EP0254111B1

EP0254111B1 - Ultraviolett radiation device

Info

Publication number: EP0254111B1
Application number: EP87109674A
Authority: EP
Inventors: Baldur Dr. Eliasson; Peter Dr. Erni; Michael. Dr Hirth; Ulrich Dr. Kogelschatz
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 1986-07-22
Filing date: 1987-07-06
Publication date: 1992-01-02
Anticipated expiration: 2007-07-06
Also published as: US4837484A; DE3775647D1; EP0254111A1; CH670171A5; CA1288800C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen UV-Strahler mit einem mit Füllgas gefüllten, von Wänden begrenzten Entladungsraum wobei mindestens eine Wand von einem Dielektrikum gebildet wird, mit einer ersten und einer zweiten metallischen Elektrode, wobei die erste Elektrode auf der dem Entladungsraum abgewandten Oberfläche des Dielektrikums angeordnet ist, und einer an die beiden Elektroden angeschlossenen Wechselstromquelle zur Speisung der Entladung, sowie Mitteln zur Leitung der durch stille elektrische Entladungen erzeugten Strahlung in einen Aussenraum.The invention relates to a UV lamp with a discharge space filled with filling gas and delimited by walls, at least one wall being formed by a dielectric, with a first and a second metallic electrode, the first electrode on the surface of the dielectric facing away from the discharge space is arranged, and an alternating current source connected to the two electrodes for supplying the discharge, and means for directing the radiation generated by silent electrical discharges into an outside space.

Die Erfindung nimmt dabei Bezug auf einen Stand der Technik, wie er sich beispielsweise aus der Veröffentlichung "Vacuum-ultraviolet lamps with a barrier discharge in inert gases" Von G.A. Volkova. N.N. Kirillova, E.N. Pavlovskaya and A.V. Yakovleva in der SU-Zeitschrift Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii 41 -(1984) No. 4, 691-695. veröffentlicht in einer englischsprachigen Uebersetzung der Plenum Publishing Corporation 1985. Dok. Nr. 0021-9037/84/4104-1194 $ 08.50. S. 1194 ff., ergibt.The invention relates to a state of the art, such as that obtained from the publication "Vacuum-ultraviolet lamps with a barrier discharge in inert gases" by GA Volkova. NN Kirillova, EN Pavlovskaya and AV Yakovleva in the SU magazine Zhurnal Prikladnoi Spektoskopii 41 - (1984) No. 4, 691-695. published in an English translation by Plenum Publishing Corporation 1985. Doc. No. 0021-9037 / 84 / 4104-1194 $ 08.50. P. 1194 ff., Results.

Stand der TechnikState of the art

Für Hochleistungsstrahler, insbesondere Hochleistungs-UV-Strahler, gibt es diverse Anwendungen wie z.B. Entkeimung, Aushärten von Lacken und Kunstharzen, Rauchgasreinigung, Zerstörung und Synthese spezieller chemischer Verbindungen. Im allgemeinen wird die Wellenlänge des Strahlers sehr genau auf den beabsichtigten Prozess abgestimmt sein müssen. Der bekannteste UV-Strahler ist vermutlich der Quecksilberstrahler, der UV-Strahlung der Wellenlänge 254 nm und 185 nm mit hohem Wirkungsgrad abstrahlt. In diesen Strahlern brennt eine Niederdruck-Glimmentladung in einem Edelgas-Quecksilberdampf-Gemisch.There are various applications for high-performance lamps, especially high-performance UV lamps, e.g. Disinfection, curing of paints and synthetic resins, flue gas cleaning, destruction and synthesis of special chemical compounds. In general, the wavelength of the emitter will have to be matched very precisely to the intended process. The best-known UV lamp is probably the mercury lamp, which emits UV radiation with wavelengths of 254 nm and 185 nm with high efficiency. A low-pressure glow discharge burns in a noble gas-mercury vapor mixture in these lamps.

In der eingangs genannten Veröffentlichung "Vakuum ultraviolet lamps ..." wird eine auf dem Prinzip der stillen elektrischen Entladung basierende UV-Strahlenquelle beschrieben. Dieser Strahler besteht aus einem Rohr aus dielektrischem Material mit Rechteckquerschnitt. Zwei gegenüberliegende Rohrwände sind mit flächenhaften Elektroden in Form von Metallfolien versehen, die an einen Impulsgenerator angeschlossen sind. Das Rohr ist an beiden Enden verschlossen und mit einem Edelgas (Argon. Krypton oder Xenon) gefüllt. Derartige Füllgase bilden beim Zünden einer elektrischen Entladung unter bestimmten Bedingungen sogenannte Excimere. Ein Excimer ist ein Molekül, das aus einem angeregten Atom und einem Atom im Grundzustand gebildet wird.

