DE10392422T5

DE10392422T5 - Kurzbogenlampe mit zweifachen konkaven Reflektoren und einer durchsichtigen Bogenkammer

Info

Publication number: DE10392422T5
Application number: DE10392422T
Authority: DE
Inventors: Shabtai Botzer; Yigal Finkelstein; Arnon Zelman; Meir Rosenfeld; Rafael Sarfati; Edith Breslauer
Original assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd
Current assignee: Rafael Advanced Defense Systems Ltd
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2005-07-07
Also published as: AU2003209652A1; WO2003079391A3; TW200305912A; JP2005521199A; US20050206319A1; AU2003209652A8; US7355328B2; WO2003079391A2

Abstract

Eine Kurzbogenlampe mit zwei transparenten Öffnungen, wobei die Lampe umfasst:
(a) eine abgedichtete transparente Bogenkammer, die einen inneren integralen Lichtreflektor aufweist, und
(b) ein äußeres Lichtreflektorelement, das außerhalb der abgedichteten transparenten Bogenkammer angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bogenlampen, insbesondere auf eine Kurzbogenlampe, die eine abgedichtete Bogenkammer mit internen und externen integralen konkaven reflektierenden Elementen aufweisen, welche das Licht vom Bogen in derselben Richtung reflektieren.
Eine Kurbogenlampe weist im Allgemeinen als Basiskomponenten eine voneinander durch einen Zwischenraum beabstandete Anode und Kathode auf, der als eine Bogenstrecke bekannt ist, die entlang der zentrisch längsverlaufenden Achse einer unter Gasdruck gesetzten Kammer positioniert ist, wo ein konkaves, typischerweise parabolisches Reflektorelement innerhalb oder außerhalb zur Gasdruckkammer vorhanden ist.
Während des Betriebs wird eine hohe Spannung quer zur Strecke angelegt, die zu einem elektrischen Lichtbogen führt, welcher entlang der Bogenstrecke mit gleichzeitiger intensiver Emission von durch das angeregte Gas ausgehenden Licht erzeugt wird. Das emittierte Licht divergiert auf das konkave Reflektorelement, wird durch dieses gebündelt, uns tritt durch das transparente Fenster der Kurzbogenlampe aus, wodurch eine intensiv gebündelte Lichtquelle für eine besondere Anwendung gegeben ist.

Es gibt grundsätzlich zwei Konfigurationen für die Konstruktion von Kurzbogenlampen:
Die erste Konfiguration umfasst die Lehren nach US Patent Nr. 4.633.128 , US Patent Nr. 5.561.338 , US Patent Nr. 5.418.420 und US Patent Nr. 5.399.931 von ROBERTS et al., US Patent Nr. 4.940.922 und US-Patent Nr. 4.724.352 von SCHUDA et al. und US Patent Nr. 5.869.920 von KAVANAGH.

In jeder dieser Lehren für Kurzbogenlampen besteht die Bogenkammer (die durch eine integrale parabolische Reflektorfläche und ein transparentes Fenster auf ein vakuumdichtes Volumen beschränkt ist) aus einem Hohlteil von opaken Festmaterial, typischerweise festes keramisches Material, um den Gasdrücken von mehreren Atmosphären zu widerstehen.

Eine übliche Begrenzung der Kurzbogenlampen ist im Allgemeinen ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber der Geometrie und der Form der Lichtquelle infolge der kurzen Brennweite ihrer Reflektoren. Dies ist so, wenn nicht Kurzbogenlampen mit großen Reflektoren eingesetzt werden, wobei jedoch die Konstruktion der großen Bogenkammern, die in dieser Konfiguration gebraucht werden, um große Reflektoren auszubilden, teuer und technologisch schwierig zu implementieren ist. Es wird daher eine zweite Konfiguration von Kurzbogenlampen verwendet, die eine Bogenkammer aufweist, welche ein transparentes Gehäuse hat, das aus Glas oder Quarz bei relativ hohen Gasdrücken gefertigt ist, und die einen externen Reflektor haben.

Solche Kurzbogenlampen sind in dem US Patent Nr. 5 369 557 , ausgegeben auf RONNEY, und in dem US Patent Nr. 4 734 829 , ausgegeben auf WU et al. beschrieben.

In jeder dieser Lehren, in welchen die reflektierenden Lichtoberflächen nur extern zum Bogenkammergehäuse positioniert sind, hat das transparente Gehäuse den Vorteil einer effizienten Übertragung von Licht auf den externen Reflektor.

Doch wird ein Teil der rückwärts gerichteten Entladungsstrahlung durch die Teile der Entladungskammer daran gehindert, den externen Reflektor zu erreichen, wodurch Strahlungsverluste stattfinden.

Daher scheint es von Vorteil zu sein, über eine neue dritte Konfiguration einer Kurzbogenlampe zu verfügen, die im wesentlichen der zweiten Konfiguration ähnelt, aber die ihre Begrenzung vermeidet. Dass heißt, es wäre nützlich, eine Kurzbogenlampe zu haben, die eine transparent abgedichtete Bogenkammer ohne die zuvor genannten Strahlungsverluste aufweist.

Ein gemeinsames Merkmal der oben beschriebenen Kurzbogenlampen der ersten und zweiten Konfigurationen ist außerdem, dass Wellenlängenspektrum des Lichts entlang des Strahlenquerschnitts gleichmäßig ist. Eine Ausnahme gibt es bei einem Lichtstrahl mit verschiedenen Farben, der von einer Bogenlampe gebildet wird, welche zwei verschiedene Lichtquellen umfasst – wie im US Patent Nr. 5 655 832 von PELKA et al. beschrieben.

