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Die
Erfindung bezieht sich einerseits auf eine verbesserte Vorrichtung
zur Staubabscheidung für Excimer-Laser,
andererseits auf ein verbessertes Verfahren zur Staubabscheidung
für Excimer-Laser.
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Excimer-Laser
finden zunehmend Anwendung in den verschiedensten Bereichen unseres
Lebens. So werden Excimer-Laser z.B. in der Materialbearbeitung,
der Halbleiterindustrie und in der Medizin bereits erfolgreich eingesetzt.
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Excimer-Laser
sind spezielle Molekül-Laser. Das
aktive Medium ist üblicherweise
ein Edelgas-Halogen-Gemisch, dessen Atome im Grundzustand nicht
gebunden sind, bei dem es jedoch einen angeregten (Excited) gebundenen
(Dimer) Zustand gibt. Dieser gebundene Zustand exsistiert nur im
Anregungszustand.
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Die
Laserstrahlung entsteht durch die Emission beim Zerfall der angeregten
Zustände.
Die Anregung des aktiven Mediums erfolgt über eine gepulste Hochspannungsgasentladung.
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Bei
der Gasentladung sputtern winzige Teile der Oberfläche der
Elektrode ab und das im Gas-Gemisch befindliche Halogen reagiert
mit dem Abbrand. Weiterhin kann auch die Elektrode ohne Gasentladung
mit den sehr reaktiven Halogenen reagieren. Diese Prozesse können zum
einen durch bessere Materialien zum anderen durch geeignete Geometrien
der Elektroden, Vorionisierung, etc. entgegengewirkt werden; vermeiden
lassen Sie sich jedoch nicht. Bei diesen Prozessen bildet sich Staub,
der sich auf den optischen Elementen, z.B. den Spiegeln, niederschlägt.
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Hierdurch
ist nach einer gewissen Anzahl von Laserschüssen, in der Regel in der Größenordnung
von 50 – 100
Millionen Laserschuss, eine Reinigung der Optik und der Laserkammer
notwendig.
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Zur
Reinigung muss die Laserkammer geöffnet werden. Anschließend ist
eine Neujustierung notwendig. Dies führt zu Standzeiten, da hierfür zum einen
speziell geschultes Servicepersonal vor Ort sein muss, zum anderen
möglicherweise
der Laser aus einer komplexeren Gesamtanlage ausgebaut und wieder
eingebaut werden muss. Dies kann unter Umständen eine komplette Neu-Justage
oder eine erneute Abnahme einer komplexeren Gesamtanlage erfordern.
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Durch
Einsatz eines elektrostatischen Staubabscheiders kann die freie
in der Röhre
befindliche Staubmenge reduziert werden. Hierdurch steht ein geringeres
Staubvolumen zum Niederschlag auf den optischen Elementen zur Verfügung. Hieraus
folgt, dass der Laser erheblich länger betrieben werden kann,
bis eine gleiche Menge von Staub auf den optischen Elementen niederschlagen
kann wie ohne Staubabscheider. Hierdurch verlängern sich die Wartungszyklen
und damit die kumulierten Standzeiten innerhalb des Betriebsauflaufs.
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In
der durchschnittlichen Lebensdauer der Gesamtröhre, die in der Größenordnung
von 1 Milliarde Schuss liegt, werden circa 10 – 20 Wartungszyklen notwendig.
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Elektrostatische
Staubabscheider sind in der Großentstaubungstechnik
weit verbreitet. Mit dieser Technik sind einerseits hohe Staubabscheidungsgade
zu erreichen und andererseits werden auch kleinste Partikel abgeschieden.
Dabei entsteht nur ein geringer Druckverlust bei einem geringen
Energiebedarf.
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Das
Entstaubungsprinzip ist, dass Staub mittels eines elektrischen Feldes
zwischen zwei Elektroden abgeschieden wird. Hierzu wird eine Gleichspannung
an die Elektroden angelegt. Die Elektroden können dabei unterschiedlichste
Ausformungen aufweisen. Zwischen den Elektroden bildet sich ein
elektrisches Feld aus. Das Gasgemisch mit dem Staub durchströmt den Querschnitt
des Filters und unter dem Einfluss des elektrischen Feldes laden
sich die Staubteilchen auf. Die nun geladenen Staubteilchen bewegen
sich nun in Richtung der entgegengesetzt gepolten Elektrode und
setzen sich daran ab.
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Häufig wird
die Sprühelektrode
mit der negativen Spannung verbunden, da diese eine inhärent bessere
Strom/Spannungs-Kennlinie aufweist. Da sich jedoch bei dieser Anordnung
eine hohe Ozon-Belastung ergibt, ist der Einsatzbereich limitiert.
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Als
Näherung
zur Beschreibung der Vorgänge
kann die sogenannte modifizierte Deutsch-Anderson-Gleichung herangezogen werden.
