Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes
Licht, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten
Entladungsraum, dessen Wandung durch ein rohrförmiges Dielektrikum gebildet ist,
welches auf seiner dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche mit Elektroden versehen
ist, mit einer an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle
zur Speisung der Entladung.
[0002] Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus
der EP-A 054 111, der US-Patentanmeldung 07/076 926 oder auch der EP-Patentanmeldung
88113593.3 vom 22.08.1988 oder der US-Patentanmeldung 07/260,869 vom 21.10.1988 oder
der schweizerischen Patentanmeldung 720/89 vom 27.02.1989 ergibt.
Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
[0003] Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der Verfügbarkeit
geeigneter UV-Quellen ab. Die klassischen UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere
UV-Intensitäten bei einigen diskreten Wellenlängen, wie z.B. die Quecksilber-Niederdrucklampen
bei 185 nm und insbesondere bei 254 nm. Wirklich hohe UV-Leistungen erhält man nur
aus Hochdrucklampen (Xe, Hg), die dann aber ihre Strahlung über einen grösseren Wellenlängenbereich
verteilen. Die neuen Excimer-Laser haben einige neue Wellenlängen für photochemische
Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind z.Zt. aus Kostengründen für einen industriellen
Prozess wohl nur in Ausnahmefällen geeignet.
[0004] In der eingangs genannten EP-Patentanmeldung oder auch in dem Konferenzdruck "Neue
UV- und VUV Excimerstrahler" von U. Kogelschatz und B. Eliasson, verteilt an der
10. Vortragstagung der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Fachgruppe Photochemie, in
Würzburg (BRD) 18.-20. November 1987, wird ein neuer Excimerstrahler beschrieben.
Dieser neue Strahlertyp basiert auf der Grundlage, dass man Excimerstrahlung auch
in stillen elektrischen Entladungen erzeugen kann, einem Entladungstyp, der in der
Ozonerzeugung grosstechnisch eingesetzt wird. In den nur kurzzeitig (< 1 Mikrosekunde)
vorhandenen Stromfilamenten dieser Entladung werden durch Elektronenstoss Edelgasatome
angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiterreagieren. Diese
Excimere leben nur einige 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie
in Form von UV-Strahlung ab.
[0005] Der Aufbau eines derartigen Excimerstrahlers entspricht bis hin zur Stromversorgung
weitgehend dem eines klassichen Ozonerzeugers, mit dem wesentlichen Unterschied,
dass mindestens eine der den Entladungsraum begrenzenden Elektroden und/oder Dielektrikumsschichten
für die erzeugte Strahlung durchlässig ist.
[0006] Die genannten Hochleistungsstrahler zeichnen sich durch hohe Effizienz, wirtschaftlichen
Aufbau aus und ermöglichen die Schaffung grosser Flächenstrahler, mit der Einschränkung,
dass grossflächige Flachstrahler einen eher grossen technischen Aufwand erfordern.
Bei der Bestrahlung ebener Flächen mit Rundstrahlern hingegen wird ein nicht unbeachtlicher
Anteil der Strahlung durch Schattenwirkung der Innenelektrode nicht ausgenützt.
Darstellung der Erfindung
[0007] Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen
Hochleistungsstrahler, insbesondere für UV- oder VUV-Strahlung, zu schaffen, der sich
insbesondere durch hohe Effizienz auszeichnet, wirtschaftlich zu fertigen ist und
den Aufbau sehr grosser Flächenstrahler ermöglicht.
[0008] Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Hochleistungsstrahler der eingangs genannten
Gattung ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Elektroden als in Rohrlängsrichtung
verlaufende, räumlich voneinander in Umfangsrichtung distanzierte Metallstreifen
oder -schichten ausgebildet sind, wobei die eine Elektrode mit dem einen Pol die andere
Elektrode mit dem anderen Pol der Wechselstromquelle verbunden sind.
[0009] Mit derart ausgebildeten Strahlerelementen lassen sich grossflächige Strahler modular
aufbauen, bei denen beliebige Geometrien aus unter sich gleichartigen oder ähnlichen,
jeweils in sich abgeschlossenen Entladungsröhrchen zusammengesetzt werden können.
