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Die Erfindung betrifft eine elektrische
Strahlungsquelle, insbesondere eine Entladungslampe, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Bestrahlungssystem mit dieser Strahlungsquelle
und mit einer Spannungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
14.
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Im Betrieb emittiert die Strahlungsquelle
mittels einer dielektrisch behinderten Entladung inkohärente Strahlung.
Eine dielektrisch behinderte Entladung wird dadurch erzeugt, daß eine oder
beide der mit der Spannungsquelle verbundenen Elektroden der Entladungsanordnung
durch ein Dielektrikum von der Entladung im Innern des Entladungsgefäßes getrennt
ist bzw. sind (einseitig bzw. beidseitig dielektrisch behinderte
Entladung).
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Unter inkohärent emittierenden Strahlungsquellen
sind hier UV(Ultraviolett)- und IR(Infrarot)-Strahler sowie Entladungslampen,
die insbesondere sichtbares Licht abstrahlen, zu verstehen.
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Strahlungsquellen dieser Art eignen
sich, je nach dem Spektrum der emittierten Strahlung, für die Allgemein-
und Hilfsbeleuchtung, z.B. Wohn- und Bürobeleuchtung bzw. Hintergrundbeleuchtung
von Anzeigen, beispielsweise LCD's
(Liquid Crystal Displays), für
die Verkehrs- und Signalbeleuchtung, sowie für die UV-Bestrahlung, z.B.
Entkeimung oder Photolytik.
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In der
DE 40 10 809 A1 ist ein Flächenstrahler
mit einem Entladungsgefäß offenbart,
das im wesentlichen aus zwei dielektrischen Platten besteht, die
in einigem Abstand voneinander angeordnet sind. Die flächigen Außenseiten
der beiden Platten sind mit streifen- oder drahtförmigen Elektroden
versehen, die parallel zueinander angeordnet sind. Außerdem sind
die Elektroden auf der einen Außenseite versetzt
zu den Elektroden auf der anderen Außenseite. Beim Anliegen einer
Wechselspannung zwischen den Elektroden beider Seiten bildet sich
eine Vielzahl von Entladungskanälen
im Entladungsraum zwischen den beiden Platten aus. Durch die versetzte
Anordnung der Elektroden auf beiden Platten verlaufen die Entladungskanäle unter
einem Winkel α < 90° gegenüber einer
gedachten Mittelfläche
zwischen den Platten.
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Die
DE 42 22130 C2 zeigt einen Hochleistungsstrahler
mit koaxialer Doppelrohranordnung. Dabei dient der ringspaltförmige Raum
zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr
der Anordnung als Entladungsspalt. Innerhalb des inneren Rohrs ist eine
wendelförmige
Innenelektrode angeordnet. Außerdem
ist das Innere des inneren Rohrs mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante
gefüllt. Die
Flüssigkeit
dient zur Kühlung
und zur elektrischen Ankopplung der Innenelektrode an das innere Rohr.
Ein auf der Außenseite
des äußeren Rohrs
angeordnetes Drahtnetz dient als Außenelektrode. Zur Verbesserung
der Zündfähigkeit
der Lampe ist zumindest ein Störkörper aus
dielektrischem Material im Entladungsspalt vorgesehen. Die durch
den Störkörper hervorgerufene
lokale Feldverzerrung bzw. Feldüberhöhung erzwingt
an einer Stelle eine Initialzündung
und dann die zuverlässige
Zündung
des gesamten Entladungsvolumens.
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Die Erfindung geht aus von der WO 94/23442
A1 und der darin offenbarten Betriebsweise für dielektrisch behinderte Entladungen.
Diese Betriebsweise verwendet eine im Prinzip unbeschränkte Folge
von Spannungsimpulsen, die durch Totzeiten oder Pausenzeiten voneinander
getrennt sind. Entscheidend für
die Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung sind unter anderem die
Impulsform sowie die Zeitdauern der Puls- bzw. Totzeiten. Bevorzugt
werden für
diese Betriebsweise schmale, z.B. streifenartige Elektroden verwendet,
die ein- oder zweiseitig dielektrisch behindert sein können. Stehen
sich beispielsweise zwei längliche
Elektroden parallel gegenüber,
so wird eine Vielzahl gleichartiger, in Draufsicht, also senkrecht
zur Ebene, in der die beiden Elektroden angeordnet sind, deltaähnlicher
(Δ) Entladungsstrukturen
erzeugt, die nebeneinander entlang der Elektroden aufgereiht sind
und sich jeweils in Richtung der (momentanen) Anode verbreitern.
