EP0895653A1 - Elektrische strahlungsquelle und bestrahlungssystem mit dieser strahlungsquelle - Google Patents

Elektrische strahlungsquelle und bestrahlungssystem mit dieser strahlungsquelle

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EP0895653A1
EP0895653A1 EP97942813A EP97942813A EP0895653A1 EP 0895653 A1 EP0895653 A1 EP 0895653A1 EP 97942813 A EP97942813 A EP 97942813A EP 97942813 A EP97942813 A EP 97942813A EP 0895653 A1 EP0895653 A1 EP 0895653A1
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EP
European Patent Office
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radiation source
electrodes
discharge
individual
source according
Prior art date
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EP97942813A
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English (en)
French (fr)
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EP0895653B1 (de
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Frank Vollkommer
Lothar Hitzschke
Jens Mücke
Rolf Siebauer
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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Publication date
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    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • H01J65/06—Lamps in which a gas filling is excited to luminesce by radioactive material structurally associated with the lamp, e.g. inside the vessel
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electrical radiation source according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to an irradiation system with this radiation source and with a voltage source according to the preamble of claim 15.
  • the radiation source emits incoherent radiation by means of a dielectric barrier discharge.
  • a dielectrically impeded discharge is generated in that one or both of the electrodes of the discharge arrangement connected to the voltage source is or are separated from the discharge in the interior of the discharge vessel by a dielectric (one-sided or both-sided dielectrically impeded discharge).
  • Incoherently emitting radiation sources are to be understood here as UV (ultraviolet) and IR (infrared) emitters and discharge lamps, which emit visible light in particular.
  • radiation sources of this type are suitable for general and auxiliary lighting, for example residential and office lighting or backlighting of displays, for example LCDs (Liquid Crystal Displays), for traffic and signal lighting, and for UV radiation, e.g. disinfection or photolytics.
  • LCDs Liquid Crystal Displays
  • UV radiation e.g. disinfection or photolytics.
  • the invention is based on WO 94/23442 and the mode of operation disclosed therein for dielectrically impeded discharges.
  • This mode of operation uses a basically unlimited sequence of voltage pulses, which are separated from one another by dead times or pause times. Decisive for the efficiency of the generation of useful radiation are, among other things, the pulse shape and the duration of the pulse or dead times.
  • narrow, for example strip-like electrodes are preferably used, which can be dielectrically impeded on one or two sides. If, for example, two elongate electrodes face each other in parallel, a large number of similar, delta-like ( ⁇ ) discharge structures are created in plan view, i.e.
  • the discharge structures can also accumulate in partial areas of the discharge vessel, as a result of which the power distribution can be very uneven with respect to the entire volume of the discharge vessel.
  • a large number of radiation sources for operation by means of AC voltage are known from the patent literature.
  • the individual discharge structures can change their location spontaneously.
  • it cannot be predicted at which precise point an individual individual discharge will ignite.
  • the emergence of the individual discharges rather shows a stochastic behavior both spatially and temporally.
  • h DE 40 10 809 AI for example, a high-power radiator with mutually parallel, strip or wire-shaped electrodes is disclosed.
  • no location is particularly distinguished from the neighboring locations. Consequently, the individual discharges igniting between these electrodes have a degree of freedom corresponding to the one common dimension of the parallel, elongated electrodes.
  • a radiator with a first transparent and a second flat metal electrode e.g. known a metal layer.
  • the transparent electrode is implemented as a transparent electrically conductive layer or as a wire mesh.
  • the individual discharges consequently have two degrees of freedom, corresponding to the respective two dimensions of the two electrode surfaces.
  • the individual discharges can occur anywhere along the warp or weft threads of the wire mesh, so they still have a degree of freedom.
  • EP 0 312 732 B1 discloses a radiator with two electrodes, each consisting of a wire mesh and parallel to one another.
  • the individual discharges can occur somewhere along two opposing and parallel warp or weft threads of both wire nets.
  • Each individual individual discharge therefore has in turn a degree of freedom corresponding to a common dimension of the parallel warp or weft threads.
  • the invention is based on the object of eliminating the disadvantages mentioned and of specifying a radiation source with a more uniform power distribution with respect to the total volume of its discharge vessel and with an overall discharge which is also more stable over time. Another aspect of the invention is to improve the efficiency of the generation of useful radiation.
  • Another object of the invention is to provide an irradiation system which contains the radiation source mentioned. According to the invention, this object is achieved by the characterizing features of claim 15.
  • the basic idea of the invention is to create spatially preferred starting points for the individual discharges by means of a multiplicity of locally limited amplifications of the electric field.
  • the individual discharges are, as it were, forced to the locations of these local field reinforcements and remain essentially stationary there, ie they no longer have a degree of freedom to move to a location in the immediate vicinity.
  • the specific form of the individual discharges only plays a subordinate role.
  • the delta-shaped and hourglass-shaped individual discharges mentioned at the outset are, due to their high efficiency, Radiation generation particularly suitable. Nevertheless, the invention is not restricted to individual discharges shaped in this way.
  • the electric field strength E (r) in the discharge space can be influenced by the capacitive effect of the dielectric layer (s) of the disabled electrode (s). Because of the capacitive effect of the dielectric, the electric field strength E (r) in the discharge space is weakened.
  • the locations of local field strengthening are thus created by the targeted construction of at least one of the electrodes and / or the dielectric material.
  • the geometrical extent of the locations is matched to the concrete dimensions of the individual discharges.
  • structure is understood to mean both shape, structure, material and spatial arrangement and orientation.
  • the reductions in distance ⁇ d (r :) are achieved by specially shaped or structured electrodes, which are also spatially suitable are arranged to each other.
  • the specific design of the electrode configuration is matched to the shape or symmetry of the discharge vessel.
  • bipolar voltage pulses it should be taken into account that the electrodes of different polarity alternately act as cathode or anode and, consequently, should ideally be of completely the same design.
  • unipolar voltage pulses it is expedient to structure or shape only the cathode in a targeted manner since the “tips” of the delta-shaped individual discharges start there.
  • Two or more essentially elongate electrodes which are arranged parallel to one another, are suitable for cuboidal or planar flat discharge vessels. It does not matter for the advantageous effect of the structuring of the electrode according to the invention whether the electrodes are all arranged outside or inside, on one side or on opposite sides of the discharge vessel. It is only important that either at least the electrodes of one polarity (one-sided dielectric barrier discharge) or also the electrodes of both polarities (double-sided dielectric barrier discharge) are separated from the discharge by a dielectric layer.
  • Suitable are e.g. Rod-shaped electrodes with nose-like shapes or "zigzag" and rectangular shapes.
  • Semicircular or hemispherical shapes are particularly favorable because, in this case - in contrast to rectangular or triangular shapes men - both a defined shortest distance is realized and undesirable peak effects are avoided.
  • the shapes or shapes of the respective electrodes are dimensioned such that the local field reinforcements £ (/ -,) achieved thereby are on the one hand sufficiently high to reliably generate the individual discharges at only these points ⁇ of the distance reductions Ad ( ⁇ ⁇ ).
  • the partial volume of the discharge vessel claimed by the shapes or by the shape of the electrode cannot be used by the individual discharges themselves. Given the requirement to create a discharge vessel that is as compact as possible or an efficiently used vessel volume, a relatively small reduction in distance should therefore be aimed for. An acceptable compromise can therefore be found in individual cases.
  • Typical relationships between the shortening of the distance Ad ( ⁇ ) and the effective striking distance w for the individual discharges are in the range between approximately 0.1 and 0.4.
  • the effective distance w is the respective distance d ( ⁇ ) between adjacent electrodes, which are reduced by the thickness b of the dielectric, between electrodes of different polarity at the locations;
  • a combination of a helical and one or more elongated electrodes is particularly suitable for cylindrical discharge vessels.
  • the helical electrode is preferably arranged centrally axially in the interior of the discharge vessel.
  • the elongated electrode or electrodes are arranged at a predeterminable distance from the lateral surface of the electrode coil, for example on the outer wall of the cylinder jacket of the discharge vessel, preferably parallel to the longitudinal axis of the cylinder. This targeted shaping and arrangement of the electrodes creates a large number of separate locations with shortened electrode spacings.
  • the pitch - ie the distance within which the helix is one completes complete revolution - is preferably approximately as large as the maximum transverse extent - in delta-like shapes this corresponds to the foot width - of the individual discharges or larger in order to prevent the individual discharges from overlapping.
  • DE 41 40 497 AI already discloses a high-performance radiator, in particular for ultraviolet light, with a helical inner electrode.
