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Verfahren zur Umformung elektrischer Energie in Lieht.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umformung elektrischer Energie in Licht.
Man hat bereits wiederholt versucht, die Luminiszenz von Gasen und Dämpfen für Beleuchtungzweeke oder für die Erzeugung ultravioletter Strahlen zu verwenden. Alle diese Bemühungen haben das gemeinsame Merkmal, dass die Gase oder Dämpfe mit Hilfe elektrischer Entladungen zur Strahlung angeregt werden. Solche Entladungen sind von elektrischen Feldern erzeugte elektrische Ströme in den Gasen oder Dämpfen. Die zugeführte Energie des elektrischen Feldes wird im Entladungsraum teilweise in Wärme und teilweise in sichtbare oder unsichtbare Strahlung verwandelt. Alle bisher vorgeschlagene Entladungslampen, wie beispielsweise die Bogenlampe, Glimmbogenlampen, Glimmentladungslampen aller Art, Funkenstrecken und elektrodenlose Induktionslampen, sind in dieser Weise betrieben worden.
Gemäss vorliegender Erfindung wird zur Verwandlung elektrischer Energie in Strahlung ein neues
Verfahren benützt, bei welchem die Energieumwandlung in zwei Verfahrensschritten oder-stufen aus- geführt wird. Beim ersten Verfahrensschritt wird die elektrische Energie in kinetische Energie von Elek- tronen verwandelt und in dieser Form in den zur Lichterzeugung bestimmten Raum (Leuchtraum) oder
Kolben eingeführt. In diesem Raum, welcher ein oder mehrere Gase oder Dämpfe enthält, wird die kinetische Energie-und dies bildet den zweiten Verfahrensschritt-durch Massnahmen, die im folgenden näher beschrieben werden, in Strahlung umgewandelt.
Die erfindungsgemässe Arbeitsweise ist daher von jener der Gasentladungslampe prinzipiell vollständig verschieden, da sie auf neuen physikalischen Erscheinungen beruht, welche im folgenden beschrieben werden sollen.
In der modernen Experimentalphysik sind zahlreiche Anregungs-und Ionisationsverfahren mittels der sogenannten Elektronenstossröhren untersucht worden. In diesen Einrichtungen wird ein weicher Elektronenstrahl in einen mit Gasen oder Dämpfen von niedrigerem Druck gefüllten, für das Auftreten der Zusammenstösse bestimmten Raum (Stossraum) geschossen, um die Wirkungen der Zusammenstösse zu beobachten und zu studieren.
Bei der Konstruktion und beim Betrieb solcher Einrichtungen muss auf zweierlei geachtet werden, erstens, dass der Primärelektronenstrom sehr schwach ist, um Raumladungseffekte und inhomogene Geschwindigkeitsverteilungen zu vermeiden, und zweitens, dass die Zahl der Zusammenstösse zwischen Elektronen und Atomen so spärlich stattfindet, dass ein bestimmtes, einzelnes Elektron nur selten mehr als einen Zusammenstoss mitmacht ; um diese Forderungen sicher zu erfüllen, muss der Gasdruck sehr niedrig gehalten werden, da es sonst unmöglich ist, die stattfindenden Erscheinungen genau zu bestimmen. Unter diesen Umständen treten jedoch die besonderen Phänomene, auf welchen die Erfindung beruht, nicht in Erscheinung.
Um einen beliebigen Wirkungsgrad der Lichterzeugung zu erhalten, müssen die folgenden Massnahmen angewendet werden :
In einem Beschleunigungsfeld wird den-im folgenden Primärelektronen genannten-Elek- tronen eine Geschwindigkeit erteilt, die vorzugsweise Spannungen von 50 bh 300 Volt entspricht, so dass die Bezeichnung mittelschnelle"Elektronen am Platze ist. Diese Elektronen mittlerer Geschwindigkeit tragen die Energie in den Leuchtraum. Erfindungsgemäss wird die Stromstärke dieser Primärelektronen genügend hoch gewählt, um die Gase und Dämpfe im Leuchtraum gründlich oder vollständig zu ionisieren.