Diese beschreibt den Wirkungsgrad η eines solchen Abscheiders
als Funktion einer „effektiven
Partikeldriftgeschwindigkeit" we, der Abscheidefläche A und des Volumenstroms
des Gases Q.
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Die
effektive Partikeldriftgeschwindigkeit we ist
dabei eine Größe, die
von unterschiedlichen Parametern abhängig ist, unter anderem der
Geschwindigkeit des Gasstroms, von der Partikelgröße und der Stärke des äußeren elektrischen
Felds und dem elektrischen Widerstand des Staubes.
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Der
Abscheidegrad steigt dabei mit der elektrischen Feldstärke an.
Die obere Grenze ergibt sich bei der Durchschlagspannung. Die Durchschlagspannung
wiederum ist unter anderem abhängig
vom Gasgemisch und dem elektrischen Widerstand des Staubs. Weiterhin
ist die Durchschlagspannung abhängig
von der Art der elektrischen Ladung des Staubs.
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Bei
Verwendung in Excimer-Lasern sind jedoch Durchschläge nicht
tolerabel, da sie die Laseremission negativ beeinflussen können. Daher
muss die angelegte Gleichspannung kleiner als die Durchschlagspannung
sein.
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Da
die Staubabscheidung in Excimer-Lasern bisher unbefriedigend ist,
ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung zum einen eine verbesserte Vorrichtung
zur Staubabscheidung für
Excimer-Laser, der das Staubvolumen im Laser weiter reduziert und damit
noch höhere
Standzeiten ermöglicht,
zum anderen ein verbessertes Verfahren zum Staubabscheiden in Excimer-Laser,
welches das Staubvolumen im Laser weiter reduziert und damit noch
höhere Standzeiten
ermöglicht,
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Aufgabe wird einerseits durch eine verbesserte Vorrichtung zur Staubabscheidung
für Excimer-Laser,
der eine gepulste Hochspannungsquelle einsetzt, andererseits durch
ein verbessertes Verfahren, das eine gepulste Hochspannung einsetzt,
gelöst.
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Der
generelle Einsatz von elektrostatischen Staubabscheidern bietet
sich in der Excimer-Laser Technik
an, da mit dieser Technik sowohl hohe Staubabscheidungsgrade zu
erreichen sind als auch kleinste Partikel abgeschieden werden können. Vorteilhaft
weisen elektrostatische Staubabscheider nur einen geringen Druckverlust
bei einem geringen Energiebedarf auf.
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Will
man den Abscheidegrad erhöhen,
so ist die wirksamste Vorgehensweise, die Erhöhung des angelegten elektrischen
Feldes.
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Da
die Erhöhung
des angelegten elektrischen Feldes durch die Gleichspannungs-Durchschlagsspannung
begrenzt ist, wird die kurzzeitige Erhöhung der angelegten Spannung
vorgeschlagen. Da das elektrische Feld nicht sofort zu einem Durchschlag
führt – der Effekt
ist als Zündverzug
bekannt – kann
die angelegte Spannung und damit das Feld kurzzeitig auch weit über dieser
Durchschlagspannung liegen.
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Systeme
dieser Art sind bisher nur aus dem Großapparatebau bekannt, wo sie
beispielsweise zur Entfernung von Asche aus Rauchgasen von Kraftwerken
eingesetzt werden.
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Bisher
wurde der Einsatz von gepulster Hochspannung vermieden, da großtechnische
Staubabscheider auch die Möglichkeit
eines Durchschlags zulassen, da dieser z.B. in der Rauchgasentstaubung
keinen großen
Einfluss auf die vorgelagerten Aggregate hat. In der Excimer-Laser
Technik, die nun gerade dem Wesen nach eine Entladung voraussetzt,
könnte
dies jedoch fatale Folgen haben.
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Dennoch
erweist sich das System Excimer-Laser als ebenfalls geeignet für den Einsatz
gepulster Hochspannung. Durch eine geeignete Wahl von Impulsform,
Impulsfrequenz und Impulshöhe kann
der Abscheidegrad erhöht
werden und gleichzeitig ein Durchschlag zuverlässig vermieden werden.
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Da
ein Excimer-Laser ein geschlossenes System ist, können die
Parameter sehr präzise
bestimmt werden.
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Die
Bestimmung der Partikelgröße und/oder des
Staubwiderstandes kann dabei experimentell, durch Berechnung oder
durch Simulation ermittelt werden.
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Weiterhin
ist die Staubmenge, die entstehen kann, endlich, da der Excimer-Laser
ein geschlossenes System ist.
