DE2412997A1

DE2412997A1 - Ultraviolett-strahlungsquelle

Info

Publication number: DE2412997A1
Application number: DE2412997A
Authority: DE
Inventors: Robert Dr Bachmann; Pieter Bearda; Walter Stoidl
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1975-09-11
Also published as: DE7409448U; CH570040A5; DE2412997C2

Description

Ultraviolett-Strahlungsquelle Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit hoher spektraler Strahldichte, bei welcher die Strahlung in einer eine thermoemissive Kathode und einen zylindrischen Entladungsraum des Durchmessers D = 20mm aufweisenden Entladungsröhre mit einer Quecksilber/Argon-Füllung durch eine wandstabilisierte Gleichstrom-Gasentladung bei einem Druck Pg des Quecksilbers zwischen 5#10-3 und 5,10-l Torr und einer Stromdichte j des Entladungsstromes I zwischen 1 und 25A/cm2 erzeugt wird.
Eine solche Einrichtung, kurz: Hochstrom-Niederdruck-UV-Strahlungsquelle, ist bekannt z.B. aus der US-PS 3'679'928. Die bekannte Strahlungsquelle soll zur Erzeugung von UV-Strahlung insbesondere mit Wellenlängen unterhalb 2300 Rngström (R) dienen, und für die Stimulierung photochemischer Reaktionen verwendet werden. Die bekannte Strahlungsquelle hat jedoch bisher keinen Eingang auf dem einschlägigen Markt gefunden, wahrscheinlich weil sie aufgrund von Plasmaschwingungen zu Instabilitäten neigt, und aufgrund einer bzgl. der UV-Ausbeute zu hohen Leistungsaufnahme keine wirtschaftlich erträglichen Lebensdauern zulässt.
Schwachstrom-iederdruck-tJV-Strahlungsquellen sind aus der Leuchtstoffröhrentechnik wohl bekannt. So ist z.B. aus der US-PS 3'117'248 eine UV-Strahlungsquelle mit einer Quecksilber-Gasentladung bekannt, bei welcher der während der Entladung von der Anode zur Kathode gepumpte Quecksilberdampf durch eine den Kathoden- mit dem Anodenraum verbindende Leitung zur Anode zurückströmen kann. Eine ähnliche Quelle ist aus der US-PS 3'617'792 bekannt, bei welcher die Rückströmleitung konzentrisch das Entladungsrohr umschliesst.
Schliesslich sind auch noch vielartige Quecksilber-Hochstrom-Hochdruck- und-Niederdruckbrenner für die Raman-Spektroskopie bekannt (z.B. Brandtmüller-Moser, Einführung in die Raman-Spektroskopie, Steinkopf-Verlag, 1962, S. 144-159, 284-285, 298-303). Diese Brenner werden jedoch praktisch ausschliesslich für längere ,Wellenlängen, und -zwar über 4000 R, ausgelegt, und sind für die Erzeugung von Strahlung im fernen Ultraviolett nicht geeignet. Im übrigen handelt es sich bei den bekannten Brennern auch überwiegend um Laborgeräte, die für eirien technisch-wirtschaftlichen Einsatz nicht in Betracht kommen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine UV-Strahlungsquelle hoher spektraler Strahldichte insbesondere für die Wellenlänge #= 2537 i, zu schaffen, die unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten für den industriellen Einsatz bestens geeignet ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einer Einrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäss - die Entladungsröhre einen den Kathodenraum mit dem Anodenraum verbindenden Druckausgleichsraum umfasst, wobei die Summe der Volumina des Kathodenraumes, des Anodenraumes und des Druckausgleichsraumes grösser ist als das Volumen des Entladungsraumes, - der Druck PAl, des Argons zwischen 0,01 und 0,10 Torr liegt, und - ein erstes Regelglied vorgesehen ist, welches die Stromdichte j des Entladungsstroms I auf einen konstanten Wert izl zwischen 1 und 25A/cm2 regelt, und - ein-zweites Regelglied vorgesehen ist, welches den Druck g des Quecksilbers auf einen solchen Wert regelt, dass die Ausbeute # der Linie der Wellenlänge 2537 R, d.h. das Verhältnis der spektralen Strahlungsleistung für die Wellenlänge ?< r 2537 i zur in die Entladung eingespeisten elektrischen Leistung, mindestens 80% des Ausbeute-Maximums #max für die eingestellte Stromdichte jo beträgt.
