DE4208376A1

DE4208376A1 - Hochleistungsstrahler

Info

Publication number: DE4208376A1
Application number: DE19924208376
Authority: DE
Inventors: Klaus-Juergen Dr Balg; Bernd Dr Joedicke; Markus Hubig
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 1992-03-16
Filing date: 1992-03-16
Publication date: 1993-09-23

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem Entladungs raum, der mit einem Füllgas gefüllt ist, das unter Entladungs bedingungen Strahlung aussendet, wobei die Wand des Entla dungsraums zumindest teilweise durch ein erstes Dielektrikum gebildet ist, welches auf seiner dem Entladungsraum abgewand ten Oberfläche mit metallischen gitter- oder netzförmigen Außenelektroden versehen ist, und mit einer zweiten Elektrode, die entweder selbst an den Entladungsraum angrenzt oder ein zweites Dielektrikum aufweist, das an den Entladungsraum an grenzt, und mit einer an die ersten und zweiten Elektroden an geschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 02 54 111 ergibt.

Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der der Verfügbarkeit geeigneter UV-Quellen ab. Klassische UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere UV-Intensitäten bei einigen diskreten Wellenlängen. Wirklich hohe UV-Leistungen erhält man nur aus Hochdrucklampen (Xe, Hg), die dann aber ihre Strahlung über einen größeren Wellenlängenbereich ver teilen. Neue Excimer-Laser haben einige neue Wellenlängen für photochemische Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind aber z.Zt. aus Kostengründen für industrielle Prozesse nur in Aus nahmefällen geeignet.

In der eingangs genannten EP-Patentanmeldung oder auch in der Firmenschrift der Anmelderin "Neue UV-Strahler für industri elle Anwendungen", Druckschrift CH-E 3.30833.0 D, einem Son derdruck aus der Firmenzeitschrift "ABB TECHNIK" 3/91, S. 21-28, wird ein neuer Excimerstrahlertyp beschrieben. Dieser neue Strahler basiert auf der Grundlage, daß man Excimerstrahlung auch in stillen elektrischen Entladungen erzeugen kann, einem Entladungstyp, der in der Ozonerzeugung großtechnisch einge setzt wird. In den nur kurzzeitig (< 1 Mikrosekunde) vorhan denen Stromfilamenten dieser Entladung werden durch Elektronenstoß Edelgasatome angeregt, die zu angeregten Molekülkom plexen (Excimeren) weiterreagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungs energie in Form von UV-Strahlung ab.

Der Gasentladungsraum derartiger Strahler ist regelmäßig durch Quarzglaswände begrenzt. Aufgrund der Entladungen sind diese Wände Mikroentladungen und damit einem ständigen Bombar dement durch Elektronen und Ionen ausgesetzt. So besteht die Gefahr, daß besonders bei Fehlstellenplätzen oder nicht mehr fach gebundenen Zuständen Bindungsbrüche ("Erosion") einset zen. Diese Bindungsbrüche können beispielsweise bei XeCl- Strahlern zur Bildung von Chlor-Si oder anderen Chlorverbin dungen an der Quarzoberfläche führen. Darüber hinaus können sich auch flüchtige Fragmente bilden, die ihrerseits mit dem Chlor oder anderen Komponenten des Einsatzgases zu stabilen oder metastabilen Chlorverbindungen reagieren. In beiden Fäl len ist die Folge eine Verminderung der Chlorkonzentration im Entladungsraum und damit eine Abweichung von der optimalen Zu sammensetzung des Einsatzgases. Die UV-Intensität läßt nach, die Lebensdauer ist damit begrenzt.

Bei anderen Strahlertypen, die Halogene enthalten, gelten ähn liche Reaktionen. So wird Quarz unter den genannten Bedingun gen von fluorhaltigen Gasen relativ rasch angegriffen.

Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, die an den Entladungsraum angrenzenden Wände des er sten und zweiten Dielektrikums zuverlässig gegen Korrosion und Erosion zu schützen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das bzw. die Dielektrika auf der dem Entladungsraum zugewandten Oberfläche(n) mit einer UV-transparenten Schutzschicht verse hen ist bzw. sind.

