DE102011102970A1

DE102011102970A1 - Strahler mit einer eisenhaltigen Metallkomponente

Info

Publication number: DE102011102970A1
Application number: DE102011102970A
Authority: DE
Inventors: Erich Arnold
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2012-11-29
Also published as: EP2528083A2; EP2528083A3

Abstract

Ein Strahler (10), beinhaltend eine Kammer (30), wobei die Kammer (30) beinhaltet: – mindestens zwei in die Kammer (30) reichende Kontakte (40, 40'); – mindestens ein Edelgas (65), – eine Metallkomponente (70), beinhaltend eine Eisenverbindung (80), wobei die Metallkomponente (70) weniger als 1 Gew.-% Natrium und mindestens 70 Gew.-%, bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf die Metallkomponente (70), der Eisenverbindung (80) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Strahler, im Besonderen der UV-A Strahler. Diese Strahler können zur Bestrahlung von Substraten dienen, die zu einer Reaktion, induziert durch die Strahlung, gebracht werden sollen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Polymerisation bzw. Bräunung mit einem erfindungsgemäßen Strahler sowie Vorrichtungen und Verwendungen hierfür.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Strahler mit verschiedensten Metallmischungen für verschiedene Anwendungen bekannt. Zumeist weisen diese Strahler im edelgasgefüllten Entladungsraum des Strahlers neben Quecksilber (Hg) oder Zink (Zn) zur Spannungsregulation für die Entladung weitere Metalle bzw. Metallhalogenide auf, um das Spektrum des Strahlers zu beeinflussen. Nachteil dieser Strahler ist die Verwendung von umweltfeindlichen Schwermetallen, insbesondere Quecksilber, die nach Gebrauch der Strahler kostspielig entsorgt werden müssen.
In der GB 1280370 wird ein Strahler beschrieben, der zur Sonnensimulation dienen soll und darum Zink oder Eisen sowie Natrium enthält. Dieser Strahler erreicht jedoch nicht genügend Abstrahlung in dem gewünschten UV-A Wellenlängenbereichen, die für die entsprechenden Anwendungen notwendig sind.
Aufgabe der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mindestens einen der sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile mindestens teilweise zu überwinden. Insbesondere soll ein Strahler mit spektraler Abstrahlung im gewünschten UV-A Bereich erhalten werden, insbesondere zwischen 315 und 400 nm. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung einen Strahler bereitzustellen, der möglichst umweltfreundlich ist, insbesondere möglichst wenig Quecksilber enthält.
Beschreibung
Einen Beitrag zur Lösung mindestens einer der vorstehenden Aufgaben leistet die Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Patentansprüchen dargestellt.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Strahler, beinhaltend eine Kammer, wobei die Kammer beinhaltet:

– mindestens zwei in die Kammer reichende Kontakte;
– mindestens ein Edelgas,
– eine Metallkomponente, beinhaltend eine Eisenverbindung, wobei