Noch immer gibt es bis jetzt keine Kurzbogenlampe, in welcher die von einer einfachen Bogenkammer emittierte Strahlung aufgeteilt wird, um einen Lichtstrahl zu bilden, der ein Profil von zwei konzentrischen Bereichen besitzt, in welchen der innere Bereich ein Wellenlängenband, d.h. im infraroten Bereich, und der äußere Bereich einen zweiten Wellenlängenband, d.h. sichtbaren und UV-Bereich, aufweist.

Die vorliegende Erfindung schließt diese Lücke und stellt andere Vorteile zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine transparente Kurzbogenlampe anzugeben, die geringe Strahlenverluste aufweist und in der Lage ist, die emittierte Strahlung in einen infraroten und einen UV-Bereich aufzuteilen.

Diese Aufgabe wird mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kurzbogenlampe, die zwei transparente Sektionen hat: ein ebenes Fenster und eine zylindrische Röhre. Das Fenster und die Röhre können aus verschiedenem Material hergestellt sein, um transparent bei verschiedenen Wellenlängenbändern, z.B. im sichtbaren und infraroten Bereich, zu sein.

Innerhalb der Bogenkammer, hinter der Anode ist ein innerer konkaver Reflektor zur Lichtreflektion vom Bogen durch das flache Fenster. Außerhalb der Bogenkammer ist ein externer konkaver Reflektor zur Reflektion des Lichts, das aus der zylindrischen Röhre austritt.

Beide Reflektoren reflektieren das Licht in dieselbe Richtung, um einen nahezu gebündelten Strahl zu erzeugen, der einen Divergenzwinkel hat, der zum Elektrodenabstand und zur Bogenkammergeometrie in Beziehung steht.

Der gebündelte Strahl ist eine Überlagerung von zwei verschiedenen konzentrischen Lichtstrahlen, die im wesentlichen in dieselbe Richtung reflektiert werden, wobei jeder Strahl ein charakteristisches Wellenlängenband haben kann, d.h. der erste Strahl im UV-/sichtbaren Bereich und der zweite Strahl im infraroten Bereich.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist eine Kurzbogenlampe mit zwei transparenten Öffnungen vorgesehen, wobei die Lampe umfasst (a) eine abgedichtete transparente Bogenkammer, die einen inneren integralen Lichtreflektor aufweist, und (b) ein äußeres Lichtreflektorelement, das außerhalb der abgedichteten transparenten Bogenkammer angeordnet ist.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung umfasst die abgedichtete transparente Bogenkammer:

(i) eine Anode;
(ii) eine Kathode, wobei sich Anode und Kathode längs entlang einer mittigen Achse der abgedichteten transparenten Bogenkammer erstrecken, wobei die Spitze der Kathodenfläche gegenüber der Spitze der Anodenfläche liegt, die Anode und Kathode durch einen Abstand voneinander getrennt ist, der eine Bogenstrecke der Kurzbogenlampe definiert;
(iii) eine transparente Röhre, die sich längs entlang und symmetrisch bezüglich der mittigen Achse der abgedichteten Bogenkammer erstreckt, zum Vorsehen eines Volumens zur abgedichteten Bogenkammer, wobei das Volumen der transparenten Röhre die Anode, die Kathode und die inneren integralen konkaven Reflektorelemente begrenzt und die transparente Röhre zumindest einen Teil des innerhalb der abgedichteten Bogenkammer erzeugten Lichts nach außen überträgt;
(iv) eine am Anodenende der transparenten Röhre befestigte Basis zum Halten des inneren integralen konkaven Reflektionselements und der Anode und zum Ausführen des gasdichten Verschlusses des einen Anodenendes der abgedichteten Bogenkammer; und
(v) ein am Kathodenende befestigtes, transparentes Fenster zum Übertragen des vom inneren, integralen, konkaven Reflektionselements reflektierten Lichts aus der Kurzbogenlampe und zum Ausführen des gasdichten Verschlusses des Kathodenende der abgedichteten Bogenkammer.

Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offenbar beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen.

