EP0578953B1 - Hochleistungsstrahler - Google Patents

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EP0578953B1
EP0578953B1 EP93108758A EP93108758A EP0578953B1 EP 0578953 B1 EP0578953 B1 EP 0578953B1 EP 93108758 A EP93108758 A EP 93108758A EP 93108758 A EP93108758 A EP 93108758A EP 0578953 B1 EP0578953 B1 EP 0578953B1
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EP
European Patent Office
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dielectric
discharge
discharge chamber
electrodes
gas
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EP93108758A
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English (en)
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EP0578953A1 (de
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Ulrich Dr. Kogelschatz
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Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
Heraeus Noblelight GmbH
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Publication date
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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
    • H01J65/04—Lamps 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
    • H01J65/042—Lamps 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
    • H01J65/046—Lamps 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J61/00—Gas-discharge or vapour-discharge lamps
    • H01J61/02—Details
    • H01J61/54—Igniting arrangements, e.g. promoting ionisation for starting

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, the walls of which are formed by an outer and an inner dielectric, the outer surfaces of the outer dielectric being provided with first electrodes, with second electrodes Electrodes on the surface of the second dielectric facing away from the discharge space, and with an alternating current source connected to the first and second electrodes for supplying the discharge.
  • the invention relates to a state of the art, such as that which results from EP-A 0 254 111, US-A-5 013 959 or EP-A-0 385 205.
  • 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 distribute their radiation over a larger wavelength range.
  • the new excimer lasers have provided some new wavelengths for basic photochemical experiments. for cost reasons for an industrial process probably only suitable in exceptional cases.
  • Excimer UV lamps based on the principle of silent electrical discharges require a significantly higher voltage than the voltage required for normal operation when they are first ignited or after longer breaks. This is due to the fact that surface charges form on the dielectrics during operation, which in each case ensure easier ignition in the subsequent voltage half-wave. These surface charges are missing the first time you ignite and after long breaks.
  • the object of the invention is to create a high-performance radiator, in particular for UV or VUV radiation, which ignites reliably without complex measures.
  • the discharge space is locally narrowed by attaching additional material made of dielectric material on the wall of the dielectric tubes facing the discharge space, or that one or more interfering bodies made of dielectric material are in the discharge space are provided, which touch one or the other or both dielectrics.
  • the invention is based on the knowledge of forcing an initial ignition at one point by local field distortion or field elevation.
  • the resulting UV radiation and the charge carriers of this local discharge then force the reliable ignition of the entire discharge volume.
  • This field distortion can be realized in a simple manner by means of a quartz ball or a ball made of aluminum or titanium oxide in the discharge gap.
  • the invention makes it possible for the first time to create excimer UV lamps that ignite safely.
  • the measures to be taken are simple and economical. They can also be carried out retrospectively in existing units when using an interference body, which is considered the most preferred means for field distortion.
  • FIGS. 1 and 2 there is an outer quartz tube 1 with a wall thickness of approximately 0.5 to 1.5 mm and an outer diameter
  • An inner quartz tube 2 of approximately 20 to 30 mm is arranged coaxially.
  • a helical inner electrode 3 bears against the inner surface of the inner quartz tube 2.
  • An outer electrode 4 in the form of a wire mesh or an applied electrode structure extends over the entire outer circumference of the outer quartz tube 1.
  • a wire 3 is inserted into the inner quartz tube 2. This forms the inner electrode of the radiator, the wire mesh 4 the outer electrode of the radiator.
  • the quartz tubes 1 and 2 are closed or melted at both ends by a cover 5 and 6, respectively.
  • the space between the two tubes 1 and 2, the discharge space 7, is filled with a gas / gas mixture which emits radiation under discharge conditions.
  • the coolant is supplied or removed via the connections 9 and 10.
  • the cooling liquid also serves for the electrical coupling of the inner electrode 3 to the inner quartz tube 2, so that it is not necessary for the helical electrode 3 to rest against the inner wall everywhere.
  • the two electrodes 3, 4 are connected to the two poles of an alternating current source 11.
  • the alternating current source supplies an adjustable alternating 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 1000 kHz - depending on the electrode geometry, pressure in the discharge space and composition of the filling gas.
  • the filling gas is, for example, mercury, noble gas, noble gas-metal vapor mixture, noble gas-halogen mixture, optionally under Use of 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, 254,320-370,390-420nm selenium 196, 204, 206 nm deuterium 150-250 nm Xenon + fluorine 340 - 360 nm, 400 - 550 nm Xenon + chlorine 300-320 nm
  • the electron energy distribution can be optimally adjusted by the thickness of the dielectrics and their properties as well as pressure and / or temperature in the discharge space.
  • FIG. 1 A first variant is shown in Fig. 1, right upper half (Fig. 2 in dashed lines).
  • the outer dielectric tube 1 is provided with an indentation or dent 12. This extends approximately up to half the gap width to the inner dielectric tube 2.
  • a second variant shows Fig. 1, lower right half (Fig. 2 also dashed).
  • the inner dielectric tube 2 is provided with a dent or bump 12a, which reaches the outer dielectric tube 1 approximately up to half the gap width.
  • FIG. 1, left half, and FIG. 2 can also be used retrospectively in the case of emitters.
  • a ball 13 made of dielectric material, e.g. Quartz, preferably made of aluminum or titanium oxide, with an outer sphere diameter equal to or slightly smaller than the gap width of the discharge space 7.
  • This sphere can, but need not, be attached to one or both dielectric walls.
  • the exact spherical geometry is not important. Two or more of these balls can also be provided, in particular in the case of elongated radiators. The combination of ball (s) and dents or humps is also possible.
  • Another measure that can also be taken subsequently with radiators is to melt quartz drops 12b or 12c on the inner surface of the outer dielectric tube 1 or on the outer surface of the inner dielectric tube 2 in order to achieve the desired field distortion.