Mit der Einrichtung nach der Erfindung ist es erstmals möglich, die Strahlungsleistung durch Einstellen der Entladungsstromdichte j dem zu bestrahlenden Gut anzupassen, und dennoch, durch entsprechende Variation des Quecksilber-Druckes, sich stets in der Nähe der Maximums der UV-Ausbeute aufzuhalten, was nicht nur für die Wirtschaftlichkeit, sondern auch für eine optimale Lebensdauer der Strahlungsquelle von grösster Bedeutung ist. Die spezielle, erfindungsgemässe Ausgestaltung der Volumina des Entladungsraumes und des Anoden-, Kathoden- und Druckausgleichsraumes bewirkt die Verhinderung von Plasmaschwingungen und damit einen stabilen Brennvorgang, ferner einen gleichmässigen Druck des Entladungsmediums, der allein durch die kälteste Stelle des Systems bestimmt ist. Der erfindungsgemässe Argon-Druck hat zur Folge, dass die Lampe ohne unvertretbar grossen Aufwand gezündet werden kann, trotzdem aber ein Durchzünden von der Kathode zur Anode durch den Druckausgleichsraum weitgehend verhindert wird.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigt: Fig. 1 eine Entladungsröhre mit M-förmigem Entladungsraum, Fig. 2 eine Entladungsröhre mit gewendeltem.Entladungsraum, Fig. 3 eine Entladungsröhre mit U-förmigem Entladungsraum und Regelgliedern zur Einstellung des Entladungsstromes und des Quecksilber-Drucks, Fig. 4 den Kathoden-, Anoden- und Druckausgleichsraum im Detail, Fig. 4a eine Variante des Anodenraumes, Fig. 5 eine Entladungsröhre mit Zünd- und Stromspeiseeinheit, Fig. 6 die in der Stromspeiseeinheit entstehenden Ströme und Spannungen, Fig. 7 die zur Erzeugung der Zündimpulse für die Stromspeiseeinheit dienende Regeleinrichtung, Fig. 8 Messkurven von Betriebsparamtern einer Einrichtung nach der Erfindung, und Fig. 9 den Zusammenhang zwischen der Entladungsstromdichte ; und der den Quecksilber-Druck bestimmenden Temperatur T(°g), der für einen optimalen Betrieb der Einrichtung Fig nach der Erfindung beachtet werden muss.
In Fig. 1 ist eine Entladungsröhre 1 dargestellt, die einen Kathodenraum 2, einen Anodenraum 3, einen diese beiden Räume verbindenden Druckausgleichsraum 4, und einen M-förmigen Entladungsraum 5 umfasst.
In Fig. 2 ist eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Entladungsröhre 1 dargestellt, wobei der Entladungsraum 5 gewendelt ist.
Die Entladungsröhre nach Fig. 1 dient zur Flächen-Bestrahlung, in die nach Fig. 2 vonZder Achse der Wendel angeordnetem Gut.
Wie in den Fig. 3, 4 und 4a näher dargestellt ist, weist die Entladungsröhre 1 im Kathodenraum 2 eine Kathode 9 auf, und im Anodenraum 3 eine Anode 10.
Die Kathode 9 ist thermoemissiv oder auch thermionisch, d.h.
sie emittiert bei Erhitzung Elektronen. Sie kann direkt oder indirekt beheizt sein. Sie besteht z.B. aus einem gewendelten Nickel-Netzstreifen mit BaO-Beschichtung. Sie ist von einem Topf 24 umgeben, der zum Entladungsraum 5 hin geöffnet ist.
Dadurch wirkt die Kathode 9 in Art einer Hohlkathode. Der Topf 24 kann auch aus Nickel sein. Er kann mit einem Ende der Kathode 9 leitend verbunden sein.
In Fig. 4 ist die Anode 10 ein Graphitkörper, der zur Vergrösserung der Oberfläche zwecks Verbesserung der Kühlung becherförmig ausgebildet ist. Da die Anode 10 während der Entladung einem hochenergetischen Elektronenbeschuss unterliegt und dadurch sehr heiss wird, ist der Graphitkörper mit einer Hartkohlenschicht, einem Pyrographitbelag 19 beschichtet. Dieser ist völlig unporös und verhindert, dass die Anode bei der Erhitzung Fremdstoffe abgibt oder gesputtert wird. Der Pyrographitbelag 19 ist mit einem Zirkonbelag 20 versehen. Dadurch wird nicht nur das Abstrahlungsvermögen der Anode verbessert, sondern auch ein sehr wirksames Getter erhalten.