Die Erfindung wird näher unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen nur beispielsweise beschrieben, worin
1 eine Seitenansicht der Kurzbogenlampe im Längsschnitt,
2 eine Explositionsdarstellung der abgedichteten Bogenkammer der Kurzbogenlampe und
3 Vorderansicht der Kurzbogenlampe in Draufsicht darstellt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Mit den vorliegenden näheren Ausführungen ist es nicht beabsichtigt, den Umfang der Erfindung erschöpfend und in irgendeiner Weise begrenzend darzustellen, sondern sie werden als Beispiele für die Klarstellung der Erfindung und zum Ausführen gegenüber anderen bekannten Lösungen verwendet, um Gebrauch von ihrer Lehre zu machen.
Die Kurzbogenlampe der vorliegenden Erfindung weist eine einzigartige Kombination einer transparenten, abgedichteten Bogenkammer mit einem inneren integralen konkaven Reflektionselement und ein äußeres integrales konkaves Reflektionselement auf, bei der beide reflektierenden Elemente die Strahlung vom Bogen in dieselbe Richtung reflektieren.
Unter Bezug auf die Zeichnungen ist 1 ein schematisches Diagramm, das einen Längsschnitt der Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Kurzbogenlampe – im allgemeinen mit 10 bezeichnet – der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Kurzbogenlampe 10 umfasst eine abgedichtete Bogenkammer 12 und ein äußeres konkaves Reflektionselement 14.
Abgedichtete Bogenkammer 12
Die abgedichtete Bogenkammer 12, welche in 2, auf die jetzt Bezug genommen wird, in einer Explosionsdarstellung gezeigt wird, ist ein gasdichter zylindrischer Körper, der folgende Hauptkomponenten umfasst: einen Anodenteil 20, einen Kathodenteil 22, ein inneres konkaves Reflektionselement 24, eine transparente Röhre 26, eine Bogenkammerbasis 40, ein transparentes Fenster 30 und eine Gastransportleitung 32.
Die Bogenkammer 12 umfasst weiterhin zusätzliche Komponenten: einen Anodenhalter 34, eine Basisbuchse 44, eine Kathoden/Fensterhülse 36, Streben 25, die die Kathode 22 mit der Kathode/Fensterhülse 36 verbinden.
Die sich entlang des Zentrums der Bogenkammer 12 erstreckende Längsachse ist nachfolgend in 1 durch C bezeichnet und die radiale Richtung der abgedichteten Bogenkammer 12 ist nachfolgend durch R bezeichnet, wobei die mittige Längsachse C senkrecht zur Radialrichtung R liegt. In einem nichtbegrenzenden Beispiel ist die Länge der Bogenkammer 12 entlang der C-Achse zwischen etwa 60 bis 150 mm und der Durchmesser der Bogenkammer 12 entlang von R zwischen etwa 30 bis 60 mm.
Der Anodenteil 20 erstreckt sich längs mittigen Achse C der Bogenkammer 12. Die Anode besteht vorzugsweise aus einem hoch schmelzenden Metall wie z.B. Wolfram. Molybdän, Tantal oder einer Legierung aus diesen, kann aber auch aus nichtmetallischen Material wie Graphit bestehen. Die Anodenspitze 48 hat vorzugsweise eine punktförmige Konfiguration, kann aber auch eine kugelförmige, konische oder auch flache Konfiguration besitzen.
Der nichtreflektierende Teil des inneren Reflektionselements 24 ist ein hohler Zylinder 25, welcher sich längs zur Gegenrichtung des austretenden Strahls erstreckt und in die Basis 40 eingeschraubt ist.
Die Verlängerung 25 nimmt den Anodenhalter 34, einen rohrförmigen, vorzugsweise aus Kupfer bestehenden, Einsatz auf, welcher ein flaches Endteil 20' der Anode 20 zum Halten der starren Anode 20 umschließt.
Die Anodenspitze 48 und die Kathodenspitze 50, die sich stirnseitig gegenüberliegen und entlang der mittigen Achse C positioniert sind, sind durch einen Abstand 52 von einer Länge im Bereich zwischen etwa 1 bis 10 mm getrennt. Eine Schicht von Kohlenstoff (nicht gezeigt) kann auf die Anodenspitze 48 und/oder Kathodenspitze 50 gemäß jeden bekannten oder standardisierten Verfahren zum Karborieren einer Elektrode für die Lebensdauerverlängerung während des Betriebs der Kurzbogenlampe 10 optional zugefügt werden.
Das innere integrale Reflektionselement 24 dient zum Reflektieren und Bündeln des innerhalb der abgedichteten Bogenkammer 12 erzeugten Lichts in Richtung der Kathode 22 parallel zur mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12 durch das transparente Fenster 30.
Das innere integrale, symmetrisch um die Anode 20 montierte Reflektionselement 24 ist in Richtung der Stirnseite der Kathode 22 konkav und liegt symmetrisch in Bezug auf die mittige Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12.
Das innere integrale Reflektionselement 24 hat eine Reflektionsoberfläche 24' mit einem polierten Aussehen, die vorzugsweise eine parabolische geometrische Konfiguration hat, kann jedoch elliptisch oder von anderer a-sphärische geometrischen Konfiguration sein.
Die Größe des Reflektionselements 24 ist kleiner als der innere Durchmesser der transparenten Röhre, um dem Reflektor zu erlauben, sich auszudehnen, wenn er erhitzt wird während des Betriebs der abgedichteten Bogenkammer 12.
