WO2011128443A2 - Vorrichtung zum erzeugen von uv-licht - Google Patents

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WO2011128443A2
WO2011128443A2 PCT/EP2011/056050 EP2011056050W WO2011128443A2 WO 2011128443 A2 WO2011128443 A2 WO 2011128443A2 EP 2011056050 W EP2011056050 W EP 2011056050W WO 2011128443 A2 WO2011128443 A2 WO 2011128443A2
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plasma chamber
vuv
plasma
region
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Siegfried Egner
Alexander Lohner
Ali Imran Javaid
Arnold Gillner
Walter Nadrag
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Sico Technology Gmbh
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Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., Sico Technology Gmbh filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
Publication of WO2011128443A2 publication Critical patent/WO2011128443A2/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J65/00—Lamps without any electrode inside the vessel; Lamps with at least one main electrode outside the vessel
    • 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

Definitions

  • UV light and VUV light by the excitation of gases or gas mixtures with high-frequency electrical waves, in particular with microwaves, is known, for example, from DE 41 36 297.
  • the energy density of the microwaves and the plasma generated by the microwaves is highly location-dependent.
  • From DE 41 09 895 C2 discloses a device for generating UV light with a chamber is known.
  • the chamber contains a gas-filled plasma bulb. Outside this chamber there is a magnetron which generates microwave radiation which is directed into the chamber via a waveguide and openings in the chamber. There, the microwaves excite the gas or gas mixture in the plasma bulb so that it emits UV rays.
  • a disadvantage of this device is its complicated structure.
  • two magnetrons are needed to excite the gas in a plasma bulb about 15 cm in length to emit UV light.
  • a waveguide is needed for each magnetron.
  • US Pat. No. 5,923,111 discloses a luminaire with a light source without an electrode, which comprises a gas-filled chamber and at least one reflector electrode, which is arranged in the immediate vicinity, but not inside the luminous means.
  • This reflector electrode is used to transfer electromagnetic energy to the gas, which is located in the bulb. This stimulates the gas so that it emits light.
  • the reflector electrode also serves to reflect the light which is imitated by the gas in the light source.
  • a luminaire which comprises a chamber and ignition source, wherein the ignition source ionizes the gas within the chamber.
  • the luminaire also includes at least one laser that supplies energy to the ionized gas within the illuminant to produce a very bright light.
  • the invention has for its object to provide a device for generating UV light and / or vacuum UV light (VUV light), which is simple and inexpensive to produce and many liberties in terms of size of the light exit surface and the orientation of the emitted UV Light provides.
  • VUV light vacuum UV light
  • a device for generating UV light characterized in that the plasma chamber is at least two parts, that a first part forms the permeable for UV light and / or VUV light first area and that second part of the UV light and / or VUV light impermeable second region forms.
  • the choice of material for these two different regions can be optimized individually. As a result, manufacturing costs can be reduced.
  • the UV light generated by the plasma chamber according to the invention can be very well adapted to the requirements of the application.
  • the second region as an approximately parabolic reflector and to form the first region where the UV light emerges as a more or less planar disk, so that the plasma chamber according to the invention has the optical properties of a headlight.
  • the flat pane is very easy to control in terms of manufacturing technology.
  • the second region which preferably consists of oxide ceramic.
  • Oxide ceramics are not transmissive to the UV light, but reflect it and are made by sintering. During sintering, a so-called green compact is first pressed, which in a first approximation has the shape of the later second part. There are very few limits to the design. It is possible, for example, to form supports, ribs or sealing surfaces which, together with the quartz glass pane, provide a good seal and a pressure resistance of the plasma chamber.
  • this greenware After this greenware has been dried, it is then sintered in a sintering process at about 1000 ° C, thereby maintaining its strength.
  • a suitable shaping it is possible that the second part after sintering has little or no mechanical refinishing, which further reduces the manufacturing costs.
  • the quartz glass pane is bonded to the second part made of oxide ceramic, preferably in the region of a sealing surface.
  • This cohesive connection can be achieved for example by soldering and / or gluing.
  • the first part is particularly preferably joined to the second part in a special atmosphere, the atmosphere having exactly the gas composition and the pressure which should prevail in the interior of the plasma chamber after the joining process. This means that when the first part and the second part are joined together sealingly in this atmosphere, the desired gas composition and the desired pressure automatically prevail inside the then hermetically sealed plasma chamber, so that here too a very rational and simple production technique is used can.
  • the first part is designed as a substantially plane.
  • this first part is also possible to form this first part as a converging lens, in which case the plasma chamber facing surface is preferably flat at least in the region of the sealing surface, so that a simple and secure sealing joint connection between the quartz disk and the second part can be made of oxide ceramic.
  • the second part of the plasma chamber preferably has a concave surface contour, which essentially forms the volume of the plasma chamber.
  • this concave surface contour is designed so that it is designed as a reflector for the UV and / or VUV radiation. This makes it possible to align the UV or VUV light generated in the plasma chamber so that the UV light emerging from the first part emits either collimated U-rays or the UV rays are focused on a focal point, so that there a particularly high power density can be achieved.
  • the optical properties of the second part can be influenced in a targeted manner.
  • first part and the second part are then most simple if in the second part a substantially flat and closed sealing surface is formed.
