DE2752593C2 - - Google Patents
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Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Strahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention is based on a radiation source according to the preamble of claim 1.
Hierbei nimmt die Erfindung Bezug auf einen Stand der Technik von Strahlungsquellen, wie er etwa in der DE-OS 24 33 557 beschrieben ist. Die bekannten Strahlungsquellen können bei geeigneter Ausbildung ihrer Elektroden zwar mit Wechselstrom betrieben werden, sind aber üblicherweise für Gleichstrombe trieb bestimmt. Sie benötigen jeweils einen als Rohr ausgebil deten Druckausgleichsraum. In der Entladung lassen sich elektro phoretische Prozesse nicht vermeiden. Dementsprechend erfolgt eine ungleiche Abstrahlung über die gesamte Oberfläche des Entladungsraumes und tritt eine vorzeitige Alterung der Strah lungsquelle ein.Here, the invention relates to a prior art of radiation sources, such as that described in DE-OS 24 33 557 is described. The known radiation sources can appropriate training of their electrodes with alternating current are operated, but are usually for direct current surely drove. You need one each trained as a pipe pressure equalization room. In the discharge can be electro do not avoid phoretic processes. This is done accordingly an uneven radiation over the entire surface of the Discharge space and premature aging of the beam occurs source.
Aus der DE-AS 21 50 740 ist eine Strahlungsquelle hoher Inten sität im Ultraviolett bekannt, bei der in einem quecksilber enthaltenden und mit einem der Gase Helium, Neon, Argon, Xenon oder Krypton gefüllten Rohr eine Emission im fernen UV angeregt wird. Diese Emission erzeugt in einer auf der Innenfläche eines das Rohr umgebenden Kolbens angebrachten Leuchtstoffschicht im sichtbaren und im nahen Ultraviolett bereich gelegene Strahlung hoher Intensität. Hierzu ist ein vergleichsweise hoher Partialdruck des im Rohr befindlichen Gases erforderlich.DE-AS 21 50 740 is a radiation source of high intensity known in the ultraviolet, in the case of a mercury containing and with one of the gases helium, neon, argon, Xenon or krypton-filled pipe emit a remote emission UV is stimulated. This emission is generated in a on the Mounted the inside surface of a piston surrounding the tube Fluorescent layer in the visible and near ultraviolet high intensity radiation. This is a comparatively high partial pressure of the one in the pipe Gases required.
Aus der DE-AS 11 98 452 ist es ferner bekannt, zur Steuerung des Quecksilberdampfdruckes und zur Kondensierung des Queck silbers einer Quecksilberdampfentladungslampe ein domförmig ausgebauchtes, an den Entladungskolben der Lampe angeschmol zenes Rohrstück vorzusehen. Dieses Rohrstück wird auf einer verhältnismäßig tiefen Temperatur gehalten, um so in dem mit einem Edelgas von einem vergleichsweise hohen Partial druck gefüllten Entladungskolben optimale Temperaturbedingungen für eine Niederdruckquecksilberdampfentladung zu erreichen. Elektrophoretische Prozesse in der Entladung lassen sich jedoch nicht vermeiden, so daß eine ungleiche Abstrahlung über die gesamte Oberfläche des Entladungsraumes erfolgt und eine vorzeitige Alterung der Strahlungsquelle eintritt.From DE-AS 11 98 452 it is also known to control of the mercury vapor pressure and for the condensation of the mercury a mercury vapor discharge lamp a dome-shaped bulged, melted onto the discharge bulb of the lamp zenes pipe piece to provide. This piece of pipe is on a kept relatively low temperature, so in the with an inert gas from a comparatively high partial pressure-filled discharge bulb optimal temperature conditions for a low pressure mercury vapor discharge. Electrophoretic processes in the discharge can be However, do not avoid it, so that an uneven radiation takes place over the entire surface of the discharge space and premature aging of the radiation source occurs.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Strahlungsquelle der vorge nannten Art anzugeben, mit welcher bei einfacher konstruktiver Ausführung insbesondere bei der Wellenlänge 254 nm eine hohe Strahlungsintensität und eine gleichmäßige Abstrahlung über die gesamte Oberfläche erzielt wird, und welche sich darüber hinaus durch hohe Lebensdauer und großen Wirkungs grad auszeichnet.It is an object of the invention to provide a radiation source to specify the type with which with simple constructive Execution especially at the wavelength 254 nm high radiation intensity and uniform radiation is achieved over the entire surface, and which ones moreover through long service life and great effectiveness degree.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Ober begriffs gemäß dem kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 gelöst.This task is combined with the characteristics of the waiter Concept according to the characterizing part of claim 1 solved.
Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle zeichnet sich durch hohe Lebensdauer und großen Wirkungsgrad aus. Bedingt durch geeignete Einstellung des Edelgasdruckes wird eine mit den bisher üblichen gleichstrombetriebenen Strahlungsquellen vergleichbare Strahlungsintensität erzielt, wobei wegen des Fehlens elektrophoretischer Prozesse zudem eine gleichmäßige Abstrahlung über die gesamte Oberfläche des Entladungsrohres erzielt wird. Von Vorteil ist es ferner, daß die Speisung der Strahlungsquelle ab Netz mit einer Vorschaltdrossel ohne Zwischenschaltung eines Gleichrichters erfolgen kann, und daß bedingt durch das blinddarmförmige Rohrstück der Dampf druck des Quecksilbers und damit die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlungsintensität besonders leicht reguliert werden können. Ein Druckausgleichsrohr kann entfallen.The radiation source according to the invention is characterized by long service life and high efficiency. Due suitable adjustment of the noble gas pressure is one with the hitherto usual direct current operated radiation sources comparable radiation intensity achieved, whereby because of Lack of electrophoretic processes also a uniform Radiation over the entire surface of the discharge tube is achieved. It is also advantageous that the supply the radiation source from the mains with a ballast without Interposition of a rectifier can take place, and that due to the appendix shaped tube of steam pressure of the mercury and thus that of the radiation source emitted radiation intensity particularly easily regulated can be. A pressure compensation tube can be omitted.
Es ist sehr empfehlenswert, den Druck des Xenons zwischen 5,3 und 13,3 Pa zu wählen, da Xenon gerade in diesem Druck bereich in bezug auf das Entladungsverhalten ähnliche Eigen schaften wie Quecksilber bei 55°C besitzt und die erfindungs gemäße Strahlungsquelle daher kalt und/oder ohne Stand-by- Schaltung gestartet und äußerst rasch hinaufgefahren werden kann.It is highly recommended to put the pressure of the xenon between 5.3 and 13.3 Pa to choose, because xenon in this pressure area similar in terms of discharge behavior Shafts like mercury at 55 ° C and the invention radiation source therefore cold and / or without standby Circuit started and driven up extremely quickly can.
Für die Anwendung in der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie ist es besonders günstig, daß das Entladungsrohr und die beiden Kolben aus dotiertem Quarzglas bestehen, wobei die Dotierung derart ist, daß sie Linien bei 185 und 194 nm nahezu vollständig absorbiert werden und die Linie bei 254 nm nahezu verlustfrei transmittiert wird, da nun die durch die absorbierten Linien hervorgerufene unerwünschte Ozonisierung der Luft fast vollständig unterdrückt ist, wo hingegen die durch die transmittierte Linie bewirkte erwünschte Keimab tötung vollumfänglich ausgenutzt werden kann.For use in the food and packaging industry it is particularly favorable that the discharge tube and the two pistons made of doped quartz glass, the Doping is such that it lines at 185 and 194 nm are almost completely absorbed and the line at 254 nm is transmitted almost loss-free, since now through the lines caused unwanted ozonization the air is almost completely suppressed, whereas the desired germs caused by the transmitted line killing can be fully exploited.