Die elektrische Kontaktierung der Einzelelemente erfolgt seitlich an der Aussenseite
der Rohre, so dass die Lichtemission kaum behindert ist. Durch partielle Verspiegelung
an der Aussenseite der Rohre kann der Ausnutzungsgrad der erzeugten Strahlung verbessert
werden.
[0010] Die Vorteile der Erfindung stellen sich wie folgt dar: Einfache und kostengünstige
Realisierung des abgeschlossenen Entladungsvolumens möglich. Gleichartige Grundelemente
(Rohre) für alle Geometrien, grosse Flächen durch entsprechende Anzahl Röhrchen leicht
realisierbar.
Gute Stabilität des Entladungsvolumens bei Verwendung von relativ robusten Röhren
mit kleinem Durchmesser.
Aufgrund der i.a. grossen Anzahl von jeweils in sich abgeschlossenen Röhren ist der
Ausfall einzelner Elemente (z.B. wegen Verschmutzung des Gases oder der Quarzoberfläche,
Lecks) weniger kritisch.
[0011] Die gesamte Anordnung kann ein breites Wellenlängenspektrum abdecken, indem man Rohre
mit unterschiedlichen Gasfüllungen verwendet. Man muss für die einzelnen Rohre nur
die (Quarz-) Qualität nehmen, die für die Transmission der erzeugten Strahlung gerade
notwendig bzw. optimal ist. Dies kann je nach gewünschtem Wellenlängenspektrum zu
beträchtlichen Einsparungen an Materialkosten führen.
[0012] Das Licht wird an einer Stelle aus den Röhren ausgekoppelt, die kaum von der Entladung
beaufschlagt ist. Es sind keine transparenten Elektroden notwendig.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0013] In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt;
darin zeigt
Fig.1 Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hochleistungsstrahlers mit einer Vielzahl
nebeneinanderliegender kreisrunder Dielektriksrohre im Querschnitt;
Fig.2 eine vereinfachte Draufsicht auf den Strahler nach Fig.1, zur Verdeutlichung
der elektrischen Anspeisung;
Fig. 3 eine Ausführungsform eines Flachstrahlers mit auf eine Kante gestellten Dielektrikumsrohren
mit Rechteckprofil und gekühlten Elektroden;
Fig.4 eine Ausführungsform eines Flachstrahlers analog Fig.3 jedoch mit auf eine Flachseite
gestellten Dielektrikumsrohren mit Rechteckprofil und Drahtelektroden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
[0014] In Fig. 1 sind Rohre 1 aus dielektrischem Material, insbesondere Glas oder Quarz,
etwa zur Hälfte je in eine Giessmasse 2 aus Isoliermaterial, z.B. Silikonkautschuk,
eingebettet. Jedes Rohr 1 ist mit je zwei in Rohrlängsrichtung verlaufenden, in Umfangsrichtung
voneinander distanzierten, streifenförmigen Metallisierungen 3 bzw. 4 als Elektrode
versehen. Diese bestehen z.B. aus aufgedämpftem Aluminium und wirken gleichzeitig
als Reflektoren. Die Metallisierungen 3, 4 liegen vollständig innerhalb der Giessmasse
2. Die elektrische Kontaktierung erfolgt seitlich an der Aussenseite der Rohre 1,
z.B. durch mit eingegossene Kontaktelemente 5 (Fig. 2) welche die Rohre 1 in Rohrlängsrichtung
überragen, wobei sich die Kontaktelemente 5 jeder Elektrode 3, 4 jeweils am entgegengesetzten
Rohrende befinden.
[0015] Jedes an einem Rohr 1 mit Elektroden 3, 4 sowie Kontaktelementen und Giessmasse
bestehendes Modul 6 ist dicht an dicht gepackt auf einer Trägerplatte 7 angeordnet.