Genauere Angaben über den zur Ausführung des Verfahrens notwendigen Ionisationsgrad werden weiter
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herigen Elektronenstossvorriehtnngen verwendeten Stromstärken weitaus übertreffen.
Weiters soll der Druck der Gase und Dampfe in Bezug auf die Gefässabmessungen und die Primärelektronengeschwindigkeit derart eingestellt werden, dass die Primärelektronen mehrere Zusammenstösse mit den Gasmolekülen auf ihrem mittleren Weg zwischen der Elektronenquelle und den Wänden erleiden, da die Zickzackwege einen beträchtlichen Umweg bedeuten.
Werden diese Massnahmen eingehalten, zu deren praktischer Ausführung weiter unten quantitative Hinweise gegeben werden sollen, so werden neue Erscheinungen hervorgerufen. Vor allem kommen die äusserst zahlreichen Elektronen, die im Leuchtraum durch Ionisation erzeugt werden, in eine so kräftige gegenseitige Einwirkung, dass sie unter sich ein eigenes Gas bilden mit eigener Temperatur, der sogenannten Elektronentemperatur. Dies bedeutet, dass sie die. Gesamtenergie unter sich in derselben Weise aufteilen, wie es die Moleküle eines Gases tun. Diese Erscheinung wurde zuerst von Langmuir im Niederdruckquecksilberdampfbogen entdeckt und ist theoretisch von Gábor erklärt worden.
Letzterer findet, dass die Elektronen dieses Verhalten immer dann zeigen, wenn die folgende Ungleichung erfüllt ist :
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in der R bei kugelförmigen oder zylindrischen Gefässen den Radius, bei andersgeformten Gefässen eine äquivalente Dimension in Zentimetern bedeutet, T die Elektronentemperatur in Volt (wobei ein Volt 7733 Kelvin-Graden entspricht) und n die Konzentration der geladenen Teilchen eines Zeichens, d. h. die Zahl der Elektronen pro < ist. Ein solches elektrisch neutrales, hochionisiertes Gas, in welchem die Elektronen ihre eigene Temperatur haben, wird nach der von Langmuir eingeführten Terminologie ,,Plasma" genannt.
Beispiel : In einem kugelförmigen Gefäss von 3 cm Radius befinden sich 1010 Elektronen pro CM und ebenso viele Ionen. Eine mittlere Energie von T = 2 Volt werde den Elektronen auf irgendeinem Weg zugeführt. In diesem Fall wird die linke Seite der Gleichung (1) gleich 7-106. Dieser Wert ist grösser als 2#10e und infolgedessen bildet sich ein Plasma bei der Elektronentemperatur.
Zur wirksamen Ausnutzung der Energie der Primärelektronen wird zusätzlich zur oben angegebenen Massnahme ein besonderes Verfahren verwendet, zu dem Zweck, die Elektronenwege innerhalb des Gefässes durch Zusammenstösse von Gas-oder Dampfmolekülen zu verlängern. Dieses zweite Merkmal der Erfindung beruht auf der neuen Erkenntnis, dass ein hochkonzentriertes Elektronengas imstande ist, beträchtliche Energie von mittelschnellen Elektronen zu übernehmen. Dieses Verfahren soll möglichst weitgehend ausgenutzt werden, da die Energieausnutzung der langsamen Plasmaelektronen, deren Durchschnittsenergien 1-10 Volt betragen, für die Lichterzeugung einen besseren Wirkungsgrad ergibt als die Verwendung der unmittelbaren Zusammenstösse von Primärelektronen mit den Molekülen.
Nun kann gezeigt werden, dass die Übertragung von Primärenergie auf die Plasmaelektronen nur dann einen guten Wirkungsgrad ergibt, wenn
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ist. In dieser Formel haben Rund T dieselbe Bedeutung wie in Formel (1). E ist die Energie der Primärelektronen in Volt, während V der mittlere Energieverlust in Volt beim Zusammenstoss eines Primärelektrons mit einem Gasmolekül ist. V beträgt beispielsweise für Quecksilber und für Elektronen von 100 bis 200 Volt Geschwindigkeit etwa 5 Volt.