  • this inner electrode only serves to couple a pole of an AC voltage source to a shaped body which acts as a distributed additional capacitance.
  • the counter electrode is realized in the form of a wire network. Field reinforcements, which are limited locally to the individual discharges of the type described at the outset, do not result from this configuration. As a result, neither generation nor separation according to the invention of corresponding individual discharges is possible.
  • the electrodes of the radiation source are alternately connected to the two poles of a pulse voltage source.
  • the pulse voltage source supplies voltage pulses interrupted by pauses, as disclosed, for example, in WO 94/23442.
  • Another aspect of the invention is to largely prevent or at least limit the overlap of individual discharges. It has been shown that the efficiency for the production of useful radiation increases with decreasing overlap. On the other hand, by compressing or overlapping the individual discharges, the electrical power that can be coupled into the volume of the discharge vessel can be increased. Therefore, a suitable compromise between the Choose the level of performance (greater overlap) and the level of efficiency (less overlap). Depending on the requirements, either the absolute value of the radiation power or the efficiency of the radiation power, ie in the case of visible radiation, the level of the luminous flux or the luminous efficacy can be weighted more heavily.
  • a distance normalized to the maximum transverse extent of the individual discharges in the range from approximately 0.5 to 1.5 has proven to be suitable.
  • spaced partial discharges i.e. that there is a discharge-free area between the partial discharges, a mutual influence of the partial discharges can be largely ruled out.
  • FIG. 1 shows a basic illustration of a discharge arrangement for a pulsed discharge which is dielectrically impeded on one side and has two electrodes arranged next to one another with local reductions in the electrode spacing
  • FIG. 2 shows a variation of the arrangement from FIG. 1 with two anodes and a sawtooth-shaped cathode
  • FIG. 3 shows a further variation of the arrangement from FIG. 1 with two anodes and step-shaped cathode
  • 4 shows an embodiment of a flat radiator with a cathode with nose-like extensions
  • FIG. 5a shows an exemplary embodiment of a cylindrical discharge lamp with a spiral cathode in a side view
  • FIG. 5b shows the cross section along A-A of the discharge lamp shown in FIG. 5a
  • FIG. 5c shows a part of a longitudinal section along B-B of the discharge lamp shown in FIG. 5a
  • 6a is a schematic representation of a partially broken top view of a flat lamp according to the invention with electrodes arranged on the base plate with local shortenings of the electrode spacing,
  • FIG. 6b shows a schematic illustration of a side view of the flat lamp from FIG. 6a.
  • FIG. 1 is used primarily to explain the principle of the invention - namely the targeted localization of the individual discharges of a pulsed dielectric barrier discharge by means of local field intensifications - specifically by means of local shortening of the electrode spacing of a discharge arrangement 1.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section of the discharge arrangement 1 with two elongated electrodes 2, 3 arranged parallel to one another at a distance d, in a schematic representation.
  • a first 2 of the two electrodes 2, 3 is separated by a dielectric layer 4 from the adjacent discharge space which extends between the two electrodes 2, 3.
  • the second metallic electrode 3, however, is uncoated.
  • This is a discharge arrangement with a dielectric barrier on one side, which is particularly efficient with unipolar chip voltage pulses is operated.
  • the polarity is chosen so that the dielectric barrier electrode 2 acts as an anode and the unimpeded electrode 3 consequently acts as a cathode.
  • the cathode 3 has four nose-like projections 9-12 which face the anode 2. As a result, locally limited reinforcements of the electric field are generated at the locations of the extensions 9-12. These targeted field reinforcements have the effect that - assuming a sufficiently high electrical power - a delta-shaped individual discharge 5-8 starts at each of these extensions 9-12. In order to prevent or at least limit undesired migration of the starting points for the tips of the individual discharges 5-8 on the extensions 9-12, the transverse extension s of the respective extension, i. the expansion along the cathode 3 is relatively small compared to the width / foot of a single discharge.
  • the transverse dimension s is approximately 1/10 of the foot width /
  • Another important dimension is the lateral dimension ⁇ of the extensions 9-12, i.e. the extension in the direction of the shortest distance to the opposite anode 2 - that is to say the shortening of distance Ad (i) previously explained in the description.
  • the ratio of latex expansion i and effective stroke length l ⁇ is in the range between approx. 0.1 and 0.4.
  • the distances between adjacent individual discharges 5-8 can be influenced by the distances a of the associated extensions 9-12.
  • the distances between the successive extensions 9-12 and consequently also the associated individual discharges 5-8 are selected differently in FIG. It is also assumed that the delta-shaped individual discharges 5-8 have the shape of an equilateral triangle.
  • the mutual distance between the first two extensions 9 and 10 corresponds exactly to half the foot width / the two associated individual discharges 5 and 6, corresponding to a distance of 0.5 normalized to the foot width. Consequently, these two individual discharges 5 and 6 overlap in the overlap region 13.
  • the mutual distance between the second and third extensions 6 and 7 corresponds exactly to the entire foot width / of the two associated individual discharges 6 and 7, corresponding to a standardized distance of 1.
  • FIGS. 2 and 3 schematically show variations of the discharge arrangement from FIG. 1, each with two anodes arranged parallel to one another. Identical features are provided with the same reference numbers.
  • the local shortening of the electrode spacing is realized by a “zigzag” or sawtooth-shaped cathode 14, for example bent from a metal wire, arranged centrally in the plane of the two anodes 2a, 2b.
  • the six teeth 15-20 of the cathode 14 point alternately to one or the other of the two anodes 2a, 2b. In this way it is achieved that with the appropriate electrical power at each the prongs 15-20 apply a delta-shaped individual discharge 21-26.
  • the at the intermediate or next following “even numbered” points 16, 18, 20 starting individual discharge 22, 24, 26 end on the opposite other anode 2b.
  • the mutual spacing of the individual discharges can be influenced by the corresponding spacing of the spikes.
  • the distances between the next but one neighboring points 15,17; 17, 19, 16, 18 and 18, 20 each have the same size as the foot width of the individual discharges 21-26. Consequently, both the “odd-numbered” and the “even-numbered” individual discharges 21, 23, 25 and 22, 24, 26 are lined up directly adjacent to one another on both sides of the cathode 14.
  • FIG. 3 only the cathode 27 has been changed compared to FIG. 1 in such a way that a sequence of four steps 28-31, for example bent from a metal wire, extends centrally between the two anodes 2a, 2b. Steps 28-31 are alternately oriented to one anode 2a or other anode 2b, so that these steps act as local reductions in the electrode spacing.
  • steps 28-31 for example bent from a metal wire
  • the discharge arrangement in FIG. 3 is particularly suitable for “curtain-like” discharge structures, such as can be generated under certain discharge conditions, for example relatively low pressure of the gas or gas mixture within the discharge vessel. Under these special conditions, no delta-shaped individual discharges are formed. Rather, between the steps 28, 30 and the adjacent anode 2a on the one hand and between the steps 29, 31 and the adjacent anode 2b on the other hand, rectangular discharges 32, 34 and 33, 35 respectively burn.
  • the step-like cathode is additionally coated with a thin dielectric layer (not shown). In this way, a dielectric barrier arrangement is realized on both sides. This also enables efficient operation with bipolar voltage pulses.
  • the alignment of the delta-shaped individual discharges constantly changes with the changing polarity of the voltage pulses in the opposite direction.
  • the visual impression of “hourglass-shaped” individual discharges is produced (not shown).
  • the cathode can also be printed in the form of conductor tracks on an inner or outer wall of the discharge vessel, as described for example in EP 0 363 832 A1. All that is essential for the advantageous effect of the invention is the additional means for local field strengthening, one means per individual discharge.
  • the electrodes can be arranged spatially just as well instead of in one plane.
  • FIGS. 4a and 4b show a schematic representation of an embodiment of an irradiation system with a flat radiator 36 and an electrical supply device 37, partly in longitudinal section or in cross section.
  • the electrode arrangement is similar to that shown in FIG. 1 to explain the inventive idea.
  • the radiator 36 consists of an elongated cuboidal discharge vessel 38 made of glass. In the interior of the discharge vessel 38 there is xenon with a filling pressure of approx. 8 kPa.
  • a first electrode 39 (cathode) connected to the negative pole of the supply device 37 (cathode) is arranged centrally in the longitudinal axis of the discharge vessel 38.
  • the cathode 39 consists of a metal rod which is provided with three pairs of nose-like extensions 42a, 42b-44a, 44b at a mutual spacing of approximately 15 mm.
