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Von Dr. Paul Hatschek, D. K. G.

Wird an zwei gegenüberliegende, in einen luftleeren Glaskolben eingeschmolzene Elektroden eine Spannung gelegt, dann kann in der Vakuumstrecke keine Entladung erfolgen, weil die Elektrizitätsleitung an das Vorhandensein einer gewissen Zahl freier Elektronen geknüpft ist, die im Vakuum nicht vorhanden sind.

Bei künstlicher Einbringung von Elektronen durch Erhitzung der aus besonders geeigneten Metallen (z. B. Barium oder Thorium) hergestellten Kathode tritt hingegen Elektrizitätsleitung auf, wenn die angelegte Spannung genügend groß ist, um den Widerstand zu überwinden, den jedes Elektron auf dem Weg zur Anode durch die Eigenabstoßung der Elektronenwolke - sog. negative Raumladung - erfährt.

Selbst bei Erfüllung der Voraussetzung unbegrenzt ergiebiger Glühkathoden ist die pro 1 Volt erzielbare Vergrößerung der Stromstärke - die sogenannte Steilheit der Elektronenröhre - technisch durch verhältnismäßig geringe Höchstwerte begrenzt, wie dies bei Radioröhren der Fall ist.

Es wurde berechnet, daß 5.500 Volt bzw. 13.800 Volt bei einem Elektrodenabstand von 1 bzw. 2cm an die Elektroden angelegt werden müßten, um eine Stromdichte von 1 A/cm2 zu erzielen.

Wenn das Entladungsgefäß hingegen kleine Mengen irgendeines Gases enthält, dann finden sich stets freie Elektronen vor, die durch Spaltung vorhandener Gasatome (z. B. infolge stets vorhandener radioaktiver oder Höhenstrahlung) entstanden sind und sich in ungeordneter thermischer Bewegung befinden.

Trotz geringer Zahl reichen sie bei Anlegung einer Spannung an die Elektroden zur Einleitung der Elektronenwanderung zur Anode aus, welche geordnete Bewegung sich der ungeordneten thermischen Bewegung überlagert, so daß ein Strom zu fließen beginnt. Ist die angelegte Spannung niedrig, dann wird das Elektron bei Zusammenstößen mit Gasatomen unter Wärmeentwicklung elastisch reflektiert. Bei etwas höherer Spannung und damit größerer Elektronenbeschleunigung werden die Gasatome bei solchen Zusammenstößen verformt und strahlen beim Zurückfedern in die ursprüngliche Form die aufgenommene Energie als Licht ab.

Die Spannung, bei welcher dieser Effekt auftritt, ist für verschiedene Gase (vgl. Tabelle 1 im Anhang) verschieden hoch und heißt die Anregungsspanung. Bei ihr beginnt das Atom eben Licht abzustrahlen, dessen Spektrum aus einer einzigen für das betreffende Gas charakteristischen Linie, der Resonanzlinie, besteht. Bei weiterer Erhöhung der Spannung werden bereits erregte Atome zusätzlich erregt, wodurch auch im Spektrum zusätzliche höhere Linien auftreten, deren relative Intensität jedoch nicht die der Resonanzlinie erreicht.

Weitere Zunahme der Elektrodenspannung erhöht schließlich die Beschleunigung und kinetische Energie der Elektronen derart, daß deren Zusammenstöße mit Gasatomen unelastisch erfolgen, d. h. die Gasatome in ihre Bestandteile - Elektronen und Ionen - zerspalten werden.

Die Spannung, bei der dieser Vorgang einzusetzen beginnt, heißt die Ionisierungsspannung; sie ist ebenfalls für verschiedene Gase (vgl. die Tabelle im Anhang) verschieden hoch. Außer der Strömung der negativen Elektronen zur Anode findet nun auch die Gegenströmung der positiven Ionen zur (negativen) Kathode statt, die etwa 100mal langsamer als die Elektronenströmung verläuft, weil zwar die einwirkenden Beschleunigungen des elektrischen Feldes die gleichen sind, die Masse des Ions aber um mehrere Größenordnungen größer als die des Elektrons ist.

Hierdurch tritt zuerst in der Nähe der Anode ein Überschuß an Ionen, eine positive Raumladung, ein, die sich immer näher an die Kathode heranschiebt. Da auch die durch Atomspaltung neu gebildeten Elektronen bei genügender Beschleunigung zur Ausübung unelastischer Stöße auf Gasatome fähig werden, so wächst die Zahl der Elektronen und Ionen und damit die Stromstärke bei Erhöhung der Spannung lawinenartig und somit nicht linear, sondern exponentiell.

