EP1087422A2 - Gasentladungslampe mit kapazitiver Einkoppelstruktur - Google Patents

Gasentladungslampe mit kapazitiver Einkoppelstruktur Download PDF

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EP1087422A2
EP1087422A2 EP00203244A EP00203244A EP1087422A2 EP 1087422 A2 EP1087422 A2 EP 1087422A2 EP 00203244 A EP00203244 A EP 00203244A EP 00203244 A EP00203244 A EP 00203244A EP 1087422 A2 EP1087422 A2 EP 1087422A2
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EP
European Patent Office
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gas discharge
electrode
discharge lamp
capacitive coupling
cavity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00203244A
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English (en)
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EP1087422A3 (de
Inventor
Albrecht Dr. Kraus
Bernd Dr. Rausenberger
Horst Dannert
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
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Publication of EP1087422A2 publication Critical patent/EP1087422A2/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/30—Vessels; Containers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H01J65/042—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field
    • H01J65/046—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field the field being produced by using capacitive means around the vessel

Definitions

  • the invention relates to a gas discharge lamp with a filling gas with a Filling gas pressure p filled gas discharge vessel and at least one capacitive coupling structure.
  • Known gas discharge lamps consist of a vacuum-tight vessel with a filling gas with a filling gas pressure p, in which the gas discharge takes place, and usually two metallic electrodes which are melted into the discharge vessel.
  • One electrode supplies the electrons for the discharge, which are fed back to the external circuit via the second electrode.
  • the electrons are mostly released by means of glow emission (hot electrodes), but can also be caused by emission in a strong electric field or directly by ion bombardment (ion-induced secondary emission) (cold electrodes).
  • a gas discharge lamp can also be operated without electrically conductive electrodes. In an inductive operating mode, the charge carriers are generated directly in the gas volume via an electromagnetic alternating field of high frequency (typically greater than 1 MHz in the case of low-pressure gas discharge lamps).
  • capacitive coupling structures are used as electrodes. These are formed from insulators (dielectrics) which have contact with the gas discharge on one side and which are electrically conductive (for example by means of a metallic contact) with an external circuit on the other side. With an alternating voltage applied to the capacitive coupling structures, an alternating electrical field is formed in the discharge vessel, on the linear electrical fields of which the charge carriers move. In the high-frequency range (> 10 MHz), capacitive lamps are similar to inductive lamps, since the charge carriers are also generated here in the entire gas volume.
  • the surface properties of the dielectric material of the coupling structures are of little importance here (so-called ⁇ -discharge mode).
  • ⁇ -discharge mode At lower frequencies, the capacitive lamps change their mode of operation and the electrons important for the discharge originally had to be emitted on the surface of the dielectric coupling structure and multiplied in a so-called cathode drop region in order to maintain the discharge.
  • the emission behavior of the dielectric material is therefore decisive for the function of the lamp (so-called ⁇ discharge mode).
  • ⁇ discharge mode a narrow plasma boundary layer forms near the dielectric surface, which resembles the cathode drop region of a DC glow discharge with cold metal cathodes.
  • a voltage U S drops across this boundary layer, which can be significantly more than 100 V depending on the current density.
  • the corresponding power U S ⁇ I represents a power loss for light generation, since no light generation takes place in the boundary layer in relation to the power converted.
  • I denotes the current in the lamp.
  • a capacitively coupled lamp in the ⁇ discharge mode therefore has a significantly reduced efficiency (lm / W).
  • Gas discharge lamps require a driver electronics to operate, the gas discharge ignites in the lamp and a ballast for the operation of the lamp on a circuit supplies. Without appropriate ballasting of the lamp in an external circuit would the current in the gas discharge lamp by increasing the charge carriers in the gas volume of the discharge vessel rise so high that it quickly destroys the lamp is coming.
  • Such gas discharge lamps are also from the American patent US 2,624,858 known.
  • a gas discharge lamp with capacitive electrodes is used a dielectric material with a high dielectric constant ⁇ > 100 (preferred ⁇ > 2000) operated at an operating frequency of less than 120 Hz.
  • the external tension must be between 500 V and 10000 V.
  • the gas discharge lamp is powered by a capacitive coupling fed over the dielectric material.
