DE3922865A1 - Quecksilber-niederdruckentladungslampe mit einer festkoerper-rekombinationsstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Quecksilber-Nieder­ druckentladungslampe, in deren Kolben eine Festkörper- Rekombinationsstruktur vorhanden ist, wobei das Verhältnis zwischen der Oberfläche der Rekombinationsstruktur und dem Volumen des Entladungsraumes höchstens 5 cm^-1 beträgt.

Eine derartige Lampe ist aus der DE-PS 25 29 005 bekannt.

Zur Definition des Begriffes Festkörper-Rekombinations­ struktur sei folgendes ausgeführt:

Bei Quecksilber-Niederdruckentladungslampen werden während des Betriebes etwa 1 bis 10% der Quecksilberatome ionisiert, wodurch positiv geladene Gasionen und negativ geladene Elektronen entstehen. Die positiven Quecksilber­ ionen und negativen Elektronen rekombinieren an der Oberfläche des Entladungskolbens, d. h. sie vereinigen sich an dieser Oberfläche wieder zu einem neutralen Queck­ silberatom. Bringt man nun in den Entladungskolben einen Festkörper als zusätzliche Rekombinationsstruktur, so erhöht sich die in dem Entladungsraum verteilte innere Oberfläche über die Wandfläche des Entladungskolbens hinaus. An der Oberfläche der Rekombinationsstruktur können, ebenso wie an der Wand des Entladungskolbens, Ladungsträger aus der Entladung zu neutralen Gasatomen rekombinieren. Die Oberfläche wird bei dieser für die Gasentladung wichtigen Reaktion benötigt, weil in Niederdruck-Gasentladungslampen die Rekombination fast ausschließlich an Festkörperoberflächen und nicht im Entladungsvolumen selbst stattfindet.

Die aus der DE-PS 25 29 005 bekannte Niederdruck- Gasentladungslampe ist mit Quecksilberdampf und einem Edelgas oder einer Kombination von Edelgasen gefüllt. Die Lampe besitzt zwei thermisch emittierende innere Elektroden. Im Entladungsraum befindet sich, über nahezu den ganzen Entladungsraum verteilt, ein Festkörper, der aus lockerer Drahtwolle, z. B. aus Glas oder Metall, besteht und als Rekombinationsstruktur dient. Der Entladungskolben ist röhrenförmig ausgebildet, wobei die Länge der Röhre groß ist gegenüber ihrem Durchmesser. Durch diese geometrische Form ist die Herstellung einer derartigen Lampe mit Rekombinationsstruktur technisch aufwendig (siehe hierzu z. B. J. Hasker in "Journal of IES", Okt. 1976, Seite 29 bis 34). - Aus den angegebenen Werten über ein günstiges Verhältnis zwischen dem Volumen der Rekombinationsstruktur und dem Volumen des Entladungs­ raumes läßt sich mit Hilfe der Ausführungen von Hasker (s. aaO) für das Verhältnis zwischen der Oberfläche (O_s) der Rekombinationsstruktur und dem Volumen (V_d) des Entladungsraumes ein Bereich von 0,03 bis 30 cm^-1 ableiten.

Beim Betrieb von mit inneren Elektroden betriebenen röhrenförmigen Niederdruck-Entladungslampen, die mit einer Rekombinationsstruktur gefüllt sind, tritt infolge der Anwesenheit der Rekombinationsstruktur eine unerwünschte Kontraktion der Gasentladung auf. Kontraktion bedeutet, daß die Anregungsdichte über den Querschnitt der Röhre ungleichmäßig verteilt ist. Es bildet sich ein schmaler, intensiv leuchtender Entladungspfad durch diejenigen Kanäle der Rekombinationsstruktur aus, die, bildlich gesprochen, den geringsten Widerstand bieten. Die Folge ist eine schlangenlinienförmige Entladung durch die Röhren, was sich in einer auch bei Leuchtstoffbeschichtung noch deutlichen ungleichmäßigen Helligkeitsverteilung auf der Röhrenoberfläche bemerkbar macht. Diesem Effekt, der von den Parametern der Entladung (Stromstärke) weitgehend unabhängig ist, kann bei mit Niederfrequenz betriebenen Lampen nur unvollkommen durch aufwendige Ausführungsformen der Rekombinationsstruktur begegnet werden (siehe Hasker aaO).