  • the second part has ribs and / or supports which partially absorb the pressure forces acting on the quartz glass pane, so that the deflection of the quartz glass pane is reduced ,
  • the second part and / or the first part are permeable to microwaves.
  • the device according to the invention emits directional and even focused UV light
  • a wide variety of photochemical and photophysical processes can be excited so that these processes proceed uniformly and at high reaction rates.
  • the disinfection of drinking and waste water, exhaust gases and solid substances, such as food, wet oxidation processes, syntheses, especially of vitamins, UV polymerization reactions, curing processes and / or biochemical processes with the UV light emitted by the vacuum container according to the invention or VUV light are initiated.
  • the device according to the invention can in principle emit UVA, UVB, UVC and vacuum UV light in a wavelength range of 200 to 400 nm (UV light) as well as from 100 nm to 200 nm (VUV light).
  • the excitation of the gas in the vacuum container can, for example, be done by microwave energy.
  • halides for filling the plasma flask noble gases, halides, inert gases, hydrocarbons, oxygen, nitrogen or mixtures or chemical compounds of these gases can be used.
  • a pressure between 10 -9 mbar and 1 bar prevails in the plasma chamber.
  • the emission behavior of the vacuum flask can be varied within wide ranges and controlled so that the emitted UV light can be optimally adapted to the photochemical or physical process to be initiated with the device of the invention.
  • the device according to the invention can be used for a wide variety of purposes.
  • this device according to the invention is suitable for any photochemical or photophysical processes, which can preferably be initiated in gaseous, liquid or solid phase (also gels).
  • the possible applications of the device according to the invention include, for example, the UV disinfection of drinking and waste water, exhaust gases and solid materials (for example, of plastic films that must be disinfected for packaging in the food industry), oxidation processes, syntheses, for example of vitamin D u. a., UV polymerization reactions, curing processes and biochemical processes that can be initiated with UV light.
  • Figures 1 to 8 Various embodiments of inventive plasma chambers.
  • inventive plasma chambers 1 are shown in section.
  • the plasma chamber 1 is delimited by a first part 3 and a second part 5 and encloses a gas or a gas mixture, which emits UV light and / or VUV light with suitable excitation, for example by microwaves.
  • the pressure in the plasma chamber 1 can be significantly lower than the ambient pressure and, for example, between 10 -9 mbar and 1 bar.
  • the first part 3 is made of a material which is transmissive to UV light and / or VUV light. This is indicated in Figure 1 by arrows. As suitable materials for the first part 3, natural and / or synthetic quartz glass and sapphire glass have been found.
  • a suitable material for the second part is, for example, oxide ceramics, which can be made by sintering in a variety of more complicated geometric shapes.
  • the second part 5 is essentially concave and the first part 3 is substantially planar (glass). ) To form disc.
  • the sealing surface between the first part 3 and the second part 5 is identified by the reference numeral 7 in FIG.
  • This sealing surface is flat and can therefore be made very simple and very precise, so that there is a very small sealing gap between the first part 3 and the second part 5. This makes it relatively easy to produce a gas-tight connection between the first part 3 and the second part 5 in mass production and fully automated.
  • This connection can preferably be produced by a cohesive joining method, such as, for example, laser soldering or with the aid of an adhesive bond.
  • a cohesive joining method such as, for example, laser soldering or with the aid of an adhesive bond.
  • the two-part construction according to the invention Due to the two-part construction according to the invention, it is possible to make a very cost-effective production of the plasma chamber 1, which nevertheless has a very high efficiency and power density.
  • this is based on the fact that the second part 5 reflects the UV light radiation produced in the plasma chamber 1 so that it also passes through the quartz glass pane after one or more reflections on the second part 5 and thus increases the effective light output of the plasma chamber according to the invention , Since the plasma chamber 1 is ultimately bounded by a plurality of planar walls and the plasma in the plasma chamber 1 emits UV light over the entire volume and in all directions, a large part of the emitted UV light first reaches the reflective walls of the second part 5 there one or more times reflected before it then passes through the quartz glass pane 3 to the outside and there is available as an effective usable light output.
  • the plasma in the plasma chamber 1 For the plasma in the plasma chamber 1 to emit UV light or VUV light, it must be excited. This can be done by a magnetron (not shown) that emits microwaves that reach the inside of the plasma chamber 1.
  • the oxide ceramic of the second part 5 is permeable to microwaves, so that, for example, these microwaves can be coupled via the second part 5 into the plasma chamber 1. Alternatively or additionally, it is also possible to couple microwaves via the quartz glass pane 3 into the plasma chamber 1.
  • solder additive on the sealing surface 7 is not shown. Nevertheless, laser soldering requires the addition of a solder.
  • the solder can consist of ground glass and additives.
  • the glass used for the solder should have the lowest possible melting point, for example 450 ° C.
  • FIG. 1b shows a second exemplary embodiment in which both the first part 3 and the second part 5 are concave, so that the sealing surfaces 7 are to some extent located in the plane of symmetry of the longitudinal section shown in FIG. 1b.
  • the first part 3 is concave and the second part 5 is formed as a flat surface.
