EP0363832A1 - Hochleistungsstrahler - Google Patents

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EP0363832A1
EP0363832A1 EP89118546A EP89118546A EP0363832A1 EP 0363832 A1 EP0363832 A1 EP 0363832A1 EP 89118546 A EP89118546 A EP 89118546A EP 89118546 A EP89118546 A EP 89118546A EP 0363832 A1 EP0363832 A1 EP 0363832A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrodes
dielectric
radiator according
discharge
power radiator
Prior art date
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Granted
Application number
EP89118546A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0363832B1 (de
Inventor
Bernd Dr. Gellert
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
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Heraeus Noblelight GmbH
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Heraeus Noblelight GmbH, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0363832A1 publication Critical patent/EP0363832A1/de
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Publication of EP0363832B1 publication Critical patent/EP0363832B1/de
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    • 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 emitting radiation under discharge conditions, with pairs of electrodes which are connected in pairs to the two poles of a high-voltage source, with at least one dielectric material lying between two electrodes at different potentials that is adjacent to the discharge space.
  • the invention relates to a state of the art, such as results from EP application 87109674.9 or US application 07/076926.
  • UV sources The industrial use of photochemical processes depends heavily on the availability of suitable UV sources.
  • the classic UV lamps deliver low to medium UV intensities at some discrete wavelengths, such as the low-pressure mercury lamps at 185 nm and especially at 254 nm.
  • Really high UV powers can only be obtained from high-pressure lamps (Xe, Hg), which then but distribute their radiation over a larger wavelength range.
  • the new excimer lasers have some new wavelengths for basic photochemical experiments are provided. currently for cost reasons for an industrial process probably only suitable in exceptional cases.
  • the invention has for its object to provide a high-performance radiator, in particular for UV or VUV light, which is characterized in particular by higher efficiency, is economical to manufacture and also enables the construction of very large area radiators.
  • the electrode pairs mentioned, separated by dielectric material are arranged directly next to one another in such a way that the silent electrical discharge is formed in the discharge space in the region of the dielectric surface.
  • the manufacture of the high-power radiator according to the invention is simplified and less expensive than in the known radiators. You can use materials that are easy to cast so that the electrodes can be cast in. This reduces problems when complying with tolerances (eg thickness of the dielectric or the distances). Also for the limiting glass / quartz material there are no very high demands, since the limiting walls only have to be transparent and are not stressed by the discharge. This leads to a longer lamp life.
  • the gap width and its tolerances are also far less critical. In particular, because of the lower requirements with regard to tolerances, very large area radiators can be realized, which can be made very thin.
  • the UV yield is very high. There are no transmission losses from an electrode grid or a partially permeable layer.
  • the high-power radiator according to the invention permits radiator geometries of almost any shape.
  • cylindrical or elliptical emitters can be created.
  • the emitters do not necessarily have to be flat or elongated, but have to be curved or curved in one or more dimensions.
  • the invention allows the applicant to provide the walls delimiting the discharge space with a luminescent layer either on the discharge space facing or on the outer wall in order to convert the UV -Light in visible light.
  • the wall no longer has to be UV-permeable because it only has to let visible light through.
  • Dielectrics which are not necessarily transparent to UV light can be used in the arrangement according to the invention, which means that particularly high efficiencies can be expected for special applications.
  • UV light can be used directly for some applications without having to leave the discharge space. This applies in particular to those applications that can be carried out in the discharge space.
  • Such applications with growing economic importance include, for example, use as a strong UV lamp for pre-ionization purposes of other discharges, for example lasers, and treatment of surfaces with UV exposure, chemical processes such as the preparation of new chemicals or surfaces and coating processes such as plasma CVD (Chemical Vapor Deposition), Photo-CVD, in which a substrate to be treated is brought as close as possible to the UV light source with a suitable filling gas.
  • plasma CVD Chemical Vapor Deposition
  • Photo-CVD Photo-CVD
  • 1 and 2 consists of two spaced UV-transparent plates 1, 2 made of quartz glass, between which a further plate 3 made of dielectric material, e.g. Glass or ceramic or a plastic dielectric is arranged. Spacers 4, 5 distributed over the surface secure the spacing of the plates 1, 2 and 3 and at the same time serve to hold them together.
  • metal electrodes, 6 ', 6' are embedded at regular intervals and spaced apart. As can be seen in Fig.2, the electrodes 6'6 ⁇ are alternately connected to one and the other pole of an alternating current source 7.
