DE4430300C1

DE4430300C1 - Excimerstrahler und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE4430300C1
Application number: DE19944430300
Authority: DE
Inventors: John Anthony Byatt
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1994-08-26
Filing date: 1994-08-26
Publication date: 1995-12-21
Anticipated expiration: 2014-08-27
Also published as: GB2293044B; GB9517476D0; GB2293044A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Excimerstrahler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der EP-A1-0 385 205 bekannt ist. Dort sind mehrere Excimer- Hochleistungsstrahler nebeneinander in einer geraden Reihe oder bogenförmig angeordnet. Die Einzelstrahler können verschiedene Gasfüllungen für unterschiedliche UV-Wellenlängen enthalten. Mindestens eine der den Entladungsraum begrenzenden Elektroden und/oder Dielektrikumsschichten kann als ein UV-transparenter, elektrisch leitfähiger Belag ausgebildet sein. Eine am Außenumfang des jeweiligen Strahlers aufgedampfte teilweise Aluminiumbeschichtung dient als Außenelektrode und gleichzeitig als Reflektor.

In der Schweizer Firmenzeitschrift ABB Technik 3 (1991), S. 21-28, sind zylindrische Excimer-UV-Strahler für unterschiedliche Wellenlängen mit ringförmigem Entladungsspalt und 2 zylindrischen Elektroden für industrielle Anwendungen, wie z. B. UV-Trocknung, UV-Härtung und Metallbeschichtung, beschrieben. Diese Excimerstrahler werden bei Frequenzen von etwa 50 kHz und Spannungsamplituden von 5 kV-10 kV betrieben, wobei das heiße Entladungsplasma mit den Elektroden nicht in Berührung kommt. Es wird darauf hingewiesen, daß auch flache UV-Quellen und spezielle Geometrien für photochemische Reaktoren realisierbar sind. Excimerstrahler liefern bei kurzer Pulsdauer eine definierte Wellenlänge mit hoher Spitzenintensität und hoher Wiederholfrequenz.

Aus der Zeitschrift: Meas. Sci. Technol. 4 (1993) S. 668-676 ist ein tragbares, diffus reflektierendes Spektralphotometer für schnelle und automatische Messungen an Gewebe bekannt, bei dem Licht von einer Wolfram-Halogenlampe über ein IR-Filter und optische Fasern zum Gewebe und zurück zu einem Spektrometer geleitet wird. Dort wird es mittels einer 1dimensionalen CCD-Schicht von 1024 Photodetektorelementen detektiert und der erhaltene Meßwert von einem MOS-Schieberegister erfaßt.

Durch das Buch von Clifton C. Thompson, ULTRAVIOLET-VISIBLE ABSORPTION SPECTROSCOPY, 1974, Willard Grant Press, 20 Newbury Street, Boston, Massachusetts 02116, S. 39-45, ist ein Doppelstrahl-Spektralphotometer bekannt, bei dem monochromatisches Licht mittels eines Zerhackers und Strahlteilers alternierend einerseits durch eine Probe und andererseits durch einen Vergleichsabsorber geleitet wird. Als UV-Lichtquelle wird, abhängig von dem gewünschten Wellenlängenbereich, eine Wolfram- oder Wasserstoff- Breitbandlampe verwendet, aus deren emittiertem Spektrum durch ein optisches System, üblicherweise durch ein Interferenzfilter oder Beugungsgitter, ein enges Wellenlängenband selektiert wird.

Nachteilig sind die geringe Lebensdauer und Stabilität dieser breitbandigen und teuren Strahlenquellen.

Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die EP-A1-0 254 111 und EP-A2-0 521 553 hingewiesen, aus denen flache Excimerstrahler mit 2 Elektroden, von denen eine transparent ist, bekannt sind.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen Excimerstrahler der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß er von einer relativ kleinen Fläche mehrere enge Wellenlängenbereiche abstrahlt. Im Anspruch 5 ist eine vorteilhafte Verwendung des Mehrwellenlängen- Excimerstrahlers angegeben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein komplexes optisches System durch eine einzige Strahlenquelle ersetzt werden kann. Mit der Erfindung lassen sich kompakte Spektralphotometer realisieren.

