DE4222130A1

DE4222130A1 - Hochleistungsstrahler

Info

Publication number: DE4222130A1
Application number: DE4222130A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Excelitas Noblelight GmbH
Priority date: 1992-07-06
Filing date: 1992-07-06
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2012-07-07
Also published as: JP2771428B2; CA2099073C; CA2099073A1; DE4222130C2; US5432398A; EP0578953B1; JPH06209131A; EP0578953A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüll ten Entladungsraum, dessen Wandungen durch ein äußeres und ein inneres Dielektrikum gebildet sind, wobei die Außenflä chen des äußeren Dielektrikums mit ersten Elektroden verse hen sind, mit zweiten Elektroden an der dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche des zweiten Dielektrikums, und mit ei ner an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der EP-A 054 111, der US-Patentanmeldung 07/485544 vom 27.02.1990 oder auch der EP-Patentanmeldung 90103082.5 vom 17.02.1990 ergibt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der der Verfügbarkeit geeigneter UV-Quellen ab. Die klassischen UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere UV-In tensitäten bei einigen diskreten Wellenlängen, wie z. B. die Quecksilber-Niederdrucklampen bei 185 nm und insbesondere bei 254 nm. Wirklich hohe UV-Leistungen erhält man nur aus Hoch drucklampen (Xe, Hg), die dann aber ihre Strahlung über einen größeren Wellenlängenbereich verteilen. Die neuen Excimer- Laser haben einige neue Wellenlängen für photochemische Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind z.Zt. aus Kosten gründen für einen industriellen Prozeß wohl nur in Ausnahme fällen geeignet.

In der eingangs genannten EP-Patentanmeldung oder auch in dem Konferenzdruck "Neue UV- und VUV Excimerstrahler" von U. Ko gelschatz und B. Eliasson, verteilt an der 10. Vortragstagung der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Fachgruppe Photochemie, in Würzburg (BRD) 18.-20. November 1987, wird ein neuer Exci merstrahler beschrieben. Dieser neue Strahlertyp basiert auf der Grundlage, daß man Excimerstrahlung auch in stillen elektrischen Entladungen erzeugen kann, einem Entladungstyp, der in der Ozonerzeugung großtechnisch eingesetzt wird. In den nur kurzzeitig (< 1 Mikrosekunde) vorhandenen Stromfila menten dieser Entladung werden durch Elektronenstoß Edelga satome angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiterreagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung ab.

Auf dem Prinzip der stillen elektrischen Entladungen basie rende Excimer-UV-Strahler erfordern beim ersten Zünden bzw. nach längeren Pausen eine wesentlich höhere Spannung als die für den Normalbetrieb erforderliche Spannung. Das hängt damit zusammen, daß sich während des Betriebs Oberflächenladungen auf den Dielektrika bilden, die jeweils für eine erleichterte Zünden in der nachfolgenden Spannungshalbwelle sorgen. Beim ersten Zünden und nach längeren Pausen fehlen diese Oberflä chenladungen.

Ganz allgemein kann gesagt werden, daß für das Zünden einer Gasentladung zwei Kriterien erfüllt sein müssen. Einerseits müssen Anfangselektronen vorhanden sein, und andererseits muß die elektrische Feldstärke einen kritischen Wert über schreiten (Zündkriterium), damit es zu einer ausreichenden Multiplikation der Anfangselektronen und damit zur Bildung von Elektronenlawinen unter dem Einfluß des angelegten elek trischen Feldes kommen kann.

Aus der Lampentechnologie bekannte Methoden sind die Benut zung eines radioaktiven Präparates (z. B. Thorium) oder Gases (Krypton 85), um die Startelektronen zur Verfügung zu stel len, und eines Überspannungsimpulses, um die Startfeldstärke zu erhöhen. Insbesondere letztere Maßnahme erfordert einen zusätzlichen Aufwand bei der Auslegung der elektrischen Speisgeräte und des Isolationsniveaus von Kabel, Steckern, Halterungen etc.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf gabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für UV- oder VUV-Strahlung, zu schaffen, der ohne aufwendige Maßnahmen zuverlässig zündet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Hochleistungsstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß vorgesehen, daß im Entladungsraum Mittel zur lokalen Feldverzerrung vor gesehen sind.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, durch eine lokale Feldverzerrung bzw. Feldüberhöhung an einer Stelle eine Initialzündung zu erzwingen. Durch die dabei entstehende UV-Strahlung und die Ladungsträger dieser lokalen Entladung wird dann die zuverlässige Zündung des gesamten Entladungs volumens erzwungen.