Im Fall wechselnder Polarität
der Spannungspulse einer zweiseitig dielektrisch behinderten Entladung
erscheint visuell eine Überlagerung
zweier deltaförmiger
Strukturen. Da diese Entladungsstrukturen bevorzugt mit Wiederholfrequenzen
im kHz-Bereich erzeugt werden, nimmt der Betrachter nur eine der
zeitlichen Auflösung
des menschlichen Auges entsprechende "mittlere" Entladungsstruktur wahr, etwa in Form
einer Sanduhr. Die Anzahl der einzelnen Entladungsstrukturen ist
unter anderem durch die eingekoppelte elektrische Leistung beeinflußbar. Nachteilig
allerdings ist, daß einzelnie
Entladungsstrukturen ihren jeweiligen Ort entlang der Elektroden
unter Umständen
spontan ändern
können,
wodurch eine gewisse Instabilität
der Strahlungsverteilung resultiert. Außerdem können sich die Entladungsstrukturen auch
in Teilbereichen des Entladungsgefäßes häufen, wodurch die Leistungsverteilung
in Bezug auf das gesamte Volumen des Entladungsgefäßes sehr ungleichmäßig sein
kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
genannten Nachteile zu beseitigen und eine Strahlungsquelle mit
einer bezüglich
des Gesamtvolumens ihres Entladungsgefäßes gleichmäßigeren Leistungsverteilung
sowie mit einer insbesondere zeitlich stabileren Gesamtentladung
anzugeben. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verbesserung der
Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders
vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung
ist es, ein Bestrahlungssystem anzugeben, welches die genannte Strahlungsquelle
enthält.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 14 gelöst.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin,
mittels einer Vielzahl lokal begrenzter Verstärkungen des elektrischen Feldes
gezielt räumlich
bevorzugte Ansatzpunkte für
die Einzelentladungen zu schaffen. Die Einzelentladungen werden
gleichsam an die Stellen dieser lokalen Feldverstärkungen
gezwungen und bleiben dort im wesentlichen ortsfest. Folglich ist
die Gesamtstruktur der Entladung zeitlich weitgehend stabil. Die
konkrete Form der Einzelentladungen spielt dabei nur eine untergeordnete
Rolle. Zwar sind die eingangs genannten delta- und sanduhrförmigen Einzelentladungen
aufgrund ihrer hohen Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung besonders geeignet.
Gleichwohl ist die Erfindung nicht auf derart geformte Einzelentladungen
beschränkt.
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Die Stellen zur lokalen Feldverstärkung können durch
verschiedene Maßnahmen
realisiert werden, wie folgende vereinfachende Betrachtung zeigt. Bezeichnet
U(t) die an zwei im Abstand d angeordneten Elektroden angelegte
zeitlich veränderliche Spannung,
so resultiert daraus zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld
mit der näherungsweisen
Stärke
E(t) = U(t)/d. Folglich können
die lokalen Feldverstärkungen
E(t; r = ri) = U(t)/d(ri)
durch lokales Verkürzen
des Elektrodenabstandes d(r) an den entsprechenden Stellen r,. realisiert
werden, wobei i = 1, 2, 3,...n und n die Gesamtzahl der Feldverstärkungen bezeichnen.
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Außerdem ist die elektrische
Feldstärke
E(r) im Entladungsraum durch die kapazitive Wirkung der dielektrischen
Schichten) der behinderten Elektrode(n) beeinflußbar. Durch die kapazitive
Wirkung des Dielektrikums wird nämlich
die elektrische Feldstärke E(r)
im Entladungsraum geschwächt.
Erfindungsgemäße lokale
Feldverstärkungen
E(r = ri) sind folglich auch durch lokal
begrenzte Verringerungen der (Gesamt)Dicke b(ri)
und/oder durch Erhöhungen
der relativen Dielektrizitätskonstante(n) ε(ri) der dielektrischen Schicht(en) an den
entsprechenden Stellen ri realisierbar.
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Die Stellen lokaler Feldverstärkung werden also
durch den gezielten Aufbau mindestens einer der Elektroden und/oder
des dielektrischen Materials geschaffen. Die geometrische Ausdehnung
der Stellen ist dabei auf die konkreten Abmessungen der jeweiligen
Einzelentladungen abgestimmt. Unter der Bezeichnung „Aufbau" sind dabei sowohl
Form, Struktur, Material als auch räumliche Anordnung und Orientierung
zu verstehen.