Der Strahler weist eine Kammer, beispielsweise in Form eines Entladungsgefäßes auf, das dazu dient, die verschiedenen Bestandteile des Strahlers aufzunehmen. Die Kammer oder das Entladungsgefäß können aus einem beliebigen Material gefertigt sein, das der Fachmann kennt, um die Strahlung, die in der Kammer entsteht mindestens in einem gewünschten Wellenlängenbereich annähernd ungehindert durch treten zu lassen. Das kann beispielsweise ein Glas sein, das so gefertigt ist, dass es für die Strahlung des Strahlers transparent ist. Weiterhin sollte das Material der Kammer bei Betriebstemperatur, die über 1000°C liegen können, seine Form und Transparenz nicht ändern. Das Material der Kammer sollte darüber hinaus druckstabil sein, da die Kammer mit mindestens einem Gas, insbesondere Edelgas, gefüllt wird, das bei einem Druck in einem Bereich zwischen 300 und 500 mbar, vorzugsweise in einem Bereich von 350 bis 450 mbar, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 370 und 420 mbar in die Kammer, der auch als Kaltfülldruck bezeichnet wird, eingefüllt wird. Der Druck kann sich während des Betriebs aufgrund der sich einstellenden und auf die Gase wirkenden Temperatur in der Kammer stark erhöhen und dann ein Mehrfaches des Normaldrucks betragen. Bevorzugter weise besteht die Kammer aus einem Quarzglas.
Die Form der Kammer kann jede denkbare Geometrie annehmen. Vorteilhafterweise weist die Kammer eine Form auf, die dazu geeignet ist, die Funktion des Strahlers nicht zu beeinträchtigen. Die Kammer kann beispielsweise rund, oval, zylindrisch, eckig oder kreisförmig sein. Bevorzugt ist die Kammer länglich, beispielsweise in Form eines Zylinders ausgestaltet. Das Volumen der Kammer kann variabel ausgestaltet sein. Bevorzugt liegt das Volumen der Kammer in einem Bereich zwischen 1 und 100 cm³, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 2 und 50 cm³, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 3 und 10 cm³.
Weiterhin weist die Kammer mindestens zwei Kontakte auf. Diese Kontakte können auch als Elektroden bezeichnet werden. An die Elektroden wird während des Betriebs des Strahlers eine Spannung angelegt und die Spannung entlädt sich über die gashaltige Füllung der Kammer an den Kontakten bzw. Elektroden. Das Material der Kontakte ist vorzugsweise so beschaffen, dass es einerseits befähigt ist Strom zu leiten, andererseits sich nicht unter den Bedingungen während des Betriebs des Strahlers auflöst. Das Material kann jedes beliebige sein, dass der Fachmann zur Eignung unter diesen Bedingungen auswählt. Das Material enthält vorzugsweise mindestens 50 Gew.-%, bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-% eines Metalls. Dieses Metall kann ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Molybdän, Wolfram und Rhenium oder mindestens zwei davon.
Zur Befüllung der Kammer dient mindestens ein Edelgas, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Argon, Krypton und Xenon oder mindestens zwei davon. Es können zusätzlich weitere inerte Gase, die unter Betriebsbedingungen nicht mit Komponenten in der Kammer reagieren oder sich nicht zersetzen, in der Kammer vorhanden sein.
Weiterhin weist die Kammer eine Metallkomponente auf, beinhaltend eine Eisenverbindung, wobei die Metallkomponente weniger als 1 Gew.-% Natrium, bevorzugt weniger als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-% und mindestens 70 Gew.-%, bevorzugt mindestens 80 Gew.-%, besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf die Metallkomponente, der Eisenverbindung aufweist. Unter einer Eisenverbindung sind alle Eisenverbindungen zu verstehen, die unter den Bedingungen des Strahlers in Gebrauch flüchtig sind, aber vorzugsweise keine Ablagerungen an der Kammerwand vornehmen, sodass der Strahler nicht vorzeitig eintrübt. Dies können beispielsweise sämtliche Eisenchalkogenide oder Eisenhalogenide sein. Durch die Verwendung einer Eisenverbindung in dem Strahler wird erreicht, dass der Strahler hauptsächlich im UV-A Bereich, der bevorzugt in einem Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm liegt, emittiert. Es kann durch gezielte Beimischung von anderen Metallkomponenten erreicht werden, dass in gewünschten Wellenlängenbereichen eine erhöhte Emission des Strahlers erreicht wird. Beispiele für weitere Metallkomponenten werden an späterer Stelle vorgeschlagen.
In einem beispielhaften Zyklus des Betriebs eines erfindungsgemäßen Strahlers wird in einer ersten Phase mit einem Hochspannungsimpuls zwischen den Kontakten bzw. Elektroden – ähnlich wie bei einer Zündkerze – ein Funke erzeugt, der das ursprünglich elektrisch nicht leitende Gas ionisiert und dadurch einen leitfähigen Tunnel, oder auch Lichtbogen genannt, zwischen den Kontakten bzw. Elektroden schafft. In diesem Tunnel wird der elektrische Widerstand klein und es fließt Strom zwischen den Elektroden. In einer zweiten Phase, auch Anlaufphase genannt, wird die Lampe mit kontrollierter Überlast, im Vergleich zum später erwähnten Dauerbetrieb, betrieben. Durch den mit höherer Leistung betriebenen Lichtbogen steigt die Temperatur im Kolben rasch an und die vorhandenen Metallkomponenten, wie beispielsweise die Alkalikomponenten, beginnen zu verdampfen, dadurch ändert sich die Lichtfarbe. Der Dampfdruck in der Lampe und die Lichtabgabe nehmen zu. Der Widerstand sinkt dabei weiter zwischen den Elektroden. Wird beispielsweise ein Steuergerät zur Steuerung der angelegten Spannung an den Kontakten des Strahlers verwendet, so erkennt das Steuergerät das Erreichen des Sinkens des Widerstandes und geht automatisch in den Dauerbetrieb über. Im Dauerbetrieb, der dritten Phase des beispielhaften Betriebs eines Strahlers sind alle Metallkomponenten in der Dampfphase. Der Lichtbogen hat seine endgültige Form erreicht und die Lichtausbeute ihren Sollwert. Die zugeführte elektrische Leistung wird jetzt stabilisiert, damit der Lichtbogen nicht flackert.
Ferner ist es in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Strahlers bevorzugt, dass die Metallkomponente weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 8 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-% Zink und weniger als 10 Gew.-%, bevorzugt weniger als 8 Gew.-%, besonders bevorzugt weniger als 5 Gew.-% Quecksilber, bezogen auf die Metallkomponente, aufweist. Die geringe Menge an Zink und Quecksilber ist vor allem aus Umweltschutzgründen erstrebenswert. Die Strahler ohne Quecksilber müssen nach ihrer Lebensdauer nicht als Sondermüll entsorgt werden, was Energie und Kosten einspart.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Strahlers liegt die Konzentration der mindestens einen Eisenverbindung in einem Bereich von 0,09 bis 2 μmol/cm³, bevorzugt in einem Bereich von 1,2 bis 1,5 μmol/cm³. Durch die Dotierung des Strahlers in diesem Konzentrationsbereich wird einerseits erreicht, dass der Strahler hauptsächlich im UV-A Bereich, der in einem Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm liegt, emittiert. Weiterhin ist es in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Strahlers bevorzugt, dass die Eisenverbindung ein Eisenhalogenid ist, ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Eisenchlorid, Eisenbromid und Eisenjodid oder mindestens zwei davon. Die Wahl der Eisenverbindung als Halogenid weist den Vorteil auf, dass die Halogenide das Flüchtigkeitsverhalten der Eisenverbindung, positiv beeinflussen und nicht mit anderen Komponenten in dem Strahler reagieren. Weiterhin verhindern die Halogenide das frühzeitige Eintrüben des Strahlers, da sie einen Zyklus aufbauen, der niedergeschlagene Metalle an der Kammerwand wieder verflüchtigt.
Besonders bevorzugt ist die Eisenverbindung Eisenbromid. Das Bromid ist unter den Halogeniden das effektivste zur Verstärkung der Leuchtkraft der Metallionen, ohne die Elektroden chemisch übermäßig anzugreifen.
Ferner ist es in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Strahlers bevorzugt, dass das Edelgas ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Argon, Krypton und Xenon oder mindestens zwei davon.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Strahlers beträgt die emittierte Strahlung im Bereiche von 300 bis 450 nm mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60% der gesamten emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 bis 800 nm. Da UV-A Strahler bevorzugt im Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm Strahlung abstrahlen sollen, weist der erfindungsgemäße Strahler in diesem Wellenlängenbereich den grölten Anteil seiner abgestrahlten Strahlung auf. Bevorzugt beträgt die emittierte Strahlung im Bereiche von 315 bis 400 nm mindestens 30%, bevorzugt mindestens 40%, besonders bevorzugt mindestens 50% der gesamten emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich von 200 bis 800 nm.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung, wird eine Vorrichtung zur Polymerisation vorgeschlagen, beinhaltend

