DE7501153U

DE7501153U - Ultraviolett-strahlungsquelle

Info

Publication number: DE7501153U
Application number: DE19757501153
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1974-11-29
Filing date: 1975-01-16
Publication date: 1976-11-25
Also published as: DE2501635C2; DE2501635A1; CH579826A5

Description

Q 75 Ol 153.9 143/74

LU/Kn.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

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Ultraviolett-Strahlungsquelle

Die Neuerung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit hoher spektraler Strahldichte, bei welcher die Strahlung in einer eine thermoemissive Kathode aufweisenden Entladungsröhre mit einer Quecksilber/Argonfüllung durch eine Gleichstrom-Gasentladung bei einem Druck p„ des Quecksilbers zwischen 5 x 10 und 5 x 10" Torr, einem Druck ^pAr ^{des Ar}8°^ns zwischen 0,01 und 10 Torr und einer Stromdichte j des Entladungsstromes I zwischen 1 und 25 A/cm erzeugt wird, und bei welcher die beiden Elektrodenräume ausser durch den Entladungsraum auch durch einen Druckausgleichsraum miteinander verbunden sind.

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Eine rolche Einrichtung - kurz: Hochstrom-Niederdruck-UV-Strahlungsquelle - ist weitgehend in der DT-OS 24 12 997 beschrieben. Sie wird im allgemeinen derart ausgebildet, dass der Entladungsraum die Form eines U aufweist, an dessen Enden die Elektrodenräume sitzen, wobei der Druckausgleichsraum in der Form eines geraden Rohres die Elektrodenräume verbindet.

Andere und ähnliche Formen von UV-Gasentladungs-Strahlungsquellen sind bekannt z.B. aus der US-PS 3·679'9?8, US-rs 3*117'218 und US-PS 3'617'792.

Die Strahlungsquelle nach DT-OS 24 1? 997 weist jedoch den Nachteil auf, dass sie aufgrund der geschilderten Form des Entladungsraumes in viele zu bestrahlende Räume nicht einführbar ist. Ferner ist bei der Strahlungsquelle nach DT-OS 24 12 997 die Strahlungsleistung räumlich noch keineswegs maximal konzentriert.

Der Neuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Strahlungsquelle nach DT-OS 24 12 997 derart zu verbessern, dass sie auch in Räume mit tnger Eintrittsöffnung einführbar ist, und ausserdem auch eine maximale räumliche Leistungskonzentration erzielt wird.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass neuerungsgemäss der Entladungsraum zwei Rohre umfasst, von denen sich das erste Rohr

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im Innern des zweiten Rohres erstreckt, und die genannten Rohre mit den Elektrodenräumen und miteinander derart verbunden und selbst derart gestaltet sind., dass die Entladung auf ihrem Weg von dem einen Elektrodenraum zum anderen zunächst das eine, und dann das andere der beiden genannten Rohre durchläuft.

Vorzugsweise ist das zweite, äussere Rohr als Sackrohr ausgebildet, in welches das erste, innere Rohr hineinragt, wobei beide Rohre an der gleichen Seite jeweils mit einem Elektrodenraum verbunden sind.

Eine derart ausgebildete Strahlungsquelle hat also die Form einer aus der Vakuumtechnik bekannten Kühlfalle. Die Entladung wird zunächst zur Spitze des Rohres, und dann in einer scharfen Krümmung wieder zurückgezwungen.

Es ist für den Fachmann völlig überraschend, dass eine solche Entladung bei den hohen angegebenen Stromdichten brennt und nicht abreisst oder in Plasmaschwingungen gerät. Denn bei den hohen Stromstärken und der scharfen Krümmung an der Spitze der Rohre entstehen elektrische Felder grosser Stärke, die die ohnehin nur sehr schwer zu stabilisierende Entladung erheblich beeinflussen. Im weiteren entstehen auch Temperaturdifferenzen zwischen dem inneren und dem äusseren Rohr, die gleichfalls einen Einfluss auf die Entladung ausüben. Ferner war es auch vor Realisierung

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der Erfindung völlig unklar, ob die in dem äusseren Rohr ablaufende Ringentladung überhaupt stabilisierbar ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispielen, Dabei zeigt:

Fig. 1 Eine Strahlungsquelle nach der Erfindung mit einem Entladungsraum aus zwei konzentrischen Rohren,

Fig. 2 den unteren Teil des Entladungsraumes der Strahlungsquelle nach Fig.-l, und

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Entladungsraum mit zwei . exzentrischen Rohren.

