EP0547366A1 - High power radiator - Google Patents

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EP0547366A1
EP0547366A1 EP19920119125 EP92119125A EP0547366A1 EP 0547366 A1 EP0547366 A1 EP 0547366A1 EP 19920119125 EP19920119125 EP 19920119125 EP 92119125 A EP92119125 A EP 92119125A EP 0547366 A1 EP0547366 A1 EP 0547366A1
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EP
European Patent Office
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dielectric
radiator
characterized
high
electrode
Prior art date
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EP19920119125
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German (de)
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EP0547366B1 (en
Inventor
Ulrich Dr. Kogelschatz
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Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
ABB Asea Brown Boveri Ltd
Heraeus Noblelight GmbH
Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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Priority to DE19914140497 priority patent/DE4140497C2/en
Application filed by ABB Asea Brown Boveri Ltd, Heraeus Noblelight GmbH, Asea Brown Boveri AB filed Critical ABB Asea Brown Boveri Ltd
Publication of EP0547366A1 publication Critical patent/EP0547366A1/en
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    • HELECTRICITY
    • H01BASIC ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/04Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels
    • H01J65/042Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field
    • H01J65/046Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by an external electromagnetic field or by external corpuscular radiation, e.g. for indicating plasma display panels by an external electromagnetic field the field being produced by using capacitive means around the vessel

Abstract

By inserting an additional capacitance in the form of an additional moulding (12'') consisting of dielectric material into the interior of a UV excimer radiator, it is possible to force loss-free control of the axial and/or radial distribution of the power consumption and UV intensity. This measure is particularly advantageous for the irradiation of broad substrates, such as films, papers and the like coated with paints, varnishes or adhesives, when it is intended to irradiate all regions of the substrate with approximately the same dose. <IMAGE>

Description

    Technisches Gebiet technical field
  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum, dessen Wandungen durch ein äusseres und ein inneres Dielektrikum gebildet sind, wobei die Aussenflächen des äusseren Dielektrikums mit ersten Elektroden versehen sind, mit zweiten Elektroden an der dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche des zweiten Dielektrikums, und mit einer an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung. The invention relates to a high-power radiator, in particular for ultraviolet light, filled with a aussendendem with radiation under discharge conditions filling gas discharge space, the walls of which are formed by an outer and an inner dielectric, wherein the outer surfaces of the outer dielectric are provided with first electrodes, with second electrodes on the side remote from the discharge space of the second surface of the dielectric, and with a source connected to the first and second electrodes alternating current source for feeding the discharge.
  • Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der EP-A 254 111, der US-Patentanmeldung 07/485544 vom 27.02.1990 oder auch der EP-Patentanmeldung 90103082.5 vom 17.02.1990 ergibt. The invention makes reference to a prior art as results for example from the EP-A 254 111, the US patent application 07/485544 of 27.02.1990 or the EP Patent Application 90103082.5 of 17.02.1990.
  • Technologischer Hintergrund und Stand der Technik Technological background and state of the art
  • Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der Verfügbarkeit geeigneter UV-Quellen ab. The industrial use of photochemical processes is highly dependent on the availability of suitable UV sources. Die klassischen UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere UV-Intensitäten bei einigen diskreten Wellenlängen, wie zB 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. The conventional UV lamps provide low to medium UV intensities at several discrete wavelengths, such as the low-pressure mercury lamp is obtained only from the high-pressure lamps (Xe, Hg) at 185 nm and in particular at 254 nm. Really high UV powers, which then but distribute their radiation over a large wavelength range. Die neuen Excimer-Laser haben einige neue Wellenlängen für photochemische Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind z.Zt. The new excimer lasers have provided some new wavelengths for photochemical basic experiments are currently aus Kostengründen für einen industriellen Prozess wohl nur in Ausnahmefällen geeignet. well suited for cost reasons for an industrial process only in exceptional cases.
  • 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. In the above-mentioned EP-patent application or in the conference pressure "New UV and VUV excimer" by U. Kogelschatz and B. Eliasson, distributed at the 10th Lecture Meeting of the German Chemical Society, Section photochemistry, in Wurzburg (BRD) 18th -20. November 1987, wird ein neuer Excimerstrahler beschrieben. November 1987 a new excimer is described. 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. This new type of radiator is based on the principle that one can generate excimer radiation even in silent electrical discharges, a type of discharge which is used industrially in the ozone generation. In den nur kurzzeitig (< 1 Mikrosekunde) vorhandenen Stromfilamenten dieser Entladung werden durch Elektronenstoss Edelgasatome angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiterreagieren. present in the short term (<1 microsecond) current filaments of this discharge are excited by electron impact noble gas atoms to form excited molecular complexes (excimers) react further. Diese Excimere leben nur einige 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung ab. These excimers live only a few 100 nanoseconds and give the decay their binding energy in the form of UV radiation.