Der Wirkungsgrad dieser Energieübertragung, d. h. das Verhältnis tip der auf die Plasmaelektronen unmittelbar übertragenen Energie zum Gesamtenergieverlust der Primärelektronen, ist im Wesen
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Der ungefähre Verlauf vos fop als Funktion von or ist in Fig. 1 dargestellt.
Um diesen Wirkungsgrad zu erhalten, muss der Druck der Gase oder Dämpfe in geeigneter Weise gewählt werden. Die mittlere freie Weglänge X der Primärelektronen soll annähernd den folgenden Wert besitzen :
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In dieser Formel haben die einzelnen Zeichen dieselbe Bedeutung wie früher. Tjp ist der Wirkungsgrad der Energieübertragung Primärelektronen-Plasmaelektronen-nach den ungefähren Angaben der Fig. 1.
Beispiel : R = 3-em. Die Primärenergie E = 200 Volt. Die Elektronenkonzentration n = 4. 10/em und ihre Temperatur beträgt T = 2 Volt. Das Füllgas sei Quecksilberdampf, so dass V = 5 Volt. Dann ergibt sich aus der Gleichung (2), dass R2 T8 njVE8 = 7'2. 106 ist, welcher Wert
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einem Druck von 9'35. 10-3/'84=l'1. 10''Mmm Hg. Angenommen, die Temperatur des Leuchtraumes beträgt 200 C, dann ist der tatsächliche Druck 200 + 273/273 mal kleiner, beträgt also 1'9. 10-MMK Hg. Das entspricht einer Sättigungstemperatur von ungefähr 57 C.
Die obigen Formeln und Berechnungen beruhen auf der Annahme, dass eine gleichmässige Winkelverteilung der gestreuten Elektronen stattfindet. Es ist jedoch festgestellt worden, dass in Wirklichkeit die Streuung der Elektronen im allgemeinen nur über kleine Winkel stattfindet. Das würde auf eine scheinbare Verlängerung der mittleren freien Weglängen hinauslaufen. Der hiedurch hervorgerufene Effekt wird jedoch dadurch aufgewogen, dass in Wirklichkeit auch eine Streuung der freien Weglänge infolge des Effektes der geladenen Teilchen stattfindet. Die oben angegebene einfache Formel ist daher für alle praktisch vorkommenden Betriebszustände und-bedingungen gültig.
Der berechnete Druck ist für die durch das unmittelbare Verfahren bewirkte Energieübertragung auf das Plasma am meisten geeignet. Bei einem geringeren Druck treffen die Primärelektronen auf die
Gefässwand mit einem beträchtlichen Bruchteil ihrer Energie auf, so dass letztere unnütz in Form von Wärme verbraucht wird ; sie kann allerdings teilweise dadurch ausgenutzt werden, dass man die Wand mit fluoreszierenden Substanzen versieht. Bei erhöhtem Druck wird ein grösserer Teil der Primärenergie für Zusammenstösse mit Gas-oder Dampfmolekülen aufgebracht. Auch dieser Teil der Energie geht jedoch für die Lichterzeugung nicht verloren, weil bei den Zusammenstössen eine unmittelbare Lichterzeugung stattfindet-wenn der Ausdruck "Licht" kurz für Strahlung aller Wellenlängen verwendet wird.
Es ist daher gewöhnlich bequemer, eine kleinere freie Weglänge zu verwenden, als dies die Gleichung (3) vorschreibt, d. h. einen grösseren Druck zu wählen als jenen, der dieser Gleichung entspricht.
Es kann jedoch vorteilhaft sein, einen kleineren Druck zu wählen und absichtlich Verluste durch Zusammenstösse der Primärelektronen mit der Wandung bis zu einem gewissen Ausmass zuzulassen.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn zur Beschleunigung der Elektronen eine Wechselspannung verwendet wird. Erfindungsgemäss wird in dem Fall der Verwendung von Wechselstrom der Druck vorzugsweise so gewählt, dass nahe der Scheitelspannung bereits ein beträchtlicher Teil der Primärenergie an den Wänden verloren geht. Daraus folgt der Vorteil, dass die Zeitkurve der Lichtemission abgeflacht wird, durch welche Massnahme das Flackern, welches häufig einen Nachteil bei Gasentladungslampen bildet, in hohem Ausmass vermindert werden kann.