  • the radiation angle under which UV light from the plasma chamber 1 enters the environment becomes increasingly larger, starting with the first exemplary embodiment according to FIG. 1a up to the exemplary embodiment according to FIG. 1c. Again, this is hinted at by the arrows.
  • the second part 5 is formed, for example, as a circumferential circular ring, while there are two first parts 3, which are made as circular flat plates made of quartz glass. Accordingly, there are two sealing surfaces 7 in order to connect the two first parts 3 in a sealing and gas-tight manner with the second part 5.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a plasma chamber 1 according to the invention.
  • a rib 9 or a support is formed on the second part 5.
  • This support or rib 9 serves to absorb the pressure forces acting on the quartz glass pane 3. This makes it possible to produce very large plasma chambers 1 with quartz glass or sapphire glass 3 with very small thickness. Where the quartz glass pane 3 rests on the rib 9, they do not have to be connected to one another in a materially bonded manner, because the ambient pressure forces the quartz glass pane 3 against the rib 9 in any case.
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a plasma chamber 1 according to the invention, in which the second part 5 has a parabolic cross section in the first approximation, so that the UV radiation emerging from the quartz glass pane 3 comprises more or less identically directed parallel rays.
  • the plasma in the entire plasma chamber 1 emits UV light with appropriate excitation by microwaves or other suitable electromagnetic waves, it is not possible to achieve a complete alignment of all emerging from the quartz glass 3 light rays, as at a point light source positioned at the focal point of a paraboloidal reflector is the case. Nevertheless, it is possible by the construction according to the invention, the UV or VUV radiation emerging from the quartz glass pane 3 to focus more or less relatively well, to align parallel or even to focus on a focal point or a focal region.
  • the second part is reflective of the UV or VUV radiation produced in the plasma chamber 1 and, on the other hand, the shape of the second part 5 is oxide ceramic only because of the very readily mouldable material set few limits.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a plasma chamber according to the invention, in which the first part 3 is designed as a circle as well as the second part 5 as a circular segment or spherical segment in cross section, so that cylindrical or spherical plasma chambers can be produced on one side Page emit UV light and on the other side the UV light does not let through.
  • the first part 3 transmissive to UV light is designed as an annular tube section, while inside the tube section 3 a tube section made of a material which is not transmissive to UV light or VUV light is arranged.
  • the plasma chamber 1 is formed in this case as a cylindrical annulus. This plasma chamber 1 can emit 360 ° UV light in the entire circumference.
  • a magnetron may be provided, the microwaves penetrate into the plasma chamber 1 and stimulate the located in the plasma chamber 1 gas to glow.
  • the first part 3 transmissive to UV light is arranged within the second part 5 which is not transmissive for UV light or VUV light.
  • the plasma chamber 1 emits UV light into the channel 12 delimited by the first part 3.
  • waste water can flow, which is to be desinified by UV light or VUV light.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of a plasma chamber 1 according to the invention.
  • a fold is recessed in the second part 5, in which the first part 3 is used.
  • the quartz glass plate 3 or sapphire glass plate 3 is pressed against a shoulder 11 of the second part 5.
  • the sealing surface 7 is located in this case on the outer circumference of the quartz glass plate 5, as indicated by a solder seam 13.
  • the laser beam (not shown) required for soldering can be guided by a simple two-axis path control parallel to the disk 3 along the soldering seam and thus the first part 3 and the second part 5 are connected to each other.
  • the seal by an adhesive which is applied either in the region of the sealing surface 7 or in the region of the heel 11 between the glass pane 3 and the second part 5 of oxide ceramic.
  • a magnetron 15 that generates and emits microwaves. These microwaves enter the plasma chamber 1 via the second part 5 and / or the first part (3) and excite the gas in the plasma chamber to emit UV light or VUV light.
  • other means for generating electromagnetic waves can be used to excite the gas located in the plasma chamber for the emission of UV light or VUV light.
  • Figure 8 isometric and partially cut a second part 5 is shown.
  • this second part 5 the sealing surface 7 and the paragraph 11 are clearly visible.
  • supports 15 can be seen, the end faces 17 is at the same height as the paragraph 11.
  • the disc 3 can be supported at many points, so that the risk of failure of the glass sheet due to the pressure load is eliminated.
  • the associated disc 3 is not shown in FIG.

Abstract

Es wird eine Plasmakammer (1) zur Erzeugung von UV-Licht und/oder VUV-Licht vorgeschlagen, welche einfach aufgebaut ist und eine gerichtete Abstrahlung von UV-Licht erlaubt.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen von UV-Licht
Stand der Technik
Die Erzeugung von UV-Licht und VUV-Licht durch die Anregung von Gasen oder Gasgemischen mit hochfrequenten elektrischen Wellen, insbesondere mit Mikrowellen, ist bspw. aus der DE 41 36 297 bekannt. Bei diesem UV-Strahler ist, ebenso wie bei vielen anderen aus dem Stand der Technik bekannten UV-Strahlern, die Energiedichte der Mikrowellen und des durch die Mikrowellen erzeugten Plasmas stark ortsabhängig.
Aus der DE 199 55 671 A1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma bekannt, bei dem der Versuch unternommen wird, Plasma mit einer sehr homogenen Energiedichte innerhalb einer Behandlungskammer bereitzustellen.
