EineQuecksilberdampflampe ist eineGasentladungslampe mit Quecksilberdampffüllung. Zusätzlich zumQuecksilber, welches aufgrund des bereits bei Raumtemperatur geringenDampfdruckes teilweise in gasförmiger Form vorliegt, enthält sie stets auch einEdelgas (meistArgon), um die Zündung zu erleichtern.
Das zugrundeliegende physikalische Prinzip wurde 1706 vom EngländerFrancis Hawkesbee demonstriert.Als Erfinder der Quecksilberdampflampe gilt der Berliner PhysikerLeo Arons, 1892. Teilweise war deshalb auch die BezeichnungAronssche Röhre in Verwendung.Die ersten kommerziell hergestellten Quecksilberdampfentladungslampen waren die von 1923 bis 1932 entwickelten und ab 1933 verkauften (Mitteldruck-)Quecksilberdampflampen. Seit 1934 sind auchHochdruck-Quecksilberdampflampen erhältlich. Die früheren Lampen erzeugten ein blaugrünes Licht, mittlerweile gibt es sie auch mit korrigiertem weißerem Licht. Dabei wird der im Quecksilberspektrum fehlende Rotanteil durch einenLeuchtstoff auf der Innenseite des Außenkolbens oder durch eineGlühwendel im Außenkolben erzeugt.[1]
Hochdruck-Quecksilberdampflampen müssen seit April 2015 bestimmteEnergieeffizienzklassen erreichen, andernfalls dürfen sie nicht mehr gehandelt werden.[2] Ein möglicher Ersatz, beispielsweise im Bereich der Straßenbeleuchtung, besteht im Einsatz vonHalogenmetalldampflampen oderLED-Lampen.
Die unterschiedlichen Bau- und Leistungsformen werden meist durch das LampenbezeichnungssystemILCOS charakterisiert und sind dort näher beschrieben.[3]
Niederdrucklampen haben geringe Innendrücke bis etwa 10 mbar. Ohne Leuchtstoff haben sie einen geringen sichtbaren Lichtanteil, jedoch einen hohen Anteil anUltraviolettstrahlung und eignen sich unter der BezeichnungQuarzlampe als Ultraviolett-Quelle, sie haben dafür einen Kolben ausQuarzglas. Man nutzt sie zur Löschung vonEPROMs und zuDesinfektionszwecken, 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 noch eine Emissionslinie bei 185 nm. Eine solche Lampe kann für die Reinigung und Modifikation von Oberflächen eingesetzt werden.[4]
Leuchtstofflampen sind ebenfalls Niederdrucklampen, sie tragen jedoch an der inneren Glasoberfläche einenfluoreszierendenLeuchtstoff. Sie dienen der Beleuchtung und haben im Vergleich zu Glühlampen eine höhere Lebensdauer undhöhere Lichtausbeuten (aber niedrigere als moderne LEDs). Außer bei Lampen fürSolarien ist UV-Austritt unerwünscht, weshalb spezielle Glassorten eingesetzt werden.
„Schwarzlichtlampen“ haben oft einen Filterglaskolben, der den verbleibenden sichtbaren Anteil absorbiert. Sie verwenden spezielle, im UV-A emittierende Leuchtstoffe und werden zur Untersuchung von Mineralien oder bei der Geldscheinprüfung verwendet, auch für „Discolicht“ sind sie üblich.
Leuchtröhren in derLichtwerbung sind – außer ebenfalls eingesetztenNeonröhren – Quecksilber-Niederdrucklampen mit Leuchtstoffen der entsprechenden Farbe. Es sind jedoch meistKaltkathodenröhren, d. h., sie haben keineGlühkathoden, sondern kalteElektroden, wodurch – bei verringertem Wirkungsgrad – die Lebensdauer sehr viel höher als bei Leuchtstofflampen ist. Die Hintergrundbeleuchtung vonLaptop-Displays und Flachbildschirmen erfolgte lange Zeit mit solchen Kaltkathodenröhren, diese wurden ab den 2010er Jahren zunehmend vonLED-Technik abgelöst.
Diese Bauart wird 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. 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. UV-C-Lampen mit einer Hauptemission bei 250 nm werden zur Desinfektion von z. B. Wasser oder Fischteichen eingesetzt.[5]
Wichtige Spektrallinien des Quecksilbers haben die Wellenlängen 313 nm (Nanometer), 365 nm (i-Linie), 405 nm (h-Linie), 436 nm (g-Linie), 546 nm (e-Linie) sowie 577 nm und 579 nm (orange Doppellinie). Da diese Werte genau bekannt sind, werden Quecksilberdampflampen gern für Unterrichtszwecke zur Demonstration desphotoelektrischen Effektes eingesetzt.