In Fig. 2 sind die ausgesendeten Intensitäten als Funktionen der Momentanspannung dargestellt, u. zw. bedeutet l'die Intensität ohne, 1 die Intensität bei Anwendung der beschriebenen Massnahme ; dabei ist die Optimalspannung Eo als Spannungseinheit gewählt worden und'/ja bedeutet das Verhältnis der von den Primärelektronen im Leuchtraum abgegebenen Energie zur Totalenergie. Fig. 3 zeigt das günstige Ergebnis, das durch diese Massnahme erreicht wird, anhand von Zeitkurven der ausgesendeten
Intensitäten. Die abgeflachte Lichtkurve Z erzeugt ein viel geringeres Flackern als die Kurve 1'.
Wird die Erfindung in der beschriebenen Weise ausgeführt, so werden optische Erscheinungen hervorgerufen, die aus den in der Einleitung dieser Beschreibung genannten Gründen in Elektronenstosseinrichtungen bisher nicht erhalten worden sind. Das Spektrum der Gase und Dämpfe im Leuchtraum entspricht dem Spektrum einer Bogenentladung, obwohl, wie oben festgestellt, der Mechanismus der Prozesse in beiden Fällen grundverschieden ist. Dies zeigt sich auch in der Tatsache, dass das Spektrum sowohl qualitativ als auch hinsichtlich der Intensität Merkmale zeigt, welche in Gasentladungen nur bei beträchtlich höheren Drücken oder in Entladungen, die durch enge Röhren, Löcher oder Schlitze einen erzwungenen Verlauf nehmen, beobachtet werden können.
Beim erfindungsgemässen Verfahren werden dagegen diese Effekte ohne hohe Gasdrücke und ohne unbequeme Abmessungen des Leuchtgefässes erzielt. Ferner sei besonders betont, dass es nicht erforderlich ist, dem speisenden Netz einen grossen Strom zu entnehmen, wie dies bei den gewöhnlichen Niederdruckbögen notwendig ist.
Es ist einer der wichtigsten Vorteile des neuen Verfahrens, dass der hiefür erforderliche Bereich der Ströme und Spannungen weitaus günstiger liegt als bei gewöhnlichen Gasentladungslampen. Es ist bekannt, dass z. B. Bogenentladungen Ströme verlangen, welche mindestens eine Ampere betragen und meistens einen Spannungsabfall von nur 10 bis 50 Volt haben müssen. Zur Zündung benötigen diese Bögen jedoch beträchtlich höhere Spannungen und die merkliche Differenz zwischen Zünd-und Betriebsspannung muss durch Schaltungselemente, z. B. durch Widerstände, Drosselspulen u. dgl., verbraucht werden. Gemäss vorliegender Erfindung beträgt dagegen die geeignetste Spannung für die Primärelektronen ungefähr 100-200 Volt, ein Spannungsbereich, welcher dem der üblichen Beleuchtungsysteme entspricht.
Die vorangegangene Beschreibung und insbesondere die Gleichungen (2) und (3) geben jedem, der auf diesem Gebiet bewandert ist, weitere Anweisungen zur wirksamen Ausführung dieser Erfindung.
Es versteht sich, dass eine hohe Elektronenkonzentration immer vorteilhaft ist, und es ist daher zweckmässig, dieselbe ausser durch die bereits beschriebene Wahl eines starken Stromes noch durch andere Massnahmen zu erhöhen. Vorzugsweise soll ein leicht ionisierbares Gas (Dampf) von hohem Atomgewicht gewählt werden, und es soll, bezogen auf ein gegebenes Volumen, eine kleine Oberfläche des Leuchtraumes, z. B.