Die lokale Feldverzerrung kann man z. B. durch eine Verengung des Entladungsspaltes, z. B. eine gegen das Spaltvolumen ge richtete Delle oder Buckel, oder bevorzugt durch einen Stör körper aus dielektrischen Material im Entladungsspalt her beiführen. Auf einfache Weise läßt sich diese letztgenannte Variante durch eine Quarzkugel oder durch eine Kugel aus Aluminium- oder Titanoxid im Entladungsspalt realisieren.

Mit der Erfindung wird es erstmals möglich, Excimer-UV-Strah ler zu schaffen, die sicher zünden. Die dabei zu ergreifenden Maßnahmen sind einfach und wirtschaftlich. Sie lassen sich bei Verwendung eines Störkörpers, der als bevorzugtes Mittel zur Feldverzerrung angesehen wird, auch nachträglich in be stehende Einheiten durchführen.

Ausführungsformen der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläu tert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt; darin zeigt

Fig. 1 einen UV-Zylinderstrahlers mit konzentrischer Anordnung von innerem und äußerem Dielektri kumsrohr im Längsschnitt;

Fig. 2 einen Schnitt durch den UV-Strahler nach Fig. 1 längs deren Linie AA.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Gemäß Fig. 1 und 2. ist in einem äußeren Quarzrohr 1 mit ei ner Wandstärke von etwa 0,5 bis 1,5 mm und einem Außendurch messer von etwa 20 bis 30 mm ist ein inneres Quarzrohr 2 ko axial angeordnet. An der Innenfläche des inneren Quarzrohrs 2 liegt eine wendelförmige Innenelektrode 3 an.

Eine Außenelektrode 4 in Form eines Drahtnetzes oder einer aufgebrachten Elektrodenstruktur erstreckt sich über den gesamten Außenumfangs des äußeres Quarzrohrs 1.

In das innere Quarzrohr 3 ist ein Draht 4 eingeschoben. Die ser bildet die Innenelektrode des Strahlers, das Drahtnetz 2 die Außenelektrode des Strahlers. Die Quarzrohre 1 und 2 sind an beiden Enden durch je einen Deckel 5 bzw. 6 ver schlossen oder zugeschmolzen. Der Raum zwischen den beiden Rohren 1 und 2, der Entladungsraum 7, ist mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Gas/Gasgemisch gefüllt. Das Innere 8 des inneren Quarzrohres 2 ist mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise demineralisiertem Wasser (ε=81), gefüllt. Diese Flüssigkeit dient gleichzeitig zur Kühlung des Strahlers. Die Kühlflüs sigkeit wird über die Anschlüsse 9 und 10 zu- bzw. abgeführt. Die Kühlflüssigkeit dient auch zur elektrischen Ankopplung der Innenelektrode 3 an das innere Quarzrohr 2, so daß es nicht nötig ist, daß die wendelförmige Elektrode 3 überall an der Innenwandung anliegt.

Die beiden Elektroden 3, 4 sind mit den beiden Polen einer Wechselstromquelle 11 verbunden. Die Wechselstromquelle lie fert eine einstellbare Wechselspannung in der Größenordnung von mehreren 100 Volt bis 20 000 Volt bei Frequenzen im Be reich des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen 1000 kHz - abhängig von der Elektrodengeometrie, Druck im Entla dungsraum 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, vorzugs weise 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.

Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3 und 4 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilentladungen) im Entladungsraum 7 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlußendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.

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

Soweit sind Excimer-UV-Strahler bekannt.

Um nun das eingangs beschriebene Zündproblem zu lösen, sind erfindungsgemäß eine Reihe von Möglichkeiten vorgesehen, die allesamt auf der Idee beruhen, an einer Stelle im Entladungs raum 7 lokal eine Feldverzerrung bzw. Feldüberhöhung zu er zwingen. Durch die dabei entstehende UV-Strahlung und die La dungsträger dieser lokalen Entladung wird dann die zuverläs sige Zündung des gesamten Entladungsvolumens erzwungen.