Eine wichtige Größe für Gasentladungslampen ist die elektrische Leistungsdichte P/V in W/cm³; das ist die der Lampe pro Kubikzentimeter Entladungsraum zugeführte elektrische Leistung. Bei den bekannten röhrenförmigen Quecksilber-Niederdruckentladungslampen mit Leuchtstoff­ schicht mit einem Rohrdurchmesser von 26 mm beträgt die Leistungsdichte beim angegebenen Betriebsstrom etwa 0,06 W/cm³, bei kompakten Leuchtstofflampen mit einem Rohraußendurchmesser von 12 mm etwa 0,3 bis 0,4 W/cm³.

Die Rekombinationsstruktur in Form eines locker verteilten Körpers hat bei den bekannten Lampen die Aufgabe, mehr Strahlung durch Erhöhung der Lampenspannung bei gleicher Stromstärke zu erzeugen. Mit anderen Worten soll sich bei gleicher Leistungsdichte P/V die Leuchtdichte L_n der Lampe erhöhen. Es sei hierzu auf Fig. 5 der Zeichnung hingewiesen, in der die Leuchtdichte L_n über der elektrischen Leistungsdichte P/V dargestellt ist. Die Kurven A und B beziehen sich auf übliche Quecksilber- Niederdruckentladungslampen mit inneren Elektroden. Der Lampenkolben besitzt einen Innendurchmesser von 10 mm und ist mit einer Leuchtstoffschicht bedeckt. Die Kurve A zeigt die Leuchtdichte in Abhängigkeit von der elektrischen Leistungsdichte einer solchen Lampe ohne Rekombinationsstruktur, während es sich bei der Kurve B um dieselbe Lampe jedoch mit eingefüllter Glaswolle handelt. Diese Kurven zeigen, daß man durch eine Rekombinations­ struktur die Leuchtdichte bei gleicher elektrischer Leistungsdichte zwar etwas erhöhen kann, daß aber die Leuchtdichte, insbesondere von Quecksilber-Niederdruck­ entladungslampen, durch das Phänomen der Sättigung begrenzt wird. Sättigung bedeutet, daß die Strahlungs­ leistung der Entladung bei Erhöhung der Leistungsdichte (normalerweise realisiert durch Vergrößerung des Entladungsstromes) über einen bestimmten Wert hinaus nicht mehr oder nur noch weit unterproportional ansteigt. Dies bedeutet ein Absinken der Strahlungs- bzw. Lichtausbeute der Lampe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Quecksilber-Niederdruckentladungslampe zu schaffen, bei der durch Einbringen einer Festkörper-Rekombinations­ struktur die Leuchtdichte bei Erhöhung der Leistungsdichte praktisch keine Sättigung aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Quecksilber-Niederdruck­ entladungslampe eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Lampe ohne innere Elektroden ausgebildet und durch Hochfrequenz anregbar ist und eine Leistungsdichte über 2 W/cm³ aufweist, wobei das Verhältnis O_s/V_d zwischen 0,05 und 5 cm^-1 liegt.

Überraschenderweise hat sich für Quecksilber-Niederdruck­ entladungslampen ohne innere Elektroden mit einer gegenüber Lampen mit inneren Elektroden stark erhöhten Leistungsdichte innerhalb eines bestimmten Bereiches von O_s/V_d herausgestellt, daß die Leuchtdichte bei Erhöhung der Leistungsdichte über eine weite Strecke fast geradlinig weiter ansteigt, so daß die Erhöhung der der Lampe zugeführten elektrischen Leistung weiterhin zu einer Vergrößerung der Leuchtdichte führt. Für die HF-Anregung sind Frequenzen zwischen 100 kHz und 10 GHz geeignet.

Überraschenderweise zeigen HF-betriebene Entladungslampen ohne innere Elektroden mit einer Rekombinationsstruktur keinen Kontraktionseffekt in dem praktisch interessieren­ den Leistungsdichte-Bereich oberhalb 2 W/cm³, sogar dann nicht, wenn die Rekombinationsstruktur-Füllung etwas ungleichmäßig verteilt ist. Statt dessen bildet sich eine diffuse Entladung mit homogener Helligkeitsabgabe aus.

