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Die Erfindung betrifft eine Blitzlampe mit einem beidseitig verschlossenen Lampenkörper, wobei der Lampenkörper aus einem axial geradlinigen Glaskolben mit einer Länge l von über 500 mm und einem Außendurchmesser da von über 15 mm besteht, der an beiden Enden mit Elektroden versehen und gasdicht verschlossen ist.
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Es ist bekannt, Substrate einer schnellen thermischen Bearbeitung, dem sogenannten Rapid Thermal Processing, fachgemäß auch als RTP abgekürzt, zu unterziehen. Eine der bekanntesten Vertreter dieses Verfahrens ist die schnelle thermische Ausheilung, das sogenannte Rapid Thermal Annealing, fachgemäß auch als RTA abgekürzt.
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Auch wenn das RTP eine vielfältige Anwendung bei der Halbleiterherstellung findet, wird es auch für andere Prozesse, beispielsweise bei der Herstellung photoaktiver Schichten verwendet. Gerade bei dieser Anwendung werden sehr oft großflächige Substrate einem RTP-Prozess zu unterziehen sein.
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Für eine RTP-Anwendung werden Blitzlampen verwendet, wobei für eine flächige Bestrahlung des Substrats mehrere stabförmige Blitzlampen parallel in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind.
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Eine Blitzlampe oder mehrere zu einem Lampenfeld zusammengefasste Blitzlampen sind dem zu behandelnden Substrat gegenüberliegend, bei flächigen Substraten parallel zu diesem angeordnet.
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Für Substrate mit großer Breite sind wenige aber lange Blitzlampen von über 500 mm Länge kostengünstiger im Vergleich zu einer Vielzahl kürzerer Lampen. Bei axialen geradlinigen Blitzlampen mit einer derartigen Länge, die nur an deren Enden abgehängt sind, darf ein Mindestdurchmesser nicht unterschritten werden, um die Durchbiegung bei waagerechter Orientierung durch das Eigengewicht nicht übermäßig groß werden zu lassen.
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Beispielsweise weist ein Glasrohr mit einer Länge von 3700 mm, einer Wandstärke von 2 mm und einem Außendurchmesser von 26 mm eine Durchbiegung von etwa 10 mm auf. Vergrößert man nur den Außendurchmesser auf 60 mm, so ergibt sich eine Durchbiegung von nur 2,2 mm, obwohl die Gesamtmasse des Rohrs größer ist im Vergleich zu einem kleineren Durchmesser.
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Bei der Gasentladung in einer Blitzlampe steigt der Innendruck um ein Vielfaches des Fülldrucks durch Temperaturerhöhung des eingeschlossenen Gases, z.B. Xenon, an. Die auftretenden Kräfte dieses Druckstoßes sind dabei proportional zur Innenfläche des Glaskolbens und können daher dessen Bruchgrenze überschreiten, so dass es zu einer Explosion der Lampe kommen kann.
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Besonders kritisch sind dabei die hohen mechanischen Belastungen an den Enden der Blitzlampe. Im dynamischen Fall eines Druckstoßes spielen auch die Massen der Blitzlampenkomponenten eine dominante Rolle.
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Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung, die Explosionsgefahr einer Blitzlampe durch eine Erhöhung der Explosionsgrenze zu verringern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Blitzlampe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche zeigen besondere Ausgestaltungen hierzu.
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Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabenstellung sieht dabei vor, eine Blitzlampe der eingangs genannten Art so auszubilden, dass beide Enden mit einem eine axiale mechanische Schwingungsamplitude reduzierenden Mittel versehen sind.
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Durch die die axiale mechanische Schwingungsamplitude verringernden Mittel wird verhindert, dass ein dem Druckanstieg infolge der Zündung der Blitzlampe folgendes Nachschwingen des Lampenkörpers in axialer Richtung gedämpft wird. Durch diese Mittel wird ein Teil der mechanischen Energie der Schwingung in Wärmeenergie umgewandelt. Damit die Explosionsgefahr, die durch einen Bruch des Lampenkörpers infolge dieser axialen Schwingung auftreten kann, deutlich verringert. Mit anderen Worten wird damit die Explosionsgrenze einer erfindungsgemäßen Blitzlampe deutlich erhöht.
