DE2439961A1

DE2439961A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von strahlung

Info

Publication number: DE2439961A1
Application number: DE19742439961
Authority: DE
Inventors: Bernard John Eastlund; Donald Maurie Spero; Michael Gerson Ury
Original assignee: Fusion Systems Corp
Current assignee: Fusion Systems Corp
Priority date: 1973-08-22
Filing date: 1974-08-21
Publication date: 1975-07-03
Also published as: FR2246063B1; CA1024246A; JPS5535825B2; JPS5054172A; DE2439961C2; GB1482950A; FR2246063A1

Description

HAMBURG-MÜNCHEN ZUSTELLUNGSANSCHHIFT; HAMBURG 36 · ΝΕΓΕΗ WAII 41

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TEiSGR. NEGEDAPATBNT HAMBtJRG

Fusion Systems Corporation München iö . mozahtstb. 83

11810 Parklawn Drive _Λ

TBlEGH. NEGEPAPATENT MÜNCHEN

Rockville. Maryland 20852/üSA

HAMBURG. 20. AUgUSt

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Strahlung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Struktur für eine durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Liohtquelle und auf ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum wirksamen Erzeugen von isnergiereicher Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich«

In neuerer Zeit haben Strahlungsquellen des Ultraviolett- und sichtbaren Bereiches mit Emissionswellenlängen unter 5„000 A einen breiten Anwendungsbereich in der Industrie gefunden, beispielsweise beim Aushärten von Farben und Tinten- anderen Überzugs- und Oberflächenbehandlungsver- . fahren und bei der industriellen Synthese von bestimmten Chemikalien mittels fotochemischer Reaktion« Die bei diesen Verfahren verwendeten bekannten Lichtquellen trie sen im allgemeinen infolge ihrer niedrigen Wirksamkeit und unerwünschten Strahlungsnebenerscheinungen oder ihrer begrenzten Leistungsabgabe Grenzen auf„ Wie in der Beschreibung

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der schwebenden US-Patentanmeldung 239 1^9 erwähnt ist, sind die bekannten Lichtquellen im allgemeinen entweder von einem Gleichstrom- oder niedrigfrequent - erregten Plasmatyp mit relativ hohem Gasdruck, der zu einem adäquaten Grad Leistung abgeben kann, der jedoch deswegen unbrauchbar ist, da beträchtliche Anteile der Energie in den unbrauchbaren sichtbaren und Infrarotbereichen des Spektrums liegen, oder von einem niedrigfrequent- (etwa 10 Mhz) oder Mikrowellen-erregten Plasmatyp mit relativ niedrigem Gasdruck, mit dem eine recht wirksame Ultraviolettstrahlung erzeugt werden kann, der jedoch 'infolge seiner Betriebsleistungsdichten und deshalb seiner Leistungsabgabe Grenzen aufweist. Die bekannten Lichtquellen mit Elektroden weisen ebenfalls eine begrenzte Lebensdauer auf. Im Gegensatz zu diesen Lichtquellen nach dem Stand der Technik schlägt die US-Anmeldung 239 1^9 ©ine Mikrowellen-erzeugte Plasma Lichtquelle vor, mit der eine höchst wirksame Strahlung im Ultraviolettbereich erzeugt werden kann und die eine hohe Leistungsabgabe aufweist.

Bei den oben erwähnten industriellen Verfahren ist es wünschenswert, so viel wie möglich von der emittierten Strahlung im Ultraviolettbereich auf den zu bestrahlenden Gegenstand zu richten· Vom wirtschaftlichen Standpunkt aus und von der Kompaktheit der Struktur her gesehen ist es des weiteren wünschenswert, daß die Lichtquelle so wenig wie möglich getrennte Bestandteile, wie Reflektoren, Linsen etc., umfaßt. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine

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verbesserte Struktur für eine Mikrowellen-erzeugte Plasma Lichtquelle vorgesehen» in der ein Teil der Mikrowellenkammer auch einen Reflektor für die emittierte Strahlung umfaßt· Bei einigen Ausführumgsformen der Erfindung umfaßt ein weiterer Teil der Mikrowellenkammer ein für ultraviolettes und sichtbares Licht durchlässiges hetzwerkartiges Element oder Gitter, durch das die reflektierte Strahlung geleitet werden kann,, Das netzwerkartige Element oder Gitter ist, obwohl es für die emittierte Strahlung transparent ist, relativ undurchlässig für die Mikrowellenstrahlung, so daß auf diese Weise die Mikrowellenenergie in der Mikrowellenkammer eingegrenzt werden kann. Durch die Erfindung wird daher eine Struktur vorgesehen, mit der die emittierte Strahlung wirksam auf der zu bestrahlenden Oberfläche fokussiert werden kann, ohne daß ein separater Reflektor verwendet werden muß. Hinzu kommt, daß die zusätzliche ReÄlektionsfunktion der neuartigen erfindungsgemäßen Mikr©wellenkaisasBer erreicht wird_p ohne daß dadurch deren Eigenschaften als Mikrowellenkoppler vernachlässigt werden«

Die durch die Mikrowellenquelle erzeugte Mikrowellenenergie kann mit der Mikrowellenkammer entweder durch einenrechteckförmigen bis kreisförmigen Wellenleiter—Übergangsbereich, wie er in der US-Anmeldung 239 1^°- offenbart ist, durch andere Mittel oder, gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, durch einen am oberen Ende der Mikrowellenkammer montierten Wellenleiter gekoppelt werden. Durch das Zuführen der Mikrowellenenergie vom oberen Ende aus können.

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im Gegensatz zur Zuführung vom Ende aus, einige Lichtquellen Ende an Ende angeordnet werden, so daß eine aus mehreren Teilen bestehende Lichtquelle einer ausgewählten Länge gebildet werden kann·

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum wirksamen Erzeugen eines Plasmas mit Mikrowellenenergie zum Emittieren einer energiereichen Strahlung im Ultraviolettbereich geschaffen, die ohne das Vorhandensein eines Magnetfeldes arbeiten.

Die wirtschaftlichen und betriebstechnischen Vorteile werden bei der vorliegenden Quelle dadurch erreicht, daß das Magnetfeld und die Vorrichtung zu dessen Erzeugung, die bei vielen bekannten, durch Mikrowellen erzeugten Plasma-Lichtquellen erforderlich ist, entfallen können, obwohl die Entladungseigenschaften in Bezug auf hohe Energie und hohe Leistung beibehalten werden* Die Mikrowellenenergie, die sich in einer hohen Energiedichte im Medium befindet, läßt Elektronen in Dichten entstehen, die die Trenndichte (cut-off density) übersteigen· Die Elektronen werden durch Vorgänge erzeugt, die die kollisionsfreie und die Kollisions-Wellentransformation und die normale und nicht lineare Wellenabsorption einschließen· Die energetischen Elektronen kollidieren mit den schweren Partikeln des Plasmas, wobei diese erregt werden, und die schweren Partikel emittieren die gewünschte Strahlung nach ihrer Aberregung.

Es ist daher Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Struktur für eine durch MikroKellen erzeugte Plasma-Lientquelle vorzusehen»

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Struktur für eine durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle zu schaffen, in der ein Teil der Mikrowellenkammer gleichzeitig Mittel zum Reflektieren der emittierten Strahlung umfaßt.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine durch Mikrowellen erzeugte Plasma—Lichtquelle vorzusehen, bei der die Mikrowellenenergie mit dem Plasma bildenden Medium mittels eines Wellenleiters gekoppelt wird, der am oberen Ende oder der Seite der Mikrowellenkammer, die den Behälter, in dem das Plasma bildende Medium eingegrenzt ist, umgibt, montiert ist»

Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine sich in Längsrichtung erstreckende^durch Mikrowellen erzeugte Plasma—Lichtquelle mit einer Struktur zu schaffen, die .es ermöglicht, daß die Quelle Ende an Ende mit ähnlichen Lichtquellen an deren rechten und linken Enden angeordnet. wird. Darüber hinaus ist es das Ziel der Erfindung, eine Vielzahl von derartigen Lichtquellen, die Ende an Ende angeordnet sind, zu schaffen, um eine aus Mehreren Teilen bestehende Lichtquelle mit einer ausgewählten Länge an kontinuierlicher räumlicher Ausdehnung der ultravioletten

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Strahlung vorzusehen*

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle zu schaffen, die auf wirksame Weise energiereiche Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich ohne die Verwendung eines Magnetfeldes erzeugen kann·

Schließlich ist es ein Gegenstand der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum wirksamen Erzeugen von energiereicher Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich zu schaffen, indem Mikrowellenenergie mit hoher Energiedichte mit einem Plasma bildenden Medium gekoppelt wird, um auf diese Weise Elektronendichten über der

Trenndichte (cut-off density) durch Verfahren zu erreichen, die die Wellentransformation und nicht lineare Wellenabsorption einschließen.

Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung dient die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, von denen

Fig· 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen durch Mikrowellen erzeugten Plasma-Lichtquelle ist)

Fig. 2 eine in Einzelteile aufgelöste perspektivische Ansicht der in Fig. 1 gezeigten Lichtquelle ist;

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Fig. 3 eine Seitenansicht der S^n. Fig. .1 gezeigten Lichtquelle ist, wobei Teile weggeschnitten eind, die des weiteren die mit der Lichtquelle zu bestrahlende Probe zeigt)

Fig. h eine Endansicht entlang der Linie A-A in Fig. 3 ist;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Lichtquelle der Fig. 1 zeigt, wobei zusätzlich eine im oberen Ende., der Mikrowellenkammer angeordnete Kühlöffnung dargestellt ist ι

Fig. 6 bis 10 schematische Darstellungen von weiteren Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lichtquelle mit unterschiedlichen geometrischen Konfigurationen sind)

Fig. 11 und 12 eine End- und eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Lichtquelle sind,' in denen zu erkennen ist, wie der Plasmabehälter montiert werden kann)

Fig» 13 eine Seitenansicht eines Energiekopfes zeigt, der anstelle der Mikrowellenquelle und des rechtackfö'rmigen bis kreisförmigen Wellenleiter-tibergangsbereiches der Fig. 1 verwendet werden kann)

Fig. 14 eine Endansicht des Energiekopfes der Fig. 13 ist, entlang der Linie ik-ik der Fig. 13 geführt)

Fig. 15 eine Ausführungsform der in den Fig. 19 und 20 dar-

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gestellten Lichtquelle zeigt;

Fig. 16 eine Seitenansicht der Ausführungsform der Fig. 15 entlang der Linie 16-16 ist;

Fig. 17 eine weitere Ausführungsform der in den Fig. 19 und 20 gezeigten Lichtquelle ist)

Fig. 18 eine Seitenansicht der Ausführungsform der Fig. 17 entlang der Linie 18-18 zeigt;

Fig. 19 eine Endansicht einer Au^ührungsform einer erfindungsgemäßen Lichtquelle zeigt, wobei Teile weggebrochen sind;

Fig. 20 eine Seitenansicht der Lichtquelle der Fig· 19 ist, wobei Teile weggebrochen sind)

Fig. 21 eine aus mehreren Teilen bestehende Lichtquelle zeigt, die aus Modulareinheiten, wie in den Fig. 19 und 20 und in den Fig. 15 bis 18 gezeigt, zusammengebaut ist;

Fig. 22 eine andere Ausführungsform einer zusammengesetzten Lichtquelle zeigt; und

Fig· 23 ein Blockdiagramm ist, das die bei der erfindungsgemäß durchgeführten Erzeugung eines Plasmas vorhandenen Schritte aufzeigt.

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Die Figuren 1 bis k zeigen eine Ausführungsform einer durch Mikrowellen erzeugten Plasma-Lientquelle, die eine erfindungsgemäß verbesserte Struktur aufweist· Der wesentliche Bestandteil dieser neuartigen Struktur ist eine Mikrowellenkammer, die sowohl als Mittel zum Koppeln der Mikrowellenenergie mit dem Plasma bildenden Medium als auch als Reflektor für die emittierte Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich dient.

Wenn man sich der in Einzelteile aufgelösten Ansicht der Fig β 2 zuwendet, so erkennt man, daß die neuartige· Mikrowellenkammer ein sich in Längsrichtung erstreckendes geformtes Element 17 und ein Netzwerk, rasterartige Oberfläche oder Gitter 22 aufweist. Bei der gezeigten Ausführungsform weist das Element 17 einen ellipsenförmigen Querschnitt auf, wie jedoch in Verbindung mit den Figuren 6 bis 11 erläutert wird, kann die Form des Elementes 17 sowie die des Elementes 22 dem jeweiligen besonderen Anwendungszweck angepaßt sein» Die Kammer ist so konstruiert, daß das Element 17 am Boden derselben durch das Gritter 22 elektromagnetisch abgedichtet ist, so daß auf diese Weise eine sich in Längsrichtung erstreckende Kammer gebildet wird, die undurchlässig ist für Mikrowellenenergie und daher als Mikrowellenkopplungskammer verwendet werden kann· Das Element 17 ist auf seiner Innenfläche reflektierend ausgebildet, beispielsweise durch Polieren der Innenfläche, und das Gitter 22 ist im wesentlichen lichtdurchlässig, was durch Regulierung der Maschenweite erreicht wird· Daher wird

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das vom Lampenbehälter 19, der innerhalb der Mikrowellenkamraer angeordnet ist, emittierte Licht durch die Innenfläche des Elementes 17 reflektiert und durch das Gitter 22 der zu bestrahlenden Probe zugeleitet· Bas Element 17 kann aus Aluminiumblech hergestellt sein, das auf seiner Innenfläche poliert und eloxiert ist, um ein maximales Reflektionsvermögen für ultraviolette Strahlen zu erreichen· Beispielsweise kann poliertes, eloxiertes, unter dem ¥arennamen Alzak gehandeltes Aluminium Verwendung finden. Es wurden Maschenweiten bis zu 1/8· bei einem 0,011' Kupferdraht verwendet. Größere Maschenweiten können jedoch zu unerwünschtem hohen "Mikrowellen-Lecken" führen, so daß optimale Maschenweiten im Bereich von 1/4O' bis I/50' unter Verwendung von 0,001' ¥olframdraht liegen dürften. Auf diese Weise wird eine ausgezeichnete Mikrowellenabschirmung und eine Durchlässigkeit von etwa 90% der Lampenstrahlung in den Ultraviolett-, sichtbaren und Infrarot-Bereichen erreicht. Das Drahtgitter bringt darüber hinaus auch den Vorteil mit sich, daß es dazu beiträgt, daß unerwünschte Materialien, wie Tintentropfen oder Papierfragmente, die Lampe beim Einsatz in Fertigungsstraßen nicht treffen·

Wie in Fig· k gezeigt ist, kann das Gitter 22 etwas breiter als das Element 17 an dessen Bodenjaus gebildet sein, und beide Elemente können über herkömmliche Mittel, wie Löten oder Schweißen aneinandergeheftet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Gitter 22 zur Erhöhung der Steifigkeit an seitlichen Trägerstangen 9 und 10 befestigt, und

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die seitlichen Trägerstangen sowie eine Trägerstange 8 am oberen Ende sind mit ihren Enden an Flanschen 5 und 11 befestigt« Naturgemäß können auch andere mechanische Mittel zur Sicherung einer ausreichenden Steifigkeit Anwendung finden» Die Endflächen der Mikrowellenkammer 17» 22 sind in einer Weise an den Flanschen 5 und 11 befestigt, die das Entweichen von Mikrowellen verhindert, beispielsweise durch Löten? Schweißen, leitende Epoxidharzmaterialien oder verschiedenartige mechanische Mittel unter Verwendung von Schlitzen^ Lippen o«ä.

Die Röhre 19 ist mit Montageansätzen 20 und 11 ausgebildet, die₉ wie in den Figuren 3 und k zu erkennen ist, von Haltearraen 7 und 14 getragen werden. Die Haitearme 7 und 14 sind in vertikal verlaufende Schlitze (nicht gezeigt) in den Flanschen 5 und. 11 eingesetzt und werden durch Kragen 2k und 26, die beispielsweise aus Justierschrauben bestehen können^ in ihrer Position gehalten. Alternativ dazu kann der Lampenkolben 19 i» der erfindungsgemäßen Mikrowellenkammer durch irgendwelche konventionelle Trägermittel, die dem Fachmann bekannt sind, gehalten werden. Der Lampenkolben 19 ist mit einer geeigneten Gasmischung gefüllt, abgedichtet und zur Bildung der Träger 20 und 21, die ungefüllt und nicht abgedichtet sind, mit Verlängerungen versehen. Der Lampenkolben und die Haltearme können aus Quarz hergestellt sein. Die Kolbenenden 19 können flach oder konisch ausgebildet sein, wie es in der US-Anmeldung 739 1^9 beschrieben ist«,

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Der mit Bohrungen 23 versehene Plansch 11 ist an dem Endflansch 12 mittels Bolzen befestigt» die sich durch Bohrungen 23 im Flansch 11 und Bohrungen 13 im Flansch 12 erstrecken. Auf dem Endflansch 12 ist ein Flanschhals 15 angeordnet, der das Ende der Mikrowellenkammer bildet· Der Flanschhals 15 besitzt in an sich bekannter ¥eise ein ausreichend großes Längen-Durchmesser-Verhältnis, um das Entweichen der Mikrowellenenergie gering zu halten, und ist im Inneren konisch 16 ausgebildet, um auf diese Weise die Vergrößerung des Feldes (field enhancement), die die Lichtbogenbildung fördern kann, zu mindern· Hinzu kommt, daß der Flanschhals 15 etwas über der Mitte des Flansches 12 montiert ist, so daß seine Achse mit der Achse des Lampenkolbens 1$> zusammenfällt .