Da das Druckausgleichsrohr wegfällt ist es möglich, das Ent ladungsrohr gerade oder gestreckt auszubilden. Derartig ge staltete Strahlungsquellen sind besonders preiswert und ein fach herzustellen.Since the pressure compensation tube is no longer necessary, the Ent to form the charge tube straight or straight. Such ge Designed radiation sources are particularly inexpensive and one to manufacture.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht wiedergegeben. Es zeigtIn the drawing is an embodiment of the invention reproduced in simplified form. It shows
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit einem U-förmig gebogenen Entladungsrohr, Fig. 1 shows a radiation source according to the invention for generating ultraviolet radiation with a U-shaped bent discharge tube,
Fig. 2 eine die Stromversorgung der Strahlungsquelle gemäß Fig. 1 beschreibende prinzipielle Schaltungsanordnung, und Fig. 2 is a power supply of the radiation source shown in FIG. 1 described basic circuit arrangement, and
Fig. 3 die relative UV-Ausbeute I der erfindunsgemäßen Strahlungsquelle gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit vom Edelgasdruck p. Fig. 3 shows the relative UV yield I erfindunsgemäßen the radiation source shown in FIG. 1 as a function of p inert gas pressure.
In Fig. 1 ist ein U-förmig gebogenes Entladungsrohr 1 darge stellt, an dessen beiden Enden jeweils ein zylindrischer Kolben 2 bzw. 2′ angebracht ist, in dem sich jeweils eine Elektrode 3 bzw. 3′ befindet, die über Durchführungen 4 bzw. 4′ nach außen geleitet wird. In der Mitte der Biegungsstelle der Entladungsröhre 1 befindet sich ein blinddarmförmiges Rohrstück 5, welches zur Aufnahme von in der Figur nicht dargestelltem Quecksilber dient. Das Entladungsrohr 1 ein schließlich der beiden Kolben 2 und 2′ sowie des blind darmförmigen Rohrstücks 5 besteht aus Quarzglas, welche so dotiert ist, daß die ozonerzeugenden Quecksilberlinien 185 und 194 nm absorbiert werden jedoch die keimtötende Linie 254 nm praktisch ohne Absoptionsverluste hindurchgelassen wird. Die elektrischen Durchführungen 4, 4′ sind Molybdän plättchen, die in das Quarzglas der Kolben 2, 2′ eingepreßt sind. Mit 6 ist ein das Entladungsrohr 1 berührender Draht bezeichnet, welcher nach Beaufschlagung mit Impulsen von ca. 20 kV die Zündung des betriebsbereiten Entladungsrohrs 1 bewirkt. Dieser Draht kann zugleich als Entladungsrohr halterung verwendet werden.In Fig. 1, a U-shaped discharge tube 1 is Darge, at the two ends of which a cylindrical piston 2 or 2 'is attached, in each of which an electrode 3 or 3' is located, which is via bushings 4 and 4 'is directed to the outside. In the middle of the bending point of the discharge tube 1 there is an appendix-shaped tube piece 5 , which serves to receive mercury, not shown in the figure. The discharge tube 1 , finally, the two pistons 2 and 2 ' as well as the blind-shaped tubular piece 5 is made of quartz glass, which is doped so that the ozone-generating mercury lines 185 and 194 nm are absorbed, but the germicidal line 254 nm is let through practically without absorption losses. The electrical feedthroughs 4, 4 ' are molybdenum platelets, which are pressed into the quartz glass of the pistons 2, 2' . 6 designates a wire which contacts the discharge tube 1 and which, after exposure to pulses of approximately 20 kV, causes the ignition of the ready-to-use discharge tube 1 . This wire can also be used as a discharge tube holder.
