CH677292A5

CH677292A5 -

Info

Publication number: CH677292A5
Application number: CH720/89A
Authority: CH
Inventors: Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-02-27
Filing date: 1989-02-27
Publication date: 1991-04-30
Also published as: JP2823637B2; JPH03201358A; EP0385205B1; US5013959A; EP0385205A1; ATE98050T1; DE59003641D1

Description

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Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs

1.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der EP-A 054111, der US-Patentanmeldung 07/076 926 oder auch der EP-Patentanmeldung 88 113 393.3 vom 22.08.1988 oder der US-Patentanmeldung 07/260 869 vom 21.10.1988 ergibt.

Stand der Technik

Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der der Verfügbarkeit geeigneter UV-Quellen ab. Die klassischen UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere UV-Intensitäten bei einigen diskreten Wellenlängen, wie z.B. die Quecksilber-Niederdrucklampen bei 185 nm und insbesondere bei 254 nm. Wirklich hohe UV-Leistungen erhält man nur aus Hochdrucklampen (Xe, Hg), die dann aber ihre Strahlung über einen grösseren Wellenlängenbereich verteilen. Die neuen Excimer-Laser haben einige neue Wellenlängen für photochemische Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind z.Zt. aus Kostengründen für einen industriellen Prozess wohl nur in Ausnahmefällen geeignet.

In der eingangs genannten EP-Patentanmeldung oder auch in dem Konferenzdruck «Neue UV- und VUV Excimerstrahler» von U. Kogelschatz und B. Eliasson, verteilt an der 10. Vortragstagung der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Fachgruppe Photochemie, in Würzburg (BRD) 18.-20. November 1987, wird ein neuer Excimerstrahler beschrieben. Dieser neue Strahlertyp basiert auf der Grundlage, dass man Excimerstrahlung auch in stillen elektrischen Entladungen erzeugen kann, einem Entladungstyp, der in der Ozonerzeugung grosstechnisch eingesetzt wird. In den nur kurzzeitig (d Mikrosekunde) vorhandenen Stromfilamenten dieser Entladung werden durch Elektronenstoss Edelgasatome angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiterreagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Nano-sekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung ab.

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.

Die genannten Hochleistungsstrahler zeichnen sich durch hohe Effizienz, wirtschaftlichen Aufbau aus und ermöglichen die Schaffung grosser Rächenstrahier, mit der Einschränkung, dass grossflächige Flachstrahler einen eher grossen technischen Aufwand erfordern. Bei Rundstrahlern hingegen wird ein nicht unbeachtlicher Anteil der Strahlung durch Schattenwirkung der Innenelektrode nicht ausgenützt.

Darstellung der Erfindung

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler zu schaffen, der sich insbesondere durch hohe Effizienz auszeichnet, wirtschaftlich zu fertigen ist, den Aufbau sehr grosser Flächenstrahler ermöglicht und die Schattenwirkung der Innenelektro-de(n) auf ein Minimum reduziert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die in den Patentansprüchen gezeichneten Merkmale.

Vorzugsweise ist der Aussendurchmesser des vorzugsweise aus Quarzglas bestehenden Stabes fünf- bis zehnmal kleiner als der Innendurchmesser des äusseren Rohres.

in vielen Fällen möchte man die Strahlung vorzugsweise in eine Richtung auskoppeln, z.B. um eine Oberfläche zu bestrahlen. Die ideale Entladungsgeometrie für diesen Zweck ist ein auf der Rückseite verspiegelter Flachstrahler (z.B. gemäss der EP-A 0 254111). Die Herstellung flacher Quarzzellen ist mit grossem technischem Aufwand und entsprechend hohen Kosten verbunden. Man kann auf einfache Weise eine Vorzugsrichtung der Abstrahlung erreichen, wenn man die Entladung ungleichmässig im Entladungsspalt verteilt, was man am einfachsten durch eine exzentrische Anordnung des Dielektrikumsstabes kann. Dadurch erreicht man, dass die elektrische Entladung überwiegend auf der Seite erfolgt, auf der die optische Strahlung ausgekoppelt werden soll.

