DE102005007370B3

DE102005007370B3 - Ultraviolet light source for e.g. ultraviolet microscopy, has dielectric arranged between two electrodes, where one electrode includes tip directed to another electrode, such that shortest distance is defined between electrodes

Info

Publication number: DE102005007370B3
Application number: DE200510007370
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Phys. Heise; Oliver Dipl.-Ing. Franken
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-02-18

Abstract

The light source has a dielectric arranged between high voltage and ground electrodes (1, 2). The dielectric produces a barrier discharge by the application of high alternating current voltage between the electrodes. A discharge space between the electrodes is filled with gas that emits ultraviolet radiation. The electrode (1) has a tip directed to the electrode (2), such that a shortest distance is defined between the electrodes.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine UV-Lichtquelle mit zumindest zwei voneinander beabstandeten Elektroden, zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet ist, durch das bei Anlegen einer hohen Wechselspannung zwischen den Elektroden eine Barriereentladung erzeugbar ist, wobei ein Entladungsraum zwischen den Elektroden mit einem in plasmaangeregtem Zustand UV-Strahlung emittierenden Gas oder Gasgemisch gefüllt ist.The The present invention relates to a UV light source having at least two from each other spaced electrodes, between which a dielectric arranged is by that when applying a high alternating voltage between the electrodes can be generated a barrier discharge, wherein a discharge space between the electrodes with a plasma-excited state UV radiation emitting gas or gas mixture is filled.

UV-Lichtquellen werden in vielen technischen Bereichen, z.B. zur UV-Behandlung von Oberflächen oder für optische Anwendungen, eingesetzt. Gerade im Bereich der Mikroskopie mit UV-Strahlung, z.B. zur Qualitätskontrolle in der Lithographie oder zur Untersuchung von biologischem Material, sind für die optische Abbildung möglichst klein bemessene, idealerweise punktförmige Lichtquellen erwünscht. Die kurzen Wellenlängen der UV-Strahlung ermöglichen bei diesen Anwendungen eine hohe optische Auflösung von kleinen Strukturen im Bereich von einigen Nanometern.UV light sources are used in many technical fields, e.g. for the UV treatment of surfaces or for optical applications, used. Especially in the field of microscopy with UV radiation, e.g. for quality control in lithography or for the investigation of biological material, are for the optical Picture as possible small sized, ideally punctiform light sources desired. The short wavelengths allow the UV radiation in these applications a high optical resolution of small structures in the range of a few nanometers.

Eine weit verbreitete UV-Lichtquelle ist die Quecksilberdampflampe, in der ein Edelgas-Quecksilberdampf-Gemisch als strahlendes Medium dient. Das Quecksilber wird durch Zünden einer Niederdruck- Bogenentladung zwischen zwei metallischen Elektroden zur Strahlung angeregt. Die Hauptemission liegt bei 253,7 nm. Durch Auswahl eines geeigneten Quarzglases als Kolbenmaterial für die Lampe ist auch eine Auskopplung bei 185 nm möglich. Quecksilberdampflampen zeigen jedoch eine starke Wärmeentwicklung, die insbesondere bei hohen Leistungsdichten unerwünscht ist. Zudem ist die Verwendung von Quecksilber unter Umweltgesichtspunkten kritisch. Auch die Emissionswellenlänge lässt sich bei einer Quecksilberdampflampe nicht verändern.A widespread UV light source is the mercury vapor lamp, in a noble gas-mercury vapor mixture as a radiating medium serves. The mercury is ignited by igniting a low-pressure arc discharge two metallic electrodes excited to radiation. The main emission is at 253.7 nm. By selecting a suitable quartz glass as Piston material for the lamp is also a coupling at 185 nm possible. Mercury vapor lamps but show a strong heat, which is undesirable, especially at high power densities. In addition, the use of mercury is environmentally critical. Also the emission wavelength can be included do not change a mercury vapor lamp.

