DE2307631A1 - Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe - Google Patents

Description

Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe ,

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckquecksllberdampfentladungslampe mit einem EntladungsgefSss, dessen Wandung während des Lampenbetriebs mit einer Leistung zwischen 10 und

100 V pro cm belastet ist. Das Entladungsgefftss enthält, neben Quecksilber und einem oder mehreren Edelgasen, Halogenide gewisser Elemente. In einer solchen Lampe dient das Edelgas» das einen verhBltnismSssig niedrigen partiellen Druck, z.B. zwischen 5 und 100 Τφτ, besitzt, als Zündgas. Bei der Betriebstemperatur der Lampe hat der Quecksilberdampfdruck einen Wert zwischen ungefähr 0,5 und 30 Atmosphären und sind die Halogenide zum Teil verdampft und zersetzt.

Der Zusatz von Elementen in Form von Halogeniden, insbesondere Jodiden, dieser Elemente in das Entladungsgefass einer Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe ist bekannt (siehe

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z.B. die US.Patentschrift 3.234.421) und hat eine Farbänderung des ausgestrahlten Lichte und eine Verbesserung der Farbwiedergabe zur Folge. Jn den meisten FHIlen wird auch die Ausbeute der Lampe günstig beeinflusst.

Eine Lampenfüllung, die in der Praxis häufig angewandt wird, ist in der niederländischen Patentanmeldung 277.954 angegeben. Die dort beschriebene. Lampe enthält, neben einem Edelgas und Quecksilber, die Jodide τοη Natrium, Thallium und Indium. Das Natriumiodid ist im Ueberschuss in der Lampe vorhanden, d.h. dass während des Lampenbetriebs noch unverdampftes Natriumjodid vorhanden ist. Im Zusammenhang mit der Dosierung des Natriumjodids in der Lampe wird in der Praxis ein sehr grosser Ueberschuss angewandt. Der Zusatz der Jodide hat zur Folge, dass das Quecksilberspektrum in der von der Lampe auegesandten Strahlung wesentlich unterdrückt wird. Das Natriumjodid liefert einen wichtigen Beitrag im gelben Bereich des Spektrums. Durch den Zusatz von Thallium und Indiumjodld wird ein wesentlicher Beitrag im grünen bzw. blauen Bereich des Spektrums erhalten. Mit der bekannten Lampe kann eine hohe Lichtausbeute und eine für allgemeine Anwendungen befriedigende Farbwiedergabe erzielt werden.

Für solche Anwendungen, wobei an die Wiedergabe von Farben hohe Anforderungen gestellt werden, ist eine Ergänzung des Spektrums der durch die Lampe auegesandten Strahlung jedoch notwendig· Es hat sich gezeigt, dass insbesondere die Intensitität im roten Bereich des Spektrums ungenügend ist, wodurch keine gute Wiedergabe von roten Farben erzielt werden kann. Um dies zu verbessern wurde in der niederländischen

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Patentanmeldung 6603920 vorgeschlagen, einer solchen Lampe

weiter Lithiumjodid zuzufügen. Durch die Anwendung von

Lithiumjodid, das ebenso wie das Natriumjodid im Überschuss

dosiert wird, entstehen in der spektralen Verteilung von der durch die Lampe ausgesandten Strahlung zwei starke Emiesionslinien bei ungefBhr 610 und 670 nm.

Ein grosser Nachteil des Gebrauchs von Lithiumjodid in einer Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe ist, dass die Vand des Entladungsgefftsses, die meist aus Quarz oder Hartglas besteht, in Folge der Aggressivität des Lithiumjodids stark angegriffen wird. Solche Lampen haben denn auch eine ziemlich kurze Lebensdauer (z.B. einige hundert Brennstunden).

Die Erfindung bezweckt u.a., eine Hochdruckquecksilberdampf ent ladungslampe zu schaffen, die auch im roten Bereich des Spektrums eine gute Farbwiedergabe besitzt, und bei der die Nachteile des Gebrauchs von Lithiumjodid nicht auftreten.