Sobald sich die positive Raumladungswolke genügend nahe an die Kathode herangeschoben hat, prallen aus ihr die Ionen mit solcher Wucht auf die Kathode auf, daß durch dieses Ionenbombardement Elektronen aus der Kathode herausgeschlagen oder freigemacht werden.

In diesem Augenblick ist aus der unselbständigen Entladung eine selbständige oder Glimmentladung geworden, die nicht mehr auf freie Elektronen im Gasraum angewiesen ist, sondern sich zur Entladung die notwendigen Elektronen selbst aus der Kathode freimacht.

In diesem Augenblick ist die bisher noch teilweise vorhandene, den Elektronenfluß behindernde negative Raumladung weggefallen und die Leitfähigkeit der Gasstrecke unendlich groß oder deren Widerstand unendlich klein geworden.

Wenn nun die an die Elektroden angelegte Stromquelle unendlich ergiebig und der Widerstand des äußeren Stromkreises unendlich klein wäre, welche Voraussetzungen allerdings in der Praxis niemals vollständig zutreffen, so würde in diesem Augenblick die Stärke des Entladungsstroms auf einen unendlich hohen Wert anschwellen.

Im Gegensatz zu einem stromdurchflossenen Ohmschen Widerstand hat daher die stromdurchflossene Gasstrecke eine fallende Charakteristik oder Kennlinie. Zwecks Strombegrenzung ist es deshalb notwendig, in den äußeren Stromkreis einen Widerstand mit steigender Kennlinie, also einen Ohmschen Widerstand, als Schutzwiderstand einzuschalten, an welchem sich zunehmende Stromstärke durch zunehmenden Spannungsabfall selbsttätig kompensiert, während die zwischen den Elektroden der Entladungsrohre liegende Spannung (vgl. Abb. 1 rechts oben) konstant bleibt.

Hierbei ist es belanglos, ob der Schutzwiderstand selbst Leistung aufnimmt oder ob er ein „wattloser" Blindwiderstand (z. B. eine Drossel) ist. Hieraus ergibt sich der bessere Nutzeffekt von Gasentladungsröhren am Wechselstromnetz, da hier der Schutzwiderstand - im Gegensatz zum Betrieb am Gleichstromnetz - für sich keine bzw. nur geringe Leistung verbraucht.
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Vergrößert man die Stärke des die Gasstrecke durchfließenden Stroms durch Verkleinerung des Schutzwiderstands erheblich, so zieht sich die Ansatzfläche der Entladung auf der Kathode punktförmig zusammen und es tritt heiße Bogenentladung ein. Abb. 1 zeigt die Charakteristik der beschriebenen, bei Vergrößerung der Stromstärke aufeinanderfolgenden Entladungsformen.

Nach erfolgter Zündung sind im Entladungsrohr Lichterscheinungen und Dunkelräume in der in Abb. 2 gezeigten Gruppierung wahrzunehmen, deren Aufeinanderfolge sich bei Umpolung der Spannungsquelle ebenfalls umdreht, so daß bei Anlegung einer Wechselspannung nach jeder Halbperiode eine Umdrehung erfolgt.

Wie aus Abb. 2 ebenfalls ersichtlich ist, verteilt sich der gesamte Spannungsabfall zwischen den Elektroden keineswegs gleichmäßig, es ist mit anderen Worten der Gradient - d. h. der Spannungsabfall je 1cm Entladungsstrecke - nicht konstant, sondern nächst den Elektroden wesentlich größer als im Gebiet der positiven Lichtsäule.

Zahlenmäßig kann man angeben, daß die Gesamtspannung bei langen Röhren etwa 1000V pro 1m, der „Kathodenfall" an kalten Metallelektroden 100 bis 300 V und der „Anodenfall“ 10 bis 50 V zu betragen pflegt.
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Da nun mit Verlängerung des Entladungsrohrs die positive Lichtsäule, deren Lichtstärke wesentlich größer als die des kathodischen Glimmlichts ist, proportional verlängert wird, so ergibt sich hieraus der - historisch ältere - Weg zur Verbesserung der in Lumen pro 1 Watt (Lm/W) zu messenden Lichtausbeute.

Er besteht in der Konstruktion möglichst langer Leuchtröhren, um hierdurch den prozentualen Anteil des Kathodenfalls, der wegen seiner minimalen Lichtausbeute als Verlustspannung zu bewerten ist, an der Gesamtspannung möglichst zu verkleinern.