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Die Abstandsverkürzungen Δd(ri)
werden durch besonders geformte bzw. strukturierte Elektroden erzielt,
die zudem in geeigneter Weise räumlich zueinander
angeordnet sind. Die konkrete Ausführung der Elektrodenkonfiguration
ist auf die Form bzw. Symmetrie des Entladungsgefäßes abgestimmt.
Außerdem
ist bei der Verwendung von bipolaren Spannungspulsen zu berücksichtigen,
daß die Elektroden
unterschiedlicher Polarität
abwechselnd als Kathode bzw. Anode wirken und folglich idealerweise
völlig
gleich gestaltet sein sollten. Im Falle der Verwendung von unipolaren
Spannungspulsen ist es hingegen zweckmäßig, nur die Kathode gezielt
zu strukturieren bzw. zu formen, da dort die „Spitzen" der deltaförmigen Einzelentladungen ansetzen.
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Für
quaderförmige
oder flächenartig
ebene Entladungsgefäße eignen
sich zwei oder mehrere im wesentlichen längliche Elektroden, die parallel
zueinander angeordnet sind. Für
die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Strukturierung der Elektrode spielt
es keine Rolle, ob die Elektroden alle außerhalb oder innerhalb, auf
einer Seite oder auf einander gegenüberliegenden Seiten des Entladungsgefäßes angeordnet
sind. Wichtig ist nur, daß entweder
mindestens eine Elektrode (einseitig dielektrisch behinderte Entladung)
oder auch alle Elektroden (beidseitig dielektrisch behinderte Entladung)
durch eine dielektrische Schicht von der Entladung getrennt ist
bzw. sind.
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Mindestens eine der Elektroden ist
in der Gefäßebene in
regelmäßigen Abständen mit
Ausformungen versehen, die sich in Richtung der Gegenelektrode(n)
derart erstrecken, daß dadurch
eine vorgebbare Anzahl n von Abstandsverkürzungen Δd(ri) mit
i = 1, 2, 3,...n erreicht wird. Geeignet sind z.B. stabförmige Elektroden
mit nasenartigen Ausformungen oder „zickzack-" sowie rechteckartige Formen.
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Halbkreisrunde bzw. halbkugelige
Ausformungen sind besonders günstig,
da in diesem Fall – im
Unterschied zu rechteckigen oder dreieckigen Formen – sowohl
jeweils ein definiert kürzester
Abstand realisiert wird als auch unerwünschte Spitzenwirkungen vermieden
werden.
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Die Ausformungen bzw. Formgebungen
der jeweiligen Elektrode sind so bemessen, daß die dadurch erzielten lokalen
Feldverstärkungen
E(ri) einer seits ausreichend hoch sind,
um die Einzelentladungen zuverlässig
an ausschließlich
diesen Stellen ri der Abstandsverkürzungen Δd(ri) zu erzeugen. Andererseits ist das von
den Ausformungen bzw. durch die Formgebung der Elektrode beanspruchte
Teilvolumen des Entladungsgefäßes von
den Einzelentladungen selbst nicht nutzbar. Unter der Vorgabe, ein möglichst
kompaktes Entladungsgefäßes bzw.
ein effizient genutztes Gefäßvolumen
zu schaffen, ist daher eher eine relativ geringe Abstandsverkürzung anzustreben.
Im Einzelfall ist also ein akzeptabler Kompromiß zu finden.
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Typische Verhältnisse zwischen Abstandsverkürzung Δd(ri) und effektiver Schlagweite w für die Einzelentladungen
liegen im Bereich zwischen ca. 0,1 und 0,4. Als effektive Schlagweite
w ist hier der um die Dicke b des Dielektrikums verminderte jeweilige
Abstand d(ri) zwischen einander benachbarten Elektroden
unterschiedlicher Polarität
an den Stellen ri bezeichnet, also w = d(ri) – b.
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Für
zylindrische Entladungsgefäße eignet sich
insbesondere eine Kombination aus einer wendelförmigen und einer oder mehrerer
länglicher
Elektroden. Die wendelförmige
Elektrode ist bevorzugt zentrisch axial im Innern des Entladungsgefäßes angeordnet.
