DK151599B - Apparat til frembringelse af ultraviolet straaling - Google Patents

Description

151599

Den foreliggende opfindelse angår et apparat til frembringelse af ultraviolet stråling med høj strålingsintensitet, ved hvilket strålingen frembringes termoemissivt i et UV-strålingsgennemtrængeligt og med en kviksølv-ædelgasfyldning forsynet udladningsrør med en 5 mellem 4 og 20 mm liggende indvendig diameter ved en vægstabiliseret mellem to elektroder optrædende gasudladning ved et tryk af kviksølvet mellem 6,65 · 10 ^ og 665 · 10 ^ bar, et tryk af ædelgassen mellem 13,3 · 10 ^ og 13300 ♦ 10 ® bar og en strømtæthed af ud-ladningsstrømmen i gasudladningen mellem 1 og 25A/cm , og hvor ud-10 ladningsrøret ved begge sine ender er forbundet med rørformede kolber til optagelse af elektroderne.

Sådanne apparater, der kort betegnes som højstrøms-lavtryks-UV-strålingskilder, er eksempelvis kendt fra de tyske offentliggørelsesskrifter nr. 2.412.997 og 2.433.557. Til opnåelse af en høj strå-15 lingsintensitet drives sådanne lamper sædvanligvis med jævnstrøm.

Hertil kræves to forskellige elektroder, nemlig en termoemissiv katode, såsom en bariumoxid katode, og en anode, som optager elektroner med høj energi og derfor er yderst varmebestandig, f.eks. af grafit.

Da der ved drift af strålingskilden ved kun lille trykdifferens skal 20 løbe en stor kviksølvdampstrøm fra anoderummet til katoderummet, er det desuden nødvendigt at tilvejebringe et trykudligningsrum. Elektrofor etiske processer i udladningen lader sig imidlertid ikke undgå, så at der sker en ujævn udstråling over hele overfladen af udladningsrummet, og der indtræder en for tidlig ældning af strålingskilden.

25 Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.515.607 kendes en højstrøms kviksøl vlavtrykslampe med trykudligningsrum, hvor anode- og katodeelektroderne er anbragt bag hinanden i en kolbe, og hvor den ene af de to grene af udladningsrummet rager koaksialt ind i kolben og strækker sig gennem den ringformet udformede anode. Sådanne lamper tje-30 ner fortrinsvis som ultraviolette strålingskilder, eksempelvis til sterilisering af indpakningsmaterialer. Ved den praktiske anvendelse af disse lamper har det vist sig, at der kan opstå direkte gennemtæn-ding mellem katode og anode gennem trykudligningsrummet, og at hele lampen derved under visse omstændigheder ødelægges. Årsagen 35 til denne gennemtænding ligger i den for høje temperatur af trykudligningsrummet, hvis form ved de kendte lamper i det væsentlige bestemmes af to kraveformede dele. Den høje temperatur i trykudligningsrummet fremkommer ved disse lamper ved, at dette rum opvarmes af katodens stråling. Desuden sker der en opvarmning på grund af 2 151599 udladningens anodesøjle.

Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe et apparat af den forannævnte art, med hvilket der ved simpel konstruktiv udførelse, navnlig ved bølgelængden 254 nm, opnås en høj strå-5 lingsintensitet og en ensartet udstråling over hele overfladen, og som desuden udmærker sig ved høj levetid og stor virkningsgrad.

Ifølge opfindelsen opnås dette ved at udforme apparatet af den indledningsvis angivne art som angivet i den kendetegnende del af krav 1.

10 Ved ædelgastrykket ifølge opfindelsen, det særlige glasvalg og temperaturreguleringen ved hjælp af det blindtarmagtige rørstykke opnås en stråling med bølgelængden 254 nm med den højeste intensitet, renhed og stabilitet ved overraskende stort udbytte, hvorved der ved vekselstrømsdrift desuden på grund af fraværet af elektro-15 foreseprocesser opnås en ensartet udstråling over hele overfladen af udladningsrøret.