  • the two extensions of each pair 42a, 42b-44a, 44b are oriented in the opposite direction and towards each of the two anodes 41a, 41b.
  • the extensions 42a, 42b-44a, 44b are semicircular with a diameter of approximately 2 mm.
  • the lateral expansion C in the direction of the respective anode is therefore approximately 1 mm.
  • the supply device 37 delivers a sequence of negative voltage pulses with widths (full width at half height) of approx. 1 ⁇ s and a pulse repetition frequency of approx. 80 kHz during operation.
  • a delta-shaped individual discharge 45a, 45b-47a, 47b can be generated on each of the extensions 42a, 42b-44a, 44b within the discharge vessel 38.
  • Each individual discharge begins with its tip on an extension and widens as far as the opposite side wall 40a, 40b, which acts as a dielectric layer, on the outer wall of which the associated anode 41a, 41b is attached.
  • FIG. 5a shows the side view
  • FIG. 5b the cross section
  • FIG. 5c shows a partial longitudinal section of a further embodiment of a discharge lamp 48.
  • Its outer shape resembles conventional lamps with an Edison base 49.
  • An elongated inner electrode 51 is arranged centrally within the circular cylindrical discharge vessel 50 made of 0.7 mm thick glass.
  • the discharge vessel 50 has a diameter of approximately 50 mm.
  • the inside of the discharge vessel 50 is filled with xenon at a pressure of 173 hPa.
  • the inner electrode 51 is formed from metal wire as a right-handed spiral.
  • the respective diameters of the metal wire and the helix 51 are 1.2 mm and 10 mm, respectively.
  • the pitch h - ie the distance within which the helix is complete Revolution - is 15 mm. This value corresponds approximately to the foot width / delta-shaped individual discharges.
  • Four outer electrodes 52a-52d in the form of 8 cm long conductive silver strips are attached equidistantly and parallel to the longitudinal axis of the coil on the outer wall of the discharge vessel 50. Consequently, there are four equidistant locations 53a-53d per turn on the outer surface of the spiral electrode 51, which are immediately adjacent to the corresponding outer electrodes 52a-52d.
  • the tip of a delta-shaped individual discharge 54a-54d starts at these four points with the shortest stroke distance ⁇ and widens up to the inner wall of the discharge vessel 50 in the direction of the outer electrodes 52a-52d. These locations of the shortest pitch are repeated from turn to turn and along the outer electrodes 52a-52d.
  • the individual discharges burn in a deliberately separate manner in two planes intersecting perpendicularly in the longitudinal axis of the lamp, each plane passing through two opposite outer electrodes 52a, 52c and 52b, 52d.
  • the specific choice of h ⁇ f ensures that the individual discharges along the outer electrodes 52a-52d do not overlap one another.
  • the outer electrodes 52a-52d are electrically conductively connected to one another by means of a conductive silver strip 52e attached to the outer wall in a ring.
  • the inner wall of the discharge vessel 50 is coated with a phosphor layer 55. It is a three-band phosphor with the blue component BaMgAl- ] nOi7 * E ⁇ ? - + , the green component La- PO4: (Tb 3+ , Ce 3+ ) and the red component (Gd, Y) B ⁇ 3. Eu 3+ . This results in a luminous efficacy of approx. 45 lm / W in pulse operation with voltage pulses of approx.
  • a ballast device (not shown) which supplies the voltage pulses required for operating the lamp is integrated in the lamp base 49.
  • Figures 6a, 6b show a schematic representation of a top view and side view of a flat fluorescent lamp which emits white light during operation. It is designed as a backlight for an LCD (Liquid Crystal Display).
  • LCD Liquid Crystal Display
  • the flat lamp 56 consists of a flat discharge vessel 57 with a rectangular base, four strip-like metallic cathodes 58 (-) and dielectric anodes 59 (+).
  • the discharge vessel 57 in turn consists of a base plate 60, a cover plate 61 and a frame 62.
  • Base plate 60 and cover plate 61 are each gas-tightly connected to the frame 62 by means of glass solder 63 such that the interior 64 of the discharge vessel 57 is cuboid.
  • the base plate 60 is larger than the cover plate 61 in such a way that the discharge vessel 57 has a circumferential free-standing edge.
  • the wall of the ceiling plate 61 is coated with a phosphor mixture (not visible in the illustration), which converts the UV / VUV radiation generated by the discharge into visible white light. This is a three-band phosphor 'the blue component BAM
  • the opening in the ceiling plate 61 is used for illustrative purposes only and provides a view of part of the cathodes 58 and anodes 59.
  • the cathodes 58 and anodes 59 are arranged alternately and in parallel on the inner wall of the base plate 60.
  • the anodes 59 and cathodes 58 are each extended at one end and guided on the bottom plate 60 from the inside 64 of the discharge vessel 57 on both sides in such a way that the associated anodic or cathodic bushings are arranged on opposite sides of the bottom plate.
  • the electrode strips 58, 59 merge into cathode-side 65 and anode-side 66 external power supply.
  • the external power leads 65, 66 serve as contacts for the connection to an electrical pulse voltage source (not shown).
  • the connection to the two poles of a pulse voltage source usually takes place as follows. First of all, the individual anodic and cathodic power supplies are connected to each other, for example by means of a suitable plug connector (not shown) including connecting lines. Finally, the two common anodic or cathodic connecting lines are connected to the associated two poles of the pulse voltage source.
  • the anodes 59 are completely covered with a glass layer 67, the thickness of which is approximately 250 ⁇ m.
  • the cathode strips 58 have nose-like, semicircular extensions 68 facing the respective adjacent anode 58. They cause locally limited amplifications of the electric field and consequently that the delta-shaped individual discharges (not shown) ignite only at these points and then burn locally there.
  • the distance between the extensions 68 and the respective immediately adjacent anode strip is approximately 6 mm.
  • the radius of the semicircular extensions 68 is approximately 2 mm.
  • the individual electrodes 58, 59 including feedthroughs and external power supply lines 65, 66 are each designed as coherent conductor track-like structures. The structures are applied directly to the base plate 60 by means of screen printing technology.

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Abstract

Eine Strahlungsquelle (36), insbesondere eine Entladungslampe, die für den Betrieb einer dielektrisch behinderten, gepulsten Entladung mittels eines Vorschaltgerätes (37) geeignet ist, weist mindestens eine vom Innern des Entladungsgefässes durch dielektrisches Material (40a; 40b) getrennte Elektrode (41a, 41b) auf. Durch den gezielten Aufbau mindestens einer der Elektroden (39) und/oder des dielektrischen Materials (40a; 40b) sind Stellen zur lokalen Feldverstärkung geschaffen derart, dass während des gepulsten Betriebs eine oder mehrere dielektrisch behinderte Einzelentladungen ausschliesslich an diesen Stellen erzeugt werden, wobei pro Stelle höchstens eine Einzelentladung erzeugt wird. Die Stellen sind insbesondere durch lokal begrenzte Abstandsverkürzungen realisiert, z.B. in dem eine der Elektroden halbkugelförmige in Richtung zur Gegenelektrode orientierte Fortsätze (42a, 42b-44a, 44b) aufweist. Durch diese Massnahme wird eine gleichmässig über das Entladungsgefäss (38) verteilte und zeitlich stabile Entladungsstruktur hoher Nutzstrahlungseffizienz erzielt.

Description

Elektrische Strahlungsquelle und Bestrahlungssystem mit dieser Strahlungsquelle
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine elektrische Strahlungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Bestrahlungssystem mit dieser Strahlungsquelle und mit einer Spannungsquelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 15.
Im Betrieb emittiert die Strahlungsquelle mittels einer dielektrisch behinderten Entladung inkohärente Strahlung. Eine dielektrisch behinderte Entladung wird dadurch erzeugt, daß eine oder beide der mit der Spannungs- quelle verbundenen Elektroden der Entladungsanordnung durch ein Dielektrikum von der Entladung im Innern des Entladungsgefäßes getrennt ist bzw. sind (einseitig bzw. beidseitig dielektrisch behinderte Entladung).
Unter inkohärent emittierenden Strahlungsquellen sind hier UV(Ultraviolett)- und IR(Infrarot)-Strahler sowie Entladungslampen, die insbesondere sichtbares Licht abstrahlen, zu verstehen.
