Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Entladungslampe mit einem mit einem Entla
dungsmedium gefüllten Entladungsraum und mit einer im Entladungsraum
von den Gefäßwänden beabstandet verlaufenden Elektrode.
Eine spezielle Art von Entladungslampen sind Entladungslampen mit die
lektrisch behinderter Entladung. Hierbei werden die Elektrode und/oder
eine Gegenelektrode bzw. mehrere Gegenelektroden durch mindestens ein
Dielektrikum von der Entladung im Entladungsraum getrennt. Die Erfin
dung richtet sich nicht ausschließlich, jedoch bevorzugt auf Entladungslam
pen für dielektrisch behinderte Entladungen.
Stand der Technik
In derartigen Entladungslampen wird zwischen die Elektrode und die Ge
genelektrode, die sich ebenfalls im Entladungsraum oder am Entladungs
raum befindet, eine Spannung angelegt, wodurch es zwischen der Elektrode
und der Gegenelektrode im Entladungsmedium zu einer Entladung kommt.
Bei dieser Entladung wird inkohärente Strahlung freigesetzt. Je nach Art des
Lampenaufbaus und insbesondere des Entladungsmediums wird ultraviolet
te oder infrarote Strahlung oder sichtbares Licht abgestrahlt. Eine solche
Lampe wird beispielsweise in der DE 196 36 965 A1 beschrieben.
Man unterscheidet zwischen sogenannten bipolar und sogenannten unipolar
betriebenen Entladungslampen.
Im Fall einer unipolaren Entladungslampe bildet eine der beiden Elektroden
permanent die Anode und die andere Elektrode die Kathode. Es reicht dabei
aus, die Anode durch das Dielektrikum von der Entladung zu trennen. Als
Dielektrikum kann hierbei auch eine Wandung des Entladungsraumes die
nen. In diesem Fall befindet sich in dem Entladungsraum lediglich die Ka
thode, wogegen die Anode bzw. die Anoden außen auf die Wandung aufge
bracht sind. Hierbei kann es sich z. B. um Streifen aus einer Gold- oder Pla
tinpaste handeln, die direkt auf die Wandung aufgedruckt sind.
Im Fall der bipolaren Entladungslampe sind die beiden Elektroden nicht ge
geneinander ausgezeichnet und beide durch ein Dielektrikum abgeschirmt.
Durch entsprechenden Spannungswechsel bildet mal die eine Elektrode und
mal die andere Elektrode die Anode.
Vorzugsweise werden die Entladungslampen mit einer im Prinzip unbe
schränkten Folge von äußerst kurzen Spannungspulsen mit hoher Wieder
holfrequenz gespeist. Hierzu wird verwiesen auf die WO94/23442.
Es ist klar, daß eine erfolgreiche und effiziente Entladung von dem Abstand
der Elektrode zu den Gegenelektroden abhängt. Insbesondere trifft dies bei
Entladungslampen mit einer dielektrisch behinderten Entladung zu, bei de
nen die Effizienz stark von der genauen Geometrie der Entladungsbereiche
im Entladungsraum abhängt. Aufgrund dieser Abhängigkeit von der Elek
trodengeometrie würden bereits geringe Veränderungen in der Lage einer
Elektrode zu einer großen Effizienzminderung der Entladungslampe führen.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Entladungslampe zu
schaffen, bei der auf einfache Weise ein genauer Sitz der Elektrode im Entla
dungsraum gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Entladungslampe eine Halte
rung aus nicht leitendem Material aufweist, welche die Elektrode an einer
vorgegebenen Position im Entladungsraum fixiert.
Die Elektrode kann hierbei vorzugsweise eine längliche, sich im wesentli
chen in eine Haupterstreckungsrichtung erstreckende Form aufweisen. Die
genaue Form der Elektrode ist dabei beliebig. So kann es sich um Längsstrei
fen, Wellenformen, beispielsweise in Sinusform, zickzackförmige Elektroden,
eine Wendel oder dergleichen handeln.
Vorzugsweise weist dementsprechend die Halterung ein langgestrecktes, in
der Haupterstreckungsrichtung der Elektrode verlaufendes Stützelement
auf, welches die Elektrode auf mindestens einem Teilbereich unterstützt. Bei
spielsweise kann das Stützelement so ausgebildet sein, daß die Elektrode nur
in einem Endbereich unterstützt wird. Selbstverständlich kann das Stützele
ment jedoch auch so lang sein, daß die Elektrode auf der gesamten Länge
unterstützt wird.