  • the dielectric material separates the metallic one Electrode and gas discharge. Due to the high specific capacitor properties of the dielectric material supplies a charge induced on the metallic electrode ionization and discharge of the filling gas in the lamp.
  • the ⁇ discharge mode also leads to the formation of a plasma boundary layer near this in this gas discharge lamp dielectric surface in which a large power loss at the expense of efficiency Lamp is implemented.
  • the object of the invention is to provide a gas discharge lamp with capacitive coupling to create with increased efficiency.
  • the object is achieved in that a and connected to the gas discharge vessel at least one cavity with a surface A and a volume V according to p ⁇ V / A ⁇ 10 cmTorr enclosing electrode made of a dielectric material for Formation of at least one capacitive coupling structure is provided.
  • the gas discharge lamp consists in a known manner of a transparent or for the desired Radiation-permeable discharge vessel with a usual filling gas (for example for Low pressure gas discharge lamps a rare gas or a rare gas with mercury) a filling gas pressure p.
  • the discharge vessel contains at least two spatially apart separate electrodes or coupling structures, at least one of which is capacitive Coupling structure is formed.
  • the capacitive coupling structure according to the invention can, for example, also be combined with a metallic electrode.
  • the capacitive Coupling structure is formed by an electrode made of a suitable dielectric material such as Glass, ceramics, polymers or mixtures thereof and for connection to an external voltage source with an electrically conductive Contact is provided.
  • the capacitive coupling structure can also consist of several layers different dielectric materials. This dielectric or capacitive
  • the electrode is shaped to have a cavity. The cavity is up on a connection to the gas discharge vessel is completed in a vacuum-tight manner. He owns on the Inside the electrode, a surface A and encloses a volume V, whereby up to Connection point to the gas discharge vessel is measured.
  • the filling gas pressure p in Torr is specified.
  • the coupling structure there are various configurations within the scope of protection the coupling structure conceivable, such as the use of several Electrodes arranged in parallel, which together form a dielectric electrode.
  • the electrode encloses at least one cavity with a volume V approximately equal to the volume of a plasma boundary layer which forms during operation of the gas charge lamp.
  • the volume of the cavity is dimensioned such that it approximately corresponds, in particular with a maximum deviation of 10%, to the volume that the plasma boundary layer occupies near the dielectric surface, a particularly large increase in the efficiency of the lamp is achieved.
  • the plasma boundary layer is formed on the inside of the dielectric electrode, a particularly advantageous dimensioning of the cavity can also be described by means of the diameter D.
  • the diameter D of the cavity corresponds to the diameter of the cylinder.
  • the plasma boundary layer has a thickness equal to the radius of the cylinder.
  • the exemplary embodiments of the gas discharge lamps all use a capacitive coupling structure with a dielectric electrode with a cavity (with a surface A and a volume V) according to p ⁇ V / A ⁇ 10 cm Torr (with filling gas pressure p of the filling gas in the gas discharge vessel).
  • the lamps are operated in the ⁇ discharge mode, ie typically at frequencies below 10 MHz.
  • 1 shows a gas discharge lamp 1 with a cylindrical gas discharge vessel 2 and two cylindrical capacitive coupling structures 3.
  • the two capacitive coupling structures 3 are each connected at one end to the gas discharge vessel 2 by means of a vacuum-tight connection 4.
  • an RF mains voltage source 5 is shown with leads 6 to the capacitive coupling structures 3.
  • the gas discharge lamp 1 is rotationally symmetrical about an axis 7.
  • the gas discharge vessel is filled with 5mbar Ar and 5mg Hg and has a phosphor coating on the inside so that the desired spectrum is emitted.
  • the RF mains voltage source 5 supplies an average voltage of 500 V at a frequency of 5 MHz.
  • FIG. 2 One of the cylindrical capacitive coupling structures 3 from FIG. 1 is shown in FIG. 2 presented in more detail. It consists of a cylindrical dielectric electrode 8 with a cavity and a cap 9 made of a disc made of a dielectric Material is made and the capacitive coupling structure 3 is vacuum-tight on one side completes.
  • On the a metallic layer is applied to the outer circumference of the dielectric electrode 8, which is used for contacting the leads 6.