Die längliche
Elektrode bzw. Elektroden sind in einem vorgebbaren Abstand zur
Mantelfläche der
Elektrodenwendel, beispielsweise auf der Außenwandung des Zylindermantels
des Entladungsgefäßes, bevorzugt
parallel zur Zylinderlängsachse angeordnet.
Durch diese gezielte Formgebung sowie Anordnung der Elektroden ist
eine Vielzahl voneinander getrennter Stellen mit verkürzten Elektrodenabständen geschaffen.
Die Ganghöhe – d.h. die
Strecke, innerhalb der die Wendel eine vollständige Umdrehung ausführt – ist bevorzugt
ungefähr
so groß wie
die maximale Querausdehnung – bei
deltaartigen Formen entspricht dies der Fußbreite – der Einzelentladungen oder
größer, um
ein Überlappen
der Einzelentladungen zu verhindern.
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In der
DE 41 40 497 A1 ist zwar bereits ein Hochleistungsstrahler,
insbesondere für
ultraviolettes Licht, mit einer wendelförmigen Innenelektrode offenbart.
Diese Innenelektrode dient allerdings lediglich der Ankopplung eines
Pols einer Wechselspannungsquelle an einen als verteilte Zusatzkapazität wirkenden
Formkörper.
Die Ankopplung des elektrischen Wechselfeldes wird durch eine Flüssigkeit
mit hoher Dielektrizitätskonstante,
vorzugsweise demineralisiertes Wasser (ε = 81) unterstützt. Außerdem ist
die Gegenelektrode in Form eines Drahtnetzes realisiert. Jeweils
lokal auf die Einzelentladungen der eingangs geschilderten Art begrenzte
Feldverstärkungen
resultieren aus dieser Konfiguration nicht. Folglich ist damit weder
eine Erzeugung noch eine erfindungsgemäße Separierung von entsprechenden Einzelentladungen
möglich.
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Zur Vervollständigung der Strahlungsquelle zu
einem Bestrahlungssystem sind die Elektroden der Strahlungsquelle
wechselweise mit den beiden Polen einer Impulsspannungsquelle verbunden.
Die Impulsspannungsquelle liefert durch Pausen unterbrochene Spannungspulse,
wie beispielsweise in der WO 94/23442 A1 offenbart.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist es, die Überlappung
von Einzelentladungen weitgehend zu verhindern oder aber mindestens
einzuschränken. Es
hat sich nämlich
gezeigt, daß die
Effizienz für
die Erzeugung von Nutzstrahlung mit abnehmender Überlappung zunimmt. Auf der
anderen Seite läßt sich
durch Zusammenrücken
bzw. Überlappen
der Einzelentladungen die in das Volumen des Entladungsgefäßes einkoppelbare
elektrische Leistung steigern. Daher ist im Einzelfall ein geeigneter
Kompromiß zwischen
der Höhe
der Leistung (stärkere Überlappung)
und der Höhe
der Effizienz (geringere Überlappung)
zu wählen.
Je nach Anforderung kann dabei entweder der absolute Wert der Strahlungsleistung
oder die Effizienz der Strahlungsleistung, d.h. im Falle von sichtbarer
Strahlung die Höhe
des Lichtstroms bzw. der Lichtausbeute, stärker gewichtet werden.
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Unter diesen Gesichtspunkten hat
sich ein auf die maximale Querausdehnung der Einzelentladungen normierter
Abstand im Bereich von ca. 0,5 bis 1,5 als geeignet erwiesen. Dabei
bedeuten normierte Abstände
von z.B. 0,5, 1 und 1,5, daß die
Mittelachsen benachbarter Teilentladungen um die Hälfte, das
Einfache bzw. Eineinhalbfache ihrer maximalen Querausdehnung voneinander
entfernt sind, was einer Überlappung,
einer Berührung
ohne Überlappung
bzw. einer Beabstandung der Teilentladungen entspricht. Im Falle
beabstandeter Teilentladungen, d.h. daß zwischen den Teilentladungen
ein entladungsfreier Bereich ist, kann eine gegenseitige Beeinflussung
der Teilentladungen weitgehend ausgeschlossen werden.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
einiger Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Entladungsanordnung für eine gepulste, einseitig
dielektrisch behinderte Entladung mit zwei nebeneinander angeordneten
Elektroden mit lokalen Verkürzungen des
Elektrodenabstandes,
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2 eine
Variation der Anordnung aus 1 mit
zwei Anoden und sägezahnförmiger Kathode,
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3 eine
weitere Variation der Anordnung aus 1 mit
zwei Anoden und stufenförmiger
Kathode,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
eines Flachstrahlers mit einer Kathode mit nasenartigen Fortsätzen,
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5a ein
Ausführungsbeispiel
einer zylindrischen Entladungslampe mit einer spiralförmigen Kathode
in Seitenansicht,
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5b den
Querschnitt entlang der Linie A-A der in 5a gezeigten Entladungslampe,
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5c einen
Teil eines Längsschnittes
entlang der Linie B-B der in 5a gezeigten
Entladungslampe.
