DE4203345A1

DE4203345A1 - Hochleistungsstrahler

Info

Publication number: DE4203345A1
Application number: DE19924203345
Authority: DE
Inventors: Klaus-Juergen Dr Balg
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Asea Brown Boveri Ltd; ABB AB
Priority date: 1992-02-06
Filing date: 1992-02-06
Publication date: 1993-08-12

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem Entladungs raum, der mit einem Füllgas gefüllt ist, das unter Entladungs bedingungen Strahlung aussendet, wobei die Wand des Entla dungsraums zumindest teilweise durch ein erstes Dielektrikum gebildet ist, welches auf seiner dem Entladungsraum abgewand ten Oberfläche mit metallischen gitter- oder netzförmigen Außenelektroden versehen ist, welche Außenelektroden mit einer UV-transparenten Schutzschicht überzogen sind und/oder in ei ner solchen eingebettet sind, und mit einer zweiten Elektrode, die entweder selbst an den Entladungsraum angrenzt oder ein zweites Dielektrikum aufweist, das an den Entladungsraum an grenzt, und mit einer an die ersten und zweiten Elektroden an geschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich etwa aus der älteren europäischen Anmeldung 9 11 08 604.9 vom 27. Mai 1991 der Anmelderin ergibt.

Technologischer Hintergrund und Stand der Technik

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-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. Vortragsta gung der Gesellschaft Deutscher Chemiker, Fachgruppe Photoche mie, 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 Stromfila menten dieser Entladung werden durch Elektronenstoß Edelgasa tome angeregt, die zu angeregten Molekülkomplexen (Excimeren) weiterreagieren. Diese Excimere leben nur einige 100 Nanose kunden 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 klassischen Ozon erzeugers, mit dem wesentlichen Unterschied, daß mindestens eine der den Entladungsraum begrenzenden Elektroden und/oder Dielektrikumsschichten für die erzeugte Strahlung durchlässig ist. Diese Elektroden müssen neben der hohen UV-Transmission u. a. noch folgende Eigenschaften aufweisen: gute Leitfähigkeit des elektrischen Stromes, geringe Kosten, gute Biegsamkeit zur Herstellung eines möglichst innigen Kontaktes mit dem Dielek trikum und lange Lebensdauer. Die lange Lebensdauer erfordert insbesondere eine geringe chemische Reaktivität mit der Umge bung des Strahlers. Will man den Strahler als Lichtquelle in chemischen Reaktoren einsetzen, so ist für viele Anwendungen sogar chemische Inertheit gegenüber manchen Substanzen unbe dingt erforderlich.

Eine weitere unerwünschte Reaktion ist die zum Teil heftige Korrosion und Erosion der Außenelektroden und dadurch verur sachte Verschmutzung des Strahlers, der auf diese Weise einen großen Teil der UV-Leistung verliert, da die Schmutzschicht für UV-Licht nahezu undurchlässig ist.

Um die beschriebenen Mängel zu beseitigen, wird in der ein gangs genannten Patentanmeldung vorgeschlagen, zumindest die Außenelektroden mit einer Schutzschicht zu versehen oder sie in eine solche einzubetten. Als Beschichtungs- bzw. Einbet tungsmaterial eignen sich dabei insbesonders Dielektrikums stoffe, die einen guten Kontakt zum Dielektrikum des Strahlers herstellen und gleichzeitig einfach aufzubringen sind. Werden dabei noch Materialien verwendet, die UV-härtend sind, können diese durch den Strahler selbst extrem schnell härten. Charak teristisch für den Gegenstand der älteren Anmeldung ist die Verwendung organischer Einbettungsmaterialien.

Kurze Darstellung der Erfindung

Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zu grunde, die Außenelektrode zuverlässig gegen Korrosion und Erosion zu schützen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schutzschicht als wesentlichen Bestandteil anorganische Oxide, insbesondere Oxide des Siliziums, enthält.

Vorzugsweise kommt dabei als Schutzschichtmaterial Wasserglas, und zwar sowohl Natrium- als auch Kalium-Wasserglas in Frage. Derartige Schutz schichten sind im hier interessierenden Wel lenlängenbereich (100 bis 600 nm) transparent, wobei die Transparenz bei Wellenlängen unter 200 nm abnimmt.

