DE102012209078A1

DE102012209078A1 - Blitzlampe mit prismatischem Lampenkörper

Info

Publication number: DE102012209078A1
Application number: DE201210209078
Authority: DE
Inventors: Harald Gross
Original assignee: Von Ardenne Anlagentechnik GmbH
Current assignee: Von Ardenne GmbH
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-05-31
Also published as: DE102012209078B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blitzlampe mit einem prismatischen Lampenkörper (1), der an seiner Außenseite mit einem prismatischen Verstärkungskörper (4) formschlüssig verbunden ist, wobei der Verstärkungskörper (4) den Lampenkörper (1) in peripherer Richtung nur teilweise bedeckt, sowie eine Blitzlampenanordnung, umfassend eine rohrförmige Flowtube (7) mit mindestens einer darin angeordneten Blitzlampe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blitzlampe, insbesondere eine Hochspannungs-Bogenlampe mit einem prismatischen, beispielsweise hohlzylindrischen, d.h. rohrförmigen Lampenkörper, der beispielsweise aus Glas oder Quarz gefertigt sein kann.
Bei der Skalierung von langgestreckten Blitzlampen auf Längen über 1000mm spielt die Durchbiegung des Rohrs aus Quarzglas aufgrund der Gewichtskraft eine mit der Länge zunehmende Rolle. Wird beispielsweise eine 1700mm lange Blitzröhre mit einer Wandstärke von 1.5mm und einem Innendurchmesser von 22mm horizontal installiert und nur an den Enden durch Auflager gestützt, so ergibt sich eine Durchbiegung von ca. 0.6mm aufgrund des Eigengewichts des Glasrohrs. Soll nun die Länge auf 3800mm erhöht werden, vergrößert sich die Durchbiegung auf 10.7mm. Eine mechanische Aufhängung im mittleren Bereich der Blitzlampe scheint in der Praxis nur schwierig umsetzbar zu sein, wenn eine sogenannte Flowtube erforderlich ist. Zudem würde die Aufhängung einen negativen Effekt auf die Homogenität der Lichtemission haben. Als Flowtube wird ein meist rohrförmiger transparenter Körper bezeichnet, in dessen Innenraum die eigentliche Blitzlampe angeordnet wird. Diese beispielsweise hohlzylinderförmigen Körper dienen in erster Linie zur Kühlung des Lampenkörpers, wenn durch die Flowtubes ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel geleitet wird.
Aus der mechanischen Konstruktion ist bekannt, dass eine Vergrößerung des Innendurchmessers eines rohrförmigen Lampenkörpers zu einer deutlichen Verringerung der Durchbiegung führt, weil sich mit dem Durchmesser das Flächenträgheitsmoment des Querschnitts und damit die Biegesteifigkeit des Glasrohrs erhöht. Wird der Innendurchmesser bei gleicher Wandstärke auf 44mm erhöht, beträgt die Durchbiegung nur noch 3.2mm anstatt 10.7mm. Eine Verdopplung der Wandstärke hingegen hat keinen wesentlichen Effekt auf die Durchbiegung, da dadurch nicht nur die Biegesteifigkeit, sondern gleichzeitig auch das Eigengewicht erhöht wird.
Bei der Zündung der Blitzlampen erhöht sich deren Innendruck kurzzeitig auf ein Vielfaches des Fülldrucks, z.B. von 0.5bar auf 15bar. Die Druckfestigkeit von Glasrohren ist hauptsächlich von der maximal möglichen Zugspannung des Glases abhängig. Die durch den Innendruck erzeugte Zugspannung im Material erhöht sich bei konstanter Wandstärke und bei konstantem Innendruck mit zunehmendem Innendurchmesser des Glasrohrs. Bei einer Verdopplung des Innendurchmessers muss die Wandstärke deshalb ebenfalls ungefähr verdoppelt werden, damit die Spannung im Glas nicht zunimmt.
Eine größere Wandstärke des Glasrohrs hat jedoch Konsequenzen hinsichtlich der Kosten, insbesondere wenn ein hoher Reinheitsgrad des Quarzglases für eine gute UV-Transparenz gewünscht ist. Außerdem steigt die Lichtabsorption des Glases im kurzwelligen UV-Bereich des Emissionsspektrums proportional zur Wandstärke des Glasrohrs an und damit auch die unerwünschte Erwärmung der Glasrohrs. Der Wärmetransport von der Innenwand zur Außenwand des Glasrohrs ist in erster Näherung antiproportional zur Wandstärke, so dass die maximale Leistung der Blitzlampe im zeitlichen Mittel entsprechend reduziert werden muss.