Det har vist sig særligt egnet, at der forefindes to termoemissi-ve elektroder, som i vid udstrækning er identiske med hensyn til de geometriske dimensioner, opbygningen og materialesammensætningen 20 og er indrettet til at forsynes med vekselstrøm, hvilke elektroder enten er udformet som oxid katoder fremstillet under anvendelse af nikkelpulver og (Ba, Ca, Sr)-karbonat, eller som dispenserkatoder indeholdende et wolfram-, molybdæn- eller tantalsinterlegeme og barium eller et sjældent jordmetal. De to kolber, som indeholder elektroder-25 ne, er identiske med hensyn til deres geometriske dimensioner og deres materialesammensætninger og består af det samme materiale som udladningsrøret. Dermed er hele apparatet nu symmetrisk og lader sig fremstille særlig simpelt og navnlig uden anvendelse af overgange bestående af flere sammensmeltede glassorter med forskellige 30 udvidelseskoefficienter, i det følgende kort betegnet flerglasovergange.

I almindelighed er det af særlig betydning, at røret og kolben består af doteret kvartsglas, hvor doteringen er en sådan, at linierne ved 185 og 194 nm næsten fuldstændigt absorberes, og linien ved 254 nm transmitteres næsten tabsfrit. Dermed bliver den af de ab-35 sorberede linier ellers fremkaldte uønskede ozonisering af luften næsten fuldstændigt forhindret, hvorimod den af den transmitterede linie bevirkede ønskede sterilisering kan udnyttes i fuldt omfang.

Det er endvidere i almindelighed vigtigt, at trykket af xenon -fi -6 ligger mellem 53,2 ♦ 10 og 133 · 10 bar, da xenon netop i dette 3 151599 trykområde med hensyn til udladningsadfærd har lignende egenskaber som kviksølv ved 55°C. Apparatet ifølge opfindelsen kan da startes koldt og/eller uden beredskabskobling og yderst hurtigt bringes i drift. Som følge af at der på udladningsrøret findes et blindtarmag-5 tigt til optagelse af kviksølvet bestemt rørstykke, hvis temperatur er regulerbar mellem 48 og 65°C, lader kviksølvdamptrykket og dermed det samlede apparat sig særlig let regulere med hensyn til den afgivne strålingsintensitet.

I en foretrukken udførelsesform for apparatet ifølge opfindelsen 10 er dimensionerne valgt således, at den indvendige diameter af udladningsrøret ligger mellem 8 og 15 nm, og at diametren af det blind-tarmagtige rørstykke er 0,3 - 1 gange og diametren af kolberne 1-4 gange diametren af udladningsrøret, og at endvidere længden af udladningsrøret ligger mellem 0,8 og 2 m, og længden af det blindtarm-15 agtige rørstykke er 0,005-0,1 gange længden af udladningsrøret, og volumenet af kolberne er 0,5-4 gange volumenet af udladningsrøret.

Det er endvidere yderst praktisk, at udladningsrøret har U-form eller foldet U-form, dvs. mindst 4 parallelle meanderformet forbundne rør.

20 Da trykudligningsrøret falder bort ved vekselstrømsdrift, er det også muligt, at udiadningsrøret er retliniet eller af langstrakt form. Et således udformet apparat er særlig billigt og simpelt at fremstille.

En betydelig forenkling af fremstillingen og derfor også billig -25 gørelse af apparatet opnås også ved, at elektroderne over molybdænlameller er ført ud af kolben, da de ellers nødvendige flerglasover-gange falder bort ved en sådan udførelse af apparatet ifølge opfindelsen.

Det er endvidere af betydning ved udførelsen med jævnstrøms-30 drift og trykudligning og bag hinanden i koaksiale kolber anbragte elektroder, at den ind i den anden kolbe ragende ene kolbe strækker sig i det mindste frem til katoden og sideværts omslutter denne.

Ved denne foranstaltning opnås to ting. For det første bliver trykudligningsrummet for den væsentlige dels vedkommende henlagt 35 til den kolde zone af katoderummet og muliggør derfor en bedre køling. For det andet muliggør denne konstruktion et i forhold til kendte lamper længere trykudligningsrum (med hensyn til indflydelsen af trykudligningsrummets længde på gen nemtændingen, jfr. også schweizisk patentskrift nr. 578.250).