Die soweit beschriebene Plasma-Lichtquelle ist in der Tat ein koaxialer Mikrowellen-Hohlraum, in dem der äußere Leiter die Mikrowellenkammer und der innere Leiter ein mit Verlust behafteter Leiter ist, der aus dem Lampenkolben und seinem Xnhalt besteht* Ein Weg zum Koppeln der Mikrowellenenergie mit dem Mikrowellenhohlraum zum Zusammenwirken mit dem Plasma bildenden Medium ist in den Figuren 1 bis 3 gezeigt. Es ist ein Mikrowellenenergieerzeuger 2 vorgesehen, der ein Magnetron, Klystron, ein anderer bekannter Mikrowellenerzeuger oder ein standardisiertes Mikrowellenenergiepaket einschließlich Energiemeßgeräten und einem Tuner sein kann» Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet eine Mikrowellenfrequenz von 2.^50 Mhz Verwendung (915 Mhz

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können Verwendung finden, wenn die Höhlraumdimensionen erhöht werden), und der Generatorausgang besteht in einer Impulsreihe von 120 pro Sekunde. Der Ausgang des Mikrowellengenerators 2 wird mit einem rechteckförmigen bis kreisförmigen S-Band-Wellenleiter-übergangsbereich 3 gekoppelt, der in einem Flansch 4 endet. Der Flansch 4 ist mittels Bolzen 25, die durch Bohrungen 18 und 6 in den Flanschen 4 und 5 geführt sind, am Flansch 5 der Lampeneinheit befestigt. Um richtig aneinanderpassende Flansche zu erhalten, sind die Flansche 4 und 5 so angeordnet, daß der Krümmungsradius des oberen Teiles der öffnung im Flansch 5 etwa der gleiche wie der Krümmungsradius des oberen Teiles der öffnung im Flansch 4 ist und daß des weiteren die oberen Flächen dieser öffnungen nahe aneinander geordnet and, so daß ein glatter übergang in die Mikrowellenkammer erreicht wird.

Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist, wird der Gegenstand

28, der bestrahlt werden soll, an der Quelle in einer Richtung senkrecht zur Papierebene, beispielsweise durch Fördermittel

29, vorbeibewegt. Die Bewegung 34 verläuft dabei wie gezeigt. Die Lichtquelle kann auf einem Rahmen oder auf einer anderen Basis montiert sein, beispielsweise indem die Flansche 5 und an einem solchen befestigt sind. Wenn dasElement 17 einen ellipsenförmigen Querschnitt aufweist, wie es in der Ausführungsform der Fig. 1 gezeigt ist, wird der Lampenkolben 19 am oder in der Nähe eines Brennpunktes der Ellipse angeordnet sein, während sich der zu bestrahlende Gegenstand 28 am anderen

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Brennpunkt befindet. Die von dem Lampenkolben 19 emittierte Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich wird durch die reflektierende Innenfläche des Elementes 17 nach unten durch das für ultraviolette Strahlen und sichtbares Licht durchlässige Gitter 22 und auf die zu bestrahlende Oberfläche 28 reflektiert.

Die Lampe wird gezündet, indem die Mikrowellenenergie eingestellt wird. In einigen Fällen kann eine momentane Entladung von einer Hochspannungs-Teslaspule erforderlich sein, um mittels eines durch den Flanschhals 15 eingeführten Drahtes ein Durchschlagen zu initiieren. Um zu verhindern, daß über den Draht große Mikrowellenenergiemengen aus der Kammer herausgeführt werden, kann ein Widerstand in der Form eines Graphitstabes oder eines anderen Materiales oder eines Materials mit ähnlicher Leitfähigkeit verwendet werden. Der Widerstand wird in die Kammer eingeführt, jedoch von den Kammerwandungen isoliert, so daß ein Ende sich nahe des Lampenkolbens befindet. Wenn der Stabimpuls angelegt wird, leitet der Widerstand den Impuls hoher Spannung und niedriger Stromstärke an die Lampe weiter und verursacht das erforderliche Durchschlagen zum Start. Danach erscheint der Widerstand für das Mikrowellenfeld als Isolator und verursacht auf diese Weise kein Strahlungslecken aus der Kammer.

Die Lampe heizt sich innerhalb von einigen Minuten nach dem Start bis auf die Betriebswandtemperatur auf, die im Falle einer Quecksilberfüllung etwa 400°C beträgt. Wenn die Betriebstemperatur

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einmal erreicht ist und wenn das Mikrowellenenergiepaket richtig justiert ist, fällt die reflektierte Mikrowellenenergie auf einen Minimalwert ab, und die Lampe arbeitet stetig, so lange wie es gefordert wird. Die Lampe kann abgeschaltet und danach sofort wieder in Gang gesetzt werden, normalerweise mit Hilfe eines anderen Hochspannungsfunkens, so-lange ihre Temperatur nicht so weit abfällt, daß das Quecksilber wieder kondensiert.

Während des Betriebes der Lampe ist für den Endflansch 12, für den rechteckförmigen bis kreisförmigen Wellenleiter-Übergangsbereich 3 und, wenn gewünscht, für den Reflektor 17 eine Wasserkühlung vorgesehen. Die Lampe selbst kann luftgekühlt werden durch:

1. Einführung von Luft durch den Übergangsbereich und Einblasen von der linken zur rechten,Seite in die Kammer;

2. Einen direkten Luftstrom, der von unterhalb der Kammer nach oben durch das Drahtgitter und auf die Lampe bläst; und/oder

3. Eine Saugwirkung durch den Flanschhals 15.

Je nach der Betriebsleistung können eine, zwei oder drei der erstehenden Kühlsysteme angewendet werden, um ein überhitzen und Schmelzen des Lampenkolbens zu vermeiden. Zusätzlich zu oder anstelle von der oben beschriebenen Luftkühlung kann das Kammeudement 17, wie in Fig. 5 gezeigt ist, mit einem Kühlschlitz ausgestattet sein. Der Kühlschlitz erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Kammer an deren oberen Ende. Luft 32 kann aus dem Schlitz herausgezogen oder in diesen hineinge-

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drückt werden, so daß ein Luftfluß um die Lampe bewirkt, wie durch die Pfeile angedeutet ist, und ein Kühleffekt erzielt wird. DerMbrteil in bezug auf die Anordnung des Kühlschlitzes liegt darin, daß eine einheitliche Kühlung entlang der gesamten Lampenlänge erreicht wird. Hinzu kommt, daß diese Kühlart den Vorteil hat, daß dadurch schädliches Ozon, das während des Lampenbetriebes erzeugt worden sein kann, aus der Nähe der Lampe entfernt werden kann. Alternativ dazu wird ein bequemes Mittel vorgesehen, um ein inertes Gas auf die Lampenkammer und aus dieser heraus über die bestrahlte Oberfläche 28 zu blasen, was für einige Anwendungszwecke wünschenswert ist. Ein Drahtgitter 30 und/oder ein Drosselring 31 sind am Schlitz vorgesehen, um das Entweichen von Mikrowellenenergie zu verhindern. Der Drosselring sollte zu diesem Zweck ein ausreichend großes Höhen/ Breiten-Verhältnis aufweisen.

Die Figuren 6 bis 10 sind schematische Darstellungen von abgeänderten Ausführungsforinen der Lichtquelle der Fig. 1, bei denen der Querschnitt der Lampenröhre und des Reflektors verschiedenartige geometrische Konfigurationen besitzen. Während die Ausführungsform der Fig. 1 ein relativ fokussiertes System zeigt, sind für Anwendungszwecke, bei denen große Gesamtdosierungen an ultravioletter Strahlung,jedoch keine örtliche höhe Energiedichte gefordert wird, die in den Figuren 6-8 gezeigten nicht fokussieren Systeme besser geeignet. Fig. 6 zeigt einen Reflektor 40 mit eine» parabolischen Querschnitt, der einen Lampenkolben mit halbkreisförmigem Querschnitt umgibt. Die Mikrowellenkammer

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wird durch ein ebenes Gitterelement 42 vervollständigt, wobei die zu bestrahlende Probe unter dem Gitter 42 und parallel dazu vorbeigeführt wird.

In Fig. 7 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, in der sowohl der Reflektor 43 als auch das Gitter 45 einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen und zusammen einen Mikrowellenhohlraum mit kreisförmigem Querschnitt bilden. Der Lampenkolben 44 besitzt ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt und weist einen Durchmesser auf, der nahezu dem Durchmesser der Kammer gleicht. Bei der Ausfuhrungsform der Fig. wird die zu bestrahlende Probe unterhalb des Gitters 45 vorbeigeführt.

In Fig».8 ist ehe weitere Ausführungsform gezeigt, bei der ein Lampenkolben 47 von ringförmigem Querschnitt und ein Reflektor 46 mit kreisförmigem Querschnitt Anwendung finden. Bei dieser Ausführungsform wird die zu bestrahlende Probe in dem ausgeschnittenen Teil 48 des ringförmigen Lampenkolbens vorbeigeführt. Bei dieser Ausführungsform kann es des weiteren wünsdsnswert sein, ein inneres zylindrisches Gitter innerhalb der inneren Lampenwand und konzentrisch dazu vorzusehen, um zu verhindern, daß sich die elektrischen Eigenschaften des zu behandelnden Materials auf den Lampenbetrieb auswirken.