Die HF-Anregung der Niederdruckentladungslampe kann in an sich bekannter Weise kapazitiv, induktiv oder mittels Oberflächenwellen, z. B. in einem Mikrowellenhohlraum­ resonator, erfolgen.

Die Anwendung der Erfindung ist im Falle von kapazitiv gekoppelten Lampen besonders vorteilhaft, weil nicht nur die Sättigungseigenschaften günstig beeinflußt werden, sondern darüber hinaus durch die Einbringung der Rekombinationsstruktur die elektrische Feldstärke der Entladung und damit auch die Brennspannung des Plasmas erhöht wird. Diese Tatsache ermöglicht es, eine gegebene Leistungsdichte im Plasma mit einem geringeren Strom zu erreichen, wodurch die an der gesamten Kondensator­ anordnung abfallende Spannung verringert wird. Das erleichtert den Betrieb bei niedrigeren Frequenzen. Bei Verkleinerung des Stromes werden außerdem die dielek­ trischen Verluste im Wandmaterial des Entladungsgefäßes geringer.

Vorzugsweise besitzt daher der Lampenkolben äußere Elektroden zur kapazitiven Anregung mit einer Frequenz größer als 10 MHz. Hierbei ist zweckmäßigerweise die Breite des Entladungsraumes größer als seine Länge. Die Füllung von solchen flach ausgebildeten Entladungslampen mit einer Rekombinationsstruktur jeder gewünschten Verteilung ist technisch relativ einfach. Solche Entladungslampen können beispielsweise in einer Klebe- bzw. Glaslot-Technik hergestellt werden, was z. B. ermöglicht, den Deckel eines flachen dosenförmigen Entladungskolbens erst nach Einlegen der Rekombinations­ struktur aufzusetzen.

Das Verhältnis zwischen dem Volumen der Rekombinations­ struktur und dem Volumen des Entladungsraumes hängt bei gegebenem Verhältnis Os/Vd vom Formfaktor des Struktur­ materials (Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche der Rekombinationsstruktur) ab. Aus Gründen der Abschattung und damit der Entladung selbst noch genügend Volumen verbleibt, sollte ein Strukturmaterial mit einem solchen Formfaktor gewählt werden, daß der Volumenanteil der Rekombinationsstruktur unter 10% bleibt. Die Struktur muß nicht notwendigerweise aus einem zusammenhängenden Gebilde bestehen, ferner muß sie nicht im gesamten Entladungsraum enthalten sein. Die Dichte der Rekombinationsstruktur kann, muß aber nicht überall die gleiche sein, vielmehr kann bei besonderen Anregungsbedingungen der Entladung sogar in dem Fall, daß eine ungleichmäßige Lichtabgabe von der gesamten Lampenoberfläche erwünscht ist, eine definiert ungleichmäßige Dichteverteilung das beste Ergebnis herbeiführen.

Bei einer praktischen Ausführungsform ist die Rekombina­ tionsstruktur ein Fasergespinst, bei dem der Faserdurch­ messer zweckmäßig zwischen 1 und 100 µm liegt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung besteht die Rekombinationsstruktur aus einem offenporigen Schaumkörper. Die Rekombinationsstruktur kann auch waben-, netz-, nadelförmig oder stegartig ausgebildet sein.

In allen Fällen kann die Rekombinationsstruktur aus Glas, vorzugsweise aus Quarzglas, oder aus Metall, vorzugsweise aus Wolfram oder Aluminium, bestehen. Wenn die Rekombina­ tionsstruktur metallisch oder elektrisch leitend ist, sollte sie mit einer dielektrischen Beschichtung versehen sein. Als Beispiele hierfür sei die Beschichtung von Aluminiumwolle mit Quarzglas oder die Beschichtung von Aluminium mit Magnesiumfluorid genannt. Wenn die Rekombinationsstruktur aus mit der Gasfüllung chemisch nicht verträglichem Material besteht, z. B. aus Kunststoffasern, kann sie mit einem mit der Gasfüllung verträg­ lichen Material beschichtet sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Lampe nach der Erfindung ist die Rekombinationsstruktur mit einer nutzbare Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen. Eine derartige reflektierende Beschichtung kann z. B. aus Aluminiumoxid oder Bariumsulfat oder aber aus Aluminium bestehen.

