DE1179298B - Hochfrequenzgespeiste Spektrallampe mit Zubehoer - Google Patents

Description

UNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

EUTSCHES

PATENTAMT

/tfJSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIj

Deutsche Kl.: 2If-82/01

Nummer: 1179 298

Aktenzeichen: V 21304 VIII c / 21 f

Anmeldetag: 14. September 1961

Auslegetag: 8. Oktober 1964

ι Die Erfindung betrifft eine hochfrequenzgespeiste pektrallampe mit Zubehör, bei der eine elektrodenpse elektrische Entladungslampe verwendet wird. J Insbesondere betrifft die Erfindung eine Spektral- ^mpenanordnung, welche bei Untersuchungen opti-Icher polarisierter Quantenzustände im Rahmen der iptischen Anregung Anwendung finden kann. Die »ei derartigen Anordnungen zu erhebenden Fordeungen bestehen darin, daß die Strahlung auf einen ehr schmalen Spektralbereich begrenzt sein muß, ίο !eringen Tntensitätsschwankungen unterliegt, prakisch keine Linienumkehr zeigt und einen möglichst liedrig liegenden Störpegel aufweist.

Für Anordnungen der vorstehend erörterten Art vurden von der Schutzrechtsinhaberin bereits hochrequenzgespeiste Spektrallampen vorgeschlagen, die nit einer Alkalidampfentladung derart arbeiten, daß lie den Alkalidampf entwickelnde Substanz sich in dnem Reservoirraum befindet, der gegenüber dem intladungsraum auf niedrigerer Temperatur gehalen wird.

Es sind bereits durch Hochfrequenzfelder zum .xuehten gebrachte elektrodenlose Gasentladungsampen bekannt, die Quecksilberdampf oder Alkali-Jampf zur Entladung ausnutzen.

Eine hochfrequenzgespeiste Spektrallampe mit Zu- >ehör unter Anwendung einer elektrodenlosen Entadungslampe, deren Lampenkolben einen Reservoireil aufweist, in welchem sich eine einen Dampf für lie Entladung entwickelnde Substanz befindet und fieren Reservoirraum auf einer niedrigeren Temperatur als der Entladungsraum gehalten wird, kennzeichnet sich gemäß der Erfindung dadurch, daß der Kolben der Entladungslampe aus einem Material be-Ueht, welches zum Zwecke einer gewissen Aufheifung nicht unbeträchtliche Hochfrequenzverluste hat, Jind daß zur induktiven Anregung der Hochfrequenztntladung eine als ein Flachspulenpaar ausgebildete und den Lampenkolben beiderseits einschließende Spulenanordnung vorgesehen ist und sich der als seit-Hcher Ansatz ausgebildete Reservoirraum in der ymmetrieebene zwischen den Flachspulen nach Unten erstreckt.

Eine bevorzugte Ausfühfungsform der Erfindung iieht vor, daß dem Lampenkolben benachbart eine jeneratoranordnung zur Erzeugung der Hochrequenz angeordnet ist und die Entladungslampe >ich in einem abgeschlossenen, mit Luft von Atmoiphärendruck gefüllten Raum befindet zu dem wecke, daß für die Entladungslampe optimale thernische Umgebungsbedingungen sichergestellt sind. Die Entladungslampe wird zweckmäßigerweise mit Hochfrequenzgespeiste Spektrallampe
mit Zubehör

Anmelder:

Varian Associates, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. phil. G. B. Hagen, Patentanwalt,

München-Solln, Frans-Hals-Str. 21

Als Erfinder benannt:
William Earl Bell, Palo Alto, Calif.,
Arnold Lapin Bloom, Menlo Park, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 16. September 1960

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Rubidiumdampf betrieben, wobei zur Erleichterung des Startens die Entladungslampe Kryptongas enthält.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß die beiden Hälften der zur Anregung der Entladung vorgesehenen Spulenanordnung so spiegelbildlich gewickelt sind, daß die Spannung führenden Endwicklungen beider Hälften einander zugewendet sind.

Die vorstehenden Merkmale und weitere Zweckmäßigkeiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der Beschreibung und den Figuren. Von den Figuren zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen elektrodenlosen Entladungsvorrichtung,

F i g. 2 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie 2-2 der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung,

F i g. 3 eine schematische Darstellung des Schwingungserzeugers, welcher die zum Betrieb der Entladungsvorrichtung gemäß F i g. 1 dienenden Schwingungen liefert,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der optischen Vorrichtung, in> der die erfindungsgemäße Entladungsvorrichtung zur Benutzung bestimmt ist.