$z.B. Ar + Ar - Ar \binom{*}{2}$

In the above-mentioned publication "Vacuum ultraviolet lamps ...", a UV radiation source based on the principle of silent electrical discharge is described. This radiator consists of a tube made of dielectric material with a rectangular cross section. Two opposite tube walls are provided with flat electrodes in the form of metal foils, which are connected to a pulse generator. The tube is closed at both ends and filled with an inert gas (argon, krypton or xenon). Such filling gases form so-called excimers when an electrical discharge is ignited under certain conditions. An excimer is a molecule that is formed from an excited atom and an atom in the ground state.

e.g. Ar + Ar - Ar \binom{*}{2nd}

Es ist bekannt, dass die Umwandlung von Elektronenenergie in UV-Strahlung mit diesen Excimeren sehr effizient erfolgt. Bis zu 50 % der Elektronenenergie kann in UV-Strahlung umgewandelt werden, wobei die angeregten Komplexe nur einige Nanosekunden leben und beim Zerfall ihre Bindungsenergie in Form von UV-Strahlung abgehen. Wellenlängenbereiche:

It is known that the conversion of electron energy into UV radiation takes place very efficiently with these excimers. Up to 50% of the electron energy can be converted into UV radiation, whereby the excited complexes only live for a few nanoseconds and their decay energy is released in the form of UV radiation when they decay. Wavelength ranges:

Bei dem bekannten Strahler gelangt das erzeugte UV-Licht bei einer ersten Ausführung über ein stirnseitiges Fenster im dielektrischen Rohr in den Aussenraum. Bei einer zweiten Ausführungsform sind die Breitseiten des Rohres mit Metallfolien versehen, welche die Elektroden bilden. An den Schmalseiten ist das Rohr mit Ausnehmungen versehen, über welche spezielle Fenster geklebt sind, durch welche die Strahlung austreten kann.In the known radiator, the UV light generated in a first embodiment reaches the outside through an end window in the dielectric tube. In a second embodiment, the broad sides of the tube are provided with metal foils which form the electrodes. On the narrow sides, the tube is provided with recesses, over which special windows are glued, through which the radiation can escape.

Der mit dem bekannten Strahler erreichbare Wirkungsgrad liegt in der Grössenordnung von 1 %, also weit unter dem theoretischen Wert von um 50 %, weil sich das Füllgas unzulässig aufheizt. Eine weitere Unzulänglichkeit des bekannten Strahlers ist darin zu sehen, dass sein Lichtaustrittsfenster aus Stabilitätsgründen nur eine vergleichsweise kleine Fläche aufweist.The efficiency that can be achieved with the known radiator is of the order of 1%, which is far below the theoretical value of around 50% because the filling gas heats up inadmissibly. Another inadequacy of the known radiator can be seen in the fact that its light exit window has only a comparatively small area for reasons of stability.

Aus der BE-A-739 064 ist eine UV-Niederdruck-Lampe für das nahe UV-Spektrum bekannt. Die Wandungen dieser Lampe bestehen aus einem UV-durchlässigem Dielektrikum, das auf beiden Seiten mit einer UV-durchlässigen elektrisch leitenden Schicht versehen ist. Diese Dreischicht-Anordnung dient als Kondensator zur Stabilisierung der Lampe. Die äussere der beiden Schichten ist gleichzeitig Elektrode und besteht aus Indium- oder Zinnoxid, also Materialien, welche bekanntlich nur für sichtbares Licht oder das nahe UV transparent sind.A low-pressure UV lamp for the near UV spectrum is known from BE-A-739 064. The walls of this lamp consist of a UV-permeable dielectric, which is provided on both sides with a UV-permeable electrically conductive layer. This three-layer arrangement serves as a capacitor for stabilizing the lamp. The outer of the two layers is also an electrode and consists of indium or tin oxide, i.e. materials which are known to be only transparent to visible light or near UV.

Aus der Zusammenfassung des Dokuments JP-A-60-79662 ist ferner bekannt, der negativen Wirkung, die sich aus einer unzulässigen Aufheizung des Füllgases einer UV-Sterilisationslampe ergibt, dadurch entgegenzutreten, indem ein Kühleffekt auf den Entladungsraum ausgeübt wird.From the summary of document JP-A-60-79662 it is also known to counteract the negative effect which results from an inadmissible heating of the filling gas of a UV sterilization lamp by exerting a cooling effect on the discharge space.

