Quecksilberdampflampe

Die Quecksilberdampflampe ist eine Gasentladungslampe mit Quecksilberdampffüllung. Zusätzlich zum Quecksilber, welches aufgrund des bereits bei Raumtemperatur geringen Dampfdruckes teilweise in gasförmiger Form vorliegt, enthält sie stets auch ein Edelgas (meist Argon), um die Zündung zu erleichtern.

Quecksilberdampf-Hochdrucklampe, Ausführung mit leuchtstoffbeschichtetem äußerem Glaskolben, Leistung 1 kW

Geschichte

Foto einer Quecksilberdampflampe (Niederdruck) mit Foto und Graph des Linienspektrums ; die Zahlen geben die Wellenlänge der Spektrallinien des Quecksilbers in Nanometer an.

Die Quecksilberdampflampe wurde 1892 vom Berliner Physiker Martin Leo Arons erfunden (daher die heute kaum mehr verwendete Bezeichnung Aronssche Röhre). Die ersten kommerziell erhältlichen Quecksilberdampfentladungslampen waren die von 1923 bis 1932 entwickelten und ab 1933 erhältlichen (Mitteldruck-)Quecksilberdampflampen. Seit 1934 sind Hochdruck-Quecksilberdampflampen erhältlich. Die früheren Lampen erzeugten ein blaugrünes Licht, mittlerweile gibt es sie auch mit einem korrigierten, eher weißen Licht, beispielsweise indem der im Quecksilberspektrum fehlende Rotanteil durch einen Leuchtstoff auf der Innenseite des Außenkolbens oder durch eine Glühwendel im Außenkolben erzeugt wird.

Hochdruck-Quecksilberdampflampen müssen ab April 2015 bestimmte Energieeffizienzklassen erreichen, andernfalls dürfen sie nicht mehr gehandelt werden. Hochdruck-Quecksilberdampflampen werden nicht generell verboten.^[1] Ein möglicher Ersatz, beispielsweise im Bereich der Straßenbeleuchtung, besteht im Einsatz von Halogenmetalldampflampen.

Arten und Anwendungen

Die unterschiedlichen Bauformen und Leistungsformen werden meist durch das Lampenbezeichnungssystem ILCOS charakterisiert und sind dort näher beschrieben^[2].

Niederdrucklampen

Eine Lampe einer QDL während des Gebrauchs

Sie haben geringe Innendrücke bis etwa 10 mbar. Ohne Leuchtstoff haben sie einen geringen sichtbaren Lichtanteil, jedoch einen großen Anteil an Ultraviolettstrahlung; sie eignen sich als sog. Quarzlampe als Ultraviolett-Quelle und haben einen Kolben aus Quarzglas. Man benötigt sie zur Löschung von EPROMs und zu Desinfektionszwecken, da Niederdrucklampen einen Primärpeak bei 254 nm haben. Bei Einsatz von synthetischem Quarz kann die Transparenz der Lampe für kurzwelliges Licht weiter erhöht werden und man bekommt auch noch eine Emissionslinie bei 185nm. So eine Lampe kann für die Reinigung und Modifikation von Oberflächen eingesetzt werden.^[3]

Leuchtstofflampen sind ebenfalls Niederdrucklampen, sie tragen jedoch an der inneren Glasoberfläche einen fluoreszierenden Leuchtstoff. Sie dienen der Beleuchtung und haben sehr hohe Lichtausbeuten und eine hohe Lebensdauer. Außer bei Lampen für Solarien ist UV-Austritt unerwünscht, was mit speziellen Glassorten erreicht wird.

„Schwarzlichtlampen“ haben oft einen Filterglaskolben, der den verbleibenden sichtbaren Anteil absorbiert. Sie verwenden spezielle, im UV-A emittierende Leuchtstoffe und dienen zum Beispiel der Untersuchung von Mineralien oder der Geldscheinprüfung.

Leuchtröhren in der Lichtwerbung sind – außer Neonröhren – ebenfalls Quecksilber-Niederdrucklampen mit Leuchtstoffen der entsprechenden Farbe. Es sind jedoch meist Kaltkathodenröhren, d.h. sie haben keine Glühkathoden, sondern kalte Elektroden, wodurch – bei verringertem Wirkungsgrad – die Lebensdauer sehr viel höher als bei Leuchtstofflampen ist. Auch die Hintergrundbeleuchtung von Laptop-Displays erfolgt mit solchen Kaltkathodenröhren.

Mitteldrucklampen

Sie werden in industriellen Anwendungen zur Aushärtung von speziellen UV-reaktiven Lacken, Klebstoffen und Druckfarben eingesetzt. Die Lampen emittieren je nach Lackanforderungen schwerpunktmäßig im UVA um 400 nm bis UVC um 250 nm.