Eine Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach der Erfindung hat ein EntladungsgefBss, dessen Wandung während des Lampenbetriebs mit einer Leistung zwischen 10 und 100 W

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pro cm belastet ist und das 0,5 bis ko mg Quecksilber pro cm Gefässinhalt, ein Edelgas als Zündgas, mindestens eines der Halogene Jod, Brom und Chlor, sowie soviel Natrium in Form von Natriumhalogenid, dass während des Betriebs unverdampftea Natriumhaiοgenid vorhanden ist, und 0,25 bis 25 Gew.$ auf die Menge Quecksilber berechnetes Thallium und ferner 0 bis 15 Gew.$ auf die Menge Quecksilber berechnetes Indium enthält, und ist dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäss weiter Calcium einer Menge zwischen 1 und 30 Gew.^ der Menge Quecksilber

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enth&lt, und dass dl· Menge Halogen mindestens gleich dem chemischen Aequivalent des vorhandenen Natriums und Calciums und hBchstens gleich zweimal dem chemischen Aequivalent des vorhandenen Natriums, Calciums, Thalliums und Indiums ist.

Eine erfindungsgem&sse Lampe enthalt, genau so wie bekannte Lampen, ein Edelgas als Zundgas, Quecksilber, das vorwiegend zur Bildung eines Puffergases dient, Natriumhalogenid im Ueberschuss, und weiter die Metalle Thallium und gegebenenfalls Indium. Unter den Betriebsbedingungen der Lampe soll die Lampenwand mit einer Leistung zwischen 10 und 100 V

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pro cm belastet sein, damit eine Wandtemperatur gewährleistet ist, die hoch genug ist, um den gewünschten Dampfdruck der Halogenide zu erreichen. Die Menge Quecksilber soll innerhalb der oben angegebenen Grenzen gewShlt werden. Wenn weniger als 0,5 mg Quecksilber pro cm angewandt wird, erreicht man eine zu geringe Bogenspannung, wodurch zu wenig Energie durch die

Lampe aufgenommen wird. Bei einer Menge Quecksilber fiber kO mg

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pro cm erzielt man eine instabile Entladung. Die Menge Thallium soll wenigstens 0,25 Gew.^6 auf die Menge Quecksilber berechnet, betragen, weil sonst eine zu geringe Lichtausbeute erhalten wird. Bei mehr als 25 Gew.^ Thallium wird die Farbe der ausgesandten Strahlung zu grün. Um einen geeigneten Beitrag im blauen Bereich des Spektrums zu erhalten, kann man der Lampenfüllung Indium zusetzen. Dabei darf jedoch die obenangegebene maximale Menge nicht überschritten werden, weil sonst zuviel blaue Strahlung erhalten wird.

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Nach der Erfindung enthSlt die Lampe weiter Calcium in einer Menge zwischen 1 und 30 Gew.^ der Menge Quecksilber. Das Calcium ist in der Lampe in Form von Calciumhalogenid vorhanden (z.B. CaJ₂)* das während des Lampenbetriebs verdampft und in der Entladung völlig oder zum Teil zersetzt wird. Dabei wird eine Menge Calciummonohalogenid (z.B. CaJ) gebildet. Durch den Calciumhalogenid-Zusatz wird im Spektrum der ausgesandten Strahlung einer Lampe nach der Erfindung ein grosser Beitrag im roten Bereich zwischen ungefähr 605 und 670 mn geliefert. Dieser Beitrag entsteht in den Calciummonohalogenidmolekülen. Veiter findet man atomare Emissionslinien des Calciums bei ungefähr 610 und 6^5 nm,

Die Menge Halogen in einer erfindungsgemässen Lampe ist mindestens gleich dem chemischen Aequivalent des vorhandenen Natriums und Calciums, d.h. dass die Menge Halogen ausreicht, um das Natrium und Calcium zu NaX bzw. CaX₂ zu binden, wobei X eines oder mehrere der Elemente J, Br und Cl darstellt. Es hat sich herausgestellt, dass mit dieser minimalen Menge Halogen auch die anderen in der Lampe vorhandenen Metalle, mit Ausnahme des Quecksilbers, in der Form von Halogeniden dieser Elemente in die Entladung eingeführt werden können. Die maximale Menge Halogen beträgt zweimal das chemische Aequivalent des vorhandenen Natriums, Calciums, Thalliums und Indiums. Wenn nämlich die Lampe mehr Halogen als die genannte maximale Menge enthält, bekommt man eine instabile Entladung und eine niedrigere Ausbeute.

Eine erfindungsgemässe Lampe bietet den Vorteil, dass die spektrale Verteilung der im roten Bereich des Spektrums

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ausgesandten Strahlung für einen wichtigen Teil aus einem breiten Band besteht. Dieses Band rührt von den Calciunmonohalogenidmolekülen her* Eine solche spektrale Verteilung übt bekanntlich einen günstigen Einfluss auf die Farbviedergäbe der Lampe aus.

Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemSssen Lampe ist, dass das angewandte Calciummonohalogenid nicht aggressiv ist, im Gegensatz zu dem in den bekannten Lampen angewandten Lithiumjodid. Infolgedessen wird in den erfindungsgemBssen Lampen die Lampenwand fast nicht angegriffen und kann man mit diesen Lampen eine lange Lebensdauer erreichen.

Es werden erfindungsgemBsse Lampen bevorzugt, deren Wandbelastung zwischen 10 und 30 V pro cm' betrSgt und die

0,5 bis 10 mg Quecksilber pro cm , 5 bis 20 Gew.^ Thallium und 0 bis 10 Gew.^ Indium enthalten, und bei denen die Menge Calcium zwischen 5 und 20 Gew.^ betrSgt. Mit solchen Lampen werden nSmlich die höchsten Lichtausbeuten und die besten Ergebnisse hinsichtlich der Parbwiedergäbe erzielt.

Eine erfindungsgemSsse Lampe bietet weiter noch den Vorteil, dass man die Lage im Spektrum des Emissionsbandes des Calciummonohalogenids durch eine geeignete Wahl des anzuwendenden Halogens beeinflussen kann. Für CaJ liegt dieses Band nämlich zwischen ungefähr 630 und 670 mn, für CaBr zwischen ungefähr 610 und 6^0 nm und für CaCl zwischen ungefähr 605 und 6k0 nm. In einer Vorzugsausführungsform einer erfindungsgemSssen Lampe wird Jod als Halogen angewandt, weil Brom und Chlor Anlass z.B. zu Elektrodenangriff geben ktfnnen.

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In einer erfindungsgemässen Lampe kann man bis 50 Gew.% der Menge Quecksilber vorteilhaft durch Cadmium ersetzen. Das Cadmium hat, genau so wie das Quecksilber, die Funktion eines Puffergases. Veiter gibt das Cadmium Anlass zu einem gewünschten zusätzlichen Beitrag zur Lichtemission im grünen und grünblauen Bereich des Spektrums.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungs gemässen Lampe enthält das Entladungsgefftss weiter eines oder mehrere der Elemente Skandium, Yttrium, Lanthan und Lanthanide in einer Menge zwischen 0,1 und kO Gew.^, im Verhältnis zum Quecksilber berechnet. Dabei wird die Menge Halogen zwischen jener Menge, die chemisch dem vorhandenen Natrium, Calcium, Skandium, Yttrium, Lanthan und den Lanthaniden entspricht, und zweimal der aller vorhandenen Metallen mit Ausnahme von Quecksilber und Cadmium chemisch äquivalenten Menge gewählt. Der Zusatz der genannten Extra-Elemente bietet den Vorteil, dass im Spektrum der von der Lampe ausgesandten Strahlung eine gewünschte Ergänzung erzielt wird, insbesondere im Bereich zwischen fcOO und 530 mn. Wenn der Lampe eines oder mehrere der genannten Extra-Elemente zugesetzt werden, kann das Indium in der Lampenfüllung vBllig unterbleiben, wobei doch ein genügender Beitrag im blauen Bereich des Spektrums erhalten wird. Das Fortlassen von Indium bietet weiter den Vorteil, dass im allgemeinen höhere Lichtausbeuten erzielt werden.

Vorzugsweise enthält eine erfindungsgemässe Lampe als zusätzliche· Element Neodym in einer Menge zwischen 3 und *t0 der Menge Quecksilber. Der vom Neodym gelieferte zusätzliche Beitrag zum Spektrum der von der Lampe ausgesandten Strahlung

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besteht aus einer grossen Anzahl Linien, Diese Linien bilden insbesondere im grünblauen Bereich des Spektrums, einen quasikontinuierlichen Strahlungsbeitrag, wodurch die Farbwiedergabe der Lampe noch weiter verbessert wird»

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemSssen Lampe ist als zusStzliches Element Dysprosium (gegebenenfalls in Verbindung mit Neodym) in einer Menge zwischen 3 und 40 Gew.# (im Verhältnis zum Quecksilber berechnet) vorhanden. Auch das Dysprosium liefert eine quasi-kontinuierliche Strahlung und zwar nahezu im ganzen sichtbaren Bereich des Spektrums, wodurch die Farbwiedergabe der Lampe günstig beeinflusst wird.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele nSher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemBsse Lampe und

Fig. 2 in einer graphischen Darstellung die Spektralverteilung der auegesandten Strahlung einer Lampe nach der Erfindung.