Die Trägerplatte kann direkt durch ein durch Kühlbohrungen 8 hindurchleitbares Kühlmittel
direkt oder indirekt gekühlt werden. Eine andere Kühlmöglichkeit besteht im Miteingiessen
von Kühlrohren 19, welche die Metallisierungen berühren. Wie aus der schematischen
Draufsicht der Fig. 2 hervorgeht, erfolgt die Anspeisung der Einzelstrahler aus einer
Wechselstromquelle 9, deren Pole abwechselnd an die unmittelbar nebeneinaderliegenden
miteinanderverbundenen Kontaktelemente 5 an beiden Rohrenden angeschlossen sind.
[0016] Die Rohre 1 sind an beiden Enden verschlossen. Das Innere der Rohre, der Entladungsraum
10, ist mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Gas/Gasgemisch
gefüllt. Die Wechselstromquelle 9 entspricht grundsätzlich jenen, wie sie zur Anspeisung
von Ozonerzeugern verwendet werden. Typisch liefert sie eine einstellbare Wechselspannung
in der Grössenordnung von mehreren 100 Volt bis 20000 Volt bei Frequenzen im Bereich
des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen 1000 kHz - abhängig von der Elektrodengeometrie,
Druck im Entladungsraum und Zusammensetzung des Füllgases.
[0017] Das Füllgas ist z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metalldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch,
gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise
Ar, He, Ne, als Puffergas.
[0018] Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch
gemäss nachfolgender Tabelle Verwendung finden:
Füllgas |
Strahlung |
Helium |
60 - 100 nm |
Neon |
80 - 90 nm |
Argon |
107 - 165 nm |
Argon + Fluor |
180 - 200 nm |
Argon + Chlor |
165 - 190 nm |
Argon + Krypton + Chlor |
165 - 190, 200 - 240 nm |
Xenon |
160 - 190 nm |
Stickstoff |
337 - 415 nm |
Krypton |
124, 140 - 160 nm |
Krypton + Fluor |
240 - 255 nm |
Krypton + Chlor |
200 - 240 nm |
Quecksilber |
185, 254, 320-370, 390-420 nm |
Selen |
196, 204, 206 nm |
Deuterium |
150 - 250 nm |
Xenon + Fluor |
340 - 360 nm, 400 - 550 nm |
Xenon + Chlor |
300 - 320 nm |
[0019] Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage:
- Ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit einem Gas bzw. Dampf aus F₂, J₂, Br₂,
Cl₂ oder eine Verbindung die in der Entladung ein oder mehrere Atome F, J, Br oder
Cl abspaltet;
- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit O₂ oder einer Verbindung, die in der
Entladung ein oder mehrere 0-Atome abspaltet;
- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg.
[0020] In der sich bildenden stillen elektrischen Entladung (silent discharge) kann die
Elektronenenergieverteilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften Druck
und/oder Temperatur im Entladungsraum optimal eingestellt werden.
[0021] Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3 und 4 bildet sich eine
Vielzahl von Entladungskanälen 11 (Teilentladungen) im Entladungsraum 10 aus. Diese
treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlussendlich
zur UV oder VUV-Strahlung führt.
[0022] Anstelle von dielektrischen Rohren 1 mit kreisrundem Querschnitt können auch Glas-
oder Quarzrohre mit anderen Geometrien, z.B. Rohre mit Rechteckprofil verwendet werden.
Fig. 3 veranschaulicht eine Variante mit auf eine Kante gestellter, in Giessmasse
2 bis zur benachbarten Kante eingebetteter Rohre 12 mit quadratischem Querschnitt.
Abweichend zur Ausführungsform nach Fig. 1 sind hier die Elektroden 13, 14 nicht
als streifenförmige Metallisierungen, sondern als Blechstreifen ausgebildet, welche
mit in die Giessmasse 2 eingegossen sind. Diese Massnahme lässt sich selbstverständlich
auch bei der Anordnung nach Fig. 1 treffen. Zusätzlich sind an den den Rohren 12
abgewandten Seiten der Blechstreifen 13, 14 Kühlrohre 15, 16 befestigt, durch welche
ein Kühlmittel geführt werden kann. Verwendet man eine nichtleitende Kühlflüssigkeit,
so können aus Metall bestehende Rohre 15, 16 die Funktion der Elektroden 13, 14 mitübernehmen,
eigene Blechstreifen 13, 14 sind dann entbehrlich. Auf diese Weise kann - muss aber
nicht - die Kühlung der Strahlermodule über die Trägerplatte 7 entfallen, auf welcher
die Module 6 dicht aneinandergereiht befestigt sind.