Das innere integrale Reflektionselement 24 besteht bevorzugt aus Metall wie Kupfer, Nickel oder Aluminium, kann aber auch aus einem nichtmetallischen Material wie Keramik bestehen, die eine polierte Oberfläche und einen Überzug aus Metall wie Aluminium, Rhodium oder Silber haben, um ein geeignetes Reflexionsvermögen zu erzielen.
Das innere integrale Reflektionselement 24 weist einen Brennpunkt 56 auf, der bevorzugt nahe oder am Ende der Kathodenspitze 50 auf mittigen Achse C liegt. Während der Erzeugung von einem Kurzbogen divergiert der am Brennpunkt 56 austretende Lichtteil auf das Reflexionselement und wird durch die Reflektionsoberfläche 24' des inneren integralen konkaven Reflexionselements 24 gebündelt.
Die Kathoden/Fensterhülse 36 ist ein metallisches Haltestück, das vorzugsweise aus KOVAR (eine Eisen-Kobalt-Nickel-Legierung) besteht und das vakuumabdichtend auf dem Kathodenende 26' der transparenten Röhre 24 durch Hartlötung oder adhäsives Kleben montiert ist.
Die Kathode 22 ist starr im Zentrum der transparenten Röhre durch Streben festgelegt, die vorzugsweise aus drei metallischen Armen 25 bestehen, und die dünn genug sind, um einen entlang der abgedichteten Bogenkammer 12 passierenden Lichtstrahl nicht zu behindern.
Die Arme 25 sind an einer ihrer Seiten am inneren Teil der Kathoden/Fensterhülse 36 befestigt und auf ihrer anderen Seite umschließen sie die das der Spitze der Kathode 22 gegenüberliegende Ende 22' um die Kathode 22 fest am Ort zu halten.
Die Arme sind vorzugsweise aus feuerfestem Metall wie Molybdän oder Wolfram gefertigt. An den Armen 25 sind dünne Streifen (nicht gezeigt) aus Zirkon-Metall befestigt, die als ein Getter für Verunreinigungen des in die Bogenkammer 12 eingefüllten Gases wirken.
Die Kathode 22 erstreckt sich längs entlang der mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12, worin die Kathodenspitze 50 gegenüber der Spitze 48 der Anode 20 liegt. Die Kathode 22 besteht vorzugsweise aus einem hoch schmelzenden Metall mit einer geringen Elektronenaustrittsarbeit wie thoriertes (legiert mit Thoriumoxid) Wolfram, kann aber auch aus einem nichtmetallischen Material wie Graphit oder Lanthan-Hexa-Borid bestehen. Die Kathodenspitze 50 hat bevorzugt eine Punktkonfiguration, kann aber auch von sphärischer oder konischer Konfiguration sein.
Das gebündelte Licht hat die Form paralleler Lichtstrahlen 58 mit einem typischen Querschnitt, der etwas geringer als der Röhrendurchmesser ist, d.h. etwa zwischen 30 mm bis 50 mm, und erstreckt sich durch das transparente Fenster 30 weg von der Kurzbogenlampe 10.
Die transparente Röhre ist durchlässig für Licht, das ein ausgewähltes Wellenlängenband hat, und wird verwendet zur Übertragung des reflektierten Lichts durch das äußere Reflektionselement 14 (siehe unten).
Die transparente Röhre 26 besteht aus einem Material, das aus der Saphirgruppe ausgewählt ist (transparent im Bereich etwa zwischen 0,5 μm bis 20 μm), und hat eine Wanddicke, die dem inneren Gasdruck sicher widersteht.
Die Basis 40, die an die innere Reflektor/Anoden-Anordnung angepasst ist, erstreckt sich parallel zur radialen Achse R und ist symmetrisch in Bezug auf die mittige Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12. Die Basis 40, die aus einem Metall, vorzugsweise Edelstahl, besteht, ist vakuumdicht mit einer Basisbuchse 44 verschweißt, wobei letztere aus KOVAR (einer Eisen-Nickel-Kobalt-Legierung) besteht und welche vakuumdicht mit dem Anodenende 26' der transparenten Röhre 26 hartgelötet oder verklebt ist.
Das transparente Fenster 30, das am Kathodenende der transparenten Röhre 26 angeordnet ist und symmetrisch zur mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12 liegt, hat die Form einer Scheibe mit einem sich über den inneren Durchmesser der transparenten Röhre 26 erstreckenden Durchmesser in radialer Achsrichtung R und ist mit flachen Seiten in radialer Achsrichtung R versehen.
Das transparente Fenster 30 wird zur Übertragung des durch das innere integrale Reflektionselement 24 reflektierten und gebündelten Lichts aus der Kurzbogenlampe 10 und zum Ausführen eines gasdichten Verschlusses des Kathodenendes 26' der abgedichteten Bogenkammer 12 genutzt. Das transparente Fenster 30 besteht aus einem Material, das durchlässig für Licht einer gewählten Wellenlänge ist. Die Dicke des transparenten Fensters 30 ist so gewählt, das es dem relativ hohem Gasdruck widerstehen kann.
Insbesondere besteht das transparente Fenster 30 aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche aus Quarz, Saphir, Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium oder aus einer Kombination von diesen besteht.
Das transparente Fenster 30 ist vakuumdicht verbunden, d.h. geklebt oder hartverlötet mit der inneren Oberfläche 36' der Kathoden/Fensterhülse 36.
Eine Gastransportleitung 32, bevorzugt Röhre, vakuumdicht in die Basis 40 eingesetzt und durch diese hindurchgeführt, ist für den Transport des Gases zum Auffüllen des Leervolumens der abgedichteten Bogenkammer 12 durch einen Kanal 35 in der Basis 40 vorhanden.
Die Gastransportleitung besteht aus einer Röhre aus Metall wie Kupfer oder Edelstahl.
