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Elektrische Gas- und Dampfentladungslampe für Zwecke der Lichtaussendung
Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Entladungslampen, und zwar im besonderen
auf solche, die der Lichtaussendung dienen, in denen eine elektrische Gas- und Dampfentladung
zwischen geeigneten Elektroden betrieben wird und bei denen diese Entladung als
primäre Quelle der Strahlung dient.
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In solchen Lampen wird nun zugleich mit der nützlichen Lichtstrahlung
ein großer Teil der Energie in Form ultravioletter Strahlen ausgesandt, die zur
Leuchtkraft der Lampe nichts beisteuern. Außerdem können bei solchen Lampen manche
der sichtbaren Strahlungsarten im überfluß vorhanden sein und dadurch den Farbeindruck
der Lampe verzerren. Ein zu großer Teil der sichtbaren Strahlung kann auch von kurzer
Wellenlänge; insbesondere blau oder violett, sein, wobei er zwar an sich sichtbar
ist, jedoch praktisch nichts zur Leuchtkraft der Lampe beisteuert.
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Nun' ist es an sich schon bekanntgeworden, die ultraviolette Strahlung
oder ein Zuviel an violetter oder blauer Strahlung, wie sie von vielen Typen von
Gas- und Dampfentladungsröhren, insbesondere Quecksilberdampflampen, ausgesandt
wird; durch Leuchtstoffe in sichtbares Licht umzuwandeln. Zu diesem Zweck wurde
die Metalldampflumpe
mit Leuchtstoffen bedeckt, es wurden fluoreszierende
Gläser verwendet, oder es wurden einschließende Behälter, Hüllen oder Reflektoren
verwendet, die selber fluoreszierend oder mit Leuchtstoffen bedeckt waren.
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Diese bekannte Methode hat nicht die in sie gesetzten Erwartungen
erfüllt, und zwar hauptsächlich aus dem Grund nicht, weil die sichtbare Strahlung,
die von der Dampflampe emittiert wird, bei Reflexion an der Leuchtstoffschicht oder
noch mehr beim Durchgang durch dieselbe erheblich absorbiert wird. Selbst solche
Leuchtstoffe, die im Hinblick auf geringe Absorptionsfähigkeit für sichtbares Licht
ausgewählt werden, sind zwar imstunde, die Farbe des Lichtes zu einem gewissen Grad
zu verbessern, jedoch sind sie außerstande. die Gesamtökonomie der Emission zu vergrößern.
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Es ist das Ziel der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine
geeignete primäre Strahlenquelle mit geeigneten Leuchtstoffen in einer solchen `'eise
zu verbinden, daß unsichtbare oder jedenfalls überschüssige Strahlung in zusätzliche
Strahlung, die die Leuchtstärke und/oder die Farbe verbessert, umgewandelt wird,
ohne jedoch die Primärstrahlung in ihrer Intensität zu vermindern oder in ihrer
Farbzusammensetzung zu verzerren Nach der Erfindung werden hierzu die von der Gas-
oder Dampflampe ausgesandten Strahlen durch optische Mittel in einen sichtbaren
und in einen unsichtbaren Anteil getrennt. Es wird ferner der sichtbare Anteil nach
außen unmittelbar abgestrahlt und durchgelassen, daher praktisch ohne Verluste,
ohne durch einen Durchgang oder eine Reflexion durch oder von Leuchtstoffschichten
vermindert zu «-erden und ohne in unerwünschter Weise in bezug auf ihre Wellenlänge
verändert zu werden. Auf der anderen Seite wird dafür Sorge getragen, daß die ultraviolette
Strahlung, möglicherweise auch die blaue Strahlung oder in jedem Fall alle Strahlung,
die umgewandelt werden soll, auf Leuchtstoff auffällt, so daß sie dadurch in gewünschte
sichtbare Strahlung umgewandelt wird. Auf diese Weise wird eine zusätzliche Menge
sichtbarer Strahlung erzeugt, ohne daß die sichtbare Primärstrahlung vermindert
wird. Außer einer Verbesserung in der Farbe wird auch eine absolut verbesserte gesamte
Leuchtökonomie erreicht. Der Prozeß der Umwandlung der ultravioletten Strahlung
in komplementierende oder jedenfalls zusätzliche sichtbare Strahlung geht hierbei
in Abwesenheit der sichtbaren Strahlung oder Wärmestrahlung, die andernfalls gleichzeitig
die Leuchtstoffflächen trifft, sogar mit erheblich verbessertem Nutzgrad vor sich.