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In einer günstigen Ausgestaltung einer Blitzlampe ist vorgesehen, dass das eine axiale mechanische Schwingungsamplitude reduzierende Mittel zumindest durch eine Zusatzmasse m gebildet wird.
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Die Massen nehmen den durch den Druckstoß bei der Zündung erzeugten Impuls auf, so dass die maximal auftretenden Kräfte an den Lampenenden geringer werden. Das Glasrohr wirkt dabei wie eine Feder an deren Enden zwei Massen gekoppelt sind, so dass gedämpfte Oszillationen dieser Massen um deren Ruhepunkt in axialer Richtung der Lampe erfolgen. Der Druckanstieg während der Gasentladung beschleunigt diese Massen zuerst in die entgegengesetzte Richtung auf der Lampenachse und anschließend bei der Rückschwingung aufeinander zu. Dieser Vorgang läuft mit einer wesentlich kleineren Frequenz ab im Vergleich zur Gasentladung, so dass ein mechanisches „Nachschwingen“ der Lampe zu beobachten ist, jedoch mit einer erheblichen Dämpfung, je nach Größe der Zusatzmasse m.
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Zweckmäßiger Weise wird die Zusatzmasse m so bemessen, dass mit dem Elastizitätsmodul E des Glases, einem Innendurchmesser di des Glaskolbens, der Länge l des Glaskolbens der Wandstärke w und dem Zeitverlauf p(t) eines Gasdruckes im Inneren des Glaskolbens beim Zünden der Blitzlampe die Zug- und Druckbelastung σ in axialer Richtung
nicht überschritten wird. Damit wird eine klare Berechnungsgrundlage angegeben, die eine hinreichende Schwingungsdämpfung der Enden bewirkt.
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In einer Ausgestaltung der Blitzlampe ist vorgesehen, dass die Enden des Glaskolbens aus Glas bestehen und die Elektroden in das Glas eingebettet sind. Das ist eine an sich übliche Gestaltung, die jedoch die Möglichkeit bietet, mit herkömmlichen Mitteln Zusatzmassen zu erzeugen.
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So ist nämlich in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass die Zusatzmassen zumindest teilweise aus Glas, insbesondere aus dem Glas des an den Enden verschmolzenen Glaskolbens, bestehen. Da der Kolben aus einem Glasrohr hergestellt wird, dessen Enden so verschmolzen werden, dass beide Enden gasdicht verschlossen werden, kann bei dieser Ausführungsform vorgesehen werden, für das Verschmelzen ein längeres Stück des Rohres zu opfern, um somit in einfacher Weise die Zusatzmassen zu realisieren.
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Es ist auch möglich, die an sich bekannte Möglichkeit des Verschlusses mittels Endkappen bei der Realisierung der Erfindung zu nutzen, indem die beiden Enden mit Endkappen gasdicht verschlossen sind.
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Dabei besteht eine Möglichkeit darin, dass die Endkappen als metallische Endkappen ausgebildet sind. Dabei können diese Endkappen auch mit den Elektroden verbunden werden und zugleich zu Spannungsbeaufschlagung der Elektroden verwendet werden.
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Durch die Verwendung von Endkappen wird es möglich, dass die Endkappen zumindest teilweise die Zusatzmassen bilden.
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Die Zusatzmassen müssen nicht oder nicht nur durch eine Massevergrößerung an den Enden selbst erzeugt werden. Insbesondere dann, wenn die Elektroden eine mechanisch feste Verbindung zu den Enden aufweisen, können auch diese zur Erzeugung der Zusatzmassen dienen, indem beispielsweise der Elektrodenköper entsprechend schwergewichtig hergestellt wird oder die Zuleiten zu den Elektroden entsprechend massereich gestaltet werden. Dementsprechend sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Zusatzmassen zumindest teilweise durch die Elektroden gebildet werden.