Ein weiterer Vorteil besteht in der langen Lebensdauer der Excimerstrahler. Es sind keine hohen Intensitäten erforderlich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung entfallen Lichtverluste an Schlitzen, Beugungsgittern, Filtern usw.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein 2-Weg-Spektralphotometer mit einer Excimerstrahlenquelle,

Fig. 2 einen schichtförmigen Excimerstrahler mit 2 Schichtelektroden,

Fig. 3 ein Kompakt-Spektralphotometer mit einer Excimerstrahlenquelle,

Fig. 4 ein Kompakt-Spektralphotometer gemäß Fig. 3 in auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 5 einen schichtförmigen Excimerstrahler mit einer gemeinsamen, transparenten Maschenelektrode und mehreren Excimerstrahlenquellen, die separat ansteuerbar sind, in auseinandergezogener Darstellung,

Fig. 6 eine Anordnung von mehreren Excimerstrahlenquellen, die Gasreservebehälter aufweisen, und

Fig. 7 eine Excimerstrahlenquelle gemäß Fig. 6 mit einem Gasreservebehälter.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Das in Fig. 1 dargestellte und in seinem Aufbau aus dem eingangs genannten Buch von Clinton C. Thompson bekannte 2Weg- Spektralphotometer enthält anstelle einer oder mehrerer üblicher Breitbandstrahlenquellen eine Mehrwellenlängen- Excimerstrahlenquelle (1). Das von dieser Mehrwellenlängen- Excimerstrahlenquelle (1) ausgehende Licht mit mehreren engen Wellenlängenbereichen wird durch ein Beugungsgitter (2) nach Wellenlängen selektiert und durch einen Lichtspalt (3) auf einen Zerhacker und Strahlteiler (4) geleitet, auf dem ein Spiegel (5) angebracht ist. Über diesen Spiegel (5) wird das eintreffende Licht alternierend einerseits über einen Spiegel (6), ein Vergleichsobjekt (7), einen Spiegel (8) und andererseits über einen Spiegel (9), eine Probe (10) und einen Spiegel (11) über ein Prisma (12) einem Lichtdetektor (13) zugeführt.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer schichtförmig aufgebauten Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1), wie sie in dem 2Weg-Spektralphotometer gemäß Fig. 1 anwendbar ist. Zwischen einer 1. Elektrode bzw. Spiegelelektrode (14), deren Spiegeloberfläche versilbert sein kann, und einer mindestens teilweise transparenten 2. Elektrode bzw. Draht- oder Maschenelektrode (15) sind mehrere in Reihen und Spalten matrixartig nebeneinander und untereinander angeordnete, mit unterschiedlichen Gasen gefüllte Flachzylinder bzw. Excimerlampen (L11-Lnm) angebracht, von denen nur die Excimerlampen (L11-L41) in der 1. Reihe und (L41-L44) in der 4. Spalte teilweise zu sehen sind. Je Zeile können allgemein n Excimerlampen und je Spalte m Excimerlampen vorgesehen sein, n, m ganzzahlig. Die unterschiedlichen Gasfüllungen der flachzylindrischen Excimerlampen (L11-Lnm), die aus Glas oder erforderlichenfalls aus Quarz bestehen, bewirken beim Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes unterschiedliche Wellenlängenbereiche mit enger Bandbreite des durch die Maschenelektrode (15) abgestrahlten Lichtes. Die Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1) wird mit Spannungsamplituden im Bereich von 5 kV-10 kV mit Frequenzen von etwa 50 kHz betrieben.

Die flachzylindrischen Excimerlampen (L11-L41) haben vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,5 cm-3 cm und eine Tiefe bzw. Dicke im Bereich von 2 mm-5 mm.