Die Trennung der beiden Gruppen von Strahlung, wie sie von der primären Strahlungsquelle
emittiert werden, kann durch verschiedenartige optische Mittel erreicht werden,
die die Eigenschaft eines unterschiedlichen Brechungsvermögens. Reflexionsvermögens
oder Dispersionsvermögens in bezug auf die verschiedenen Wellenlängen besitzen und
die es daher ermöglichen, die Strahlen örtlich zu trennen, wie z. B. Linsen (Kugellinsen
oder zylindrische Linsen) oder Prisinen, oder indem man den für erschiedene Wellenlängen
verschiedenen Winkel der totalen Reflexion benutzt oder durch ähnliche Mittel.
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Die Erfindung wird noch besser verstanden durch Bezugnahme auf die
Zeichnungen, die in beispielsweiser Ausführungsform verschiedene Schnitte der Lampe
darstellen.
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Abb. i stellt einen Ouerschnitt der Lampe dar: Abb. -a ist ein Querschnitt
senkrecht zu erstgenanntem durch eine ähnliche Lampe, die eine :Mehrzahl von Hüllen
besitzt; Abb. 3 ist ein Schnitt durch einen strahlungsumwandelnden Teil der Wand;
Abb. 4 ist eine Projektion eines Teiles der strahlenumwandelnden Hülle.
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In Abb. i stellt i die Gas- und Dampfentladungslampe dar, insbesondere
eine Hochdruckquecksilberdampflampe. Für die Erfindung ist es vorteilhaft, in solchen
Lampen Drucke von mehreren Atmosphären bis hinauf sogar zu mehreren hundert Atmosphären
anzuwenden, um den elektrischen Lichtbogen, der als die primäre Strahlenquelle dient,
optisch zu einem punktförmigen oder linienförmigen Gebilde zu verkleinern. Sodann
wird bei erhöhten Drucken der Anteil der unsichtbaren ultravioletten Strahlung,
die nach der Erfindung umwandlungsfähig ist, vergrößert auf Kosten der unsichtbaren,
jedoch nicht umwandelbaren infraroten Strahlung. Die Lampen können, wie bekannt,
mit Quecksilberelektroden versehen sein, vorzugsweise jedoch mit aktivierten heißen
Kathoden; Metalldämpfe, wie Kadmium oder Zink, können an Stelle oder zusätzlich
zu dem Quecksilber eingeführt seid. Andere Arten von elektrischen Lichtbögen, kondensierten
elektrischen Entladungen, die eine besonders starke Ultraviolettstrahlung im Vergleich
zu nur geringer Hitzeentwicklung besitzen, oder Funkenentladungen in offener Luft
oder geschlossenen -Metalldampflampen oder in Lampen, die bleibende Gase, wie Edelgase,
Wasserstoff oder Stickstoff, enthalten, können jedoch ebenfalls verwendet «-erden.
Die Wandung der Lampen ist vorzugsweise für Ultraviolettstrahlung gut durchlässig
gewählt. Sie mag beispielsweise aus Quarz oder Gläsern, die einen hohen Anteil an
Kieselsäure haben, oder aus Phospbatgläsern oder aus Borsäuregläsern, die noch nicht
einmal wetterfest zu sein brauchen, bestehen. Die eigentliche Lichtbogenlampe ist
umschlossen von einer Hülle 2 bzw. einem Hüllgefäß 2, die vorzugsweise Zylinderform
besitzen, wenn sie für Lampen mit gestrecktem Lichtbogen angewandt werden sollen.
'\#,'eitere etwa vorhandene Umschließungen sind in Abb.2 mit 13
und 14 bezeichnet.
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Die Lampe und die an erster Stelle erwähnte Hülle haben einen in Abb.
i dargestellten Querschnitt. Die Hülle 2 ist auf ihrer der primären Strahlungsquelle
zugewandten Seite mit zahlreichen Linsen 3, 4, 5... besetzt, die in Abb.3 noch in
vergrößertem Maßstab gezeigt sind. Im folgenden ist eine Konstruktion, die eine
große Anzahl von Linsen, die zu einer Art von Netz oder Gitter kombiniert sind,
enthält, lediglich als Beispiel
beschrieben. Die Erfindung kann
trotzdem auch durch Einzellinsen, die nicht miteinander fest verbunden sind, verwirklicht
werden oder überhaupt durch noch andere optische Mittel, die eine örtliche Trennung
der verschiedenen Wellenlängen bewirken. Auf Grund ihres größeren Brechungsexponenten
wird die kurzwellige Strahlung, die irgendeine der dargestellten zylindrischen,
z. B. die Linse 3 in Abb. 3 trifft, in Punkt 6 konzentriert. Beispielsweise wird
es hierbei so eingerichtet, daß der Punkt 6 in der Ebene der äußeren Oberfläche
der Hülle liegt. Die langwellige, sichtbare Strahlung wird nicht in Punkt 6 konzentriert,
sondern durchsetzt die Ebene der Außenfläche auf einer breiten Fläche und würde
erst in einem Punkt 7 fokussiert werden, der außerhalb der Hülle liegt.
