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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Unterdruckbehälter zur
Erzeugung von Plasma, welches ultraviolettes Licht (UV) und Vakuumultraviolettes
Licht (VUV) bei geeigneter Anregung durch hochfrequente elektrische
Wellen emittiert nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine
Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht,
nach dem Oberbegriff des nebengeordneten Anspruchs 7.
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Die Erzeugung von UV-Licht und VUV-Licht durch
die Anregung eines Gases mit hochfrequenten elektrischen Wellen,
insbesondere mit Mikrowellen, ist bspw. aus der
DE 41 36 297 bekannt. Bei diesem UV-Strahler
ist, ebenso wie bei vielen anderen aus dem Stand der Technik bekannten
UV-Strahlern, die Energiedichte der Mikrowellen und des durch die
Mikrowellen erzeugten Plasmas stark ortsabhängig. In Folge dessen ist auch
die Energiedichte des emittierten UV- oder VUV-Lichts stark ortsabhängig. Dazu kommt
noch, dass viele der aus dem Stand der Technik bekannten UV-Strahler
eine Punkt- oder linienförmige
Strahlungsquelle darstellen und schon aus diesem Grund die Energiedichte
des emittierten UV-Lichts mindestens mit dem Quadrat des Abstands
zur Strahlungsquelle abnimmt.
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Zur Durchführung von fotochemischen oder fotophysikalischen
Prozessen, die vorzugsweise in gasförmiger, flüssiger oder fester Fase initiiert
werden, ist es jedoch erforderlich, dass die Energiedichte des von
der UV-Lichtquelle ausgesandten Lichts möglichst gleichmäßig und
ortsunabhängig
ist, um eine optimale Prozessqualität und -geschwindigkeit zu erzielen.
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Aus der
DE 199 55 671 A1 ist eine
Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma bekannt, bei dem der Versuch
unternommen wird, Plasma mit einer sehr homogenen Energiedichte
innerhalb einer Behandlungskammer bereitzustellen.
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Der Offenbarungsgehalt der o.g. Offenlegungsschriften
wird hiermit zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung gemacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
einen Unterdruckbehälter
zur Erzeugung von Plasma sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung von
UV-Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht,
bereitzustellen, bei denen das UV-Licht sehr homogen in die Umgebung des
Unterdruckbehälters
emittiert wird.
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Diese Aufgabe wird bei einem Unterdruckbehälter zur
Erzeugung von Plasma mit hochfrequenten elektrischen Wellen, insbesondere
Mikrowellen, wobei der Unterdruckbehälter mindestens teilweise durchlässig für hochfrequente
elektrische Wellen, insbesondere Mikrowellen ist, und mindestens
teilweise durchlässig
für UV-Licht,
insbesondere Vakuum-UV-Licht, ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Unterdruckbehälter
eine erste Behälterwand
und eine zweite im Wesentlichen parallel dazu verlaufende zweite
Behälterwand
aufweist, und dass mindestens die erste Behälterwand und/oder die zweite
Behälterwand
durchlässig
für hochfrequente elektrische
Wellen, insbesondere Mikrowellen ist, und/oder dass mindestens die
erste Behälterwand und/oder
die zweite Behälterwand
teilweise durchlässig
für UV-Licht,
insbesondere Vakuum-UV-Licht ist.
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Durch die Geometrie des Unterdruckbehälters mit
einer ersten Behälterwand
und einer im Wesentlichen parallel dazu verlaufenden zweiten Behälterwand,
hat der Unterdruckbehälter
die Eigenschaft eines Flächenstrahlers
und emittiert das UV-oder VUV-Licht
sehr gleichmäßig über die
gesamte Fläche der
ersten und/oder zweiten Behälterwand.
Durch dieses flächig emittierte
UV-Licht, können
verschiedenste fotochemische und fotophysikalische Prozesse so angeregt
werden, dass diese Prozesse gleichmäßig und mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit
ablaufen. Beispielsweise kann die Desinfektion von Trink- und Abwässern, Abgasen
und von festen Stoffen, wie bspw. Lebensmitteln, Nassoxidationsprozesse,
Synthesen, insbesondere von Vitaminen, und biochemische Prozesse
mit dem von dem erfindungsgemäßen Unterdruckbehälter emittierten
UV-Licht oder VUV-Licht initiiert werden.
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Der erfindungsgemäße Unterdruckbehälter kann
prinzipiell UVA, UVB, UVC und Vakuum-UV-Licht in einem Wellenlängenbereich
von 200 bis 400 nm (UV-Licht) sowie von 100 nm bis 200 nm (VUV-Licht) emittieren.