Ein Gas (nicht gezeigt) füllt das Leervolumen der abgedichteten Bogenkammer 12 zum Anregen durch einen über den Abstand zwischen den Elektronen ausgebildeten Kurzbogen aus.
Das Gas emittiert der elektronischen Anregung folgend Licht, das charakteristische Wellenlängenbänder besitzt.
Das Gas ist entweder ein etwa unter Atmosphärendruck bis 20 Atmosphären gesetztes Reingas oder eine Gasmischung, z.B. ein Gas, das aus der Gruppe ausgewählt wird, die Xenon, Argon, Neon oder Mischungen daraus bei umfasst.
Die elektrische Verbindung zur Bogenlampe 12 erfolgt durch Anwendung elektrischer Verbinder, die eine positive (oder Erdung) und eine negative Polung zur Basis 40 und entsprechend zur Kathoden/Fensterhülse 36 haben.
Äußeres integrales Reflektionselement 14
Das äußere Reflektionselement 14, gleichbedeutend als ein externer Reflektor der Kurzbogenlampe 10 bezeichnet, ist außen und symmetrisch um die äußere Wand der transparenten Röhre 26 montiert. Ihre Lage in C-Richtung bezüglich der abgedichteten Bogenkammer 12 kann leicht eingestellt werden (siehe unten).
Die Reflektionsoberfläche 14' des äußeren integralen Reflektionselementes 14 ist konkav in Richtung der Stirnfläche der Kathode 22 und symmetrisch bezüglich der mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12. Die Konkavizität des äußeren integralen Reflektionselementes 14 ist vorzugsweise parabolisch, kann aber auch elliptisch, sphärisch oder eine andere a-sphärische geometrische Konfiguration haben.
Das externe Reflektionselement 14 besteht vorzugsweise aus einem Metall wie Nickel oder Aluminium, kann aber auch aus einem nichtmetallischen Material wie Glas, Keramik oder ein hitzebeständiges glattes Kompositmaterial gefertigt sein.
Die konkave Reflektionsoberfläche 14' des äußeren in Richtung des transparenten Fensters 30 ausgerichteten Reflektionselements 14 ist poliert und weist eine Reflektionsschicht oder einen Überzug aus Metall wie Nickel, Aluminium, Rhodium, Silber oder Gold auf.
Das externe konkave Reflektionselement 14 dient zur Reflektion und Bündelung des aus der abgedichteten Bogenkammer 12 durch die transparente Röhre 26 übertragenen Lichts in eine Richtung parallel zur mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12 aus der Kurzbogenlampe 10.
Gemäß der bevorzugten Ausführung der Kurzbogenlampe 10 weist das äußere Reflektionselement 14 etwa den gleichen Brennpunkt 56 wie das innere Reflektionselement 24 auf und ist bevorzugt nahe oder am Ende der Kathodenspitze 50 auf der mittigen Achse C angeordnet.
Folglich reflektiert und bündelt das äußere Reflektionselement 14 den durch die transparente Röhre der Bogenkammer 12 übertragenen Lichtfluss 59 in dieselbe Richtung wie das innere integrale Reflektionselement 24 den Lichtfluss 57 durch das Fenster 30 der Bogenkammer 12 reflektiert und bündelt.
Der äußere Reflektor 14 ist positioniert und gesichert bezüglich der abgedichteten Bogenkammer 12 durch die Verwendung eines Rahmens 18, der einen flachen peripheren Ring 18' und eine Vielzahl von dünnen flachen Armen 15 umfasst, die mit ihrer Stirnseite parallel zur Richtung der Ausbreitung des Strahls 60 angeordnet sind, um die Lichtausbeute und ein Fensterband 16 nicht zu behindern.
Der Rahmen 18 und seine Komponenten sind aus einem leichten steigen Metall wie Aluminium gefertigt.
Die Draufsicht der abgedichteten Bogenkammer/äußere Reflektoranordnung ist in 3 gezeigt, auf die jetzt Bezug genommen wird. Das Fensterband 16 des Rahmens 18 umschließt sichernd das Fensterende 36 der Kathoden/Fensterhülse 36, um den Rahmen 18 an der abgedichteten Bogenkammer 12 zu befestigen.
Der Ring 18' ist über Löcher 18'' am Lampengehäuse 17 befestigt, das eine geschlossene Struktur mit einer Öffnung an seiner Front hat. Das Bogenlampengehäuse 17 hat eine rechteckige oder jede andere krummlinige Rahmenkonfiguration und ist vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium gefertigt, kann aber auch aus einem anderen Material, d.h. Keramik oder einem hitzebeständigen starren Kunststoff, gefertigt sein.
Das Bogengehäuse 17 ist an die festen Kanten 14'' des Reflektors 14 angepasst. An seiner gegenüberliegenden Stirnseite sichert das Lampengehäuse 17 die feste Basis 40 der abgedichteten Bogenkammer 12 über einen abgedichteten Bogenkammersockel (nicht gezeigt).
Dadurch wird eine starre Konstruktion gebildet, in welcher der Reflektor 14 stationär positioniert und fest bezüglich Kurzbogenkammer 12 gehalten wird.
Vor dem endgültigen Fixieren der Kurzbogenanordnung wird während der Strahlausrichtung die Position des Brennpunkts des äußeren Reflektors 14 bezüglich der Lage des Brennpunkts des inneren Reflektors 24 durch Verschieben des Fensterbands 16 zurück und vor auf die Fensterkante 36' der Kathoden/Fensterhülse 36 und ein gleichzeitiges kolineares Verschieben der Basis 40 im abgedichteten Bogenkammersockel variiert.
Strahlcharakteristika
