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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Emittieren von Licht.
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Lampen, die eine Erregung von UV-emittierenden
Plasmen verwenden, insbesondere für spezifische spektrale Wellenlängenanforderungen,
wie bei der Aushärtung
von chemischen Verbindungen und Sterilisationszwecken, sind bekannt.
Sie besitzen mehrere Vorteile gegenüber Bogenlampen, beispielsweise
eine lange Lampenlebensdauer, einen stabilen Lampenausgang und eine
breite Vielfalt von möglichen
Konstruktionen der Lampeneinhüllenden. Ferner
sind derartige Lampen ohne Elektroden und somit muss der Effekt
von Füllmaterialien
auf Elektrodenmaterialien nicht berücksichtigt werden.
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Mehrere Verfahren zum Erregen von UV-Licht
emittierenden Plasmen existieren. Das US-Patent Nr. 1,482,950 und
das US-Patent Nr. 4,042,850 beschreiben Mikrowellenhohlräume ohne Resonanz,
die eine Birne mit einem mikrowellenerregten Plasma enthalten, wobei
eine Wand des Hohlraums aus einem Gittermaterial konstruiert, das
eine Mikrowellenenergie in dem Hohlraume enthält und den Durchgang von UV-emittiertem
Licht erlaubt. Da ein UV-Reflektor einen Teil des Hohlraums bildet, muss
ein Kompromiss zwischen der Optimierung der Mikrowellenhohlraumabmessungen
und der Optimierung der UV-Licht Ausgangscharakteristiken erreicht werden.
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Das US-Patent Nr. 5,166,528 und die
WO 96/09842A beschreiben beide Resonanzmikrowellenhohlräume, in
UV-Licht emittierende Birnen ohne Elektroden für Sterilisationszwecke angeordnet
sind. Eine Sterilisation, die in dieser Weise durchgeführt wird,
muss ein Stapelprozess sein und Artikel, die sterilisiert werden
sollen, dürfen
durch eine Mikrowellenabstrahlung nicht beeinträchtigt werden oder dürfen eine
derartige Strahlung nicht wesentlich absorbieren, da die Artikel
bei der Verwendung dem erregenden Mikrowellenfeld ausgesetzt werden.
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Die WO 97/35624 beschreibt ein Gefäß, welches
in ein Mikrowellenfeld gebracht werden soll und aus Materialien
konstruiert ist, die UV-Licht emittieren, wenn sie durch eine Mikrowellenstrahlung
erregt werden, und die eine Mikrowellenstrahlung dämpfen, um
so die Inhalte des Gefäßes vor
der Strahlung zu schützen.
Ein Betrieb ist innerhalb eines Mikrowellenfelds ohne Resonanz oder
mit Resonanz möglich, aber
die Techniken eignen sich nur für
Stapelprozesse und beinhalten komplexe und kostenaufwändige Techniken
für die
Konstruktion des UV-emittierenden Gefäßes.
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Die GB 2048589A, GB 2042252A und
GB 2307097A beziehen sich alle auf die Erregung einer Birne mit
einem UV-Licht emittierenden Plasma durch eine Mikrowellenstrahlung,
die über
ein koaxiales System an die Birne gekoppelt wird. In jedem Fall
müssen
Vorkehrungen getroffen werden, um ein Leck der Mikrowellenstrahlung
zu verhindern und die Techniken, die dies tun sollen, beschränken die Emission
von UV-Licht und die Zugangsmöglichkeit zu
der Birne mit dem UV-emittierenden Plasma.
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Somit sind verschiedene Verfahren
einer Mikrowellenerregung für
die Erzeugung von UV-Licht für
chemische und Sterilisationsprozesse entwickelt worden. In sämtlichen
Fällen
beeinträchtigen
die Verfahren, die zum Beschränken
oder Verhindern eines Mikrowellenlecks verwendet werden, die UV-Lichtemissionen
durch eine Abschattung. In einigen Fällen führen diese Verfahren zu der
Notwendigkeit eines Stapelprozesses.