In den Figuren 9 und 10 ist eine Ausführungsform zur Erzeugung eines parallel geführten Strahles gezeigt. Eine parabolische

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Punktquellenlampe 50, die in der Seitenansicht in Fig. 9 und in der Endansicht in Fig. 10 gezeigt ist, ist innerhalb eines Reflektors 49 angeordnet, der als Innen- und Außenflächen parabolische Rotationsflächen aufweist und der mit dem Gitter 51 abgedichtet ist. Das vom Kolben 50 emittierte Licht wird vom Reflektor 49 parallel reflektiert und durch das Gitter 51 geleitet. Es ist klar, daß verschiedenartige Reflektor-Lampenkolben-Ausführungsformen Anwendung finden können, je nach dem besonderen Anwendungszweck.

Eine weitere Montagemöglichkeit für den Lampenkolben ist^xlden Figuren 11 und 12 gezeigt. Bei den Ausführungsformen dieser Figuren ist der Lampenkolben 53 mit Erweiterungen 54 versehen, die sich in radialer Richtung erstrecken, von denen eine in den Zeichnungen gezeigt ist. Die Erweiterungen 54 sind mittels Justierschrauben 55,56 am Reflektor 52 montiert, wobei mindestens zwei solche Erweiterungen für die Montage des Lampenkolbens vorgesehen werden. Der Vorteil der in den Figuren 11 und 12 gezeigten Montageanordnung besteht darin, daß sich gemäß dieser Anordnung der Lampenkolben sehr nahe an beide Enden der Mikrowellenkammer heranerstrecken kann. Das ist für die in Fig. 21 gezeigte Ausführungsform von besonderer Bedeutung, wie nachstehend noch erläutert wird. Zusätzlich dazu kann für die Montage der Lampen eine Halteranordnung Verwendung finden, die drei dielektrische Stäbe aufweist, die sich von drei verschiedenen Punkten auf dem Umfang des Reflektors aus erstrecken. Diese Stäbe wurden die gleiche Länge besitzen, wobei jeder Stab an seinem inneren Ende in einem Haltearm für die Lampe

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Anstelle der Kopplung der Mikrowellenenergie an die Mikrowellenkammer mittels eines rechteckförmigen bis kreisförmigen übergangsbereiches, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, kann es wünschenswert sein, die Mikrowellenenergieröhre in einem Mikrowellenenergiekppf zu montieren, der direkt an die Lampenkammer angeschraubt ist» Fig. 13 ist eine schematische Darstellung eines derartigen Mikrowellenenergiekopfes, der, wie man erkennen kann, sich aus einem kreisförmigen Wellenleiterbereich 65, einem Flansch 68 zur Verbindung mit dem Lampenkammerflansch, einem Magnetron 66, das innerhalb des Energiekopfes montiert ist, einer Magnetronanode, einem Heizfaden, einer Kühlung und Magnetstrukturen 61 sowie Verbindungskabel 62 zum Anschluß an eine entfernt angeordnete Hochspannungs- und Heizstromquelle zusammensetzt. Darüber hinaus ist eine

u Viertelwellen-Abstimmstichleitung 63 (quarter wave tuning mit einer durch den Pfeil angedeuteten Bewegungsrichtung vorgesehen, die anstelle oderzusätzlich zu einem Viertelwellenfisierten-Reflektor 67 (quater wave fixed reflector) angeordnet werden kann. Der Flansch 68 wird am Flansch 5 in den Figuren bis 4 befestigt, um den Energiekopf an der Mikrowellenkammer aasabrIngen. Um ein bequemes Anpassen an die Lampenkammer und eine optimale Mikrowellenabstimmung zu erreichen, kann der Wellenleiter 65 in Größe und Form variiert werden. Anstelle der Verwendung eines Magnetrons im Energiekopf kann ein Klystron oder eine andere Mikrowellenenergieröhre verwendet werden.

Zur Erhöhung derIampenleiatung kann an beiden Enden der Laapenkaromer ein Energiekopf montiert werden. In einem derartigen Fall

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wird es zur Erhöhung der Lebensdauer der Leistungsröhre vorgezogen, die Ausgänge der 60-Perioden-Leistungsröhren-Stromversorgungen (60 cycle power tube power supplies) so anzuordnen, daß die Mikrowellenausgangsleistung auch mit einer 60-Perioden-Folge (60 cycle repetition rates) auf alternierenden Halbperioden für jede der beiden Röhren erscheint. Darüber hinaus ist es möglich, die Leistung zu erhöhen, indem eine zweite Leistungsröhre im gleichen Energiekopf in einer unterschiedlichen axialen Lage oder am oberen Ende des Wellenleiterbereiches nach unten zeigend angeordnet wird. Auch in diesem Falle kann die Lebensdauer der Leistogsröhren erhöht werden, indem man diese auf alternierenden 60-Perioden-Impulsen laufen läßt.

Zusätzlich dazu kann eine erhöhte Lampenleistung und eine gleichmäßigere Lichtabgabe (in der Zeiteinheit) dadurch erhalten «erden, daß zwei oder drei Energieköpfe auf einer Kammer montiert werden. Wenn jede Stromversorgung an verschiedene Phasen einer Dreiphasen-Stromversorgung (120 elektrische Grad phasenverschoben) und ein Vollwellengleichrichtungssystem für jede Magnetron-Stromversorgung (120 Mikrowellenimpulse pro Sekunde, jeder Impuls 60 elektrische Grad phasenverschoben zu einem benachbarten Impuls) verwendet wird, findet ein Glättungseffekt statt. Hinzu kommt, daß eine Verzögerung von einigen M sek. beim Ionisieren des Plasmas am Anfang eines jeden Mikrowellenimpulses aufzutreten seheint. Wenn die Mikrowellenimpulse nur 60 elektrische Grad auseinanderliegen, sollte diese Verzögerung wesentlich reduziert und die Wirksamkeit des Netzsystems erhöht werden. 509827/0 5 00 -21-

In den Figuren 19 und 20 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der die Mikrowellenenergie in das obere Ende der Mikrowellenkaiamer und nicht in ein Ende derselben gekoppelt ist. Ein Vorteil dieser Art der Mikrowellenkppplung besteht darin* daß eine Vielzahl von Lichtquellen Ende an Ende zur Bildung einer zusammengesetzten Lichtquelle einer gewünschten Länge angeordnet werden können. Wie in den Figuren 19 und 20 gezeigt ist, ist ein Lampenkolben 100 innerhalb einer Mikrowellenkammer angeordnet, die aus einem reflektierenden Element 101 mit elliptischem Querschnitt und einem Gitter 102 besteht, welche eine Kammer bilden, die der in den Figuren 1 bis 4 gezeigten gleicht. Die Kammer der Figuren 19 und 20 ist jedoch im Gegensatz zu dar Kammer der Figuren 1 bis 4 an jedem Ende durch eine Gitterfläche begrenzt, wie der mit 120 bezeichneten am linken Ende. Der Reflektor 101 ist daher durch Gitterflächen am Boden und an jedem Ende elektromagnetisch abgedichtet. Der Lampenkolben 100 ist in der Kammer vorzugsweise durch das in den Figuren 11 und 12 gezeigte Verfahren montiert, so daß sich der Lampenkolben nahezu bis zu jedem Ende der Kammer erstrecken kann.

