DE3530952A1 - Bestrahlungsgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungsgerät der im Oberbegriff des im Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Gegenüber Festkörperstrahlern (z. B. Glühwendeln) oder Kurzbogenstrahlern, die normalerweise ein kontinuierliches breites Strahlungsspektrum mit erheblichen Anteilen im Infrarotbereich erzeugen, haben Leuchtstoffröhren die Eigenschaft, daß die von ihnen emittierte Strahlung auf ein verhältnismäßig schmales Spektralband begrenzt ist. Leuchtstoffröhren eignen sich daher insbesondere für solche Anwendungsfälle, bei denen für die Bestrahlung des jeweiligen Objektes nur ein bestimmter Wellenlängenbereich nutzbar ist. Insbesondere können Leuchtstoffröhren so ausgelegt sein, daß sie keine nennenswerte Infrarot- und/oder keine häufig unerwünschten Ultraviolettanteile erzeugen, so daß sich die bei anderen Strahlungsquellen erforderlichen Kühl- und Filtereinrichtungen erübrigen.

Eine Schwierigkeit beim Einsatz von Leuchtstoffröhren besteht jedoch darin, daß sich die von ihnen emittierte Strahlung nur schlecht auf flächenmäßig begrenzte, insbesondere etwa punktförmige, Bestrahlungsorte fokussieren läßt. Bei einem Bestrahlungsgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 07 601 für Dentalzwecke bekannt ist, dient ein stabförmiger Lichtleiter dazu, von einer Leuchtstoffröhre emittiertes Licht auf eine Zahnkavität zu richten, um eine dort eingebrachte Kunststoff-Füllmasse zu polymerisieren. Die Leuchtstoffröhre weist dabei einen linearen, mit dem Lichtleiter fluchtenden Abschnitt sowie einen daran anschließenden, das hintere Ende des Lichtleiters wendelartig umgebenden Abschnitt auf. Am Übergang zwischen den beiden Abschnitten ist die Leuchtstoffröhre mit einem Fenster versehen, durch das Strahlung in das hintere Eintrittsende des Lichtleiters eingekoppelt wird. Der wendelförmige Teil hat lediglich die Aufgabe, der Leuchtstoffröhre die zu ihrem Betrieb erforderliche Länge zu verleihen, ohne die Gesamtlänge des Baugeräts unnötig zu erhöhen. An der Einkopplung von Strahlung in den Lichtleiter nimmt er dagegen nicht teil. Ein großer Teil der von der Leuchtstoffröhre insgesamt erzeugten Strahlung bleibt bei dem bekannten Gerät ungenutzt, so daß der bei Leuchtstoffröhren an sich gegebene Vorteil eines hohen elektrisch-optischen Wirkungsgrades großenteils verloren geht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bestrahlungsgerät anzugeben, bei dem die Strahlung einer Strahlungsröhre mittels einer unaufwendigen Einrichtung möglichst weitgehend ausgenutzt wird, um Strahlung in dem jeweils geeigneten Spektralbereich über eine begrenzte Fläche zur Verfügung zu stellen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegeben. Der danach vorgesehene, von der Strahlungsröhrenanordnung mindestens teilweise umgebene Lichtleiter aus strahlungsdurchlässigem Material ist mit Fluoreszenzstoffen versehen, die sich so wählen lassen, daß die Fluoreszenzstrahlung in dem für den Bestrahlungszweck jeweils geeigneten Spektralbereich liegt. Es sind sowohl organische als auch anorganische Fluoreszenzstoffe einsetzbar. Dabei kann sowohl monochromatische als auch Mischstrahlung erzeugt werden. Die isotrope Strahlung der einzelnen Fluoreszenzpartikel verbleibt aufgrund der Totalreflexion, die daraus resultiert, daß das Material einen Brechungsindex gegen die Umgebung von größer als 1, vorzugsweise größer als 1,45 hat, größtenteils in dem Lichtleiter und bewegt sich auf kreisförmigen Zickzack- Bahnen verlustarm zu dessen Austrittsfläche. Auf diese Weise läßt sich mit unaufwendigen Mitteln die in den Lichtleiter eingekoppelte Strahlung der Strahlungsröhre fast vollständig absorbieren, die Strahlungsenergie in ein begrenztes Spektralband umwandeln und mit hoher Dichte an einer definierten Fläche zur Verfügung stellen.