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Zusätzlich ist die Tatsache, dass
das zu behandelnde Produkt mit UV-Licht einer Mikrowellenstrahlung
ausgesetzt wird, in einigen Fällen
unerwünscht,
was die Verwendung von sämtlichen
voranstehenden Verfahren, mit Ausnahme desjenigen der WO 97/35624
verhindert. Sogar bei der Verwendung der Techniken der WO 97/35624
muss das Produkt, welches belichtet werden soll, klein genug sein,
um in ein Sterilisationsgefäß innerhalb
eines Mikrowellenhohlraums zu passen und der Prozess muss ein Stapelprozess
sein.
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Die vorliegende Erfindung offenbart
eine Vorrichtung zum Abstrahlen von Energie bei einer oder mehreren
vorgegebenen Wellenlängen,
umfassend: ein Gehäuse,
eine Quelle einer Mikrowellenenergie, die mit dem Gehäuse gekoppelt
ist und außerhalb des
Gehäuses
angeordnet ist, und ein Fenster, welches einen Teil der Wand des
Gehäuses
bildet, wobei das Fenster eine gasdichte Einfassung umfasst, die aus
einem Material gebildet ist, welches für die Strahlung bei der oder
bei jeder vorgegebenen Wellenlänge
und bei der Wellenlänge
der Mikrowellenlänge
im wesentlichen transparent ist und Gas aus einer vorgegebenen Zusammensetzung
bei einem vorgegebenen Druck enthält, wobei die Gaszusammensetzung
und der Druck gewählt
werden, um eine Emission von Energie bei der oder bei jeder vorgegebenen
Wellenlänge
im Ansprechen auf eine Mikrowellenenergie von dem Gehäuse, die
durch die innere Oberfläche
des Fensters tritt und auf das darin enthaltene Gas auftrifft, zu
verursachen, wobei das Gehäuse
angeordnet ist, um einen Mikrowellenresonanzhohlraum zu bilden,
und das Fenster angeordnet ist, um bei der Wellenlänge der
Mikrowellenenergie im wesentlichen lichtundurchlässig zu sein, und ferner angeordnet
ist, um einen nicht verhinderten Strahlungspfad von seiner äußeren Oberfläche für die Energie
der oder jeder vorgegebenen Wellenlänge bereit zu stellen.
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Die vorliegende Erfindung erlaubt,
dass Produkte von irgendeiner Größe auf einer
kontinuierlichen Prozessbasis mit UV- oder sichtbarem Licht erregt
durch eine (Mikrowellen)-Strahlung ohne dieses Licht bestrahlt werden,
verringert um die Notwendigkeit zum Bereitstellen eines Verfahrens
zum Verringern oder Verhindern eines HF-Lecks. Zusätzlich verhindert
die vorliegende Erfindung wesentlich, dass ein Produkt, welches
bestrahlt werden soll, der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung
einen elektrisch leitenden Stab, der sich allgemein von der Mikrowellenkopplung
in den Hohlraum hinein erstreckt. Insbesondere wird der Stab mit
dem Mittenleiter der Kopplung elektrisch gekoppelt werden. Der Effekt
davon ist die Intensität
des Lichts gleichmäßiger über das
Fenster zu verteilen.
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Vorzugsweise ist wenigstens ein Teil
der Hohlraumwand als ein Reflektor konstruiert und angeordnet, um
Licht, welches von dem Fenster in den Hohlraum emittiert wird, zurück aus dem
Hohlraum heraus durch das Fenster zu richten. Dies erhöht den Wirkungsgrad
von Lichtemissionen durch Verwendung von Licht, welches weg von
dem Produkt emittiert wird, um in die Richtung des Produkts zurück (d. h.
in den Hohlraum hinein) gestrahlt zu werden.
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Zusätzlich oder alternativ können ein
oder mehrere getrennte Reflektoren in dem Hohlraum angebracht sein,
die konstruiert und angeordnet sind, um Licht, welches von dem Fenster
in den Hohlraum emittiert wird, zurück von dem Fenster heraus zur richten.