Strahlungsquellen dieser Art eignen sich, je nach dem Spektrum der emit- tierten Strahlung, für die Allgemein- und Hilfsbeleuchtung, z.B. Wohn- und Bürobeleuchtung bzw. Hintergrundbeleuchtung von Anzeigen, beispielsweise LCD's (Liquid Crystal Displays), für die Verkehrs- und Signalbeleuchtung, sowie für die UV-Bestrahlung, z.B. Entkeimung oder Photolytik. Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von der WO 94/23442 und der darin offenbarten Betriebsweise für dielektrisch behinderte Entladungen. Diese Betriebsweise verwendet eine im Prinzip unbeschränkte Folge von Spannungsimpulsen, die durch Totzeiten oder Pausenzeiten voneinander getrennt sind. Entschei- dend für die Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung sind unter anderem die Impulsform sowie die Zeitdauern der Puls- bzw. Totzeiten. Bevorzugt werden für diese Betriebsweise schmale, z.B. streifenartige Elektroden verwendet, die ein- oder zweiseitig dielektrisch behindert sein können. Stehen sich beispielsweise zwei längliche Elektroden parallel gegenüber, so wird eine Vielzahl gleichartiger, in Draufsicht, also senkrecht zur Ebene, in der die beiden Elektroden angeordnet sind, deltaähnlicher (Δ) Entladungsstrukturen erzeugt, die nebeneinander entlang der Elektroden aufgereiht sind und sich jeweils in Richtung der (momentanen) Anode verbreitern. Im Fall wechselnder Polarität der Spannungspulse einer zweiseitig dielektrisch behinderten Entladung erscheint visuell eine Überlagerung zweier deltaförmiger Strukturen. Da diese Entladungsstrukturen bevorzugt mit Wiederholfrequenzen im kHz-Bereich erzeugt werden, nimmt der Betrachter nur eine der zeitlichen Auflösung des menschlichen Auges entsprechende "mittlere" Entladungsstruktur wahr, etwa in der Form einer Sanduhr. Die Anzahl der ein- zelnen Entladungsstrukturen ist unter anderem durch die eingekoppelte elektrische Leistung beeinflußbar. Nachteilig allerdings ist, daß einzelne Entladungsstrukturen ihren jeweilige Ort entlang der Elektroden unter Umständen spontan ändern können, wodurch eine gewisse Instabilität der Strahlungsverteilung resultiert. Außerdem können sich die Entladungsstruk- turen auch in Teilbereichen des Entladungsgefäßes häufen, wodurch die Leistungsverteilung in Bezug auf das gesamte Volumen des Entladungsgefäßes sehr ungleichmäßig sein kann. Aus der Patentliteratur sind eine Vielzahl von Strahlungsquellen für den Betrieb mittels Wechselspannung bekannt. Auch hier können die einzelnen Entladungsstrukturen ihren Ort spontan ändern. Außerdem läßt sich ebenfalls nicht vorhersagen an welcher konkreten Stelle genau eine individuelle Einzelentladung zünden wird. Die Entstehung der Einzelentladungen zeigt vielmehr sowohl räumlich als auch zeitlich ein stochastisches Verhalten.
h der DE 40 10 809 AI beispielsweise ist ein Hochleistungsstrahler mit zueinander parallelen, streifen- bzw. drahtförmigen Elektroden offenbart. In der jeweiligen Längsrichtung zweier unmittelbar benachbarter Elektroden unterschiedlicher Polarität ist kein Ort gegenüber den Nachbarorten besonders ausgezeichnet. Folglich haben die zwischen diesen Elektroden zündenden Einzelentladungen einen Freiheitsgrad, entsprechend der einen gemeinsamen Dimension der parallelen, länglichen Elektroden.
Aus der EP 0 254 111 Bl ist ein Strahler mit einer ersten transparenten und einer zweiten flächigen Metallelektrode, z.B. einer Metallschicht bekannt. Die transparente Elektrode ist als transparente elektrisch leitende Schicht oder als Drahtnetz realisiert. Im ersten Fall, d.h. wenn sich zwei flächige Elektroden gegenüber stehen, haben die Einzelentladungen folglich zwei Freiheitsgrade, entsprechend den jeweiligen zwei Dimensionen der beiden Elektrodenflächen. Im zweiten Fall können die Einzelentladungen irgendwo längs der Kett- oder Schußfäden des Drahtnetzes entstehen, haben also immer noch einen Freiheitsgrad.
In der EP 0 312 732 Bl ist schließlich ein Strahler mit zwei, jeweils aus einem Drahtnetz bestehenden, zueinander parallelen Elektroden bekannt. Hier können die Einzelentladungen jeweils irgendwo längs zweier einander gegenüber stehender und zueinander paralleler Kett- oder Schußfäden beider Drahtnetze entstehen. Jede individuelle Einzelentladung hat also wiederum einen Freiheitsgrad, entsprechend der einen gemeinsamen Dimension der parallelen Kett- oder Schußfäden.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile zu beseitigen und eine Strahlungsquelle mit einer bezüglich des Gesamtvolumens ihres Entladungsgefäßes gleichmäßigeren Leistungsverteilung sowie mit einer, insbesondere auch zeitlich stabileren Gesamtentladung anzugeben. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Verbesserung der Effizienz der Nutzstrahlungserzeugung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkma- le des Patentanspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bestrahlungssystem anzugeben, welches die genannte Strahlungsquelle enthält. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 15 gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mittels einer Vielzahl lokal begrenzter Verstärkungen des elektrischen Feldes gezielt räumlich bevorzugte Ansatzpunkte für die Einzelentladungen zu schaffen. Die Einzelentladungen werden gleichsam an die Stellen dieser lokalen Feld Verstärkungen gezwungen und bleiben dort im wesentlichen ortsfest, d.h. sie haben keinen Freiheitsgrad mehr, an einen Ort in der unmittelbaren Nachbarschaft auszuweichen. Folglich ist die Gesamtstruktur der Entladung zeitlich weitgehend stabil. Die konkrete Form der Einzelentladungen spielt dabei nur eine untergeordnete Rolle. Zwar sind die eingangs genannten delta- und sand- uhrförmigen Einzelentladungen aufgrund ihrer hohen Effizienz der Nutz- Strahlungserzeugung besonders geeignet. Gleichwohl ist die Erfindung nicht auf derart geformte Einzelentladungen beschränkt.
Die Stellen zur lokalen Feldverstärkung können durch verschiedene Maßnahmen realisiert werden, wie folgende vereinfachende Betrachtung zeigt. Bezeichnet U(t) die an zwei im Abstand ά angeordneten Elektroden angelegte zeitlich veränderliche Spannung, so resultiert daraus zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld mit der näherungsweisen Stärke E(t) - U(t)/d . Folglich können die lokalen Feldverstärkungen E(t;r=r- ) = U(t)/d(η) durch lokales Verkürzen des Elektrodenabstandes d(r) an den entsprechenden Stellen / realisiert werden, wobei /' = 1,2,3, .../? und n die Gesamtzahl der Feldverstärkungen bezeichnen.
Außerdem ist die elektrische Feldstärke E(r) im Entladungsraum durch die kapazitive Wirkung der dielektrischen Schicht(en) der behinderten Elektro- de(n) beeinflußbar. Durch die kapazitive Wirkung des Dielektrikums wird nämlich die elektrische Feldstärke E(r) im Entladungsraum geschwächt. Erfindungsgemäße lokale Feldverstärkungen E(r=7; ) sind folglich auch durch lokal begrenzte Verringerungen der (Gesamt) Dicke b(r. ) und/oder durch Erhöhungen der relativen Dielektrizitätskonstante(n) ε (η ) der dielektrischen Schicht(en) an den entsprechenden Stellen r, realisierbar.
Die Stellen lokaler Feldverstärkung werden also durch den gezielten Aufbau mindestens einer der Elektroden und/oder des dielektrischen Materials geschaffen. Die geometrische Ausdehnung der Stellen ist dabei auf die konkreten Abmessungen der jeweiligen Einzelentladungen abgestimmt. Unter der Bezeichnung „Aufbau" sind dabei sowohl Form, Struktur, Material als auch räumliche Anordnung und Orientierung zu verstehen.
Die Abstandsverkürzungen Δd(r: ) werden durch besonders geformte bzw. strukturierte Elektroden erzielt, die zudem in geeigneter Weise räumlich zueinander angeordnet sind. Die konkrete Ausführung der Elektrodenkonfiguration ist auf die Form bzw. Symmetrie des Entladungsgefäßes abgestimmt. Außerdem ist bei der Verwendung von bipolaren Spannungspulsen zu berücksichtigen, daß die Elektroden unterschiedlicher Polarität abwech- selnd als Kathode bzw. Anode wirken und folglich idealerweise völlig gleich gestaltet sein sollten. Im Falle der Verwendung von unipolaren Spannungspulsen ist es hingegen zweckmäßig, nur die Kathode gezielt zu strukturieren bzw. zu formen, da dort die „Spitzen" der deltaförmigen Einzelentladungen ansetzen.
