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Quecksilberhochdrucklampe für Gleichstrombetrieb Die Erfindung betrifft
eine Ouecksilberhochdrucklampe für Gleichstrombetrieb mit Edelgasgrundfüllung und
einer festen, durch die Entladung geheizten, nicht oder nur schwach aktivierten
Glühelektrode sowie einer aktivierten, in größerem Abstand von der Anode angebrachten
Hilfskathode. Es bereitet große Schwierigkeiten, Entladungsröhren dieser Art mit
niedrigen Spannungen, beispielsweise von 30 V und weniger, zu betreiben.
Diese Schwierigkeiten sind besonders dann sehr groß, wenn es zur Erzielung großer
Leuchtdichte notwendig ist, den Elektrodenabstand klein, z. B. kleiner als q. mm,
zu wählen. Da ein wesentlicher Teil der in der Entladungsstrecke umgesetzten Energie
der Anode infolge :des Anodenfalles zugeführt wird, nimmt diese im Betrieb eine
hohe Temperatur an, die zu ihrer raschen Zers,täubung führt. Durch .die Zerstäubung
wird die Röhre in kurzer Zeit unbrauchbar.
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Diese Nachteine werden bei der Erfindung dadurch vermieden, daß die
Anodenoberfläche so groß gewählt wird, daß die durch die Anodenverluste bedingte
Erwärmung der aus hochschmelzendem Metall, beispielsweise Wolfram, bestehenden Anode
im Wärmegleichgewicht zu einer Temperatur von höchstens aioo°, vorzugsweise von
nur i8oo°, führt. Erfindungsgemäß steht die Anode mit der Gefäßwand nur über ihre
Stromzuleitung in wärmeleitender Verbindung. Der Durchmesser der Anode sowie ihre
Länge ist gleich einem Vielfachen der Länge der Entladungsbahn. Da die der Anode
zugeführte Energie in Beziehung steht zum Entladungsstro.
m, ist
es vorteilhaft, den Quotienten Anodenoberfläche : S trorus tärke größ er als% i
o mm2/A, vorzugsweise größer als 30 mm2/A, zu wählen. Wenn die Quecksilberhochdrucklampe
in Verbindung mit optischen Systemen verwendet werden soll, ist es, besonders wenn
die Entladungsstrecke sehr klein ist, wünschenswert, den. Lichtbogen stets an derselben
Stelle zu halten. Zu diesem Zweck empfiehlt es sich, an der Anode ;bei der Anordnung
nach der Erfindung eine Spitze anzubringen, die gegenüber der ebenfalls vorteilhaft
spitz ausgebildeten Kathode, beispielsweise dem Ende des die Glühkathode bildenden
Kathodendrahtes, angeordnet ist. Besteht die Anode aus einem massiven Körper, beispielsweise
einer Kugel oder einem Zylinder, so kann die Spitze durch einen etwas aus der Oberfläche
dieses Körpers herausragenden Draht gebildet werden.
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Zur Erzielung einer sehr hohen Leuchtdichte ist es erstrebenswert,
die Entladungsstrecke möglichst kurz zu wählen und mit hohem Quecksilberdampfdruck,
vorzugsweise von mehr als io Atm., zu arbeiten. Um trotz dieser Bedingungen eine
ausreichend schnelle Aufhetzung des Entladungsgefäßes zu erreichen, wird vorteilhaft
die Anode der Quecksilberhochdrucklampe nach der Erfindung zylindrisch ausgebildet
und so angeordnet, daß am freien Ende des Zylinders die Entladung im normalen Betriebszustand
ansetzt, während .das andere Ende zur Einschmelzung führt. Durch diese Maßnahme
wird erreicht, daß ein Teil der der Anode zugeführten Wärme zur Einschmelzstelle
hingeführt wird, die sich sonst erfahrungsgemäß wegen ihrer großen Masse nur verhältnismäßig
langsam aufheizen würde. Diese Beschleunigung des Aufheizvorgangs ist besonders
für häufig unterbrochenen Betrieb von großer Bedeutung, da die Wartezeiten erheblich
verkürzt werden.