a. einen erfindungsgemäßen Strahler, wie zuvor beschrieben,
b. eine Substrathalterung.

Die Vorrichtung zur Polymerisation weist neben einem erfindungsgemäßen Strahler, wie er zuvor beschrieben wurde weiterhin eine Substrathalterung auf. Die Substrathalterung kann jede Form aufweisen, die geeignet ist, ein Substrat, wie beispielsweise eine zur Polymerisation vorbereitete Lösung, beispielsweise in Form einer Suspension oder ein Feststoff zu halten. Je nachdem, ob sich das Substrat in einem Gefäß befindet oder anderweitig aufgenommen wird, kann die Substrathalterung eine Gefäßhalterung, beispielsweise in Form einer Klammer aufweisen oder eine Fläche, um das Substrat so aufzunehmen, dass es vom Strahler ausreichend bestrahlt werden kann. Die Substrathalterung ist vorzugsweise in ihrem Abstand zu dem Strahler verstellbar, sowie kippbar. Auf diese Weise kann die Substrathalterung das Substrat in jedem gewünschten Winkel und in jedem gewünschten Abstand zum Strahler anordnen. Weiterhin kann die Vorrichtung eine Kühlung des Substrats vorsehen, falls bei der Polymerisation zu viel Wärme entsteht, die dem Substrat bzw. dem Produkt daraus schaden könnte. Dies kann eine reine Luft- oder Wasserkühlung oder eine Kombination aus Luft- und Wasserkühlung sein.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung, wird ein Verfahren zur Polymerisation vorgeschlagen, beinhaltend die Schritte:

