DE4010809A1

DE4010809A1 - High power esp. ultraviolet emitter - with electrode arrangement providing high efficiency

Info

Publication number: DE4010809A1
Application number: DE19904010809
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr Gellert
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1989-04-11
Filing date: 1990-04-04
Publication date: 1990-10-18

Abstract

In a high power (esp. UV) emitter with a gas-filled discharge space (6) having walls formed by first (1) and second (2) dielectrics and on their surfaces remote from the discharge space, with first and second electrodes (3,4) connected to an a.c. source (5), the novelty is that the first electrodes (3) are on or in the first dielectric (1), the second electrodes (4) are or or in the second dielectric (2) the shortest connection between a first and a second electrode is inclined to the central plane (8) between the two dielectrics, and the electrodes are each connected to one pole of the a.c. source (5). USE/ADVANTAGE - Emitter is esp. an UV or VUV emitter useful for photochemical processes. It has high efficiency, is economical to mfr. and can be designed as a large surface emitter.

Description

Technical area

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem mit unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendendem Füllgas gefüllten Entladungsraum, dessen Wandungen durch ein erstes und ein zweites Dielektrikum gebildet sind, welches auf seinen dem Entladungsraum abgewandten Oberflächen mit ersten und zweiten Elektroden versehen ist, mit einer an die ersten und zweiten Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung.The invention relates to a high-power radiator, especially for ultraviolet light, with an under Discharge conditions radiation emitting filling gas filled Discharge space, the walls of which through a first and a second dielectric are formed, which on his the Discharge space facing away from surfaces with first and second Electrodes are provided, with one to the first and second Electrode connected AC power source to power the Discharge.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der EP-A 0 54 111, der US-Patentanmeldung 07/0 76 926 oder auch der EP-Patentanmeldung 88 113 593.3 vom 22.08.1988 oder der US-Patentanmeldung 07/2 60 869 vom 21.10.1988 ergibt.The invention makes reference to a prior art, as it is known from EP-A 0 54 111, the US patent application 07/0 76 926 or the EP patent application 88 113 593.3 from 22.08.1988 or the US patent application 07/2 60 869 of 21.10.1988 results.

Technological background and State of the art

Der industrielle Einsatz photochemischer Verfahren hängt stark von der der Verfügbarkeit geeigneter UV-Quellen ab. Die klas sischen UV-Strahler liefern niedrige bis mittlere UV-Intensi täten bei einigen diskreten Wellenlängen, wie z.B. die Queck silber-Niederdrucklampen bei 185 nm und insbesondere bei 254 nm. Wirklich hohe UV-Leistungen erhält man nur aus Hochdruck lampen (Xe, Hg), die dann aber ihre Strahlung über einen grö ßeren Wellenlängenbereich verteilen. Die neuen Excimer-Laser haben einige neue Wellenlängen für photochemische Grundlagen experimente bereitgestellt, sind z.Zt. aus Kostengründen für einen industriellen Prozeß wohl nur in Ausnahmefällen ge eignet.The industrial use of photochemical processes depends strongly from the availability of suitable UV sources. The klas UV lamps provide low to medium UV intensity At some discrete wavelengths, e.g. the mercury silver low-pressure lamps at 185 nm and in particular at 254 nm. Really high UV powers are only obtained from high pressure lamps (Xe, Hg), but then their radiation over a grö Distribute ßeren wavelength range. The new excimer laser have some new wavelengths for photochemical bases provided experiments, are currently for cost reasons for an industrial process probably only in exceptional cases ge suitable.