Gemäß der obigen Beschreibung der Kurzbogenlampe 10 gibt es eine wesentliche Flexibilität bezüglich der Auswahl verschiedenen Typen von Materialien und Dimensionierungen der Komponenten der Kurzbogenlampe 10 und eine Flexibilität in Bezug auf die Wahl verschiedener Betriebsbedingungen für den Betrieb der Kurzbogenlampe 10, die für besondere Anwendungen geeignet sind. Ohne all die verschiedenen unterschiedlichen Kombinationen und Wahlmöglichkeiten des Gebrauchs verschiedener Arten von Material und Dimensionen zur Bildung einer weiten Vielzahl von verschiedenen besonderen Formen der allgemein offenbarten Kurzbogenlampe 10, die bei einer Vielzahl von verschiedenen Betriebsbedingungen arbeiten, zu wiederholen, wird der allgemeine Betrieb der Kurzbogenlampe 10 der vorliegenden Erfindung durch folgende einige wenige ausgewählte besondere Beispiele hierin beschrieben.
Nochmals Bezug nehmend auf die 1 wird die abgedichtete Bogenkammer 12 evakuiert und dann unter Nutzung der Gastransportleitung 32, die die abgedichtete Bogenkammer 12 mit einer geeigneten Gaserzeugungs- und -versorgungsausrüstung (nicht gezeigt) verbindet, mit Gas unter Druck gesetzt. Eine in geeigneter Konfiguration an die Anode 20 und Kathode 22 angeschlossene Stromversorgungseinrichtung (nicht gezeigt) wird entsprechend den besonderen Arten des Materials, der geometrischen Konfiguration und der Parameter der Kurzbogenlampe 10 zur Erzeugung einer Spannung über die Bogenstrecke 52, die gleich oder größer ist als der Spannungsüberschlag über die Bogenstrecke 52, verwendet.
Zur Energieversorgung der Kurzbogenlampe 10 ist jede Art Stromversorgung geeignet, die für Kurzbogenlampen zum Stand der Technik gehören, d.h. in einer Form einer konstanten Spannung, einer gepulsten Spannung, einer Wechselspannung, eines konstanten Stroms, eines gepulsten Stroms oder eines Wechselstroms.
In jedem von diesen Fällen hat der Energielieferungsmechanismus zumindest zwei Phasen.
In der ersten Phase wird die Überschlagsspannung, die notwendig ist um den Lichtbogen zu zünden, zwischen den Elektroden gebildet, während in der zweiten Phase ein kontinuierlicher Strom bei einer viel geringeren Spannung geliefert wird, welche den Lichtbogen über der Bogenstrecke 52 aufrechterhält.
Ein elektrisches Potential wird dadurch zwischen Anode 20 und Kathode 22 geliefert. Gleichzeitig mit der Lieferung des elektrischen Stroms über die Bogenstrecke 52 erfolgt die Anregung des Gases 32 mit Erzeugung oder Emission des Lichts in unmittelbarer Nähe entlang der Bogenstrecke 52.
Ein Teil des Lichts, d.h. der Strahl 57, der bei der Bogenstrecke 52 erzeugt wird, divergiert auf die Reflektionsoberfläche 24' des inneren integralen konkaven Reflektionselements 24 und wird durch diese reflektiert und gebündelt.
Infolge der parabolischen Geometrie des inneren integralen konkaven Reflektionselements 24 hat das gebündelte Licht die Form von parallelen Lichtstrahlen 58, ist das Licht parallel zur mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12, tritt das Licht in Anodenrichtung aus, durchtritt das transparente Fenster 30 und verlässt die Kurzbogenlampe 10.
Gleichzeitig divergiert der andere, durch die transparente Röhre 26 übertragene Teil des Lichts, d.h. der Strahl 59, der bei der Bogenstrecke 52 erzeugt wird, auf die Reflektionsoberfläche 14' des äußeren konkaven Reflektionselements 14 und wird durch diese reflektiert und gebündelt.
Infolge der parabolischen Geometrie des äußeren konkaven Reflektionselements 24 hat dieses gebündelte Licht auch die Form von parallelen Lichtstrahlen 60, ist das Licht parallel zur mittigen Achse C der abgedichteten Bogenkammer 12, tritt das Licht durch das leere Volumen zwischen abgedichteter Bogenkammer 12 und äußerem konkaven Reflektionselement 14 und verlässt die Kurzbogenlampe 10.
Das Ergebnis ist ein austretender Lichtstrahl 61 mit einem Durchmesser von etwa 20 cm oder größer (bei ebenem Fenster 30), welcher aus zwei übereinander gelagerten konzentrischen Lichtstrahlen 59 und 60 besteht, und welcher im wesentlichen eine flache Lichtintensitätsverteilung hat und eine Strahlendivergenz von etwa 2 Grad oder höher aufweist, wobei diese Divergenz eine Folge einer endlichen Öffnungsgröße, nicht perfekte optische Komponenten und unvermeidbare Toleranzen in der optischen Ausrichtung sind.
Durch Verstellung der Lage des Entladungsabstandes in Bezug auf den Brennpunkt des äußeren Reflektionselements 14, das oben beschrieben wurde, kann das Intensitätsprofil des austretenden Strahls 61 breit eingestellt werden.
Die Konfiguration und der Betrieb der Kurzbogenlampe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung liefert eine relativ hohe Lichtenergie und einen total gebündelte Lichtflussdichte infolge einer verbesserten Lichtsammlung im Vergleich zu vorherigen Lampenkonfigurationen und erlaubt eine verringerte Größe der Lampe im Vergleich mit Lampenkonfigurationen, denen der innere Reflektor und die transparente Röhre-/transparente Fensterkombination fehlt.