Weiterhin sind UV-Lichtquellen bekannt, die nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung, auch als Barriereentladung bezeichnet, arbeiten. Diese UV-Lichtquellen werden vor allem zur Entkeimung, zur Aushärtung von Materialien, zur Rauchgasreinigung oder zur Zerstörung und Synthese spezieller chemischer Verbindungen eingesetzt. Bei diesen UV-Barriereentladungslampen wird in einem Entladungsraum, der mit einem in plasmaangeregtem Zustand UV-Strahlung emittierenden Gas oder Gasgemisch gefüllt ist, eine Barriereentladung erzeugt. Hierfür ist zwischen zwei voneinander beabstandeten Hochspannungselektroden ein Dielektrikum angeordnet, durch das bei Anlegen einer hohen Wechselspannung (Hochspannung) zwischen den Elektroden die Barriereentladung erzeugt wird. Ein Austausch des Gases oder Gasgemisches, in der Regel ein Excimergas, ermöglicht die Anpassung der Emissionswellenlänge an die jeweilige Anwendung. Bekannte UV-Barriereentladungslampen, wie sie bspw. die EP 0 254 111 A1 offenbart, sind in koaxialer Bauweise oder als Flachstrahler ausgeführt, wobei die beiden Elektroden jeweils zylinderförmig bzw. plattenförmig ausgebildet sind. Die WO 98/12735 A1 zeigt eine UV-Entladungslampe hoher Lichtintensität, bei der einer dielektrischen Schicht auf einer plattenförmigen Elektrode eine Anordnung aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten punkt- oder drahtförmigen Koronaelektroden gegenüberliegt.Furthermore, UV light sources are known which operate on the principle of dielectrically impeded discharge, also known as barrier discharge. These UV light sources are mainly used for sterilizing, for curing materials, for flue gas cleaning or for the destruction and synthesis of special chemical compounds. In the case of these UV barrier discharge lamps, a barrier discharge is generated in a discharge space which is filled with a gas or gas mixture emitting UV radiation in the plasma-excited state. For this purpose, a dielectric is arranged between two spaced-apart high-voltage electrodes, by which the barrier discharge is generated when a high alternating voltage (high voltage) is applied between the electrodes. An exchange of the gas or gas mixture, usually an excimer gas, allows the adaptation of the emission wavelength to the respective application. Known UV barrier discharge lamps, such as the EP 0 254 111 A1 disclosed, are designed in a coaxial design or as a flat radiator, wherein the two electrodes are each formed in a cylindrical or plate-shaped. WO 98/12735 A1 shows a UV discharge lamp of high light intensity, in which a dielectric layer on a plate-shaped electrode facing an array of a plurality of juxtaposed point or wire-shaped corona electrodes.

In derartigen UV-Lichtquellen weist der Licht emittierende Bereich Dimensionen von typischerweise > 5 cm auf, die einen Einsatz in abbildenden Optiken ausschließen. Die Barriereentladung umfasst dabei eine Vielzahl von einzelnen Entladungsfilamenten zwischen den Elektroden.In Such UV light sources have the light emitting area Dimensions of typically> 5 cm, which preclude use in imaging optics. The Barrier discharge comprises a plurality of individual discharge filaments between the electrodes.

Dies gilt auch für die UV-Lichtquelle der US 2003/0071571 A1, die durch kapillare Entladungsplasmen betrieben wird. Hierzu sind mehrere stabförmige Elektroden einer ersten Elektrodenanordnung parallel nebeneinander in ein Dielektrikum eingebettet. Von den Enden der Elektroden erstrecken sich in diesem Dielektrikum Kapillaren in Richtung einer zweiten Elektrodenanordnung. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrodenanordnung bilden sich kapillare Entladungsplasmen aus, die das UV-Licht emittieren.This applies to the UV light source of US 2003/0071571 A1, by capillary discharge plasmas is operated. For this purpose, a plurality of rod-shaped electrodes of a first Electrode arrangement parallel to each other embedded in a dielectric. From the ends of the electrodes extend in this dielectric Capillaries in the direction of a second electrode arrangement. By Applying a suitable voltage between the first and second Electrode assembly form capillary discharge plasmas, which emit the UV light.

In der UV-Mikroskopie werden daher derzeit in erster Linie Excimerlaser eingesetzt. Diese UV-Lichtquellen sind aufgrund ihres kohärenten, stark gebündelten Lichtstrahls, der einer punktförmigen Lichtquelle nahe kommt, sehr gut für diese Anwendung geeignet. Allerdings ist die Erzeugung der Laser strahlung technisch aufwendig und der Betrieb der Excimerlaser nur gepulst möglich.In UV microscopy are therefore currently primarily excimer lasers used. These UV light sources are strong because of their coherent, strong bundled Light beam, the one point Light source comes close, very suitable for this application. However, the generation of laser radiation is technically complicated and the operation of the excimer laser only pulsed possible.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompakte UV-Lichtquelle mit einem Licht emittierenden Volumen geringer Ausdehnung anzugeben, die sich ohne großen Aufwand realisieren lässt.The Object of the present invention is to provide a compact Indicate UV light source with a low-expansion light-emitting volume, who are without big Effort can be realized.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der UV-Lichtquelle gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der UV-Lichtquelle sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The Task is solved with the UV light source according to claim 1. advantageous Embodiments of the UV light source are the subject of the dependent claims or can be the following description and the embodiments remove.

