DE1639112A1

DE1639112A1 - Dampfentladungslampe fuer photochemische Zwecke

Info

Publication number: DE1639112A1
Application number: DE19681639112
Authority: DE
Inventors: Johnson Peter Dexter
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-03-17
Filing date: 1968-03-06
Publication date: 1970-03-26
Also published as: US3484640A; DE1639112B2; GB1222834A

Description

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Taunucitr. iQ l cc-isch 3011 ° ^F' ^"· --¹^? A'" rj ϊ η 1

QeneraX EXectrlc Company, 1 River Road,-Sqhenectady, M.Y,,USA Dampfentladung«Xampe für photochemische Zwecke Die Erfindung besieht sich auf DampfentXadungsXa@pen» und im

besonderen auf solche DampfentXadungeXampen, dieselektiv Strah-

"■■".■■■■·.-■■*■ ο Xung im WeXXenXänRengebiet zirischen 2800 unü .3400 k emittieren, die also Strahlung abgeben, die photochemiseh besonders wirksam ist.

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Bisher wurden für photochemis'che Zwecke hauptsächlich Quecksilberdampflampen verwendet, und zwar, vorzugsweise Niederdruck- oder Mitteldruckdampflampen. Ein wesentlicher Teil der Strahlung eines Hitteldruck-Quecksllberbogens liegt jedoch beispielsweise bei Wellenlängen, die länger als 3400 8 sind und bis ins sichtbare Licht hineinreichen, so daß ein Queck-Silberlichtbogen für photochemische Zwecke, ziemlich unwirtschaft lich 1st. Der Grand hierfür liegt darin,daß von der gesamten emittierten Strahlung notwendigerweise ein recht erheblicher Teil für photochemische Zwecke verloren geht. Dieses braucht in einigen Fällen kein Machteil zu sein»obwohl es einen Energieverlust darstellt. In solchen Fällen jedoch, in denen der photochemisch, wertlose Anteil der Strahlung Störungen und Beeinträchtigungen hervorrufen kann, ist es notwendig, Filter su benutzen, um dle.sen stehenden Strahlungsanteil aussufiltern. Dadurch wird aber die gesamte Lampe für photochemische Zwecke teuerer und komplizierter.

Eine Aus führung» form der Erfindung, beinhaltet eine Lampe mit einem Lampenkolben, der für ultraviolettes Lieht durchlässig ist. Innerhalb des Kolbens sind in einem gewissen Abstand voneinander zwei Elektroden angeordnet. Der Kolben 1st mit einem Zündgas gefüllt,d» unter einem gewissen Druck steht, sowie mit

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einer gewiesen Menge eines verdampfbareh Metallli&logenldes, ausgenommen eines Metallfluorides. Diese Metallhalogenide können beispielsweise Halogenide von Zink und/oä@r Kadmium sein. Die Metallhalogenide werden in einer solchen Menge zugefügt, daß sieh nach einer teilweisen oder vollständigen Verdampfung bei der Betriebstemperatur der Lampe, die in der Größenordnung von 400⁰C liegt, innerhalb der Lampe ein Halogenid-Partialdruck zwischen 0,1 und 10 torr einstellt. Der Druekbereieh für den Partialdruck zwischen 0,2 und 1 torr wird hierbei bevorzugt»

Wenn üei bei der Inbetriebnahme der Lampe eine ausreichend hohe Spannung an die Elektroden anlegt ,wird das Zflnägasionisiert. Dadurch wird innerhalb der Lampe eine Glimmentladung unterhalten, durch die das Metal!halogenid verdampft, das vorher in nicht-verdampfter Form in der Lampe vorlag« Wenn eine ausreichende Menge des Metallhalogenides verdampft ist, bildet sich eine Glimmentladung aus,die von angeregten MetallhalogenidmoIekülen unterhalten wird. Dabei werden die charakteristischen Spektralbänder der angeregten Metallhalogenide mit hoher Intensität emittiert,diezwischen 2800 S und 3^00 S liegen und für photochemische Zwecke außerordentlich gut geeignet sind.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden«.

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Figur i ist ein Querschnitt durch eine Lampe für phötochemlsche Zwecke nach der Erfindung·

Figur 2 se igt die Spektral verteilung eines Molekülspektruras eines Metallhalogenide, das bei der Durchführung der Erfindung verwendet werden kann. ...

