DE4303624A1

DE4303624A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Vakuum-UV-Licht

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Publication number: DE4303624A1
Application number: DE4303624A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1993-02-09
Publication date: 1994-08-11
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: DE4303624C2

Description

1. Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine leistungsstarke Lichtquelle zur Erzeugung von kurzwelligem UV-Licht der Wellenlänge < 200 nm zu schaffen.

Mit UV-Licht der Wellenlänge < 200 nm, sogenanntem Vakuum-UV, kön nen die meisten umweltrelevanten Schadstoffe, insbesondere chlor organische Verbindungen, photolytisch abgebaut werden. Ab etwa 6 eV Quantenenergie wird die Spaltung von Doppelbindungen und Bin dungen zwischen Chlor- und Kohlenstoffatomen energetisch möglich. Folgerichtig nehmen die Absorptionsquerschnitte der meisten Kohlen wasserstoffe, vor allen Dingen von Phenol, Biphenylen, Tri- und Perchlorethylen, Xylol und v.a.m. ab Wellenlängen von 200-210 nm um mehrere Zehnerpotenzen zu. Die Ursache ist Photolyse unter Lichtabsorption.

Für diese Klasse von Anwendungen sollte eine Lichtquelle geschaf fen werden, die mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad kurz welliges UV-Licht emittiert.

2. Stand der Technik

Zur Erzeugung von kurzwelligem UV-Licht für photochemische Zwecke sind die folgenden Maßnahmen bekannt:

1. Nutzung der 185 nm-Singulett-Resonanz einer Hg-Niederdruck- Entladung.
2. Nutzung einer breiten kontinuumsähnlichen Emission um 220 nm in speziellen Hg-Mitteldruck-Entladungen (Heraeus Mittel drucklampe der Baureihe QC).
3. Nutzung des kurzwelligen Anteils einer gepulsten Xe-Entladung.
4. Nutzung der Emission bei 194,2 nm von elektronisch angeregtem einfach ionisiertem Quecksilber.

Vor allen Dingen die Vakuum-UV-Erzeugung durch Entladungen des un ter Punkt 4. dargestellten Typs ist von besonderem Interesse für den photolytischen Abbau von in Wasser gelösten Substanzen. Denn UV-Licht dieser Wellenlänge ist schon energiereich genug, um die meisten relevanten chlororganischen Verbindungen zu spalten, führt aber noch nicht in nennenswertem Umfang zu Wasserspaltung.

Aus den amerikanischen Patentschriften 3 657 591 und 3 679 928 ist eine Quecksilber-Niederdruckentladung bekannt, bei der der über wiegende Teil der Lichtemission bei den Dublett-Resonanzlinien 194,2 nm und 165 nm des einfach ionisierten Quecksilbers erfolgt. Diese Form der Entladung liegt vor, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:

1. Extrem hohe Stromdichte.
2. Hg-Dichte im Bereich der klassischen Niederdruckentladung.
3. Hohe Elektronentemperatur zur Bereitstellung der erforder lichen Anregungsenergien.

Da in einer Niederdruckentladung die flüssige und die gasförmige Phase des Hg in Dampfdruckgleichgewicht stehen, sind die Bedin gungen 1 und 2 nicht ohne weiteres gleichzeitig technisch zu re alisieren. Denn eine hohe Stromdichte, also hohe Leistungsdichte, führt notwendigerweise zu einer entsprechenden Erwärmung des Ent ladungsgefäßes, damit zu einer Erhöhung des Hg-Dampfdruckes.

In den Patentschriften 365 7 591 und 3 679 928 wird eine Hochstrom- Gasentladung zur Erzeugung von Vakuum-UV der Wellenlänge 194,2 nm beschrieben, bei der die Einstellung des optimalen Hg-Dampfdrucks durch Kühlung der Wandung auf 25° bis 80°C erfolgt. In welcher Weise diese Wandkühlung technisch zu realisieren ist, wird nicht angegeben.

Eine technische Realisierung der Hg-Dampfdruckstabilisierung durch Kühlung wird in der PS DE 27 52 593 C2 angegeben. Danach ist in der Lampenwandung als Hg-Reservoir ein Kühlzapfen ausgebildet, der in wärmeleitendem Kontakt mit einem Kühlblock steht. Dadurch wird auch bei wesentlich höherer Temperatur des Entladungsgefäßes der Hg-dampfdruck kontrolliert und stabilisiert.

In der Praxis hat sich jedoch ergeben, daß vor allen Dingen beim Strahlerwechsel die Herstellung des wärmeleitenden Kontaktes auf wendig und die Ergebnisse nicht immer reproduzierbar ist.

3. Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine praxisgerechte, ohne externe Kühlaggregate funktionierende, UV-Lichtquelle zu schaffen, bei der durch entsprechend optimierte Wahl der Para meter eine maximale Leistung der UV-Emission bei 194 nm bei hohem Wirkungsgrad im Rahmen der physikalischen und technischen Randbedingungen und Forderungen erzielt wird.