Aus der DE 41 09 895 C2 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht mit einer Kammer bekannt. In der Kammer befindet sich ein gasgefüllter Plasmakolben. Außerhalb dieser Kammer ist ein Magnetron vorhanden, das eine Mikrowellenstrahlung erzeugt, die über einen Wellenleiter und Öffnungen in der Kammer in die Kammer geleitet werden. Dort regen die Mikrowellen das in dem Plasmakolben befindliche Gas oder Gasgemisch an, so dass es UV-Strahlen emittiert.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist deren komplizierter Aufbau. Bei dieser Vorrichtung werden zwei Magnetrons benötigt, um das in einem Plasmakolben mit einer Länge von etwa 15 cm Länge befindliche Gas zur Emission von UV-Licht anzuregen. Des Weiteren wird für jedes Magnetron ein Wellenleiter benötigt.
Aus der DE 10 2006 022 970 B3 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht bekannt, die eine flächige Abstrahlung von UV-Licht erlaubt. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Vielzahl länglicher Plasmakolben nebeneinander angeordnet wird.
Aus der US 5, 923, 11 ist eine Leuchte bekannt mit einem Leuchtmittel ohne Elektrode, das eine gasgefüllte Kammer umfasst und mindestens eine Reflektor-Elektrode, die in unmittelbarer Nähe, aber nicht innerhalb des Leuchtmittels angeordnet ist. Diese Reflektor-Elektrode dient zur Übertragung elektromagnetischer Energie auf das Gas, welches sich in dem Leuchtmittel befindet. Dadurch wird das Gas angeregt, sodass es Licht aussendet. Die Reflektor-Elektrode dient außerdem dazu, das Licht, welches von dem in dem Leuchtmittel befindlichen Gas imitiert wird, zu reflektieren.
Aus der US 2007/0228300 A1 ist eine Leuchte bekannt, die eine Kammer und Zündquelle umfasst, wobei die Zündquelle das Gas innerhalb der Kammer ionisiert. Die Leuchte umfasst auch mindestens einen Laser, der Energie in das ionisierte Gas innerhalb des Leuchtmittels zuführt, um ein sehr helles Licht zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht und/oder Vakuum-UV-Licht (VUV-Licht), bereitzustellen, die einfach und kostengünstig herstellbar ist und viele Freiheiten hinsichtlich Größe der Lichtaustrittsfläche und der Ausrichtung des emittierten UV-Lichts bietet.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Plasmakammer mindestens zweiteilig ist, dass ein erstes Teil den für UV-Licht und/oder VUV-Licht durchlässigen ersten Bereich bildet und dass ein zweites Teil den für UV-Licht und/oder VUV-Licht undurchlässigen zweiten Bereich bildet.
Durch Trennung der Plasmakammer in zwei Teile, von denen einer transmissiv für UV- oder VUV-Licht ist und der zweite Teil UV-Licht und/oder VUV-Licht reflektiert, kann die Werkstoffwahl für diese beiden unterschiedlichen Bereiche jeweils für sich optimiert werden. Dadurch können Herstellungskosten reduziert werden. Gleichzeitig ergeben sich verbesserte Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich der Austrittsfläche für das UV-Licht beziehungsweise das VUV-Licht und die Ausrichtung der aus dem ersten Bereich austretenden UV-Strahlen. Somit kann das mit der erfindungsgemäßen Plasmakammer erzeugte UV-Licht sehr gut an die Anforderungen des Einsatzfalls angepasst werden.
So ist es beispielsweise möglich, den zweiten Bereich als angenähert parabelförmigen Reflektor auszubilden und den ersten Bereich, an dem das UV-Licht austritt, als mehr oder weniger plane Scheibe auszubilden, so dass die erfindungsgemäße Plasmakammer die optischen Eigenschaften eines Scheinwerfers hat.
Gleichzeitig ist die plane Scheibe fertigungstechnisch sehr gut beherrschbar. Entsprechendes gilt auch für den zweiten Bereich, der vorzugsweise aus Oxidkeramik besteht. Oxidkeramik ist nicht transmissiv für das UV-Licht, sondern reflektiert dieses und wird durch Sintern hergestellt. Beim Sintern wird zunächst ein sogenannter Grünling gepresst, der in erster Näherung die Form des späteren zweiten Teils aufweist. Dabei sind der Formgebung nur wenig Grenzen gesetzt. Es ist beispielsweise möglich, Stützen, Rippen oder Dichtflächen auszubilden, die zusammen mit der Quarzglasscheibe eine gute Abdichtung und eine Druckbeständigkeit der Plasmakammer ergeben.
Nachdem dieser Grünling getrocknet wurde, wird er anschließend in einem Sinterprozess bei etwa 1000°C gesintert und erhält dadurch seine Festigkeit. Durch eine geeignete Formgebung ist es möglich, dass der zweite Teil nach dem Sintern nur wenig oder sogar gar nicht mehr mechanisch nachgearbeitet werden muss, was die Fertigungskosten weiter reduziert.