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Außerdem kann
die Sprühelektrode
auch mit einer negativen Spannung geladen sein, da dies zu einer
inhärent
besseren Strom/Spannungs-Kennlinie führt. Der in der Rauchgasreinigung
vorhandene negative Effekt, dass diese Anordnung zur Bildung von Ozon
führt,
spielt im geschlossenen System Excimer-Laser keine Rolle.
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Darüber hinaus
kann zu einer weiteren Verbesserung führen, dass die Elektroden unterschiedlichste
Ausformungen aufweisen können.
Zwei typische Hauptvertreter sind drahtförmige Sprühelektroden und rohrförmige oder
plattenartige Gegenelektroden, oder beide Elektroden sind als Platten
angeordnet.
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Weiterhin
können
die vorgenannten Elektroden weitere Modifikationen wie z.B. besonders
geformte Ausspitzungen aufweisen, um das elektrische Feld zu formen.
Dadurch können örtliche
Feldspitzen aufgebaut werden.
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Darüber hinaus
kann durch eine Vergrößerung der
Abscheidefläche
und/oder durch Reduzierung der Gasgeschwindigkeit die Verweildauer
des Staubes erhöht
werden. Dadurch kann der Staub besser ionisiert werden und damit
abgeschieden werden.
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend erläutert.
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Es
zeigt:
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1 Übersichtsansicht
eines Ausführungsbeispiels
eines Excimer-Lasers mit einem gepulsten elektrostatischen Staubabscheider.
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2 Detailansicht
einer mögliche
Anordnung der Elektroden eines Staubabscheiders eines weiteren Ausführungsbeispiel
eines Excimer-Lasers mit einem gepulsten elektrostatischen Staubabscheider
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Aus
der Darstellung gemäß 1 ist
eine Übersichtsansicht
eines Excimer-Lasers 1 mit einem gepulsten elektrostatischen
Staubabscheider 20 ersichtlich. Dabei befindet sich der
Staubabscheider 20 im Bereich der Gehäuseunterseite der Röhre 10.
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Wie
aus der 1 weiter ersichtlich ist, weist der
Excimer-Laser 1 eine Einrichtung zur Gaszirkulation 11 auf,
beispielsweise einen Ventilator, der das Gas durch den Staubabscheider 20 führt.
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Der
Staubabscheider 20 weißt
mindestens einen Hochspannungsdraht 21 auf. Mehrere Hochspannungsdrähte 21 können voneinander
durch U-förmige
Profile 23, die sich entlang der Röhre 10 erstrecken,
getrennt sein. Die U-förmigen
Profile 23 können
dabei leitfähig
sein und als Gegenelektrode wirken.
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Das
Röhren-Gehäuse 10 kann
ebenso als Gegenelektrode wirken. Andere Formen einer Gegenelektrode,
z.B. Röhren
um eine drahtförmige Sprühelektrode
oder Platten sind ebenso möglich.
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Weiterhin
können
Leitplatten 12 vorgesehen sein, die in der longitudinalen
Richtung der Röhre 10 erweitert
sind, um zumindest einen Teil des Gasstroms durch den Staubabscheider 20 zu
leiten. Nach dem passieren des Staubabscheiders wird das nun entstaubte
Gas zum Ventilator 13 geleitet und erneut durch den Laser
geführt.
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Die
Anordnung des Staubabscheiders 20 an der Unterseite der
Röhre 10 ist
besonders bevorzugt, da Staubpartikel nicht nur den Einwirkungen
der Strömung
unterliegen, sondern auch von der Schwerkraft beeinflusst werden.
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Dies
ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Laser längere Zeit
nicht in Betrieb ist. Beispielsweise, wenn der Laser für Behandlungszwecke
in der Medizin verwendet wird, treten aufgrund der üblichen Praxiszeiten
am Tag längere
Zeiträume
des Nichtbetriebs auf. In diesen Zeiträumen lagert sich der Staub aufgrund
der Schwerkraft ab. Es kommt damit zu einer vermehrten Ansammlung
an der Unterseite.
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Wird
der Laser wieder in Betrieb genommen, so kann nun der Staubabscheider 20 den
abgelagerten Staub effektiver binden.
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In
der Darstellung gemäß 2 ist
ein Detail 1 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines verbesserten
Staubabscheiders für
Excimer-Laser dargestellt. Hierbei sind Drähte 21 dargestellt,
die als Sprühelektroden
ausgelegt sind. Die Drähte 21 sind in
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
im wesentlichen axial angeordnet, so dass die Spannung ähnlich einem
Plattenkondensator zwischen den Drähten 21 und dem Röhren-Gehäuse 10 bzw.
den U-förmigen
Profilen 23 aufgebaut wird. Weiterhin sind keramische Isolationselemente 22 dargestellt,
an welchen die Sprühelektroden 21 befestigt
sind. Keramische Elemente 22 sind bevorzugt, da diese gegenüber den
Bedingungen im Laser innert sind und eine hohe Isolation bereitstellen.