Kurze Beschreibung der ErfindungBrief description of the invention

Ausgehend vom Bekannten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen UV-Strahler zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, mit hohen elektrischen Leistungsdichten betrieben werden kann, die Erzeugung von UV-Strahlung in einem weiten Spektralbereich ermöglicht und den Bau grossflächiger Strahler mit praktisch beliebig grossen Lichtaustrittsflächen zulässt.Based on the known, the invention has for its object to provide a UV lamp that has a high efficiency, can be operated with high electrical power densities, enables the generation of UV radiation in a wide spectral range and the construction of large-area lamps with practically any large light emission areas.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmale.This object is achieved according to the invention by the features characterized in the patent claims.

Auf diese Weise ist ein Hochleistungsstrahler geschaffen, der mit grossen elektrischen Leistungsdichten und hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Die Geometrie des Hochleistungsstrahlers ist in weiten Grenzen dem Prozess anpassbar, in welchem er eingesetzt wird. So sind neben grossflächigen ebenen Strahlern auch zylindrische, die nach innen oder nach aussen strahlen, möglich. Die Entladungen können bei hohem Druck (0.1 - 10 bar betrieben werden. Mit dieser Bauweise lassen sich elektrische Leistungsdichten von 1 - 50 KW/m² realisieren. Da die Elektronenenergie in der Entladung weitgehend optimiert werden kann, liegt der Wirkungsgrad solcher Strahler sehr hoch, auch dann, wenn man Resonanzlinien geeigneter Atome anregt. Die Wellenlänge der Strahlung lässt sich durch die Art des Füllgases einstellen z.B. Quecksilber (185 nm, 254 nm), Stickstoff (337-415 nm), Selen (196, 204, 206 nm), Xenon (119, 130, 147 nm), Krypton (124 nm). Wie bei anderen Gasentladungen empfiehlt sich auch die Mischung verschiedener Gasarten.This creates a high-performance radiator that can be operated with high electrical power densities and high efficiency. The geometry of the high-performance lamp can be adapted to the process in which it is used within wide limits. In addition to large, flat spotlights, cylindrical ones that radiate inwards or outwards are also possible. The discharges can be operated at high pressure (0.1 - 10 bar. With this construction, electrical power densities of 1 - 50 KW / m² can be realized. Since the electron energy in the discharge can be largely optimized, the efficiency of such emitters is very high, too then, if one excites resonance lines of suitable atoms The wavelength of the radiation can be adjusted by the kind of the filling gas eg mercury (185 nm, 254 nm), nitrogen (337-415 nm), selenium (196, 204, 206 nm), xenon (119, 130, 147 nm), Krypton (124 nm) As with other gas discharges, it is also advisable to mix different types of gas.

Der Vorteil dieser Strahler liegt in der flächenhaften Abstrahlung grosser Strahlungsleistungen mit hohem Wirkungsgrad. Fast die gesamte Strahlung ist auf einen oder wenige Wellenlängenbereiche konzentriert. Wichtig ist in allen Fällen, dass die Strahlung durch eine der Elektroden austreten kann. Dieses Problem ist lösbar mit transparenten, elektrisch leitenden Schichten oder aber auch, indem man ein feinmaschiges Drahtnetz oder aufgebrachte Leiterbahnen als Elektrode benützt, die einerseits die Stromzufuhr zum Dielektrikum gewährleisten, andererseits für die Strahlung aber weitgehend transparent sind. Auch kann ein transparenter Elektrolyt, z.B. H₂O, als weitere Elektrode verwendet werden, was insbesondere für die Bestrahlung von Wasser/Abwasser vorteilhaft ist, da auf diese Weise die erzeugte Strahlung unmittelbar in die zu bestrahlende Flüssigkeit gelangt und diese Flüssigkeit gleichzeitig als Kühlmittel dient.The advantage of these emitters is the areal radiation of large radiation outputs with high efficiency. Almost all of the radiation is concentrated in one or a few wavelength ranges. It is important in all cases that the radiation can escape through one of the electrodes. This problem can be solved with transparent, electrically conductive layers or else by using a fine-mesh wire network or applied conductor tracks as electrodes, which on the one hand ensure the current supply to the dielectric, but on the other hand are largely transparent to the radiation. Also, a transparent electrolyte, for example H₂O, can be used as a further electrode, which is particularly advantageous for the irradiation of water / waste water, since in this way the radiation generated passes directly into the liquid to be irradiated and this liquid also serves as a coolant.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1: ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt eines ebenen Flächenstrahlers im Schnitt
Fig. 2: einen zylindrischen nach aussen abstrahlenden Strahler, der in einen Bestrahlungsbehälter für durchströmende Flüssigkeiten oder Gase integriert ist im Schnitt
Fig. 3: einen zylindrischen nach innen abstrahlenden Strahler für photochemische Reaktionen
Fig. 4: eine Abwandlung des Strahlers nach Fig. 1 mit einem beidseits durch ein Dielektrikum begrenzten Enladungsraum
Fig. 5: ein Ausführungsbeispiel eines Strahlers in Gestalt eines doppelwandigen Quarzrohrs.