Um eine dichtende Verbindung zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil zu erreichen, wird die Quarzglasscheibe stoffschlüssig mit dem zweiten Teil aus Oxidkeramik, vorzugsweise im Bereich einer Dichtfläche, verbunden. Diese stoffschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch Löten und/oder Kleben erreicht werden. Besonders bevorzugt wird dabei das erste Teil mit dem zweiten Teil in einer besonderen Atmosphäre gefügt, wobei die Atmosphäre genau die Gaszusammensetzung hat und den Druck, welcher im Innern der Plasmakammer nach dem Fügevorgang herrschen soll. Dies bedeutet, dass, wenn das erste Teil und das zweite Teil in dieser Atmosphäre miteinander dichtend gefügt werden, automatisch im Inneren der dann hermetisch abgeschlossenen Plasmakammer die gewünschte Gaszusammensetzung und der gewünschte Druck herrscht, so dass auch hier eine sehr rationelle und einfache Fertigungstechnik eingesetzt werden kann.
Es hat sich in vielen Anwendungsfällen als vorteilhaft erwiesen, wenn der erste Teil als im Wesentlichen Ebene ausgebildet ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, dieses erste Teil als Sammellinse auszubilden, wobei dann die der Plasmakammer zugewandte Oberfläche mindestens im Bereich der Dichtfläche bevorzugt eben ausgeführt ist, damit eine einfache und sicher abdichtende Fügeverbindung zwischen der Quarzscheibe und dem zweiten Teil aus Oxidkeramik hergestellt werden kann.
Der zweite Teil der Plasmakammer weist bevorzugt eine konkave Oberflächenkontur auf, welche im Wesentlichen das Volumen der Plasmakammer bildet. Gleichzeitig ist diese konkave Oberflächenkontur so gestaltet, dass sie als Reflektor für die UV- und/oder VUV-Strahlung ausgebildet ist. Dadurch ist es möglich, das in der Plasmakammer erzeugte UV- oder VUV-Licht so auszurichten, dass das aus dem ersten Teil austretende UV-Licht entweder parallel gerichtete U-Strahlen emittiert oder die UV-Strahlen auf einen Brennpunkt fokussiert sind, so dass dort eine besonders hohe Leistungsdichte erzielbar ist.
Es kann vorteilhaft sein, sowohl die konkave Oberflächenkontur des zweiten Teils als auch das der Plasmakammer zugewandte erste Teil mit geeigneten Beschichtungen zu versehen. Dadurch können beispielsweise die optischen Eigenschaften des zweiten Teils gezielt beeinflusst werden.
Das Fügen von erstem Teil und zweitem Teil ist dann am Einfachsten, wenn im zweiten Teil eine im Wesentlichen ebene und geschlossene Dichtfläche ausgebildet ist.
Wenn die Plasmakammer sehr groß ist und im Inneren der Plasmakammer ein großer Unterdruck herrscht, kann es hilfreich sein, wenn das zweite Teil Rippen und/oder Stützen aufweist, welche die auf die Quarzglasscheibe wirkenden Druckkräfte teilweise aufnehmen, so dass die Durchbiegung der Quarzglasscheibe verringert wird.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Teil und/oder das erste Teil durchlässig für Mikrowellen sind.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung gerichtetes und sogar fokussiertes UV-Licht emittiert, können verschiedenste fotochemische und fotophysikalische Prozesse so angeregt werden, dass diese Prozesse gleichmäßig und mit hoher Reaktionsgeschwindigkeit ablaufen. Beispielsweise kann die Desinfektion von Trink- und Abwässern, Abgasen und von festen Stoffen, wie bspw. Lebensmitteln, Nassoxidationsprozesse, Synthesen, insbesondere von Vitaminen, UV-Polymerisationsreaktionen, Aushärteprozesse und/oder biochemische Prozesse mit dem von dem erfindungsgemäßen Unterdruckbehälter emittierten UV-Licht oder VUV-Licht initiiert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann prinzipiell UVA, UVB, UVC und Vakuum-UV-Licht in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 400 nm (UV-Licht) sowie von 100 nm bis 200 nm (VUV-Licht) emittieren.
Die von dem Unterdruckbehälter emittierten Wellenlängen des UV-Lichts hängen u. a. davon ab, mit welchem Gas oder Gasgemisch die Plasmakolben gefüllt sind, welcher Druck in den Plasmakolben herrscht und wie das in den Plasmakolben befindliche Gas, bzw. Plasma angeregt wird. Die Anregung des Gases im Unterdruckbehälter kann bspw. durch Mikrowellenenergie erfolgen.
Zur Füllung der Plasmakolben können Edelgase, Halogenide, Inertgase, Kohlenwasserstoffe, Sauerstoff, Stickstoff oder Mischungen bzw. chemische Verbindungen dieser Gase verwendet werden. Vorzugsweise herrscht in der Plasmakammer ein Druck zwischen 10-9 mbar und 1 bar.