i. Bereitstellen eines zu polymerisierenden Substrats; und
ii. Bestrahlen des Substrats mit einem erfindungsgemäßen Strahler.

Ein zu polymerisierendes Substrat kann beispielsweise eine Flüssigkeit sein, die durch die Polymerisation verfestigt wird. Das Substrat kann zur Polymerisation ausreichend nah an den Strahler herangebracht werden, um die Polymerisationsreaktion durch den Strahler zu starten. Das Bestrahlen kann jede denkbare Zeitdauer andauern, bevorzugt liegt die Zeitdauer des Bestrahlens in einem Bereich zwischen 1 Millisekunde und mehreren Tagen, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 Millisekunde und mehreren Stunden, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 1 Millisekunde und 100 Minuten. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die zuvor beschriebene Vorrichtung eingesetzt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bräunen vorgeschlagen, beinhaltend:

a. einen erfindungsgemäßen Strahler; und
b. eine Liegefläche.

Die Liegefläche kann aus jedem Material gefertigt sein und jede Form aufweisen, die geeignet ist einen Körper, der zur Bräunung vorgesehen ist aufzunehmen. Bevorzugt ist die Liegefläche eine gepolsterte Fläche, um den Körper welch lagern zu können. Bevorzugt ist die Länge der Liegefläche in einem Bereich von 1 cm bis 10 m, besonders bevorzugt in einem Bereich von 50 cm bis 5 m, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 1 m bis 3 m. Die Liegefläche kann Teil einer Halterung sein, die den Körper relativ zum Strahler bewegen kann. Die Halterung kann so ausgestaltet sein, dass die Liegefläche mit dem Strahler verbunden ist sodass Strahler und Liegefläche relativ zueinander beweglich angeordnet sind. Der Körper kann ein künstlicher oder ein tierischer oder ein menschlicher Körper sein. Bevorzugt weist die Liegefläche eine längliche Form auf. Die Liegefläche kann selbst auch mindestens einen Strahler aufweisen. Der mindestens eine Strahler kann sich über die gesamte Länge oder Breite oder Länge und Breite der Liegefläche erstrecken.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bräunung vorgeschlagen, beinhaltend die Schritte:

i. Bereitstellen eines Körpers; und
ii. Bestrahlen des Körpers mit einem erfindungsgemäßen Strahler.