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Nicht nur mittels Endkappen können die Zusatzmassen erreicht werden, es ist auch ergänzend oder alternativ möglich, dass die Zusatzmassen als an den Enden des Glaskolbens in das Innere des Glaskolben eingebrachte Inlets ausgebildet sind. Derartige Inlets greifen in das Rohinnere des Glaskolbens oder sind zumindest teilweise in dem Rohrinneren angeordnet.
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Dabei es möglich, dass die Elektroden in die Inlets eingebettet sind und die Inlets den Glaskolben gasdicht verschließen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Inlets aus Glas, vorzugsweise aus Glaslot, Keramik oder Metall bestehen. Bestehen sie aus Metall und ragen sie etwas aus dem Glaskolben heraus, können sie sogleich auch zur Kontaktierung der Elektroden verwendet werden.
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Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen werden, dass eine axiale mechanische Schwingungsamplitude reduzierenden Mittel zumindest teilweise durch je einen zwischen jedem Ende und einem festen Aufnahmepunkt angeordneten Stoßdämpfer gebildet wird. In diesem Falle nehmen die Stoßdämpfer einen Teil der Schwingungsenergie auf. Dabei ist es auch möglich, dass der Stoßdämpfer aus einer vorgespannten Feder besteht.
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Wird der Glaskolben mit Endkappen verschlossen, so besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung darin, dass zumindest eine der Endkappen, vorzugsweise beide Endkappen, in axialer Richtung des Lampenkörpers elastisch verformbar ausgeführt ist, vorzugsweise einen Bereich in Form eines Faltenbalgs aufweist.
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Obwohl die maximalen Kräfte durch die Zusatzmassen an den Enden des Glaskolbens erheblich reduziert werden, kann es bei der Rückschwingung immer noch zu einem seitlichen Ausweichen des Lampenkörpers aus der mittig liegenden Lampenachse kommen. Bei hohen Gasentladungsenergien können dabei die maximal zulässigen Zugspannungen des Glases überschritten werden. Durch die elastische Verformung der Endkappen können die Zusatzmassen m nur über die Federwirkung der elastischen Endkappe, insbesondere über den Faltenbalg auf den Glaskolben wirken. In der elastischen Verformung der Endkappen findet dann ein zusätzlicher Energieabbau der Schwingungsenergie statt.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
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1 einen schematische Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Blitzlampe mit einem metallischen Inlet,
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2 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Blitzlampe mit einem Inlet aus Glas und
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3 eine Darstellung eines zeitlichen Verlaufs einer Druckkraft an einem Ende eines Glaskolbens nach dem Zünden einer erfindungsgemäßen Blitzlampe.
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1 und 2 zeigen eine Blitzlampe 1 mit einem beidseitig verschlossenen Lampenkörper, wobei der Lampenkörper aus einem axial geradlinigen Glaskolben 2 mit einer Länge l von über 500 mm und einem Außendurchmesser da von über 15 mm besteht, der an beiden Enden 3; 4 mit Elektroden 5; 6 versehen und gasdicht verschlossen.
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Die erfindungsgemäßen Zusatzmassen sind als an den Enden 3; 4 des Glaskolbens 2 in das Innere 7 des Glaskolben 2 eingebrachte Inlets 8; 9 ausgebildet. Die Elektroden 5; 6 sind in die Inlets 8; 9 eingebettet, die den Glaskolben 2 gasdicht verschließen.
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Wie in 1 dargestellt, bestehen die Inlets 8; 9 aus Metall. Die Elektroden 5; 6 sind mit ihren Zuleitungen 10; 11 in diese metallischen Inlets 8; 9 einbettet und dementsprechend elektrisch leitendend verbunden. Die Inlets haben außerhalb des Inneren 7 liegende Außenteile 12; 13. Über diese können die Elektroden 5; 6 mit Zündspannung beaufschlagt werden.
