DE1117743B

DE1117743B - Arc lamp for high energy shock loads

Info

Publication number: DE1117743B
Application number: DEF31783A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1960-07-28
Filing date: 1960-07-28
Publication date: 1961-11-23

Description

Bogenlampe für Stoßbelastung großer Energie Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Erzeugung sehr starker kurzzeitiger Strahlung mittels einer Bogenlampe.Arc lamp for high energy shock loads the subject of the invention is an arrangement for generating very strong short-term radiation by means of a Arc lamp.

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.In order to be able to use a given body surface, e.g. B. for lighting in the context of high-speed photography or for the generation of jerky Exposure to heat rays to generate large amounts of radiation are xenon high-pressure lamps or arc lamps are used. With the Xenon Iochdrucklanipen is for the load of the electrodes and thus for the radiation yield soon given a limit, there With the high filling pressure it is not possible to produce quartz bodies of any size, and because the electrodes sputter so quickly with the required load, that after a few seconds of use the whole device is unusable will. In the case of arc lamps, on the other hand, the greater the power, the Crater diameter, but not its luminance. Both lamps are fed from very powerful rectifiers or samplers. But there for the production so Strong radiation, currents of a few thousand amperes are necessary, more occur Difficulties in switching on and off, which are only significant Have the effort corrected.

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.The disadvantages of fused quartz lamps have already been addressed by a Removable design of the discharge vessels bypassed. However, these are from the point of view extraordinarily short bursts of discharge in the microsecond range and without thermal Load designed so that they are not easily exposed to the highest thermal loads Arc chambers can be used.

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.It is the object of the invention to eliminate these disadvantages and a To create lighting equipment for extremely high illuminance levels, which is Can be operated over a longer period of time, with the complexity of the circuitry Is pressed down to a minimum, so that the operational reliability is particularly high is.

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.According to the invention, this object is achieved in that the ignition takes place with one-sided movable electrode system via the movable electrode by means of a short circuit, while switching off takes place after about a few seconds by lowering the voltage of the collector -under the burning voltage of the arc lamp. The electrodes are briefly touched by a lifting magnet, in the coil of which a capacitor is discharged, the current flowing through the coil has dropped so far after a very short time that the pressure cannot be maintained against the spring preload of the electrode and the electrodes after a short time Touch slowly diverge again. The tungsten electrodes are attached to mounting plates which have a large thermal capacity and which in turn are connected to the base plates, partly resiliently and partly rigidly, with holding elements of poor thermal conductivity. One of the base plates is provided with a filler neck for evacuating or filling the lamp housing with inert gas. To focus the rays, the electrode system is arranged in a manner known per se at the focal point of an elliptical surface mirror with a grained surface. As a collector with sharply decreasing terminal voltage, a known large surface cell system using fiber material is used, the capacity of which can be discharged in a few seconds. B. with 10 () / o the amount of substance is formed. In addition, it is charged by a charging device consisting of a transformer, rectifier, stabilizer, limiting resistor and timer in such a way that a predetermined number of ampere-hours is stored before each shock load, so that the duration of the arc is predetermined by the duration of the charger.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt.The subject of the invention is shown schematically in the drawing.

Fig. 1 zeigt die Bogenlampe im Schnitt mit der dazugehörigen Speiseschaltung; Fig. 2 zeigt eine Schaltung zum Bewegen der Elektroden.Fig. 1 shows the arc lamp in section with the associated feed circuit; Fig. 2 shows a circuit for moving the electrodes.

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.As already mentioned, the lamp is designed to be removable. It consists in detail of the opposing electrodes 1 and 1 a with their base 2, the housing cylinder 15 and the cover or mounting plates 5 and 7 and is optionally provided with holes 4, attached to the base plate 5 . The other electrode 1 is movably and gas-tightly attached to the base plate 7 by the spring body 6. Their axial movement takes place via a linkage 8, which is provided with an iron core 9 at the end facing away from the electrode 1 , in an electromagnetic way by means of a coil 10 surrounding the iron core 9. This movement takes place in such a way that the electrodesjil and la, which are initially at a distance opposite one another, briefly move together and are pulled apart again after the ignition. A suitable switching possibility for this is shown in FIG. 2. The capacitor 11 is discharged into the magnet coil 10 by the switch 12, whereby the iron core 9 is suddenly drawn into it. But since the resistance 13 is too low to hold the iron core 9 in the coil 10, it moves back again. To support this return, a spring 14 is arranged on the linkage 8. A glass or QuarMlinder 15, which is embedded in corresponding grooves in the cover plates 5 and 7 , serves as a cover for the arc lamp. Sealing rings made of silicone rubber in between are expediently used for sealing. The entire arrangement is held together by clamping screws 16. In one base plate, e.g. B. 5, there is a filler neck 17 through which noble gas, preferably krypton, can be blown. Often , however, it is advisable to first evacuate the vessel before filling it with inert gas; a second nozzle can be used for this purpose, or the evacuation also takes place via the filling nozzle 17, which in this case is connected to a vacuum pump 20 via the shut-off valve 19 leading junction 18 is provided. The diameter of the electrodes 1, 1 a is so large, e.g. B. lOmm that they are indeed incandescent during the load shock lasting several seconds, but not yet melt. In order to store a significant amount of heat during these few seconds, the socks12 are made of a material with very good thermal conductivity, e.g. B. silver or copper. Further heat dissipation through radiation is then only a matter of time. The arc between the electrodes 1, 1a itself lies at the focal point of an elliptical mirror 21, which is produced in a known manner as a surface mirror made of aluminum with a grained surface to compensate for the statistical fluctuations of the arc. The beam path is denoted by 22. The object is arranged in the second focal point 23 of the elliptical mirror 21 and is thus located at the location of the concentrated radiation. In this form, a heavy-duty arc lamp is produced which is constructed according to technical and constructional aspects, which can be cleaned quickly and without any effort, and the housing cylinder of which is easily exchangeable.