Bei Blitzlampen steigt die Absorption des generierten Lichts durch das Plasma selbst mit der zu durchquerenden Strecke an, d.h. bei größeren Innendurchmessern der Blitzlampe wird ein steigender Anteil des auf der Mittelachse der Lampe generierten Lichts vom Plasma selbst absorbiert und in unerwünschte Wärmestrahlung umgewandelt.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine konstruktiv möglichst einfache Lösung zur Verringerung der Durchbiegung von Blitzlampen zu erreichen ohne den Innendurchmesser des Glasrohrs und folglich dessen Wandstärke zu erhöhen.
Dazu wird eine Blitzlampe mit einem prismatischen Lampenkörper vorgeschlagen, bei der der Lampenkörper an seiner Außenseite mit einem prismatischen Verstärkungskörper formschlüssig verbunden ist, wobei der Verstärkungskörper den Lampenkörper in peripherer Richtung nur teilweise bedeckt.
Prismatische Körper sind dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Verschiebung einer ebenen Figur entlang einer Geraden erzeugbar sind, die nicht in der Ebene der ebenen Figur liegt. In diesem Sinne soll der Begriff „prismatisch“ hier verstanden werden. Prismatische Körper sind beispielsweise Zylinder, Quader, prismatische Polyeder und dergleichen. Bekannt ist bei Blitzlampen die Verwendung von Lampenkörpern, die eine zylindrische Außenfläche aufweisen, d.h. die äußere Begrenzungsfläche hat einen kreisförmigen Querschnitt, dessen Verschiebung entlang einer auf dem Kreis senkrecht stehenden Achse die zylindrische Außenfläche des Lampenkörpers erzeugen würde. Andere Querschnittsflächen, beispielsweise beliebige Polygone, sind für die Ausführung der Erfindung ebenso möglich.
Für einen rohrförmigen Lampenkörper, d.h. einen Lampenkörper mit hohlzylindrischem Querschnitt, könnte der Verstärkungskörper beispielsweise eine konkave, d.h. nach innen gekrümmte Aufnahmefläche aufweisen, deren Krümmung der konvexen, d.h. nach außen gekrümmten Außenfläche des Lampenkörpers entspricht.
Um durch den Verstärkungskörper eine Verstärkungswirkung für den Lampenkörper zu erzielen, bedarf es zusätzlich einer formschlüssigen Verbindung zwischen Lampenkörper und Verstärkungskörper. Im genannten Fall einer zylindrischen Außenfläche des Lampenkörpers und einer entsprechend geformten Aufnahmefläche des Verstärkungskörpers könnte diese formschlüssige Verbindung zwischen beiden dadurch hergestellt werden, dass die Aufnahmefläche etwas mehr als die Hälfte der Außenfläche des Lampenkörpers bedeckt, d.h. sich peripher (d.h. in der Umfangsrichtung) über mehr als 180° erstreckt.
Alternativ können beispielsweise der Lampenkörper beidseitig je eine in der Längsrichtung verlaufende Nut und der Verstärkungskörper zwei damit korrespondierende Federn oder Finnen aufweisen, die in die beiden Nuten eingreifen.
Die Verbindung zwischen Lampenkörper und Verstärkungskörper kann in den genannten Fällen dadurch hergestellt werden, dass der Lampenkörper in der Richtung der Längsachse in die Aufnahmefläche des Verstärkungskörpers eingeschoben wird. Es ergibt sich damit eine formschlüssige Verbindung zwischen Lampenkörper und Verstärkungskörper, die ein Herausfallen des Lampenkörpers aus dem Verstärkungskörper quer zur Richtung der Längsachse verhindert, wenn die Blitzlampe horizontal verbaut wird. Für alle anderen Fälle kann zusätzlich eine Arretierung in der Längsrichtung geschaffen werden, beispielsweise indem der Lampenkörper zumindest punktuell mit dem Verstärkungskörper verklebt wird.
In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Blitzlampe kann vorgesehen sein, dass der Verstärkungskörper den Lampenkörper auch in axialer Richtung nur teilweise bedeckt, wobei Endbereiche des Lampenkörpers vom Verstärkungskörper nicht bedeckt sind. An den Endbereichen des Lampenkörpers befinden sich üblicherweise die elektrischen Anschlüsse der Blitzlampe, die üblicherweise in die Enden des Lampenkörpers eingeschmolzen sind, so dass die Elektroden der Blitzlampe im Innern des Lampenkörpers in je einem der beiden Endbereiche angeordnet sind.