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1 dient
in erster Linie zur Erläuterung des
Prinzips der Erfindung – nämlich die
gezielte Lokalisierung der Einzelentladungen einer gepulsten dielektrisch
behinderten Entladung mittels lokaler Feldverstärkungen – und zwar anhand lokaler Verkürzungen
des Elektrodenabstandes einer Entladungsanordnung 1. Zu
diesem Zweck zeigt 1 einen Längsschnitt
der Entladungsanordnung 1 mit zwei zueinander parallel
im Abstand d angeordneten länglichen
Elektroden 2, 3 in schematischer Darstellung. Eine
erste Elektrode 2 der beiden Elektroden 2, 3 ist durch
eine dielektrische Schicht 4 vom angrenzenden, sich zwischen
den beiden Elektroden 2, 3 erstreckenden Entladungsraum
getrennt. Die zweite metallische Elektrode 3 ist hingegen
unbeschichtet. Es handelt sich hierbei also um eine einseitig dielektrisch
behinderte Entladungsanordnung, die besonders, effizient mit unipolaren
Spannungspulsen betrieben wird. Dabei ist die Polarität so gewählt, daß die dielektrisch
behinderte Elektrode 2 als Anode und die unbehinderte Elektrode 3 folglich
als Kathode wirken.
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Die Kathode 3 weist vier
nasenartige Fortsätze 9 – 12 auf,
die der Anode 2 zugewandt sind. Dadurch werden an den Stellen
der Fortsätze 9 – 12 lokal
be grenzte Verstärkungen
des elektrischen Feldes erzeugt. Diese gezielte Feldverstärkungen
bewirken, daß – eine ausreichend
hohe elektrische Leistung vorausgesetzt – an jedem dieser Fortsätze 9 – 12 jeweils
eine deltaförmige
Einzelentladung 5 – 8 mit
ihrer Spitze ansetzt. Um ein unerwünschtes Wandern der Ansatzstellen
für die
Spitzen der Einzelentladungen 5 – 8 auf den Fortsätzen 9 – 12 zu
verhindern oder zumindest zu begrenzen, ist die Transversalausdehnung
s des jeweiligen Fortsatzes, d.h. die Ausdehnung längs der
Kathode 3, relativ gering im Vergleich zur Breite f des
Fußes
einer Einzelentladung. Typisch beträgt die Transversalausdehnung
s etwa 1/10 von der Fußbreite
f. Ein weiteres wichtiges Maß sind
die Lateralausdehnungen l der Fortsätze 9 – 12,
d.h. die Ausdehnung in Richtung der jeweils kürzesten Entfernung zur gegenüber liegenden
Anode 2 – also
die in der Beschreibung zuvor erläuterte Abstandsverkürzung Δd(ri). Der jeweilige Abstand zwischen den Fortsätzen 9 – 12 und
der Anode – abzüglich der
dielektrischen Schicht 4 – ergibt somit die effektive
Schlagweite w für
die Einzelentladungen 5 – 8. Folglich werden
die Lateralausdehnungen l so bemessen, daß bei angelegter Elektrodenspannung U(t)
eine ausreichende Feldverstärkung
E(t) = U(t)/w erzielt wird, um ein zuverlässiges Ansetzen der Einzelentladungen 5 – 8 zu
gewährleisten.
Typisch liegt das Verhältnis
von Lateralausdehnung l und effektiver Schlagweite w im Bereich
zwischen ca. 0,1 und 0,4.
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Die Abstände benachbarter Einzelentladungen 5 – 8 sind
durch die Abstände
a der zugehörigen Fortsätze 9 – 12 beeinflußbar. Zur
Verdeutlichung dieses Konzeptes sind in der 1 die Abstände der aufeinander folgenden
Fortsätze 9 – 12 und
folglich auch der zugehörigen
Einzelentladungen 5 – 8 unterschiedlich
gewählt.