  • the lamp 1 is switched on the capacitive coupling structure 3 ballasts, so that an additional external ballasting is not necessary.
  • a maximum average current of approximately 40mA i.e. achieved an average power of 20W.
  • the coupled power or the Operating frequency can be changed by changing the thickness of the glass tube 8 and thus the capacity of the dielectric coupling structure 3 can be varied, so that an adaptation to given requirements is possible.
  • the lamp 1 is in the ⁇ discharge mode operated, so that a plasma boundary layer is formed on the electrodes, which approximately the Cavity in the glass tube 8 occupies. The power loss in the plasma boundary layer is strong due to the shape of the dielectric electrodes 8 used with cavity reduced.
  • a non-conductive material other than glass is used as the dielectric for the electrode 8.
  • the operating condition of the lamp 1, in particular the operating frequency and the coupled power can be varied and adapted to requirements.
  • a dielectric material with a dielectric constant ⁇ 1000 eg BaTiO 3 , PZT, PLZT
  • a thickness of the tubular electrode 8 of 0.5 mm operating frequencies in the HF range (around 30 kHz) can be achieved. This enables the lamp 1 to be operated by means of simplified driver electronics.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the gas discharge lamp 1 with a curved gas discharge vessel 10 and cylindrical capacitive coupling structures 11 shown.
  • the coupling structures 11 are vacuum-tight on one side with the Gas discharge vessel 10 connected and sealed vacuum-tight on the other side. Via an electrical contact applied to the outside of the coupling structures 11 they are connected to the supply lines 6 of a mains voltage source 5.
  • the gas discharge vessel 10 consists of a U-shaped glass tube with an inner diameter of 9mm, the inside is phosphor-coated and filled with 5mbar Ar and 5mg Hg is.
  • the capacitive coupling structure 11 consists of several dielectric electrodes 8 arranged in parallel.
  • the tubular electrodes 8 are sealed on one side with a cap 9 in a vacuum-tight manner.
  • the cap 9 is again formed by a disk made of a dielectric material.
  • a vacuum-tight connection is established between the dielectric electrodes 8 and the gas discharge vessel 10 by means of a glass pane 12.
  • the glass pane 12 has openings; so that there is a connection between the cavities of the electrodes 8 and the gas discharge vessel 10.
  • the electrodes 8 consist of a dielectric material such as specially doped BaTiO 3 and are all electrically contacted from the outside by means of a metallic layer.
  • a coupling structure 11 made of a ferroelectric material with a high saturation polarization P and a coupling area A as large as possible is used in a lamp 1 according to the second embodiment.
  • the product P ⁇ A is the maximum load that can be transported per half cycle of the mains voltage source 5.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gasentladungslampe mit einem mit einem Füllgas mit einem Füllgasdruck p gefüllten Gasentladungsgefäß und wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur. Um die Effizienz der Gasentladungslampe zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass eine mit dem Gasentladungsgefäß verbundene und wenigstens einen Hohlraum mit einer Oberfläche A und einem Volumen V gemäß p·V/A < 10 cm Torr umschließende Elektrode aus einem dielektrischen Material mindestens eine kapazitive Einkoppelstruktur bildet. Eine solche dielektrische oder kapazitive Elektrode ist erfindungsgemäß derart geformt, dass sie einen Hohlraum besitzt, der bis auf eine Verbindung zum Gasentladungsgefäß vakuumdicht abgeschlossen ist. Er besitzt auf der Innenseite der Elektrode eine Oberfläche A und umschließt ein Volumen V. Für die Dimensionierung des Hohlraums gilt p·V/A < 10 cm Torr, wobei der Füllgasdruck p in Torr angegeben ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasentladungslampe mit einem mit einem Füllgas mit einem Füllgasdruck p gefüllten Gasentladungsgefäß und wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur.