  • Die genannten Hochleistungsstrahler zeichnen sich durch hohe Effizienz, wirtschaftlichen Aufbau aus und ermöglichen die Schaffung grosser Strahler, wie sie bei UV-Polymerisation und -Sterilisation eingesetzt werden. The high-power radiation mentioned are characterized by high efficiency, economic development and enable the creation of large emitters, such as those used in UV polymerization and -Sterilisation. Dabei müssen oft breite Transportbänder oder -Zylinder von stabförmigen UV-Strahlern bestrahlt werden. Here, often wide conveyor belts or-cylinder must be irradiated by rod-shaped UV lamps. Typischerweise werden mit Farben, Lacken oder Klebern beschichtete Folien, Papiere, Pappen, Stoffbahmen etc. von ca. 1 Meter langen UV-Lampen bestrahlt. Typically, coated films, paper, paperboard, etc. Stoffbahmen of about 1 meter long UV lamps are irradiated with paints, varnishes or adhesives. Da die Intensität der Lampen normalerweise gleichmässig über die Länge verteilt ist, erhalten die Randzonen des Substrats naturgemäss eine geringere Strahlungsdosis. Since the intensity of the lamps is normally distributed uniformly over the length of, the edge zones of the substrate obtained naturally a lower radiation dose.
  • Um eine für den Prozess ausreichende Dosis auch am Rand zu erhalten, müsste man die Strahler wesentliche länger machen als die Substratbreit. In order to obtain a sufficient dose for the process and on the edge, you would have the radiators make significant longer than the substrate width. Dies scheidet auf Anlagen mit Transportbändern meist aus konstruktiven Gründen aus. This differs on systems with conveyor belts usually for design reasons. Die andere Möglichkeit ist, die Intensität der Lampen soweit zu steigern, dass am Rande die Dosis gerade ausreicht. The other option is, the intensity of the lamps to increase the extent that the dose is sufficient on the edge straight. Damit nimmt man eine erhebliche Ueberstrahlung der mitlleren Zonen in Kauf mit einem entsprechendem Energieverbrauch. Thus taking a significant radiation About the mitlleren zones into account with a corresponding energy consumption.
  • Darstellung der Erfindung Summary of the Invention
  • Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für UV- oder VUV-Strahlung, zu schaffen, der sich insbesondere durch hohe Effizienz auszeichnet, wirtschaftlich zu fertigen ist, und bei dem die Strahlung gezielt abgestrahlt werden kann. Starting from the prior art, the invention has for its object, a high-power radiator, in particular for UV or VUV radiation, to provide which is characterized in particular by high efficiency, is economical to manufacture, and in which the radiation can be selectively emitted. Insbesondere soll es der vorgeschlagene Strahler ermöglichen, flächige Substrate homogen zu beaufschlagen. In particular, it aims to allow the proposed spotlight to subject area substrates homogeneous.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Hochleistungsstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss vorgesehen, dass zur Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik des Strahlers Mittel zur lokalen Veränderung der Brennspannung der Entladung und/oder der wirksamen Dielektrikumskapazität vorgesehen sind, und die Ankopplung der zweiten Elektrode an den Entladungsraum im wesentlichen über eine Flüssigkeit mit einer Dielektrizitätskontanten erfolgt, die um mindestens den Faktor 10 höher ist als die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, welche Flüssigkeit zugleich zur Kühlung des Strahlers dient. To achieve this object, the invention provides for a high-power radiator of the aforementioned type, that means for the local change of the internal voltage of the discharge and / or the effective dielectric capacitance are provided for influencing the radiation characteristics of the radiator, and the coupling of the second electrode to the discharge space substantially via a liquid having a Dielektrizitätskontanten, which is higher by at least the factor 10 than the dielectric constant of the dielectric, which liquid also serves to cool the radiator.
  • Mit der Erfindung wird es erstmals möglich, UV-Strahler zu schaffen, deren Intensität über die Länge ungleichmässig verteilt und an den Enden leicht angehoben ist. With the invention it is now possible to provide UV radiation whose intensity is distributed unevenly over the length and lifted slightly at the ends.
  • Ausführungsformen der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Embodiments of the invention and the advantages achieved thereby are explained in more detail below with reference to the drawing.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief Description of Drawings
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt; In the drawing embodiments of the invention are schematically illustrated; darin zeigt shows it
  • Fig.1 Fig.1
    einen UV-Zylinderstrahlers mit konzentrischer Anordnung des inneren Dielektrikumsrohres im Längsschnitt; a UV-cylindrical radiator with a concentric arrangement of the inner Dielektrikumsrohres in longitudinal section;
    Fig.2 Fig.2
    einen Schnitt durch den UV-Strahler nach Fig.1 längs deren Linie AA; a section through the UV radiator according to Figure 1 along the line AA;
    Fig.3 Figure 3
    eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Strahlers mit einem Entladungsraum, dessen Spaltweite im mittleren Bereich kleiner als im Randbereich ist; An embodiment of the inventive radiator with a discharge space whose gap width is smaller in the central region than in the edge region;
    Fig.4 Figure 4
    eine Ausführungsform einer Bestrahlungseinrichtung analog Fig. 3, jedoch mit einem Entladungsraum, dessen Spaltweite im mittleren Bereich grösser als im Randbereich ist; an embodiment of an irradiation device analogous to Figure 3 but with a discharge space whose gap width is greater in the central region than in the edge region.
