die Elektroden durch das Entladungsgas angegriffen oder zer­ stört werden. Aufgrund der geringen Kapazität der Stiftelektroden liegt die Frequenz des HF-Feldes hier vorzugsweise bei mehr als 50 MHz, wobei bei dieser Entladungslampe aus Gründen der Gasdynamik möglichst hohe Frequenzen angestrebt werden.

Als nachteilig wird hierbei jedoch die Tatsache angesehen, dass zum Betrieb einer solchen Lampe ein Vorschaltgerät erforderlich ist, das insbesondere bei hohen Frequenzen einen relativ geringen Wirkungsgrad aufweist und somit zu Verlusten führt.

Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, eine Gasent­ ladungslampe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Gesamtwirkungsgrad wesentlich besser ist.

Weiterhin soll eine Gasentladungslampe geschaffen werden, die auch mit Entladungsgasen betrieben werden kann, die einen hohen Anteil an aggressiven Verbindungen bzw. Elementen aufweisen, ohne dass dadurch die Elektroden übermäßig angegriffen und die Lebensdauer der Lampe wesentlich verkürzt werden.

Schließlich soll auch eine Gasentladungslampe geschaffen werden, bei der die Gefahr von Schäden auf Grund von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien im Betriebszustand weitgehend beseitigt ist.

Die Lösung erfolgt mit einer Gasentladungslampe mit mindestens einer kapazitiven Ein­ koppelstruktur, die sich gemäß Anspruch 1 dadurch auszeichnet, dass die Einkoppel­ struktur zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes mit einer Frequenz unterhalb von 50 MHz in der Weise vorgesehen ist, dass sie durch ein Metallelement mit einer dieses zumindest im Bereich eines Entladungsraums umgebenden dielektrischen Schicht gebildet ist, die weniger als etwa 100 µm dick ist.

Die Vorteile dieser Lösung liegen einerseits darin, dass ein Betrieb der Gasentladungslampe auch mit Frequenzen von zum Beispiel 2,65 MHz oder darunter möglich ist und damit Vorschaltgeräte verwendet werden können, die bei diesen Frequenzen Effizienzen von über 90 Prozent aufweisen. Andererseits kann die Einkoppelstruktur sehr klein ausgebildet werden, so dass nahezu keine Lichtabschattung auftritt. Diese beiden Eigenschaften führen zu einer erheblichen Steigerung des Gesamtwirkungsgrades der Lampe.

Da die Lampe auf Grund der das Metallelement umgebenden dielektrischen Schicht auch mit chemisch sehr aggressiven Entladungsgasen betrieben werden kann, können darüber hinaus die mit solchen Gasen im allgemeinen erzielbaren sehr guten lichttechnischen Eigenschaften realisiert werden, ohne die Lebensdauer der Lampe wesentlich zu beein­ trächtigen.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Die Ausführungen gemäß den Ansprüchen 2 und 7 bieten sich aus Gründen der einfachen Herstellung und Montage der Einkoppelstruktur sowie der besonders geringen Lichtab­ schattung an.

Die in Anspruch 3 angegebenen Materialien für die dielektrische Schicht haben sich im Hinblick auf ihre Temperaturfestigkeit und ihre relativ hohe Dielektrizitätskonstante als vorteilhaft erwiesen.

Die in den Ansprüchen 4 bis 6 angegebenen Materialien für die Wand des Entladungs­ gefäßes, die dielektrische Schicht sowie das Metallelement haben jeweils im wesentlichen gleiche temperatur-gemittelte thermische Ausdehnungskoeffizienten, so dass die Gefahr von Schäden durch unterschiedliche Ausdehnungen der betreffenden Komponenten der Lampe im Betrieb mit diesen Materialkombinationen nahezu ausgeschlossen ist.

Eine Gasentladungslampe in Kombination mit einem Vorschaltgerät nach Anspruch 8 hat schließlich besondere wirtschaftliche Vorteile, da Vorschaltgeräte für den genannten Frequenzbereich sehr kostengünstig herstellbar sind.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Teildarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Gasentladungslampe weist ein im wesentlichen rohrförmiges Ent­ ladungsgefäß 1 zum Beispiel aus Quarzglas auf, das einen Entladungsraum 2 mit einem Entladungsgas umschließt. An seinen gegenüberliegenden axialen Enden ist das Gefäß 1 jeweils mit einer kapazitive Einkoppelstruktur 10, 10' versehen, über die die von einer Quelle mit einem Vorschaltgerät 3 erzeugte hochfrequente elektromagnetische Energie in das Entladungsgas eingekoppelt wird, um eine Gasentladung anzuregen.