Die oben beschriebene Ausgestaltung führt einerseits dazu, dass die von den Elektroden ausgehende Wärmestrahlung nicht durch den Verstärkungskörper beim Austritt aus dem Lampenkörper behindert wird, um eine Überhitzung der Blitzlampe zu vermeiden, und andererseits dazu, dass eine Entladung zwischen den beiden Elektroden über das Verstärkungselement verhindert wird, die ein Zünden der Blitzlampe erschweren oder verhindern könnte.
Eine weitere Ausgestaltung der vorgeschlagenen Blitzlampe sieht vor, dass der Verstärkungskörper zumindest an seiner dem Lampenkörper zugewandten Seite eine optisch reflektierende Oberfläche aufweist. Dies kann beispielsweise durch eine Beschichtung des Verstärkungskörpers mit einer optisch reflektierenden Schicht, beispielsweise aus Aluminium, Silber oder dergleichen, erreicht werden. Alternativ kann der Verstärkungskörper aus einem optisch reflektierenden Material wie Metall oder einer Metalllegierung bestehen, beispielsweise aus einem Aluminium-Strangpressprofil gefertigt sein. Dadurch dient der Verstärkungskörper gleichzeitig als Reflektor, so dass auch das primär zum Verstärkungskörper ausgesandte Licht durch Reflexion in entgegengesetzter Richtung und damit zum Substrat gelenkt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Blitzlampe ist vorgesehen, dass ein Verstärkungskörper gleichzeitig mit mindestens zwei Lampenkörpern formschlüssig verbunden ist. Auf diese Weise kann eine Anordnung mehrerer Lampenkörper durch einen gemeinsamen Verstärkungskörper zu einer Leuchte vereinigt werden, die beispielsweise annähernd flächig Licht erzeugt. Dies ist insbesondere dann von Nutzen, wenn diese Leuchte zur Belichtung flächiger Substrate wie Glasscheiben oder dergleichen Verwendung finden soll.
Zur besseren Wärmeabfuhr von der oder den Blitzlampen kann weiter vorgesehen sein, dass der Verstärkungskörper an seiner vom Lampenkörper abgewandten Seite mindestens eine Kühlrippe aufweist. Solche Kühlrippen können, insbesondere bei der Fertigung aus einem Strangpressprofil, mit dem Verstärkungskörper einstückig verbunden sein und tragen dazu bei, die im Lampenkörper entstehende Wärme effektiv abzutransportieren. Dies ist insbesondere dann günstig, wenn die Blitzlampe in einer Flowtube angeordnet ist, der gleichzeitig zur Durchleitung von Kühlmittel genutzt werden kann.
Vorgeschlagen wird daher weiterhin eine Blitzlampenanordnung, die eine Flowtube mit mindestens einer darin angeordneten Blitzlampe der oben beschriebenen Art umfasst. Die Flowtube kann besonders vorteilhaft bei einer Verwendung der beschriebenen Blitzlampen in Substratbehandlungsanlagen zum Einsatz kommen.
Derartige Substratbehandlungsanlagen umfassen üblicherweise eine Vakuumkammer und mindestens eine darin angeordnete Substratbehandlungseinrichtung, beispielsweise eine Ätzeinrichtung zur Oberflächenreinigung des Substrats, eine Beschichtungseinrichtung zum Aufbringen dünner Schichten auf das Substrat, eine starke Lichtquelle für Temper- oder Lithographieprozesse oder dergleichen. In sogenannten Durchlaufanlagen ist außerdem eine Transporteinrichtung angeordnet, auf der Substrate von einer Eingangsschleuse der Vakuumkammer zu einer Ausgangsschleuse der Vakuumkammer und dabei an mindestens einer Substratbehandlungseinrichtung vorbei bewegt werden. Blitzlampen werden in derartigen Anlagen beispielsweise dafür eingesetzt, auf die Substrate aufgebrachte Schichten zu tempern, Lithographieprozesse durchzuführen usw.
Die Flowtube ist aus transparentem Material, beispielsweise Glas oder Quarz gefertigt, um das von der Blitzlampe erzeugte Licht durchzulassen. Die Flowtube kann in solchen Anlagen beispielsweise so angeordnet sein, dass sein Innenraum mit der außerhalb der Anlagenkammer herrschenden Atmosphäre kommuniziert, so dass der Lampenkörper dem normalen Atmosphärendruck ausgesetzt ist. Gleichzeitig verhindert die den Lampenkörper umgebende Flowtube, dass Bruchstücke des Lampenkörpers in das Innere der Substratbehandlungsanlage gelangen und den Prozess gefährden, falls der Lampenkörper einmal brechen sollte.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Blitzlampe außerhalb des Lampenkörpers in je einem Abstandshalter gelagert ist, der innerhalb des Flowtube gehalten ist, so dass der Lampenkörper einen definierten Abstand zu den Wandungen des Flowtube hat. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Verstärkungskörper an mindestens einer Stelle mit der Flowtube verbunden ist. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass der Verstärkungskörper mit einer Innenfläche der Flowtube punktuell oder großflächig verklebt ist.