Mit Metallhalogeniden oderGallium undIndium dotierte Gasfüllungen sind erhältlich, sie ergänzen das Emissionsspektrum um UV-A und Blau, um die Absorption von UV-Strahlung kürzerer Wellenlänge durch Farbpigmente zu vermeiden. Die Anregung des Quecksilberplasmas erfolgt konventionell über Elektroden oder elektrodenlos mitMikrowellen. Kürzere Lampen als 0,5 m Länge werden mitDrosseln an 400 V betrieben, längere (bis 2,3 m) mit Resonanz-Streufeldtransformatoren.[6]
Diese Lampen haben einen Betriebsdruck bis etwa 1 MPa (entspricht 10 bar), den sie nach wenigen Minuten Erwärmung erreichen. Der Bogen schnürt sich auf 2 bis 3 mm ein und es tritt bereits eine geringfügigeDruckverbreiterung der Emissionslinien auf.
Quecksilberdampf-Hochdrucklampen werden häufig zur Straßen- und Industriebeleuchtung eingesetzt. Sie benötigen einVorschaltgerät, jedoch kein Zündgerät, da die Entladungsgefäße („Brenner“) eine Zündelektrode besitzen, die über einen kleinen eingebautenkaltleitenden Vorwiderstand gespeist wird (siehe Bild).
Die 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 schlechtenFarbwiedergabeindex. Man baut die ausKieselglas 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 verschiedenenFarbtemperaturen erhältlich, je nach Anwendungsbereich. Die FirmaSignify verkauft unter dem Namen „HPL 4 Pro“ Quecksilberdampf-Hochdrucklampen mit einem Farbwiedergabeindex von knapp unter 60 (Standard-Leuchtstofflampe in der Regel über 80, Glühlampe bis 100).
Merkmale verschiedener Quecksilberdampf-Hochdrucklampen:
Durch Zusätze anderer Elemente (weitere Metalle und Halogene) zum Quecksilber erhält manHalogen-Metalldampflampen mit noch besserer Farbwiedergabe.
InMischlichtlampen ist zusätzlich zum Quarz- oder Keramikbrenner eine Glühwendel untergebracht. 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 etwa 4000 Stunden begrenzt und die Effizienz mit 10 bis 25 lm/W geringer.
Mischlichtlampen gibt es in den Leistungsklassen 100, 160, 250 und 500 Watt. Ein Vorteil ist die sofortige (50-prozentige) Lichtabgabe. Nach wenigen Minuten ist der Farbton tageslichtähnlich.
Die 1905 konstruierte und 1911 in die allgemein Therapie eingeführte (künstliche)Höhensonne ausQuarzglas.[7] und dieKromayerlampe bestehen aus Quecksilberdampf-Hochdruckbrennern ohne evakuierten Schutzglaskolben, letztere ist wassergekühlt. Genutzt wurde deren kurzwelliger Strahlungsanteil zur Behandlung von Hautkrankheiten undVitamin-D-Mangel.
Höchstdrucklampen haben einen Betriebsdruck bis 10 MPa (100 bar), der sich erst langsam nach der Zündung aufbaut, wenn die Lampe ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Deshalb zeigt sie in den ersten Betriebssekunden einLinienspektrum, das allmählich wegenDruckverbreiterung in ein kräftigesKontinuum übergeht, wodurch die Farbwiedergabe erheblich verbessert wird; sie haben eine sehr hohe Leuchtdichte, werden aus dickemKieselglas ohne zusätzlichen Kolben gefertigt und dienen als intensiveUltraviolett-Quelle unter anderem in derFotolithografie (g-, h- und i-Linien-Lichtquellen). Ihr Umwandlungswirkungsgrad von elektrischer in Strahlungsenergie im Sichtbaren und Ultravioletten beträgt bis zu 60 %, der Rest wird als Wärme in Form von Strahlung als auch über Wärmeleitung der Elektroden abgegeben. Die häufig genutzten g-, h- und i-Linien erreichen fast 30 % elektro-optischen Wirkungsgrad bei Leistungen von typ. 50 W bis 12 kW.[8][9]
Diese Lampen haben massive Elektroden aus Wolfram, zum Teil sehr große Mengen an Quecksilber und meist Schraubklemmen als Anschlüsse. Die Betriebslage ist vorgeschrieben. Der Elektrodenabstand dieser Lampen beträgt nur wenige Millimeter und der hellste Punkt liegt direkt an der Kathode, sie werden daher auch als Kurzbogenlampen bezeichnet. Ein Einsatzgebiet sindVideoprojektoren („Beamer“) undRückprojektionsfernseher. Höchstdrucklampen werden neben Quecksilber auch mitXenon gefüllt angeboten (sieheXenon-Hochdrucklampe), sie dienen als Leuchtmittel inKraftfahrzeugscheinwerfern (Xenonlicht) und Kino-Projektoren.
