DE2944829A1

DE2944829A1 - ARCH DISCHARGE DEVICE

Info

Publication number: DE2944829A1
Application number: DE19792944829
Authority: DE
Inventors: Jakob Maya
Original assignee: GTE Sylvania Inc
Current assignee: GTE Sylvania Inc
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1979-11-06
Publication date: 1980-05-22
Also published as: BE879898A; CA1149008A; GB2043990A; NL7908177A; GB2043990B; FR2441269A1; FR2441269B3

Description

PATENT AHWÄLTtPATENT AHWÄLTt DR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDTDR. CLAUS REINLÄNDER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT Orth$troß· 12 · D-8000 Mönchen 60 ■ Telefon 832024/5 2 9 A 4 8 2Orth $ troß · 12 · D-8000 Mönchen 60 ■ Telephone 832024/5 2 9 A 4 8 2 Telex 5212744 · Teleeramme InterpotentTelex 5212744 Teleeramme Interpotent

S6 P179 DS6 P179 D

GTE Sylvania Inc. Wilmington, Delaware, USAGTE Sylvania Inc. Wilmington, Delaware, USA

Bogenentladungsei nrichtungArc discharge device Priorität: 9. November 1978 - USA - Serial No. 959 122Priority: Nov. 9, 1978 - USA - Serial No. 959 122 Zusammenfassungsummary

Eine Gas-Fluoreszenz-Einrichtung besteht aus einer UV emittierenden Quelle und einer Kammer, die einen gasförmigen Leuchtstoff enthält, der die UV-Emission absorbiert, als Resultat davon photodissoziiert und Strahlung im nahen UV, im Sichtbaren oder im Infraroten emittiert.A gas fluorescence device consists of a UV emitting device Source and a chamber containing a gaseous phosphor which absorbs the UV emission, as a result of which it photodissociates and emits radiation in the near UV, the visible or the infrared.

Die ErfindungThe invention

Die Erfindung betrifft Lampen, und insbesondere Lampen, die Ultraviolett-(UV)Strahlung in sichtbare Strahlung umwandeln. In Leuchtstofflampen wird UV-Strahlung von einem Quecksilber-Niederdruckbogen, hauptsächlich bei etwa 254 nm, durch eine Leuchtstoffschicht auf der Innenwand des Lampenkolben» in sichtbare Strahlung umgewandelt. InThe invention relates to lamps, and more particularly to lamps that convert ultraviolet (UV) radiation to visible radiation. In fluorescent lamps, UV radiation is generated by a low-pressure mercury arc, mainly at around 254 nm, through a layer of phosphor on top of the Inner wall of the lamp bulb »converted into visible radiation. In

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Quecksiiberdampf-Hochdruck-Bogenentladungsiampen befindet sich ein beträchtlicher Teil vom Quecksilberbogen abgestrahlter Energie 1m UV-Bere1ch und ein Teil dieser Energie wird mit einer Leuchtstoffschicht auf einer das Bogenrohr umgebenden Kolbenwand 1n sichtbares Licht umgewandelt. In diesen Lampentypen 1st der Leuchtstoff ein Festkörper. Erfindungsgemäß wird ein gasförmiger Leuchtstoff dazu verwendet, UV-Strahlung in sichtbares Licht umzuwandeln. Der gasförmige Phosphor 1st transparent, so daß er Irgendwelche ursprUng-11ch vorhandene sichtbare Strahlung nicht abschneidet, wie das eine Schicht aus einem Festkörperleuchtstoff tut.There is a high pressure mercury arc discharge lamp considerable part of the energy radiated from the mercury arc 1m The UV range and part of this energy is visible with a layer of fluorescent material on a bulb wall 1n surrounding the arc tube Light converted. In these types of lamps, the phosphor is a solid. According to the invention, a gaseous phosphor is used for this purpose used to convert UV radiation into visible light. The gaseous phosphorus is transparent so that it does not cut off any visible radiation that was originally present, like the one Layer of a solid-state phosphor does.