Diese Forderungen sind im einzelnen:

1. Temperatur des Lampenrohres nicht über ca. 400°C.
Begründung: Die Absorptionskante von hochreinem Quarz verschiebt sich mit steigender Temperatur zum längerwelligen Bereich hin. Ab ca. 400 °C Wandtemperatur beginnt die Wandung un durchlässig für UV-Licht der Wellenlänge 194 nm zu werden.
2. Stromdichte in der Entladung möglichst hoch, jedoch nicht über ca. 30 A/cm².
Begründung: Der bei Verwendung von Kr als Edelgas nahe zu quadratische Anstieg der Emission bei 194 nm ab Stromdichten von 1 A/cm² kommt bei Stromdichten < ca. 30 A/cm² zur Sätti gung. Dies liegt vermutlich analog zum be kannten Verhalten der Singulett- und Tri plettresonanzen des Hg am Überhandnehmen von Verlusten durch Stöße der 2. Art.
3. Hg-Partialdruck nicht größer als ca. 12 Pa.
Begründung: Die Emission bei 194,2 nm einer Hg-Kr-Ent ladung hat ihr Maximum bei etwa 1 Pa Hg- Partialdruck und nimmt bei steigendem Hg- Partialdruck durch Selbstabsorption ab. Bei ca. 12 Pa beträgt die Intensität noch ca. 80% des Maximums.
4. Elektrodenbelastung, auch kurzzeitig, nicht über ca. 20 A.
Begründung: Es ist bekannt, daß die Elektrodenlebens dauer bei kurzzeitigem Hochstrombetrieb um gekehrt proportional der dritten Potenz der Stromstärke ist.
Um jedoch eine wirtschaftlich gebotene Lebens dauer der erfindungsgemäßen Gasentladungslampe von 3.000 bis zu 4.000 h Dauerbetrieb zu er reichen, ist die Stromstärke entsprechend zu begrenzen. Betriebserfahrungen müssen künftig die Anforderungen präzisieren bzw. validieren.

Um eine Gasentladungslampe mit größtmöglicher Emission bei 194 nm zu schaffen, muß der durch die oben genannten Restriktionen gege bene Bereich bezüglich aller 4 Parameter weitgehend ausgeschöpft werden.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 wird dies erstmalig in einer praxistauglichen Form realisiert; und zwar durch folgende Maßnahmen:

1. Verwendung von Krypton als Hauptbestandteil der Edelgasfüllung. Aus der Literatur ist bekannt, daß die Intensität der Linie bei 194,2 nm bei einer Hg-Kr-Entladung nahezu proportional dem Quadrat der Stromdichte ist.
2. Betrieb der Gasentladung in gepulster Form.
Da die Emission bei 194,2 nm überproportional mit der Strom dichte wächst, ist es vorteilhaft, die durch die thermischen Randbedingungen vorgegebene Leistung in Pulsform der Entla dung aufzuprägen. Denn die aus der optimalen Durchlässigkeit des Quarzrohres abgeleitete Maximaltemperatur führt zur For derung einer mittleren thermischen Belastung des Lampenrohres von nicht mehr als ca. 10 W/cm Entladungsstrecke. In gepulster Form kann der bezüglich der Elektrodenbelastung zulässige Maximalstrom kurzzeitig fließen, ohne eine unzulässige Erwär mung des Gasentladungsgefäßes zu verursachen.
3. Einschnürung des Entladungsrohres.
Zur Vermeidung übermäßiger Elektrodenbelastung, sollte die Spitzenstromstärke im Pulsbetrieb auf Werte kleiner ca. 20 A beschränkt werden. Zur weiteren Steigerung der Stromdichte ist der Querschnitt der Entladungsstrecke klein zu halten. Dadurch wird die Stromdichte und durch Wandverluste die Elek tronentemperatur erhöht. Das strahlende Volumen und die Ober fläche des Quarzrohres, durch die Wärmeabfuhr erfolgen muß, wird allerdings verkleinert.
Ausgehend von der Beschränkung des kurzfristig fließenden Stroms ergibt sich, daß der Querschnitt der Säule nicht mehr als ca. 2,0 cm² betragen sollte. Unabhängig davon haben sich ge pulste Entladungsformen mit Pulsstärke von ca. 10 A und einem Querschnitt der Entladungsstrecke von ca. 0,5 cm² hinsicht lich Elektrodenbelastung und Emissionsverhalten als günstig erwiesen.
4. Befestigung eines Amalgams, vorzugsweise In-Amalgam, in ei nem kalten Bereich des Entladungsgefäßes, der nicht von der Gasentladung erfüllt wird, also z. B. in Nähe der Quetschung hinter der Elektrode.
Die Zusammensetzung und Temperatur dieses Amalgams müssen auf einander abgestimmt sein:
Bei einer Zusammensetzung In : Hg von 95 : 5 beispielsweise stellt sich ein gemäß dem Phasendiagramm von In-Hg-Amalgam (siehe Fig. 1) ein Hg-Dampfdruck von ca. 9 Pa bei einer Amalgamtemperatur von 180°C ein. Messungen an Prototypen von Gasentladungslampen mit In-Amalgam in Elektrodennähe gemäß Fig. 1 haben ergeben, daß mit dieser Amalgamzusammensetzung Entladungsparameter hoher Ausbeute an UV-Licht der Wellenlänge 194,2 nm bei einer Wandtemperatur zwischen 350°C und 400°C erzielt werden.
Die zugehörige elektrische Leistung beträgt ca. 60 Watt auf 10 cm Entladungsstrecke.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. In dem eingeschnürten Entladungsrohr aus synthetischem Quarz (1) findet die Gasentladung unter hoher Stromdichte bei hochgradig ionisiertem Quecksilber statt. Die Stromzuführung erfolgt über die Elektroden (2) und (3). An der Wandung im Bereich außerhalb der eingeschnürten Entladung und weit genug entfernt von der Wärmestrahlung der Elek trode (3), ggfs. durch ein Blech (4), gegen die Elektrode (3) ab geschirmt, ist das Amalgam (5) befestigt. Das Blech (4) hat darüber hinaus die Funktion abgedampftes Elektronenmaterial aufzufangen. Durch das elektronische Vorschaltgerät (6) wird die Gasentladung in gepulster Form betrieben.