In der eingangs genannten EP-Patentanmeldung oder auch in dem Konferenzdruck "Neue UV- und VUV Excimerstrahler" von U. Ko gelschatz und B. Eliasson, verteilt an der 10. Vortragstagung der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Fachgruppe Photochemie, in Würzburg (BRD) 18.-20. November 1987, wird ein neuer Exci merstrahler beschrieben. Dieser neue Strahlertyp basiert auf der Grundlage, daß man Excimerstrahlung auch in stillen elek trischen 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 an geregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiter reagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Nanosekunden und geben beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung ab.In the aforementioned EP patent application or in the Conference print "New UV- and VUV Excimerstrahler" by U. Ko Gelschatz and B. Eliasson, distributed at the 10th Lecture the German Chemical Society, Department of Photochemistry, in Würzburg (FRG) 18.-20. November 1987, a new Exci described merstrahler. This new radiator type is based on the basis that one excimer radiation in silent elek a discharge type, the in the ozone production is used in large scale. In the only briefly (<1 microsecond) existing Stromfilamenten This discharge becomes noble gas atoms by electron impact excited, which continues to excited molecular complexes (excimers) react. These excimers live only a few 100 nanoseconds and give their binding energy in the form of decay UV radiation off.

Der Aufbau eines derartigen Excimerstrahlers entspricht bis hin zur Stromversorgung weitgehend dem eines klassichen Ozon erzeugers, mit dem wesentlichen Unterschied, daß mindestens eine der den Entladungsraum begrenzenden Elektroden und/oder Dielektrikumsschichten für die erzeugte Strahlung durchlässig ist.The structure of such Excimerstrahlers corresponds to towards the power supply largely that of a classic ozone generator, with the essential difference that at least one of the discharge space limiting electrodes and / or Dielectric layers permeable to the generated radiation is.

Die genannten Hochleistungsstrahler zeichnen sich durch hohe Effizienz, wirtschaftlichen Aufbau aus und ermöglichen die Schaffung großer Flächenstrahler. Dabei wurde jedoch der Ab strahlungscharakteristik der Entladung zu wenig Beachtung ge schenkt: die Auskopplung der Strahlung erfolgt nämlich re gelmäßig in Richtung der Teilentladungsachse. Dort beobachtet man aber gerade ein relatives Minimum der Emission. The high-power lamps mentioned are characterized by high Efficiency, economic structure and enable the Creation of large area floodlights. However, the Ab radiation characteristic of the discharge too little attention ge gives: the decoupling of the radiation is namely re in the direction of the partial discharge axis. Watched there but you just a relative minimum of the emission.

Brief description of the invention

Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung die Auf gabe zugrunde, einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für UV- oder VUV-Strahlung, zu schaffen, der sich insbesondere durch hohe Effizienz auszeichnet, wirtschaftlich zu fertigen ist, den Aufbau sehr großer Flächenstrahler ermöglicht.Starting from the prior art, the invention is the Auf task, a high-power radiator, in particular for UV or VUV radiation, in particular, to create characterized by high efficiency, economical production is, the construction of very large area radiator allows.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die ersten Elektroden auf oder in dem ersten Dielektri kum, die zweiten Elektroden auf oder in dem zweiten Dielektri kum angeordnet sind, daß die kürzeste Verbindung zwischen je einer ersten und zweiten Elektrode schräg zur Mittelfläche zwischen den beiden Dielektrika verläuft, und daß die ersten und zweiten Elektroden je an einen Pol einer Wechselstrom quelle angeschlossen sind.To solve this problem, the invention provides that the first electrodes on or in the first Dielektri kum, the second electrodes on or in the second Dielektri kum are arranged that the shortest connection between each a first and second electrode oblique to the central surface between the two dielectrics, and that the first and second electrodes each to a pole of an alternating current source are connected.

Mit dieser Anordnung der Elektroden wird erreicht, daß die "Haupt"-Emission unter größeren Winkeln abgestrahlt wird und die Strahlung von möglichst großen Bereichen der Entladungs länge ausgenützt wird.With this arrangement of the electrodes is achieved that the "Main" emission is emitted at larger angles and the radiation from the largest possible areas of the discharge length is utilized.