Durch die Auswahl des Gases oder des Gasgemisches, welches in die Plasmakolben gefüllt wird sowie des Drucks in den Plasmakolben oder durch die Verwendung von Plasmakolben, die mit verschiedenen Gasen oder Gasgemischen gefüllt sind, in einer Vorrichtung, kann das Emissionsverhalten des Unterdruckbehälters in weiten Bereichen variiert und gesteuert werden, so dass das emittierte UV-Licht optimal an den photochemischen oder -physikalischen Prozess, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung initiiert werden soll, angepasst werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für die verschiedensten Einsatzzwecke verwendet werden. Insbesondere ist diese erfindungsgemäße Vorrichtung für jegliche fotochemischen oder fotophysikalischen Prozesse, die vorzugsweise in gasförmiger, flüssiger oder fester Phase (auch Gele) initiiert werden können, geeignet. Die möglichen Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst beispielsweise die UV-Desinfektion von Trink- und Abwässern, Abgasen und von festen Werkstoffen (beispielsweise von Kunststofffolien, die für Verpackungszwecke in der Lebensmittelindustrie desinfiziert werden müssen), Oxidationsprozesse, Synthesen, beispielsweise von Vitamin D u. a., UV-Polymerisationsreaktionen, Aushärteprozesse sowie biochemischen Prozesse, die mit UV-Licht initiiert werden können.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
Es zeigen:
Figuren 1 bis 8: Verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Plasmakammern.
In den Figuren 1a bis 1c sind drei Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Plasmakammern 1 im Schnitt dargestellt. Die Plasmakammer 1 wird von einem ersten Teil 3 und einem zweiten Teil 5 begrenzt und schließt ein Gas oder ein Gasgemisch ein, welches bei geeigneter Anregung zum Beispiel durch Mikrowellen UV-Licht und/oder VUV-Licht emittiert. Der Druck in der Plasmakammer 1 kann deutlich geringer als der Umgebungsdruck sein und beispielsweise zwischen 10-9 mbar und 1 bar betragen. Das erste Teil 3 besteht aus einem Werkstoff, der transmissiv für UV-Licht und/oder VUV-Licht ist. Dies ist in Figur 1 durch Pfeile angedeutet. Als geeignete Werkstoffe für das erste Teil 3 haben sich natürliches und/oder synthetisches Quarzglas sowie Saphirglas herausgestellt.
Ein geeignetes Material für das zweite Teil ist beispielsweise Oxidkeramik, die durch Sintern in eine Vielzahl auch komplizierter geometrischer Formen gebracht werden kann.
Weil es leichter ist, dem zweiten Teil 5 eine der gewünschten Anwendung der als UV-Licht dienenden Plasmakammer 1 entsprechende Form zu geben, ist erfindungsgemäß vorgesehen, das zweite Teil 5 im Wesentlichen konkav auszuführen und das erste Teil 3 im Wesentlichen als ebene (Glas-)Scheibe auszubilden.
Die Dichtfläche zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5 ist in der Figur 1a mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet. Diese Dichtfläche ist eben und kann daher sehr einfach und sehr präzise hergestellt werden, so dass sich ein sehr geringer Dichtspalt zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5 ergibt. Dadurch ist es relativ einfach, eine gasdichte Verbindung zwischen dem ersten Teil 3 und dem zweiten Teil 5 auch in der Serienfertigung und vollautomatisiert herzustellen.
Diese Verbindung kann bevorzugt durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie zum Beispiel Laser-Löten oder mit Hilfe einer Klebeverbindung, hergestellt werden. Wenn das erste Teil 3 und das zweite Teil 5 in einer Atmosphäre gefügt werden, die der gewünschten Füllung in der Plasmakammer 1 entspricht, dann ist es nicht nötig, noch gesonderte Füllöffnungen vorzusehen, durch die anschließend die Gasfüllung in die Plasmakammer 1 eingefüllt wird. Selbstverständlich ist dies nur dann möglich, wenn in der Schutzgasatmosphäre auch der gewünschte Druck in der Plasmakammer herrscht. Weil übliche Drücke für die Plasmakammer 1 im Bereich eines Grobvakuums liegen, ist dies auch beim Fügevorgang zwischen erstem Teil 3 und zweitem Teil 5 ohne größere technischen Probleme möglich.
Durch die erfindungsgemäße zweiteilige Bauweise ist es möglich, eine sehr kostengünstige Fertigung der Plasmakammer 1 vorzunehmen, die trotzdem über einen sehr hohen Wirkungsgrad und Leistungsdichte verfügt. Dies beruht unter anderem auch darauf, dass das zweite Teil 5 die in der Plasmakammer 1 entstehende UV-Lichtstrahlung reflektiert, so dass diese nach einem oder mehreren Reflektionen an dem zweiten Teil 5 ebenfalls durch die Quarzglasscheibe hindurchtritt und somit die effektive Lichtleistung der erfindungsgemäßen Plasmakammer erhöht. Da die Plasmakammer 1 letztendlich von mehreren ebenen Wänden begrenzt wird und das Plasma in der Plasmakammer 1 über das gesamte Volumen und in alle Richtungen UV-Licht emittiert, gelangt ein Großteil des emittierten UV-Lichts zunächst an die reflektierenden Wände des zweiten Teils 5, wird dort ein- oder mehrfach reflektiert, bevor es dann durch die Quarzglasscheibe 3 nach außen tritt und dort als effektive nutzbare Lichtleistung zur Verfügung steht.