    Fig.5 Figure 5
    eine Ausführungsform mit einer Zusatzkapazität in Gestalt eines Dielektrikumsrohres im Inneren des inneren Dielektrikumsrohrs; an embodiment with an additional capacitance in the form of a Dielektrikumsrohres inside the inner dielectric tube;
    Fig.6 Figure 6
    eine Ausführungsform mit einer Zusatzkapazität in Gestalt eines die zentrale Innenelektrode umgebenden Formkörpers; an embodiment with an additional capacitance in the form of a molded body surrounding the central inner electrode;
    Fig.7 Figure 7
    eine Ausführungsform mit einer Zusatzkapazität in Gestalt eines Formkörpers, der sich an die Innenwand des inneren Dielektrikumsrohrs anschmiegt; an embodiment with an additional capacitance in the form of a shaped body, which conforms to the inner wall of the inner dielectric tube;
    Fig.8 Figure 8
    eine Ausführungsform mit einer Zusatzkapazität in Gestalt eines Formkörpers mit sichelförmigem Querschnitt, der sich in Umfangsrichtung nur über den halben Innenumfangs des inneren Dielektrikumsrohres erstreckt; an embodiment with an additional capacitance in the form of a shaped body having a crescent-shaped cross section which extends in circumferential direction only over half the internal circumference of the inner Dielektrikumsrohres;
    Fig.9 Figure 9
    einen Schnitt durch den Strahler nach Fig.8 längs deren Linie BB; a sectional view of the radiator of Figure 8 along the line BB;
    Fig.10 Figure 10
    eine Abwandlung Ausführungsform nach Fig.8 und 9 mit einer Zusatzkapazität in Gestalt eines Dielektrikum-Halbrohrs, das sich nur über den halben inneren Umfang des inneren Dielektrikumrohres erstreckt; a modification of the embodiment of Figure 8 and 9 with an additional capacitance in the form of a dielectric half-tube which extends only over half the inner periphery of the inner Dielektrikumrohres;
    Fig.11 Figure 11
    eine Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.5 mit zentraler Elektrode und einer Zusatzkapazität in Form eines Dielektrikum-Halbrohres im Raum zwischen Innenelektrode und innerem Dielektrikumsrohr; a modification of the embodiment of Figure 5 with a central electrode and an auxiliary capacitance in the form of a dielectric half tube in the space between the inner electrode and the inner dielectric tube;
    Fig.12 Figure 12
    eine weitere Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.5 mit zentraler Elektrode und einer Zusatzkapazität in Form eines Dielektrikumsformkörpers mit sichelförmigem Querschnitt im Raum zwischen Innenelektrode und innerem Dielektrikumsrohr; a further modification of the embodiment of Figure 5 with a central electrode and an auxiliary capacitance in the form of a Dielektrikumsformkörpers with crescent cross section in the space between the inner electrode and the inner dielectric tube;
    Fig.13 Figure 13
    eine weitere Abwandlung der Ausführungsform nach Fig.5 mit zentraler Elektrode und einer Zusatzkapazität in Form eines Dielektrikumformkörpers mit nierenförmigem Querschnitt im Raum zwischen Innenelektrode und innerem Dielektrikumsrohr. a further modification of the embodiment of Figure 5 with a central electrode and an auxiliary capacitance in the form of a kidney-shaped cross-section with Dielektrikumformkörpers in the space between the inner electrode and the inner dielectric tube.
    Wege zur Ausführung der Erfindung Ways of carrying out the invention
  • Ausgangspunkt für die im nachstehenden zu beschreibende Erfindung ist ein Eximerstrahler gemäss Fig.1 und 2. In einem äusseren Quarzrohr 1 mit einer Wandstärke von etwa 0,5 bis 1,5 mm und einem Aussendurchmesser von etwa 20 bis 30 mm ist ein inneres Quarzrohr 2 koaxial angeordnet. The starting point for the invention to be described below is an excimer emitters according to Figures 1 and 2. In an outer quartz tube 1 having a wall thickness of about 0.5 to 1.5 mm and an outer diameter of about 20 to 30 mm, an inner quartz tube 2 coaxially arranged. An der Innenfläche des inneren Quarzrohrs 2 liegt eine wendelförmige Innenelektrode 3 an. On the inner surface of the inner quartz tube 2 a helical internal electrode 3 is connected.
