Quecksilberlampe

Spektrogramm einer Quecksilberdampflampe; die Zahlen geben die Wellenlänge der Spektrallinien des Quecksilbers in nm an. Weitere Bänder tragen keine Zahlen - das sind die Emissionen der durch die UV-Strahlung des Quecksilber-Plasmas angeregten Leuchtstoffe

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

Die Quecksilberdampflampe ist eine Gasentladungslampe mit Quecksilberdampffüllung. Zusätzlich zum Quecksilber enthält die Lampe aufgrund des geringen Dampfdruckes des Quecksilbers bei Raumtemperatur stets auch ein Edelgas (meist Argon).

Geschichte

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. Anfang 2009 beabsichtigt die EU-Kommission durch Beschluss des EU Parlaments, der Quecksilberdampfhochdrucklampe ab dem Jahre 2015 die CE Kennzeichnung zu entziehen. Sollte dieser Beschluss so getroffen werden, dürfen dann ab 2015 Quecksilberdampfhochdrucklampen in der EU nicht mehr in den Handel gebracht werden. Diese Maßnahme wurde, auf Grund der als zu gering eingeschätzten Wirtschaftlichkeit gegenüber anderen Entladungslampen, in die Wege geleitet.

Arten und Anwendungen

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 Emmissionslinie bei 185nm. So eine Lampe kann für die Reinigung und Modifikation von Oberflächen eingesetzt werden.^[1]

Spektrallinien durch ein Prisma

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 z.B. 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 UV-A um 400 nm bis UV-C um 250 nm.

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

Detail zu Bild oben; zu sehen sind die Hauptelektrode (Drahtwickel) sowie darüber die Zündelektrode (Draht)

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

Wichtige Spektrallinien des Quecksilbers haben die Wellenlängen 313 nm (Nanometer), 365 nm (i-line), 405 nm(h-line), 434 nm (g-line), 546 nm (e-line), 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^[2].

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen

Diese Lampen haben Betriebsdrücke bis etwa 1 MPa 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 i.d.R. über 80, Glühlampe über 90). Eine kurze Auflistung der Merkmale verschiedener Quecksilberdampf-Hochdrucklampen:

• Klassische Bauform (alle Hersteller): 4200 K Farbtemperatur, Ra bei ca. 45. Bläulich-weißes Licht.
• DeLuxe-Version (Osram): 3400 K Farbtemperatur, Ra bei ca. 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 160W

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 ca. 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%ige) Lichtabgabe. Nach kurzer Brenndauer von ca. 3 Minuten ist der Farbton tageslichtähnlich.

Höchstdrucklampen

Sie haben einen Betriebsdruck bis 10 MPa (100 bar) und zeigen neben dem Linienspektrum ein kräftiges Kontinuum, 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 u.a. 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 Scheinwerfern 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.

Fachliteratur

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

Siehe auch

• Quecksilberdampfgleichrichter
• Quarzlampe
• Gasentladungslampe
• Leuchtstofflampe
• Homepage Philips Lighting

Einzelnachweise

1. ↑ Oberflächenreinigung durch UV-Licht.
2. ↑ http://www.ist-uv.de/de/anwendungen/pdf/01_General_D.pdf