Bekannte Gasentladungslampen bestehen aus einem vakuumdichten Gefäß mit einem Füllgas mir einem Füllgasdruck p, in dem die Gasentladung abläuft, und meist zwei metallischen Elektroden, die in das Entladungsgefäß eingeschmolzen sind. Eine Elektrode liefert die Elektronen für die Entladung, die über die zweite Elektrode wieder dem äußeren Stromkreis zugeführt werden. Die Abgabe der Elektronen erfolgt meist mittels Glühemission (heiße Elektroden), kann jedoch auch durch Emission in einem starken elektrischen Feld oder direkt durch Ionenbeschuß (ioneninduzierte Sekundäremission) hervorgerufen werden (kalte Elektroden). Eine Gasentladungslampe kann jedoch auch ohne elektrisch leitfähige Elektroden betrieben werden. Bei einer induktiven Betriebsart werden die Ladungsträger direkt im Gasvolumen über ein elektromagnetisches Wechselfeld hoher Frequenz (typischerweise größer als 1 MHz bei Niederdruckgasentladungslampen) erzeugt. Die Elektronen bewegen sich auf Kreisbahnen innerhalb des Entladungsgefäßes solcher induktiver Lampen, herkömmliche Elektroden fehlen bei dieser Betriebsart. Bei einer kapazitiven Betriebsart werden kapazitive Einkoppelstrukturen als Elektroden verwendet. Diese werden aus Isolatoren (Dielektrika) gebildet, die auf einer Seite Kontakt zur Gasentladung haben und auf der anderen Seite elektrisch leitfähig (beispielsweise mittels eines metallischen Kontaktes) mit einem äußeren Stromkreis verbunden sind. Bei einer an die kapazitiven Einkoppelstrukturen angelegten Wechselspannung bildet sich im Entladungsgefäß ein elektrisches Wechselfeld aus, auf dessen linearen elektrischen Feldern sich die Ladungsträger bewegen. Im Hochfrequenzbereich (> 10 MHz) ähneln kapazitive Lampen den induktiven Lampen, da die Ladungsträger hier ebenfalls im gesamten Gasvolumen erzeugt werden. Die Oberflächeneigenschaften des dielektrischen Materials der Einkoppelstrukturen sind hier von geringer Bedeutung (sogenannter α-Entladungsmodus). Bei niedrigeren Frequenzen ändern die kapazitiven Lampen ihre Betriebsart und die für die Entladung wichtigen Elektronen müssen ursprünglich an der Oberfläche der dielektrischen Einkoppelstruktur emittiert und in einem sogenannten Kathodenfallgebiet vervielfacht werden, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Daher ist dann das Emissionsverhalten des dielektrischen Materials bestimmend für die Funktion der Lampe (sogenannter γ-Entladungsmodus). Im γ-Entladungsmodus bildet sich eine schmale Plasmagrenzschicht nahe der dielektrischen Oberfläche aus, die dem Kathodenfallgebiet einer DC-Glimmentladung mit kalten Metallkathoden ähnelt. Über dieser Grenzschicht fällt eine Spannung US ab, die in Abhängigkeit von der Stromdichte deutlich mehr als 100 V betragen kann. Die entsprechende Leistung US·I stellt für die Lichterzeugung eine Verlustleistung dar, da in der Grenzschicht in Relation zur umgesetzten Leistung keine Lichterzeugung stattfindet. Dabei bezeichnet I den Strom in der Lampe. Eine kapazitiv gekoppelte Lampe im γ-Entladungsmodus weist daher eine deutlich geminderte Effizienz (lm/W) auf.
Gasentladungslampen benötigen zum Betrieb eine Treiberelektronik, die die Gasentladung in der Lampe zündet und einen Ballast für den Betrieb der Lampe an einem Stromkreis liefert. Ohne eine geeignete Ballastierung der Lampe in einem äußeren Stromkreis würde der Strom in der Gasentladungslampe durch Vermehrung der Ladungsträger im Gasvolumen des Entladungsgefäßes so stark steigen, dass es schnell zu einer Zerstörung der Lampe kommt.