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Diese Anordnung weist vor der mit einer kugelförmigen Anode zudem
den Vorteil auf, daß die zylindrische Anode bei gleicher Oberfläche eine geringere
Schattenwirkung aufweist. Dieser Vorteil wirkt sich besonders dann aus, wenn der
Lichtbogen in der Nähe des einen Endes oder am Ende des Zylinders ansetzt. Es hat
sich als vorteilhaft erwiesen, mindestens eine der Abmessungen .der großflächig
ausgebildeten Anode größer als das Fünffache, vorzugsweise sogar größer als das
Zehnfache des Elektrodenabstandes. zu wählen.
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Die Zeichnungen zeigen in zum Teil schematischer Darstellung Ausführungsbeispiele
der Quecksilberhochdrucklampe nach der Erfindung. Die kugelförmige Anode i sitzt
bei der Anordnung nach Fig. i auf der Einschmelzung 2 auf. Die Kathode besteht aus
zwei Teilen, nämlich der aktivierten Hilfselektrode 3, die in der Nähe der Einschmelzung
angebracht ist, und dem vorzugsweise nicht aktivierten Kathodendraht 4, der bis
in die Nähe der zum Lichtbogenansatz dienenden Spitze 5 der Anode geführt ist. Das.
Entladungsgefäß enthält einen im Betrieb zweckmäßig vollständig ver= dampfenden
Quecksilbervorrat und einte Edelgasgrundfüllung, z. B. Argon. Beim Anlegen der Spannung
geht zunächst eine Lichtbogenentladung von der aktivierten Hilfselektrode 3 zur
Anodenspitze 5. Infolge der Aktivierung erfolgt die Zündung schon bei Spannungen
von weniger als 30 V, z. B. 24 V, ohne daß die Kathode zu diesem Zwecke vorgeheizt
zu werden braucht. Die Hilfskathode 4, an der der Lichtbogen während des Dauerbetriebes
ansetzt, heizt sich von. selbst auf die erforderliche Temperatur auf, Mit zunehmender
Temperatur des. Entladungsgefäßes nimmt auch die Dampfdichte zu und bewirkt eine
Erhöhung des Lichtbogenabfalles. Dieser wiederum hat zur Folge, daß die Entladungsbahn
sich verkürzt, obgleich die Austrittsarbeit an der aktivierten Elektrode 3 merklich
kleiner ist als an dem nicht aktivierten Kathodendraht 4. Der Lichtbogenansatzpunkt
wandert daher schon nach .kurzer Zeit von .der Hilfskathode 3 fort zur Spitze des.
Kathodendrahtes 4.
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Um zu erreichen, daß dieser Vorgang mit Sicherheit eintritt, ist es
zweckmäßig, den Kathodendraht 4 und die Hilfselektrode 3 so auszubilden bzw. anzuordnen,
daß der Abstand jedes Punktes der Kathodenoberfläche der Anode um so näher liegt,
je geringer sein Abstand von der Spitze des Kathodendrahtes 4 ist, oder mit anderen
Worten.: den Kathodendraht so zu führen, daß der Abstand der Kathode von der Anode
in Richtung von der Hilfskathode zur Spitze der Kathode beständig abnimmt.
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In manchen Fällen bietet es Vorteile, den Kathodendraht selbst so
dünn zu wählen, daß er infolge der Entladung überall bis auf die Temperatur aufgeheizt
werden kann, die zur Aufrechterhaltung des Kathodenflecks notwendig ist. In diesem
Fall wird nämlich der übergang des Lichtbogenansatzpunktes von der Hilfselektrode
3 zur Spitze des Kathodendrahtes 4 erleichtert, ohne daß die Gefahr besteht, daß
der Lichtbogen auf seiner Wanderung erlischt. Der dünne Kathodendraht wirkt dabei
als selbstaufheizende Glühkathode.
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Um auch den anodischen Ansatzpunkt festzulegen, ist an der Anode eine
hervorstehende Spitze angebracht, die beispielsweise aus einem dünnen oder zugespitzten
Draht 5 bestehen kann. Die Größe der Anode ergibt sich aus der Stromstärke, die
die Quecksilberhochdrucklarnpe führen soll. Bei einer Stromstärke von 2,5 A empfiehlt
es sich, den Durchmesser etwa gleich 5 bis 6 mm zu wählen.