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.The power supply of this arc lamp is now, contrary to all conventional circuits, not via a circuit breaker for very high currents, but according to the invention it is fed from an accumulator battery 25 with the internal resistor 24, a large surface cell battery being used as the accumulator. Such cells in a suitable design are known (Swedish patent 171579). Fiber material is used for these and they are manufactured by applying silver to a thin copper or plastic braid and then applying silver to this, in the thickness required for the respective number of ampere-hours. It has been shown that such large-surface cells, using fiber material, require approximately 8 g of formed substance per ampere-hour. If you only form 10 % of the substance, i. H. So if 80 g of lead is provided per ampere hour and only 8 g of it is subjected to the formation process, cells are obtained that can be discharged in a few seconds, have an extraordinarily long life of many 10 1000 bursts of discharge, and their total capacity, with the exception of a small remaining one The rest, which is technically insignificant here, is available in seconds. This gives an arrangement in which the arc burns after switching on the discharge circuit due to a short circuit between electrodes 1 and la and reopening, but goes out again by itself, since after the number of ampere-hours stored in the accumulators the voltage drops below the arc voltage. Practical tests have shown that with 80 g of lead substance per cell and 25 cells, i.e. a total of 1.25 kg of lead, a 3-ampere-hour battery with 50 volts voltage is obtained, which can be used with 1000 amps in 10 seconds or with 3000 amps - discharges in about 2.5 seconds. The voltage has dropped from 50 V terminal voltage to around 25 V, so that the arc goes out automatically without a special disconnector.

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.Furthermore, it is possible to give the entire system a graduated and arbitrary time-current character by additionally arranging a resistor to the internal cell resistance 24. In addition, a specially designed and adapted rectifier, consisting of the transformer 26, the rectifier arrangement 27 and a stabilizer 28 as well as a current limiting resistor 29 and the timer 30 is arranged in the circuit. Since the voltage is always kept constant by the stabilizer tube 28, the current is also determined, coordinated by the dimensioning of the limiting resistor 29, and it is possible to store a predetermined number of ampere-hours in the battery 25 by means of the timer 30 , so that the same number of ampere-hours after the end the electrodes 1 and la ün arc is consumed. With this arrangement, at z. B. 50 volts arc voltage and 2000 amps, d. H. 100 kW, about 300,000 candelas, can be generated at the focal point of the elliptical mirror and maintained for several seconds.

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.When used in high speed photography, e.g. B. the Switch 12 of Fig. 2 are coupled to the film starter so that the Arch is pulled apart and lights up at the moment in which the film is also has reached its top speed.

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.The arrangement according to the invention can be used anywhere Extremely high lighting or irradiation intensities with prescribed levels using economical means Total amount of radiation or predetermined Irradiation power during shorter time are required.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Arc lamp for shock loads of high energy with axially arranged electrodes in a cylindrical discharge space, one of which is also axially movable, characterized in that ignition via the movable electrode (1) takes place by means of a short circuit, while switching off by a drop in voltage of the collector (25) takes place under the operating voltage of the arc lamp after about a few seconds.

2. Arc lamp according spoke 1, characterized in that the brief touching of the electrodes (1, la) takes place by a lifting magnet (9) , in the coil (10) of which a capacitor (11) discharges, whose current flowing through the coil after the shortest Time has fallen so far that the pressure cannot be maintained against the spring preload (14) of the electrode (1) and the electrodes slowly separate again after brief contact. 3. Arc lamp according to claims 1 and 2, characterized in that the tungsten electrodes (1 and la) are attached to mounting plates (3, 6) which have a large thermal capacity and which in turn, partly resilient (6), partly rigid (3), with holding members poor thermal conductivity with the base plates (5, 7) are connected. 4. Arc lamp according to claims 1 to 3, characterized in that a base plate (5) for evacuating or filling the lamp housing with noble gas, for. B. Krypton, is provided with a filler neck (17) . 5. sheet sheet according to claims 1 to 4, characterized in that the electrode system is arranged in a known manner ün the focal point of an elliptical surface mirror (21) with a grained surface. 6. An arrangement for operating an arc lamp according to claims 1 to 5, characterized in that a known large surface cell system using fiber material is used as a collector with sharply decreasing terminal voltage, the capacity of which can be discharged in a few seconds. 7. An arrangement for operating an arc lamp according to claims 1 to 6, characterized in that the large surface collector (25) is only incomplete, for. B. with 10 1 / e of the amount of substance is formed. 8. Arrangement for operating an arc lamp according to claims 1 to 7, characterized in that the large surface collector (25) by a charging device consisting of transformer (26), rectifier (27), stabilizer (28), limiting resistor (29) and timer (30), is charged in such a way that a predetermined number of ampere hours is stored before each shock load, so that the duration of the arc is predetermined by the duration of the charger. Documents considered: German Patent No. 856 995; USA. Pat. No. 2,703,374.