EP0254111A1 - UV-Strahler - Google Patents

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EP0254111A1
EP0254111A1 EP87109674A EP87109674A EP0254111A1 EP 0254111 A1 EP0254111 A1 EP 0254111A1 EP 87109674 A EP87109674 A EP 87109674A EP 87109674 A EP87109674 A EP 87109674A EP 0254111 A1 EP0254111 A1 EP 0254111A1
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EP
European Patent Office
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electrode
radiator according
dielectric
power radiator
tube
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EP87109674A
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English (en)
French (fr)
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EP0254111B1 (de
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Baldur Dr. Eliasson
Peter Dr. Erni
Michael. Dr Hirth
Ulrich Dr. Kogelschatz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
BBC Brown Boveri AG Switzerland
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Application filed by BBC Brown Boveri AG Switzerland filed Critical BBC Brown Boveri AG Switzerland
Publication of EP0254111A1 publication Critical patent/EP0254111A1/de
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Publication of EP0254111B1 publication Critical patent/EP0254111B1/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel

Definitions

  • the invention relates to a high-power radiator, in particular for ultraviolet light, with a discharge space filled with filling gas, the walls of which are formed on the one hand by a dielectric which is provided with first electrodes on its surface facing away from the discharge space, and on the other hand by second electrodes or likewise are formed by a dielectric, which is provided on its surface facing away from the discharge space with second electrodes, with an alternating current source connected to the first and second electrodes for supplying the discharge and means for directing the radiation generated by the silent electrical discharge into an external space.
  • the invention relates to a state of the art, such as that found in the publication "Vacuum-ultraviolet lamps with a barrier discharge in inert gases" by GA Volkova, NN Kirillova, EN Pavlovskaya and AV Yakovleva in the SU magazine Zhurnal Prikladnoi Spektoskopii 41 (1984) No. 4, 691-695, published in an English translation by Plenum Publishing Corporation 1985, Doc. No. 0021-9037 / 84 / 4104-1194 $ 08.50, pp. 1194 ff.
  • high-performance lamps especially high-performance UV lamps, e.g. Disinfection, curing of paints and synthetic resins, flue gas cleaning, destruction and synthesis of special chemical compounds.
  • the wavelength of the emitter will have to be matched very precisely to the intended process.
  • the best-known UV lamp is probably the mercury lamp, which emits UV radiation with wavelengths of 254 nm and 185 nm with high efficiency.
  • a low-pressure glow discharge burns in a noble gas-mercury vapor mixture in these lamps.
  • This radiator consists of a tube made of dielectric material with a rectangular cross section. Two opposite tube walls are provided with flat electrodes in the form of metal foils, which are connected to a pulse generator. The tube is closed at both ends and filled with an inert gas (argon, krypton or xenon). Such filling gases form so-called excimers when an electrical discharge is ignited under certain conditions.
  • An excimer is a molecule that is formed from an excited atom and an atom in the ground state. e.g. Ar + Ar * ⁇ Ar
  • the UV light generated in a first embodiment reaches the outside through an end window in the dielectric tube.
  • the broad sides of the tube are provided with metal foils which form the electrodes.
  • the tube is provided with recesses, over which special windows are glued, through which the radiation can escape.
  • the efficiency that can be achieved with the known radiator is of the order of 1%, which is far below the theoretical value of around 50% because the filling gas heats up inadmissibly.
  • Another inadequacy of the known radiator can be seen in the fact that its light exit window has only a comparatively small area for reasons of stability.
  • the object of the invention is to create a high-performance radiator, in particular of ultraviolet light, which has a significantly higher degree of efficiency, can be operated with higher electrical power densities and whose light exit surface is not subject to the restrictions mentioned.
  • this object is achieved in that, in the case of a high-power radiator of the generic type, both the dielectric and the first electrodes for the said Radiation are permeable and at least the second electrodes are cooled.
  • the geometry of the high-performance lamp can be adapted to the process in which it is used within wide limits. In addition to large, flat spotlights, cylindrical ones that radiate inwards or outwards are also possible.
  • the discharges can be operated at high pressure (0.1 - 10 bar). With this design, electrical power densities of 1 - 50 KW / m2 can be realized. Since the electron energy in the discharge can be largely optimized, the efficiency of such radiators is very high, even if one excites resonance lines of suitable atoms.
  • the wavelength of the radiation can be set by the type of fill gas, e.g.