  • the alternating current source 7 basically corresponds to those used for supplying ozone generators.
  • an adjustable AC voltage in the order of magnitude of several 100 volts to 20,000 volts at frequencies in the range of technical alternating current up to a few kHz - depending on the electrode geometry, pressure in the discharge space and composition of the filling gas.
  • the discharge spaces 8 and 9 between the plates 1 and 3 or 3 and 2 are filled with a filling gas which emits radiation under discharge conditions, for example mercury, noble gas, noble gas-metal vapor mixture, noble gas-halogen mixture, optionally using an additional further noble gas , preferably Ar, He, Ne, as a buffer gas.
  • a filling gas which emits radiation under discharge conditions, for example mercury, noble gas, noble gas-metal vapor mixture, noble gas-halogen mixture, optionally using an additional further noble gas , preferably Ar, He, Ne, as a buffer gas.
  • a substance / substance mixture according to the following table can be used: Filling gas radiation helium 60-100 nm neon 80 - 90 nm argon 107 - 165 nm Argon + fluorine 180-200 nm Argon + chlorine 165-190 nm Argon + krypton + chlorine 165-190, 200-240 nm xenon 160-190 nm nitrogen 337 - 415 nm krypton 124, 140-160 nm Krypton + fluorine 240 - 255 nm Krypton + chlorine 200-240 nm mercury 185.254, 320-360, 390-420 nm selenium 196, 204, 206 nm deuterium 150-250 nm Xenon + fluorine 400 - 550 nm Xenon + chlorine 300-320 nm
  • an inert gas Ar, He, Kr, Ne, Xe
  • Hg An inert gas or Hg with a gas or vapor from F2, J2, Br2, Cl2 or a compound that splits off one or more atoms F, J, Br or Cl in the discharge
  • - A noble gas Ar, He, Kr, Ne, Xe
  • Hg with O2 or a compound that releases one or more O atoms in the discharge
  • an inert gas Ar, He, Kr, Ne, Xe
  • the electron energy distribution can be optimally adjusted by the thickness of the dielectric plate 3 and its properties, distance between the electrodes 6 ', 6 ⁇ , pressure and / or temperature.
  • a plurality of discharge channels 10 form from one electrode 6' through the dielectric 3 along the surface of the dielectric 3 and back into the dielectric 3 into the adjacent electrode 6 ⁇ .
  • These sliding discharges 10 running along the surface emit the UV light, which then penetrates through the transparent plates 1, 2 in the example. If different filling gases are used in rooms 8 and 9, two different radiations can be generated with one and the same radiator if the electrode arrangement and distribution are selected accordingly.
  • a coating 11, 12 to the two surfaces of the dielectric 3, lower ignition voltages for the discharge can be achieved, so that the costs for the supply can be reduced.
  • the primary coating materials are the oxides of magnesium, ytterbium, lanthanum and cerium (MgO, Yb2O3, La2O3, CeO2).
  • the UV light can also be used directly for some applications without it having to penetrate through the cover plates 1, 2. This applies to those applications that can be carried out in the discharge spaces 8, 9 themselves.
  • Such applications with growing economic importance include, for example, the treatment of surfaces with UV exposure, chemical processes such as the preparation of new chemicals or surface coating such as plasma CVD, photo CVD, that is to say processes in which a treatment is carried out
  • the substrate With a suitable filling gas, the substrate is brought as close as possible to the dielectric surface, i.e. where the radiation is generated.
  • the production of the dielectric 3 together with the electrodes 6 ', 6' embedded in it is simplified compared to the known high-power radiators and thus less expensive. You can use materials that can be cast relatively easily, so that the electrodes 6 ', 6 ⁇ can be cast in at the same time. This eliminates problems with compliance with tolerances, e.g. the thickness of the dielectric 3 or the distances between the plates 1 and 3 or 3 and 2 is reduced. Also for the material of the UV-permeable plates - if they have to be UV-permeable at all - there are no very high demands, since they are not stressed by the discharge. This in turn leads to an increase in the total life of the lamp.
  • the electrodes 6, 6 ⁇ embedded in the dielectric 3 For an inexpensive production of the electrodes 6, 6 ⁇ embedded in the dielectric 3, techniques can also be used which are used in the production of plasma display cells (cf. "AC Plasma Display” by TNCriscimagna & P.Pleshko in “Display Devices”", JIPamkove (Ed.), Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1980, pp. 92-150).
