Gasentladungslampe mit Außenelektrode

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit einer Gasentladungsröhre (12-1) mit einem zylindrischen Entladungsbereich (12-4), mit zwei Elektroden (12-2,12-3), die auf der Außenseite der Gasentladungsröhre (12-1) angeordnet sind. Um eine verbesserte Gasentladungslampe mit externen Elektroden bereitzustellen, die eine höhere Lebensdauer hat, wird vorgeschlagen, dass jede Elektrode (12-2,12-3) einen ebenen, scheibenförmigen Halteabschnitt (12-6,12-7) aufweist, der jeweils eine Öffnung (12-8,12-9) enthält und dass der zylindrische Entladungsbereich (12-4) in den Öffnungen formschlüssig aufgenommen ist, wobei die Zylinderachse des zylindrischen Entladungsbereichs (12-4) senkrecht zu den ebenen Halteabschnitten (12-6,12-7) liegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Lichtquelle mit einer solchen Gasentladungslampe, die vorzugsweise als Quecksilberspektrallampe dient.

[0002] Aus der US 5,013,966 ist eine gattungsgemäße Gasentladungslampe mit externen Elektroden bekannt. Bei dieser sind die Elektroden als Ringelektroden ausgebildet und umfassen jeweils einen zylindrischen Abschnitt der Entladungsröhre. Die Ringelektroden sind dabei relativ großflächig nach Art von Schellen ausgebildet. Allen bekannten Gasentladungslampen gemeinsam ist die begrenzte Lebensdauer, die sich insbesondere durch eine Schwärzung der Innenseite der Entladungsröhre ergibt. Dies gilt insbesondere für Quecksilberlampen, denn vermutlich werden Hg-lonen in die Quarzglasoberfläche der Entladungsröhre eingetragen und reagieren dort zu Quecksilberoxid. Dieser Vorgang ist umso effektiver, je höher die Geschwindigkeit ist, mit der die Ionen in die Oberfläche einschlagen. Diese Geschwindigkeit hängt ab vom elektrischen Feld senkrecht zur Oberfläche.

[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Gasentladungslampe mit externen Elektroden bereitzustellen, die eine höhere Lebensdauer hat.

[0004] Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Gasentladungslampe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0005] Die erfindungsgemäße Gasentladungslampe umfasst eine Gasentladungsröhre mit einem zylindrischen Entladungsbereich und zwei Elektroden, die auf der Außenseite der Gasentladungsröhre angeordnet sind, wobei jede Elektrode einen ebenen, scheibenförmigen Halteabschnitt aufweist, der jeweils eine Öffnung enthält und wobei der zylindrische Entladungsbereich in den Öffnungen formschlüssig aufgenommen ist, wobei die Zylinderachse des zylindrischen Entladungsbereichs senkrecht zu den ebenen Halteabschnitten liegt.

[0006] Es hat sich gezeigt, dass erheblich weniger Schwärzung auf der Innenseite der Gasentladungsröhre auftritt, wenn die Elektroden in der erfindungsgemäßen Weise ausgebildet sind und nur ein schmaler Bereich der Elektrode, nämlich die Innenseiten der Ränder der Öffnungen, an der Gasentladungsröhre anliegen. Dadurch erhöht sich auch die Lebensdauer erheblich. Versuche mit Quecksilberspektrallampen, in denen Vergleichsmessungen gemacht wurden mit identischen Gasentladungsröhren aber verschiedenen Elektrodenformen, nämlich einmal die bekannte nach dem Stand der Technik, in der die Elektroden schellenartig die zylindrische Gasentladungsröhre umfassen und einmal in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung, haben ergeben, dass die Lebensdauer um mehr als einen Faktor 6 gesteigert werden konnte. Ein möglicher Teil der Erklärung für die lange Lebensdauer ist vermutlich, dass das elektromagnetische Feld, das sich zwischen den ebenen Halteabschnitten mit dieser speziellen Geometrie, also flache Scheiben, die parallel zueinander angeordnet sind, bildet und die Anordnung der Entladungsröhre senkrecht dazu, dazu beiträgt, dass eine geringere Schwärzung auftritt.

[0007] In einer Ausführungsform haben sich eine Materialstärke der Halteabschnitte von ca. 0,15 mm und ein Abstand der Halteabschnitte von ca. 3mm als besonders vorteilhaft herausgestellt.

