Hochleistungsstrahler

Abstract

 Bei dem Hochleistungsstrahler für UV-Licht bildet ein Quarz­oder Glasrohr (1) mit paarweise angeordneten in Umfangsrich­tung voneinander distanzierten Elektroden (3,4). Das Rohr mit­samt den Elektroden ist teilweise in Giessmasse (2) eingebet­tet und bildet einen Modul (6). Eine Vielzahl dieser Module lässt sich zu beliebigen Strahlergeometrien zusammenfassen.

Beschreibung

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.

Ansprüche

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.

Zeichnung