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Bogenlampe für Stoßbelastung großer Energie Gegenstand der Erfindung
ist eine Anordnung zur Erzeugung sehr starker kurzzeitiger Strahlung mittels einer
Bogenlampe.
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Um auf einer vorgegebenen Körperoberfläche, z. B. zur Beleuchtung
im Rahmen der Hochgeschwindigkeitsphotographie oder zur Erzeugung von stoßartigen
Belastungen mit Wärinestrahlen, große Strahlungsmengen zu erzeugen, werden Xenon-Hochdrucklampen
oder Bogenlampen benutzt. Bei den Xenon-I-Iochdrucklanipen ist für die Belastung
der Elektroden und damit für die Strahlungsausbeute bald eine Grenze gegeben, da
es bei dem hohen Fülldruck nicht möglich ist, beliebig große Quarzkörper herzustellen,
und weil die Elektroden bei der erforderlichen Belastung so schnell zerstäuben,
daß bereits nach wenigen Sekunden Gebrauchsdauer die ganze Vorrichtung unbrauchbar
wird. Bei den Bogenlampen hingegen vergrößert sich mit zunehmender Leistung der
Kraterdurchmesser, nicht aber dessen Leuchtdichte. Gespeist werden beide Lampen
aus sehr leistungsstarken Gleichrichtern oder Samnilern. Da aber zur Erzeugung so
starker Strahlung Stromstärken von einigen tausend Ampere nötig sind, treten weitere
Schwierigkeiten in der Ein- und Ausschaltung auf, die sich nur über einen erheblichen
Aufwand beheben lassen.
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Die Nachteile abgeschmolzener Quarzlampen wurden bereits durch eine
demontable Ausführung der Entladungsgefäße umgangen. Diese sind jedoch von dem Gesichtspunkt
außerordentlich kurzdauernder Entladungsstöße im Mikrosekundenbereich und ohne therinische
Belastung konzipiert, so daß sie nicht ohne weiteres in thermisch höchstbelasteten
Lichtbogenkammern Verwendung finden können.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen und eine
Beleuchtungseinrichtung für extrem hohe Beleuchtungsstärken zu schaffen, die sich
über eine längere Zeit hinweg betreiben läßt, wobei der schaltungstechnische Aufwand
auf ein Minimum herabgedrückt wird, so daß die Betriebssicherheit besonders hoch
ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Zünden
bei einseitig beweglichem Elektrodensystein über die bewegliche Elektrode mittels
Kurzschluß erfolgt, während das Ausschalten durch Absinken der Spannung des Sammlers
-unter die Brennspannung der Bogenlampe nach etwa einigen Sekunden erfolgt. Das
kurzzeitige Berühren der Elektroden erfolgt hierbei durch einen Hubmagneten, in
dessen Spule sich ein Kondensator entlädt, dessen die Spule durchfließender Strom
nach kürzester Zeit so weit abgesunken ist, daß gegenüber der Federvorspannung der
Elektrode der Andruck nicht aufrechterhalten werden kann und di e Elektroden nach
kurzzeitiger Berührung langsam wieder auseinandergehen. Die Wolfram-Elektroden sind
auf Montageplatten befestigt, die eine große thermische Kapazität haben und die
ihrerseits, teils federnd, teils starr, mit Halteorganen schlechter Wärmeleitfähigkeit
mit den Bodenplatten verbunden sind. Eine der Bodenplatten ist zur Evakuierung bzw.
Füllung des Lampengeläuses mit Edelgas mit einem Füllstutzen versehen. Zur Strahlenbündelung
ist das Elektrodensystem in an sich bekannter Weise im Brennpunkt eines elliptischen
Oberflächenspiegels mit genarbter Oberfläche angeordnet. Als Sammler mit stark absinkender
Klemmenspannung wird ein an sich bekanntes Großoberflächenzellensystern unter Verwendung
von Fasermaterial benutzt, dessen Kapazität in wenigen Sekunden entladen werden
kann, wobei der Großflächensammler nur unvollständig, z. B. mit 10 ()/o der
Substanzmenge, formiert ist. Außerdem wird er durch eine Ladeeinrichtung, bestehend
aus Transformator, Gleichrichter, Stabilisator, Begrenzungswiderstand und Zeitschalter,
derart aufgeladen, daß vor jeder Stoßbelastung eine vorgegebene Amperestundenzahl
eingespeichert wird, so daß die Brenndauer des Lichtbogens durch die Einschaltdauer
des Ladegerätes vorbestimmt ist.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die Bogenlampe im Schnitt mit der dazugehörigen
Speiseschaltung; Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Bewegen der Elektroden.