F i g. 1 zeigt in einem Maßstab von ungefähr 2:1 eine räumlich gedrängte und leichte Entladungs-

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lampe, die gegenüber den äußeren thermischen Bedingungen und mechanischen Erschütterungen gesichert ist und insbesondere dem Zwecke dient, mit hoher Intensität eine der AIkaIimetalldampf-»D«- Linie entsprechende Strahlung zu liefern, wobei die Vorrichtung zur Anwendung in einem transportablen und räumlich gedrängten optischen Untersuchungsgerät bestimmt ist.

Die Entladungslampe 1 ist mittels eines hervorstehenden verstärkten Wandteiles 2, der ein kleines Alkalimetalldampfreservoir 3 bildet, in einen elastischen Silikongummi-Distanzierteil 4 eingesetzt, wobei der Teil 4 auf eine mit Kupfer bekleidete, aus Epoxyglas bestehende und einen gedruckten Stromkreis bildende Platte S aufgesetzt ist. Die Entladungslampe ist federnd in der aufgeteilten Spulenanordnung 6 gelagert, wobei die Spulenanordnung auf der Platte 5 angeordnet ist. Die Entladungslampe 1 befindet sich in einem thermischen Schutzgefäß 7, welches mit Luft von Atmosphärendruck gefüllt ist, wobei das Glasgefäß 7 an die Platte 5 angekittet ist; ein kleiner halbmondförmiger, aus Silikongummi bestehender Distanzierkörper 8 ist zwischen dem Gefäß 7 und der Entladungslampe 1 eingepreßt. An der Unterseite der den Stromkreis bildenden Platte ist ein sich selbst regelnder einen konstanten Strom liefernder Schwingungserzeuger vorgesehen, der im einzelnen in F i g. 3 beschrieben ist und aus zwei Miniaturtrioden 9 besteht, die von einer Klemme 11 mit Anodenspannung versorgt werden; 12 ist die Klemme zur Zuführung des Heizstromes, und 13 ist die Erdungsklemme, wobei diese Klemmen an dem Aluminiumdeckel 14 befestigt sind. An dem Deckel 14 befinden sich zwei ein Zylindersegment bildende und aus Aluminium bestehende Erwärmungskörper, an denen zwei versilberte Klammern 16 befestigt sind, welche wärmeleitend die Röhren 9 umgreifen. Ein aus Silikongummi bestehender O-Ring 17 ist an der oberen Seite der Blöcke 15 angeordnet und bildet ein Kissen für die den Stromkreis tragende Platte 5. Die gesamte die Entladungslampe und den Schwingungserzeuger bildende Anordnung ist gut passend in den Aluminiummantel 18 eingesetzt und gegenüber dem Reflektor 19 durch den O-Ring 20, der das becherförmige Gefäß 7 umgibt, elastisch abgedichtet.

Das Entladungsgefäß 1 hat einen Durchmesser von ungefähr 1 cm und bildet eine kleine intensive Lichtquelle, die scharf fokussiert werden kann. Die minimal erforderliche Frequenz zum Betrieb einer Entladungslampe dieser Größe ist ungefähr 60 MHz. Ströme höherer Frequenz liefern schmalere Emissionslinien und weniger intensive störende Strahlung und ferner geringere Härtung durch Metallzerstäubung, was sich offenbar dadurch ergibt, daß die Entladungsteilchen eine geringere mittlere freie Weglänge pro Entladungszyklus haben. Die in Fig. 3 dargestellte Schwingungserzeugervorrichtung ist in ihrem Aufbau sehr einfach und ist wirkungsvoll und erzeugt geringe Störungen. Die die Strahlung anregende Spulenanordnung wirkt als selbst schwingende Spule und wird ihrerseits in Gegentakt von den Verstärkertrioden 9 erregt, welche durch die kreuzweise von den Anoden zu den Gitterelektroden führenden Kapazitäten 30 miteinander gekoppelt sind, so daß Schwingungen von ungefähr 100 MHz aufrecht erhalten werden.

Gitterwiderstände 32 liefern die für den C-Betrieb der Röhren erforderliche negative Vorspannung. Ein Anodenkreiswiderstand 31 und eine Querkapazität 33 entkoppeln den Hochfrequenzschwingungskreis von der Gleichstromquelle.