  • the advantage of these emitters is the areal radiation of large radiation outputs with high efficiency. Almost all of the radiation is concentrated in one or a few wavelength ranges. It is important in all cases that the radiation can escape through one of the electrodes.
  • This problem can be solved with transparent, electrically conductive layers or else by using a fine-mesh wire network or applied conductor tracks as electrodes, which on the one hand ensure the current supply to the dielectric, but on the other hand are largely transparent to the radiation.
  • a transparent electrolyte for example H20, can be used as a further electrode, which is particularly advantageous for the irradiation of water / waste water, since in this way the radiation generated is directly in irradiating liquid arrives and this liquid also serves as a coolant.
  • a metal electrode 1 which is in contact on one side with a cooling medium 2, for example water.
  • a plate 4 made of dielectric material is arranged, spaced apart by electrically insulating spacers 3, which are distributed over a certain area.
  • a UV high-performance lamp it consists, for example, of quartz or sapphire, which is transparent to the UV radiation. Materials such as magnesium fluoride and calcium fluoride are also suitable for very short-wave radiation.
  • Dielectric 4 and metal electrode 1 delimit a discharge space 5 with a typical gap width between 1 and 10 mm.
  • a wire mesh there can also be a transparent, electrically conductive layer, the layer of indium or tin oxide being used for visible light, a gold layer 50-100 angstroms thick for visible and UV light, and especially a thin layer of alkali metals in UV can.
  • An AC power source 7 is connected between the metal electrode 1 and the counter electrode (wire mesh 6).
  • alternating current source 7 those can generally be used which have long been used in connection with ozone generators.
  • the discharge space 5 is laterally closed in the usual way, was evacuated before closing and was filled with an inert gas or a substance that forms excimers under discharge conditions, e.g. Mercury, noble gas, noble gas-metal vapor mixture, noble gas-halogen mixture, filled, optionally using an additional further noble gas (Ar, He, Ne) as a buffer gas.
  • an inert gas or a substance that forms excimers under discharge conditions e.g. Mercury, noble gas, noble gas-metal vapor mixture, noble gas-halogen mixture, filled, optionally using an additional further noble gas (Ar, He, Ne) as a buffer gas.
  • the electron energy distribution can be optimally adjusted by varying the gap width of the discharge space, pressure and / or temperature (via the intensity of the cooling).
  • a metal tube 8, a tube 9 made of dielectric material and an outer metal tube 10 are arranged coaxially one inside the other. Coolant or a gaseous coolant is passed through the interior 11 of the metal tube.
  • the annular gap 12 between the tubes 8 and 9 forms the discharge space.
  • the dielectric tube 9 a quartz tube in the example
  • the outer metal tube spaced from it by a further annular gap 13 is the liquid to be irradiated, in the example water, which forms the other electrode due to its electrolytic property.
  • the AC power source 7 is therefore connected to the two metal tubes 8 and 10.
  • This arrangement has the advantage that the radiation can act directly on the water, the water also serves as a coolant, and a separate electrode on the outer surface of the dielectric tube 9 is therefore unnecessary.
  • one of the electrodes mentioned in connection with FIG. 1 can be used (transparent electrically conductive layer, wire mesh) can be applied to the outer surface of the dielectric tube 9.
  • a quartz tube 9 provided with a transparent, electrically conductive inner electrode 14 is arranged coaxially in a metal tube 8.
  • An annular discharge gap 12 extends between the two tubes 8, 9.
  • the metal tube 8 is formed to form an annular cooling gap 15 through which a coolant, e.g. Water that can be passed through is surrounded by an outer tube 10.
  • the AC power source 7 is connected between the inner electrode 14 and the metal tube 8.
  • the substance to be irradiated is guided through the interior 16 of the dielectric tube 9 and, if suitable, simultaneously serves as a coolant.
  • an electrolyte e.g. Use water as an electrode.
  • the individual tubes are spaced or fixed relative to one another by means of spacing elements, such as are used in ozone technology.
  • FIG. 4 The basic structure of such a high-power radiator is shown in FIG. 4. There are the same with Fig. 1 parts with the same reference numerals.
  • the basic difference between FIGS. 1 and 4 consists in the interposition of a second dielectric 17 between the discharge space 5 and the metallic electrode 1.
  • the metallic electrode 1 is cooled by a cooling medium 2; the radiation leaves the discharge space 5 through the dielectric 4 which is permeable to the radiation and the wire mesh 6 serving as the second electrode.
  • FIG. 5 A practical implementation of such a high-power radiator is illustrated schematically in FIG. 5.
