DE19526211A1

DE19526211A1 - Verfahren zum Betreiben von Entladungslampen bzw. -strahler

Info

Publication number: DE19526211A1
Application number: DE19526211A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr Vollkommer; Lothar Dr Hitzschke; Klaus Dr Stockwald
Original assignee: Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1995-07-18
Filing date: 1995-07-18
Publication date: 1997-01-23
Also published as: HK1015114A1; JPH11509362A; WO1997004625A1; JP3856473B2; EP0839436B1; DE59605924D1; US5994849A; EP0839436A1; CA2224362C; CN1113582C; KR19990028648A; HUP0004552A2; HUP0004552A3; IN190521B; CA2224362A1; KR100363751B1; CN1191061A; HU223365B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben inkohärent emittierender Strahlungsquellen, insbesondere von Entladungslampen, mittels dielektrisch behinderter Entladung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter in kohärent emittierenden Strahlungsquellen sind UV- und IR-Strahler sowie Entladungslampen, die insbesondere sichtbares Licht abstrahlen, zu verste hen.

Sie geht aus von der EP 0 363 832, in der ein UV-Hochleistungsstrahler mit paarweise an die beiden Pole einer Hochspannungsquelle angeschlossenen Elektroden offenbart ist. Dabei sind die Elektroden, voneinander und vom Entladungsraum des Strahlers durch dielektrisches Material getrennt, ne beneinander angeordnet. Derartige Elektroden werden im folgenden ver kürzend als "dielektrische Elektroden" bezeichnet. An die dielektrischen Elektroden wird eine Wechselspannung in der Größenordnung von mehre ren 100 V bis 20000 V bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechsel stroms bis zu einigen kHz gelegt derart, daß sich eine elektrische Gleitentla dung im wesentlichen nur im Bereich der Dielektrikumsoberfläche ausbil det. Der wesentliche Nachteil ist, daß Gleitentladungen die Oberfläche ins besondere thermisch belasten, weshalb auch Kühlkanäle zur Abfuhr der Wärme aus dem Dielektrikum vorgeschlagen sind. Durch die unvermeidli che, erhebliche Wärmeerzeugung dieses Entladungstyps ist der Wirkungs grad für die Erzeugung von Strahlung insbesondere im UV- und VUV- Bereich eingeschränkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen und ein Verfah ren zum Betreiben einer dielektrisch behinderten Entladung zur effizienten Erzeugung von Strahlung anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale sind in den Unteransprüchen erläutert.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, im Innern des Entladungs gefäßes eine räumliche Entladung zu erzeugen, die in den Bereichen zwi schen Elektroden gegensätzlicher Polarität einen Abstand zur Oberfläche der Innenwandung des Entladungsgefäßes aufweist. Während im Stand der Technik eine Vielzahl von Gleitentladungen längs der Oberfläche des Die lektrikums zur Erzeugung von UV-Strahlung dienen, wird hier eine sich von der Dielektrikumsoberfläche ablösende, räumlich innerhalb des Entladungs gefäßes ausgedehnte Entladung genutzt. Die dadurch erzielten Vorteile sind eine höhere Effizienz der Erzeugung von UV- bzw. VUV-Strahlung und folglich eine geringere Wärmeentwicklung sowie eine zwischen den Elek troden homogenere, räumlich diffuse Leuchtdichteverteilung. Letzteres ist insbesondere für fotolithografische Anwendungen von Bedeutung.

Eine Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, die dielek trischen Elektroden mit einer eine Folge von Spannungspulsen liefernden Spannungsquelle zu verbinden. Die einzelnen Spannungspulse sind jeweils durch Pausenzeiten voneinander getrennt.

Ausgehend von einem repetitiven Spannungspuls, werden Pulsbreite und Pausenzeit so gewählt, daß sich die erfindungsgemäße räumliche, sich teil weise von der Dielektrikumsoberfläche ablösende Entladung einstellt. Typi sche Pulsbreiten sowie Pausenzeiten liegen im Bereich zwischen 0,1 µs und 5 µs bzw. im Bereich zwischen 5 µs und 100 µs, entsprechend einer Pulswie derholfrequenz im Bereich zwischen 200 kHz und 10 kHz.