Statt auf dem ganzen Umfang des äusseren Dielektrikumsrohres aufgebrachte Aussenelektrode genügt eine teilweise Bedampfung oder Beschichtung auf der Rückseite, wobei die Schicht gleichzeitig als Elektrode und Reflektor dient. Als Material, das sich sowohl gut aufdampfen lässt, als auch eine hohe UV-Reflexion besitzt, bietet sich Aluminium an, das mit einer geeigneten Schutzschicht versehen ist (Eloxiert, MgF2-Beschichtung).

Man kann leicht mehrere solcher exzentrischen Strahler zu Blöcken kombinieren, die zur Bestrahlung grosser Flächen geeignet sind. Die (halbzylindrischen) Aussparungen im Aluminiumblock dienen gleichzeitig als Halterung für die Quarz-Entladungsröhren, als (Erd-)Elektrode und als Reflektor. Es können beliebig viele dieser Entladungsröhren parallelgeschaltet werden, indem man die Innenelektroden an eine

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gemeinsame Wechselspannungsquelle legt. Für spezielle Anwendungen kann man Röhren mit verschiedener Gasfüllung und damit verschiedene (UV-)Wellenlängen kombinieren. Die beschriebenen Alublöcke müssen nicht unbedingt ebene Oberflächen haben. Man kann sich auch zylindrische Anordnungen vorstellen, bei denen die Aussparungen zur Aufnahme der Entladungsröhren entweder aussen oder innen angebracht sind.

Bei höheren Leistungen ist es möglich, die Aluminiumblöcke zu kühlen, z.B. indem man zusätzliche Kühlkanäle vorsieht. Auch die einzelnen Gasentladungsröhren kann man zusätzlich kühlen, wenn man z.B. die Innenelektrode als Kühlkanal ausbildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt; darin zeigt

Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Zylinderstrahlers mit konzentrischer Anordnung des inneren Dielektrikumsstabes im Querschnitt;

Fig. 2 eine Abwandlung des Strahlers nach Fig.1, mit einer exzentrischen Anordnung des inneren Dielektrikums;

Fig. 3 eine Ausführungsform eines Zylinderstrahlers mit konzentrischer Anordnung des inneren Dielektrikums und einer Aussenelektrode in Form einer Beschichtung, die sich nur über einen Teil des Um-fangs des äusseren Dielektrikumsrohres erstreckt, wobei die Beschichtung gleichzeitig als Refletor dient;

Fig. 4 eine Ausführungsform eines Zylinderstrahlers analog Fig. 3 jedoch mit exzentrischer Anordnung des inneren Dielektrikums und einer Beschichtung, die sich nur über einen Teil des Umfanges des äusseren Dielektrikumsrohres erstreckt, welche Beschichtung gleichzeitig als Aussenelektrode und als Reflektor dient;

Fig. 5 die Zusammenfassung mehrerer Strahler nach Fig. 3 zu einem Flächenstrahler;

Fig. 6 die Zusammenfassung mehrerer Strahler nach Fig. 4 zu einem Flächenstrahler;

Fig. 7 eine Abwandlung von Fig. 5 in Gestalt eines aus einer Vielzahl Strahlern gemäss Fig. 3 zusammengesetzten grossflächigen Zylinderstrahlers.

Fig. 8 eine Abwandlung von Fig. 6 in Gestalt eines aus einer Vielzahl von Strahlern gemäss Fig. 4 zusammengesetzten grossflächigen Zylinderstrahlers.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig.1 ist ein Quarzrohr 1 mit einer Wandstärke von etwa 0,5 bis 1,5 mm und einem Aussendurchmes-ser von etwa 20 bis 30 mm mit einer Aussenelektrode 2 in Form eines Drahtnetzes versehen. Konzentrisch im Quarzrohr 1 ist ein zweites Quarzrohr 3 angeordnet mit einem wesentlich kleineren Aussen-durchmesser als der Innendurchmesser des Quarzrohres 1, typisch 3 bis 5 mm Aussendurchmesser. In das innere Quarzrohr 3 ist ein Draht 4 eingeschoben. Dieser bildet die Innenelektrode des Strahlers, das Drahtnetz 2 die Aussenelektrode des Strahlers. Das äussere Quarzrohr 1 ist an beiden Enden verschlossen. Der Raum zwischen den beiden Rohren 1 und 3, der Entladungsraum 5, ist mit einem unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Gas/Gasgemisch gefüllt. Die beiden Pole einer Wechselstromquelle 6 verbunden. Die Wechselstromquelle entspricht grundsätzlich jenen, wie sie zur Anspei-sung von Ozonerzeugern verwendet werden. Typisch liefert sie eine einstellbare Wechselspannung in der Grössenordnung von mehreren 100 Volt bis 20 000 Volt bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen 1000 kHz abhängig von der Elktrodengeometrie, Druck im Entladungsraum und Zusammensetzung des Füllgases.