Die Schutzschicht verhindert Korrosion und Erosion an den Außenelektroden. Darüber hinaus wird auch die Erzeugung von Gleitentladungen längs der Peripherie des Strahlers weitgehend unterdrückt, da die Schutzschicht auch als Isolierung wirkt.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung und die damit erziel baren weiteren Vorteile werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsformen von Hochleistungs strahlern in stark vereinfachter Form dargestellt; dabei zeigt

Fig. 1 einen UV-Zylinderstrahler bekannter Bauart;

Fig. 2 einen Ausschnitt aus dem äußeren Dielektrikumsrohr eines UV-Strahlers mit darauf angeordneter Außenelektrode aus mit Wasserglas beschichtetem Rund draht;

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem äußeren Dielektrikumsrohr eines UV-Strahlers mit darauf angeordneter Außenelektrode aus Runddraht, wobei die gesamte Außenfläche mit einem Beschichtungsmaterial aus Wasser glas versehen ist;

Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem äußeren Dielektrikumsrohr eines UV-Strahlers mit darauf angeordneter Außenelektrode aus Runddraht, der in Vertiefungen des äußeren Dielektrikumsrohrs liegt, die ihrerseits mit einer Beschichtung aus Wasserglas ausgefüllt sind;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus dem äußeren Dielektrikumsrohr eines UV-Strahlers mit darauf angeordneter Außenelektrode aus Runddraht mit einem glatten äußeren Dielektrikumsrohr und einer Dickschichtvergußmasse aus Wasserglas, in welcher die Elektroden eingebettet sind;

Fig. 6 einen Ausschnitt aus einem UV-Strahler, der Strahlung sowohl nach außen als auch nach innen aussendet.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Der in Fig. 1 schematisch dargestellte UV-Hochleistungsstrahler besteht aus einem äußeren Dielektrikumsrohr 1, z. B. aus Quarzglas, einem dazu konzentrisch angeordneten inneren Diel elektrikumsrohr 2, dessen Innenwand mit einer Innenelektrode 3 versehen ist. Der Ringraum zwischen den beiden Rohren 1 und 2 bildet den Entladungsraum 4 des Strahlers. Das innere Rohr 2 ist gasdicht in das äußere Rohr 1 eingesetzt, das vorgängig mit einem Gas oder Gasgemisch gefüllt wurde, das unter Einfluß stiller elektrischer Entladungen UV oder VUV-Strahlung aussendet.

Als äußere Elektrode 5 dient ein Metallnetz oder Metallgit ter, das sich über den gesamten Umfang des äußeren Rohres 1 erstreckt. Sowohl die äußere Elektrode 5 als auch das äußere Dielektrikumsrohr 1 sind für die erzeugte UV-Strahlung durch lässig.

Die Elektroden 3 und 5 sind an die beiden Pole einer Wechsel stromquelle 6 geführt. Die Wechselstromquelle entspricht grundsätzlich jenen, wie sie zur Anspeisung von Ozonerzeugern verwendet werden. Typisch liefert sie eine einstellbare Wech selspannung in der Größenordnung von mehreren 100 Volt bis 20000 Volt bei Frequenzen im Bereich des technischen Wechsel stroms bis hin zu einigen 1000 kHz - abhängig von der Elektro dengeometrie, Druck im Entladungsraum 4 und Zusammensetzung des Füllgases.

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.

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

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 ei ner 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 Elektronenenergieverteilung durch Dicke der Dielektrika und deren Eigenschaften Druck und/oder Tempe ratur im Entladungsraum optimal eingestellt werden.

Bei Anliegen einer Wechselspannung zwischen den Elektroden 3, 5 bildet sich eine Vielzahl von Entladungskanälen (Teilentladungen) im Entladungsraum 4 aus. Diese treten mit den Atomen/Molekülen des Füllgases in Wechselwirkung, was schlußendlich zur UV oder VUV-Strahlung führt.

Im Ausschnitt gemäß Fig. 2 sind die einzelnen Drähte 7 der Außenelektrode mit einer Beschichtung 8 aus Wasserglas verse hen. Diese kann im einfachsten Fall dadurch hergestellt wer den, daß der Draht vor seiner weiteren Verarbeitung in Was serglas getaucht wurde. Bekanntlich polymerisiert das aufgebrachte stark alkalische Wasserglas unter atmoshärischen oder sauren Bedingungen schnell unter Bildung von Polykieselsäuren und bildet dabei die bekannten Eigenschaften aus.

Im Ausschnitt nach Fig. 3 ist nicht nur der Draht, sondern die gesamte Strahleroberfläche mit einer Beschichtung 8a aus Was serglas versehen. Diese Anordnung reduziert für sehr kleine Wellenlängen zwar die UV-Strahlerleistung, läßt sich aber be sonders einfach herstellen, indem der vollständig zusammenge baute Strahler in ein Bad aus Wasserglas getaucht wird, oder ein Wasserglas aufgesprüht oder auch aufgestrichen wird und anschließend aushärtet. Bei einer 308 nm-Strahlung und einer typischen Schichtdicke von 1 bis 2 µm beträgt dabei die Trans mission mehr als 90%.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung liegen die einzelnen Drähte 7 der Außenelektrode 5 in Vertiefungen des äußeren Dielektrikumsrohres 1 und sind vollständig in der Beschichtung 8b aus Wasserglas eingebettet. Die Schicht 8b weist dann längs der Strahleroberfläche abwechselnd unterschiedliche Dicke auf. Da dünne Schichten die erzeugte UV-Strahlung besser durchlas sen als dicke, ergibt sich ein entsprechendes Intensitätsmu ster. Dies ist für Anwendungen von Vorteil, bei denen ein Ob jekt, das mit UV bestrahlt werden soll, längs der Oberfläche bewegt wird und wohldefinierte Belichtungspausen eintreten sollen.