Für quaderförmige oder flächenartig ebene Entladungsgefäße eignen sich zwei oder mehrere im wesentlichen längliche Elektroden, die parallel zueinander angeordnet sind. Für die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Strukturierung der Elektrode spielt es keine Rolle, ob die Elektroden alle außerhalb oder innerhalb, auf einer Seite oder auf einander gegenüberlie- genden Seiten des Entladungsgefäßes angeordnet sind. Wichtig ist nur, daß entweder mindestens die Elektroden einer Polarität (einseitig dielektrisch behinderte Entladung) oder auch die Elektroden beiderlei Polarität (beidseitig dielektrisch behinderte Entladung) durch eine dielektrische Schicht von der Entladung getrennt sind.
Mindestens die Elektroden einer Polarität sind in der Gefäßebene in regelmäßigen Abständen mit Ausformungen versehen, die sich in Richtung der Gegenelektrode(n) derart erstrecken, daß dadurch eine vorgebbare Anzahl n von Abstandsverkürzungen Δd(η ) mit / = 1,2,3, .../? erreicht wird. Geeignet sind z.B. stabförmige Elektroden mit nasenartigen Ausformungen oder „Zickzack-" sowie rechteckartige Formen.
Halbkreisrunde bzw. halbkugelige Ausformungen sind besonders günstig, da in diesem Fall - im Unterschied zu rechteckigen oder dreieckigen For- men - sowohl jeweils ein definiert kürzester Abstand realisiert wird als auch unerwünschte Spitzenwirkungen vermieden werden.
Die Ausformungen bzw. Formgebungen der jeweiligen Elektrode sind so bemessen, daß die dadurch erzielten lokalen Feldverstärkungen £(/-, ) einer- seits ausreichend hoch sind, um die Einzelentladungen zuverlässig an ausschließlich diesen Stellen η der Abstandsverkürzungen Ad(ι\ ) zu erzeugen. Andererseits ist das von den Ausformungen bzw. durch die Formgebung der Elektrode beanspruchte Teilvolumen des Entladungsgefäßes von den Einzelentladungen selbst nicht nutzbar. Unter der Vorgabe, ein möglichst kompaktes Entladungsgefäßes bzw. ein effizient genutztes Gefäßvolumen zu schaffen, ist daher eher eine relativ geringe Abstandsverkürzung anzustreben. Im Einzelfall ist also ein akzeptabler Kompromiß zu finden.
Typische Verhältnisse zwischen Abstandsverkürzung Ad(ι ) und effektiver Schlagweite w für die Einzelentladungen liegen im Bereich zwischen ca. 0,1 und 0,4. Als effektive Schlagweite w ist hier der um die Dicke b des Dielektrikums verminderte jeweilige Abstand d(η ) zwischen einander benachbarte]"! Elektroden unterschiedlicher Polarität an den Stellen ; bezeichnet, also
Für zylindrische Entladungsgefäße eignet sich insbesondere eine Kombina- tion aus einer wendeiförmigen und einer oder mehrerer länglicher Elektroden. Die wendeiförmige Elektrode ist bevorzugt zentrisch axial im Innern des Entladungsgefäßes angeordnet. Die längliche Elektrode bzw. Elektroden sind in einem vorgebbaren Abstand zur Mantelfläche der Elektrodenwendel, beispielsweise auf der Außenwandung des Zylindermantels des Entla- dungsgefäßes, bevorzugt parallel zur Zylinderlängsachse angeordnet. Durch diese gezielte Formgebung sowie Anordnung der Elektroden ist eine Vielzahl voneinander getrennter Stellen mit verkürzten Elektrodenabständen geschaffen. Die Ganghöhe - d.h. die Strecke, innerhalb der die Wendel eine vollständige Umdrehung ausführt - ist bevorzugt ungefähr so groß wie die maximalen Querausdehnung - bei deltaartigen Formen entspricht dies der Fußbreite - der Einzelentladungen oder großer, um ein Überlappen der Ein- zelentladungen zu verhindern.
In der DE 41 40 497 AI ist zwar bereits ein Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einer wendelformigen Innenelektrode offenbart. Diese Innenelektrode dient allerdings lediglich der Ankopplung eines Pols einer Wechselspannungsquelle an einen als verteilte Zusatzka- pazitat wirkenden Formkorper. Die Ankopplung des elektrischen Wechsel- feldes wird durch eine Flüssigkeit mit hoher Dielektrizit tskonstante, vorzugsweise demineralisiertes Wasser (ε = 81) unterstützt Außerdem ist die Gegenelektrode in Form eines Drahtnetzes realisiert. Jeweils lokal auf die Einzelentladungen der eingangs geschilderten Art begrenzte Feldverstar- kungen resultieren aus dieser Konfiguration nicht Folglich ist damit weder eine Erzeugung noch eine erfindungsgemäße Separier ung von entsprechenden Einzelentladungen möglich.
Zur Vervollständigung der Strahlungsquelle zu einem Bestrahlungssystem sind die Elektroden der Strahl ungsquelle wechselweise mit den beiden Polen einer Impulsspannungsquelle verbunden. Die Impulsspannungsquelle liefert durch Pausen unterbrochene Spannungspulse, wie beispielsweise in der WO 94/23442 offenbart.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, die Überlappung von Emzelentla- dungen weitgehend zu verhindern oder aber mindestens einzuschränken. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Effizienz für die Erzeugung von Nutzstrah- lung mit abnehmender Überlappung zunimmt. Auf der anderen Seite läßt sich durch Zusammenrücken bzw. Überlappen der Einzelentladungen die in das Volumen des Entladungsgefäßes einkoppelbare elektrische Leistung steigern. Daher ist im Einzelfall ein geeigneter Kompromiß zwischen der Höhe der Leistung (stärkere Überlappung) und der Höhe der Effizienz (geringere Überlappung) zu wählen. Je nach Anforderung kann dabei entweder der absolute Wert der Strahlungsleistung oder die Effizienz der Strahlungsleistung, d.h. im Falle von sichtbarer Strahlung die Höhe des Lichtstroms bzw. der Lichtausbeute, stärker gewichtet werden.
Unter diesen Gesichtspunkten hat sich ein auf die maximale Querausdehnung der Einzelentladungen normierter Abstand im Bereich von ca. 0,5 bis 1,5 als geeignet erwiesen. Dabei bedeuten normierte Abstände von z.B. 0,5, 1 und 1,5, daß die Mittelachsen benachbarter Teilentladungen um die Hälfte, das Einfache bzw. Eineinhalbfache ihrer maximalen Querausdehnung voneinander entfernt sind, was einer Überlappung, einer Berührung ohne Überlappung bzw. einer Beabstandung der Teilentladungen entspricht. Im Falle beabstandeter Teilentladungen, d.h. daß zwischen den Teilentladungen ein entladungsfreier Bereich ist, kann eine gegenseitige Beeinflussung der Teil entla düngen weitgehend ausgeschlossen werden.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Entladungsanordnung für eine gepulste, einseitig dielektrisch behinderte Entladung mit zwei ne- beneinander angeordneten Elektroden mit lokalen Verkürzungen des Elektrodenabstandes,
Fig. 2 eine Variation der Anordnung aus Figur 1 mit zwei Anoden und sägezahnförmiger Kathode,
Fig. 3 eine weitere Variation der Anordnung aus Figur 1 mit zwei An- öden und stufenförmiger Kathode, Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines Flachstrahlers mit einer Kathode mit nasenartigen Fortsätzen,
Fig. 5a ein Ausfuhrungsbeispiel einer zylindrischen Entladungslampe mit einer spiralförmigen Kathode in Seitenansicht,
Fig. 5b den Querschnitt entlang A-A der in Figur 5a gezeigten Entladungslampe,
Fig. 5c einen Teil eines Längsschnittes entlang B-B der in Figur 5a gezeigten Entladungslampe,
Fig. 6a eine schematische Darstellung einer teilweise durchbrochenen Draufsicht einer erfindungsgemaßen Flachlampe mit auf der Bodenplatte angeordneten Elektroden mit lokalen Verkürzungen des Elektrodenabstandes,
Fig. 6b eine schematische Darstellung einer Seitenansicht der Flachlampe aus Figur 6a.