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Wie bereits erwähnt, ist die Lampe demontierbar ausgeführt. Sie besteht
im einzelnen aus den sich gegenüberstehenden
Elektroden
1 und la mit ihrer Sockelung 2, dem Gehäusezylinder 15 und den Deck-oder
Montageplatten5 und 7. Die eine Elektrodeia ist durch einen Halter3, der
zur _guten Strahlungsableitung aus schlecht wärmeleitfähigem Material und mit großer
Oberfläche hergestellt und gegebenenfalls mit Löchern 4 versehen ist, an der Bodenplatte
5 befestigt. Die andere Elektrode 1 ist beweglich und gasdicht durch
den Federungskörper 6 auf der Sockelplatte 7 befestigt. Ihre axiale
Bewegung erfolgt über ein Gestänge 8, das am der Elektrode 1 abgewandten
Ende mit einem Eisenkern 9 versehen ist, auf elektromagnetischem Wege mittels
einer den Eisenkern9 umgebende Spule10. Diese Bewegung erfolgt in der Weise, daß
sich die zunächst in einem Abstand gegenüberstehenden Elektrodejil und la kurz zusammengefahren
und nach der Zündung wieder auseinandergezogen werden. Eine hierzu geeignete Schaltmöglichkeit
zeigt Fig. 2. Durch den Schalter12 wird der Kondensatorll in die Magnetspule10 entladen,
wodurch der Eisenkern9 stoßartig in sie hineingezogen wird. Da aber der Widerstand13
zu gering ist, um den Eisenkern9 in der Spule10 zu halten, bewegt er sich wieder
zurück. Zur Unterstützung dieser Rückführung ist am Gestänge 8 eine Feder
14 angeordnet. Als Umhüllung der Bogenlampe dient ein Glas- oder QuarMlinder
15, der in entsprechenden Nuten in den Abdeckplatten5 und 7 eingelassen
ist. Zur Dichtung werden zweckmäßigerweise dazwischengelegte Dichtungsringe aus
Silikongummi verwendet. Zusammengehalten wird die gesamte Anordnung durch Spannschrauben
16. In der einen Bodenplatte, z. B. 5, befindet sich ein Füllstutzen
17, durch den Edelgas, vorzugsweise Krypton, eingeblasen werden kann.
Oft ist es aber zweckmäßig, das Gefäß vor der Füllung mit Edelgas zunächst
zu evakuieren, dazu kann ein zweiter Stutzen verwendet werden, oder aber es erfolgt
die Evakuierung ebenfalls über den Füllstutzen 17, der für diesen Fall mit
einer über den Absperrhahn 19 zur Vakuumpumpe 20 führenden Abzweigung
18 versehen ist. Der Durchmesser der Elektrodenl, la ist so groß, z. B. lOmm,
daß sie während des mehrere Sekunden andauernden Belastungsstoßes zwar weißglühend
werden, aber noch nicht schmelzen. Um eine nennenswerte Wärmemenge schon während
dieser wenigen Sekunden zu speichern, werden die Socke12 aus einem Material sehr
guter Wärmeleitfähigkeit, z. B. Silber oder Kupfer, hergestellt. Eine weitere Wärmeabführung
durch Strahlung ist dann nur eine Frage der Zeit. Der Lichtbogen zwischen den Elektroden
1, la selbst liegt im Brennpunkt eines elliptischen Spiegels 21, der in bekannter
Weise als Oberflächenspiegel aus Aluminium mit genarbter Oberfläche zur Ausgleichung
der statistischen Schwankungen des Lichtbogens, hergestellt ist. Der Strahlengang
ist mit 22 bezeichnet. Im zweiten Brennpunkt 23 des elliptischen Spiegels
21 ist das Objekt angeordnet, welches sich damit am Ort der konzentrierten Strahlung
befindet. In dieser Form ergibt sich eine nach technisch-konstruktiven Gesichtspunkten
aufgebaute, hochbelastbare Bogenlampe, die sich schnell und ohne jede Mühe reinigen
läßt, und deren Gehäusezylinder leicht auswechselbarist.