Das Entladungsrohr 1 ist von annähernd rundem Querschnitt und weist vorzugsweise einen zwischen 8 und 15 mm liegen den Innendurchmesser sowie eine zwischen 0,8 und 2 m lie gende Länge auf. Die beiden Kolben 2, 2′ besitzen vorzugs weise einen 1-4fach größeren Innendurchmesser als das Entladungsrohr 1 und weisen ein das 0,5-4fache des Ent ladungsrohres 1 betragendes Volumen auf. Das blinddarmför mige Rohrstück 5 ist vorzugsweise zwischen 10 und 50 mm lang und weist einen Innendurchmesser auf, der aus 0,3-1fache des Innendurchmessers des Entladungsrohres 1 ist.The discharge tube 1 is of approximately round cross-section and preferably has an internal diameter of between 8 and 15 mm and a length of between 0.8 and 2 m. The two pistons 2, 2 ' preferably have a 1-4 times larger inner diameter than the discharge tube 1 and have a 0.5-4 times the Ent discharge tube 1 volume. The bladder-shaped pipe section 5 is preferably between 10 and 50 mm long and has an inner diameter which is 0.3-1 times the inner diameter of the discharge tube 1 .
Die Form und der Aufbau der Elektroden 3, 3′ entspricht im wesentlichen der Form und dem Aufbau der thermoemissiven Kathode gemäß DE-OS 24 33 557, insbesondere Erläuterungen zu Fig. 4. Darüber hinaus haben sich aber auch unter Verwen dung von Nickelpulver und (Ba, Ca, Sr) karbonat hergestellte Oxidkathoden oder einen Wofram-, Molybän- oder Tantal sinterkörper und Barium oder ein seltenes Erdmetall ent haltende Dispenserkathoden sehr bewährt.The shape and structure of the electrodes 3, 3 ' corresponds essentially to the shape and structure of the thermoemissive cathode according to DE-OS 24 33 557, in particular explanations for Fig. 4. In addition, however, using nickel powder and ( Ba, Ca, Sr) carbonate-produced oxide cathodes or a wofram, molybdenum or tantalum sintered body and barium or a rare earth metal-containing dispenser cathode have proven very successful.
Die Stromversorgung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle ist der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 zu entnehmen. Bei die ser Anordnung ist ein Elektrodenheiztrafo T primärseitig mit einer 220 V-Wechselspannungsquelle verbunden. Ein Teil der Sekundärwicklung dient zur Heizung der Elektrode 3, ein an derer Teil zur Heizung der Elektrode 3′. Parallel zu zwei Stromzuführungen der beiden Elektroden 3 und 3′ ist eine Zündschaltung ZS gelegt, die den Draht 6 mit Zündimpulsen von ca. 20 kV versorgt. Die die Elektrode 3 mit Strom ver sorgende eine Sekundärwicklung des Heiztransformators T ist über eine strombegrenzende Drossel L und einen Schalter S mit dem einen Pol der Spannungsquelle verbunden, während die die Elektrode 3′ mit Strom versorgende andere Sekundärwicklung des Heiztransformators T mit dem anderen Pol der Spannungs quelle kurzgeschlossen ist. Durch diese Anordnung läßt sich die erfindungsgemäße Strahlungsquelle mit einfachen Mitteln oh ne die sonst übliche Verwendung von Gleichrichtern betrei ben.The power supply of the radiation source according to the invention can be found in the circuit arrangement according to FIG. 2. In this arrangement, an electrode heating transformer T is connected on the primary side to a 220 V AC voltage source. A part of the secondary winding is used to heat the electrode 3 , at the other part to heat the electrode 3 ' . In parallel to two current leads of the two electrodes 3 and 3 ' , an ignition circuit ZS is placed, which supplies the wire 6 with ignition pulses of approximately 20 kV. The electrode 3 with current ver providing a secondary winding of the heating transformer T is connected via a current-limiting choke L and a switch S to one pole of the voltage source, while the electrode 3 ' supplying current to the other secondary winding of the heating transformer T with the other pole Voltage source is short-circuited. With this arrangement, the radiation source according to the invention can be operated with simple means without the otherwise usual use of rectifiers.
Als Füllgase werden Argon, Krypton und/oder Xenon sowie Quecksilber, welches im Überschuß in flüssiger Form im blinddarmförmigen Rohrstück 5 untergebracht ist, verwen det. Die Quecksilber-Temperatur und damit der Quecksilber druck werden durch Aufheizung des blinddarmförmigen Rohr stücks auf Temperaturen zwischen 48 und 65°C eingestellt.Argon, krypton and / or xenon and mercury, which is accommodated in excess in liquid form in the appendix-shaped pipe section 5 , are used as filling gases. The mercury temperature and thus the mercury pressure are set to temperatures between 48 and 65 ° C by heating the section of the appendix.