[0008] Insbesondere bei der Verwendung der Gasentladungslampe als Quecksilberspektrallampe werden häufig die Zeeman Komponenten der Spektrallinien benötigt, so dass die Erfindung auch eine Lichtquelle mit der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe umfasst, wobei Magnete vorgesehen sind, zwischen denen ein weitgehend homogenes Magnetfeld erzeugbar ist.

[0009] Damit das erzeugte Magnetfeld besonders homogen ist, ist in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle vorgesehen, dass ein Nordpol eines Magneten auf einer Seite der Gasentladungsröhre angeordnet ist und ein Südpol eines zweiten Magneten auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und sowohl der Nordpol als auch der Südpol aus zwei Teilmagneten gebildet sind, deren gleichnamige Pole gegenüberliegen und den Nord- bzw. Südpol bilden, wobei jeweils zwischen den gegenüberliegenden beiden Nordpolen bzw. gegenüberliegenden Südpolen ein Spalt gebildet ist, der sich zur Gasentladungsröhre hin weitet. Weitere Erhöhung der Homogenität kann erreicht werden, wenn die Spalte jeweils mit einem Eisenkern ausgefüllt sind, wobei bevorzugt die Form des Endes des Eisenkerns, das der Gasentladungsröhre zugewandt ist, konkav ausgebildet ist.

[0010] In einer anderen Ausführungsform der Lichtquelle sind die Magnete auf gegenüberliegenden Seiten der Gasentladungsröhre angeordnet und als Ringmagnete ausgebildet, deren einer Pol am Innenrand und der andere am Außenrand liegen. Derartige Ringmagnete sind im Handel erhältlich und in der Lichtquelle in konstruktiv einfacher Weise zu lagern, so dass die Lichtquelle verglichen mit der vorgenannten Ausführungsform in relativ einfacher Weise aufgebaut sein kann.

[0011] Bei Einsatz der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe als Quecksilberspektrallampe besteht bevorzugt die Gasentladungsröhre aus einem Quarzglas. Eine solche Quecksilberspektrallampe wird bevorzugt eingesetzt zur Messung der Quecksilberkonzentration eines Gases.

[0012] Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer Konzentration eines Stoffes in einem Gas mit einer erfindungsgemäßen Lichtquelle;

Fig. 2

eine schematische und etwas detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Lichtquelle aus Fig. 1;

Fig. 3

eine erfindungsgemäße Gasentladungslampe in perspektivischer Ansicht;

Fig. 4

eine weitere detailliertere Darstellung der Lichtquelle mit Gasentladungslampe im Querschnitt;

Fig. 5

eine andere Ausführungsform der Lichtquelle mit Gasentladungslampe;

Fig. 6

ein Quecksilberspektrum der Lichtquelle.

[0013] Eine Vorrichtung 10 zur Messung des Quecksilbergehalts in einem Gas, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, weist eine erfindungsgemäße Lichtquelle 12 zur Aussendung von Quecksilberspektrallinien entlang einer optischen Achse 14 auf.

[0014] Die erfindungsgemäße Lichtquelle 12, die in Fig. 2 detaillierter aber immer noch schematisch dargestellt ist, ist als elektrodenlose Gasentladungslampe ausgebildet und umfasst eine Entladungsröhre 12-1, in der eine Gasentladung brennt. In Fig. 2 ist die Lichtquelle so dargestellt, dass die optische Achse 14 senkrecht zur Zeichenebene liegt.

[0015] Wie insbesondere in Fig. 3 erkennbar, weist die Gasentladungsröhre 12-1 einen zylindrischen Entladungsbereich 12-4 und einen kugelförmigen Abschnitt 12-5 auf. In dem kugelförmigen Abschnitt 12-5 befindet sich ein Quecksilbervorrat, so dass in der Gasentladung die Quecksilberspektrallinien entstehen. Bei dem Quecksilber handelt es sich bevorzugt um Quecksilber mit einer natürlichen Isotopenverteilung. Die Gasentladung wird gezündet und aufrechterhalten durch zwei Elektroden 12-2 und 12-3, die außerhalb der Entladungsröhre 12-1 an dem zylindrischen Entladungsbereich 12-4 angeordnet sind. Typischerweise liegt an den Elektroden 12-2 und 12-3 eine Hochfrequenzspannung einer Frequenz von etwa 200 bis 250 MHz und eine Amplitude von 4 bis 8 V an.