Bei dem Stützelement handelt es sich beispielsweise um einen Stützstab oder
ein Stützrohr. Es kann sich jedoch auch um ein längliches, plattenförmiges
Stützelement oder ähnliches handeln.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel verläuft die Elektro
de zumindest auf einem Teilbereich der Längserstreckung wendelförmig um
das Stützelement herum. Die Vorteile dieser Wendelelektrode und der dabei
entstehenden Struktur der Entladungen sind in der bereits zitierten
DE 196 36 965 A1 dargestellt.
Die Elektrode kann in Form einer entsprechend strukturierten leitfähigen
Beschichtung, beispielsweise aus Gold- oder Platinpaste, auf die Halterung
oder ein Element der Halterung aufgebracht sein. So kann z. B. auf diese
Weise eine wendelförmige Elektrode auf einem in Erstreckungsrichtung der
Elektrode verlaufenden Stützstab oder Stützrohr aufgebracht sein. Streifen
förmige, wellenförmige oder zickzackförmige Elektroden können beispiels
weise auf einem länglichen, plattenförmigen Stützelement aufgebracht sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen
zylinderförmigen Entladungsraum mit einer sich entlang der Zylinderachse
erstreckenden Innenelektrode und einem Stützelement. Es handelt sich hier
bei folglich um eine Entladungslampe mit einer zentrischen bzw. konzentri
schen mittleren Elektrode. Es bietet sich dabei an, auf die äußeren Wandun
gen des Entladungsraums mehrere parallel zur Zylinderachse verlaufende
streifenförmige Gegenelektroden aufzubringen. Auf diese Weise kann der
gesamte Entladungsraum effektiv genutzt werden, wobei die dazu notwen
dige geometrische Anordnung relativ einfach zu erzeugen ist. Das hierbei
auftretende Problem einer exakten zentrischen bzw. konzentrischen Lage der
mittleren Elektrode bei der Herstellung und dem dauernden Betrieb wird
durch die Erfindung gelöst.
Das Stützelement, ragt vorteilhafterweise von einer einem Lampensockel
gegenüberliegenden Stirnseite in den Entladungsraum hinein und ist an der
entsprechenden Stirnwand befestigt. Insbesondere bei längeren Entladungs
gefäßen kann aber auch eine beidseitige Sockelung vorteilhaft sein. Dann ist
auch die Seite des Pumpstengels von einem Sockel übergriffen.
Der Entladungsraum ist bei einer bevorzugten Ausführungsform auf einer
Seite durch Quetschen verschlossen. Hierbei wird eine Metallfolie mit einge
bettet, die als elektrische Durchführung für die Innenelektrode dient. Diese
ist an der Metallfolie befestigt, beispielsweise angelötet, und wird zum Teil
mit einem Ende mit eingequetscht, so daß die Elektrode auf einer Seite durch
die Quetschung gehalten wird.
Um eine Verschiebung der Elektrode in der Längsrichtung des Stützelements
zu verhindern, weist dies vorteilhafterweise einen sich quer zur Längsrich
tung des Stützelements erstreckenden Haltevorsprung oder eine Halteaus
nehmung auf. Bei dem Haltevorsprung kann es sich um entsprechende
Noppen, Nasen, Dornen etc. handeln, bei der Halteausnehmung um eine
Nut oder dgl. Durch derartige Noppen oder Nasen kann beispielsweise eine
Drahtwendel, welche um ein Stützrohr oder einen Stützstab verläuft, sehr
gut gegen eine Längsverschiebung gesichert werden.
Eine alternative Ausführungsform der Halterung sieht vor, daß sich zwi
schen der Elektrode und einer Wandung des Entladungsraums quer zur
Haupterstreckungsrichtung der Elektrode ein Abstandshalter befindet. Bei
einem derartigen Abstandshalter kann es sich um eine Art Haken oder einen
Stift handeln, welcher an einer Wandung befestigt ist und die Elektrode in
der Position hält. Vorzugsweise werden entlang der Hauptlängserstreckung
der Elektrode mehrere solche Abstandshalter eingesetzt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform dieses Abstandshalters handelt es
sich um eine quer zur Haupterstreckungsrichtung der Elektrode angeordne
te, zwischen den Wänden des Entladungsraums sich erstreckende Halte
scheibe, durch welche die Elektrode an einer vorgegebenen Position hin
durch verläuft. Durch eine derartige Haltescheibe ist eine sichere Positionie
rung in jede Richtung gewährleistet.