  • Eine Aussenelektrode 4 in Form eines Drahtnetzes erstreckt sich über den gesamten Aussenumfangs des äusseres Quarzrohrs 1. An outer electrode 4 in the form of a wire net extending over the entire outer periphery of the outer quartz tube. 1
  • In das innere Quarzrohr 3 ist ein Draht 4 eingeschoben. In the inner quartz tube 3, a wire 4 is inserted. Dieser bildet die Innenelektrode des Strahlers, das Drahtnetz 2 die Aussenelektrode des Strahlers. This inner electrode of the radiator, the wire net 2 forms the outer electrode of the radiator. Die Quarzrohre 1 und 2 sind an beiden Enden durch je einen Deckel 5 bzw. 6 verschlossen oder zugeschmolzen. The quartz tubes 1 and 2 are closed or both ends by a respective cap 5 and 6, sealed by fusion. Der Raum zwischen den beiden Rohren 1 und 2, der Entladungsraum 7, ist mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Gas/Gasgemisch gefüllt. The space between the two tubes 1 and 2, the discharge chamber 7 is filled with a aussendendem radiation under discharge conditions of gas / gas mixture. Das Innere 8 des inneren Quarzrohres 2 ist mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise demineralisiertem Wasser (ε=81), gefüllt. The interior 8 of the inner quartz tube 2 is provided with a liquid having a high dielectric constant, preferably demineralized water (ε = 81) filled. Diese Flüssigkeit dient gleichzeitig zur Kühlung des Strahlers. This liquid also serves to cool the radiator. Die Kühlflüssigkeit wird über die Anschlüsse 9 und 10 zu- bzw. abgeführt. The cooling liquid is supplied and through the ports 9 and 10 removed. Wie später bei den Ausführungen mit zentraler Innenelektrode noch näher erläutert wird, dient die Kühlflüssigkeit zur elektrischen Ankopplung der Innenelektrode 3 an das inneren Quarzrohr 2, so dass es nicht nötig ist, dass die wendelförmige Elektrode 3 überall an der Innenwandung anliegt. As will be explained in more detail later in the embodiments with a central internal electrode, the cooling liquid used for the electrical connection of the inner electrode 3 to the inner quartz tube 2 so that it is not necessary that the helical electrode 3 rests everywhere on the inner wall.
  • Die beiden Elektroden 3,4 sind mit den beiden Polen einer Wechselstromquelle 11 verbunden. The two electrodes 3,4 are connected to the two poles of an AC power source. 11 Die Wechselstromquelle liefert eine einstellbare Wechselspannung in der Grössenordnung von mehreren 100 Volt bis 20000 Volt bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen 1000 kHz - abhängig von der Elektrodengeometrie, Druck im Entladungsraum und Zusammensetzung des Füllgases. The alternating current source provides an adjustable AC voltage in the order of several 100 volts to 20,000 volts at frequencies in the range of the commercial AC current up to a few 1000 kHz - depending on the electrodes geometry, pressure in the discharge space and composition of the filling gas.
  • Das Füllgas ist, zB Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metalldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise Ar, He, Ne, als Puffergas. The filling gas is, for example, mercury, rare gas, rare gas metal-vapor mixture rare gas-halogen mixture, optionally with the use of an additional further noble gas, preferably Ar, He, Ne, as a buffer gas.
  • Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch gemäss nachfolgender Tabelle Verwendung finden: Depending on the desired spectral composition of the radiation thereby a substance / substance mixture to be used according to the following table:
    Figure imgb0001

    Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage: In addition, a number of other filling gases are:
    • 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; in the discharge one or more atoms F, I, Br or Cl cleaves a noble gas (Ar, He, Kr, Ne, Xe), or Hg with a gas or vapor from F₂, J₂, Br₂, Cl₂ or a compound;
    • ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit O₂ oder einer Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere 0-Atome abspaltet; a noble gas (Ar, He, Kr, Ne, Xe), or Hg with O₂ or a compound that splits off in the discharge one or more 0 atoms;
    • ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg. a noble gas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) with Hg.
  • Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3 und 4 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilentladungen) im Entladungsraum 7 aus. Upon application of an AC voltage between the electrodes 3 and 4, a plurality of discharge channels (partial discharge) in the discharge space 7 forms. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlussendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt. These occur with the atoms / molecules of the filling gas in interaction, which leads finally to the UV or VUV radiation.
  • In der sich bildenden stillen elektrischen Entladung (silent discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften Druck und/oder Temperatur im Entladungsraum optimal eingestellt werden. In the forming silent electric discharge (silent discharge), the electron energy distribution can be optimally adjusted by the thickness of the dielectrics and the properties of pressure and / or temperature in the discharge space.
  • Bei einem Zylinderstrahler gemäss Fig.1 bzw. Fig.2 wird die Leistungsaufnahme einer stillen elektrischen Entladung durch folgende Formel beschrieben: In a cylinder array according to Fig.1 or Fig.2, the power consumption of a silent electrical discharge is described by the following formula:

    P = 4 f C P = f 4 C D D U U B B (Û - (1+β) U (U - (1 + β) U B B ) (1) ) (1)
    Figure imgb0002


    wobei f die Frequenz der Speisespannung, C D die Dielektrikumskapazität, U B die mittlere Brennspannung der Gasentladung und β das Kapazitätsverhältnis Entladungsspalt-Kapazität/Dielektrikumskapazität (C S /C D ) ist. where f is the frequency of the supply voltage, C D is the dielectric capacity, U is the average arc voltage of the gas discharge and β is the capacitance ratio discharge gap capacitance / dielectric capacity (C S / C D) B.