Die beiden Hälften der zur Anregung dienenden Spulenanordnung 6 sind in einer solchen Weise spiegelbildlich, gegenläufig gewickelt, daß die einander zugekehrten Innenseiten 35 der Spulenhälften die Hochfrequenz führen, während die Außenseiten hochfrequenzmäßig »kalt« sind. Wenn eine Entladung eingeleitet wird, ergibt sich ein starkes elektrisches Feld zwischen den Endwicklungen 35, wodurch das Zünden der Entladung erleichtert wird; danach wird die Entladung durch das hochfrequente magnetische Feld der Spulenanordnung aufrechterhalten, welches in gleichmäßiger Weise das in unmittelbarer Nähe angeordnete Entladungsgefäß 1 durchsetzt. Durch die Aufteilung der Spulenanordnung wird ferner sowenig wie möglich die optische Strahlung behindert.

Die Stromversorgungsanordnung ist eine einen konstanten Strom liefernde, eine hohe innere Impedanz aufweisende Anordnung, so daß die Anodenspannung und dem entsprechend die abgegebene Hochfrequenzleistung umgekehrt proportional der Leitfähigkeit der Entladungslampe ist. Da die Intensität der Entladung unmittelbar von der Leitfähigkeit des Plasmas abhängt, werden Schwankungen der Intensität der Entladungslampe dadurch kompensiert, daß entsprechende gegensinnige Schwankungen der zum Betrieb vorgesehenen Leistung erfolgen. Bei einem ausgeführten Modell war der gesamte Leistungsbedarf, die Leistung der Glühkathoden eingerechnet, ungefähr 6 Watt.

Die Entladungslampe 1 besteht aus einem Material, welches nicht unerhebliche elektrische Verluste bei der Betriebsfrequenz der Entladungslampe hat. Ein Material, welches sich für diese Zwecke eignet und außerdem den Vorteil hat. daß es sich leicht verarbeiten läßt und durch das Alkalimetall nicht angegriffen wird und fernerhin beträchtliche thermische Stoßbeanspruchungen verträgt, ist ein Borosilikatglas, beispielsweise Pyrex-7740-Glas, welches in einer Stärke von ungefähr 0,12 bis 0,25 mm verarbeitet ist. Die durch die Entladungslampe verbrauchte Energie wird aufgeteilt auf die Glasvvandung und die Entladung, wobei das Eindringen des anregenden Feldes beschränkt ist durch die Leitfähigkeit der Entladung. Unter diesen Umständen befinden sich die Atome, welche eine spektrale Strahlung verursachen, in der Nähe der Wandung der Entladungslampe, welche auf einer für die Strahlung geeigneten Temperatur durch die Energieabsorption in der Glaswandung gehalten wird: die als Selbstumkehr bekannte Erscheinung, bei der optische Strahlung in dazwischenliegenden kalten Atomen, die eine sehr schmale der Emissionslinie der strahlenden Atome entsprechende Absorptionslinie haben, wird dadurch sehr gering. Die Anordnung hat ferner einen selbst stabilisierenden Einfluß in bezug auf die Entladung, da eine Tendenz der Entladung, geringer zu werden, dadurch kompensiert wird, daß in stärkerem Maße Hochfrequenzenergie in der Entladung verbraucht wird und dadurch die Leitfähigkeit abnimmt.

Um das Starten einer Alkalidampfentladung zu erleichtern, verwendet man im allgemeinen als Füllgas Argon. Die Verwendung eines solchen Füllgases indessen führt häufig zu einer Erscheinung, bei der die Entladung zwischen dem Füllgas und dem Alkali-