Selbstverständlich ist es auch möglich, das Stützelement und zusätzlich quer
dazu verlaufende Abstandshalter zu verwenden. Dies bietet sich insbesonde
re bei der Herstellung von sehr langen Lampen an.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Elektrode zumin
dest teilweise von zumindest einem Teil der Halterung umgeben. Beispiels
weise kann die Elektrode in dielektrisches Material eingeschmolzen sein. Die
Elektrode, die eine beliebige Form aufweisen kann, ist in diesem Fall quasi in
die Halterung integriert. Eine solche Lampe bietet sich auch für einen bipola
ren Betrieb sowie für Füllungen mit Edelgas-Halogeniden an.
Bei einer einfachen Ausführungsform ist die Elektrode zumindest teilweise
innerhalb des Stützrohrs angeordnet, wobei das Stützrohr wie zuvor be
schrieben aufgebaut ist. Die Innenelektrode kann hierbei wiederum in Form
einer strukturierten leitfähigen Beschichtung auf die Innenwandung des
Stützrohrs aufgebracht sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform han
delt es sich um eine wendelförmige Innenelektrode, die innerhalb des Stütz
rohrs verläuft und von den Wandungen des Stützrohrs gestützt wird. Selbst
verständlich kann auch hierbei das Stützrohr wieder auf seiner Längserstrek
kung von Abstandshaltern oder Haltescheiben unterstützt werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Halterung oder
ein Teil der Halterung als Pumpstengel oder als Teil eines Pumpstengels
ausgebildet. Durch diesen Pumpstengel werden bei der Produktion die Gas
verhältnisse im Entladungsraum eingestellt, d. h. es wird durch den Pump
stengel die Luft im Entladungsraum abgepumpt und das als Entladungsme
dium benötigte Gas, beispielsweise ein Edelgas, eingefüllt.
Die zusätzliche Nutzung der Halterung als Pumpstengel bietet sich insbe
sondere bei der Ausführungsform mit einem Stützrohr an. Dieses Stützrohr
kann derart an der Wandung des Entladungsgefäßes angebracht sein, daß es
mit einem Ende durch die Wandung hindurchragt. Der Entladungsraum
kann dann durch das Stützrohr abgepumpt und mit Gas befüllt werden. An
schließend wird das Stützrohr außerhalb des Entladungsraumes als Pump
stengel auf übliche Weise abgeschmolzen und geschlossen.
Ein derartiges Verfahren zur Herstellung einer Entladungspumpe mit einer
Nutzung der eingefügten Halterung als Pumpstengel bzw. einer Verwen
dung eines Pumpstengelteils als Halterung ist besonders einfach und ko
stengünstig.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeich
nungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dargestell
ten Merkmale können nicht nur in den genannten Kombinationen sondern
auch einzeln oder in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es
stellen dar
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Entladungslampe mit einem
zylindrischen Entladungsraum und einer axialen zentralen Elek
trode, welche durch ein Stützrohr gehalten wird,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Entladungsraum gemäß Fig. 1, je
doch mit einer alternativen Halterung in Form eines hakenförmigen
Abstandshalters,
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Entladungsraum gemäß Fig. 1, je
doch mit einer weiteren alternativen Halterung in Form einer Hal
tescheibe,
Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Entladungsraum gemäß Fig. 1 mit
einer vierten alternativen Halterung aus mehreren quer zwischen
den Wandungen des Entladungsraums verlaufenden Haltestäben,
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Entladungsraum gemäß Fig. 1 mit
einem axial verlaufenden Stützrohr und mehreren radial verlau
fenden Querstützen.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ent
ladungslampe. Diese Entladungslampe 1 weist einen Entladungsraum 2 in
einem Gefäß aus Quarzglas auf, welches auf einer Seite in einem Sockel 5
gehaltert ist. Der Entladungsraum 2 ist der mit Entladungsmedium gefüllte
Raum in dem Entladungsgefäß.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Excimer-
Entladungslampe, die mit Xenon gefüllt ist. Mit einer solchen Excimer-
Entladungslampe wird mit hoher Effizienz VUV-Strahlung erzeugt, welche
industriell beispielsweise bei der Reinigung von Wafern, zur Ozonprodukti
on oder zur Wasserreinhaltung eingesetzt wird.
Die Lampe weist innerhalb des zylindrischen Entladungsraums eine zentri
sche wendelförmige Elektrode 6 auf. Es handelt sich hierbei um die Kathode,
die auf einer negativen Hochspannung liegt. Auf der Außenseite der den
Entladungsraum 2 begrenzenden Wandung 3 befinden sich mehrere parallel
zur Zylinderachse verlaufende streifenförmige Elektroden 7. Hierbei handelt
es sich um die Anoden 7. Sie sind folglich durch die Wandung 3 vom Entla
dungsraum 2 getrennt. Die Lampe ist somit für dielektrisch behinderte Ent
ladungen ausgelegt.