  • Bei vorgegebener Spannungsversorgung (Frequenz f und Spitzenspannung Û fest) kann man also die Leistungsaufnahme durch Veränderung der Brennspannung U B und/oder durch die Dielektrikumskapazität C D beeinflussen. For a given power supply (frequency f and the peak voltage Û solid) can be so, and / or affect the power consumption by changing the operating voltage U B through the dielectric capacitance C D. Wenn man diese Grössen nur lokal verändert, kann man die Leistungsaufnahme und damit die UV-Intensität längs einer Röhre und/oder in Umfangsrichtung der Röhre gezielt beeinflussen. If only these variables changed locally, one can directly influence the power consumption, and thus the UV intensity along a tube and / or in the circumferential direction of the tube.
  • In einer abgeschmolzenen Entladungsröhre, zB gemäss Fig.1, ist der Druck und die Gaszusammensetzung überall gleich. In a sealed discharge tube, for example according to Figure 1, the pressure and the gas composition is the same everywhere. Da die Brennspannung im interessierenden Druckbereich eine monotone, annähernd lineare Funktion der Spaltweite ist, kann man über die Variation der Breite des Entladungsspalts die Leistung steuern. Since the operating voltage in the relevant pressure range is a monotonic, approximately linear function of the gap width, one can control the power by varying the width of the discharge gap. Dabei ist zwischen zwei Betriebszuständen der Entladung zu unterscheiden: A distinction is made between two operating states of the discharge:
    Die Leistung hängt (bei festem f und Û) quadratisch von U B ab (vgl. Gleichung (1)). The power is a quadratic function (for fixed and f u) of U B from ((see. Eq 1)). Die maximale Leistung wird aufgenommen, wenn The maximum power is taken when

    U U B B = Û/(2(1+β)) (2) = V / (2 (1 + β)) (2)
    Figure imgb0003


    ist (Maximum der Leistungsparabel). is (maximum power parabola).
  • Solange U B kleiner ist als dieser Wert, führt eine Vergrösserung der Spaltweite zu erhöhter Leistungsaufnahme (Fig.3). As long as U B is smaller than this value, an enlargement of the gap leads to increased power consumption (Figure 3). Ist U B grösser als der in (2) definierte Wert, führt eine Verkleinerung der Spaltweite zu erhöhter Leistungsaufnahme (Fig.4). U B is greater than that defined in (2) value, a reduction of the gap leads to increased power consumption (Figure 4).
  • Die Anwendung dieser Erkenntnis auf einen Strahler gemäss Fig.1 führt zu Ausführungsformen, wie sie in den Figurem 3 und 4 in vereinfachter Form dargestellt sind. The application of this knowledge to an array according to Figure 1 leads to the embodiments as they are depicted in the Figurem 3 and 4 in a simplified form. Dabei sind - wie vorstehend dargelegt zwei Alternativen möglich, je nachdem wie die Brennspannung relativ zum Maximum der Leistungsparabel liegt. Two alternatives are possible as stated above, depending on how the operating voltage is relative to the maximum performance parabolic - It is ESSENTIAL. Um bei einem Strahler gemäss Fig.1 die Intensität in den Randzonen zu erhöhen, damit in diesem Bereich die Dosis ausreichend ist, ist die Spaltweite w m im mittleren Abschnitt kleiner als die Spaltweite w r in der Randzone (Fig.3), oder vice versa (Fig.4). In order to increase in an array according to Figure 1, the intensity in the edge zones, so that in this region, the dose is sufficient, the gap width w m in the central portion is smaller than the gap width r w in the marginal zone (Figure 3), or vice versa (Fig.4).
  • Die aufgenommene Leistung kann auch erhöht werden durch eine Vergrösserung der Dielektrikumskapazität (vgl. Gleichung (1)). The power consumed may also be increased by increasing the dielectric capacity (see FIG. Equation (1)). Dies kann man erreichen durch eine Verkleinerrung der Wandstärke des inneren und/oder äusseren Quarzrohres 2 bzw. 1 in den Randzonen, oder durch eine Dotierung des Quarzes mit Substanzen wie TiO₂ oder BaTiO₃. This can be achieved by a Verkleinerrung the wall thickness of the inner and / or outer quartz tube 2 and 1 in the edge zones, or by doping the crystal with substances such as TiO₂ or BaTiO₃.
  • Die bisher angeführten Möglichkeiten zur Variation der Leistungsaufnahme in Strahlerlängsrichtung sind eher konstruktiv sehr aufwendig. The previously mentioned possibilities for varying the power consumption in spotlight longitudinal direction are rather very expensive to construct. Wesentlich einfacher und wirtschaftlicher ist es, zwischen die beiden Elektroden 3 und 4 eine Zusatzkapazität einzubringen, wei es in Fig.5 schematisch veranschaulicht ist. Much easier and more economical it possible to introduce between the two electrodes 3 and 4, an additional capacitance, white there is illustrated schematically in Figure 5 is.