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   dampf hin und her schwankt, wodurch sich beträcht- welche die Zelle 42 durchsetzt. Unter dem Einfluß liehe Intensitätsschwankungen ergeben. Es hat sich der optischen Strahlung richten sich die meisten gezeigt, daß bei Verwendung von Krypton als Füll- Atome schnell auf den nicht absorbierenden Zustand gas bei einem Druck von 1 bis 3 Torr solche instabile durch einen Prozeß aus, der zuweilen als »optisches Schwingungen vollständig vermieden werden, wäh- 5 Pumpen« bezeichnet wird und bei dem die absorbierend trotzdem das Zünden der Entladung leicht ist renden Atome in den angeregten P-Zustand gebracht und in zuverlässiger Weise Spektralstrahlung im Be- werden und in den nicht absorbierenden Feinstruktrieb erzielt wird. Es hat sich ferner gezeigt, daß die turzustand übergehen. Wenn ein Hochfrequenzstrom Verwendung des radioaktiven Isotops Krypton 85 als von genau der Frequenz der Trennung der UnterFüllung der Entladungslampe die Zündspannungen io niveaus der Spule 44, welche die Absorptionszelle 42 noch weiter herabsetzt, was unter Umständen er- umgibt, zugeführt wird, so wird die Besetzung der wünscht ist. Eine Rubidium-Dampf-Spektrallampe, verschiedenen Unterniveaus der Atome ausgeglichen, enthaltend 1 mg Rubidium gemischt mit einer 2-Torr- und es ergibt sich ein Signal in der Photozelle 43 in-Kryptonfüllung, wurde untersucht, und es ergab sich folge der vergrößerten Absorption der Zelle, eine Lebensdauer von mindestens 1000 Stunden bei 15 Diese Anordnung kann bei einem Magnetometer vollständiger Stabilität. Die Kryptonfüllung eignet Anwendung finden, in welchem die Frequenz des die sich insbesondere zur Verwendung mit Rubidium, Spulenanordnung durchfließenden Stromes ein Signal dessen Isotope angereichert sind. Im allgemeinen aber in der Photozelle hervorruft, welches für die Stärke verwendet man Entladungslampen mit natürlichem des äußeren Magnetfeldes maßgeblich ist. Um eine Rubidium, da solche Entladungslampen besonders 20 Verzerrung des Magnetfeldes, welches gemessen werfür die Anzeige in optischen Absorptionszellen ge- den soll, nach Möglichkeit zu verhüten, können Trioeignet sind, welche entweder angereichert Rubi- den aus Titankeramik verwendet werden. In Andium 85 oder Rubidium 87 enthalten, wobei die betracht der Gegentakterregungsschaltung gleichen Schwierigkeit des Hersteilens von angereichertem sich die Magnetfelder, die von den Anodenströmen Rubidium, welches im allgemeinen nur in Form einer 25 herrühren, in erster Ordnung aus. Um noch weiter Salzverbindung zur Verfügung steht, vermieden wird. die Verzerrung zu unterdrücken, können die Verstär-

   Die Entladungslampe 1. wird in einfacher Weise in kerröhren über eine lange Übertragungsleitung mit einer konstanten thermischen Isolierung dadurch ge- der erregenden Spulenanordnung verbunden werden, halten, daß ein Luftvolumen von Atmosphärendruck Gemäß einer anderen Ausführangsform kann die unter der Glashaube 7 eingeschlossen ist. Diese An- 30 Zelle 42 mit angereichertem Rubidium-87-Dampf geordnung ist ebenso wirksam wie ein gutes Vakuum füllt sein und in einem Mikrowellenhohlraum angein bezug auf das Aufrechterhalten der Entladung bei ordnet sein, wobei das Filter 40 und der Polarisator der optimalen Temperatur, die für Rubidium un- 41 durch eine Filterzelle ersetzt sein können, welche gefahr bei 130 ⁰C liegt, ungeachtet, welche Bedingun- angereicherten Rubidium-85-Dampf enthält. Unter gen im Raum herrschen, und stellt sicher, daß die 35 diesen Umständen ergibt sich ein Signal in der Entladung auf die Entladungslampe selbst beschränkt Photozelle, wenn die Frequenz der dem Mikroist, auch wenn im Außenraum sehr niedriger Druck wellenhohlraum zugeführten Schwingung ungefähr herrscht. Die Temperatur des Metallreservoirs 3 wird 6834 MHz entspricht, welche Frequenz für einen so gehalten, daß sich ein möglichst günstiger Dampf- überfeinstrukturellen Übergang maßgeblich ist. Da druck in der Entladung ergibt, beispielsweise im Falle 40 dieser Übergang unabhängig von dem äußeren von Rubidium beträgt die Temperatur 100 ⁰C, wobei Magnetfeld ist, kann das von der Photozelle 43 abzu diesem Zwecke sich eine Wärmeströmung durch geleitete Signal dazu verwendet werden, um die Fredie Reservoirwandung 2, den Distanzierkörper 3 und quenz eines Mikrowellengenerators zu stabilisieren die Grundplatte 5 ergibt; die durch, die Röhren 9 er- und dadurch eine Normalfrequenz zu erhalten, zeugte Wärme wird von dem Gehäuse 18 abgestrahlt, 45 Da die Spektralintensität der Entladungslampe 1 welches eine Wärmesenke von einer Temperatur von stark innerhalb der Absorptionslinie der Zelle 43 aufungef ährt 50 bis 60 ⁰C bildet. Da die Temperatur des gelöst ist, so wird die optische Strahlung außerhalb Reservoirs niedriger ist als die der Entladungszone, dieser Linie, die ein Störsignal darstellen würde, stark ergibt sich keine Kondensation des Dampfes an den verringert. Es wurde bereits erörtert, daß sich nur Wandungen der Entladungslampe und kein die Ent- 50 sehr geringe Intensitätsschwankungen der zu dem ladung störendes Wandern von Metallteilchen. Signal beitragenden Strahlung ergeben. Aus diesem