  • a double-walled quartz tube 18, consisting of an inner tube 19 and an outer tube 20, is surrounded on the outside by a wire mesh 6, which serves as the first electrode.
  • the second electrode is designed as a metal layer 21 on the inner wall of the inner tube 19.
  • the AC power source 7 is connected to these two electrodes.
  • the annular space between the inner and outer tube serves as a discharge space 5. This is sealed off from the outer space by melting the filler neck.
  • the radiator is cooled by passing a coolant through the interior of the inner tube 19, a tube 23 being inserted into the inner tube 19 to guide the coolant, leaving an annular space 24 between the inner tube 19 and the tube 23.
  • the direction of flow of the coolant is shown by arrows.
  • the hermetically sealed radiator according to FIG. 5 can also be operated as an internal radiator analogous to FIG. 3 if the cooling is fitted on the outside and the UV-permeable electrode on the inside.
  • the high-power radiators according to FIGS. 4 and 5 can also be modified in a variety of ways without departing from the scope of the invention:
  • the metallic electrode 1 can be dispensed with if the cooling medium is an elec trolyte, which also serves as an electrode.
  • the wire mesh 6 can also be replaced by an electrically conductive, radiation-permeable layer.
  • the wire mesh 6 can be replaced by such a layer.
  • the metal layer 21 is formed as a layer which is transparent to the radiation, e.g. from indium or tin oxide, the radiation can be applied directly to the cooling medium, e.g. Water. If the coolant itself is an electrolyte, this can take over the function of the electrode 21.
  • each volume element in the discharge gap will emit its radiation in the entire solid angle 4 ⁇ . If one only wants to use the radiation that emerges from the UV-permeable electrode 6, the usable radiation can be practically doubled if the counter electrode 21 is made of a material that reflects UV radiation well (e.g. aluminum). 5, the inner electrode could be aluminum vapor deposition.
  • Thin (0.1-1 ⁇ m) layers of alkali metals are also suitable for the UV-permeable, electrically conductive electrode 6.
  • the alkali metals lithium, potassium, rubidium, cesium in the ultraviolet spectral range have a high transparency with little reflection. Alloys (eg 25% sodium / 75% potassium) are also suitable. Since the alkali metals react with air (sometimes very violently), they must be provided with a UV-permeable protective layer (eg Mg F2) after application in a vacuum.
  • a UV-permeable protective layer eg Mg F2

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Abstract

Der Hochleistungsstrahler besteht aus einem durch eine einseitig gekühlte Metallelektrode (8) und ein Dielektrikum (9) begrenzten und mit einem Edelgas oder Gasgemisch gefüllten Entladungsraum (12), wobei sowohl das Dielektrikum (9) als auch die auf der dem Entladungsraum (12) abgewandte Oberfläche des Dielektrikums liegende andere Elektrode für die durch stille elektrische Entladungen erzeugte Strahlung transparent sind. Auf diese Weise wird ein grossflächiger UV-Strahler mit hohem Wirkungsgrad geschaffen, der mit hohen elektrischen Leistungsdichten bis hin zu 50 KW/m² aktiver Elektrodenoberfläche betrieben werden kann.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit Füllgas gefüllten Entladungsraum, dessen Wandungen zum einen durch ein Dielektrikum gebildet sind, welches auf seiner dem Ent­ladungsraum abgewandten Oberfläche mit ersten Elektroden versehen ist, zum anderen aus zweiten Elektroden oder gleich­falls durch ein Dielektrikum gebildet sind, welches auf seiner dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche mit zweiten Elek­troden versehen ist, mit einer an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung sowie Mitteln zur Leitung der durch stille elektrische Entladung erzeugten Strahlung in einen Aussenraum.
  • Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Tech­nik, wie er sich beispielsweise aus der Veröffentlichung "Vacuum-ultraviolet lamps with a barrier discharge in inert gases" von G.A. Volkova, N.N. Kirillova, E.N. Pavlovskaya and A.V. Yakovleva in der SU-Zeitschrift Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii 41 (1984) No. 4, 691-695, veröffentlicht in einer englischsprachigen Uebersetzung der Plenum Publishing Corporation 1985, Dok. Nr. 0021-9037/84/4104-1194 $ 08.50, S. 1194 ff., ergibt.