Die von dem Unterdruckbehälter
emittierten Wellenlängen
des UV-Lichts hängen
u. a. davon ab, mit welchem Gas oder Gasgemisch der Unterdruckbehälter gefüllt ist,
welcher Druck im Unterdruckbehälter
herrscht und wie das im Unterdruckbehälter befindliche Gas, bzw.
Plasma angeregt wird. Die Anregung des Gases im Unterdruckbehälter kann
bspw. durch ein hochfrequentes, induktiv oder kapazitiv erzeugtes
elektromagnetisches Feld oder durch Mikrowellenenergie erfolgen.
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Eine besondere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemäßen Unterdruckbehälters sieht
vor, dass der Unterdruckbehälter
einen ersten Anschluss für
die Zufuhr eines Gases oder Gasgemisches und einem zweiten Anschluss
zum Absaugen eines Gases oder Gasgemisches aufweist. Durch den ersten Anschluss und/oder
den zweiten Anschluss kann der Unterdruckbehälter mit verschiedenen Gasen
gefüllt werden
und auch der Druck im Unterdruckbehälter kann durch teilweise absaugen
des im Unterdruckbehälter
befindlichen Gases in weiten Grenzen eingestellt werden. Dadurch
ist es ohne Änderungen
des apparativen Aufbaus möglich,
UV-Licht verschiedenster Wellenlängen
mit dem erfindungsgemäßen Unterdruckbehälter zu
emittieren. Die Einstellung der Wellenlänge kann auch vollautomatisch
erfolgen.
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Zur Erhöhung der Druckfestigkeit des
Unterdruckbehälters
kann zwischen erster Behälterwand und
zweiter Behälterwand
mindestens ein Druckstab oder ein Steg vorgesehen sein.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn mindestens die erste Behälterwand
und/oder die zweite Behälterwand
aus Quarzglas, insbesondere Schuprasil, Ilmasil ps, SQ der Sico
Technology GmbH, 9530 Bad Bleiberg, Österreich, hergestellt werden.
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Zur Füllung des Unterdruckbehälters kann Edelgas,
ein Halogenid, Inertgase, Kohlenwasserstoffe Sauerstoff, Stickstoff
oder Mischungen bzw. chemische Verbindungen dieser Gase verwendet werden.
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Vorzugsweise wird der erfindungsgemäße Unterdruckbehälter bei
einem Druck zwischen 10–9 mbar und 1 bar betrieben.
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Durch die Auswahl des Gases oder
des Gasgemisches, welches in den Unterdruckbehälter gefüllt wird sowie des Drucks im
Unterdruckbehälter kann
das Emissionsverhalten des Unterdruckbehälters in weiteren Bereichen
variiert und gesteuert werden, so dass das emittierte UV-Licht optimal
an den photochemischen oder -physikalischen Prozess, der mit dem
von dem Unterdruckbehälter
emittierten UV-Licht initiiert werden soll, angepasst werden kann.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird
erfindungsgemäß bei einer
Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht, mit mindestens
einer Antenne zur Emission hochfrequenter elektrischer Wellen, insbesondere
elektrischer Wellen und mit einen Unterdruckbehälter nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gelöst,
dass der Unterdruckbehälter
ein Unterdruckbehälter
nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist, dass mindestens eine
Antenne zu dem Unterdruckbehälter
beabstandet angeordnet ist, und dass die mindestens eine Antenne
auf den Unterdruckbehälter
gerichtet ist.
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Dadurch, dass die mindestens eine
Antenne und der Unterdruckbehälter
einen nennenswerten Abstand voneinander haben, kann die Geometrie des
Unterdruckbehälters
unabhängig
von der Geometrie der mindestens einen Antenne optimiert werden.
Das gleiche gilt auch für
die Optimierung der Antennengeometrie. Die Antenne kann bspw. größer als der
Unterdruckbehälter
ausgeführt
werden und so gekrümmt
werden, dass die von der Antenne emittierte Mikrowellen oder elektrische
Wellen zum Unterdruckbehälter
hin konzentriert werden, so dass sich im Unterdruckbehälter ein
besonders homogenes und energiereiches Feld ergibt.