In Fig· 1 ist 1 das Quarzglas-Entladungsgefäss einer Lampe nach der Erfindung, die während des Betriebs eine Leistung von ungefähr 400 V aufnimmt. An beiden Enden des EntladungsgefSsses 1 ist eine Quetschung 2 bzw. 3 gebildet, in die Stromzuführungselemente k und 5 eingeschmolzen sind. Diese Stromzuführungselemente sind im Entladungsgefäss mit Wolframelektroden 6 und 7 verbunden, zwischen denen im Betrieb die Entladung auftritt. Das Entladungsgefäss 1 ist in einem evakuierten oder mit Inertgas gefüllten Aussenkolben 8, beispielsweise aus Hartglas, angeordnet, der an einem Ende eine

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Quetschung 9 aufweist, durch die hindurch Stromzuführungsdrlhte 10 und 11 vakuumdicht geführt sind. Die Stromzuführungsdrähte 10 und 11 sind mit den Stromzuführungselementen k und 5 verbunden und dienen gleichzeitig als Stützpole für das KntladungsgefSss. Das Entladungsgefäß 1 hat einen Innendurchmesser

3 ▼on 15,5 mm und einen Inhalt von 7,5 cm . Der Abstand zwischen den Elektroden 6 und 7 beträgt k"\ mm, Beispiel 1

Das Entladungsgefäß einer Lampe gemäss Fig. 1 wird mit 35 mg Hg

0,20 amol NaJ

7,5 mg Tl

1,7 mg In

0,16 meol CaJ₂

und weiter mit einem Gemisch von Neon und 1$ Argon zu einem Druck von kO Torr gefüllt.

An dieser Lampe wurde eine Lichtausbeute ))von 56 lm/V und eine Farbtemperatur T der ausgesandten Strahlung von 5350 K gemessen. Um die Farbwiedergabegüte der Lampe zu bestimmen, wurden die FarbwiedergabeIndexe gemessen (siehe CIE Publication Nr. 13 (E-1,3,2), 1965). Der Wert für H_a8 und R_ftil> (Mittelwert des Farbwiedergabeindexes für 8 bzw. 1U Testfarben) betrugen 75 bzw» 63* Zum Vergleich dienen die Werte von Färbtemperatur und Farbwiedergabeindex einer völlig analogen Lampe, die jedoch kein CaJ₂ enthält. Von dieser bekannten Lampe beträgt T ■ i»200 K und R_a8 »68,5 und R_aiif « 52.

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Beispiel 2

Eine Lampe nach Flg. 1 wurde mit 28 mg Hg 0,22 mmöl NaJ 5,2 mg Tl 2 mg In 0,18 MDOl CaJ₂ 10 mg Cd

und weit er mit einem Gemisch von Neon und 1% Argon xu einem Druck von kO Torr gefüllt.

Gemessen wurde T) "58 Im/V T = 4650 K

R_a8 -85,5 R_ail| =

Beispiel 3

Eine Lampe nach Flg. 1 wurde mit 36 mg Hg 0,08 flunol NaJ 2,5 mg Tl 0,08 Mmol CaJ₂ 0,03 mmol GdJ.

und welter mit einem Gemisch von Neon und 1$ Argon zu einem Druck von 20 Torr gefüllt. Gemessen wurde 'Π ο 78 lm/V T = 4950 K

^Ra8 ^{β 83}·⁵

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Beispiel k Eine Lampe nach Fig· I wurde mit

35 mg Hg 0,08 wnol NaJ k,5 mg Tl 1,5 mg In 0,08 mmol CaJ„

0,03 Pmol DyJ₄ j

und weiter mit Argon zu einem Druck von 20 Torr gefüllt. Gemessen wurde Tj =68 lm/W T = 5250

^Ra8 - ⁸²·^{5 R}aU - ⁷⁵·

Beispiel 5
Eine Lampe nach Fig. 1 wurde mit

36 mg Hg 0,08 mmol NaJ 5 mg Tl 1,7 mg In 0,08 wnol CaJ₂ O,O3 mmol NdJo

und weiter mit einem Gemisch von Neon und 1$ Argon zu einem

Druck von kO Torr gefüllt. Gemessen wurde ηη = 62 lm/W T = 5150 κ

R_a8 * 88 R_ai4 = 80,5.