[0016] Jede Elektrode 12-2 und 12-3 weist erfindungsgemäß einen ebenen, scheibenförmigen Halteabschnitt 12-6 und 12-7 auf, die jeweils eine Öffnung 12-8 und 12-9 aufweisen. In den Öffnungen 12-8 und 12-9 ist der zylindrische Entladungsbereich 12-4 der Gasentladungsröhre 12-1 formschlüssig gehalten. Die Halteabschnitte 12-6 und 12-7 sind parallel zueinander ausgerichtet und der zylindrische Entladungsbereich 12-4 liegt mit seiner Zylinderachse senkrecht zu den Halteabschnitten 12-6 und 12-7.

[0017] In dem Ausführungsbeispiel haben die Halteabschnitte 12-6 und 12-7 eine Materialstärke von ca. 0,15 mm und sind ca. 3 mm voneinander beabstandet. Sie bestehen bevorzugt aus Kupfer als gutem elektrischen Leiter.

[0018] Die Gasentladungsröhre 12-1 der Lichtquelle 12 befindet sich in einem möglichst homogenen Magnetfeld, das von einem Magneten 15 erzeugt wird und das am Ort der Lichterzeugung senkrecht zur optischen Achse ausgerichtet ist. Dadurch werden aufgrund des Zeeman-Effektes die σ+, σ- und die π polarisierten Zeeman Komponenten der Spektrallinien erzeugt.

[0019] Damit die Aufspaltung der Spektrallinien groß genug ist und die Spektrallinien scharf bleiben, also an jedem Ort in der Lampe um den gleichen Betrag spektral verschoben werden, muss ein ausreichend starkes und homogenes Magnetfeld erzeugt werden. Dafür ist der Magnet 15 in besonderer Weise ausgebildet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Der Magnet 15, der das homogene Magnetfeld erzeugt, ist insgesamt aus vier einzelnen Magneten 15-1 bis 15-4 aufgebaut, so dass ein Nordpol auf einer Seite der Gasentladungsröhre 12-1 (in Fig. 4 oberhalb der Gasentladungsröhre) und ein Südpol auf der gegenüberliegenden Seite (in Fig. 4 unterhalb der Gasentladungsröhre) angeordnet ist. Der Nordpol des Magneten 15 ist dann durch die beiden Teilmagnete 15-1 und 15-2 gebildet, deren Nordpole einander gegenüberliegen. In entsprechender Weise ist der Südpol des Magneten 15 gebildet durch die beiden Südpole der Teilmagnete 15-3 und 15-4. Zwischen den gegenüberliegenden beiden Nordpolen der Teilmagnete 15-1 und 15-2 sowie zwischen den gegenüberliegenden Südpolen der Teilmagnete 15-3 und 15-4 ist jeweils ein Spalt gebildet, der sich zur Gasentladungsröhre 12-1 hin weitet. Beide Spalte sind bevorzugt jeweils mit einem Eisenkern 15-5 und 15-6 ausgefüllt, wobei die Form der Enden der Eisenkerne, die der Gasentladungsröhre 12-1 zugewandt sind, im dargestellten Querschnitt konkav ausgebildet sind. Durch diese Ausführungsform des Magneten 15 mit seinen Teilmagneten und den Eisenkernen kann ein besonders homogenes Magnetfeld am Ort der Gasentladung, das durch gestrichelte Linien 15-7 angedeutet ist, erzeugt werden.

[0020] Von außen werden die Magnete 15-1 bis 15-4 gehalten durch Halterungen 15-8 und 15-9, die bevorzugt aus Eisen ausgebildet sind, um das Magnetfeld zwischen den Teilmagneten 15-1 und 15-4 bzw. 15-2 und 15-3 in geeigneter Weise zu leiten. Die Halterung 15-9 weist eine Öffnung 15-10 auf, durch die das in der Gasentladungsröhre 12-1 erzeugte Licht nach außen und in die Vorrichtung 10 entlang der optischen Achse 14 treten kann.

