DE2433557A1 - Ultraviolett-strahlungsquelle mit druckausgleich - Google Patents

Description

• Ultraviolett-Strahlungsquelle mit Druckausgleich Zusatz zur Hauptpatentanmeldung Nr. P 24 12 997.3 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 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, und bei welcher der Kathodenraum mit dem Anodenraum ausser durch den Entladungsraum auch durch einen Druck ausgleichsraum verbunden ist, gemäss Pat. Gesuch Nr. 2994/74, wobei der Druck PAr des Argons zwischen 0,01 und 10 Torr liegt.
• Bei dieser Einrichtung - kurz: Hochstrom-Nriederdruck-UV-Strahlungsquelle - muss bei kleiner Druckdifferenz ein grosser Quecksilberdampfstrom vom Kathodenraum zum Anodenraum fliessen, ohne dass dadurch Fehlzündungen, d.h. zündungen durch den Druckausgleichsraum statt durch den Entladungsraum,veranlasst werden.
• Dazu ist die Ausbildung des Druckausgleichraumes nach der Hauptanmeldung nicht optimal geeignet. Insbesondere sind bei grösseren Längen des Entladungsraumes Fehlzündungen mit derart ausgebildeten Druckausgleichräumen kaum zu vermeiden.
• Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausbildung des Druckausgleichraumes anzugeben, mit welcher FenlzüLdungen auch gei grossen Längen des Entladungsraumes vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss die Führung des Gases im Druckausgleichsraum derart ist, dass ein Teilstück des Weges vom Kathodenraum zum Anodenraum, und d ein anderes Teilstück des Weges vom Anodenraum zum Kathodenraum gerichtet ist.
• Dei einer derartigen Ausbildung des Druckausgleichraumes müssen die Bestandteile des Quecksilberdampfstromes (Hg-Atome, Hg-Ioner und Elektronen) sowie möglicherweise auch des Argons auf den genannten Teilstücken mindestens einmal gegen das äussere, zwischen Kathode und Anode bestehende elektrische Potential anlaufen, was ein Durchzünden verhindert.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausfworungsbeispielen.
• Dabei zeigt: Fig. 1 die Entladungsröhre einer UV-Stranlungsquelle nach der Hauptanmeldung mit M-förmigem Entladungsraum, Fig. 2 die Entladungsröhre einer UV-Stranlungsquelle nach der Hauptanmeldung mit gewendeltem Entladungsraum, Fig. 3 den Kathoden- und den Anodenraum der Entladungsröhre mit Details der Kathode und der Anode, Fig. 4 eine erste Ausführungsform des Druckausgleichsraumes nach der Erfindung, und Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Druckausgleichsraumes nach der Erfindung.
• 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 1 nach Fig. 1 dient zur Flächenbestrahlung, die nach Fig. 2 zur Bestrahlung von in der Achse der Wendel angeordnetem Gut.
• Wie in Fig. 3 näher dargestellt ist, weist die Entladunsröhre 1 im Kathodenraum 2 eine Kathode 9 und im Anodenraum 3 eine Anode 10 auf. Die Kathode 9 ist thermoemissiv bzw. thermionisch, d.h. sie emittiert bei Erhitzung Elektronen. Sie kann cirekt oder indirekt beheizt sein. Sie besteht z.B. aus einem gewendelten Nickel-Netzstreifen mit BaO-3eschichtung. 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 aus Nickel sein. Er kann mit einem Ende der Kathode 9 leitend verbunden sein.
• Die Anode 10 ist ein Graphitkörper, der zur Vergrosserung der Cberfläche 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.
• Die Entladungsröhre 1 ist in dem Ausführungsbeispiel mit Argon mit einem Druck zwischen 0,01 und 0,1 Torr und Quecksilber gefüllt.
• 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 (?tKathodenzer5täubung?1) 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. Er besteht aus Quarzglas. Er ist mit den aus Normalglas bestehenden Elektrodenräumen 2,3 durch eine Schachtelhalmverbindung 18 verbunden.
• Im Betrieb liegt die Kathode 9 z.B. auf 0 V, die Anode 10 z.B.
• auf 300 V. Der Entladungsstrom I beträgt dann z.B. 8 r., dar Quecksilberdampfdruck 0,02 Torr, der Argondruck 0,05 Torr. Die Länge des Entladungsraumes 5 beträgt z.B. 350 cm.