In Fig. 4a ist die Anode 10 aus Massiv-Molybdän in Form einer Platte gebildet. Zwecks Vergrösserung der Oberfläche und Verbesserung der Kühlung, insbesondere durch Strahlung, ist die Oberfläche mit Rillen, Rippen od. dgl. versehen. Die Verwendung von Molybdän als hochschmelzendes Metall ist deshalb besonders zweckmässig, weil Molybdän, z.B. im Gegensatz zu Wolfram, besser bearbeitet werden kann. Auch die Anode 10 aus Massiv-Molybdän kann mit einem Zirkonbelag 20 beschichtet sein.
Die'Entladungsröhre 1 ist mit Argon mit einem Druck zwischen 0,01 und °r1 Torr und Quecksilber gefüllt. Während das Einfüllen des gasförmigen Argons keine Probleme macht, ist für das Einführen des bei Zimmertemperatur bekanntlich flüssigen Quecksilbers ein Quecksilber-Dispenser 22 vorgesehen. Dieser besteht aus einer Metallrinne 21 mit einer Quecksilber-Aluminium -Zirkon-Verbindung, die bei Zimmertemperatur stabil ist. Erst durch Aufheizen auf 9000C zerfällt die Verbindung.
Dann wird das Quecksilber frei und kondensiert an der kältesten Stelle 8 der Entladungsröhre 1, vorzugsweise im Druckausgleichsraum 4, als Quecksilber-Tropfen 23 (Fig. 3). Die Zirkon-Aluminiumverbindung bleibt als Getter erhalten.
Sowohl die Kathode 9 als auch die Anode 10 sind von Hohlzylindern 11, 12, z.B. aus Nickel, umgeben. Diese Hohlzylinder dienen als thermische Schilde. Damit sich zur zugehörigen Elektrode 9 oder 10 kein Spannungsgefälle ausbildet, was ein Sputtern ("Kathodenzerstäubung") bewirken würde, sind die Hohlzylinder 11, 12 elektrisch isoliert aufgehängt, ihr Potential "floatet".
Der Entladungsraum 5 ist zylindrisch und weist einen Innendurchmesser D von 4 ... 20 mm auf.
Die Erfindung beruht nun zu einem grossen Teil auf der Erkenntnis, dase für einen optimalen Betrieb der erfindungsgemässen UV - Strahlungsquelle der Quecksilber-Druck pg für bestimmte Werte j0 der Entladungsstromdichte ganz bestimmte Werte PHg aufweisen muss. Dieser Druck p### wird bei der erfindungsgemässen Strahlungsquelle durch die Temperatur T### der kältesten Stelle 8 des Systems, die vorzugsweise im Druckausgleichsraum 4 liegt, bestimmt. Bei der Einrichtung nach der Erfindung ist daher neben dem ersten Regelglied 6 zur Regelung der Entladung auf eine bestimmte Stromdichte j0 noch ein zweites Regelglied 7 vorgesehen, bei welchem von einem Temperaturfühler 16, z.B.
einem Thermistor, die Ist-Temperatur der kältesten Stelle 8 eingegeben wird, und welches die Temperatur dieser Stelle 8 dann mittels einer Beheizung 17 auf die Soll-Temperatur regelt.
Die Beheizung 17 kann ein Heizwiderstand, ggfs. gekoppelt mit einem Peltier-Element, sein, jedoch auch ein Gebläse, welches aufgeheizte Luft gegen die Stelle 8 und den Anodenraum 3 bläst.
Zur Ermittlung des richtigen Quecksilber-Druckes (0) bzw. der zugehörigen Temperatur T### ist es notwendig, den Verlauf der Ausbeute # der Linie der Wellenlänge 2537 Å in Abhängigkeit von PHg bzw. Tg zu kennen. Dieser Zusammenhang ist in Fig. 7c) dargestellt. Demnach verschiebt sich das Maximum der Ausbeute bei einer Entladungsröhre der Länge L : 170 cm (von Kathode 9 zu Anode 10 durch den Entladungsraum 5 gemessen) und dem Innendurchmesser D t 10 mm des Entladungsraumes 5, , sowie einem Argon- Fülldruck PAr = 0,05 Torr, von THg(0) # 60°C für I = 4A, zu THg(0) # 85°C für I = 12A. Nachdem erfindungsgemäss PHg so geregelt wird, dass die Ausbeute mindestens 80% von # max betragen muss, ergibt sich also aus Fig. 7c) - für 10 = 4A ein T(g) = 52....69°C, - für Io = 8A ein THg(0) = 61....86°C, ung - für Io = 12A ein THg(0) = 72....96°C.