Die Flexibilisierung in der Wahl des transparenten Materials, z.B. Saphir für die transparente Röhre, das eine Übertragung der Strahlung von Licht der Wellenlänge zwischen etwa 0,4 μm und 6 μm erlaubt, und Zinksulfid für ein transparentes Fenster, das Wellenlängen von bis zu 14 μm erlaubt, wird sowohl von einer transparente Wand als auch von einem transparenten Fenster ermöglicht. Daher kann ein zusammengesetzter Strahl des Lichts mit zwei getrennten Wellenlängenbändern erhalten werden.
Beispiele
Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Kurzbogenlampe 10 für die Bereitstellung einer Lichtquelle konfiguriert ist, die variable und regelbare Charakteristika in der Größe und des Wellenlängenbandes der totalen Lichtenergie besitzt, die im allgemeinen die Bogenkammer 12 und im besonderen die Kurzbogenlampe 12 verlässt. Insbesondere die Bogenkammer 12 weist zwei Wege für das an der Bogenstrecke 52 erzeugte Licht auf, um die Kurzbogenlampe 10 zu verlassen.
Ein erster Weg weist ein Licht auf, das vom inneren integralen konkaven Reflektionselement 24 reflektiert wird und durch das transparente Fenster 30 tritt, und ein zweiter Weg weist ein Licht auf, das durch die transparente Röhre 26 läuft und vom äußeren konkaven Reflektionselement 14 reflektiert wird.
Ein erstes Beispiel einer besonderen Ausführung der Kurzbogenlampe 10 besteht darin, dass das transparente Fenster 30 in der abgedichteten Bogenkammer 12 und die transparente Röhre 26 aus einem Material bestehen, welches Saphir oder Quarz einschließt.
In diesem Fall liegt das Wellenlängenband von allem Licht, das die Kurzbogenlampe 10 auf dem Weg des inneren integralen konkaven Reflektionselements 24 verlässt und durch das transparente Fenster 30 tritt, im Bereich zwischen etwa 0,2 μm bis etwa 2,5 μm und das Licht, das auf dem Weg durch die transparente Röhre 26 gelangt und vom äußeren konkaven Reflektionselement 14 reflektiert wird, im Bereich zwischen etwa 0,4 μm und 6 μm (bei entsprechender Verwendung von Quarz oder Saphir).
Ein zweites Beispiel einer besonderen Ausführung der Kurzbogenlampe 10 besteht darin, dass das transparente Fenster 30 in der abgedichteten Bogenkammer aus einem Material gefertigt wird, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Zinksulfid, Zinkselenid oder Germanium besteht, und dass die transparente Röhre 26 aus einem Material gefertigt wird, das Saphir oder Quarz einschließt.
In diesem Fall erstreckt sich das Wellenlängenband des Teils der Lichtenergie, das die Kurzbogenlampe 10 über den inneren konkaven Reflektionselement 24 verlässt und durch das transparente Fenster 30 tritt im mittleren Infrarotbereich, und das Wellenlängenband des verbleibenden Teils der Lichtenergie, das die Kurzbogenlampe 10 über das äußere konkave Reflektionselement 14 verlässt, im Bereich von etwa 0,2 μm bis etwa 2,5 μm oder zwischen etwa 0,4 μm bis etwa 6 μm (unter entsprechender Verwendung von Quarz oder Saphir).
Ein drittes Beispiel einer besonderen Ausführung der Kurzbogenlampe 10 besteht darin, dass das transparente Fenster 30 in der abgedichteten Bogenkammer 12 aus Materialien hergestellt ist, das Saphir oder Quarz einschließt, und dass die transparente Röhre 26 aus einer Röhre gefertigt ist, die Zinksulfid einschließt.
In diesem Fall liegt das Wellenlängenband des Teils der Lichtenergie, die die Kurzbogenlampe 10 auf dem Weg des inneren integralen konkaven Reflektionselements 24 verlässt und durch das transparente Fenster 30 tritt im Bereich zwischen etwa 0,2 μm und etwa 2,5 μm oder zwischen etwa 0,4 μm und etwa 6 μm (bei entsprechender Verwendung von Quarz oder Saphir), und das Wellenlängenband des verbleibenden Teils der Lichtenergie, das die transparente Röhre 25 passiert und die Kurzbogenlampe über das äußere integrale konkave Reflektionselement 14 verlässt, im Bereich zwischen etwa 0,4 bis etwa 14 μm.
Ein viertes Beispiel einer besonderen Ausführung der Kurzbogenlampe 10 besteht darin, dass sowohl das transparente Fenster 30 in der abgedichteten Bogenkammer 12 als auch die transparente Röhre 26 aus Glas hergestellt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Zinksulfid, Zinkselenid oder Germanium besteht. In diesem Fall erstreckt sich das Wellenlängenband aller Lichtenergie, die die Kurzbogenlampe 10 auf dem Weg des inneren integralen konkaven Reflektionselements 24 verlässt und durch das transparente Fenster 30 tritt, als auch auf dem Weg des Passierens durch die transparente Röhre 26 und der Reflektion vom äußeren konkaven Reflektionselement 14, im Bereich des mittleren Infrarot.
Während die Erfindung beschrieben wurde in Bezug auf eine Zahl von Ausführungen und Beispielen, versteht es sich, dass viele Variationen, Modifikationen und andere Anwendungen der Erfindung durchgeführt werden können, ohne vom Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kurzbogenlampe mit zwei transparenten Öffnungen. Die umfasst eine abgedichtete transparente Bogenkammer mit einem inneren integralen Lichtreflektor und ein äußeres Lichtreflektionselement, das außerhalb der abgedichteten Bogenkammer angeordnet ist.