Ein Kühlschlitz 108, Gitter 109 und ein Absperrfals 110 (cut-off collar) erstrecken sich in Längsrichtung entlang dem oberen Ende des reflektierenden Elementes 101, wie es in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wurde. Am oberen Ende des reflektierenden Elementes ist ein Wellenleiterbereich 103 mit drei in Längsrichtmg verlaufenden Seiten, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, angeordnet. Die vierte Seite des Wellenleiters ist

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das reflektierende Element selbst, die einen Koppelschlitz oder Schlitze 116 aufweist, so daß die Mikrowellenenergie in die Kammer eindringenjfcann. Der Wellenleiterbereich enthält die Magnetronhaube 105 und möglicherweise eine Viertelwellenabstimmplatte 104 (quarter wave tuning plate) . Die Lage, Größe und Form der Kopplungsschlitze im Reflektor kann variiert werden, um eine maximale Kopplung der Mikrowellenenergie in der Lampe zu erhalten. Zusätzlich dazu kann eine Abstimmmöglichkeit geschaffen werden, indem mechanische Mittel, wie eine gleitende Schlitzabdeckung zur Einstellung der Schlitzgrößen, vorgesehen werden. Der Magnetronkörper 106, der Anode, Heizfaden, Magneten und Kühlsysteme eithält, ist oberhalb des Wellenleiters angeordnet. Die kompakteste Möglichkeit einer Magnetronkühlung ist die Wasserkühlung, jedoch kann auch Luftkühlung wenn nötig Anwendung finden. Die Magnetronstrom- und Kühlanschlüsse 114 sind an eine externe Stromversorgung und Steuerungen angeschlossen. Die Lampenkolbenkühlung wird durch einen Luftstrom 115 durch die Leitung 113 aufrechterhalten. In den Figuren 19 und 20 ist der Schlitz 108 dem Kühlluftstrom zugänglich gemacht, indem Teile des Wellenleiterbereiches 103 außerhalb des Gitters errichtet worden sind, oder indem der Wellenleiter auf andere Weise ventiliert wird. Die gesamte Baueinheit ist von einem äußeren Metallgehäuse 107 umschlossen, das die Kühlung durch Ansaugen oder Blasen erleichtert, einen mechanischen Schutz bietet und eine Mikrowellenabschirmung für die Baueinheit liefert. Wenn die Baueinheit oder der Modul als ein Modul in einer zusammengesetzten Lichtquelle, wie in Fig. 21 gezeigt, verwendet werden soll, bedeckt das Gehäuse

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an den Enden eines jeden Moduls das gesamte Ende mit Ausnahme der Endgitter, die unbedeckt gelassen werden, so daß die emittierte Strahlung durch diese hindurchdringen kann ο Diese Aus führungs form kann auch Vorlieizelemente 112 einschließen, die aus Nickelchromdrähten bestehen können, durch die ein Strom hindurchgeschickt wird, wenn sich die Lampe im ausgeschalteten Zustand befindet, so daß diese sofort anspringen kann* Beim Betrieb der Vorrichtung wird die vom Magnetron 105* 106 erzeugte Mikrewellenenergie über den Kopplungsschlitas 110 an die Mikrowellenkammer 101, 102 gekoppelt, in der sie mit dem im Lampenkolben 100 enthaltenen Plasma bildenden Medium zusammenwirkt und dieses Strahlen emittieren läßt»

Zwei Hochleistungsausftihrungsformen der Lichtquelle der Figuren 19 und 20 sind in den Figuren 15 und i6,und 17 und 18 gezeigte lsi den Figuren 15 und 16 sind zwei. Wellenleiterstrukturen 73 und 78 parallel zur Lampenachse in verschiedenen azimutalen Positionen auf.dem Reflektor 70 angeordnet. In den Figuren 15 bis 18 sind die Magnetronkörper, wie 106 in Fig· 19, die ana oberen Ende der Wellenleiterbereiche montiert wären, nicht gezeigt» Der Wellenleiter 73 enthält die Magnetronhaube Jk, Die dadurch erzeugte Energie ist durch Schlitze 75 und 76 im Reflektor, die in Fig. 16 gezeigt sind, in die Kammer gekoppelt. Der Wellenleiter 78 schließt eine Magnetronhaube 79 ein. Die dadurch erzeugte

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- Zk -

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Energie ist durch Schlitze 80 und 81 in die Kammer gekoppelt· Wie man in Fig. 16 erkennen kann, befindet sich die Magnetronhaube lh (Magnetrondom^ im Wellenleiter relativ weit vorne, und die damit zusammenwirkenden Kopplungsschlitze 75 und 76 sind relativ weit hinten im Reflektor engeordnet, während die Magnetronhaube 79 relativ weit hinten in ihrem Wellenleiter und die damit zusammenwirkenden Kopplungsschlitze 80 und 81 relativ weit vorne im Reflektor angeordnet sind. Die Strecke zwischen der Magnetronhaube und den damit zusammenwirkenden Kopplungsschiltζen beträgt etwa eine halbe Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung· Ähnliche Ausführungeformen zeigen die Bguren 18 und 20.

Bei der in den Figuren 17 und 18 gezeigten Ausftifarungsform sind die Wellenleiterstrukturen 86 und 89 in unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet und azimutal um den Reflektor 82 herumgekrümmt· Der Wellenleiter 89 schließt die Magnetronhaube 90 ein und wirkt mit Kopplungsschlitzen 91 und 91' in einer Seite des Reflektors zusammen, während der Wellenleiter 86 die Magnetronhaube 88 einschließt und mit Kopplungsschlitzen 87 und 87' in der anderen Seite des Reflektors zusammenwirkt« Bei den Ausftihrungsformen der Figuren 19 bis 18 kann der Lampenbetrieb mit halber Leistung durchgeführt werden, indem eines der beiden Magnetrone abgeschaltet wird· Ein Betrieb mit höherer Leistung kann bei den Ausführungsformen der Figuren 19 und 20 und 15 bis 18 dadurch erreicht werden, daß mehr als ein Magnetron in einer Wellenleiterstruktur angeordnet wird.

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Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Vielzahl von Lampen des in den Figuren 19 und 20 und 15 bis 18 dargestellten Typs Ende an Ende zueinander angeordnet, so daß eine Lichtquelle einer ausgewählten Länge gebildet wird. Jede Lampe stellt in diesem Falle eine Modulareinheit dar« Die Länge der zusammengesetzten Lichtquelle kann variiert werden, indem die Anzahl der verwendeten Modulareinheiten erhöht oder erniedrigt wird. Diese Art von System wird dadurch möglich, daß die Mikrowellenenergie in den Ausführungsformen der Figuren 19 und 20 und der Figuren 15 bis 18 der Lampe vom oberen Ende der Mikrowellenkasaraer her zugeführt wird und nicht von einem Endet, Eine derartige zusammengesetzte Lichtquelle ist in Fig_e 21 gezeigt. Die Endgitterbereiche 151, 152, 153 und 15^ sind Ende an Ende angeordnet, und die festen Endplatten 156, 157, 158 und 159 der Gehäuse, wie beim Gehäuse 107 in Fig. 19» die sich über das Gitter hinauseratrecken, sind fest zusammengeschraubt, so daß eine einzige massive Lichtquelle gebildet wird, in der von einer Lampe, beispielsweise 160 s, emittiertes Licht durch das Endgitter 151 dieser Lampe in die Kammer der benachbarten Lampe eindringen kann und dort möglicherweise von dem reflektierenden Element 161 der benachbarten Lampe auf eine zu bestrahlende Fläche reflektiert wird. Die auf diese ¥eise erzielte Wirkung gleicht derjenigen, die durch einen einzigen Lampenkolben und einen einzigen Reflektor mit der gleichen Länge wie die zusammengesetzte Länge der Modulareinheiten erreicht wird_e Jeder Modulareinheit wird von einer anderen

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Stromquelle Strom zugeführt, wobei die gesamten Stromversorgungen zusammen in einem einzigen Gehäuse, das von der Lampe entfernt angebracht ist, angeordnet sein kb'nnen. In. ähnlicher ¥©is© können alle Modulareinheiten gleichzeitig von einer einzigen HauptSteuereinheit betätigt werden.

In Fig. 22 ist eine weitere Ausftihrungsform einer zusammengesetzten Lichtquelle dargestellt, in der Endgitterbereiche 181, 182, 1£3 und 184 in Bezug auf die Kolbenachse geneigt sind· Diese Technik des Kippens der Endgitterbereiche hat die Wirkung mit sich gebracht, daß Bereiche mit verminderter Strahlungsemission, die in den Bereichen der Endgitter in der Ausführungsform der Fig· 21 existieren können, eliminiert werden. Die Außengehäuse 186 der Modulareüieiten in Fig. müssen nicht die dargestellte Form besitzen, und der Endbereich 187 kann senkrecht zur Lampenachse angeordnet sein anstelle der geneigten Anordnung. Es ist klar, daß auch andere Modifikationen einer zusammengesetzten Lichtquelle Anwendung finden können, beispielsweise solche, bei denen die vielen Auslaßleitungen 171, 172, 173 und 17²* in Fig. 21 durch eine einzige Leitung ersetzt sind, oder solche, bei denen auch die festen Endplatten I56, 157, 158 und 159 durch gitterartige Bereiche ersetzt sind.

Der Vorteil der Verwendung von Modulareinheiten, wie sie in den Figuren 21 und 22 gezeigt sind, anstelle einer einzigen langen Lichtquelle liegt darin, daß wesentliche Ersparnisse bei den Bestandteilen der Stromversorgung und

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den Produktionskosten erzielt werden können· Die Bestandteile der Stromversorgung sind auf der 700 bis 3.000 ¥att Ebene viel billiger als auf der 5-30 Kilowatt Ebene· Es wurde festgestellt, daß ein Lampensystem von etwa 3 KW und 10' Länge das Optimum vom Kosten/Leistungs-Gesichtspunkt darstellt« Auch wenn 10'-Lampen Modulareinheiten Ende an Ende aneinandergeschlessen werden, um gebräuchliche Lampen systeme in Lampen von 30^!, JfO¹, 60^! etc« zu bilden, ist'die Anzahl der gestellten Modulareinheiten 3» k_f 6 etc· mal so hoch wie die Anzahl der hergestellten Lampensysteme, so daß die Entwicklungs- und Ingenieurkosten reduziert werden, da nur ein Produkt anstelle einer Vielzahl von Produkten produziert zu werden braucht _o Des weiteren sinken die Produktionskosten^ da größere- Mengen von Bestandteilen von d@n Käufern erworben werden. Darüber hinaus haben die Modularlampeneinheiten den Vorteil, daß sie kein über das Lampengehäuse (Raum zwischen dem Ende des Lampenkolbens und dem Kammerende) überhängendes Ende aufweisen,, so daß die Installation der Lampen an Fertigungsstraßen erleichtert wird. Schließlich ermöglicht eine aus Modulareinholten zusammengesetzte Lichtquelle einen schnellen und leichten Service, indem eine fehlerhafte Einheit mit dea Lampenkolben darin entfernt und die gesamte Einheit ersetzt werden kann, ohne daß die Lampenkolben an der Fertigungsstraße gehandhabt werden müssen.