  • Abweichend von den Strahlern nach den Figuren 1 bis 4 weist der in Fig.5 dargestellte Strahler eine zentrale Elektrode 3' auf, über die ein Dielektrikumsrohr 12, das als Zusatzkapazität wirkt, geschoben ist. Notwithstanding of Figures 1 to 4 of the radiator shown in Figure 5 has the radiators of a central electrode 3 ', via which a dielectric tube 12 which acts as an additional capacitance, is pushed. Sein Innendurchmesser ist grösser als der Aussendurchmesser der zentralen Elektrode 3'. Its inner diameter is greater than the outer diameter of the central electrode 3 '. Die Länge dieses Rohres 12 ist kleiner als die der äusseren und inneren Dielektrikumsrohre 1 bzw. 2. Weil diese Zusatzkapazität (elektrisch) in Serie geschaltet ist zu den Kapazitäten von inneren und äusserem Dielektrikumsrohr, verkleinert sich die wirksame Dielektrikumskapazität C D im mittleren Teil des Strahlers. The length of this tube 12 is smaller than that of the outer and inner dielectric tubes 1 and 2. Because this additional capacity is (electrically) connected in series to the capacitances of the inner and outer dielectric tube, the effective dielectric capacitance C D decreases in the central part of the radiator , Dies führt automatisch zu einer niedrigeren Leistungsaufnahme in der Mitte des Strahlers. This automatically leads to a lower power consumption in the middle of the radiator. Durch die Wandstärke und Länge des Rohres 12 lässt sich somit das axiale Intensitätsprofil steuern und damit die Dosis auf dem Substrat weitgehend homogenisieren. By the wall thickness and length of the tube 12 can thus control the axial intensity profile and thus substantially homogenize the dose on the substrate. Noch genauer lässt sich das Intensitätsprofil steuern, wenn man einen Formkörper aus dielektrischen Material einbaut, der einen kontinuierlichen Uebergang aufweist, wie es in Fig.6 dargestellt ist. Still more particularly, can control the intensity profile when incorporating a shaped body of dielectric material having a continuous transition, as shown in Figure 6. Dieser Formkörper 12' umgibt die zentrale Innenelektrode 3' vollständig und läuft zum Rand hin spitz aus. This molded body 12 'surrounding the central internal electrode 3' completely and runs towards the edge pointed out. Er besteht aus einem dielektrischen, leicht bearbeitbarem Material, zB aus PTFE (ε=2,2), Polyimid (ε=3,5) oder Nylon (ε=3,75). It consists of a dielectric, easily machinable material, such as PTFE (ε = 2.2), polyimide (ε = 3.5) or nylon (ε = 3.75).
  • Gemeinsames Merkmal der Ausführungen nach den Figuren 5 und 6 ist, dass die Ankopplung der zentralen inneren Elektrode 3' an das innere Quarzrohr 2 (und damit an den Entladungsraum 7) nicht direkt, sondern über die den Innenraum 8 des inneren Quarzrohres 2 ausfüllenden Flüssigkeit, vorzugsweise demineralisiertes Wasser, erfolgt. A common feature of the embodiments according to Figures 5 and 6 show that the coupling of the central inner electrode 3 'to the inner quartz tube 2 (and thus to the discharge space 7) not directly but via the inner space 8 of the inner quartz tube 2 liquid filling, preferably demineralized water is carried out. Infolge der hohen Dielektrizitätskonstanten von Wasser (ε=81) wird nämlich die wirksame Erhöhung der Dielektrikumskapazität C D im wesentlichen nur durch den Formkörper 12'und kaum durch das Wasser beeinflusst. Due to the high dielectric constant of water (ε = 81), the effective increase in the dielectric capacitance C D is substantially namely hardly influenced only by the mold body 12 'and through the water.
  • Anstelle eines die zentrale Innenelektrode 3' umgebenden und von dieser getragenen Formkörpers kann auch ein rohrförmiger Formkörper 12'' auf der Innenwand des inneren Quarzrohres 2 befestigt sein, der, wie aus Fig.7 hervorgeht, ähnlich wie bei Fig.6 gegen seine beiden Enden hin sich verjüngt. Instead of a central inner electrode 3 'surrounding and this supported molded body may also be a tubular mold body 12' 'on the inner wall of the inner quartz tube 2 be attached, which, as can be seen from Fig.7, similarly to Fig.6 against its two ends rejuvenated himself. Analog zu den Ausführungen nach den Figuren 1 bis 4 wird hier eine wendelförmige Elektrode 3 verwendet, die im mittleren Abschnitt an der Innewand des Formkörpers 12'' und in der Randzone am Quarzrohr 2 anliegt. Analogous to the embodiments according to Figures 1 to 4 is here a helical electrode 3 is used, which bears against the wall of the attachments molded body 12 '' and in the edge zone of the quartz tube 2 in the central portion.
  • Die im vorstehenden beschriebene axiale Leistungs- und Intensitätssteuerung lässt sich, ohne den Rahmen der Erfindung zu sprengen, auch zur radialen Steuerung der aufgenommen Leistung und damit der UV-Intensität heranziehen. The axial power and intensity control as described in the above can be, without departing from the scope of the invention, even for the radial control of the power absorbed and thus use of the UV intensity.