In the drawing, exemplary embodiments of the invention are shown schematically, and that shows

Fig. 1: an embodiment of the invention in the form of a flat surface radiator in section
Fig. 2: a cylindrical, outward-radiating radiator, which is integrated in a radiation container for fluids or gases flowing through
Fig. 3: a cylindrical inward radiator for photochemical reactions
Fig. 4: 1 with a discharge space delimited on both sides by a dielectric
Fig. 5: an embodiment of a radiator in the form of a double-walled quartz tube.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

Der Hochleistungsstrahler nach Fig. 1 umfasst eine Metallelektrode 1, die auf ihrer einen Seite mit einem Kühlmedium 2, z.B. Wasser, in Kontakt steht. Auf der anderen Seite der Metallelektrode 1 ist - distanziert durch elektrisch isolierende Distanzstücke 3, die punktuell über Fläche verteilt sind - eine Platte 4 aus dielektrischem Material angeordnet. Sie besteht für einen UV-Hochleistungsstrahler z.B. aus Quarz oder Saphir, das für die UV-Strahlung durchlässig ist. Für sehr kurzwellige Strahlungen kommen auch Materialien, wie z.B. Magnesiumfluorid und Calziumfluorid in Frage. Für Strahler, welche Strahlung im sichtbaren Bereich des Lichtes liefern sollen, ist das Dielektrikum Glas. Dielektrikum 4 und Metallelektrode 1 begrenzen einen Entladungsraum 5 mit einer typischen Spaltweite zwischen 1 und 10 mm. Auf der dem Entladungsraum 5 abgewandten Oberfläche der dielektrischen Platte 4 ist ein feines Drahtnetz 6 aufgebracht, von dem nur die Kett- oder Schussfäden in Fig. 1 sichtbar sind. Anstelle eines Drahtnetzes kann auch eine transparente elektrisch leitende Schicht vorhanden sein, wobei für sichtbares Licht die Schicht aus Indium- oder Zinnoxid, für sichtbares und UV-Licht eine 50 - 100 Angström dicke Goldschicht und speziell im UV auch eine dünne Schicht aus Alkalimetallen verwendet werden kann. Eine Wechselstromquelle 7 ist zwischen die Metallelektrode 1 und die Gegenelektrode (Drahtnetz 6) geschaltet.1 comprises a metal electrode 1 which is in contact on one side with a cooling medium 2, for example water. On the other side of the metal electrode 1, a plate 4 made of dielectric material is arranged, spaced apart by electrically insulating spacers 3, which are distributed over a certain area. For a UV high-performance lamp, it consists, for example, of quartz or sapphire, which is transparent to the UV radiation. Materials such as magnesium fluoride and calcium fluoride are also suitable for very short-wave radiation. For spotlights that deliver radiation in the visible range of light the dielectric is glass. Dielectric 4 and metal electrode 1 delimit a discharge space 5 with a typical gap width between 1 and 10 mm. A fine wire mesh 6, of which only the warp or weft threads are visible in FIG. 1, is applied to the surface of the dielectric plate 4 facing away from the discharge space 5. Instead of a wire mesh, there can also be a transparent, electrically conductive layer, the layer of indium or tin oxide being used for visible light, a gold layer 50-100 angstroms thick for visible and UV light, and especially a thin layer of alkali metals in UV can. An AC power source 7 is connected between the metal electrode 1 and the counter electrode (wire mesh 6).

Als Wechselstromquelle 7 können generell solche verwendet werden, wie sie im Zusammenhang mit Ozonerzeugern seit langem eingesetzt werden.As an alternating current source 7, those can generally be used which have long been used in connection with ozone generators.