Die optimalen Werte für die Pulsbreite und die Pausenzeit sind im Einzelfall von der konkreten Entladungskonfiguration abhängig, d. h. von Art und Druck der Gasfüllung sowie der Elektrodenkonfiguration. Die Elektroden konfiguration ergibt sich aus Art und Dicke des Dielektrikums, der Fläche und Form der Elektroden sowie dem Elektrodenabstand. Entsprechend der Entladungskonfiguration ist das anzulegende Spannungssignal derart zu wählen, daß sich eine von der Dielektrikumsoberfläche ablösende Entladung einstellt, die eine maximale Strahlungsausbeute bei gewünschter elektrischer Leistungsdichte besitzt. Prinzipiell sind auch die in der WO 94/23442 offen barten Folgen von Spannungspulsen geeignet. Die Höhe der Spannungspul se beträgt typisch zwischen ca. 100 V und 10 kV. Die Form der Strompulse wird durch die Spannungspulsform und die Entladungskonfiguration be stimmt.

Für die Elektrodenkonfiguration eignen sich zwei oder mehrere längliche Elektroden aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. metallische Drähte oder Streifen aber auch auf die Gefäßwand aufgebrachte, beispielsweise aufge dampfte, schmale Schichten. Bevorzugt sind die Elektroden zueinander parallel und äquidistant angeordnet. Dies ist wichtig, um für alle Entladun gen zwischen den jeweils benachbarten Elektroden gleiche Bedingungen zu gewährleisten. Dadurch wird eine großflächige und homogene Ausleuch tung sichergestellt. Außerdem wird auf diese Weise bei geeigneter Pulsfolge eine optimale Strahlungseffizienz erzielt. Die Lateralabmessungen - d. h. die Durchmesser der Drähte bzw. Breiten der Streifen - von Anode bzw. Katho de können verschieden sein.

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren eignet sich für eine Vielzahl mög licher Entladungsgefäßgeometrien, insbesondere auch für all jene, die in der EP 0 363 832 A1 offenbart sind. Dabei spielt es keine Rolle, ob das Entla dungsgefäß eine Gasfüllung enthält und gasdicht verschlossen ist, wie z. B. bei Entladungslampen, oder ob es beidseitig offen und von einem Gas oder Gasgemisch durchströmt ist, wie z. B. bei photolytischen Reaktoren. Ent scheidend für die Betriebsweise ist lediglich, daß die dielektrischen Elektro den nebeneinander angeordnet sind. Nebeneinander bedeutet hier, daß be nachbarte Elektroden unterschiedlicher Polarität gleichsam auf einer Seite der Entladungszone liegen.

Die Elektroden können in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sein, z. B. auf einer Außenseite einer Wandung des Entladungsgefäßes - evtl. zusätz lich mit einer dielektrischen Schutzschicht bedeckt - oder aber direkt in die Wandung eingebettet . . Außerdem ist es möglich die Elektroden in verschie denen, bevorzugt zueinander parallelen Ebenen auf einer Seite der Entla dungszone anzuordnen. Beispielsweise sind die aufeinander folgenden Elektroden wechselnder Polarität je nach Polarität in einer von zwei gegen einander versetzten Ebenen angeordnet, wie z. B. in der DE 40 36 122 A1 of fenbart.

Bei ebenen Entladungsgefäßen dient als Wandung zur Anordnung der Elektroden vorteilhaft die Grund- oder Deckfläche. Ebene Entladungsan ordnungen eignen sich insbesondere für großflächige, ebene Beleuchtungs zwecke, z. B. für die Hintergrundbeleuchtung von Anzeigetafeln oder LCD- Bildschirmen, bzw. für Bestrahlungszwecke, z. B. Photolithografie oder Aus härtung von Lacken.