    • Stand der Technik
  • Für Hochleistungsstrahler, insbesondere Hochleistungs-UV-­Strahler, gibt es diverse Anwendungen wie z.B. Entkeimung, Aushärten von Lacken und Kunstharzen, Rauchgasreinigung, Zerstörung und Synthese spezieller chemischer Verbindungen. Im allgemeinen wird die Wellenlänge des Strahlers sehr genau auf den beabsichtigten Prozess abgestimmt sein müssen. Der bekannteste UV-Strahler ist vermutlich der Quecksilberstrahler, der UV-Strahlung der Wellenlänge 254 nm und 185 nm mit hohem Wirkungsgrad abstrahlt. In diesen Strahlern brennt eine Nieder­druck-Glimmentladung in einem Edelgas-Quecksilberdampf-Gemisch.
  • In der eingangs genannten Veröffentlichung "Vakuum ultra­violet lamps ..." wird eine auf dem Prinzip der stillen elek­trischen Entladung basierende UV-Strahlenquelle beschrieben. Dieser Strahler besteht aus einem Rohr aus dielektrischem Material mit Rechteckquerschnitt. Zwei gegenüberliegende Rohrwände sind mit flächenhaften Elektroden in Form von Metall­folien versehen, die an einen Impulsgenerator angeschlossen sind. Das Rohr ist an beiden Enden verschlossen und mit einem Edelgas (Argon, Krypton oder Xenon) gefüllt. Derartige Füllgase bilden beim Zünden einer elektrischen Entladung unter bestimm­ten Bedingungen sogenannte Excimere. Ein Excimer ist ein Molekül, das aus einem angeregten Atom und einem Atom im Grundzustand gebildet wird.

        z.B. Ar + Ar* → Ar
    Figure imgb0001
  • Es ist bekannt, dass die Umwandlung von Elektronenenergie in UV-Strahlung mit diesen Excimeren sehr effizient erfolgt. Bis zu 50 % der Elektronenenergie kann in UV-Strahlung um­gewandelt werden, wobei die angeregten Komplexe nur einige Nanosekunden leben und beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung abgehen. Wellenlängenbereiche:
    Figure imgb0002
  • Bei dem bekannten Strahler gelangt das erzeugte UV-Licht bei einer ersten Ausführung über ein stirnseitiges Fenster im dielektrischen Rohr in den Aussenraum. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Breitseiten des Rohres mit Metall­folien versehen, welche die Elektroden bilden. An den Schmal­seiten ist das Rohr mit Ausnehmungen versehen, über welche spezielle Fenster geklebt sind, durch welche die Strahlung austreten kann.
  • Der mit dem bekannten Strahler erreichbare Wirkungsgrad liegt in der Grössenordnung von 1 %, also weit unter dem theore­tischen Wert von um 50 %, weil sich das Füllgas unzulässig aufheizt. Eine weitere Unzulänglichkeit des bekannten Strahlers ist darin zu sehen, dass sein Lichtaustrittsfenster aus Stabili­tätsgründen nur eine vergleichsweise kleine Fläche aufweist.
    • Kurze Beschreibung der Erfindung
  • Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zu­grunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere von ultra­violettem Licht zu schaffen, der einen wesentlich grösseren Wirkungsgrad aufweist, mit höheren elektrischen Leistungs­dichten betrieben werden kann und dessen Lichtaustrittsfläche den genannten Beschränkungen nicht unterliegt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei einem gattungsgemässen Hochleistungsstrahler sowohl das Dielektrikum als auch die ersten Elektroden für die besagte Strahlung durchlässig sind und zumindest die zweiten Elektroden gekühlt sind.
  • Auf diese Weise ist ein Hochleistungsstrahler geschaffen, der mit grossen elektrischen Leistungsdichten und hohem Wir­kungsgrad betrieben werden kann. Die Geometrie des Hochlei­stungsstrahlers ist in weiten Grenzen dem Prozess anpassbar, in welchem er eingesetzt wird. So sind neben grossflächigen ebenen Strahlern auch zylindrische, die nach innen oder nach aussen strahlen, möglich. Die Entladungen können bei hohem Druck (0.1 - 10 bar) betrieben werden. Mit dieser Bauweise lassen sich elektrische Leistungsdichten von 1 - 50 KW/m² realisieren. Da die Elektronenenergie in der Entladung weit­gehend optimiert werden kann, liegt der Wirkungsgrad solcher Strahler sehr hoch, auch dann, wenn man Resonanzlinien geeig­neter Atome anregt. Die Wellenlänge der Strahlung lässt sich durch die Art des Füllgases einstellen z.B. Quecksilber (185 nm, 254 nm), Stickstoff (337-415 nm), Selen (196, 204, 206 nm), Xenon (119, 130, 147 nm), Krypton (124 nm). Wie bei anderen Gasentladungen empfiehlt sich auch die Mischung ver­schiedener Gasarten.
