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Die
Erfindung betrifft eine Blitzlichtlampe, in welche Edelgas wie Xenon
(Xe), Krypton (Kr) und dergleichen für eine Emission eingefüllt ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Blitzlichtlampe mit hoher
Strahlungsdichte, welche für
eine Sterilisation, eine Aushärtung
eines lichtempfindlichen Harzes durch UV-Strahlung oder sichtbare
Strahlung und zu ähnlichen
Zwecken vorteilhaft verwendet wird.
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In
letzter Zeit wird eine Sterilisationsmethode unter Verwendung einer
Blitzlichtlampe eingesetzt, weil eine Blitzlichtlampe den Vorteil
hat, dass man durch zwei Mechanismen, nämlich einen fotochemischen
Mechanismus, welcher sich der Sterilisation durch UV-B- und UV-C-Strahlung
bedient, und einen fotothermodynamischen Mechanismus, der sich der Wärmeerzeugung
bedient, einen Sterilisationseffekt erhalten kann. Eine Blitzlichtlampe
zu Sterilisationszwecken ist beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift
JP-A-2001-185088 beschrieben.
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Um
den Sterilisationseffekt durch den fotochemischen Mechanismus zu
erhöhen,
ist es jedoch erforderlich, dass die Strahlung in dem Bereich mit Wellenlängen von
200 nm bis 300 nm eine große Strahlungsintensität aufweist.
Bei einer Blitzlichtlampe, welche für eine Sterilisation verwendet
wird, sollen deshalb, um die Eingangsleistung zu erhöhen, die Blitzlicht-Impulsbreite
kleiner und zugleich die Stromdichte größer gemacht werden als bei
einer gewöhnlichen
Blitzlichtlampe für
eine optische Erwärmung, die
beispielsweise für
eine Fixierung eines Toners bei einem Drucker und zu ähnlichen
Zwecken verwendet wird.
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Andererseits
wird bei einer Blitzlichtlampe UV-Licht mit einem Wellenlängenbereich
von 300 nm bis 500 nm für
eine Aushärtung
eines lichtempfindlichen Harzes verwendet. Konkret wird die Blitzlichtlampe
beispielsweise für
eine Aushärtung
eines Klebeharzes zum Zweck des Klebens von Scheibenelementen bei
der Herstellung von digitalen Mehrzweckscheiben (DVDs) vorteilhaft
verwendet. Im Fall einer derartigen Aushärtung eines lichtempfindlichen
Harzes wird Strahlung mit einer großen Strahlungsintensität in einem
Wellenlängenbereich
von 300 bis 500 nm oder weniger von einer Blitzlichtlampe erhalten, die
mit einer großen
Stromdichte betrieben wird.
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Eine
solche Blitzlichtlampe wird außer
für derartige
Sterilisationen und derartige Aushärtungen eines Harzes auch auf
anderen Gebieten verwendet.
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Bei
einer Blitzlichtlampe, welche eine derartige Strahlung mit einer
großen
Strahlungsintensität emittiert,
sind jedoch folgende Nachteile immer häufiger entstanden:
- – Da
die Emission in einem Zustand mit einer großen Stromdichte erfolgt, wird
ein Hochtemperaturzustand hervorgerufen. Dadurch tritt frühzeitig eine
Verschlechterung der Elektroden auf.
- – Das
Entladungsgefäß unterliegt
einer enormen Wärmebelastung.
Dadurch wird eine frühzeitige Verschlechterung
des Entladungsgefäßes hervorgerufen.
- – Eine
derartige frühzeitige
Verschlechterung des Entladungsgefäßes ruft selbstverständlich eine Dämpfung des
Strahlungslichtes der Blitzlichtlampe hervor und kann in schlimmen
Fällen
zu einer Zerstörung
des Entladungsgefäßes führen.
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Wie
man eine Blitzlichtlampe mit einer großen Stromdichte angeben kann,
bei welcher weder eine frühzeitige
Verschlechterung des Entladungsgefäßes noch dessen Zerstörung oder Ähnliches
auftritt, und wie eine optimale Anordnung einer derartigen Lampe
aussieht, wurde jedoch nie ausreichend überprüft.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Blitzlichtlampe mit einer
großen
Strahlungsintensität
anzugeben, welche eine Anordnung aufweist, bei welcher eine lange
Lebensdauer erzielt werden kann.
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Als
Folge einer Überprüfung, wie
man eine Lampe mit einer großen
Strahlungsintensität
erzielen kann, wurden die folgenden neuen Erkenntnisse, die vorher
nicht bekannt waren, erhalten:
- – Man kann
durch eine Vergrößerung der
Stromdichte die Temperatur erhöhen.
- – Durch
Erreichen einer hohen Temperatur wird die thermische Ionisation
des Edelgases für
die Emission beschleunigt, wodurch eine große Menge Edelgasionen gebildet
werden.
- – Durch
eine gegenseitige Wechselwirkung dieser Ionen mit Elektronen entsteht
eine kontinuierliche Strahlung (Emissionsspektrum) mit einer großen Intensität.
- – Zusätzlich werden
diese Edelgasionen durch eine thermische Anregung angeregt.
- – Als
Folge davon wird von den angeregten Edelgasionen eine Ionenemissions-Strahlung
in Form starker, heller Linien erhalten, wodurch der Wirkungsgrad
der Umwandlung in die Strahlung erhöht wird.
- – Man
kann infolgedessen eine Lampe mit einer großen Strahlungsintensität erhalten.
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Aufgrund
dieser Erkenntnisse wurden Lampenanordnungen untersucht, welche
hierfür
optimal sind.