  • the electrodes according to FIG. 3 are applied as discrete conductor tracks 6a, 6b to a substrate 13 made of glass, quartz or ceramic using thin-film or thick-film techniques.
  • vaporization and sputtering processes are used for metallization on the one hand, and conductive pastes on the other.
  • Fine conductor tracks can be produced by photo-lithographic processes, wider ones (> 25 micrometers) can be created by metal deposition through a mask.
  • the conductor tracks (electrodes) thus applied are then covered by a dielectric layer 14.
  • layers of lead oxide glass can be applied as a spray or paste and then heated, forming a continuous layer of glass.
  • Layers of borosilicate glass can be made using evaporation techniques. It is also possible to deposit other dielectric layers using methods that are common in semiconductor technology, for example by means of plasma CVD or photo CVD.
  • electrodes with an almost constant cross section can also be used.
  • the electrodes also do not have to run in a straight line, but can also be arranged, for example, in a meandering shape or in a zigzag pattern next to one another.
  • the electrodes 6 ′, 6 ⁇ as hollow electrodes, or in the dielectric 3 in FIG. 1 or in the substrate 13 in FIG. 3, additional channels running in the longitudinal direction of the electrode (item 15 in FIG. 3) to provide through which channels a liquid or gaseous coolant is passed.
  • FIG. 6 a tube 21 made of dielectric material is arranged coaxially between two quartz tubes 19, 20. Spacers, not shown, secure the mutual position of the three tubes.
  • metal electrodes 22 ′, 22 ⁇ are embedded in the dielectric tube 21, which are alternately connected to one and the other pole of an AC power source (not shown) analogously to FIG.
  • the cylinder emitter according to FIG. 6 emits both inwards (into the interior of the tube 20) and outwards. If different filling gases are used in rooms 8 and 9, two different radiations can be generated with the same radiator if the electrode arrangement and distribution are selected accordingly. Of course, this also applies to a radiator according to Fig. 4.
  • the desired reactions can also take place in the discharge space (s) 8 or 9 itself in the case of cylindrical radiators according to FIG. 6.

Abstract

Bei einem UV-Hochliestungsstrahler bestehen die Elektroden (6',6") aus Drähten, welche in ein Glasdielektrikum (3) eingebettet sind. Das Dielektrikum ist zwischen zwei UV-transparenten Platten (1,2) distanziert angeordnet. Die Entladungsräume (8,9) sind mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendenden Füllgas gefüllt. Die Gleitentladungen (10) bilden sich an der Dielektrikumsobberfläche je zwischen zwei benachbbarten Elektrodendrähten (6',6") aus. Ein derart aufgebauter Hochleistungsstrahler zeichnet sich durch einfachen und wirtschaftlichen Aufbau und hohe UV-Ausbeute aus.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem unter Ent­ladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum, mit Elektrodenpaaren, die paarweise an die beiden Pole einer Hochspannungsquelle angeschlossen sind, wobei zwischen zwei auf unterschiedlichem Potential liegen­den Elektroden mindestens ein dielektrisches Material liegt, das an den Entladungsraum angrenzt.
    Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Tech­nik, wie er sich etwa aus der EP-Anmeldung 87109674.9 oder der US-Anmeldung 07/076926 ergibt.
    • Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
  • Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der der Verfügbarkeit geeigneter UV-Quellen ab. Die klassischen UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere UV-Intensitäten bei einigen diskreten Wellenlängen, wie z.B. die Quecksilber-Niederdrucklampen bei 185 nm und ins­besondere bei 254 nm. Wirklich hohe UV-Leistungen erhält man nur aus Hochdrucklampen (Xe, Hg), die dann aber ihre Strahlung über einen grösseren Wellenlängenbereich verteilen. Die neuen Excimer-Laser haben einige neue Wellenlängen für photchemische Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind. z.Zt. aus Kostengründen für einen in­dustriellen Prozess wohl nur in Ausnahmefällen geeignet.
