DE2430041A1 - Ultraviolettlicht aussendende quecksilberdampflampe - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE 89 Augsburg 22, den 21.6

~ ~~ f* I ICDAII UnserZeichen T 9^62/p

DIPL. ING. Q>. L-I bD AU (Bei Rückantwort bitte angeben) Ihr Zeichen

Thorn Electrical Industries Limited Thorn House, Upper Saint Martin's Lane London WC2H 9ED / England

Ultraviolettlicht aussendende Quecksilberdampflampe

Die Erfindung betrifft Quecksilberdampflampen für die Erzeugung ultravioletter Strahlung.

Derartige ultraviolette Strahlung aussendende Lampen werden insbesondere als Energiequelle für die Behandlung von lichtempfindlichen Druckfarben verwendet, Für diesen Zweck wird eine Lichtquelle benötigt, die bei hohem Wirkungsgrad der Umsetzung von elektrischer Energie in ultraviolette Strahlung eine ziemlich breitbandige Ultraviolettstrahlung

409884/1018.

liefert.

In den Ultraviolettbereichen von 200 bis 300 nm und 360 bis 390 nm kann man aus einer Entladungslampe nur unter Schwierigkeiten eine breitbandige Strahlung erhalten. Die am häufigsten verwendeten Lampen für die Erzeugung von Strahlungsenergie in den Bereichen des kurzwelligen und des langwelligen Ultraviolett zwischen 2Ö0 und 390 nm arbeiten mit der Erregung von Quecksilber allein. Der Anteil der in diesem Wellenlängenbereich abgestrahlten Energie ist stark abhängig von dem Quecksilberdampfdruck, und im Wellenlängenbereich zwischen 200 und 300 nm ist die Resonanzlinie bei 254 nm am wirksamsten, im Wellenlängenbereich zwischen 360 und 390 nm die Linie 3 66 nm. Wegen des niedrigen Arbeitsdrucks und der niedrigen Kolbentemperatur, die für die Erzeugung der Ultraviolettstrahlung der kurzwelligen Bereiche erforderlich sind, war es aber nicht möglich, eine mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung arbeitende Lampe geringen Volumens herzustellen, um damit eine hohe Energiekonzentration in dem gewünschten Wellenlängenbereich zu erzielen.

Es ist schon vorgeschlagen worden, zusätzliche Substanzen in die Kolben von Quecksilberdampflampen zu geben, um den Lampenwirkungsgrad im sichtbaren Wellenlängenbereich zu erhöhen, wobei die Emission im Ultravxolettbereich verringert wurde.

Insbesondere ist von G,H, Reiling in seiner Arbeit "Eigenschaften von Quecksilberdampf-Metalljodxdbogenlampen" (erschienen in "Journal of the Optical Society of America", Band 54, Nr. 4, April 1964, Seiten 532 bis 540) vorgeschlagen worden, in eine Mitteldruck-Quecksxlberjodidlampe, die

409884/1018

bei 1 bis 10 at Quecksilberdruck arbeitet, Magnesium einzuführen, um die Farbwiedergabe der Lampe im sichtbaren Spektralbereich zu verbessern. Reiling stellte jedoch fest, daß Magnesium für diesen Zweck wenig erfolgversprechend war, da der Wirkungsgrad der Lamp,e schlecht war. In seinem USA-Patent 3 234 421 erörtert Reiling ausserdem die Zugabe von Erdalkalimetallen im allgemeinen und stellt fest, daß diese zu einer Herabsetzung der Ultraviolettstrahlung führen.

In der USA-Patentschrift 3 319 119 (Rendina) wird die Verwendung einer großen Gruppe Metallhalogenide, zu denen auch Magnesiumhalogenide gehören, in einer Lampe erörtert, die eine Emission im sichtbaren Wellenlängenbereich mit scharfen, sich nicht verbreiternden Spektrallinien liefern soll. Eine derartige Lampe gibt aber kein energiereiches Breitbandspektrum im Ultraviolett.

Erfindungsgemäß ist eine Ultraviolettlicht aussendende Quecksilberdampflampe vorgesehen, die einen ultraviolettdurchlässigen Lampenkolben und in dem Kolben ein Entladungselektrodensystem aufweist, wobei in dem Gasgemisch im Kolben Quecksilber, Magnesium in Form von Magnesiumhalogenide und eine Inertgasfüllung zum Zünden einer Elektronenentladung enthalten ist; die erfindungsgemäße Quecksilberdampflampe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Quecksilbers in dem Kolben weniger als 0,5 mg pro Kubikzentimeter des Kolbenvolumens beträgt.