  • Der Vorteil dieser Strahler liegt in der flächenhaften Ab­strahlung grosser Strahlungsleistungen mit hohem Wirkungsgrad. Fast die gesamte Strahlung ist auf einen oder wenige Wellen­längenbereiche konzentriert. Wichtig ist in allen Fällen, dass die Strahlung durch eine der Elektroden austreten kann. Dieses Problem ist lösbar mit transparenten, elektrisch lei­tenden Schichten oder aber auch, indem man ein feinmaschiges Drahtnetz oder aufgebrachte Leiterbahnen als Elektrode benützt, die einerseits die Stromzufuhr zum Dielektrikum gewährleisten, andererseits für die Strahlung aber weitgehend transparent sind. Auch kann ein transparenter Elektrolyt, z.B. H₂0, als weitere Elektrode verwendet werden, was insbesondere für die Bestrahlung von Wasser/Abwasser vorteilhaft ist, da auf diese Weise die erzeugte Strahlung unmittelbar in die zu bestrahlende Flüssigkeit gelangt und diese Flüssigkeit gleich­zeitig als Kühlmittel dient.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt
    • Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt eines ebenen Flächenstrahlers im Schnitt
    • Fig. 2 einen zylindrischen nach aussen abstrahlenden Strahler, der in einen Bestrahlungsbehälter für durchströmende Flüssigkeiten oder Gase integriert ist im Schnitt
    • Fig. 3 einen zylindrischen nach innen abstrahlenden Strahler für photochemische Reaktionen
    • Fig. 4 eine Abwandlung des Strahlers nach Fig. 1 mit einem beidseits durch ein Dielektrikum begrenzten Enladungs­raum
    • Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel eines Strahlers in Gestalt eines doppelwandigen Quarzrohrs.
    Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Der Hochleistungsstrahler nach Fig. 1 umfasst eine Metall­elektrode 1, die auf ihrer einen Seite mit einem Kühlmedium 2, z.B. Wasser, in Kontakt steht. Auf der anderen Seite der Metallelektrode 1 ist - distanziert durch elektrisch iso­lierende Distanzstücke 3, die punktuell über Fläche verteilt sind - eine Platte 4 aus dielektrischem Material angeordnet. Sie besteht für einen UV-Hochleistungsstrahler z.B. aus Quarz oder Saphir, das für die UV-Strahlung durchlässig ist. Für sehr kurzwellige Strahlungen kommen auch Materialien, wie z.B. Magnesiumfluorid und Calziumfluorid in Frage. Für Strah­ler, welche Strahlung im sichtbaren Bereich des Lichtes lie­ fern sollen, ist das Dielektrikum Glas. Dielektrikum 4 und Metallelektrode 1 begrenzen einen Entladungsraum 5 mit einer typischen Spaltweite zwischen 1 und 10 mm. Auf der dem Ent­ladungsraum 5 abgewandten Oberfläche der dielektrischen Platte 4 ist ein feines Drahtnetz 6 aufgebracht, von dem nur die Kett- oder Schussfäden in Fig. 1 sichtbar sind. Anstelle eines Drahtnetzes kann auch eine transparente elektrisch leitende Schicht vorhanden sein, wobei für sichtbares Licht die Schicht aus Indium- oder Zinnoxid, für sichtbares und UV-Licht eine 50 - 100 Angström dicke Goldschicht und speziell im UV auch eine dünne Schicht aus Alkalimetallen verwendet werden kann. Eine Wechselstromquelle 7 ist zwischen die Me­tallelektrode 1 und die Gegenelektrode (Drahtnetz 6) geschaltet.
  • Als Wechselstromquelle 7 können generell solche verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit Ozonerzeugern seit langem eingesetzt werden.
  • Der Entladungsraum 5 ist seitlich in üblicher Weise geschlos­sen, wurde vor dem Verschliessen evakuiert und mit einem inerten Gas, oder einer bei Entladungsbedingungen Excimere bildenden Substanz, z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Me­talldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gefüllt, gegebenen­falls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases (Ar, He, Ne) als Puffergas.
  • Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strah­lung kann dabei eine Substanz gemäss nachfolgender Tabelle Verwendung finden:
    Figure imgb0003
  • In der sich bildenden stillen Entladung (dielectric barrier discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Variation der Spaltweite des Entladungsraumes, Druck und/oder Temperatur (über die Intensität der Kühlung) optimal eingestellt werden.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind ein Metallrohr 8, ein von diesem distanziertes Rohr 9 aus dielektrischem Material und ein äusseres Metallrohr 10 koaxial ineinander angeordnet. Durch den Innenraum 11 des Metallrohres wird Kühlflüssigkeit oder ein gasförmiges Kühlmittel geleitet. Der Ringspalt 12 zwischen den Rohren 8 und 9 bildet den Entladungsraum. Zwischen dem dielektrischen Rohr 9 (im Beispielsfall ein Quarzrohr) und dem von diesem durch einen weiteren Ringspalt 13 distan­zierten äusseren Metallrohr befindet sich die zu bestrahlende Flüssigkeit, im Beispielsfall Wasser, das aufgrund seiner elektrolytischen Eigenschaft die andere Elektrode bildet. Die Wechselstromquelle 7 ist demzufolge an die beiden Me­tallrohre 8 und 10 angeschlossen.
  • Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Strahlung unmittelbar auf das Wasser einwirken kann, das Wasser gleichzeitig als Kühlmittel dient, und damit eine separate Elektrode auf der äusseren Oberfläche des dielektrischen Rohres 9 entbehrlich ist.
  • Ist die zu bestrahlende Flüssigkeit kein Elektrolyt, so kann eine der im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Elektroden (transparente elektrisch leitende Schicht, Drahtnetz) auf die äussere Oberfläche des dielektrischen Rohres 9 aufgebracht sein.
  • Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein mit einer trans­parenten elektrisch leitenden Innenelektrode 14 versehenes Quarzrohr 9 koaxial in einem Metallrohr 8 angeordnet. Zwischen beiden Rohren 8, 9 erstreckt sich ein ringförmiger Entla­dungsspalt 12. Das Metallrohr 8 ist unter Bildung eines ring­förmigen Kühlspaltes 15, durch den ein Kühlmittel, z.B. Wasser, hindurchleitbar ist, von einem äusseren Rohr 10 umgeben. Die Wechselstromquelle 7 ist zwischen die Innenelektrode 14 und das Metallrohr 8 geschaltet.
  • Wie im Falle der Fig. 2 wird durch den Innenraum 16 des dielek­trischen Rohres 9 die zu bestrahlende Substanz geführt und dient - sofern geeignet - gleichzeitig als Kühlmittel.
  • Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 kann neben festen, auf dem Rohrinneren angebrachten Innenelektroden 14 (Schichten, Drahtnetz) ein Elektrolyt, z.B. Wasser als Elektrode Verwendung finden.
  • Sowohl bei Aussenstrahlern gemäss Fig. 2 als auch bei Innen­strahlern nach Fig. 3 erfolgt die Distanzierung bzw. relative Fixierung der einzelnen Rohre gegeneinander durch Distanzie­rungselemente, wie sie in der Ozontechnik verwendet werden.
  • Experimente haben gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, bei bestimmten Füllgasen hermetisch abgeschlossene Entla­dungsgeometrien, z.B. abgeschmolzene Quarz- oder Glasbehälter, zu verwenden. In einer solchen Konfiguration kommt das Füll­gas nicht mehr mit einer metallischen Elektrode in Berührung, die Entladung ist allseits von Dielektrika begrenzt. Der prinzipielle Aufbau eines derartigen Hochleistungsstrah­lers geht aus Fig. 4 hervor. Dort sind die mit Fig. 1 gleich­ wirkenden Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Der prinzipielle Unterschied zwischen Fig. 1 und Fig. 4 besteht in der Zwischenschaltung eines zweiten Dielektrikums 17 zwischen Entladungsraum 5 und metallischer Elektrode 1. Wie im Falle der Fig. 1 ist die metallische Elektrode 1 durch ein Kühl­medium 2 gekühlt; die Strahlung verlässt den Entladungsraum 5 durch das für die Strahlung durchlässige Dielektrikum 4 und das als zweite Elektrode dienende Drahtnetz 6.