Der gasförmige Leuchtstoff erzeugt Licht durch den Prozess der Photodissoziierung. Bei diesem Prozess wird ein UV-Photon von einem Molekül des gasförmigen Leuchtstoffes absorbiert, wobei die Energie des Photons ausreicht, eine chemische Bindung Im Molekül aufzubrechen und eines der Produkte oder Bruchstücke in einem angeregten Zustand zu hinterlassen, wie beispielsweise ein Atom in einem angeregten Zustand. Das Atom oder Molekül 1m angeregten Zustand verliert dann Energie in Form eines sichtbaren Photons, so daß sichtbares Licht emittiert wird, und kehrt dann 1n den Grundzustand zurück. Typischerwelse beträgt die Strahlungslebensdauer des angeregten Atoms oder -8 The gaseous phosphor generates light through the process of photodissociation. In this process, a UV photon is absorbed by a molecule of the gaseous phosphor, whereby the energy of the photon is sufficient to break a chemical bond in the molecule and leave one of the products or fragments in an excited state, such as an atom in an excited state . The atom or molecule in the excited state then loses energy in the form of a visible photon, so that visible light is emitted, and then returns to the ground state. Typically, the radiation lifetime of the excited atom is or -8

MoiekUls etwa 10 Sekunden. Um die nutzbare Strahlung wiederzugewinnen, sollte die Löschzelt durch andere Arten größer als diese Strahlungslebensdauer sein. Löschen 1st die Deaktivierung eines angeregten Atoms oder MoiekUIs 1n der Welse, daß Strahlung am Entweichen gehindert wird, beispielsweise durch eine löschende Kollision mit einer anderen Art.MoiekUls about 10 seconds. To regain usable radiation, the fire tent should be longer than this radiation lifetime by other species. Erasing is the deactivation of an excited atom or MoiekUIs 1n der Welse that radiation is prevented from escaping, for example by a deleting collision with another species.

In der Zeichnung 1st eine erfindungsgemäße Lampe dargestellt.In the drawing, a lamp according to the invention is shown.

Gemäß einer bevorzugten AusfUhrungsform besteht eine erfindungsgemäße Lampe aus einem Bogenrohr 1, das von einer Glaskamner 2 umgeben 1st. Das Bogenrohr 1 1st eine UV-Quelle und die Kamner 2 enthält eine Substanz, die während des Lampenbetriebes ein gasförmiger Leuchtstoff 1st.According to a preferred embodiment, there is one according to the invention Lamp made from an arc tube 1, which is surrounded by a glass chamber 2. The arc tube 1 is a UV source and the chamber 2 contains a substance which is a gaseous phosphor during lamp operation.

.../3 030021/0762... / 3 030021/0762

Bei einem Ausführungsbeispiel besteht das Bogenrohr 1 aus geschmolzenem Quarz und wies eine Elektrode 3 an jedem Ende auf. Die Distanz zwischen Elektroden 3 beträgt 52 cm und die Gesamtlänge beträgt 64 cm. Der zentrale Teil des Bogenrohrs 1 ist rohrförmig und hat für eine Länge von etwa 30 cm einen Durchmesser von 1 cm. Das Bogenrohr 1 enthält 40 mg Quecksilber plus Kryptongas unter 1,5 Torr. Die Kammer 2 besteht ebenfalls aus Quarz und ist 28 cm lang und hat einen Durchmesser von 2 cm. Die Kammer 2 ist koaxial mit dem Bogenrohr 1 und ist an den Enden hermetisch dicht an dieses angesetzt. Die Kammer 2 enthält 40 mg Quecksilberbromid und keine Gasfüllung.In one embodiment, the arc tube 1 is made of fused quartz and has an electrode 3 at each end. The distance between electrodes 3 is 52 cm and the total length is 64 cm. The central part of the arc tube 1 is tubular and has a diameter of about 30 cm for a length of 1 cm. The arc tube 1 contains 40 mg of mercury plus krypton gas under 1.5 torr. The chamber 2 is also made of quartz and is 28 cm long and has a diameter of 2 cm. Chamber 2 is coaxial with the curved tube 1 and is attached hermetically sealed to this at the ends. Chamber 2 contains 40 mg of mercury bromide and no gas filling.