Wie bereits für die Vorrichtung zum Bräunen vorgeschlagen, kann es sich bei dem Körper um einen künstlichen, aber auch um einen tierischen oder menschlichen Körper handeln, der bereitgestellt wird. Der Körper befindet sich bevorzugt auf einer Liegefläche einer Vorrichtung zum Bräunen, wie zuvor beschrieben. Die Bräunung kann bevorzugt mehrere Sekunden bis mehrere Stunden, bevorzugt eine Minute bis eine Stunde vorgenommen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die zuvor beschriebene Vorrichtung zum Bräunen eingesetzt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Strahlers, wie zuvor beschrieben, zur Polymerisation oder Bräunung vorgeschlagen.
Zudem gelten die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Strahler ebenso entsprechend für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Polymerisation bzw. zur Bräunung sowie für die erfindungsgemäßen Verfahren zur Polymerisation bzw. zur Bräunung. Dies gilt insbesondere für Materialien und räumliche Ausgestaltungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche beziehungsweise hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Im Einzelnen zeigen:
1: Schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strahlers;
2: Spektrum eines kommerziellen Hg-haltigen UV-A-Strahlers (Dosierung 1, P_el. = 350 W);
3: Spektrum eines Hg-freien, zinkhaltigen UV-A-Strahlers (Dosierung 2, P_el. = 350 W);
4: Spektrum eines Hg- und Zn-freien, erfindungsgemäßen UV-A-Strahlers (Dosierung 3, P_el. = 350 W);
5: Darstellung der relativen UV-A-Intensität als Funktion der Leistung für alle 3 Strahler aus 2–4;
6: Darstellung der Brennspannung der Strahler mit unterschiedlichen Dosierungen als Funktion der elektrischen Leistung;
7: Schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Polymerisation;
8: Schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bräunung.
In 1 ist ein erfindungsgemäßer Strahler 10 schematisch dargestellt. Der Strahler 10 weist eine längliche Kammer 30 auf, deren Kammerhülle 20 aus hochreinem Quarzglas besteht. Zwei Kontakte 40, 40' in Form von Elektroden 40, 40' ragen in die Kammer 30 hinein. Die im Wesentlichen aus Wolfram bestehenden Elektroden 40, 40' sind je an einem Ende der länglichen Kammer 30 angeordnet und stehen sich gegenüber. Die Elektrodenstifte 50, 50' der Elektroden 40, 40' sind mit je einer Molybdän(Mo)-Folie 60, 60' leitend verbunden. Diese Verbindung ist in diesem Fall durch Schweißen vorgenommen worden, kann jedoch auch auf andere dem Fachmann bekannte Weise zusammen gefügt werden. Die Mo-Folien 60, 60' ihrerseits sind über je einen angeschweißten Mo-Außendraht 55, 55' mit je einem elektrisch leitenden Sockel (nicht gezeigt) verbunden. Legt man eine hinreichend hohe Spannung, beispielsweise größer 1 kV, bevorzugt in einem Bereich von 300 bis 400 V, besonders bevorzugt in einem Bereich von 320 bis 370 V über die Außendrähte 55, 55' an die Elektroden 40, 40', so kommt es zur Entladung zwischen den Elektroden 40, 40' und ein Strom fließt durch die Kammer 30, die so auch als Entladungsraum 30 fungiert. Der Strahler 10 weist eine Gesamtlänge von ca. 4 cm, bei einem Querschnitt 45 über die Kammer 30 von 10,5 mm auf. Der Elektrodenabstand beträgt 31 mm. Der Querschnitt 45 ist jedoch nicht an allen Stellen über der Länge des Strahlers 10 gleich. Es ergibt sich ein Volumen der Kammer 30 von 3,2 cm3. Dies kann jedoch auch größer oder kleiner gewühlt werden. An den Außendrähten 55, 55' wird der Strahler 10 während des Betriebs an eine Spannungsquelle (hier nicht gezeigt) angeschlossen. Außerdem kann der Strahler an eine Steuerung angeschlossen werde, die den Dauerbetrieb des Strahlers 10 regelte (hier nicht gezeigt), wie dies für die im Folgenden gezeigten Experimente erfolgt ist.
Die Kammer 30 des Strahlers 10 Bus 1 wurde für 3 verschiedene Vergleichsversuche mit unterschiedlichen Komponenten befüllt. Verschiedene Dotierungen, im Folgenden Dosierungen 1, 2 und 3 genannt, wurden wie folgt gewählt:
1). Dosierung 1

Standardstrahler (Stand der Technik): kommerzieller Type (Produktname, Q490 Z4 von Heraeus Noblelight)
Dosierung: 8 mg Hg + 1 mg mit Fe-Verbindungen und restlicher Metallkomponenten (unbekannt) + 60 mbar Ar
8 mg Hg entsprechen bei einem Strahlervolumen von 3,2 cm³ einer Dichte von 2,5 mg/cm³ an Hg und insgesamt weist die Kammer eine Metalldichte von 2,81 mg/cm³ auf.

2). Dosierung 2

Hg-freier UV-A-Strahler mit Zink
Dosierung: 1 mg FeBr₂ + 1 mg ZnBr₂ + 400 mbar Xe
Bei einem Strahlervolumen von 3,2 cm³ entspricht dies insgesamt einer Metalldichte von 0,63 mg/cm³ in der Kammer.

3.) Dosierung 3

Hg-freier UV-A-Strahler ohne Zink (erfindungsgemäßer Strahler)
Dosierung: 1 mg FeBr₂ + 400 mbar Xe
bei einem Strahlervolumen von 3,2 cm³ entspricht dies insgesamt einer Metalldichte von 0,32 mg/cm³ in der Kammer.