Das Magnesiumhalogenid wird in die Lampe der Einfachheit halber als metallisches Magnesium in Verbindung mit einem anderen Metallhalogenid, vorzugsweise einem Quecksilberhalogenid, eingeführt. Das Gewicht des Magnesiums macht

409884/101 8

vorzugsweise zwischen etwa 2 und 5 Gewichtsprozent des Quecksilbers aus, kann aber zwischen 0,2 und 10 Gewichtsprozent betragen.

Wegen der verhältnismässig niedrigen Queckälberkonzentration fließen hohe Ströme durch die Lampe, und es hat sich gezeigt, daß dadurch praktisch der gesamte Querschnitt der Lampe zur Stromleitung ausgenutzt wird, woraus sich in diesem Falle ein höherer Lampenwirkungsgrad ergibt.

Wenn Magnesium in dem Quecksilberplasma angeregt wird, entstehen zusätzliche Strahlungsbanden zwischen 277 und 285 im sowie bei 383 nm. Die Zugabe von Magnesium führt somit zum Erscheinen zusätzlicher Linien neben den Quecksilberlinien. Die Lampe kann zur Ausübung lichtempfindlicher und photochemischer Prozesse, deren höchste Empfindlichkeit im ultravioletten Wellenlängenbereich liegt, verwendet werden, wobei die Belichtungszeit sich erheblich herabsetzen läßt.

Fernerlat sich gezeigt, daß die Leuchtmassebeschichtungen, die auf den aussereη Umhüllungen üblicher Quecksilberhochdrucklampen verwendet werden, durch die von der Magnesiumanregung ausgehende Strahlung ebenfalls angeregt werden, so daß die Abstrahlung der Leuchtmasse erhöht wird, Ausserdem entsteht Linienstrahlung ausserhalb des Ultraviolettbereichs, wobei sichtbares Licht im Blaugrün-Bereich zwischen 516 und 528 nm emittiert wird, wodurch sich die Farbwiedergabe einer Lampe und ihre farbliche Erscheinung verbessern läßt. Die Ultraviolett aussendende Lampe kann also auch zur Erzeugung sichtbarer Strahlung herangezogen werden.

Man kann in Spuren weitere andere Metallhalogenide zusetzen, vorzugsweise Galliiihalogenid, um die Strahlung in

409884/1018

den ultravioletten Wellenlängenbereichen zu erhöhen und, sofern die Lampe eine leuchtstoffbeschichtete aussere Umhüllung besitzt, die Farbqualität des sichtbaren Spektrums zu verbessern. Die Zusätze werden so ausgewählt, daß die Magnesiumstrahlung nicht wesentlich verringert wird oder eine Absorption der Ultraviolettstrahlung eintritt.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, die folgendes darstellt:

Fig, 1 eine allgemeine Ansicht einer EntMungslampe, und

Fig. 2 ein Diagramm des Emissionsspektrums einer Lampe im Ultraviolett.

Die in Fig. 1 gezeichnete Lampe besitzt eine langgestreckte Entladungsröhre 1 aus ultraviolettdurchlässigem Material, etwa aus Quarzglas, gesinterter Tonerde, Yttriumoxid oder dem unter der Bezeichnung "Vycor" im Handel befindlichen Material. An jedem Ende der Röhre befindet sich eine Elektrode 2 üblicher Bauart, und die Gasfüllung der Lampe enthält:

(1) Quecksilber in einer dem Volumen der Röhre engepaßten Menge,

(2) eine dazu in richtigem Verhältnis stehende Menge Magnesium in Form eines Halogenide, das zu einer verstärkten Emission im Wellenlängenbereich zwischen 200· und 390 nm angeregt wird, und

(3) eine Inertgasfüllung zum Zünden der Elektronenentladung.

4098 84/-10--1-8

Das Magnesium wird in die Lampe am einfachsten in Form von Magnesium zusammen mit einem weiteren Metallhalogenid, vorzugsweise einem Quecksilberhalogenid, eingeführt. Anschliessend werden Beispiele derartiger Lampen beschrieben.

Beispiel I

Eine derartige, für 2000 W ausgelegte Lampe besitzt einen Quarzglaskolben mit 18 mm Bohrung und einer Entladungsstrecke von 190 mm Länge. Die Elektroden bestehen aus Wolfram und enthalten einen Anteil von Thorium oder zusätzlichem Oxid oder besitzen eine geschmolzene Thoriummetallspitze als Quelle für die Elektronenaussendung. Die Elektroden stehen in Verbindung mit dünnen Molybdänfolien, die durch den hermetischen Verschluß geführt sind und in Zuleitungsdrähte übergehen, die jeweils eine kleine Kappe zum Herstellen der elektrischen Anschlüsse aufweisen.