Die vorliegende UV-Lichtquelle ist als UV-Barriereentladungslampe ausgebildet. Sie weist daher zumindest zwei voneinander beabstandete Elektroden auf, zwischen denen ein Dielektrikum angeordnet ist, durch das bei Anlegen einer hohen Wechselspannung (Hochspannung) zwischen den Elektroden eine Barriereentladung erzeugbar ist. Der Entladungsraum zwischen den beiden Elektroden ist dabei mit einem in plasmaangeregtem Zustand UV-Strahlung emittierenden Gas oder Gasgemisch gefüllt. Dieses Gas oder Gasgemisch ist vorzugsweise ein Edelgas oder ein Excimergas, d. h. ein Edelgas-Halogen-Gemisch, das beim Zünden der Barriereentladung Excimere bildet. Beispiele für ein derartiges Füllgas oder dessen Bestandteile sind Quecksilber, Stickstoff, Xenon, Krypton, Argon oder auch Luft. Die vorliegende UV-Lichtquelle zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste der beiden Elektroden eine zur anderen Elektrode gerichtete Spitze aufweist oder mit einer derartigen Spitze versehen ist, durch die ein kürzester Abstand zur anderen Elektrode festgelegt ist.The present UV light source is designed as a UV barrier discharge lamp. It therefore has at least two spaced-apart electrodes on, between which a dielectric is arranged, by at Apply a high AC voltage (high voltage) between the electrodes a barrier discharge can be generated. The discharge space between The two electrodes is in this case with a plasma-excited state UV radiation emitting gas or gas mixture filled. This gas or gas mixture is preferably a noble gas or an excimer gas, i. H. a noble gas-halogen mixture, the ignition the barrier discharge Excimere forms. Examples of such filling gas or its components are mercury, nitrogen, xenon, krypton, Argon or air. The present UV light source is characterized from that one of the two electrodes one to the other electrode directed tip or provided with such a tip is by which a shortest Distance to the other electrode is fixed.

Bei der vorliegenden Erfindung wird somit die Technik der Barriereentladung zur Erzeugung der UV-Strahlung eingesetzt, die bisher nur zur Erzeugung von UV-Strahlung außerhalb des Bereiches der Optik, insbesondere für die Oberflächenbehandlung von Materialien, zur Anwendung kommt. Dielektrisch behinderte Entladungen sind transiente Gasentladungen, bei denen eine oder beide Elektroden mit einem Dielektrikum bedeckt sind oder ein Dielektrikum auf andere Art zwischen den beiden Elektroden angeordnet ist. Durch Anlegen einer wechselfrequenten Hochspannung bildet sich zwischen den Elektroden ein nicht thermisches, d.h. ein nicht im thermischen Gleichgewicht befindliches Plasma aus, das auch bei Atmosphärendruck erzeugt werden kann. Dieses Plasma ist in der Regel räumlich nicht homogen. Es entstehen vielmehr viele einzelne kurzlebige Entladungskanäle, auch als Filamente bezeichnet, die bei den bekannten Barriereentladungslampen auf den dort eingesetzten flächigen Elektroden statistisch verteilt sind.at The present invention thus becomes the art of barrier discharge for generating the UV radiation previously used only to generate UV radiation outside the field of optics, especially for the surface treatment of Materials, is used. Dielectrically impeded discharges are transient gas discharges involving one or both electrodes covered with a dielectric or a dielectric to others Art is arranged between the two electrodes. By applying an alternating frequency high voltage is formed between the electrodes non-thermal, i. a non-thermal equilibrium Plasma out, even at atmospheric pressure can be generated. This plasma is usually not spatially homogeneous. Rather, there are many individual short-lived discharge channels, too referred to as filaments, in the known barrier discharge lamps on the flat surface used there Electrodes are statistically distributed.

Durch die bei der vorliegenden Erfindung gewählte Ausgestaltung der Elektroden der UV-Lichtquelle wird die Entladung vorzugsweise auf ein einzelnes Filament eingeschränkt, das von der Spitze ausgeht. Somit wird eine UV-Lichtquelle erhalten, die aufgrund des von Natur aus geringen Filamentradius von in der Regel ca. 100 μm ein Licht emittierendes Volumen geringer Ausdehnung aufweist und daher einen vorteilhaften Einsatz in abbildenden Optiken ermöglicht.By the embodiment of the electrodes selected in the present invention the UV light source, the discharge is preferably on a single Filament restricted, that emanates from the top. Thus, a UV light source is obtained, due to the naturally small filament radius of in the Usually approx. 100 μm has a light-emitting volume of low expansion and therefore allows an advantageous use in imaging optics.

Der Gasdruck des Füllgases liegt vorzugsweise zwischen 50 hPa und 10⁶ Pa. Ein hoher Druck könnte zwar für die Anregungsspannung und Excimer-Erzeugung evtl. nachteilig sein, kann aber das Quellvolumen verkleinern.The gas pressure of the filling gas is preferably between 50 hPa and 10 ⁶ Pa. Although a high pressure might be detrimental to the excitation voltage and excimer generation, it can reduce the swelling volume.