Außer ebenen Anordnung sind auch gekrümmte Entladungsgefäße geeig net, beispielsweise rohrförmige. Rohrförmige beidseitig offene und von ei nem Gas oder Gasgemisch durchströmte Anordnungen eignen sich insbe sondere als photolytische Reaktoren. In ihrer einfachsten Ausführung ist ei ne rohrförmige Anordnung durch ein dielektrisches Rohr, z. B. mit kreis förmigem Querschnitt gebildet. Die Elektroden sind dabei mindestens auf oder in einem Teil der Außenseite bzw. der Wandung des Rohres angeord net. Die Entladung bildet sich während des Betriebs im Innern des Rohres aus. In einer Variante ist die Innenwandung des Rohres im Bereich der Elektroden mit einer als optischer Reflektor dienenden dielektrischen Schicht versehen.

Eine Weiterführung der rohrförmigen Anordnung besteht aus zwei konzen trischen Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern und aus auf bzw. in der Innenwandung des Rohres mit dem kleineren Durchmesser angeordne ten Elektroden. Die Entladung bildet sich während des Betriebs im Raum zwischen den beiden Rohren aus.

Die Innenwandung des Entladungsgefäßes kann mit einer Leuchtstoffschicht versehen sein, die die UV- bzw. VUV-Strahlung der Entladung in Licht kon vertiert.

Die Auswahl der ionisierbaren Füllung und ggf. der Leuchtstoffschicht richtet sich nach dem Anwendungszweck. Geeignet sind insbesondere Edel gase, z. B. Neon, Argon, Krypton und Xenon sowie Mischungen von Edelga sen. Allerdings lassen sich auch andere Füllsubstanzen verwenden, so z. B. all jene, die üblicherweise in der Lichterzeugung Einsatz finden, insbesonde re Quecksilber(Hg)- und Edelgas-Hg-Gemische sowie Seltene Erden und deren Halogenide.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele nä her erläutert. Es zeigen

Fig. 1a den Querschnitt einer Entladungsanordnung mit zwei nebeneinan der angeordneten dielektrischen Elektroden,

Fig. 1b den Längsschnitt der Entladungsanordnung aus Fig. 1a,

Fig. 2 die Stirnansicht der Entladungsanordnung aus Fig. 1a im erfin dungsgemäßen Betrieb,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem während des Betriebs gemäß Fig. 2 an den Elektroden gemessenen zeitlichen Verlauf von Strom I(t) und Spannung U(t),

Fig. 4 wie Fig. 2, aber mit geänderter Elektrodengeometrie,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus dem während des Betriebs gemäß Fig. 4 an den Elektroden gemessenen zeitlichen Verlauf von Strom I(t) und Spannung U(t),

Fig. 6a den Querschnitt einer für den erfindungsgemäßen Betrieb geeigne ten Lampe.

Fig. 6b die Draufsicht der Lampe aus Fig. 6a.

Die Fig. 1a und 1b zeigen in schematischer Darstellung den Quer- bzw. Längsschnitt einer Entladungsanordnung 1. Um den Kern der Erfindung besser erläutern zu können und um die Ubersichtlichkeit zu fördern, ist die Darstellung bewußt auf das wesentliche reduziert. Die Entladungsanord nung 1 besteht aus einem quaderähnlichen, transparenten Entladungsgefäß 2 und zwei parallelen streifenförmigen Elektroden 3,4, die auf der Außen wandung des Entladungsgefäßes 2 angeordnet sind. An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, daß für das erfindungsgemäße Betriebsver fahren selbstverständlich auch ähnliche Entladungsanordnungen mit mehr als zwei nebeneinander angeordneten dielektrischen Elektroden gegensätzli cher Polarität geeignet sind. Das Entladungsgefäß 2 ist aus Glas gefertigt. Es besteht aus einem Deckel 5 und einem Boden 6, die beide wannenförmig ausgebildet sind und sich spiegelbildlich gegenüberstehen, zwei die Längs achse des Entladungsgefäßes 2 definierenden Seitenwänden 7, 8 und zwei Stirnwänden 9, 10. Im Innern des Entladungsgefäßes 2 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von ca. 8 kPa. Die beiden Elektroden 3, 4 sind aus Aluminiumfolie gefertigt. Sie sind zentrisch und parallel auf der Außenseite des Deckels 5 aufgeklebt. Der Deckel 5 ist aus 1 mm dickem Glas gefertigt und wirkt zusätzlich als dielektrische Schicht zwischen beiden Elektroden und der, hier nur grob schematisch dargestellten Entladung 11, die sich während des Betriebes im Innern des Entladungsgefäßes 2 ausbildet. Erfin dungsgemäß ist die Entladung 11 im Bereich zwischen den beiden Elektro den 3, 4 durch eine dunkle Zone 12 (im Längsschnitt, Fig. 1b, nicht erkenn bar) von der Innenwandung des Deckels 5 getrennt. D. h. die Entladung 11 weist im genannten Bereich einen Abstand zur Oberfläche der Innenwan dung auf.