UV-härtbare Lacke, Farben und Klebstoffe sind in der Regel lösungsmittelfrei oder -arm und sind im Anschluss an die Bestrahlung mit UV-Strahlung vollständig vernetzt und daher sehr haltbar. Im Vergleich zu ofentrocknenden Lacksystemen ist mit der UV-Aushärtung Raum- und Energieeinsparung möglich.

Wichtige Spektrallinien des Quecksilbers haben die Wellenlängen 313 nm (Nanometer), 365 nm (i-Linie), 405 nm (h-Linie), 434 nm (g-Linie), 546 nm (e-Linie) sowie 577 nm und 579 nm (orange Doppellinie).

Mit Metallhalogeniden oder Gallium und Indium dotierte Gasfüllungen sind erhältlich, sie ergänzen das Emissionsspektrum um UV-A und Blau, um die Absorption von UV-Strahlung niedriger Wellenlänge durch Farbpigmente zu vermeiden. Die Anregung des Quecksilberplasmas erfolgt konventionell über Elektroden oder elektrodenlos mit Mikrowellen. Kürzere Lampen bis 0,5 m Länge werden mit Drosseln an 400 V betrieben, längere (bis 2,3 m) mit Resonanz-Streufeldtransformatoren^[4].

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen

Entladungsgefäß einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe (NARVA NF80, 80 Watt); Schutzglaskolben entfernt

Quecksilberdampf-Hochdrucklampe ohne Leuchtstoff im Bereich der Straßenbeleuchtung

Diese Lampen haben Betriebsdrücke bis etwa 1 MPa (entspricht 10 bar) und werden häufig zur Straßen- und Industriebeleuchtung eingesetzt. Sie benötigen ein Vorschaltgerät, jedoch kein Zündgerät, da die Entladungsgefäße („Brenner“) eine Zündelektrode besitzen (siehe Bild). Diese Lampen haben eine gute Lichtausbeute und blaugrüne Lichtfarbe. Nach dem Start geben sie zunächst fast kein Licht ab, bis eine nennenswerte Menge Quecksilber verdampft und der Innendruck gestiegen ist.

Lampen ohne Leuchtstoff haben ein ausgeprägtes Linienspektrum mit empfindlichem Mangel an Rot und daher einen schlechten Farbwiedergabeindex. Man baut die aus Kieselglas gefertigten Entladungsgefäße in einen zur Wärmeisolation teilevakuierten Hartglaskolben ein, der im Inneren einen Leuchtstoff tragen kann, um die Farbwiedergabe zu verbessern. Der Schutzglaskolben absorbiert die Ultraviolettstrahlung, auch wenn er keinen Leuchtstoff trägt.

Der Farbwiedergabeindex (Ra) von Standard-Quecksilberdampf-Hochdrucklampen liegt bei etwa 50. Sie sind in verschiedenen Farbtemperaturen erhältlich, je nach Anwendungsbereich. Die Firma Philips-Lighting verkauft unter dem Namen „HPL 4 Pro“ neuartige Quecksilberdampf-Hochdrucklampen mit einem Farbwiedergabeindex von knapp unter 60 (Standard-Leuchtstofflampe in der Regel über 80, Glühlampe über 90). Eine kurze Auflistung der Merkmale verschiedener Quecksilberdampf-Hochdrucklampen:

• Klassische Bauform (alle Hersteller): 4200 K Farbtemperatur, Ra bei zirka 45. Bläulich-weißes Licht.
• DeLuxe-Version (Osram): 3400 K Farbtemperatur, Ra bei zirka 54. Wärmeres Licht und mehr Lichtausbeute.
• HPL-4-Version neutralweiß (Philips): 4200 K Farbtemperatur, Ra knapp unter 60. Gute Lichtausbeute, kühles Licht.
• HPL-4-Version warmweiß (Philips): 3500 K Farbtemperatur, Ra knapp unter 60. Gute Lichtausbeute, etwas wärmer als neutralweiß.
• SuperDeLuxe-Version (Osram): 3200 K Farbtemperatur, Ra knapp über 60. Mäßige Lichtausbeute, aber warmes Licht.

Durch Zusätze anderer Elemente (weitere Metalle und Halogene) zum Quecksilber erhält man sog. Halogen-Metalldampflampen mit noch besseren Farbwiedergabeeigenschaften.

Mischlichtlampe 160 W

Eine Sonderform der Quecksilberdampf-Hochdrucklampen stellen die sogenannten Mischlichtlampen dar, in denen zusätzlich zum Quarzbrenner eine Glühwendel untergebracht ist. Diese ist innerhalb der Lampe in Reihe zum Brenner geschaltet und dient neben der Lichterzeugung auch zur Strombegrenzung.

Deshalb können Mischlichtlampen – und nur diese! – ohne Vorschaltgerät direkt an 230 V betrieben werden. Die Farbwiedergabe ist etwas besser als bei den reinen Quecksilberdampflampen. Allerdings ist die Lebensdauer, bedingt durch die Glühwendel, auf zirka 4000 Stunden begrenzt und die Effizienz mit 20 Lm/W nicht herausragend.