Obwohl die verbesserte Struktur der in den Figuren 1 bis 22 gezeigten Lampe in Verbindung mit verschiedenartigen

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Plasmen Anwendung finden kann, wird bei einer bevorzugten Ausführung^form der Erfindung ein neuartiges und verbessertes Plasma angewendet, das zur Erzeugung von ultravioletter Strahlung mit hoher Leistung führt und bei dem kein Magnetfeld erforderlich ist« Das Plasma wird erzeugt, indem Mikrowellenenergie mit hoher Energiedichte mit einer Gasmischung zusammenwirkt, die auf einem relativ hohen Druck gehalten wird, um Elektronendichten im Plasma zu erzeugen, die über der Trenndichte liegen«

Die Theorie des Lampenbetriebes, wie er gegenwärtig erklärt wird« wird in Verbindung mit dem Blockdiagramm der Fig. 23 beschrieben. Unter dem Begriff "Plasma" wird ein teilweise oder hochgradig ionisiertes Gas verstanden, das sich aus Atom- oder Molekülarteilchen zusammensetzt, bei denen ein oder mehrere Orbitalelektronen entfernt sind, so daß diese Ionen darstellen, sowie einer ausreichenden Zahl von freien Elektronen, so daß die elektrische Ladung der Zonen ausgeglichen ist und das resultierende Plasma im wesentlichen elektrisch neutral ist« Mit der Bezeichnung "Trenndichte¹¹ ist die minimale Elektronendichte gemeint, die bei "klassischen" Mikrowellenplasmen zur Reflektion der Mikrowellenenergie führt«

Die Auswahl der für eine Lampenfüllung geeigneten Gase wird durch den exakten gewünschten Spektralausgang vorbestimmt. Bei einer bevorzugten Ausführungeform der Erfindung wird eine Mischung aus Quecksilber und einem Xenon-Hintergrund-

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füllgas verwendet. Die Gasmischung wird in der Lampe unter einem Druck von 1 torr bis 2 atm. gehalten. Dieser Druckbereich ist relativ groß im Vergleich zu den in der US-Anmeldung 239 1^9 angegebenen. Eine Folge dieser hohen Betriebsdrücke ist die Tatsache, daß bei der Erzeugung des Plasmas und der elektromagnetischen Strahlung Kollisionserscheinungen mit eine Rolle spielen. Beim Betrieb der Lampe wird die Mikrowellenenergie an das Plasma bildende Medium durch eine der hier vorbeschriebenen Vorgehensweisen gekoppelt. Die Dimensionen der Lampe, die Ausgangsleistung des Mikrowellengenerators und die Mikrowellenkopplungsart werden so ausgewählt, daß Mikrowellenenergie mit einer Energiedichte von mehr als 50 W/cm an das Plasma bildende Medium gekoppelt wird. Die hohe Energiedichte erzeugt in Zusammenwirkung mit dem hohen Gasdruck extrem hohe Elektronendichten in einem großen Gasvolumen. Tatsächlich sind die Elektronendichten in Teilen des Gases 100 oder 1000 mal größer als die Trenndichte. In gleicher ¥eise ist die Frequenz der Bingangsmikrowellenenergie geringer als die

-ιΐ47Γ ne* Plasmafrequenz ¥ , wobei ¥ = Vf ist, und wobei

^H p' pym ' ■

η die Elektronendichte pro Kubikzentimeter und e und m die Elektronenladung und Elektronenmasse darstellen« Wenn η ansteigt, steigt ¥ ebenfalls an. Derjenige Wert von n, bei dem ¥ ¥ gleicht, wird als Trenndichte bezeichnet, da bei einem ¥ert von ¥ ^ W "klassische" Plasmen die gesamte auftreffende Mikrowellenenergie reflektieren, was daher zu einer Begrenzung der absorbierten Energie führt. Bei dem vorliegenden Plasma sind die extrem hohen Elektronendichten,

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die zu den hohen Abgabeleistungen.im Ultraviolettbereich führen, möglich infolge zweier "nicht klassischer" Effekte, die nachstehend in Verbindung mit dem Blockdiagramm der . 23 erläutert werden.

Der erst© dieser Effekte ist die !Collisions- und kollisions freie Fellentransformation, die die elektromagnetischen ¥ellen im Plasma in elektrostatische Plasmawellen, die danach durch !Collisions- und kollisionsfreie Prozesse gedämpft werden und auf diese Weise Elektronen erregen, überführen kann. Der zweite Effekt ist die "anormale" oder "nicht lineare" Wellenabsorption, durch die die elektromagnetischen Wellen direkt gedämpft werden, was in der Absorption eines Energiegrades resultiert, die bei "klassischen" Plasmen nicht möglich ist. Die Elektronen, die durch das Wellentransformations- und Wellenabsorptionsphänomen erregt werden, kollidieren mit den schwereren Atomen und Jonen des Plasmas und erregen diese dadurch, wodurch die schweren Teilchen während des Aberregungsvorganges Strahlen im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich aussenden»

Nachfolgend wird die Wirkungsweise des Plasmasystems im Detail beschrieben· Elektromagnetische Energie wird in das Plasma bildende Medium gekoppelt, wobei die Wellen in die weniger dichten Bereiche des Plasmas fließen, bis sie Bereiche erreichen, in denen die Elektronendichte knapp unter der Trenndichte für die Mikrowellen liegt. In diesen Bereichen tritt das Wellentransformationsphänomen auf,

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gemäß dem die elektromagnetischen Wellen in elektrostatische Plasmawellen transformiert werden, die sich auf der Oberfläche oder durch das Volumen des Plasmas fortpflanzen..

Das Wellentransformationsphänomen ist in der US-Anmeldung 239 149 erläutert j in der die Erzeugung eines Plasmas mit niedrigerem Druck in Gegenwart eines Magnetfeldes beschrieben ist. Wegen des niedrigeren Druckes des Plasmas wurde die Wellentransformation dieser Anmeldung als "kollisionsfreie Wellentransformation" bezeichnet· In der vorliegenden Anmel- dung spielen Kollisionen infolge der höheren Drücke bei der Erzeugung und Erregung von Elektronen eine größere Holle, so daß die Wellentransformation nicht langer als "kollisionsfrei⁸' bezeichnet werden kann, sondern gemäß der Theorie Kollisionen beinhaltet und kollisionsfrei ist. In. der US-Anmeldung 239 1^9 wurde gezeigt, daß die Wellentransformation für den Fall B=O, wobei B das Magnetfeld ist, über den Bereich 0 <W<*W stattfindet. Bei der vorliegenden Anmeldung, bei der 3=0 ist, ist diese Gleichung trotz der Tatsache, daß das Plasma bei höherem Druck arbeitet und Kollisionen auftreten, ebenfalls gültig·

Die durch das Wellentransformationsphänomen erzeugten Plasmawellen pflanzen sich weiter in das Plasma fort und werden durch "kollisionsfreie Landau-Dämpfung", wie sie in der US-Anmeldung 239 1^-9 beschrieben ist, und wegen der höheren Drücke auch durch Kollisionsdämpfung verlangsamt, wobei ihre Energie absorbiert wird. Die Wirkung einer jeden

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Dämpfungsart besteht darin, daß die durch die energiereichen elektromagnetischen Wellen eingeführte Energie auf örtliche Bereiche des Plasmas in Form von erregten Elektronen gleichmäßig über das Plasma verteilt wird.

Die zweite Art und Weise, mit der Elektronen im vorliegenden Plasmasystem erregt werden, tritt gleichzeitig mit der Wellentransformation auf und wird als normale und nicht lineare Wellenabsorption bezeichnet. Diese Effekte beinhalten die direkte Kollisionsdämpfung der elektromagnetischen Wellen im Plasma· Die Dämpfung findet in den Plasmabereichen niedrigerer Dichte statt, in denen die Dichte geringer als die Trenndichte ist, oder in gleicher Weise dort, wo die Mikrowellenfrequenz größer als die Plasmafrequenz ist. Die Dämpfung wird in diesen Bereichen durch Elektronen bewirkt, die durch die elektromagnetischen Wellen in Bewegung gesetzt worden sind und durch zufällige Kollisionen mit Gasatomen und Ionen thermische Energie erhalten.

