Funktion von Quecksilberdampfhochdrucklampen

Quecksilberdampfhochdrucklampen gehören wie die Leuchtstofflampen und Halogenmetalldampflampen zu den Plasmalichtquellen.

Sie bestehen aus einem Entladungsgefäß (“Birne”) aus Kiselglas und den die beiden Wolframstiftelektroden angeschlossen sind. Dieses ist zur thermischen Abschirmung meist in einen evakuierten Glaskolben eingebaut.

Der Glaskolben filtert kurzwellige UV-Strahlung, und ist oft zusätzlich meist mit einem Leuchtstoff beschichtet, der wie bei der Leuchtstoffröhre einen großen Teil des UV-Lichts durch Flouroszenz oder Phosphorezenz in sichtbares Licht umwandelt. So entstehen zusätzlich ein großer Anteil blaues Licht, aber auch der rot-gelbe-Bereich wird aufgefüllt. Das Licht erscheint insgesamt “weißer” und hat einen besseren Farbwiedergabewert.

Quecksilberdampfhochdrucklampe (OSRAM, 80W) ohne und mit Leuchtstoffbeschichtung. Bilder: I.N. Galidakis

Das Entladungsgefäß wird vakuumisiert und mit etwa 10^-9 bar Argon (Puffergas) und mit einigen Milligramm Quecksilber gefüllt.

Das Argongas im Inneren der Lampe wird durch Energiezufuhr in den Plasamzustand überführt, und wird elektrisch leitend. Nach und nach verdampft das Quecksilber durch die steigende Temperatur. Die Elektronen (elektrischer Strom) stoßen auf ihrem Weg durch das Plasma auf die Quecksilberatome und “heben” sie so auf ein höheres Energieniveau. Beim “Zurückfallen” wird diese Energiedifferenz in Forum von Licht wieder abgegeben.

Jedes Atom hat nur bestimmte Energieniveaus, und kann daher nur wenige verschiedene Wellenlängen (Lichtfarben) aussenden. Aufgrund des höheren Quecksilberdampfdruckes wird in diesen Lampen nicht hauptsächlich UVC Strahlung erzeugt, sondern es finden auch sehr stark höhere Anregungen statt. Das Spektrum ist im sichtbaren Bereich aus den Wellenlängen 578nm (gelb), 546nm (grün), 436nm (blau), 405nm (violett) zusammengesetzt.

Im Betrieb erreicht die Lampe eine Temperatur von etwa 1600 °C, der Druck des Quecksilbergases beträgt etwa 7 bis 10 bar. Durch diesen hohen Druck sind die einzelnen Spektrallinien etwas aufgeweitet und nicht so eng wie bei z.B. Leuchtstoffröhren.

Quecksilberdampfhochdrucklampen sind dennoch meist mit einer Leuchtstoffschicht am äußeren Glaskolben ausgestattet. Meist wird Yttriumvanadat verwendet.

Das Quecksilberspektrum ist durch die verschiedenen Energienivaues des Quecksilberatoms festgelegt. In Lampen kommt Quecksilber in erster Linie als atomares Quecksilber (HG I) vor, weniger in seiner einfach ionisierten Form (Hg II).

Quecksilber hat die Ordnungszahl 80, d.h. 80 Elektronen, und befindet sich in der 6ten Periode. Die Orbitale der ersten fünf Perioden sind daher mit 54 Elektronen voll gefüllt (1s / 2s,2p / 3s,3p / 4s,3d,4p / 5s,4d,5p) und die wesentliche Physik spielt sich in den Orbitalen der sechsten Periode ab, die im Grundzustand mit 14 Elektronen im 4f Orbital, 10 Elektronen im 5d Orbital und 2 Elektronen im 6s Orbital gefüllt sind. Insbesondere die Elektronen des 6s und des 5d Orbitals werden leicht in höhere Niveaus angehoben.

Traditionell beschreibt man in der Spektroskopie die Energieniveaus durch Quantenzahlen.

• n: Elektronenschale, K-Schale (n=1), L-Schale (n=2), M-Schale (n=3)
• l: Bahndrehimpus, ist direkt mit dem Orbital verbunden: s-Orbital (l=0), p-Orbital (l=1), d-Orbital (l=2), f-Orbital (l=3)
• m: Richtungsquantenzahl, kann als Suborbital aufgefasst werden, wobei jedes Suborbital zwei Elektronen mit entgegengesetzten Spins aufnehmen kann