Konkreter lässt sich die Vorschrift für die Regelung der Quecksilber-Temperatur THg(0) in Abhängigkeit von der gewählten Entladungsstromdichte j0 wie folgt formulieren: Diese Vorschrift für das zweite Regelglied 7 ist durch die Gerade in Fig. 8 dargestellt und gilt in folgenden Grenzen: - PHg = 10-2 ... 4#10-1 Torr, entspr. THg = 45°C...100°C - PAr = 2#10-2 ....8#10-2 Torr - D = 8....12 mm - jo = 1....16A/cm@, Wenn THg auf die Werte T(g) geregelt wird, die sich aus der oben angeführten Gleichung ergeben, liegt # zumindest sehr nahe bei seinem Maximum. Da es jedoch aus praktischen Gründen zulässig ist, die erfindungsgemässe Strahlungsquelle auch noch bei 80% 7 a zu betreiben, kann von den sich aus der Gleichung ergebenden ,(0)-Werten noch um + 15% abgewichen werden, ohne dass dadurch der Rahmen dieser Erfindung verlassen würde.
In Fig. 7a) ist die Bogenspannung Uarc in Abhängigkeit von dem Entladungsstrom I dargestellt, und in Fig. 7b) in Abhängigkeit von der Quecksilber-Temperatur T11g Daraus wird ersichtlich, dass bei einer Strahlungsquelle mit den Parametern der Erfindung die Bogenspannung weder als Mess- noch als Regelgrösse verwendbar ist.
Obwohl der Druckausgleichsraum 4 wichtig für die Stabilisierung der Entladung ist, bewirkt er andererseits die Gefahr, dass die Entladung direkt durch den Druckausgleichsraum 4 durchzündet.
Diese Gefahr wächst mit steigendem Argon-Druck PAr. Um dem zu begegnen, können erfindungsgemäss im wesentlichen drei Massnahmen, einzeln oder vorzugsweise miteinander, ergriffen werden: - Die Geometrie des Druckausgleichsraumes 4 wird so gewählt, dass die Spannung für die Zündung eines Bogens durch den Druckausgleichsraum 4 hindurch möglichst hoch ist. Dazu bietet sich ein möglichst kleiner Durchmesser des Druckausgleichsraumes 4 an. Jedoch muss der Durchmesser ausreichend gross sein, dass ein Druckausgleich zwischen den Elektrodenräumen 2 und 3 stattfinden kann. Unter diesen Aspekten hat sich eine Ausbildung wie in Fig, 4 als zweckmässig erwiesen: Innerhalb eines Rohres 14, das nur der stabilen Verbindung der zwei Elektrodenräume 2 und 3 dient, ist als Druckausgleichsraum 4 ein Strömungsrohr des Durchmessers d = 2....4 mm vorgesehen. Dieses Strömungsrohr kann zur Erhöhung der Zündspannung oval oder sonstwie unrund gestaltet sein. (An dieser Stelle soll auch erwähnt sein, dass die Elektrodenräume 2 und 3 sowie das Rohr des Druckausgleichsraumes 4 und das der mechanischen Verbindung dienende Rohr 14 aus Normalglas gefertigt werden, und nur das den Entladungsraum 5 umschliessende Rohr zwecks Transparenz für die UV-Strahlung aus Quarzglas bestehen muss. Wie z.B. aus Fig. 4 ersichtlich, wird das Quarzrohr an die Elektrodenräume mittels einer sogenannten Schachtelhalmverbindung 18 angeschlossen. Dabei werden jeweils Glasringe miteinander verschmolzen, die die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Quarzes und des Normalglases einander annähern).