Eine weitere, auch zusätzlich anzuwendende Kühklmöglichkeit besteht darin, in der
Giessmasse in Rohrlängrichtung verlaufende Kühlkanäle, z.B. durch Miteingiessen von
Rohren 15a, vorzusehen.
[0023] In Fig. 4 sind dielektrische Rohre 17 aus Glas oder Quarz mit Rechteckprofil hochkant
in die Giessmasse 2 eingebettet. In dieser Variante ist eine weitere Möglichkeit der
Ausbildung der Elektroden veranschaulicht, nämlich in die Giessmasse 2 miteingegossene
dicht nebeneinanderliegende, in Rohrlängsrichtung verlaufende Drähte 18. Analog Fig.3
können anstelle von Drähten dünnen Metallrohre 19 verwendet werden, durch welche eine
nichtleitende Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, wie es im rechten Modul der Fig.4
veranschaulicht ist.
[0024] Bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und 4 erfolgt die elektrische Verbindung der
Module 6 untereinander sowie deren Verbindung mit der Wechselstromquelle 9 analog
Fig. 2.
[0025] Es versteht sich von selbst, dass neben dielektrischen Rohren mit rundem oder rechteckigem
Querschnitt auch solche mit anderen Querschnittformen, z.B. hexagonal, verwendet
werden können. Auch kann die Trägerplatte 7 in einer Richtung gekrümmt, z.B. Kreisbogenform,
aufweisen, oder die Module sind an der Innen oder Aussenfläche eines Rohres angeordnet.
[0026] Um UV- oder VUV-Licht zu erzeugen, das ein breites Wellenlängenspektrum abdeckt,
können die Rohre der einzelnen Module 6 mit unterschiedlichen Gasfüllungen/Gasdruck
gefüllt sein.
1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem Entladungsraum
(10), der mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllt
ist, dessen Wandungen durch ein dielektrisches strahlungsdurchlässiges Rohr (1; 12;
17) gebildet ist, das auf seiner dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche mit ersten
und zweiten Elektroden (3,4; 13,14; 18) versehen ist, und mit einer Wechselstromquelle
(9) zur Speisung der Entladung, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als in
Rohrlängsrichtung verlaufende, räumlich voneinander in Rohrumfangsrichtung distanzierte
Metallstreifen (13, 14), Metalldrähte (18) oder Metallbeschichtungen (3, 4) ausgebildet
sind, wobei die eine Elektrode jedes Rohres mit dem einen Pol, die andere Elektrode
mit dem anderen Pol der Wechselstromquelle (9) verbunden sind.
2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen
Rohre (1; 12; 17) teilweise in eine elektrisch isolierende Giessmasse (2) eingebettet
sind.
3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei streifen-
(13,14) oder drahtförmigen Elektroden (18) diese in das Giessmaterial (2) eingelegt
oder in dieses miteingegossen sind.
4. Hochleistungsstrahler nach Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in
der Giessmasse (2) Kühlkanäle (15,15a) eingebettet sind.
5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den
Elektroden (3,4;13,14;18) Kühlvorrichtungen (15, 16; 19) zugeordnet sind, die in
unmittelbarem thermischen Kontakt zu den Elektroden stehen.
6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei streifenförmigen
Elektroden (13,14) die Kühlvorrichtung als mit der Elektrode verbundene Kühlröhre
(15,16) ausgebildet sind.
7. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1,2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Elektroden als Kühlkanäle (15,16;19) ausgebildet sind.
8. Hochleistungsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass mehreren Strahlern (6) eine gemeinsame Grundplatte (7) zugeordnet ist, die entweder
unmittelbar oder mittelbar kühlbar ist.