Die Lampe enthält 18 mg Quecksilber, 0,5 mg Magnesium und 5 mg Quecksilber]odid. Zum Herstellen einer Bogenentladung wird eine Argonfüllung mit einem Fülldruck zwischen 20 und 50 Torr eingebracht. Das Gewicht des Quecksilbers in dem Quecksilberjodid ist proportional zu dem Atomgewicht des Quecksilbers, dividiert durch das Atomgewicht des Quecksilberjodids, so daß das Gewicht des Quecksilbers in dem Quecksilbermodid 5 χ (200/^54) mg = 2,20 mg beträgt. Das Gesamtgewicht des Quecksilbers in der Lampe beträgt somit 20,2 mg.

3 Das Innenvolumen der Lampe beträgt 51 cm , und das Gesamtgewicht des Quecksilbers in der Lampe beträgt

409884/1018

daher 0,396 mg pro Kubikzentimeter des Lampenvolumens. Diese Zahl ist niedriger als sie normalerweise in derartigen Lampen angetroffen wird und gibt Veranlassung zu über 15 A hinausgehende Lampenstromstärken. Trotzdem braucht an die Lampe nur eine Spannung von ungefähr 125 V angelegt zu werden, jedoch arbeitet die Lampe bei einer Spannung zwischen 95 V und 160 V. Die Lampe läßt sich somit an normaler Netzspannung betreiben.

Der Quecksilberinhalt ist so gering, daß sich im gesamten Lampenquerschnitt eine praktisch gleichförmige Stromdichte ergibt. Das steht im Gegensatz zu den üblichen Mitteldrucklampen von 1 at Druck und mehr, bei denen die Bogenbreite eingeengt ist, was zur Folge hat, daß beim Betreiben der Lampe in waagerechter Lage der Bogen eine sogenannte Schnurform zeigt und sich nach oben durchbiegt, wodurch der obere Teil des Entladungsrohres eine erheblich höhere Temperatur annimmt als der untere Teil. Dadurch kann die Lampe mit Leistungen von mehr als 250 W je Zoll betrieben werden (im Gegensatz zu 200 W je Zoll bei gewöhnlichen Lampen), wobei noch Lampenbrenndauern von mehr als 500 Stunden erreicht werden, weil die Temperatur des Lampenkörpers sehr viel gleichmässiger ist.

Bei einer Lampenkonstruktion, die zur Abgabe von Strahlung im Sichtbaren bestimmt ist, ergibt ein zusammengezogener oder schnurförmiger Bogen eine grössere Lichtausbeute, aber im vorliegenden Fall hat ein Bogen, der bei niedrigerem Druck entsteht und das Entladungsrohr ausfüllt und nicht schnurförmig verläuft, den Vorzug, daß der Entladungsstrom, der das Metallhalogenid von der Wandfläche weg und in den Entladungsraum hinein führt, eine stärkere Ultraviolettstrahlung liefert, ausserdem enthält die Strahlung aus einer Niederdruck-Quecksilberquelle einen höheren

409884/1018

Anteil an kurzwelliger Strahlung.

Das in der angegebenen Menge,, und zwar 0,5 mg auf etwa 20 mg Quecksilber, zugefügte Magnesium erhöht den Anteil der Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 25 0 und 400 nm erheblich, indem es eine Linienstrahlung das Magnesiums zu der Strahlung des Quecksilberspektrums hinzufügt. Fig. 2 zeigt das StrahlungsSpektrum der Lampe im Ultraviolettbereich.

Die Lampe läßt sich dann für die Photo-Polymerisation von Kunststoffen, Harzen und Ultraviolettfarben verwenden.

Die in der Lampe enthaltene Quecksilbermenge kann bis zu etwa 0,5 mg/cm variiert werden, entsprechend etwa 1 at bei Arbeitstemperatur. Oberhalb dieses Wertes neigt der Bogen dazu, in seine übliche Schnurform überzugehen, wodurch ein großer Teil der erhöhten Ausbeute verlorengeht. Unter 0,396 mg/cm hinabreichende Werte können ebenfalls bei wachsenden Lampenströmen angewendet werden, und die einzige Begrenzung in dieserRichtung wird durch den Lampenaufbau und die zugehörige Schaltung gegeben, die mit den grösseren Strömen und der erhöhten Temperatur fertig werden müssen, W<
weniger günstig.