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Durch
Wahl drahtartiger Sprühelektroden 21, die
orthogonal zum Gasstrom liegen, wird der Querschnitt des durchströmenden Volumens
besser von Staub gereinigt als bei einer Anordnung in Richtung des
Gasstroms. Eine Anordnung in Richtung des Gasstroms führt zu einer
besseren Reinigung eines Teilgasstromes, nämlich den, der parallel zum
Draht strömt.
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Es
kann jedoch vorgesehen sein, dass die Sprühelektroden eine andere Form
aufweisen, insbesondere eine Plattenform, da diese von den Vorzügen beider
Anordnungen Gebrauch macht.
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Darüber hinaus
kann durch Reduzierung der Gasgeschwindigkeit die Verweildauer des
Staubes erhöht
werden. Dadurch kann der Staub besser ionisiert werden und damit
abgeschieden werden. Dies kann z.B. durch eine größere Bemessung
des Durchtrittsquerschnitts im Vergleich zur Gaszuführung erreicht
werden, da der zur Verfügung
gestellte Gasstrom auf Grund des größeren Querschnittes langsamer
fließt.
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Zwischen
den Sprühelektroden 21 und
dem Gehäuse 10 wird
eine Spannung angelegt. Diese Spannung ist bevorzugt eine hohe Spannung,
z.B. eine hohe Wechselspannung, die jedoch auch einen Gleichspannungsanteil
haben kann.
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Das
Gasgemisch mit dem Staub durchströmt den Querschnitt des Filters
und unter dem Einfluss des elektrischen Feldes laden sich die Staubteilchen auf.
Die nun geladenen Staubteilchen bewegen sich unter dem Einfluss
elektrostatischer Kräfte,
nämlich der
Lorentzkraft, in Richtung der entgegengesetzt gepolten Elektrode(n)
und setzen sich hieran ab.
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Die
Höhe der
Spannung ergibt sich aus dem Staubwiderstand und dem Strom. Bevorzugt
wird ein gewisser Strom eingeprägt,
bei dem sich eine Brennspannung ergibt. Die Brennspannung ist dabei
unwesentlich kleiner als die Durchschlagsspannung.
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Die
Wahl der Brennspannung berücksichtigt dabei
auch eventuelle Staubablagerungen an den Sprüh- und Gegenelektroden, so
dass eine hierdurch veränderte
Feldform oder ein veränderter
Widerstand auch nicht zu einem Durchschlag führen kann. Bevorzugt ist die
Brennspannung etwa 95 % der Durchschlagsspannung.
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Die
Durchschlagspannung wiederum ist unter anderem abhängig vom
Gasgemisch und dem elektrischen Widerstand des Staubs. Weiterhin
ist die Durchschlagspannung abhängig
von der Art der elektrischen Ladung des Staubs.
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Typischerweise
ist die Durchschlagspannung negativ geladenen Staubs höher als
die positiv geladenen Staubs. Bevorzugt wird der Staub daher negativ
aufgeladen. Im geschlossenen System Excimer-Laser spielt der in
der Rauchgasreinigung vorhandene negative Effekt, dass diese Anordnung
zur Bildung von Ozon führt,
keine Rolle.
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Die
Sprühelektroden 21 werden
daher bevorzugt mit der negativen Spannung verbunden, da diese eine
inhärent
bessere Strom/Spannungs-Kennlinie aufweist. Es kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass die Sprühelektroden 21 mit
der positiven Spannung verbunden sind.
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Um
den Abscheidegrad zu erhöhen
wird das angelegte elektrische Feld impulsartig erhöht. Da das elektrische
Feld nicht sofort zu einem Durchschlag führt – der Effekt ist als Zündverzug
bekannt – kann die
angelegte Spannung und damit das Feld kurzzeitig auch weit über dieser
Durchschlagspannung liegen.
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Der
Abscheidegrad steigt dabei an und ist abhängig von der Impulsfrequenz
und der Impulshöhe
und der Impulsform. Bevorzugt ist, dass die Scheitelspannung der
gepulsten Hochspannung größer oder
gleich 150 % der Gleichspannungs-Durchschlagsspannung ist.
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Die
Impulsfrequenz ist weiterhin auch abhängig von der Staubgröße. Im vorliegenden
Fall sind daher Impulsfrequenzen vorteilhaft, die größer als
100 Hz und kleiner als 10 kHz sind. Besonders bevorzugt sind Frequenzen
in der Größenordnung von
1 kHz.
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Weiterhin
kann durch eine Formung des Pulses, z.B. durch eine sinusförmige, sägezahnförmige, rechteckförmige oder
deltaförmige Überlagerung
der impulsartigen Hochspannung, eine weitere Verbesserung erreicht
werden. Bevorzugt sind dabei deltaförmige Pulse.