Damit das Plasma in der Plasmakammer 1 UV-Licht oder VUV-Licht emittiert, muss es angeregt werden. Dies kann durch ein Magnetron (nicht dargestellt) erfolgen, das Mikrowellen aussendet, die ins Innere der Plasmakammer 1 gelangen. Die Oxidkeramik des zweiten Teils 5 ist durchlässig für Mikrowellen, so dass beispielsweise diese Mikrowellen über das zweite Teil 5 in die Plasmakammer 1 eingekoppelt werden können. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, Mikrowellen über die Quarzglasscheibe 3 in die Plasmakammer 1 einzukoppeln.
In der Figur 1a ist der Lötzusatz an der Dichtfläche 7 nicht dargestellt. Dennoch ist es beim Laser-Löten erforderlich, ein Lot zuzugeben. Das Lot kann aus gemahlenem Glas sowie Additiven bestehen. Das für das Lot verwandte Glas sollte einen möglichst niedrigen Schmelzpunkt von zum Beispiel 450 °C haben.
In der Figur 1b ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem sowohl das erste Teil 3 als auch das zweite Teil 5 konkav ausgebildet sind, so dass sich die Dichtflächen 7 gewissermaßen in der Symmetrieebene des in Figur 1b dargestellten Längsschnitts befindet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1c ist das erste Teil 3 konkav ausgeführt und das zweite Teil 5 als ebene Fläche ausgebildet. Infolgedessen wird der Abstrahlwinkel, unter dem UV-Licht aus der Plasmakammer 1 in die Umgebung gelangt, zunehmend größer, beginnend bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1a bis zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1c. Auch dies ist andeutungsweise mit Hilfe der Pfeile dargestellt.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist das zweite Teil 5 beispielsweise als umlaufender kreisförmiger Ring ausgebildet, während es zwei erste Teile 3 gibt, die als kreisförmige ebene Platten aus Quarzglas hergestellt sind. Demzufolge gibt es zwei Dichtflächen 7, um die beiden ersten Teile 3 dichtend und gasdicht mit dem zweiten Teil 5 verbinden zu können.
In Figur 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plasmakammer 1 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Rippe 9 beziehungsweise eine Stütze an dem zweiten Teil 5 ausgebildet. Diese Stütze oder Rippe 9 dient dazu, die auf die Quarzglasscheibe 3 wirkenden Druckkräfte aufzunehmen. Dadurch ist es möglich, auch sehr große Plasmakammern 1 mit Quarzglasscheibe beziehungsweise Saphirglasscheibe 3 mit sehr geringer Dicke herzustellen. Dort, wo die Quarzglasscheibe 3 auf der Rippe 9 aufliegt, müssen diese nicht miteinander stoffschlüssig verbunden werden, weil der Umgebungsdruck die Quarzglasscheibe 3 ohnehin gegen die Rippe 9 drückt.
In der Figur 4 wird ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plasmakammer 1 dargestellt, bei der das zweite Teil 5 einen in erster Näherung parabelförmigen Querschnitt hat, so dass die aus der Quarzglasscheibe 3 austretende UV-Strahlung mehr oder weniger gleich gerichtete parallele Strahlen umfasst.
Weil auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 das Plasma in der gesamten Plasmakammer 1 bei entsprechender Anregung durch Mikrowellen oder andere geeignete elektromagnetische Wellen UV-Licht emittiert, ist es nicht möglich, eine vollständige Ausrichtung aller aus der Quarzglasscheibe 3 austretenden Lichtstrahlen zu erreichen, wie dies bei einer Punktlichtquelle, die im Brennpunkt eines paraboloiden Reflektors positioniert ist, der Fall ist. Dennoch ist es durch die erfindungsgemäße Bauweise möglich, die aus der Quarzglasscheibe 3 austretende UV- oder VUV-Strahlung mehr oder weniger relativ gut zu bündeln, parallel auszurichten oder sogar auf einen Brennpunkt beziehungsweise einen Brennbereich zu fokussieren.
Dabei kommen zwei wichtige Eigenschaften des zweiten Teils 5 zum Tragen: Zum einen ist das zweite Teil reflektierend für die in der Plasmakammer 1 entstehende UV- beziehungsweise VUV-Strahlung und zum anderen sind der Formgebung des zweiten Teils 5 wegen des sehr gut formbaren Werkstoffs Oxidkeramik nur wenig Grenzen gesetzt.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plasmakammer dargestellt, bei der das erste Teil 3 als Kreis ebenso wie das zweite Teil 5 als Kreissegment oder Kugelsegment im Querschnitt ausgebildet sind, so dass sich damit zylindrische oder kugelförmige Plasmakammern herstellen lassen, die auf der einen Seite UV-Licht emittieren und auf der anderen Seite das UV-Licht nicht durchlassen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6a ist das für UV-Licht transmissive erste Teil 3 als kreisringförmiger Rohrabschnitt ausgebildet, während im Inneren dieses Rohrabschnitts 3 ein Rohrabschnitt aus einem für UV-Licht beziehungsweise VUV-Licht nicht transmissiven Material angeordnet ist. Die Plasmakammer 1 ist in diesem Fall als zylindrischer Ringraum ausgebildet. Diese Plasmakammer 1 kann im gesamten Umfang von 360° UV-Licht emittieren. Im Inneren des zweiten Teils 5 kann ein Magnetron vorgesehen sein, dessen Mikrowellen in die Plasmakammer 1 eindringen und das in der Plasmakammer 1 befindliche Gas zum Leuchten anregen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6b ist das für UV-Licht transmissive erste Teil 3 innerhalb des für UV-Licht beziehungsweise VUV-Licht nicht transmissiven zweiten Teils 5 angeordnet ist. In diesem Fall emittiert die Plasmakammer 1 UV-Licht in den von dem ersten Teil 3 begrenzten Kanal 12. In diesem Kanal 12 kann zum Beispiel abwasser strömen, das durch UV-Licht oder VUV-Licht desinifiziert werden soll.