Der Verstärkungskörper kann in einer weiteren Ausgestaltung an seiner vom Lampenkörper abgewandten Seite mindestens eine Kühlrippe aufweisen und die mindestens eine Kühlrippe kann weiterhin an mindestens einer Stelle mit der Flowtube verbunden sein. Dadurch wird der Lampenkörper gleichzeitig in einer definierten Position innerhalb der Flowtube gehalten und gleichzeitig kann auf zusätzliche Abstandshalter verzichtet werden. Wird durch die Flowtube ein Kühlmittel geleitet, so wird die Wärme durch die Kühlrippen sehr effektiv auf das Kühlmittel übertragen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen
1 eine Blitzlampenanordnung im Längsschnitt,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Blitzlampenanordnung im Querschnitt, und
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Blitzlampenanordnung im Querschnitt.
In 1 ist ein Längsschnitt durch eine Blitzlampenanordnung gezeigt, bei der in einer rohrförmigen Flowtube 7 eine Blitzlampe angeordnet ist.
Die Blitzlampe weist einen prismatischen Lampenkörper 1 auf, der beidseitig verschlossen ist und an seiner Außenseite mit einem prismatischen Verstärkungskörper 4 formschlüssig verbunden ist. Der Verstärkungskörper 4 überdeckt den Lampenkörper 1 in peripherer Richtung nur teilweise, was in der gewählten Darstellung jedoch nicht erkennbar ist. Dieses Merkmal wird im Zusammenhang mit den 2 und 3 noch näher erläutert. Wie jedoch aus 1 ersichtlich ist, bedeckt der Verstärkungskörper 4 den Lampenkörper 1 auch in axialer Richtung nur teilweise, und zwar in einem mittleren Bereich zwischen den beiden Endbereichen. Die Endbereiche des Lampenkörpers 1 hingegen sind vom Verstärkungskörper 4 nicht bedeckt.
Mit anderen Worten ist der Verstärkungskörper 4 kürzer als der Lampenkörper 1 der Blitzlampe, um die Erwärmung der Elektroden 2, insbesondere der Kathode, durch reflektiertes Licht möglichst gering zu halten. Außerdem ist eine ausreichend lange Kriechstrecke zwischen Verstärkungskörper 4 und den unter Hochspannung liegenden Elektroden 2 gewährleistet, damit die Blitzlampe sicher zündet.
Die Elektroden 2 sind mit elektrischen Anschlüssen 3 verbunden, die aus dem Lampenkörper 1 heraus führen. Im Innern der Flowtube 7 sind beiderseits des Lampenkörpers 1 Abstandshalter 8 angeordnet, auf denen sich die elektrischen Anschlüsse 3 der Blitzlampe abstützen, so dass die Blitzlampe innerhalb der Flowtube 7 in einer definierten Position gehalten wird. Soll zur Kühlung der Blitzlampe ein Kühlmittel durch die Flowtube 7 geleitet werden, so müssen die Abstandshalter 8 so gestaltet sein, dass sie einen Durchfluss von Kühlmittel in axialer Richtung gewährleisten, d.h. die Abstandshalter 8 dürfen nicht den gesamten freien Querschnitt zwischen Flowtube 7 einerseits und Lampenkörper 1 bzw. Verstärkungskörper 4 andererseits einnehmen.
In der Querschnittsdarstellung von 2 ist die Anordnung einer Blitzlampe mit einem Verstärkungskörper 4 in einer Flowtube 7 gezeigt. Zur Kühlung der Blitzlampe strömt zwischen Flowtube 7 und Lampenkörper 1 der Blitzlampe entweder destilliertes Wasser oder ein Kühlöl oder ein Gas, vorzugsweise Stickstoff. Die Flowtube 7 selbst kann beispielsweise durch eine Vakuumkammer einer Substratbehandlungsanlage geführt sein.