Das Bogenrohr 1 wurde mit Stromdichten zwischen 2 und 12 Ampere pro Quadratzentimeter betrieben, der Spannungsabfall über dem Bogen lag typischerweise zwischen 50 und 80 Volt effektiv. Das Bogenrohr 1 wurde mit Leistungen bis zu etwa 600 bis 700 Watt betrieben. Der Betrieb des Bogenrohrs 1 war so, daß kurzwellige UV-Strahlung von, sagen wir etwa 200 nm effizient geliefert wurde, da Quecksilberbromid zur Fiuroreszenz solches kurzwelliges UV benötigt, wie viele andere gasförmige Leuchtstoffe. Die UV-Entladung im Bogenrohr 1 wurde bei einer Leistung betrieben, die ausreicht, eine Wandtemperatur der Kammer von etwa 120 ° bis 180 ⁰C zu erreichen. In diesem Temperaturbereich beträgt der Dampfdruck des Quecksilberbromids etwa 0,36 bis 10 Torr. Die Absorptionsstärke des Quecksilberbromids für 200 nm-Strahlung ist so, daß eine 100%ige Absorption von UV-Photonen auf eine Distanz kleiner als 10 mm vorhanden ist. Die erhaltene sichtbare Strahlung hatte bläulichgrüne Farbe, die aus der Emission von sichtbaren Photonen von angeregten HgBr-Molekülen resultierte. Die angeregten HgBr-Moleküle rekombinierten zu HgBr^-MoIeküle und wurden für die Absorption von UV-Photonen wieder verfügbar. Die Fluoreszenzausbeute kann dadurch erhöht werden, daß ein anderes Material in die Kammer 2 eingeschlossen wird, das die Rekombinationsrate des photodissoziierten Moleküls erhöhen kann, beispielsweise eine transparenteThe arc tube 1 was operated with current densities between 2 and 12 amperes per square centimeter, the voltage drop across the arc was typically between 50 and 80 volts effective. The arc tube 1 was operated with powers of up to about 600 to 700 watts. The operation of the arc tube 1 was such that short-wave UV radiation of, say, about 200 nm was efficiently supplied, since mercury bromide requires such short-wave UV for fluorescence, like many other gaseous phosphors. The UV discharge in the arc tube 1 was operated at a power sufficient to achieve a wall temperature of the chamber of about 120 ° to 180 ⁰ C. In this temperature range, the vapor pressure of the mercury bromide is approximately 0.36 to 10 Torr. The absorption strength of the mercury bromide for 200 nm radiation is such that there is 100% absorption of UV photons at a distance of less than 10 mm. The visible radiation obtained was bluish green in color, which resulted from the emission of visible photons from excited HgBr molecules. The excited HgBr molecules recombined to form HgBr ^ molecules and became available again for the absorption of UV photons. The fluorescence yield can be increased in that another material is included in the chamber 2 which can increase the rate of recombination of the photodissociated molecule, for example a transparent one

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6hicht auf der Wand der Kammer 2 oder ein nicht reagierendes Gas wie Stickstoff, um die Drei-Körper-Rekombinationsrate zu erhöhen. Trotz der schnellen Rekombination resultieren Photodissoziation und leicht erhöhte Temperaturen in einer endlichen Dichte des Bruchstücks entsprechend Gesetzen des thermischen Gleichgewichts. Diese endliche Dichte des Bruchstücks kann zugunsten des Elternmoleküls dadurch herabgesetzt werden, daß ein reaktionsfähiges Gas wie Hg oder Br₂ für den speziellen Fall von HgBr₂ hinzugefügt wird.,Die spezielle Reaktion kann angeschrieben werden als HgBr + Br₂ -*" HgBr₂ + Br. Eine Erhöhung der Dichte des Elternmoleküls ohne Erhöhung von dessen Temperatur oder Dampfdruck hat den Effekt, die Intensität des emittierten Lichtes zu verstärken.6 does not touch the wall of chamber 2 or a non-reactive gas such as nitrogen to increase the three-body recombination rate. Despite the rapid recombination, photodissociation and slightly elevated temperatures result in a finite density of the fragment according to laws of thermal equilibrium. This finite density of the fragment can be reduced in favor of the parent molecule _{by adding a reactive gas such as Hg or Br 2} for the special case of HgBr _2. , The special reaction can be written as HgBr + Br ₂ - * "HgBr ₂ + Br. Increasing the density of the parent molecule without increasing its temperature or vapor pressure has the effect of increasing the intensity of the emitted light.

