CH677557A5

CH677557A5 -

Info

Publication number: CH677557A5
Application number: CH1140/89A
Authority: CH
Inventors: Guenter Dr Mechtersheimer
Original assignee: Asea Brown Boveri
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1989-03-29
Publication date: 1991-05-31
Also published as: DE59005866D1; JPH02288061A; EP0389980A1; ATE106606T1; US5049777A; EP0389980B1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum, dessen Wandung durch ein rohrförmi-ges 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.

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.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

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 Weifenlängen für photochemische Grundlagenexperimente bereitgestellt, sind z.2t. 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 (< 1 Mikrosekunde) vorhandenen Stromfilamenten dieser Entladung werden durch Elektronenstoss Edelgasatome angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiterreagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Na-nosekunden 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 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

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 und den Aufbau sehr grosser Flächenstrahler ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem Hochleistungsstrahler der eingangs genannten Gattung ist er-findungsgemäss 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 Wechseistromquelle verbunden sind.

Mit derart ausgebildeten Strahlerelementen lassen sich grossflächige Strahler modular aufbauen, bei denen beliebige Geometrien aus unter sich gleichartigen oder ähnlichen, jeweils in sich abgeschlossenen Entladüngsröhrchen 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.

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.

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

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je nach gewünschtem Wellenlängenspektrum zu beträchtlichen Einsparungen an Materialkosten führen.

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

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 Flachsfrahlers analog Fig. 3 jedoch mit auf eine Flachseite gestellten Dielektrikumsrohren mit Rechteckprofil und Drahtelektroden.

Wege zur Ausführung der Erfindung

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 miteingegossene 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.

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 miteinander verbundenen Kontaktelemente 5 an beiden Rohrenden angeschlossen sind.

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 20 000 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.

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.

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

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Füllgas

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

165-190,200-240 nm

160-190 nm 337-415 nm

240-255 nm 200-240 nm

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

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

124,140-160 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, Bfe, CI2 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 Q-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 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-.

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, weiche 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 Kühlmöglichkeit besteht darin, in der Giessmasse in Rohrlängsrichtung verlaufende Kühlkanäle, z.B. durch Miteingiessen von Rohren 15a, vorzusehen.

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 dünne Metallrohre 19 verwendet werden, durch welche eine nichtleitende Kühlflüssigkeit geleitet werden kann, wie es im rechten Modul der Fig. 4 veranschaulicht ist.

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.

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.

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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.

Claims

Patentansprüche

1. Hochleistungsstrahler, 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 Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Giessmasse (2) Kühlkanäle (15,15a) eingebettet sind.

5. Hochieistungsstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Elektroden (3,4; 13,14; 18) Kühlvorrichtungen (15,16; 19) zugeordnet sind, die in unmittelbarem thermischem Kontakt zu den Elektroden stehen.

6. Hochieistungsstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei streifenförmigen Elektroden (13,14) die Kühlvorrichtung als mit der Elektrode verbundene Kühlröhre (15,16) ausgebildet sind.

7. Hochieistungsstrahler nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden als Kühlkanäle (15,16; 19) ausgebildet sind.

8. Hochieistungsstrahler 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.

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