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Da eine Kugel von den angegebenen Ab-
messungen bereits einen
erheblichen Teil des Ausstrahlungswinkels des Lichtbogens abschirmt, ist es für
manche Zwecke günstig, an ihrer Stelle einen Zylinder als Anode zu verwenden. Eine
derartige Anode ist in Fig. 2 dargestellt. Ihre Anwendung erweist sich besonders
bei Benutzung optischer. Systeme mit großem (Öffnungsverhältnis der Anordnung mit
kugelförmiger Anode als überlegen. Die Anode besteht aus einem zylindrischen Stab
6, der fest auf der Einschmelzung 2 aufsitzt. Am freien Ende der zylindrischen Anode
ist ein kleiner Vorsprung 7 angebracht. Zu diesem Zweck kann z. B. der Zylinder
mit einem Schlitz versehen werden, in den ein dünner Wolframdraht eingeklemmt
ist.
Die Entladung setzt dann im normalen Betriebszustand nicht am Teil 6, sondern nur
an der Spitze 7 an. Bei dieser Anordnung des anodischen Ansatzpunktes steht ein
viel größerer Ausstrahlungswinkel zur Verfügung als bei der Anordnung nach Fig.
i. Bei einem Durchmesser der Anode von 3 mm und einer Gesamtlänge von 9 mm beträgt
die Oberfläche derAnode etwa 9o mm2. Die Stromzuführungen zur Anode sind in den
Einschmelzfuß 8 eingeschmolzen. Zu diesem Zweck werden vorteilhaft dünne Molybdänfolien
9 von beispielsweise io ,u Dicke benutzt. Als Stroman.schluß sind an diese Folien
dünne Zuleitungsdrähte io angeschlossen, während als Zuleitung zu den. Elektroden
die mit :den Folien verbundenen Drähte i i dienen. In der Zeichnung sind die beiden
Folien als in einer Ebene liegend dargestellt. Bei der praktischen Ausführung ist
es in der Regel vorteilhafter, sie parallel zueinander anzuordnen. Am inneren Ende
des Einschmelzfußes gabelt sich dieser in zwei einzelne Röhren 12. Dadurch wird
erreicht, daß die Zerstäubungsprodukte keinen Kontakt zwischen den beiden Stromzuführungen
i i herbeiführen können. Damit der Lichtbogen genau in der Symmetrieachse der Röhre
seinen optischen Schwerpunkt hat, ist es unter Umständen zweckmäßig, den Anodenzylinder
6, wie Fig. 2 zeigt, ein wenig gegen die Symmetrieachse zu neigen.
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Die den Entladungsraum begrenzende Glocke 13, die vorzugsweise aus
Ouarzglas hergestellt wird, besitzt nahezu die Form einer Kugel mit einem Außendurchmesser
von etwa io bis 15 mm. Sie ist mit dem elektrodennahen Ende des Einschmelzfußes
8 verschmolzen.
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Die in der Röhre umgesetzte Leistung ist verhältnismäßig klein. Sie
erwärmt sich daher, da ihre Abmessungen das Zehnfache der Lichtbogenlänge meist
übertreffen werden, nur schwer. Zur Erzielung eines hohen Druckes ist es deshalb
bei den üblichen Raumtemperaturen in der Regel vorteilhaft, das Entladungsgefäß
mit einem Mantel 1.4 zu umgeben und den Zwischenraum zwischen beiden Teilen zu entlüften
oder mit einem Gas geringen Wärmeleitvermögens und geringen Druckes zu füllen. Bei
der dargestellten Anordnung findet eine äußerst rasche Aufheizung des Entladungsgefäßes
statt, da ein verhältnismäßig großer Teil der Anodenwärme durch Wärmeleitung der
Einschmelzstelle zugeführt wird. Diese Stelle des Entladungsgefäßes heizt sich daher
schneller auf als ohne diese Wärmezufuhr, so daß die Lampe nach der Erfindung schon
nach kurzer Zeit die Betriebstemperatur auch an den kältesten Stellen des Gefäßes
annimmt.
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Die Entladungslampe nach der Erfindung benötigt bei i mm Elektrodenabstand
und 2,5 A Belastung eine Klemmenspannung von etwa 20 V, so daß die ganze Leistungsaufnahme
nur rund 5o W beträgt. Von dieser Leistung wird etwa die Hälfte in der Anode oder
in ihrer unmittelbaren Nähe umgesetzt. Daraus erklärt es sich, daß der Wärmeabführung
von der Anode eine erhebliche Bedeutung zukommt. Bei der erfindungsgemäßen. großflächigen
Ausbildung der Anode wird der wesentliche Teil dieser anodischen Wärme durch Strahlung
abgegeben.