Der Verstärkungskörper 4 ist aus einem Aluminium-Strangpressprofil gefertigt und weist damit an seiner dem Lampenkörper 1 zugewandten Seite eine optisch reflektierende Oberfläche auf. Das Strangpressprofil hat die Form einer langgestreckten Halbschale, d.h. es weist eine konkave Aufnahmefläche 5 für den Lampenkörper 1 auf. Der Verstärkungskörper 4 ist auf die Blitzlampe gesteckt, um die Durchbiegung des Lampenkörpers 1 zu verringern und das Licht in eine Vorzugsrichtung zu reflektieren. Aluminium eignet sich besonders gut, da dieses relativ gute Reflexionseigenschaften im UV-Bereich aufweist und ein guter Wärmeleiter ist. Alternativ können andere Materialien, die eventuell mit einer Reflexionsschicht versehen sind, verwendet werden. Die Aufnahmefläche des Verstärkungskörpers 4 umschließt dabei den Lampenkörper 1 der Blitzlampe um etwas mehr als 180 Grad, so dass die Blitzlampe nicht aus der Aufnahmefläche 5 rutschen kann. Der Verstärkungskörper 4 ist außerdem, wie oben beschrieben, kürzer als der Lampenkörper 1 der Blitzlampe, damit es nicht zu einem Kurzschluss zwischen Anode und Kathode aufgrund der angelegten Hochspannung kommen kann und andererseits beide Elektroden 2, insbesondere die Kathode, durch das vom Verstärkungskörper 4 reflektierte Licht überhitzen können.
In der Querschnittsdarstellung von 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Blitzlampen (Zwilling) mit einem gemeinsamen Verstärkungskörper 4 formschlüssig verbunden sind, wobei der Verstärkungskörper 4 zusätzlich Kühlrippen 6 aufweist, so dass der Wärmeübertrag zwischen Kühlmedium und Reflektor verbessert wird. Der Verstärkungskörper 4 weist zur Aufnahme der beiden Lampenkörper 1 der Blitzlampen zwei konkave Aufnahmeflächen 5 auf, die jeweils einen der beiden Lampenkörper 1 um etwas mehr als 180° umschließen, so dass die beiden Lampenkörper 1 formschlüssig in dem Verstärkungskörper 4 und in einer definierten Position innerhalb der Flowtube 7 gehalten werden.
Beide Blitzlampen könnten parallel an einer Stromversorgung angeschlossen werden. Hierbei ist die Lichtausbeute höher im Vergleich zu einer Blitzlampe mit einer Querschnittsfläche, welche doppelt so groß ist im Vergleich zu der Querschnittsfläche einer Zwillingslampe, da die im Plasma zurückgelegte Lichtstrecke geringer wird.
Bezugszeichenliste

1: Lampenkörper
2: Elektrode
3: elektrischer Anschluss
4: Verstärkungskörper
5: Aufnahmefläche
6: Kühlrippe
7: Flowtube
8: Abstandshalter

Claims

Blitzlampe mit einem prismatischen Lampenkörper (1), der an seiner Außenseite mit einem prismatischen Verstärkungskörper (4) formschlüssig verbunden ist, wobei der Verstärkungskörper (4) den Lampenkörper (1) in peripherer Richtung nur teilweise bedeckt.
Blitzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (4) den Lampenkörper (1) in axialer Richtung nur teilweise bedeckt, wobei Endbereiche des Lampenkörpers (1) vom Verstärkungskörper (4) nicht bedeckt sind.
Blitzlampe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (4) zumindest an seiner dem Lampenkörper (1) zugewandten Seite eine optisch reflektierende Oberfläche aufweist.
Blitzlampe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (4) aus einem Aluminium-Strangpressprofil gefertigt ist.
Blitzlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verstärkungskörper (4) gleichzeitig mit mindestens zwei Lampenkörpern (1) formschlüssig verbunden ist.
Blitzlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (4) an seiner vom Lampenkörper (1) abgewandten Seite mindestens eine Kühlrippe (6) aufweist.
Blitzlampenanordnung, umfassend eine rohrförmige Flowtube (7) mit mindestens einer darin angeordneten Blitzlampe nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Blitzlampenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blitzlampe außerhalb des Lampenkörpers (1) in je einem Abstandshalter (8) gelagert ist, der innerhalb der Flowtube (7) gehalten ist.
Blitzlampenanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (4) an mindestens einer Stelle mit der Flowtube (7) verbunden ist.
Blitzlampenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungskörper (4) an seiner vom Lampenkörper (1) abgewandten Seite mindestens eine Kühlrippe (6) aufweist und die mindestens eine Kühlrippe (6) an mindestens einer Stelle mit der Flowtube (7) verbunden ist.