Der Entladungsraum 5 ist seitlich in üblicher Weise geschlossen, wurde vor dem Verschliessen evakuiert und mit einem inerten Gas, oder einer bei Entladungsbedingungen Excimere bildenden Substanz, z.B. Quecksilber, Edelgas, Edelgas-Metalldampf-Gemisch, Edelgas-Halogen-Gemisch, gefüllt, gegebenenfalls unter Verwendung eines zusätzlichen weiteren Edelgases (Ar, He, Ne) als Puffergas.The discharge space 5 is laterally closed in the usual way, was evacuated before closing and was filled with an inert gas or a substance that forms excimers under discharge conditions, e.g. Mercury, noble gas, noble gas-metal vapor mixture, noble gas-halogen mixture, filled, optionally using an additional further noble gas (Ar, He, Ne) as a buffer gas.

Je nach gewünschter spektraler Zusammensetzung der Strahlung kann dabei eine Substanz gemäss nachfolgender Tabelle Verwendung finden: Füllgas Strahlung Helium 60 - 100 nm Neon 80 - 90 nm Argon 107 - 165 nm Xenon 160 - 190 nm Stickstoff 337 - 415 nm Krypton 124 nm, 140 - 160 nm Krypton + Fluor 240 - 255 nm Quecksilber 185, 254 nm Selen 196, 204, 206 nm Deuterium 150 - 250 nm Xenon + Fluor 400 - 550 nm Xenon + Chlor 300 - 320 nm Depending on the desired spectral composition of the radiation, a substance according to the following table can be used: Filling gas radiation helium 60-100 nm neon 80 - 90 nm argon 107 - 165 nm xenon 160-190 nm nitrogen 337 - 415 nm krypton 124 nm, 140-160 nm Krypton + fluorine 240 - 255 nm mercury 185, 254 nm selenium 196, 204, 206 nm deuterium 150-250 nm Xenon + fluorine 400 - 550 nm Xenon + chlorine 300-320 nm

In der sich bildenden stillen Entladung (dielectric barrier discharge) kann die Elektronenenergieverteilung durch Variation der Spaltweite des Entladungsraumes, Druck und/oder Temperatur (über die Intensität der Kühlung) optimal eingestellt werden.In the silent discharge (dielectric barrier discharge) that forms, the electron energy distribution can be optimally adjusted by varying the gap width of the discharge space, pressure and / or temperature (via the intensity of the cooling).

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind ein Metallrohr 8, ein von diesem distanziertes Rohr 9 aus dielektrischem Material und ein äusseres Metallrohr 10 koaxial ineinander angeordnet. Durch den Innenraum 11 des Metallrohres wird Kühlflüssigkeit oder ein gasförmiges Kühlmittel geleitet. Der Ringspalt 12 zwischen den Rohren 8 und 9 bildet den Entladungsraum. Zwischen dem dielektrischen Rohr 9 (im Beispielsfall ein Quarzrohr) und dem von diesem durch einen weiteren Ringspalt 13 distanzierten äusseren Metallrohr befindet sich die zu bestrahlende Flüssigkeit, im Beispielsfall Wasser, das aufgrund seiner elektrolytischen Eigenschaft die andere Elektrode bildet. Die Wechselstromquelle 7 ist demzufolge an die beiden Metallrohre 8 und 10 angeschlossen.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, a metal tube 8, a tube 9 made of dielectric material and an outer metal tube 10 are arranged coaxially one inside the other. Coolant or a gaseous coolant is passed through the interior 11 of the metal tube. The annular gap 12 between the tubes 8 and 9 forms the discharge space. Between the dielectric tube 9 (a quartz tube in the example) and the outer metal tube spaced from it by a further annular gap 13 is the liquid to be irradiated, in the example water, which forms the other electrode due to its electrolytic property. The AC power source 7 is therefore connected to the two metal tubes 8 and 10.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Strahlung unmittelbar auf das Wasser einwirken kann, das Wasser gleichzeitig als Kühlmittel dient, und damit eine separate Elektrode auf der äusseren Oberfläche des dielektrischen Rohres 9 entbehrlich ist.This arrangement has the advantage that the radiation can act directly on the water, the water also serves as a coolant, and a separate electrode on the outer surface of the dielectric tube 9 is therefore unnecessary.