Das Entladungsgas beinhaltet bevorzugt folgende Elemente sowie Verbindungen und Mischungen daraus: Schwefel, Selen, Tellur, die Halogenide von Titan, Zirkonium und Hafnium, die Halogenide bzw. Oxihalogenide von Niob und Tantal, die Halogenide bzw. Oxihalogenide von Molybdän und Wolfram, Re₂O₇, Stoffe mit Halogenid-Anteilen der Elemente Aluminium, Indium, Quecksilber und Titan, Stoffe mit Halogen-Anteilen, sowie Chalkogenide von Silizium, Germanium, Selen und Blei. Der Vorteil von daraus zusam­ mengesetzten Entladungsgasen besteht darin, dass sie eine sehr hohe Effizienz und/oder eine hohe Farbwiedergabetreue aufweisen.

Bei der ersten Ausführungsform sind die Einkoppelstrukturen 10, 10' gemäß Fig. 1 durch jeweils einen Metallstab 101, 101' gebildet, der zumindest im Bereich des Ent­ ladungsgefäßes, d. h. dort, wo er dem Entladungsgas ausgesetzt ist, mit einer dünnen, insbesondere weniger als 100 µm dicken dielektrischen Schicht 102, 102' beschichtet ist.

Bei der zweiten Ausführungsform, von der in Fig. 2 nur der Bereich einer Seite der Gas­ entladungslampe dargestellt ist, weisen die ebenfalls kapazitiven Einkoppelstrukturen 11 eine Metallfolie 111 auf, die mit einem Anschlussstift 112 zur Zuführung elektromagne­ tischer Energie verbunden ist. Oberhalb und unterhalb der Metallfolie befindet sich jeweils eine dünne, insbesondere weniger als 100 µm dicke dielektrische Schicht 113, 114, die zusammen die Metallfolie 111 vollständig umschließen.

Die Einkoppelstrukturen 10, 10'; 11 sind dabei zur kapazitiven Einkopplung eines hoch­ frequenten elektromagnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz unterhalb von 50 MHz und insbesondere bei 2,65, 13 oder 27 MHz in das Entladungsgas vorgesehen.

Im Gegensatz zu den bekannten Einkoppelstrukturen, die bei so niedrigen Frequenzen eine große Fläche haben (zum Beispiel hohlzylindrische Einkoppelstrukturen, die den Entladungsraum zumindest teilweise umgeben), dadurch eine hohe Abschattung bewirken und eine Effizienz des Gesamtsystems von nur etwa 60 Prozent ermöglichen, verursachen die erfindungsgemäßen Einkoppelstrukturen eine wesentlich geringere oder fast gar keine Abschattung.

Darüber hinaus schützen die dielektrischen Schichten 102, 102'; 113, 114 die Metallstäbe 101, 101' bzw. die Metallfolie 111 vor den chemisch sehr aggressiven Entladungsgasen der oben genannten Art, so dass die Lebensdauer der Lampe dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Ein weiterer Vorteil dieser Einkoppelstrukturen besteht darin, dass Vorschaltgeräte einge­ setzt werden können, die bei den genannten niedrigen Frequenzen eine hohe Effizienz aufweisen.

Die Entladungsgefäße 1 weisen ferner gemäß den Fig. 1 und 2 an ihren axialen Enden jeweils eine im wesentlichen rohrförmige Verlängerung 103, 103'; 115 auf, in der sich jeweils eine der Einkoppelstrukturen 10, 10'; 11 befindet. Diese sind mit Schmelzglas 104, 104' darin gasdicht befestigt bzw. eingeschmolzen. Die Einkoppelstrukturen sind auf diese Weise gegenüber dem Entladungsgefäß 1 zurückversetzt angeordnet und ragen nur mit ihrem freien Ende in dieses hinein. Dies hat den Vorteil, dass die Abschattung durch die Einkoppelstrukturen besonders gering ist.

Für die dünnen dielektrischen Schichten 102, 102'; 113, 114 werden solche Materialien verwendet, die einen besonders effizienten Betrieb mit Frequenzen unterhalb von 50 MHz und insbesondere bei 2,65, 13 bzw. 27 MHz ermöglichen. Die Schichten haben dabei eine Dicke von weniger als 100 µm. Mit einer solchen Einkoppelstruktur können sehr hohe Gesamteffizienzen (Lampe und Vorschaltgerät) erreicht werden. Dies gilt insbesondere bei einer Frequenz von 2,65 MHz, für die Vorschaltgeräte mit über 90 Prozent Effizienz zur Verfügung stehen.

Als dielektrische Materialien haben sich allgemein folgende Elemente und Verbindungen als besonders vorteilhaft erwiesen: die Oxide von Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Scandium, Yttrium, Lanthan, Seltenerdoxide, die Oxide von Titan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Niob, Tantal, Chrom, Aluminium und Silizium, sowie die Nitride von Aluminium, Gallium, Indium und Silizium oder deren Oxinitride sowie dielektrische Sulfide bzw. Selenide. Auch Kombinationen dieser Materialien sind möglich, wie zum Beispiel MgTiO₃ (ε_r = 12), CaTiO₃ (ε_r = 168), SrTiO₃ (ε_r= 300).