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Am Punkt 6 der Zeichnung, der bei Kugellinsen ein wirklicher Punkt,
bei Zylinderlinsen eine lange Linie in Wirklichkeit ist, sind die Leuchtstoffe in
einer Schicht von genügender Dicke angebracht, Sie wandeln die Ultraviolettstrahlung,
die auf ihnen konzentriert wird, in sichtbare Strahlung um, während der Durchtritt
der primären sichtbaren Strahlung wegen ihrer geringen Ausdehnung mir geringfügig
gehindert wird. Die Leuchtstoffe mögen auf der äußeren Glaswand so aufgetragen'
sein. Sie können in kleine Furchen oder Rillen gefüllt sein, die an diesen Stellen
angebracht sind, wie hei 8 und 9 angedeutet. Bei letzterer Ausgestaltung
ist ein verhältnismäßig tiefes, aber enges Loch oder eine entsprechend tiefe und
enge Rille im Material der Hülle vorgesehen, die mit Leuchtstoffen gefüllt ist.
Wie ersichtlich, wird der Durchtritt der sichtbaren Strahlung bei dieser Anordnung
der Leuchtstoffe kaum behindert. Bei Verwendung von gestreckten primären Strahlungsquellen
werden entsprechende Zylinderlinsen verwendet, die in derselben Richtung angeordnet
und auf einer Hülle, die ebenfalls möglichst Zvlinderform hat, wie gezeigt, angebracht
sind. Dadurch werden sozusagen ultraviolette Bilder der Lichtbogenröhre auf der
Außenfläche eines solchen Zylinders erzeugt, die alle in derselben Linie liegen.
Bei Verwendung kurzer Lichtbögen sind Linsen von kugelförmiger Form geeigneter,
wie leicht verständlich. In diesem Fall hat die die Linsen tragende Hülle ebenfalls
möglichst kugelige Form, so daß die zahlreichen einzelnen Bilder der primären Strahlungsquelle
in der Ebene der Außenfläche der Hülle zu liegen kommen. Damit die Ultraviolettstrahlung
in der richtigen Ebene, d.11. wo das Leuchtstoffmaterial angeordnet ist, fokussiert
wird, wird die Wandung der Hülle unter Berücksichtigung der Brechungskraft ihres
Materials und des Abstandes zwischen der primären Strahlungsquelle und der Hüllenwand
entsprechend dick bemessen. Eine Hochdruckquecksilberlampe hat eine sehr starke
Emission zwischen 3-00o und 320031 und zwischen 3,6oo und 3700A. Wie ersichtlich,
sind diese Wellenlängen viel kürzer als die benachbarte violette Strahlung bei 4000A
und um ein beträchtliches noch kürzer als die hauptsächliche primäre Netzstrahlung
bei 55'oo und 58oo A. Der starken Brechung wegen, die die ultravioletten Strahlen
erleiden; ist die Trennung relativ leicht zu bewerkstelligen. Bei Verwendung von
Quecksilberlampen oder Kadmiumlampen beispielsweise ist es vorteilhaft, auch einen
großen Teil der überschüssigen violetten und blauen Strahlung auf den Leuchtstoffen
zu konzentrieren, wobei die Trennung von der restlichen Strahlung sogar noch erleichtert
wird. Es ist lediglich wichtig, dafür zu sorgen, daß die (primäre) Grün- und Gelbstrahlung
(bei Kadmiumlampen auch die rote Strahlung) ungehindert nach außen dringt. Doch
ist dies leicht zu ermöglichen wegen ihrer geringen Brechung und ihrer geringen
Konvergenz, welche es diesen Strahlen erlaubt, zu passieren. So kann man also je
nach der Art der verwendeten Strahlungsquelle, der Art von primär erzeugter Strahlung
und der Zusammensetzung des Lichtes, die man schließlich erreichen will; einen mehr
oder weniger großen $ruchteil der sichtbaren Strahlung einer Umwandlung unterwerfen.