Ist die zu bestrahlende Flüssigkeit kein Elektrolyt, so kann eine der im Zusammenhang mit Fig. 1 genannten Elektroden (transparente elektrisch leitende Schicht, Drahtnetz) auf die äussere Oberfläche des dielektrischen Rohres 9 aufgebracht sein.If the liquid to be irradiated is not an electrolyte, one of the electrodes mentioned in connection with FIG. 1 can be used (transparent electrically conductive layer, wire mesh) can be applied to the outer surface of the dielectric tube 9.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein mit einer transparenten elektrisch leitenden Innenelektrode 14 versehenes Quarzrohr 9 koaxial in einem Metallrohr 8 angeordnet. Zwischen beiden Rohren 8, 9 erstreckt sich ein ringförmiger Entladungsspalt 12. Das Metallrohr 8 ist unter Bildung eines ringförmigen Kühlspaltes 15, durch den ein Kühlmittel, z.B. Wasser, hindurchleitbar ist, von einem äusseren Rohr 10 umgeben. Die Wechselstromquelle 7 ist zwischen die Innenelektrode 14 und das Metallrohr 8 geschaltet.In the exemplary embodiment according to FIG. 3, a quartz tube 9 provided with a transparent, electrically conductive inner electrode 14 is arranged coaxially in a metal tube 8. An annular discharge gap 12 extends between the two tubes 8, 9. The metal tube 8 is formed to form an annular cooling gap 15 through which a coolant, e.g. Water that can be passed through is surrounded by an outer tube 10. The AC power source 7 is connected between the inner electrode 14 and the metal tube 8.

Wie im Falle der Fig. 2 wird durch den Innenraum 16 des dielektrischen Rohres 9 die zu bestrahlende Substanz geführt und dient - sofern geeignet - gleichzeitig als Kühlmittel.As in the case of FIG. 2, the substance to be irradiated is guided through the interior 16 of the dielectric tube 9 and, if suitable, simultaneously serves as a coolant.

Auch bei der Anordnung nach Fig. 3 kann neben festen, auf dem Rohrinneren angebrachten Innenelektroden 14 (Schichten, Drahtnetz) ein Elektrolyt, z.B. Wasser als Elektrode Verwendung finden.3, in addition to fixed internal electrodes 14 (layers, wire mesh) attached to the inside of the tube, an electrolyte, e.g. Use water as an electrode.

Sowohl bei Aussenstrahlern gemäss Fig. 2 als auch bei Innenstrahlern nach Fig. 3 erfolgt die Distanzierung bzw. relative Fixierung der einzelnen Rohre gegeneinander durch Distanzierungselemente, wie sie in der Ozontechnik verwendet werden.Both with external emitters according to FIG. 2 and with internal emitters according to FIG. 3, the individual tubes are spaced or fixed relative to one another by means of spacing elements, such as are used in ozone technology.

Experimente haben gezeigt, dass es vorteilhaft sein kann, bei bestimmten Füllgasen hermetisch abgeschlossene Entladungsgeometrien, z.B. abgeschmolzene Quarz- oder Glasbehälter, zu verwenden. In einer solchen Konfiguration kommt das Füllgas nicht mehr mit einer metallischen Elektrode in Berührung, die Entladung ist allseits von Dielektrika begrenzt.
Der prinzipielle Aufbau eines derartigen Hochleistungsstrahlers geht aus Fig. 4 hervor. Dort sind die mit Fig. 1 gleichwirkenden Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Der prinzipielle Unterschied zwischen Fig. 1 und Fig. 4 besteht in der Zwischenschaltung eines zweiten Dielektrikums 17 zwischen Entladungsraum 5 und metallischer Elektrode 1. Wie im Falle der Fig. 1 ist die metallische Elektrode 1 durch ein Kühlmedium 2 gekühlt; die Strahlung verlässt den Entladungsraum 5 durch das für die Strahlung durchlässige Dielektrikum 4 und das als zweite Elektrode dienende Drahtnetz 6.Experiments have shown that it can be advantageous to use hermetically sealed discharge geometries, for example melted quartz or glass containers, for certain filling gases. In such a configuration, the filling gas no longer comes into contact with a metallic electrode, and the discharge is limited on all sides by dielectrics.
The basic structure of such a high-power radiator is shown in FIG. 4. There are those with the same effect as Fig. 1 Provide parts with the same reference numerals. The basic difference between FIGS. 1 and 4 consists in the interposition of a second dielectric 17 between the discharge space 5 and the metallic electrode 1. As in the case of FIG. 1, the metallic electrode 1 is cooled by a cooling medium 2; the radiation leaves the discharge space 5 through the dielectric 4 which is permeable to the radiation and the wire mesh 6 serving as the second electrode.