Die Materialien sollten für
die vorgegebene Wellenlängenmikrowellenenergie
transparent, aber für
die eine oder mehreren vorgegebenen Lichtwellenlängen reflektierend sein. Ein
geeignetes Material ist ein Material auf PTFE-Basis.
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Um den Wirkungsgrad weiter zu verwenden, kann
jeder der obigen Reflektoren oder beide ein fokussierender Reflektor
oder fokussierende Reflektoren sein.
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Das Fenster kann eine Ausnehmung
in den Hohlraum hinein bilden, wobei in diesem Fall ein zu bestrahlendes
Produkt in den Hohlraum eingefügt werden
kann. Alternativ kann das Fenster allgemein planar sein.
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Durch Ermöglichen, dass das Fenster allgemein
röhrenförmig ist
und mit zwei Stimflächen
des Hohlraums untereinander verbunden ist, ist es möglich, zu
erlauben, dass ein kontinuierliches Produkt durch das röhrenförmige Fenster
geführt
und mit der einen oder den mehreren vorgegebenen Wellenlängen von
Licht während
seines Durchgangs dadurch bestrahlt wird.
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Vorzugsweise bildet das Fenster eine
sich nach außen
krümmende
Wand des Hohlraums. Dies gibt eine breitere Streuung des Lichts.
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Die Erfindung wird nun anhand eines
Beispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen beschrieben werden. In
den Zeichnungen zeigen:
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1A eine
Vorrichtung in Übereinstimmung
mit der Erfindung mit einem planaren Fenster;
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1B eine
Vorrichtung in Übereinstimmung
mit der Erfindung mit einem planaren Fenster und einem Reflektor,
der von einer Hohlraumwand gebildet ist;
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2 eine
Vorrichtung in Übereinstimmung mit
der Erfindung mit einem verlängerten
Mittelleiter;
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3 eine
Vorrichtung in Übereinstimmung mit
der Erfindung mit einem planaren Fenster mit einer kleineren Abmessung
als die Hohlraumwand;
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4 eine
Vorrichtung in Übereinstimmung mit
der Erfindung mit einem in dem Hohlraum angebrachten getrennten
Reflektor;
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5 eine
Vorrichtung in Übereinstimmung mit
der Erfindung mit einem ausgesparten Fenster;
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6 eine
Vorrichtung in Übereinstimmung mit
der Erfindung mit einem allgemein röhrenförmigen Fenster;
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7A und 7B alternative Anbringungsanordnungen für das Fenster
in dem Hohlraum in Übereinstimmung
mit der Erfindung; und
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8A und 8B alternative Drosselspulenanordnungen
in Übereinstimmung
mit der Erfindung; Unter Bezugnahme auf 1A lässt sich
ersehen, dass ein Gefäß 2,
welches vorzugsweise aus einem für
UV/sichtbares Licht transmittierendem Material konstruiert ist,
in einen Mikrowellenhohlraum 4 befestigt ist.
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Das Gefäß 2 enthält ein Füllmaterial,
welches dann, wenn es auf einem Plasmazustand angeregt ist, UV/sichtbares
Licht mit einer gewünschten Wellenlänge emittiert.
Das Gefäß 2 ist
in dem Hohlraum 4 in einer derartigen Weise angebracht,
dass es einen Teil der äußeren Wand
des Hohlraums bildet. Der Hohlraum 4 ist dimensioniert,
um ein Resonanzhohlraum zu sein und kann ein sogenannter Multimode-Resonanzhohlraum
sein.
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Eine Mikrowellenenergie, die in den
Hohlraum über
eine Kopplung 6 hinein geführt wird, tritt in das Gefäß 2 ein
und regt die Materialien darin an, um ein Plasma zu bilden.
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Das Plasma führt zwei Funktionen aus. Erstens
emittiert es UV/sichtbares Licht von dem Mikrowellenhohlraum heraus.