Es ist wichtig, daß die von der inneren UV-Quelle emittierte UV-Strahlung an die spezielle Absorptionsbande des gasförmigen Leuchtstoffs in der Außenkammer angepaßt ist, so daß dieser photodissoziiert wird und eines der Bruchstücke in einem angeregten Zustand verbleibt. Der gasförmige Leuchtstoff wandelt die UV-Strahlung in Strahlung im nahen UV, im Sichtbaren oder im Infraroten um. Beispielsweise soll für einen gasförmigen Leuchtstoff aus HgI₂ die UV-Quelle UV bei etwa 225 nm emittieren, die sichtbare Emission von HgI₂ Hegt bei etwa 360 bis 452 nm. Für einen gasförmigen Leuchtstoff aus SnCl₂ sollte die UV-Emission bei etwa 200 nm liegen, die sichtbare Emission von SnCl₂ liegt bei etwa 488 bis 698 nm. Für ein organometailisches Molekül,wie beispielsweise CH₃HgBr,soll die UV-Emission bei etwa 180 nm liegen; die sichtbare Strahlung ist ein bläulich-grünes Bandenspektrum, das charakteristisch für HgBr ist. Für ein Gas mit niedrigem Molekulargewicht, wie beispielsweise NH₃, soll die UV-Emission im Vakuum-UV-Bereich liegen, bei etwa 163 nm. In einem solchen Fall muß das Bogenrohr 1 aus einem Material bestehen, das Vakuum-UV durchläßt, wie Saphir oder polykristalline Tonerde. Die sichtbare Strahlung von NH₃ liegt im grünen Bereich bei etwa 500 nm. Im Falle eines organischen Moleküls, wie CF₃I, soll die UV-Emission bei etwa 268 nm liegen, die Strahlung von CF₃I liegt 1m Infraroten bei etwa 1315 nm.It is important that the UV radiation emitted by the inner UV source is adapted to the specific absorption band of the gaseous phosphor in the outer chamber so that it is photodissociated and one of the fragments remains in an excited state. The gaseous phosphor converts the UV radiation into radiation in the near UV, in the visible or in the infrared. For example, for a gaseous phosphor made of HgI _2, the UV source should emit UV at around 225 nm, the visible emission of HgI ₂ at around 360 to 452 nm. For a gaseous phosphor made of SnCl ₂ , the UV emission should be around 200 nm The visible emission of SnCl ₂ is around 488 to 698 nm. For an organometallic molecule such as CH ₃ HgBr, the UV emission should be around 180 nm; the visible radiation is a bluish-green band spectrum that is characteristic of HgBr. For a gas with a low molecular weight, such as NH ₃ , the UV emission should be in the vacuum-UV range, at around 163 nm Sapphire or polycrystalline clay. The visible radiation of NH ₃ is in the green range at around 500 nm. In the case of an organic molecule such as CF ₃ I, the UV emission should be around 268 nm, the radiation of CF ₃ I is 1m infrared at around 1315 nm .