Figur 1 dient in erster Linie zur Erläuterung des Punzips dei Erfindung - nämlich die gezielte Lokalisierung der Einzelentladungen einer gepulsten dielektrisch behinderten Entladung mittels lokaler Feldverstarkungen - und zwar anhand lokaler Verkürzungen des Elektrodenabstandes einer Entladungsanordnung 1. Zu diesem Zweck zeigt Figur 1 einen Längsschnitt der Entladungsanordnung 1 mit zwei zueinander parallel im Abstand d angeordneten länglichen Elektroden 2,3 in schematischer Darstellung Eine erste 2 der beiden Elektroden 2,3 ist durch eine dielektrische Schicht 4 vom angrenzenden, sich zwischen den beiden Elektroden 2,3 erstreckenden Entladungsraum getrennt. Die zweite metallische Elektrode 3 ist hingegen un- beschichtet. Es handelt sich hierbei also um eine einseitig dielektrisch behinderte Entladungsanordnung, die besonders effizient mit unipolaren Span- nungspulsen betrieben wird. Dabei ist die Polarität so gewählt, daß die dielektrisch behinderte Elektrode 2 als Anode und die unbehinderte Elektrode 3 folglich als Kathode wirken.
Die Kathode 3 weist vier nasenartige Fortsätze 9-12 auf, die der Anode 2 zu- gewandt sind. Dadurch werden an den Stellen der Fortsätze 9-12 lokal begrenzte Verstärkungen des elektrischen Feldes erzeugt. Diese gezielte Feldverstärkungen bewirken, daß - eine ausreichend hohe elektrische Leistung vorausgesetzt - an jedem dieser Fortsätze 9-12 jeweils eine deltaförmige Einzelentladung 5-8 mit ihrer Spitze ansetzt. Um ein unerwünschtes Wandern der Ansatzstellen für die Spitzen der Einzelentladungen 5-8 auf den Fortsätzen 9-12 zu verhindern oder zumindest zu begrenzen, ist die Transversalausdehnung s des jeweiligen Fortsatzes, d.h. die Ausdehnung längs der Kathode 3 relativ gering im Vergleich zur Breite /des Fußes einer Einzelentladung. Typisch beträgt die Transversalausdehnung s etwa 1/10 von der Fußbreite/ Ein weiteres wichtiges Maß sind die Lateralausdehnungen ß der Fortsätze 9-12, d.h. die Ausdehnung in Richtung der jeweils kürzesten Entfernung zur gegenüber liegenden Anode 2 - also die in der Beschreibung zuvor erläuterte Abstandsverkürzung Ad(i) ) . Der jeweilige Abstand zwischen den Fortsätzen 9-12 und der Anode - abzüglich der dielektrischen Schicht 4 - ergibt somit die effektive Schlagweite τυ für die Einzelentladungen 5-8. Folglich werden die Lateralausdehnungen £ so bemessen, daß bei angelegter Elektrodenspannung U(t) eine ausreichende Feldverstärkung E(t) = U(t)/ιυ erzielt wird, um ein zuverlässiges Ansetzen der Einzelentladungen 5-8 zu gewährleisten. Typisch liegt das Verhältnis von Late- ralausdehnung i und effektiver Schlagweite lυ im Bereich zwischen ca. 0,1 und 0,4.
Die Abstände benachbarter Einzelentladungen 5-8 sind durch die Abstände a der zugehörigen Fortsätze 9-12 beeinflußbar. Zur Verdeutlichung dieses Konzeptes sind in der Figur 1 die Abstände der aufeinander folgenden Fortsätze 9-12 und folglich auch der zugehörigen Einzelentladungen 5-8 unterschiedlich gewählt. Außerdem ist angenommen, daß die deltaförmigen Einzelentladungen 5-8 die Form eines gleichseitigen Dreiecks aufweisen. Der gegenseitige Abstand der beiden ersten Fortsätze 9 und 10 entspricht gerade der halben Fußbreite/ der beiden zugehörigen Einzelentladungen 5 und 6, entsprechend einem auf die Fußbreite/normierten Abstand von 0,5. Folglich überlappen sich diese beiden Einzelentladungen 5 und 6 im Überlappbereich 13. Der gegenseitige Abstand des zweiten und dritten Fortsatzes 6 bzw. 7 entspricht gerade der ganzen Fußbreite/ der beiden zugehörigen Einzelentladungen 6 und 7, entsprechend einem normierten Abstand von 1. Folglich schließen diese beiden Einzelentladungen 6 und 7 unmittelbar aneinander an, ohne Überlapp, aber auch ohne entladungsfreien Raum zwischen den Fußbereichen beider Einzelentladungen 6 und 7. Der gegenseitige Abstand des dritten und vierten Fortsatzes 11 bzw. 12 ist schließlich größer als die Fußbreite/ der beiden zugehörigen Einzelentladungen 7 und 8, entsprechend einem normierten Abstand größer 1. Folglich sind diese beiden Einzclentladungen 7 und 8 von einander durch einen entladungsfreien Raum zwischen ihren Fußbereichen getrennt.
In den Figuren 2 und 3 sind Variationen der Entladungsanordnung von Figur 1 mit jeweils zwei zueinander parallel angeordneten Anoden schematisch dargestellt. Gleichartige Merkmale sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
In Figur 2 sind die lokalen Verkürzungen des Elektrodenabstandes durch eine in der Ebene der beiden Anoden 2a,2b zentrisch angeordneten „Zickzack"- bzw. sägezahnförmigen Kathode 14, beispielsweise aus einem Metalldraht gebogen, realisiert. Die sechs Zacken 15-20 der Kathode 14 weisen abwechselnd zu der einen bzw. anderen der beiden Anoden 2a,2b. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei entsprechender elektrischer Leistung an jeder der Zacken 15-20 genau eine deltaförmige Einzelentladung 21-26 ansetzt. Dabei enden die an den „ungeradzahligen Zacken", d.h. der ersten Zacke 15 und an den jeweils übernächsten Zacken 17 und 19 ansetzenden Einzelentladung 21,23,25 an der einen Anode 2a. Die an den dazwischen liegenden bzw. nächst folgenden „geradzahligen" Zacken 16,18,20 ansetzenden Einzelentladung 22,24,26 enden hingegen an der gegenüberliegenden anderen Anode 2b. Die gegenseitigen Abstände der Einzelentladungen sind durch die entsprechenden Abstände der Zacken beeinflußbar. In der Figur 2 sind die Abstände zwischen den übernächsten Nachbarzacken 15,17; 17,19 bzw. 16,18 und 18,20 jeweils genauso groß gewählt, wie die Fußbreite der Einzelentladungen 21-26. Folglich sind sowohl die „ungeradzahligen" als auch die „geradzahligen" Einzelentladungen 21,23,25 bzw. 22,24,26 jeweils unmittelbar aneinander angrenzend zu beiden Seiten der Kathode 14 aufgereiht.
In Figur 3 ist gegenüber Figur 1 lediglich die Kathode 27 geändert und zwar in der Weise, daß sich zentrisch zwischen den beiden Anoden 2a,2b eine Folge von vier Stufen 28-31, beispielsweise aus einem Metalldraht gebogen, erstreckt. Die Stufen 28-31 sind abwechselnd zu der einen Anode 2a bzw. anderen Anoden 2b orientiert, so daß diese Stufen als lokale Verkürzungen des Elektrodenabstandes fungieren.
Die Entladungsanordnung in Figur 3 eignet sich insbesondere für „vorhangähnliche" Entladungsstrukturen, wie sie unter bestimmten Entladungsbedingungen, z.B. relativ geringem Druck des Gases oder Gasgemisches innerhalb des Entladungsgefäßes, erzeugt werden können. Unter diesen besonderen Bedingungen bilden sich also keine deltaförmige Einzelent- ladungen aus. Vielmehr brennen dann zwischen den Stufen 28,30 und der benachbarten Anode 2a einerseits sowie zwischen den Stufen 29,31 und der benachbarten Anode 2b andererseits jeweils rechteckartige Entladungen 32,34 bzw. 33,35. In einer Variante ist die stufenartige Kathode zusätzlich von einer dünnen dielektrischen Schicht überzogen (nicht dargestellt). Auf diese Weise ist eine beidseitig dielektrisch behinderte Anordnung realisiert. Damit ist auch eine effiziente Betriebsweise mit bipolaren Spannungspulsen möglich. Dabei än- dem sich die Ausrichtung der deltaförmigen Einzelentladungen ständig mit der wechselnden Polarität der Spannungspulse in entgegengesetzter Richtung. Bei typischen Pulswiederholfrequenzen im Bereich von einigen zehn Kilohertz entsteht der visuelle Eindruck von „sanduhrförmigen" Einzelentladungen (nicht dargestellt).