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Eine
Erhöhung
der Stromdichte ist zwar durch eine Verkleinerung der Anordnung
der gesamten Blitzlichtlampe theoretisch möglich. Es wurde jedoch ersichtlich,
dass man dann auch die Elektroden verkleinern muss, dass die Temperatur
hoch wird, dass ein Sputtering aus den Elektroden erfolgt und dass
die Elektroden frühzeitig
abgenutzt werden. Dies trat insbesondere bei der Kathode, mit welcher die
Ionen zusammenstoßen,
deutlicher hervor.
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Zur
Erhöhung
der Stromdichte wurde daher Folgendes durchgeführt und als Folge davon ermöglicht,
eine Strahlung mit einer großen
Strahlungsintensität
zu erhalten:
- – Der Innendurchmesser eines
Bereiches, in welchem die Entladung erfolgt, des Entladungsgefäßes wurde
verkleinert, und es wurde ein schmaler Bereich gebildet.
- – Durch
ein Zusammenziehen der Entladung in einem engen Bereich wurde die
Stromdichte vergrößert, wodurch
man die Temperatur des Entladungsbereiches erhöht, das Entladungsgas durch eine
thermische Ionisation ionisiert und durch eine thermische Anregung
einen hohen Anregungszustand hergestellt.
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Da
bei den Elektroden die Elektrodentemperatur bei einer kleinen Elektrode
zu hoch wird und dadurch die Elektrodenabnutzung in großem Maß auftritt,
wurde eine gewisse Größe der Elektroden
und des Entladungsgefäßes, welches
die Elektroden umschließt,
sichergestellt.
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Als
Folge davon wurde ersichtlich, dass es zweckmäßig ist, wenn das Entladungsgefäß die folgende
Form aufweist:
- – Die Mitte weist einen kleinen
Innendurchmesser auf.
- – Die
beiden Enden, insbesondere das der Kathodenseite, weisen einen größeren Innendurchmesser
als die Mitte auf.
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Die
Erfindung wird anhand eines Begriffs "Innendurchmesser" beschrieben. Der Grund für die Verwendung
eines derartigen Ausdrucks liegt darin, dass das Entladungsgefäß im Allgemeinen
unter Verwendung eines runden Rohrs mit einem kreisförmigen Querschnitt
hergestellt wird. Im Fall eines Entladungsgefäßes mit einer speziellen Form,
bei welcher kein rundes Rohr verwendet wird, bei welcher also der
Querschnitt nicht kreisförmig
ist, ist es selbstverständlich,
dass die Größe der Querschnittsfläche des Raums
im Entladungsgefäß in Frage
steht. Hierbei bedeuten ein kleiner Innendurchmesser eine kleine Querschnittfläche und
ein großer
Innendurchmesser eine große
Querschnittsfläche.
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Durch
die Verkleinerung des Innendurchmessers des Entladungsgefäßes in dem
Bereich, in welchem die Entladung erfolgt, und durch die Bildung des
Teils mit einem kleinen Durchmesser wird die Stromdichte erhöht. Dadurch
entsteht die Möglichkeit,
dass das Entladungsgefäß nah an
das Entladungsplasma angrenzt, dass die Wärmebelastung des Gefäßes sich
erhöht
und dass die Nachteile eines milchigen Eintrübens sowie einer Zerstörung des Gefäßes und
dergleichen auftreten. Die Berücksichtigung
derartiger Nachteile macht es erforderlich, auf der Innenseite des
Teils des Entladungsgefäßes mit einem
kleinen Durchmesser ein wärmebeständiges Bauteil
anzuordnen.
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Es
wurde nämlich
folgendes herausgefunden:
Durch eine Anordnung des Paares Elektroden
im Entladungsgefäß, durch
Ausbildung eines Teils des Entladungsgefäßes zwischen den Elektroden
mit einem kleineren Durchmesser als der Innendurchmes ser in dem
Bereich des Entladungsgefäßes, in
dem die Kathode angeordnet ist, und durch Bildung einer Fläche, welche
mit dem Einfüllgas
im Teil mit einem kleinen Durchmesser in Kontakt ist, aus einem
wärmebeständigen Material
wird in einem Wellenlängenbereich
von 200 nm bis 1000 nm eine große
Menge Strahlung erhalten.
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Zur Überprüfung, in
welchem Bereich der Stromdichte man eine Strahlung mit einer großen Strahlungsintensität erhalten
kann, wurde ein Versuch durchgeführt,
bei welchem eine Blitzlichtlampe, in welche Xenongas eingefüllt ist,
bei derselben Einschaltleistung und durch Erhöhung der Stromdichte auf 2110
A/cm2, 2830 A/cm2,
3390 A/cm2 oder dergleichen, betrieben wurde.
In 7, 8 und 9 ist die
spektrale Verteilung der Strahlung dabei gezeigt. In diesen Zeichnungen
stellt die Abszissenachse die Wellenlänge der Strahlung in der Einheit
nm und die Ordinatenachse die relative Strahlungsintensität auf eine
dimensionslose Weise dar. Dadurch wird die spektrale Verteilung
der Strahlung gezeigt. Aus diesen Zeichnungen ist ersichtlich, dass
um 200 nm bis 300 nm sowie 400 nm bis 600 nm eine Strahlung mit
einer großen
Strahlungsintensität
erhalten wurde. Es wurde herausgefunden, dass bei der Erfindung
der Wert der Stromdichte bei größer/gleich 2110
A/cm2 liegen muss.
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Wenn
hierbei der Druck von Xenongas bei Raumtemperatur bei kleiner 1.3 × 103 Pa liegt, beginnt an den Elektroden das
Sputteringphänomen aufzutreten,
wodurch eine frühzeitige
Abnutzung der Elektroden auftritt. Dieser Druck des Xenongases ist also
für eine
Vorrichtung nicht realistisch. Wenn ferner der Gasdruck bei Raumtemperatur
bei größer 1.6 × 105 Pa liegt, wird die Triggerspannung beim
Starten hoch, wodurch der Betrieb schwierig und eine Betriebsschaltung
benötigt
wird, welche eine spezielle elektrische Isolation aufweist, um dieser
Hochspannung standzuhalten. Dieser Gasdruck ist also für eine Vorrichtung
nicht realistisch. Es ist deshalb erforderlich, dass der Einfülldruck
des Xenongases bei Raumtemperatur bei 1.3 × 103 Pa
bis 1.6 × 105 Pa liegt.