Solche Gasentladungslampen sind auch aus der amerikanischen Patentschrift US 2,624,858 bekannt. Eine Gasentladungslampe mit kapazitiven Elektroden wird mittels eines dielektrischen Materials mit einer hohen Dielektrizitätskonstante ε>100 (bevorzugt ε>2000) bei einer Betriebsfrequenz von weniger als 120 Hz betrieben. Die äußere Spannung muss dabei zwischen 500 V und 10000 V liegen. Für den Betrieb einer solchen kapazitiven Gasentladungslampe ist noch eine Schaltung mit einer Treiberelektronik notwendig. Die Leistung wird der Gasentladungslampe durch eine kapazitive Kopplung über das dielektrische Material zugeführt. Das dielektrische Material trennt die metallische Elektrode und die Gasentladung. Durch die hohen spezifischen Kondensatoreigenschaften des dielektrischen Materials führt eine auf der metallischen Elektrode induzierte Ladung zu einer Ionisierung und Entladung des Füllgases in der Lampe. Der γ-Entladungsmodus führt auch bei dieser Gasentladungslampe zur Bildung einer Plasmagrenzschicht nahe der dielektrischen Oberfläche, in der eine große Verlustleistung zu Lasten der Effizienz der Lampe umgesetzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasentladungslampe mit kapazitiver Einkoppelung mit erhöhter Effizienz zu schaffen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine mit dem Gasentladungsgefäß verbundene und wenigstens einen Hohlraum mit einer Oberfläche A und einem Volumen V gemäß p·V/A < 10 cmTorr umschließende Elektrode aus einem dielektrischen Material zur Bildung wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur vorgesehen ist. Die Gasentladungslampe besteht in bekannter Weise aus einem transparenten bzw. für die gewünschte Strahlung durchlässigen Entladungsgefäß mit einem üblichen Füllgas (zum Beispiel für Niederdruck-Gasentladungslampen ein Edelgas oder ein Edelgas mit Quecksilber) bei einem Füllgasdruck p. Das Entladungsgefäß enthält mindestens zwei räumlich voneinander getrennte Elektroden oder Einkoppelstrukturen, von denen mindestens eine als kapazitive Einkoppelstruktur ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße kapazitive Einkoppelstruktur kann beispielsweise auch mit einer metallischen Elektrode kombiniert werden. Die kapazitive Einkoppelstruktur wird von einer Elektrode gebildet, die aus einem geeigneten dielektrischen Material wie z.B. Glas, Keramik, Polymere oder Mischungen daraus besteht und zur Verbindung mit einer äußeren Spannungsquelle mit einem elektrisch leitfähigen Kontakt versehen ist. Die kapazitive Einkoppelstruktur kann auch aus mehreren Schichten verschiedener dielektrischer Materialien bestehen. Diese dielektrische oder kapazitive Elektrode ist derart geformt, dass sie einen Hohlraum besitzt. Der Hohlraum ist bis auf eine Verbindung zum Gasentladungsgefäß vakuumdicht abgeschlossen. Er besitzt auf der Innenseite der Elektrode eine Oberfläche A und umschließt ein Volumen V, wobei bis zur Verbindungsstelle zum Gasentladungsgefäß gemessen wird. Erfindungsgemäß gilt für die Dimensionierung des Hohlraums p·V/A < 10 cmTorr, wobei der Füllgasdruck p in Torr angegeben ist. Selbstverständlich sind innerhalb des Schutzbereichs verschiedene Ausgestaltungen der Einkoppelstruktur denkbar, wie beispielsweise die Verwendung mehrerer Elektroden in paralleler Anordnung, die zusammen eine dielektrische Elektrode bilden.
In dem Hohlraum finden mehrere Vorgänge statt, durch welche die zur Aufrechterhaltung der Entladung notwendige Ionisation von Neutralteilchen effizienter als bei einer flächenhaften Elektrode geschieht. Die Elektronen führen Oszillationsbewegungen im elektrischen Feld des Hohlraums aus. Damit ist die Weglänge im Hohlraum größer und die Gesamtionisation höher als in der Plasmagrenzschicht einer flächenhaften Kathode. Außerdem sind die im negativen Glimmbereich der Entladung (Übergangsbereich zwischen Plasmagrenzschicht und positiver Säule mit niedrigem elektrischen Feld, aber hoher Ionisationsdichte) erzeugten Ionen im Hohlraum eingeschlossen und gelangen wieder auf die Kathode, wo sie zur Sekundäremission von Elektronen beitragen. Ebenso gelangen andere Teilchen, die zur Sekundäremission beitragen können, wie z. B. UV-Photonen und angeregte metastabile Atome, wieder auf die Oberfläche der Kathode.
