DE2433557C2

DE2433557C2 - Einrichtung zur Erzeugung von UV-C-Strahlung

Info

Publication number: DE2433557C2
Application number: DE19742433557
Authority: DE
Inventors: Gerold Dipl.-Phys. Dr. Aarau Brändli; Rudolf Wettingen Rieder
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-03-04
Filing date: 1974-07-12
Publication date: 1984-07-26
Also published as: DE2433557A1; CH578250A5

Description

«1

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung von UV-C-Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei wird unter UV-C-Strahlung ultraviolette Strahlung mit einem überwiegenden spektraien Anteil zwischen 200 und 280 nm verstanden.

Bei dieser Einrichtung - kurz: Hochstrom-Niederdruck-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 Druckausgleichsraumes, wie im Hauptpatent beschrieben, nicht optimal geeignet. Insbesondere sind bei größeren Längen ("<w Entladungsraumes Fehlzündungen mit derart ausgebildeten Druckausgleichsräumen kaum zu vermelden.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ausbildung des Druckausgleichsraumes anzugeben, mit welcher Fehlzündungen auch bei 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 ein anderes Teilstück des Weges vom Anodenraum zum Kathodenraum gerichtet ist.

Bei einer derartigen Ausbildung des Druckausgleichsraumes müssen die Bestandteile des Quecksilberdampfstromes (Hg-Atome, Hg-Ionen und Elektronen) sowie möglicherweise auch des Argons auf den genannten Teilstücken mindestens einmal gegen das äußere, zwischen Kathode und Anode bestenende elektrische Potential anlaufen, was ein Durchzünden verhindert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt

FI g. 1 die Entladungsröhre einer UV-Strahlungsquelle nach dem Hauptpatent mit M-förmigem Entladungsraum,

Flg. 2 die Entladungsröhre einer UV-Strahlungsquelle nach dem Hauptpatent mit gewendeltem Entladungsraum,

F i g. 3 den Kathoden- und den Anodenraum der Entladungsröhre mit Details der Kathode und der Anode.

Fig.4 eine erste Ausführungsform des Druckausgieichsraumes Im Sinne der Erfindung, und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des Druckausgleichsraumes nach der Erfindung.

In Flg. 1 ist eine Entladungsröhre 1 dargestellt, die einen Kathodenraum 2, einen Anodenraum 3, einen diese beiden Räume verbindenden Druckausgleichsraum 4 und einen M-förmlgen Entladungsraum 5 umfaßt.

In Flg. 2 Ist eine Variante der In Flg. 1 dargestellten Entladungsröhre 1 dargestellt, wobei der Entladungsraum 5 gewendelt Ist.

Die Entladungsröhre 1 nach Flg. 1 dient zur Flächenbestrahlung, die nach Flg. 2 zur Bestrahlung von In der Achse der Wendel angeordnetem Gut.

Wie In Flg. 3 näher dargestellt ist, weist die Entladungsröhre 1 Im Kathodenraum 2 eine Kathode 9 und im Anodenraum 3 eine Anode 10 auf. Die Kathode 9 1st thermoemlsslv bzw. thermionisch, d. h. sie emittiert bei Erhitzung Elektronen. Sie kann direkt oder indirekt beheizt sein. Sie besteht z. B. aus einem gewendelten Nlckel-Netzstrelfen mit BaO-Beschlchtung. Sie 1st 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 Vergrö-

ßerung 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 Pyrographltbelag 19 beschichtet. Dieser ist völlig unporös und verhindert, daß die Anode bei der Erhitzung Fremdstoffe abgibt oder zerstäubt 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 dein Ausführungsbeispiel mit Argon mit einem Druck zwischen 1,33 und 1330 Pa und Quecksilber gefüllt.

Sowohl die Kathode 9 als auch die Anode IQ sind von Hohlzylindern 11, 12, z. B. aus Nickel, umgeben. Dies; Hohlzylinder dienen als thermische Schilde. Damit sich zur zugehörigen Elektrode 9 oder 10 kein Spannungsgefälle ausbildet, was eine Elektroncnzerstäubung, bewirken würde, sind die Hohlzylinder il, 12 elektrisch isoliert aufgehängt, ihr Potential schwebt.

Der Entladungsraum 5 ist zylindrisch und weist einen Innendurchmesser D von 4 ... 20 mm auf. Er besteht aus Quarzglas. Er ist mit den aus Normalgias bestehenden Elektrodenräumen 2, 3 durch eine Schachtelhalmverbindung 18 verbunden.

Im Betrieb liegt die Kathode 9 z.B. auf OV, die Anode 10 z.B. auf 300V. Der Entladungsstrom I beträgt dann z.B. 8A, der Quecksilberdampfdruck 2,66 Pa, der Argondruck 6,65 Pa. Die Länge des Entiadungsraumes 5 beträgt z. B. 350 cm.