Mischlichtlampen gibt es in den Leistungsklassen 160, 250 und 500 Watt. Ein Vorteil ist die sofortige (50-prozentige) Lichtabgabe. Nach kurzer Brenndauer von zirka 3 Minuten ist der Farbton tageslichtähnlich.

Höchstdrucklampen

Sie haben einen Betriebsdruck bis 10 MPa (100 bar), der sich aber erst langsam nach der Zündung aufbaut, wenn die Lampe ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Deshalb zeigt sie in den ersten Betriebssekunden ein Linienspektrum, das allmählich wegen Druckverbreiterung in ein kräftiges Kontinuum übergeht, wodurch die Farbwiedergabe erheblich verbessert wird; sie haben eine sehr hohe Leuchtdichte, werden aus dickem Kieselglas ohne zusätzlichen Kolben gefertigt und dienen als intensive Ultraviolett-Quelle unter anderem in der Fotolithografie (Ultraviolett-Lithographie).

Diese Lampen haben massive Elektroden aus Wolfram und meist Schraubklemmen als Anschlüsse. Die Betriebslage ist vorgeschrieben.

Der Elektrodenabstand dieser Lampen beträgt nur wenige Millimeter, sie werden daher auch als Kurzbogenlampen bezeichnet.

Höchstdrucklampen werden neben Quecksilber auch mit Xenon gefüllt angeboten (siehe Xenon-Hochdrucklampe), sie dienen als Leuchtmittel in KFZ-Scheinwerfern (Xenonlicht) und Kino-Projektoren.

Die Handhabung dieser Lampen ist gefährlich – zum Schutz bei Explosionen müssen bei der Handhabung und beim Betrieb Schutzvorkehrungen getroffen werden.
Weiterhin ist Schutz vor der harten Ultraviolettstrahlung sowie dem durch diese aus Luftsauerstoff erzeugten Ozon erforderlich.

Problem der Lichtverschmutzung

Die Industrie- und Straßenbeleuchtung sowie Außenbeleuchtung von Gebäuden bringt – neben einer deutlichen Aufhellung der Atmosphäre („Lichtverschmutzung“) nicht nur Probleme für die Astronomie, sondern auch für Menschen (Schlafrhythmus etc.) und nachtaktive Insekten, Vögel, Fledermäuse, nachtaktive Amphibien usw. Unter den Insekten sind vor allem die Nachtfalter betroffen, deren Augen stark auf die UV-Strahlung von Hochdrucklampen reagieren. Die Gebäude- und Straßenlampen werden stundenlang umflogen, bis die Tiere ermatten oder vor Hunger sterben. Auf diese Art kommt es allein in Deutschland jährlich zu etwa 200 Milliarden Insektenleichen, was auch gravierende Folgen für die Nahrungskette anderer Tierarten hat. ^[5]

Neuere Entwicklungen bei Quecksilbermittel- und Quecksilberhochdrucklampen haben zwar geringere UV-Anteile im Licht, was aber für die Lösung des Umweltproblems noch nicht ausreicht.

Kosten

Es gibt Quecksilberdampflampen mit Sockel E27 (haushaltsüblich) für 230 Volt-Anschluss in Ausführungen von 50 Watt, 80 Watt, 125 Watt und einer Lichtausbeute von etwa 50 Lumen pro Watt für etwa 6 Euro im Handel zu kaufen. Mit dem Sockel E40 für 230-Volt-Anschluss gibt es die Ausführung 250 Watt (ca. 9 Euro), 400 Watt (ca. 15 Euro), 700 Watt (ca. 45 Euro), 1000 Watt (ca. 60 Euro).

Literatur

• Hans R. Ris: Beleuchtungstechnik für den Praktiker. VDE-Verlags GmbH, Berlin/Offenbach, ISBN 3-8007-2163-5.
• Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik. 18. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, 1989, ISBN 3-8085-3018-9.

Weblinks

 Commons: Quecksilberdampflampe – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

• Homepage Philips Lighting

Einzelnachweise

1. ↑ Antworten auf häufig gestellte Fragen zum Thema „Licht”, Deutsches Umweltbundesamt, abgefragt am 16. Oktober 2010
2. ↑ Beispiele finden sich im [http://www.zvei.org/fileadmin/user_upload/Fachverbaende/Elektrische_Lampen/ueber_uns/Gremien/TCA/ILCOS_IEC_1231.pdf Fachbericht zur IEC 1231 des ZVEI
3. ↑ Oberflächenreinigung durch UV-Licht. Abgerufen am 31. Januar 2011.
4. ↑ http://www.ist-uv.de/de/anwendungen/pdf/01_General_D.pdf
5. ↑ Thomas Posch et.al., Das Ende der Nacht. Probleme der Lichtverschmutzung. Wiley, 2009.