Eine praktische Realisierung eines derartigen Hochleistungsstrahlers ist in Fig. 5 schematisch veranschaulicht. Ein doppelwandiges Quarzrohr 18, bestehend aus einem Innenrohr 19 und einem Aussenrohr 20 ist aussen von einem Drahtnetz 6 umgeben, das als erste Elektrode dient. Die zweite Elektrode ist als Metallschicht 21 an der Innenwandung des Innenrohrs 19 ausgeführt. Die Wechselstromquelle 7 ist an diese beiden Elektroden angeschlossen. Der Ringraum zwischen Innen- und Aussenrohr dient als Entladungsraum 5. Dieser ist durch Abschmelzen des Füllstutzens hermetisch gegenüber dem Aussenraum abgeschlossen. Die Kühlung des Strahlers erfolgt durch Hindurchleiten eines Kühlmittels durch den Innenraum des Innenrohrs 19, wobei zur Kühlmittelführung ein Rohr 23 in das Innenrohr 19 unter Belassung eines Ringraums 24 zwischen Innenrohr 19 und Rohr 23 eingesetzt ist. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels ist durch Pfeile verdeutlicht. Auch der hermetisch abgeschlossene Strahler nach Fig. 5 lässt sich als Innenstrahler analog Fig. 3 betreiben, wenn man die Kühlung aussen anbringt und die UV-durchlässige Elektrode innen.A practical implementation of such a high-power radiator is illustrated schematically in FIG. 5. A double-walled quartz tube 18, consisting of an inner tube 19 and an outer tube 20, is surrounded on the outside by a wire mesh 6, which serves as the first electrode. The second electrode is designed as a metal layer 21 on the inner wall of the inner tube 19. The AC power source 7 is connected to these two electrodes. The annular space between the inner and outer tube serves as a discharge space 5. This is sealed off from the outer space by melting the filler neck. The radiator is cooled by passing a coolant through the interior of the inner tube 19, a tube 23 being inserted into the inner tube 19 to guide the coolant, leaving an annular space 24 between the inner tube 19 and the tube 23. The direction of flow of the coolant is shown by arrows. The hermetically sealed radiator according to FIG. 5 can also be operated as an internal radiator analogous to FIG. 3 if the cooling is fitted on the outside and the UV-permeable electrode on the inside.

Im Lichte der Ausführungen zu den in den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Anordnungen versteht es sich von selbst, dass auch die Hochleistungsstrahler gemäss Fig. 4 und 5 in mannigfaltiger Weise abgewandelt werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen:
So kann bei der Ausführung nach Fig. 4 auf die metallische Elektrode 1 verzichtet werden, wenn das Kühlmedium ein Elektrolyt ist, der gleichzeitig als Elektrode dient. Auch kann das Drahtnetz 6 durch eine elektrisch leitfähige, für die Strahlung durchlässige Schicht ersetzt werden.In the light of the explanations regarding the arrangements described in FIGS. 1 to 3, it goes without saying that the high-power radiators according to FIGS. 4 and 5 can also be modified in a variety of ways without departing from the scope of the invention:
4, the metallic electrode 1 can be dispensed with if the cooling medium is an electrolyte which also serves as an electrode. The wire mesh 6 can also be replaced by an electrically conductive, radiation-permeable layer.

Auch im Falle der Fig. 5 kann das Drahtnetz 6 durch eine derartige Schicht ersetzt werden. Bildet man die Metallschicht 21 als für die Strahlung durchlässige Schicht, z.B. aus Indium- oder Zinnoxid, aus, so kann die Strahlung unmittelbar auf das Kühlmedium, z.B. Wasser, einwirken. Ist das Kühlmittel selbst ein Elektrolyt, so kann dieses die Funktion der Elektrode 21 übernehmen.5, the wire mesh 6 can be replaced by such a layer. If the metal layer 21 is formed as a layer which is transparent to the radiation, e.g. from indium or tin oxide, the radiation can be applied directly to the cooling medium, e.g. Water. If the coolant itself is an electrolyte, this can take over the function of the electrode 21.

Bei den vorgeschlagenen inkohärenten Strahlern wird jedes Volumenelement im Entladungsspalt seine Strahlung in den ganzen Raumwinkel 4π abstrahlen. Will man nur die Strahlung ausnutzen, die aus der UV-durchlässigen Elektrode 6 austritt, kann man die nutzbare Strahlung praktisch verdoppeln, wenn die Gegenelektrode 21 aus einem Material ist, das UV-Strahlung gut reflektiert (z.B. Aluminium). Bei der Anordnung der Fig. 5 könnte die innere Elektrode eine Aluminiumbedampfung sein.In the case of the proposed incoherent emitters, each volume element in the discharge gap will emit its radiation in the entire solid angle 4π. If one only wants to use the radiation that emerges from the UV-permeable electrode 6, the usable radiation can be practically doubled if the counter electrode 21 is made of a material that reflects UV radiation well (e.g. aluminum). 5, the inner electrode could be aluminum vapor deposition.