Brief description of the drawings

In der Zeichnung sind Ausführungsformen von Hochleistungs strahlern in stark vereinfachter Form dargestellt; dabei zeigtIn the drawing, embodiments of high performance radiators in a simplified form; shows

Fig. 1 einen Flächenstrahler mit plattenförmigen Dielek trika und streifenförmigen Elektroden; Figure 1 shows a surface radiator with plate-shaped Dielek trika and strip-shaped electrodes.

Fig. 2 einen Flächenstrahler mit plattenförmigen Dielek trika und Elektroden aus Runddraht; Figure 2 shows a surface radiator with plate-shaped Dielek trika and electrodes made of round wire.

Fig. 3 einen Flächenstrahler analog Fig. 1 mit streifenför migen Elektroden, die in die äußere Dielektrikums oberfläche eingelassen sind; Figure 3 shows a surface radiator analogous to Figure 1 with streifenför shaped electrodes which are embedded in the outer surface of the dielectric.

Fig. 4 einen Flächenstrahler entsprechend Fig. 3 jedoch mit Runddrahtelektroden, Fig. 4 is a flat antenna according to Fig. 3, but with round wire electrodes,

Fig. 5 eine Ausführungsform mit in das Dielektrikum einge betteten streifenförmigen Elektroden; Fig. 5 shows an embodiment with in the dielectric bedded strip-shaped electrodes;

Fig. 6 eine Ausführungsform mit in das Dielektrikum einge betteten Runddrahtelektroden; Fig. 6 shows an embodiment with embedded in the dielectric embedded round wire electrodes;

Fig. 7 eine Ausführungsform mit gewellten Dielektrika, wo bei die Elektroden in den Wellentälern angeordnet sind;7 shows an embodiment with wavy dielectrics are located at where the electrodes in the wave troughs.

Fig. 8 eine Ausführungsform mit Dielektrikum in Sägezahn form mit Elektroden mit Vierkant-Querschnitt; Figure 8 shows an embodiment with dielectric in sawtooth form with electrodes with square cross-section.

Fig. 9 einen Rundstrahler mit Runddrahtelektroden. Fig. 9 is an omnidirectional antenna with round wire electrodes.

Detailed description of the invention

In Fig. 1 sind zwei dielektrische Platten 1, 2 aus UV-durch lässigem Material, z.B. Quarz, im Abstand von wenigen Millime tern bis 30 mm, durch (nicht dargestellte Distanzstücke) von einander angeordnet. Die äußeren Oberflächen sind mit strei fenförmigen Elektroden 3, 4 versehen, die senkrecht zur Zei chenebene und parallel zueinander verlaufen. Die Elektroden 3 auf der Platte 1 sind gegenüber den Elektroden 4 der Platte 2 versetzt. Die Elektroden 3 und 4 sind jeweils untereinander verbunden und an die beiden Pole einer Wechselstromquelle ge führt. Die Wechselstromquelle entspricht grundsätzlich jenen, wie sie zur Anspeisung von Ozonerzeugern verwendet werden. Ty pisch liefert sie eine einstellbare Wechselspannung in der Größenordnung von mehreren 100 Volt bis 20 000 Volt bei Fre quenzen im Bereich des technischen Wechselstroms bis hin zu einigen 1000 kHz - abhängig von der Elektrodengeometrie, Druck im Entladungsraum 6, der an den Plattenrändern verschlossen ist, und Zusammensetzung des Füllgases.In Fig. 1, two dielectric plates 1 , 2 of UV-permeable material, such as quartz, at a distance of a few millimeters to 30 mm, by (not shown spacers) of each other. The outer surfaces are provided with strei fenförmigen electrodes 3 , 4 , the plane perpendicular to Zei and parallel to each other. The electrodes 3 on the plate 1 are offset from the electrodes 4 of the plate 2 . The electrodes 3 and 4 are each interconnected and leads to the two poles of an AC power source. The AC source basically corresponds to those used to feed ozone generators. Typically, it supplies an adjustable alternating voltage of the order of several 100 volts to 20,000 volts at frequencies in the range of the technical alternating current up to a few 1000 kHz - depending on the electrode geometry, pressure in the discharge space 6 , which is closed at the plate edges, and composition of the filling gas.