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eine Kugel oder ein birnenförmiger Kolben, vorgesehen sein. Alle Oberflächen, an denen Elektronen und Ionen verloren gehen können, wie beispielsweise die anstossend an den Leuchtraum gelegenen Ober- flächen der Elektronenquelle, müssen möglichst klein gewählt werden.
Es ist ferner vorteilhaft, eine hübseh hohe Temperatur der Plasmaelektronen vorzusehen, welche durch einen der Gleichung (3) oder einem etwas kleinerem Wert entsprechenden Druck verwirklicht werden kann.
Wird das Verfahren mit mehr als einer Art von Gas oder Dampf im Leuchtraum ausgeführt, so wird eine andere überraschende Erscheinung hervorgerufen. Bekanntlich ist es unmöglich, in Gasentladungslampen die gleichzeitige Strahlung zweier so verschiedener Substanzen, wie beispielsweise Natrium und Neon, zu erhalten. Das Natriumspektrum unterdrückt das Neonspektrum vollständig. Es ist vor- geschlagen worden, diese Schwierigkeit dadurch zu überwinden, dass man zwei Leuchtröhren durch nahe räumliche Anordnung zu einer Einheit vereinigt, dass man die Lampen stossweise betreibt, dass man nur geringe Spuren der leichter anregbaren Substanz verwendet, oder schliesslich, dass man inhomogene
Verteilungen der Strom-und Felsdtärken erzeugt, u. zw. durch Hindernisse, wie beispielsweise Verengungen oder durch kleine Elektrodenabstände in grossen Gefässen.
Im Gegensatz zu den Gasentladungslampen kann jedoch eine gleichzeitige Anregung von Spektren, die sehr verschiedene Anregungsbedingungen aufweisen, durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielt werden, wenn man darauf achtet, dass keine der anzuregenden Substanzen in hohem Masse vorwiegt. So kann beispielsweise durch Kombination von Natrium, Neon und Quecksilber weisses oder beinahe weisses Licht erzielt werden.
Eine Erklärung für diese Erscheinung kann aus Fig. 4 abgeleitet werden. In dem oberen Dia- gramm dieser Figur ist die optische Anregungsfunktion A der violetten Quecksilberlinie 4017 A (nach den Angaben von Siebertz) zusammen mit der entsprechenden Funktion der roten Neonlinie 6402 (nach den Angaben von Hanle) als Funktion der Voltgeschwindigkeit E der Elektronen dargestellt. Das untere Diagramm derselben Figur zeigt die Verteilungsfunktion W (E) der Plasmaelektronen entsprechend einer mittleren Energie von 3 Volt zusammen mit der entsprechenden Funktion der Gruppe II, der Primärelektronen, deren mittlere Energie mit 50 Volt angenommen ist. Man sieht sofort, dass nunmehr beide Linien gleichzeitig erregt werden, wobei allein die Primärelektronen zur Anregung des Neonlichtes beitragen.
Daraus folgt der ausserordentliche Vorteil des neuen Verfahrens für die Erzeugung von Licht gewünschter Zusammensetzung.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Umformung elektrischer Energie in Licht, nach welchem die umzuformende elektrische Leistung in einem Beschleunigungsfelde in kinetische Energie von Elektronen umgesetzt wird, die sodann in einen, Gase oder Dämpfe enthaltenden, im wesentlichen feldfreien Leuchtraum eintreten, in welchem dieselben ihre Energie abgeben, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beschleunigung der Elektronen'Betriebsspannungen von 50 bis 300Volt verwendet werden, der Betriebsdruck im Leuchtgefässe so hoch bemessen wird, dass noch ein geringer Teil der Elektronen die Wandungen des Gefässes erreicht, ohne vorher fast seine ganze Energie im Leuchtraume abgegeben zu haben, und die Stromstärke der Elektronenstrahlen so hoch bemessen wird, beispielsweise über 0'5 Amp., dass im Leuchtraume eine Trägerkonzentration von 1011..
-1012/cm3 entsteht, bei welcher der Wirkungsgrad der Lichterzeugung bedeutend über das, unter den gleichen Verhältnissen, jedoch mit geringen Stromstärken erzielbare Mass gesteigert wird.