Nach Anspruch 2 kann der Lichtleiter als massiver Stab oder als dünnwandiges Rohr ausgebildet sein. Bei der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist mindestens eine Leuchtstoffröhre vorgesehen, die entweder gemäß Anspruch 4 gerade sein und parallel zu dem Lichtleiter verlaufen oder gemäß Anspruch 5 ihn wendelartig umgeben kann. Die Strahlung kann dabei an beliebiger Stelle über die gesamte Länge in den Lichtleiter eingekoppelt werden, so daß entsprechend über die gesamte Länge des Strahlungsrohrs austretende Strahlung genutzt wird. Durch Verwendung mehrerer zum Lichtleiter parallel verlaufender Leuchtstoffröhren läßt sich die am Austrittsende des Lichtleiters verfügbare Strahlungsmenge erhöhen. In gleicher Richtung zielen die weiteren Maßnahmen nach den Ansprüchen 6 und 7. Die Gestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 resultiert in einem Bestrahlungsgerät besonders kurzer Baulänge. Die Maßnahmen der Ansprüche 9 und 10 dienen dazu, das Fluoreszenzlicht in Axialrichtung des Lichtleiters zu führen und an einem axialen Austrittsende konzentriert abzugeben. Die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 13 ist insofern günstig, als der Lichtleiter selbst vollständig transparent sein und daher die Fluoreszenzstrahlung zur Austrittsfläche mit möglichst geringen Verlusten transportieren kann. Bei der Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 14 werden Verluste der Fluoreszenzstrahlung durch Reabsorption vermieden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Bestrahlungsgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels eines Bestrahlungsgerätes, und

Fig. 5 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Gemäß Fig. 1 ist eine Leuchtstoffröhre 10 parallel zu einem Lichtleiter in Form eines dünnwandigen Rohrs 11 angeordnet, der aus strahlungsdurchlässigem Material, etwa Glas oder Kunststoff, insbesondere Polymethylmethacrylat, mit einem Brechungsindex gegen die Luft größer als 1 besteht. Dieses Material ist mit einem fluoreszierenden Farbstoff dotiert, von dem eine Partikel in den schematischen Darstellungen nach Fig. 1A und 1B bei 25 angedeutet ist. Wird diese Farbstoffpartikel von Strahlung aus der Leuchtstoffröhre 10 getroffen, so wird sie zur Fluoreszenz angeregt. Von der von diesem Fluoreszenzzentrum ausgehenden isotropen Strahlung sind in der Längsschnittdarstellung der Fig. 1A drei Strahlen veranschaulicht, nämlich ein Strahl 26, der nach rechts derart schräg auf die äußere Grenzfläche des Rohrs 11 trifft, daß er dort total-reflektiert wird und sich auf einer in Fig. 1A sowie in der Querschnittsdarstellung nach Fig. 1B schematisch gezeigten kreisförmigen Zickzack- Bahn zum rechten Ende des Rohrs 11 bewegt, Ein zweiter Strahl 27 trifft in Rückwärtsrichtung auf die äußere Grenzfläche des Rohrs und bewegt sich auf einer ähnlichen kreisförmigen Zickzack-Bahn zum linken Ende des Rohrs 11. Zwei weitere, in Fig. 1A nicht eigens veranschaulichte Strahlen werden ebenfalls einer kreisförmigen Zickzack-Bahn gemäß der Darstellung nach Fig. 1B folgen, ohne jedoch in Axialrichtung des Rohrs fortzuschreiten. Dargestellt ist ferner ein dritter Strahl 28, der die innere Grenzfläche des Rohrs 11 derart steil trifft, daß er nicht reflektiert wird, sondern das Rohr 11 als Verluststrahlung verläßt. Der in dem Rohr 11 verbleibende total-reflektierte Anteil T der gesamten Fluoreszenzstrahlung beträgt etwa wobei n der Brechungsindex des Rohrmaterials ist. Bei einem Brechungsindex von n ≃ 1,49 für Polymethylmethacrylat ergibt sich ein Wert von T ≃ 0,75, d. h. ein Verlust von etwa 25%.