Als Halterung 10 weist die Lampe 1 ein axiales Stützrohr 9 auf, welches von
der dem Lampensockel 5 gegenüberliegenden Stirnwandung 4 in den Entla
dungsraum 2 des Entladungsgefäßes hineinragt. Die wendelförmige Elek
trode 6 ist teilweise um dieses Stützrohr 9 herum geführt. Um eine Verschie
bung der wendelförmigen Elektrode 6 in axialer Richtung zu verhindern, ist
am Stützrohr 9 ein Haltevorsprung 12 in Form eines Noppens ausgebildet.
Die Halterung besteht aus einem temperaturbeständigen nichtleitenden Ma
terial, vorzugsweise Glas, Quarzglas oder Keramik.
Bei der Herstellung wird zunächst der Entladungsraum 2 auf Seiten der dem
Sockelbereich gegenüberliegenden Stirnwandung 4 geschlossen, wobei das
Stützrohr 9 in einer zentrischen Öffnung 8 in der Stirnwandung 4 dicht ein
geschlossen und fixiert wird. Zur Bildung der Stirnwand 4 mit dem einge
schlossenen Stützrohr 9 wird das offene zylinderförmige Gefäß erhitzt und
das Stützrohr 9 durch geeignete Hilfsmittel gehalten, während die Zylinder
wandung unter der Wärmeeinwirkung nach innen einfällt. Dieser Verschluß
kann aber auch durch eine Quetschung erfolgen.
Zum Aufbringen der Wendel 6 auf das Stützrohr 9 bzw. zum Einbringen des
Stützrohrs 9 in die Wendel 6 wird die Wendel 6 auf das Stützrohr 9 aufge
schraubt, wobei sich der Haltevorsprung 12 zwischen den Wendelgängen
bewegt.
Anschließend wird die Wendel 6 innerhalb des Sockelbereichs beim vaku
umdichten Verschließen des zylindrischen Entladungsraumes 2 mit einge
quetscht (nicht sichtbar). Im Bereich der gegenüberliegenden Stirnwandung
4 wird sie durch das Stützrohr 9 gehalten.
Das Stützrohr 9 wird gleichzeitig als Pumpstengel verwendet, indem durch
das Stützrohr 9 der Entladungsraum 2 abgepumpt und über das Rohr 9 mit
Gas befüllt wird. Bei längeren Entladungslampen ist es sinnvoll, daß entlang
des Stützrohrs 9 in den Rohrseitenwänden mindestens eine, vorzugsweise
mehrere Öffnungen 11 angeordnet sind, um ein schnelles und effektives Ab
pumpen des Entladungsraumes 2 zu ermöglichen.
Selbstverständlich kann, wenn auf die Verwendung als Pumpstengel ver
zichtet wird, anstelle des Stützrohrs 9 auch ein entsprechender Stab aus
Vollmaterial verwendet werden. Ebenso ist es alternativ möglich, daß das
Stützrohr 9 bzw. ein entsprechender Stützstab nicht nur in der Stirnwandung
4 gehalten wird, sondern sich längs durch den gesamten Entladungsraum 2
bis in den Sockelbereich 5 hindurch erstreckt und gegebenenfalls auch in der
Stirnwandung im Sockelbereich 5 befestigt ist, beispielsweise bei der Produk
tion gleich mit eingepreßt wird. Bei der Wendel 6 kann es sich wie im gezeig
ten Ausführungsbeispiel um eine Drahtwendel handeln. Alternativ kann die
Wendel jedoch auch auf das Stützrohr 9 oder einen entsprechenden Stützstab
mittels einer leitfähigen Paste, beispielsweise Gold- oder Platinpaste oder
ähnlichem, aufgebracht sein. Im Falle eines durchgehenden Stützrohrs 9 oder
Stützstabes, welcher im Sockelbereich mit eingequetscht ist, ist es vorteilhaft,
wenn die Elektrode 6 im Quetschbereich von einem Draht oder einer Metall
folie gebildet wird und innerhalb des Entladungsraums 2 oberhalb der
Quetschstelle die Elektrode dann aus der strukturierten, leitfähigen Beschich
tung auf dem Stützrohr 9 oder dem Stützstab besteht, wobei selbstverständ
lich der untere aus Draht oder Metallfolie bestehende Bereich der Wendel
und der obere Bereich der Wendel entsprechend untereinander kontaktiert
sind.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Halterung ist es möglich, Lampen gemäß
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 in nahezu beliebiger Länge herzu
stellen. Derzeit sind ohne eine solche Halterung maximal Längen von 20 cm
produzierbar, ohne daß ein sicherer Sitz der Elektrode 6 gefährdet ist. Ver
suchsweise werden derzeit auf die erfindungsgemäße Weise Lampen mit
einer Länge von mehr als 85 cm hergestellt.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Stützrohr 9 relativ lang. Bei
einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Stützrohr nur
ca. 2 cm lang und unterstützt eine ca. 12 cm lange Wendel nur im Endbe
reich.