Das Füllgas ist, z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metall dampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases, vorzugsweise Ar, He, Ne, als Puffergas.The filling gas is, e.g. Mercury, rare gas, inert gas metal vapor mixture, inert gas-halogen mixture, optionally under Use of an additional additional noble gas, preferably Ar, He, Ne, as a buffer gas.

Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz/Substanzgemisch gemäß nachfolgender Tabelle Verwendung finden:Depending on the desired spectral composition of the radiation can thereby a substance / substance mixture according to the following Use the table:

Füllgasfilling gas Strahlungradiation Helium|60-100 nmHelium | 60-100 nm Neonneon 80-90 nm80-90 nm Argonargon 107-165 nm107-165 nm Argon + FluorArgon + fluorine 180-200 nm180-200 nm Argon + ChlorArgon + chlorine 165-190 nm165-190 nm Argon + Krypton + ChlorArgon + krypton + chlorine 165-190, 200-240 nm165-190, 200-240 nm Xenonxenon 160-190 nm160-190 nm Stickstoffnitrogen 337-415 nm337-415 nm Kryptonkrypton 124, 140-160 nm124, 140-160 nm Krypton + FluorKrypton + fluorine 240-255 nm240-255 nm Krypton + ChlorKrypton + chlorine 200-240 nm200-240 nm Quecksilbermercury 185, 254, 320-370, 390-420 nm185, 254, 320-370, 390-420 nm Selenselenium 196, 204, 206 nm196, 204, 206 nm Deuteriumdeuterium 150-250 nm150-250 nm Xenon + FluorXenon + fluorine 340-360 nm, 400-550 nm340-360 nm, 400-550 nm Xenon + ChlorXenon + chlorine 300-320 nm300-320 nm

Daneben kommen eine ganze Reihe weiterer Füllgase in Frage:In addition, a whole series of other filling gases come into question:

a noble gas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) or Hg with a gas or vapor of F 2 , J 2 , Br 2 , Cl 2 or a compound which in the discharge contains one or more atoms F, J, Br or cleaves Cl;
a noble gas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) or Hg with O 2 or a compound which splits off one or more O atoms in the discharge;
- a noble gas (Ar, He, Kr, Ne, Xe) with Hg.

In der sich bildenden stillen elektrischen Entladung (silent discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften Druck und/oder Tempe ratur im Entladungsraum optimal eingestellt werden.In the forming silent electric discharge (silent discharge), the electron energy distribution by thickness the dielectrics and their properties pressure and / or temperature be optimally adjusted in the discharge space.

Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3, 4 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen 7 (Teilentladungen) im Entladungsraum 6 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlußendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.When an AC voltage is applied between the electrodes 3 , 4 , a multiplicity of discharge channels 7 (partial discharges) are formed in the discharge space 6 . These interact with the atoms / molecules of the filling gas, which ultimately leads to UV or VUV radiation.

Diese verläßt den Entladungsraum durch die (UV-)transparenten Zonen zwischen benachbarten Elektroden 1 bzw. 2. Durch die versetzte Anordnung der Elektroden auf beiden Platten 1 und 2 verlaufen die Teilentladungen unter einem Winkel α < 90° ge genüber einer gedachten Mittelfläche 8 zwischen den Platten 1 und 2. Auf diese Weise wird ein möglichst großer Bereich der Entladungslänge ausgenutzt.This leaves the discharge space through the (UV) transparent zones between adjacent electrodes 1 and 2 respectively. Due to the staggered arrangement of the electrodes on both plates 1 and 2 , the partial discharges extend at an angle α <90 ° ge compared to an imaginary central surface 8 between the plates 1 and 2 . In this way, the largest possible extent of the discharge length is utilized.