• Der Druckausgleichsraum 4 gemäss Fig. 4 ist nun wie folgt ausgebildet: Ein gerades Rohr 52 z.B. von Durchmesser 16 mm, verbindet den Kathodenraum 2 mit dem Anodenraum 3. Innerhalb dieses Rohres 52 erstreckt sich ein U-förmig gebogenes Rohr C mit einem Durchmesser von etwa 2 - 8, typisch 3,5 mm. Der eine Schenkel dieses Rohres 53 ist mit seiner Oeffnung 54 i eine Scheibe 55 eingeschmolzen, welche ihrerseits in das Rohr 52 dicht eingeschmolzen ist und dieses anodenseitig abschliesst.
• Der Scheitel des U-Rohres 53 liegt auf der Seite der Kathode 2. Der andere Schenkel des U-Rohres 53 mündet in eine Oeffnung 56 vor der anodenseitigen Scheibe 55.
• Der Druckausgleichsraum 4 gemäss Fig. 5 ist Wie folgt dusgebildet: Wiederum verbindet ein gerades Rohr 52 eines Durchmessers von z.B. 16 mm den Kathodenraum 2 mit dem Anodenraum 3. Innerhalb dieses Rohres 52 erstreckt sich nun aber koaxial ein zweites gerades Rohr 57, mit einem Durchmesser von z.B. 10 mm, das anodenseitig offen und mit seinem aufgeweiteten Rand 58 an der Innenwandung des ersten Rohres 52 angeschmolzen ist.
• Kathodenseitig ist dieses Rohr 57 geschlossen. Innerhalb dieses Rohres 57 befindet sich dann koaxial ein drittes gerades Rohr 59, von z.B. 4 mm Durchmesser, das auch anodenseitig ofen, mit seinem aufgeweiteten Rand 60 jedoch mit dem zweiten Rohr 57 dicht verschmolzen ist. Dieses Rohr 59 ist auch kathodenseitig offen. Das zweite'Rohr 57 weist anodenseitig z.B. drei Oeffnungen 61 von z.B. 3 mm Durchmesser auf, welche den Raum zwischen dem zweiten (57) und dem ersten (52) Rohr mit dem Raum zwischen dem zweiten (57) und dem dritten (59) Rohr verbindet.
• Der Druckausgleich des im Entladungsraum 5 von der Anode 10 zur Kathode 9 gepumpten Quecksilberdampfes erfolgt.in den Ausführungen nach Fig. 4 und 5 entlang der strichlierten Linie 62.
• Bei günstig gewählten Durchmessern, z.B. wie oben angegeben, ist der Strömungswiderstand so gering, dass der Druckausgleich auch bei kleinen Druckdifferenzen problemlos stattfindet und die Entladung stabil ist Zur Verhinderung von Fehlzündungen ist es gemäss der Erfindung von entscheidender Bedeutung, dass ein Teilstück C50) derstrichlierten linie 62 entgegen der allgemeinen Bewegungsrichtung 2 - 3 lanrft. Denn entlang dieses Teilstückes 5 ist besonders bis zum Aufbau allfälliger Raum- oder Flachenladungen das elektrische Feld den Elektronen des Quecksiberdampfstromes entgegengerichtet und verhindert eine Fehlzündung.
• Von grosser Bedeutung ist ferner, dass Anode l und Kathode 9 zur beschriebenen Struktur des Druckausgleichraumes 4 wirklich so angeordnet sind, wie in den Figuren >4 und 5 gezeichnet, d.h.
• die Kathode 9 =uss links, die. Anode 10 rechts sein. Bei umgekehrter Anordnung ist die Sicherheit gegen Fehlzündungen erheblich reduziert, möglicherweise deshalb, weil dann von der Kathode 9 kommende Elektronen derart ungünstig in die Rohre eintreten, dass sich auf der Innenseite der Rohre FlAchenladungen aufbauen.
• Die erfindungsgemässe Ausführung des Druckausgleichraumes 4 ermöglicht eine reine Glaskonstruktion. Gegenüber der in der Hauptanmeldung angegebenen Ausführung entfallen das metallisch leitende, elektrisch isolierte Gitter 13, der auf einem elektrischen Potential liegende Belag 15, und der zum Anlegen des Potentials an diesen Belag 15 erforderliche Schaltkreis.
• Ein besonders wichtiger Fortschritt liegt jedoch darin, dass mit dem erfindungsgemässen Druckausgleichsraum UV-Strahlungsquellen mit erheblich längeren Entladungsräumen 5 hergestellt werden können, bei welchen die Spannung zwischen Anode und Kathode entsprechend höher ist.
• Mit dem erfindungsgemässen Druckausgleichsraum wurden schon Entladungsrbhren folgender Dimensionen erfolgreich betrieben: Durchmesser Kathodenraum: 65 mm Durchmesser Anodenraum: 65 mm Höhe Kathodenraum: 100 mm Höhe Anodenraum: 100 mm Durchmesser äusseres Druckausgleichsrohr: 16 mm Länge Druckausgleiehsraum: 40 mm Länge Entladungsraum: 350 cm Innendurchmesser Entladungsraum: 10 mm Betriebsspannung: 300 V Entladungsstromdichte; 10 A/cm2 Es versteht sich, dass der Rahmen der Erfindung nicht verlassen wird, Wenn eine UV-Strahlungsquelle der in Rede stehenden Art mit entsprechend modifizierten Elektroden statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom betrieben wird, und jede Halbwelle des Wechselstromes für die Gasentladung die Wirkung eines Gleichstromes hat.