In Fig. 1 ist eine Lampe für photoehemisehe Zwecke nach der Erfindung dargestellt. Diese Lampe weist einen äußeren, evakuierbaren Kolben 1 auf, der für ultraviolettes Licht durchlässig ist. Dieser Kolben . 1- kann aus Pyrexglas oder einem anderen Glas hergestellt sein, das bei hohen Temperaturen die notwendige Festigkeit besitzt und ultraviolettes Licht durchläßt. Der Kolben 1 ist auf einen Schraubsockel 2 aufgesetzt, der ge trennte elektrische Anschlüsse 3 und U aufweist. Der Kolben enthält ein Gasentladunggefaß 5, das aus einem ultraviolett durchlässigen Material hergestellt sein kanni das bei hohen Temperaturen betrieben; werden kann. Beispiele für solche Materialien sind Quarz, Vycor, Lucälox oder Yttriuinoxyd hoher Dichte· . ■'"■-■.*·. ^; ' ' iy - - "..."■■'. ■ ■■,

Das Gasentladungsgefäß 5 ist als Röhre mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet und mit Hilfe von Quetschdichtungen 6und abgedichtet worden. Durch die Quetschdichtungen sind die Zuleitun-

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Ken zu den Elektroden hindurchgeführt. Die Quetschdichtungen dienen einmal dazu, das Gasentladungfaß 5 hermetisch abzudlebten, wenn es aus einer Röhre hergestellt wird. Oleichzeitig werden die notwendigen^;Zuleitungen und die Elektroden in den QuetschdlchtunpeiT starr gehaltert.

Innerhalb des Oasentladunßsgefiißes 5 sind swe$ Elektroden 8 und 9 angeordnet, die in einemgewissen Abstand voneinander an den beiden Enden des Gaeentladungsgefä&es sitzen. Die Elektroden 8 und 9 können auf übliche Weise als Wendeln au® Wolfram ausgebildet sein. Sie können aber auch aus thorlertera Wolfram oder aus Wolfram mit einem Stückchen Thorium bestehen_o Auch die Ausbildung der Elektroden als Doppelwendel Ist möglich. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden 8 und J ist so grofi, daß sich bei den Betriebspartialdrucken des Metallhalogenide· innerhalb des Qasentladunfrsgefäßes eine Glimmentladung swischen den Elektroden ausbilden kann, wenn man die passenden Spannungen zuführt. Wahrend des Betriebs wird die Olimmentladung ▼on den verdampften Met al !halogeniden aufrechterhalfeeii. Durch die Verhältnisse in der Glimmentladwnir werden die Metallhalogenidmoleküle in angeregte Zustände gebracht, von denem aus Strahlungsflbergänge möglich sind. Dabei werden die charalrt«rietischen Spektren der entsprechenden Metallhalogenidmoleköle abgestrahlt, so dafc Licht mit hoher Intensität entsteht, das aufgrund seiner

Wellanlilngen photochemlsch besonders wirksam l3fc.Dle Elektroden 0 und 9 sitzen auf Zuleitungen iO und il, die vakuumdicht durch die Quetschdlchtunnen 6 und 7 hindurchgeführt sind. An einem Ende des Gasentladungsgefäßes 5 kann noch eine Zündelektrode 12 angeordnet sein. Diese Zündelektrode 12 ist ebenfalls vakuumdicht durch die Quetschdichtung 6 des Gasentladunssgefäßes 5 hindurchgeführt. Die Zündelektrode 12 ist über einen Widestand 13 mit der einen Zuleitunp 1*1 verbunden, die auf dem gleichen Potential wie die Zuleitung 15 liegt. Beide Zuleitungen sind mit dem gleic hen Anschluß des Sockels 2 verbunden. Abstelle der Zündelektrode 12 kann man zum Zünden der Lampe auch andere Möglichkeiten benutzen» Man kann beispielsweise einen Hochspannungsimpuls dafür verwenden, das Zündgas anfänglich zu ionisieren.

Das GasentladungsgefSa 5 ist innerhalb des äußeren Lampenkolbens mit Hilfe zweier einfacher Klammern 16 und IT gehaltert, die von der Zuleitung 15 ausgehen, die gleichzeitig als Halterung dient. Die Klammern 16 und 17 sind mechanisch um die Quetschdichtungen 6 und 7 des Gasentladunggeffißes herumgelegt worden. Die untere Klammer 16 1st zwischen den Zuleitungen 14 und 15 befestigt worden, die gleichzeitig als Halterungen dienen. Die obere Klammer 17 ist zwischen die Zuleitung 15 und eine nach unten hängende Halterung 18 gesetzt worden, die einen eingestülpten Teil 20 oben im Lampenkolben 1 bei 19 seitlich umfaßt. Dieser eingestülpte Teil 20 dient dazu, das obere Ende der Zuleitung 15 su ver-