Die durch die elektrisch floatenden Hohlzylinder 11, 12 erzeugte elektrische Feldverteilung wird durch interne Massnahmen beeinflusst. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Hohlzylinder 11, 12 ein in den Druckausgleichsraum 4 hineinfokussierendes Feld erzeugen. Durch Anordnung eines elektrisch isoliert aufgehängten Gitters 13 an mindestens einem der Eingänge in den Druckausgleichsraum 4 wird die Feldverteilung erheblich verbessert. Im übrigen wirken auch die Hohlzylinder 11, 12 selbst als Hindernisse gegen ein Durchzünden.
- Die elektrische Feldverteilung wird durch externe Massnahmen beeinflusst. Hierzu hat sich ein auf vorzugsweise negativem elektrischen Potential, z.B. -100V gegen die Kathode 9, liegender leitender Belag 15, z.B. aus Silber, Gold oder Graphit, auf dem. Rohr 14 als besonders wirkungsvoll erwiesen. Dabei ist wichtig, dass der Belag über den Ansatz des Rohres 14 an den Elektodenräumen 2, 3 hinaufgezogen ist. Dadurch wird das Fokussierungsfeld fast völlig beseitigt.
Ein wichtiger Gedanke der Erfindung liegt auch in der Speise-und Regeleinrichtung für den Entladungsstrom, das "erste Regelglied"6. Dieses muss im wesentlichen folgenden Anforderungen genügen: - Bei der Zündung der Entladungsröhre 1 mit kaltem Entladungsraum (T ist tief) muss die angelegte Bogen-Hg spannung ein Mehrfaches der Betriebsbogenspannung sein.
- Im Betrieb muss der Strom auf dem vorgegebenen, konstanten Wert I gehalten werden.
- Es müssen verschiedene Werte 10 einstellbar sein.
- Der Strom darf nicht durch Null gehen, da die Strahlungsquelle sonst erlöschen würde.
- Das Regelglied soll preiswert und betriebssicher sein.
Das in Fig. 5 dargestellte und einen Teil der Erfindung bildende Regelglied 6 erfüllt diese Anforderungen.
Das Regelglied 6 weist eine Leistungseinheit 25 auf, die zwei antiparallel geschaltete Thyristoren 30 und einen Brückengleichrichter 31 umfasst. Die Leistungseinheit 25 ist z.B. an die Phasen R und T des Drehstromnetzes angeschlossen. Die Zündwinkel cC der beiden Thyristoren werden von der weiter unten anhand von Fig. 7 erläuterten Regeleinheit 26 gesteuert. Bei = = 180 1800 wird jeder Stromdurchgang von den beiden Thyristoren 30 gesperrt. Beins= 00 werden die beiden Phasenspannungen voll durchgelassen.
Der Eingang der Regeleinheit 26 wird von einem heizbaren NTC-Widerstand, der NTC-Einheit 29, gesteuert, der von der Spannung über dem Shunt 32 beheizt wird. Dadurch wird eine träge Stromregelung erreicht, was im Hinblick auf die SchRingungsneigung des Systems (negative Charakteristik der Gasentladung) von besonderem Vorteil ist.
Ein weiterer Vorteil dieser Technik liegt darin, dass die NTC-Einheit 29 vor der Zündung mit einer Hilfsspannung so vorgeheizt werden kann, dass beim Zünden nur ein kleiner Strom fliesst. Mit der Zündung wird diese Hilfsspannung dann ausgeschaltet, und entsprechend der Abkühlung des NTC-Widerstandes steigt der Entladungsstrom langsam an bis zu dem stabilisierten Sollwert. Dadurch wird ein Ueberschwingen des Stromes beim Zünden verhindert.
Zur Zündung der Entladung ist aussen auf dem Kathodenraum 2 eine Hilfselektrode 33 vorgesehen, welcher aus einer Zündeinheit 34 ein Hochspannungspuls zugeführt wird. Statt der Hilfselektrode 33 kann auch ein Zündstift an der Entladungsröhre 1 vorgesehen sein.
Die Zündspannung U in Höhe von 500 ... 700V wird von der Gleichspannungsquelle 27 bereitgestellt, die einen Brückengleichrichter, eine Drossel und einen Kondensator umfasst. Die Gleichspannungsquelle 27 ist der Leistungseinheit 25 über den hochohmigen Seriewiderstand 28 (R 31 ... 5 kQ) parallel geschaltet.