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Dabei hat es sich als vorteilhaft
herausgestellt, wenn die mindestens eine Antenne eben, gekrümmt oder
dreidimensional ausgebildet ist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn die Antennen so wie in der
DE 199 55 671 A1 beschrieben
ausgeführt
werden. Der Offenbarungsgehalt der
DE 199 55 671 A1 wird hiermit durch Verweis
zu einem Teil der vorliegenden Patentanmeldung gemacht. Die Leistungsfähigkeit
des erfindungsgemäßen Unterdruckbehälters als
UV-Lichtquelle oder VUV-Lichtquelle kann weiter gesteigert werden, wenn
eine erste Antenne auf die erste Behälterwand des Unterdruckbehälters gerichtet
ist und eine zweite Antenne auf die zweite Behälterwand des Unterdruckbehälters gerichtet
ist.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft
herausgestellt, wenn der Unterdruckbehälter in einem Reaktor angeordnet,
und der Reaktor mindestens teilweise durchlässig für hochfrequente elektrische
Wellen, insbesondere Mikrowellen, ist. Dadurch ist es möglich, mindestens
eine Antenne außerhalb
des Reaktors anzuordnen, wobei die mindestens eine Antenne durch
den oder die für
hochfrequente elektrische Wellen, insbesondere Mikrowellen, durchlässigen Bereiche
des Reaktors auf den Unterdruckbehälter gerichtet ist. Im Ergebnis
sind bei dieser erfindungsgemäßen Anordnung
die Antennen nicht den im Reaktor befindlichen Gasen, Flüssigkeiten
oder Feststoffen ausgesetzt, was die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit
der Antennen verbessert.
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Lediglich der in der Regel aus Quarzglas
hergestellte Unterdruckbehälter,
der ohnehin beständig gegen
eine Vielzahl von chemischen Substanzen ist, ist den im Reaktor
befindlichen Gasen, Feststoffen oder Flüssigkeiten ausgesetzt. Somit
ist auch nur der Unterdruckbehälter
der Gefahr ausgesetzt, zu verschmutzen oder chemisch mit den im
Reaktor befindlichen Stoffen zu reagieren. Eine eventuell erforderliche
Reinigung des glattflächigen
Unterdruckbehälters
ist sehr einfach, teilweise sogar automatisierbar, durchführbar.
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Diese erfindungsgemäße Vorrichtung
kann für
die verschiedensten Einsatzzwecke verwendet werden. Insbesondere
ist diese erfindungsgemäße Vorrichtung
für jegliche
fotochemischen oder fotophysikalischen Prozesse, die vorzugsweise
in gasförmiger,
flüssiger
oder fester Phase (auch Gele) initiiert werden können, geeignet. Die möglichen
Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
umfasst beispielsweise die UV-Desinfektion von Trink- und Abwässern, Abgasen
und von festen Werkstoffen (beispielsweise von Kunststofffolien,
die für
Verpackungszwecke in der Lebensmittelindustrie desinfiziert werden
müssen),
Oxidationsprozesse, Synthesen, beispielsweise von Vitamin D u. a.,
sowie biochemischen Prozesse, die mit UV-Licht initiiert werden
können.
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Insbesondere durch die erfindungsgemäße Anordnung
der Antenne außerhalb
des Reaktors kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch bei chemisch
sehr aggressiven Stoffen und bei Stoffen, die üblicherweise eine Verschmutzung
der Antennen bewirken würden,
eingesetzt werden.
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Der Reaktor kann erfindungsgemäß auch als Kanal
ausgebildet sein, sodass das durch den Reaktor strömende Medium,
wie beispielsweise Trink- oder Abwasser, während des Vorbeiströmens an dem
Unterdruckbehälter
mit UV-Licht beaufschlagt und dadurch desinfiziert wird.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung,
deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Zeichnung
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Es zeigen
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1:
eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Unterdruckbehälters,
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2:
der Unterdruckbehälter
gemäß 1 im Längsschnitt,
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3:
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von UV-Licht,
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4:
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von UV-Licht
und
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5:
ein drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von UV- und/oder
VUV-Licht
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Unterdruckbehälters 1 isometrisch dargestellt.
Der Unterdruckbehälter 1 hat
eine im Wesentlichen quaderförmige
Außenkontur,
wobei eine erste Behälterwand 3 und
eine nicht sichtbare zweite Behälterwand 5 einander
gegenüberliegen
und etwa rechteckige Abmessung haben. Die erste Behälterwand 3 und
die zweite Behälterwand 5 verlaufen
im Wesentlichen parallel zueinander, wobei der Abstand der ersten
Behälterwand 3 zur
zweiten Behälterwand 5 im
Vergleich zu der Länge
und der Breite der ersten Behälterwand 3 relativ
gering ist. Die vier anderen Behälterwände 7,
von denen in 1 nur zwei
sichtbar sind, verbinden die erste Behälterwand 3 mit der nicht
sichtbaren zweiten Behälterwand 5,
sodass in dem Unterdruckbehälter 1 ein
Volumen gasdicht umschlossen wird.