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Wenn
die Halbwertsbreite des Stroms bei kleiner 150 μs liegt, wird die Strombreite
zu gering, und man kann keine große Leistung einbringen. Um eine
große
Leistung einzubringen, ist es erforderlich, den Spitzenstrom zu
erhöhen.
Wenn man den Spitzenstrom erhöht,
beginnt jedoch an den Elektroden das Sputtering-Phänomen, wodurch
der Nachteil einer Verringerung des Strahlungsdurchlassgrades des
Entladungsgefäßes auftritt.
Wenn die Halbwertsbreite des Stroms bei größer 2 ms liegt, ist es erforderlich,
eine Kondensatorkapazität
sicherzustellen, welche ausreicht, einen dementsprechenden großen Strom
zum Fließen
zu bringen. Das verursacht eine Kostenerhöhung. Diese Maßnahme ist
also nicht realistisch. Man muss deshalb den Betrieb mit einer Halbwertsbreite
des Stroms von 150 μs
bis 2 ms durchführen.
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Aus
dem vorstehend beschriebenen Sachverhalt wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einer Blitzlichtlampe
dadurch gelöst,
dass innerhalb eines Entladungsgefäßes ein Paar Elektroden angeordnet ist,
dass man im Entladungsgefäß zwischen
den Elektroden einen Teil mit einem kleineren Durchmesser als der
Innendurchmesser des Entladungsgefäßes in einem mit der Kathode
versehenen Bereich bildet, dass eine Fläche des Teils mit einem kleinen Durchmesser,
welche mit dem Einfüllgas
in Kontakt ist, aus einem wärmebeständigen Material
besteht, dass man als Edelgas nur Xenongas oder ein Mischgas, des sen
Hauptbestandteil Xenongas ist, bei Raumtemperatur mit einem Druck
von 1.3 × 103 Pa bis 1.6 × 105 Pa
einfüllt
und dass man mit einer Halbwertsbreite des Stroms von 150 μs bis 2 ms
und einer Stromdichte in diesem Teil mit einem kleinen Durchmesser
von größer/gleich
2110 A/cm2 die Lampe betreibt.
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Nachfolgend
wird der Fall, in welchem das Einfüllgas Kryptongas ist, beschrieben.
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Die
Bildung des Teils mit einem kleinen Durchmesser im Entladungsgefäß zwischen
den Elektroden, die Erhöhung
der Stromdichte sowie die Sicherstellung einer gewissen Größe der Elektroden und
des die Elektroden umschließenden
Entladungsgefäßes sind
im Fall, dass das Edelgas Krypton ist – genau wie im Fall, dass das
Gas Xenon ist – ebenfalls
gefordert. Es ist deshalb zweckmäßig, dass
das Entladungsgefäß die folgende
Form aufweist:
- – Die Mitte weist einen kleinen
Innendurchmesser auf.
- – Die
beiden Enden, insbesondere das der Kathodenseite, weisen einen größeren Innendurchmesser
auf als die Mitte.
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Da
sowohl Xenon als auch Krypton Edelgase sind und da die Formen der
Verteilung der Emission, welche bei der Entladung ausgestrahlt wird, ähnlich sind,
wurde der Wert der unteren Grenze der Stromdichte, welche dafür benötigt wird,
um bei einer Blitzlichtlampe, in welche Kryptongas eingefüllt ist,
eine Strahlung mit einer großen
Strahlungsintensität
zu erhalten, aufgrund des Wertes der Stromdichte von 2110 A/cm2 im Fall einer Blitzlichtlampe, in die Xenongas
eingefüllt
ist, ermittelt. Konkret wurde unter Anwendung des Vergleichsausdrucks,
dass die der Blitzlichtlampe zugeführte Energie und die von der Lampe
ausgestrahlte Energie balanciert sind, der Formel der thermischen
Ionisation nach Saha zur Ermittlung der Elektronendichte, der Formel
zur Ermittlung der Temperatur aufgrund des Emissionsvermögens der
Blitzlichtlampe, in welche Krypton eingefüllt ist, und dergleichen, aufgrund
des Wertes der Stromdichte der Blitzlichtlampe, in welche Xenon
eingefüllt ist,
in einem Zustand, in welchem der Ioneneffekt anfängt, und aufgrund der spektralen
Verteilung zu diesem Zeitpunkt der Wert der unteren Grenze der Stromdichte
bei der Blitzlichtlampe ermittelt, in die Krypton eingefüllt ist.
Daraus wurde ersichtlich, dass zum Erhalt einer Strahlung mit hoher
Strahlungsdichte bei einer Blitzlichtlampe, in welche Kryptongas
eingefüllt
ist, eine Stromdichte von größer/gleich
2930 A/cm2 im Teil mit einem kleinen Durchmesser
erforderlich ist.
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Aus
demselben Grund wie bei Xenongas muss der Einfülldruck des Kryptongases bei
Raumtemperatur bei 7 × 102 Pa bis 1.3 × 105 Pa
liegen. Ferner muss die Halbwertsbreite des Stroms ebenfalls bei
150 μs bis
2 ms liegen.