Darüber hinaus sind noch viele weitere geeignete Formen für die Kathode denkbar, die das erfindungsgemäße Merkmal lokal begrenzter Verkürzungen des Elektrodenabstands aufweisen. Insbesondere können die Elektroden auch in Form von Leiterbahnen auf einer Innen- oder Außenwandung des Entladungsgefäßes aufgedruckt sein, wie beispielsweise in der EP 0 363 832 AI beschrieben. Wesentlich für die vorteilhafte Wirkung der Erfindung sind lediglich die zusätzlichen Mittel zur lokalen Feldverstärkung und zwar je ein Mittel pro Einzelentladung. Außerdem können die Elektroden statt in einer Ebene genauso gut räumlich angeordnet sein.
Die Figuren 4a und 4b zeigen in schematischer Darstellung eine Ausfüh- rungsform eines Bestrahlungssystems mit flächenartigem Strahler 36 und elektrischem Versorgungsgerät 37 teils im Längsschnitt bzw. im Querschnitt. Die Elektrodenanordnung ist ähnlich, wie die zur Erläuterung der Erfindungsidee in Figur 1 gezeigte. Der Strahler 36 besteht aus einem länglichen quaderförmigen Entladungsgefäß 38 aus Glas. Im Innern, des Entladungsge- fäßes 38 befindet sich Xenon mit einem Fülldruck von ca. 8 kPa. In der Längsachse des Entladungsgefäßes 38 ist eine erste, mit dem Minuspol des Versorgungsgeräts 37 verbundene Elektrode 39 (Kathode) zentrisch angeordnet. Auf den Außenwandungen der beiden zur Längsachse parallelen schmalen Seitenflächen 40a,40b sind jeweils eine weitere, mit dem Pluspol des Versorgungsgeräts 37 verbundene streifenförmige Elektrode 41a,41b (Anode) aus Aluminiumfolie angeordnet. Die Kathode 39 besteht aus einem Metallstab, der im gegenseitigen Abstand von ca. 15 mm mit drei Paaren von nasenartigen Fortsätzen 42a,42b-44a,44b versehen ist. Die beiden Fortsätze eines jeden Paares 42a,42b-44a,44b sind in entgegen gesetzter Richtung und zu je einer der beiden Anoden 41a,41b hin orientiert. Die Fortsätze 42a,42b- 44a,44b sind halbkreisförmig mit einem Durchmesser von ca. 2 mm ausgebildet. Die Lateralausdehnung C in Richtung jeweiliger Anode beträgt also ca. 1 mm. Zusammen mit einer effektive Schlagweite π> von ca. 9 mm folgt daraus für den Quotienten £/zυ ein Wert von ca. 0,11. Das Versorgungsgerät 37 liefert im Betrieb eine Folge von negativen Spannungspulsen mit Breiten (volle Breite bei halber Höhe) von ca. 1 μs und einer Pulswiederholfrequenz von ca. 80 kHz. Damit können innerhalb des Entladungsgefäßes 38 an jedem der Fortsätze 42a,42b-44a,44b je eine deltaförmige Einzelentla- düng 45a,45b-47a,47b erzeugt werden. Dabei setzt jede Einzelentladung mit ihrer Spitze an einem Fortsatz an und verbreitert sich bis zur als dielektrische Schicht wirkenden gegenüberliegenden Seitenwand 40a,40b, auf deren Außenwandung die zugehörige Anode 41a,41b befestigt ist.
In Figur 5a ist die Seitenansicht, in Figur 5b der Querschnitt und in Figur 5c ein Teillängsschnitt einer weiteren Ausführungsform einer Entladungslampe 48 gezeigt. Sie ähnelt in ihrer äußeren Form konventionellen Lampen mit Edison-Sockel 49. Innerhalb des kreiszylindrischen Entladungsgefäßes 50 aus 0,7 mm dickem Glas ist eine längliche Innenelek- trode 51 zentrisch angeordnet. Das Entladungsgefäß 50 weist einen Durch- messer von ca. 50 mm auf. Das Innere des Entladungsgefäßes 50 ist mit Xenon bei einem Druck von 173 hPa gefüllt. Die Innenelektrode 51 ist aus Metalldraht als rechtsdrehende Wendel geformt. Die jeweiligen Durchmesser des Metalldrahtes und der Wendel 51 betragen 1,2 mm bzw. 10 mm. Die Ganghöhe h - d.h. die Strecke, innerhalb der die Wendel eine vollständige Umdrehung ausführt - beträgt 15 mm. Dieser Wert entspricht ungefähr der Fußbreite/ der deltaförmigen Einzelentladungen. Auf der Außenwandung des Entladungsgefäßes 50 sind vier Außenelektroden 52a-52d in Form von 8 cm langen Leitsilberstreifen äquidistant und parallel zur Wendellängsach- se angebracht. Folglich gibt es pro Windung jeweils vier äquidistante Stellen 53a-53d auf der Außenfläche der Wendelelektrode 51, die den korrespondierenden Außenelektroden 52a-52d unmittelbar benachbart sind. An diesen vier Stellen mit kürzester Schlagweite τυ setzt jeweils die Spitze einer deltaförmigen Einzelentladung 54a-54d an und verbreitert sich bis zur In- nenwandung des Entladungsgefäßes 50 in Richtung Außenelektroden 52a- 52d. Diese Stellen kürzester Schlagweite wiederholen sich von Windung zu Windung und längs der Außenelektroden 52a-52d. Auf diese Weise brennen die Einzelentladungen gezielt voneinander separiert in zwei sich senkrecht in der Lampenlängsachse schneidenden Ebenen, wobei jede Ebene durch zwei gegenüberliegende Außeiielektroden 52a,52c bzw. 52b,52d hindurch verläuft. Außerdem ist durch die gezielte Wahl von h ~ f gewährleistet, daß sich die Einzelentladungen längs der Außenelektroden 52a-52d nicht gegenseitig überlappen.
Im Bereich des Sockels des Entladungsgefäßes 50 sind die Außenelektro- den 52a-52d mittels eines ringförmig auf die Außenwand angebrachten Leitsilberstreifens 52e miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Innenwand des Entladungsgefäßes 50 ist mit einer Leuchtstoffschicht 55 beschichtet. Es handelt sich dabei um einen Dreibandenleuchtstoff mit der Blaukomponente BaMgAl-]nOi7* Eυ?-+, der Grünkomponente La- PO4: (Tb3+, Ce3+) und der Rotkomponente (Gd,Y)Bθ3. Eu3+. Damit werden im Pulsbetrieb mit Spannungspulsen von ca. 1,2 μs Pulsbreite, jeweils voneinander getrennt durch 37,4 μs Pausendauer, eine Lichtausbeute von ca. 45 lm/W erzielt. Dies entspricht gegenüber der in der WO 94/23442 offen- barten Lampe ähnlichen Typs, aber mit Stabelektrode, d.h. ohne gezielte Separierung der Einzelentladungen, emer Ausbeutesteigerung von ca. 12-13 %.
In einer Variante ist ein Vorschal tgerät (nicht dargestellt), welches die für den Betrieb der Lampe erforderlichen Spannungspulse liefert, in den Lam- pensockel 49 integriert.
Die Figuren 6a, 6b zeigen in schematischer Darstellung eine Draufsicht bzw. Seitenansicht einer flachen Leuchtstofflampe, die im Betrieb weißes Licht emittiert. Sie ist als Hintergrundbeleuchtung für ein LCD (Liquid Crystal Display) konzipiert.