Zweitens wirkt es als ein verlustbehafteter Leiter, wodurch eine
Mikrowellenstrahlung gedämpft
wird, die ansonsten von dem Hohlraum 4 über das Gefäß 2 entweichen würde. Dadurch,
dass es auch als ein Leiter dient, kann die Form und die Art des
ursprünglichen
Mikrowellenhohlraums relativ unverändert bleiben, da der Effekt des
Gefäßes auf
das Mikrowellenfeld innerhalb des Hohlraums bei der Verwendung relativ
klein ist.
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Somit werden die Vorteile einer mit
Mikrowellen angeregten Lichtemissionsbirne realisiert, aber ohne
die Nachteile, dass Teile, die bestrahlt werden sollen, der Mikrowellenbestrahlung
ausgesetzt werden, und ohne dass es erforderlich ist, die Birne und/oder
das Produkt innerhalb eines Mikrowellenhohlraums anzuordnen. Somit
wird ermöglicht,
dass das emittierte Licht in einem kontinuierlichen Prozess verwendet
wird.
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Vorzugsweise sind die Materialien
innerhalb der UV/sichtbares Licht emittierenden Birne so gewählt, dass
der erforderliche spektrale Ausgang maximiert und die leitende und
somit Mikrowellen dämpfende
Art des erzeugten Plasmas maximiert wird. Ein typisches Füllmaterial
für das
Gefäß 2 sind
Argon und Quecksilber. Typischerweise ist der interne Druck des
Gases in dem Gefäß in dem
Bereich von 5 bis 10 mbar und das Volumen von Quecksilber beträgt ungefähr 0,2 mg/cm3 des internen Volumens des Gefäßes.
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In 1A bildet
das Gefäß 2 (typischerweise aus
Quarz) ein Fenster, welches sich über fast die Gesamtheit einer
Wand eines allgemein kubusförmigen
Hohlraums 4 erstreckt. Diejenigen Teile des Hohlraums,
die nicht durch das Gefäß 2 gebildet
werden, werden typischerweise metallische Leiter sein und sollten
vorzugsweise bei der gewünschten
Wellenlänge
der Lichtemission von dem Gefäß reflektierend
sein. In dieser Weise wird der Lichtausgang der Vorrichtung maximiert.
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Es sei darauf hingewiesen, dass mit
der Anordnung in 1A Licht von der
Vorrichtung in viele Richtungen emittiert wird.
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In 1B ist
der Hohlraum wenigstens teilweise als ein fokussierender Reflektor
ausgeformt, was die Intensität
von Licht, welches von der Vorrichtung in einer bestimmten Richtung
emittiert wird, auf Kosten von reduzierten Strahlumleitungen erhöht.
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2 zeigt
eine Verlängerung
des Mittenleiters der Mikrowellenkopplung 6.
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Der verlängerte Mittenleiter 8 dient
dazu, Intensitätsveränderungen über das
Gefäß 2 zu
verringern.
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Es sei darauf hingewiesen, dass idealerweise
ein relativ großer
Multimode-Hohlraum mit typischen Abmessungen in der Größenordnung
von 192 Millimetern mal 185 Millimetern mal 75 Millimetern verwendet
werden würde,
wobei das Gefäß ungefähr ein Drittel
der Breite von einer der langen Wände des Hohlraums füllt. Im
Hinblick auf Raumerwägungen und
mit der Möglichkeit
der Bildung eines fokussierenden Reflektors von den Hohlraumwänden kann jedoch
eine ideale Mikrowellenfeldverteilung nicht erreichbar sein. Somit
ist es unter Verwendung einer Kombination von Hohlraumabmessungen
und verlängerten
Mittenleiterveränderungen
möglich,
in geeigneter Weise gleichmäßige Beleuchtungen über das
Gefäß 2 zu
erhalten.