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Aus
dem vorstehend beschriebenen Sachverhalt wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einer Blitzlichtlampe
dadurch gelöst,
dass innerhalb eines Entladungsgefäßes ein Paar Elektroden angeordnet ist,
dass man im Entladungsgefäß zwischen
den Elektroden einen Teil mit einem kleineren Durchmesser als der
Innendurchmesser des Entladungsgefäßes in einem mit der Kathode
versehenen Bereich bildet, dass eine Fläche dieses Teils mit einem
kleinen Durchmesser, welche mit dem Einfüllgas in Kontakt ist, aus einem
wärmebeständigen Material
besteht, dass man als Gas nur Kryptongas oder ein Mischgas, dessen
Hauptbestandteil Kryptongas ist, bei Raumtemperatur mit einem Druck
von 7 × 102 Pa bis 1.3 × 105 Pa
einfüllt
und dass man mit einer Halbwertsbreite des Stroms von 150 μs bis 2 ms
und einer Stromdichte in diesem Teil mit einem kleinen Durchmesser
von größer/gleich
2930 A/cm2 die Lampe betreibt.
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Als
wärmebeständiges Material,
mit welchem die Innenseite des Teils mit einem kleinen Durchmesser
versehen ist, ist Keramik vorteilhaft. Wenn aus diesem Material
mit einer Wärmebeständigkeit
ein Strahlungsaustrittfenster gebildet und eine Lichtdurchlässigkeit
gefordert wird, ist es vorteilhafter, lichtdurchlässiges Aluminiumoxid,
nicht lichtdurchlässiges
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, YAG oder Aluminiumnitrid
zu benutzen.
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Aus
dem vorstehend beschriebenen Sachverhalt wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einer Blitzlichtlampe
dadurch gelöst,
dass das vorstehend beschriebene wärmebeständige Material Keramik, unter
anderem lichtdurchlässiges
Aluminiumoxid, nicht lichtdurchlässiges
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, YAG oder Aluminiumnitrid,
ist.
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Durch
die Anordnung eines Fensters oder eines Strahlungsaustritts-Bauteils
aus einem Lichtleiter auf der Röhrenachse
des Entladungsgefäßes wird ermöglicht,
dass eine zusammengezogene Strahlung mit nur geringer Verbreiterung
austritt.
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Die
Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß bei einer Blitzlichtlampe
dadurch gelöst,
dass zumindest eine der Elektroden an einer Stelle angeordnet ist,
welche von der Röhrenachse
des Entladungsgefäßes entfernt
ist, und dass auf der Röhrenachse
des Entladungsgefäßes ein
Strahlungsaustritts-Bauteil angeordnet
ist.
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Bevorzugt
ist die Elektrode, welche an der Stelle angeordnet ist, die von
der Röhrenachse
entfernt ist, eine Anode, und das Strahlungsaustritts-Bauteil wird
auf der Anodenseite des Entladungsgefäßes auf der Röhrenachse
angeordnet. Man kann somit die Kathode, bei welcher das Sputtering
durch Ionenzusammenstoß häufig vorkommen kann,
vom Strahlungsaustrittsfenster entfernen und hat die Wirkung, dass
man die Fensterverschmutzung verringern kann.
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Die
Aufgabe wird deshalb erfindungsgemäß bei einer Blitzlichtlampe
dadurch gelöst,
dass die Elektrode, welche an der Stelle angeordnet ist, die von
der vorstehend beschriebenen Röhrenachse entfernt
ist, eine Anode ist und dass das Strahlungsaustritts-Bauteil auf
der Anodenseite des Entladungsgefäßes auf der Röhrenachse
angeordnet ist.
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Die
Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß bei einer Blitzlichtlampe
dadurch gelöst,
dass die Lampe als Lichtquelle für
eine fotochemische Reaktion und ferner als Lichtquelle für eine fotochemische Veränderung
sowie eine Untersuchung von DNA sowie Aminosäuren verwendet werden kann.
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Ferner
wird die Aufgabe erfindungsgemäß bei einer
Blitzlichtlampe dadurch gelöst,
dass die Lampe auch als Wärmequelle
für eine
schnelle Oberflächenwärmung unter
Ausnutzung der Eigenschaft einer hohen Beleuchtungsintensität der Oberflächenbestrahlung
auf der Oberfläche
verwendet werden kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe kann
man eine Lampe mit einer langen Lebensdauer erhalten, bei welcher
der Nachteil einer Elektrodenabnutzung nicht auftritt, bei welcher
ferner die Strahlung unter Ausnutzung einer Ionenemission in eine Strahlung
mit einer großen
Strahlungsintensität
mit hohem Wirkungsgrad umgewandelt wird und bei welcher eine thermische
Verschlechterung des Entladungsgefäßes kaum auftritt.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von mehreren in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen
weiter beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels 1 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe;
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2 eine
Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels 2 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe;
-
3 eine
Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels 3 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe;
-
4 eine
Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels 4 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe;
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5 eine
Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels 5 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe;
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6 ein
Betriebs-Schaltbild einer Blitzlichtlampe;
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7 eine
schematische Darstellung der spektralen Verteilung der Strahlung
bei einer Stromdichte von 2110 A/cm2 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe;
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8 eine
schematische Darstellung der spektralen Verteilung der Strahlung
bei einer Stromdichte von 2830 A/cm2 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe
und
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9 eine
schematische Darstellung der spektralen Verteilung der Strahlung
bei einer Stromdichte von 3390 A/cm2 einer
erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe.
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Ausführungsbeispiel 1
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Es
ist vorteilhaft, den Innendurchmesser des Bereiches des Entladungsgefäßes, in
welchem die Entladung erfolgt, zu verkleinern, um die Stromdichte zu
erhöhen. 1 zeigt
ein Beispiel einer konkreten Anordnung dieser Lampe.