Eine erste Variante ist in Fig. 1 rechte obere Hälfte (Fig. 2 strichliert) dargestellt. Das äußere Dielektrikumsrohr 1 ist mit einer nach innen weisenden Delle oder Buckel 12 versehen. Diese reicht etwa bis zur halben Spaltweite an das innere Di elektrikumsrohr 2 heran.

Eine zweite Variante zeigt Fig. 1, rechte untere Hälfte, (Fig. 2 gleichfalls strichliert). Dort ist das innere Dielek trikumsrohr 2 mit eine Delle oder Buckel 12a versehen, der etwa bis zur halben Spaltweite an das äußere Dielektrikums rohr 1 heranreicht.

Während diese beiden Varianten der Feldverzerrung von vornher ein vorgesehen werden müßten kann die in Fig. 1, linke Hälfte, und Fig. 2 dargestellte Ausführungsform auch nachträg lich bei ausgeführten Strahlern verwendet werden.

In den Entladungsraum 7 ist eine Kugel 13 aus dielektrischem Material, z. B. Quarz, vorzugsweise aus Aluminium- oder Ti tanoxid, eingelegt, mit einem Kugelaußendurchmesser gleich oder wenig kleiner als die Spaltweite des Entladungsraums 7. Diese Kugel kann - muß aber nicht - an einer oder an beiden Dielektrikumswänden befestigt sein. Dabei kommt es nicht auf die exakte Kugelgeometrie an. Auch können insbesondere bei langgestreckten Strahlern zwei oder mehrere dieser Kugeln vorgesehen werden. Auch ist die Kombination von Kugel(n) und Dellen oder Buckeln möglich.

Eine weitere, durchaus auch bei Strahlern nachträglich zu er greifende Maßnahme besteht darin, an die Innenfläche des äußeren Dielektrikumsrohres 1 oder an die Außenfläche des inneren Dielektrikumsrohres 2 Quarztropfen 12b bzw. 12c anzuschmelzen, um die gewünschte Feldverzerrung zu erreichen.

Bezeichnungsliste

1 äußeres Quarzrohr
2 inneres Quarzrohr
3 wendelförmige Innenelektrode
3′ zentrale Innenelektrode
4 Außenelektrode
5, 6 Deckel
7 Entladungsraum
8 Innenraum von 2
9 Kühlflüssigkeitsabfluß
10 Kühlflüssigkeitsabfluß
11 Wechselstromquelle
12 Delle oder Buckel an 1
12a Delle oder Buckel an 2
12b Quarztropfen an 1
12c Quarztropfen an 2
13 Kugel aus Aluminium- oder Titanoxid

Claims

1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strah lung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum (7), dessen Wandungen durch ein äußeres (1) und ein inneres Dielektrikum (2) gebildet sind, wobei die Außenflächen des äußeren Dielektrikums mit ersten Elektroden (4) versehen sind, mit zweiten Elektroden (3; 3′) an der dem Entladungsraum (7) abgewandten Oberfläche des zweiten Dielektrikums (2), und mit einer an die ersten (4) und zweiten Elektroden (3; 3′) angeschlossenen Wechselstrom quelle (11) zur Speisung der Entladung, dadurch gekenn zeichnet daß im Entladungsraum (7) Mittel (12; 12a. . .; 13) zur lokalen Feldverzerrung vorgesehen sind.

2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Mittel durch lokale Verengung des Entladungsraums (7) gebildet sind.

3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verengung eine Delle oder Buckel (12, 12a) auf der dem Entladungsraum zugewandten Wandung der Dielektrikumsrohre (1, 2) ist, die einstückig mit dem inneren und/oder äußerem Dielektrikum (1, 2) ausgeführt ist.

4. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Verengung durch Anbringen von Zu satzmaterials (12b, 12c) aus Dielektrikumsmaterial auf der dem Entladungsraum zugewandten Wandung der Dielek trikumsrohre (1, 2) ausgeführt ist.

5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß im Entladungsraum (7) ein oder mehrere Störkörper aus dielektrischem Material vorgesehen sind, welche das eine oder das andere oder beide Dielektrika (1, 2) berühren.

6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der oder die Störkörper aus Quarz, Alum inium- oder Titanoxid bestehen.