Ein Heizstromkreis (7) gewährleistet eine gleichmäßige Elektroden temperatur zur hinreichenden thermischen Elektronenemission. Wenn die elektronen-emittierende glühende Metalloxidoberfläche nicht zur Bereitstellung des im Puls anliegenden Emissionsstroms aus reicht, so können mehrere Oxidelektroden parallel montiert werden und vermöge des aufgeprägten Heizstroms zur Glühemission bei tragen.

Die Pulsform des Betriebsstroms ist in Fig. 3 wiedergegeben. Ein für kurze Zeit, am besten im Mikrosekundenbereich, anliegender Strompuls (8) wird von einem Haltestrom (9) im mA-Bereich gefolgt, der ein Verlöschen der Entladung verhindert.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt in der gezielten Ausnutzung von Ungleichgewichtszuständen im Elek tronengas.

Im Gleichgewicht gehorcht das Elektronengas einer Maxwellver teilung, die in der Regel nur geringfügig durch die Auswirkungen unelastischer Stöße mit Hg- oder Edelgasatomen modifiziert ist. Bei plötzlicher Leistungssteigerung erzeugt der Gradient eine lawinenartige Zunahme schneller Elektronen, bis durch Wechsel wirkungen mit dem Gas und der Wand wieder eine neue Gleichgewichts verteilung eingestellt ist. Die Relaxationszeit beträgt ca. 2 µs.

Da eine Anregung des Hg⁺-Ion auf das untere Dublettniveau immerhin 6,4 eV erfordert, ist für eine Steigerung der Ausbeute bei 194,2 nm eine Erhöhung des Anteils schneller Elektronen immer vorteilhaft.

Wenn mit z. B. 10 µsec. die Pulslänge in der Größenordnung der Elektronen-Relaxationszeit liegt, befindet sich das Elektronengas fast immer im Ungleichgewicht. Im Ungleichgewicht ist der Anteil schneller Elektronen, die genügend Energie für die Anregung der Dublett-Niveaus des Hg⁺ besitzen, grundsätzlich höher als gemäß der Maxwell-Verteilung. Dies führt zu erhöhter Ausbeute der Emis sion der Linie bei 194,2 nm.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Vakuum-UV-Licht, bestehend aus:

a) einem Gasentladungsgefäß aus hochreinem Quarz, das Edel gas, Quecksilber und ein amalgambildendes Metall enthält und in dem in Betrieb über eine Entladungsstrecke ein elektrischer Entladungsstrom fließt.
b) Vorrichtungen zur Einbringung der elektrischen Entladungs energie in das Gasentladungsgefäß und
c) einer Energieversorgungseinheit, die die elektrische Ent ladungsenergie bereitstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß:
- - der freie Querschnitt der Entladungsstrecke weniger als 2 cm² beträgt,
- - die Energieversorgungseinheit den Entladungsstrom in gepulster Form bereitstellt und dieser in der Entladungsstrecke während der Pulsdauer eine Stromdichte von mehr als 10 A/cm² besitzt.
- - die im zeitlichen Mittel durch die Energieversorgungseinheit mit dem Entladungsstrom in das Gasentladungsgefäß eingebrachte elektrische Leistung pro Längeneinheit der Entladungsstrecke nicht mehr als 10 W/cm beträgt.
- - als Gasfüllung des Gasentladungsgefäßes ein Gemisch aus Edel gasen verwendet wird, das zu mindestens 2/3 aus Krypton be steht.
- - im Gasentladungsgefäß ein nicht von der Entladung erfüllter Kühlraum vorgesehen ist, in dem ein Amalgam mit einem Queck silbergehalt von nicht mehr als 10 Atompotenzen befestigt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Einbringung elektrischer Energie zwei ther misch emittierende Elektroden oder Bündel parallel geschal teter Elektroden mit Oxidbeschichtung sind, die über je einen Heizstromkreis fremdbeheizt werden.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet, daß die Pulsdauer des Entladungsstroms weniger als 10 µsec. beträgt.