Die "normale" Kollisionswellenabsorption ist bereits beobachtet und analysiert worden. Sie tritt in Bereichen des Plasmas auf, in denen die Elektronendichte der Trenndichte gleicht (oder die Mikrowellenfrequenz der Plasmafrequenz gleicht) über Tiefen im Plasma im Bereich von rr , der Plasma-

P randschichttiefe, wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist. In einem Plasma mit hohen Elektronendichten (so daß im größten Teil des Plasmavoltunens die Dichte größer als die Trenndichte ist) bedeutet dies, daß die Absorption in einer schmalen Hülle oder Randschicht in der Nähe der Außenseite

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der Plasmasäule auftritt. Daraus folgt, daß bei einem gegebenen Plasmasystem, wenn die durchschnittliche Elektronendichte des neutralen Gasdrucks erhöht wird, die absorbierte Mikrowellenenergie ein Maximum erreicht und danach abfällt, da die Randschichttiefe geringer wird» Die "normale" oder "lineare" Wellenabsorption wurde bei mäßig hohen Mikro-Wellenleistungen (größer als 10 W/cm ) beobachtet, und diese Beobachtungen haben dazu geführt, daß man von Überlegungen hinsichtlich sehr hohen Energiedichten der Gasdrücke Abstand nahm.

Die vorliegende Erfindung hat jedoch, indem mit höheren Energiedichten gearbeitet wird als sie jemals beim Stand der Technik Anwendung fanden, den Effekt der "anormalen" oder "nicht linearen" Wellenabsorption nutzbar gemacht, was eine erhöhte Energieabsorption bei Tiefen größer als

£ zur Folge hat» Obwohl das mit der "anormalen" V eil en-. ¥
^ absorption verbundene Phänomen noch nicht vollständig

erklärt werden kann, scheint der physikalische Ursprung der Absorption auf die Tatsache zurückzuführen zu sein, daß bei sehr hohen Mikrowellenenergiedichten die auftreffenden elektromagnetischen Wellen selbst eine starke Wirkung auf das Plasma ausüben können» Daher kann z.B· energiereiche Mikrowellenenergie eine zusätzliche Ionisierung in einem Hochdruckplasma verursachen. Dadurch wird wiederum die Elektronendichte an einem bestimmten Punkt erhöht und der Weg geändert, in dem das Plasma reagiert. Bei einer theoretischen Analyse einer derartigen Situation wurde errechnet,

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daß die Randschichtdicke für die Wellenabsorption von (C/Wp) auf §_p χ (|)¹/² χ (|2^)¹/3 ansteigt, wobei V die Gaskollisionsfrequenz, Teο die Elektronentemperatur des ungestörten Plasmas und I das Ionisationspotential des Gases ist. Diese Faktoren können die Randschichttiefe beträchtlich erhöhen und dadurch auch die Einheitlichkeit des Plasmas und den Anteil der auftreffenden Energie, die schließlich von den Elektronen absorbiert -wird. Dies trifft insbesondere zu, wenn ein Gas mit relativ niedrigem Ionisationspotential, wie Quecksilber, verwendet wird.

Die Elektronen im Plasma, die sow«hl durch Wellentransformation und normale und nicht lineare Wellenabsorption erregt werden, kollidieren mit den schweren Teilchen des Plasmas einschließlich der Atome und Ionen und regen auf diese Weise diese schweren Teilchen an· Die gewünschte Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich wird danach während des Vorgangs der Aberregung von den schweren Teilchen emittiert·

Das resultierende Plasma führt auf diese Weise asu einer hochwirksamen Produktion von Strahlung im Ultraviolett- und sichtbaren Bereich mit hohem Energieniveau, ohne daß ein Magnetfeld verwendet zu werden braucht.

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Claims

Patentanspruches

j Durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle zum
Emittieren eines sich in Längsrichtung erstreckenden
Lichtbandes einer willkürlichen Länge, gekennzeichnet
durch Mittel zum Erzeugen der Mikrowellenenergie, Mittel zum Koppeln dieser Mikrowellenenergie an eine Entladungseinheit, welche eine sich in Längsrichtung erstreckende, nicht resonierende Mikrowellenkammer einer willkürlichen Länge umfaßt, die eine, ein abgedichtetes Plasma bildendes Medium enthaltende Umhüllung, die sich in
Längsrichtung in der Kammer erstreckt, umschließt, wobei die Kammer ein erstes, sich in Längsrichtung erstreckendes, elliptisch geformtes reflektierendes Element umfaßt, das für Mikrowellen undurchlässig ist, aber das von der
Umhüllung emittierte Licht auf seiner Innenfläche
reflektiert j und ein zweites, sich in Längsrichtung
erstreckendes planes Element, das mit dem elliptisch
geformten reflektierenden Element entlang dessen Boden
zur Bildung der Mikrowellenkammer verbunden ist, wobei
das zweite Element im wesentlichen undurchlässig ist
für Mikrowellen, jedoch im wesentlichen durchlässig für das emittierte Licht, so daß das über die gesamte Länge
der Umhüllung emittierte Licht von dem elliptisch
geformten reflektierenden Element durch das durchlässige Element hindurch und aus der Kammer heraus als Lichtband reflektiert wird.

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2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in Längsrichtung erstreckende Umhüllung etwa entlang dem Brennpunkt des elliptisch geformten reflektierenden Elementes angeordnet ist.

3· Durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle zum
Emittieren eines sich in Längsrichtung erstreckenden Lichtbandes einer willkürlichen Länge, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen von Mikrowellenenergie,
Mittel zum Koppeln dieser Mikrowellenenergie an eine Entladungseinheit, welche eine sich in Längsrichtung erstreckende, nicht resonierende Mikrowellenkammer
einer willkürlichen Länge umfaßt, die eine ein abgedichtetes Plasma bildendes Medium enthaltende Umhüllung, die sich in Längsrichtung in der Kammer erstreckt,
umgibt, wobei die Kammer ein erstes, sich in Längsrichtung erstreckendes, geformtes reflektierendes
Element umfaßt, das für Mikrowellen undurchlässig ist, dessen Innenfläche jedoch so ausgebildet ist, daß sie von der Umhüllung emittiertes Licht reflektiert, und ein zweites, sich in Längsrichtung erstreckendes
Element, das mit dem ge fo int en reflektierenden Element entlang dessen Boden zur Bildung der Mikrowellenkammer verbunden ist, wobei das zweite Element im wesentlichen für Mikrowellen undurchlässig, jedoch für das emittierte Licht im wesentlichen durchlässig ist, so daß das über die gesamte Länge der Umhüllung emittierte Licht von dem reflektierenden Element durch das durchlässige

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Element hindurch und aus der Kammer heraus als Lichtband reflektiert wird, wobei die Kopplungsmittel mindestens eine wellenleitende Umhüllung umfassen, in der die Mikrowellen erzeugenden Mittel angeordnet sind, und eine Wand der Umhüllung einen Teil des reflektierenden Elementes umfaßt, welcher mindestens eine Schlitzstrahlantenne zum Koppeln der Mikrowellenenergie an das Innere der Mikrowellenkammer aufweist.

kο Lichtquelle nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung einen Wellenleiter und daß der Teil des reflektierenden Elementes eine Seite dieses Wellenleiters umfaßt.

5β Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenenergie erzeugenden Mittel in der Nähe des einen Endes des Wellenleiters angeordnet sind und daß mindestens eine Schlitzstrahlantenne in der Nähe des anderen Endes angeordnet ist·

6„ Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Schlitzstrahlantenne zwei Schlitzstrahlantennen umfaßt.

7ο Lichtquelle nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter so angeordnet ist, daß sich seine lange Abmessung parallel zur Längsrichtung des reflektierenden Elementes erstreckt.

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8. Lichtquelle nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, daß drei Seiten des Wellenleiter» von drei, sich in Längsrichtung erstreckenden Elementen₉ die rechtwinklig zueinander angeordnet sind, gebildet werden und daß die vierte Seite den gekrümmten Teil des reflektierenden Elementes ausbildet·

9· Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wellenleiter zwei Wellenleiter umfaßt, die parallel zueinander in verschiedenen Bereichen um den Umfang des reflektierenden Elementes herum angeordnet sind und daß die Mikrowellenenergie erzeugenden Mittel in einem der Wellenleiter in der Nähe desjenigen Endes angeordnet sind, das dem Ende gegenüberliegt, an dem die Mikrowellenenergie erzeugenden Mittel in dem anderen Wellenleiter angeordnet sind.

10* Lichtquelle nach Anspruch 5f dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter so angeordnet ist, daß sich seine Längsrichtung senkrecht zur Längsrichtung des reflektierenden Elementes erstreckt·

11, Lichtquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Wellenleiters konzentrisch zu dem Teil des reflektierenden Elementes ist.

12» Durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle zum Emittieren eines sich in Längsrichtung erstreckenden

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Lichtbandes von willkürlicher Länge, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen von Mikrowellenenergie, Mittel saum Koppeln dieser Mikrowellenenergie an eine Entladungseinheitj welche eine sich in Längsrichtung erstreckende, nicht resonierende Mikrowellenkammer einer willkürlichen Länge umfaßt, die eine ein Plasma bildendes Medium enthaltende Umhüllung, die sich in Längsrichtung in der Kammer erstreckt, umgibt, wobei die Kammer ein erstes, sich in Längsrichtung erstreckendes, geformtes reflektierendes Element umfaßt, das für die Mikrowellen undurchlässig ist, dessen Innenfläche jedoch so ausgebildet ist, daß sie von der Umhüllung emittiertes Licht reflektiert, und ein zweites, sich in Längsrichtung erstreckendes Element, das mit dem geformten, reflektierenden Element entlang dessen Boden zur Bildung der Mikrowellenkammer verbunden ist, wobei das zweite Element im wesentlichen für Mikrowellen undurchlässigj jedoch im wesentlichen für das emittierte Licht durchlässig ist, so daß das entlang der gesamten Länge der Umhüllung emittierte Licht als Lichtband von dem reflektierenden Element durch das durchlässige Element hindurch und aus der Kammer heraus reflektiert wird, wobei die Kopplungsmittel einen recnteckförmigen bis kreisförmigen Wellenleiter-Ubergangsbereich aufweisen, der Ausgang der Mikrowellen erzeugenden Mittel an den rechteckförmigen Teil des Ubergangsbereich.es gekoppelt ist und der kreisförmige Teil des Übergangsbereich.es an ein Ende der Mikrowellenkammer zur Kopplung

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der Energie in die. Kammer angeschlossen ist·

13· Lichtquelle nach Anspruch h₉ dadurch gekennzeichnet) daß das reflektierende Element ellipsenförmig ausgebildet ist und daß das zweite Element ein planes netzwerkartiges Element ist·

14, Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet) daß das reflektierende Element parabolisch geformt ist, daß der Querschnitt der Umhüllung halbkreisförmig ausgebildet ist und daß das zweite Element ein planes netzwerkartiges Element ist.

15· Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Element halbkreisförmig ausgebildet ist, daß das zweite Element ein netzwerkartiges Element ist, das halbkreisförmig ausgebildet ist, und daß der Querschnitt der Umhüllung die Form eines Kreises besitzt.

16· Durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle einer willkürlichen Länge, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen von Mikrowellenenergie, Mittel zum Koppeln der Mikrowellenenergie an eine Entladungseinheit, welche eine sich in Längsrichtung erstreckende, nicht räsonierende Mikrowellenkammer einer willkürlichen Länge umfaßt, die eine ein abgedichtetes Plasma bildendes Medium enthaltende Umhüllung, die sich in Längsrichtung

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in der Kammer erstreckt, umgibt, wobei die Kammer ein erstes, sich in Längsrichtung erstreckendes zylindrisches Element umfaßt, das undurchlässig ist für Mikrowellen, dessen Innenfläche jedoch so ausgebildet ist, daß sie von der Umhüllung emittiertes Licht reflektiert, wobei die Umhüllung einen ringförmigen Querschnitt aufweist, so daß das emittierte Licht in den Ring der Umhüllung reflektiert wird, wobei die Kopplungsmittel mindestens eine Mikrowellen leitende Umhüllung umfassen, in der die Mikrowellenenergie erzeugenden Mittel angeordnet sind, wobei eine ¥and der Umhüllung einen Teil des reflektierenden Elementes umfaßt, der mindestens eine darin ausgebildete Schlitzantenne zur Kopplung der Mikrowellenenergie an das Kammerinnere aufweist»

17° Durch Mikrowellen erzeugt© Plasma-Lichtquelle einer willkürlichen Länge, gekennzeichnet durch Mittel zum Erzeugen von Mikrowellenenergie, Mittel zum Koppeln der erzeugten Mikrowellenenergie an eine Entladungseinheit 5 welche ein© Mikrowellenkammer umfaßt, die eine ein abgedichtetes Plesia bildendes Medium enthaltende Umhüllung umgibt, wobei die Kammer ein erstes reflektierendes Element umfaßt„ das die Form eines Rotationsparaboloides besitzt, und ein zweites ebenes netzwerkartiges Element, das mit dem ersten Element in Berührung steht, wobei das erste Element für Mikrowellen undurchlässig ist, jedoch eine Innenfläche.aufweist, die das emittierte Licht reflektiert, und das netzwerkartige

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Element im wesentlichen für Mikrowellen undurchlässig, jedoch für das emittierte Licht im wesentlichen durchlässig ist, wobei der abgedichtete Behälter am oder in der Nähe des Brennpunktes der parabolischen Fläche angeordnet ist und die Längsachse der abgedichteten Umhüllung parallel zur Rotationsachse des parabolischen reflektierenden Elementes angeordnet ist, die Kopplungsmittel mindestens eine Mikrowellen leitende Umhüllung umfassen, in der die Mikrowellenenergie erzeugenden Mittel angeordnet sind, wobei eine Wand der Umhüllung einen Teil des reflektierenden Elementes' umfaßt, der mindestens eine darin ausgebildete Schlitzstrahlantenne zur Kopplung der Energie an das Kammerinnere aufweist.

18. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das reflektierende Element einen darin ausgebildeten Kühlschlitz aufweist, der sich in Längsrichtung entlang dem Element erstreckt.

19. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Umhüllung darauf ausgebildete Montageerweiterungen aufweist, die in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung orientiert sind, und daß das reflektierende Element darin angeordnete Montagebohrungen aufweist, wobei die Erweiterungen in den Bohrungen befestigt sind, um die Montage der Umhüllung in der Kammer zu bewirken.

20. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

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daß das reflektierende Element ein gekrümmtes reflektierendes Element ist und daß das zweite Element aus einem netzwerkartigen Material hergestellt ist, das im wesentlichen für Mikrowellen undurchlässig und im wesentlichen für die emittierte Strahlung durchlässig ist, daß die Kanuner des weiteren an jedem Ende durch ein Element aus dem netzwerkartigen Material abgedichtet ist; so daß der Boden und die Enden der Kammer für Mikrowellen -undurchlässig und für das emittierte Licht durchlässig sind,, um die Anordnung der Lichtquellen Ende an Ende zu erleichtern·

21s Durch Mikrowellen erzeugte Plasma-Lichtquelle mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistung zum Emittieren von Strahlung ira Ultraviolettbereich, das in einem sich in Längsrichtung erstreckenden zylindrischen Behälter eingegrenzt ist, der einen Durchmesser aufweist, der viel größer ist als di® doppelte "klassische" Randschichttiefe bei einem Druck von 1 mm Hg bis 2 atm·, eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen von Energie im Mikrowellenbereich, Mittel zum Koppeln der Mikrowellenenergie an das Plasma bildende Medium im Behälter, so daß die im Medium existierende Energiedichte mindestens 50 w/cm^ beträgt, so daß Elektronen in Dichten weit über der Trenndichte in dem Medium erzeugt werden und die anormale Absorption dieser Energie bei Randschichttiefen größer als C/Wp auftritt, wobei C die Lichtgeschwindigkeit und Wp die Plasmafrequenz ist, und wobei die Elektronen

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mit schweren Teilchen des Mediums kollidieren, so daß die schweren Teilchen durch die Kollisionen erregt werden und Strahlung emittieren.

22. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenkammer an jedem Längsende an einem ringförmigen Flansch befestigt ist, so daß eine Umhüllung gebildet wird, die das Entweichen von Mikrowellen verhindert, und daß mindestens ein Paar Haltestangen zwischen den Flanschen zur Erhöhung der Steifigkeit angeordnet ist.

23· Lichtquelle nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltestangen für die sich in Längsrichtung erstreckende Umhüllung in Bohrungen in den Flanschen befestigt sind und daß die Umhüllung an jedem Ende mit Montageerweiterungen versehen ist, die sich parallel zur Umhüllungsachse erstrecken und durch die Haltestangen gelagert werden.

24. Anordnung einer Vielzahl von Lichtquellen nach Anspruch 20,

jeweils
wobei das mit dem netzwerkartigen Material versehene rechte Längsende einer Lichtquelle flach gegen das mit dem netzwerkartigen Material versehene linke Längsende der benachbarten Lichtquelle gesetzt ist, so daß eine kontinuierliche gerade Reihe von Lichtquellen gebildet wird.

25. Anordnung einer Vielzahl von lichtquellen nach Anspruch 24, wobei das netzwerkartige Material an jedem Längsende der Lichtquellen ein planes Element bildet und wobei diese planen Elemente einer jeden Lichtquelle in einem anderen Winkel als 90° in Bezug auf die Längsachse der Lichtquellen angeordnet sind. 509827/0500

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