Die Zündung der Barriereentladung kann dabei über ein elektrisches Vorschaltgerät erfolgen, das mit den Elektroden der UV-Lichtquelle verbunden ist. Durch geeignete Wahl der eingesetzten Gase oder Gasgemische für den Entladungsraum, der vorzugsweise von einer geschlossenen Entladungskammer umgeben ist, lässt sich eine effiziente Emission von UV-Strahlung in schmalen Wellenlängenbereichen erzeugen.The ignition The barrier discharge can take place via an electrical ballast, which is connected to the electrodes of the UV light source. By suitable Choice of the gases or gas mixtures used for the discharge space, preferably Surrounded by a closed discharge chamber can be generate efficient emission of UV radiation in narrow wavelength ranges.

Die vorliegende UV-Lichtquelle lässt sich kostengünstig und mit kleinen äußeren Abmessungen im Bereich weniger mm bis cm realisieren. Das UV-Strahlung emittierende Plasma, das vorzugweise nur aus einem einzigen Filament besteht, ist auf Dimensionen zwischen einigen μm bis mm beschränkt. Die zur Strahlungserzeugung aufgewendete Energie wird daher in ein entsprechend kleines Volumen eingebracht, so dass aufgrund der damit verbundenen hohen Energiedichte eine große Energiemenge im UV-Bereich abgestrahlt wird. Die vorliegende UV-Lichtquelle eignet sich aufgrund der geringen Abmessungen des abstrahlenden Plasmas vor allem für Anwendungen in der abbildenden Optik, insbesondere im Bereich der Mikroskopie mit UV-Strahlung.The present UV light source leaves cost-effective and with small outer dimensions in the range of a few mm to cm. The UV radiation emitting Plasma, which preferably consists only of a single filament, is limited to dimensions between a few μm to a mm. The The energy used for generating radiation is therefore in a corresponding small volume introduced, so that due to the associated high Energy density a big one Amount of energy is emitted in the UV range. The present UV light source is suitable due to the small dimensions of the radiating Plasmas especially for applications in the imaging optics, in particular in the field of microscopy with UV radiation.

Der kürzeste Abstand zwischen den Elektroden wird vorzugsweise möglichst klein gewählt, um die Ausdehnung längs der Filamentachse zu verringern. Dies hat auch eine kleinere Anregungsspannung sowie einen kleineren Ladungsübertrag pro Filament zur Folge. Dadurch werden dann Effekte von Oberflächenentladungen verringert, die sich negativ auf die Form/Größe des UV emittierenden Volumens auswirken könnten.Of the shortest Distance between the electrodes is preferably as possible chosen small, about the extent along reduce the filament axis. This also has a smaller excitation voltage and a smaller charge transfer per filament result. This then causes effects of surface discharges reduced, which adversely affect the shape / size of the UV-emitting volume could.

Die der ersten Elektrode gegenüberliegende andere Elektrode, die vorzugsweise eine geerdete Elektrode darstellt, kann in unterschiedlicher Geometrie, z.B. als Plattenelektrode oder auch in einer konvexen Form ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist diese andere Elektrode ebenfalls eine zur ersten Elektrode gerichtete Spitze auf oder ist mit einer derartigen Spitze, z.B. aus einem Dielektrikum, versehen. Durch den Abstand der beiden Spitzen ist dann der kürzeste Abstand zwischen den beiden Elektroden festgelegt.The the other electrode opposite the first electrode Electrode, which is preferably a grounded electrode can in different geometry, e.g. as a plate electrode or too be formed in a convex shape. In a preferred embodiment this other electrode also has one to the first electrode directed tip or is with such a tip, e.g. made of a dielectric provided. By the distance between the two peaks is then the shortest Distance between the two electrodes set.

Die Elektroden mit einer entsprechenden Spitze sind vorzugsweise als Nadelelektroden ausgebildet. Diese Nadeln können aus metallischem Vollmaterial bestehen oder auch als Hohlnadeln (Kanülen) ausgebildet sein. Es ist auch möglich die Nadeln/Spitzen ganz aus dielektrischem Material zu fertigen und die Elektroden nur auf das Gehäuse bzw. die Kammer aufzubringen. Eine Ausbildung als Kanüle ermöglicht die Zufuhr des Gases oder Gasgemisches zum Entladungsraum durch die Elektrodenspitze, wobei das Gas bzw. Gasgemisch auch während des Betriebs der UV-Lichtquelle ausgetauscht werden kann. Bei Zufuhr des Gases oder Gasgemisches mit annähernder Raumtemperatur während des Betriebes wird ein vorteilhafter zusätzlicher Kühlungseffekt erreicht. Weiterhin kann sich die Dekompression bzw. der Druckgradient des Gases oder Gasgemisches beim Verlassen der Kanüle positiv auf die Intensität des erzeugten UV-Lichts in der Nähe der Nadelspitze auswirken.The electrodes with a corresponding tip are preferably designed as needle electrodes. These needles can be made of metallic solid material or can be designed as hollow needles (cannulas). It is also possible to manufacture the needles / tips entirely of dielectric material and to apply the electrodes only to the housing or the chamber. A design as a cannula allows the supply of the gas or gas mixture to the discharge space through the electrodes tip, wherein the gas or gas mixture can also be replaced during operation of the UV light source. When the gas or gas mixture is supplied at approximately room temperature during operation, an advantageous additional cooling effect is achieved. Furthermore, the decompression or the pressure gradient of the gas or gas mixture on leaving the cannula can have a positive effect on the intensity of the UV light generated in the vicinity of the needle tip.