Vor der Dotierung, oder auch Dosierung, wurden die Lampenkörper bzw. Kammer 30 an einem Pumpstand (Restdruck < 2 × 10–5 mbar) evakuiert und mit Hilfe einer Erdgas/Sauerstoff Flamme bei einer Temperatur von ~ 900°C für 1 min ausgeheizt, um alle Verunreinigungen, insbesondere Wasser (durch den Transport in Luft) aus dem Strahler 10 zu entfernen. Die Dotierung der flüssigen (im Fall von Quecksilber) und festen Komponenten erfolgte nach dem Abkühlen der Strahler 10 in einer luftdichten, handelsüblichen Handschuh-Box auf Raumtemperatur unter Argon-Atmosphäre bei Raumtemperatur. Nach dem Ausschleusen aus der Handschuh-Box wurden die Strahler 10 erneut evakuiert (Restdruck < 2 × 10–5 mbar) und mit der gasförmigen Komponente der Dotierung (Ar-Hg-haltiger Fall oder Xe-Hg-freier Fall), in diesem Fall Xenon bis zum jeweiligen angegebenen Fülldruck gefüllt.
Zur Vermessung der Strahler 10 mit den 3 unterschiedlichen Dotierungen 1, 2 und 3 wurden die Strahler 10 waagerecht unter gleichen elektrischen und Umgebungsbedingungen, bei reiner Konvektionskühlung durch die Umgebungsluft betrieben. Die emittierten Spektren wurden nach dem Einbrennen der Strahler 10 im thermischem Gleichgewicht, das sich nach ca. 5 bis 10 min einstellte, im Abstand von 1 m vom Strahler 10 mit Hilfe eines Mikro-Array-Spektrometers (Typ: USB 2000 der Firma Ocean Optics) vermessen. Als Vorschaltgeräte wurden kommerzielle Drosselkombinationen (erhältlich bei May & Christe GmbH, Deutschland) zur Strombegrenzung verwendet.
Während des Betriebs des Strahlers 10 verdampfen die flüssigen und festen Metallkomponenten 70 der Dotierung. Sie werden über den, durch den Strahler 10, fließenden Strom mittels Elektronenstoß angeregt und geben Strahlung mit einer charakteristischen Wellenlängenverteilung (Atom- oder Molekülstrahlung) ab. Durch geeignete Wahl der Dotierungsstoffe lässt sich das Spektrum, wie in den folgenden Spektren gezeigt, beeinflussen.
Die graphische Aufbereitung der Messungen bei einem Betrieb der Strahler 10 mit einer elektrischen Leistung von 350 W wird in den 2 bis 4 gezeigt In 2 ist ein Spektrum eines Strahlers 10 mit der Dotierung 1, auch Strahler mit 1. Dotierung 280 genannt, gezeigt. Die x-Achse 140 zeigt die vermessenen Wellenlängen, während auf der y-Achse 150 die relativen Intensitäten angegeben werden. In dem Spektrum in 2 ist sowohl ein Bereich mit Quecksilber-Spektrallinien 240 zu erkennen, sowie ein Bereich mit Spektrallinien restlicher Metalle 250, wie beispielsweise Eisen-Spektrallinien 270, die ebenfalls von dem Strahler 10 der Dosierung 1 emittiert werden.
3 zeigt ein Spektrum eines Strahlers mit 2. Dotierung 290, auch Strahler mit Dotierung 2 genannt. Die x-Achse 140 zeigt die vermessenen Wellenlängen, während auf der y-Achse 150 die relativen Intensitäten angegeben werden. Es können sowohl Zink-Spektrallinien 260 als auch Eisen-Spektrallinien 270 erkannt werden, die sich zum Teil überschneiden.
4 zeigt schließlich ein Spektrum eines Strahlers mit 3. Dosierung 300, auch Strahler mit Dotierung 3 genannt, der erfindungsgemäß ist. Die x-Achse 140 zeigt die vermessenen Wellenlängen, während auf der y-Achse 150 die relativen Intensitäten angegeben werden. Es können nur noch Eisen-Spektrallinien 270 gefunden werden, da keine weitere Metallkomponente 70 eingesetzt wurde.
Beim Vergleich der Intensitäten in den verschiedenen Wellenlängenbereichen der 2 bis 4, fällt auf, dass der Strahler mit 3. Dotierung 300 die größte Intensität in dem gewünschten Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm aufweist, während die beiden anderen Strahler 280 und 290 den größten Teil der Intensität außerhalb dieses Wellenlängenbereiches, nämlich bei 450 bis 550 nm aufweisen. Dies zeigt die Effektivität des erfindungsgemäßen Strahlers 300 in dem gewünschten UV-A Bereich.
In analoger Weise wurden alle Strahler 10 bei unterschiedlichen Leistungen, welche auf der x-Achse 140 der 5 abzulesen sind, spektral vermessen. Integriert man die Spektren aus den 2, 3 und 4 über den UV-A-Bereich (315–400 nm) und stellt das Resultat als Funktion der elektrischen Leistung, auf der y-Achse 150, graphisch dar, ergibt sich das Bild aus 5. Der Strahler mit 1. Dotierung 280 wurde bei 5 verschiedenen Leistungen in einem Bereich von 200 bis 470 W vermessen, während der Strahler mit 2. Dotierung für 4 verschiedene Leistungen in einem Bereich von 290 bis 400 W vermessen wurde und der Strahler mit 3. Dotierung 300 für 5 verschiedene Leistungen in einem Bereich von 140 bis 390 W vermessen wurde.
6 gibt die sich einstellenden Brennspannungen, aufgetragen auf der y-Achse 150, gemessen über den eingebrannten Strahlern in Abhängigkeit der elektrischen Leistung, aufgetragen auf der x-Achse 140, an. Man erkennt, dass der erfindungsgemäße Strahler mit 3. Dotierung 300 die niedrigste Brennspannung im gesamten Leistungsbereich aufweist.