Die Fig. 2 und 4 zeigen fotografische Aufnahmen der Entladungsanord nung aus den Fig. 1a und 1b. Zur Erläuterung der Aufnahmen werden die korrespondierenden, bereits oben eingeführten Bezugsziffern benutzt. Die beiden Aufnahmen erfolgten jeweils mit Blick auf die Stirnwand 9 in Richtung der Längsachse. Sie unterscheiden sich lediglich durch die Elek trodengeometrie. Die Breite der streifenförmigen Elektroden 3,4 sowie ihr gegenseitiger Abstand betragen jeweils 3 mm bzw. 4 mm im ersten Fall und je 1 mm bzw. 10 mm im zweiten Fall. Insbesondere im ersten Fall (Fig. 2, oben) sind die Elektroden 3, 4 deutlich zu erkennen. Sie heben sich als dunkle Bereiche von der Wandung des Deckels 5 ab, der ebenso wie die ge genüberliegende Wandung des Bodens 6 aufgrund reflektierten und ge streuten Fluoreszenzlichts des Glases hell erscheint. Die Länge der Elektro den beträgt jeweils 35 mm. In beiden Fällen, ganz besonders deutlich im zweiten Fall (Fig. 4), ist zu erkennen, daß das Eigenleuchten der Entladung im Bereich zwischen den beiden Elektroden 3,4 durch eine dunkle Zone 12 von der Innenwandung des Deckels 5 getrennt ist. D. h. die Entladung 11 weist im genannten Bereich einen Abstand zur Oberfläche der Innenwan dung auf. In Richtung der Längsachse der Entladungsanordnung 1 betrach tet, hat die Entladung 11 eine rinnen- oder trogähnliche Erscheinungsform (in den Fig. 2 und 4 nicht erkennbar, vgl. Fig. 1a und 1b).

Wird in die Entladungsanordnung weniger Leistung eingekoppelt - z. B. durch Vermindern der Spannungsamplitude -, reißt die durchgehende, rin nenförmige Entladungsstruktur in Einzelstrukturen auf, die sich jedoch ebenso wie in Fig. 1a gezeigt, von der Dielektrikumsoberfläche abheben.

Die Fig. 3 und 5 zeigen jeweils einen Ausschnitt aus dem während des Betriebs gemäß den Fig. 2 bzw. 4 an den Elektroden gemessenen zeitli chen Verlauf von Spannung U(t) und Strom I(t). Ein Vergleich beider Figuren belegt den eingangs geschilderten Einfluß der Elektrodengeometrie auf Spannung und Strom. In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten elektri schen Größen zusammengestellt.

Tabelle

Meßwerte elektrischer Größen der beiden in den Fig. 2 und 4 dargestellten Entladungen

Darin bedeuten U_p, T_u, f_u, w und P die Höhe der Spannungspulse (bezogen auf die Spannung während der Pausenzeit), die Breite der Spannungspulse (volle Breite bei halber Höhe), die Pulswiederholfrequenz, die elektrische Energie pro Puls bzw. die im zeitlichen Mittel eingekoppelte elektrische Leistung.