Gegebenenfalls kann die Rekombinationsstruktur auch mit einer lumineszierenden Schicht bedeckt sein, welche z. B. aus handelsüblichen Leuchtstoffen, insbesondere Halophosphat- oder Aluminat-Leuchtstoffen bestehen kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine flache Quecksilber- Niederdruckentladungslampe mit kapazitiver Anregung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Lampe nach Fig. 1 längs der Ebene II-II,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine andere ebenfalls kapazitiv angeregte Quecksilber-Niederdruckentladungs­ lampe,

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Lampe nach Fig. 3 längs der Ebene IV-IV und

Fig. 5 den Verlauf der Leuchtdichte über der elektrischen Leistungsdichte bei Quecksilber-Niederdruckentladungs­ lampen mit und ohne Rekombinationsstruktur.

Die Niederdruckentladungslampe nach den Fig. 1 und 2 besitzt einen flachen quaderförmigen Kolben 1 aus Glas, der auf seiner Innenseite mit einer Schutzschicht 2, z. B. aus SiO₂-Aerosil, und einer darauf angebrachten Leucht­ stoffschicht 3, z. B. aus Aluminat-Leuchtstoffen, bedeckt ist. Der Lampenkolben 1 ist mit einigen Milligramm Queck­ silber im Überschuß und 2 Torr Neon gefüllt. Im Lampen­ kolben 1 befindet sich ferner eine Festkörper-Rekombina­ tionsstruktur 4 aus Quarzwolle, welche gleichmäßig im Entladungsraum verteilt ist; ihre Menge beträgt 0,1 mg pro cm³ Entladungsraum mit einem mittleren Faserdurchmesser von 12 µm. Das Verhältnis O_s/V_d der Rekombinations­ struktur 4 liegt bei etwa 0,15 cm^-1.

An den langen Schmalseiten des Lampenkolbens 1 sind äußere Elektroden 5, z. B. aus Kupferblech, angeordnet, welche an einen HF-Generator 6 mit einer Frequenz von 13,56 MHz angeschlossen sind.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel betrug die Höhe des Lampenkolbens 1 cm, seine Länge 6 cm und seine Breite 2 cm. Die Lampe läßt sich z. B. zur großflächigen Hintergrundbeleuchtung eines LCD-Anzeigeelementes 7 verwenden. Die Lampe wird mit einer Leistungsdichte von 4 W/cm³ betrieben.

Der Lampenkolben kann auch aus für UV-Strahlung durch­ lässigem Material bestehen und auf seiner Außenseite mit einer oder mehreren Leuchtstoffschichten bedeckt sein.

Bei der Quecksilber-Niederdruckentladungslampe nach den Fig. 3 und 4 besteht der Lampenkolben 1 aus Quarzglas mit einer Wandstärke von 2 mm. Der Kolben 1 ist als Flach­ zylinder mit einer Höhe von 1 cm und einem Durchmesser von 4 cm ausgebildet, woraus sich ein Volumen für den Entladungsraum von etwa 10 cm³ ergibt. In dem Lampen­ kolben 1 ist eine Rekombinationsstruktur 4 untergebracht, die aus etwa 8 mg Quarzwolle mit einem mittleren Faser­ durchmesser von 12 µm besteht. Die Oberfläche der Rekombinationsstruktur beträgt etwa 12 cm², das sind rund 30% zusätzliche innere Oberfläche zu der Umhüllungs­ fläche des Entladungskolbens von 36 cm². Das für die vorteilhafte Wirkung der Rekombinationsstruktur relevante Verhältnis O_s/V_d beträgt etwa 1,2 cm^-1 bei einem Volumenverhältnis von Rekombinationsstruktur zu Entladungsraum von etwa 3,5 × 10^-4. Die Rekombinations­ struktur wurde so gleichmäßig wie möglich im Entladungs­ raum verteilt. Der mit der Rekombinationsstruktur gefüllte Entladungskolben wurde im Hochvakuum bei ca. 900°C ausgeheizt, um adsorbiertes Wasser zu vertreiben, und anschließend bei Zimmertemperatur mit 1 Torr Ar und 5 mg Hg gefüllt und dann verschlossen.