Für die UV-durchlässige elektrisch leitfähige Elektrode 6 bieten sich auch dünne (0.1-1µm) Schichten aus Alkalimetallen an. Wie bekannt ist, weisen die Alkalimetalle Lithium, Kalium, Rubidium, Cäsium im ultravioletten Spektralbereich eine hohe Transparenz bei geringer Reflexion auf. Auch Legierungen (z.B. 25 % Natrium / 75 % Kalium) bieten sich an. Da die Alkali-Metalle mit Luft (z.T. sehr heftig) reagieren, muss man sie nach der Aufbringung im Vakuum mit einer UV-durchlässigen Schutzschicht (z.B. Mg F₂) versehen.Thin (0.1-1 μm) layers of alkali metals are also suitable for the UV-permeable, electrically conductive electrode 6. As is known, the alkali metals lithium, potassium, rubidium, cesium in the ultraviolet spectral range have a high transparency with little reflection. Alloys (e.g. 25% sodium / 75% potassium) are also suitable. Since the alkali metals react with air (sometimes very violently), they must be provided with a UV-permeable protective layer (e.g. Mg F₂) after application in a vacuum.

Claims

UV radiator having a discharge space (5) filled with filling gas and bounded by walls, at least one wall being formed by a dielectric (4;9;17;19;20), having a first (6;10;14) and a second metallic electrode (1;8;21), the first electrode being disposed on the surface of the dielectric facing away from the discharge space (5) and having an alternating current source (7), connected to the two electrodes, for supplying the discharge, and also having means for conducting the radiation produced by dark electrical discharges into an external space, characterised in that the first electrode is composed of linear or strip-like metal, in that both said first electrode and also the dielectric are transparent to the radiation produced by the dark electrical discharges, and in that at least the second electrode is cooled.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the first electrode is composed of conductor tracks applied to the dielectric.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the second electrode (1;8;21) is a layer which reflects UV light, preferably an aluminium layer.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the filling gas is a noble gas or a noble gas mixture which forms excimers under discharge conditions.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the filling gas is mercury, nitrogen, selenium, deuterium or a mixture of these substances alone or with a noble gas.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the second metal electrode (1) and the dielectric (4) are of plate-type construction and the second metallic electrode (1) is spaced from the dielectric (4) by means of spacing pieces (3).
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the second metal electrode (8) and the dielectric (9) are of tubular construction and form the discharge space (12) between them.
UV radiator according to Claim 7, characterised in that the dielectric (9) surrounds the second metal electrodes [sic] (8) concentrically and is provided on its outer surface with a transparent, electrically conducting layer or is directly adjacent to an electrolyte which forms the first electrode.
UV radiator according to Claim 7, characterised in that the dielectric (9) is disposed concentrically inside the second metal electrode (8) and the inner surface of the dielectric is provided with a transparent, electrically conducting layer (14) or is adjacent to an electrolyte which forms the first electrode.
UV radiator according to Claim 9, characterised in that the second metal electrode (8) is surrounded by a tube (10') with a cooling gap (15) being left, through which cooling gap a coolant can be passed.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the discharge space (5) is essentially formed by two spaced plates (4,17) of dielectric material to which electrodes (6,1) outwardly make contact, one (1) of which is cooled.
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the discharge space (5) is formed by the annular space of two tubes (19, 20) of dielectric material, the surfaces of the tubes facing away from the discharge space (5) being provided with a first electrode (6) which is transparent to the radiation and with a cooled second electrode (21).
UV radiator according to Claim 12, characterised in that the internal surface of the inner tube (19) is provided with an electrode (21), in that a coolant guide tube (23) projects into the internal space of the inner tube (19) and is spaced from the latter, through which tube a coolant can be supplied and can be removed through the annular space (24) between the latter and the inner tube (19) along the said electrode (21).
UV radiator according to Claim 1, characterised in that the filling gas is a noble gas/halogen mixture, preferably an Ar/F, Kr/F, Xe/Cl, or Xe/I mixture.
UV radiator according to one of Claims 1 to 14, characterised in that the filling gas contains a buffer gas in the form of an additional noble gas, preferably Ar, He or Ne.
UV radiator according to one of Claims 1 to 15, characterised in that at least the second electrode (1) is liquid-cooled.