Auch der Strahler mit der 2. Dosierung 290 weist relativ niedrige Brennspannungen auf, kann jedoch nicht die Leistung des Strahlers mit 1. Dotierung 280 und des Strahlers mit 3. Dotierung 300 erreichen, wie man aus 5 ablesen konnte. Obwohl der Strahler mit 1. Dotierung 280, der aufgrund seines Quecksilbergehalts eine niedrigere Brennspannung aufweist, erreicht der erfindungsgemäße Strahler mit 3. Dotierung 300 die gleichen Intensitätswerte im UV-A Bereich, wie der Hg-haltige Strahler aus dem Stand der Technik. Ein Vergleich der relativen Intensitäten in dem Bereich von 300 bis 450 nm ist für die 3 Strahlertypen zusätzlich in Tabelle 1 und für den Bereich von 315 bis 400 nm in der Tabelle 2 zusammengefasst. Über den breiten Wellenlängenbereich von 300 bis 450 nm liegt der Strahler mit der Dotierung 3 etwas unterhalb der Intensität des Strahlers mit der Dotierung 1. In dem interessanten UV-A Wellenlängenbereich von 315 bis 400 nm ist der Strahler mit der Dotierung 3 nahezu identisch mit dem Strahler mit der Dotierung 1. Die Intensitätswerte des Strahlers mit der Dotierung 2 liegt in beiden Wellenlängenbereichen deutlich unter denen der Strahler mit Dotierung 1 und Dotierung 3. Tabelle 1: Vergleich der rel. Intensitäten der drei Strahlertypen im Nutzstrahlungsbereich (300–450 nm) bei einem Betrieb mit P_el. = 350 W.

Strahler	Rel. Intensität 300–450 nm
Hg-haltiger kommerzieller UV-A-Strahler (Dotierung 1)	1
Hg-freier UV-A-Strahler mit Zn (Dotierung 2)	0,74
Hg-freier UV-A-Strahler ohne Zn (Dotierung 3)	0,93

Tabelle 2: Vergleich der rel. Intensitäten der drei Strahlertypen im UV-A-Bereich (315–400 nm) bei einem Betrieb mit P_el. = 350 W.

Strahler	Rel. Intensität 315–400 nm
Hg-haltiger kommerzieller UV-A-Strahler (Dotierung 1)	1
Hg-freier UV-A-Strahler mit Zn (Dotierung 2)	0,80
Hg-freier UV-A-Strahler ohne Zn (Dotierung 3)	0,99