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Ein typisches Material für die Mittenleiterverlängerung
kann Weichstahl sein, der mit Kupfer beschichtet ist. Mit der in 2 gezeigten Anordnung eines
im allgemeinen elliptischen Hohlraums, der durch das Gefäß 2 und
reflektierenden Wänden 4 mit einem
maximalen Durchmesser von ungefähr
50 Millimetern und einem minimalen Durchmesser von ungefähr 20 Millimetern
gebildet wird, ist festgestellt worden, dass die Mittenleiterverlängerung
bei ungefähr
30 Millimetern optimal ist. Ein typischer Durchmesser des Mittenleiters
bei dieser Anwendung ist in der Größenordnung von 1 bis 2 Millimetern.
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In einigen Anwendungen kann es wünschenswert
sein, das Gefäß 2 so
zu dimensionieren, dass die Öffnung,
in die es passt, über
die Grenzfrequenz (cut off) hinaus ist. In diesem Fall können HF-Drosselspulen
(typischerweise Viertelwellenlängen-Drosselspulen)
verwendet werden, um ein Mikrowellenleck um die Schnittfläche zwischen
dem Gefäß und den
Hohlraumwänden
herum zu minimieren. Beispiele von Anwendungen, bei denen Drosselspulen
benötigt
sein können,
sind in den 3, 5 und 6 gezeigt.
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Unter Bezugnahme auf 4 können
ein oder mehrere getrennte Reflektoren 12 in dem Hohlraum 4 angebracht
werden, um Licht, welches von dem Gefäß 2 emittiert wird,
effizienter zu reflektieren oder es von dem Fokusmuster, welches
durch die Wände
des Hohlraums 4 vorgegeben wird, anders zu fokussieren.
Ein typisches Material für
eine UV und Mikrowellenausführungsform
ist ein Material auf PTFE-Basis. Das Material sollte für die Mikrowellenenergie
transparent sein, um zu ermöglichen,
dass sie auf das Gefäß 2 auftrifft,
und sollte für
das Licht, welches von dem Gefäß 2 emittiert
wird, reflektierend sein, wie allgemein mit dem Fall A gezeigt.
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5 zeigt
ein Gefäß, welches
in den Hohlraum 4 hinein ausgespart ist. Dies ermöglicht,
dass Produkte in die Aussparung hinein platziert werden, was eine
größere Abdeckung
des Produkts erlauben kann, ohne dass zusätzliche Reflektoren benötigt oder
zusätzliche
Lichtemissionsvorrichtungen verwendet werden.
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6 zeigt
ein allgemein röhrenförmiges Gefäß 2,
welches zwei Wände
des Hohlraums 4 untereinander verbindet. Dies erlaubt,
dass Material durch das Gefäß 2 geführt wird,
wie allgemein mit dem Fall B gezeigt. Dies ist insbesondere
zum Bestrahlen oder Sterilisieren von kontinuierlichen Materialien
oder kontinuierlichen Flüssen
zweckdienlich.
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Die 7A und 7B zeigen alternative Anordnungen für die Schnittfläche bzw.
den Übergang
zwischen dem Gefäß 2 und
den leitenden Wänden
des Hohlraums 4. Jede von diesen Anordnungen wird effektiv
sein, wenn die Öffnung,
die von den Seiten des Hohlraums 4 definiert wird, nicht über die
Grenzfrequenz (cut off) hinaus ist.
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Die 8A und 8B zeigen Viertelwellenlängen-Drosselspulenanordnungen
zur Verwendung zur Minimierung eines Mikrowellenlecks, wenn die Öffnung,
die von den Hohlraumwänden 4 definiert
wird, über
die Grenzfrequenz (cut off) bei der verwendeten Mikrowellenwellenlänge ist.
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Zusammenfassend erlauben somit sämtliche voranstehend
beschriebenen Ausführungsformen, dass
Produkte mit Licht, typischerweise ultraviolettem Licht, bestrahlt
werden, während
sie größtenteils vor
den Effekten der Mikrowellenenergiequelle geschützt sind. Dies wird eine weite
Anwendung sowohl in dem UV-Feld, wo Aushärtungs- und Sterilisationsanwendungen
vorangetrieben werden, als auch in irgendeinem Feld, in dem erregte
Plasmalichtquellen Licht in gewünschten
Wellenlängen
erzeugen, haben.