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Eine
Blitzlichtlampe 10 besitzt ein Entladungsgefäß 1,
welches zwischen den Elektroden 4 und 5 vorhanden
ist und welches einen Teil A mit einem verkleinerten Innendurchmesser
umfasst. Die beiden Enden B des Entladungsgefäßes 1 sind Bereiche,
welche mit den Elektroden versehen sind, und haben einen relativ
großen
Innendurchmesser. Als Folge davon ist das gesamte Entladungsgefäß 1 bei diesem
Beispiel im Wesentlichen in Form einer Handtrommel gebildet. Da
für das
Entladungsgefäß 1 im
Allge meinen ein rundes Rohr verwendet wird, befinden sich die Mitten
des Teils A mit einem kleinen Durchmesser, des Rohrs 8 sowie
der beiden Enden B auf der Röhrenachse
X-X, und die Querschnitte derselben sind kreisförmig. Die Querschnittform ist jedoch
nicht immer auf eine Kreisform beschränkt. Von den beiden Enden des
Entladungsgefäßes 1 erstrecken
sich Elektrodenstäbe 2, 3 in
der Weise, dass sie in Richtung auf die Innenseite des Entladungsgefäßes 1 im
Wesentlichen auf der Röhrenachse
X-X überstehen.
An den Spitzen der Elektrodenstäbe 2, 3 sind
einerseits die Kathode 4 und andererseits die Anode 5 gebildet,
welche im Entladungsgefäß 1 gegenüberliegend
angeordnet sind. Die Wärmeausdehnungskoeffizienten
der Elektrodenstäbe 2, 3 und
des Entladungsgefäßes 1 unterscheiden
sich voneinander. Die Nachbarschaft der Elektrodenstäbe 2, 3 des Entladungsgefäßes 1 ist
mit einem gestuften Glas versehen, bei welchem Glas so zusammengefügt ist, dass
die Wärmeausdehnungskoeffizienten
sich allmählich
verändern.
Die Größe der Elektroden 4, 5 wurde
so ausgewählt,
dass selbst bei einem Entstehen einer hohen Temperatur durch eine
hohe Stromdichte keine Elektrodenabnutzung durch die Wärmebelastung
entsteht. Der Innendurchmesser der beiden Enden B des Entladungsgefäßes 1 ist
deshalb größer als
der Teil A mit einem kleinen Durchmesser der Mitte.
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Die
Entladung der Blitzlichtlampe 10 entsteht zwischen den
Elektroden 4 und 5. Dadurch, dass die Innenseite
des Entladungsgefäßes 1 in
dem Bereich, in welchem diese Entladung stattfindet, zusammengezogen
und eng gemacht ist, wird die Stromdichte erhöht. Eine derartige Erhöhung der
Stromdichte durch das Zusammenziehen und die Verengung der Innenseite
führt zur
einer Erhöhung
der Wärmebelastung
des Entladungsgefäßes 1,
wodurch die Möglichkeit
besteht, dass die Lebensdauer des Entladungsgefäßes 1 sich verkürzt. Als
Material des Entladungsgefäßes 1 wurde
im Allgemeinen zwar beispielsweise Quarzglas oder dergleichen verwendet.
Erfindungsgemäß wird jedoch
zumindest die Innenseite des Teils A mit einem kleinen Durchmesser
des Entladungsgefäßes mit
einem wärmebeständigen Material
versehen. Als wärmebeständiges Material
ist Keramik vorteilhaft. Insbesondere wenn vom Außenumfang
des Teils A mit einem kleinen Durchmesser Strahlungslicht austritt,
wird für
das wärmebeständige Material
Lichtdurchlässigkeit
gefordert. Es ist deshalb erforderlich, eine Schicht 8 aus
lichtdurchlässigem
Aluminiumoxid, für
sichtbares Licht nicht durchlässigem
Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Yttriumoxid, YAG, oder Aluminiumnitrid
vorzusehen. Konkret wurde auf der Innenseite des Entladungsgefäßes 1, welches
aus Quarzglas besteht und eng und schmal gebildet ist, ein Rohr 8 aus
dem vorstehend beschriebenen Material angeordnet. Ferner ist es
selbstverständlich,
dass man auch das gesamte Entladungsgefäß 1 einschließlich des
Rohrs 8 aus diesen wärmebeständigen Materialien
herstellen oder sie mit diesen versehen kann.
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Ausführungsbeispiel 2
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Um
im Entladungsgefäß den Teil
mit einem kleinen Durchmesser anzuordnen, kann man auch eine in 2 gezeigte
Anordnung vornehmen. Hierbei wird auf der Innenseite eines Rohrs 11 des
Entladungsgefäßes ein
weiteres rohrartiges Bauteil 8 eingeschoben und befestigt,
dessen Außendurchmesser
gleich dem Innendurchmesser des Rohrs ist. An den beiden Enden des
Rohrs 11 wird ein Deckel 12 angeordnet, so dass
insgesamt ein zylindrisches Entladungsgefäß 1 gebildet wird.
In diesem Fall muss das Rohr 8 auf der Innenseite zumindest
eine gewisse Dicke aufweisen, um den Entladungsteil zusammenzuziehen.
Die Anordnung der Elektroden 4, 5 ist mit der
gemäß 1 identisch.
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Ausführungsbeispiel 3
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Bei
den vorstehend beschriebenen zwei Beispielen ist die Elektrodengröße der Anode 5 mit
der Größe der Kathode 4 im
Wesentlichen identisch. Dies muss jedoch nicht immer so sein. Es
ist zwar nicht vorteilhaft, dass die Kathode, bei welcher ein Sputtering
infolge eines Ionenzusammenstoßes
häufig
auftritt, klein gemacht wird. Man kann jedoch die Anode, bei welcher
ein derartiger Nachteil gering ist, als relativ kleine Elektrode
bilden. Man kann daher, wie in 3 gezeigt,
den Durchmesser der Kathode 4 und den Innendurchmesser
des Entladungsgefäßes 1,
welches die Kathode 4 umschließt, und somit die Kathode 4 vergrößern und
auch eine Anordnung des Entladungsgefäßes 1 vornehmen, bei
welcher der Innendurchmesser der Entladungsgefäßmitte und der Innendurchmesser
des die Anode 5 umschließenden Entladungsgefäß-Bereiches
verkleinert sind.