Diese Effekte führen dazu, dass eine ausgeglichene Teilchenbilanz (in der Plasmagrenzschicht erzeugte Ladung = an der Elektrode dem Plasma entzogene Ladung) in der Plasmagrenzschicht einer erfindungsgemäßen Elektrode mit einem Hohlraum bei einer niedrigeren elektrischen Spannung als an einer flächenhaften Elektrode erreicht werden kann. Die Strom-Spannungscharakteristik einer dielektrischen Elektrode mir Hohlraum verläuft daher deutlich flacher als die einer flächenhaften Elektrode, d.h., bei identischer Spannung können mit einer dielektrischen Elektrode mit Hohlraum deutlich höhere Stromdichten als mit einer flächenhaften Elektrode erreicht werden. Oder bei gleicher Stromdichte sind die in der Plasmagrenzschicht einer dielektrischen Elektrode mit Hohlraum auftretenden Spannungen niedriger als bei einer flächenhaften Elektrode. Die Verlustleistung reduziert sich dabei im selben Maß, so dass die Effizienz der Lampe deutlich gesteigert wird.
In weiteren Ausbildungen der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe umschließt die Elektrode wenigstens einen Hohlraum mit einem Volumen V ungefähr gleich dem Volumen einer sich im Betrieb der Gasenladungslampe bildenden Plasmagrenzschicht. Wenn das Volumen des Hohlraums derart bemessen wird, dass es ungefähr, insbesondere mit einer maximalen Abweichung von 10%, dem Volumen entspricht, das die Plasmagrenzschicht nahe der dielektrischen Oberfläche einnimmt, wird eine besonders große Steigerung der Effizienz der Lampe erreicht.
Da sich die Plasmagrenzschicht flächenhaft auf der Innenseite der dielektrischen Elektrode ausbildet, kann eine besonders vorteilhafte Dimensionierung des Hohlraums auch mittels des Durchmessers D beschrieben werden. Insbesondere ist es vorteilhaft einen Hohlraum mit einem Durchmesser D vorzusehen, der ungefähr, insbesondere mit einer maximalen Abweichung von 10%, der doppelten Dicke der Plasmagrenzschicht entspricht. Für den Spezialfall eines zylindrischen Hohlraums entspricht der Durchmesser D des Hohlraums dem Durchmesser des Zylinders. Die Plasmagrenzschicht besitzt in dem Fall eine Dicke in der Größe des Radius des Zylinders.
Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
Figur 1:
eine Gasentladungslampe mit einem zylinderförmigen Gasentladungsgefäß und zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstrukturen,
Figur 2:
eine detailliertere Darstellung einer zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstruktur aus der Figur 1 mit einer dielektrischen Elektrode,
Figur 3:
eine Gasentladungslampe mit einem gebogenen Gasentladungsgefäß und zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstrukturen und
Figur 4:
eine detailliertere Darstellung einer zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstruktur aus der Figur 3 mit mehreren parallel angeordneten dielektrischen Elektroden.
Die Ausführungsbeispiele der Gasentladungslampen verwenden alle eine kapazitive Einkoppelstruktur mit einer dielektrischen Elektrode mit einem Hohlraum (mit einer Oberfläche A und einem Volumen V) gemäß p·V/A < 10 cm Torr (mit Füllgasdruck p des Füllgases im Gasentladungsgefäß). Die Lampen werden im γ-Entladungsmodus, d.h. typischerweise bei Frequenzen unter 10 MHz betrieben.
In der Figur 1 ist eine Gasentladungslampe 1 mit einem zylinderförmigen Gasentladungsgefäß 2 und zwei zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstrukturen 3 dargestellt. Die beiden kapazitiven Einkoppelstrukturen 3 sind jeweils an einem Ende mittels einer vakuumdichten Verbindung 4 mit dem Gasentladungsgefäß 2 verbunden. Weiterhin ist noch eine RF-Netzspannungsquelle 5 mit Zuleitungen 6 zu den kapazitiven Einkoppelstrukturen 3 dargestellt. Die Gasentladungslampe 1 ist rotationssymmetrisch um eine Achse 7. Das Gasentladungsgefäß 2 besteht aus einem Glasrohr mit einer Länge von a=500mm und einem Innendurchmesser von b=15mm. Das Gasentladungsgefäß ist mit 5mbar Ar und 5mg Hg gefüllt und von innen phosphorbeschichtet, so dass das gewünschte Spektrum abgestrahlt wird. Die RF-Netzspannungsquelle 5 liefert eine mittlere Spannung von 500V bei einer Frequenz von 5MHz.