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ankern. Die eine Elektrode 9 ist mit der Zuleitung 15 verbunden, während die andere Elektrode 8 über eine aißane Zuleitung 21 mit dem anderen Anschluß des Lampensockels 2 in Verbindung steht. Der Raum wvlsehen dem Lampenkolben 1 und dem Qasentladungsgeffiß 5 ist evakuiert oder mit einem ultraviolettdurchlässigen inerten Gas oder mit Stickstoff unter niedrigem Druck gefüllt, um Wärmeverluste des Gasentladungsgefäßes 5 möglichst klein zu halten. Dadurch ist sichergestellt,daß die Betriebstemperatur des Gasentladungsgefäßes 5 aufrecht erhalten wird.

Das OassntlÄdungsgefäß 5 1st mit einem Zündgas gefüllt, dessen PartÄLdruek so gewählt 1st, daß es nach Anlegen der Betriebsspannungen ioniÄrt wird,so daß sich eine Glimmentladung ausbilden kann« Der Partialdruck des Zündgases liegt zweckmäßigerweise zwischen 10 torr und 500 torr, vorzugsweise zwischen 20 und 50 torr. Als.Zündgas wird vorzugsweise Xenon verwendet, da die Ionisierungsspannungen von Xenon verhältnismäßig niedrig, sind. Man kann Jedoch als Zündgas auch andere Gase wie Argon oder Krypton verwenden. Außer Xenon als Zündgas enthält das Gaaentladungsgefäß 5 noch eine gewisse Menge eines verdampfbaren Halogenides in Form eines Metall3alzes / die mit 22 bezeichnet ist. Fluoride sollen ausgeschlossen werden. Zweckmäßigerweise werden Zink- oder Kaämiumhalogen!de verwendet, obwohl man auch

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andere verdampfbare Halogenide benutzen kann, sofern sie aufgrund ihrer Dampfdruckkurve, ihrer Anregungspotentiale und ihrer Betriebstemperaturen hierfür geeignet sind und sofern sie im gasförmigen, molekularen Zustand Licht mit der erforderlichen Wellenlänge emittieren. Erfindungsgemäß wird als Metall· halogenid Zinkchlorid bevorzugt, da der Dampfdruck^ die Spek-™ tralverteilung dee emittierten Lichtes und auch andere Eigenschaften von Zinkchlorid für diese Anwendung besonders günstig sind. Die Menge des vorhandenen Metallhalogenide ist so groß, daß bei den herrsehenden Betriebstemperaturen ein ausreichend hoher Partialdruck entsteht, der es ermöglicht, mit den Betriebsspannungen innerhalb des Gasentladungsgefäßes eine Glimmentladung hervorzurufen und zu unterhalten, die photochemisch besonders wirksames Licht emittiert.

Es sei angenommen, daß Zinkchlorid verwendet wird. Dann wtsd in das GasentladungsgefSß 5 eine so große Menge Zinkchlorid •Ingegegeben, daß bei der Betriebstemperatur ausreichend viel Zinkchlorid verdampft, das nach Anregung durch die Verhältniese in der Gasentladung die Strahlung der angeregten Zinkchloridmoleküle mit der genügenden Intensität emittiert. (Die Betriebs* temperatur entspricht der geringsten Innenwahdtemperatur des Gasentladungsgefäßes 5 und liegt etwa zwischen 300°C und 500⁰C* vorzugsweise zwischen 38O°C und 450⁰C) unter diesen Bedingungen

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steigt der Partialdruck des Zinkchlorids auf einen Wert zwischen 0,1 und 10,0 torr an. Ein Wert swischen~0,2 torr und 1,0 torr wird Jedoch bevorzugt. Es sei bemerkt, daß nur ain Teil dee vorhandenen Zinkehlorids verdampft wird, da ein Überschuß an Zinkchlorid eine Aufsehrung de« Zinkehlorids verhindert, die Üblicherweise während des Betriebs der Lamp® stattfindet,, Den erforderlichen Betriebsdruck satfeit Sem Überschuß an Sinkchlorid kann man bei einem B&senfel&äimgsgefSA v@si 25 ©era Volumen -

durch eine Beigabe von 50 bis 100 rag 2inkehlo7ld* ©g»s£©len* Die Betriebstemperaturen, öi<g fto M.nkbvovtt6 und '3Sl8&£odäd benötigt werden» unterschiede'^ sieh *-nlefctfriBPkilefa ^© triebstemperaturen der erfindungegenl&sn tastpe mit