  • In der eingangs genannten EP-Patentanmeldung oder auch in dem Konferenzdruck "Neue UV- und VUV-Excimerstrahler¨ von U.Kogelschatz und B.Eliasson, verteilt an der 10.Vortragstagung der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Fachgruppe Photochemie, in Würzburg (BRD) 18.- 20.November 1987, wird ein neuer Excimerstrahler beschrieben. Dieser neue Strahlertyp basiert auf der Grundlage, dass man Ex­cimerstrahlung auch in stillen elektrischen Entladungen erzeugen kann, einem Entladungstyp, der in der Ozonerzeu­gung grosstechnisch eingesetzt wird. In den nur kurzzeitig (< 1 Mikrosekunde) vorhandenen Stromfilamenten dieser Ent­ladung werden durch Elektronenstoss Edelgasatome angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) wei­tereagieren. Diese Excimere leben nur einigen 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung ab.
    Der Aufbau eines derartigen Excimerstrahlers entspricht bis hin zur Stromversorgung weitgehend dem eines klassischen Ozonerzeugers, mit dem wesentlichen Unterschied, dass min­destens eine der den Entladungraum begrenzenden Elektroden und/oder Dielektrikumsschichten für die erzeugte Strahlung durchlässig ist.
    • Darstellung der Erfindung
  • Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für UV- oder VUV-Licht, zu schaffen, der sich insbesondere durch höhere Effizienz auszeichnet, wirtschaftlich zu fer­tigen ist und auch den Aufbau sehr grosser Flächenstrahler ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Hochliestungsstrahler der eingangs genannten Gattung ist erfindungsgemäss vorge­sehen, dass die genannten Elektrodenpaare, getrennt durch dielektrisches Material, unmittelbar nebeneinander angeord­net sind, derart, dass sich die stille elektrische Ent­ladung im Entladungsraum im Bereich der Dielektrikumsober­fläche ausbildet.
  • Bei Anliegen der Spannung bildet sich eine Vielzahl von Gleitentladungen von einer Elektrode durch das Dielektrikum im wesentlichen längs der Oberfläche des Dielektrikums und wieder in das Dielektrikum hinein zur benachbarten Elek­trode. Diese Entladungen strahlen das verwendbare UV-Licht ab, das dann z.B. durch die den Entladungsraum begrenzende Wand dringt. Im Gegensatz zu den bekannten Konfigurationen wird hier die gesamte Ausdehnung der Entladungskanäle zur Strahlungserzeugung ausgenutzt.
  • Die Herstellung des erfindungsgemässen Hochlei­stungsstrahlers ist vereinfacht und kostengünstiger als bei den bekannten Strahlern. Man kann Materialien verwenden, die man leicht giessen kann, sodass die Elektroden eingegossen werden können. Dadurch werden Probleme beim Einhalten von Toleranzen (Z.B. Dicke des Dielektrikums oder der Abstände) verkleinert. Auch für das begrenzende Glas/Quarz-Material sind keine sehr hohen Ansprüche zu stellen, da die begrenzenden Wände lediglich transparent sein müssen und nicht durch die Entladung beansprucht wer­den. Dies führt zu einer höheren Lebensdauer des Strahlers. Auch ist die Spaltweite und deren Toleranzen weit weniger kritisch.Insbesondere lassen sich nunmehr wegen der gerin­geren Anforderungen bezüglich Toleranzen sehr grosse Flächenstrahler realisieren, die sehr dünn ausgeführt wer­den können.
  • Weil praktisch die gesamte Länge des Entladungsraum zu Emission beiträgt, ist die UV-Ausbeute sehr hoch. Transmis­sionsverluste eines Elektrodengitters oder einer teildurch­lässigen Schicht liegen nicht vor.
  • Der erfindungsgemässe Hochleistungsstrahler erlaubt Strahler-Goemetrien nahezu beliebiger Gestalt. Neben Flächenstrahlern, die nach einer oder nach beiden Flach­seiten strahlen, können zylindrische oder elliptische Strahler geschaffen werden. Auch müssen die Strahler nicht notwendig eben oder langestreckt sein, sondern in einer oder mehreren Dimensionen gekrümmt oder gebogen sein.
  • Selbstverständlich erlaubt es die Erfindung in Analogie zur schweizerischen Patentanmeldung Nr.152/88-7 vom 15.1.1988 der Anmelderin, die den Entladungsraum begrenzenden Wände entweder auf der dem Entladungsraum zugewandten oder der äusseren Wand mit einer Lumineszenz-Schicht zu versehen zur Umwandlung des UV-Lichts in sichtbares Licht. Bei der er­sten Alternative muss dann die Wand nicht mehr UV-durchläs­sig sein, weil sie nur noch sichtbares Licht durchlassen muss.