In diesem Fall wird das Leuchtstoffmaterial so im Gang der Strahlen, die die Linsen
passiert haben, angeordnet, daß es auch im Konzentrationsbereich beispielsweise
der violetten oder blauen Strahlen liegt. Dies wird beispielsweise erreicht, indem
man die Dicke der die Linsen und die Leuchtstoffe tragenden Hülle dieser Brennweite
anpaßt. Statt dessen kann auch mit geringerem Nutzgrad diese Wirkung durch Vergrößerung
des Durchmessers der Leuchtstoffflecke erreicht werden. So kann das von einer Quecksilberlampe
ausgesandte Licht in bemeßbarer Weise je nachdem blauweiß, reinweiß oder sogar gelblichrötlich
gemacht werden.
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Auch das Leuchtstoffmaterial wird an die Zusammensetzung der umzuwandelnden
Strahlung, d. h. an die von der primären Strahlungsquelle aus. gesandten Strahlenarten
angepaßt. So unterscheidet sich z. B. das vom Kadmiumdampf ausgesandte Ultraviolett
in seiner Wellenlänge und Verteilung von deriljenigen, das von einer Quecksilberlampe
ausgesandt wird. Die Leuchtstoffe werden so ausgewählt, daß ihre Bereiche hoher
Anregbarkeit übereinstimmen mit den hauptsächlichen Emissionsbereichen der primären
Strahlungsquelle, die umgewandelt werden sollen. Wenn auf diese Weise verfahren
wird, so ist es nicht mehr nötig, sich wegen einer vermindernden Absorption der
sichtbaren Strahlung Sorge zu machen. So sind als Leuchtstoffe verschiedenartige
Zinksilikate, besonders solche, bestehend aus kleinen Teilen von i bis 5 ,u, ferner
Zinksulfide, insbesondere solche, die zusätzlich mit Mangan aktiviert sind, geeignet.
Zinksilikate und Zinksulfide kombinieren sich vorteilhaft mit Lichtbogenentladungen
in Kadmium-und/oder Quecksilberdampf von hohem Druck. Quecksilherdampflampen mögen
zweckvoll auch mit ihre Farbe ergänzenden Leuchtstoffen, die eine starke rote Emission
haben, wie z. B. Bariumsulfid, das mit Kupfer aktiviert ist, Magnesiumsulfid, das
mit Mangan aktiviert ist, ferner mit Sulfiden, Seleniden und ähnlichen Verbindungen
des Samariums,
Praseodyms, Erbiums oder anderen Grundmaterialien
kombiniert werden. Nach der Erfindung können sogar Leuchtstoffe, wie Eosin oder
Rhodamin oder grün-, gelb- oder rotleuchtende Farbstoffe, verwendet werden, die
die Gelb- und Grünstrahlung der primären Strahlungsquelle absorbieren würden. Zahlreiche
andere solche geeignete Leuchtstoffe, die eine gute rote, orange oder panchi-omatische
Emission haben, sind allgemein bekannt.
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Bezugszeichen 2 stellt eine Hülle dar, die vorzugsweise aus einem
genügend Ultraviolett durchlässigen Glas, aus Gläsern, die Aluminiumphosphat enthalten,
besteht und hohe Dispersionskraft besitzt, oder aus Quarz. Auch organische Substanzen,
die für ultraviolette Strahlen durchlässig sind, wie geeignete Arten von Cellulosederivaten
Vinylabkämmlinge und ähnliche Substanzen, sind ebenfalls geeignet. Ratsatnerweise
macht man die Abmessungen der Linsen, Prismen od. dgl. möglichst klein, in manchen
Fällen sogar nicht größer als Bruchteile eines Millimeters, um dadurch die Wandstärke
herabsetzen und die Weglänge der ultravioletten Strahlen innerhalb des Hüllenmaterials
vermindern zu können. Dadurch wird es möglich gemacht, die Wandstärke auf weniger
als i mm oder Bruchteile davon zu verringern und gewöhnliche Glasarten zu verwenden.
In gleicher Weise können zwei konzentrische Hüllen, die in ihrer gegenseitigen Lage
adjustiert sind, verwendet werden, wobei die innere, sehr dünne Hülle das Gittersystem
der Linsen trägt, die äußere Hülle, die gleichzeitig auch als Glasschirm dienen
mag, das entsprechende System oder Gitterwerk von fluoreszierenden Linien oder Punkten.