Der optimale Winkel α - er hängt u.a. auch von der Breite der Streifenelektroden 3, 4 und der Spaltweite ab - liegt zwischen 10 und 60 Grad. The optimum angle α - it also depends inter alia on the width of the strip electrodes 3 , 4 and the gap width - is between 10 and 60 degrees.

Anstelle von streifenförmigen Elektroden 1, 2 können die Elek troden auch als Drahtelektroden 9, 10 ausgebildet sein, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist. Entsprechend der Lehre der Er findung sind die Drahtelektroden 9, 10 gegeneinander versetzt. Der Winkel α liegt auch hier vorzugsweise zwischen 10 und 60 Grad.Instead of strip-shaped electrodes 1 , 2 , the elec trodes may also be formed as wire electrodes 9 , 10 , as illustrated in Fig. 2. According to the teaching of the invention, the wire electrodes are He 9 , 10 offset from each other. The angle α is here also preferably between 10 and 60 degrees.

Bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 und Fig. 4 sind die Elektroden 3, 4 bzw. 9, 10 in Nuten in der äußeren Oberfläche der Platten 1, 2 angeordnet.In the embodiments according to FIG. 3 and FIG. 4, the electrodes 3, 4 and 9, respectively, arranged in grooves in the outer surface of the plates 1, 2 are 10.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 und 6 sind die Elektroden 3, 4 bzw. 9, 10 in den Platten 1, 2 eingebettet.In the embodiment according to FIGS. 5 and 6, the electrodes 3 , 4 and 9 , 10 are embedded in the plates 1 , 2 .

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform mit gewellten dielektrischen Platten 11, 12, Fig. 8 eine solche mit Platten 13, 14 mit Sä gezahnprofil. In Fig. 7 liegen die Elektroden 9, 10 mit kreis rundem Querschnitt jeweils in aufeinanderfolgenden Wellentä lern auf der äußeren Oberfläche der Platten 11, 12. Bei Fig. 8 liegen Elektroden 15, 16 mit quadratischem Querschnitt eben falls in den Wellentälern der Platten 13, 14. Fig. 7 shows an embodiment with corrugated dielectric plates 11 , 12 , Fig. 8, one with plates 13 , 14 with Sä gezahnprofil. In Fig. 7 are the electrodes 9 , 10 with circular circular cross-section each in successive Wellentä learning on the outer surface of the plates 11 , 12th In Fig. 8 are electrodes 15 , 16 with a square cross section just in case in the troughs of the plates 13 , 14th

Gemeinsames Merkmal der Varianten nach den Fig. 3 bis 8 ist die Versetzung der Elektroden der einen Platte 1 gegenüber den Elektroden der anderen Platte 2.A common feature of the variants according to FIGS. 3 to 8 is the displacement of the electrodes of one plate 1 with respect to the electrodes of the other plate 2 .

Neben Flächenstrahlern läßt sich die erfindungsgemäße Ver setzung der Elektroden auch bei Zylinderstrahlern mit Erfolg anwenden. Der Zylinderstrahler nach Fig. 9 besteht aus zwei konzentrisch angeordneten Quarzrohren 17, 18. Der Ringspalt zwischen den beiden Rohren bildet den Entladungsraum 6. Auf der inneren Oberfläche des inneren Rohres 17 sind im Bei spielsfall 8 Drahtelektroden 9 gleichmäßig verteilt angeord net, die an einem Rohrende elektrisch untereinander verbunden sind. In addition to surface radiators, the inventive Ver reduction of the electrodes can also be used with cylindrical radiators with success. The cylindrical radiator according to FIG. 9 consists of two concentrically arranged quartz tubes 17 , 18 . The annular gap between the two tubes forms the discharge space 6 . On the inner surface of the inner tube 17 are in the case of game 8 wire electrodes 9 evenly distributed angeord net, which are electrically connected to one another at one end of the tube.