Claims

Eine Kurzbogenlampe mit zwei transparenten Öffnungen, wobei die Lampe umfasst: (a) eine abgedichtete transparente Bogenkammer, die einen inneren integralen Lichtreflektor aufweist, und (b) ein äußeres Lichtreflektorelement, das außerhalb der abgedichteten transparenten Bogenkammer angeordnet ist.
Die Kurzbogenlampe wie in Anspruch 1, wobei die abgedichtete transparente Bogenkammer umfasst: (i) eine Anode, die sich längs der mittigen Achse der abgedichteten transparenten Bogenkammer erstreckt; (ii) eine Kathode, die sich längs der besagten mittigen Achse der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer erstreckt, wobei die Spitze der besagten Kathode gegenüber einer Spitze der besagten Anode liegt, wobei die Anode und die Kathode durch einen Abstand getrennt sind, der die Bogenstrecke der Kurzbogenlampe definiert; (iii) eine transparente Röhre, die sich längs und symmetrisch in Bezug auf die besagte mittige Achse der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer erstreckt, zur Bereitstellung eines Volumens in besagter abgedichteter transparenter Bogenkammer, wobei das besagte Volumen der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer die besagte Anode, die Kathode, das innere integrale konkave Reflektionselement begrenzt, wobei die besagte transparente Röhre zumindest einen Teil des in der abgedichteten transparenten Bogenkammer erzeugten überträgt; (iv) eine Basis, die fest an einem Anodenende der besagten transparenten Röhre befestigt ist, die sich parallel zur besagte radialen Achse der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer im wesentlichen über den inneren Durchmesser der besagten transparenten Bogenkammer erstreckt, zum Halten des besagten inneren integralen konkaven Reflektionselements und besagter Anode, und zum Ausführen des gasdichten Verschlusses von einem Anodenende der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer, und (v) ein transparentes Fenster, das fest an einem Kathodenende der besagten transparenten Röhre befestigt ist, die im wesentlichen zylindrisch mit einem Durchmesser konfiguriert ist, der parallel zur besagten radial Achse im wesentlichen sich über den besagten inneren Durchmesser der besagten transparenten Röhre erstreckt, zum Übertragen des reflektierten und gebündelten Lichts durch das besagte innere integrale konkave Element aus der Kurzbogenlampe und zum Ausführen eines gasdichten Verschlusses des Kathodenendes der besagten abgedichteten Bogenkammer.
Die Kurzbogenlampe wie in Anspruch 2, worin besagtes inneres integrales konkaves Reflektionselement im Inneren der und integral zur abgedichteten transparenten Bodenkammer zum Reflektieren und Bündeln des in der abgedichteten transparenten Bogenkammer erzeugten Lichts in Richtung der besagten Kathode aus der Kurzbogenlampe durch das besagte Fenster heraus positioniert ist, symmetrisch um die besagte Anode und symmetrisch in Bezug zur mittigen Achse der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer montiert ist.
Die Kurzbogenlampe wie in Anspruch 2, worin die abgedichtete transparente Bogenkammer weiter umfasst: (vi) ein gasaufnehmendes Leervolumen des besagten Volumens der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer zum Anregen durch einen Kurzbogen, der über die besagte Bogenstrecke der Kurzbogenlampe gebildet wird; und (vii) eine dicht in die und durch die besagte Basis geführte Gastransportleitung zum Transport des besagten Gases in und aus dem besagten Leervolumen der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, worin ein Brennpunkt des besagten äußeren Lichtreflektionselements nahezu mit einem Brennpunkt des besagten inneren integralen Lichtreflektors zusammenfällt.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, worin das besagte äußere Lichtreflektionselement symmetrisch um eine Wand der besagten transparenten Röhre montiert und konkav ist, wobei das Reflektionselement solch eine Konkavizität wie der besagte innere integrale Lichtreflektor hat.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, worin die besagte Anode aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram, Molybdän, Tantal, Kohlenstoff und deren Kombinationen besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, worin die besagte Kathode aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Wolfram, thoriumlegiertes Wolfram, Kohlenstoff und Lanthan-Hexa-Borid besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, worin der besagte innere integrale Lichtreflektor aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Nickel, Aluminium und deren Kombination besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, worin das besagte äußere Lichtreflektionselement aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kupfer, Nickel, Aluminium, Keramik und Kunststoff besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, worin die Basis aus Edelstahl gefertigt ist.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, worin das besagte Fenster aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Saphir, Zinksulfid, Zinkselenid, Germanium und einer Kombination daraus besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 2, worin die besagte transparente Röhre aus einem Material gefertigt ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Quarz, Saphir, Zinksulfid und Kombinationen daraus besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 4, worin das Gas ausgewählt aus der Gruppe wird, die aus Xenon, Argon, Neon und Kombinationen daraus besteht.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 4, worin der Druck des besagten Gases zwischen etwa 0,1 bis etwa 20 Atmosphären beträgt.
Die Kurzbogenlampe wie in Anspruch 1 weiter umfassend: (c) einen runden Rahmen, der verwendet wird um die besagte abgedichtete transparente Bogenkammer an dem besagtem äußeren Lichtreflektionselement zu befestigen, und (b) ein Bogenlampengehäuse, das einen Sockel hat zum Halten der abgedichteten transparenten Bogenkammer.
Die Kurzbogenlampe wie in Anspruch 16, worin der besagte Kreisrahmen an der besagten abgedichteten transparenten Bogenkammer in einem Zentrum des besagten Kreisrahmens und das besagte Bogenlampengehäuse an einer Peripherie des besagten Kreisrahmens befestigt ist.
Die Kurzbogenlampe wie in Anspruch 17, worin der besagte Sockel des besagten Bogenlampengehäuses die besagte Basis der abgedichteten transparenten Bogenkammer trägt.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, worin die besagte Bogenlampe einen Strahl von Licht emittiert, der eine Divergenz von mindestens etwa 2° hat.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, worin die besagte Kurzbogenlampe einen Strahl von Licht emittiert, der einen Durchmesser von zumindest etwa 2 cm hat.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 1, worin die besagte Kurzbogenlampe ein Strahl von Licht mit einer inneren und einer äußeren Region emittiert, wobei jede Region ein verschiedenes Wellenlängenband hat.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 21, worin das besagte Wellenlängenband der besagten inneren Region im Infraroten ist und die besagte äußre Region im UV-/sichtbaren Bereich liegt.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 21, worin das besagte Wellenlängenband der besagten inneren Region im UV/sichtbaren Bereich und das besagte Wellenlängenband der besagten äußeren Region im Infraroten liegt.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 4, worin ein Lichtbogen durch das besagte Gas mittels elektrischer Mittel gezündet wird, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus konstanter Spannung, Spannungspulse, Wechselspannung und Kombinationen daraus bestehen.
Die Kurzbogenlampe nach Anspruch 24, worin der besagte Lichtbogen durch elektrische Mittel aufrechterhalten wird, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus konstantem Strom, pulsierendem Strom, Wechselstrom und Kombinationen daraus bestehen.