3 werden müssen, Werte unterhalb von 0,27 mg/cm sind daher

Die Magnesiummenge steht in Beziehung zu der Quecksilbermenge in der Lampe. Es muß ausreichend viel Magnesium verwendet werden, um die verlangte Verbreiterung des Spektrums herbeizuführen, aber es soll kein Magnesiumüberschuß in dem Entladungsrohr auftreten. Aus diesem Grunde sollte das Gewichtsverhältnis von Magnesium zu Quecksilberdampf zwischen 0,002 : 1 und 0,1 t 1 liegen, wobei Werte von 0,02 bis 0,05 : 1 zu bevorzugen sind.

409884/101 8

Eine nach diesem Ausführungsbeispiel hergestellte Lampe weist somit eine erhöhte Ultraviolettemission bei hoher Leistung aus einer kleinen Quelle auf und kann aus dem normalen Netz gespeist werden. Die Lampe kann vorteilhafterweise je nach Bedarf in waagerechter oder senkrechter Lage gebrannt werden.

Beispiel II

Eine solche, ein Magnesiumhalogenid enthaltende Quecksilberdampflampe mit niedriger oder höherer Leistungsaufnahme kann auch als Quelle für sichtbare Strahlung ausgeführt werden, wenn das Entladungsrohr sich in einer äusseren Umhüllung mit Leuchtmassenbeschichtung, etwa aus Magnesiumfluorgermanat oder Yttriumvanadat, befindet, um die erzeugte Ultraviolettstrahlung zur Erregung dieser Leuchtmassen zu verwenden, so daß sichtbares Licht erzeugt wird. Der Konstruktion der Lampe kann die Beschreibung in der Britischen Patentschrift 1 165 376 zugrunde gelegt werden. In diesem Beispiel führt die zusätzliche Linienanregung, die von dem Magnesium in der Bogenentladung hervorgerufen wird, zu einer Strahlung im blaugrünen Wellenlängenbereich, die das gesamte sichtbare Licht verstärkt, das von der Leuchtmasse ausgeht, so daß eine erhebliche Verbesserung des farblichen Aussehens und der Farbwiedergabe gegenüber dem normalen, leuchtmassebeschichteten Aussenrohr einer üblichen Quecksilberdampflampe herbeigeführt wird.

Wenn die Lampe mit einer Ieuchtmassebeschichteten äusseren Umhüllung versehen ist, kann die Lampengasfüllung noch andere zusätzliche Spurenanteile zur Verbesserung der Strahlung im Ultraviolett wie im Sichtbaren enthal-

409884/101 8

ten, vorausgesetzt, daß diese Zusätze, die in einer Menge von ungefähr 0,1 mg auftreten, nicht die Magnesiumstrahlung herabsetzen oder sie absorbieren, was beispielsweise dann eintreten könnte, wenn ein Natriumhalogenxd verwendet würde. Als Zusätze sind Gallium- und Thalliumhalogenide zu bevorzugen, man kann aber auch die Halogenide der folgenden Metalle anwenden: Aluminium, Zinn, Eisen, Zink, Yttrium, Chrom, Wismut und Cadmium.

Patentansprüche;

409884/101 8

Claims (1)

1. Patentansprüche :

   τ 1./ Ultraviolettlicht aussendende Quecksilberdampflampe mit einem ultraviolettdurchlässigen Lampenkolben und einem System von Entladungselektroden in dem Kolben, in dem sich ein Gasgemisch befindet, das Quecksilber, Magnesium in Form eines Magnesiumhalogenide und ein Inertgas zum Zünden einer Elektronenentladung enthält,

   dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht des Quecksilbers in dem Kolben weniger als 0,5 mg pro Kubikzentimeter des Kolbenvolumens beträgt.

   2, Lampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des GewichtsVerhältnisses von Magnesiumzu Quecksilberdampf im Bereich zwischen 0,002 : 1 und 0,1 : 1 liegt.

   3, Lampe nach Ansprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnesium in die Lampe als metallisches Magnesium zusammen mit einem weiteren Metallhalogenid eingeführt wird.

   Lampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem anderen Metallhalogenid um ein Queck-

   409884/1018

   24300A1

   silberhalogenid handelt.

   5, Lampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder M-, dadurch gekennzeichnet, daß eine leuchtmassenbeschichtete äussere Umhüllung zur Emission sichtbarer Strahlung vorgesehen ist, und daß die Gasfüllung ausserdem in Spurenmengen weitere Zusätze an Halogeniden beliebiger der folgenden Metalle enthält: Gallium, Thallium, Aluminium, Zinn, Eisen, Zink, Yttrium, Chrom, Wismut und Cadmium.

   409 8 84/1018