Dadurch wird erreicht, dass dann, wenn der Wert des Ausgangsstromes 1 der Leistungseinheit 25 Null ist, über den strombegrenzenden Seriewiderstand 28 ein kleiner Haltestrom ipmin durch die Entladungsröhre 1 weiterfliesst, der das Erlöschen der Entladung verhindert.
In Fig. 6 sind die Ströme und Spannungen der Leistungseinheit 25 dargestellt.
Die "weissen" Impulse im u/t-Diagramm steuern den einen, die dunkel schraffierten den anderen der Thyristoren 30.
Die Impulse I entsprechen einem Zündwinkel α = 180°. Wie ersichtlich, wird dann der Strom i* und entsprechend auch der Strom i zu Null.
Die Impulse II entsprechen einem Zündwinkel α #60°. Es ergibt sich dänn die dick ausgezogene Kurve für den Strom it, und hinter dem Brückengleichrichter 31 der pulsierende Gleichstrom i und i . Zu dem pulsierenden Gleichstrom i gehört die p p pulsierende Gleichspannung up, die zwischen der Zündspannung U und der Bogenspannung bei maximalem Strom schwankt. Der pulsierende Gleichstrom ip, , bzw. die pulsierende Gleichspannung up werden in einer Drossel 35 gedämpft, ehe sie in die Entladungsröhre 1 eingespeist werden.
Die Regelung wird im Normalbetrieb so eingestellt, dass der Gleichstromanteil des Stromes i zusammen mit dem Haltestrom ipmin gerade den notwendigen Entladungsgleichstrom 10 entsprechend einer Entladungsstromdichte jo ergibt Die in Fig. 7 dargestellte Regeleinheit 26 funtioniert im wesentlichen wie folgt:-Der NTC-Widerstand der NTC-Einheit 29 ist Teil einer Brückenschaltung, die ausserdem noch die Widerstände 36, 37 und 38 umfasst. 36 ist ein mit dem vorgenannten NTC-Widerstand identischer NTC-Widerstand. 37 ist ein Festwiderstand. Mit 38 wird der Sollwert 10 des Entladungsstromes I eingestellt.
Der Nullzweig der Brückenschaltung wird von den Transistoren Tr 1, Tr 2 und Tr 3 gebildet. Transistor Tr 3 sperrt, solange die Brückenschaltung abgeglichen ist. Mit wachsendem Ungleichgewicht wird Tr 3 immer mehr geöffnet und veranlasst einen wachsenden Strom im Transistor Tr 4.
Proportional dem Strom durch Tr 4 emittiert die lichtemittierende Diode des Optokopplers OK eine wachsende Lichtintensität, welche ihrerseits den Transistor des Optokopplers OK weiter öffnet. /den Von dem Transistor des Optokopplers OK durchfliessenden Strom wird ein Lade- Kondensator 40 aufgeladen, dessen Spannung dann einen Unijunction-Transistor UJ öffnet, wenn dessen Schwellspannung erreicht ist.
Der Transistor des Optokopplers OK und der Primärteil des dem Unijunction-Transistor UJ nachgeschalteten Transformators T werden von einer pulsierenden Gleichspannung gespeist, die durch Doppelweggleichrichtung im Brückengleichrichter 41 und Abschneiden auf die Zenerspannung der Z-Diode Z erzeugt wird.
Der Brückengleichrichter 41 wird mit einer Wechselspannung beaufschlagt, die synchron mit der die antiparallelen Thyristoren 30 speisenden Spannung verläuft. Wie ersichtlich, werden im Transformator T sekundärseitig immer dann Impulse erzeugt, wenn der Unijunction-Transistor UJ vom Kondensator 40 geöffent worden ist. Diese Impulse steuern dann die Thyristoren 30.
Die Impulse werden umso früher kommen, je weiter der Transistor des Optokopplers OK geöffnet ist, Ist die Brücke 29 - 36 - 37 -38 abgeglichen, so ist der Zündwinkelotder Impulse derart, dass sich der erforderliche Entladungsgleichstrom 10 ergibt. Ein Ungleichgewicht der Brücke verkleinert oder vergrössert den Wert von c>C.
Die beschriebene Regeleinheit weist insbesondere zwei bemerkenswerte Gedanken auf: - Damit beim Start der Entladungsröhre 1 diese nicht sofort mit vollem Strom beaufschlagt wird, was zu unerträglichen Stabilitätsproblemen führen würde, wird der Heizwiderstand der NTC-Einheit 29 zunächst auf den Start-Widerstand 39 geschaltet und der NTC-Widerstand vorgeheizt.