Die Handhabung dieser Lampen ist gefährlich – zum Schutz vor Explosionen müssen bei der Handhabung, beim Einbau und beim Betrieb Schutzvorkehrungen getroffen werden. Zudem ist neben den elektrischen Sicherheitsvorkehrungen Schutz vor der harten Ultraviolettstrahlung sowie dem durch diese aus Luftsauerstoff erzeugtenOzon erforderlich. Die typische Lebensdauer liegt zwischen 2000 und 3000 Betriebsstunden.
DasEmissionsspektrum einer Quecksilberdampflampe ist ein Linienspektrum, dessen Spektrallinien vielfältige Anwendung in Wissenschaft und Technik finden. Im Folgenden werden die Wellenlängen intensiver Hauptlinien eines neutralen Quecksilberatoms zusammen mit Anwendungsbeispielen aufgeführt. Die exakte Lage (Nachkommastellen im Nanometerbereich) der Linien ist dabei auch abhängig vom Quecksilberisotop des emittierenden Atoms.[10] Damit hat das Isotopenverhältnis Einfluss auf mittlere Lage und die Bandbreite der Spektrallinien.
| Spektralbereich | Wellenlänge | alternativ | Anwendungen | |
|---|---|---|---|---|
| Ultra- violett | Fernes: UV-C | 0184,95 nm | ||
| 0248,3 nm | Hauptemissionslinie | |||
| 0253,65 nm | Hauptemissionslinie | |||
| 0280,4 nm | ||||
| Mittleres: UV-B | 0296,73 nm | Hauptemissionslinie | ||
| 0312,56 nm | ||||
| Nahes: UV-A | 0334,15 nm | Hauptemissionslinie | ||
| 0365,01 nm | i-Linie | Hauptemissionslinie, Fotolithografie | ||
| Sicht- bares Licht | violett | 0404,66 nm | h-Linie | Doppellinie |
| violett | 0407,78 nm | h-Linie | ||
| blau | 0435,83 nm | g-Linie | Hauptemissionslinie, Fotolithografie | |
| cyan | 0491,60 nm | |||
| grün | 0546,07 nm | e-Linie | ||
| orange | 0576,96 nm | orangefarb. Doppellinie 577/579 nm | Hauptemissionslinie | |
| orange | 0579,07 nm | |||
| rot | 0623,44 nm | |||
| Infra- rot | Nahes: IR-A | 1013,97 nm | t-Linie | |
| Nahes: IR-B | 1529,88 nm | |||
| 1970,09 nm | ||||
| 2325,4 nm | ||||
Die konventionelle Industrie- undStraßenbeleuchtung sowie Außenbeleuchtung von Gebäuden mit Metalldampf-, Halogen- und Leuchtstofflampen ergibt eine deutliche Aufhellung der Atmosphäre, die sich als „Lichtverschmutzung“ bemerkbar macht. Neben der Verschlechterung der Beobachtung des Nachthimmels in derAstronomie, wirkt diese auf Menschen, beispielsweise beim Schlafrhythmus. Betroffen sind vorrangig nachtaktiveInsekten, Vögel, Fledermäuse und Amphibien, besonders sind unter den InsektenNachtfalter betroffen. Deren Augen reagieren stark auf die UV-Strahlung von Hochdrucklampen. Gebäude- undStraßenlampen werden stundenlang umflogen, bis die Tiere ermatten oder entkräftet sterben. Für Deutschland bestehen Abschätzungen für jährlich etwa 180 Milliarden Insektenleichen. Diese fehlenden Tiere haben gravierende Folgen für dieNahrungskette anderer Tierarten.[13]
Neuere Entwicklungen bei Quecksilbermittel- und Quecksilberhochdrucklampen besitzen geringeres UV-Licht. Um das erkannte Umweltproblem zu lösen, reicht dies nicht aus. Mit dem zunehmenden Einsatz von geeigneten LED-Leuchten undNatriumdampflampen, die keine UV- und kaum IR-Anteile im Licht enthalten, könnte die beanstandete Wirkung auf Nachtfalter verringert werden.
Mit Stand 2010 gibt es Quecksilberdampflampen mit dem haushaltsüblichen E27-Sockel und 230-Volt-Anschluss in Ausführungen von 50 W, 80 W und 125 W bei einer Lichtausbeute von etwa 50 lm pro Watt für etwa 6 € im Handel. Mit dem E40-Sockel für 230-Volt-Anschluss gibt es Ausführungen in 250 W (ca. 9 €), 400 W (ca. 15 €), 700 W (ca. 45 €) und 1 kW (60 bis 70 €).