Fig. 3 zeigt ein Kompakt-Spektralphotometer mit einer Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1) gemäß Fig. 2 im Querschnitt und Fig. 4 in auseinandergezogener Darstellung.

Die Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1) ist in Reihe mit einem Behälter bzw. einer Küvette (16; 16a, 16b), mit einem Behälter mit einem fluoreszierenden Material (17) und mit einem Lichtdetektor (18; D11-Dnm) angeordnet. Die Küvette (16) besteht aus einem Behälterteil mit Probe (16a) und einem dazu benachbarten Behälterteil mit Vergleichsmaterial (16b); sie ist seitlich derart verschiebbar, daß sich nur entweder der Behälterteil mit der zu untersuchenden Probe (16a) oder der Behälterteil mit dem Vergleichsmaterial (16b) im Strahlengang der Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenguelle (1) befindet. Der Behälter mit einem fluoreszierenden Material (17) dient zur Umsetzung von UV-Licht in sichtbares Licht, um bei Untersuchungen mit UV-Licht einen billigen, für sichtbares Licht empfindlichen Lichtdetektor (18; D11-Dnm) verwenden zu können. Der Behälter mit einem fluoreszierenden Material (17) kann ggf. weggelassen werden. Der mit Dioden für sichtbares Licht bestückte Lichtdetektor (18; D11-Dnm) enthält in einer Ebene n·m matrixartig angeordnete Lichtdetektoren (D11-Dnm), die in ihrer Anordnung den matrixartig angeordneten Excimerlampen (L11-Lnm) entsprechen und diesen derart zugeordnet sind, daß jeder Lichtdetektor (D11-Dnm) im wesentlichen nur das Licht von einer der Excimerlampen (L11-Lnm) empfängt.

Diese Anwendung entspricht derjenigen eines Spektralphotometers mit einem 2Strahl-System gemäß Fig. 1. Wollte man die Bewegung bzw. Verschiebung der Küvette (16; 16a, 16b) vermeiden, so müßte die Anordnung doppelt ausgelegt werden.

Fig. 5 zeigt in auseinandergezogener Darstellung eine Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1), entsprechend Fig. 2, jedoch mit n·m gegenseitig elektrisch isolierten und separat ansteuerbaren Spiegelelektroden (E11-E44) bzw. (E11-Enm), die hinter den Excimerlampen (L11-Lnm) derart angeordnet sind, daß je eine Spiegelelektrode (E11-E44) in Reihe zu einer Excimerlampe (L11-Lnm) angebracht ist. Damit kann diese Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1) als monochromatische Strahlenquelle eingesetzt werden und einzelne schmalbandige Wellenlängenbereiche abstrahlen; sie kann jedoch auch mehrere schmalbandige Wellenlängenbereiche abstrahlen, wenn mehrere Spiegelelektroden (E11-E44) gleichzeitig angesteuert werden. Diese einfach aufgebaute Mehrwellenlängen- Excimerstrahlenquelle (1) ist somit vielseitig einsetzbar, vorzugsweise zur Messung des Farbgehalts von Gewebe, insbesondere von Papierbahnen, in einem Wellenlängenbereich von vorzugsweise 200 nm-1 µm. Durch diese Mehrwellenlängen- Excimerstrahlenquelle (1) kann für viele Anwendungsfälle das Strahlerzeugssystem üblicher Photometer ersetzt werden.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung von mehreren Excimerlampen (L11-Lnm), die randseitig Gasreservebehälter (19) außerhalb der optischen Aktivregion aufweisen. Die Gasreservebehälter (19) verlängern die Lebensdauer der Excimerlampen (L11-Lnm).

Fig. 7 zeigt eine Excimerlampe (L) mit einem abgewinkelten Gasreservebehälter (19) im Querschnitt, wie sie ggf. für innen angeordnete Excimerlampen (L22-L33) gemäß Fig. 6 verwendet werden kann.