Außerdem
ist angenommen, daß die
deltaförmigen
Einzelentladungen 5 – 8 die
Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweisen. Der gegenseitige Abstand
der beiden ersten Fortsätze 9 und 10 entspricht
gerade der halben Fußbreite
f der beiden zugehörigen
Einzelentladungen 5 und 6, entsprechend einem
auf die Fußbreite
f normierten Abstand von 0,5. Folglich überlappen sich diese beiden
Einzelentladungen 5 und 6 im Überlappbereich 13.
Der gegenseitige Abstand des zweiten und dritten Fortsatzes 6 bzw. 7 entspricht
gerade der ganzen Fußbreite
f der beiden zugehörigen
Einzelentladungen 6 und 7, entsprechend einem
normierten Abstand von 1. Folglich schließen diese beiden Einzelentladungen 6 und 7 unmittelbar
aneinander an, ohne Überlapp, aber
auch ohne entladungsfreien Raum zwischen den Fußbereichen beider Einzelentladungen 6 und 7. Der
gegenseitige Abstand des dritten und vierten Fortsatzes 11 bzw. 12 ist
schließlich
größer als
die Fußbreite
f der beiden zugehörigen
Einzelentladungen 7 und 8, entsprechend einem
normierten Abstand größer 1. Folglich
sind diese beiden Einzelentladungen 7 und 8 von
einander durch einen entladungsfreien Raum zwischen ihren Fußbereichen
getrennt.
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In den 2 und 3 sind Variationen der Entladungsanordnung
von 1 mit jeweils zwei
zueinander parallel angeordneten Anoden schematisch dargestellt.
Gleichartige Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
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In 2 sind
die lokalen Verkürzungen
des Elektrodenabstandes durch eine in der Ebene der beiden Anoden 2a, 2b zentrisch
angeordneten „zickzack"- bzw. sägezahnförmigen Kathode 14,
beispielsweise aus einem Metalldraht gebogen, realisiert. Die sechs
Zacken 15 – 20 der
Kathode 14 weisen abwechselnd zu der einen bzw. anderen
der beiden Anoden 2a, 2b. Auf diese Weise wird
erreicht, daß bei
entsprechender elektrischer Leistung an jeder der Zacken 15 – 20 genau
eine deltaförmige
Einzelentladung 21 – 26 ansetzt.
Dabei enden die an den „ungeradzahligen
Zacken", d.h. der
ersten Zacke 15 und an den jeweils übernächsten Zacken 17 und 19 ansetzenden
Einzelentladung 21, 23, 25 an der einen
Anode 2a. Die an den dazwischen liegenden bzw. nächst folgenden „geradzahligen" Zacken 16, 18, 20 ansetzenden
Einzelentladung 22, 24, 26 enden hingegen
an der gegenüberliegenden
anderen An ode 2b. Die gegenseitigen Abstände der
Einzelentladungen sind durch die entsprechenden Abstände der
Zacken beeinflußbar.
In der 2 sind die Abstände zwischen
den übernächsten Nachbarzacken 15, 17; 17, 19 bzw. 16, 18 und
18,20 jeweils genauso groß gewählt wie
die Fußbreite
der Einzelentladungen 21 – 26. Folglich sind
sowohl die „ungeradzahligen" als auch die „geradzahligen" Einzelentladungen 21, 23, 25 bzw. 22, 24, 26 jeweils
unmittelbar aneinander angrenzend zu beiden Seiten der Kathode 14 aufgereiht.
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In 3 ist
gegenüber 1 lediglich die Kathode 27 geändert und
zwar in der Weise, daß sich zentrisch
zwischen den beiden Anoden 2a, 2b eine Folge von
vier Stufen 28 – 31,
beispielsweise aus einem Metalldraht gebogen, erstreckt. Die Stufen 28 – 31 sind
abwechselnd zu der einen Anode 2a bzw. der anderen Anode 2b orientiert,
so daß diese
Stufen als lokale Verkürzungen
des Elektrodenabstandes fungieren.
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Die Entladungsanordnung in 3 eignet sich insbesondere
für „vorhangähnliche" Entladungsstrukturen,
wie sie unter bestimmten Entladungsbedingungen, z.B. relativ geringem
Druck des Gases oder Gasgemisches innerhalb des Entladungsgefäßes, erzeugt
werden können.