Nach erfolgter Zündung der Gas entladung wird dann auf den Shunt 32 umgeschaltet, so dass sich der NTC-Widerstand, da vorläufig nur ein kleiner Entladungsstrom fliesst, abkühlt. Es werden dadurch die Zündimpulse am Ausgang des Transformators T von der anfänglichen Blockierlage bei α # 180° erst ganz langsam zur späteren Betriebslage hingeschoben.
- Damit die Basisspannung des dem Ladekondensator 40 vorgeschalteten Transistors nicht durch das ständig wechselnde Emitterpotential gestört wird, ist die galwanisch getrennte Steuerung über den Optokoppler OK vorgesehen.
Ein letzter, sehr wesentlicher Teil der Erfindung liegt in der Verwendung einer wie vorstehend beschriebenen Einrichtung zur trockenen Kurzzeit-Kaltsterilisation in situ, insbesondere von Verpackungsmaterial für Lebensmittel, welche nicht durch Erhitzung in verpacktem Zustand sterilisiert werden können, z.B. Milchprodukte, oder von Flüssigkeiten mit genügender UV-Transparenz (z.B. Wasser), oder zur oberflächigen Sterilisation von Schüttgut und Pulver.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

Einrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit hoher spektraler Strahldichte, bei welcher die Strahlung in einer eine thermoemissive Kathode und einen zylindrischen Entladungsraum des Durchmessers 1) = 4 .... 20 mm aufweisenden Entladungsröhre mit einer Quecksilber/Argon-Füllung durch eine wandstabilisierte Gleichstrom-Gasentladung bei einem Druck PHg des Quecksilbers zwischen 5.10 3 und 5.10'1 Torr und einer Stromdichte j des Entladungsstromes I zwischen 1 und 25 A/cm2 erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet'dass - die Entladungsröhre (1) einen den Kathodenraum (2) mit dem Anodenraum (3) verbindenden Druckausgleichsraum (4) umfasst, wobei die Summe der Volumina des Kathodenraumes (2), des Anodenraumes (3) und des Druckausgleichsraumes (4) grösser ist als des Volumen des Entladungsraumes (5) - der Druck PAr des Argons zwischen 0,01 und 0,10 Torr liegt, und - ein erstes Regelglied (6) vorgesehen ist, welches die Stromdichte j des Entladungsstromes I auf einen konstanten Wert zwischen 1 und 25 A/cm2 regelt, und - ein zweites Regelglied (7) vorgesehen ist, welches den Druck PHg des Quecksilbers auf einen solchen Wert regelt, dass die Ausbeute 7 der Linie der Wellenlänge 2537 b, d.h. das Verhältnis der spektralen Strahlungsleistung für die Wellenlänge # = 2537 Å zur in die Entladung eingespeisten elektrischen Leistung, mindestens 80% des Ausbeute-Maximums #max für die eingestellte Stromdichte jo beträgt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Regelglied (7) - für einen Quecksilberdruck PHg zwischen 10-2 und 4.10-1 Torr, einen Argondruck PAr zwischen 2.10 2 und 8.10-2 Torr, einen Durchmesser D des Entladungsraumes zwischen 8 und 12 mm, und eine Stromdichte jo des Entladungsstromes I zwischen 1 und 16 Alem2 - die den Quecksilberdruck festlegende Temperatur THg der kältesten Stelle (8) der Entladungsröhre (1) auf einen Wert THg(0) # 15 % regelt, der sich aus folgender Gleichung-ergibt:
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Gestaltung des Druckausgleichsraumes (4) derart ist, dass dessen Strömungswiderstand höchstens gleich dem des Entladungsraumes (5) ist, jedoch dessen Zuiidspannung für ein Durchzüënden zwischen den Elektrodenräumen (2,3) bei Betriebsbedingungen grösser ist als für den Entladungsraum (5).