7 zeigt eine Vorrichtung zur Polymerisation 100 mit einem erfindungsgemäßen Strahler 10 sowie einer Substrathalterung 110. In diese Substrathalterung 110 ist in diesem Beispiel ein Substrat 120 eingebracht, das von dem Strahler 10 der Vorrichtung 100 bestrahlt werden kann. Die Bestrahlungsrichtung 130 geht dabei vom Strahler 10 senkrecht auf die Substrathalterung 110. Je nachdem wie das Substrat 120 in die Halterung 110 eingebracht wird, kann das Substrat 120 von verschiedenen Seiten und aus unterschiedlichen Winkeln von dem Strahler 10 bestrahlt werden. Auch wenn hier nicht gezeigt, kann die Vorrichtung 100 einen Mechanismus zur Höhenverstellung als auch zum Kippen der Halterung 110 gegenüber dem Strahler 10 aufweisen.
Auch die Vorrichtung zum Bräunen 200, wie in 8 schematisch dargestellt, weist einen Strahler 10 auf sowie ein Liegefläche 210. Auf diese Liegefläche 210 kann ein Körper 220 angeordnet werden, der gebräunt werden soll. Die Liegefläche 210 kann ebenfalls einen Strahler beinhalten. Weiterhin kann die Liegefläche 210 kippbar und in ihrem Abstand zum Strahler 10 verstellbar gelagert sein.
Bezugszeichenliste

10: Strahler
20: Kammerhülle, Quarzglas
30: Kammer
40, 40': Kontakte, Elektroden
45: Querschnitt
46: Elektrodenabstand
50, 50': Elektrodenstift
55, 55': Außendrähte
60, 60': Mo-Folie
65: Edelgas
70: Metallkomponente
80: Eisenverbindung
90: Seltenerdmetall
100: Vorrichtung zur Polymerisation
110: Substrathalterung
120: Substrat
130: Bestrahlungsrichtung
135: Spektrum
140: x-Achse
150: y-Achse
160: minimaler Emissionswert
170: maximaler Emissionswert
180: Ergebniswert
200: Vorrichtung zum Bräunen
210: Liegefläche
220: Körper
240: Quecksilber Spektrallinien
250: Spektrallinien restlicher Metalle
260: Link-Spektrallinien
270: Eisen-Spektrallinien
280: Strahler mit 1. Dosierung
290: Strahler mit 2. Dosierung
300: Strahler mit 3. Dosierung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 1280370 [0003]

Claims

Ein Strahler (10), beinhaltend eine Kammer (30), wobei die Kammer (30) beinhaltet: – mindestens zwei in die Kammer (30) reichende Kontakte (40, 40'); mindestens ein Edelgas (65), – eine Metallkomponente (70), beinhaltend eine Eisenverbindung (80), wobei die Metallkomponente (70) weniger als 1 Gew.-% Natrium und mindestens 70 Gew.-%, bezogen auf die Metallkomponente (70), der Eisenverbindung (80) aufweist.
Der Strahler (10) nach Anspruch 1, wobei die Metallkomponente (70) weniger als 10 Gew.-% Zink und weniger als 10 Gew.-% Quecksilber, bezogen auf die Metallkomponente (70), aufweist.
Der Strahler (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Konzentration der mindestens einen Eisenverbindung (80) in einem Bereich von 0,09 bis 2 μmol/cm³, bevorzugt in einem Bereich von 1,2 bis 1,5 μmol/cm³ liegt.
Der Strahler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eisenverbindung (80) ein Eisenhalogenid ist, ausgesucht aus der Gruppe bestehend aus Eisenchlorid, Eisenbromid und Eisenjodid oder mindestens zwei davon.
Der Strahler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Eisenverbindung (80) Eisenbromid ist.
Der Strahler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Edelgas (65) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Argon, Krypton und Xenon oder mindestens zwei davon.
Der Strahler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die emittierte Strahlung im Bereich von 300 bis 450 nm mindestens 50%, bevorzugt mindestens 60% der gesamten emittierten Strahlung im Wellenlängenbereich 200 bis 800 nm beträgt.
Eine Vorrichtung zur Polymerisation (100), beinhaltend a. einen Strahler (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche; und b. eine Substrathalterung (110).
Ein Verfahren zur Polymerisation, beinhaltend die Schritte: i. Bereitstellen eines zu polymerisierenden Substrats (120); und ii. Bestrahlen des Substrats (120) mit einem Strahler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Das Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Vorrichtung nach Anspruch 8 eingesetzt wird.
Eine Vorrichtung zum Bräunen (200), beinhaltend: a. einen Strahler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7; und b. eine Liegefläche (210).
Ein Verfahren zur Bräunung, beinhaltend die Schritte: i. Bereitstellen eines Körpers (220); und ii. Bestrahlen des Körpers (220) mit einem Strahler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung eines Strahlers (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Polymerisation oder Bräunung.