Beim Betrieb werden zwischen die beiden Elektroden 8 und 9 Spannungen zwischen 40 und 200 ToIt angelegt. Diese Bpasmungen hängen von den Partialdruckenά»α HetallhalogenMe mb» die sich bei den Betriebsbedingungen einstellen. Bine praktlaeh gleich hohe Spannung wird zwischen die Zündelektrode it rast di· Elektrode 8 gelegt, diejim Zündgai eine Glimmentladung hervorruft· Von dieser Glimmentladung wird das Zinkahloriö ©der ein anderes Metallhaiogenid aufgeheizt, so daß das Sinlsshlorid oder ein anderes Metallhaiogenid verdampft. Dadurch bildet sich innerhalb der Gasentladung eine hohe Kone®ntrati@w..-von halogenidmolekülen, die angeregt werden und

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Der Strom in der Glimmentladung kann boi den eben genannten Spannungen zwischen 25 und 200 Milliampere liegen. Hierbei erreicht der Entladungsstrom dann sein Maximum, wenn die Spannung ein Minimum erreicht und umgekehrt. Wenn die oben genannten Bedingungen erfüllt sind, und wenn zwischen den beiden Elektroden eine Glimmentladung brennt, so daß die Halogenide verdampft und angeregt werden,wird das Spektrum der Zinkhalogenidmoleküle emittiert.

In der Figur 2 ist das Spektrum von Zi^kchloridmolekülen dargestellt ₅ das unter den Betriebsbedingungen emittiert wird,, die In ©Ines³ erfindungsgemäßen Lampe herrschen. Das Spektrum der phot©chemisch besonders wirksamen Strahlung des molekularen Oases ,das durch Verdampfung von Zinkchlorid entstanden ist, unterscheidet sich grundlegend von dem Linlenspektrun, das von atomaren Strahlern emittiert wird. Während die Spektren atomarer Strahler sehr scharfe Linien aufweisen, die Strahlungsabergängen anzischen den verschiedenen Energlesustflnden eines Atoms suzuschieiben sind, entsteht die Emission eines Angeregten molekularen Gases durch einen oder mehrere elektronische übergänge, denen dicht daneben liegende Vibrations- mid Ro-'tstlonsniveaus überlagert sind. Das Ergebnis dieser sehr komplexen Emission, bei der aüfier den einzelnen elektronischen

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Niveaus noch Rotations- und Vibrationsniveaus eine Rolle spielen, 1st ein breites Eralssionsband und ein breites Emissionsspektrum»das sehr häufig ein ausgeprägtes Maximum aufweist, wie es beispielsweise in der Pig. 2 dargestellt ist. Da die ganze verfügbare phot©chemisch wirksame Strahluncsenergie durch die Fläche unterhalb der Kurve dargestellt , wird, die in der Figur 2 gezeigt ist, ist die gesamte Energie der Strahlung, die von einem molekularen Gas emittiert wird, wesentlich größer als die Energie der von einem atomaren Strahler abgegebenen Strahlung, Φι diese Strahlung, nur aus einigen diskreten Linien besteht, die zwar einzeln sehr intensiv sein können und auch eine StoÄverbreiterung zeigen können. Unter der Voraussetz ng,daß die von dem molekularen Gas emittierte Strahlung im richtigen Spektralgebiet liegt, 1st also das molekulare Gas gegenüber dem atomaren Gas die wesentlich günstigere Lichtquelle.

Wie aus Figur 2 hervorgeht; liegt das Emissionsmaxlmum 4er Zinkchloridstrahlung bei etwa 3065 St, sofern die oben angegebenen Bedingungen für den Strom in der Glimmentladung, die Wändtemperatur des Gasentladungsgefäßes und für den Halogenidpartiaidruck eingehalten werden. Das Spektrum der Zlnkb romidstrahlunp: sieht ganz ähnlich aus, wenn man iür die wich-

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tigsten Parameter die gleichen Bedingungen einhält. Die Emissionsmaxima liegen dann bei 3070 8 und 3110 8. Die Emissionsmaxima Innerhalb des photochemisch besonders wirksamen Spektralbereichs liegen für Zinkjodid bei etwa 3280 8 und 3320 8. Kadmiumbrorcid zeigt ein Bandenspektrum mit einem Emissionsmaximum bei etwa 3175 8 . In diesem Falle muß die Wandtemperatur des Entladungsge- * fäßes zwischen 600 ⁰C und 70O⁰C liegen. Kadmiumbhlorid zeigt ein Bandenspektrum mit Emissionsmaxima bei 3080 8 und bei 3180