  • Bei der erfindungsgemässen Anordnung können Dielektrika verwendet werden, die nicht notwendigerweise transparent für das UV-Licht sind, was für besondere Anwendungen beson­ders hohe Wirkungsgrade erwarten lässt. So kann insbeson­dere das UV-Licht für manche Anwendungen direkt verwendet werden, ohne dass es den Entladungsraum verlassen muss. Dies gilt insbesondere für solche Anwendungen, die sich im Entladungsraum durchführen lassen. Zu solchen Anwendungen mit wachsender wirtschaftlicher Bedeutung zählen z.B. der Einsatz als starker UV-Strahler für Vorionisierungszwecke anderer Entladungen, z.B. Laser, Behandlung von Oberflächen mit UV-Belichtung, chemische Prozesse wie Präparation neuer Chemikalien oder Oberflächen und Beschichtungsverfahren wie Plasma-CVD (Chemical Vapor Deposition), Photo-CVD, bei de­nen ein zu behandelndes Substrat bei geeignetem Füllgas möglichst dicht an UV-Lichtquelle gebracht wird. Die beson­deren Vorteile einer solchen ¨Innen"-Anordnung liegen u.a. in der Vermeidung von Absorptionsverlusten durch Fenster und in der Ausnutzung zusätzlicher Effekte durch die Ent­ladung selbst.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt; darin zeigt
    • Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Flächen­strahlers mit beidseitiger Abstrahlung im Quer­schnitt;
    • Fig. 2 der Flächenstrahler nach Fig.1 im Längsschnitt mit einer schematischen Darstellung der elek­trischen Anspeisung;
    • Fig. 3 eine eines erste Abwandlung des Flächenstrahlers nach Fig.1 und 2 mit einseitiger Abstrahlung und Elektroden, die auf ein Substrat aufgebracht und mit einer dielektrischen Schicht überzogen sind;
    • Fig. 4 eine zweite Abwandlung des Flächenstrahlers nach Fig.1 und 2 mit inhomogenem Dielektrikum;
    • Fig. 5 eine dritte Abwandlung des Flächenstrahlers nach Fig.1 und 2 mit von dielektrische nMaterial ummantelten Einzelelektroden;
    • Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form eines Zylinderstrahlers im Querschnitt;
    Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Der Flächenstrahler nach Fig.1 und 2 besteht aus zwei beab­standeten UV-durchlässigen Platten 1, 2 aus Quarzglas, zwischen denen eine weitere Platte 3 aus dielektrischen Ma­terial, z.B. Glas oder Keramik oder ein Kunststoff-Dielek­trikum angeordnet ist. Ueber die Fläche verteilte Abstands­halter 4, 5 sichern die Distanzierung der Platten 1, 2 und 3 und dienen gleichzeitig deren Zusammenhalt. In die Platte 3 sind in regelmässigen Abständen und voneinander beab­standet Metallelektroden ,6′,6˝ eingebettet. Wie in Fig.2 zu erkennen ist, sind die Elektroden 6′6˝, abwechselnd mit dem einen und dem anderen Pol einer Wechselstromquelle 7 verbunden.Die Wechselstromquelle 7 entspricht grundsätzlich jenen, wie sie zur Anspeisung von Ozonerzeugern verwendet werden. Typisch liefert sie eine einstellbare Wech­selspannung in der Grössenordnung von mehreren 100 Volt bis 20000 Volt bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen kHz - abhängig von der Elektrodengeometrie, Druck im Entladungsraum und Zusam­mensetzung des Füllgases.
  • Die Entladungsräume 8 und 9 zwischen den Platten 1 und 3 bzw. 3 und 2 sind mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendenden Füllgas gefüllt, z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metalldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-­Gemisch, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise Ar, He, Ne, als Puffergas.
  • Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch gemäss nachfolgender Tabelle Vernwendung finden:
    Füllgas Strahlung
    Helium 60 - 100 nm
    Neon 80 - 90 nm
    Argon 107 - 165 nm
    Argon + Fluor 180 - 200 nm
    Argon + Chlor 165 - 190 nm
    Argon+Krypton+Chlor 165 - 190, 200 - 240 nm
    Xenon 160 - 190 nm
    Stickstoff 337 - 415 nm
    Krypton 124, 140 - 160 nm
    Krypton + Fluor 240 - 255 nm
    Krypton + Chlor 200 - 240 nm
    Quecksilber 185,254, 320-360, 390-420 nm
    Selen 196, 204, 206 nm
    Deuterium 150 - 250 nm
    Xenon + Fluor 400 - 550 nm
    Xenon + Chlor 300 - 320 nm
  • Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage:
    - Ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit einem Gas bzw. Dampf aus F₂, J₂, Br₂, Cl₂ oder eine Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere Atome F, J, Br oder Cl abspaltet;
    - ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit O₂ oder einer Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere O-Atome abspaltet;
    - ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg.
  • In der sich bildenden elektrischen Gleitentladung (surface discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Dicke der dielektrischen Platte 3 und deren Eigenschaften, Ab­stand zwischen den Elektroden 6′,6˝, Druck und/oder Tempe­ratur optimal eingestellt werden.
  • Bei Anliegen einer Spannung zwischen je zwei benachbarten Elektroden 6′,6˝ bildet sich eine Vielzahl von Ent­ladungskanälen 10 von einer Elektrode 6′ durch das Dielek­trikum 3 längs der Oberfläche des Dielektrikums 3 und wieder in das Dielektrikum 3 hinein zur benachbarten Elek­trode 6˝. Diese längs der Oberfläche verlaufenden Gleitent­ladungen 10 strahlen das UV-Licht ab, das dann durch die im Beispielsfall transparenten Platten 1, 2 dringt. Verwendet man in den Räumen 8 und 9 unterschiedliche Füll­gase, so lassen sich bei entsprechender Wahl der Elektrode­nanordnung und -verteilung mit einunddemselben Strahler zwei unterschiedliche Strahlungen erzeugen. Durch Aufbringen einer Beschichtung 11, 12 auf die beiden Oberflächen des Dielektrikums 3 lassen sich niedrigere Zündspannungen für die Entladung erzielen, so dass die Kosten für die Speisung reduziert werden können. Als Beschichtungsmaterial kommen in erster Linie die Oxide von Magnesium, Ytterbium, Lanthan und Cer (MgO, Yb₂O₃, La₂O₃, CeO₂) in Frage.
  • Das UV-Licht kann für manchen Anwendungen auch direkt ver­wendet werden, ohne dass es durch die Abdeckplatten 1, 2 dringen muss. Dies gilt für solche Anwendungen, die sich in den Entladungsräumen 8, 9 selbst durchführen lassen. Zu solchen Applikationen mit wachsender wirtschaftlicher Be­deutung zählen z.B. die Behandlung von Oberflächen mit UV-­Belichtung, chemische Prozesse wie Präparation neuer Chemikalien oder Oberflächen-Beschichtung wie Plasma-CVD, Photo-CVD, also Verfahren, bei denen ein zu behandelndes
  • Substrat bei geeignetem Füllgas möglichst dicht an die Dielektrikumsoberfläche, also dort wo die Strahlung entsteht, herangebracht wird.
    Die besonderen Vorteile einer solchen "Innen"-Anordnung liegen u.a. in der Vermeidung von Absorptionsverlusten (durch die Platten 1,2) und in der Ausnutzung zusätzlicher Effekte durch die Entladung selbst, wobei die elektrischen Eigenschaften des zu behandelnden Substrats relativ unerheblich sind.
  • Die Herstellung des Dielektrikums 3 samt der in ihm eingebetteten Elektroden 6′, 6˝ ist gegenüber den bekannten Hochleistungsstrahlern vereinfacht und damit kostengün­stiger. Man kann Materialien verwenden, die man relativ einfach giessen kann, so dass die Elektroden 6′, 6˝ gleich miteingegossen werden können. Dadurch werden Probleme beim Einhalten von Toleranzen, z.B. die Dicke des Dielektrikums 3 oder der Abstände zwischen den Platten 1 und 3 bzw. 3 und 2 verkleinert. Auch für das Material der UV-durchlässigen Platten - sofern sie überhaupt UV-durchlässig sein müssen - sind keine sehr hohen Ansprüche zu stellen, da sie nicht durch die Entladung beansprucht sind. Dies führt wiederum zu einer Erhöhung der Gesamtlebensdauer des Strahlers.