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In 1 bis 3 der
Ausführungsbeispiele 1 bis 3 ist
eine Triggerelektrode 6 entlang der Außenseite des Entladungsgefäßes 1 angeordnet.
Ein Anschlag 7 für
die Triggerelektrode 6 ist jeweils auf den Außenumfangsflächen der
beiden Enden des Entladungsgefäßes 1 angeordnet.
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In
die Entladungsgefäße 1 ist
Xenongas oder Kryptongas als Emissions-Edelgas einzeln oder als Gasgemisch,
dessen Hauptbestandteil Xenongas oder Kryptongas ist, eingefüllt. Im
Fall eines Gasgemisches, dessen Hauptbestandteil Xenongas ist, wird
zu ca. 80 Vol.% Xenongas eingefüllt.
Der Rest des Gasgemisches ist Krypton, Argon und/oder Neon. Im Fall
eines Gasgemisches, dessen Hauptbestandteil Kryptongas ist, wird
zu ca. 80% Kryptongas eingefüllt,
und der Rest des Gasgemisches ist Xenon, Argon und/oder Neon.
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Dadurch,
dass beispielsweise mit einer nachstehend beschriebenen Betriebsschaltung
gemäß 6 ein
Betrieb durchgeführt
wird, erfolgt eine Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 200 nm bis
1000 nm in Richtung auf den Außenumfang
des Teils A mit einem kleinen Durchmesser des Entladungsgefäßes 1.
Zur Bestrahlung eines Bereiches mit einer großen Fläche oder einem großen Volumen ist
es vorteilhaft, eine derartige Strahlung, welche von der Außenoberfläche des
Teils mit einem kleinen Durchmesser der Lampe mit einer großen Stromdichte
in Richtung auf den Außenumfang
erfolgt, auszunutzen.
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6 zeigt
ein Beispiel einer Betriebsschaltung einer erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe.
Eine Ladevorrichtung 51 lädt über eine Impedanz 52 für eine Betriebsstrom-Regelung
einen Kondensator C zum Laden und Entladen. Eine Blitzlichtlampe 10 ist an
einen Thyristor SR, ein Induktanz-Element L sowie den Kondensator
C zum Laden und Entladen in Reihe geschaltet. Durch Senden von ON-OFF-Signalen aus einem
Impuls-Oszillator 53 an den Thyristor SR wird ein Entladestrom
aus dem Kondensator C zum Laden und Entladen an die Entladungslampe 10 angelegt.
Andererseits wird im Wesentlichen gleichzeitig mit dem ON-Signal
aus dem Impuls-Oszillator 53 der Triggerelektrode 6 ein
Trigger- Signal aus
einer Triggerschaltung 54 gesendet, wodurch ein Isolationsdurchschlag
des Entladungsraums der Blitzlichtlampe 10 herbeigeführt wird.
Durch diesen Isolationsdurchschlag fließt Entladestrom aus dem Kondensator
C zum Laden und Entladen in der Lampe, wodurch in der Blitzlichtlampe 10 eine
Blitzentladung entsteht. Durch einen derartigen Betrieb erfolgt eine
einmalige Blitzemission. Dieser Betrieb wird bei Bedarf wiederholt.
Wenn man in der an die Blitzlichtlampe 10 angeschlossenen
Schaltung eine Rogowski-Spule L2 in der Weise anordnet, dass sie
die Leitung zwischen dem Kondensator C zum Laden und Entladen und
der Blitzlichtlampe 10 umgibt und wenn man die Ausgangsspannung
misst, kann man den Stromwert ermitteln (beispielsweise siehe S.
346 bis 347 "14.1.2
Magnetische Sonde" vom
25.12.1997 aus "Universitätsvortrag
der Elektrogesellschaft, Plasmatechnik", zusammengestellt und herausgegeben
von der Körperschaft
Elektrogesellschaft). Auf diese Weise werden die Spannung und der
Strom ermittelt. Wenn das Einfüllgas
Xenon ist, wird die der Blitzlichtlampe zugeführte Spannung in der Weise verändert, dass
die Stromdichte des Teils mit einem kleinen Durchmesser der Blitzlichtlampe 10 bei
größer/gleich
2110 A/cm2 liegt. Durch eine Veränderung der
Kapazität
des Induktanz-Elementes L, der Kapazität des Kondensators C und dergleichen
kann man die Stromdichte auch ändern.
Die Stromdichte wird durch (maximaler Stromwert) dividiert durch
(Querschnittfläche
des Teils mit einem kleinen Durchmesser) definiert.
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Bei
der vorstehend beschriebenen Blitzlichtlampe 10 wurde der
Mittelbereich des Entladungsgefäßes eng
gebildet und somit ein verengter Teil mit einem kleinen Durchmesser
erzeugt. Man hat den Innendurchmesser des Teils mit einem kleinen
Durchmesser sowie den Stromwert der Blitzlichtlampe in der Weise
ausgewählt,
dass die Stromdichte in diesem Teil mit einem kleinen Durchmesser
bei größer/gleich
2110 A/cm2 liegt. Ferner hat man die Anordnung
der Blitzlichtlampe wie den Abstand zwischen den Elektroden und
dergleichen, die Kapazität L
des Induktanz-Elementes der Betriebsschaltung, die Kapazität des Kondensators
C und die der Blitzlichtlampe zugeführte Spannung und dergleichen
in der Weise ausgewählt,
dass die Halbwertsbreite des Stroms bei 150 μs bis 2 ms liegt.