Claims (4)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Einrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit hoher spektraler Strahldichte, bei welcher die Strahl@ng in einer eine thermoemissive Kathode und einen zylindrischen Entladungsraum aufweisenden Entladungsröhre mit einer Quecksilber/Argon-Füllung durch eine wandstabilisierte Gleichstrom-Gasentladung bei einem Druck PHg des Quecksi@@ers zwischen 5.10-3 und 5.10-1 Torr und einer Stromdi@@@e j des Entladungsstromes I zwischen 1 und 25 A/cm2 erz@@gt wird, und bei welcher der Xathodenraum mit dem Anodenraum ausser durch den Entladungsraum auch, durch einen Drucka gleichsraum verbunden ist, gemäss Pat. An.P 24 12 997.3 wobei der Druck PAr des Argons zwischen 0,01 und 1@ @orr liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Gases im Druckausgleichsraum (4) derart ist, dass ein Teilstück (51) des Weges vom Kathodenraum (2) zum Anodenraum (3), und ein anderes Teilstück (50) des Weges vom Anodenraum 3 zum Kathodenraum (2) gerichtet ist

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichsraum (4) aus einem den Kathodenraum m (2) mit dem Anodenraum (3) verbindenden geraden Rohr (52) esteht, innerhalb dessen sich ein U-Rohr (53) erstreckt, dessen einer Schenkel mit seiner Oeffnung (54) in eine Scheibe (55) eingesetzt ist, welche das erstgenannte Rohr (52) anodenseitig abschliesst, und dessen Scheitel auf der Seite des Kathodenraumes (2) liegt, und dessen anderer Schenkel in eine Oeffnung (56) vor der anodenseitigen Scheibe (55) ausläuft.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichsraum (4) aus einem den Kathodenraum (2) mit dem Anodenraum (3) verbindenden geraden Rohr (52) besteht, innerhalb dessen sich koaxial ein zweites gerades Rohr (57) erstreckt, das anodenseitig offen und mit seinem aufgeweiteten Rand (58) an der Innenwandung des ersten Rohres (52) angesetzt ist, und das kathodenseitig geschlossen ist, und dass in dem zweiten Rohr (57) sich koaxial ein drittes gerades Rohr (59) erstreckt, das anodenseitig offen und mit seinem aufgeweiteten Rand (60) an der Innenwandung des zweiten Rohres (57) angesetzt ist, und kathodenseitig offen ist, und dass das zweite Rohr (57) anodenseitig mindestens eine Oeffnung (61) aufweist, welche den Raum zwischen dem ersten (52) und dem zweiten (57) Rohr mit dem Raum zwischen dem zweiten (57) und dem dritten (59) Rohr verbindet.

4. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile (52,53,55,57,59) des Druckausgleichsraumes (4) aus Glas bestehen.