  • Eine praktische Realisierung eines derartigen Hochleistungs­strahlers ist in Fig. 5 schematisch veranschaulicht. Ein doppelwandiges Quarzrohr 18, bestehend aus einem Innenrohr 19 und einem Aussenrohr 20 ist aussen von einem Drahtnetz 6 umgeben, das als erste Elektrode dient. Die zweite Elektrode ist als Metallschicht 21 an der Innenwandung des Innenrohrs 19 ausgeführt. Die Wechselstromquelle 7 ist an diese beiden Elektroden angeschlossen. Der Ringraum zwischen Innen- und Aussenrohr dient als Entladungsraum 5. Dieser ist durch Ab­schmelzen des Füllstutzens hermetisch gegenüber dem Aussenraum abgeschlossen. Die Kühlung des Strahlers erfolgt durch Hin­durchleiten eines Kühlmittels durch den Innenraum des Innen­rohrs 19, wobei zur Kühlmittelführung ein Rohr 23 in das Innenrohr 19 unter Belassung eines Ringraums 24 zwischen Innenrohr 19 und Rohr 23 eingesetzt ist. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist durch Pfeile verdeutlicht. Auch der her­metisch abgeschlossene Strahler nach Fig. 5 lässt sich als Innenstrahler analog Fig. 3 betreiben, wenn man die Kühlung aussen anbringt und die UV-durchlässige Elektrode innen.
  • Im Lichte der Ausführungen zu den in den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Anordnungen versteht es sich von selbst, dass auch die Hochleistungsstrahler gemäss Fig. 4 und 5 in mannig­faltiger Weise abgewandelt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen:
    So kann bei der Ausführung nach Fig. 4 auf die metallische Elektrode 1 verzichtet werden, wenn das Kühlmedium ein Elek­ trolyt ist, der gleichzeitig als Elektrode dient. Auch kann das Drahtnetz 6 durch eine elektrisch leitfähige, für die Strahlung durchlässige Schicht ersetzt werden.
  • Auch im Falle der Fig. 5 kann das Drahtnetz 6 durch eine derartige Schicht ersetzt werden. Bildet man die Metallschicht 21 als für die Strahlung durchlässige Schicht, z.B. aus Indium- ­oder Zinnoxid, aus, so kann die Strahlung unmittelbar auf das Kühlmedium, z.B. Wasser, einwirken. Ist das Kühlmittel selbst ein Elektrolyt, so kann dieses die Funktion der Elek­trode 21 übernehmen.
  • Bei den vorgeschlagenen inkohärenten Strahlern wird jedes Volumenelement im Entladungsspalt seine Strahlung in den ganzen Raumwinkel 4π abstrahlen. Will man nur die Strahlung ausnutzen, die aus der UV-durchlässigen Elektrode 6 austritt, kann man die nutzbare Strahlung praktisch verdoppeln, wenn die Gegenelektrode 21 aus einem Material ist, das UV-Strahlung gut reflektiert (z.B. Aluminium). Bei der Anordnung der Fig. 5 könnte die innere Elektrode eine Aluminiumbedampfung sein.
  • Für die UV-durchlässige elektrisch leitfähige Elektrode 6 bieten sich auch dünne (0.1-1µm) Schichten aus Alkalimetallen an. Wie bekannt ist, weisen die Alkalimetalle Lithium, Kalium, Rubidium, Cäsium im ultravioletten Spektralbereich eine hohe Transparenz bei geringer Reflexion auf. Auch Legierungen (z.B. 25 % Natrium / 75 % Kalium) bieten sich an. Da die Alkali-Metalle mit Luft (z.T. sehr heftig) reagieren, muss man sie nach der Aufbringung im Vakuum mit einer UV-durch­lässigen Schutzschicht (z.B. Mg F₂) versehen.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 1 Metallelektrode
    • 2 Kühlmedium
    • 3 Distanzstücke
    • 4 dielektrische Platte
    • 5 Entladungsraum
    • 6 Drahtnetz
    • 7 Wechselstromquelle
    • 8 Metallrohr
    • 9 dielektrisches Rohr
    • 10,10ʹ äusseres Metallrohr
    • 11 Innenraum von 8
    • 12 Ringspalt zwischen 8 und 9
    • 13 Ringspalt zwischen 9 und 10
    • 14 Innenelektrode
    • 15 Kühlspalt
    • 16 Innenraum von 9
    • 17 Dielektrikum
    • 18 doppelwandiges Quarzrohr
    • 19 Innenrohr
    • 20 Aussenrohr
    • 21 Metallschicht
    • 22 Füllstutzen
    • 23 Kühlmittelführungsrohr
    • 24 Ringraum zwischen 19 und 23

Claims (17)

1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit Füllgas gefüllten Entladungsraum (5), dessen Wandungen zum einen durch ein Dielektrikum (4) gebildet sind, welches auf seiner dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche mit ersten Elektroden (6; 14) ver­sehen ist, zum anderen aus zweiten Elektroden (1; 10, 21) oder gleichfalls durch ein Dielektrikum (17; 19) gebildet sind, welches auf seiner dem Entladungsraum (5) abgewandten Oberfläche mit zweiten Elektroden (1; 21) versehen ist, mit einer an die ersten und zweiten Elektroden angeschlos­senen Wechselstromquelle (7) zur Speisung der Entladung sowie Mitteln zur Leitung der durch stille elektrische Entladung erzeugten Strahlung in einen Aussenraum, da­durch gekennzeichnet, dass sowohl das Dielektrikum (4; 18) als auch die ersten Elektroden (6) für die besagte Strahlung durchlässig sind.