Description

    Technisches Gebiet
  • 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.
  • Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der EP-A 0 254 111, der US-A-5 013 959 oder auch der EP-A-0 385 205 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 photochemische 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) weiterreagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung ab.
  • Auf dem Prinzip der stillen elektrischen Entladungen basierende Excimer-UV-Strahler erfordern beim ersten Zünden bzw. nach längeren Pausen eine wesentlich höhere Spannung als die für den Normalbetrieb erforderliche Spannung. Das hängt damit zusammen, dass sich während des Betriebs Oberflächenladungen auf den Dielektrika bilden, die jeweils für eine erleichterte Zünden in der nachfolgenden Spannungshalbwelle sorgen. Beim ersten Zünden und nach längeren Pausen fehlen diese Oberflächenladungen.
  • Ganz allgemein kann gesagt werden, dass für das Zünden einer Gasentladung zwei Kriterien erfüllt sein müssen. Einerseits müssen Anfangselektronen vorhanden sein, und andererseits muss die elektrische Feldstärke einen kritischen Wert überschreiten (Zündkriterium), damit es zu einer ausreichenden Multiplikation der Anfangselektronen und damit zur Bildung von Elektronenlawinen unter dem Einfluss des angelegten elektrischen Feldes kommen kann.
  • Aus der Lampentechnologie bekannte Methoden sind die Benutzung eines radioaktiven Präparates (z.B. Thorium) oder Gases (Krypton 85), um die Startelektronen zur Verfügung zu stellen, und eines Ueberspannungsimpulses, um die Startfeldstärke zu erhöhen. Insbesondere letztere Massnahme erfordert einen zusätzlichen Aufwand bei der Auslegung der elektrischen Speisgeräte und des Isolationsniveaus von Kabel, Steckern, Halterungen etc.
    • Darstellung der Erfindung
  • Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für UV- oder VUV-Strahlung, zu schaffen, der ohne aufwendige Massnahmen zuverlässig zündet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Hochleistungsstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss vorgesehen, dass zur lokalen Feldverzerrung der Entladungsraum durch Anbringen von Zusatzmaterial aus Dielektrikumsmaterial auf der dem Entladungsraum zugewandten Wandung der Dielektrikumsrohre lokal verengt ist, oder dass im Entladungsraum ein oder mehrere Störkörper aus dielektrischen Material vorgesehen sind, welche das eine oder das andere oder beide Dielektrika berühren.
  • Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, durch eine lokale Feldverzerrung bzw. Feldüberhöhung an einer Stelle eine Initialzündung zu erzwingen. Durch die dabei entstehende UV-Strahlung und die Ladungsträger dieser lokalen Entladung wird dann die zuverlässige Zündung des gesamten Entladungsvolumens erzwungen. Auf einfache Weise lässt sich diese Feldverzerrung durch eine Quarzkugel oder durch eine Kugel aus Aluminium- oder Titanoxid im Entladungsspalt realisieren.
  • Mit der Erfindung wird es erstmals möglich, Excimer-UV-Strahler zu schaffen, die sicher zünden. Die dabei zu ergreifenden Massnahmen sind einfach und wirtschaftlich. Sie lassen sich bei Verwendung eines Störkörpers, der als bevorzugstes Mittel zur Feldverzerrung angesehen wird, auch nachträglich in bestehende Einheiten durchführen.
  • Ausführungsformen der Erfindung sowie die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt; darin zeigt
    • Fig.1
    einen UV-Zylinderstrahlers mit konzentrischer Anordnung von innerem und äusserem Dielektrikumsrohr im Längsschnitt;
    Fig.2
    einen Schnitt durch den UV-Strahler nach Fig.1 längs deren Linie AA;
    Wege zur Ausführung der Erfindung
  • Gemäss Fig.1 und 2. ist 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. An der Innenfläche des inneren Quarzrohrs 2 liegt eine wendelförmige Innenelektrode 3 an.
  • Eine Aussenelektrode 4 in Form eines Drahtnetzes oder einer aufgebrachten Elektrodenstruktur erstreckt sich über den gesamten Aussenumfangs des äusseres Quarzrohrs 1.