In Fig. 5 schließlich ist die Anordnung von vollständig in ei ner Wasserglasmasse 8c eingebetter Drähte auf einem glatten äußeren Dielektrikumsrohr 1 veranschaulicht.

Neben Zylinderstrahlern läßt sich die erfindungsgemäße Ver setzung der Elektroden auch bei Flächenstrahlern mit Erfolg anwenden. Auch können die Außenelektrode selbst andersartig gestaltet sein, z. B. nicht netz- oder gitterförmig, sondern nur aus parallelen Streifen bestehen, was sich insbesondere bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 anbietet.

Auch können anstelle separater oder diskreter Elektrodenanord nungen solche verwendet werden, die durch streifen- oder git ternetzförmige Metallisierungen auf die Außenfläche des Di elektrikumsrohres 1 aufgebracht sind und dann mit der im Zu sammenhang mit Fig. 3 geschilderten Weise mit einer Schutz schicht versehen werden.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von Ausführungsbeispie len erläutert, die sich auf sogenannte Außenstrahler bezie hen. Die dabei vorgestellten Maßnahmen zum Schutz der Elek troden gelten selbstverständlich auch für einen sogenannten Innenstrahler. Abgesehen von der Lage der transparenten Elek troden 5 entspricht ein solcher Innenstrahler dem in Fig. 1 dargestellten Außenstrahler.

Des weiteren sind auch Strahlerkonfigurationen möglich, bei welchen die UV-Strahlung sowohl nach außen als auch nach in nen abgestrahlt wird. Fig. 6 veranschaulicht einen Ausschnitt aus einem solchen Strahler. Bei solchen Anordnungen müssen beide Dielektrikumsrohre 1, 2 und auch die jeweiligen Elektro den 3, 5 für die erzeugte Strahlung transparent sein. In die sem Fall können dann sowohl die ersten Elektroden 5 als auch die zweiten Elektroden 3 in der oben geschilderten Weise vor chemischen und physikalischen Angriffen optimal geschützt wer den.

Außen- und Innenstrahler werden regelmäßig mit einem flüssi gen Kühlmittel gekühlt. Dieses wird bei Außenstrahlern durch das innere Dielektrikumsrohr 2 geleitet, bei Innenstrahlern umspült das Kühlmittel das äußere Dielektrikumsrohr 1. Auch hier tragen Schutzschichten aus Wasserglas Materialien dazu bei, den Erosionsangriff durch das Kühlmittel zu verhindern oder zumindest zu vermindern.

Claims

1. Hochleistungsstrahler, insbesondere für ultraviolettes Licht, mit einem Entladungsraum (4), der mit einem Füllgas gefüllt ist, das unter Entladungsbedingungen Strahlung aussendet, wobei die Wand des Entladungsraums (4) zumindest teilweise durch ein erstes Dielektrikum (1) gebildet ist, welches auf seiner dem Entladungsraum (4) abgewandten Oberfläche mit metallischen gitter- oder netzförmigen Außenelektroden (5) versehen ist, welche Außenelektroden (5) mit einer UV-transparenten Schutzschicht (8, 8a...) überzogen sind und/oder in einer solchen eingebettet sind, und mit einer zweiten Elektrode (3), die entweder selbst an den Entladungsraum (4) angrenzt oder ein zweites Dielektrikum (2) aufweist, das an den Entladungsraum (4) angrenzt, und mit einer an die ersten (5) und zweiten Elektroden (3) angeschlossenen Wechselstromquelle (6) zur Speisung der Entladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (8; 8a; 8b; 8c) als wesentlichen Bestandteil anorganische Oxide, vorzugsweise Oxide des Siliziums, enthält.

2. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schutzschicht (8,..) im wesentlichen aus Wasserglas oder anderen anorganischen Oxiden besteht.

3. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß nur das Material, aus dem die Außenelektrode (5,3) gefertigt ist, mit der Schutzschicht (8), versehen ist (Fig. 2).

4. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß zumindest die Außenelektrode (5) und zumindest die Oberfläche des ersten Dielektrikums (1) im Bereich der Außenelektrode mit der UV-durchlässigen Schutzschicht (8a) versehen sind (Fig. 3).

5. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des ersten Dielek trikums (1) und/oder die Innenfläche des zweiten Dielek trikums (2) mit regelmäßigen Vertiefungen versehen ist, in welche die Elektroden (5, 3) zumindest teilweise einge bettet ist und die Vertiefungen mit einer Wasserglas- Masse (8b) ausgefüllt sind, welche die Elektroden (5, 3) vollständig bedeckt.

6. Hochleistungsstrahler nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Außenelektrode (5) in eine Schutzschicht (8c) aus einer UV-durchlässigen Masse eingebettet ist.