Bei der vorliegenden UV-Lichtquelle kann das Dielektrikum prinzipiell in beliebiger Weise zwischen den beiden Elektroden angeordnet sein, wie dies auch bei anderen Barriereentladungslampen des Standes der Technik der Fall ist. Vorzugsweise sind jedoch eine oder beide Elektroden mit dem Dielektrikum beschichtet. Soll die Auskopplung der erzeugten UV-Strahlung durch das Dielektrikum hindurch erfolgen, so muss dieses aus einem geeigneten, für den auszukoppelnden Wellenlängenbereich der UV-Strahlung transparenten Material, z.B. Quarz (SiO₂) oder Magnesiumfluorid (MgF) bestehen. In anderen Fällen ist selbstverständlich auch ein anderes elektrisch nicht leitendes Material als Dielektrikum einsetzbar.In the case of the present UV light source, the dielectric can in principle be arranged in any desired manner between the two electrodes, as is the case with other barrier discharge lamps of the prior art. Preferably, however, one or both electrodes are coated with the dielectric. If the decoupling of the UV radiation produced is to take place through the dielectric, then this must consist of a suitable material transparent to the wavelength range of the UV radiation to be coupled out, for example quartz (SiO ₂ ) or magnesium fluoride (MgF). In other cases, of course, another electrically non-conductive material can be used as a dielectric.

Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden UV-Lichtquelle, bei der nur eine der beiden Elektroden im Entladungsbereich mit dem Dielektrikum beschichtet und die gegenüberliegende Elektrode als Nadelelektrode ausgebildet ist, trägt diese Nadelelektrode vorzugsweise ebenfalls eine dielektrische Beschichtung, die den Abtrag von Metall durch die Einwirkung des Plasmas verhindert oder zumindest minimiert.at an embodiment of the present UV light source, in which only one of the two electrodes in the discharge region with the dielectric coated and the opposite Electrode is designed as a needle electrode, this needle electrode preferably carries also a dielectric coating that removes metal prevented or at least minimized by the action of the plasma.

Als Materialien für die Nadelbeschichtung können z.B. Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Zirkonoxid oder Titanoxid eingesetzt werden. Allgemein sind eine gute Wärmeleitung und eine große Dielektrizitätskonstante des Materials sowie eine geringe Dicke der Beschichtung von Vorteil.When Materials for the needle coating can e.g. Aluminum nitride, alumina, zirconia or titanium oxide used become. Generally, good heat conduction and a high dielectric constant of the material and a small thickness of the coating of advantage.

Vorzugsweise bestehen die beiden Elektroden aus einem metallischen Material. Weiterhin wird der Entladungsraum vorzugsweise von einer geschlossenen Kammer gebildet, die einen Auslass und/oder Einlass für den Austausch des Gases oder Gasgemisches aufweisen kann. Die Kammer kann dabei aus einem für UV-Strahlung nicht transparenten Material bestehen, weist jedoch an zumindest einer Stelle ein für die auszukoppelnde UV-Strahlung transparentes Fenster auf. Selbstverständlich ist die Stelle dieses Fensters derart gewählt, dass vom Plasma emittierte UV-Strahlung auf direktem Weg durch das Fenster nach außen dringen kann.Preferably the two electrodes consist of a metallic material. Furthermore, the discharge space is preferably of a closed Chamber formed, which has an outlet and / or inlet for replacement of the gas or gas mixture may have. The chamber can do this from one for UV radiation does not consist of transparent material, however at least one place for a the UV radiation to be coupled out transparent Window open. Of course the location of this window is chosen such that emitted from the plasma Direct UV radiation directly through the window to the outside can.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of drawings

Die vorliegende UV-Lichtquelle wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:The The present UV light source will be described below on the basis of exemplary embodiments in conjunction with the drawings without limiting the scope of the claims Protected area briefly explained again. Hereby show:

1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden UV-Lichtquelle; 1 a first example of an embodiment of the present UV light source;

2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden UV-Lichtquelle; 2 a second example of an embodiment of the present UV light source;

3 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden UV-Lichtquelle; und 3 a third example of an embodiment of the present UV light source; and

4 eine schematische Darstellung der elektrischen Verbindung der UV-Lichtquelle mit einem Hochspannungsgenerator. 4 a schematic representation of the electrical connection of the UV light source with a high voltage generator.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention

1 zeigt eine Ausgestaltung der vorliegenden UV-Lichtquelle, bei der die Hochspannungselektrode 1 als Nadelelektrode und die Erdungselektrode 2 als Plattenelektrode ausgebildet ist. Der Entladungsraum wird von einer geschlossenen Entladungskammer 9 umschlossen, die an einer Stelle eine Auslassöffnung 7 für das im Entladungsraum befindliche Gas oder Gasgemisch 4 aufweist. Eine Seite der Kammer ist im Wesentlichen durch die Plattenelektrode gebildet, während aus der gegenüberliegenden Seite der Kammer die Nadelelektrode ragt. Die geerdete Plattenelektrode weist eine Blendenöffnung 3 auf, durch die die im Entladungsraum erzeugte UV-Strahlung ausgekoppelt wird. Der Blendendurchmesser kann z.B. zwischen 0,01 mm bis 5 mm betragen. Auf der Plattenelektrode befindet sich die dielektrische, d. h. elektrisch nicht leitende, Schicht 5, die im vorliegenden Beispiel aus einem für UV-Strahlung durchlässigen Material besteht. Dieses Material muss je nach Energie der erzeugten UV-Photonen gewählt werden und kann z.B. Quarz (SiO₂) oder Magnesiumfluorid (MgF) sein. Die Schichtdicke dieser dielektrischen Schicht 5 liegt im vorliegenden Beispiel im Bereich zwischen 0,01 mm und 4 mm. Die Nadelspitze der Nadelelektrode ist in einem Abstand von maximal 5 mm von der dielektrischen Schicht 5 angeordnet, kann aber auch in direktem Kontakt zu dieser dielektrischen Schicht 5 stehen. Der Außendurchmesser der Nadelelektrode beträgt maximal 2 mm. 1 shows an embodiment of the present UV light source, wherein the high voltage electrode 1 as a needle electrode and the ground electrode 2 is formed as a plate electrode. The discharge space is controlled by a closed discharge chamber 9 enclosed, at one point an outlet opening 7 for the gas or gas mixture in the discharge space 4 having. One side of the chamber is substantially formed by the plate electrode while the needle electrode protrudes from the opposite side of the chamber. The grounded plate electrode has an aperture 3 on, by which the UV radiation generated in the discharge space is decoupled. The aperture diameter may be, for example, between 0.01 mm to 5 mm. On the plate electrode is the dielectric, ie electrically non-conductive, layer 5 , which in the present example consists of a UV radiation permeable material. This material must be selected depending on the energy of the generated UV photons and may be, for example, quartz (SiO ₂ ) or magnesium fluoride (MgF). The layer thickness of this dielectric layer 5 is in the present example in the range between 0.01 mm and 4 mm. The needle tip of the needle electrode is at a distance of at most 5 mm from the dielectric layer 5 but may also be in direct contact with this dielectric layer 5 stand. The outer diameter of the needle electrode is a maximum of 2 mm.

Die Nadelelektrode kann aus Vollmaterial oder, wie im vorliegenden Beispiel, mit einem Kanal 6 als Hohlnadel ausgeführt sein, durch den das Gas oder Gasgemisch 4 in den Entladungsraum eingebracht werden kann. Dadurch wird zum einen ein Kühlungseffekt erreicht, da das nachströmende frische Gas bzw. Gasgemisch 4 in der Regel annähernd Raumtemperatur hat. Zum anderen kann sich die Dekompression des Gases beim Verlassen der Hohlnadel positiv auf die Intensität des erzeugten UV-Lichts in der Nähe der Nadelspitze auswirken. Durch die Auslassöffnung 7 kann verbrauchtes Gas die Kammer wieder verlassen. Ein geschlossener Gaskreislauf für die Wiederverwendung des Gases ist hierbei von Vorteil.The needle electrode may be made of solid material or, as in the present example, with a channel 6 be designed as a hollow needle through which the gas or gas mixture 4 inserted into the discharge space can be brought. As a result, on the one hand, a cooling effect is achieved, since the inflowing fresh gas or gas mixture 4 usually has approximately room temperature. On the other hand, the decompression of the gas when leaving the hollow needle can have a positive effect on the intensity of the UV light generated in the vicinity of the needle tip. Through the outlet opening 7 used gas can leave the chamber again. A closed gas cycle for the reuse of the gas is an advantage.