Die Flachlampe 56 besteht aus einem flachen Entladungsgefäß 57 mit rechteckiger Grundfläche, vier streifenartigen metallischen Kathoden 58 (-) sowie dielektrisch behinderten Anoden 59 (+). Das Entladungsgefäß 57 besteht seinerseits aus einer Bodenplatte 60, einer Deckenplatte 61 und einem Rahmen 62. Bodenplatte 60 und Deckenplatte 61 sind jeweils mittels Glaslot 63 mit dem Rahmen 62 gasdicht verbunden derart, daß das Innere 64 des Entladungsgefäßes 57 quaderförmig ausgebildet ist. Die Bodenplatte 60 ist größer als die Deckenplatte 61 derart, daß das Entladungsgefäß 57 einen umlaufenden freistehenden Rand aufweist. Die Irmenwandung der Deckenplatte 61 ist mit einem Leuchtstoffgemisch beschichtet (in der Darstellung nicht sichtbar), welches die von der Entladung erzeugte UV/VUV-Strahlung in sichtbares weißes Licht konvertiert. Es handelt sich dabei um einen Dreibandenleuchtstoff mit ' der Blaukomponente BAM
(BaMgAlιnO-17: Eu2+), der Grünkomponente LAP (LaPO^ [Tb3+, Ce3+]) und der Rotkomponente YOB ([Y, GdJBOß: Eu3+). Der Durchbruch in der Deckenplatte 61 dient lediglich darstellerischen Zwecken und gibt den Blick auf einen Teil der Kathoden 58 und Anoden 59 frei. Die Kathoden 58 und Anoden 59 sind abwechselnd und parallel auf der Innenwandung der Bodenplatte 60 angeordnet. Die Anoden 59 und Kathoden 58 sind jeweils an ihrem einen Ende verlängert und auf der Bodenplatte 60 aus dem Innern 64 des Entladungsgefäßes 57 beidseitig nach außen geführt derart, daß die zugehörigen anodischen bzw. kathodischen Durchführungen auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Bodenplatte angeordnet sind. Auf dem Rand der Bodenplatte 60 gehen die Elektrodenstreifen 58,59 jeweils in kathodenseitige 65 bzw. anodenseitige 66 äußere Stromzuführung über. Die äußeren Stromzuführungen 65,66 dienen als Kontakte für die Verbindung mit einer elektrischen Impulsspannungsquelle (nicht dargestellt). Die Verbindung mit den beiden Polen einer Impulsspannungsquelle geht üblicherweise wie folgt von statten. Zunächst werden die einzelnen anodischen und kathodischen Stromzuführungen jeweils untereinander verbunden, z.B. mittels je eines geeigneten Steckverbinders (nicht darge- stellt) inklusive Verbindungsleitungen. Schließlich werden die beiden gemeinsamen anodischen bzw. kathodischen Verbindungsleitungen mit den zugehörigen beiden Polen der Impulsspannungsquelle verbunden.
Im Innern 64 des Entladungsgefäßes 57 sind die Anoden 59 vollständig mit einer Glasschicht 67 bedeckt, deren Dicke ca. 250 μm beträgt.
Die Kathodenstreifen 58 weisen nasenartige, der jeweils benachbarten Anode 58 zugewandte, halbkreisförmige Fortsätze 68 auf. Sie bewirken lokal begrenzte Verstärkungen des elektrischen Feldes und folglich, daß die deltaförmigen Einzelentladungen (nicht dargestellt) ausschließlich an diesen Stellen zünden und anschließend dort lokalisiert brennen.
Der Abstand zwischen den Fortsätzen 68 und dem jeweiligen unmittelbar benachbarten Anodenstreifen beträgt ca. 6 mm. Der Radius der halbkreisförmigen Fortsätze 68 beträgt ca. 2 mm. Die einzelnen Elektroden 58,59 inklusive Durchführungen und äußere Stromzuführungen 65,66 sind jeweils als zusammenhängende leiterbahnähnliche Strukturen ausgebildet. Die Strukturen sind mittels Siebdrucktechnik direkt auf der Bodenplatte 60 aufgebracht.
Im Innern 64 der Flachlampe 56 befindet sich eine Gasfülhmg aus Xenon mit einem Fülldruck von 10 kPa.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere können einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Strahlungsquelle (36; 48; 56), die für den Betrieb einer dielektrisch behinderten, gepulsten Entladung geeignet ist, wobei die Strahlungsquelle (36; 48; 56) ein zumindest teilweise transparentes und mit einer Gasfüllung gefülltes geschlossenes (38; 50) oder von einem Gas oder Gas- gemisch durchströmtes offenes Entladungsgefäß aus elektrisch nichtleitendem Material sowie Elektroden (39,41a,41b; 51,52a-52d; 58,59) aufweist, wobei zumindest die Elektroden einer Polarität (41a,41b; 52a- 52d; 59) vom Innern des Entladungsgefäßes durch dielektrisches Material (40a,40b; 50; 67) getrennt sind und wobei während des gepulsten Betriebes zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität jeweils ein elektrisches Feld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau mindestens der Elektroden einer Polarität und/oder des dielektrischen Materials Stellen zur lokalen Verstärkung des elektrischen Feldes geschaffen sind derart, daß während des gepulsten Be- triebes eine oder mehrere dielektrisch behinderte Einzelentladungen ausschließlich an diesen Stellen erzeugt werden, wobei pro Stelle höchstens eine Einzelentladung erzeugt wird.
2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand der einzelnen Stellen zur lokalen Verstärkung des elektrischen Feldes derart gewählt ist, daß die Einzelentladungen im wesentlichen nicht überlappen.
3. Strahl ungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der auf die maximale Querausdehnung der Einzelentladungen normierte Abstand der einzelnen Stellen zur lokalen Verstärkung des elektrischen Feldes im Bereich zwischen ca. 0,5 und 1,5, bevorzugt im Bereich zwischen 0,9 und 1,3 liegt.
4. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der die Stellen zur lokalen Feldverstärkung geschaffene Aufbau mindestens einer der Elektroden derart ist, daß die Elektroden entgegengesetzter Polarität lokal begrenzte Abstandsverkürzungen aufweisen.
5. Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokal begrenzten Abstandsverkürzungen als nasenartige Fortsätze (9- 12; 42a; 42b-44a; 44b; 68) realisiert sind.
6. Strahlungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fortsätze eine halbkreisrunde (68) bzw. halbkugelige (42a; 42b-44a;
44b) Form aufweisen.
7. Strahlungsquelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (57) flach geformt ist und die Elektroden (58,59) streifenartig auf mindestens einer Wandung des Entla- dungsgefäßes (57) aufgebracht sind.
8. Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokal begrenzten Abstandsverkürzungen mittels einer Elektrode (27) mit der Form einer Rechteckwelle realisiert sind.
9. Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokal begrenzten Abstandsverkürzungen mittels einer sägezahnförmi- gen Elektrode (14) realisiert sind.
10. Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lokal begrenzten Abstandsverkürzungen mittels einer wendeiförmigen
Elektrode (51) und mindestens einer länglichen Gegenelektrode (52a- 52d) realisiert sind, wobei die Gegenelektrode(n) (52a-52d) im wesent- lichen parallel zur Längsachse der wendeiförmigen Elektrode (51) angeordnet ist (sind).
11. Strahlungsquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ganghöhe (h) der wendeiförmigen Elektrode (51) mindestens der ma- ximalen Querausdehnung (/) der Einzelentladungen (54a) entspricht.
12. Strahlungsquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Wert der lokalen Abstands Verkürzungen (f.) und der Schlagweite (τυ) für die Einzelentladungen im Bereich zwischen ca. 0,1 und 0,4 liegt.
13. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Stellen zur lokalen Feldverstärkung geschaffene Aufbau des dielektrischen Materials durch entsprechend lokal begrenzte Verringerungen der Dicke der dielektrischen Schicht realisiert ist.
14. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Stellen zur lokalen Feldverstärkung geschaffene Aufbau des dielektrischen Materials durch entsprechend lokal begrenzte Erhöhungen der relativen Dielektrizitätskonstante realisiert ist.
15. Bestrahlungssystem mit einer Strahlungsquelle (36) und einer Spannungsquelle (37), welche Spannungsquelle (37) fähig ist, eine Folge von Spannungspulsen zu liefern, wobei die einzelnen Spannungspulse jeweils durch Pausenzeiten voneinander getrennt sind, welche Strahlungsquelle (36) für eine dielektrisch behinderte, gepulste Entladung geeignet ist, wobei die Strahlungsquelle (36) ein zumindest teilweise transparentes und mit einer Gasfüllung gefülltes geschlossenes (38) oder von einem Gas oder Gasgemisch durchströmtes offenes Entladungsgefäß aus elektrisch nichtleitendem Material sowie Elektroden (39; 41a; 41b) aufweist, wobei mindestens die Elektroden einer Po- larität (41a; 41b) vom Innern des Entladungsgefäßes durch dielektrisches Material (38) getrennt ist, welche Elektroden (39; 41a; 41b) mit der Spannungsquelle (37) verbunden sind und wobei während des gepulsten Betriebes zwischen den Elektroden entgegengesetzter Polarität jeweils ein elektrisches Feld erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau mindestens der Elektroden einer Polarität und/oder des dielektrischen Materials Stellen zur lokalen Verstärkung des elektrischen Feldes geschaffen sind derart, daß während des Betriebes der Spannungsquelle (37) eine oder mehrere dielektrisch behin- derte Einzelentladungen ausschließlich an diesen Stellen erzeugt werden, wobei pro Stelle höchstens eine Einzelentladung erzeugt wird.
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