4 151599

Opfindelsen skal herefter forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en udførelsesform for et apparat ifølge opfindelsen til vekselstrømsdrift til frembringelse af ultravio-5 let stråling med et U-formet bøjet udladningsrør, fig. 2 et principdiagram for et kredsløb til strømforsyning af apparatet i fig. 1, fig. 3 det relative UV-udbytte I af et apparat ifølge fig. 1 i afhængighed af ædelgastrykket p, 10 fig. 4 et apparat ifølge opfindelsen til jævnstrømsdrift med trykudligning i et detailbillede af kolberne og fig. 5 et samlet billede af apparatet i fig. 4.

I fig. 1 er vist et U-formet bøjet udladningsrør 1, ved begge ender af hvilket der er anbragt en cylindrisk kolbe 2 henholdsvis 15 2', hvori der befinder sig en elektrode 3 henholdsvis 3‘, som er ført ud over gennemføringer 4 og 4'. I midten af bøjningsstedet på udladningsrøret 1 befinder der sig et blrndtarmagtigt rørstykke 5, som tjener til optagelse af i figuren ikke vist kviksølv. Udladningsrøret 1 inklusive de to kolber 2 og 2' samt det blindtarmagtige rør-20 stykke 5 består af kvartsglas, der er således doteret, at de ozon-frembringende kviksølvlinier 185 og 194 nm absorberes, medens den kimdræbende linie 254 nm transmitteres praktisk taget uden absorptionstab. Egnet glas er titandoteret kvartsglas, som f.eks. markedsføres af firmaet Heraeus, Hanau, Vesttyskland under betegnelsen 25 M 68, eller af firmaet "Quartz et Silice", 8 rue d'Anjou, Paris under betegnelsen “Germisil". De elektriske gennemføringer 4,4' er molybdænlameller, som er indpresset i kvartsglasset i kolberne 2,2'. Med 6 er betegnet en tråd, som berører udladningsrøret 1, og som efter tilførsel af impulser på ca. 20 kV bevirker tænding af det driftsklare 30 udladningsrør 1. Denne tråd kan samtidig anvendes som udladningsrørholder.

Udladningsrøret 1 har tilnærmelsesvis rundt tværsnit og fortrinsvis en mellem 8 og 15 mm liggende indvendig diameter samt en mellem 0,8 og 2 m liggende længde. De to kolber 2,2' har fortrins-35 vis en 1-4 gange større indvendig diameter end udladningsrøret 1 og har et volumen, der udgør 0,5-4 gange volumenet af udladningsrøret 1. Det blindtarmagtige rørstykke 5 er fortrinsvis mellem 10 og 50 mm langt og har en indvendig diameter, som er 0,3-1 gange den indvendige diameter af udladningsrøret 1.

5 151599

Formen og opbygningen af elektroderne 3,3' svarer i det væsentlige til formen og opbygningen af den termoemissive katode ifølge tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.433.557. Desuden har imidlertid også oxidkatoder fremstillet under anvendelse af nikkelpulver og 5 (Ba, Ca, Sr)-karbonat eller dispenserkatoder indeholdende et wolfram-, molybdæn- eller tantalsinterlegeme og barium eller et sjældent jordmetal vist sig meget egnede.

Strømforsyningen af apparatet ifølge opfindelsen fremgår af kredsløbsdiagrammet i fig. 2. I dette kredsløb er en elektrodeopvarm-10 ningstransformator T på primærsiden forbundet med en 220 volt vekselspændingskilde. En del af sekundærviklingen tjener til opvarmning af elektroden 3 og en anden del til opvarmning af elektroden 3'. En tænd-kobling ZS forsynes parallelt med to strømtiIføringer til de to elektroder 3 og 3'. Den ene sekundærvikling på opvarmningstransformatoren 15 T, som strømforsyner elektroden 3, er over en strømbegrænsende reaktor L og en afbryder S forbundet med den ene pol på spændingskilden, medens den anden sekundærvikling på opvarmningstransformatoren T, som strømforsyner elektroden 3*, er kortsluttet med den anden pol på spændingskilden. Ved hjælp af dette kredsløb kan apparatet ifølge op-20 findelsen drives med simple midler uden den ellers sædvanlige anvendelse af ensrettere.

Som fyldgasser anvendes argon, krypton og/eller xenon samt kviksølv, der er anbragt i overskud i flydende form i det blindtarmagtige rørstykke 5. Kviksølvtemperaturen og dermed kviksølvtrykket bliver 25 indstillet ved opvarmning af det blindtarmagtige rørstykke til temperaturer mellem 48 og 65°C.