Vorzugsweise kommen dabei Fluoride, vorzugsweise LiF, MgF₂, CaF₂, BaF₂, Chloride, vorzugsweise BeCl₂, MgCl₂, Alkali-Chlo ride, vorzugsweise LiCl, NaCl, hochreines SiO_x, Metall-Oxi- Chloride und Metalloxide, z. B. Al₂O₃, Si₃N₄ oder auch PTFE als Schutzschichtmaterialien in Frage.

Das Aufbringen der Schutzschicht erfolgt dabei vorteilhaft durch CVD- oder Plasma-CVD-Methoden (CVD=Chemical Vapor Depo sition).

Durch das Aufbringen einer derartigen Schutzschicht werden Korrosion und Erosion an den Dielektrikumswänden verhindert. Darüber hinaus verliert die Qualität der ursprünglichen Quarzoberfläche an Bedeutung. Somit stehen auch preiswerte Quarz- oder UV-transparente Glassorten, eventuell sogar UV- transparente Kunststoffe als Dielektriumsmaterial für Excimer strahler zur Verfügung.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung und die damit erziel baren weiteren Vorteile werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Hochleistungs- Excimerstrahler in stark vereinfachter Form dargestellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der in der Figur schematisch und ausschnittsweise dargestellte UV-Hochleistungsstrahler besteht aus einem äußeren Dielektri kumsrohr 1, z. B. aus Quarzglas, einem dazu konzentrisch ange ordneten inneren Dielektrikumsrohr 2, dessen Innenwand mit einer Innenelektrode 3 versehen ist. Der Ringraum zwischen den beiden Rohren 1 und 2 bildet den Entladungsraum 4 des Strah lers. Das innere Rohr 2 ist gasdicht in das äußere Rohr 1 eingesetzt, das vorgängig mit einem Gas oder Gasgemisch ge füllt wurde, das unter Einfluß stiller elektrischer Entladun gen UV oder VUV-Strahlung aussendet.

Als äußere Elektrode 5 dient ein Metallnetz oder Metallgit ter, das sich über den gesamten Umfang des äußeren Rohres 1 erstreckt. Sowohl die äußere Elektrode 5 als auch das äußere Dielektrikumsrohr 1 sind für die erzeugte UV-Strahlung durch lässig.

Die Elektroden 3 und 5 sind an die beiden Pole einer Wechsel stromquelle 6 geführt. Die Wechselstromquelle entspricht grundsätzlich jenen, wie sie zur Anspeisung von Ozonerzeugern verwendet werden. Typisch liefert sie eine einstellbare Wech selspannung in der Größenordnung von mehreren 100 Volt bis 20 000 Volt bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechsel stroms bis hin zu einigen 1000 kHz - abhängig von der Elektro dengeometrie, Druck im Entladungsraum 4 und Zusammensetzung des Füllgases.

Das Füllgas ist, z. B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metall dampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise Ar, He, Ne, als Puffergas.

Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch gemäß nachfolgender Tabelle Verwendung finden:

Füllgas
Strahlung
Helium\|60-100 nm
Neon	80-90 nm
Argon	107-165 nm
Argon + Fluor	180-200 nm
Argon + Chlor	165-190 nm
Argon + Krypton + Chlor	165-190, 200-240 nm
Xenon	160-190 nm
Stickstoff	337-415 nm
Krypton	124, 140-160 nm
Krypton + Fluor	240-255 nm
Krypton + Chlor	200-240 nm
Quecksilber	185, 254, 320-370, 390-420 nm
Selen	196, 204, 206 nm
Deuterium	150-250 nm
Xenon + Fluor	340-360 nm, 400-550 nm
Xenon + Chlor	300-320 nm

Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage:

- Ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit einem Gas bzw. Dampf aus F₂, J₂, Br₂, Cl₂ oder eine Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere Atome F, J, Br oder Cl abspaltet;
- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit O₂ oder ei ner Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere O- Atome abspaltet;
- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg.

In der sich bildenden stillen elektrischen Entladung (silent discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften Druck und/oder Tempe ratur im Entladungsraum optimal eingestellt werden.

Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3, 5 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilent ladungen) im Entladungsraum 4 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlußendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.

Beim Betrieb des Strahlers sind die dem Entladungsraum 4 zuge wandten Oberflächen der Dielektrikumsrohre 1 und 2 der Einwir kung der Mikroentladungen ausgesetzt. Dadurch kommt es sowohl zum Elektronen- und Ionenbeschuß als auch zu chemischen Ein wirkungen eventuell angeregter atomarer und molekularer Spe zies.