Die äußere Oberfläche des äußeren Rohres 18 ist gleichfalls mit 8 Drahtelektroden 10 versehen. Die äußeren Elektroden 10 sind im Beispielsfall - den halben Winkelabstand zwischen den inneren Elektroden 9 - um 22,5° in Umfangsrichtung versetzt.The outer surface of the outer tube 18 is also provided with 8 wire electrodes 10 . The outer electrodes 10 are in the example case - the half angular distance between the inner electrodes 9 - offset by 22.5 ° in the circumferential direction.

Wie Fig. 9 deutlich erkennen läßt, verläuft die kürzeste Ver bindung zwischen zwei Elektroden 9 und 10 schräg gegenüber der Normalebene 19 an die Mittelfläche 8 (hier ein Zylinder) im Durchstoßungspunkt der kürzesten Verbindung durch die Mittel fläche 8.As can be clearly seen Fig. 9, the shortest Ver connection between two electrodes 9 and 10 extends obliquely with respect to the normal plane 19 to the central surface 8 (here a cylinder) in the piercing point of the shortest connection through the middle surface. 8

Auch bei einem Zylinderstrahler können die Elektroden auch streifenförmig analog Fig. 1, 3 und 5 ausgebildet sein.Even with a cylindrical radiator, the electrodes can also be strip-shaped analogous to FIGS. 1, 3 and 5.

Auch ist es möglich, die Elektroden in Nuten auf den dem Ent ladungsraum 6 abgewandten Rohrflächen anzuordnen oder sie in das Rohrmaterial einzubetten.It is also possible to arrange the electrodes in grooves on the discharge chamber 6 facing away from the tube surfaces or embed them in the tube material.

Grundsätzlich können bei einem Zylinderstrahler nach Fig. 9 die Rohre 17 und 18 auch nicht glatt, sondern entsprechend Fig. 7 und 8 gewellte oder sägezahnförmige Wände aufweisen.In principle, in the case of a cylindrical radiator according to FIG. 9, the tubes 17 and 18 may also not have smooth but, according to FIGS. 7 and 8, corrugated or sawtooth-shaped walls.

Claims

1. High-power radiator, in particular for ultraviolet light, filled with a discharge gas under discharge discharge radiation filling gas discharge space ( 6 ) whose walls are formed by a first tubular ( 1 ) and a second dielectric ( 2 ), which on its the discharge space ( 5 surfaces) facing away from the first and second electrodes is provided, selstromquelle with a connected to the first and second electrodes Wech (5) for feeding the discharge, characterized in that the first (3; 9; 15) and second electrode (4; 10 16 ) on or in the first dielectric ( 1 ; 11 ; 13 ; 18 ), the second electrodes ( 4 ; 10 ; 16 ) are arranged on or in the second dielectric ( 2 ; 12 ; 14 ; 17 ) the shortest connection between each of a first and second electrode obliquely to Mittelflä surface ( 8 ) between the two dielectrics extends, and that the first and second electrodes depending on a pole of a Wec The power source ( 5 ) are connected.

2. High-power radiator according to claim 1, characterized in that the electrodes as parallel strips ( 3 ) or wires ( 9 ) on the outer surface of the dielectrics ( 1 , 2 , 11 , 12 , 13 , 15 , 17 , 18 ) on or in Nute are arranged.

3. High-power radiator according to claim 1, characterized gekenn records that the electrodes are inserted into the dielectric are bedding.

4. High-power radiator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the dielectric of planar plates ( 1 , 2 ), corrugated plates ( 11 , 12 ) or plates with saw tooth profile ( 13 , 14 ).

5. High-power radiator according to claim 4, characterized in that in corrugated or sawtooth plates, the electrodes ( 9 , 10 , 15 , 16 ) are arranged in the troughs at the senseite from.

6. High-power radiator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the two dielectrics consist of concentrically arranged one another pipes ( 17 , 18 ).