[0021] Fig. 6 zeigt ein von der Gasentladungslampe 12 erzeugtes Quecksilberspektrum. Die Spektrallinien, die fetter gedruckt sind, entsprechen der π Komponente, wobei die einzelnen Spektrallinien der π Komponente den verschiedenen Übergängen der verschiedenen Isotope entsprechen. Die einzelnen Linien sind durch die jeweilige Massenzahl der Isotope gekennzeichnet. Zu höheren Frequenzen hin liegen die Spektrallinien der σ+ Komponente und zu niedrigeren Frequenzen hin die Spektrallinien der σ- Komponente. Das Magnetfeld ist am Ort der Gasentladung so stark, dass die spektralen Verteilungen der σ+ und σ- Komponente sich nicht mit der Verteilung der π Komponente überschneiden. Typischerweise beträgt das Magnetfeld dafür etwa 1 bis 1,5 Tesla. Das bedeutet, dass beispielsweise die Spektrallinie von ¹⁹⁹Hg der σ- Komponente, die mit der Bezugsziffer 16 gekennzeichnet ist und die der Spektrallinie mit der höchsten Energie der π Komponente entspricht, die mit der Bezugsziffer 18 gekennzeichnet ist, soweit zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben ist, dass sie deutlich getrennt ist von der Spektrallinie der π Komponente, die mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet ist und der Spektrallinie mit niedrigster Energie der π Komponente entspricht, also der Spektrallinie von ²⁰⁴Hg.

[0022] Wie weiter unten erläutert wird, ist die ausreichende Trennung deswegen wichtig, weil die π Komponente letztendlich die Messgröße liefert, da die unverschobene π Komponente absorbiert wird und die verschobenen σ Komponenten eine Referenzgröße bilden, da die verschobenen Spektralkomponenten nicht absorbiert werden, wie das prinzipiell bereits aus dem Stand der Technik (US 3,914,054) bekannt ist.

[0023] Schließlich zeigt Fig. 5 noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lichtquelle 12, zur Erzeugung der Hg Spektrallinien. Die Gasentladungsröhre 12-1 sowie die Elektroden 12-2 und 12-3 sind wie in dem vorherigen Ausführungsbeispiel aufgebaut. Die Magnete allerdings sind jetzt als Ringmagnete 150-1 und 150-2 ausgebildet und auf gegenüberliegenden Seiten der Gasentladungsröhre 12-1 angeordnet. Der Nordpol des einen Ringmagnets 150-2 befindet sich am äußeren Rand des Rings und der entsprechende Südpol am inneren und bei dem anderen Magnet 150-1 umgekehrt. Auf diese Weise entsteht mit Hilfe zweier einfacher Ringmagnete am Ort der Gasentladung ein relativ homogenes Magnetfeld. Fig. 5 stellt keine maßstabsgetreue Darstellung dar, sondern soll lediglich schematisch den Aufbau andeuten. Insbesondere die Abstände der beiden Ringmagnete 150-1 und 150-2 zueinander sind nicht maßstabsgerecht gezeigt.

[0024] Zum vollständigen Verständnis wird im Folgenden der Einsatz der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe in der Vorrichtung 10 zum Bestimmen des Quecksilbergehaltes eines Gases im Einzelnen erläutert.

[0025] Das in der Lichtquelle 12 erzeugte Licht enthält die Zeeman Komponenten der Quecksilberspektrallinien entsprechend Fig. 6, wie dies bereits erläutert wurde.

[0026] Das Licht durchläuft dann eine optische Trennvorrichtung 22, die hier als photoelastischer Modulator 24 ausgebildet ist, in dem aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaften des Modulators 24 die linear polarisierte π Komponente anders beeinflusst wird, als die senkrecht dazu polarisierten σ+ und σ- Komponenten. Diese unterschiedliche Beeinflussung erfolgt im Rhythmus einer an einen Piezo 26 angelegten Wechselspannung, die durch eine Spannungsversorgung 28 bereitgestellt wird. In Kombination des photoelastischen Modulators 24 mit einem im Einzelnen nicht dargestellten Polarisator wird einerseits die Polarisation der σ Komponenten gedreht und zu bestimmten Zeiten nur die σ+ und σ- Komponenten durchgelassen und zu bestimmten anderen Zeiten nur die π Komponente. Somit erfolgt mit Hilfe des photoelastischen Modulators 24 eine zeitliche Auftrennung der π Komponenten einerseits und σ+ und σ- Komponenten andererseits.

[0027] Danach durchläuft das Licht eine Messzelle 30 mit der darin enthaltenen, zu messenden Quecksilberverunreinigung. Die Messzelle weist gegebenenfalls eine Heizung 32 auf. Die unverschobenen Spektrallinien der π Komponente erfahren in der Messzelle 30 eine Absorption an den Quecksilberatomen, wohingegen die verschobenen σ+ und σ- Komponenten keine Absorption aufgrund der Energieverschiebung erfahren, so dass das Licht dieser Linien als Referenzlicht dienen kann.