In der Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plasmakammer 1 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in dem zweiten Teil 5 ein Falz ausgespart, in den das erste Teil 3 eingesetzt wird.
Durch den Unterdruck, der in der Plasmakammer 1 herrscht, wird die Quarzglasplatte 3 beziehungsweise Saphirglasplatte 3 gegen einen Absatz 11 des zweiten Teils 5 gepresst. Die Dichtfläche 7 befindet sich in diesem Fall am Außenumfang der Quarzglasplatte 5, wie durch eine Lötnaht 13 angedeutet ist. Dadurch kann der zum Löten erforderliche Laserstrahl (nicht dargestellt) durch eine einfache Zwei-Achsen-Bahnsteuerung parallel zu der Scheibe 3 entlang der Lötnaht geführt werden und somit das erste Teil 3 und das zweite Teil 5 miteinander verbunden werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es auch denkbar, die Abdichtung durch einen Klebstoff, der entweder im Bereich der Dichtfläche 7 oder im Bereich des Absatzes 11 zwischen der Glasscheibe 3 und dem zweiten Teil 5 aus Oxidkeramik aufgetragen wird.
Zur Veranschaulichung und beispielhaft ist rechts der Plasmakammer eine Magnetron 15 dargestellt, dass Mikrowellen erzeugt und aussendet. Diese Mikrowellen dringen über das zweite Teil 5 und/oder das erste Teil (3) in die Plasmakammer 1 ein und regen das in der Plasmakammer befindliche Gas zur Emission von UV-Licht oder VUV-Licht an. Anstelle des dargestellten Magnetrons 15 können auch andere Mittel zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen eingesetzt werden, um das in der Plasmakammer befindliche Gas zur Emission von UV-Licht oder VUV-Licht anzuregen.
In Figur 8 ist isometrisch und teilweise geschnitten ein zweites Teil 5 dargestellt. Bei diesem zweiten Teil 5 sind die Dichtfläche 7 sowie der Absatz 11 gut zu erkennen. Des Weiteren sind Stützen 15 zu erkennen, deren Stirnflächen 17 auf der gleichen Höhe wie der Absatz 11 liegt. Dadurch kann die Scheibe 3 an vielen Punkten unterstützt werden, so dass die Gefahr eines Versagens der Glasscheibe aufgrund der Druckbelastung eliminiert wird. Die zugehörige Scheibe 3 ist in Figur 8 nicht dargestellt.

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung von UV-Licht und/oder Vakuum-UV-Licht mit einer gasgefüllten Plasmakammer (1), wobei die Plasmakammer (1) mindestens einen für UV-Licht und/oder VUV-Licht durchlässigen ersten Bereich aufweist, und wobei die Plasmakammer (1) mindestens einen für UV-Licht und/oder VUV-Licht undurchlässigen zweiten Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer (1) zweiteilig ist, dass ein erstes Teil (3) den für UV-Licht und/oder VUV-Licht durchlässigen ersten Bereich bildet, und dass ein zweites Teil (5) den für UV-Licht und/oder VUV-Licht undurchlässigen zweiten Bereich bildet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (3) aus natürlichem oder synthetischem Quarzglas und/oder Saphirglas besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (5) aus Oxidkeramik besteht.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (3) und das zweite Teil (5) dichtend zusammengefügt sind.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (3) und das zweite Teil (5) stoffschlüssig, bevorzugt durch Löten, insbesondere durch Laser-Löten, zusammengefügt sind.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teil (3) als im Wesentlichen ebene Scheibe ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (5) eine das Volumen der Plasmakammer (1) bildende konkave Form aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die konkave Form als Reflektor für die UV- oder VUV-Strahlung ausgebildet ist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (5) eine im Wesentlichen ebene und geschlossene Dichtfläche (7) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (5) Rippen (9) und/oder Stützen aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Teil (5) und/oder das erste Teil (3) durchlässig für Mikrowellen ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Teil (3) ein Mikrowellen abschirmendes Gitter aus einem metallischen Werkstoff vorgesehen ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmakammer (1) mit Edelgasen, Halogeniden, Inertgasen, Kohlenwasserstoffen, Sauerstoff, Stickstoff oder Mischungen oder chemischen Verbindungen dieser Gase gefüllt ist.
  14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Plasmakammer (1) ein Druck zwischen 10-9 mbar und 1 bar herrscht.
  15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bevorzugt außerhalb der Plasmakammer (1) Mittel zur Erzeugung von Mikrowellen vorgesehen sind.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, und dass die Mittel zur Erzeugung von Mikrowellen als Magnetron () ausgebildet sind.
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