Eine der zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstrukturen 3 aus der Figur 1 ist in Figur 2 detaillierter dargestellt. Sie besteht aus einer zylinderförmigen dielektrischen Elektrode 8 mit einem Hohlraum und einer Kappe 9, die aus einer Scheibe aus einem dielektrischen Material besteht und die kapazitive Einkoppelstruktur 3 auf einer Seite vakuumdicht abschließt. Die dielektrische Elektrode 8 besteht aus einem Glasrohr mit einer Länge von c=20mm und einem Außendurchmesser f=2mm. Der von der Elektrode 8 umschlossene Hohlraum ist durch den Innendurchmesser von d=1mm des Glasrohres definiert. Auf dem äußeren Umfang der dielektrischen Elektrode 8 ist eine metallische Schicht aufgebracht, die zur Kontaktierung mit den Zuleitungen 6 verwendet wird. Die Lampe 1 wird durch die kapazitive Einkoppelstruktur 3 ballastiert, so dass eine zusätzliche äußere Ballastierung nicht notwendig ist. Mit der Lampe 1 wird ein maximaler mittlerer Strom von ungefähr 40mA, d.h. eine mittlere Leistung von 20W erreicht. Die eingekoppelte Leistung oder die Betriebsfrequenz kann durch Änderung der Dicke des Glasrohres 8 und damit der Kapazität der dielektrischen Einkoppelstruktur 3 variiert werden, so dass eine Anpassung an jeweils gegebenen Anforderungen möglich ist. Die Lampe 1 wird im γ-Entladungsmodus betrieben, so dass eine Plasmagrenzschicht an den Elektroden entsteht, die ungefähr den Hohlraum im Glasrohr 8 einnimmt. Die Verlustleistung in der Plasmagrenzschicht ist durch die Form der verwendeten dielektrischen Elektroden 8 mit Hohlraum stark reduziert.
Bei einer ähnlichen Ausführungsform der Lampe 1 wird als Dielektrikum für die Elektrode 8 ein anderes nichtleitendes Material als Glas verwendet. Durch Wahl eines geeigneten Materials können die Betriebsbedingung der Lampe 1, insbesondere die Betriebsfrequenz und die eingekoppelte Leistung variiert und an Anforderungen angepaßt werden. Beispielsweise sind bei Verwendung eines dielektrischen Materials mit einer Dielektrizitätskonstanten ε≈1000 (z.B. BaTiO3, PZT, PLZT) und einer Dicke der rohrförmigen Elektrode 8 von 0.5mm Betriebsfrequenzen im HF-Bereich (um 30kHz) erreichbar. Dies ermöglicht den Betrieb der Lampe 1 mittels einer vereinfachten Treiberelektronik.
In der Figur 3 ist eine zweite Ausführungsform der Gasentladungslampe 1 mit einem gebogenen Gasentladungsgefäß 10 und zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstrukturen 11 dargestellt. Die Einkoppelstrukturen 11 sind auf einer Seite vakuumdicht mit dem Gasentladungsgefäß 10 verbunden und auf der anderen Seite vakuumdicht abgeschlossen. Über einen außen auf den Einkoppelstrukturen 11 aufgebrachten elektrischen Kontakt sind sie mit den Zuleitungen 6 einer Netzspannungsquelle 5 verbunden. Das Gasentladungsgefäß 10 besteht aus einem U-förmig gebogenen Glasrohr mit einem Innendurchmesser von 9mm, das innen phosphorbeschichtet und mit 5mbar Ar und 5mg Hg gefüllt ist.