[0028] Schließlich wird das Licht auf dem Lichtempfänger 34 empfangen und einem Lock-In Verstärker 38 zugeführt, der mit der dem photoelastischen Modulator 24 zugeführten Wechselspannung getriggert ist. Im Ergebnis wird dann über den Lock-In Verstärker ein Signal erhalten, wie dies qualitativ in Fig. 1 mit der Bezugsziffer 40 gezeigt ist. Der Lichtempfänger 34 empfängt also abwechselnd Referenzlicht und den nicht absorbierten Teil des Messlichts mit der Frequenz der Modulator-steuerspannung, so dass die Differenz hiervon, also die Amplitude der Kurve 40, ein Maß für die Absorption in der Messzelle 30 ist, und damit ein Maß für die Quecksilberkonzentration, so dass aus diesem Signal sich die Konzentration des Quecksilbers in dem zu untersuchenden Gas bestimmen lässt.

Bezugszeichenliste

[0029] 

10

Vorrichtung

12

Lichtquelle, Gasentladungslampe

12-1

Entladungsröhre

12-2 und 12-3

Elektrode

12-4

zylindrischer Entladungsbereich

12-5

kugelförmige Abschnitt

12-6 und 12-7

scheibenförmigen Halteabschnitt

12-8 und 12-9

Öffnung

14

optische Achse

15

Magnet

15-1 bis 15-4

Teilmagnete

15-5 bis 15-6

Eisenkerne

15-7

Magnetfeldlinien

15-8 und 15-9

Halterungen

15-10

Öffnung

16, 18, 20

Spektrallinien

22

optische Trennvorrichtung

24

Modulator

26

Piezo

28

Spannungsversorgung

30

Messzelle

32

Heizung

34

Lichtempfänger

38

Lock-In Verstärker

40

Signal

150-1 und 150-2

Ringmagnete

Ansprüche

1. Gasentladungslampe mit einer Gasentladungsröhre (12-1) mit einem zylindrischen Entladungsbereich (12-4), mit zwei Elektroden (12-2, 12-3), die auf der Außenseite der Gasentladungsröhre (12-1) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Elektrode (12-2, 12-3) einen ebenen, scheibenförmigen Halteabschnitt (12-6, 12-7) aufweist, der jeweils eine Öffnung (12-8, 12-9) enthält und dass der zylindrische Entladungsbereich (12-4) in den Öffnungen (12-8, 12-9) formschlüssig aufgenommen ist, wobei die Zylinderachse des zylindrischen Entladungsbereichs (12-4) senkrecht zu den ebenen Halteabschnitten (12-6, 12-7) liegt.

2. Gasentladungslampe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Halteabschnitt (12-6, 12-7) eine Materialstärke von ca. 0,15 mm und die Halteabschnitte (12-6, 12-7) der beiden Elektroden (12-2, 12-3) ca. 3mm beabstandet sind.

3. Lichtquelle mit einer Gasentladungslampe (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Magnete (15, 15-1 bis 15-4, 150) vorgesehen sind, zwischen denen ein weitgehend homogenes Magnetfeld (15-7) erzeugbar ist.

4. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Nordpol eines Magneten auf einer Seite der Gasentladungsröhre und ein Südpol eines zweiten Magneten auf der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist und sowohl der Nordpol als auch der Südpol aus zwei Teilmagneten (15-1 und 15-2 bzw. 15-3 und 15-4) gebildet sind, deren gleichnamigen Pole gegenüberliegen und den Nord- bzw. Südpol bilden, wobei jeweils zwischen den gegenüberliegenden beiden Nordpolen bzw. gegenüberliegenden Südpolen ein Spalt gebildet ist, der sich zur Gasentladungsröhre (12-1) hin weitet.

5. Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte jeweils mit einem Eisenkern (15-5, 15-6) ausgefüllt sind, wobei bevorzugt die Form des Endes des Eisenkerns, das der Gasentladungsröhre (12-1) zugewandt ist, konkav ausgebildet ist.

6. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete auf gegenüberliegenden Seiten der Gasentladungsröhre (12-1) angeordnet sind und als Ringmagnete (150-1 und 150-2) ausgebildet sind, deren einer Pol am Innenrand und der andere am Außenrand liegen.

7. Quecksilberspektrallampe mit einer Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasentladungsröhre (12-1) aus einem Quarzglas besteht und Quecksilber enthält.

Zeichnung