   Eine Anordnung eines optischen Untersuchungs- Grunde haben die optischen Anzeigegeräte gemäß gerätes unter Anwendung einer erfindungsgemäßen der Erfindung außerordentlich hohe Empfindlichkeit Entladungsvorrichtung ist in F i g, 4 gezeigt. Ein opti- und eine niedrige Störziffer. Mit der erörterten Anscher Strahl einer Rubidiumentladungslampe 1 durch- 55 Ordnung sind Magnetometerempfindlichkeiten von setzt ein Interferenzfilter 40, welches die 7800-A-D₂- 0,01 γ und kurzzeitige Frequenzstabilitäten von Linie unterdrückt, während die 7948-Ä-Dj-Linie hin- 1:10¹² erzielbar, durchgelassen wird, und ferner einen zirkulär polarisierenden Polarisator 41 und eine optische Absorb- Patentansprüche: tionszelle 42, die angereichert Rubidium-85-Dampf 60

   enthält, worauf die Strahlung auf die Photozelle 43 1. Hochfrequenzgespeiste Spektrallampe mit

   fällt. Das Grundniveau der Atome in der Zelle 42 Zubehör unter Anwendung einer elektrodenlosen

   wird durch ein äußeres magnetisches Feld in ver- Entladungslampe, deren Lampenkolben einen

   schiedene magnetische Unterniveaus aufgespalten, Reservoirteil aufweist, in welchem sich eine einen

   wobei die Unterniveaus durch eine Frequenz von 65 Dampf für die Entladung entwickelnde Substanz

   4,66 Hz pro Gamma (1 γ—10~⁵ Gauß) getrennt sind; befindet und deren Reservoirraum auf einer nied-

   das eine dieser Grundniveaus absorbiert nicht in be- rigeren Temperatur als der Entladungsraum ge-

   zug auf die gefilterte und polarisierte Lichtstrahlung, halten wird, dadurch gekennzeichnet.

   daß der Kolben der Entladungslampe (1) aus einem Material besteht, welches zum Zwecke einer gewissen Aufheizung nicht unbeträchtliche Hochfrequenzverluste hat, daß zur induktiven Anregung der Hochfrequenzentladung eine als ein Flachspulenpaar (6) ausgebildete und den Lampenkolben (1) beiderseits einschließende Spulenanordnung vorgesehen ist und daß sich der als seitlicher Ansatz ausgebildete Reservoirraum (3) in der Symmetrieebene zwischen den Flachspulen nach unten erstreckt.
2. 2. Spektrallampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben aus Borosilikatglas besteht.
3. 3. Spektrallampe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Lampenkolbens ungefähr 12 bis 25 μΐη beträgt.
4. 4. Spektrallampe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeableitmittel (5) vorgesehen sind, welche eine Wärmeströmung von dem Reservoirteil 2,3) der Entladungslampe (1) aufnehmen.
5. 5. Spektrallampe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenkolben (1) einen Durchmesser von etwa 1 cm hat und ungefähr 1 mg Rubidium und als Gasfüllung vorzugsweise Krypton enthält.
6. 6. Spektrallampe nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lampenkolben (1) benachbart eine Generatoranordnung (9) zur Erzeugung der Hochfrequenzenergie angeordnet ist und die Entladungslampe

   (1) sich in einem abgeschlossenen, mit Luft von Atmosphärendruck gefülltem Raum befindet.
7. 7. Spektrallampe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungserzeuger ein Multivibrator mit zwei Trioden (9) ist und die Anoden und Gitterelektroden derselben kapazitiv (30) wechselseitig miteinander verbunden sind.
8. 8. Spektrallampe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hochfrequenzentladung anregende Spulenanordnung (6) im Gegentakt durch die Multivibratoranordnung angeregt wird und als Schwingkreisspule wirkt.
9. 9. Spektrallampe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hälften der Spulenanordnung (6) so spiegelbildlich gewickelt sind, daß die Spannung führenden Endwindungen (35) beider Hälften einander zugewendet sind.
10. 10. Spektrallampe nach Anspruch 6 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß

    so Wärmeleitflächen (16) vorgesehen sind, welche die von der Multivibratoranordnung (9) erzeugte Wärme zur Außenseite (18) des Gehäuses ableiten.

    In Betracht gezogene Druckschriften:

    Deutsche Patentschriften Nr. 477 311, 615 732,
    435;

    USA.-Patentschriften Nr. 1 854 912, 2 975 330;
    Taschenbuch für Chemiker und Physiker von J. D'Ans und E. Lax, 1. Auflage 1943, Tabelle 312, »Dielektrischer Verlustfaktor einiger Gläser«, S. 1370.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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    ι Bundesdnickcrei Berlin