Das Füllgas ist, z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metalldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Ge-misch, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise Ar, He, Ne, als Puffergas.

Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch gemäss nachfolgender Tabelle Verwendung finden:

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Fûlfgas

Strahlung

Helium

Neon

Argon

Argon + Fluor

Argon + Chlor

Argon + Krypton + Chlor

Xenon

Stickstoff

Krypton

Krypton + Fluor Krypton + Chlor Quecksilber Selen Deuterium Xenon + Fluor Xenon + Chlor

60-100 nm 80-90 nm

107-165 nm 180-200 nm 165-190 nm

240-255 nm 200-240 nm

160-190 nm 337-415 nm

165-190,200-240 nm

124,140-160 nm

185,254,320-370,390-420 nm 196,204,206 nm 150-250 nm

340-360 nm, 400-550 nm 300-320 nm

Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage:

- Ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit einem Gas bzw. Dampf aus Fz, J2, Brz, Cfe oder eine Verbindung, die In der Entladung ein oder mehrere Atome F, J, Br oder Ci abspaltet,*

- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) oder Hg mit O2 oder einer Verbindung, die in der Entladung ein oder mehrere O-Atome abspaltet;

- ein Edelgas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) mit Hg.

In der sich bildenden stillen elektrischen Entladung (silent discharge) kann die Elektronenenergiever-teilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften Druck und/oder Temperatur im Entladungsraum optimal eingestellt werden.

Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 2, 4 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilentladungen) im Entladungsraum 5 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases In Wechselwirkung, was schiussendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.

Anstelle von Quarzröhrchen 3 mit eingelegtem Draht können auch Quarzstäbe, in die ein Metalldraht eingeschmolzen ist, verwendet werden. Auch Metallstäbe, die mit einem Dielektrikum überzogen sind, führen zum Erfolg.

Anstelle eines Drahtnetzes Z kann auch eine perforierte Metallfolie oder ein UV-transparenter, elektrisch leitfähiger Belag benutzt werden.

Will man mit einfachen Mitteln eine Vorzugsrichtung der Abstrahlung erzielen, verteilt man die Entladung ungleichmässlg im Entladungsraum. Am einfachsten kann dies durch exzentrische Anordnung des inneren Dielektrikumsrohres 3 im äusseren Rohr 1 erfolgen, wie dies in Fig. 2 beispielsweise veranschaulicht ist.

In Fig. 2 ist das innere Quarzrohr 3 ausserhalb des Zentrums nahe der Innenwand des Rohres 1 angeordnet. Im Grenzfall kann sogar das Rohr 3 am Rohr 1 anliegen und dort linienförmig oder punktuell mit der Innenwand verklebt sein.

Die exzentrische Anordnung des inneren Quaczrohres und damit der inneren Elektrode 4 hat keinen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Entladung. Bei knapp eingestellter Spitzenspannung zündet nur ein schmaler Bereich in unmittelbarer Nähe des Quarzrohres 3. Durch Erhöhung der Spannung kann man nach und nach die Entladungszone vergrössern, bis der ganze Entladungsraum 5 mit leuchtendem Plasma gefüllt ist.