Der so gefüllte Entladungskolben 1 ist auf seiner unteren Stirnfläche mit einer geschlossenen, z. B. aus Kupferblech bestehenden Außenelektrode 8 versehen. Auf der gegenüber­ liegenden oberen Stirnfläche ist eine ebenfalls z. B. aus Kupfer bestehende Gitterelektrode 9 angebracht. Die beiden Elektroden 8 und 9 sind wiederum mit einem HF-Generator 6 mit einer Frequenz von 300 MHz verbunden.

Eine derartige Entladungslampe, deren Kolben keine Leucht­ stoffschicht aufweist, kann als UV-Lichtquelle hoher Leuchtdichte z. B. für die Reprographie, für photolithogra­ phische Zwecke in der Halbleitertechnologie sowie in der chemischen Technik zum Lackaushärten oder für andere photochemische Prozesse, z. B. zur Entkeimung von Wasser, verwendet werden.

Die beschriebenen Lampen können zur Dampfdruckregulierung in an sich bekannter Weise eine kalte Stelle aufweisen oder anstelle von reinem Quecksilber mit einem Amalgam, z. B. Hg-In-Bi, gefüllt sein.

Wie bereits eingangs erwähnt, beziehen sich die in Fig. 5 dargestellten Kurven A und B auf eine übliche Quecksilber-Niederdruckentladungslampe mit inneren Elektroden. Die Kurve A ist an einer Lampe ohne Rekombina­ tionsstruktur und die Kurve B an einer Lampe mit Rekombinationsstruktur gemessen. Diese Kurven bestätigen die bekannte Erscheinung, daß bei einem Durchmesser der Entladungsröhre in der Größenordnung von 1 cm und einem Edelgasfülldruck von einigen Torr die Leistungsdichte, oberhalb derer sich die Sättigung bereits stark bemerkbar macht, bei etwa 0,5 bis 1 W/cm³ liegt.

Die Kurven C und D zeigen die Leuchtdichte in Abhängigkeit von der Leistungsdichte einer in den Fig. 3 und 4 darge­ stellten Quecksilber-Niederdruckentladungslampe, wobei die Lampe nach der Kurve C keine Rekombinationsstruktur besitzt. Die Lampe nach Kurve C ohne Rekombinations­ struktur zeigt eine ausgeprägte Sättigung der Leuchtdichte trotz ansteigender Leistungsdichte. Dagegen steigt bei der Lampe nach Kurve D mit Rekombinationsstruktur die Leucht­ dichte mit zunehmender Leistungsdichte fast geradlinig an. Erst bei praktisch nicht mehr realisierbaren Leistungsdichten vermindert sich der Anstieg der Leucht­ dichte.

Claims (10)

1. Quecksilber-Niederdruckentladungslampe, in deren Kolben eine Festkörper-Rekombinationsstruktur vorhanden ist, wobei das Verhältnis zwischen der Oberfläche (O_s) der Rekombinationsstruktur und dem Volumen (V_d) des Entladungsraumes höchstens 5 cm^-1 beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe ohne innere Elektroden ausgebildet und durch Hochfrequenz anregbar ist und eine Leistungsdichte über 2 W/cm³ aufweist, wobei das Verhältnis O_s/V_d zwischen 0,05 und 5 cm^-1 liegt.

2. Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (1) äußere Elektroden (5; 8, 9) aufweist zur kapazitiven Anregung mit einer Frequenz größer als 10 MHz.

3. Entladungslampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Entladungs­ raumes größer als seine Länge ist.

4. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsstruktur (4) ein Fasergespinst ist.

5. Entladungslampe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserdurchmesser zwischen 1 und 100 µm beträgt.

6. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsstruktur aus einem offenporigen Schaumkörper besteht.

7. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsstruktur waben-, netz-, nadelförmig oder stegartig ausgebildet ist.

8. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsstruktur aus Glas, vorzugsweise aus Quarzglas, besteht.

9. Entladungslampe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsstruktur aus Metall, vorzugsweise aus Wolfram oder Aluminium, besteht, das mit einer dielektrischen Beschichtung versehen ist.

10. Entladungslampe nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationsstruktur mit einer nutzbare Strahlung reflektierenden Beschichtung versehen ist.