Af fig. 3, hvor UV-udbyttet af apparatet ifølge opfindelsen i området omkring bølgelængden 254 nm er afbildet i afhængighed af ædelgastrykket af den anvendte fyldgas i bar, fremgår det, at UV- “6 30 udbyttet af UV-lamper ifølge opfindelsen i området mellem 13,3 ♦ 10 -6 og 665 · 10 bar med argon-, krypton- eller xenonfyldninger udgør over 50% af det maksimale UV-udbytte, og derfor opnås i dette trykområde den ønskede høje strålingsintensitet ved bølgelængden 254 nm uden besvær. Desuden har det vist sig meget hensigtsmæssigt at indstille

-fi _C

35 xenontrykket mellem 53,2 · 10 ° og 133 · 10 ° bar, da xenon i dette trykområde, navnlig med hensyn til ionisationsspændingen ved den elektriske udladning, har lignende egenskaber som kviksølv ved 55°C.

Alle kurver i fig. 3 blev målt på et udladningsrør med en indvendig diameter på ca. 10 mm ved et kviksølvtryk svarende til en konden- 2 151599 6 o 2 sattemperatur på 55 C og en strømtæthed på 5 A/cm .

I stedet for at begrænse strømstyrken kun til 5 A/cm er det alt efter form og dimension af lamperne ifølge opfindelsen hensigtsmæssigt at indstille strømtætheden mellem 3 og 10 A/cm og buespændingen mel-5 lem 0,3 og 1,2 V/cm.

I fig. 4 er vist en kolbe 2 i det væsentlige af varmebestandigt hårdtglas, i hvilken de to elektroder, katoden 3' og anoden 3, er anbragt bag hinanden. Katoden 3' har foruden den egentlige varmevik-ling yderligere en cylinderformet stråleskærm 9, som skal forhindre 10 en sideværts varmeudstråling. Udladningsrøret 1 består af to grene, som begge er sluttet til den samme ende af kolben 2. Desuden rager den ind i kolben 2' endende gren koaksialt ind i kolben 2, går gennem den ringformet udformede anode 3 og omslutter ved passende udvidelse i anodeområdet 7 katoden 3‘.

15 Trykudligningsrummet 8 mellem væggene af kolberne 2 og 2' dan ner i hele området en overordentlig stærk og mod gennemtænding beskyttet strækning, som oven i købet for trykudligningen mellem anode-og katodedelen muliggør en tilstrækkelig gas/damp-strømning, når afstanden D ikke mindre end 0,5 mm. Ved afstande D større end 4 mm 20 kan der opstå gennemtænding. I disse tilfælde bør katoden 3' anbringes længere inde i det indre af kolben 2', fordi vejen mellem anode og katode over trykudligningsrummet da bliver længere, hvorved en eventuel gennemtænding ligeledes modvirkes. Strålingskilder med en afstand D på 1 mm har vist sig særlig egnede.

25 For at sikre en fejlfri drift af strålingskilden skal længden 1 af kolben 2‘, som strækker sig ind i kolben 2, målt mellem den neder-ste kant af anoden 3 og den nederste kant af kolben 2‘, være ca. 1/5 til 1/20 fortrinsvis 1/10 af længden L af det samlede udenfor kolben 2 iiggende udladningsrør. I fig. 5 er længderne vist ved en lampe med 30 meanderformet udladningsrum.

Den nye konstruktion er let at fremstille og har for alle arter af en kolbelamper med jævnstrømsdrift vist sig som den bedste løsning.

Foretrukne driftsdata er: ædelgastryk 26,6 ... 66,5 ♦ 10 ^ bar, 2 strømtæthed 4____ 8 A/cm , Hg-temperatur i det blindtarmagtige rør- 35 stykke 5 50 ... 60°C, spændingsfald over udladningsstrækningen 1 V/cm ± 0,2. Det blindtarmagtige rørstykke har en længde på 3 ... 6 cm ved en indvendig diameter på 10 mm.