Die Verwendung von Kunststoff für das Material des Rohrs 11 hat die Wirkung, daß kurzwellige Strahlungsteile der Leuchtstoffröhre 10, etwa unter 400 nm, in Kunststoffen mit in diesem Wellenlängenbereich verminderter Transmission nur kurze Wege bis zur Absorption durch eine Fluoreszenzstoff- Partikel zurückzulegen haben, während das längerwellige Fluorezenzlicht fast verlustfrei lange Wege im Kunststoff durchlaufen kann.

Das Rohr 11 ist in der Lage, die von der Leuchtstoffröhre 10 emittierte Strahlung zu absorbieren und Strahlung eines begrenzten Spektrums als Fluoreszenzstrahlung abzugeben, wobei der überwiegende Anteil dieser Fluoreszenzstrahlung im wesentlichen senkrecht zu der radialen Emissionsrichtung der Leuchtstoffröhre 10 und zwar in Axial- und in Umfangsrichtung zu dieser geführt wird und an den Stirnflächen des Rohrs 11 mit hoher Dichte zur Verfügung steht.

Dieser Vorgang trifft für alle Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung im ultravioletten, visuellen und infraroten Spektralbereich zu, wobei die Umwandlung stets von einer niedrigeren Wellenlänge auf die gleiche oder eine höhere Wellenlänge erfolgt. Vorteilhafterweise ist der fluoreszierende Farbstoff so gewählt, daß sein Absoroptionsspektrum und sein Emissionsspektrum einander um weniger als 25% überlappen, um Verluste durch Reabsorption zu vermeiden.

Fluoreszierende Farbstoffe, die sich für den beschriebenen Zweck eignen, sind aus den deutschen Offenlegungschriften Nr. 30 01 857 und Nr. 32 35 526 bekannt.

Während bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 angenommen ist, daß die fluoreszierenden Farbstoffe in das Material des Rohrs 11 eingebettet sind, läßt sich der gleiche Effekt der Umwandlung und Umlenkung der von der Leuchtstoffröhre 10 emittierten Strahlung gemäß Fig. 2 dadurch erreichen, daß auf der inneren und/oder der äußeren Wand des Rohrs 11 ein dünner Film 29 aus mit fluoreszierendem Farbstoff dotiertem strahlungsdurchlässigen Material aufgebracht wird, wobei das Rohr 11 in diesem Fall aus undotiertem strahlungsdurchlässigen Material besteht.

In dem in Fig. 3 im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Rohr 11 von drei Leuchtstoffröhren 20, 21 und 22 umgeben, die parallel zum Rohr 11 verlaufen und gleichwinklig um dieses verteilt sind. Anstelle der gezeigten drei Leuchtstoffröhren kann je nach der am Austrittsende des Rohrs benötigten Strahlungsmenge eine kleinere oder größere Anzahl von Leuchtstoffröhren vorgesehen sein. Ferner kann, wie ebenfalls in Fig. 3 angedeutet, eine weitere Leuchtstoffröhre 23 innerhalb des Rohrs 11 koaxial zu diesem verlaufen. Die gesamte Anordnung ist von einem zylindrischen Reflektor 24 umgeben.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 sind anstelle von geraden Leuchtstoffröhren, die an beiden Enden jeweils Anschlüsse aufweisen, zwei U-förmige Leuchtstoffröhren 35, 36 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Rohrs 11 angeordnet. Wiederum ist es möglich, je nach Bedarf statt der gezeigten zwei nur eine oder eine größere Anzahl von U-förmigen Leuchtstoffröhren vorzusehen. Bei Verwendung derartiger U-förmiger Leuchtstoffröhren verkürzt sich die Baulänge des gesamten Gerätes.

In Fig. 4 ist ferner dargestellt, daß an dem dort rechts gezeigten Lichtaustrittsende ein verjüngend zusammengeführtes Übergangsteil 13 vorgesehen ist, das die ringförmige Querschnittsfläche des Rohrs 11 auf eine geschlossene, beispielsweise kreisförmige, Querschnittsfläche vereinigt. Das Übergangsteil 13 besteht dabei vorzugsweise aus undotiertem Material, um Reabsorption der in der Hülse erzeugten Fluoreszenzstrahlung mindestens in diesem Teil zu vermeiden. Das Übergangsteil 13 kann an das Rohr 11 einstückig angeformt sein oder auch aus anderem, strahlungsdurchlässigen Material bestehen und an das Rohr angesetzt sein. Im zweiten Fall ist die Übergangsfläche zwischen dem Rohr 11 und dem Übergangsteil 13 zur Verbesserung der Lichteinkopplung in das übergangsteil vorzugsweise mit einer bezüglich des Rohrs konvexen Krümmung versehen.