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Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Kathode für die
Quecksilberdampflampe nach der Erfindung. Die Hauptkathode besteht an ihrem der
Hilfskathode benachbarten Ende aus zwei Ibis drei miteinander verdrillten Drähten,
während sein anodennahes Ende q. nur aus einem einfachen dünnen Draht besteht. Diese
Anordnung bietet den Vorteil, daß der Kathodendraht infolge der Verdrillung bedeutend
steifer ist. Man könnte auch die Hauptkathode q. auf der ganzen Länge durch Verdrillen
von zwei oder mehr Drähten versteifen. Es ist in diesem Fall jedoch dafür Sorge
zu tragen, daß in der Nähe der Anode nur eine Spitze zum Ansetzen der kathodischen
Entladung vorhanden ist. Andernfalls würde der Lichtbogen geneigt sein, fortwährend
von der einen zur anderen Kathodenspitze zu springen.
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Bei der Aktivierung der Plättchen, aus denen die Hilfskathode 3 zusammengesetzt
ist, können auch auf dem Kathodendraht q. selbst Aktivierungsmittel aufgebracht
werden. Sie verbleiben jedoch infolge der hohen Temperatur nicht lange auf dem Kathodendraht.
Die Verdampfung führt, falls nur eine außerordentlich dünne Schicht auf dem Kathodendraht
q. aufgebracht wird, nicht zu einer die Durchsichtigkeit des Entladungsgefäßes wesentlich
störenden Verunreinigung.
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Auch bei der Anordnung nach Fg. 3 geht der Lichtbogen in Richtung
der Achse über. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Röhre in fast allen Richtungen
gleichmäßig stark strahlt. Die Schattenwirkung des Kathodendrahtes 4 kann wegen
seines geringen Durchmessers außer Betracht bleiben.
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Die Hilfskathode 3 besteht bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
aus einem Stift, auf dem mehrere Plättchen von einigen Millimetern Durchmesser aus
schwer schmelzbarem Metall aufgeschoben sind. Der Zwischenraum zwischen den Plättchen
und ihrer Oberfläche dient zur Aufnahme der Aktvierungsmasse. Der Kathodendraht
q. kann an der Hilfskathode beispielsweise derart befestigt werden, daß er um den
Stift, der die Plättchen trägt, geschlungen ist und, wie die Fig. i und 3 zeigen,
auf beiden Seiten von den Plättchen umgeben ist.
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Für eine Stromstärke von 2,5 A empfiehlt es sich, den Kathodendraht
etwa 0,2 mm stark und die Länge, gemessen von der Hilfskathode aus, etwa gleich
io mm zu wählen.
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Bei einer Stromstärke von 2,5 A erhitzt sich die Anode höchstens auf
helle Rotglut, wenn ihre Oberfläche, wie bei dem angeführten Beispiel, etwa 9o mm2
beträgt.
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Die Flächenhelligkeit der Lampe beträgt bei den angegebenen Betriebsdaten
und bei etwa i mm Lichtbogenlänge rund 15 ooo Stilb. Sie läßt sich auf ein Vielfaches
des angegebenen Wertes steigern, durch Verringerung des Abstandes von Hauptkathode
und Anode auf o,5 mm und weniger bei gleichzeitiger Steigerung des Hg-Druckes und
damit
des spezifischen Spannungsabfalles im Lichtbogen. Die Dampfdruckerhöhung
ist dabei so zu bemessen, daß die Gesamtbrennspannung des Rohres übereinstimmend
mit der im oben angeführten Beispiel wird; dann entfällt derselbe Anteil der Gesamtstrahlung
auf den Lichtbogen. Mit ihr ausgerüstete Scheinwerfer zeichnen sich daher trotz
der kleinen Leistung der Lampe durch eine sehr große Reichweite aus. Da die Quecksilberhochdruckentladung
zudem mit Niederfrequenz moduliert werden kann, kann die Lampe auch für Lichttelefonie
verwendet werden.