In den Fig. 6a und 6b sind der Querschnitt bzw. die Draufsicht (Blickrichtung auf Bodenseite) einer für den erfindungsgemäßen Betrieb ge eigneten Entladungslampe 14 für Beleuchtungszwecke schematisch darge stellt. Die Entladungslampe 14 besteht aus einem flachen Entladungsgefäß 15 mit rechteckiger Grundfläche und fünf streifenförmigen Elektroden 16-20. Das Entladungsgefäß 15 besteht seinerseits aus einer rechteckigen Boden platte 21 und einem wannenartigen Deckel 22. Die Bodenplatte 21 und der Deckel 22 sind im Bereich ihrer umlaufenden Kanten gasdicht miteinander verbunden und umschließen so die Gasfüllung der Entladungslampe 14. Die Gasfüllung besteht aus Xenon mit einem Fülldruck von 10 kPa. Die Elektro den 16-20 haben gleiche Breiten und sind auf der Außenwandung der Bo denplatte 21 parallel zueinander und äquidistant aufgebracht. Dies ist wich tig, um für alle Entladungen zwischen den jeweils benachbarten Elektroden gleiche Bedingungen zu gewährleisten. Dadurch wird bei geeigneter Puls folge eine optimale Strahlungseffizienz erzielt. Dazu sind die Elektroden 16- 20 wechselweise an die beiden Pole 23, 24 einer Spannungsquelle ange schlossen. D. h. die Elektrode 16 und die beiden jeweils zum Vorgänger übernächsten Elektroden 18 und 20 sind mit einem ersten Pol 23 der Span nungsquelle verbunden. Die beiden jeweils dazwischen liegenden Elektro den 17 und 19 sind hingegen mit dem anderen Pol der Spannungsquelle verbunden. Auf die Innenwandung des Deckels 22 und des Bodens 21 ist eine Leuchtstoffschicht 25 aufgespritzt, welche die VUV/UV-Strahlung der, hier nur grob schematisch dargestellten Entladung 26 in Licht umwandelt.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer inkohärent emittierenden Strahlungs quelle (1; 14), insbesondere einer Entladungslampe (14), mittels di elektrisch behinderter Entladung, mit einem zumindest teilweise trans parenten und mit einer Gasfüllung gefüllten geschlossenen (2; 15) oder von einem Gas oder Gasgemisch durchströmten offenen Entladungsge fäß aus elektrisch nichtleitendem Material und mit nebeneinander an geordneten, voneinander und vom Innern des Entladungsgefäßes (2; 15) durch dielektrisches Material (5; 21) getrennten Elektroden (3,4; 16- 20), die wechselweise an die beiden Pole (23, 24) einer Spannungsquel le angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Entladungsgefäßes (2; 15) eine räumliche Entladung (11; 26) erzeugt wird, die in den Bereichen zwischen Elektroden unterschiedlicher Po larität (3, 4; 16, 17; 17, 18; 18, 19; 19, 20) einen Abstand zur Oberfläche der Innenwandung des Entladungsgefäßes aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Span nungsquelle eine Folge von Spannungspulsen liefert, wobei die einzel nen Spannungspulse jeweils durch Pausenzeiten voneinander getrennt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbrei te im Bereich zwischen 0,1 µs und 10 µs liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbrei te bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 µs und 5 µs liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Puls wiederholfrequenz im Bereich zwischen 1 kHz und 1 MHz liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Puls wiederholfrequenz bevorzugt im Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Span nungspulse eine halbsinusähnliche Form aufweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulshö he im Bereich zwischen ca. 100 V und 10 kV liegt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Dielektrikum zwischen Elektro den (3, 4; 16-20) und der Entladung (11; 26) die Wandung (5; 21) des Entladungsgefäßes (2; 15) selbst dient.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro den aus elektrisch leitfähigen Streifen (3, 4; 16-20) bestehen, die auf der Außenseite der Wandung (5; 21) nebeneinander angeordnet sind.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die Anzahl der Streifen (16-20) größer als zwei ist, die Anordnung der Streifen auf der Außenseite der Wandung (21) äquidistant ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen seite der Wandung (21) des Entladungsgefäßes (15) mindestens teilwei se mit einer Leuchtstoffschicht (25) versehen ist.