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Durch einen ersten Anschluss 9 kann
ein Gas, insbesondere ein Edelgas, ein Halogenid, ein Inertgas,
Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff, Stickstoff sowie eine Mischung oder
Verbindung dieser Gase in den Unterdruckbehälter 1 eingefüllt werden.
Durch einen zweiten Anschluss 11 kann das im Unterdruckbehälter 1 befindliche
Gas wieder abgesaugt werden oder ein gewünschter Unterdruck durch evakuieren des
vom Unterdruckbehälter 1 umschlossenen
Volumens eingestellt werden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, nur einen
ersten Anschluss 9 vorzusehen und durch diesen ersten Anschluss 9 sowohl
das Befüllen
als auch das Evakuieren des Unterdruckbehälters 1 vorzunehmen.
Allerdings ist die in 1 dargestellte
Variante mit einem ersten Anschluss 9 und einem zweiten
Anschluss 11 einfacher zu bedienen.
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Wenn die Füllung des Unterdruckbehälters 1 nicht
ausgewechselt werden soll, können
der erste Anschluß 9 und
der zweite Anschluß 11 nach
dem Befüllen
des Unterdruckbehälters 1 verschlossen werden.
Dies kann z. B. durch Abschmelzen geschehen.
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In der 2 ist
ein Längsschnitt
durch den Unterdruckbehälter 1 gemäß 1 dargestellt. In dieser
Darstellung sind sowohl die erste Behälterwand 3 als auch
die zweite Behälterwand 5 und
die weiteren Wände 7 sichtbar.
Wegen der vor allem auf die erste Behälterwand 3 und die
dieser Wand gegenüberliegende
zweite Behälterwand 5 wirkenden großen Druckkräfte, welche
zum Teil durch den im Innenraum 13 des Unterdruckbehälters 1 herrschenden
Unterdrucks verursacht werden, kann zwischen erster Behälterwand 3 und
zweiter Behälterwand 5 ein
Druckstab 15 oder einer oder mehrere Stege, die sich zwischen
erster Behälterwand 3 und
zweiter Behälterwand 5 erstrecken,
vorgesehen sein.
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Der Unterdruckbehälter 1 muss nicht
aus einem Material hergestellt sein. Die erste Behälterwand 3 und
die zweite Behälterwand 5 sowie
die weiteren Wände 7 können jeweils
aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Wichtig ist
jedoch, dass zumindest die erste Behälterwand 3 und/oder die
zweite Behälterwand 5 aus
einem Material hergestellt werden, dass sowohl für hochfrequente elektrische
Wellen, insbesondere Mikrowellen, durchlässig ist und außerdem das
im Innenraum 13 des Unterdruckbehälters 1 entstehende
ultraviolette Licht, insbesondere Vakuum-UV-Licht, durchlässt. Durch
die Beaufschlagung des im Innenraum 13 des Unterdruckbehälters 1 befindlichen
Gases mit hochfrequenten elektrischen Wellen, insbesondere Mikrowellen,
wird geht das Gas in die Plasma-Phase über und
emittiert UV-Licht oder Vakuum-UV-Licht (Excimerstrahler).
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Der erfindungsgemäße Unterdruckbehälter 1 kann – anders
als in den 1 und 2 dargestellt – auch gekrümmt, abgewinkelt
ellipsoid oder dreidimensional ausgebildet sein.
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In 3 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von UV-Licht, insbesondere VUV-Licht im Querschnitt
dargestellt.
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Ein Reaktor 17 ist in 3 als Teil einer Trinkwasserleitung
ausgebildet. Das bedeutet, dass der Reaktor 17 in
Längsrichtung,
d. h. senkrecht zur Zeichenebene, von Trinkwasser durchströmt wird. Das
den Reaktor 17 durchströmende
Medium – z.
B. Trinkwasser, Abwasser oder ein Gas – ist in 3 nicht dargestellt.
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In den Reaktor 17 ist ein
erfindungsgemäßer Unterdruckbehälter 1 eingebracht
worden, dessen erste Wand 3 und dessen zweite Wand 5 auf
Bereiche 19 und 21 des Reaktors 17 gerichtet
sind, die durchlässig
für hochfrequente
elektrische Wellen, insbesondere Mikrowellen, sind. Außerhalb
des Reaktors sind in der Nähe
der Bereiche 19 und 21 des Reaktors 17 eine
erste Antenne 23 und eine zweite Antenne 25 angeordnet.