Die einzelnen Elektronen koppeln über ihren Bahn- und Spindrehimpuls zu den Gesamtdrehimpulsen L (Bahn-Bahn), S (Spin-Spin) und J (Spin-Bahn). Die Gesamt-Spinquantenzahl S und die Gesamt-Drehimpulsquantezahl J werden als Zahl geschrieben. Die Gesamt-Bahndrehimpulsquantenzahl L wird wie der Bahndrehimpuls als Buchstabe geschrieben (S ≅ L=0, P ≅ L=1, D ≅ L=2, F ≅ L=3). Die Quantenmechanik verlangt bei Übergängen der Elektronen eines Quecksilberatoms von einer Konfiguration zu einer anderen bestimmte Übergangsregeln, die sich auf die jeweiligen Gesamtdrehimpulse des Atoms zurückführen lassen. Daher werden in der Spektroskopie in der Regel die Energieniveaus nur durch ein Termsymbol bezeichnet: ^2S+1L_J. Die Auswahlregeln für die Übergänge lauten

• |ΔL| = 1
  d.h. im unteren Termschema sind nur Übergänge S↔P, P↔D erlaubt
• ΔS = 0
  d.h. im unteren Termschema sind nur Übergänge ¹X↔¹X und ³X↔³X erlaubt
• |ΔJ| = 0,1; Übergang 0 → 0 verboten
  d.h. im unteren Termschema sind Übergänge X₁↔X₀, X₁↔X₂, X₂↔X₃, X₁↔X₁, X₂↔X₂, X₃↔X₃ erlaubt, nicht aber X₀↔X₀ oder X₂↔X₀

Trägt man einige der ersten Energieniveaus von atomarem Quecksilber¹⁾ auf und sucht erlaubte Übergänge heraus²⁾ so findet man einige der Linien im UV, blau und grünen Spektralbereich. Die Hauptemissionslinien sind 253.7nm; 296.7nm; 312.6nm; 334.1nm³⁾; 365.0/366.3nm; 404.7/407.8nm; 435.8nm; 546.1nm; 577.0/579.0nm

Fasst man alle starken Linien⁴⁾ des atomaren und des einfach ionisierten Quecksilbers zusammen, erhält man folgendes Spektrum

In einer Lampe beeinflusst der Druck des Quecksilberdampfes, welche Linien mit welcher Intensität zur Strahlung beitragen. Ab einem Druck von einigen Atmosphären beginnen sich die Linien durch gegenseitige Stöße der Quecksilberatome zusätzlich zu verbreitern Link zu einer Webseite mit Bildern

Im Moment der Zündung liegt zunächst ein Quecksilberniederdruckplasma vor, bis alles Quecksilber verdampft ist, und sich das Entladungsgefäß aufgeheizt. Um hier die Zündung zu erleichtern, und zu Verhindern, dass die Elektronen nur mit dem Rand des Entladungsgefäßes kollidieren, ist wie bei der Leuchtstoffröhre in neutrales Füllgas eingebracht. Fast immer wird hierzu Argon verwendet. Im eigentlichen Betrieb bei vollem Druck hat das Füllgas aber im Gegensatz zur Leuchtstoffröhre keine Nutzen mehr, da der Druck des Quecksilbers ausreichend ist.

Quecksilberdampfhochdrucklampen haben zur Zündung eine Zündelektrode neben einer der beiden Hauptelektrode in die Lampe integriert. Dieser Zündelektrode ist mit der anderen Hauptelektrode über einen hochohmigen Widerstand verbunden. Bei Zünden bildet sich zwischen diesen beiden Elektroden die Glimmentladung aus.

Als Vorschaltgerät ist bei Quecksilberdampfhochdrucklampen daher nur eine Drosselspule nötig, die den Strom im Betrieb begrenzt.

Bildfolge Zündung einer Quecksilberdampfhochdrucklampe (OSRAM 80W)
Zeitpunkt der Bilder: 0:03 – 0:07 – 0:15 – 0:35 – 1:00 Minuten
Bilder mit freundlicher Genehmigung von I.N. Galidakis übernommen

Mischlichtstrahler bestehn aus einer Kombination einer Quecksilberdampfhochdrucklampe mit einer Glühlampe.

Die Lichterzeugung der beiden Einzelkomponenten wird von dieser Kombination nicht beeinträchtigt. Lediglich die Schaltung ist eine Neuerung. Quecksilberdampfhochdrucklampen benötigen kein kompliziertes Vorschaltgerät. Die Spule dient lediglich dazu die Stromstärke im Betrieb zu begrenzen, ein Zündgerät ist nicht nötgi. Hier kann statt der Spule mit induktivem Widerstand auch ein einfacher Draht (ohmscher Widerstand) verwendet werden. Wird dieser Draht gleichzeitig als Lichtquelle verwendet ist der Leistungsverlust am ohmschen Widerstand zumindest teilweise genutzt.

Hierbei muss darauf geachtet werden, dass beim Starten der Lampe die Hauptlast am Wolframdraht liegt, diese aber im Betrieb erheblich sinkt. Die anliegenden Spannungen sind daher ein Kompromiss zwischen nur geringfügiger Verkürzung der Lebensdauer des Wolframdrahtes und gleichzeitig gute Lichtausbeute im Betrieb. Bei der Osram Ultravitalux mit 300W Leistungsaufnahme fällt 225W auf den Glühdraht und 75W auf die Quecksilberdampfhochdrucklampe.