Auch hierbei muß die Wandtemperatur des Qasentladungsgefäßes zwischen 600°C und 70O⁰C liegen. Auch Kadmlumjodld kann in einer erfindungsgemäßen Lampe verwendet werden. Dann ist eine Wandt emperatur des Qasentladungsgeffißes zwischen 400°C und 55O°C erforderlich. Kadmiumjodld zeigt ein Bandenspektrum, das bei 2385 8 ein ganz ausgeprägtes Maximum aufweist. Ein weitere« Maximum liegt bei etwa 3380 8. Alle eben erwähnten Spektren beruhen auf Obergängen im einwertigen Halogenid, also' bei-" spielswelse im ZnCl, das laufend im angeregten Zustand vorhanden 1st. Dieses bedeutet Jedoch nicht, daß außer der Strah-. lung des einwertigen Halogenides nicht noch andere Strahlungen auftreten.

Bei einer Ausführungsform einer erfindungegemäßen Lampe wurde der Außenkolben einer Quecksilberdampflampe verwendet, der ein Volumen von etwa einer- .,Liter besaß und aus Pyrexglas hergestellt

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war. "Innerhalb dieses Kolbens war ein Gas entladungsgefäß angeordnet, das aua Quarz hergestellt und so ausgebildet war, wie es in Fig. 1 dargestellt- ist. Der Außendurchmesser des Gasentladungegefäßes betrug 20 mm, der Innendurchmesser betrug l8.mm. Die Elektroden waren als Doppelwendel aus thoriertem Wolfram hergestellt. Der Abstand ζWisehen den Elektroden betrug 10 cm. Die Füllung des Gasentladuhgsgefäßes bestand aus 75 mg ZnCl₂ und 20 torr Xenon. An die Elektroden wurde eine Spannung von 75 Volt angelegt. Dabei entstand eine Glimmentladung mit einem Strom von etwa 50 mA, die eine Intensive Ultravioletts trahlung mit einem Emissiönsmaximum bei 3065 S abstrahlte, wie es in der Figur 2 dargestellt ist. Die intensität de» ultravioletten Lichtes in diesem Gebiet war etwa doppelt so hoch wie die Intensität des ultravioletten Lichtes im gleichen Gebiet, die mit einer üblichen Mitteldruck-Quecksilberdampflampe von 400 Watt erzeugt werden konnte.

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Claims

Anspriiehe

/i Λ Dampf entladung lampe für photochemische Zwecke, g e -kennzeichnet durch die Kombination eines evakuisrbaren Laaipenkolbens aus einem für ultraviolettes Licht durchlässigen Material, in öfim zwei Elektroden angeordnet sind, die die/Entladungs st recke bilden, mit einer Füllung eines inerten Gases unter einem Partialdruck, bei dem sich nach Anlegen der Betriebsspannungen an die Elektroden eina Glimmentladung ausbildet, und mit der Beigabe einer bestimmten Menge eines verdampfbaren Metallhalogenide - ausgenommen Fluoride - die nach nach dem Verdampfen einen gewissen Partialdruck an Halogeniden oildet, der zur Aufrechterhaltung einer Glimmentladung ausreichend ist, deren Träger der Halogeniddampf ist_s so daß die verdampften Metallhalogenide durch die Bedingungen in der Glimmentladung angeregt sind, und photochemisch besonders wirksames Licht mit hoher Intensität emittiert ist.- -
2. Dampfentladungslampe nach Anspruch 1, d ad u r c h gekennzeichnet , daß der Partialdruck des inerten Gases zwischen 10 torr und 500 torr und der Partialdiruck des verdampften Metallhalogenide zwischen 0,1 und 10 torr liegt.

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3. Dampfentladungslampe nach Anspruch 2, d a d ü r c h gekennzeich η e t , daß der Partialdruck des Inerten Gases zwischen 20 torr und 50 torr und der Partialdruck des verdampften Metallhaiogenidea zwischen 0,2 und 1,0 torr liegt.
Ί. Dampfentladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,.· daß das inerte Gas Xenon ist.
5· Dampfentladungalampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da* als Kation des Metallhalogenides Zink- und/oder Kadmiumionen verwendet werden.
6. Damp fent ladungalampe nach Anspruch 5> dadurch gekennzeic h η e t , daß da. Metallhalogenid Ürtkchlorid iet, und daß die Temperatur der kältesten Stelle de· Kolbens während des Betriebs zwischen 300⁰C und 500⁰C beträgt.
7. Dampfentladungslampe nach Anspruch 6, d a d u roh gekenn ze lehnet , daß die Temperatur der kältesten Stelle des Lampenkolbens während des Betriebe zwischen 38O⁰C und U50⁰C beträgt.

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