In Fig. 1 umfasst der Entladungsraum ein erstes, inneres Rohr 1, das sich in dem zveiten, äusseren, als Sackrohr ausgebildeten Rohr 2 erstreckt. Das Rohr 1 ist mit dem Elektrodenraum 3, das Rohr 2 mit dem Elektrodenraum 4 verbunden. Zum Auffangen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der vorzugsweise aus Quarz bestehenden Rohre 1,2 und der aus Normalglas bestehenden Elektrodenräume 3,4 sind Schachtelhalmverbindungen 11, 12 vorgesehen. Im Elektrodenraum 3 ist die Anode 6, im Elektrodenraum 4 die Kathode 7 vorgesehen. Die Elektrodenräume 3> ¹^ sind durch den Druck ausgleichsraum 5 miteinander verbunden.

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Λ i.: :Χ. ν ιΚ

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Anode 6 und Kathode 7 sind von elektrisch leitenden, isoliert aufgehängten Hohlsylindern 8, 9 umgeben. Bei der Kathode 7 ist zusätzlich auch ein elektrisch leitend verbundener Hohlzylinder 10 vorgesehen. Die dargestellte Einrichtung ist mit Quecksilber eines Druckes zwischen 5 x 10~* und 5 x 10 Torr, und Argon eines Druckes zwischen 0,01 und 10 Torr gefüllt.

Der Betriebsdruck des Quecksilbers wird durch Regelung dsr Temperatur an der kältesten Stelle 13 der Einrichtung je nach der gewünschten Entladungsstromdichte j_Q auf ein Optimum einge« stellt. _f

Die Strahlungsquelle wird bzgl. Zündung und Regelung der Entladung wie in der DT-OS 24 12 997 beschrieben betrieben. Der Druckausgleichsraum ist wie in DT-OS 24 33 557 beschrieben ausgebildet.

Aufgrund der besonderen Ausbildung des Entladungsraumes wird, in .Abweichung zum Betrieb gemäss DT-OS 24 12 997 zwectanässigerweise der zu einer Stromdichte j_Q gehörende Quecksilber-Druck erhöht.

Vorteilhafterweise wird die Temperatur T_H ^⁰' an der kältesten Stelle 13 der Einrichtung in Punktion der Entladungsstromdichte J_-0 nach folgender Vorschrift eingestellt:

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T_Hs ^<0) (grd) · 2,4 ( ) J₀ (A/cm) ♦ 56 (grd).

Um die wegen der besonderen Form des Entladungsraumes sehr kritische Entladung weit-gehend homogen zu gestalten, sind für die Dimensionierung der Rohre 1 und 2 gewisse Vorschriften zu bear; ht en.

Demnach muss der lichte Radius r. des inneren Rohres 1 zwischen 2 und 10 mm liegen, und müssen die übrigen Radien, die in Fig. 2 bezeichnet sind, folgende Bedingungen erfüllen:

2 2 ¹^. /

L ^{+ r}2 ^-^Rl^^2rl ^{+ r}2

0,5 tin Su = r. - r_n JL. 1,5 mm

Y₂ 2^λ
T₁ * ^r2 ~ ^R] ^entsP^ri°^{nt der} Forderung,

dass die durch das innere Rohr 1 und das äussere Rohr 2 gebildete

2 2

Ringfläche RT- r„ TTgleich der Richten Querschnittsfläche

ρ
r Ifdes Innenrohres 1 ist. Eine kleinere Ringfläche erscheint deshalb nicht geraten, weil dadurch die Entladungsstromdichte j und damit die Temperatur im äuaseren Rohr 2 höher wäre als im inneren Rohr 1, wodurch eine Fehlanpassung der Plasmatemperaturen eintritt.