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (9) und die Anode (10) jeweils von einem metallisch leitenden, elektrisch isoliert aufgehängten Hohlzylinder (1l, 12> umgeben sind.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der beiden Eingänge in den Druckausgleichsraum (4) durch ein metallisch leitendes, elektrisch isoliert aufgehängtes Gitter (13) abgeschlossen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Druckausgleichsraum (4) sich in einem Rohr (14) zwischen den an den Enden der Schenkel des Entladungsraumes (5) vorgesehenen Elektrodenräumen (2,)) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass das den Druckausgleichsraum (4) enthaltende Rohr (14) aussen einen metallisch leitenden, auf einem elektrischen Potential liegenden Belag (15) aufweist, der über den Ansatz des Rohres (14) an den Elektrodenräumen (2,3) hinausgezogen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Potential des Belages (15) gegenüber dem der Kathode (9) zwischen 0 und -200 V liegt.
8. Einrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (10) ein zwecks Vergrösserung. der Oberfläche becherförmiger, mit einem Pyrographitbelag (19) beschichteter.Graphitkörper ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode. (10) ein zwecks Vergrösserung der Oberfläche mit Rillen, Rippen oder dergleichen. versehener Massivmetallkörper aus Molybdän ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Pyrographitbelag (19) bzw. auf der Oberfläche des Massivmetallkörpers ein Zirkonbelag (20) vorgesehen ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenraum (3) ein Quecksilber-Dispenser (22) vorgesehen ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Regelglied (6) einen mit Phasenanschnitt gesteuerten Thyristorstromrichter als Leistungseinheit (25), eine vom Entladungsstrom I gesteuerte, den Zündwinkel α des Thyristorstromrichters einstellende Regeleinheit (26), und eine parallel zu der Leistungseinheit (25) liegende Gleichspannungsquelle (27) umfasst.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (27) eine Ausgangsspannung U aufweist, die zur Zündung der ungeheizten Entladungsröhre (1) ausreicht, und an die Anode (10) der Entladungsröhre (1) Ueber einen Serienwiderstand (28) angeschaltet ist, der so dimensioniert ist, dass beim Wert Null des Ausgangsstromes i der Leistungseinheit (25) in der Gasentladung ein Haltestrom ipmin fliesst.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsspannung U der Gleichspannungsquelle (27) gleich 500.....700 V ist, und der Serienwiderstand (28) 1... .5 k beträgt.-
15. Einrichtung nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (26) den Zündwinkel oc der Leistungseinheit (25) so regelt, dass der Gleichstromanteil des pulsierenden Gleichstromes i zusammen mit dem Haltestrom ipmin den Wert 10 des Entladungsstromes I ergibt, welcher den einzustellenden Wert jO der Entladungsstromdichte erzeugt.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang der Regeleinheit (26) von einem heizbaren temperaturempfindlichen Widerstand, z.B. einer NTC-Einheit (29), gesteuert wird, welcher vom Entladungsstrom I beheizt wird.
17. Einric-htung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass - die NTC-Einheit (29) vor dem Start der Entladungsröhre (1) zunächst über einen Start-Widerstand (39) an eine Hilfsspannung anschaltbar ist, derart, dass die Leistungseinheit (25) zunächst nur einen Gleichstrom abgibt, der kleiner ist als 1A.
18. Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der heizbare temperaturempfindliche Widerstand mit anderen Widerständen (36,37,38) eine Brückenschaltung bildet, deren Nullzweig den Strom durch-die lichtemittierende Diode eines Optokopplers (OK) steuert, dessen Transistor einem Lade-Kondensator (40 vorgeschaltet ist, dessen Spannung einen Unijunction-Tran-sistor (UJ) steuert, der im Primärkreis eines Transformators (T) liegt, der mit einer Spannung gespeist wird, die synchron ist mit der, welche den Thyristorstromrichter der Leistungseinheit (25) speist.
19. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Regelglied (7) an seinem Eingang mit einem an der kältesten Stelle (8) der Entladungsröhre (1), vorzugsweise im Druckausgleichsraum (4), angeordneten Temperaturfühler (16), vorzugsweise einem Thermistor, verbunden ist, und an seinem Ausgang mit einer auf die kälteste Stelle (8) der EntladungßrUhre (1) wirkenden Beheizung (17).
20. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur trockenen Kurzzeit-Kaltsterilisation in situ, insbesondere von Verpackungsmaterial für Lebensmittel, welche nicht durch Erhitzen in verpacktem Zustand sterilisiert werden können, z.B. Nilchprodukte, oder von Flüssigkeiten mit genügender W-Transparenz (z.B. Wasser), oder zur oberflächigen Sterilisation von Schüttgut und Pulver.