Claims (10)

151599 Patentkrav.

1. Apparat til frembringelse af ultraviolet stråling med høj strålingsintensitet, ved hvilket strålingen frembringes termoemissivt i et

2. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der forefindes to termoemissive elektroder (3,3'), som i vid udstrækning er identiske med hensyn til de geometriske dimensioner, opbygningen 25 og materialesammensætningen og er indrettet til at forsynes med vekselstrøm, hvilke elektroder enten er udformet som oxidkatoder fremstillet under anvendelse af nikkelpulver og (Ba, Ca, Sr)-karbonat, eller som dispenserkatoder indeholdende et wolfram-, molybdæn- eller tantalsin-terlegeme og barium eller et sjældent jordmetal.

3. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at trykket — fi —fi af xenon ligger mellem 53,2 ♦ 10 og 133 ♦ 10 bar.

4. Apparat ifølge krav 2 eller 3, kendetegnet ved, at elektroderne (3,31) er ført ud af kolberne (2,21) over molybdænlameller (4,4')·

5. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at begge kolber (2,2‘) er identiske med hensyn til deres geometriske dimensioner og deres materialesammensætninger og består af det samme materiale som udladningsrøret (1).

5 UV-strålingsgennemtrængeligt og med en kviksølv-ædelgasfyldning forsynet udladningsrør med en mellem 4 og 20 mm liggende indvendig diameter ved en vægstabiliseret mellem to elektroder optrædende gasudlad- -fi ning ved et tryk af kviksølvet mellem 6,65 · 10 ° og 665 · 10 bar, “fi “fi et tryk af ædelgassen mellem 13,3 · 10 og 13300 ♦ 10 bar og en 10 strømtæthed af udladningsstrømmen i gasudladningen mellem 1 og 25 2 A/cm , og hvor udladningsrøret ved begge sine ender er forbundet med rørformede kolber til optagelse af elektroderne, kendetegnet ved, at der som ædelgasser forefindes argon, krypton og/eller ”6 xenon med et i apparatets driftstilstand mellem 13,3 · 10 og 6 15 665 * 10 bar liggende gastryk (p), at udiadningsrøret (1) og kol berne (2,2‘) består af doteret kvartsglas, hvor doteringen er en sådan, at linierne ved 185 og 194 nm absorberes næsten fuldstændigt, og linien ved 254 nm transmitteres næsten tabsfrit, og at der på udladningsrøret (1) findes et blindtarmagtigt til optagelse af det kon-20 denserede kviksølv bestemt rørstykke (5), hvis temperatur er indstillelig mellem 48 og 65°C.

6. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at den ind- 151599 vendige diameter af udladningsrøret (1) ligger mellem 8 og 15 mm, og at diameteren af det blindtarmagtige rørstykke (5) er 0,3-1 gange, og diametren af kolberne (2,2‘) er 1-4 gange diametren af udladningsrøret (1), og at endvidere længden af udladningsrøret (1) ligger mellem 0,8 5 og 2 m, og længden af det blindtarmagtige rørstykke (5) er 0,005-0,1 gange længden af udladningsrøret (1), og volumenet af kolberne (2,2') er 0,5-4 gange volumenet af udladningsrøret (1).

7. Apparat ifølge krav 2, kendetegnet ved, at der findes en tråd (6), som udvendigt berører udladningsrøret (1), og som 10 er bestemt til at tilføres impulser på ca. 20 kV.

8. Apparat ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det har et trykudligningsrum (8), og at anodeelektroden (3) og katodeelektroden (31) er anbragt bag hinanden i en kolbe (2), idet den ene kolbe (2‘) rager koaksialt ind i den anden kolbe (2) og går gennem den 15 ringformet udførte anode (3), samt at den ene kolbe (21), som rager ind i den anden kolbe (2), strækker sig i det mindste frem til katoden (3‘) og omslutter denne sideværts.

9. Apparat ifølge krav 8, kendetegnet ved, at længden (L) af den ene kolbe (21), som rager ind i den anden kolbe (2), målt 20 mellem den nederste kant af anoden (3) og den nederste kant af den ene kolbe (2‘), er ca. 1/5 til 1/20 fortrinsvis 1/10 af længden (L) af det samlede udenfor den anden kolbe (2) liggende udladningsrør (1).

10. Apparat ifølge krav 8 eller 9, kendetegnet ved, at afstanden mellem væggen af den anden kolbe (2) og den ene kolbe 25 (21)/ som rager ind i denne kolbe (2) i trykudligningsrummets område, udgør 0,5 til 4 mm fortrinsvis 1 mm. 1 35