Diese Methode wird gegenwärtig nur bei Leuchtröhren für Reklamezwecke verwendet, bei welcher (die Röhre kann in beliebigen Kurven geführt werden) die langgestreckte Form der Lichtquelle geradezu erwünscht ist und die Zusatzeinrichtungen zur Hochtransformierung der Netzspannung nicht, allzu lästig fallen. Umgekehrt kann man durch Annäherung der Elektroden die positive Säule vollkommen zum Verschwinden bringen und auf diese Art zum Typus der Glimmlampe gelangen, bei welcher nur das kathodische Glimmlicht benutzt und die Lichtausbeute daher eine sehr schlechte wird, die aber für gewisse Zwecke ausgezeichnet geeignet ist.
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Zu bequemeren Dimensionierungen bei gutem Nutzeffekt gelangt man durch die Verwendung beheizter Oxydkathden, durch welche die Herabsetzung des Kathodenfalls auf 10 bis 20V erreicht wird. Eine andere Erwägung, die zur Verbesserung der Lichtausbeute hinführt, ist physiologischer Natur. Wählt man das Füllgas der Entladungsrohre nach dem Gesichtspunkt aus, daß die Spektrallinien des abgestrahlten Lichts möglichst im Bereich der stärksten Augenempfindlichkeit liegen, dann erscheint die Ausbeute an nutzbarem Licht erheblich höher, als wenn dies nicht der Fall ist.

In dieser Beziehung gelangt man mit der Natriumdampflampe zu besonders günstigen Ergebnissen, deren Resonanzlinie bei etwa 5890 Ä liegt. Im Laboratorium kann man mit ihr erreichen, daß 90% der Stoßenergie in gelbes Licht umgewandelt wird, während die normale Glühlampe nur etwa 4 bis 5% der zugeführten Energie als Licht abstrahlt.

Bei der Natriumdampflampe wie bei allen anderen Metalldampflampen sind bei Zimmertemperatur infolge des niedrigen Dampfdruckes der Metalle nur sehr geringe Mengen als Dampfatome vorhanden, so daß keine Zündung eintreten kann.
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Man hilft sich durch den Trick, neben dem Metall ein Edelgas als Grundfüllung zu verwenden, wodurch bei Anlegung der Spannung das Edelgas zündet. Die Röhre erwärmt sich schnell, so daß bald genügend Metalldampfatome vorhanden sind und neben dem Edelgasspektrum das Metalldampfspektrum auftritt.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, liegen die Anregungs- und Ionisierungsspannungen der Edelgase höher als die der Metalldämpfe, wodurch sich erklärt, daß nach einiger Betriebsdauer praktisch nur noch das Metalldampfspektrum vorhanden ist.

Ganz ähnlich liegen die Verhältnisse bei Quecksilberdampflampen älterer Type, den sog. Niederdrucklampen, bei welchen der Gas- oder Dampfdruck um 0,1mm Quecksilbersäule zu liegen pflegt.

Man kann nun die in die Quecksilberdampflampe eingebrachte Quecksilbermenge beliebig dosieren und auf diese Art erreichen, daß bei (nach gewisser Betriebsdauer erreichter) vollständiger Verdampfung des Quecksilbers irgendein gewünschter Dampfdruck innerhalb des Entladungsgefäßes herrscht. Welche Abhängigkeit zwischen Dampfdruck und Lichtausbeute besteht, zeigt das Diagramm Abb. 3, aus welchem erkennbar ist, daß bei einem Dampfdruck von etwa 0,1mm ein Optimum erreicht wird, welches sich bei weiterer Erhöhung des Dampfdrucks bis etwa 5mm außerordentlich verschlechtert. Weitere beträchtliche Erhöhung des Dampfdruckes gestattet jedoch schließlich eine gewaltige Erhöhung der Lichtausbeute, von welcher die neueren Typen von Dampflampen Gebrauch machen.
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In ähnlicher Weise wird bei ihnen die Leuchtdichte gewaltig erhöht, wie aus dem Diagramm Abb. 4 erkennbar ist.
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Physikalische Ursachen hierfür bilden neben der Einschnürung der Entladung und der besseren Lichtausbeute die Zunahme des Gradienten. Die interessanteste Folge des Übergangs zu höheren Dampfdrücken ist jedoch die, daß sich vollkommen veränderte Bedingungen für die Anregung von Spektrallinien ergeben, indem hier stets die Atome mehrfach, neben der Resonanzlinie auch höhere Linien stark angeregt werden und das Spektrum so stark aufgefüllt wird, daß es vom Spektrum glühender fester Körper (also z. B. dem Spektrum des Kraters der Kohlenbogenlampe) um so weniger abweicht, je größer der Dampfdruck wird, - was dadurch erklärlich wird, daß die Atome fester Körper besonders eng zusammengepackt sind und so wenig Bewegungsfreiheit haben, daß durch Erhitzung stets eine mehrfache Anregung eintreten muß.