Eine detailliertere Darstellung einer der zylinderförmigen kapazitiven Einkoppelstrukturen 11 aus der Figur 3 wird in Figur 4 gezeigt. Die kapazitive Einkoppelstruktur 11 besteht aus mehreren parallel angeordneten dielektrischen Elektroden 8. Die rohrförmigen Elektroden 8 sind auf einer Seite mit einer Kappe 9 vakuumdicht abgeschlossen. Die Kappe 9 wird wieder von einer Scheibe aus einem dielektrischen Material gebildet. Auf der anderen Seite wird eine vakuumdichte Verbindung zwischen den dielektrischen Elektroden 8 und dem Gasentladungsgefäß 10 mittels einer Glasscheibe 12 hergestellt. Die Glasscheibe 12 weist Öffnungen auf; so dass eine Verbindung zwischen den Hohlräumen der Elektroden 8 und dem Gasentladungsgefäß 10 existiert. Die kapazitive Einkoppelstruktur 11 hat eine Länge von c=20mm und einen Durchmesser von g=10mm. Die parallel angeordneten dielektrischen Elektroden 8 weisen einen Innendurchmesser von d=1mm und eine Außendurchmesser von f=2mm bei einer Länge von c=20mm auf. Die Elektroden 8 bestehen aus einem dielektrischen Material wie speziell dotiertem BaTiO3 und sind alle von außen mittels einer metallischen Schicht elektrisch kontaktiert. Vorzugsweise wird bei einer Lampe 1 nach der zweiten Ausführungsform eine Einkoppelstruktur 11 aus einem ferroelektrischen Material mit hoher Sättigungspolarisation P und einer möglichst großen Einkoppelfläche A verwendet. Das Produkt P·A ist die maximal pro Halbperiode der Netzspannungsquelle 5 transportierbare Ladung. Bei dieser Ausführungsform ist es auch bei Betrieb mit 230V und 50Hz möglich, einen ausreichend hohen Strom und damit ausreichend hohe Leistung (etwa 10W) in die Lampe 1 einzukoppeln. Damit kann eine solche Lampe 1, die die mittels der erfindungsgemäßen dielektrischen Elektrode 8 erreichte Steigerung der Effizienz aufweist, ohne eine aufwendige Treiberelektronik auch direkt am Haushaltsstromnetz betrieben werden.

Claims (5)

  1. Gasentladungslampe (1) mit einem mit einem Füllgas mit einem Füllgasdruck p gefüllten Gasentladungsgefäß (2) und wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur (3),
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens eine mit dem Gasentladungsgefäß (2) verbundene und wenigstens einen Hohlraum mit einer Oberfläche A und einem Volumen V gemäß p·V/A < 10 cm Torr umschließende Elektrode (8) aus einem dielektrischen Material zur Bildung wenigstens einer kapazitiven Einkoppelstruktur (3) vorgesehen ist.
  2. Gasentladungslampe (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode (8) wenigstens einen Hohlraum mit einem Volumen V ungefähr gleich dem Volumen einer sich im Betrieb der Gasentladungslampe (1) bildenden Plasmagrenzschicht umschließt.
  3. Gasentladungslampe (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Elektrode (8) wenigstens einen Hohlraum mit einem Durchmesser D (d) ungefähr gleich der doppelten Dicke einer sich im Betrieb der Gasentladungslampe (1) bildenden Plasmagrenzschicht umschließt.
  4. Gasentladungslampe (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens ein Glasrohr (8) mit einem Innendurchmesser (d) von etwa 1mm, einem Außendurchmesser (f) von etwa 2mm und einer Länge (c) von etwa 20mm, das einerseits vakuumdicht mit dem Gasentladungsgefäß (2) verbunden und andererseits vakuumdicht abgeschlossen ist, zur Bildung der Elektrode (8) vorgesehen ist.
  5. Gasentladungslampe (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens ein Rohr (8) aus einem nichtleitenden, keramischen Material mit einem Innendurchmesser (d) von etwa 1mm, einem Außendurchmesser (f) von etwa 2mm und einer Länge (c) von etwa 20mm, das einerseits vakuumdicht mit dem Gasentladungsgefäß (2) verbunden und andererseits vakuumdicht abgeschlossen ist, zur Bildung der Elektrode (8) vorgesehen ist.
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