Unter diesen besonderen Bedingungen bilden sich also keine deltaförmige Einzelentladungen
aus. Vielmehr brennen dann zwischen den Stufen 28, 30 und
der benachbarten Anode 2a einerseits sowie zwischen den
Stufen 29, 31 und der benachbarten Anode 2b andererseits
jeweils rechteckartige Entladungen 32, 34 bzw. 33, 35.
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In einer Variante ist die stufenartige
Kathode zusätzlich
von einer dünnen
dielektrischen Schicht überzogen
(nicht dargestellt). Auf diese Weise ist eine beidseitig dielektrisch
behinderte Anordnung realisiert. Damit ist auch eine effiziente
Betriebsweise mit bipolaren Spannungspulsen möglich. Dabei ändert sich
die Ausrichtung der deltaförmigen
Einzelentladungen ständig
mit der wechselnden Polarität der
Spannungspulse in entgegen gesetzter Richtung. Bei typischen Pulswiederholfrequenzen
im Bereich von einigen zehn Kilohertz entsteht der visuelle Eindruck
von „sanduhrförmigen" Einzelentladungen (nicht
dargestellt).
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Darüber hinaus sind noch viele
weitere geeignete Formen für
die Kathode denkbar, die das erfindungsgemäße Merkmal lokal begrenzter
Verkürzungen
des Elektrodenabstands aufweisen. Insbesondere können die Elektroden auch in
Form von Leiterbahnen auf einer Innen- oder Außenwandung des Entladungsgefäßes aufgedruckt
sein, wie beispielsweise in der
EP 0 363 832 A1 beschrieben. Wesentlich für die vorteilhafte
Wirkung der Erfindung sind lediglich die zusätzlichen Mittel zur lokalen
Feldverstärkung
und zwar je ein Mittel pro Einzelentladung. Außerdem können die Elektroden statt in
einer Ebene genauso gut räumlich
angeordnet sein.
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Die 4a und 4b zeigen in schematischer Darstellung
eine Ausführungsform
eines Bestrahlungssystems mit flächenartigem
Strahler 36 und elektrischem Versorgungsgerät 37 teils
im Längsschnitt
bzw. im Querschnitt. Die Elektrodenanordnung ist ähnlich wie
die zur Erläuterung
der Erfindungsidee in 1 gezeigte.
Der Strahler 36 besteht aus einem länglichen quaderförmigen Entladungsgefäß 38 aus
Glas. Im Innern des Entladungsgefäßes 38 befindet sich
Xenon mit einem Fülldruck
von ca. 8 kPa. In der Längsachse
des Entladungsgefäßes 38 ist
eine erste, mit dem Minuspol des Versorgungsgeräts 37 verbundene Elektrode 39 (Kathode)
zentrisch angeordnet. Auf den Außenwandungen der beiden zur
Längsachse
parallelen schmalen Seitenflächen 40a, 40b sind
jeweils eine weitere, mit dem Pluspol des Versorgungsgeräts 37 verbundene
streifenförmige
Elektrode 41a, 41b (Anode) aus Aluminiumfolie angeordnet.
Die Kathode 39 besteht aus einem Metallstab, der im gegenseitigen
Abstand von ca. 15 mm mit drei Paaren von nasenartigen Fortsätzen 42a, 42b – 44a, 44b versehen
ist. Die beiden Fortsätze eines
jeden Paares 42a, 42b – 44a, 44b sind
in entgegengesetzter Richtung und zu je einer der beiden Anoden 41a, 41b hin
orientiert. Die Fortsätze 42a, 42b – 44a, 44b sind
halbkreisförmig
mit einem Durchmesser von ca. 2 mm ausgebildet. Die Lateralausdehnung
l in Richtung der jeweiligen Anode beträgt also ca. 1 mm. Zusammen
mit einer effektive Schlagweite w von ca. 9 mm folgt daraus für den Quotienten
l/w ein Wert von ca. 0,11. Das Versorgungsgerät 37 liefert im Betrieb
eine Folge von negativen Spannungspulsen mit Breiten (volle Breite
bei halber Höhe)
von ca. 1 μs
und einer Pulswiederholfrequenz von ca. 80 kHz. Damit kann innerhalb
des Entladungsgefäßes 38 an
jedem der Fortsätze 42a, 42b – 44a, 44b je eine
deltaförmige
Einzelentladung 45a, 45b – 47a, 47b erzeugt
werden. Dabei setzt jede Einzelentladung mit ihrer Spitze an einem
Fortsatz an und verbreitert sich bis zur als dielektrische Schicht
wirkenden gegenüberliegenden
Seitenwand 40a, 40b, auf deren Außenwandung
die zugehörige
Anode 41a, 41b befestigt ist.