Für den Betrieb dieser UV-Lichtquelle wird die metallische Nadelelektrode an eine hohe Wechselspannung (Hochspannung) angeschlossen. Für den Betrieb der Lichtquelle sind Hochspannungen geeignet, die eine Frequenz im Bereich zwischen 50 Hz und 100 kHz und eine Spannungsamplitude im Bereich zwischen 50 V und 30 kV liefern. In der unmittelbaren Umgebung der Nadelspitze bildet sich im Gas bzw. Gasgemisch 4 ein transientes Plasma aus, das die gewünschte UV-Strahlung emittiert. Als Gas bzw. Gasgemisch kann z.B. Luft, Stickstoff, Argon, ein anderes Edelgas oder auch eine Mischung von Edelgasen mit Halogenen (Excimergas) eingesetzt werden. Selbstverständlich lassen sich die Gase in Abhängigkeit von den gewünschten Strahlungseigenschaften auch mischen. Die erzeugte UV-Strahlung dringt durch die Blendenöffnung 3 nach außen.For the operation of this UV light source, the metallic needle electrode is connected to a high alternating voltage (high voltage). For the operation of the light source high voltages are suitable, which provide a frequency in the range between 50 Hz and 100 kHz and a voltage amplitude in the range between 50 V and 30 kV. In the immediate vicinity of the needle tip forms in the gas or gas mixture 4 a transient plasma that emits the desired UV radiation. As a gas or gas mixture, for example, air, nitrogen, argon, another noble gas or a mixture of noble gases with halogens (excimer gas) can be used. Of course, the gases can also be mixed depending on the desired radiation properties. The generated UV radiation penetrates through the aperture 3 outward.

2 zeigt ein weiteres Beispiel einer UV-Lichtquelle, bei der anstelle der Plattenelektrode eine Erdungselektrode 2 mit einer halbkugelförmigen Gestalt eingesetzt wird. Auch in diesem Beispiel ist die Erdungselektrode 2 wiederum mit der dielektrischen Schicht 5 überzogen. Dieses Dielektrikum kann im Gegensatz zur Ausgestaltung der 1 aus einem für UV-Strahlung nicht durchlässigen Material gebildet sein. Die Auskopplung der UV-Strahlung erfolgt im vorliegenden Beispiel in seitlicher Richtung durch ein UV-transparentes Fenster 8. Die weiteren Komponenten dieser Lichtquelle entsprechen denen der 1. 2 shows another example of a UV light source in which instead of the plate electrode, a ground electrode 2 is used with a hemispherical shape. Also in this example is the grounding electrode 2 again with the dielectric layer 5 overdrawn. This dielectric, in contrast to the embodiment of 1 be formed from a non-transmissive to UV radiation material. The decoupling of the UV radiation takes place in the present example in the lateral direction through a UV-transparent window 8th , The other components of this light source correspond to those of 1 ,

3 zeigt ein weiteres Beispiel für eine Ausgestaltung der vorliegenden UV-Lichtquelle, bei der anstelle der flächigen oder halbkugelförmigen Erdungselektrode 2 ebenfalls eine Nadelelektrode eingesetzt wird. Im vorliegenden Beispiel sind die beiden Nadelelektroden identisch und bestehen aus metallischem Vollmaterial. Beide Elektroden 1, 2 sind jeweils mit einer dielektrischen Schicht 5 mit einer Dicke überzogen, die im Bereich von einigen μm bis zu 1 mm liegt, und ragen in die geschlossene Entladungskammer 9. Der Abstand der beiden Nadelelektroden beträgt einige μm bis zu 2 mm. Das Plasma bildet sich zwischen den Nadelspitzen aus, wobei die Auskopplung der Strahlung auch hier, ebenso wie im Beispiel der 2, seitlich durch ein UV-transparentes Fenster 8 in der Entladungskammer 9 erfolgt. Frisches Gas bzw. Gasgemisch 4 wird über die in der Kammerwandung vorgesehene Einlassöffnung 12 zugeführt und verlässt die Kammer durch die Auslassöffnung 7. 3 shows another example of an embodiment of the present UV light source, in which instead of the flat or hemispherical grounding electrode 2 also a needle electrode is used. In the present example, the two needle electrodes are identical and consist of solid metal material. Both electrodes 1 . 2 are each with a dielectric layer 5 coated with a thickness ranging from a few microns to 1 mm, and protrude into the closed discharge chamber 9 , The distance between the two needle electrodes is a few μm up to 2 mm. The plasma is formed between the needle tips, the coupling of the radiation here as well, as in the example of 2 , sideways through a UV-transparent window 8th in the discharge chamber 9 he follows. Fresh gas or gas mixture 4 is via the provided in the chamber wall inlet opening 12 fed and leaves the chamber through the outlet opening 7 ,