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Die erste Antenne
23 und/oder
die zweite Antenne
25 sind flächig ausgebildet und können beispielsweise
so wie in der
DE 199
55 671 A1 beschrieben, ausgeführt sein. Auf den Offenbarungsgehalt dieser
Offenlegungsschrift wird hiermit ausdrücklich Bezug genommen und dieser
Offenbarungsgehalt wird hiermit zum Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung
gemacht.
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Die erste Antenne 23 und
die zweite Antenne 25 werden je von einem Generator 27,
insbesondere Mikrowellengenerator (Hohlleitermagnetron, Netzspnnungsgerät), mit
hochfrequenten elektrischen Wellen versorgt, sodass sie elektrische
Wellen, insbesondere Mikrowellen, durch die für für mirowellen durchlässigen Bereiche 19 und 21 in
das Innere des Reaktors 17 abstrahlen.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Reaktor 17 als zylindrischer Behälter ausgebildet.
Die mikrowellendurchlässigen
Bereiche 19 und 21 des Reaktors 17 weisen
ebenfalls die Form eines Zylinderabschnitts auf. Außerdem sind
die erste Antenne 23 und die zweite Antenne 25 an
die Geometrie des Reaktors 17 angepasst. Durch die geeignete
Gestaltung der Geometrie der ersten Antenne 23 und der
zweiten Antenne 25 kann, bei Bedarf, die von der ersten Antenne 23 und
der zweiten Antenne 25, emittierten Wellen, insbesondere
Mikrowellen, so konzentriert werden, dass im Bereich des Unterdruckbehälters 1 eine
homogene und hohe Energiedichte der Mikrowellenstrahlung herrscht.
Dadurch wird die Emission von UV-Licht mit besonders hoher Leistungsdichte bei
gleichzeitig guter Homogenität
unterstützt.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn der Unterdruckbehälter 1 UV-Licht
mit einer Wellenlänge im
Bereich zwischen 200 Nanometern und 400 Nanometern und/oder VUV-Licht
mit einer Wellenlänge
im Bereich zwischen 100 Nanometern und 200 Nanometern emittiert.
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In 5 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Druafsicht und einem Längsschnitt
dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Reaktor nicht dargestellt. Es gilt jedoch bezüglich des
Reaktors das zu den Ausführungsbeispielen
nach den 3 und 4 gesagte entsprechend.
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Bei dem dritten Ausführungsbeispiel
gemäß 5 ist der Unterdruckbehälter 1 als
doppelwandiger Hohlkörper
ausgeführt.
eine innere Wand 29 umschließt eine erste Antenne 23 vollständig und
gas- bzw. flüssigkeitsdicht.
Diese innere Wand 29 ist mindestens teilweise durchlässig für hochfrequente
elektrische Wellen, insbesondere Mikrowellen, die von der ersten
Antenne 23 emittiert werden.
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Die innere Wand 29 und eine äußere Wand 31 begrenzen
den Innenraum 13 des Unterdruckbehälters 1. Die äußere Wand 31 ist
zumindest teilweise durchlässig
für UV-
und/oder VUV-Licht.
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Wenn das im Innenraum 13 befindliche
Gas von den von der ersten Antenne 23 ausgestrahlten hochfrequenten
elektrischen Wellen, insbesondere Mikrowellen, angeregt wird, geht
es in den Plasma-Zustand über
und emittiert durch die äußere Wand 31 UV-
und/oder VUV-Licht; je nach Füllung und
Druck des im Innenraum 13 befindlichen Gases oder Gasgemisches
und dessen Anregung durch die erste Antenne 23.
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Über
Anschlüsse 33 wird
die erste Antenne mit einem nicht dargestellten Mikrowellengerator oder
dergleichen kontaktiert. Die Anschlüsse 33 werden gas-
und flüssigkeitsdicht
durch die äußere Wand 31 und
die innere Wand 29 hindurchgeführt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Abstände zwischen
erster Antenne 23 und Innenraum 13 des Unterdruckbehälters 1 relativ
kurz und überall nahezu
gleich, so dass die Intensität
des im Innenraum 13 erzeugten Plasmas und der vom Plasma emittierten
UV- und/oder VUV-Strahlung ebenfalls sehr hoch und gleichzeitig
sehr homogen ist.
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Der Unterdruckbehälter 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel
wird, mitsamt der ersten Antenne, die ja durch die äußere Wand 31 und
die innere Wand 29 hermetisch von der Umgebung abgetrennt ist,
in einen Reaktor (nicht dargestellt) gebracht und kann durch die
Emission von UV- und VUV-Licht nahezu beliebige photochemische oder
photelektrische Prozesse intiieren.