Es versteht sich, daß die Excimerlampen (L11-Lnm) statt kreiszylindrisch im Querschnitt rechteckig oder z. B. 5eckig oder oval oder anders gestaltet sein können. Sie müssen auch nicht notwendig in waagerechten und senkrechten Reihen angeordnet sein. Wichtig ist, daß mehrere flache Excimer- Miniaturlampen für unterschiedliche Wellenlängenbereiche zu einer einzigen Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle (1) zusammengesetzt sind.

Bezugszeichenliste

1 Mehrwellenlängen-Excimerstrahlenquelle, Lichtquelle
2 Beugungsgitter
3 Lichtspalt
4 Strahlteiler, Zerhacker
5, 6, 8, 9, 11 Spiegel
7 Vergleichsobjekt
10 Probe
12 Prisma
13 Lichtdetektor
14 1. Elektrode, Spiegelelektrode
15 2. Elektrode, transparente Elektrode, Drahtelektrode, Maschenelektrode
16 Behälter, Küvette
16a Behälterteil mit Probe
16b Behälterteil mit Vergleichsmaterial
17 Behälter mit einem fluoreszierenden Material
18, D11-D44 Lichtdetektoren
19 Reservebehälter
E11-E44 Spiegelelektroden
L, L11-L44 Excimerlampen, Excimerstrahlenquellen, gasgefüllte Flachzylinder.

Claims

1. Excimerstrahler (1)

a) mit mehreren separaten Excimerstrahlenquellen (L, L11- Lnm)
b) zwischen mindestens einer 1. Elektrode (14, E11-Enm) und
c) einer mindestens teilweise transparenten 2. Elektrode (15),
d) wobei mehrere Excimerstrahlenquellen (L, L11-Lnm), die unter Entladungsbedingungen Strahlung in unterschiedlichen, engen Wellenlängenbereichen ausstrahlen, zu einer Mehrwellenlängen- Excimerstrahlenquelle (1) vereinigt sind, dadurch gekennzeichnet,
e) daß die Excimerstrahlenquellen (L, L11-Lnm) als flachzylindrische Miniaturlampen ausgebildet sind und
f) daß für alle Excimerstrahlenquellen (L, L11-Lnm) des Excimerstrahlers (1) nur eine, allen gemeinsame, mindestens teilweise transparente 2. Elektrode (15) vorgesehen ist.

2. Excimerstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Excimerstrahlenquellen (L, L11-Lnm) matrixartig nebeneinander und untereinander angeordnet sind.

3. Excimerstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige der Excimerstrahlenquellen (L, L11-Lnm) einen Gasreservebehälter (19) aufweisen.

4. Excimerstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Excimerstrahlenquelle (L, L11-Lnm) eine separat ansteuerbare, gegenseitig elektrisch isolierte 1. Elektrode (E11-Enm) zugeordnet ist.

5. Verwendung eines Excimerstrahlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Lichtquelle (1; L, L11-Lnm) in einem Spektralphotometer.

6. Verwendung eines Excimerstrahlers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralphotometer ein Kompakt- Spektralphotometer ist, bei dem die Lichtquelle (L, L11- Lnm) optisch in Reihe mit einer Küvette (16; 16a, 16b), die nebeneinander eine Probe (16a) und ein Vergleichsmaterial (16b) enthält, und mindestens einem Lichtdetektor (18; D11-Dnm) angeordnet ist.

7. Verwendung eines Excimerstrahlers nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Küvette (16; 16a, 16b) und dem mindestens einen Lichtdetektor (18; D11-Dnm) ein Behälter mit einem fluoreszierenden Material (17) zur Umwandlung von nichtsichtbarem Licht in sichtbares Licht vorgesehen ist.

8. Verwendung eines Excimerstrahlers nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Lichtquelle (L, L11-Lnm) des Excimerstrahlers ein separater Lichtdetektor (D11-Dnm) zugeordnet ist.