  • Gemäss Fig.8 und 9 erstreckt sich ein Formkörper 12a mit sichelförmigem Querschnitt aus dielektrischem Material nur über die obere Hälfte des Innenumfangs des inneren Quarzrohrs 2 (Fig.9) Im Längsschnitt entspricht er dem Formkörper 12'' der Fig.7, dh an beiden Enden spitz auslaufend vor dem Randbereich des Strahlers. According 8 and 9 extends a shaped body 12a having a crescent-shaped cross-section of dielectric material only over the upper half of the inner circumference of the inner quartz tube 2 (Figure 9) in the longitudinal section to correspond to the molded body 12 '' of Figure 7, that is, at both ends taper to a point in front of the edge region of the radiator. Eine äquivalente Lösung mit einem Halbrohr 12b aus dielektrischem Material ohne auslaufende Randzone ist in Fig.10 im Schnitt dargestellt. An equivalent solution having a half-tube 12b of dielectric material without leaking marginal zone is illustrated in Figure 10 in section. In beiden Varianten findet eine wendelförmige Innenelektrode 3 Verwendung. In both variants, a helical inner electrode 3 is used.
  • Analog zur den Ausführungen nach Fig.5 und 6 mit zentraler Innenelektrode 3' können auch Formkörper aus dielektrischem Material in den Innenraum 8 des inneren Quarzrohres 2 eingebracht werden, welche diese Elektrode nur teilweise umgeben. Analogous to the embodiments according to Figures 5 and 6 with a central internal electrode 3 'may also be introduced shaped body of dielectric material in the internal space 8 of the inner quartz tube 2 surrounding this electrode only partially. So ist im oberen Abschnitt des Innenraums 8 von Fig.11 ein Halbrohr 12c aus dielektrischem Material, in Fig.12 ein Formkörper 12 d mit sichelförmigem Querschnitt und in Fig.13 ein Formkörper 12e mit nierenartigem Querschnitt angeordnet. Thus, a half-tube of dielectric material 12c, in Figure 12 a shaped body 12 is d 12e arranged with crescent cross-section and in Figure 13, a molded body with nierenartigem cross-section in the upper portion of the interior 8 of Fig.11. All diese Zusatzkapazitäten 12a bis 12e reduzieren die Leistungsaufnahme im oberen Abschnitt des Entladungsraums 7, bewirken eine erhöhte Leistungsaufnahme im unteren Abschnitt des Entladungsraums 7 und erzwingen damit eine gerichtete Abstrahlung nach unten. All these additional capacitances 12a to 12e reduce the power consumption in the upper portion of the discharge space 7, cause an increased power consumption in the lower portion of the discharge space 7 and thus force a directional radiation downward.
  • Wie Fig.8 und 9 verdeutlichen, lassen sich radiale und axiale Leistungs- und Intensitätssteuerung ohne weiteres in einem Strahler kombinieren. As Figure 8 and illustrate 9, radial and axial power and intensity control readily be combined in a spotlight. Dies gilt im übrigen auch für Strahleranordnungen, wie sie in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind. This is also true for antenna element arrangements, as shown in FIGS. 3 and 4 Auch dort kann - in Abhängigkeit von der Brennspannung U B das innere Quarzrohr 2 so ausgestaltet sein, dass in der unteren Hälfte in Axialrichtung die Spaltweite überall gleich ist, während sie in der oberen Hälfte im mittleren Abschnitt grösser bzw. kleiner ist als in der Randzone. The inner quartz tube 2 in dependence on the operating voltage U B may be configured such that in the lower half in the axial direction, the gap width is the same everywhere, while larger or smaller is in the upper half in the middle portion than in the edge zone - there also can ,
  • Aus den Ausführungsbeispielen erhellt ferner, dass sich die erfindungsgemässen Massnahmen zur Leistungs- und Intensitätssteuerung ohne weiteres bei bestehenden Strahlern auch nachträglich anwenden lassen, so dass man bei serienmässig gefertigten Strahlern durch Einfügen eines zusätzlichen Formteils im inneren Kühlkreis eine verlustfreie Steuerung der axialen und/oder radialen Verteilung der Leistungsaufnahme und UV-Intensität erzwingen kann. further evident from the embodiments that allow the inventive measures for power and intensity control readily in existing radiators also subsequently applied, so that when mass-produced lamps by inserting an additional mold part in the internal cooling circuit a lossless control of the axial and / or radial can force distribution of the power consumption, and UV intensity.