Man kann auch von einer speziellen zusätzlichen Hülle absehen und die Gitteranordnung
der Linsen sowohl wie diejenige der Leuchtstoffe auf (äußerem) Rohr oder Kolben
13 der Lampe (in Abb. 2) anordnen. Ein solcher kann dann, wie bekannt, die eigentliche
Lichtbogenröhre (oder den Lichtbogen selber) einschließen. Bei gestreckten primären
Strahlungsquellen hat der Kolben vorzugsweise die Form eines Zylinders, der koaxial
zu der Lichtbogenröhre angeordnet ist. Um das Leuchtstoffmaterial gegen Hitzeeinwirkung
zu schützen, mag der Kolben evakuiert sein, kann jedoch auch mit einem verdünnten
Gas gefüllt sein. Unter Weglassung einer zusätzlichen Hülle 13 kann das Gitterwerk
der Linsen und Leuchtstoffe auch auf einer Hülle 1.4 (in Abb. 2) angebracht sein,
die einen Teil der üblichen Lampenarmatur bzw. Leuchte darstellt. Vorzugsweise ist
ein Reflektor i i, der ebenfalls mit Vorteil zum Trennen der Strahlengruppen dient
und Gitteranordnungen von Linsen und Leuchtstoffen trägt, einbegriffen. Der Reflektor
weist hierbei eine reflektierende Metallisierung oder einen weißen Schirm 12 auf,
der die Leuchtstoffe oder die diesbezügliche Fläche bedeckt. Letzterer kann unmittelbar
darauf oder unmittelbar aufliegend oder mit kurzem Abstand angebracht sein. Bei
Verwendung .einer entsprechenden Hülle kann diese an ihrem Boden durch eine Platte
oder einen Hohlkörper io abgeschlossen sein, die ebenfalls mit einer Gitteranordnung
von Linsen, etwa in der Art, wie in Abb. d. angedeutet, versehen sind.
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Die genaue gegenseitige Läge der zahlreichen Linsen, die das Linsengitter
bilden, und der die Leuchtstoffe enthaltenden Rillen, die ein Leuchtstoffgitter
bilden, wird sichergestellt, indem man das Glas oder sonstige Material in oder zwischen
Formkörper von einander entsprechenden Lehren oder Mustern oder zwischen geeignete
pressende Platten oder Walzen bläst, preßt oder rollt. Der Zylinder 2 kann z. B.
hergestellt werden, indem man eine flache Platte entsprechend walzt, in geeignete
Streifen schneidet und diese schließlich zu Zylindern zusammenbiegt. Die Leuchtstoffe
werden nach Zufügen geeigneter Bindemittel in die Oberfläche gerieben oder gepulvert,
und letztere wird darauf poliert, so daß das Material ausschließlich nur in den
Rillen oder an den aufgerauhten Stellen haftenbleibt.
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Man kann einen Raster, bestehend aus Punkten, Linien oder sonstigen
Anordnungen von Leuchtstoffen, der optisch dem zugehörigen Raster der Linsen und
Prismen entspricht; auch auf photochemische Weise erzeugen. Man trägt z. B. auf
der Außenfläche der Hülle 2 in Abb. i (oder 14 in Abb.2) Chromatgelatine auf. Darauf
wird der Linsenraster von einer der späteren Lichtbogenlampe entsprechenden Lichtquelle
oder in sonstiger Weise so durchstrahlt, daß an den Brennpunkten bzw. Brennlinien
etwa der ultravioletten Strahlung die Chromatgelatine gehärtet wird. Die nicht gehärteten
Partien werden mechanisch entfernt, das Ganze etwa mit Paraffin überstrichen, über
die verbliebene Chromatgelatine überstehendes Paraffin entfernt und darauf die Oberfläche
mit Flußsäure behandelt. Diese rauht die Glasoberfläche da, wo sie nicht mit Paraffin
bedeckt ist, auf oder ätzt sie sogar aus, d. h. also, an oder entsprechend den gehärteten
Gelatinestellen. Darauf werden die Reste der Gelatine ebenso wie das Paraffin entfernt
und die Oberfläche mit Leuchtstoff eingerieben und gegebenenfalls festgebrannt bzw.
mit einem Schutzlack überzogen. Wie verständlich, haftet der Leuchtstoff nur an
den nufgerauhten oder durch Ätzung vertieften Stellen, also da, wo er dann auch
im Betrieb die dort konzentrierte kurzwellige Strahlung umzuwandeln hat.