Gemäß Fig. 3, wo die UV-Ausbeute der erfindungsgemäßen Strahlungsquellen im Bereich der Wellenlänge 254 nm in Abhängig keit vom Edelgasdruck des verwendeten Füllgases in Pascal auf getragen ist, ist zu erkennen, daß die UV-Ausbeute der Strahlungsquellen im Bereich zwischen 1,3 und 66,6 Pa mit Argon-, Krypton- bzw. Xenonfüllungen über 50% der maximalen UV-Ausbeute und daher in diesem Druckbe reich die erwünschte hohe Strahlungsintensität bei der Wel lenlänge 254 nm mühelos erzielt wird. Darüber hinaus hat es sich als sehr zweckmäßig erwiesen, den Xenondruck zwischen 5,3 und 13,3 Pa einzustellen, da Xenon in diesem Druck bereich insbesondere im Hinblick auf die Ionisationsspannung bei der elektrischen Entladung ähnliche Eigenschaften wie Quecksilber bei 55°C aufweist, so daß die Strahlungsquelle nach der Kaltzündung mit einer äußerst einfachen Schaltung sehr rasch auf hohe Stromstärken hochgefahren werden kann.Referring to FIG. 3, where the UV output of the radiation sources of the invention in the field of wavelength 254 nm in Depending ness from the rare gas pressure of the fill gas used in Pascal on is worn, it can be seen that the UV output of the radiation sources in the range between 1.3 and 66.6 Pa with argon, krypton or xenon fillings above 50% of the maximum UV yield and therefore in this pressure range the desired high radiation intensity at the shaft length 254 nm is easily achieved. In addition, it has proven to be very expedient to set the xenon pressure between 5.3 and 13.3 Pa, since xenon in this pressure range has properties similar to mercury at 55 ° C., in particular with regard to the ionization voltage during electrical discharge that the radiation source can be ramped up very quickly to high currents with an extremely simple circuit after the cold ignition.
Alle Kurven der Fig. 3 wurden an einem Entladungsrohr von ca. 10 mm Innendurchmesser, bei einem einer Kondensattempe ratur von 55°C entsprechenden Quecksilberdruck und einer Stromdichte von 5 A/cm2 gemessen.All curves of Fig. 3 were measured on a discharge tube of approximately 10 mm inner diameter, at a condensate temperature of 55 ° C corresponding mercury pressure and a current density of 5 A / cm 2 .
Statt die Stromstärke lediglich auf 5 A/cm2 zu beschränken, ist es je nach Form und Abmessung der Strahlungsquelle zweckmäßig, die Stromdichte zwischen 3 und 10 A/cm2 und die Bogenspannung zwischen 0,3 und 1,2 V/cm2 einzustellen.Instead of limiting the current strength to only 5 A / cm 2 , it is advisable, depending on the shape and dimensions of the radiation source, to set the current density between 3 and 10 A / cm 2 and the arc voltage between 0.3 and 1.2 V / cm 2 .
Mehrere Strahlungsquellen werden schon seit vie len hundert Stunden betrieben, wobei verglichen mit der be kannten Strahlungsquelle gemäß der DE-OS 24 33 557 eine geringere Alterung eingetreten ist. Der Wirkungsgrad im Bereich der keimtötenden Wellenlänge 254 nm (UV-C) liegt bei etwa 25% und ist etwa dreimal so hoch wie der Wirkungsgrad von wechselstrombetriebenen Quecksilber- Hochdrucklampen.Several radiation sources have been used for many years len operated a hundred hours, compared with the be known radiation source according to DE-OS 24 33 557 less aging has occurred. The efficiency in the range of the germicidal wavelength 254 nm (UV-C) is about 25% and is about three times as high how the efficiency of AC powered mercury High pressure lamps.
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