Die Schaffung von Quecksilberdampflampen möglichst hohen Dampfdruckes ist daher für die Beleuchtungstechnik von sehr großer Bedeutung, da monochromatische Strahler (wie z. B. die Natriumdampflampe) oder Strahler, bei denen gewisse Teile des sichtbaren Spektrums vollständig fehlen (wie z, B. Quecksilberdampflampen niedrigerer Drücke mit fehlender Rotstrahlung), nur in Sonderfällen (z. B. Automobilstraßenbeleuchtung) verwendbar sind, wo es auf Farbenunterscheidung nicht ankommt oder eine solche sogar unerwünscht ist.

Schließlich wird von den für die Zwecke der Kinotechnik verwendeten Lichtquellen auch noch vor allem verlangt, daß sie möglichst hohe Leuchtdichte bei möglichst geringer Größe besitzen, welchen Forderungen wieder nur solche Gasentladungslampen entsprechen können, die unter hohem Dampfdruck arbeiten.
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Bis vor ganz kurzer Zeit hielt die Entwicklung in dieser Richtung bei Quecksilberdampflampen von etwa Atmosphärendruck, die in etwas irreführender Weise als Hochdrucklampen bezeichnet wurden, während wir für diese Type die Bezeichnung Mitteldruck- oder Normaldrucklampen in Vorschlag bringen.

Es war durchaus zu erwarten, daß der Übergang zu wesentlich höheren Dampfdrücken einerseits gewaltige Erhöhungen der Leuchtdichte (man extrapoliere das Diagramm Abb. 4) und die Auffüllung des Spektrums bzw. das Auftreten zusätzlicher Rotstrahlung ergeben und damit die Quecksilberdampflampe für die erwähnten Zwecke brauchbar machen müsse, doch fehlten technische Lösungsmöglichkeiten.

Dem berühmten Physiker C. Bol gelang es, in den Laboratorien der Philips Gesellschaft in Eindhoven zu geradezu phantastischen Lösungen und Ergebnissen zu gelangen, wie eine in Berlin stattgefundene Vorführung bewies, über die im vorigen Heft berichtet wurde.

Die folgende Zusammenstellung zeigtzunächst charakteristische Zahlenwerte dieser neuen Höchstdruck-Dampflampen im Vergleich mit Niederdruck- und Mitteldrucklampen sowie auch im Vergleich mit der Glühlampe und Kohlenbogenlampe.

Die technischen Mittel, durch welche die Erzeugung derartiger Hochdrucklampen ermöglicht wurden, lassen sich in zwei Schlagworten kennzeichnen: sehr kleines Volumen des Entladungsgefäßes und Herstellung desselben aus Quarz.

Abb. 5 läßt die winzige Größe eines solchen Entladungsröhrchens bei der 600Watt-Type erkennen. Hierbei ist das aus gewöhnlichem Glas bestehende Umhüllungsrohr in der Abbildung fortgelassen. Die elektrische Entladung erscheint wie ein weißbläulich leuchtender Draht, der nur einen Teil des Innenquerschnitts der Lampe ausfüllt und eine Temperatur von etwa 8.000° C hat.

Im Gegensatz hierzu hat das den Entladungsfaden umgebende Dampfpolster nur eine Temperatur von einigen 100°C, so daß das Quarzröhrchen nicht erweicht wird. Bei den größten Typen wird eine Siphon-Wasserkühlung verwendet, die bei kleineren Typen nicht nötig ist. Besonders auffallend ist die ungeheure Leuchtdichte, welche die der normalen Kohlenbogenlampe um 50% übersteigt.

Im Laboratorium ist es sogar gelungen, Leuchtdichten von 45.000 Stilb, zu erreichen. Die Betrachtung der Entladungslampe durch ein Spektroskop und der Vergleich von Körperfarben bei Tageslicht und dem Licht der Hochdrucklampe ergaben nur geringe Unterschiede vom Tageslicht. Sie bestehen im wesentlichen darin, daß der Anteil an gelblichgrünem Licht etwas größer ist, was im Bedarfsfall durch schwache Filter kompensierbar wäre.

Es darf vermutet werden, daß die neuen Hochdrucklampen eine Revolutionierung der gesamten Beleuchtungstechnik und insbesondere eine vollständige Umstellung auf den Gebieten der Projektionsbeleuchtung und Atelierbeleuchtung bewirken werden.