  • Für eine kostengünstige Herstellung der in das Dielektrikum 3 eingebetteten Elektroden 6, 6˝ kann auch auf Techniken zurückgegriffen werden, die bei der Herstellung von Plas­madisplay-Zellen Anwendung finden (vgl. "AC Plasma Display" von T.N.Criscimagna & P.Pleshko in "Display Devices", J.I.Pamkove (Ed.), Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1980, S. 92 - 150).
    Anstelle von metallischen Drähten 6′, 6˝ nach Fig.1 sind die Elektroden gemäss Fig.3 als diskrete Leiterbahnen 6a, 6b mittels Dünnfilm- oder Dickfilm-Techniken auf ein Sub­strat 13 aus Glas, Quarz oder Keramik aufgebracht. Dabei werden einerseits Bedampfungs- und Sputter-Prozesse zur Metallisierung verwendet, andererseits leitfähige Pa­sten.Feine Leiterbahnen können durch photo-lithographische Verfahren, breitere (> 25 Mikrometer) können durch Metal­labscheidung durch eine Maske hindurch erzeugt werden. Die so aufgebrachten Leiterbahnen (Elektroden) werden danach durch eine dielektrische Schicht 14 abgedeckt. So kann man z.B. Schichten aus Bleioxydglas als Spray oder Paste auf­tragen und anschliessend erhitzen, wobei sich eine durchge­hende Glasschicht bildet. Schichten aus Borsilikatglas kann man durch Verdampfungstechniken herstellen. Es ist auch möglich, dass man andere dielektrische Schichten abscheidet mit Methoden, die in der Halbleitertechnik üblich sind, z.B. mittels Plasma-CVD oder Photo-CVD.
  • Ohne den durch die Erfindung gesteckten Rahmen zu ver­lassen, sind eine Fülle von Modifikationen des vorstehend beschriebenen UV-Hochleistungsstrahlers möglich, auf die nachstehend eingegangen werden soll.
  • So können statt zweier Entladungsräume 8,9 auch nur ein Entladungsraum vorgesehen sein. Dazu ist durch eine entsprechende Isolation, z.B.Schwefelhexafluorid oder Wasser, in dem einen Raum oder eine andere Geometrie des Dielektrikums und/oder der Elektroden, z.B. eine solche nach Fig.3, sicherzustellen, dass sich die Gleitentladungen nur in dem anderen Raum ausbilden.
  • Statt runder Elektroden 6′,6˝ nach Fig.1 können auch Elek­troden mit nahezu bliebigem Querschnitt verwendet werden. Auch müssen die Elektroden nicht geradlinig verlaufen, son­dern können auch z.B. mäanderförmig oder im Zickzack nebeneinander angeordnet sein.
  • Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Dielektrikum ist es möglich, die Elektroden 6′,6˝ als Hohlelektroden auszuführen, oder im Dielektrikum 3 in Fig.1 oder im Sub­strat 13 in Fig.3 zusätzlich in Elektrodenlängsrichtung verlaufende Kanäle (Pos. 15 in Fig.3) vorzusehen, durch welche Kanäle ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel geleitet wird.
  • Neben einzelnen in ein flächiges Dielektrikum 3 bzw. 14 eingebetteten Elektroden ist es darüber hinaus möglich, gemäss Fig.4 und 5 einzelne Drähte 16′,16˝ mit je einer dielektrischen Umhüllung 17 zu verwenden, die entweder dicht an dicht (Fig.5), locker nebeneinander oder durch Zwischenlagen 18 oder Abstandsstücke voneinander di­stanziert, zwischen den beiden Platten 1 und 2 angeordnet sind.
  • Anstelle von Flächenstrahlern nach den Figuren 1 bis 5 sind auch Zylinderstrahler möglich, wie es in Fig.6 veran­schaulicht ist. Dort ist zwischen zwei Quarzrohren 19, 20 ein Rohr 21 aus dielektrischen Material koaxial angeordnet. Nicht dargestellte Abstandhalter sichern die gegenseitige Lage der drei Rohre. Analog Fig.1 sind in das dielektrische Rohr 21 Metallelektroden 22′, 22˝ eingebettet, die analog Fig.2 abwechselnd mit dem einen und dem anderen Pol einer (nicht dargestellten) Wechselstromquelle verbunden sind.