Der Druckausgleichraum 4 gemäß F i g. 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 53 mit einem Durchmesser von etwa 2 bis 8, typisch 3,5 mm. Der eine Schenkel dieses Rohres 53 ist mit seiner öffnung 54 in eine Scheibe 55 eingeschmolzen, welche Ihrerseits in das Rohr 52 dicht eingeschmolzen ist und dieses anodenseltig abschließt. Der Scheitel des U-Rohres 53 liegt auf der Seite der Kathode 2. Der andere Schenkel des U-Rohres 53 mündet in eine öffnung 56 vor der anodenseitigen Scheibe 55.

Der Druckausgleichsraum 4 gemäß F1 g. 5 ist wie folgt ausgebildet:

Wiederum verbindet ein gerades Rohr 52 eines Durchmessers von z. B. 16 mm den Kathodenraum 2 so 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 anodenseltig offen und mit seinem aufgeweiteten Rand 58 an der Innenwandung des ersten Rohres 52 angeschmolzen 1st. Kathodenseitlg 1st 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 anodenseltig offen, 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 anodenseitlg z. B. drei Öffnungen 61 von z. B. 3 mm Durchmesser auf, wel;he 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 Quecksllberdampfes erfolgt in den Ausführungen nach Flg. 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 (50) der strichlierten Linie 62 entgegen der allgemeinen Bewegungsrichtung 2 bis 3 läuft. Denn entlang dieses Teilstückes 50 ist besonders bis zum Aufbau allfälliger Raum- oder Flächenladungen das elektrische Feld den Elektronen des Quecksilberdampfstromes entgegengerichtet und verhindert eine Fehlzündung.

Von großer Bedeutung ist ferner, daß Anode 10 und Kathode 9 zur beschriebenen Struktur des Druckausgleichsraumes 4 wirklich so angeordnet sind, wie in den Fig. 4 und. 5 gezeichnet, d. h. die Kathode 9 muß links, die Anode 10 rechts sein. Bei umgekehrter Anordnung Ist die Sicherheit gegen Fehlzündungen erheblich reduziert, möglicherweise deshalb, well dann von der Kathode 9 kommende Elektronen derart ungünstig in die Rohre eintreten, daß sich auf der Innenseite der Rohre Flächenladungen aufbauen.

Die erfindungsgemäße Ausführung des Druckausgleichsraumes 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-S::ahlungsquelIen mit erheblich längeren Entladungsräumen 5 hergestellt werden können, bei welchen die Spannung zwischen Anode und Kathode entsprechend höher ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Druckausgleichs! aum wurden schon Entladungsröhren 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 Druckausgleichraum: 40 mm

Länge EntladungiTaum: 350 cm

Innendurchmesser Entladungsraum: 10 mm

Betriebsspannung: 300 V

Entladungsstromdichte: 10 A/cm²

Eine UV-Stiahlungsquelle der In Rede stehenden Art kann auch mit entsprechend modifizierten Elektroden statt mit Gleichstrom mit Wechselstrom betrieben werden, wobei jede Halbwelle des Wechselstromes für die Gasentladung die Wirkung eines Gleichstromes hat.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Erzeugung von UV-C-Strahlung mit hoher spektraler Strahldichte, wobei die Strahlung in einer eine Anode, eine thermoemissive Kathode und einen Entladuingsraum aufweisenden Entladungsröhre mit einer Quecksilber/Argon-Füllung durch eine wandstabilisierte Gleichstrom-Gasentladung bei einem Druck p„_g des Quecksilbers zwischen 0,66 und 66,6 Pa und einer Stromdichte j des Entladungsstromes I zwischen 1 und 25 A/cm² erzeugt wird, und bei welcher die beiden Elektrodenräume außer durch den Entladungsraum auch durch einen Druckausgleichsraum verbunden sind, gemäß Patent Nr. 2412 997, wobei der Druck p_A, des Argons zwischen 1,33 und 1330 Pa liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Führung des Gases im Druckausgicichsraurn (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 Druckausglelchsraum (4) aus einem den Kathodenraum (2) mit dem Anodenraum (3) verbindenden geraden Rohr (52) besteht, innerhalb dessen sich ein U-Rohr (53) erstreckt, dessen einer Schenkel mit seiner Öffnung (54) in eine Scheibe (55) eingesetzt ist, welche das erstgenannte Rohr (52) anodenseitlg abschließt, und dessen Scheitel auf der Seite des Kathodencaumes (2) Hegt, und dessen anderer Schenkel In eine öffnung (56) vor der anodenseitlgen 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 anodenseitlg offen und mit seinem 1 aufgeweiteten Rand (58) an der Innenwandung des ersten Rohres (52) angesetzt ist, und das kathodenseltig geschlossen ist, und daß In dem zweiten Rohr (57) sich koaxial ein drittes gerades Rohr (59) erstreckt, das anodenseitlg 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) anodenseltig mindestens eine Öffnung (611) 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 vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile (52, 53, 55, 57, 59) des Druckausgleichsraumes (4) aus Glas bestehen.