  • In das innere Quarzrohr 2 ist ein Draht 3 eingeschoben. Dieser bildet die Innenelektrode des Strahlers, das Drahtnetz 4 die Aussenelektrode des Strahlers. Die Quarzrohre 1 und 2 sind an beiden Enden durch je einen Deckel 5 bzw. 6 verschlossen oder zugeschmolzen. Der Raum zwischen den beiden Rohren 1 und 2, der Entladungsraum 7, ist mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Gas/Gasgemisch gefüllt. Das Innere 8 des inneren Quarzrohres 2 ist mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante, vorzugsweise demineralisiertem Wasser (ε=81), gefüllt. Diese Flüssigkeit dient gleichzeitig zur Kühlung des Strahlers. Die Kühlflüssigkeit wird über die Anschlüsse 9 und 10 zu- bzw. abgeführt. Die Kühlflüssigkeit dient auch zur elektrischen Ankopplung der Innenelektrode 3 an das innere Quarzrohr 2, so dass es nicht nötig ist, dass die wendelförmige Elektrode 3 überall an der Innenwandung anliegt.
  • Die beiden Elektroden 3,4 sind mit den beiden Polen einer Wechselstromquelle 11 verbunden. 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.
  • Das Füllgas ist, 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 Verwendung 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, 254,320-370,390-420nm
    Selen 196, 204, 206 nm
    Deuterium 150 - 250 nm
    Xenon + Fluor 340 - 360 nm, 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 0-Atome abspaltet;
    • ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg.
  • Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3 und 4 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilentladungen) im Entladungsraum 7 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlussendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.
  • In der sich bildenden stillen elektrischen Entladung (silent discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften sowie Druck und/oder Temperatur im Entladungsraum optimal eingestellt werden.
  • Soweit sind Excimer-UV-Strahler bekannt.
  • Um nun das eingangs beschriebene Zündproblem zu lösen, sind erfindungsgemäss eine Reihe von Möglichkeiten vorgesehen, die allesamt auf der Idee beruhen, an einer Stelle im Entladungsraum 7 lokal eine Feldverzerrung bzw. Feldüberhöhung zu erzwingen. Durch die dabei entstehende UV-Strahlung und die Ladungsträger dieser lokalen Entladung wird dann die zuverlässige Zündung des gesamten Entladungsvolumens erzwungen.
  • Eine erste Variante ist in Fig.1 rechte obere Hälfte (Fig.2 strichliert) dargestellt. Das äussere Dielektrikumsrohr 1 ist mit einer nach innen weisenden Delle oder Buckel 12 versehen. Diese reicht etwa bis zur halben Spaltweite an das innere Dielektrikumsrohr 2 heran.
  • Eine zweite Variante zeigt Fig.1, rechte untere Hälfte, (Fig.2 gleichfalls strichliert). Dort ist das innere Dielektrikumsrohr 2 mit eine Delle oder Buckel 12a versehen, der etwa bis zur halben Spaltweite an das äussere Dielektrikumsrohr 1 heranreicht.
  • Während diese beiden Varianten der Feldverzerrung vonvornherein vorgesehen werden müssten, kann die in Fig.1, linke Hälfte, und Fig.2 dargestellte Ausführungsform auch nachträglich bei ausgeführten Strahlern verwendet werden.
  • Diese zwei Varianten sind aus EP-A-0 547 366 bekannt und stellen einen Stand der Technik gemäß Art. 54(3) EPÜ dar.
  • In den Entladungsraum 7 ist eine Kugel 13 aus dielektrischem Material, z.B. Quarz, vorzugsweise aus Aluminium- oder Titanoxid, eingelegt, mit einem Kugelaussendurchmesser gleich oder wenig kleiner als die Spaltweite des Entladungsraums 7. Diese Kugel kann - muss aber nicht - an einer oder an beiden Dielektrikumswänden befestigt sein. Dabei kommt es nicht auf die exakte Kugelgeometrie an. Auch können insbesondere bei langgestreckten Strahlern zwei oder mehrere dieser Kugeln vorgesehen werden. Auch ist die Kombination von Kugel(n) und Dellen oder Buckeln möglich.
  • Eine weitere, durchaus auch bei Strahlern nachträglich zu ergreifende Massnahme besteht darin, an die Innenfläche des äusseren Dielektrikumsrohres 1 oder an die Aussenfläche des inneren Dielektrikumsrohres 2 Quarztropfen 12b bzw. 12c anzuschmelzen, um die gewünschte Feldverzerrung zu erreichen.
    • Bezeichnungsliste
    • 1
    äusseres Quarzrohr
    2
    inneres Quarzrohr
    3
    wendelförmige Innenelektrode
    4
    Aussenelektrode
    5,6
    Deckel
    7
    Entladungsraum
    8
    Innenraum von 2
    9
    Kühlflüssigkeitsabfluss
    10
    Kühlflüssigkeitsabfluss
    11
    Wechselstromquelle
    12
    Delle oder Buckel an 1
    12a
    Delle oder Buckel an 2
    12b
    Quarztrofen an 1
    12c
    Quarztrofen an 2
    13
    Kugel aus Aluminium- oder Titanoxid