An dem in Fig. 4 linken, von der Strahlaustrittsseite abgewandten Ende ist das Rohr 11 ferner mit einem Reflektor 12 versehen, bei dem es sich um eine auf das Rohrende aufgedampfte Silber- oder Aluminiumschicht handeln kann. Dadurch wird die nach links gerichtete Fluorezenzstrahlung reflektiert und die am Austrittsende zur Verfügung stehende Strahlung verstärkt.

Obwohl in Fig. 4 nicht eigens gezeigt, ist auch dieses Ausführungsbeispiel von einem das Rohr 11 mitsamt den Leuchtstoffröhren 35 und 36 umgebenden Reflektor ähnlich wie in Fig. 3 umgeben.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der als massiver Stab 11′ angenommene Lichtleiter von einer wendelförmigen Leuchtstoffröhre 41 umgeben, der seinerseits von einem kreiszylindrischen Reflektor 24 umgeben ist.

Bei der Erläuterung der Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis 4 ist angenommen worden, daß der Lichtleiter als dünnwandiges Rohr 11 ausgebildet ist; in allen diesen Ausführungsformen kann der Lichtleiter auch ähnlich wie in Fig. 5 als massiver Stab gestaltet sein. Ebenso ist es möglich, in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 den Lichtleiter als dünnwandiges Rohr zu gestalten.

In der vorstehenden Beschreibung sind die Strahlungsröhren als Leuchtstoffröhren angenommen worden, die gewöhnlich im sichtbaren Bereich emittieren. Stattdessen können auch andere Strahlungsröhren, die z. B. im UV-Bereich emittieren, oder auch röhrenförmige Lampen etwa mit axial verlaufendem Glühfaden eingesetzt werden.

Claims (14)

1. Bestrahlungsgerät mit einem Lichtleiter (11) und einer diesen mindestens teilweise umgebenden Strahlungsröhrenanordnung (10; 20, 21, 22; 35, 36; 41), dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (11) aus strahlungsdurchlässigem Material mit einem Brechungsindex gegen seine Umgebung größer als 1 besteht und mit Fluoreszenzstoff versehen ist, dessen Absorptionsspektrum das Emissionsspektrum der Strahlungsröhrenanordnung (10; 20, 21, 22, 35, 36; 41) mindestens teilweise überlappt.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (11) als Stab oder Rohr ausgebildet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsröhrenanordnung mindestens eine Strahlung in den Lichtleiter (11) einkoppelnde Leuchtstoffröhre (10; 20, 21, 22; 35, 36; 41) umfaßt.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffröhre(n) (10; 20, 21, 22; 35, 36) parallel zu dem Lichtleiter (11) verläuft (verlaufen).

5. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtstoffröhre(n) (41) den Lichtleiter (11) wendelförmig umgibt (umgeben).

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen die Strahlungsröhrenanordnung (10; 20, 21, 22; 35, 36; 41) und den Lichtleiter (11) mindestens teilweise umgebenden Reflektor (24).

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine weitere, innerhalb des Lichtleiter- Rohrs (11) angeordnete Strahlungsröhre (23).

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede Strahlungsröhre (35, 36) U-förmig gebogen ist.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (11) an seinem einen Ende mit einem die Strahlaustrittsfläche zusammenführenden Übergangsteil (13) versehen ist.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (11) an seinem anderen Ende mit einem Reflektor (12) versehen ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (11) aus Glas oder Kunststoff, vorzugsweise Polymethylmethacrylat besteht.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzstoff im Material des Lichtleiters (11) enthalten ist.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluoreszenzstoff in einem auf der äußeren und/oder inneren Oberfläche des Lichtleiters (11) angeordneten Film (29) enthalten ist.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spektralbereich, in dem der Fluoreszenzstoff emittiert, den Spektralbereich, in dem er absorbiert, um weniger als 25% überlappt.