4 zeigt schließlich schematisch die Verbindung der vorliegenden UV-Lichtquelle 11 mit einem Hochspannungsgenerator 10. Die für die elektrische Anregung des Plasmas benötigte Spannungsamplitude hängt vom Abstand der Nadelspitze zum Dielektrikum 5 bzw. vom Abstand der beiden Nadelspitzen (im Fall der 3) ab. Weiterhin wird die Spannungsamplitude von der Gasart, dem Gasdruck und der Schichtdicke des Dielektrikums 5 bestimmt. Typische Werte der Spannungsamplitude liegen bei der vorliegenden UV-Lichtquelle zwischen 50 V und 30 kV. Der zeitliche Verlauf der Spannung kann annähernd den Verlauf einer Sinusfunktion haben oder auch aus bipolaren oder unipolaren Rechteckpulsen bestehen. Eine Anregung mit Rechteckpulsen mit Pulsdauern von einigen Nanosekunden bis Mikrosekunden kann die Effizienz der UV-Emission verbessern. Die Anregungsfrequenz liegt bei der vorliegenden UV-Lichtquelle zwischen 50 Hz und einigen 100 kHz. Technisch kann die Anregung durch Verwendung eines elektrischen Vorschaltgerätes (EVG, Inverter) realisiert werden, das mit den Elektroden der UV-Lichtquelle 11 verbunden ist. 4 finally, shows schematically the connection of the present UV light source 11 with a high voltage generator 10 , The voltage amplitude required for the electrical excitation of the plasma depends on the distance of the needle tip from the dielectric 5 or the distance between the two needle tips (in the case of 3 ). Furthermore, the voltage amplitude of the gas type, the gas pressure and the layer thickness of the dielectric 5 certainly. Typical values of the voltage amplitude in the present UV light source are between 50 V and 30 kV. The time profile of the voltage can have approximately the course of a sine function or consist of bipolar or unipolar rectangular pulses. Excitation with square pulses with pulse durations from a few nanoseconds to microseconds can improve the efficiency of UV emission. The excitation frequency is in the present UV light source between 50 Hz and a few 100 kHz. Technically, the excitation by using an electric ballast (ECG, inverter) can be realized, which with the electrodes of the UV light source 11 connected is.

11: HochspannungselektrodeHigh-voltage electrode
22: Erdungselektrodegrounding electrode
33: Blendenöffnungaperture
44: Gas bzw. Gasgemischgas or gas mixture
55: dielektrische Schichtdielectric layer
66: Kanal für Gaszufuhrchannel for gas supply
77: Auslassöffnung für GasOutlet opening for gas
88th: UV-transparentes FensterUV-transparent window
99: Entladungskammerdischarge chamber
1010: HochspannungsgeneratorHigh voltage generator
1111: UV-LichtquelleUV-light source
1212: Einlassöffnung für GasInlet opening for gas

Claims

UV light source with at least two spaced-apart electrodes ( 1 . 2 ), between which a dielectric ( 5 ) by the application of a high alternating voltage between the electrodes ( 1 . 2 ) a barrier discharge can be generated, wherein a discharge space between the two electrodes ( 1 . 2 ) with a plasma-excited state UV radiation emitting gas or gas mixture ( 4 ), characterized in that a first (1) of the two electrodes one to the other electrode ( 2 ) or provided with such a tip through which a shortest distance to the other electrode ( 2 ).

UV light source according to claim 1, characterized in that the first electrode ( 1 ) and / or the other electrode ( 2 ) with the dielectric ( 5 ) or another dielectric material is coated.

UV light source according to claim 1 or 2, characterized in that the gas or gas mixture ( 4 ) is or contains a noble gas or an excimer gas.

UV light source according to one of claims 1 to 3, characterized in that the gas or gas mixture ( 4 ) is under a pressure between 50 hPa (50 mbar) and 10 ⁶ Pa (10 bar).

UV light source according to one of claims 1 to 4, characterized in that the other electrode ( 2 ) is formed as a plate electrode.

UV light source according to one of claims 1 to 4, characterized in that the other electrode ( 2 ) is a convexly rounded electrode.

UV light source according to one of claims 1 to 4, characterized in that the other electrode ( 2 ) one to the first electrode ( 1 ) or provided with such a tip through which the shortest distance to the first electrode ( 1 ).

UV light source according to claim 7, characterized in that the other electrode ( 2 ) is designed as a needle electrode.

UV light source according to claim 7 or 8, characterized in that the tip, with which the other electrode ( 2 ), from the dielectric ( 5 ) or another dielectric material is formed.

UV light source according to one of claims 1 to 9, characterized in that the first electrode ( 1 ) is designed as a needle electrode.

UV light source according to one of claims 1 to 10, characterized in that the tip, with which the first electrode ( 1 ), from the dielectric ( 5 ) or another dielectric material is formed.

UV light source according to one of claims 1 to 11, characterized in that the first electrode ( 1 ) a channel extending through the tip ( 6 ) for the supply of the gas or gas mixture ( 4 ) to the discharge space.

UV light source according to one of claims 1 to 12, characterized in that the discharge space through a closed chamber ( 9 ) is formed, which has an outlet ( 7 ) for the gas or gas mixture ( 4 ) having.

UV light source according to claim 13, characterized in that the chamber ( 9 ) consists of a material which is not transparent to UV radiation, and a window transparent to a wavelength range of the emitted UV radiation ( 8th ) having.

UV light source according to one of claims 1 to 14, characterized in that the shortest distance is smaller or equal to 5 mm.