Statt einer auf den gesamten Aussenumfang des äusseren Dielektrikumsrohres 1 aufgebrachten Elektrode 2 (Fig. 2) genügt auch eine teilweise Beschichtung der äusseren Oberfläche des Rohres 1, wie es In Fig. 3 veranschaulicht Ist. Die sich über etwa die Hälfte des Aussenumfangs des Rohres 1 erstreckende Beschichtung 7 ist gleichzeitig Aussenelektrode und Reflektor. Entsprechend Fig. 2 ist auch hier eine exzentrische Anordnung des inneren Quarzrohres 3 möglich, wobei die Beschichtung 7 sich nur symmetrisch über den dem inneren Quarzrohr 3 zugewandten Aussenwandabschnitt erstreckt. Diese Schicht 7 ist gleichzeitig Aussenelektrode und Reflektor. Als Material, das sich sowohl gut aufdampfen lässt, als auch eine hohe UV-Reflexion besitzt, bietet sich insbesondere Aluminium an.

In Fig. 5 ist veranschaulicht, auf welche Weise eine Vielzahl von konzentrischen Strahlern gemäss Flg. 3 zu einem Flächenstrahler zusammengefasst werden können. Fig. 6 zeigt eine entsprechende An«

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Ordnung mit exzentrisch angeordneten inneren Quarzrohren 3 nach Fig. 4. Ein Aluminiumkörper 8 ist zu diesem Zweck mit einer Vielzahl paralleler Rillen 9 mit kreisrundem Querschnitt versehen, die um mehr als einen Aussenrohrdurchmesser voneinander beabstandet sind. Die Rillen 9 sind den äusseren Quarzrohren 1 angepasst und durch Polieren oder dergleichen so behandelt, dass sie gut reflektieren. Zusätzlichen Bohrungen 10, die in Richtung der Rohre 1 verlaufen, dienen der Kühlung der Strahler.

Die Wechselstromquelle 6 führt mit ihrem einen Pol an den Aluminiumkörper 8, die Innenelektroden 4 der Strahler sind parallelgeschaltet und mit dem anderen Pol der Quelle 6 verbunden.

Analog zu den Beschichtungen 7 der Fig. 3 bzw. Fig. 4 dienen im Fall der Fig. 5 und 6 die Rillenwände sowohl als Aussenelektrode als auch als Reflektoren.

Für spezielle Anwendungen kann man Einzelstrahler mit verschiedenen Gasfüllungen und damit verschiedenen (UV)Wellenlängen kombinieren.

Die Aluminiumkörper 8 müssen nicht unbedingt ebene Oberflächen haben. Z.B. veranschaulichen Fig. 7 und 8 eine Variante mit einem hohlzylindrischen Aluminiumkörper 8a mit regelmässig über seinen Innenumfang verteilten achsparallelen Rillen 9, in die jeweils ein Strahlerelement nach Fig. 3 bzw. Fig. 4 eingelegt sind.

Claims

Patentansprüche

1. Hochleistungsstrahler, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum (5), dessen Wandungen durch ein erstes rohrförmiges (1) und ein zweites Dielektrikum gebildet sind, welche auf ihren dem Entladungsraum (5) abgewandten Oberflächen mit ersten (2, 7) und zweiten Elektroden (4) versehen ist, mit einer an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle (6) zur Speisung der Entladung, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des ersten rohrförmigen Dielektrikums (1) als zweites Dielektrikum ein Stab (3) aus dielektrischem Material angeordnet ist, in dessen Innerem ein elektrischer Leiter (4) eingelegt oder eingebettet ist, welcher Leiter die zweite Elektrode bildet.

2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aussendurchmesser des Stabes (3) fünf- bis zehnmal kleiner ist als der Innendurchmesser des ersten rohrförmigen Dielektrikums (1).

3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (3) aus dielektrischem Material exzentrisch im ersten rohrförmigen Dielektrikum (1) angeordnet ist.

4. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (7) die Aussenwand des ersten Dielektrikums (1) nur in dem Abschnitt bedeckt, der dem Stab als dem zweitem Dielektrikum (3) zugeordnet und als Reflektor ausgebildet ist.

5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode und der Reflektor als Materialausnehmungen, vorzugsweise Rillen (9), in einem Metallkörper (8) ausgebildet sind.

6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Metallkörper (8) Kühlbohrungen (10) vorgesehen sind, welche die Materialausnehmungen (9) nicht anschneiden.

7. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Materialausnehmungen (9) dem Aussendurchmesser des ersten Dielektrikums (1) angepasst ist und die Aus-nehmungswandungen als UV-Reflektoren ausgebildet sind.

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