Claims (11)

  1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum (7), dessen Wandungen durch ein äusseres (1) und ein inneres Dielektrikum (2) gebildet sind, wobei die Aussenflächen des äusseren Dielektrikums mit ersten Elektroden (4) versehen sind, mit zweiten Elektroden (3;3') an der dem Entladungsraum (7) abgewandten Oberfläche des zweiten Dielektrikums (2), und mit einer an die ersten (4) und zweiten Elektroden (3;3') angeschlossenen Wechselstromquelle (11) zur Speisung der Entladung, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik des Strahlers Mittel (12;12a...) zur lokalen Veränderung der Brennspannung (U B ) der Entladung und/oder der wirksamen Dielektrikumskapazität (C D ) vorgesehen sind, und die Ankopplung der zweiten Elektrode (3;3') an den Entladungsraum (7) im wesentlichen über eine Flüssigkeit mit einer Dielektrizitätskontanten erfolgt, die High-power radiator, in particular for ultraviolet light, filled with a aussendendem with radiation under discharge conditions filling gas discharge space (7) whose walls are formed by an outer (1) and an inner dielectric (2), wherein the outer surfaces of the outer dielectric with first electrodes (4 ) are provided with second electrodes (3; 3 ') at the (the discharge space 7) facing away from surface of the second dielectric (2), and having a (the first 4) and second electrodes (3; 3') connected to the AC power source ( 11) for feeding the discharge, characterized in that for influencing the radiation characteristics of the radiator means (12; 12a ...) to the local change of the internal voltage (U B) of the discharge and / or the effective dielectric capacitance (C D) are provided, occurs essentially at the discharge space (7) via a liquid having a Dielektrizitätskontanten that, and the coupling of the second electrode (3 '3) um mindestens den Faktor 10 höher ist als die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, welche Flüssigkeit zugleich zur Kühlung des Strahlers dient. is at least a factor of 10 higher than the dielectric constant of the dielectric, which liquid also serves to cool the radiator.
  2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser mit einer Dielektrizitätskonstanten um ε=80 ist. High-power radiator according to claim 1, characterized in that the liquid is water with a dielectric constant of ε = 80th
  3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite (w m ) des Entladungsraums (7) im mittleren Abschnitt des Strahlers von der Spaltweite (w r ) in der Randzone des Strahlers verschieden ist. High-power radiator according to claim 1 or 2, characterized in that the gap width (w m) of the discharge space (7) of the radiator in the middle portion of the gap width (w r) in the marginal zone of the radiator is different.
  4. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltweite des Entladungsraums (7) in der oberen Hälfte des Strahlers von der Spaltweite in der unteren Hälfte des Strahlers verschieden ist. High-power radiator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that characterized in that the gap width of the discharge space (7) is different in the upper half of the radiator of the gap width in the lower half of the radiator.
  5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der zweiten Elektrode (3;3') und dem zweiten Dielektrikum (2) eine Zusatzkapazität (12;12a,...) vorgesehen ist, welche Zusatzkapazität als Formkörper aus dielektrischem Material ausgebildet ist, welcher Formkörper sich im wesentlichen nur über den mittleren Abschnitt und/oder sich nur über einen Teil des Umfangs des Strahlers erstreckt. High-power radiator according to claim 1 or 2, characterized in that between the second electrode (3; 3 ') and the second dielectric (2) an additional capacitance (12; ... 12a) is provided, formed which additional capacity as a shaped body of dielectric material is, which shaped body extends essentially only over the central section and / or only over a part of the periphery of the radiator.
  6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5 mit einer zentralen Elektrode (3') als zweite Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper ein Quarzrohr (12) ist, das über die zentrale Elektrode (3') geschoben ist (Fig.5). High-power radiator according to Claim 5 with a central electrode (3 ') as second electrode, characterized in that the shaped body is a quartz tube (12) through the central electrode (3' has been pushed) (Fig.5).
  7. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5 mit einer zentralen Elektrode (3') als zweite Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (12) auf die zentrale Elektrode (3') aufgeschoben ist und vorzugsweise zum seitlichen Rand des Strahlers spitz ausläuft. High-power radiator according to Claim 5 with a central electrode (3 ') as second electrode, characterized in that the shaped body (12) on the central electrode (3' is pushed), and preferably pointed expires at the lateral edge of the radiator.
  8. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzkapazität als Formkörper (12'';12a;12b) ausgebildet ist, der an der Innenwand des zweiten Dielektrikums (2) anliegt, und dass die erste Elektrode (3) zumindest lokal am Formkörper anliegt. High-power radiator according to claim 5, characterized in that the additional capacity as a shaped body (12 ''; 12a; 12b) is formed, which abuts the inner wall of the second dielectric (2), and that the first electrode (3) applied at least locally on the molded body ,
  9. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper gegen den seitlichen Rand des Strahler spitz ausläuft (Fig.7). High-power radiator according to claim 8, characterized in that the molded body against the lateral edge of the radiator leaking pointed (Fig.7).
  10. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper sichelförmigen Querschnitt aufweist und sich nur über einen Teil des Umfangs des zweiten Dielektrikums (2) erstreckt (Fig.9). High-power radiator according to claim 8 or 9, characterized in that the shaped body has crescent-shaped cross-section and extends only over a part of the periphery of the second dielectric (2) extends (Figure 9).
  11. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5 mit einer zentralen ersten Elektrode (3'), dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum (8) des zweiten Dielektrikums (2) zwischen der zentralen Elektrode und dem zweiten Dielektrlkum (2) und von diesem distanziert ein Formkörper (12c,12d,12e) mit halbrohrförmigem, sichelförmigem oder nierenförmigem Querschnitt aus dielektrischem Material vorgesehen ist. High-power radiator according to Claim 5 with a central first electrode (3 '), characterized in that in the interior (8) of the second dielectric (2) between the central electrode and the second Dielektrlkum (2) and from this dissociate, a shaped body (12c, 12d , 12e) is provided with halbrohrförmigem, crescent-shaped or kidney-shaped cross-section provided of dielectric material.
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