  • Der Zylinderstrahler nach Fig.6 strahlt im Beispielsfall sowohl nach innen (in den Innenraum des Rohres 20) als auch nach aussen ab. Verwendet man in den Räumen 8 und 9 unter­schiedliche Füllgase, so lassen sich bei entsprechender Wahl der Elektrodenanordnung und -verteilung mit einunddem­selben Strahler zwei unterschiedliche Strahlungen erzeugen. Dies gilt selbstverständlich auch für einen Strahler nach Fig.4.
  • Wie bereits im Zusammenhang mit Fig.1 beschrieben, können auch bei Zylinderstrahlern nach Fig.6 die gewünschten Reak­tionen in dem bzw. den Entladungsräumen 8 bzw. 9 selbst stattfinden.
  • Die vorstehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung konzentrierte sich auf die Erzeugung von UV- bzw. VUV-Strahlung. Durch Beschichtung der Platten 1, 2 bzw. der Rohre 19, 20 mit einer Lumineszenzschicht 23, 24 (Fig.1) lässt sich in Anlehung an die bei den Lumineszenzröhren für Beleuchtungszwecke bekannte Technik auch sichtbares Licht hoher Leistung erzeugen. Derartige Schichten sind bekannt und können auch auf die den Entladungsraum 8 bzw. 9 angren­zenden inneren Oberflächen der Platten 1, 2 bzw. der Rohre 19, 20 aufgeracht werden. Im letztren Fall brauchen diese Platten bzw. Rohre nicht mehr UV-durchlässig sondern nur für das sichtbare Licht transparent sein.

Claims (10)

1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten, von Wänden (1,2) begrenzten Entladungsraum (8,9), mit Elektrodenpaaren, die paarweise an die beiden Pole einer Hochspan­nungsquelle (7) angeschlossen sind, wobei zwischen zwei auf unterschiedlichem Potential liegenden Elek­troden mindestens ein dielektrisches Material liegt, das an den Entladungsraum angrenzt,dadurch gekenn­zeichnet, dass die genannten Elektrodenpaare (6′,6˝;6a,6b;16′,16˝;22′,22˝) räumlich getrennt von besagten Wänden (1,2) und voneinander getrennt durch dielektrisches Material (3;14;21) nebeneinander angeordnet sind, derart, dass sich die elektrische Entladung im Entladungsraum (8,9) im wesentlichen nur im Bereich der Dielektrikumsoberfläche ausbildet.
2. Hochleistungstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (6′,6˝;6a,6b;16′,16˝;22′,22˝) in das dielektrische Ma­terial (3;14;21) eingebettet sind und benachbarte Elektroden (6′,6˝;6a,6b;16′,16˝;22′,22˝) jeweils an unterschiedliche Pole der Hochspannungsquelle (7) angeschlossen sind.
3. Hochleistungstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elektroden (6′,6˝;22′,22˝) in einen gemeinsamen Träger aus dielektrischem Mate­rial eingebettet sind.
4. Hochleistungstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (16′,16˝) einzeln je von einer dielektrischen Umhüllung (17) umgeben sind.
5. Hochleistungstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (6a,6b) auf einem Substrat (13) aus Isoliermaterial angeordnet und mit einer dielektrischen Schicht (14) abgedeckt sind.
6. Hochleistungstrahler nach einem der Ansprüch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Elektroden oder in dem Material, in dem diese eingebettet bzw. darauf an­geordnet sind, in Elektrodenlängsrichtung verlaufende Kühlkanäle (15) vorgesehen sind.
7. Hochleistungstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Ent­ladungsraum (8,9) zugewandten Oberfläche des Dielek­trikums eine zusätzliche Schicht (11,12) zur Herabset­zung der Zündspannung der elektrischen Gleitentladung, vorzugsweise eine Schicht aus Magnsium-, Ytterbium-, Lanthan- oder Ceroxid, vorgesehen ist.
8. Hochleistungstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung von Strahlungen mit mehreren unterschiedlichen Wellenlän­gen in einem Entladungsraum (8;9) ein Füllgas mit min­destens zwei Edelgasen und mindestens einem Nicht-­Edelgas vorgesehen ist.
9. Hochleistungstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den beiden Entladungsräumen (8,9) Füllgase unterschiedlicher Zusammensetzung vorgesehen sind.
10. Hochleistungstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die den Entladungsraum (8,9) begrenzenden Platten (1,2) bzw. Rohre (19,20) mit einer Lumineszenzschicht (24,25) versehen sind.
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