Die Fig. 2-5 zeigen jeweils alternative Ausführungsbeispiele für eine Hal
terung.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ei
nen hakenförmigen Abstandshalter 14, welcher an einem Ende an der Wan
dung 3 des Entladungsraums 2 befestigt, beispielsweise festgeschmolzen ist.
An dem anderen Ende ist er an der Elektrodenwendel 6 befestigt. Um auf
diese Weise eine Wendel 6 auf einer längeren Strecke sicher zu halten, sollten
entlang der Längserstreckungsrichtung der Wendel 6 mehrere Häkchen 14
angeordnet sein, wobei diese auch vorteilhafterweise radial in unterschiedli
che Richtungen nach außen verlaufen. Ein günstiger Abstand solcher Ab
standshalterhäkchen 14 zueinander liegt bei ca. 15 cm.
Fig. 3 zeigt als Abstandshalter eine durchgehende Haltescheibe 15, durch
die in der Mitte die Wendel 6 verläuft. Diese Haltescheibe 15 stützt das
Wendel 6 zu allen Seiten gegenüber den Wänden 3 ab.
Fig. 4 zeigt eine Halterung in Form von zwei in der Längsrichtung der
Wendel 6 hintereinander verlaufenden Haltestäben 16, 17, welche sich je
weils quer durch den Entladungsraum 3 von einer Wandseite zur anderen
erstrecken. Diese Haltestäbe 16, 17 sind an mindestens einer Seite an der
Wandung 3 befestigt, beispielsweise festgeschmolzen. Auch bei dieser Versi
on ist es sinnvoll, wenn mehrere solcher Stäbe 16, 17 in der Längserstreckung
der Wendel 6 hintereinander verwendet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 wird wiederum ein axial ver
laufendes Stützrohr 9 verwendet. Dieses axial verlaufende Stützrohr 9 wird
von mehreren radial verlaufenden Querstützen 18, welche sich zwischen
dem Stützrohr 9 und der Seitenwandung 3 des Entladungsraumes 2 erstrek
ken, gestützt. Diese Version bietet sich insbesondere bei der Herstellung von
sehr langen Lampen an.
Alternativ ist es natürlich möglich, das Stützrohr 9 oder einen entsprechen
den Stützstab aus Vollmaterial mit beliebigen Abstandshaltern, wie in den
Fig. 2, 3 und 4 gezeigt, zu kombinieren. Insbesondere bietet sich hierzu
die Verwendung der Haltescheiben 15 gemäß Fig. 3 an.
Bei einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft das axi
al verlaufende Stützrohr nicht innerhalb der Wendel 6 sondern außerhalb
der Wendel 6. Somit ist auch die innere wendelförmige Elektrode 6 durch ein
Dielektrikum, nämlich die Wandung des Stützrohrs, gegenüber den äußeren
Elektroden abgeschirmt. Eine derartige Lampe bietet sich auch für einen bi
polaren Betrieb sowie zu Füllungen mit Edelgas-Halogeniden an. Eine weite
re Alternative besteht darin, die Elektrode vollkommen mit dielektrischem
Material zu umgeben, beispielsweise die Elektrode in dielektrisches Material
einzuschmelzen. Hierbei kann die Elektrode wiederum eine beliebige Form
aufweisen. In diesem Fall wird die Elektrode quasi in die Halterung inte
griert.
Unter bestimmten Bedingungen kann das letztgenannte Ausführungsbei
spiel wegen der durch die Wände des Stützrohrs bedingten relativ großen
Stärke des Dielektrikums zwischen der Elektrode und den Entladungen
nachteilig sein. Zugunsten niedrigerer Betriebsspannungen kann es dann
sinnvoller sein, die Elektrode nicht mit dickwandigeren Teilen der Halterung
zu bedecken. Vielmehr sollte dann eine als dünnere Beschichtung aufge
brachte, beispielsweise aufgedruckte oder aufgepinselte, dielektrische
Schicht verwendet werden - wenn überhaupt. Auch beim Einschmelzen in
die Halterung kann eine solche Schichtdicke eingestellt werden.