Um nun diese Oberflächen gegen Angriffe zu schützen, sind die dem Entladungsraum zugewandten Oberflächen der Dielektrikums rohre 1 und 2 je mit einer Schutzschicht 7 versehen mit einer Dicke von typisch 1 µm. Diese besteht vorzugsweise aus MgF₂, einer Substanz, die im hier interessierenden Wellenlängenbe reich (172 nm bis 308 nm) sehr gut UV-transparent ist.

Neben MgF₂ kommen verschiedene andere Schutzschichtmaterialien wie Fluoride, z. B. LiF, CaF₂, BaF₂, Chloride, z. B. BeCl₂, MgCl₂, Alkali-Chloride, z. B. LiCl, NaCl, hochreines SiO_x, Me tall-Oxy-Chloride und Metalloxide, z. B. Al₂O₃, Si₃N₄ oder auch PTFE mit Schichtdicken zwischen 0,1 µm und 100 µm in Frage.

Das Aufbringen der Schutzschicht erfolgt dabei vorteilhaft durch CVD- oder Plasma-CVD-Methoden (CVD=Chemical Vapor Depo sition), einem Verfahren, wie es beispielsweise in der US-Pa tentschrift 44 36 762 zur Erzeugung von Schutzschichten in Glasgefäßen von Beleuchtungskörpers etc. beschrieben ist.

Neben Zylinderstrahlern läßt sich die Erfindung auch bei den Dielektrika von Flächenstrahlern mit Erfolg anwenden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispie len erläutert, die sich auf sogenannte Außenstrahler bezie hen. Die dabei vorgestellten Maßnahmen zum Schutz der Elek troden gelten selbstverständlich auch für einen sogenannten Innenstrahler. Abgesehen von der Lage der transparenten Elek troden 5 entspricht ein solcher Innenstrahler dem in Fig. 1 dargestellten Außenstrahler.

Des weiteren sind auch Strahlerkonfigurationen möglich, bei welchen die UV-Strahlung sowohl nach außen als auch nach in nen abgestrahlt wird.

Außen- und Innenstrahler werden regelmäßig mit einem flüssi gen Kühlmittel gekühlt. Dieses wird bei Außenstrahlern durch das innere Dielektrikumsrohr 2 geleitet, bei Innenstrahlern umspült das Kühlmittel das äußere Dielektrikumsrohr 1. Auch hier können Schutzschichten der beschriebenen Art, den Erosi onsangriff durch das Kühlmittel verhindern oder zumindest vermindern.

Bezeichnungsliste

1 äußeres Dielektrikumsrohr
2 inneres Dielektrikumsrohr
3 Innenelektrode
4 Entladungsraum
5 Außenelektrode
6 Wechselstromquelle
7 Schutzschichten

Claims

1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem Entladungsraum (4), der mit einem Füll gas gefüllt ist, das unter Entladungsbedingungen Strah lung aussendet, wobei die Wand des Entladungsraums (4) zumindest teilweise durch ein erstes Dielektrikum (1) ge bildet ist, welches auf seiner dem Entladungsraum (4) ab gewandten Oberfläche mit metallischen gitter- oder netz förmigen Außenelektroden (5) versehen ist, und mit einer zweiten Elektrode (3), die entweder selbst an den Entla dungsraum (4) angrenzt oder ein zweites Dielektrikum (2) aufweist, das an den Entladungsraum (4) angrenzt, und mit einer an die ersten (5) und zweiten Elektroden (3) ange schlossenen Wechselstromquelle (6) zur Speisung der Ent ladung, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Dielektrika auf der dem Entladungsraum zugewandten Oberflä che(n) mit einer UV-transparenten Schutzschicht (7) ver sehen ist bzw. sind.

2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht (7) im wesentlichen aus Fluoriden, vorzugsweise LiF, MgF₂₁ CaF₂, BaF₂, Chloriden, vorzugsweise BeCl₂₁ MgCl₂, Alkali-Chloriden, vorzugsweise LiCl, NaCl, hochreinem SiO_x, Metall-Oxy-Chlorid, Metall oxid, vorzugsweise Al₂O₃, Si₃N₄, oder PTFE besteht, mit einer Schichtdicke zwischen 0,1 µm und 100 µm.

3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß das Schutzschichtmaterial durch CVD- oder Plasma-CVD-Methoden aufgebracht ist.