2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass die erste Elektrode eine transparente elek­trisch leitende Schicht (14), vorzugsweise aus Indium- ­oder Zinnoxid oder einer dünnen Schicht aus Alkalimetall oder aus Gold besteht.
3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode ein Drahtnetz (6) ist.
4. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (1; 10; 21) eine UV-Licht reflek­tierende Schicht, vorzugsweise Aluminiumschicht ist.
5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium ein unter Entladungsbedingungen Excimere bildendes Edelgas oder Edelgasgemisch ist.
6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass das Füllmedium Quecksilber, Stickstoff, Selen, Deuterium oder ein Gemisch dieser Substanzen allein oder mit einem Edelgas ist.
7. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass zumindest die zweite Metallelektrode (1) und das Dielektrikum (4) plattenförmig ausgebildet sind und die zweite metallische Elektrode (1) von der dielektrischen Platte (4) mittels Distanzstücken (3) distanziert sind.
8. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, dass die zweite Metallelektrode (8) und das Dielek­trikum (9) rohrförmig ausgebildet sind und zwischen sich den Entladungsraum (12) bilden.
9. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­net, dass das dielektrische Rohr (9) das Metallrohr (8) konzentrisch umgibt und an seiner äusseren Oberfläche mit einer transparenten elektrisch leitenden Schicht ver­sehen ist oder unmittelbar an einen Elektrolyt angrenzt, welcher die erste Elektrode bildet.
10. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­net, dass das dielektrische Rohr (9) konzentrisch innerhalb des Metallrohres (8) angeordnet ist und die innere Ober­fläche des dielektrischen Rohres mit einer transparenten elektrisch leitenden Schicht (14) versehen ist oder an einen Elektrolyt angrenzt, welcher die erste Elektrode bildet.
11. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­net, dass das Metallrohr (8) unter Belassung eines Kühl­spaltes (15) von einem weiteren Rohr (10ʹ) umgeben, durch welchen Kühlspalt ein Kühlmittel hindurchleitbar ist.
12. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Entladungsraum (5) im wesentlichen durch zwei distanzierte Platten (4, 17) aus dielektri­schem Material gebildet ist, an welche sich nach aussen hin Elektroden (6, 1) anschliessen, wovon die eine (1) gekühlt ist.
13. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass der Entladungsraum (5) durch den Ringraum zweier Rohre (19, 20) aus dielektrischem Material gebildet ist, wobei zumindest eine der dem Entladungsraum (5) abgewandten Oberflächen der Rohre mit einer für die Strah­lung durchlässigen Elektrode (6) versehen ist und eine der beiden Elektroden (6, 21) gekühlt ist.
14. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 13, dadurch gekenn­zeichent, dass die Innenfläche des inneren Rohres (19) mit einer Elektrode (21) versehen ist, dass in den Innen­raum des inneren Rohres (19) und von diesem distanziert ein Kühlmittelführungsrohr hineinragt, durch welches ein Kühlmittel zuführbar und durch den Ringraum (24) zwischen diesem und dem inneren Rohr (19) entlang der besagten Elektrode (21) abführbar ist.
15. Hochleistungsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmedium ein Edelgas/Ha­logen-Gemisch, vorzugsweise ein Ar/F-,Kr/F-,Xe/Cl-,Xe/J-Gemisch ist.
16. Hochleistungsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllgas ein Puffergas in Form eines zusätzlichen Edelgases, vorzugsweise Ar, He oder Ne, enthält.
17. Hochleistungsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichent, dass zumindest die ersten Elek­troden (1; 21) gekühlt, vorzugsweise flüssigkeitsgekühlt sind.
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