In der folgenden Tabelle 1 sind verschiedene dielektrische Materialien mit ihrem Siede­ punkt, der ein Maß für die Temperaturfestigkeit darstellt, sowie ihrer Dielektrizitäts­ konstanten ε_r und dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α angegeben:

Tabelle 1

Bei der Auswahl der Materialien ist darauf zu achten, dass diese eine möglichst große Dielektrizitätskonstante und eine für die betreffende Lampe ausreichende Temperatur­ festigkeit aufweisen. Außerdem müssen die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metallstabes beziehungsweise der Metallfolie und des Dielektrikums näherungsweise übereinstimmen, da andernfalls die Gefahr besteht, dass sich Risse in der dielektrischen Schicht bilden.

Weiterhin muss das Material der dielektrischen Schicht 102, 102'; 113, 114 und des Metallstabes 101, 101' bzw. der Metallfolie 111 die Bedingung erfüllen, dass der temperatur-gemittelte thermische Ausdehnungskoeffizient näherungsweise dem Ausdeh­ nungskoeffizienten des Entladungsgefäßes 1 entspricht, da andernfalls die Gefahr besteht, dass an der Übergangsstelle zwischen dem Entladungsgefäß und der dielektrischen Schicht Risse entstehen. Unter diesem Gesichtspunkt haben sich als Wandmaterial für das Ent­ ladungsgefäß neben Quarz und DGA (Al₂O₃) auch AIN und YAG (Y₃Al₅O₁₂) als geeignet erwiesen.

In Tabelle 2 sind einige - unter dem Gesichtspunkt möglichst gleicher thermischer Aus­ dehnungskoeffizienten besonders vorteilhafte - Materialkombinationen für die Wand des Entladungsgefäßes 1, die dielektrischen Schichten 102, 102', 113, 114, sowie das Metall der Metallstäbe 101, 101' bzw. der Metallfolie 111 angegeben.

Tabelle 2

Mit diesen Materialkombinationen ist auch bei sehr starken Temperaturschwankungen die Gefahr von Schäden durch unterschiedliche Ausdehnungen der genannten Teile weit­ gehend ausgeschlossen.

Claims (8)

1. Gasentladungslampe mit mindestens einer kapazitiven Einkoppelstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelstruktur (10, 10', 11) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes mit einer Frequenz unterhalb von 50 MHz in der Weise vorgesehen ist, dass sie durch ein Metallelement (101, 101'; 111) mit einer dieses zumindest im Bereich eines Entladungsraums (2) umgebenden dielektrischen Schicht (102, 102'; 113, 114) gebildet ist, die weniger als etwa 100 µm dick ist.

2. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallelement durch einen in einen Entladungsraum (2) hineinragenden Metallstab (101, 101') oder eine Metallfolie (111) gebildet ist.

3. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht aus einem oder mehreren der folgenden Materialien gebildet ist: Oxide von Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium, Scandium, Yttrium, Lanthan, Seltenerdoxide, Oxide von Titan, Zirkonium, Hafnium, Thorium, Niob, Tantal, Chrom, Aluminium und Silizium, Nitride von Aluminium, Gallium, Indium und Silizium oder deren Oxinitride sowie dielektrische Sulfide bzw. Selenide.

4. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Wand eines Entladungsgefäßes der Lampe Al₂O₃, als Material für die dielektrische Schicht Al₂O₃ oder Dielektrika mit TiO₂, Y₂O₃, ZrO₂, HfO₂, CeO₂, ThO₂, Cr₂O₃ oder Seltenerdoxide, und als Material für das Metallelement Niob, Platin, Tantal oder Rhenium vorgesehen ist.

5. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Wand eines Entladungsgefäßes der Lampe Quarz, als Material für die dielektrische Schicht Ta₂O₅ oder SiO₂, oder Si₃N₄ und als Material für das Metallelement eine Molybdän- oder Wolfram-Folie vorgesehen ist.

6. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Wand eines Entladungsgefäßes der Lampe AIN, als Material für die dielektrische Schicht AIN oder Mischungen aus HfO₂ und Ta₂O₅ und als Material für das Metallelement Molybdän oder Wolfram vorgesehen ist.

7. Gasentladungslampe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen rohrförmiges Entladungsgefäß (1), das an seinen axialen Enden jeweils eine Verlängerung (103, 103'; 115) aufweist, in der jeweils eine der Einkoppelstrukturen (10, 10; 11) angeordnet ist, so dass diese nur im Bereich ihres freien Endes in das Entladungsgefäß hineinragen.

8. Gasentladungslampe nach Anspruch 1 mit einem Vorschaltgerät zur Erzeugung einer Versorgungsspannung für die Lampe mit einer Frequenz von weniger als etwa 50 MHz aus einer allgemeinen Netzspannung.