Quecksilberdampflampe

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche
Quecksilberdampf-Hochdrucklampe, Ausführung mit leuchtstoffbeschichtetem äußerem Glaskolben, Leistung 1 kW

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.

Geschichte[Bearbeiten]

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 weißen Licht. Dabei wird der im Quecksilberspektrum fehlende Rotanteil durch einen Leuchtstoff auf der Innenseite des Außenkolbens oder durch eine Glühwendel im Außenkolben erzeugt.

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 oder LED-Lampen.

Arten und Anwendungen[Bearbeiten]

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

Niederdrucklampen[Bearbeiten]

Niederdrucklampen haben geringe Innendrücke bis etwa 10 mbar. Ohne Leuchtstoff haben sie einen geringen sichtbaren Lichtanteil, jedoch einen großen Anteil an Ultraviolettstrahlung und eignen sich unter der Bezeichnung Quarzlampe als Ultraviolett-Quelle, sie haben dafür einen Kolben aus Quarzglas. Man nutzt 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 noch eine Emissionslinie bei 185 nm. 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, 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 der Lichtwerbung sind – außer ebenfalls eingesetzten Neonröhren – 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. Die Hintergrundbeleuchtung von Laptop-Displays und Flachbildschirmen erfolgte lange Zeit mit solchen Kaltkathodenröhren, diese werden aber zunehmend durch LED-Technik ersetzt.

Mitteldrucklampen[Bearbeiten]

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. 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), 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 des photoelektrischen Effektes eingesetzt.

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[Bearbeiten]

Entladungsgefäß einer Quecksilberdampf-Hochdrucklampe (NARVA NF80, 80 Watt); Schutzglaskolben entfernt
Quecksilberdampf-Hochdrucklampe ohne Leuchtstoff zur Straßenbeleuchtung

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 geringfügige Druckverbreiterung der Emissionslinien auf.

Quecksilberdampf-Hochdrucklampen werden häufig zur Straßen- und Industriebeleuchtung eingesetzt. Sie benötigen ein Vorschaltgerät, jedoch kein Zündgerät, da die Entladungsgefäße („Brenner“) eine Zündelektrode besitzen, die über einen kleinen eingebauten kaltleitenden 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 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 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. neutralweißes 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 Halogen-Metalldampflampen mit noch besseren Farbwiedergabeeigenschaften.

Mischlichtlampe 160 W

Eine Sonderform der Quecksilberdampf-Hochdrucklampen stellen die sogenannten Mischlichtlampen dar, in denen zusätzlich zum Quarzbrenner oder Keramikbrenner 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 geringer.

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[Bearbeiten]

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 (g-Linien- und i-Linien-Lichtquellen).

Diese Lampen haben massive Elektroden aus Wolfram 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. Höchstdrucklampen werden neben Quecksilber auch mit Xenon gefüllt angeboten (siehe Xenon-Hochdrucklampe), sie dienen als Leuchtmittel in Kraftfahrzeug-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. Zudem ist Schutz vor der harten Ultraviolettstrahlung sowie dem durch diese aus Luftsauerstoff erzeugten Ozon erforderlich.

Emissionsspektrum[Bearbeiten]

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

Das Emissionsspektrum 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.[5] Damit hat das Isotopenverhältnis Einfluss auf mittlere Lage und die Bandbreite der Spektrallinien.

Hauptlinien einer Quecksilberdampflampe[5]
Spektralbereich Wellenlänge Alternative Bezeichnung Bemerkungen Anwendungsbeispiele
UV-Strahlung (UV-C) 184,95 nm
UV-Strahlung (UV-C) 253,65 nm
UV-Strahlung (UV-B) 296,73 nm
UV-Strahlung (UV-B) 313,2 nm
UV-Strahlung (UV-A) 334,1 nm
UV-Strahlung (UV-A) 365,16 nm i-Linie Fotolithografie
sichtbares Licht 404,66 nm h-Linie violett
sichtbares Licht 435,83 nm g-Linie blau Fotolithografie
sichtbares Licht 491,60 nm
sichtbares Licht 546,07 nm e-Linie grün
sichtbares Licht 576,96 nm gelbe Doppellinie mit 577 nm
sichtbares Licht 579,07 nm gelbe Doppellinie mit 579 nm
sichtbares Licht 614,95 nm
nahes Infrarot (IR-A) 1013,97 nm

Problem der Lichtverschmutzung[Bearbeiten]

Die konventionelle Industrie- und Straßenbeleuchtung sowie Außenbeleuchtung von Gebäuden mittels Metalldampf-, Halogen- und Leuchtstofflampen bringt – neben einer deutlichen Aufhellung der Atmosphäre („Lichtverschmutzung“) – nicht nur Probleme für die Astronomie, sondern auch für Menschen (beispielsweise beim Schlafrythmus). Weiterhin betroffen sind nachtaktive Insekten, Vögel, Fledermäuse, nachtaktive Amphibien. Unter den Insekten sind vor allem 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 180 Milliarden Insektenleichen, was auch gravierende Folgen für die Nahrungskette anderer Tierarten hat.[6]

Neuere Entwicklungen bei Quecksilbermittel- und Quecksilberhochdrucklampen haben zwar geringere UV-Anteile im Licht, dennoch reicht die für die Lösung des Umweltproblems nicht aus. Eine Lösung dieses Problems ist durch den Einsatz von geeigneten LED-Leuchten, die keine UV- und IR-Anteile im Licht enthalten, möglich. Sie ziehen keine Insekten an und beheben das Problem der mit Spinnennetzen und Insekten verschmutzten Leuchten fast vollständig. Im Übrigen wird der Reinigungs- und Wartungsintervall wesentlich verlängert. Derartige LED-Leuchten reduzieren durch ihr (physikalisch bedingt) gerichtetes Licht zudem die Lichtverschmutzung drastisch und sind konform zu den Forderungen der International Dark Sky Compliance.[7]

Kosten[Bearbeiten]

Es gibt Quecksilberdampflampen mit Sockel E27 (haushaltsüblich) für 230-Volt-Anschluss in Ausführungen von 50, 80 und 125 Watt bei einer Lichtausbeute von etwa 50 Lumen pro Watt für etwa sechs Euro im Handel zu kaufen. Mit 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[Bearbeiten]

  • Hans R. Ris: Beleuchtungstechnik für den Praktiker. Grundlagen – Lampen – Leuchten – Planung – Messung. 2., erweiterte Auflage. VDE-Verlags GmbH, Berlin u. a. 1997, ISBN 3-8007-2163-5.
  • Günter Springer: Fachkunde Elektrotechnik (= Europa-Lehrmittel 30318). 18., völlig neubearbeitete und erweiterte Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Quecksilberdampflampe – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien
 Wiktionary: Quecksilberdampflampe – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Antworten auf häufig gestellte Fragen zum Thema „Licht”, Deutsches Umweltbundesamt, abgefragt am 16. Oktober 2010
  2. Beispiele finden sich im Fachbericht zur IEC 1231 des ZVEI
  3. Crystec Technology Trading GmbH: Oberflächenreinigung durch UV-Licht. Abgerufen am 31. Januar 2011.
  4. Oliver Starzmann: Anlagentechnik bei der UV-Härtung (Version vom 28. September 2007 im Internet Archive)
  5. a b David R. Lide (Ed.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 90th Edition (Internet Version: 2010), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL, Line spectra of the elements, S. 10-46.
  6. Buch-Zusammenfassung von Thomas Posch et al.: Das Ende der Nacht. Probleme der Lichtverschmutzung. Wiley, 2009.
  7. http://www.darksky.org