Die andere Grenzbedingung R. = 2r + r entspricht der Forderung, dass die kürzesten Diffusionswege der angeregten Atome und Ionen

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in der Entladung bis zur Wand im inneren und äusseren Rohr etwa gleich sind. Wäre R₁ - r_!>2r₁, so würden im inneren Rohr 1 relativ zum äusoeren Rohr 2 zuviele angeregte Zustände vorzeitig zur Wand gelangen.

In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die Entladung in einem Entladungsraum der angegebenen Form im weiteren nur deshalb funktionieren kann, weil und wenn die Plasmaten>r>ei'aturen und Konzentrationen der angeregten Ionen im Aussen- und im Innenrohr etwa gleich sind. Wäre das Gas im Aussenr-ohr 2 kalt, wie dies dann der Fall wäre, wenn das Aussenrohr als Druckausgleichsraum fungieren würde und die Elektrodenräume an den beiden Enden der Rohre angebracht wären, so würde alle Strahlung aus dem Innenrohr im Aussenrohr absorbiert: es träte eine Leistungsverminderung ein, und die Temperatur würde wegen der behinderten Abstrahlung übermetssig steigen.

Die Bedingung 0,5 mm<C Δ = γ - r, -^i. 1,5 mm bezieht sich auf die Wandstärke Δ des Innenrohres 1. Sie wird durch die notwendige mechanische Stabilität der Einrichtung einerseits, und 2ine möglichst geringe Volumenverdrängung der Wandung andererseits festgelegt.

Das erste, innere Rohr 1 soll sich innerhalb des zweiten, äusseren Rohres 2 möglichst weit zur Spitze 14 hin erstrecken, jedoch

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höchstens so weit, dass die Querschnittsfläche für die Entladung nirgends kleiner wird als die lichte Querschnittsfläche des ersten, inneren Rohres 1. Sonst tritt hier eine Stromdichteerhöhung ein, die im Zusammenhang mit der scharfen Krümmung eine Instabilität und Inhomogenität der Entladung weiter fördern würde. In der Tat konnte beobachtet werden, dass im Bereich der Spitze 14 die Fusspunkte für sich nach oben erstreckende Inhomogenitäten liegen.

wenn das innere Rohr 1 sich nicht genügend weit zur Spitze hin erstrecht, so wird dadurch zwar nicht die Entladung als solche gestört, jedoch entsteht dann im Bereich der Spitze ein toter Raum ohne jede Entladung. Das Rohr 1 sollte sich daher zweckmässigerweise jedenfalls soweit zur Spitze 14 hin erstrecken, dass die Querschnittsfläche für die Entladung auch nicht grosser wird als das Vierfache der lichten Querschnittsfläche des inneren Rohres 1.

Eine Strahlungsquelle nach der Erfindung wurde wie folgt dimensioniert:

Rp ⁼ 7,5 mm; R-i = 6,1 mm

r = 4,5 mm; r, = 3,55 mm

Länge L ca. 30 cm, Abstand h ca. 8 mm.

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Sie wurde mit folgenden elektrischen Werten betrieben: Entladungsstrom I =2,5A, Stromdichte j =6,25A/cm² Eogenspannung ü\ _ft = 90 V

Spezifische Bogenspannung u „ =1,5 V/cm Qecksilbertemeratur an der Stelle 13 T ^⁰' = 71⁰C, entsprechend einem Hg-Druck p_H =0,0? Torr.

Argon-Druck p_Ar = 0,03 Torr.

Die derart ausgebildete und betriebene Strahlungsquelle zündete und brannte einwandfrei. Bei kleiner Leistung war die Entladung im äusseren ^ohr 2 fadenförmig und asymmetrisch. Bei Nennleistung war die Entla^un^ jedoch nahezu vollkommen -symmetrisch und homogen.