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Die Stromversorgung dieser Bogenlampe erfolgt nun, entgegen allen
üblichen Schaltungen, nicht über einen Trennschalter für sehr hohe Stromstärken,
sondern gemäß der Erfindung wird sie aus einer Akkumulatorenbatterie 25 mit
dem inneren Widerstand 24 gespeist, wobei als Akkumulator eine Großoberflächenzellenbatterie
verwendet wird. Derartige Zellen in geeigneter Ausführung sind bekannt (schwedische
Patentschrift 171579). Bei diesen wird Fasermaterial verwendet und sie werden
hergestellt, indem auf einem dünnen Kupfer- oder Kunststoffgeflecht Silber und auf
dieses Silber Blei aufgebracht wird, in einer für die jeweilige Amperestundenzahl
erforderlichen Stärke. Es hat sich gezeigt, daß derartige Großoberflächenzellen
unter Verwendung von Fasermaterial ungefähr 8 g formierte Substanz
je Amperestunde benötigen. Wenn man nur 10 % der Substanz formiert,
d. h. also pro Amperestunde 80 g Blei vorsieht und davon nur
8 g dem Formierungsprozeß unterzieht, so erlangt man Zellen, die in wenigen
Sekunden entladen werden können, eine außerordentlich hohe Lebensdauer von vielen
10 1000 Entladungsstößen aufweisen, und deren gesamte Kapazität somit bis
auf einen kleinen verbleibenden Rest, der hier technisch bedeutungslos ist, in Sekunden
zur Verfügung steht. Damit erhält man eine Anordnung, bei der nach Einschalten des
Entladungskreises durch Kurzschluß zwischen den Elektroden 1 und la und Wiederöffnung
der Lichtbogen brennt, von selbst aber wieder erlischt, da nach der in den Akkumulatoren
gespeicherten Amperestundenzahl die Spannung unter die Brennspannung des Lichtbogens
sinkt. So ergaben praktische Versuche, daß bei 80 g Bleisubstanz pro Zelle
und 25 Zellen, das heißt insgesamt eine Bleimenge von 1,25 kg, eine
3-Amperestunden-Batterie mit 50 Volt Spannung erhalten wird, die sich mit
1000 Ampere in 10 Sekunden oder mit 3000 Ampere -
in
etwa 2,5 Sekunden entladen läßt. Dabei ist die Spannung von 50 V Klemmenspannung
auf etwa 25 V gesunken, so daß der Bogen automatisch ohne einen besonderen
Trennschalter verlischt.
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Weiterhin gelingt es, durch zusätzliche Anordnung eines Widerstandes
zum Zelleninnenwiderstand 24 der ganzen Anlage einen abgestuften und willkürlichen
Zeit-Strom-Charakter zu verleihen. Außerdem ist in der Schaltung ein besonders ausgebil,
deter und angepaßter Gleichrichter, bestehend aus dem Transformator 26, der
Gleichrichteranordnung 27 und einem Stabilisator 28 sowie einem Strombegrenzungswiderstand
29 und dem Zeitschalter 30 angeordnet. Da durch die Stabilisatorröhre
28 die Spannung stets konstant gehalten wird, ist, abgestimmt durch die Dimensionierung
des Begrenzungswiderstandes 29,
auch der Strom festgelegt, und es gelingt,
durch den Zeitschalter 30 eine vorgegebene Amperestundenzahl in die Batterie
25 einzuspeichem, so daß dieselbe Amperestundenzahl nach Schluß der Elektroden
1
und la ün Bogen verbraucht wird. Mit dieser Anordnung konnten bei z. B.
50 Volt Bogenspannung und 2000 Ampere, d. h. 100 kW, etwa
300 000 Candela im Brennpunkt des elliptischen Spiegels erzeugt und für mehrere
Sekunden aufrechterhalten werden.
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Bei Anwendung in der Hochgeschwindigkeitsphotographie kann z. B. der
Schalter 12 der Fig. 2 mit der Filmstarteinrichtung gekoppelt werden, so daß der
Bogen auseinandergezogen wird und in dem Augenblick leuchtet, in dem auch der Film
seine Höchstgeschwindigkeit erreicht hat.
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Die Anordnung nach der Erfindung läßt sich überall da verwenden, wo
mit sparsamen Mitteln extrem hohe Beleuchtungs- oder Bestrahlungsstärken vorgegebener
Strahlungsgesamtmenge oder vorgegebener
Bestrahlungsleistung während
kürzerer Zeit erforderlich sind.