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In 5a ist
die Seitenansicht, in 5b der Querschnitt
und in 5c ein Teillängsschnitt
einer weiteren Ausführungsform
einer Entladungslampe 48 gezeigt. Sie ähnelt in ihrer äußeren Form
konventionellen Lampen mit Edison-Sockel 49. Innerhalb des
kreiszylindrischen Entladungsgefäßes 50 aus 0,7
mm dickem Glas ist eine längliche
Innenelektrode 51 zentrisch angeordnet. Das Entladungsgefäß 50 weist
einen Durchmesser von ca. 50 mm auf. Das Innere des Entladungsgefäßes 50 ist
mit Xenon bei einem Druck von 173 hPa gefüllt. Die Innenelektrode 51 ist
aus Metalldraht als rechtsdrehende Wendel geformt. Die jeweiligen
Durchmesser des Metalldrahtes und der Wendel 51 betragen
1,2 mm bzw. 10 mm. Die Ganghöhe
h – d.h.
die Strecke, innerhalb der die Wendel eine vollständige Umdrehung
ausführt – beträgt 15 mm.
Dieser Wert entspricht ungefähr
der Fußbreite
f der deltaförmigen
Einzelentladungen. Auf der Außenwandung
des Entladungsgefäßes 50 sind vier
Außenelektroden 52a – 52d in
Form von 8 cm langen Leitsilberstreifen äquidistant und parallel zur Wendellängsachse
ange bracht. Folglich gibt es pro Windung jeweils vier äquidistante
Stellen 53a – 53d auf
der Außenfläche der
Wendelelektrode 51, die den korrespondierenden Außenelektroden 52a – 52d unmittelbar
benachbart sind. An diesen vier Stellen mit kürzester Schlagweite w setzt
jeweils die Spitze einer deltaförmigen
Einzelentladung 54a – 54d an
und verbreitert sich bis zur Innenwandung des Entladungsgefäßes 50 in
Richtung Außenelektroden 52a – 52d. Diese
Stellen kürzester
Schlagweite wiederholen sich von Windung zu Windung und längs der
Außenelektroden 52a – 52d.
Auf diese Weise brennen die Einzelentladungen gezielt voneinander
separiert in zwei sich senkrecht in der Lampenlängsachse schneidenden Ebenen,
wobei jede Ebene durch zwei gegenüberliegende Außenelektroden 52a, 52c bzw. 52b, 52d hindurch
verläuft.
Außerdem
ist durch die gezielte Wahl von h = f gewährleistet, daß sich die Einzelentladungen
längs der
Außenelektroden 52a – 52d nicht
gegenseitig überlappen.
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Im Bereich des Sockels des Entladungsgefäßes 50 sind
die Außenelektroden 52a – 52d mittels eines
ringförmig
auf die Außenwand
angebrachten Leitsilberstreifens 52e miteinander elektrisch
leitend verbunden. Die Innenwand des Entladungsgefäßes 50 ist
mit einer Leuchtstoffschicht 55 beschichtet. Es handelt
sich dabei um einen Dreibandenleuchtstoff mit der Blaukomponente
BaMgAl10O17: Eu2+, der Grünkomponente
LaPO4: (Tb3+, Ce3+) und der Rotkomponente (Gd, Y)BO3: Eu3+. Damit wird
im Pulsbetrieb mit Spannungspulsen von ca. 1,2 μs Pulsbreite, jeweils voneinander
getrennt durch 37,4 μs
Pausendauer, eine Lichtausbeute von ca. 45 lm/W erzielt. Dies entspricht
gegenüber
der in der WO 94/23442 A1 offenbarten Lampe ähnlichen Typs, aber mit Stabelektrode,
d.h. ohne gezielte Separierung der Einzelentladungen, einer Ausbeutesteigerung
von ca. 12 – 13%.
In einer Variante ist ein Vorschaltgerät (nicht dargestellt), welches
die für
den Betrieb der Lampe erforderlichen Spannungspulse liefert, in
den Lampensockel 49 integriert.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Insbesondere können
einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele in geeigneter
Weise miteinander kombiniert werden.