In Fig. 3 ist eine exzentrische Anordnung des inneren Rohres I¹ bzgl. des äusseren Rohres 2¹ dargestellt. Die Mittelpunkte M. und M₂, durch welche die Mittelachse laufen, fallen nicht aufeinander.

Das Verhältnis der Radien R und r der lichten Querschnitte der Rohre I¹ und 2·, R/r liegt zweckmässigerweise zwischen y2 und 2.

Mit einer solchen. Anordnung wird erreicht, dass die Wandverluste im äusseren Rohr vermindert werden,

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- ίο -

Mit einer Strahlungsquelle, die wie oben angeführt dimensioniert war und betrieben wurde, wurden Entkeimungsversuche im Innern von Weinflaschen ausgeführt. Es ergaben sich ausgezeichnete Resultate, wobei ausser der günstigen geometrischen Gestaltung des Entladungsraumes von Bedeutung war, dass die Strahlungsleistung auf einen se-hr kleinen Durchmesser konzentriert war.

Die Strahlungsquelle nach der Erfindung kann nicht nur bei der Entkeimung von Flaschen, sondern auch bei der Entkeimung flaschenartiger Behälter mit Vorteil eingesetzt werden. Darüberhinaus wird sie mit Vorteil in photochemischen Reaktoren eingesetzt, aber auch bei flachen Packstoffen. Bei letzteren wird dann nur die hohe Leistungskonzentration ausgenutzt.

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Claims

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Schut zansprüche

1. Einrichtung zur Erzeugung ultravioletter Strahlung mit hoher spektraler Strahldichte, bei welcher die Strahlung in einer eine thermoemissive Kathode aufweisenden Entladungsröhre mit einer Quecksilber/Argon-Füllung durch eine Gleichstrom-Gasentladung bei einem Druck p„ des Quecksilbers zwischen 5 x 10 und 5 x 10~ Torr, einem Druck p. des Argons zwischen 0,01 und 10 Torr, und einer Stromdichte j des Entladungsstromes I zwischen 1 und 25 A/cm erzeugt wir<*, und bei welcher die beiden Elektrodenräume ausser durch den Entladungsraum auch durch einen Druckausgleichsraum miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungsraum zwei Rohre (1, 2) umfasst, von denen sich aas erste Rohr (1) im Innern des zweiten Rohres (2) erstreckt, und die genannten Rohre (1, 2) mit den Elektrodenräumen (5, ^) und miteinander derart verbunden und selbst darart gestaltet sind, dass die Entladung auf ihrem Weg von dem einen Elektrodenraum (3) zum anderen (Ό zunächst das eine (1), und dann das andere (2) der beiden genannten Rohre (1, 2) durchläuft.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

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das zweite, äussere Rohr (2) als Sackrohr ausgebildet ist β in welches das erste, innere Rohr (1) hineinragt, und beide Rohre (1, 2) an der gleichen Seite jeweils mit einem Elektrodenraum (3, 4) verbunden sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der beiden Rohre (1, 2) so gewählt sind, dass .

Vr 2 2¹J. fajL_
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und

0,5 τηαι^ζ,Λ ¹S γ ~ ¹N ^ 1»5 mm,

■ mit r, s Innendurchmesser des ersten, inneren Rohres (1), r. = Aussendurchmesser des ersten, inneren Rohres (1), R. s Innendurchmesser des zweiten, äusseren Rohres (2),

und Δ s r. - r. s Wandstärke des ersten inneren Rohres (1).

>. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, innere Rohr (I¹) in dem zweiten, äusseren Rohr • (2·) exzentrisch verläuft.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, innere Rohr (1) sich innerhalb des zweiten, äusseren Rohres (2) soweit erstreckt, dass die

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Querschnittsfläche für die Entladung nirgends kleiner wird als die lichte Querschnittsfläche des ersten, inneren Rohre3 (1), aber auch nicht grosser ale das Vierfache der genannten Querschnittsfläche.

BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.

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