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Der
Innendurchmesser des Teils mit einem kleinen Durchmesser des Entladungsgefäßes wurde auf
3.5 mm und der Innendurchmesser der beiden Enden des Entladungsgefäßes auf
8 mm festgesetzt. 1.3 × 104 Pa Xenongas bei Raumtemperatur wurde in das
Entladungsgefäß eingefüllt, der
Stromwert verändert
und die Blitzlichtlampe mit Stromdichten von 2110 A/cm2,
2830 A/cm2 sowie 3390 A/cm2 betrieben. In 7, 8 und 9 wird
die spektrale Verteilung der Strahlung hierbei gezeigt. Wie aus
den Zeichnungen ersichtlich, konnte man bei der erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe
eine Strahlung in einem Bereich von 200 nm bis 1000 nm vorteilhaft
erzeugen.
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Ausführungsbeispiel 4
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Um
aus dem Entladungsgefäß bei Wellenlängen von
200 nm bis 1000 nm Strahlung mit nur geringer Verbreiterung zu emittieren,
kann man eine Lampe mit einer in 4 gezeigten
Anordnung verwenden. Die Mitte des Entladungsgefäßes 1 weist einen
Teil A mit einem verkleinerten Innendurchmesser auf. Die beiden
Enden B des Entladungsgefäßes 1 haben
einen relativ großen
Innendurchmesser und nehmen die Elektroden auf. Auf der Röhrenachse X-X
dieses Entladungsgefäßes 1 erstreckt
sich ein Elektrodenstab 2 in der Weise, dass er in Richtung der
Röhrenachse
X-X auf die Innenseite vorsteht. An der Spitze des Elektrodenstabs 2 ist
eine Elektrode 4 angeordnet. Die andere Elektrode 5 ist
an der Spitze eines Elektrodenstabs 3 angeordnet, welcher
zur Röhrenachse
X-X senkrecht angeordnet ist, damit sich die Elektrode 5 von
der Röhrenachse
X-X des Entladungsgefäßes entfernt
befindet.
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Auf
der Röhrenachse
X-X des Entladungsgefäßes 1 ist
ein flaches Strahlungsaustrittsfenster 9 angeordnet, damit
die Strahlung austritt. Da die Entladung auf der Röhrenachse
X-X des Teils A mit einem kleinen Durchmesser des Entladungsgefäßes 1 entsteht,
kann durch die Anordnung des Strahlungsaustrittsfensters 9 auf
der Röhrenachse
X-X Strahlung mit nur geringer Verbreiterung austreten. Als Material
des Strahlungsaustrittsfensters kann man Quarzglas, Saphir, Magnesiumfluorid
(MgF2) oder dergleichen benutzen.
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Da
bei der Kathode durch einen Zusammenstoß der durch die Entladung ionisierten
Ionen ein heftiges Sputtering-Phänomen
auftritt und da sich der von der Kathode abgespritzte Stoff auf
der Innenseite des Entladungsgefäßes niederschlägt und dadurch
häufig
ein milchiges Eintrüben
auftritt, ordnet man die Kathode als Elektrode 4 an einer
vom Strahlungsaustrittsfenster 9 entfernten Stelle und
die Anode als Elektrode 5 von der Röhrenachse X-X des Entladungsgefäßes 1 entfernt
und in der Nähe
des Strahlungsaustrittsfensters 9 an. Durch diese Maßnahme kann
man die Wirkung erwarten, dass man den Nachteil eines milchigen
Eintrübens
der Innenseite des Entladungsgefäßes 1 durch
ein Sputtering aus der Kathode 4 vermeiden kann.
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Ausführungsbeispiel 5
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Ferner
kann man statt des vorstehend beschriebenen Strahlungsaustrittsfensters 9 einen Lichtleitstab 20 mit
der Funktion eines Strahlungsaustrittes auf der Röhrenachse
X-X des Entladungsgefäßes 1 anordnen,
und die Strahlung kann bei diesem Lichtleitstab 20 über einen
Verbinder 22 zu optischen Fasern 21 geleitet werden
und somit austreten. 5 zeigt die Anordnung dieser
Blitzlichtlampe 10. Man kann auch statt des Lichtleitstabs 20 auf
der Röhrenachse
X-X des Entladungsgefäßes 1 die
optischen Fasern 21 unmittelbar einbetten.
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Zur
Bestrahlung eines Bereichs mit einer kleinen Fläche oder einem kleinen Volumen
ist es vorteilhaft, die vorstehend beschriebene Strahlung auszunutzen,
welche vom Lichtleiter oder vom Strahlungsaustrittsfenster in der
Röhrenachsrichtung
austritt.
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Die
erfindungsgemäße Blitzlichtlampe
kann auch zu den folgenden Verwendungszwecken angewendet werden.
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Ein
erster Verwendungszweck besteht in einer Lichtquelle für eine fotochemische
Reaktion. Hierfür
kann man sich außer
der vorstehend beschriebenen Aushärtung eines Harzes folgende
Verwendungszwecke vorstellen.
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Ozon
(O3) absorbiert eine Strahlung mit einem
Wellenlängenbereich
von ca. 220 nm bis 290 nm gut und wird zersetzt, wobei aktivierter
Sauerstoff mit einer stark oxidierenden Wirkung erzeugt wird. Daher
wird folgendes durchgeführt:
Durch
Bestrahlung einer Atmosphäre,
welche Ozon enthält,
mit UV-Strahlung wird eine Oberflächenreinigung unter Ausnutzung
von Ozon und UV-Strahlung durch Verwendung von Strahlung im vorstehend
beschriebenen Wellenlängenbereich
der erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe
durchgeführt.
Hierbei unterliegt die Oberfläche
des zu reinigenden Körpers
einer Bestrahlung mit dem gesamten Wellenlängenbereich. Durch die Strahlung
mit einem Wellenlängenbereich,
welcher vom zu reinigenden Körper
absorbiert wird, erhöht
sich die Oberflächentemperatur
des zu reinigenden Körpers.
Die Zersetzung des Ozons wird auch durch diese hohe Temperatur realisiert.