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-Z--Z-

^c 29U829 ^c 29U829

Ein Kühl fallenreservoir 4 kann in der Außenkammer 2 vorgesehen sein, um den richtigen Dampfdruck des gasförmigen Leuchtstoffes zu erhalten, falls notwendig. Es ist erwünscht, das Bogenrohr unter solchen Bedingungen zu betreiben, daß die Kammer 2 ausreichend beheizt wird, um den richtigen Dampfdruck für den gasförmigen Leuchtstoff zu erhalten. Wenn das Bogenrohr 1 jedoch bei höhprer Leistung betrieben werden muß, um UV von einer speziellen Wellenlänge zu erhalten, kann das Reservoir 4 eine Kühlfalle bilden, um den Dampfdruck des gasförmigen Leuchtstoffes herabzusetzen. Das Reservoir 4 bildet auch eine Kondensationsstelle für den gasförmigen Leuchtstoff, die die Wände der Kammer 2 von solchen Kondensaten frei hält; ein Kondensat auf den Wänden der Kammer 2 könnte die Transmission der Wände für Strahlung im Sichtbaren und im Infraroten herabsetzen. Die UV-Quelle braucht nicht aus einer elektrischen Entladung her zu rühren, sie könnte auch von einer Mikrowellenentladung oder einer Hochfrequenzentladung gebildet sein.A cooling trap reservoir 4 can be provided in the outer chamber 2 to to obtain the correct vapor pressure of the gaseous phosphor, if necessary. It is desirable to operate the arc tube under such conditions that the chamber 2 is sufficiently heated to the to get the correct vapor pressure for the gaseous phosphor. However, if the arc tube 1 must be operated at higher power in order to To receive UV of a specific wavelength, the reservoir 4 can form a cold trap to reduce the vapor pressure of the gaseous phosphor to belittle. The reservoir 4 also forms a condensation point for the gaseous phosphor, which keeps the walls of the chamber 2 free of such condensates; a condensate on the walls of the chamber 2 could reduce the transmission of the walls for radiation in the visible and in the infrared. The UV source does not have to come from an electrical discharge, it could also come from a microwave discharge or be formed by a high frequency discharge.

Claims

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PatentansprücheClaims

( l.iBogenentiadungseinrichtung bestehend aus einer UV emittierenden Quelle und einer Kammer, die Moleküle eines gasförmigen Leuchtstoffes enthält, der die UV-Em1ss1on absorbiert, als Resultat davon photodissoziiert und Strahlung 1m nahen UV, 1m sichtbaren oder 1m Infraroten Bereich des Spektrums emittiert.(1st arc discharge device consisting of a UV-emitting source and a chamber containing molecules of a gaseous phosphor which absorbs the UV emission, photodissociates as a result thereof and emits radiation in the near UV, 1m visible or 1m infrared region of the spectrum.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, bei der der gasförmige Leuchtstoff für sichtbare Strahlung transparent 1st.2. Device according to claim 1, wherein the gaseous phosphor for visible radiation transparent 1st.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Kammer mit der UV emittierenden Quelle beheizt wird und der Dampfdruck des gasförmigen Leuchtstoffs als Resultat davon angehoben wird.3. Device according to claim 1 or 2, wherein the chamber with the UV emitting source is heated and the vapor pressure of the gaseous Phosphor is raised as a result of this.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die UV emittierende Quelle ein Bogenrohr 1st und die Kammer ein das Bogenrohr umgebendes Außenrohr.4. Device according to claim 1, 2 or 3, in which the UV-emitting Source an arc tube 1st and the chamber one surrounding the arc tube Outer tube.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die UV-EmIsslon von der Quelle an das Absorptionsband des gasförmigen Leuchtstoffs angepaßt 1st.5. Device according to one of claims 1 to 4, in which the UV emission is matched by the source to the absorption band of the gaseous phosphor.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Kammer ein Material enthält, das die Rekombinationsrate des photodissoz11erten gasförmigen Leuchtstoffes erhöht.6. Device according to one of claims 1 to 5, wherein the chamber is a Contains material that increases the rate of photodissociation increased gaseous phosphor.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kammer ein Material enthält, das die Dichte des photodissoz11erten Bruchstückes nach des Lichtemission verringert und die Dichte des gasförmigen Phosphor-ElternmoiekUis entsprechend den Gesetzen des thermischen ._: Gleichgewichtes erhöht.7. Device according to one of claims 1 to 6, in which the chamber contains a material which reduces the density of the photodissoz11erten fragment after the light emission and the density of the gaseous phosphorus parent molecule in accordance with the laws of thermal. _: Balance increased.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Kammer ein ^ KUhIfallenreservoir zur Kontrolle des Dampfdruckes des gasförmigen ! Leuchtstoffes enthält. C^8. Device according to one of claims 1 to 7, wherein the chamber a ^ KUHI trap reservoir to control the vapor pressure of the gaseous! Contains fluorescent substance. C ^

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