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Wie in 2 dargestellt, bestehen die Inlets 8; 9 aus Glas. Sie können auch aus einem anderen geeigneten nichtleitendem Material bestehen, denn die Zuleitungen 10; 11 sind zwar in dem jeweiligen Inlet 8; 9 eingebettet, aber dennoch nach außen geführt, so dass sie an ihren herausragenden Enden 14; 15 mit der Zündspannung beaufschlagt werden können.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Enden 3; 4 mit Zusatzmassen m zu versehen, denn die Erfinder haben festgestellt, dass trotz Lampenexplosion die Strom-Spannungskennlinien während der Gasentladung noch vollständig aufgenommen werden können. Dies deutet darauf hin, dass die auftretenden Kräfte erst nach der Gasentladung und dem daraus resultierenden Impulsstoß die Bruchgrenze des Glases überschreiten. Folglich spielt nicht die Druckkraft des Blitzes selbst, sondern die resultierende Federkraft des Glases und damit dessen Masse die entscheidende Rolle für die Explosionsgrenze der Lampe. Durch die Zusatzmassen m, im Ausführungsbeispiel durch die als Zusatzmassen ausgeführten Inlets 8; 9, kann die resultierende Federkraft verringert werden.
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3 zeigt ein Beispiel für die Oszillation der Kraft an einem Lampenende 3 oder 4. Die hellblaue Kurve 16 stellt die Kraft durch den Druckstoß auf das Lampenende 3 oder 4 dar, welche nach ca. 400µs auf null zurückfällt. Wie die Kurve 17 der Federkraft zeigt, wird nach einer bestimmten Zeit 18 wird die Lampe zuerst gestreckt – die Massen 8; 9 der Lampenenden 3; 4 bewegen sich in entgegengesetzte Richtungen – und anschließend gestaucht – die Massen 8; 9 der Lampenenden 3; 4 bewegen sich aufeinander zu –. Je nach Dämpfungskonstante des Glases bzw. der Aufhängung der Lampe kann diese Oszillation ein Vielfaches der Blitzdauer betragen. Energetisch betrachtet wird die durch den Druckstoß eingebrachte Energie nicht sofort, sondern langsam durch die Dämpfung der Federschwingung einer Masse 3; 4 hauptsächlich in Wärme umgewandelt. Je größer die Masse m ist, desto geringer ist dabei die maximale Kraft auf die Lampenenden.
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Die Masse m der Zusatzmassen 3; 4 kann mit den Werten
- σ
- Zug- bzw. Druckbelastung des Glaskolbens in axialer Richtung
- E
- Elastizitätsmodul des Glases
- d
- Innendurchmesser des Glaskolbens
- m
- Masse der Zusatzmassen
- l
- Länge des Glaskolbens
- w
- Wandstärke des Glaskolbens
- p(t)
- Zeitverlauf des Gasdrucks (Puls, kurz gegenüber Eigenschwingungsdauer des Glases), Druckstoß
- t
- Blitzdauer
bestimmt werden aus der Umstellung der zuvor beschrieben Formel für die Zugbelastung des Glaskolbens
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Mit folgenden realistischen Werten und der umgestellten Eingangsformel
- σ
- 50 N/mm2
- E
- 72500
- d
- 22 mm
- m
- 35 g
- l
- 1700 mm
- w
- 1,5 mm
- t
- 350 µs
ergibt sich ein Druckstoß von P = 0,569 Ns/cm2 = 0,0569 bar·s.
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Der Einfachheit halber wurde angenommen, dass der Druck im Glasrohr über die gesamte Zeit t konstant ist.
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Damit kann der maximal mögliche Innendruck über die gesamte Pulsdauer ca. 163 bar unter der Annahme eines Rechteckpulses betragen, wodurch eine gegenüber herkömmlichen Blitzlampen erhöhte Betriebsgrenze erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Blitzlampe
- 2
- Glaskolben
- 3
- Ende
- 4
- Ende
- 5
- Elektrode
- 6
- Elektrode
- 7
- Inneres des Glaskolbens
- 8
- Inlet
- 9
- Inlet
- 10
- Zuleitung
- 11
- Zuleitung
- 12
- Außenteil
- 13
- Außenteil
- 14
- herausragendes Ende
- 15
- herausragendes Ende
- 16
- Kurve der Druckkraft an einem Ende
- 17
- Kurve der Federkraft
- 18
- Zeit der Streckung