Somit wird eine größere Reinigungswirkung
entfaltet als nur bei einer einfachen Zersetzung des Ozons durch die
UV-Strahlung.
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Es
besteht immer mehr ein Bedarf an einer extremen Verkleinerung des
Gateoxidfilms von Silicium (Si) oder eines Verbindungshalbleiters.
Durch eine Bestrahlung einer Atmosphäre, welche Ozon enthält, mit
UV-Strahlung, entsteht infolge einer Zersetzung des Ozons durch
die UV-Strahlung aktivierter Sauerstoff. Man kann den mit der Lampenstrahlung
bestrahlten Gegenstand, insbesondere einen Bereich, in welchem man
einen Oxidfilm erzeugen möchte,
erwärmen.
Als Folge davon diffundiert der aktivierte Sauerstoff innerhalb
des Oxidfilms leichter. Das heißt,
die Erzeugungsgeschwindigkeit ist hoch.
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Durch
eine Belichtung der Gesamtfläche oder
nur eines Teils eines Resistes für
einen KrF-Laser oder einen ArF-Laser, welcher auch in einem Wellenlängenbereich
von 220 nm bis 260 nm einen lichtempfindlichen Bereich aufweist,
vor oder nach einer Lithographie-Belichtung kann man auch bei einer Härtung des
Resistes und dergleichen die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe verwenden.
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Ein
zweiter Verwendungszweck besteht in einer fotochemischen Veränderung
sowie einer Bestimmung von DNA sowie Aminosäuren. Hierfür kann man sich außer der
vorstehend beschriebenen Sterilisation unter Ausnutzung des fotochemischen
Mechanismus sowie des fotothermodynamischen Mechanismus folgende
Verwendungszwecke vorstellen.
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Es
ist bekannt, dass bei einer Bestrahlung von DNA mit UV-Strahlung
mit Wellenlängen
von 200 nm bis 280 nm hauptsächlich
Thymin, welches eine der Basen ist, ein Dimer bildet und umgewandelt wird.
Ferner wurde erkannt, dass eine Sterilisation durch das Abtöten von
Bakterien durch diese Umwandlung der DNA erfolgt. Von der Beständigkeit
des die Bakterien umgebenden Films gegen UV-Strahlung, insbesondere von der Lichtdurchlässigkeit, hängt die
UV-Beständigkeit
der Bakterien selbst ab. Die Sterilisation wird mit einer UV-Strahlung
mit Wellenlängen
von 220 nm bis 300 nm durchgeführt,
weil in einem Bereich mit kürzeren
Wellenlängen
als ca. 200 nm in der Luft Ozon erzeugt wird. Zur Sterilisation
durch die Strahlung der Blitzlichtlampe kommt auch ein Effekt einer
Temperaturerhöhung
der Bakterien an sich durch Absorption von Strahlung in einem Bereich
mit längeren
Wellenlängen
als die vorstehend beschriebenen Wellenlängen.
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In
einem lebenden Körper
kommen als Aminosäuren
nur solche vom L-Typ vor. Bei der künstlichen Herstellung kann
man durch Verwendung linksdrehender oder rechtsdrehender zirkular
polarisierter Strahlung entweder nur den L-Typ oder nur den D-Typ
herstellen. Durch eine Verwendung einer zirkularen Polarisation
mit einer Wellenlänge
von ca. 220 nm kann man L-Leucin (eine essentielle Aminosäure) herstellen.
In einem Wellenlängenbereich
mit 200 nm bis 250 nm wird auf diese Weise durch ein fotochemisches
Verfahren durch eine Bestrahlung mit einer zirkularen Polarisation
eine wechselnde Zusammensetzung der essentiellen Aminosäuren möglich.
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Bei
einer derartigen Umwandlung von DNA und einer derartigen Herstellung
von Aminosäuren wird
eine Strahlung mit bestimmten Wellenlängen absorbiert. Unter Ausnutzung
dieses Sachverhaltes kann man aufgrund einer Absorption bestimmter Wellenlängen einen
Nachweis und eine Analyse von DNA und Aminosäuren durchführen. Man kann die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe
auch zu einem derartigen Nachweiszweck verwenden.
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Auf
diese Weise kann man die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe für eine fotochemische
Reaktion, eine fotochemische Veränderung
von DNA sowie Eiweißstoffen
sowie für
eine Ermittlung derselben verwenden.
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Ferner
kann man die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe
für eine
Kristallerholung nach einer Ionenimplantation in Silicium (Si) oder
einen Verbindungshalbleiter verwenden. Auch kann man die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe
für ein
Ausglühen
eines Verbindungsbereiches zwischen Lagern, eines Verbindungsbereiches
zwischen einem Lager und einem Substrat und dergleichen verwenden.
Außerdem
kann man die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe für eine Oberflächenwärmung für eine Kristallisation von
amorphem Silicium bei einer TFT-Flüssigkristallanzeige verwenden.
In jedem Fall muss man eine Erwärmung
nur der Nachbarschaft der Oberfläche durchführen können. Bei
einer Blitzlichtlampe ist die Entladungszeit kurz, und man kann
daher eine solche Erwärmung
erzielen. Da insbesondere der Reflexionsfaktor einer Strahlung mit
einer Wellenlänge
von kleiner/gleich ca. 400 nm klein ist, ist die Erwärmung mit
der erfindungsgemäßen Blitzlichtlampe
vorteilhaft, weil sie an Strahlung in diesem Wellenlängenbereich
reich ist.
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Wie
vorstehend beschrieben wurde, kann man die erfindungsgemäße Blitzlichtlampe
unter Ausnutzung der Eigenschaft einer hohen Beleuchtungsintensität der Bestrahlung
auf der Oberfläche als
Wärmequelle
für eine
kurzzeitige Oberflächenwärmung verwenden.