Die spektrale Energieverteilung der von dieser Lampe ausgesandten Strahlung ist in Fig. 2 dargestellt. In der Figur ist auf die horizontale Achse die Wellenlänge \, in nm eingetragen,

3 0 9 8 k 0 / 0 7 7 θ

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Auf dl· -vertikal« Achse ist die ausgesandte Strahlungsenergie E pro VellenlKngenintervall von 5 na in beliebigen Einheiten eingetragen* Beispiel 6

Eine Lampe na^ph Fig. 1 wurde mit 2k mg Hg 0,1 »mol NaJ 5 mg Tl

1 mg In 10 mg Cd 0,1 nmol ^CaJo 0,05 nmol DyJ-0,05 nmol NdJ_

und weiter mit einem Gemisch von Neon und 1$ Argon zu einem Druck von kO Torr gefüllt. Gemessen wurde ri * 56 Im/W T = 4200 K

^Ra8 - ^{9k R}aH* ^{β 9}°'

Beispiel 7

Eine Lampe nach Fig. 1 wurde mit 36 mg Hg 0,22 nmol NaJ 5,2 mg Tl 2 mg In 0,2 nmol CaBr₂

und weiter mit Argon zu einem Druck von 20 Torr gefüllt. Gemessen wurde Τη » 67 lra/W T = 5200 K

R_a8 = 73,5 R_aU =

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Beispiel 8

Eine Lampe nach Fig* 1 wurde mit
28 mg Hg

0,22 Buaol NaJ

5,2 mg Tl %

2 mg In

0,16 mmol CaCl₂

und weiter mit Argon zu einem Druck von 20 Torr gefüllt. Gemessen wurde T] = 66 lm/V T » 5150 K

^Ra8 ^{a 77 R}a1^ = ⁶⁵·

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Claims (1)

1. PATENTANSPRUECHEι

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   Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe mit einem

   Entladungsgefäss, dessen Wandung während des Lampenbetriebs

   2 mit einer Leistung von 10 bis 100 V pro cm belastet ist und

   ·» das 0,5 bis kO mg Quecksilber pro cm Gefassinhalt ein Edelgas als Zundgas, mindestens eines der Halogene Jod, Brom und Chlor, sowie soviel Natrium in Form' von Natriumhalogenid, dass während des Betriebs unverdämpftes Natriumhalogenid vorhanden ist, und 0,25 bis 25 Gew.^C auf die Menge Quecksilber berechnetes Thallium und ferner 0 bis 15 Gew.^ auf die Menge Quecksilber berechnete« Jjadium enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäss weiter Calcium in einer Menge zwischen 1 und 30 Gew,# der Meng· Quecksilber enthält und dass die Menge Halogen mindestens gleich dem chemischen Aequivalent des vorhandenen Natriums und Calciums und höchstens gleich zweimal dem chemischen Aequivalent des vorhandenen Natriums, Calciums, Thalliums und Indiums ist.

   2. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1,

   g deren Wandbelastung zwischen 10 und 30 V pro cm liegt und

   3 die 0,5 bis 10 mg Quecksilber pro cm Gefflssinhalt, 5 bis 20 Gew.% Thallium und 0 bis 10 Gew.# nach der Menge Quecksilber berechnetes Indium enthält, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäss Calcium in einer Menge von 5 his 20 Gew.^ der Menge Quecksilber enthält. 3· Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halogen Jod ist.

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   h» Hochdruckqueoksllberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass bis 50 Gew.^ des Quecksilbers durch Cadmium ersetzt ist.

   5. Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 1, 2, 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgeflss weiter eines oder mehrere der Elemente Skandiup, Yttrium, Lanthan und Lanthanide in einer Mange zwischen 0,1 und kO Gew.^ der Menge Quecksilber enthalt, und dass die Menge Halogen mindestens gleich dem chemischen Aequivalent des vorhandenen Natriums, Calciums, Skandiums, Yttriums, Lanthans und den Lanthaniden und höchstens gleich zweimal dem chemischen Aequivalent aller vorhanden«-Metalle mit Ausnahme von Quecksilber und Cadmium ist. 6· Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch 5· dadurch gekennzeichnet, dass das Entladungsgefäß Neodym in einer Menge zwischen 3 und kO Gew.# der Menge Quecksilber enthSlt.

   7· Hochdruckquecksilberdampfentladungslampe nach Anspruch oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das EntladungsgefBss Dysprosium in einer Menge zwischen 3 und kO Gew.^ der Menge Quecksilber enthalt.

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