Claims (2)

  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) an der dem Entladungsraum (7) abgewandten Oberfläche des zweiten Dielektrikums (2), und mit einer an die ersten (4) und zweiten Elektroden (3) angeschlossenenen Wechselstromquelle (11) zur Speisung der Entladung, dadurch gekennzeichnet, dass zur lokalen Feldverzerrung der Entladungsraum durch Anbringen von Zusatzmaterial (12b, 12c) aus Dielektrikumsmaterial auf der dem Entladungsraum zugewandten Wandung der Dielektrikumsrohre (1,2) lokal verengt ist, oder dass im Entladungsraum (7) ein oder mehrere Störkörper aus dielektrischem Material vorgesehen sind, welche das eine oder das andere oder beide Dielektrika (1,2) berühren.
  2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Störkörper aus Quarz, Aluminium- oder Titanoxid bestehen.
EP93108758A 1992-07-06 1993-06-01 Hochleistungsstrahler Expired - Lifetime EP0578953B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE4222130A DE4222130C2 (de) 1992-07-06 1992-07-06 Hochleistungsstrahler
DE4222130 1992-07-06

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0578953A1 EP0578953A1 (de) 1994-01-19
EP0578953B1 true EP0578953B1 (de) 1997-09-17

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ID=6462570

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EP93108758A Expired - Lifetime EP0578953B1 (de) 1992-07-06 1993-06-01 Hochleistungsstrahler

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US (1) US5432398A (de)
EP (1) EP0578953B1 (de)
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DE (1) DE4222130C2 (de)

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